光刻工艺光刻对准

1、NIKON工艺概述对光刻而言，其最重要的工艺控制项有两个，其一是条宽控制，其二是对位控制。 随着产品特征尺寸的越来越小，条宽和对位控制的要求也越来越高。目前0.5um的产品, 条宽的要求一般是不超过中心值的 10%,即条宽在0.5±0.05um之间变化；对位则根据 不同的层次有不同的要求，一般而言，在多晶和孔光刻时对位的要求最高，特别是在孔 光刻时，由于孔分为有源区和多品上的孔，对位的要求更高，部分产品多品上孔的对位 偏差甚至要求小于0.14um。在现在的IC电路制造过程中，一个完整的芯片一般都要经过十几到二十几次的光 刻，在这么多次光刻中，除了第一次光刻以外，其余层次的光刻在曝光前

2、都要将该层次 的图形与以前层次留下的图形对准。对位的过程存在于上版和圆片曝光的过程中，其目 的是将光刻版上的图形最大精度的覆盖到圆片上已存在的图形上。它包括了以下几部 分：光刻版对位系统、圆片对位系统（又包括 LSA、FIA等）。对于NIKON的步进重复 曝光机（Step & Repeat而言，对位其实也就是定位，它实际上不是用圆片上的图形与 掩膜版上的图形直接对准来对位的，而是彼此独立的，即，确定掩膜版的位置是一个独 立的过程，确定圆片的位置又是另一个独立的过程。它的对位原理是，在曝光台上有一 基准标记，可以把它看作是定位用坐标系的原点，所有其它的位置都相对该点来确定的。 分别将掩膜

3、版和圆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圆片上就是对准的。光刻版对位系统略。圆片对位系统圆片对位系统中，根据特定的应用或为解决依赖于圆片工艺（如铝层）而产生的对位错误，发展了各种各样对位系统：LSA、LIA、FIA。这里先作一个比较：这三种方式 的最大差异是处理对位过程中遇到问题的侧重点不同，特别是在铝上，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。铝表面的粗糙可归因于金属晶粒太大，较大的铝结 品可以干扰到LSA对位标记的衍射作用，使识别信号无法跟噪音信号分开；铝工

4、艺步 骤中的阴影可导致对位标记的形貌变形，产生不对称的对位标记，不同的阴影会对对位 产生不同的影响，于是，随机的对位错误使出现了。这种对位的错误在表现上常常是从圆片的中心按一定比例关系呈辐射状向圆片边缘形成的。这三种对位方式各有侧重的解 决了上述问题目前我公司光刻的曝光设备上，用到的圆片对位方式只有两种，分别为LSA、FIA,这是它们对对位标记的形貌的要求： LSA对位标记的一般形貌一>LSA方式1、概要LSA是Laser Step Alignment的缩写，它是一个暗场下的衍射光或散射光的侦测系 统。对位激光光束相干性的特点，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

5、层次。但在铝层，在结晶颗粒比较大的时候，精确性会受到限制。在 EGA （增强全局对位）对位技术里，虽然这种结晶颗粒产生的随机错误的影响可随对位点的数量增加而得到一定的改善；但由于激光束的相干性是固有的，因此，对位标记的非对 称性引起的对位错误在EGA中是得不到改善的。在每一个LSA标记进行对位时，模拟信号被不断的转换成数字信号，同时Stage干涉仪以一定的采样频率（每0.01um一次）将数字信号及Stage的坐标同步储存在存储器 中。该过程将不断重复，直至读完一个完整的信号波型。存储起来的这些信息将由高速 的数字信号处理器（DSP）进行处理，计算出每一个对位标记的坐标。2、LSA测量原理及方法

6、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 束光经安装在光刻版下方的反光镜所折射，穿过透镜照到圆片上。当激光照射到如上图所示的光栅形状的 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 镜反射到传感器上。在每个BLOCK内，X、Y方向的对位标记彼此独立，因此，传感器在记录标记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。当激光在LSA对位标记上发生衍射时，零级光被滤光镜过滤掉，因此，传感器实 际上只是根据次极光波的光强进行光电转换，得到电信号。当Stage在对位

7、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Stage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。上述的对位信号在由自动增益控制（AGC）电路增益之前，是被缓冲在前置放大器 里的，在这里，原始信号将进行最佳的偏移量、增益的调整。我们可以通过调整前置放大器或在 “Mixed mode”中选择信号的混合比达到想要的 效果。在原始信号调整完后,模拟信号将根据 Stage上激光干涉仪发出的位置脉冲进行采 样，进行模数转换，以数字信号形式合成后存储到存储器中。随着Stage移动对信号进

8、行采样，标记的波形被数字化后一个接一个的存储到存储 器中，与存储器的地址相关联的便是 Stage扫描的位置。事实上，数据的采集是从对位标记所预计的位置之前的一个适当的地方（Xo）开始的，扫描的范围覆盖了一个与 Xo相关的指定距离。接着，由高速的处理器从事接着， 由高速的处理器从事对位检测、算法处理进行波形的存储，从而对位标记的位置Xa就被确定下来。 通过CPU版（WA-SP）, Xa的位置反馈给主 CPU （minicomputer）,于是， 每个BLOCK内对位标记的坐标就被确定下来了（ Xo+Xa）。.二、 FIA方式FIA是Field Image Alignment的缩写，用于圆片对位，

9、在 G7/I7系列开始采用。它 以图象方式读取圆片上的对位标记并对图象进行处理，检测标记的位置。FIA与WGA、LSA在检测圆片上对位标记的位置这一功能上并没有不同。所不同 的是，WGA、LSA的光源为He-Ne激光器，而FIA的光源为宽带的相干性差的卤素灯。如前所述，采用激光对位系统时，标记是易发生相干的光栅形状的，它易于跟其它 标记相互区分开，具有比较高的精度，适合台阶较低的层次。然而，由于 LSA方式采 用的是干涉原理，在以下情况下对位的精度不好：涂胶时的胶厚不均匀或对位标记的形状差异易引起的缩放错误，圆片表面的粗糙（如铝层）易引起随机错误等。FIA方式应用于克服这些不利因素。FIA方式

10、主要特点有：采用了宽频非相干的光 源照明、明场成像。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象，得到虚假的对位信号。FIA系统是一个离轴的对位系统，在完成对位时，光路并没有通过透镜组，而是位于透镜组的旁 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 的非相干是不能通过透镜组的。作为一种图象处理方法，FIA的缺点是不能很好的检测到低对比度下、低

11、台阶差异下的对位标记。LSA一高产出，尽可能在可以使用的层次上使用；FIA 一用于粗糙平面及对位标记不对称的圆片上。一次光刻时，只有预对位过程，它在圆片装入的时候发生，用以判定圆片的平边（缺 口位置），是通过机械加光电的方式来确定圆片的中心及平边的。圆片上有一个平边， 在圆片低速旋转时，平边处发光二极管的光就可以透过，通过其背面的传感器探测光强 的变化，经光电转换后，再对电信号作适当处理，就可以将圆片的中心和平边确定出来。 恰当的定位好圆片，传输圆片到曝光台。一次光刻时，会在圆片上留下供以后层次定位 用的对位标记。从二次光刻起，各层次的对位是根据掩膜版文件上给定的前层次的对位标记的坐 标，通过

12、移动圆片，相对基准标记来确定坐标，其具体过程如下：首先，通过预对位装置，找圆片平边。然后，圆片被传送到曝光台上，进行 Search 对位。Search对位确定对位标记的正确性，测量圆片在 Stage 上的位置，并调整圆片上 丫、8对位标记的位置使它们与 Y Stage的反射镜平行。圆片上一般设置了三个 Search对位标 记，它们在圆片上的分布如右图。首先，寻找 Y和8标记， 根据Y和8标记的位置，旋转圆片，使Y和8标记与Y Stage的反射镜平行，定位圆片的平边。然后，寻找 X标记，由Y、8X这三个标记，确定 出圆片的中心。Search对位精度一般不高，后面还要进行 g-EGA对位以提高对位

13、精度， 但正确的Search对位已能确保g-EGA对位找到标记。Search对位完成后，进行g-EGA对位，EGA方法以圆片上曝光区域统计模型为基 础。在曝光程序中，选中一定数量的管芯进行对位标记位置测量，完成测量后，根据曝 光阵列管芯的布局计算补偿值，以将预期的与实际测量的管芯的位置间偏差的均方根最 大限度地减到最小。这样的补偿值包括：X、Y方向的平均值；X、Y方向的比例、旋转、正交性。新的曝光坐标近似的是这六个参数的线性函数。要提高圆片的对位精度，可适当增加测量点的个数，但过多的增加测量点，在FIA 对位时会大大增加对位的时间。测量点的个数与圆片的对位精度存在如下图的关系：3 b【上IO-

14、 265 1 G- 1-：GAVnxnO - OR1-=JL-2I t_4仃, 81.0 N从上图可以看出，当测量点的个数较少时，每增加一个测量点，圆片的对位精度会提高较多，但当测量点的个数超过 6以后，简单的增加测量点已不能有效提高对位的精度。因而，一般在圆片上，均匀地设置 6-10个Block用作g-EGA对位。对位标记圆片的 Search和 g-EGA 对位方式 LSA (Laser Step Alignment)和 FIA (Field ImageAlignment)在圆片上的标记如下：口口nn4 20 4264 口 口 口 口 420，4264,1 Search对位的LSA和FIA标

15、记（左边为Y-8对位标记，右边为X对位标记。）g-EGA对位的LSA标记（从左到右，分别是一根条的 X对位标记、一根条的Y对位标记、三根条的X对位标记、三根条的Y对位标记，间距为20um。另外还有个别产品用到七根条的对位标 记，其图形大体与上图一致。通常采用一根条的对位标记g-EGA对位FIA标记（前图，左边是X对位标记，左边是Y对位标记，间距为12um。另外还有一种十三根条的对位标记，其图形大体一致。间距为 8um。）对位的监控考虑到Nikon光刻机是按Block曝光的，因此，在监控对位的时候，需要对 Block 内和Block间的对位情况进行监控。Block内，一般检查三个点，在 Bloc

16、k内的分布如左图；Block问，一般检查五个Block,在圆片上的分布需考虑到中心和四边，如右图。具体对偏的情况，可以通过人工读数或设备测量。圆片上，在上图的红色区域，分布有如下的对位图形：左图，为对位游标，用于人工读取对位偏差，其读数方法原理同游标卡尺中图，为九方块，用于快速判定对位是否超出规范。右图，为设备测量对位用的图形。常见的对偏情况1、BLOCK内的对偏m1，r n " = r b.旋转a.固定偏移c.固定偏移d.正交性出错e.旋转f.比例出错2、圆片内的对偏跟对位相关的一些参数1、PM的调整通常在做NIKON的PM时，监控到的与对位相关的参数有：LSA、FIA Shift

17、, Reticle Rotation, Orthogonality, Magnification 等。相关的参数一般在第H一1项 Adjust Machine中设置。主要参数及相应含义如下（蓝 色参数是在超规范是调整用的，其中的Orthogonality及Rotation 一直以来错误地调整中 红色参数的部分，特此强调）：Wafer co-ordinate (1/4)X-Y axis Scaling(ppm)调整圆片上的坐标系Orthogonality(urad)Rotation(urad)Wafer alignment (2/4)Base-line LSA(um)调整LSA、FIA的对位偏差

18、Base-line FIA(um)Rotation(um)调整版的旋转，影响到BLOCKProjection lensReduction(um)调整设备间曝光区域的大小Wafer stage (3/4)X-Y axis Scaling(ppm)调整设备间 Wafer stage间的区配X-Y axis orthogonality(urad)注：、 在一次光刻时，相应的设置会影响到以后层次的光刻。即一次光刻时，在Wafer co-ordinate 中，X-Y axis Scaling 或 OrthogonaHty 所设置的值，会基本 一致的反映到二次对位时 g-EGA Result的值中，g-E

19、GA Result的值大致上会 是圆片正常对位的基础上加上 X-Y axis Scaling或Orthogonality的设定值。值 得注意的是，一次光刻时所设置 Rotation的值却一般不会在g-EGA Result中 叠加表现出来，而是在圆片上 BLOCK内表现出旋转，具体原因下面将作进 一步的分析。但是，在从二次光刻开始，此时，无论在 Wafer co-ordinate 一 栏中设置的数值是多少，它既不对 g-EGA Result的值产生影响，也不会对圆 片上的偏差有什么较大的影响。从此，我们可以断定，该参数的设置只是在 一次光刻时重建圆片上的坐标系，而对以后的对位并没有任何贡献。、

20、校准LSA、FIA对位传感器，主要通过该参数校准BLOCK上整体的偏移量。、校准版对位传感器，主要通过该参数校准版的旋转。当该值设置上有0.2um的变化时，对应在圆片上 BLOCK内有如下图的变化关系，即会在 BLOCK 内产生0.1um左右的旋转的变化，而且，正号为逆时针方向。、该参数调整不同设备之间 Wafer stage的区配。现六台设备之间的匹配情况如下（圆片条件：用NIKON REG的程序在NIKI-5上做一次光刻，曝光前，将第十一项中的所有参数清零，曝光 BLOCK数为32。显影后在每台设备上用EGA程序多次曝光，曝光前，同样将第十一项中的所有参数清零，g-EGA的对位点的个数设置

21、为32个，曝光时间为0,分析g-EGA result的值）：NIKG-1NIKG-2NIKG-3NIKG-4NIKI-5NIKI-6X Scaling(ppm)-1.5-1.0-1.0-1.50-1.0Y Scaling(ppm)-1.0-1.0-1.0-1.00-1.0Orthogonality(urad)-3.0-0.5-2.51.00-2.5、 另外，可以看到，在平常的 PM中，我们调整版的旋转实际上调整的是圆片 的旋转，仅仅是在反映出来的现象对 BLOCK内的旋转起到了一定的贡献, 特此更正。2、g-EGA Result Limit 参数的设置用以限制当g-EGA Result超过一设

22、定值时重新进行g-EGA对位。这个值越小，对 位的精度会越高，但同时圆片的对位时间也会加长。一般综合考虑下来，较优的参数设 置为：特别要注意的是 Wafer Rotation的设置，当圆片在g-EGA对位时如果 Wafer Rotation 较大，则圆片往往在BLOCK内有旋转，但BLOCK间没有表现出圆片的旋转。这种现 象产生的机理如下：当圆片完成g-EGA后，计算出的X、Y 方向的平均值，X、Y方向的比例、旋转、正 交性等值会补偿到程序中对圆片进行曝光。但与其它数值的补偿不同， Wafer Rotation的补偿过程并没有旋转Wafer Stage,而是基于如右图的方式，即：Wafer S

23、tage的0马达并没有驱动，圆片的旋转依然存在，但圆片在曝 光时Stage运动时Y方向会额外有一个与 Wafer Rotation角度相关的进动。如右图，便产生了 BLOCK内的旋转。3、设备间的匹配情况用NIKON测量系统测量设备的匹配，其原理相对也比较简单，即显示设备间对位 时对位情况的正态分布。其大致过程分为三步：1、测量单台设备的畸变；2、测量单台设备及两两间的对位；3、测量。A、测量单台设备的畸变畸变的测量同通常的测量：每台设备用DIS程序曝光三片，用AMSDIS程序测量，每片数据测量点个数为16个。但要注意数据文件的格式。正常测量完后，文件以 AMS 格式存盘，所存数据为测量的真实

24、值。进入第21项，选才? LNSCAL ;进入第一项：Input data；在Read file提示下输入DIS文件名(.AMS),在Save file提示下输入导出的文件名 (.DDT), PF1进入下一页，文件存作 CDT格式，PF2退出。在CDT文件中，所存数据 为抵消了 Reticle Rotation和补偿了 Reduction后的数据。B、测量单台设备及两两间的对位该数据的收集同正常PM时的套刻测量，即用1505标准版，两次曝光间加160um 的偏移量，曝光程序分别为 MAT1和MAT2,每个条件三片。显影后测量对位的情况， 测量时的测量文件为AMSMATCH ,每片测量17个点。

25、文件以AMS格式存盘即可。C、测量首先进入DCL命令方式，在MCS2目录下有很多以.CMD结尾的文件，其功能类 似于DOS下的批处理文件。其中有几台设备中有 USERDIS.CMD和NKDIS.CMD两个 文件，它们的功能分别是激活和屏蔽 MATCH的测量功能。以NKDIS激活该功能。在 LNSCAL 下选择第五项：Calculate Matching。第一页可计算单台设备的匹配情况(即 MAT1和MAT2在同一台设备上曝光)：在Matching Data of Wafer (Manu):下，将Manu切换成AMS ,并在后面输入对位文件名；在Distortion Data：下，输入畸变文件；

26、并将屏幕右面的参数设置为：Range： 99%; Margin ： 0.17um, PF1即可测量。第二页可计算设备间的匹配情况：在 Reference Machine Data Overlay Distortion Data 下输入 MAT1 曝光时的设备的畸 变文件，PF1即可测量。从结果来看，数据处理过程中忽略了 OFFSET的影响以下是G61、G62、G63及G7的Match数据：一次光刻二次光刻99% Range100% Range±0.17umMean+3sigmaX(um)Y(um)X(um)Y(um)X(%)Y(%)X(um)Y(um)G61G61±0.12

27、±0.08±0.15±0.091001000.1380.104G61G62±0.15±0.11±0.18±0.1299.751000.1630.123G61G63±0.1±0.09±0.15±0.11001000.1110.097G61G7±0.13±0.11±0.13±0.131001000.1340.107G62G61±0.16±0.13±0.19±0.1599.631000.180.147G62G62

28、±0.09±0.1±0.11±0.111001000.1010.105G62G63±0.13±0.1±0.15±0.131001000.1460.121G62G7±0.11±0.14±0.13±0.171001000.1270.151G63G61±0.13±0.1±0.16±0.111001000.1340.096G63G62±0.14±0.08±0.19±0.1199.881000.1570.1

29、08G63G63±0.12±0.09±0.16±0.091001000.1330.113G63G7±0.14±0.13±0.15±0.141001000.1650.145G7G61±0.13±0.13±0.18±0.1599.881000.1440.123G7G62±0.11±0.15±0.12±0.161001000.1220.15G7G63±0.14±0.14±0.19±0.1799.8810

30、00.1720.16G7G7±0.07±0.08±0.08±0.111001000.0830.078可见，设备间的差异对对位的影响同样是很大的对偏的原因及对应的处理方法产生对偏的原因很多，下面主要选择的是一些常见的情况。A、于a和c这种的固定偏移，是最常见的一种。产生的可能原因有：设备之间不匹配、设备自身未校准、给定的坐标值错误等。其处理方法一般比较简单，只需在曝光时根据对偏的情况，额外设置一个偏移量即可。B、对于b这种情况，一般是由于对版时版旋转较大引起的，重新对版即可。C、对于d、e f这些情况，一般是在g-EGA对位时，BLOCK的偏移量相差比较

31、大，在计算圆片总的偏移量、正交性、缩放、旋转时出错所至。究其根本原因 有二：一种是圆片表面不好，设备所获取的对位信号杂波较多，信号处理时出错；另一种是圆片在Search对位时未能对准，g-EGA对位时偏移量的数值较大， 计算时出错。对于前一种情况，需要更改程序中对信号进行处理的一些参数，以确保信号正常的处理；对于后一种情况，只要重新进行Search对位，保证Search 对位正常即可。D、其他方面，曝光程序中对位点的个数、分布，热处理中圆片的翘曲、变形。圆 片工艺过程中的异常等都会对对位产生影响。处理对偏，需要从多方面考虑。聚焦光刻机同时还决定了光刻胶的条宽(CHtical Dimension)形貌(Sidewall Angle)、胶的损失量(Resist Loss)等。下面绘制出的是光刻的工艺窗口，在此工艺窗口内，正常的工艺波动不会对器件造成大的怖能上的影响。此窗口越大，光刻的工艺越稳定，越容易受到控制* lW><iTil.un3ISO.DoJ 七国抑,DeJtH- 220, D nUfcin32-l'l. - in cii- 260.0 nJ 总皿 2KU. D* JOO. 0 ndtn3IM.HlnJ.tiirFccus tLim.i影响工艺窗口的主要因素有：NIKON光刻机的NA (数值孔径)、波长，NIKON的Auto-Focus