GB/T 29844-2013 用于先进集成电路光刻工艺综合评估的图形规范

　　ICS 31. 030 L 90

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 29844—2013

　　用于先进集成电路光刻工艺综合

　　评估的图形规范

　　Specificationsformetrologypatternsforthe

　　evaluation ofadvancedphotolithgraphy

　　2013-11-12发布 2014-04-15实施

　　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会

　　

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　　布

　　中 华 人 民 共 和 国

　　国 家 标 准

　　用于先进集成电路光刻工艺综合

　　评估的图形规范

　　GB/T 29844—2013

　　*

　　中 国 标 准 出 版 社 出 版 发 行

　　北京市朝阳区和平里西街甲 2 号(100013)

　　北京市西城区三里河北街 16号(100045)

　　网址:www. gb168. cn

　　服务热线 :010-51780168

　　010-68522006

　　2014年 1 月第一版

　　*

　　书号 : 155066 · 1-47943

　　版权专有 侵权必究

　　GB/T 29844—2013

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1. 1—2009给出的规则起草 。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利 。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任 。

　　本标准由全国半导体设备和材料标准化技术委员会(SAC/TC203)提出并归 口 。

　　本标准起草单位 :上海华虹 NEC 电子有限公司 。

　　本标准主要起草人 : 王雷 、伍强 、朱骏 、陈宝钦 。

　　Ⅰ

　　GB/T 29844—2013

　　用于先进集成电路光刻工艺综合

　　评估的图形规范

　　1 范围

　　本标准规定了用于先进集成电路光刻工艺综合评估的标准测试图形单元的形状 、一般尺寸 , 以及推荐的布局和设计规则 ,这些标准测试图形包括可供光学显微镜和扫描电子显微镜用的各种图形单元 。

　　本标准适用集成电路的工艺 、常规掩模版 、光致抗蚀剂和光刻机的特征和能力作出评价及交替移相掩模版相位测量 ,适用于 g线 、i线 、KrF、ArF等波长的光刻设备及相应的光刻工艺 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对于本文件的应用是必不可少的 。凡是注 日期的引用文件 ,仅注 日期的版本适用于本文件 。凡是不注日期的引用文件 ,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 。

　　GB/T 16878—1997 用于集成电路制造技术的检测图形单元规范

　　SJ/T 10584—1994 微电子学光掩蔽技术术语

　　3 术语和定义

　　GB/T 16878—1997和 SJ/T 10584—1994界定的以及下列术语和定义适用于本文件 。 3. 1

　　掩模版误差因子 mask error factor;MEF

　　把掩模版上的图形转移到硅片上时 ,硅片上图形线宽对掩模版线宽的偏导数 。

　　注 : 影响掩模版误差因子的因素有曝光条件 、光刻胶 性 能 、光 刻 机 透 镜 像 差 、后 烘 温 度 等 。对 远 大 于 曝 光 波 长 的 图形 ,掩模版误差因子通常非常接近 1。对接近或者小于波长的图形 ,掩模版误差因子会 显 著 增 加 。 而 使 用 交 替相移掩模版的线条光刻可以产生显著小于 1 的掩模板误差因子 。在光学邻近效应校正中细小补偿结构附近会显著小于 1。

　　3. 2

　　移相掩模版 phaseshiftmask

　　在光刻掩模的不同区域上制作出特定的光学厚度 ,使得光透过不同区域产生相位差 , 以达到提高成像对比度和光刻工艺窗口的掩模版 。

　　3. 3

　　离轴照明 off-axisillumination

　　为进一步提高投影光刻机的光刻分辨率 ,让照明光束以偏离透镜对称轴方向斜入射的照明方法 。 3. 4

　　光酸分子有效扩散长度 effectivediffusion length ofphoto-generated acid

　　化学放大光致抗蚀剂在曝光后的烘烤过程中光酸分子在光致抗蚀剂聚合物中的随机扩散形成的扩散长度 。

　　3. 5

　　交替移相掩模版 alternatingphaseshifting mask

　　由常规的透光区和能使光产生 180°相移的石英 移 相 器 区 交 替 排 列 的 移 相 掩 模 , 也 称 为 Levenson

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　　GB/T 29844—2013

　　型移相掩模 。

　　4 概述

　　4. 1 本标准中所规定的标准测试图形单元可以采用光刻方法或者其他在硅片上直接形成图形的方法做在半导体基片的光掩蔽层上 ,用于集成电路(IC)生产或研发过程中光刻工艺综合评估 。

　　4. 2 除非特殊说明 ,本标准中所述标准测试图形单元的具体细节 , 如取向 、大小 、线宽范围 、明暗特性(选择亮场或者暗场)等 ,一般均由用户确定 。采用本标准中所述基本图形单元进行测试 , 出具结果报告时 , 应说明基本图形单元的细节 。

　　5 要求

　　5. 1 总则

　　5. 1. 1 本标准中所规定的每一种标准测试图形单元是由若干个基本测试图形组成的 。标准测试图形单元可以用来组成复合图形 。 由于集成电路版图大部分是由横平竖直的大大小小矩形组成的 ,对于由线条组成的基本测试图形 ,需要增加一组旋转 90°的标准测试图形单元形来组成复合图形 。 特殊情况下 ,可由用户确定增加不同旋转角度的若干组基本测试图形来组成复合图形 。

　　5. 1. 2 一组复合图形可以由若干数量的标准测试图形单元组成 ,只要每个标准测试图形单元遵守相应的设计规则 ,则该复合图形符合本标准 。

　　5. 1. 3 每一种基本测试图形含有一种基本图形元素 , 图形元素在相应的设计规则允许的范围内按某种步距分布重复构成一组基本测试图形 ,步距可由用户确定 ,用户根据具体的工艺和设备条件确定图形的所有尺寸 。

　　5. 1. 4 本标准中所提供的图详细地说明了该标准测试图形单元内部基本测试图形的合理布局 ,并规定了每个基本测试图形的设计参数 。

　　5. 1. 5 为了保证本应互不相干的图形在曝光过程中尽量减少邻近效应的影响 ,所有基本测试图形组应彼此分开 ,基本测试图形组与基本测试图形组之间的间距以互不干涉为限 。

　　5. 1. 6 本标准中所提及有关线条的要求 ,若不做特殊说明 ,也适用于透明线 。

　　5. 2 线宽均匀性测试图形单元

　　5. 2. 1 每个线宽均匀性基本测试图形包含一个含有至少 5 根等间距线条的图形 ,其中中间的线条比其他线条要长一些 , 可 以 把 它 看 作 孤 立 线 , 其 每 端 突 出的 长 度 应 该 由 线 宽 决 定 , 一 般 为 线 宽 的 5 倍 ~ 10倍 。其他线的长度通常为线宽的 10倍或者更长 。

　　5. 2. 2 每个线宽均匀性测试图形单元包含 2个线宽均匀性基本测试图形 ,取向互成 90°,构成图形对 。

　　5. 2. 3 每个线宽均匀性测试图形单元可以用来测量掩模版或者硅片上某一区域线宽的值 ,如果将线宽均匀性测试图形单元均匀分布在掩模版曝光区域上 , 曝光区域上的线宽均匀性便可以通过测量每一个线宽均匀性测试图形所在处的线宽来获得 。本标准所设计的线宽均匀性测试图形可以用来同时测量密集和孤立线条的线宽均匀性 ,并且可以得到两个正交方向上的线宽均匀性 。

　　5. 2. 4 线宽和线间距的具体尺寸由用户根据所评价或者开发的工艺要求来确定 。

　　5. 2. 5 对均匀分布在掩模版曝光区域上线宽均匀性测试图形的孤立线条的对焦深度测量 ,可得到光刻机像面平整度的信息 。

　　5. 2. 6 每一个线宽均匀性测试图形单元可以包括供扫描电子显微镜便于辨认测试图形的标识图形 ,如图 1所示的两个小方块 。

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　　图 1 线宽均匀性测试图形单元

　　5. 3 掩模版误差因子测试图形单元

　　5. 3. 1 每一个掩模版误差因子基本测试图形单元包含一个含有至少 9根等间距线条的图形 ,其中中间的线条比其他线条要长一些 ,可以把它看作孤立线 ,其每端突出的长度应该由线宽决定 ,一般为线宽的5倍 ~ 10倍 。其他线的长度通常为线宽的 10倍或者更长 。

　　5. 3. 2 每个掩模版误差因子测试图形单元至少包含 5组 2个取向互成 90°的掩模版误差因子基本测试图形对 。

　　5. 3. 3 5对掩模版误差因子基本测试图形拥有相同的线条空间周期 , 即所有线条图形在空间上等间距的分布 。但每对掩模版误差因子基本测试图形之间的线宽是变化的 ,呈递增或者递减分布 ,邻近两对测试图形的 线 宽 差 值 应 是 固 定 的 , 具 体 的 差 值 由 用 户 根 据 所 评 价 或 者 开 发 的 工 艺 要 求 来 定 。 一 般为5 nm~ 10 nm。

　　5. 3. 4 掩模版误差因子测试图形单元可以用来测量光刻工艺的综合性能 ,如果加上空间像的计算或者模拟能力 ,对掩模版误差因子的测量可以得出有关光致抗蚀剂的重要参数及光致抗蚀剂的光酸分子的有效扩散长度(见参考文献[1]) 。

　　5. 3. 5 掩模版误差因子测试图形单元可以通过使用已知性能的光致抗蚀剂来对光刻机成像性能进行评价 。也可以通过测量曝光区域上不同位置上的掩模版误差因子来测量光刻机成像性能在整个曝光区域上的均匀性 。

　　5. 3. 6 每一个掩模版误差因子测试图形单元包括供扫描电子显微镜便于辨认测试图形的标识图形 ,如图 2所示的一个小长方形 。

　　图 2 掩模版误差因子测试图形单元

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　　5. 4 光学邻近效应测试图形 1:线宽随空间周期变化测试图形单元

　　5. 4. 1 每一个线宽随空间周期变化测试图形单元包括一组空间周期不断递增的等间距 、等长度密集线条组和一根孤立线图形 。线条的长度至少为线宽的 10倍 。

　　5. 4. 2 密集的图形应该至少包含 5 根等间距 、等长度线条 ,每一组线宽随空间周期变化的测试图形单元应至少包含 1 根孤立线 。

　　5. 4. 3 空间周期的递增步长和线条的宽度由用户根据所评价或者开发的工艺要求来确定 。根据工艺需要可以由若干组不同线条宽度的线宽随空间周期变化测试图形单元构成复合测试图形 。

　　5. 4. 4 线宽随空间周期变化测试图形可以用来测试光致抗蚀剂的性能 ,线宽越是不随空间周期的变化而变化的光致抗蚀剂应该被认为是一种反差性能比较好的抗蚀剂 。

　　注 : 线宽随空间周期变化除了由于光学邻近效应的影响外 ,还有一部分原因是来自光刻成像系统本身 ,它可以通过调节光刻工艺条件和调整成像系统来改善 。

　　5. 4. 5 线条的线宽和最小间距由用户根据所评价或者开发的工艺要求来确定 。

　　5. 4. 6 每一个线宽随空间周期变化测试图形单元包括供扫描电子显微镜便于辨认测试图形的标识图形 ,如图 3所示的小方块 。

　　图 3 光学邻近效应测试图形 1:线宽随空间周期变化测试图形单元

　　5. 5 光学邻近效应测试图形 2:线端缩短测试图形单元

　　5. 5. 1 每一个线端缩短测试图形单元包括 4种基本测试图形 ,如图 4所示 ,分别为孤立对顶线条 、密集对顶线条 、在密集线条环境中的孤立对顶线条 、正交的孤立线条组 。

　　图 4 光学邻近效应测试图形 2:线端缩短测试图形单元

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　　5. 5. 2 对顶线端的间距 S和线宽 W 由 用 户 根 据 所 评 价 或 者 开 发 的 工 艺 要 求 来 确 定 。 线 条 长 度 L应该不小于线宽 W 的 10倍 。 一个完整的线端缩短测 试 图 形 至 少 包 含 一 组 线 端 缩 短 测 试 图 形 单 元 ,其线宽 W 是掩模版上的最小线宽 , 而 且 其 对 顶 线 端 的 间 距 S应 该 不 大 于 0. 7 倍 的 掩 模 版 上 的 最 小线间距 。

　　5. 5. 3 在密集对顶线条中 ,线条空间周期由需要被评价或者开发的工艺设计来确定 ,通常需要包括集成电路设计版图中的最小空间周期 。

　　5. 5. 4 正交的孤立线条组中的长度 L2应该不小于线宽 W 的 10倍 。

　　5. 5. 5 为了测出线端缩短的规律 ,用户可以根据实际情况由图 4 所示的图形组成其他复合测试图形 ,包括将上述图形旋转 90°。

　　5. 5. 6 密集对顶线条和在密集线条环境中的孤立对顶线条两组基本测试图形 ,总根数应不少于 5 根 。

　　5. 5. 7 每一个线端缩短测试图形单元包括供扫描电子显微镜便于辨认测试图形的标识图形 ,如图 4所示的小方块 。

　　5. 6 光学邻近效应测试图形 3:方角钝化测试图形单元

　　5. 6. 1 每一个方角钝化测试图形单元包含一组正方形 ,其边长 L 由被评估或者被开发的工艺线宽来确定 ,最小的正方形的边长应同集成电路设计版图中的最小线宽相一致 。正方形中最大的边长应该不小于曝光用波长的 10倍 。如图 5所示的方角钝化测试图形 。

　　图 5 光学邻近效应测试图形 3:方角钝化测试图形单元

　　5. 6. 2 光刻后图形方角钝化的程度是通过测量正方形图形的对角线长度与1. 4142倍 边 长 的 比 值 来确定 。

　　注 :如果方角钝化忽略不计 , 比值应该接近 1. 0。如果有方角钝化 ,这个比值应该小于 1. 0。

　　5. 6. 3 不同边长 L 的正方形图形光刻后方角钝化程度是不同的 , 数值孔径 、曝光照明条件和光致抗蚀剂的性能也会影响方角钝化程度 。方角钝化与掩模版误差因子一样 ,反映了光刻工艺的综合性能 。

　　5. 7 光刻机球面像差测量图形单元

　　5. 7. 1 光刻机球面像差测量图形单元包含一组不同空间周期的等间距密集线条图形和至少一根比较宽的孤立线条 ,如图 6所示 。

　　图 6 光刻机球面像差测量图形单元

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　　5. 7. 2 光刻机球面像差测量图形单元中的密集线条图形组至少应该包含最小空间周期和最大空间周期两组图形 ,其中最小空间周期为光刻波长与最大使用数值孔径的比值 ,最大空间周期 2倍的光刻波长与最小使用数值孔径的比值 。

　　密集线用来测量光刻机透镜边缘(对应最大数值孔径) 到最小数值孔径一半的半径位置上的焦距值 ,通过式(1) ~式(2)计算出相应的球面像差在这些位置上的分布 。不同的空间周期 p 的密集线条图形对应不同的衍射角度θ,表述式为式(1) :

　　θ= sin-1λ/p …………………………( 1 )

　　式中 :

　　λ— 光刻波长 ;

　　p— 空间周期 。

　　孤立线条图形对应透镜中心位置 ,作为参照焦距 。透镜不同位置相对于透镜中心位置的球面像差值 WFE表述为式(2) :

　　WFE=ΔF(1- cosθ) …………………………( 2 )

　　式中 :

　　ΔF— 密集线条图形和孤立线条图形的焦距差 ;

　　θ — 衍射角度 。

　　孤立的线条宽度应为光刻波长与最小使用部分相干性设置(σ值) 的比值的 3 倍 ~ 5 倍 。孤立线条被用来测量光刻机透镜在傍轴(光轴附近)位置的焦距值 ,并且通过式(2)计算出相应的球面像差在傍轴(光轴附近)位置的值 。

　　5. 7. 3 每一组密集线条图形至少应包括 9根线条 ,线条的长度应该至少为线宽的 10倍 。

　　5. 7. 4 每一组密集线条图形之间应有一定间距 ,使得它们互不干扰 。

　　5. 8 交替移相掩模版相位测量图形单元

　　5. 8. 1 每一个交替移相掩模版相位的测量图形单元为一组等间距的密集线条图形 ,如图 7 所示 ,每 一根线条(本标准只适用于线条图形)两边的透射相位差设计值为 180°。每一组密集线条图形至少包含 8根线条 。

　　注 : 上述交替移相掩模版相位的测量图形单元也可以直接做成透射相位交替型 ,如 8 根透明线 条 ,其 中 第 1、3、5、7四根线条是常规透射图形 ,而第 2、4、6、8 四根线条做成相位差设计值为 180°的透射图形 , 同样可构成交替移相掩模版 ,这种方式不会在移相区域线条两端边界产生多余线 。

　　注 : 灰色区域与白色区域相对相位差设计值为 180°,灰色区域也称移相器 。

　　图 7 交替移相掩模版相位测量图形单元

　　5. 8. 2 密集线条的长度应不短于线宽的 10倍 。

　　5. 8. 3 移相区域应该在线条两端有一定的延伸 ,具体延伸长度应该以不影响线端的光刻为限 ,通常为

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　　线宽的 2倍以上 。

　　注 : 线条两端延伸的移相区域曝光后实际上会产生 多 余 边 界 线 ,在 作 为 检 测 图 形 使 用 时 可 以 不 予 考 虑 。但 在 实 际集成电路光刻工艺中使用的情况 ,需要去除多余边界线(例如采用二次曝光技术) 。

　　5. 8. 4 密集线条图形的最小空间周期应不小于光刻波长与数值孔径比值的 0. 5 倍 ,最大的空间周期应不小于波长与数值孔径比值的 1. 5倍 。

　　5. 8. 5 交替移相掩模版相位的测量是通过测量线条随焦距偏离而造成的相对空间位置的移动来实现 。

　　GB/T29844—2013

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　　参 考 文 献

　　[1] Qiang Wu, The Effective Diffusion Length in ChemicallyAmplified Resistsand Its Critical Impactto The Process Window and Mask Error Factor for 0. 13 μm Photolithography and Beyond, Proc. Semicon China2005, 2003 (2005) , invited paper.

　　[2] ZhiyongWang, PingZheng, and QiangWu, SphericalAberration and Itsimpactto Process Windows, an ExperimentalStudy, Proc. Semicon China2005,2006 (2005) .

　　[3] Qiang Wu, ScottHalle, ScottJBukofsky, ShahidButt, and Michael Hibbs, Scaling Rules of the Phase Error Tolerance for the Manufacturing of alt—PSM Under Various Lithographic Condi- tions, Proceedings of theSPIE 5040, 303 (2003) .

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　　书号 :155066 · 1-47943