局部高台阶对注入层全局关键尺寸均匀性的影响

（南通大学 信息科学技术学院，江苏 南通 226019）

在超大规模集成电路（very large scale integrated circuits，VLSI）生产中，涂胶工艺主要用于涂布光刻胶薄膜[1-3]。旋涂法以其材料适用范围广、设备操作简单等优点，成为了主要的涂胶方式。应用旋涂法进行注入层光刻胶涂布时，由于注入层经过多次刻蚀后形成的高台阶衬底，对光刻胶涂布后的随型性和胶厚均匀性都产生了不良的影响[4-6]，导致注入层的关键尺寸（critical dimension，CD）的均匀性变差，最终影响器件的性能和良率[7-9]。为了解决因高台阶引起的CD 均匀性差的问题，朴韓守等[10]和翟荣安[11]分别提出电沉积法和雾化喷涂法，但是，这两种方法都存在设备价格昂贵和工艺条件单一等缺点，未能在注入层涂胶工艺中被广泛应用。Shih 等[12]人通过优化传统旋涂工艺，提出一种接触式平面化工艺，改善了多次光刻中台阶密度分布不均引起的注入层CD 均匀性差的问题；但是，这种方法是通过大量使用光刻胶来达到注入层表面光刻胶形貌平坦化，这造成了光刻胶的浪费和增加了环保处理成本[13-14]。因此，需要进一步研究注入层旋涂法涂胶工艺与高台阶的分布状态关系，探索影响注入层CD 均匀性的高台阶几何状态，优化版图设计，降低制备高台阶结构器件的成本，提高光刻良率[15-16]。

本文通过设计具有不同高台阶分布、疏密、宽窄及不同高台阶距曝光图形距离等几何参数的切割道版图，研究高台阶对注入层CD 均匀性的影响。通过优化高台阶版图设计，改善了全局CD 均匀性，提高了器件的稳定性和良率。

1 实验部分

1.1 实验材料

实验使用江苏华润上华科技有限公司的＜100＞晶向的砷化镓高台阶晶圆（GaAs-Si），其台阶高度为2 700～3 300 Å，晶圆直径为20.32 cm；美国罗门哈斯公司的UV-135 型光刻胶，黏度为0.9 mPa·s，涂覆胶厚为8 200～8 400 Å；江苏格林达化学有限公司的四甲氢氧化铵显影液，浓度为2.38%。

1.2 实验仪器

采用日本东京电子公司的ACT-8 型涂胶显影机和荷兰阿斯麦公司的ASML-850 型曝光机分别完成高台阶晶圆表面的旋涂、曝光和显影。其中，曝光光源采用深紫外光，其波长为248 nm，曝光剂量为17 mJ/cm2，焦距为0.1 μm，数值孔径为0.54，照明相干因子为0.55。曝光图形设计和目标CD值均为380 nm。实验采用日本日立公司生产的S-4700 型扫描电子显微镜研究不同高台阶分布、疏密程度、宽窄及距原始曝光图形距离对全局光刻注入层曝光图形CD 的影响。

1.3 实验方法

高台阶分布分别位于切割道左侧和下方，以此来研究高台阶分布对CD 均匀性的影响。当高台阶分布相同时，在曝光图形周围设计方形高台阶来研究不同高台阶物理参数对CD 均匀性的影响。保持高台阶宽度和高台阶距曝光图形的距离不变，分别设计圈数为1、2 和3 圈的方形高台阶来研究疏密程度的影响；保持高台阶疏密和高台阶距曝光图形的距离不变，分别设计宽度为200、400 和600 nm的方形高台阶来研究台阶宽窄的影响；保持高台阶宽度和高台阶疏密不变，分别设计高台阶距曝光图形的距离为100、300、500 和700 nm 的方形高台阶来研究距曝光图形距离的影响。图1（a）是原始的无高台阶曝光图形，图1（b）、（c）和（d）是不同高台阶参数的版图，并通过优化原始曝光图形周围的高台阶参数来改善全局CD 均匀性。

2 结果与讨论

2.1 局部高台阶分布对全局光刻胶CD 均匀性的影响

图2 为高台阶在晶圆切割道不同位置对CD均匀性分布图（CD Map）。图2 中的Mean 表示CD Map 上的CD 平均值，3σ 表示CD Map 上的CD 均匀性。为了保证器件性能稳定，按照光刻工艺要求，CD 平均值为350～410 nm，CD 的3σ 值为0～60 nm。

由图2 可知，晶圆全局CD 均匀性受到高台阶分布状态的影响。当高台阶位于切割道的左侧时，晶圆左右两侧CD 分布不均匀，左侧CD 平均值大于右侧，3σ 超出工艺要求；当高台阶位于切割道的下方时，晶圆上下两侧CD 分布不均匀，下侧CD 平均值大于上侧，3σ 值偏大，CD 均匀性较差。高台阶的非均匀分布导致高台阶较多一侧的CD 平均值较大，且CD 的变化从第5 个曝光单元（Shot）开始，如图2（c）所示。

图3 是假设每个Shot 中只有一个高台阶时光刻胶流经高台阶的形貌变化示意图。在涂胶过程中，当光刻胶从晶圆中心上方滴落，即从第5 个Shot 上方喷嘴中喷出时，晶圆高速旋转，光刻胶以喷胶口为圆心，向周围铺开，高台阶会阻挡垂直来向的光刻胶，如图3 所示。由于在切割道中的曝光图形位于高台阶的同一侧，此时第4 和第5 个Shot 中的高台阶为前台阶，第6 和第7 个Shot 中的高台阶为后台阶。图3 中位于前台阶的曝光图形处胶厚大于位于后台阶的曝光图形处胶厚，两者差值达500 Å，曝光图形CD 差值近60 nm。这是由于前台阶的阻滞流体能力比后台阶的强，前台阶比后台阶更易于堆积光刻胶，这导致前台阶处的光刻胶厚度大于后台阶处的光刻胶厚度[17-19]。这种晶圆上的胶厚差异导致全局CD 均匀性的变差，显影曝光后CD Map 出现半边分布不均匀的现象，增大了光刻工艺的返工率。

图4 为曝光图形周围高台阶均匀分布前后的图形及相应的CD Map。从图4（a）可以看出，当曝光图形为初始图形时，由于图形在切割道中容易受到管芯中高台阶的影响，从而导致晶圆上全局CD 分布不均。图4（b）中，优化初始曝光图形，在图形周围增加高台阶条，使高台阶均匀分布，CD 均匀性大大提高，3σ 值降低了约50%。由于高台阶均匀分布图形为封闭式的，曝光图形处的毛细作用力变大，胶厚增大，CD 平均值随之变大。

综上所述，CD 的均匀性受到高台阶分布的影响较大。当高台阶均匀分布时，CD 的均匀性获得明显提高，同时CD 的平均值也有所增加。

2.2 局部高台阶疏密程度及台阶宽度对全局光刻胶CD 均匀性的影响

图5（a）、（b）和（c）分别为均匀分布高台阶宽度为200 nm，疏密程度不同时对晶圆全局CD 均匀性的影响。由图可知，当高台阶宽度相同时，随着高台阶疏密程度的增加，CD 的平均值和3σ 值没有明显的变化规律。这说明高台阶的疏密程度对于晶圆全局CD 平均值和均匀性影响不大。

图5（d）、（e）和（f）分别为均匀分布高台阶疏密为2 圈，高台阶宽度不同时对晶圆全局CD 均匀性的影响。如图所示，当高台阶疏密程度相同时，随着高台阶宽度的增加，CD 的平均值减小，3σ 值变化小且保持在32.5 nm 左右。当台阶变宽时，由高台阶形成的占空比为1∶1 的沟槽随之变宽，越来越多的胶体会被滞留在沟槽中，导致到达曝光图形处的光刻胶厚度减小，从而晶圆上整体CD 平均值减小。

综上所述，高台阶的台阶疏密程度和台阶宽度对晶圆全局CD 均匀性的影响均较小。台阶宽度的增加会导致全局CD 平均值的减小。

2.3 局部高台阶距原始曝光图形的距离对全局光刻胶CD 均匀性的影响

图6 为高台阶与曝光图形的间距不同时对晶圆CD 均匀性的影响。随着高台阶与曝光图形之间的距离增大，CD 的平均值变大，3σ 值减小，这表明随着高台阶与曝光图形之间间距越大，CD 的均匀性越好。高台阶与曝光图形之间间距仅为微米量级，形成大量毛细结构。当肢体在毛细结构中运动时，受到毛细作用力影响而导致肢体分布均匀性变差。因此，随着高台阶与曝光图形之间间距的增大，毛细作用力减小，全局CD 均匀性得到改善[20]。

在图7 所示的理论模型中，介质1 为光刻胶，介质2 为高台阶的材料多晶硅，d 和w 分别为高台阶的高度和宽度，W 为高台阶距原始曝光图形的距离，h1为曝光图形处的胶厚，s1表示曝光图形处的胶形貌到最终胶形貌之间无胶区的距离，h2表示高台阶间的光刻胶厚度，s2表示两邻近高台阶中心胶形貌到最终胶形貌之间无胶区的距离，hf为台阶顶到最终胶形貌的距离，高台阶的疏密用圈数m 表示，当m≥2 时，h2和s2存在。平坦化程度（degree of planarization，DOP）是用来描述高台阶上光刻胶形貌的参数

由图7 可知，光刻胶的厚度关系公式为

由式（2）可得h1-hf＝d -s1，式（1）可变化为

由式（3）可知，当d 保持不变时，FDOP仅与s1有关，换言之，仅与h1有关，且FDOP的范围为0～100%。理论上，当FDOP趋向于100%时，胶形貌呈共面性；当FDOP趋向于0 时，胶形貌呈随形性。在图7 中，高台阶的疏密程度和宽度对h1的影响较小，但是高台阶距原始曝光图形的距离W 对h1的影响较大[20-21]。当W增大时，h1趋向于目标胶厚，s1趋向于d 的值，则FDOP趋向于0，胶形貌呈随形性，因此全局CD 均匀性会得到改善；相反，当W 减小时，全局CD 均匀性会变差。

通过研究高台阶相关物理参数可以看出，高台阶的分布均匀性和高台阶距曝光图形的距离都会对晶圆全局CD 均匀性有较大的影响，通过优化切割道中的高台阶版图可以有效改善CD 的均匀性。

3 优化高台阶版图生产CD 统计过程控制验证

为了验证优化高台阶版图在实际生产中是否可行，对2019 年1 月—9 月生产的CD 平均值和3σ值进行统计比较。图8 为华润上华公司应用优化高台阶版图设计方法前后CD 统计过程控制（statistical process control，SPC）曲线，从2019-01-28—06-26，共150 d，其中，1 月28 日未使用版图优化方法，5 月6 日开始使用版图优化方法设计版图进行生产。由图8 可知，2019-01-28—05-07，由于未使用优化版图，注入层生产的CD 的平均值和3σ 值的SPC 曲线波动较大，导致生产良率降低；当使用优化版图后，通过长达2 个月的生产实验证明，CD SPC曲线明显得到了较大改善。虽然CD 平均值略大于380 nm 的目标值，但是CD 平均值的波动大幅度减小，3σ 值也稳定在25 nm 左右，生产稳定性大大提高。对2 个月的生产数据进行统计后得到，优化版图设计后CD 均匀性提高了约49.4%。这表明版图优化方法可行，能够优化器件的全局CD 均匀性且稳定性良好。

4 结论

本文通过对晶圆上高台阶的分布、疏密、台阶宽度及与曝光图形距离等参数进行研究，结果发现：当高台阶均匀分布时，CD 的均匀性获得明显提高；高台阶的疏密程度和宽度对晶圆上全局CD 均匀性的影响均较小，台阶宽度的增加会导致全局CD 平均值的减小；高台阶距曝光图形的距离越大，CD 的均匀性越好。通过优化切割道中的高台阶版图可以改善CD 的均匀性，并根据研究结论进行了版图优化。通过统计较长时间的生产实验数据，确认了版图优化方法的可行性，对于进一步改善在线光刻生产工艺具有重要的意义。