探究薄膜熱力學(xué)應(yīng)力對(duì)曝光誤差的影響

武建華

(上海交通大學(xué)微電子學(xué)院,上海 200240)

探究薄膜熱力學(xué)應(yīng)力對(duì)曝光誤差的影響

武建華

(上海交通大學(xué)微電子學(xué)院,上海 200240)

半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的瓶頸在于曝光技術(shù)的準(zhǔn)確性。如果曝光不準(zhǔn)確可能給器件帶來致命的傷害,那么如何能夠保證曝光技術(shù)的準(zhǔn)確性則顯得尤為重要。

薄膜 熱力學(xué)

1 提出問題

由于光波在曝光過程中存在干涉現(xiàn)象，會(huì)對(duì)光阻劑造成非預(yù)期的二次曝光。為解決二次曝光現(xiàn)象，半導(dǎo)體生產(chǎn)過程會(huì)在金屬導(dǎo)線層與光阻劑之間生長一層化學(xué)氣象薄膜來抵消光波干涉現(xiàn)象產(chǎn)生的二次曝光。然而薄膜與襯底之間存在不同的熱力延展系數(shù)，生長出來的薄膜會(huì)存在熱力學(xué)應(yīng)力。如果熱力學(xué)應(yīng)力沒有得到很好的控制，很容易導(dǎo)致后續(xù)曝光過程出現(xiàn)異常，引發(fā)非預(yù)期的短路或是斷路，直接殺傷半導(dǎo)體生產(chǎn)的良率。本論文將對(duì)化學(xué)氣象薄膜的熱力學(xué)應(yīng)力對(duì)曝光過程的影響進(jìn)行討論和驗(yàn)證，以期能夠提高曝光的準(zhǔn)確性。

2 分析問題

圖1 曝光過程示意圖(源自曝光機(jī)工作原理)

圖2 理想曝光示意圖

圖3 薄膜熱力學(xué)應(yīng)力對(duì)曝光的影響模型分析

2.1 曝光過程介紹

熟悉半導(dǎo)體生產(chǎn)都知道，一片8英寸wafer表面本身存在兩個(gè)用來定位的“眼睛”，叫做align mark，其在wafer上面的坐標(biāo)也是固定的，分別是(77.8，54.5)和(-77.8，-54.5)。通過這兩個(gè)“眼睛”的定位，曝光過程才能準(zhǔn)確將mask的電路轉(zhuǎn)移到硅片上(如圖1)。

圖4 RF power與熱力學(xué)應(yīng)力和折射率的關(guān)系

圖5 熱力學(xué)應(yīng)力與曝光誤差的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖6 RF power與曝光誤差以及真實(shí)電路的關(guān)系

由于mask M1上面的align mark圖形K1/K2和wafer表面的align mark W1/W2圖像均為柵形。當(dāng)曝光光線通過K1/K2分別和W1/W2重合，則表明mask M1和wafer完全重合，完成定位，這樣的曝光可以按預(yù)期將電路完整的轉(zhuǎn)移到wafer上面。如果K1/K2沒有和W1/W2完全重合，那么曝光結(jié)果可能導(dǎo)致電路的錯(cuò)位，對(duì)應(yīng)的電路發(fā)生變異。

實(shí)際曝光過程是通過光刻機(jī)量測(cè)兩個(gè)“眼睛”之間的距離“l(fā)”和兩個(gè)“眼睛”之間的實(shí)際距離“L”進(jìn)行比較，差值越小，說明曝光誤差越小，那么得到的曝光結(jié)果越準(zhǔn)確(如圖2)。曝光光線通過傳感器A1照射到硅片的“眼睛”W1/W2上面，通過光線反射，再次回傳到傳感器A1，通過計(jì)算量測(cè)出來的兩個(gè)眼睛的距離“l(fā)”和真實(shí)距離“L”相等，則差值為0，實(shí)現(xiàn)無誤差曝光。

2.2 熱力學(xué)應(yīng)力對(duì)曝光的影響

通常化學(xué)氣象沉積是在高溫下完成，由于襯底和薄膜的遇熱延展性系數(shù)不同，導(dǎo)致所生長的薄膜均存在熱力學(xué)應(yīng)力。這樣的結(jié)果就是曝光過程將不是簡(jiǎn)單的光學(xué)反射，而是發(fā)生了光學(xué)折射過程，導(dǎo)致“眼睛”之間的量測(cè)距離和實(shí)際距離存在偏差。由于薄膜的折射率N＞1(空氣折射率參考真空折射率，約為1)，通過光學(xué)知識(shí)，入射光線和折射光線分居法線兩測(cè)，且遵守折射公式(如圖3)。

由于熱力學(xué)應(yīng)力的存在，曝光光線將在薄膜表面發(fā)生兩次折射以及硅片“眼睛”W處發(fā)生一次反射，結(jié)果導(dǎo)致量測(cè)出來“眼睛”之間的距離“l(fā)”比真實(shí)距離“L”要小，那么曝光結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)誤差。為了保證曝光的準(zhǔn)確性，控制薄膜的熱力學(xué)應(yīng)力，減小折射現(xiàn)象的發(fā)生將是有效的方向！

3 解決問題

3.1 薄膜熱力學(xué)應(yīng)力來源的探究

薄膜化學(xué)氣相沉積主要通過如下化學(xué)反應(yīng)生成薄膜。

由于高溫，低壓為化學(xué)反應(yīng)的必要條件，所以本次試驗(yàn)重點(diǎn)在通過調(diào)整薄膜生長的RF power繪制得出RF Power(化學(xué)氣相沉積反應(yīng)條件，將反應(yīng)氣體解離為離子的能量)與熱力學(xué)應(yīng)力的相互關(guān)系(如圖4)。結(jié)合圖3以及折射公式，可以得到如下結(jié)論。薄膜的熱力學(xué)應(yīng)力所產(chǎn)生的曲率半徑(如圖4所示，Stress的絕對(duì)值最大，則曲率半徑越大)大小和折射率共同決定了入射角和折射角的大小和方向。通過對(duì)反應(yīng)條件RF Power的實(shí)驗(yàn)，得到了如下結(jié)論。熱力學(xué)應(yīng)力所產(chǎn)生的曲率半徑變化非常明顯，而折射率基本維持在1.9左右(＞1決定了折射光線的折射方向)。因此重點(diǎn)研究RF power通過影響熱力學(xué)應(yīng)力對(duì)曝光準(zhǔn)確性的影響。

為驗(yàn)證圖3的假設(shè)模型，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，通過調(diào)整RF power的設(shè)定，將薄膜熱力學(xué)應(yīng)力分別調(diào)整在同一個(gè)水平以及不同的水平來觀察曝光誤差(如圖5)，當(dāng)熱力學(xué)應(yīng)力保持相同水平

(condition 1)的時(shí)候，誤差也將處于同一水平，通過光刻機(jī)自身的調(diào)整能力可以實(shí)現(xiàn)無誤差曝光。而當(dāng)熱力學(xué)應(yīng)力不在同一水平線時(shí)

(condition 2)，曝光對(duì)應(yīng)的差別比較大，超出了光刻機(jī)的調(diào)整能力。

(注：不同wafer本身的曝光誤差處于不同水平線，選取4種不同wafer做試驗(yàn)，重點(diǎn)研究同一種wafer的曝光誤差受薄膜熱力學(xué)應(yīng)力的影響)。

3.2 如何控制熱力學(xué)應(yīng)力來改善曝光的準(zhǔn)確性

基于上述實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，當(dāng)RF Power發(fā)生異常時(shí)，熱力學(xué)應(yīng)力將發(fā)生突變，從而導(dǎo)致曝光異常。因此化學(xué)氣象沉積過程中對(duì)RF power的控制將是保持曝光穩(wěn)定的一個(gè)“眼睛”。建立一套關(guān)于RF power的控制系統(tǒng)將可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，避免更大的損失(如圖6)。當(dāng)RF power監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)異常，通過量測(cè)對(duì)應(yīng)硅片的曝光也發(fā)生了變異，最終通過切片分析發(fā)現(xiàn)，由于誤差超出了光刻機(jī)的調(diào)整范圍，曝光發(fā)生異常，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的電路嚴(yán)重偏離了設(shè)計(jì)需要。由此可見這套R(shí)F power控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性！可以有效篩選曝光異常的wafer，及時(shí)解決異常的RF系統(tǒng)，保證RF Power穩(wěn)定。可見維護(hù)好RF Power系統(tǒng)可以保證薄膜熱力學(xué)應(yīng)力的穩(wěn)定，從而解決薄膜熱力學(xué)應(yīng)力對(duì)曝光過程的影響！

4 結(jié)語

熱力學(xué)應(yīng)力雖然是化學(xué)氣象沉積薄膜的屬性，同時(shí)也影響著曝光的結(jié)果。有效的控制化學(xué)氣象沉積反應(yīng)條件RF power的穩(wěn)定不僅可以穩(wěn)定薄膜熱力學(xué)應(yīng)力這一參數(shù)，同時(shí)也可以有效減少曝光的誤差。將無形的曝光過程轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式的RF power監(jiān)控系統(tǒng)，不僅可以有效的保證曝光的穩(wěn)定，及時(shí)發(fā)現(xiàn)曝光異常的wafer，極大地降低次品率。

[1]M.Vila, M.Amaral, F.J.Oliverira, et al. “Residual stress minimumin nanocrystalline diamond film”, Appl.Phys.lett., 89(9)093109(2006).

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[3]田靜.“半導(dǎo)體光刻工藝中圖形缺陷問題的研究及解決,”[M].復(fù)旦大學(xué)學(xué)位論文,2008.

[4]趙磊,鞏巖,趙陽.“光刻投影物鏡中的透鏡X-Y柔性微動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)”[J].光學(xué)精密工程,2013(6).

武建華(1984—),男,山西大同人,工程碩士在讀,上海交通大學(xué)微電子學(xué)院,研究方向：半導(dǎo)體工藝。