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矢量光刻成像理论与分辨率增强技术研究

董立松  
【摘要】:目前,浸没式氟化氩(Argon Fluoride,简称ArF)光刻技术是45nm及以下节点极大规模集成电路制造的主要手段。随着集成电路版图上特征尺寸(CriticalDimension,简称CD)不断减小,集成电路制造对浸没式光刻仿真中成像理论的精度、光刻投影物镜像差的在线检测以及光刻成像分辨率的要求越来越高。由于现有成像理论、投影物镜在线检测和分辨率增强技术并不能满足浸没式光刻系统要求,因此本文开展了以下四个方面的研究内容: 1.严格的全光路矢量光刻成像理论研究。该成像理论创新特色是:在全局或局部坐标系下,同时考虑投影物镜物方、像方空间三维电矢量的传播与成像,建立了新的投影物镜光瞳函数和三维偏振像差函数。该理论能够精确预言部分相干偏振光经过二维薄掩模或三维厚掩模矢量衍射后,进入超大数值孔径、非严格远心、含偏振像差的实际光刻投影物镜后,在像面的成像性能。通过仿真研究发现:当假设投影物镜绝对远心,即远心误差为0时,本文中的成像理论模型还原为现有商业光刻仿真软件中的理论模型,两者分析光刻成像的仿真结果完全一致;因为商业光刻仿真软件中的成像理论假设投影物镜是绝对远心的,所以其不能分析投影物镜的远心误差对光刻成像性能的影响。本文建立的矢量成像理论不仅涵盖了现有的矢量光刻成像理论,而且对现有的理论进行了扩展,提高了光刻仿真的精度与适用性,奠定了本论文其他章节研究的理论基础。 2.主要因素对光刻成像性能的影响研究。利用本文建立的严格全光路矢量光刻成像理论,系统地研究了投影物镜像差、数值孔径误差和有效光源相干因子误差等主要因素对光刻矢量成像性能的影响规律,为后续章节提供了分析研究的科学依据。研究结果显示,投影物镜像差对光刻成像性能的影响规律为:①波像差中的奇像差和相对相位延迟中的奇项会造成投影物镜理想焦面和离焦面处光刻成像的图形偏移,但基本不会对光刻成像的最佳焦面位置和CD误差产生影响;②波像差中的偶像差和相对相位延迟中的偶项主要引起最佳焦面平移和CD误差,而不会造成光刻成像的图形偏移;③标量变迹中的奇项和相对强度衰减中的奇项主要引起离焦面处的图形偏移,而对最佳焦面位置和CD误差几乎不产生影响;④标量变迹中的偶项和相对强度衰减中的偶项主要引起理想焦面处光刻成像的CD误差,而对图形偏移不产生影响。投影物镜数值孔径误差和有效光源相干因子误差对光刻成像性能的影响规律是:当掩模一级衍射光对应的光瞳之边缘与有效光源外侧相交时,数值孔径正向误差引起的光刻空间像CD误差要小于数值孔径负向误差引起的空间像CD误差,而部分相干因子的正向误差与负向误差引起的空间像CD误差近似相等;当这两种误差并不改变掩模一级衍射光对应的光瞳与有效光源的交叠面积时,这两种误差的正值与负值引起的CD误差的模近似相等。 3.高精度在线检测投影物镜像差的矢量成像传感技术研究。针对低偏振效应的浸没式投影物镜,本论文首次提出了从矢量光刻空间像中提取投影物镜波像差的矢量成像传感技术,实现了浸没式投影物镜波像差的高精度在线检测,解决了采用基于标量成像理论的方法提取浸没式投影物镜波像差时,其检测精度低的问题。仿真研究表明,对于NA1.35投影物镜,本论文提出方法提取波像差的误差在1.5m以下,而传统基于标量理论的方法提取波像差的误差在4左右。另一方面,针对含偏振像差的投影物镜,本论文首次提出了从光刻空间像中提取投影物镜偏振像差的矢量成像传感技术。仿真研究结果表明,利用本论文提出的方法可以从光刻空间像中提取出偏振像差的全部信息,并且提取精度较高。由于本论文中方法采用光刻中常用的掩模结构作为测试标记,可以降低偏振像差的在线检测成本。 4.矢量分辨率增强技术研究。利用本文建立的严格全光路矢量光刻成像理论,针对含偏振像差的光刻系统,本论文研究了矢量OPC和矢量SMO技术。仿真研究结果表明:对于特征尺寸为45nm的掩模结构,对比基于标量和矢量光刻成像理论的OPC和SMO结果,利用矢量光刻成像理论的OPC和SMO技术能更好地满足浸没式光刻系统的需求;对于含偏振像差的光刻系统,通过采用不对称的掩模结构可以降低偏振像差对光刻成像性能的不利影响,提高光刻成像性能。 本论文相关研究处于国际先进水平。


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