Моделирование воздействия позитивного и негативного фоторезиста на LER-эффект

Предварительная оценка неровностей фо-торезистивной маски позволяет сделать прогнозы относительно параметров проектируемых элементов, что позволит учитывать возможные отклонения, возникающие в технологическом процессе при производстве нано-электронных устройств. Величина шероховатости ширины линии (LWR) и шероховатости края линии (LER) фоторезистивной маски является все более важным источником ошибок в литографической обработке. Сдвиг порогового напряжения и ток утечки в выключенном состоянии в типичном МОП-транзисторе и более продвинутых устройствах FinFET могут зависеть от LER и LWR [1]. Неровности формируемых элементов конечного затвора транзистора в основном обусловлены шероховатостью рисунка фоторезиста, напечатанного в процессе литографии, который частично переносится на стек затворов во время последующих этапов плазменного травления [2].

В процессе литографии часто встречаются различные критические размеры (CD) и шаблоны шага на одной маске, включая различ- ные рабочие циклы. В конечном итоге на пластинах из этих различных шаблонов будут видны различные неровности фоторезистив-ной маски. Тщательный анализ изменений LER-эффекта в различных шаблонах помогает выявить слабые места процесса, улучшая стабильность литографического процесса и обеспечивая оптимальную производительность продукта [3]. Это исследование демонстрирует механизм путем моделирования аэрофотоснимков и концентраций ингибиторов для изучения корреляции между шероховатостью и шаблонами изменения CD и шага.

В ходе исследования рассматриваются два фоторезиста: один с проявлением позитивного тона (PTD), а другой с проявлением негативного тона (NTD). В частности, два материала представляли собой химически усиленные позитивные фоторезисты с высокой контрастностью и разрешением. Толщина и однородность фоторезиста измеряются и поддерживаются на рабочем уровне. Стопки пленок на двух пластинах идентичны. Структура подслоя включает органическое нижнее антибли- ковое покрытие (BARC), за которым следует слой SiON [4]. Применялись различные шаблоны для исследования изменения LER путем изменения шага и фиксации линии критических размеров. Все тестовые шаблоны экспонировались на одной маске, что означает идентичные условия процесса. Полученные образцы были обследованы с помощью сканирующего зондового микроскопа, и данные LER были записаны для анализа изменения шероховатости с различными образцами [5].

Сначала изучается тенденция изменения шероховатости на пластине с позитивным тоном фоторезиста. Как показано на рисунке 1, когда CD зафиксирован на 90 нм, LER уменьшается с 17 нм до 13 нм при увеличении шага от 100 до 200 нм. Уменьшение шероховатости можно четко увидеть на изображении SEM, края линейного рисунка довольно изви- листые, есть некоторые спайки внизу, когда шаг составляет 100 нм. Край линейного рисунка постепенно становится прямым при увеличении шага до 200 нм, контраст между линией и пространством улучшается в то же время. Подобная тенденция изменения LER наблюдалась, когда CD был зафиксирован на 130 нм. LER уменьшился с 18 нм до 14 нм при изменении шага от 150 нм до 180 нм. Небольшой рост LER наблюдался при дальнейшем увеличении шага до 200 нм, значение LER изменилось до 15 нм [6-8]. Этот отскок можно объяснить ошибками измерения. Приведенные выше данные показывают, что более низкий рабочий цикл тестового образца приводит к более выраженным неровностям фоторезистивной маки в позитивном тоне фоторезиста.

Рис. 1. SEM-изображение неровностей фоторезистивной маски позитивного тона фоторезиста

Анализ LER также выполняется на пластине с негативным тоном фоторезиста для дальнейшего изучения изменения шероховатости (рис. 2). При изменении шага с 130 нм до 180 нм значение LER увеличивается с

13 нм до 15 нм. Это говорит о том, что для пластин с негативным фоторезистом, чем выше рабочий цикл тестового шаблона, тем ниже неровности фоторезистивной маки [9-11].

Рис. 2. SEM-изображение неровностей фоторезистивной маски негативного тона фоторезиста

Наблюдаемая тенденция изменения LER в пластине негативным тоном фоторезиста контрастирует с поведением пластины позитив- ным тоном фоторезиста, разница в подходах к проявлению способствует этому результату. Фактически, в течение одного шага тестового шаблона малый рабочий цикл в пластине PTD и большой рабочий цикл в пластине NTD оба демонстрируют увеличение прозрачной области в пределах шага, это также подразумевает расширение области воздействия. На основа- нии вышеупомянутых результатов можно сделать вывод, что при воздействии в идентичных условиях более полированная поверх- ность линии достигается за счет увеличения области воздействия в пределах шага [12].

Чтобы глубже изучить взаимосвязь между вариацией шероховатости, критическим размером и шагом, был проанализирован базовый механизм этого явления с помощью моделирования, параметры моделирования установлены на основе фактических параметров процесса. Результаты моделирования успешно воспроизвели данные кремния, показав, что вариация шероховатости узоров на двух пластинах с различными методами проявления согласуется с данными кремния [13]. В частности, на пластинах с позитивным тоном фоторезиста фиксированный критический размер соответствует меньшему значению LER по мере увеличения шага и наоборот, на пластинах с негативным тоном фоторезиста больший шаг приводит к большему значению неровностей фоторезистивной маски.

Дополнительные расчеты моделирования выполняются для анализа аэрофотоснимка и концентрации ингибитора, учитывая как оптические, так и химические аспекты. В случае пластины PTD интенсивность аэрофотоснимка постепенно увеличивается с шагом, что говорит о том, что больше фотонов может быть захвачено фоторезистом. Следовательно, увеличивается генерация молекул кислоты и уменьшается статистическая неопределенность распределения кислоты. Концентрация ингибитора изменяется быстрее с увеличени- ем шага, что указывает на уменьшение случайности диффузии фотокислоты. В результате происходит более организованное и предсказуемое движение молекул кислоты, что приводит к более высокой тенденции к накоплению в целевой области и созданию более гладких границ между линиями и пространством. На пластинах NTD фиксированный критический размер и малый шаг приводят к более высокой интенсивности аэрофотоснимка, что также приводит к более быстрым изменениям концентрации ингибитора и уменьшению LER [14]. Согласно данным моделирования выше, независимо от используемого метода проявления, увеличение площади экспозиции шага приводит к более гладким краям линий и уменьшению значения LER.

Таким образом увеличение площади экспозиции фоторезиста приводит к улучшению шероховатости и эта связь сохраняется при различных методах проявления. Большая площадь экспозиции позволяет фоторезисту захватывать больше фотонов, что приводит к образованию дополнительных фотокислот посредством химических реакций усиления.