Line Edge Roughness (LER) 線邊緣粗糙度

來源：C Lighting

線邊緣粗糙度(LER)

線邊緣粗糙度（LER）指的是柵極圖案邊緣的隨機(jī)變化，即印刷圖案邊緣的粗糙度。當(dāng)最小特征尺寸減小到幾十納米以下時，LER對MOSFET性能的影響就無法忽視了。LER會在溝道長度方向上產(chǎn)生一些幸運（lucky）通道（即局部短溝道），從而導(dǎo)致器件之間的不匹配。例如，在Intel的65納米器件中，當(dāng)LER的標(biāo)準(zhǔn)偏差三倍值（3σ）大于標(biāo)稱柵極關(guān)鍵尺寸（critical dimension）的10%時，實驗觀察到了導(dǎo)通驅(qū)動電流（on-state drive current）下降了2%。
由于LER引起的變異與短溝道效應(yīng)（SCE：short channel effect）高度相關(guān)，因此具有較強(qiáng)短溝道效應(yīng)抵抗力的器件結(jié)構(gòu)在給定的LER輪廓下受到的性能變異影響較小。例如，由FinFET和三柵MOSFET組成的六晶體管（6-T）靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器（SRAM）單元，或者超薄體器件，如全耗盡硅絕緣體MOSFET（FDSOI MOSFET），由于它們改進(jìn)了柵極到溝道的電容耦合（與傳統(tǒng)平面體MOSFET相比），因此對LER引起的工藝變異有更好的免疫力。
此外，如表1所示，通過利用雙重圖案技術(shù)（DP），28納米三柵體（tri-gate）MOSFET中的LER引起的閾值電壓（VTH）變異可以減少大約20%。值得注意的是，盡管LER引起的VTH變異減少了，總的隨機(jī)變異量只略有減少。這表明在三柵體MOSFET中，隨機(jī)摻雜波動（RDF：random dopant fluctuation）或工作函數(shù)變異（WFV：work function variation）等其他隨機(jī)變異源要比LER更為顯著。然而，盡管在 FinFET 器件中，由LER引起的VTH變化有所減小，但fin邊緣粗糙度（即沿溝道長度方向的 LER）已與 WFV 一起成為最關(guān)鍵的隨機(jī)變化源之一。

表1：三柵極 MOSFET 中 LER 引起的 VTH 變化（取決于光刻技術(shù)）

LER的物理來源

在光刻步驟中，掩膜上繪制的圖案會轉(zhuǎn)移到抗蝕層上，因為抗蝕層的溶解度會因抗蝕層是否受光照射而變化。為了提高對光的敏感度，通常會使用化學(xué)放大法。在這一過程中，化學(xué)放大的抗蝕劑暴露在光下以產(chǎn)生酸。在曝光后的烘烤步驟中，這些酸會催化聚合物的去保護(hù)作用?？刮g劑的去保護(hù)部分很容易被顯影劑溶解，從而產(chǎn)生抗蝕圖案。最終的 LER 曲線包含了前面每個加工步驟的所有累積變化。
2.1 掩模圖案的LER
在考慮LER（線邊緣粗糙度）時，掩模圖案本身的任何粗糙度似乎都是LER的根本原因。如果掩模圖案本身就存在LER，并且光刻技術(shù)能夠無失真地轉(zhuǎn)移這種LER，那么投射到PR（Photo Resist）層上的圖案就會具有與掩模圖案完全相同的LER輪廓。實際上，掩模邊緣的波動是不可避免的，掩模圖案本身就有一定的粗糙度。然而，這種粗糙度相對于原始圖案的尺寸來說足夠小，以至于可以忽略不計。從技術(shù)上來講，在當(dāng)前193納米光刻技術(shù)下，幾乎不可能轉(zhuǎn)移微小的圖案（即掩模圖案的粗糙度）。因此，掩模圖案固有的LER不會對PR圖案的LER造成貢獻(xiàn)。
盡管如此，掩模圖案的粗糙度仍然是一個值得關(guān)注的因素，尤其是在更高精度的需求下。隨著技術(shù)的進(jìn)步，更先進(jìn)的光刻技術(shù)可能會使掩模圖案的微小粗糙度成為問題。例如，在EUV光刻中，掩模圖案的精確度變得更加關(guān)鍵，因為EUV光刻技術(shù)可以實現(xiàn)更精細(xì)的特征尺寸。在這些情況下，掩模圖案的粗糙度可能會對最終的光阻圖案產(chǎn)生影響。
總的來說，雖然掩模圖案的粗糙度通常不足以直接導(dǎo)致光阻圖案的LER，但在更先進(jìn)的制造工藝中，它可能成為一個需要注意的問題。制造商通常會采取措施來最小化掩模圖案的粗糙度，并確保光刻過程中其他因素得到控制，以減少LER的影響。
2.2 曝光劑量的變化
光刻技術(shù)所能達(dá)到的分辨率主要取決于所使用的投影透鏡的尺寸，因為投影透鏡的孔徑（或直徑）決定了衍射階次。理論上，需要一個無限大的透鏡來收集所有的衍射階次；然而，實際上的透鏡具有有限的尺寸。這一現(xiàn)實往往限制了光刻技術(shù)的分辨率。其結(jié)果是，到達(dá)光阻表面的曝光光線強(qiáng)度并不是階躍函數(shù)的形狀，而是sinc函數(shù)的形狀（即，曝光光線的強(qiáng)度具有一定的梯度）。

圖1：光刻步驟示意圖。展示了光線強(qiáng)度對LER的影響，由于光強(qiáng)度的梯度，Pattern邊緣與Mask邊緣并不完全匹配。
我們假設(shè)，如果曝光光線的強(qiáng)度等于或高于閾值強(qiáng)度，則光阻會被酸激活，從而可以容易地溶解出去。光阻圖案的邊緣是曝光光線強(qiáng)度等于閾值劑量的點。為了定量理解特征邊緣處的空中圖像對比度，引入了圖像對數(shù)斜率（Image Log-Slope, ILS）的概念：

其中

是邊緣處的光強(qiáng)和邊緣處的光強(qiáng)斜率。ILS描述了曝光光線強(qiáng)度從完全暴露到未暴露區(qū)域過渡的陡峭程度。較高的ILS意味著邊緣更加清晰，從而有助于減少LER。
在制造過程中，隨著光刻工藝中每個步驟的完成，每個步驟中的曝光光強(qiáng)度往往會因激光輸出功率的變化、光學(xué)系統(tǒng)的振動、晶片載物臺的微小上下移動和/或光量化導(dǎo)致的總劑量波動等不良影響而波動。由于光刻膠圖案的邊緣是由光強(qiáng)決定的，因此曝光光強(qiáng)的波動是 LER 的根本原因之一。如果圖案邊緣的光強(qiáng)斜率較陡，邊緣的波動就會減小。因此，要減輕 LER，明暗對比度必須很大（即光強(qiáng)梯度陡峭）。
曝光劑量的變化會對光刻結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。例如，即使是很小的劑量變化也可能導(dǎo)致光阻圖案的邊緣移動，進(jìn)而影響LER。劑量控制的非準(zhǔn)確性可能是由于光源強(qiáng)度的變化、透鏡系統(tǒng)的不完美、掩模與光阻兩者之間的距離變化等多種因素造成的。
劑量的變化可以通過多種方式來量化和控制。一種常用的方法是通過劑量掃描實驗來確定最佳曝光劑量，以獲得所需的圖案尺寸和形狀。此外，還可以使用劑量反饋控制系統(tǒng)來實時調(diào)整曝光劑量，以減少因劑量變化引起的LER。值得注意的是，即使圖像對比度持續(xù)增加，LER 也會在5 nm處達(dá)到飽和。超過這一點，任何殘余的LER都來自抗蝕劑固有的材料粗糙度。
總之，曝光劑量的變化是影響光刻技術(shù)中LER的重要因素之一。通過優(yōu)化曝光條件、改善透鏡設(shè)計以及采用先進(jìn)的劑量控制技術(shù)，可以有效地減少這種影響，從而提高光刻圖案的質(zhì)量。
2.3 化學(xué)放大（CA：Chemically Amplified）光阻中的LER生成
在CMOS制造過程中，化學(xué)放大被用來提高光阻的靈敏度?；瘜W(xué)放大光阻包含圖3所示的光酸化發(fā)生器（photoacid generator）。當(dāng)化學(xué)放大光阻薄膜中的光酸化生成器吸收來自光的能量時，它們分解成酸陽離子和其他陰離子。這一分解過程被稱為去保護(hù)反應(yīng)。在曝光后的烘烤步驟中，生成的酸在光阻薄膜內(nèi)擴(kuò)散，并幫助催化去保護(hù)反應(yīng)。酸是不會被消耗掉，而是在去保護(hù)反應(yīng)中持續(xù)存在，因此能夠反復(fù)催化這些反應(yīng)。由于酸可以改變聚合物的溶解性，去保護(hù)的聚合物區(qū)域可以選擇性地被顯影劑去除，從而使掩模上的圖案能夠轉(zhuǎn)移到光阻薄膜上。
然而，由于酸在光阻薄膜內(nèi)隨機(jī)擴(kuò)散，這會導(dǎo)致LER的產(chǎn)生。在曝光后的烘烤步驟中，（i）烘烤溫度，（ii）去保護(hù)反應(yīng)的局部程度，以及（iii）反應(yīng)副產(chǎn)品的濃度都會影響酸的擴(kuò)散系數(shù)。Acid molecule的擴(kuò)散距離通常是幾十納米。但是，很難完全控制擴(kuò)散速率，因為在烘烤過程中溫度、局部反應(yīng)程度和副產(chǎn)品濃度都不是恒定的。因此，有可能某些酸會擴(kuò)散到目標(biāo)邊緣之外。如果未曝光區(qū)域被這些酸充分的去保護(hù)，它們將被顯影劑溶解，從而導(dǎo)致LER中的higher frequency成分增加。

圖2：在化學(xué)放大的抗蝕劑中，LER是在曝光后的烘烤步驟中由于酸擴(kuò)散而形成的。

2.4 光阻的固有粗糙度
即使排除了其他LER（線邊粗糙度）的來源，光阻本身的非均勻性也會沿側(cè)邊造成LER。例如，即使曝光光強(qiáng)度是沒有變化的，光阻的光子吸收也會隨物理位置的不同而有所變化。假定光子吸收均勻，光刻膠聚合物鏈中的隨機(jī)溶解和不同尺寸會在圖案邊緣產(chǎn)生粗糙（見圖 2.4）。此外，沿著曝光圖案的邊緣，一些聚合物分子會涂抹到顯影液中，但仍固定在抗蝕劑薄膜的其他部分。在去離子水沖洗過程中，這些部分溶解的聚合物鏈將會重新沉積在抗蝕劑上，并重新確定圖案的邊緣。
固有粗糙度的來源：

光子吸收的非均勻性：即使光強(qiáng)均勻，光阻的內(nèi)部的光子吸收也會因位置不同而有所差異，這會導(dǎo)致局部曝光量的變化。

聚合物鏈的尺寸差異：光阻聚合物鏈的長度和形狀的不一致性也會導(dǎo)致溶解性的差異，進(jìn)而影響圖案邊緣的平滑度。

溶解過程的隨機(jī)性：在顯影過程中，聚合物鏈的溶解是隨機(jī)的，這會導(dǎo)致邊緣粗糙度。

聚合物分子的溶脹和再沉積。溶脹：在顯影過程中，聚合物分子可能會從曝光區(qū)域的部分溶解并溶入顯影劑中。再沉積：在去離子水沖洗步驟中，這些部分溶解的聚合物鏈將可能會重新沉積在光阻表面，這會影響圖案邊緣的形狀，增加粗糙度。

圖3：光刻膠中不同尺寸的聚合物造成的LER

雙重圖案化對LER的影響

3.1 雙重圖案化與雙重蝕刻
為了提高光阻圖案的分辨率而不更換光源（例如，從193納米到極紫外光刻 EUV），在小于32納米節(jié)點的光刻過程中添加了雙重圖案化技術(shù)。雙重圖案化技術(shù)已在22/20納米技術(shù)及以上廣泛采用。請注意，雙重圖案化和雙重蝕刻（2P2E：double patterning and double etching）是雙重圖案化技術(shù)的一個例子。2P2E是一種用于提高分辨率的技術(shù)，通過兩次圖案化和兩次蝕刻的過程來實現(xiàn)更細(xì)的圖案。這種技術(shù)能夠使用相同的光源、光阻和節(jié)距尺寸實現(xiàn)更精細(xì)的圖案。
在雙重圖案化技術(shù)中，首先將硅基底抗反射層（Si-BARC）和旋涂氧化層（SOC）涂覆在襯底上。這些層在第一次和第二次光刻步驟中保留了原始圖案，并在第二次蝕刻步驟中作為硬掩模發(fā)揮關(guān)鍵作用。在Si-BARC上旋涂一層光阻，然后通過第一次光刻步驟投射第一個圖案（圖4d）。通過隨后的第一次蝕刻步驟，光阻上的圖案轉(zhuǎn)移到Si-BARC上，而在傳統(tǒng)工藝中則是蝕刻底層襯底（圖4e, b）。接下來，為了第二次光刻步驟，另一層進(jìn)行光阻的旋涂以填充Si-BARC上的第一個圖案，然后執(zhí)行第二次光刻步驟（圖4f）。較薄的Si-BARC膜可對與在版圖上涂覆第二層光刻膠堆棧相關(guān)的涂層均勻性問題產(chǎn)生最小影響。第二次蝕刻步驟用于將光阻上的圖案轉(zhuǎn)移到Si-BARC層上（圖4g）。最后，圖案從Si-BARC轉(zhuǎn)移到SOC，再從SOC轉(zhuǎn)移到襯底（圖4h-j）。因此，雙重圖案化和雙重蝕刻技術(shù)能夠在使用相同光源、光阻、節(jié)距大小和顯影方法的情況下實現(xiàn)比傳統(tǒng)光刻更精細(xì)的圖案。

圖4：a、b為1P1E技術(shù)和d-j為2P2E 技術(shù)的圖案化工藝順序。1P1E和2P2E的最終特征的頂視圖分別顯示在(c)和(k)中。請注意，每個線邊緣都用“1”(“2”) 表示，以表明線邊緣受到第一 (第二) 圖案化步驟的影響。

由于線邊粗糙度輪廓通過多次蝕刻過程傳遞，襯底上的LER輪廓與光阻、Si-BARC和SOC上的原始LER輪廓不同。隨著蝕刻過程的完成，圖案的邊緣趨于平滑。通過統(tǒng)計和實驗數(shù)據(jù)已經(jīng)確認(rèn)，基于雙重圖案化和雙重蝕刻技術(shù)的LER輪廓的相關(guān)長度大于傳統(tǒng)的LER輪廓的相關(guān)長度。因此，多次蝕刻過程會導(dǎo)致具有較低空間頻率和平坦峰谷的更平滑線邊，從而減少LER ，使線邊更加平滑。此外，額外的熱處理，比如在第一次和第二次光刻之間的后烘烤和曝光后烘烤，會進(jìn)一步增加LER輪廓的相關(guān)長度，平滑線邊輪廓。
3.2 自對準(zhǔn)雙重圖案化
雖然使用雙重圖案化和雙重蝕刻技術(shù)需要兩次單獨的光刻步驟以便使光阻圖案的分辨率加倍，但有一種完全不同的方法稱為自對準(zhǔn)雙重圖案化，它只需要一次曝光。自對準(zhǔn)雙重圖案化可以通過薄膜沉積、蝕刻和化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）而不需額外的光刻步驟使光阻圖案的分辨率加倍。自對準(zhǔn)雙重圖案化的工藝流程參看圖5。通過光刻和蝕刻步驟，按照特定的節(jié)距將涂覆的光阻圖形化（注意，最終圖案的節(jié)距將會減半）。接下來，光阻上的圖案通過等離子蝕刻轉(zhuǎn)移到犧牲層上。然后，犧牲層形成具有1:3的占空比（即：線/空間=1/3）的虛擬柵極。通過硅氮化物（Si?N?）的沉積和各向異性蝕刻，形成具有與虛擬Gate相同關(guān)鍵尺寸的間隔層（即，占空比為1:1）。通過各向同性蝕刻步驟消除虛擬柵，只留下堆疊薄膜上的間隔層（Spacer）圖案。最后，使用Si?N?間隔層作為蝕刻掩模，將間隔層圖案轉(zhuǎn)移到硬掩模上。因此，使用自對準(zhǔn)雙重圖案化，光阻的原始節(jié)距在最終圖案中減少了50%。換句話說，一個光阻線條可以創(chuàng)造兩個Spacer，從而將空間頻率加倍。

圖5：自對準(zhǔn)雙重圖案化技術(shù)工藝流程

在FinFET的制造過程中，鰭狀體可以通過兩種方式之一進(jìn)行圖案化：(1) 使用光阻作為掩模（即：“光阻定義”），和 (2) 使用間隔層作為掩模（即：“間隔層定義”）。傳統(tǒng)的光阻定義線條創(chuàng)建的邊緣具有非關(guān)聯(lián)的粗糙度，可以假設(shè)ρX=0。這是因為對于每個光阻的邊緣來說，聚合物聚集物的侵蝕是隨機(jī)進(jìn)行的。另一方面，間隔層定義的線生成的邊緣相當(dāng)相關(guān)。這是由于先進(jìn)行了保形薄膜沉積過程，接著是高度均勻的各向異性蝕刻過程。這些步驟導(dǎo)致沿虛擬光阻定義特征的側(cè)壁形成了間隔層掩模（圖6）。如果間隔層寬度（對應(yīng)于沉積薄膜的厚度）可以忽略（與LWR空間頻率的倒數(shù)值相比），間隔層定義的線將具有均勻的寬度。因此，可以假設(shè)ρX = 1?？傊?，如果在FinFET制造過程中使用自對準(zhǔn)雙重圖案化技術(shù)，由LWR（而不是LER）引起的性能變化可以幾乎消除。

圖6：自對準(zhǔn)雙重圖案化技術(shù)示意圖。此方法可以幾乎消除LWR量，實現(xiàn)完美相關(guān)的線邊緣。

【近期會議】

10月30-31日，由寬禁帶半導(dǎo)體國家工程研究中心主辦的“化合物半導(dǎo)體先進(jìn)技術(shù)及應(yīng)用大會”將首次與大家在江蘇·常州相見，邀您齊聚常州新城希爾頓酒店，解耦產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)袌霾季?！https://w.lwc.cn/s/uueAru

11月28-29日，“第二屆半導(dǎo)體先進(jìn)封測產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新大會”將再次與各位相見于廈門，秉承“延續(xù)去年，創(chuàng)新今年”的思想，仍將由云天半導(dǎo)體與廈門大學(xué)聯(lián)合主辦，雅時國際商訊承辦，邀您齊聚廈門·海滄融信華邑酒店共探行業(yè)發(fā)展！誠邀您報名參會：https://w.lwc.cn/s/n6FFne

聲明：本網(wǎng)站部分文章轉(zhuǎn)載自網(wǎng)絡(luò)，轉(zhuǎn)發(fā)僅為更大范圍傳播。 轉(zhuǎn)載文章版權(quán)歸原作者所有，如有異議，請聯(lián)系我們修改或刪除。聯(lián)系郵箱：viviz@actintl.com.hk， 電話：0755-25988573

審核編輯 黃宇