通过光刻和蚀刻工艺顺序提高整个晶圆的关键尺寸均匀性（1）

摘要

跨晶圆栅极临界尺寸(CD)的一致性会影响芯片与芯片之间在速度和功耗方面的性能差异。随着线宽减小到90 nm及以下，跨晶片CD均匀性的性能规格变得越来越严格。本文介绍了我们华林科纳提出了一种新的方法，通过光刻和刻蚀工艺顺序来提高跨晶片栅极CD的均匀性。我们华林科纳所提出的方法是通过优化整个晶片曝光后烘烤(PEB)温度曲线来补偿光刻工艺顺序中的上游和下游系统CD变化成分。更准确地说，我们首先构建了一个温度-偏移模型，该模型将PEB温度分布与多区PEB板块的设定点偏移相关联。然后从CD扫描电子显微镜测量中识别将跨晶片CD与PEB板的设定点偏移相关联的第二模型。然后基于CD-偏移模型和温度-偏移模型提出了显影后和蚀刻后CD均匀性增强方法。温度-偏移模型被确定为更适合用于CD均匀性控制，因为与CD-偏移模型相比，它具有更好的保真度和便携性。我们证明，在验证实验中，蚀刻后CD变化的标准偏差减少了约1nm，这验证了所提出的CD均匀性控制方法的有效性。

索引术语—约束二次规划、临界尺寸(CD)、临界尺寸均匀性(CDU)、多目标优化、多区域PEB烘烤板、等离子体蚀刻偏差信号、曝光后烘烤(PEB)、过程控制、过程建模。

介绍

如今，批次间和晶圆间的临界尺寸变化一般通过先进工艺控制(APC)来解决。已经对控制晶片老化CD进行了广泛的研究，其方案从前馈到前馈/反馈闭环控制[3]–[ 7]。在这些论文中，CD数据被用于校正来自光刻蚀刻顺序的扰动，以便将晶片平均CD调节到目标，并最小化晶片间和批次间的CD变化。整个晶片的CD可变性变得越来越重要，这要求工艺控制超越批次与批次和晶片与晶片的水平，达到整个晶片的水平，以减少可变性。不幸的是，在现有文献中还没有对跨晶片CD变化的控制进行深入研究。有效控制跨晶片CD变化将导致更紧密的芯片速度和功耗分布。这进而导致更一致的芯片性能和更高的产量。

在整个光刻和蚀刻过程中，各种来源导致CD变化。这些可以如表1所示进行分类。减少跨晶片CD变化的最简单和最直接的方法是使每个处理步骤在空间上均匀。一些研究人员已经研究了提高单个处理步骤的均匀性。Ho等人提出了一种级联控制结构[8]，通过控制多区烘烤板的温度分布，将涂覆的抗蚀剂膜厚度不均匀性降低到小于1 nm。向min-展示了坂本的一种新的开发应用技术

尽量减少显影不均匀性，导致晶片CD偏差为6nm(3 sigma)[9]。

然而，对于300毫米晶片加工来说，使每个加工步骤在空间上均匀变得过于昂贵。此外，并不是通过光刻蚀刻顺序的每个处理步骤都提供空间控制权限。我们注意到，在典型的蚀刻工艺中，空间可控性受到严重限制。唯一潜在可用的控制机制是双区ESC冷却系统中背面氦气压力的调节。然而，这种双氦区系统在蚀刻机中并不普遍。此外，由于其仅有的双区配置，背面氦气压力调节在蚀刻过程中提供非常有限的控制权限。光刻步骤提供了更多的空间控制机会。这包括逐个芯片的曝光剂量调整

[10]通过调整加热器区域控制器的偏移和PID设置[12]，在曝光后烘焙(PEB)步骤中调整空间温度曲线。这两个控制输入通常很容易接近。我们论文的中心思想是使用这些控制机制，通过补偿其他系统的跨晶片CD变化源，如上游显影不均匀性和下游等离子体蚀刻偏置信号，来改善蚀刻后跨晶片CD均匀性。在这篇论文中，我们把我们的控制行为限制在PEB步骤。曝光设置的探索是一个有待在未来研究中分析的课题。

为了说明我们的方法，考虑图1所示的典型光刻工艺控制框架。因为局部PEB温度可以直接控制局部CD，所以如果通过适当调整PEB温度空间分布可以平衡整个晶片CD变化源，则可以最小化整个晶片的显影后/蚀刻后CD变化1。

通过将PEB温度与多区域烘烤板区域控制器偏移相关联的温度-偏移模型或者将CD与多区域烘烤板区域控制器偏移相关联的CD-偏移模型，可以获得对应于最小化CD扩散的期望PEB温度分布的最佳加热器区域控制器偏移。这些模型是通过一组设计好的实验从实验中提取出来的。还通过平行设计的实验提取了KrF和ArF抗蚀剂的局部光致抗蚀剂PEB热敏性。

如图2所示，在裸硅衬底上涂覆2950 KrF DUV抗蚀剂。光刻工具是一个248纳米波长扫描仪，以及一个现代跟踪功能的多区PEB烘烤板模块。使用最先进的CD扫描电子显微镜(SEM)来测量横跨每个晶片的45个管芯处的线间距光栅上的抗蚀剂CD。

本文的其余部分组织如下。第二节介绍了多区烘烤板和从实验设计(DOE)中提取的经验温度偏移模型和临界尺寸偏移模型。第三节介绍了显影后[即显影检查或(DI)] CD均匀性控制方法以及蚀刻后[即最终检查或(FI)] CD均匀性控制方法。获取基线光刻-蚀刻工艺特征的表征实验和蚀刻后CD均匀性控制的验证实验在第四节中描述。最后，第五部分给出了结论和讨论。