潤(rùn)濕液在IC先進(jìn)微影制程所扮演的角色

1、潤(rùn)濕液在 IC 先進(jìn)微影制程所扮演的角色作者：張尚文、張雍政 /臺(tái)灣安智電子材料股份有限公司 日期： 2010/6/18 來(lái)源： 半導(dǎo)體科技I C 線路的設(shè)計(jì)規(guī)格，隨著時(shí)代的演進(jìn)持續(xù)快速地縮小，隨著集成電路日益發(fā)展，曝光的波長(zhǎng)也由g-line ， I-line ，KrF ，ArF 和浸潤(rùn)式的 ArF ，漸漸的縮短，但半導(dǎo)體演進(jìn)到90 奈米以下(sub-90nm) 的組件尺寸， 微影制程也面臨越來(lái)越多的挑戰(zhàn)， 其中制程參數(shù) k1 將向 0.3 以下的 光分辨能力極限挑戰(zhàn)。同時(shí)在 90 奈米以下時(shí)，黃光制程面臨到如何避免光阻線寬倒塌、減少顯影 后缺陷 (defect) 及改善光阻表面的 LER (

2、Line Edge Roughness)的挑戰(zhàn)。在傳統(tǒng)顯影制程中，會(huì)以旋干 (Spin dry) 的方式來(lái)去除離子水 (DI water) 和顯影液。旋干過(guò) 程中產(chǎn)生的剪應(yīng) 力 (stress) 會(huì)因 線寬 縮 小 及深寬 比 (Aspect ratio)的增加造成光 阻倒線(patter n collapse)。要避免倒線缺陷，AZ(安智)與TEL(東京電子有限公司)發(fā)展出在顯 影的過(guò)程中特別加入潤(rùn)濕液 (Rinse solution) 的 FIRM(Finishing-upby Improved RinseMaterials) 制程(2)，來(lái)有效的降低倒線 (Pattern collaps

3、e) 的缺陷。倒線不是一個(gè)新的問(wèn)題，但 是在線寬( Critical Dimension ) 200nm 以下倒線缺陷的特征，與傳統(tǒng)的倒線并不相同。 以前 防止倒線的方法是透過(guò)改善在光阻和基材 (Substrate) 之間的黏附力 (adhesion) 來(lái)防止。而 200nm 線寬以下的光阻倒塌是因?yàn)楣庾栌捕?(Rigidity) 不夠，而不是因?yàn)楣庾枧c基材的黏附力不 足而引起。近年來(lái)由于集成電路密度迅速增加， 黃光制程中產(chǎn)生的缺陷的多寡和良率有很強(qiáng)的相關(guān)性。 更 由于先進(jìn)光阻的設(shè)計(jì)朝著高分辨率 (High resolution) 及高對(duì)比度 (High contrast) 性研制，意 味著光

4、阻的疏水性增加將導(dǎo)致顯影后的缺陷量及種類(lèi)增加， 藉由顯影過(guò)程中加入潤(rùn)濕液可以有效的 降低光阻的疏水性，進(jìn)而有效地減少缺陷產(chǎn)生的可能性。除了光阻線寬倒 塌、顯影后缺 陷 (defect) 的議題 外， 當(dāng)半導(dǎo)體 演進(jìn) 到一百奈 米以 下 (sub-100nm) 的組件尺寸，微影制程也面臨更多其他的挑戰(zhàn)與困難。其中對(duì)于 LER (Line Edge Roughness) 或 LWR (Line Width Roughness) 的控制，重要性尤其日漸顯著。 許多研究指出， 在逐漸縮小的線寬， LER 所造成的問(wèn)題將大大影響到制程中原本的關(guān)鍵尺寸 (critical dimension) 所具備的容

5、許誤差，進(jìn)而惡化組件并造成良率問(wèn)題。在潤(rùn)濕制程 (Rinse Process) 中，以含界面活 性劑的潤(rùn)濕液，接觸光阻表面后會(huì)有類(lèi)似硬烤引起的熱流動(dòng) (thermal flow) 所造成的表面變形， 從而改進(jìn) LER 。由于此種潤(rùn)濕洗凈的作用只發(fā)生在表面，并無(wú)硬烤后造成角度變化的問(wèn)題。本文 主要探討潤(rùn)濕液將在黃光先進(jìn)制程中應(yīng)用，可分為1. 防止顯影過(guò)程中光阻的倒線2. 減少顯影過(guò)程中所產(chǎn)生的缺陷3. 改善光阻的LER傳統(tǒng)顯影制程，會(huì)在 TMAH (Tetra-Methyl Ammonium)顯影液完全覆蓋在曝光后光阻上，施以 DIW (DI water) 清洗，最后以旋干 (Spin Dry)

6、 的方式除去 DIW 和 TMAH 溶液。 FIRM 的 制程，如圖一，主要是在 DIW 清洗后額外加入潤(rùn)濕液，然后才旋干晶圓表面液體，接下來(lái)作第二 次的 DIW 清洗旋干。TMAJf Bwdtmfnt圖一：FIRM 制程 a 流程(FIRM + Exp 1)也可以省略第二次 DIW 清洗，在噴灑完潤(rùn)濕液后直接旋干，如圖二。因直接甩干 之后，直接噴灑潤(rùn)濕液后再旋干。DIW會(huì)有造成倒線的困擾，因此在顯影液顯影圖二：FIRM制程b流程1. 防止光阻的倒線倒線的成因主要是因?yàn)樵陔x心脫水過(guò)程中的毛細(xì)現(xiàn)象所引起如圖三所示，其相關(guān)的參數(shù)有：光 阻圖形的間隔(pitch)、深寬比(Aspect ratio)

7、、液體與光阻表面的接觸角(Contactangle)及在離心脫水過(guò)程中液體的表面張力。D。詭產(chǎn)6 7但WpCOS()/I)(公式1)” it汩 The inaxiiiuiin sh ess on pattem7 : Rin牝 siiifotc tensionH Pattern lieifjitW: Pntteiii vidtli9: Contact niileJD Pnttcni pitch圖三：毛細(xì)現(xiàn)象之關(guān)系圖促使倒線的應(yīng)力(Stress)增加，會(huì)正比于接觸角的余弦值如公式-1。另外圖四顯示，如何降低 不均勻的應(yīng)力施在光阻圖形的側(cè)壁上對(duì)避免光組倒線也是十分重要的。W: Distortion

8、of resistAr: Aspect ratio of patternSt : Surface tens!on of linseE : Young module of resist: curvature radius of rinse liquid圖四：光阻應(yīng)力之關(guān)系圖除應(yīng)力控制之外，另外要防止顯影液和潤(rùn)濕液滲入光阻，以避免因?yàn)橐后w滲入光阻造成光阻圖 形的膨潤(rùn)，而使得光阻軟化變形。在一項(xiàng)更早的研究中(1)，指出TMAH和DIW滲透入光阻對(duì)黃光 制程中操作條件的寬窄有很大的影響。如果是易受TMAH和DIW擴(kuò)散滲入的光阻，其強(qiáng)度將會(huì)減弱，從而使光阻圖形的群聚力(Aggregate nforce)

9、力量變得脆弱，相對(duì)地造成倒線的忍受度降低。這強(qiáng)烈顯示TMAH和離子水造成的光阻膨潤(rùn)(Swelling)，也是防止倒線的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。 目前減少溶液表面張力有二個(gè)不同方式：運(yùn)用超臨界流體(SCFs)和加入表面活性劑。后者的方法，因?yàn)樗恍枰谥瞥踢M(jìn)行重大的改變，相對(duì)地該操作過(guò)程的成本是較便宜的。另外一項(xiàng)研究，探討了各種 光阻在使用潤(rùn)濕液的FIRM制程中，如何有效率減少圖形倒線 和其機(jī)制。發(fā)現(xiàn)圖形倒線的程度會(huì)強(qiáng)烈的受到界面活性劑種類(lèi)、加入的濃度而影響。根據(jù)機(jī)制研究， 能夠減少倒線機(jī)率的因素除了公式 1中所列的界面活性劑表面張力和接觸角外，F(xiàn)IRM制程本身的參數(shù)，例如光阻特性，也影響非常大。經(jīng)由證實(shí)

10、 ArF光阻的楊氏模塊系數(shù)(Young module) 比 KrF光阻劑低，如表一。意即ArF光阻相對(duì)地對(duì)外力抵抗是更加敏感的。Wave I9n9th.m11SampleModulus.24SApex(PHS)6.1ESCAP5J193Acrylate3.9ICOMA2.8CO2.5表一：楊氏模塊系數(shù)比較表本文將探討如何篩選潤(rùn)濕液中的界面活性劑來(lái)防止顯影過(guò)程中光阻的倒線，其中包含有：界面 活性劑的種類(lèi)、界面活性劑的濃度及界面活性劑的結(jié)構(gòu)。(1) 界面活性劑種類(lèi)的影響一£o&s«E0d如圖五所示，并不是每一種界面活性劑對(duì)于防倒線都有幫助。Ionic surfactan

11、tHydrocArboti syrtenResist: ESCAP/245nm Aspect ratio: 3.43 CD:14&nmLS圖五：界面活性劑種類(lèi)對(duì)倒線的影響般的界面活性劑系統(tǒng)分類(lèi)如圖六所示。Hydrocarbon systemAntonie surfactantCationic surfactantAmphotericsurfactantFluorochemical systemIonic surfactantAnionic surfactantCationic surfactantlAmphoteric, r fsurfactantNon Iohec surfactan

12、t圖六：界面活性劑的種類(lèi)適合FIRM潤(rùn)濕液的界面活性劑必須符合以下的條件，來(lái)達(dá)到IC制程的需求：1. 金屬含量是可以控制在很低的濃度，因此界面活性劑須選擇非離子性。2. 不含有PFOS的材料，因此不含氟的碳?xì)浠衔餅橹饕目紤]。3. 不易產(chǎn)生氣泡。4. 較為寬廣的操作條件。5. 不會(huì)造成光阻線寬變化及膨潤(rùn)現(xiàn)象。綜合以上分析，界面活性劑篩選的范圍縮小到非離子性不含氟的碳?xì)浠衔铮瑏?lái)進(jìn)一步探討其 濃度對(duì)光阻圖形倒線的影響。(2) 界面活性劑濃度的影響在FIRM的制程中，可藉由改變潤(rùn)濕液的界面活性劑濃度，來(lái)觀察倒線的程度。此實(shí)驗(yàn)使用了 KrF的ESCAP類(lèi)型光阻和線寬間距比為1，CD的大小為200n

13、m 及及深寬比為4.06的圖形。 在均勻分布在晶圓的27點(diǎn)上，以CDSEM量測(cè)計(jì)算倒線的數(shù)目。經(jīng)由優(yōu)化界面活性劑濃度，可 成功地將倒線數(shù)目降為零，如圖七所示。低濃度無(wú)法有效降低光阻圖形倒線， 但濃度往上增加將會(huì) 造成圖形軟化變形。H locusSwrat: Krf ESCAPJOJDWn Fecus YLP圖七：濃度與光阻圖形倒線關(guān)系其次，我們比較了有/無(wú)第二次DIW Rinse的FIRM制程,如圖一及圖二所示，對(duì)圖形倒線 的影響。圖八的結(jié)果顯示，在標(biāo)準(zhǔn)的顯影制程有高達(dá)80%的圖形會(huì)倒線，但在使用FIRM制程可以很明顯的看出倒線的程度降低許多， 幾乎為零。而且，發(fā)現(xiàn)再次以離子水潤(rùn)濕及旋干的 F

14、IRM制 程，倒線機(jī)率并沒(méi)有明顯的增加。此比較結(jié)果說(shuō)明了，在FIRM顯影制程中，界面活性劑會(huì)被光阻表面吸附，并重組表面結(jié)構(gòu)改變了光阻表面的接觸角，進(jìn)而降低離子水在第二次旋干所造成的應(yīng) 力。戒£(1)七TOd ptDsd 何一00口FIRM +experimental referenceFIRM圖八：有/無(wú)FIRM制程對(duì)倒線的影響(3) 界面活性劑結(jié)構(gòu)的選擇界面活性劑的結(jié)構(gòu)通常一端為疏水基（尾端），另一端為親水基（頭端）。依照頭尾兩端碳?xì)浠?大小可以細(xì)分為五類(lèi)，如圖九?？蓪?duì)不同的大小的頭尾組合作一探討。：ilSn«lh»fr 嚇pawr*STMlta "

15、;JK 圖九：界面活性劑的結(jié)構(gòu)為了減少倒線的發(fā)生，界面活性劑的選擇以表面張力小及與水的接觸角大的原則下，來(lái)選擇親 水基。研究發(fā)現(xiàn)，親水基越小越有利于防止倒線如圖十。依照相同的原則下，來(lái)篩選疏水基，貝U建 議疏水基越大則越有利于減少倒線的發(fā)生如，圖十一。表面張力“I有利 接隣角大一有利I親水基月I有利圖十：親水基大小之關(guān)系圖卜A酯酯44翟書(shū)電<41如3938373695小±表面張力丿1一有利 接虞角大T有利養(yǎng)水基Q有利圖十一：疏水基大小之關(guān)系圖2. 減少顯影過(guò)程中所產(chǎn)生的缺陷以下的光組圖形及實(shí)驗(yàn)條件，如圖十二所示，用來(lái)探討潤(rùn)濕液對(duì)晶圓顯影后產(chǎn)生的缺陷影響覧驗(yàn)f販件："l

16、ltl Substmt.e:KrF17B/ ISOC/tSO11© FT - SO nm Exposure: FPA-3OU0 EX5 ( NA = 0 ti3/ 1/2 Aimvlar ) Resist Defect Test Resist (Hybrid Type KrF Resist)M 時(shí) Bake Precess: SB lDOCW PEB 110C/60* FI - 680 nm Mask: B inary WfeskMask size Short Line PatternLin巳丿 Space = 250 run/ 25D wajength -LO um)CD Targ

17、et. 250 nm.(21.5rrJ)圖十二：檢測(cè)瑕疵所用的圖形結(jié)果顯示AZ所開(kāi)發(fā)的潤(rùn)濕液SPC 116A可以相當(dāng)程度的將光阻殘留的物質(zhì)降低，但也會(huì)產(chǎn)生 其他額外的缺陷。圖十三為缺陷的分類(lèi)與數(shù)目。但總括來(lái)說(shuō)可將未使用SPC116A的缺陷5790ea 降低至使用SPC 116A后僅僅7ea。由此看來(lái)使用潤(rùn)濕液將缺陷降低的方法，在線寬越來(lái)越小及 追求零缺陷的先進(jìn)微影制程終將扮演”最后一哩”的重要角色。T.3 u inL.O illXl圖十三：缺陷的分類(lèi)與數(shù)目3. 改善光阻的LER顯影后硬烤(Hard bake)是一個(gè)改善LER的簡(jiǎn)單方式，當(dāng)然溫度的選用與 LER提升程度會(huì)隨 著高分子組成不同(T

18、g點(diǎn))而有差異，適當(dāng)?shù)挠部局瞥虒?duì)于線寬影響并不明顯。然而，圖案輪廓的 垂直度會(huì)因加熱而變差，在線寬較大的區(qū)域尤其明顯，這也造成硬烤制程無(wú)法完全適用的原因。相對(duì)地使用潤(rùn)濕液洗凈(liquid rinse) 的制程，在減少line & space 圖案傾塌(collapse) 上的效用 越來(lái)越受到重視與接受，而研究同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，以含某些界面活性劑的潤(rùn)濕液，接觸光阻表面后會(huì)有 類(lèi)似硬烤引起的熱流動(dòng)所造成的表面變形，從而改進(jìn)LER。由于此種溶液潤(rùn)濕洗凈的作用只發(fā)生在表面，并無(wú)硬烤后造成角度變化的問(wèn)題。因此是個(gè)吸引人的改善LER方式，至于其詳細(xì)的反應(yīng)機(jī)制，目前尚無(wú)從得知。最近的研究顯示(4)，因?yàn)?/p>

19、EUV光阻的LER相對(duì)于線寬顯得過(guò)大，藉由 浸潤(rùn)液的洗滌顯影后，可以將半間距(Half pitch = 22nm)22奈米EUV光阻線寬的LER由7.8降至7.0奈米，相當(dāng)于有11%的改善，同時(shí)更改善了光阻的側(cè)視圖形，如圖十四。其實(shí)驗(yàn)操作條 件如下：EUV 曝光機(jī)：SFET NA0.3EUV 光阻劑：SSR4/THK = 50nmEUV顯影液：TBAHCOTola!irtspecli-onClasifieclResidueSwelirxSolidPa.fticl&mt foundw'q24?3197(3O)0Q0with24877014X(1)2吋）伸圖十四：EUV光阻之LER改善 結(jié)論