在鏡像投影曝光機上使用相移掩膜提高解像力的初步研究

黎午升，惠官寶，崔承鎮，史大為，郭 建，孫 雙，薛建設

(1.京東方科技集團 TFT-LCD技術研發中心，北京 100176； 2.北京京東方光電科技有限公司，北京 100176)

1 引 言

在目前許多現行的分辨率強化技術中，相位移掩模一直是用來提升分辨率的重要工具之一。一般說來，當曝光光源通過傳統掩模后，由于曝光光源發出的光的相位并沒有被偏移，因此，部分光線到達基板表面時產生了光的相長干涉(construction interference)，造成基板表面上不應該被照射到光線的圖形因為干涉作用而有了曝光的現象，使得圖形的分辨率下降。相位移掩膜則是在圖案本身上選擇性使用了一相位移層(phase shifter)。當曝光光源通過相位移掩模的相位移層后，曝光光源發出的光的相位會被位移了一預定角度，使得位移后的光的相位與先前入射的光的相位產生相位差，造成光到達基板表面時，產生了相消干涉(destructive interference)。經由光的相消干涉效應來消除繞射所引起的干涉效應，大幅提升了圖案邊界的分辨率[1-3]。

比較典型的相移掩膜有李文森交替型相移掩膜、無鉻相移掩膜、邊緣相移掩膜、部分邊緣相移掩膜、輔助相移掩膜、連續色調相移掩膜和衰減相移掩膜等等[4-6]。考慮掩膜板的制作精度、成本、交期等風險因素，我們采用無鉻相移掩膜，即用透過率約為8%的相移膜(成分為MoSiOxNy)代替鉻膜。

本文對比分析了傳統掩膜與相移掩膜在相同條件下模擬、實驗的結果，得到結論：在Canon鏡像投影曝光機MPA-7800上使用相移掩膜能增大鏡像投影曝光機分辨率以下間距(線寬)的工藝容限，從而提高了光刻的解像力。

2 軟件模擬和結果分析

2.1 軟件介紹

Athena是美國Silvaco公司推出的一種商用的TCAD工具。TCAD就是Technology Computer Aided Design，指半導體工藝模擬以及器件模擬工具。ATHENA提供了一個易于使用、模塊化的、可擴展的平臺，能對所有關鍵制造步驟(離子注入、擴散、刻蝕、沉積、光刻以及氧化等)進行快速精確的模擬[7-10]。它有一個交互式、圖形化的實時運行環境Deckbuild，在工藝仿真中作為仿真平臺，既有仿真輸入和編輯的窗口，也有仿真輸出和控制的窗口。它還包括了一個應用傅里葉變換方法和光衍射理論的光學模塊(OPTOLITH)。

2.2 模擬過程及結果分析

通過使用Athena軟件的Deckbuild仿真平臺畫出2.5 μm等間隔線的掩膜圖形，并模擬Canon鏡像投影曝光機MPA-7800光學系統的參數，如表1所示。

表1 模擬參數

圖1 等間隔線(2.5 μm)光強分布對比Fig.1 Image intensity distributions of equidistant lines(2.5 μm) on PSM(Phase Shift Mask) and normal mask

再利用該軟件的OPTOLITH模塊模擬光強分布，如圖1所示。可以看出，相移掩膜(PSM)的光強分布更密，這樣的光強分布在光刻膠中可使光刻圖形的襯比(度)增大，從而改善曝光容限。

以上是離焦量(Defocus)為0時的情況，由于MPA-7800的焦深保證范圍為±30 μm，所以我們還模擬了離焦量為15、30 μm時通過掩膜得到的光刻間距情況，如圖2所示，可以看出：該間距隨著離焦量的增大而減小，但相移掩膜與傳統掩膜相比，其變化幅度小0.045 μm。因此，在相同的設備焦深變化范圍內，通過相移掩膜得到光刻間距的波動更小，更穩定(3sigma小)。

圖2 光刻間距與離焦量關系的對比Fig.2 Space DICD v.s. defocus on PSM(Phase Shift Mask) and normal mask

3 光刻實驗及結果分析

3.1 實驗介紹

實驗采用的是5代的曝光機MPA-7800(解像力Resolution=4.0 μm)及對應的Track機，條件如表2所示。為了便于比較和節約成本，我們在一塊掩膜板上制作了傳統鉻膜掩膜區域和相移掩膜區域，并在這兩個區域設計了一樣的多組等間隔線，僅取2.5 μm等間隔線為例來加以說明。

表2 光刻條件

3.2 實驗結果分析

圖3比較了通過傳統掩膜和相移掩膜得到的光刻間距與曝光量的關系。在2.0～3.0 μm區間(2.5±0.5 μm)看曝光量的變化范圍，可知道傳統掩膜的曝光容限為4 mJ/cm2，相移掩膜的曝光容限為8 mJ/cm2，相移掩膜的曝光容限大于傳統掩膜(約為2倍)。這與模擬光強分布得到的結論相吻合，同時，相移掩膜的3sigma更小，這也與模擬光刻間距與離焦量關系對比得到的結論吻合。

圖3 光刻間距與曝光量關系的對比Fig.3 Space DICD v.s. exposure dose on PSM(Phase Shift Mask) and normal mask

圖4 剖面圖的對比Fig.4 Cross section of line used normal mask and phase shift mask

圖4展現了我們用2.5 μm等間隔線的不同掩膜在光刻后得到線寬/間距也為2.5 μm/2.5 μm時(相移掩膜需曝光量31.7 mJ/cm2，傳統掩膜需曝光量25.4 mJ/cm2)，光刻線條剖面坡度角的不同。顯然，相移掩膜得到的光刻線條剖面的坡度角更大(約10°左右)，由以前的工藝經驗可知這樣會有一個更好的光刻工藝容限。這與模擬和實驗的結論吻合，從剖面的角度說明了相移掩膜的優勢。

4 結 論

本文對用相移掩膜和傳統掩膜的2.5 μm的等間隔線的光刻進行了模擬和實驗對比分析。結果表明，相移掩膜能使鏡像投影曝光機分辨力以下間距(線寬)的工藝容限增大1倍，并使相應曝光量下間距(線寬)的分布更集中，從而增加細線化的穩定性，提高了光刻的解像力。在隨后的研究中，我們還將研究相移掩膜相比傳統掩膜在孔圖形、拐角圖形以及復雜圖形上的優勢。

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