衬底材料对Nikon光刻机对准系统的影响.doc

衬底材料对光刻机对准精度的影响研究何峰 作者简介：何峰(1984-)，男，湖南邵阳人，硕士研究生，目前从事MEMS设计与制造，Email：，吴志明，王军，袁凯，蒋亚东（电子科技大学 电子薄膜与集成器件国家重点实验室，四川成都，610054）摘要：随着光刻机技术的发展，特征线宽尺寸减少到纳米级，对光刻机对准系统提出了更高的对准精度的性能指标。对准系统是光刻机最精密复杂的部分，不同的工艺条件，尤其是不同的衬底材料对对准系统的精度都会产生显著影响。阐述了Nikon步进投影光刻机的二种对准方式：激光步进对准（LSA）和场像对准方式（FIA）。并讨论了铝与氮化硅衬底材料对二种对准方式的精度影响，为工业应用提供一定的指导作用。关键词：对准系统；衬底材料；对准精度；步进投影光刻机中图分类号：TN305 文献标识码：AResearch on influences of substrate material on stepper alignment accuracyHE Feng, WU Zhiming, WANG Jun, YUAN Kai, JIANG Yadong(State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu, China, 610054)Abstract：With the development of lithography technology, feature size is reduced to nano-scale, a higher alignment accuracy of performance is needed for lithography. Alignment system is the most sophisticated part of stepper, and different process condition, in particular different substrate materials have a significant impact on the alignment accuracy. The alignment system of Nikon stepper is introduced: both laser stepper alignment (LSA) and field image alignment (FIA). The affect of aluminum and silicon nitride substrate materials on alignment accuracy is discussed and the results provide a certain guiding function for the practical application. Keywords: alignment system; substrate materials; alignment accuracy; steppers 引言光刻技术是大规模集成电路制造技术和微光学、微机械技术的先导和基础，它决定了集成电路（IC）的集成度1。而光刻机对准系统的精度控制决定了集成电路的复杂度和功能密度。在IC制造过程中，一个完整的芯片一般都要经过十几到二十几次的光刻，在多次光刻中，除了第一次光刻以外，其余层次的光刻在曝光前都要将该层次的图形与以前层次留下的图形对准，因此，对准精度将直接影响产品质量，对准速度和效率将影响产品的生产效率。对准过程就是对准系统将硅片的第一次光刻留下的零层对准标记进行精确检测，检测光学信号经光电转换输出到信号处理系统，经信号处理，最终准确识别并确定标记位置，通过复杂的对准算法得到本次光刻图形与零层图形之间的相对位置误差并进行修正2。光刻机的对准系统从信号检测方式上分为相位检测和光强检测两大类，光强检测方式又分为明场和暗场两种方式3。国外著名的光刻机生产商(Nikon，Canon，ASML)的对准系统都是采用多种对准方式，相互匹配来提高对准精度。在IC工艺过程中硅片对准标记需要经过氧化、涂胶、刻蚀，扩散，外延，蒸镀等工艺，不同层次光刻前的硅片对准将面临不同的衬底材料，它们各具有不同的光学特性，零层标记信号将产生较大的变化。目前，国内很多半导体企业和高校采用Nikon公司的NSR系列的光刻机，了解其各种对准方式的原理，根据特定的工艺条件选择不同的对准方式，达到最优化的对准效果。1.Nikon对准系统Nikon步进投影光刻机的对准过程不是硅片上的图形与掩膜版上的图形直接对准来完成，确定掩膜版的位置是一个独立的过程，确定硅片的位置又是另一个独立的过程。其对准原理是，在硅片曝光台上有一基准标记，可以把它看作是坐标系的原点，所有其它的位置都相对该点来确定的。分别将掩膜版和硅片与该基准标记对准就可确定它们的位置。在确定了两者的位置后，掩膜版上的图形转移到硅片上就完成了对准过程。Nikon对准系统4主要包括掩膜版对准系统、硅片对准系统。由于掩膜版对准系统受工艺或其他影响较小，主要是系统误差，这里不做详细讨论。而硅片对准系统对对准精度的影响较大，目前Nikon NSR系列光刻机根据特定的应用或为解决依赖于IC制造工艺而产生的对位错误，发展了三种硅片对准系统：LSA5(Laser step alignment)、LIA6(filed image alignment)、FIA7(laser interferometer alignment)，三种对准技术可以同时用于步进光刻机上，由于LSA与FIA广泛应用与Nikon光刻机上，下面对这二种对准方式原理及特点做具体介绍。1.1 LSA对准方式LSA是指激光步进对准方式，它是一个暗场下的衍射光或散射光的侦测系统3。它采用He-Ne激光器作为光源，波长为632.8nm。对位激光光束具有很强的相干性，决定了这种对位系统的高灵敏度及高识别能力，它适合于大多数的层次。其原理图如图1(a)所示。(a) LSA结构图 (b) LSA对位标记图1 LSA结构和对位标记图Figure 1 LSA schematic diagram由He-Ne激光器发出的激光被分光镜分割成X、Y方向分开的狭长的两束光斑，每束光经安装在掩膜版下方的反光镜所折射，当激光照射到如上图1(b)所示的光栅形状的LSA标记上时，在标记的侧壁处，将发生衍射和散射。衍射光和散射光将沿原入射光的光路返回，在返回的路上，部分光被分光镜反射（X、Y方向的对位标记彼此独立，因此，在记录标记X、Y方向的位置时也是由彼此独立的X、Y方向分开的两束光斑来独立完成的）上，空间滤波器将0级衍射光滤去，探测器接受含有主要信息的1级衍射光，根据光强进行光电转换，得到电信号。当圆片在工作台上对位移动时，对位标记衍射和散射的光会与入射光的光斑位置相关联，这些光在转换到数字信号时会得到一个单峰信号，根据这个信号，衍射和散射的位置便会由固定在工作台上的激光干涉仪记录下来，这样，对位标记的位置便可准确确定下来。但LSA对位方式的激光照明，光线在衬底和光刻胶之间的多次反射所产生对位标记边缘的相干条纹，常常会错误的反映对位标记的图像，得到虚假的对位信号，尤其在金属溅射层上，表面一般比较粗糙，有许多颗粒和微小山丘，且金属层的标记容易发生不对称变化，LSA对准效果不是很理想。另外光刻胶覆盖后对准标记的畸变也会影响LSA对该位置的精确测量，LSA对准方式对这些工艺影响的适应能力较小。1.2 FIA对准方式FIA是指场像对准方式，在Nikon NSRG7/I7系列光刻机开始采用8。它以图像方式读取硅片上的对位标记并对图像进行处理，检测标记的位置。与LSA不同，FIA的光源为宽带的相干性差的卤素灯，波长范围在550800nm。其原理图和对位标记如图2所示：FIA对位标记的一般形貌 图2 FIA结构和对位标记图Figure 2 FIA schematic diagram宽带卤素灯照明光通过分光镜照到硅片上的对位标记，对位标记通过CCD摄像输出视频信号，由图像处理单元（Image Processing Unit）计算出硅片对位标记的精确位置。FIA系统是一个离轴的对位系统，在完成对位时，光路并没有通过投影透镜，而是位于透镜的旁边。这是由于不同波长的光波在透镜中不同的折射率引起光程差的差异，因此这种宽频的非相干光波是不能通过透镜组的。FIA对准方式的主要特点有：采用宽频非相干的光源照明、明场成像。FIA方式能够减少金属层上因对位标记的非对称性引起的成比例关系的对位错误，从而提高对位精度。作为一种图像处理方法，FIA的缺点是不能很好的检测到低对比度下、低台阶差异下的对位标记。这些对准方式均采用光栅对位标记。图1（b）、图2给出LSA、FIA对准方式的对位标记。均匀照明的入射光在光栅型的对准标记上发生衍射，衍射后的反射光带有关于对准标记结构的位置信息，多级次衍射光以大角度从光栅型对准标记上散开，通过空间滤波器滤掉零级光和高阶衍射光后采用1级衍射光（LSA）或者同时采集多级衍射光（LIA）在像平面干涉成像，经光电探测器和信号处理，确定对准标记的中心位置。目前，Nikon光刻机上使用较多的是LSA，FIA二种对准方式，后续实验主要分析这二种方式对不同的衬底材料的优劣，实验中使用的是Nikon NSR2005i9步进投影光刻机。2.不同衬底材料的对准精度影响2.1铝衬底的二种对准方式精度Al膜在半导体器件和集成电路中，是目前使用最多的一种导电材料。实验采用的铝膜是无锡华晶半导体公司溅射制备的铝合金。高温溅射的铝在填充对位标记的台阶时，由于铝表面构造粗糙和铝对对位标记的填充不对称等原因，对位的精度往往要比其它层次差很多。对铝膜采用LSA对准方式，实验在铝膜上旋涂光刻胶AZ3100制备第二层图形，参数如表1所示。层数材料厚度/nm折射率消光系数1铝50025.467.32光刻胶（AZ3100)10001.6370.069表1 铝/二氧化硅/光刻胶多层膜的厚度及光学参数表Table 1 the parameters of Al /SiO2 / photo-resist multilayer film利用金相显微镜观察显影后硅片的对准标记，得到如图5所示的对准精度结果。图5（a）为设备测量对位用的图形，显示的是第二层光刻胶图形相对第一次铝的位置，图5（b）是对位游标，用于人工读取对位偏差，其读数原理同游标卡尺（每小格代表0.1m）。 图3 套刻对准标记及对位游标图Fig 3 Overlay mark and VernierCaliper alignment for LSA从图中可以观察到X方向基本无偏差，Y方向向上偏0.3m。X，Y方向的偏差是由于涂胶过程中硅片二个方向的厚度不一致造成的。对同种工艺条件下制备的铝膜采用FIA对准方式重复上述实验，利用金相显微镜观察硅片的对准标记，得到如图4的对准结果。X，Y方向均无偏差。 图4 套刻对准标记及游标卡尺图Fig 4 Overlay mark and VernierCaliper alignment for FIA多次实验对铝膜采用不同的对准方式LSA和FIA，比较二者的对准精度。采用Nikon 机器中的AMS(AUTO MEASURE SYSTEM)测量二者的套刻偏差，得到如图5所示的结果（图中XM+3sig，YM+3sig是一个统计值，X_range和Y_range是指x、y范围上的套刻偏差）。图5 铝衬底的FIA，LSA套刻精度比较图 FIG 5 Comparison overlay accuracy between FIA and LSA on substrate Al从图5中可以看出，FIA的套刻精度要强于LSA对准方式，主要是由于铝表面的粗糙，可归因于金属晶粒太大，较大的铝结晶可以干扰到LSA对位标记的衍射作用，使识别信号无法跟噪音信号分开。FIA方式能够减少铝层上因对位标记的非对称性引起的这种呈比例关系的对位错误，从而提高对位的精度。在这些层次上如采用相干光（例如LSA对位方式采用的激光）照明的话，光在圆片的衬底与光刻胶之间多次的反射所产生对位标记边缘的相干条纹，常常会错误的反映对位标记的图像，得到虚假的对位信号。2.2氮化硅衬底的二种对准方式精度氮化硅薄膜是芯片制造中广泛运用的一种绝缘薄膜,其可用作芯片表面的掩蔽膜及钝化膜。实验中氮化硅衬底由PECVD制备得到，厚度500nm。层数材料厚度/nm折射率消光系数1氮化硅5002.10.0012光刻胶(AZ3100)10001.6370.069表2 氮化硅/二氧化硅/光刻胶多层膜的厚度及光学参数表Table 2 The parameters of Si3N4/SiO2/photo-resist multilayer film同上实验，对氮化硅薄膜采用二种不同的对准方式进行套刻。得到如图6所示的氮化硅衬底不同的对准方式得到的对准精度比较图。图6 氮化硅衬底的FIA,LSA套刻精度比较图Fig 6 Comparison overlay accuracy between FIA and LSA on substrate Si3N4图中可以看出LSA,FIA对准方式对氮化硅衬底的影响不大，LSA的对准精度比FIA的略高一点，与图5比较，我们还可以分析出铝衬底与氮化硅衬底的套刻精度，发现铝膜的LSA套刻精度高于氮化硅薄膜的精度。这是因为Al层对准信号要明显强于Si3N4材料的信号强度，由于信号强度弱，Si3N4在对准时出错的几率就大大增加了。铝层和氮化硅层的LSA信号强度对比如图7所示。 图7 铝层与氮化硅层的LSA信号强度图 Figure 7 LSA signal wave of Aluminum and silicon nitride contrast diagram由于携带着对准标记信息的反射光线，其振幅和相位受各工艺层膜厚和折射率影响较大。选择吸收性低的材料和光刻胶可以提高覆盖多层工艺的套刻标记的反射率。从而提高对准信号的强度。对提高精度有着重要的作用。3.结论Nikon光刻机的三种对准方式（LSA、FIA、LIA）由于对准机制的不同，适合不同的工艺条件下的对准。根据不同工艺层选择合适的对准方式，对提高对准精度和效率有着重要意义。对于铝金属等表面粗糙和衬底不均匀的材料，选择FIA对准方式能提高对准精度，而对于吸收性材料如氮化硅，二氧化硅等工艺层，尽可能的选择LSA对准方式，它具有高产出，高识别等优点。 参考文献1何峰, 吴志明, 王军, 袁凯, 蒋亚东. Nikon光刻机对准系统概述. 电子工业专用设备, 2009, Vol.171,8122严利人. Nikon光刻机对准机制和标记系统研究.微细加工技术, 2002-09, 44473Moitreyee Mukherjee ROY, Navab Singh, etc. “Evaluation of alignment target designs for Cu and low K dual damascene process”.2003.SPIE.vol.5038. Metrology, Inspection, and Process Control for Microlithography XVII. pp: 93-100.4 P.Dirksen, C.Juffermans, A.Leeuwes