润湿液在IC先进微影制程所扮演的角色

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1、润湿液在IC先进微影制程所扮演的角色作者：张尚文、张雍政/台湾安智电子材料股份有限公司 日期：2010/6/18 来源：半导体科技I C 线路的设计规格，随着时代的演进持续快速地缩小，随着集成电路日益发展，曝光的波长也由 g-line, I-line, KrF, ArF和浸润式的 ArF，渐渐的缩短，但半导体演进到90奈米以下(sub-90nm) 的组件尺寸，微影制程也面临越来越多的挑战，其中制程参数 k1 将向 0.3 以下的 光分辨能力极限挑战。同时在9 0 奈米以下时，黄光制程面临到如何避免光阻线宽倒塌、减少显影 后缺陷(defect)及改善光阻表面的LER (Line Edge Rou

2、ghness)的挑战。在传统显影制程中，会以旋干(Spi n dry)的方式来去除离子水(DI water )和显影液。旋干过 程中产生的剪应 力(stress)会因线宽缩小及深宽比(Aspect ratio)的增加造成光 阻倒线 (pattern collapse)。要避免倒线缺陷，AZ(安智)与tel(东京电子有限公司)发展出在显 影的过程中特别加入润湿液(Rinse solution)的 FIRM(Finishing-up by Improved Rinse Materials)制程 来有效的降低倒线(Pattern collapse)的缺陷。倒线不是一个新的问题，但 是在线宽(Crit

3、ical Dimension) 200nm以下倒线缺陷的特征，与传统的倒线并不相同。以前 防止倒线的方法是透过改善在光阻和基材 (Substrate)之间的黏附力(adhesion)来防止。而 200nm线宽以下的光阻倒塌是因为光阻硬度(Rigidity)不够，而不是因为光阻与基材的黏附力不 足而引起。近年来由于集成电路密度迅速增加，黄光制程中产生的缺陷的多寡和良率有很强的相关性。更 由于先进光阻的设计朝着高分辨率(High resolution)及高对比度(High contrast)性研制，意 味着光阻的疏水性增加将导致显影后的缺陷量及种类增加，藉由显影过程中加入润湿液可以有效的 降低光阻

4、的疏水性，进而有效地减少缺陷产生的可能性。除了光阻线宽倒塌、显影后缺陷(defect)的议题外，当半导体演进到一百奈米以下 (sub-100nm)的组件尺寸，微影制程也面临更多其他的挑战与困难。其中对于LER (Line Edge Roughness)或LWR (Line Width Roughness)的控制，重要性尤其日渐显著。许多研究指出， 在逐渐缩小的线宽，LER所造成的问题将大大影响到制程中原本的关键尺寸(critical dimension) 所具备的容许误差，进而恶化组件并造成良率问题。在润湿制程(Ri nse Process)中，以含界面活 性剂的润湿液，接触光阻表面后会有类似

5、硬烤引起的热流动(thermal flow)所造成的表面变形， 从而改进LER。由于此种润湿洗净的作用只发生在表面，并无硬烤后造成角度变化的问题。本文 主要探讨润湿液将在黄光先进制程中应用，可分为1. 防止显影过程中光阻的倒线2. 减少显影过程中所产生的缺陷3. 改善光阻的LER传统显影制程，会在 TMAH (Tetra-Methyl Ammonium) 显影液完全覆盖在曝光后光阻上， 施以DIW (DI water)清洗，最后以旋干(Spin Dry)的方式除去DIW和TMAH溶液。FIRM的 制程，如图一，主要是在DIW清洗后额外加入润湿液，然后才旋干晶圆表面液体，接下来作第二 次的DIW

6、清洗旋干。By 口皿Iky血皿MWRir处WfetOTLilny Hull TrMtnjgd;-I!TfiLUf M图一：FIRM 制程 a 流程(FIRM + Exp 1)也可以省略第二次DIW清洗，在喷洒完润湿液后直接旋干，如图二。因直接甩干DIW会有造成倒线的困扰，因此在显影液显影 之后，直接喷洒润湿液后再旋干。IhywitTJitAH DadimernraRnijeHFTl 细111 Ion图二：FIRM制程b流程1. 防止光阻的倒线倒线的成因主要是因为在离心脱水过程中的毛细现象所引起如图三所示，其相关的参数有：光 阻图形的间隔(pitch)、深宽比(Aspect ratio)、液体与

7、光阻表面的接触角(Contact angle)及在 离心脱水过程中液体的表面张力。口趣产 6 丁 (H/W COS( )/1)(公式7)G The mnxiiinun stress on patteni7 Rmsc siu fa-c telisionHf ZPttem heiglitW: Psittein width9 Contact angleD: Patteni pitch图三： 毛细现象之关系图(3)促使倒线的应力(Stress)增加，会正比于接触角的余弦值如公式-1。另外图四显示，如何降低 不均匀的应力施在光阻图形的侧壁上对避免光组倒线也是十分重要的。W: Distortion of

8、resistAi1: Aspect ratio of patternSt ； Surface tension of rinseE ； Young module of resist ： curvature radius of rinse liquidW.=4V(stJ/Er图四：光阻应力之关系图除应力控制之外，另外要防止显影液和润湿液渗入光阻，以避免因为液体渗入光阻造成光阻图 形的膨润，而使得光阻软化变形。在一项更早的研究中1),指出TMAH和DIW渗透入光阻对黄光 制程中操作条件的宽窄有很大的影响。如果是易受TMAH和DIW扩散渗入的光阻，其强度将会 减弱，从而使光阻图形的群聚力(Aggreg

9、ation force)力量变得脆弱，相对地造成倒线的忍受度 降低。这强烈显示TMAH和离子水造成的光阻膨润(Swelling),也是防止倒线的一个关键参数。 目前减少溶液表面张力有二个不同方式：运用超临界流体(SCFs)和加入表面活性剂。后者的方 法，因为它不需要在制程进行重大的改变，相对地该操作过程的成本是较便宜的。另外一项研究(2)，探讨了各种 光阻在使用润湿液的 FIRM 制程中，如何有效率减少图形倒线 和其机制。发现图形倒线的程度会强烈的受到界面活性剂种类、加入的浓度而影响。根据机制研究， 能够减少倒线机率的因素除了公式1中所列的界面活性剂表面张力和接触角外，FIRM制程本身的参数，

10、例如光阻特性，也影响非常大。经由证实 ArF 光阻的杨氏模块系数 (Young module) 比 KrF 光阻剂低, 如表一(2。) 意即 ArF 光阻相对地对外力抵抗是更加敏感的。Vav length.nmSampleMduius.Gp248ApeK(PHS)5.1ESCAP5.1193Acryiate3.9COMA2.BCO2.S表一：杨氏模块系数比较表界面本文将探讨如何筛选润湿液中的界面活性剂来防止显影过程中光阻的倒线，其中包含有活性剂的种类、界面活性剂的浓度及界面活性剂的结构。(1) 界面活性剂种类的影响如图五所示，并不是每一种界面活性剂对于防倒线都有帮助。-x_ wdJBeoJQ&

11、a!WMddResist： ESCAP/248hrn Asp&Ctratio； 3,43 CDiUQnrnLS图五：界面活性剂种类对倒线的影响Hydrocarbon system一般的界面活性剂系统分类如图六所示。Non ionic surfactantNon Ionic surfactantAnionic surfactantCationic surfactantAmphoteric surfactantonic surfactantFluorochemical systemfonic surfactantAnionic surfactantCationic surfactantAmphot

12、eric surfactant图六：界面活性剂的种类适合FIRM润湿液的界面活性剂必须符合以下的条件，来达到IC制程的需求：1. 金属含量是可以控制在很低的浓度，因此界面活性剂须选择非离子性。2. 不含有 PFOS 的材料，因此不含氟的碳氢化合物为主要的考虑。3. 不易产生气泡。4. 较为宽广的操作条件。5. 不会造成光阻线宽变化及膨润现象。综合以上分析，界面活性剂筛选的范围缩小到非离子性不含氟的碳氢化合物，来进一步探讨其 浓度对光阻图形倒线的影响。(2) 界面活性剂浓度的影响在 FIRM 的制程中，可藉由改变润湿液的界面活性剂浓度，来观察倒线的程度。此实验使用了 KrF的ESCAP类型光阻和

13、线宽间距比为1, CD的大小为200nm及及深宽比为4.06的图形。在均匀分布在晶圆的 27 点上，以 CDSEM 量测计算倒线的数目。经由优化界面活性剂浓度，可 成功地将倒线数目降为零，如图七所示。低浓度无法有效降低光阻图形倒线，但浓度往上增加将会 造成图形软化变形。图七：浓度与光阻图形倒线关系(2)R齐ESCAPD.DD.DD.DM MR 4 2 H Fdcue 4-4其次，我们比较了有/无 第二次 DIW Rinse 的 FIRM 制程, 如图一及图二所示，对图形倒线 的影响。图八的结果显示，在标准的显影制程有高达80%的图形会倒线，但在使用FIRM制程可 以很明显的看出倒线的程度降低许

14、多，几乎为零。而且，发现再次以离子水润湿及旋干的 FIRM 制 程，倒线机率并没有明显的增加。此比较结果说明了，在FIRM显影制程中，界面活性剂会被光 阻表面吸附，并重组表面结构改变了光阻表面的接触角，进而降低离子水在第二次旋干所造成的应 力。l(eutod_ptE血 dB=clu口 CHlEcrreferencefirmfirm +experimental 图八：有/无FIRM制程对倒线的影响(3) 界面活性剂结构的选择界面活性剂的结构通常一端为疏水基（尾端），另一端为亲水基（头端）。依照头尾两端碳氢基的大小可以细分为五类，如图九。可将对不同的大小的头尾组合作一探讨。图九：界面活性剂的结构5

15、l jiJidFulHuLLIliirtyV_-4-lFdpUlk 輕Smiler fn-dEtypa丸ay昭BWKClfp*wwv-SCMik 0rh& rih-vn tM *为了减少倒线的发生，界面活性剂的选择以表面张力小及与水的接触角大的原则下，来选择亲 水基。研究发现，亲水基越小越有利于防止倒线如图十。依照相同的原则下，来筛选疏水基，则建 议疏水基越大则越有利于减少倒线的发生如，图十一。表面張力有利 接遐角大一有利图十：亲水基大小之关系图35嚇电4啊393837A表面張力d 有利 接盧角大T有利=疏水基大f有利图十一：疏水基大小之关系图2. 减少显影过程中所产生的缺陷以下的光组图形及实验条件，如图十二所示，用来探讨润湿液对晶圆显影后产生的缺陷影响。章驗條件：i 01lu Substrate: KrF17B/ 180C/dO FT = SO nm Exposure: FPA-?30GO 观璀 NA = 0.637,172 Annular-) R&siist: Defect Test Resist