Proses Pembuatan Sirkuit Terpadu Skala Nano - (Fotolitografi)

Pengantar Teknologi Fotolitografi

Sejarah Perkembangan Teknologi Fotolitografi

Sejak Jack S. Kilby menemukan sirkuit terpadu pertama di dunia pada tanggal 12 September 1958, sirkuit terpadu telah mengalami perkembangan pesat selama lebih dari 50 tahun. Lebar garis minimum sekarang antara 20 dan 30nm. waktu, memasuki kisaran submikron yang dalam. Teknologi fotolitografi, salah satu teknologi utama, juga telah berevolusi dari penggunaan awal lensa pembesar yang mirip dengan yang ada di peralatan fotografi menjadi aperture numerik tinggi 1,35 tipe imersi saat ini, yang memiliki kemampuan untuk secara otomatis mengontrol dan menyesuaikan kualitas gambar, dengan diameter lebih dari setengah meter dan berat setengah ton. set lensa raksasa. Fungsi fotolitografi adalah untuk mencetak pola sirkuit semikonduktor ke wafer silikon lapis demi lapis. Idenya berasal dari teknologi pencetakan yang sudah lama ada. Perbedaannya adalah bahwa pencetakan mencatat informasi dengan menggunakan tinta untuk menghasilkan perubahan reflektivitas cahaya di atas kertas. , sementara fotolitografi menggunakan reaksi fotokimia cahaya dan zat peka cahaya untuk mencapai perubahan kontras.

Teknologi cetak pertama kali muncul pada akhir Dinasti Han di Tiongkok. Lebih dari 800 tahun kemudian, Bi Sheng dari Dinasti Song membuat perbaikan revolusioner dan mengubah cetak blok tetap menjadi cetak huruf bergerak, yang kemudian berkembang pesat. Saat ini, teknologi penataan foto laser telah dikembangkan. "Fotolitografi" dalam pengertian saat ini dimulai dengan upaya Alois Senefedler pada tahun 1798. Ketika ia mencoba menerbitkan bukunya di Munich, Jerman, ia menemukan bahwa jika ia menggunakan pensil minyak untuk menggambar ilustrasi pada batu kapur berpori dan membasahi area yang belum digambar dengan air, tinta hanya akan menempel di tempat Anda menggambar dengan pensil. Teknik ini disebut Litografi, atau menggambar di atas batu. Litografi adalah cikal bakal multi-registrasi modern.

Metode dasar fotolitografi

Meskipun ada beberapa kesamaan, fotolitografi dalam sirkuit terpadu menggunakan cahaya sebagai pengganti tinta, dan area dengan tinta dan tanpa tinta menjadi area dengan cahaya dan tanpa cahaya pada topeng. Dalam industri manufaktur sirkuit terpadu, litografi karenanya disebut juga fotolitografi, atau litografi. Sama seperti tinta berbasis minyak yang diendapkan secara selektif pada batu kapur, cahaya hanya dapat melewati area transparan pada topeng, dan cahaya yang diproyeksikan direkam pada bahan peka cahaya yang disebut fotoresist. Diagram skematis sederhana dari proses fotolitografi ditunjukkan pada Gambar 7.1.

Karena photoresist mengalami perubahan laju pelarutan dalam pengembang setelah terpapar sinar ultraviolet (UV), pola pada masker dipindahkan ke lapisan photoresist di bagian atas wafer silikon. Area yang ditutupi oleh photoresist dapat mencapai pemindahan pola masker lebih lanjut dengan mencegah pemrosesan lebih lanjut (seperti pengetsaan atau implantasi ion).

Sejak tahun 1960, teknologi fotolitografi dapat dibagi menjadi tiga jenis berikut: paparan kontak, paparan jarak dekat, dan paparan proyeksi. Yang paling awal adalah paparan kontak atau jarak dekat, yang merupakan arus utama manufaktur hingga pertengahan abad ke--20. Untuk paparan kontak, karena secara teoritis tidak ada celah antara masker dan bagian atas wafer silikon, resolusi tidak menjadi masalah. Namun, karena kontak akan menyebabkan cacat karena keausan masker dan fotoresist, orang akhirnya memilih paparan jarak dekat. Tentu saja, dalam paparan jarak dekat, meskipun cacat dihindari, resolusi paparan jarak dekat dibatasi hingga 3μm atau lebih besar karena adanya celah dan hamburan cahaya. Batas teoritis resolusi paparan jarak dekat adalah

Diantara mereka,

k mewakili parameter photoresist, biasanya antara 1 dan 2;

CD melambangkan ukuran minimum, yaitu dimensi kritis, yang biasanya berkorespondensi dengan lebar garis periode spasial minimum yang dapat diselesaikan;

λ mengacu pada panjang gelombang paparan;

g mewakili jarak dari masker ke celah pada permukaan photoresist (g=0 sesuai dengan paparan kontak)

Karena g biasanya lebih besar dari 10μm (dibatasi oleh kerataan permukaan masker dan wafer silikon), resolusinya sangat terbatas, seperti 3μm untuk panjang gelombang iluminasi 450nm. Paparan kontak dapat mencapai 0,7μm.

Untuk mengatasi kesulitan ganda dari cacat dan resolusi, skema paparan proyeksi diusulkan, di mana masker dan wafer silikon dipisahkan lebih dari beberapa sentimeter. Lensa optik digunakan untuk mencitrakan lensa pola pada masker ke wafer silikon. Karena pasar menuntut ukuran chip yang lebih besar dan kontrol keseragaman lebar garis yang lebih ketat, paparan proyeksi juga secara bertahap berevolusi dari aslinya

paparan wafer silikon penuh terhadap paparan pemindaian wafer silikon penuh (lihat Gambar 7.2 (a))

paparan bertahap dan berulang (lihat Gambar 7.2 (b))

paparan langkah-dan-pindai (lihat Gambar 7.2 (c))

Metode paparan wafer silikon utuh 1:1 memiliki struktur sederhana dan tidak memerlukan monokromatisitas cahaya yang tinggi. Namun, seiring ukuran chip dan wafer silikon semakin membesar, dan lebar garis semakin tipis, sistem optik tidak dapat memproyeksikan pola ke seluruh wafer silikon sekaligus tanpa memengaruhi kualitas gambar, dan paparan blok menjadi tak terelakkan.

Salah satu metode paparan blok adalah metode pemindaian wafer silikon utuh, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.2 (a). Metode ini terus-menerus memindai dan memaparkan pola pada masker ke wafer silikon melalui bidang pandang berbentuk busur. Sistem ini menggunakan dua cermin bulat dengan sumbu optik yang sama, dan radius kelengkungan serta jarak pemasangannya ditentukan oleh persyaratan tidak adanya aberasi.

Namun, karena ukuran chip dan ukuran wafer silikon menjadi semakin besar, dan lebar garis menjadi semakin halus, pencahayaan 1x membuatnya semakin sulit untuk membuat masker dengan akurasi produksi pola dan akurasi penempatan yang tinggi.

Oleh karena itu, pada akhir tahun 1970-an, mesin pemaparan blok dengan perbesaran rendah mulai bermunculan. Pola chip dipaparkan ke wafer silikon satu per satu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.2 (b). Oleh karena itu, sistem pemaparan dengan perbesaran rendah ini disebut sistem step-and-repeat atau stepper.

Namun, karena ukuran chip dan ukuran wafer silikon menjadi lebih besar dan kontrol lebar garis menjadi lebih ketat, bahkan kemampuan teknis stepper tidak dapat memenuhi kebutuhan. Memecahkan kontradiksi antara permintaan ini dan teknologi saat ini secara langsung menyebabkan lahirnya mesin eksposur langkah-dan-pindai, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.2 (c). Perangkat ini adalah hibrida yang menggabungkan keunggulan mesin eksposur pemindaian wafer penuh awal dan mesin eksposur langkah-dan-ulang kemudian: topeng dipindai dan diproyeksikan alih-alih diproyeksikan sekaligus, dan seluruh wafer silikon juga diekspos dalam blok. Perangkat ini mentransfer kesulitan optik ke posisi dan kontrol mekanis yang tinggi. Perangkat ini telah digunakan oleh industri hingga hari ini, terutama dalam produksi chip semikonduktor pada node teknologi 65nm dan di bawahnya.

Produsen mesin litografi utama di dunia adalah ASML di Belanda, Nikon dan Canon di Jepang, dan produsen mesin litografi non-ukuran penuh lainnya, seperti Ultrastepper.

Pembuatan mesin litografi pemindaian canggih dalam negeri dimulai terlambat. Setelah 2002, mesin ini terutama dikembangkan oleh Shanghai Microelectronics Equipment Co., Ltd. (SMEE). Mesin litografi dalam negeri telah berkembang dari memperbaiki mesin litografi bekas menjadi mengembangkan dan memproduksi mesin litografi secara independen. Mesin litografi tercanggih yang saat ini sedang dikembangkan adalah SSA600/20 193nm (lihat Gambar 7.3). Meskipun masih ada kesenjangan besar dengan tingkat canggih dunia, harus dikatakan bahwa kemajuan yang menggembirakan telah dibuat. Apertur numeriknya adalah 0,75, bidang pencahayaan standar adalah 26×33mm, resolusinya adalah 90nm, akurasi overlay adalah 20nm, dan kapasitas produksi 300mm adalah 80 buah per jam.

Metode transfer gambar lainnya

Sudah diketahui bahwa salah satu arah pengembangan fotolitografi yang berkelanjutan adalah mengurangi panjang gelombang. Namun, upaya ini terhambat oleh faktor-faktor seperti pengembangan photoresist 157nm yang sesuai, lapisan pelindung masker (pellicles) dan volume produksi bahan lensa seperti kalsium fluorida (
). Namun, dalam 20 tahun terakhir, orang telah banyak melakukan penelitian dalam fotolitografi panjang gelombang ultraviolet ekstrem (EUV). Teknologi ini menggunakan cahaya ultraviolet ekstrem 13,5nm yang dipancarkan oleh plasma xenon atau timah yang dihasilkan oleh laser kuat atau pelepasan tegangan tinggi. Meskipun resolusi tinggi yang dibawa oleh teknologi EUV sangat menarik, teknologi ini juga memiliki banyak kesulitan teknis, seperti cermin mudah terkontaminasi oleh bahan percikan yang dihasilkan oleh pulsa, cahaya ultraviolet ekstrem mudah diserap (memerlukan sistem untuk memiliki vakum yang sangat tinggi dan jumlah lensa reflektif minimum), persyaratan ketat untuk masker (tidak ada cacat dan reflektivitas tinggi), suar yang disebabkan oleh panjang gelombang pendek, kecepatan reaksi fotoresist dan resolusi, dll.

Selain menggunakan cahaya tradisional untuk mentransfer pola topeng, orang juga mencari metode mikrolitografi lainnya, seperti sinar-X, nanoimprint, penulisan langsung berkas multi-elektron, berkas elektron, proyeksi berkas ion, dll.

Parameter sistem fotolitografi

Panjang gelombang, bukaan numerik, indeks bias medium ruang gambar

Telah disebutkan sebelumnya bahwa resolusi paparan jarak dekat memburuk dengan cepat seiring bertambahnya jarak antara masker dan wafer silikon. Dalam metode paparan proyeksi, resolusi optik ditentukan oleh rumus berikut, yaitu,

Diantara mereka,
merupakan koefisien proporsional yang mencirikan tingkat kesulitan proses fotolitografi. Secara umum,
adalah antara {{0}}.25 dan 1.0. Ini sebenarnya adalah rumus Rayleigh yang terkenal. Menurut rumus ini, resolusi optik ditentukan oleh panjang gelombang λ, aperture numerik NA, dan proses yang terkait
Jika Anda perlu mencetak pola yang lebih kecil, metode yang digunakan dapat berupa pengurangan panjang gelombang pencahayaan, peningkatan aperture numerik, pengurangan
nilai, atau mengubah salah satu faktor. Di bagian ini, pertama-tama kita akan memperkenalkan hasil yang ada dari peningkatan resolusi dengan mengurangi panjang gelombang dan meningkatkan aperture numerik. Cara meningkatkan resolusi dengan mengurangi
faktor di bawah premis panjang gelombang tetap dan bukaan numerik akan dibahas kemudian.

Meskipun panjang gelombang pendek dapat mencapai resolusi tinggi, beberapa parameter penting lainnya yang terkait dengan sumber cahaya juga harus dipertimbangkan, seperti intensitas cahaya (kecerahan), lebar pita frekuensi, dan koherensi (koherensi akan dijelaskan secara rinci nanti). Setelah penyaringan menyeluruh, lampu merkuri bertekanan tinggi dipilih sebagai sumber cahaya yang andal karena kecerahannya dan banyak garis spektrum yang tajam. Panjang gelombang pencahayaan yang berbeda dapat dipilih dengan menggunakan filter dengan panjang gelombang yang berbeda. Kemampuan untuk memilih satu panjang gelombang cahaya sangat penting untuk fotolitografi, karena stepper umum akan menghasilkan aberasi kromatik untuk cahaya non-monokromatik, yang mengakibatkan penurunan kualitas gambar. Garis G, garis H, dan garis I yang digunakan dalam industri mengacu pada spektrum lampu merkuri 436nm, 405nm, dan 365nm yang digunakan oleh mesin pencahayaan, masing-masing (lihat Gambar 7.4).

Karena resolusi optik stepper I-line hanya dapat mencapai 0.25μm, permintaan resolusi yang lebih tinggi telah mendorong panjang gelombang paparan ke panjang gelombang yang lebih pendek, seperti spektrum Deep UltraViolet (DUV) sebesar 150-300nm. Namun, perluasan lampu merkuri bertekanan tinggi dalam ultraviolet dalam tidaklah ideal, tidak hanya karena intensitasnya yang tidak mencukupi, tetapi juga karena radiasi dalam pita panjang gelombang panjang akan menghasilkan panas dan deformasi. Laser ultraviolet umum juga tidak ideal, seperti laser ion argon, karena koherensi spasial yang berlebihan akan menyebabkan bintik dan memengaruhi keseragaman iluminasi. Sebaliknya, laser eksimer telah dipilih sebagai sumber cahaya yang ideal untuk ultraviolet dalam karena keunggulannya sebagai berikut.

(1) Daya keluarannya yang tinggi memaksimalkan produktivitas mesin litografi;

(2) Ketidakkonsistenan spasialnya, tidak seperti laser lainnya, menghilangkan bintik;

(3) Daya keluaran tinggi memudahkan pengembangan photoresist yang sesuai;

(4) Secara optik, kemampuan menghasilkan keluaran ultraviolet yang dalam dengan frekuensi sempit (sempit beberapa pm) memungkinkan untuk merancang lensa mesin litografi kuarsa berkualitas tinggi.

Oleh karena itu, laser eksimer telah menjadi sumber cahaya penerangan utama pada jalur produksi sirkuit terpadu 0.5μm dan di bawahnya, dan laporan paling awal diterbitkan oleh Jain et al. Secara khusus, dua laser eksimer, kripton fluorida (KrF) dengan panjang gelombang 248nm dan argon fluorida (ArF) dengan panjang gelombang 193nm, telah menunjukkan kinerja yang sangat baik dalam hal energi paparan, lebar pita, bentuk berkas, masa pakai, dan keandalan. Oleh karena itu, laser ini banyak digunakan dalam mesin litografi langkah-dan-pindai canggih, seperti Twinscan XT: 1000H (KrF) platform ganda ASML, Twinscan XT: 1450G (ArF) dan NSR-S210D (KrF), NSR-310F (ArF) Nikon.

Tentu saja, orang-orang masih mencari sumber cahaya dengan panjang gelombang yang lebih pendek, seperti laser 157nm yang dihasilkan oleh molekul fluorin.
Namun, karena kesulitan dalam mengembangkan photoresist yang sesuai, film pelindung masker (pellikel) dan volume produksi bahan lensa kalsium fluorida (
), teknologi litografi 157nm hanya dapat memperluas proses semikonduktor dengan satu simpul, yaitu dari 65nm menjadi 45nm; sementara pengembangan teknologi litografi 193nm sebelumnya memperluas simpul manufaktur dari 130nm menjadi dua simpul: 90nm dan 65nm, yang mengakibatkan penghentian akhir upaya untuk mengomersialkan produksi massal teknologi litografi 157nm. Pengembangan panjang gelombang paparan dengan simpul proses ditunjukkan pada Gambar 7.5.

Selain memperpendek panjang gelombang paparan, cara lain untuk meningkatkan resolusi adalah dengan meningkatkan apertur numerik (NA) perangkat proyeksi/pemindaian.

Di mana n menyatakan indeks bias dalam ruang gambar, dan θ menyatakan setengah sudut maksimum lensa objektif dalam ruang gambar, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.6.

Jika medium ruang gambar adalah udara atau vakum, indeks biasnya mendekati 1.0 atau 1.0, dan aperture numeriknya adalah sinθ. Semakin besar sudut lensa objektif dalam ruang gambar, semakin besar resolusi sistem optik. Tentu saja, jika jarak antara lensa dan wafer silikon tetap tidak berubah, semakin besar aperture numeriknya, semakin besar diameter lensa. Semakin besar ukuran lensa, semakin besar kesulitan pembuatannya dan semakin rumit strukturnya.

Biasanya, aperture numerik maksimum yang dapat dicapai ditentukan oleh kemampuan produksi dan biaya produksi teknologi lensa. Saat ini, mesin litografi pemindaian I-line yang umum (ASML's Twinscan XT: 450G) dilengkapi dengan lensa dengan NA maksimum 0.65, yang dapat membedakan garis padat 220nm dan periode spasial 440nm. Apertur numerik tertinggi dari panjang gelombang kripton fluorida (KrF) adalah 0,93 (ASML's Twinscan XT: 1000H), yang dapat membedakan garis padat 80nm (periode spasial 160nm). Mesin litografi ArF yang paling canggih memiliki aperture numerik 0,93 (ASML's Twinscan XT: 1450G), yang dapat mencetak garis padat 65nm (periode spasial 120nm).

Seperti yang disebutkan sebelumnya, aperture numerik dapat ditingkatkan tidak hanya dengan meningkatkan sudut aperture lensa di ruang gambar, tetapi juga dengan meningkatkan indeks bias ruang gambar. Jika air sebagai pengganti udara digunakan untuk mengisi ruang gambar, indeks bias ruang gambar akan ditingkatkan menjadi 1,44 pada panjang gelombang 193 nm. Ini setara dengan meningkatkan 0.93 NA di udara menjadi 1,34 NA sekaligus. Resolusi ditingkatkan sebesar 30% hingga 40%. Oleh karena itu, era baru litografi imersi dimulai pada tahun 2001. Mesin litografi pemindaian imersi komersial yang paling canggih adalah Twinscan NXT: 1950i dari ASML dan NSR-S610C dari Nikon, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.7 (a) dan 7.7 (b). Situasi litografi imersi akan dijelaskan secara rinci nanti.

Representasi resolusi fotolitografi

Telah disebutkan sebelumnya bahwa resolusi fotolitografi ditentukan oleh aperture numerik dan panjang gelombang sistem, dan tentu saja hal ini terkait dengan metode peningkatan resolusi fotolitografi yang terkait dengan faktor
Bagian ini terutama memperkenalkan cara menilai resolusi proses fotolitografi. Kita tahu bahwa resolusi sistem optik diberikan oleh kriteria Rayleigh yang terkenal. Ketika dua sumber cahaya titik dengan ukuran yang sama berdekatan, jarak dari pusat ke pusat sama dengan jarak dari nilai maksimum ke nilai minimum pertama dari intensitas cahaya setiap sumber cahaya yang dicitrakan oleh instrumen optik, sistem optik tidak dapat membedakan apakah itu dua atau satu sumber cahaya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.8. Namun, meskipun memenuhi kriteria Rayleigh, intensitas cahaya di area antara dua sumber cahaya titik masih lebih rendah dari nilai puncak, dengan kontras sekitar 20%. Untuk sumber cahaya garis, ketika lebar sumber cahaya sangat kecil, untuk sistem optik dengan aperture numerik NA dan panjang gelombang sumber cahaya iluminasi λ, distribusi intensitas cahaya pada bidang gambar adalah

Artinya, intensitas cahaya mencapai titik minimum pertama relatif terhadap posisi sentral gambar (2NA). I0 mewakili intensitas cahaya di bagian tengah gambar. Dapat dianggap bahwa jarak minimum yang dapat diselesaikan oleh sistem optik ini adalah λ/(2NA). Misalnya, ketika panjang gelombang adalah 193nm dan NA adalah 1,35 (perendaman), jarak resolusi minimum sistem optik adalah 71,5nm.

Tentu saja, untuk proses fotolitografi, apakah ini berarti pola dengan periode spasial 71,5nm dapat dicetak? Jawabannya tidak. Ada dua alasan:

① Suatu proses memerlukan margin dan indikator proses tertentu agar dapat diproduksi secara massal;

② Keakuratan manufaktur komersial semua mesin dan peralatan dan kelengkapan kinerja mesin, sehingga mesin dapat mencetak garis padat pada batas resolusi dan pola terisolasi, dan juga harus meminimalkan dampak aberasi sisa pada proses.

Untuk mesin litografi 1,35 NA, ASML menjanjikan bahwa periode spasial minimum pola yang dapat diproduksi adalah 76nm, yaitu, garis padat 38nm dengan jarak yang sama. Dalam proses fotolitografi, resolusi batas hanya merupakan nilai referensi. Dalam pekerjaan aktual, kita hanya berbicara tentang seberapa besar jendela proses dalam periode spasial tertentu dan lebar garis tertentu, dan apakah itu cukup untuk produksi massal. Parameter yang mencirikan jendela proses akan dibahas secara rinci di Bagian 7.4. Berikut adalah pengantar singkat. Biasanya, parameter yang mencirikan jendela proses meliputi lintang energi pencahayaan (EL), kedalaman fokus atau depth of focus (DOF), faktor kesalahan topeng (MEF), akurasi overlay, keseragaman lebar garis, dll.

Lintang energi paparan mengacu pada deviasi maksimum energi paparan yang diizinkan dalam rentang variasi lebar garis yang diizinkan. Misalnya, untuk garis dengan lebar garis 90nm, lebar garis berubah terhadap energi sebesar 3nm/mJ, dan rentang variasi lebar garis yang diizinkan adalah ±9nm, maka rentang variasi energi paparan yang diizinkan adalah 9×2/3=6mJ. Jika energi paparan adalah 30mJ, lintang energi adalah 20% relatif terhadap energi paparan.

Kedalaman fokus umumnya terkait dengan kinerja kontrol fokus mesin litografi. Misalnya, akurasi kontrol fokus mesin litografi 193nm, termasuk stabilitas bidang fokus mesin, kelengkungan bidang lensa, astigmatisme, akurasi perataan, dan kerataan platform wafer silikon, adalah 120nm. Maka kedalaman fokus minimum suatu proses yang dapat diproduksi secara massal harus di atas 120nm. Jika pengaruh proses lain, seperti planarisasi kimia-mekanik, ditambahkan, kedalaman fokus minimum perlu ditingkatkan, seperti 200nm. Tentu saja, seperti yang akan dibahas nanti, peningkatan kedalaman fokus mungkin mengorbankan margin energi.

Faktor kesalahan masker (MEF) didefinisikan sebagai rasio deviasi lebar garis wafer silikon akibat deviasi lebar garis pada masker terhadap deviasi pada masker, seperti ditunjukkan dalam rumus (7-5).

Biasanya, MEF mendekati atau sama dengan 1.0. Namun, ketika periode spasial pola mendekati batas difraksi, MEF akan meningkat dengan cepat. Faktor kesalahan yang terlalu besar akan menyebabkan keseragaman lebar garis pada wafer silikon memburuk. Atau, sesuai dengan persyaratan keseragaman lebar garis yang diberikan, keseragaman lebar garis topeng terlalu tinggi.

Ketepatan overlay umumnya ditentukan oleh langkah, ketepatan sinkronisasi pemindaian, kontrol suhu, aberasi lensa, dan stabilitas aberasi platform bergerak pada mesin litografi. Tentu saja, ketepatan overlay juga bergantung pada ketepatan pengenalan dan pembacaan tanda overlay, pengaruh proses pada tanda overlay, deformasi proses pada wafer silikon (seperti berbagai proses pemanasan, proses anil), dll. Langkah mesin litografi modern dapat mengimbangi ekspansi seragam wafer silikon, dan juga dapat mengimbangi distorsi wafer silikon yang tidak seragam, seperti perangkat lunak GridMapper "pemetaan grid" yang diluncurkan oleh ASML. Ini dapat mengoreksi distorsi grid paparan wafer silikon nonlinier.

Keseragaman lebar garis dibagi menjadi dua kategori: keseragaman dalam area paparan (intra-medan) dan keseragaman antara area paparan (antar-medan).

Keseragaman lebar garis dalam area paparan terutama ditentukan oleh keseragaman lebar garis topeng (ditransmisikan melalui faktor kesalahan topeng), stabilitas energi (selama pemindaian), keseragaman iluminasi dalam celah pemindaian, keseragaman fokus/perataan untuk setiap titik dalam area paparan, aberasi lensa (seperti koma, astigmatisme), kesalahan akurasi sinkronisasi pemindaian (Deviasi Standar Bergerak, MSD), dll.

Keseragaman lebar garis antara area paparan terutama ditentukan oleh kestabilan energi iluminasi, keseragaman distribusi ketebalan lapisan substrat wafer silikon pada permukaan wafer silikon (terutama disebabkan oleh keseragaman lapisan lem dan keseragaman ketebalan lapisan yang dihasilkan oleh proses lain), kerataan permukaan wafer silikon, keseragaman pemanggangan terkait pengembang, keseragaman penyemprotan pengembang, dst.

Aliran proses fotolitografi

Alur proses fotolitografi 8-langkah dasar ditunjukkan pada Gambar 7.9.

langkah01-perawatan permukaan HMDS

langkah02-Perekatan

langkah03-Pemanggangan pra-paparan

langkah04-Penyelarasan dan pencahayaan

langkah05-Pemanggangan pasca paparan

langkah06-Pengembangan

langkah07-Pemanggangan pasca pengembangan

langkah08-Pengukuran

1. Perlakuan awal permukaan wafer silikon gas

Sebelum fotolitografi, wafer silikon akan menjalani pembersihan basah dan pembilasan air deionisasi untuk menghilangkan kontaminan. Setelah dibersihkan, permukaan wafer silikon perlu dihidrofobik untuk meningkatkan daya rekat antara permukaan wafer silikon dan fotoresist (biasanya hidrofobik). Perlakuan hidrofobik menggunakan bahan yang disebut heksametildisilazana, dengan rumus molekul (CH₃)3SiNHSi(CH₃)₃, Uap heksametildisilazana (HMDS) diproduksi. Perlakuan awal gas ini mirip dengan penggunaan semprotan primer pada kayu dan plastik sebelum pengecatan. Peran heksametildisilazana adalah mengganti hidroksil hidrofilik (OH) pada permukaan wafer silikon dengan hidroksil hidrofobik (OH) melalui reaksi kimia.OSi(CH₃)₃.Untuk mencapai tujuan perlakuan awal

Suhu praperlakuan gas dikontrol pada 200-250 derajat, dan waktu umumnya 30 detik. Perangkat praperlakuan gas dihubungkan ke jalur wafer untuk pemrosesan fotoresist, dan struktur dasarnya ditunjukkan pada Gambar 7.10.

2. Lapisan photoresist berlapis putar, lapisan anti-reflektif

Setelah praperlakuan gas, photoresist perlu dilapisi pada permukaan wafer silikon. Metode pelapisan yang paling banyak digunakan adalah metode pelapisan putar. Photoresist (sekitar beberapa mililiter) pertama-tama diangkut ke bagian tengah wafer silikon melalui pipa, kemudian wafer silikon akan diputar dan dipercepat secara bertahap hingga stabil pada kecepatan tertentu (kecepatan menentukan ketebalan lem, dan ketebalan berbanding terbalik dengan akar kuadrat kecepatan). Saat wafer silikon berhenti, permukaannya pada dasarnya kering dan ketebalannya stabil pada ukuran yang telah ditentukan sebelumnya. Keseragaman ketebalan lapisan harus berada dalam kisaran ±20Å ("Å, diucapkan "angstrom", adalah satuan panjang dalam fisika partikel. 1Å sama dengan
m, yang merupakan sepersepuluh nanometer) pada node teknologi 45nm atau lebih maju. Biasanya, ada tiga komponen utama photoresist, resin organik, pelarut kimia, dan senyawa fotosensitif (PAC).

Photoresist secara rinci akan dibahas dalam bab tentang photoresist. Bagian ini hanya membahas dinamika fluida dasar. Proses pelapisan dibagi menjadi tiga langkah:

① Pengangkutan photoresist;
② Mempercepat putaran wafer silikon ke kecepatan akhir;
③ Putar pada kecepatan konstan hingga ketebalannya stabil pada nilai yang telah ditetapkan;
Ketebalan photoresist akhir berhubungan langsung dengan viskositas photoresist dan kecepatan putaran akhir. Viskositas photoresist dapat disesuaikan dengan menambah atau mengurangi pelarut kimia. Mekanika fluida pelapisan putar telah dipelajari dengan saksama.

Persyaratan tinggi untuk keseragaman ketebalan photoresist dapat dicapai dengan mengendalikan sepenuhnya parameter berikut:

① Suhu fotoresist;
② Suhu sekitar;
③ Suhu wafer silikon;
④ Aliran buang dan tekanan modul pelapis;

Cara mengurangi cacat yang terkait dengan pelapisan merupakan tantangan lainnya. Praktik menunjukkan bahwa penggunaan proses berikut dapat mengurangi terjadinya cacat secara signifikan.

(1) Photoresist itu sendiri harus bersih dan bebas dari partikel. Sebelum pelapisan, harus dilakukan proses penyaringan, dan ukuran pori filter harus memenuhi persyaratan simpul teknologi.

(2) Photoresist itu sendiri tidak boleh mengandung campuran udara, karena gelembung akan menyebabkan cacat pencitraan. Gelembung berperilaku serupa dengan partikel.

(3) Desain mangkuk pelapis harus secara struktural mencegah percikan photoresist yang dikeluarkan.

(4) Sistem pemompaan untuk menyalurkan photoresist harus dirancang agar dapat menyedot kembali setelah setiap pengiriman photoresist. Fungsi penyedotan kembali adalah untuk menyedot kelebihan photoresist dari nosel kembali ke dalam pipa untuk menghindari kelebihan photoresist menetes pada wafer silikon atau kelebihan photoresist mengering dan menyebabkan cacat granular selama pengiriman berikutnya. Tindakan penyedotan kembali harus dapat disesuaikan untuk mencegah kelebihan udara masuk ke dalam pipa.

(5) Pelepasan tepi wafer (Tepi Pelarut yang digunakan dalam proses Bead Removal (EBR) perlu dikontrol dengan baik. Selama proses pelapisan putar wafer silikon, photoresist akan mengalir ke tepi wafer silikon dan dari tepi wafer silikon ke bagian belakang wafer silikon karena gaya sentrifugal. Lingkaran residu photoresist berbentuk manik akan terbentuk di tepi wafer silikon karena tegangan permukaannya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.11. Residu ini disebut manik tepi. Jika tidak dihilangkan, lingkaran manik ini akan terkelupas dan membentuk partikel setelah pengeringan, dan jatuh pada wafer silikon, alat pengangkut wafer silikon, dan peralatan pemrosesan wafer silikon, yang menyebabkan peningkatan tingkat cacat. Selain itu, residu photoresist di bagian belakang wafer silikon akan menempel pada platform wafer silikon (wafer chuck), yang menyebabkan penyerapan wafer silikon yang buruk, menyebabkan defokus pencahayaan, dan meningkatkan kesalahan pelapisan. Biasanya, perangkat penghilang tepi dipasang di peralatan pelapisan photoresist. Fungsi pembuangan photoresist pada jarak tertentu dari tepi wafer silikon dilakukan dengan cara memutar wafer silikon pada tepi wafer silikon (satu nosel pada bagian atas dan satu pada bagian bawah, dan posisi nosel dari tepi wafer silikon dapat diatur).

(6) Setelah perhitungan yang cermat, ditemukan bahwa sekitar 90% hingga 99% dari photoresist dipintal dari wafer silikon dan terbuang sia-sia. Orang telah mencoba untuk melakukan pra-perlakuan wafer silikon sebelum memutar photoresist pada wafer silikon menggunakan pelarut kimia yang disebut propilen glikol metil eter asetat (rumus molekul CH₃COOCH(CH₃)CH₃OCH₃), PGMEA). Metode ini disebut pelapisan reduksi resist (RRC). Namun, jika metode ini digunakan secara tidak tepat, cacat akan terjadi. Cacat mungkin terkait dengan benturan kimia pada antarmuka RRC-photoresist dan kontaminasi pelarut RRC oleh amonia di udara.

(7) Pertahankan tekanan pembuangan pengembang atau modul pengembang untuk mencegah percikan kembali tetesan kecil pengembang selama proses pengembangan ketika wafer silikon diputar.

Karena viskositas photoresist berubah seiring dengan suhu, ketebalan yang berbeda dapat diperoleh dengan mengubah suhu wafer silikon atau photoresist secara sengaja. Jika suhu yang berbeda ditetapkan di area yang berbeda dari wafer silikon, ketebalan photoresist yang berbeda dapat diperoleh pada wafer silikon. Ketebalan photoresist yang optimal dapat ditentukan oleh hukum lebar garis dan ketebalan photoresist (kurva ayunan) untuk menghemat wafer silikon, waktu mesin, dan bahan. Pembahasan kurva ayunan akan dibahas dalam bab-bab berikutnya. Metode dan prinsip pelapisan putar lapisan anti-reflektif adalah sama.

3. Memanggang sebelum terpapar
Setelah photoresist dilapisi dengan spin-coating pada permukaan wafer silikon, photoresist harus dipanggang. Tujuan dari pemanggangan adalah untuk menghilangkan hampir semua pelarut. Pemanggangan ini disebut "pre-exposure baking" atau "pre-baking" karena dilakukan sebelum exposure. Pra-pemanggangan meningkatkan daya rekat photoresist, meningkatkan keseragaman photoresist, dan mengendalikan keseragaman lebar garis selama proses etching. Pada photoresist yang diperkuat secara kimia yang disebutkan dalam Bagian 6.3, pra-pemanggangan juga dapat digunakan untuk mengubah panjang difusi fotoasam hingga batas tertentu untuk menyesuaikan parameter jendela proses. Suhu dan waktu pra-pemanggangan yang umum adalah 90-100 derajat, sekitar 30 detik. Setelah pra-pemanggangan, wafer silikon akan dipindahkan dari pelat panas yang digunakan untuk memanggang ke pelat dingin untuk mengembalikannya ke suhu ruangan sebagai persiapan untuk langkah exposure.

4. Penyelarasan dan eksposur
Tahapan setelah pra-pemanggangan adalah penyelarasan dan pemaparan. Dalam metode pemaparan proyeksi, masker dipindahkan ke posisi perkiraan yang telah ditentukan sebelumnya pada wafer silikon, atau ke posisi yang tepat relatif terhadap pola yang ada pada wafer silikon, dan kemudian lensa mentransfer polanya ke wafer silikon melalui fotolitografi. Untuk pemaparan jarak dekat atau kontak, pola pada masker akan langsung dipaparkan ke wafer silikon oleh sumber cahaya ultraviolet.

Untuk lapisan pola pertama, mungkin tidak ada pola pada wafer silikon, dan mesin fotolitografi menggerakkan masker secara relatif ke posisi perkiraan yang telah ditentukan sebelumnya (metode diferensiasi chip) pada wafer silikon (tergantung pada akurasi penempatan lateral wafer silikon pada platform mesin fotolitografi, umumnya sekitar 10 hingga 30 μm).

Untuk lapisan kedua dan pola selanjutnya, mesin fotolitografi perlu menyelaraskan tanda penyelarasan yang ditinggalkan oleh paparan lapisan sebelumnya untuk mencetak ulang topeng lapisan ini pada pola yang ada dari lapisan sebelumnya. Akurasi pelapisan ini biasanya 25% hingga 30% dari ukuran pola minimum. Misalnya, dalam teknologi 90nm, akurasi pelapisan biasanya 22 hingga 28nm (3 kali simpangan baku). Setelah akurasi penyelarasan memenuhi persyaratan, paparan dimulai. Energi cahaya mengaktifkan komponen peka cahaya dalam fotoresist dan memulai reaksi fotokimia. Indikator utama untuk mengukur kualitas fotolitografi umumnya adalah resolusi dan keseragaman dimensi kritis (CD), akurasi pelapisan, dan jumlah partikel dan cacat.

Arti dasar akurasi overlay mengacu pada akurasi penyelarasan (3σ) grafik antara dua proses fotolitografi. Jika penyimpangan penyelarasan terlalu besar, hal itu akan secara langsung memengaruhi hasil produk. Untuk mesin fotolitografi kelas atas, pemasok peralatan umum akan memberikan dua nilai untuk akurasi overlay, satu adalah kesalahan overlay dua kali dari satu mesin itu sendiri, dan yang lainnya adalah kesalahan overlay antara dua perangkat (perangkat yang berbeda).

5. Memanggang setelah terpapar
Setelah proses paparan selesai, photoresist perlu dipanggang lagi. Karena pemanggangan ini dilakukan setelah paparan, maka disebut "post-exposure baking", disingkat post-exposure baking (PEB). Tujuan dari post-baking adalah untuk menyelesaikan reaksi fotokimia secara menyeluruh dengan pemanasan. Komponen fotosensitif yang dihasilkan selama proses paparan akan berdifusi di bawah aksi pemanasan dan bereaksi secara kimia dengan photoresist, mengubah material photoresist yang hampir tidak larut dalam cairan pengembang menjadi material yang larut dalam cairan pengembang, membentuk pola yang larut dalam cairan pengembang dan tidak larut dalam cairan pengembang pada lapisan photoresist.

Karena pola-pola ini konsisten dengan pola pada topeng, tetapi tidak ditampilkan, pola-pola ini juga disebut "gambar laten". Untuk photoresist yang diperkuat secara kimia, suhu pemanggangan yang berlebihan atau waktu pemanggangan yang berlebihan akan menyebabkan difusi fotoasam (katalis reaksi fotokimia) yang berlebihan, merusak kontras gambar asli, sehingga mengurangi keseragaman jendela proses dan lebar garis. Pembahasan terperinci akan dilakukan pada bab-bab berikutnya. Untuk benar-benar menampilkan gambar laten, diperlukan pengembangan.

6. Pengembangan
Setelah proses pasca-pemanggangan selesai, wafer silikon akan memasuki tahap pengembangan. Karena photoresist setelah reaksi fotokimia bersifat asam, larutan alkali kuat digunakan sebagai pengembang. Umumnya, larutan berair tetrametilamonium hidroksida (TMAH) 2,38% dengan rumus molekul (CH₃)₄NOH digunakan. Setelah film photoresist melalui proses pengembangan, area yang terekspos dibersihkan oleh pengembang, dan pola topeng ditampilkan pada film photoresist pada wafer silikon dalam bentuk bentuk cekung dan cembung dengan atau tanpa photoresist. Proses pengembangan umumnya memiliki langkah-langkah berikut:

(1) Pra-semprot (pra-basah): semprotkan sedikit air deionisasi (air DI) pada permukaan wafer silikon untuk meningkatkan daya rekat pengembang pada permukaan wafer silikon.

(2) Developer dispense (pengeluaran pengembang): menyalurkan pengembang ke permukaan wafer silikon. Untuk membuat semua bagian permukaan wafer silikon bersentuhan dengan jumlah pengembang yang sama sebanyak mungkin, developer dispense telah mengembangkan metode berikut. Misalnya, gunakan nosel E2, nosel LD, dll.

(3) Permukaan pengembang tetap (genangan): Setelah pengembang disemprotkan, pengembang perlu tetap berada di permukaan wafer silikon selama jangka waktu tertentu, umumnya dari puluhan detik hingga satu atau dua menit, agar pengembang dapat bereaksi sepenuhnya dengan photoresist.

(4) Penghapusan dan pembilasan pengembang: Setelah pengembang berhenti, pengembang akan dibuang dan air deionisasi akan disemprotkan ke permukaan wafer silikon untuk menghilangkan sisa pengembang dan sisa fragmen photoresist.

(5) Putar kering: Wafer silikon diputar dengan kecepatan tinggi untuk mengeluarkan air deionisasi di permukaan.

7. Pemanggangan pasca pengembangan, pemanggangan film keras
Setelah pengembangan, karena wafer silikon terkena air, photoresist akan menyerap sebagian air, yang tidak baik untuk proses selanjutnya seperti wet etching. Oleh karena itu, hard film baking diperlukan untuk mengeluarkan kelebihan air dari photoresist. Karena sebagian besar etching sekarang menggunakan plasma etching, yang juga dikenal sebagai "dry etching", hard film baking telah dihilangkan dalam banyak proses.

8. Pengukuran
Setelah paparan selesai, dimensi kritis (Dimensi Kritis, disingkat CD) yang dibentuk oleh litografi dan akurasi overlay perlu diukur (metrologi). Dimensi kritis biasanya diukur menggunakan mikroskop elektron pemindaian, sedangkan akurasi overlay diukur dengan mikroskop optik dan detektor pencitraan susunan berpasangan muatan (CCD). Alasan penggunaan mikroskop elektron pemindaian adalah bahwa lebar garis dalam proses semikonduktor umumnya lebih kecil dari panjang gelombang cahaya tampak, seperti 400 hingga 700nm, dan panjang gelombang ekuivalen elektron dari mikroskop elektron ditentukan oleh tegangan percepatan elektron. Menurut prinsip mekanika kuantum, panjang gelombang De Broglie dari sebuah elektron adalah

Dimana h (6,626×10^-³⁴Js) adalah konstanta Planck, m (9,1×10^-³¹kg) adalah massa elektron dalam ruang hampa, dan v adalah kecepatan elektron. Jika tegangan percepatan adalah V, panjang gelombang de Broglie elektron dapat ditulis sebagai

Dimana q (1,609×10^-19c) adalah muatan elektron. Dengan mengganti nilai numerik, persamaan (7-7) dapat ditulis kira-kira sebagai berikut:

Jika tegangan percepatan adalah 300V, panjang gelombang elektron adalah 0,07nm, yang cukup untuk mengukur lebar garis. Dalam pekerjaan aktual, resolusi mikroskop elektron ditentukan oleh hamburan ganda berkas elektron dalam material dan aberasi lensa elektron. Biasanya, resolusi mikroskop elektron adalah puluhan nanometer, dan kesalahan pengukuran dimensi garis sekitar 1 hingga 3nm. Meskipun akurasi overlay telah mencapai tingkat nanometer, karena pengukuran overlay hanya memerlukan kemampuan untuk menentukan posisi sentral garis yang lebih tebal, mikroskop optik dapat digunakan untuk mengukur akurasi overlay.

Gambar 7.12 (a) adalah tangkapan layar dari pengukuran ukuran yang diambil oleh mikroskop elektron pemindaian. Garis ganda putih dan panah relatif pada gambar tersebut mewakili ukuran target. Kontras gambar mikroskop elektron pemindaian dibentuk oleh emisi dan pengumpulan elektron sekunder yang dihasilkan oleh pemboman elektron. Dapat dilihat bahwa lebih banyak elektron sekunder dapat dikumpulkan di tepi garis. Pada prinsipnya, semakin banyak elektron yang dikumpulkan, semakin akurat pengukurannya. Namun, karena dampak berkas elektron pada photoresist tidak dapat diabaikan, photoresist akan menyusut setelah penyinaran berkas elektron, terutama photoresist 193nm. Jadi menjadi sangat penting untuk membangun keseimbangan antara keterukuran dan gangguan minimal.

Gambar 7.12 (b) adalah diagram skematik khas pengukuran overlay, di mana ketebalan garis umumnya 1 hingga 3 μm, panjang sisi bingkai luar umumnya 20 hingga 30 μm, dan panjang sisi bingkai dalam umumnya 10 hingga 20 μm. Dalam gambar ini, warna atau kontras yang berbeda yang ditampilkan oleh bingkai dalam dan luar disebabkan oleh perbedaan warna dan kontras cahaya yang dipantulkan yang disebabkan oleh ketebalan yang berbeda dari berbagai lapisan film tipis. Pengukuran overlay dicapai dengan menentukan perbedaan spasial antara titik tengah bingkai dalam dan titik tengah bingkai luar. Praktik telah membuktikan bahwa selama intensitas sinyal yang cukup disediakan, bahkan mikroskop optik dapat mencapai akurasi pengukuran sekitar 1 nm.

Metode evaluasi integritas pola dan jendela proses litografi

Margin energi paparan, kemiringan logaritmik gambar yang dinormalisasi (NILS)

Pada Bagian 2, disebutkan bahwa margin energi paparan (EL) mengacu pada deviasi maksimum yang diizinkan dari energi paparan dalam rentang variasi lebar garis yang diizinkan. Ini adalah parameter dasar untuk mengukur proses litografi.

Gambar 7.13 (a) menunjukkan variasi pola litografi dengan energi pencahayaan dan panjang fokus.

Gambar 7.13 (b) menunjukkan pola uji distribusi dua dimensi dengan energi dan panjang fokus yang berbeda yang diekspos pada wafer silikon. Pola ini seperti matriks dan disebut juga Focus-Exposure Matrix (FEM).

Matriks ini digunakan untuk mengukur jendela proses dari proses fotolitografi pada satu atau beberapa pola, seperti margin energi dan kedalaman fokus. Jika pola uji khusus pada masker ditambahkan, Matriks Fokus-Energi juga dapat mengukur parameter kinerja lain yang terkait dengan proses dan peralatan, seperti berbagai aberasi lensa mesin litografi, cahaya liar (flare), faktor kesalahan masker, panjang difusi fotoasam dari photoresist, sensitivitas photoresist, akurasi pembuatan masker, dll.

Pada Gambar 7.13 (a), grafik abu-abu menggambarkan morfologi penampang fotoresist (fotoresist positif) setelah paparan dan pengembangan. Saat energi paparan terus meningkat, lebar garis menjadi semakin kecil. Saat panjang fokus berubah, morfologi vertikal fotoresist juga berubah. Mari kita bahas perubahan dengan energi terlebih dahulu. Jika panjang fokus dipilih sebagai -0.1μm, yaitu, bidang fokus yang diproyeksikan berada 0.1μm di bawah bagian atas fotoresist. Jika lebar garis diukur saat berubah dengan energi, kurva seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.14 dapat diperoleh.

Jika kita memilih toleransi CD total lebar garis sebesar ±10% dari lebar garis 90nm, yaitu 18nm, dan kemiringan lebar garis yang berubah seiring dengan energi pencahayaan adalah 6,5nm/(mJ/cm²), dan energi pencahayaan optimal adalah 20 (mJ/cm²), maka margin energi EL adalah 18/6,5/20=13.8%.

Apakah cukup? Pertanyaan ini terkait dengan faktor-faktor seperti kekuatan mesin litografi, kemampuan kontrol produksi proses, dan persyaratan perangkat untuk lebar garis. Margin energi juga terkait dengan kemampuan photoresist untuk mempertahankan citra spasial. Secara umum, pada node 90nm, 65nm, 45nm, dan 32nm, persyaratan EL untuk litografi lapisan gerbang adalah 15% hingga 20%, dan persyaratan EL untuk lapisan kabel logam sekitar 13% hingga 15%.

Margin energi juga berhubungan langsung dengan kontras gambar, tetapi gambar di sini bukanlah gambar spasial dari lensa, tetapi "gambar laten" setelah reaksi fotokimia dari photoresist. Penyerapan cahaya oleh photoresist dan terjadinya reaksi fotokimia memerlukan difusi komponen peka cahaya dalam film photoresist. Difusi yang diperlukan untuk reaksi fotokimia ini akan mengurangi kontras gambar. Kontras didefinisikan sebagai

Di antara mereka, U adalah intensitas cahaya ekuivalen dari "gambar laten" (sebenarnya kepadatan komponen peka cahaya).

Untuk garis-garis yang rapat, jika periode spasial P lebih kecil dari λ /NA, maka intensitas cahaya ekivalen citra spasialnya U(x) haruslah berupa gelombang sinus, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.15, yang dapat dituliskan sebagai

Sesuai dengan definisi EL yang dipadukan dengan rumus (7-10), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.16, EL dapat dituliskan sebagai ekspresi berikut, yaitu,

Untuk garis dan ruang yang sama, CD=P/2. Ada ekspresi yang lebih ringkas dan intuitif, yaitu

Artinya, jika dCD menggunakan CD umum 10%, maka kontrasnya kira-kira sama dengan 3,2 kali EL. Kemiringan dalam rumus (7-11) adalah

Ini juga disebut kemiringan log citra (ILS). Karena hubungan langsungnya dengan kontras citra dan EL, ini juga digunakan sebagai parameter penting untuk mengukur jendela proses litografi. Jika dinormalisasi, yaitu dikalikan dengan lebar garis, kemiringan log citra yang dinormalisasi (NILS) dapat diperoleh, seperti yang didefinisikan dalam rumus (7-15), yaitu,

Secara umum, U (x) mengacu pada citra spasial yang diproyeksikan oleh lensa ke dalam photoresist, yang di sini mengacu pada "citra laten" setelah reaksi fotokimia photoresist. Untuk garis padat dengan jarak yang sama, CD=P/2, dan periode spasial P kurang dari λ/NA, NILS dapat ditulis sebagai

Misalnya, untuk proses memori 90nm, lebar garis CD sama dengan 0.09μm, jika kontrasnya 50% dan periode spasialnya 0,18μm, maka NILS adalah 1,57.

Kedalaman Fokus (Metode Leveling)

Depth of Focus (DOF) merujuk pada rentang maksimum variasi panjang fokus dalam rentang variasi lebar garis yang diizinkan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.13, photoresist tidak hanya akan berubah dalam lebar garis tetapi juga dalam morfologi saat panjang fokus berubah. Secara umum, untuk photoresist dengan transparansi tinggi, seperti photoresist 193nm dan photoresist 248nm dengan resolusi tinggi, ketika bidang fokus mesin fotolitografi berada pada nilai negatif, bidang fokus berada dekat dengan bagian atas photoresist; ketika rasio aspek lebih besar dari 2.5-3, karena lebar garis yang besar di bagian bawah photoresist, bahkan "undercut" dapat terjadi, yang dapat menyebabkan ketidakstabilan mekanis dan terguling. Ketika bidang fokus berada pada nilai positif, karena lebar garis yang besar di bagian atas alur photoresist, sudut persegi di bagian atas akan menjadi membulat (pembulatan atas). "Pembulatan atas" ini dapat dipindahkan ke morfologi material setelah pengetsaan, sehingga "pemotongan bawah" dan "pembulatan" perlu dihindari.

Jika data lebar garis pada Gambar 7.13 diplot, kurva lebar garis versus panjang fokus pada energi pencahayaan yang berbeda akan diperoleh, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.17.

Variasi lebar garis dengan panjang fokus di bawah energi pencahayaan 16, 18, 20, 22, 24 disebut juga plot Poisson.

Jika rentang variasi yang diizinkan dari lebar garis dibatasi hingga ±9nm, variasi panjang fokus maksimum yang diizinkan pada energi pencahayaan optimal dapat ditemukan dari Gambar 7.17. Tidak hanya itu, karena dalam pekerjaan aktual, baik energi maupun panjang fokus berubah pada saat yang sama, seperti pergeseran mesin litografi, maka perlu untuk memperoleh rentang variasi maksimum yang diizinkan dari panjang fokus di bawah kondisi pergeseran energi. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.17, rentang variasi yang diizinkan tertentu dari lebar garis EL, seperti ±5% sebagai standar (EL=10%), dapat digunakan untuk menghitung rentang variasi panjang fokus maksimum yang diizinkan, yaitu antara 19 dan 21 mJ/cm2. Data EL dapat diplot terhadap rentang panjang fokus yang diizinkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.18. Dapat ditemukan bahwa dalam proses 90nm, di bawah rentang variasi 10% EL, rentang kedalaman fokus maksimum adalah sekitar 0,30μm.

Apakah cukup? Secara umum, kedalaman fokus terkait dengan mesin fotolitografi, seperti akurasi kontrol fokus, termasuk stabilitas bidang fokus mesin, kelengkungan bidang lensa, astigmatisme, akurasi perataan, dan kerataan platform wafer silikon. Tentu saja, hal ini juga terkait dengan kerataan wafer silikon itu sendiri dan tingkat pengurangan kerataan yang disebabkan oleh proses perataan kimia-mekanis. Untuk node teknologi yang berbeda, persyaratan kedalaman fokus yang umum tercantum dalam Tabel 7.1.

Karena kedalaman fokus sangat penting, leveling, bagian penting dari mesin litografi, sangat penting. Metode leveling yang paling umum digunakan dalam industri saat ini adalah menentukan posisi vertikal z dari wafer silikon dan sudut kemiringan R_xdan R_y
dalam arah horizontal dengan mengukur posisi titik cahaya yang dipantulkan oleh cahaya insiden miring pada permukaan wafer silikon, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.19.

Sistem sebenarnya jauh lebih rumit, termasuk cara memisahkan z, R yang independen_x, dan Ry. Karena ketiga parameter independen ini perlu diukur secara bersamaan, satu berkas cahaya saja tidak cukup (hanya ada dua derajat kebebasan untuk perpindahan lateral), dan setidaknya diperlukan dua berkas cahaya.

Selain itu, jika perlu untuk mendeteksi z, R_x, dan R_ypada titik yang berbeda pada area paparan atau celah, jumlah titik cahaya perlu ditingkatkan. Umumnya, untuk area paparan, dapat terdapat hingga 8 hingga 10 titik pengukuran. Akan tetapi, metode perataan ini memiliki keterbatasan. Karena cahaya insiden miring digunakan, seperti sudut insiden grazing 15 derajat hingga 20 derajat (atau sudut insiden 70 derajat hingga 75 derajat relatif terhadap arah vertikal permukaan wafer silikon), untuk permukaan seperti photoresist dan silikon dioksida dengan indeks bias cahaya putih sekitar 1,5, hanya sekitar 18% hingga 25% cahaya yang dipantulkan kembali, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.20, dan sekitar 75% hingga 82% cahaya lainnya yang memasuki detektor akan menembus permukaan media transparan. Bagian cahaya yang ditransmisikan ini akan terus merambat hingga bertemu dengan media buram atau media reflektif, seperti silikon, polisilikon, logam, atau media indeks bias tinggi, seperti silikon nitrida, dan kemudian dipantulkan.

Oleh karena itu, "permukaan" yang benar-benar terdeteksi oleh sistem perataan akan berada di suatu tempat di bawah permukaan atas photoresist. Karena back-end-of-the-line (BEOL) terutama memiliki lapisan oksida yang relatif tebal, seperti berbagai silikon dioksida, akan ada deviasi panjang fokus tertentu antara front-end-of-the-line (FEOL) dan back-end, umumnya antara 0.05 dan 0,20 μm, tergantung pada ketebalan media transparan dan reflektivitas media buram. Oleh karena itu, di back-end, pola desain chip harus seseragam mungkin; jika tidak, karena distribusi kepadatan pola yang tidak merata, hal itu akan menyebabkan kesalahan perataan, yang akan menyebabkan kompensasi kemiringan yang salah dan menyebabkan defokus.

Secara umum ada dua mode untuk perataan mesin fotolitografi:

(1) Mode planar: ukur tinggi beberapa titik pada area paparan atau seluruh wafer silikon, lalu temukan bidang sesuai dengan metode kuadrat terkecil;

(2) Mode dinamis (khusus untuk mesin fotolitografi pemindaian): mengukur ketinggian beberapa titik secara dinamis di area celah yang dipindai, lalu terus-menerus memberikan kompensasi sepanjang arah pemindaian. Tentu saja, penting untuk diketahui bahwa umpan balik perataan dicapai dengan menggerakkan platform wafer silikon ke atas dan ke bawah serta memiringkannya sepanjang arah non-pemindaian. Kompensasinya hanya dapat bersifat makroskopis, umumnya pada tingkat milimeter. Selain itu, pada arah non-pemindaian (arah X), ia hanya dapat diproses sesuai dengan kemiringan orde pertama, dan kelengkungan nonlinier apa pun (seperti kelengkungan bidang lensa dan lengkungan wafer silikon) tidak dapat dikompensasi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.21.

Dalam mode dinamis, beberapa mesin litografi juga dapat menghentikan pengukuran leveling untuk area paparan yang tidak lengkap (bidikan) atau area chip di tepi wafer silikon (area paparan dengan maksimum
dapat berisi banyak area chip, yang disebut die), dan menggunakan data leveling area chip atau paparan di sekitarnya untuk epitaksi guna menghindari kesalahan pengukuran yang disebabkan oleh deviasi ketinggian yang berlebihan dan lapisan film yang tidak lengkap di tepi wafer silikon. Pada mesin litografi ASML, fungsi ini disebut "Circuit Dependent Focus Edge Clearance" (CDFEC).

Ada beberapa faktor utama yang memengaruhi kedalaman fokus: bukaan numerik sistem, kondisi pencahayaan, lebar garis pola, kerapatan pola, suhu pembakaran photoresist, dll. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.22, menurut optik gelombang, pada panjang fokus terbaik, semua sinar cahaya yang terkumpul ke fokus memiliki fase yang sama;

Namun, pada posisi yang tidak fokus, sinar cahaya yang melewati tepi lensa dan sinar cahaya yang melewati bagian tengah lensa menempuh jalur optik yang berbeda, dan perbedaannya adalah (FF′- OF′). Ketika aperture numerik meningkat, perbedaan jalur optik juga meningkat, dan intensitas cahaya fokus aktual pada titik yang tidak fokus menjadi lebih kecil, atau kedalaman fokus menjadi lebih kecil. Dalam kondisi iluminasi cahaya paralel, kedalaman fokus (Rayleigh) umumnya diberikan oleh rumus berikut, yaitu,

Dimana θ adalah sudut bukaan maksimum lensa, yang sesuai dengan aperture numerik NA. Ketika NA relatif kecil, maka dapat dituliskan sebagai berikut:

Dapat dilihat bahwa semakin besar NA maka kedalaman fokus akan semakin kecil, dan kedalaman fokus berbanding terbalik dengan kuadrat bukaan numerik.

Tidak hanya aperture numerik yang memengaruhi kedalaman fokus, tetapi juga kondisi pencahayaan. Misalnya, untuk grafik padat, dan periode spasial kurang dari λ /NA, iluminasi di luar sumbu akan meningkatkan kedalaman fokus. Bagian ini akan dibahas lagi di Bagian 7.1 dari Bagian 7 dengan iluminasi di luar sumbu. Selain itu, lebar garis grafik juga akan memengaruhi kedalaman fokus. Misalnya, kedalaman fokus grafik kecil umumnya lebih kecil daripada grafik kasar. Ini karena sudut gelombang difraksi grafik kecil relatif besar, dan sudut antara konvergensinya di bidang fokus relatif besar. Seperti disebutkan di atas, kedalaman fokus akan lebih kecil. Selain itu, suhu pemanggangan fotoresist juga akan memengaruhi kedalaman fokus sampai batas tertentu. Pemanggangan pasca-paparan (PEB) yang lebih tinggi akan menyebabkan rata-rata kontras gambar spasial dalam arah vertikal (Z) dalam ketebalan fotoresist, yang menghasilkan peningkatan kedalaman fokus. Namun, ini mengorbankan pengurangan kontras gambar maksimum.

Faktor Kesalahan Masker

Mask Error Factor (MEF) atau Mask Error Enhancement Factor (MEEF) didefinisikan sebagai turunan parsial dari lebar garis yang terekspos pada wafer silikon terhadap lebar garis mask. Mask error factor terutama disebabkan oleh difraksi sistem optik dan akan menjadi lebih besar karena fidelitas terbatas dari photoresist terhadap citra spasial. Faktor-faktor yang memengaruhi mask error factor meliputi kondisi pencahayaan, sifat photoresist, aberasi lensa mesin litografi, suhu pasca-pemanggangan (PEB), dll. Dalam dekade terakhir, telah banyak laporan tentang penelitian mask error factor dalam literatur. Dari penelitian ini, dapat dilihat bahwa semakin kecil periode spasial atau semakin kecil kontras citra, semakin besar mask error factor. Untuk pola yang jauh lebih besar dari panjang gelombang eksposur, atau dalam apa yang disebut rentang linier, mask error factor biasanya sangat mendekati 1. Untuk pola yang mendekati atau lebih kecil dari panjang gelombang, mask error factor akan meningkat secara signifikan. Namun, kecuali untuk kasus-kasus khusus berikut, mask error factor umumnya tidak kurang dari 1:

(1) Litografi garis menggunakan masker pergeseran fasa bergantian dapat menghasilkan faktor kesalahan masker yang jauh lebih kecil dari 1. Hal ini karena intensitas cahaya minimum dalam distribusi bidang gambar spasial terutama disebabkan oleh mutasi fasa 180 derajat yang dihasilkan oleh zona fasa yang berdekatan. Mengubah lebar garis logam pada masker pada mutasi fasa memiliki sedikit efek pada lebar garis.

(2) Faktor kesalahan topeng akan jauh lebih kecil dari 1 di dekat struktur kompensasi kecil dalam koreksi efek kedekatan optik. Hal ini karena perubahan kecil pada pola utama tidak dapat diidentifikasi secara sensitif oleh sistem pencitraan dengan resolusi terbatas yang disebabkan oleh difraksi.

Biasanya, untuk pola yang diperluas secara spasial seperti garis atau alur dan lubang kontak, faktor kesalahan masker sama dengan atau lebih besar dari 1. Karena pentingnya faktor kesalahan masker terletak pada hubungannya dengan lebar garis dan biaya masker, menjadi sangat penting untuk membatasinya ke rentang yang kecil. Misalnya, untuk lapisan gerbang dengan persyaratan keseragaman lebar garis yang sangat tinggi, faktor kesalahan masker biasanya harus dikontrol di bawah 1,5 (untuk proses 90nm dan lebih lebar).

Hingga saat ini, memperoleh data tentang faktor kesalahan topeng memerlukan simulasi numerik atau pengukuran eksperimental. Untuk simulasi numerik, mencapai tingkat akurasi tertentu memerlukan mengandalkan pengalaman dalam menetapkan parameter simulasi. Jika informasi tentang distribusi faktor kesalahan topeng di seluruh ruang parameter litografi diperlukan, metode tersebut akan memakan waktu lama untuk digunakan. Faktanya, untuk pencitraan garis atau alur yang padat, faktor kesalahan topeng memiliki ekspresi perkiraan analitis dalam teori. Di bawah kondisi khusus bahwa periode spasial p kurang dari λ /NA dan lebar garis sama dengan lebar alur, di bawah kondisi iluminasi annular, ekspresi analitis dapat disederhanakan dan ditulis dalam bentuk berikut, yaitu,

+, - masing-masing berlaku untuk alur dan garis. Di antaranya, σ adalah parameter koherensi parsial (0＜σ ＜1), adalah faktor transmitansi amplitudo dalam masker pergeseran fase yang dilemahkan (misalnya, untuk masker yang dilemahkan 6%, adalah 0.25), n adalah indeks bias fotoresist (biasanya antara 1,7 dan 1,8), dan a adalah panjang difusi fotoasam yang setara di bawah model ambang batas (tergantung pada simpul teknologi yang berbeda, biasanya dari 5 hingga 10 nm untuk simpul 32 hingga 45 nm hingga 70 nm untuk simpul 0,18 hingga 0,25 μm).

Untuk masker pergeseran fasa bergantian (Alt-PSM), MEF memiliki ekspresi yang lebih sederhana, yaitu

Diantaranya, periode spasial p<3λ / (2NA), CD refers to the line width on the silicon wafer, and δ refers to the line width on the mask. If we plot equation (7-21), we can get the result in Figure 7.23. It can be seen that MEF increases rapidly as the spatial period decreases, and increases as the photoacid diffusion length increases.

Jika semua parameter kecuali panjang difusi fotoasam dalam rumus (7-21) diketahui, panjang difusi fotoasam dapat diperoleh dengan mencocokkan data eksperimen. Hasil menunjukkan bahwa setelah 40 detik pasca-panggang, panjang difusi fotoasam dari jenis tertentu photoresist 193nm adalah 27nm; setelah 60 detik pasca-panggang, panjang difusi menjadi 33nm. Dan karena keakuratan data, keakuratan pengukuran panjang difusi fotoasam adalah ±2nm. Ini adalah urutan besarnya lebih tinggi daripada keakuratan metode pengukuran sebelumnya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.24. Faktor kesalahan topeng juga dapat digunakan untuk menghitung persyaratan lebar garis topeng untuk keseragaman lebar garis, serta pengaturan aturan spasi grafik dua dimensi dalam koreksi efek kedekatan optik. Untuk grafik dua dimensi dengan ujung garis yang diperpendek, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.25, melalui perhitungan fungsi penyebaran titik sederhana dan tingkat perkiraan tertentu dari difusi fotoasam, rumus analitis yang hampir mendekati untuk efek kedekatan optik ujung garis dapat diperoleh, yaitu,

Dimana PSF adalah fungsi penyebaran titik, subskrip "D" mewakili difusi fotoasam, a mewakili panjang difusi fotoasam, n=1, 2 sesuai dengan kondisi iluminasi koheren dan inkoheren, dan

Keseragaman lebar garis

Keseragaman lebar garis dalam proses semikonduktor secara umum dibagi menjadi: area chip, area shot, area wafer, area lot, dan area lot-to-lot. Faktor-faktor yang memengaruhi keseragaman lebar garis dan analisis umum rentang dampak tercantum dalam Tabel 7.2. Dari Tabel 7.2, kita dapat menemukan bahwa:

1) Secara umum, masalah yang disebabkan oleh mesin litografi dan jendela proses memiliki dampak yang luas.

(2) Masalah yang disebabkan oleh kesalahan pembuatan masker atau efek kedekatan optik umumnya terbatas pada area paparan.

(3) Masalah yang disebabkan oleh lapisan atau substrat umumnya terbatas pada wafer silikon.

Perangkat CMOS umumnya memerlukan keseragaman lebar garis sekitar ±10% dari lebar garis. Untuk gerbang, akurasi kontrol umum adalah ±7%. Hal ini karena dalam proses di bawah simpul 0,18μm, umumnya ada proses pengetsaan "pemotongan" lebar garis setelah litografi dan sebelum pengetsaan, yang selanjutnya mengurangi lebar garis litografi ke lebar garis perangkat, atau mendekati lebar garis perangkat, yang umumnya 70% dari lebar garis litografi. Karena kontrol lebar garis perangkat adalah ±10%, lebar garis litografi menjadi ±7%.

Ada banyak cara untuk meningkatkan keseragaman lebar garis litografi, seperti mengompensasi distribusi energi pencahayaan dalam distribusi iluminasi mesin litografi berdasarkan hasil pengukuran keseragaman pencahayaan di area pencahayaan. Kompensasi ini dapat dicapai pada dua level. Kompensasi ini dapat dikompensasi dalam konstanta mesin, yang berlaku untuk semua kondisi pencahayaan, atau kompensasi dalam subrutin pencahayaan (mengikuti program pencahayaan tertentu). Dengan cara ini, kompensasi ini dapat secara akurat menargetkan level tertentu dengan persyaratan keseragaman yang ketat. Kompensasi ini juga dapat ditingkatkan dengan menganalisis akar penyebab lebar garis litografi yang tidak merata. Misalnya, masalah umum adalah pengaruh perbedaan ketinggian yang disebabkan oleh struktur proses pada substrat wafer silikon pada keseragaman lebar garis gerbang. Misalnya, keseragaman lebar garis lokal (Variasi CD Lokal, LCDV) dari lapisan gerbang yang dibahas dalam [6] akan memburuk karena fluktuasi ketinggian substrat. Fluktuasi ini ditunjukkan pada Gambar 7.28.

Perubahan lebar garis yang disebabkan oleh perbedaan ketinggian ditunjukkan pada Gambar 7.29 dan Gambar 7.30. Dapat dilihat bahwa ketika perbedaan ketinggian secara bertahap berkurang, lebar garis secara bertahap berkurang hingga mencapai nilai yang stabil.

1. Peningkatan keseragaman lebar garis di area chip atau di area grafik
Karena banyak faktor yang memengaruhi kisaran ini, hanya beberapa metode utama yang dibahas.

(1) Meningkatkan jendela proses dan mengoptimalkan jendela proses.

Untuk grafis yang padat, pencahayaan di luar sumbu dapat digunakan untuk meningkatkan kontras dan kedalaman fokus, dan masker pergeseran fase dapat digunakan untuk meningkatkan kontras;

Untuk grafik terisolasi, strip hamburan sub-difraksi (SRAF) dapat digunakan untuk meningkatkan kedalaman fokus grafik terisolasi;

Untuk grafik semi-terisolasi, yaitu periode spasial kurang dari dua kali periode spasial minimum dan sedikit lebih besar dari periode spasial minimum, jendela proses di sini akan mencapai keadaan hampir sulit, juga dikenal sebagai "pitch terlarang", seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.31

Seperti yang dapat dilihat dari Gambar 7.31, relatif terhadap periode spasial minimum 310nm, lebar garis turun dari 130nm menjadi sekitar 90nm di dekat periode 500nm. Hal ini (tidak ditampilkan di sini) juga melibatkan penurunan kontras dan kedalaman fokus yang signifikan. Larangan periode spasial disebabkan oleh kebutuhan untuk mempertahankan lebar garis minimum yang tetap dalam litografi rangkaian logika, yang mengakibatkan kurangnya kontras yang serius dalam pencitraan jarak yang tidak sama dalam periode spasial yang berbeda atau pola yang berdekatan. Hal ini terutama disebabkan oleh Pencahayaan di luar sumbu yang memberlakukan batasan pada grafik semi-padat. Biasanya, pencahayaan di luar sumbu hanya memiliki bantuan yang kuat untuk periode ruang minimum, tetapi memiliki dampak negatif tertentu pada apa yang disebut grafik "semi-padat" pada periode ruang minimum dan 2 kali periode ruang minimum. Untuk meningkatkan jendela proses selama apa yang disebut periode terlarang, sudut di luar sumbu dari iluminasi di luar sumbu harus dikurangi dengan tepat untuk mencapai kinerja keseragaman lebar garis yang seimbang.

(2) Meningkatkan akurasi dan keandalan koreksi efek kedekatan optik.

Proses dasar koreksi efek kedekatan optik adalah: saat membuat model, pertama-tama rancang beberapa grafik kalibrasi pada masker uji seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.32. Kemudian, ukuran pola fotoresist pada wafer silikon diperoleh dengan memaparkan wafer silikon, lalu model dikalibrasi (parameter model yang relevan ditentukan), dan jumlah koreksi dihitung pada saat yang sama. Kemudian, berdasarkan kesamaan antara grafik aktual dan grafik kalibrasi, dikoreksi sesuai dengan model.

Ketepatan koreksi efek kedekatan optik bergantung pada faktor-faktor berikut: ketepatan pengukuran data lebar garis wafer silikon, ketepatan pemasangan model, dan rasionalitas serta keandalan algoritma koreksi pola rangkaian model, seperti metode pengambilan sampel (fragmentasi), pemilihan kerapatan titik pengambilan sampel, ukuran langkah yang benar, dll. Untuk model photoresist, umumnya terdapat model ambang batas sederhana termasuk difusi Gaussian (model ambang batas dengan difusi Gaussian) dan model resist ambang batas variabel. Yang pertama mengasumsikan bahwa photoresist adalah sakelar lampu. Ketika intensitas cahaya mencapai ambang batas tertentu, laju pelarutan photoresist dalam pengembang berubah secara tiba-tiba. Yang terakhir disebabkan oleh penyimpangan yang pertama dari data eksperimen. Yang terakhir percaya bahwa photoresist adalah sistem yang kompleks, dan ambang batas reaksinya terkait dengan intensitas cahaya maksimum dan gradien intensitas cahaya maksimum (yang akan menyebabkan difusi terarah dari agen fotosensitif), dan mungkin merupakan hubungan non-linier. Dan yang terakhir juga dapat menggambarkan beberapa penyimpangan lebar garis etsa pada pola padat hingga terisolasi. Tentu saja, model semacam ini tidak dapat secara fisik menunjukkan citra fisik dengan sangat jelas. Secara umum, citra fisik model ambang batas ditambah difusi Gaussian sangat jelas, dan orang-orang lebih banyak menggunakannya, terutama dalam pengembangan proses dan pekerjaan pengoptimalan proses. Dalam hal koreksi efek kedekatan optik, karena perlu membangun model yang akurat hingga beberapa nanometer dalam waktu yang sangat singkat, menambahkan beberapa parameter tambahan yang makna fisiknya tidak dapat dijelaskan dengan jelas tidak dapat dihindari dan juga merupakan tindakan sementara.

Tentu saja, seiring dengan terus berkembangnya proses fotolitografi, model koreksi efek kedekatan fotolitografi akan terus berkembang dan menyerap parameter dengan makna fisik. Untuk meningkatkan keakuratan model, Anda dapat memperluas representasi grafik pengukuran dengan meningkatkan jumlah titik pengukuran (seperti 3 hingga 5 kali), yaitu, meningkatkan grafik kalibrasi (pengukur), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.32. Grafik desain sirkuit yang sama ada di Korelasi dan kesamaan dalam bentuk geometris. Selama proses pemasangan model, cobalah untuk menggunakan parameter fisik dan berikan umpan balik kesalahan pemasangan kepada teknisi litografi untuk dianalisis guna menghilangkan kemungkinan kesalahan. Koreksi efek kedekatan optik akan dibahas secara mendalam di bab lain.

(3) Optimalkan ketebalan lapisan anti-pantulan.

Karena perbedaan indeks bias (nilai n dan k) antara photoresist dan substrat, sebagian cahaya iluminasi akan dipantulkan kembali dari antarmuka antara photoresist dan substrat, yang menyebabkan interferensi dengan cahaya pencitraan yang datang. Ketika interferensi ini serius, bahkan dapat menghasilkan efek gelombang berdiri, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.33 (c). Gambar 7.33 (c) menunjukkan penampang lintang photoresist 365nm atau 248nm garis-i. Karena jarak antara puncak dalam gelombang berdiri adalah setengah panjang gelombang, dan indeks bias n dari photoresist umumnya sekitar 1,6 hingga 1,7, menurut jumlah puncak (~10), dapat disimpulkan bahwa ketebalan photoresist sekitar 0,7 hingga 1,2μm. Ketebalan photoresist 193nm biasanya kurang dari 300nm. Untuk menghilangkan pantulan cahaya di bagian bawah photoresist, lapisan antipantulan bawah (BARC) umumnya digunakan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.34 (a). Pada Gambar 7.34 (a), antarmuka ditambahkan setelah menambahkan lapisan antipantulan bawah. Fase cahaya pantulan antara lapisan antipantulan dan substrat dapat disesuaikan dengan menyesuaikan ketebalan lapisan antipantulan untuk mengimbangi cahaya pantulan antara photoresist dan lapisan antipantulan, sehingga menghilangkan cahaya pantulan di bagian bawah photoresist. Untuk lapisan antipantulan, jika antipantulan ketat harus dicapai pada ketebalan sekitar 1/4 panjang gelombang, indeks bias n dari lapisan antipantulan perlu disesuaikan secara tepat sehingga berada di antara n_Substratdan n_Fotoresistdari substrat, yaitu,

(4) Mengoptimalkan ketebalan dan kurva ayunan photoresist

Bahkan dengan lapisan anti-pantulan di bagian bawah, masih akan ada sejumlah cahaya sisa yang dipantulkan dari bagian bawah photoresist. Bagian cahaya ini akan mengganggu cahaya pantulan dari bagian atas photoresist, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.35 (a) dan Gambar 7.35 (b). Saat ketebalan photoresist berubah, fase "cahaya pantulan 0" dan "cahaya pantulan 1" berubah secara berkala, sehingga menyebabkan interferensi. Redistribusi energi melalui interferensi akan menyebabkan energi yang masuk ke photoresist berubah secara berkala saat ketebalan photoresist berubah, sehingga lebar garis akan berubah secara berkala saat ketebalan photoresist berubah, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.35 (b). Secara umum ada beberapa cara untuk mengatasi masalah lebar garis yang berfluktuasi seiring dengan ketebalan photoresist:

Optimalkan ketebalan dan indeks bias lapisan anti-pantulan (pilih lapisan anti-pantulan yang sesuai)
Pilih dua lapisan anti-pantulan (umumnya salah satunya adalah lapisan anti-pantulan anorganik, seperti silikon oksinitrida SiON)
Tambahkan lapisan anti-pantulan atas (Top ARC, TARC) untuk menghilangkan pantulan cahaya di bagian atas photoresist
Namun, menambahkan lapisan anti-pantulan akan membuat proses menjadi lebih rumit dan mahal. Ketika jendela proses masih dapat diterima, ketebalan dengan lebar garis terkecil umumnya dipilih. Hal ini karena ketika ketebalan photoresist bergeser, lebar garis akan menjadi lebih besar, bukan lebih kecil, sehingga jendela proses menjadi jauh lebih kecil.

2. Metode lain untuk meningkatkan keseragaman lebar garis
Meningkatkan keseragaman pencahayaan celah, aberasi, panjang fokus dan kontrol perataan, akurasi sinkronisasi platform dan akurasi kontrol suhu mesin litografi; meningkatkan keseragaman lebar garis topeng; meningkatkan substrat dan mengurangi pengaruh substrat pada litografi (termasuk meningkatkan kedalaman fokus dan meningkatkan lapisan anti-pantulan). Di antaranya, Bagian 4.2 menyebutkan bahwa meningkatkan keseragaman pola desain kondusif untuk meningkatkan akurasi perataan dan benar-benar meningkatkan kedalaman fokus. Kekasaran tepi pola umumnya disebabkan oleh faktor-faktor berikut:

(1) Kekasaran bawaan photoresist: Hal ini terkait dengan berat molekul photoresist, distribusi ukuran berat molekul dan konsentrasi generator fotoasam (PAG).

(2) Kontras laju pelarutan pengembangan photoresist dengan peningkatan intensitas cahaya: Semakin curam perubahan laju pelarutan dengan intensitas cahaya mendekati energi ambang, semakin kecil kekasaran yang disebabkan oleh pengembangan parsial.

(3) Sensitivitas photoresist: Semakin sedikit photoresist bergantung pada pembakaran pasca-eksposur (PEB), semakin besar kekasaran lebar garis. Pembakaran pasca-eksposur dapat menghilangkan beberapa ketidakseragaman.

(4) Kontras atau margin energi dari gambar fotolitografi: Semakin besar kontrasnya, semakin sempit area di mana tepi pola terbentuk, dan semakin rendah kekasarannya. Hal ini umumnya dinyatakan dengan hubungan antara kekasaran lebar garis dan kemiringan logaritma gambar (ILS).

Untuk photoresist yang diperkuat secara kimia, setiap molekul fotoasam yang dihasilkan oleh reaksi fotokimia akan mengalami reaksi katalitik deproteksi dalam rentang panjang difusi dengan titik pembangkitan sebagai pusat lingkaran dan jari-jari sebagai jari-jari. Secara umum, untuk photoresist 193nm, panjang difusi berada dalam rentang 5 hingga 30nm. Semakin panjang panjang difusi, semakin baik kekasaran pola saat kontras gambar tetap tidak berubah. Namun, mendekati batas resolusi, seperti mendekati half pitch 45nm, peningkatan panjang difusi akan menyebabkan penurunan kontras gambar spasial, dan penurunan kontras gambar spasial juga akan menyebabkan peningkatan kekasaran pola.

Laju pelarutan photoresist umumnya berubah dari level yang sangat rendah ke level yang sangat tinggi secara bertahap seiring dengan perubahan intensitas cahaya. Jika perubahan bertahap ini lebih curam, area yang disebut "pengembangan parsial", yaitu area transisi di tengah perubahan bertahap, akan berkurang, sehingga mengurangi kekasaran pola. Tentu saja, kontras pelarutan yang terlalu banyak juga akan memengaruhi kedalaman fokus. Untuk beberapa photoresist 248nm dan 365nm, kontras pengembangan yang sedikit lebih kecil dapat memperluas kedalaman fokus hingga batas tertentu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.36.

Semakin tinggi sensitivitas photoresist, semakin pendek panjang difusi fotoasam (semakin tinggi fidelitas citra udara dan semakin tinggi resolusinya), karena photoresist tersebut umumnya kurang bergantung pada pembakaran pasca-paparan, yang dapat menyebabkan tingkat kekasaran pola tertentu. Namun, jika konsentrasi generator fotoasam ditingkatkan pada saat yang sama, situasi ini dapat diperbaiki. Meningkatkan kontras citra photoresist dapat mengurangi kekasaran pola, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.37.

Kebulatan lubang kontak dan vias mirip dengan kekasaran pola. Hal ini juga terkait dengan difusi asam foto, konsentrasi asam foto, kontras gambar spasial, dan kontras pengembangan photoresist. Kita tidak akan membahasnya satu per satu di sini.

Morfologi fotoresist

Kelainan morfologi photoresist antara lain sudut kemiringan dinding samping, gelombang berdiri, kehilangan ketebalan, tapak dasar, sayatan dasar, T-top, pembulatan atas, kekasaran lebar garis, rasio aspek/pola yang dibuang, residu dasar, dan lain-lain. Kita akan membahasnya satu per satu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.38.

Sudut dinding samping: Hal ini umumnya disebabkan oleh cahaya yang masuk ke bagian bawah photoresist lebih lemah daripada cahaya di bagian atas (akibat penyerapan cahaya oleh photoresist). Solusinya umumnya adalah mengurangi penyerapan cahaya oleh photoresist sekaligus meningkatkan sensitivitas photoresist terhadap cahaya. Hal ini dapat dicapai dengan meningkatkan penambahan komponen fotosensitif dan meningkatkan efek katalitik fotoasam dalam reaksi deproteksi (reaksi difusi-katalisis). Sudut dinding samping akan berdampak tertentu pada etsa, dan dalam kasus yang parah, sudut dinding samping akan ditransfer ke bahan substrat yang terukir.

Gelombang berdiri: Efek gelombang berdiri dapat diatasi secara efektif dengan menambahkan lapisan anti-pantulan dan meningkatkan difusi fotosensitizer secara tepat (seperti dengan meningkatkan suhu atau waktu pasca-pemanggangan untuk meningkatkan difusi fotoasam).

Hilangnya ketebalan: Karena bagian atas photoresist menerima cahaya terkuat dan bagian atas terkena pengembang paling banyak, ketebalan photoresist akan hilang sampai batas tertentu setelah pengembangan selesai.

Pijakan: Pijakan bawah umumnya disebabkan oleh ketidakseimbangan asam-basa antara photoresist dan substrat (seperti lapisan anti-pantulan bawah). Jika substrat relatif basa atau hidrofilik, photoacid akan dinetralkan atau diserap ke dalam substrat, yang menyebabkan reaksi deproteksi di bagian bawah photoresist terganggu. Solusi untuk masalah ini umumnya adalah dengan meningkatkan keasaman substrat, meningkatkan suhu pemanggangan pra-eksposur photoresist dan lapisan anti-pantulan, sehingga membatasi difusi photoacid di photoresist dan ke dalam substrat. Namun, membatasi difusi juga akan memengaruhi sifat-sifat lain, seperti kekasaran pola, kedalaman fokus, dll.

Undercut: Berlawanan dengan pondasi bawah, undercutting terjadi karena keasaman yang lebih tinggi di bagian bawah photoresist, dan reaksi deproteksi di bagian bawah lebih tinggi daripada di tempat lain. Solusinya justru kebalikan dari yang di atas.

T-topping: T-topping disebabkan oleh komponen alkali (basa) di udara di pabrik, seperti amonia, amonia (amonia), dan senyawa organik amina (amina), yang menembus ke bagian atas photoresist dan menetralkan sebagian fotoasam, sehingga menghasilkan lebar garis lokal yang lebih besar di bagian atas, dan dalam kasus yang parah, akan menyebabkan adhesi garis. Solusinya adalah dengan mengontrol secara ketat kandungan alkali udara di area fotolitografi, biasanya kurang dari 20 ppb (bagian per miliar), dan mencoba mempersingkat waktu dari paparan hingga penundaan pasca paparan.

Pembulatan atas: Umumnya, intensitas cahaya yang disinari di bagian atas photoresist relatif besar. Ketika kontras pengembangan photoresist tidak terlalu tinggi, bagian dari peningkatan cahaya ini akan menyebabkan peningkatan laju pelarutan, sehingga menyebabkan bagian atas menjadi membulat.

Kekasaran lebar garis: Kekasaran lebar garis telah dibahas sebelumnya.

Rasio aspek/keruntuhan pola: Rasio aspek dibahas karena selama proses pengembangan, pengembang, air deionisasi, dll. akan menghasilkan tegangan lateral yang dibentuk oleh tegangan permukaan dalam pola photoresist setelah pengembangan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.39. Untuk pola padat, karena tegangan di kedua sisi kira-kira sama, masalahnya tidak terlalu besar. Namun, untuk pola di tepi pola padat, jika rasio aspeknya besar, pola tersebut akan mengalami tegangan unilateral. Ditambah dengan gangguan rotasi kecepatan tinggi selama proses pengembangan, pola tersebut dapat runtuh. Eksperimen menunjukkan bahwa rasio tinggi terhadap lebar di atas 3:1 umumnya lebih berbahaya.

Penggumpalan: Penyebab penggumpalan umumnya karena photoresist bagian bawah tidak menyerap cukup cahaya, sehingga mengakibatkan pengembangan parsial. Untuk meningkatkan resolusi photoresist, panjang difusi photoacid perlu diminimalkan, dan keseragaman pengembangan spasial yang disebabkan oleh difusi photoacid dikurangi. Dengan cara ini, kekasaran ruang meningkat. Penggumpalan bagian bawah umumnya dapat dikurangi dengan mengoptimalkan kondisi pencahayaan, bias lebar garis topeng, serta suhu dan waktu pemanggangan untuk meningkatkan kontras gambar spasial dan meningkatkan pencahayaan per satuan area.

Akurasi penyelarasan dan pelapisan

Penyelarasan mengacu pada registrasi antar lapisan. Secara umum, akurasi overlay antar lapisan harus sekitar 25%~30% dari ukuran kritis (ukuran minimum) wafer silikon. Di sini kita akan membahas aspek-aspek berikut: proses overlay, parameter dan persamaan overlay, tanda overlay, peralatan dan masalah teknis yang terkait dengan overlay, dan proses yang memengaruhi akurasi overlay.
Proses overlay dibagi menjadi produksi tanda penyelarasan lapisan pertama (atau lapisan depan), penyelarasan, larutan penyelarasan, kompensasi mesin fotolitografi, pencahayaan, pengukuran akurasi overlay setelah pencahayaan, dan perhitungan putaran kompensasi penyelarasan berikutnya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.40. Tujuan overlay adalah untuk memaksimalkan tumpang tindih koordinat pada wafer silikon dengan platform wafer silikon (yaitu, koordinat mesin fotolitografi). Untuk bagian linier, ada empat parameter: translasi (T_x, T_y), di sekitar sumbu vertikal (Z), rotasi (R), dan perbesaran (M). Hubungan berikut dapat dibuat antara sistem koordinat wafer silikon (X_w, Y_w) dan sistem koordinat mesin fotolitografi (X_M, Y_M):

X_M=T_X+M[X_{W karena}(R)-Y_{W dosa} (R)]