減少光刻顯影周期缺陷的沖洗方法

引言

隨著線寬尺寸的不斷減小，防止更小的缺陷對于保持產(chǎn)量變得至關(guān)重要。在顯影周期中產(chǎn)生并附著在BARC表面的缺陷，例如水點(diǎn)或光刻膠殘留物，一直是人們關(guān)注的問題，通常以犧牲產(chǎn)量為代價(jià)來去除。有各種選擇可以減少這些類型的缺陷，但每種都有缺點(diǎn)。一個(gè)這樣例子是雙水坑顯影工藝。這個(gè)過程的缺點(diǎn)是曝光劑量可能必須改變。另一個(gè)例子是將沖洗時(shí)間增加到幾分鐘，從而導(dǎo)致生產(chǎn)量減少。本文將討論能夠?qū)@影類型缺陷減少70%同時(shí)將晶片間差異減少80%的清洗替代方案。通過將總清洗時(shí)間保持在20秒以下，該工藝可以顯著增加產(chǎn)量，并且對測量的線寬的影響最小(變化小于2%)。這些清洗工藝?yán)昧?00毫米晶片加工可接受的快速連續(xù)變化的旋轉(zhuǎn)速度和加速度。還研究了設(shè)計(jì)用于減少193納米光致抗蝕劑中線塌陷的含表面活性劑的漂洗溶液，以確定它們在減少與新開發(fā)的水漂洗工藝一致的顯影后缺陷方面的有效性。將要討論的漂洗過程將具有整合含表面活性劑的漂洗溶液的靈活性，同時(shí)保持盡可能短的循環(huán)時(shí)間。同時(shí)，這些工藝將減少缺陷和圖案塌陷。

關(guān)鍵詞:ArF、KrF、光刻、BARC、顯影、衛(wèi)星缺陷、光致抗蝕劑、底部抗反射涂層、表面調(diào)節(jié)劑。

介紹

為了保持競爭優(yōu)勢，各公司都在努力改進(jìn)制造流程，以減少各個(gè)層面的各種缺陷。隨著器件尺寸的不斷縮小，曾經(jīng)不被關(guān)注的缺陷現(xiàn)在被認(rèn)為是致命缺陷。顯影后缺陷(PDDs)也稱為清晰視野缺陷，就是這樣一種情況。這些缺陷不會直接影響產(chǎn)量，但會掩蓋致命缺陷，直到器件足夠小，PDD留下的殘留物可以被認(rèn)為是蝕刻塊。因此，在檢查前必須拆除PDD。不斷增加的成本和產(chǎn)量壓力增加了減少或消除PDD的緊迫性。

迄今為止，通過以某種方式修改光致抗蝕劑烘烤和顯影工藝，去除產(chǎn)生PDD的顆粒，已經(jīng)取得了最佳效果。1，2已知有幾種技術(shù)可以減少PDD，但它們都有缺點(diǎn)。在生產(chǎn)中最容易實(shí)現(xiàn)的是延長沖洗時(shí)間，其明顯的缺點(diǎn)是產(chǎn)量較低。漂洗過程中的一系列低/高轉(zhuǎn)速循環(huán)也可以減少瑕疵，但這仍然會延長漂洗周期。該過程的另一個(gè)缺點(diǎn)是，在“高”周期中，晶片速度可能接近或超過3000 rpm，這不利于300mm晶片的處理。另一種方法是在清洗開始之前，在晶片上第二次攪拌新鮮的顯影劑，這被稱為“雙攪拌”由于可能危及整個(gè)晶片的CD均勻性的曝光劑量偏移，這種雙攪拌工藝需要相當(dāng)大的優(yōu)化。在當(dāng)今最新的具有掃描顯影劑分配噴嘴的涂布機(jī)軌道中，第二次攪拌可能是不可能的，因?yàn)閲娮炜拷砻婵赡茉诟街絿娮旒舛藭r(shí)導(dǎo)致缺陷，并且這種缺陷可能轉(zhuǎn)移到其他晶片。

隨著193納米曝光系統(tǒng)的上線，另一個(gè)變得更加明顯的缺陷問題是光致抗蝕劑線塌陷。當(dāng)沖洗水在管線之間變干并將管線拉向彼此時(shí)，管線塌陷是由于表面張力效應(yīng)造成的。減少或消除線塌陷的最直接的方法是用混合有表面活性劑的水沖洗晶片，或者使用表面張力低于水的另一種液體。這些溶液的一個(gè)缺點(diǎn)是表面活性劑或其他液體可能在晶片上留下殘留物，導(dǎo)致PDDs。第二個(gè)缺點(diǎn)是，如果使用除水以外的較低表面張力的液體，那么顯影劑處理模塊需要另一個(gè)噴嘴來分配這種材料以及顯影劑和去離子水。

這項(xiàng)研究將考慮通過改變沖洗周期來減少或消除缺陷的可能性，以最大限度地?cái)噭泳砻嫔系臎_洗水，而不增加沖洗時(shí)間，同時(shí)保持300毫米晶片加工的晶片速度低于2000 rpm。新的沖洗工藝對測量的線寬也應(yīng)該影響很小或沒有影響。重要的沖洗因素，必須加以修改，以減少PDDs和維持所有的剛剛討論的屬性將從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)中確定。此外，還將討論在使用表面調(diào)節(jié)劑時(shí)消除缺陷所涉及的關(guān)鍵參數(shù)，從最壞情況到最好情況，缺陷最多可減少80%。

實(shí)驗(yàn)

2.1去離子水沖洗研究

沖洗過程分為三個(gè)部分:開始、中間和結(jié)束。田口L16篩選實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了八個(gè)因素來測試所有三個(gè)部分中的因素。用于篩選的其他七個(gè)因素可能代表分析步驟中的交叉項(xiàng)，如果發(fā)現(xiàn)它們很重要的話。開始和結(jié)束因素是旋轉(zhuǎn)速度和時(shí)間。中段因素是低/高循環(huán)次數(shù)、循環(huán)高速和循環(huán)時(shí)間。圖1顯示了本設(shè)計(jì)中使用的工藝序列。表1中詳細(xì)列出了圖1中突出顯示的測試因素，其中包含列出的每個(gè)因素的設(shè)置。

選擇普通的BARC和普通的248納米亞太經(jīng)社會光致抗蝕劑用于本研究，因?yàn)檫@種組合的內(nèi)部測試表明PDDs存在。所有的測試都是在TEL Mk8涂布機(jī)軌道上用含表面活性劑的0.26N顯影劑進(jìn)行的。用寬帶曝光源進(jìn)行曝光，該曝光源將在200毫米晶片的中心曝光一個(gè)大約110毫米的正方形。KLA2112以1.25 m像素尺寸用于掃描曝光區(qū)域的缺陷。

幾個(gè)晶片在DOE之前僅用BARC運(yùn)行，并被掃描以檢查BARC涂層的清潔度。來自BARC涂層的每個(gè)晶片的平均缺陷數(shù)是12個(gè)，平均來自四個(gè)晶片。用BARC和光致抗蝕劑涂覆三個(gè)晶片，并對DOE的15次實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中的每一次進(jìn)行曝光。每次實(shí)驗(yàn)運(yùn)行后，在KLA上掃描三個(gè)晶片。從三個(gè)晶片計(jì)算每個(gè)晶片的平均和中間缺陷數(shù)，以及晶片的最小和最大缺陷數(shù)。然后使用DesignEase DOE軟件對晶片涂層的結(jié)果進(jìn)行分析，并在此展示。

決定將八個(gè)因素中對消除缺陷貢獻(xiàn)最大的三個(gè)因素用于進(jìn)一步的工藝優(yōu)化。此外，對于所使用的DOE類型，其余八個(gè)因素中任何一個(gè)的貢獻(xiàn)大于三個(gè)真實(shí)因素中任何一個(gè)的因素都將被視為三個(gè)真實(shí)因素的非線性效應(yīng)，并將通過進(jìn)一步的優(yōu)化工作進(jìn)行更詳細(xì)的調(diào)查。

結(jié)果和討論

去離子水

在正性光致抗蝕劑中形成PDDs的最廣泛持有的理論是，曝光區(qū)域的光致抗蝕劑成分被顯影劑去除，但是在顯影和沖洗過程中被重新沉積或吸附在晶片表面上。為了減少PDDs，應(yīng)該可以簡單地沖洗掉這些顆粒。然而，當(dāng)抗蝕劑組分從溶液中析出并沉積在晶片或BARC表面上時(shí)，它們似乎牢固地結(jié)合并且不容易被沖洗掉。與該DOE相關(guān)的工藝改進(jìn)旨在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)大的力，以克服PDDs的結(jié)合能。該測試中的沖洗過程通過低/高速循環(huán)的循環(huán)提供去除缺陷的能量。在低速和高速之間的過渡中產(chǎn)生的變化的向心力驅(qū)逐顆?；蚍乐顾鼈兊某跏汲练e。速度的快速循環(huán)不會讓游離的粒子重新附著在BARC表面，就像糖懸浮在水中，攪拌時(shí)會溶解在一杯冷水中。

為了創(chuàng)造這種情況，缺陷必須在短時(shí)間內(nèi)看到動量的變化。這可以通過漂洗過程中兩種旋轉(zhuǎn)速度之間的快速振蕩來實(shí)現(xiàn)。這個(gè)脈沖函數(shù)可以定義為力乘以力起作用的時(shí)間間隔。這個(gè)力與速度的平方成正比。因此，旋轉(zhuǎn)速度的小變化會導(dǎo)致力的大變化。為了縮短兩個(gè)旋轉(zhuǎn)速度之間的時(shí)間間隔，應(yīng)該像在DOE中那樣采用高加速度和短旋轉(zhuǎn)時(shí)間。這具有快速改變BARC上和懸浮在漂洗中的顆粒所受力的效果水。這些變化的力可以賦予足夠的能量從BARC表面去除顆粒，并在沖洗掉缺陷的同時(shí)保持顆粒懸浮。

如前所述，將實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的三個(gè)晶片平均值和中間值結(jié)果輸入到軟件中，并用典型的ANOVA技術(shù)進(jìn)行分析，以找出每個(gè)因素對響應(yīng)的相對百分比貢獻(xiàn)。這項(xiàng)工作中的響應(yīng)是三個(gè)晶片的缺陷的中值、平均值和范圍。在大型人群中，平均值和中位數(shù)即使不完全相同，也非常接近；在本實(shí)驗(yàn)中，由于每次實(shí)驗(yàn)只涂覆了少量的晶片，使用平均值和中值統(tǒng)計(jì)將最小化異常數(shù)據(jù)點(diǎn)對平均值的任何影響。

首先檢查缺陷的平均數(shù)。根據(jù)百分比貢獻(xiàn)創(chuàng)建的帕累托圖如圖3所示。從左到右，最重要的因素被標(biāo)記為4、1、13和2，并對應(yīng)于循環(huán)次數(shù)、開始漂洗速度和開始漂洗時(shí)間。因子13是該DOE中未分配的因子。該因素高度重要的可能原因是，如前所述，該DOE未考慮的非線性效應(yīng)(多因素相互作用),或者是存在一個(gè)在試驗(yàn)過程中發(fā)生變化的不受控制和未說明的因素。由于TEL Mk8上的控制，后者不太可能。

在帕累托圖中，三個(gè)實(shí)際因素占總貢獻(xiàn)的60%，循環(huán)次數(shù)和開始漂洗速度占該部分的大部分。關(guān)于這些因素的顯著性統(tǒng)計(jì)，循環(huán)次數(shù)和開始沖洗速度給出了大于95%的置信限。開始沖洗時(shí)間的置信限約為80%或更低。這些數(shù)據(jù)表明，循環(huán)次數(shù)和開始沖洗速度在減少PDDs方面起著重要作用，而開始沖洗時(shí)間在減少缺陷方面作用較小。顯著性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的快速下降意味著所有其他因素都非常弱，在更詳細(xì)的研究中可以忽略，因此可以放心地選擇最初假設(shè)的三個(gè)最大的影響因素。

在將相同的技術(shù)應(yīng)用于中值晶片缺陷數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)相同命名的因素是缺陷數(shù)量的三個(gè)最高貢獻(xiàn)者。在這種情況下，開始漂洗速度的貢獻(xiàn)最大，其次是循環(huán)次數(shù)。兩者仍然是減少缺陷的最大貢獻(xiàn)者。因子13和因子10(另一個(gè)未指定的因子)是第二大因素。第三個(gè)真正的因素是開始沖洗的時(shí)間。如前所述，方差分析顯示循環(huán)次數(shù)和開始沖洗速度在95%置信限內(nèi)具有顯著性。其他因素遠(yuǎn)低于90%的置信限。

為了確保DOE結(jié)果的有效性，設(shè)計(jì)了驗(yàn)證運(yùn)行。根據(jù)DOE創(chuàng)建了兩個(gè)沖洗配方，一個(gè)將指定的因素設(shè)置為最佳設(shè)置，以最大限度地減少缺陷，另一個(gè)設(shè)置為最差設(shè)置。用于內(nèi)部測試的另外兩種漂洗配方用于比較與工業(yè)中典型漂洗工藝相關(guān)的缺陷。表3列出了所有的漂洗過程。

將循環(huán)次數(shù)、開始沖洗速度和開始沖洗時(shí)間設(shè)置為最佳和最差設(shè)置，并涂覆五個(gè)晶片以驗(yàn)證DOE的結(jié)果。最佳沖洗設(shè)置具有1個(gè)缺陷/晶片的歸一化平均缺陷，缺陷范圍為. 6。最差的設(shè)置平均有2.5倍的缺陷，每個(gè)晶片有1.5倍的缺陷。沖洗過程的最佳設(shè)置減少了每個(gè)晶片的平均缺陷(減少了61%)和范圍(減少了約60%)。最佳工藝的漂洗時(shí)間為17秒，隨著對三個(gè)重要因素的進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)和對其它非重要因素如結(jié)束漂洗時(shí)間的減少，該時(shí)間可以進(jìn)一步減少。這一時(shí)間大大低于沖洗時(shí)間少于30秒的要求。

將最佳漂洗工藝與當(dāng)今工業(yè)中更為典型的另外兩種漂洗工藝進(jìn)行了比較，因?yàn)?/p>

如圖5所示。每個(gè)過程運(yùn)行三個(gè)晶片。典型的漂洗工藝1的平均值為3.0(與最佳漂洗相比)，大范圍為2.5。具有DOE沖洗設(shè)置的典型沖洗過程1具有平均0.7，減少了76%，以及更低的0.14的范圍，產(chǎn)生了94%的晶片間范圍的減少。

然后將典型的漂洗過程2與DOE漂洗進(jìn)行比較。這一次，DOE配方并沒有顯著減少缺陷。然而，范圍減少了75%,從1到0 . 26。在檢查沖洗過程2時(shí)，隨著沖洗過程的繼續(xù)，高低周期之間的差異增大，從而產(chǎn)生類似于此處描述的情況。賦予缺陷的可能能量增加，因?yàn)樾D(zhuǎn)速度增加，因此缺陷被去除。然而，該沖洗過程比DOE沖洗長2秒，并且對于300mm晶片處理來說，旋轉(zhuǎn)速度不兼容。

DOE定義的沖洗過程是一個(gè)非常可靠的過程。當(dāng)比較表2中每個(gè)過程的顯影劑分配和攪拌步驟時(shí)，很容易發(fā)現(xiàn)顯著的差異。當(dāng)比較缺陷時(shí)，平均缺陷數(shù)沒有顯著差異，并且集中在200個(gè)缺陷/晶片左右。這給了過程非常健壯的信心，并且將有效地去除PDDs，而不管開發(fā)過程，并且將只留下最緊密結(jié)合的缺陷。在這里研究的情況下，來自該光致抗蝕劑的成分非常緊密地粘附到BARC表面，并且為了去除更多的缺陷，需要額外的工藝修改。

為了顯示沖洗過程對測量的線寬的影響，顯影步驟和曝光劑量保持不變，沖洗過程變化。隨著每次沖洗過程，兩個(gè)晶片被曝光和顯影

帶有一個(gè)控件?？刂七^程規(guī)定了為其他三個(gè)沖洗過程設(shè)定的劑量。針對250nm的密集線/間隔測量每個(gè)晶片上的三個(gè)管芯，總共六次測量。然后將數(shù)據(jù)繪制在圖6中，包括范圍、中間值和平均值。當(dāng)漂洗過程的平均線寬與對照測量值比較時(shí)，差異小于2%。當(dāng)比較測量范圍時(shí)，DOE定義的沖洗過程對測量的線寬幾乎沒有影響。

表面調(diào)節(jié)劑

這些沖洗產(chǎn)物產(chǎn)生的缺陷(如果有的話)可能是制劑中表面活性物質(zhì)的殘留物，或者是制劑和光致抗蝕劑之間的相互作用產(chǎn)物。沒有進(jìn)行缺陷分析；這里只研究去除它們的過程。顯影劑分配和攪拌過程沒有改變，因?yàn)檫@很可能導(dǎo)致CD移位。此外，去離子水沖洗簡化為只有一個(gè)沖洗速度和時(shí)間，如DOE中所述，以簡化結(jié)果分析。

結(jié)果放在DesignEase軟件中，并繪制了因素強(qiáng)度的帕累托圖，該圖繪制了平均缺陷統(tǒng)計(jì)量和中位數(shù)統(tǒng)計(jì)量，如圖7和圖8所示。與去離子水沖洗工藝一樣，應(yīng)做進(jìn)一步的工作，使用三個(gè)最強(qiáng)的因素和更徹底的DOE來調(diào)查工藝窗口的范圍。來自中值和均值統(tǒng)計(jì)帕累托圖的結(jié)果與作為最強(qiáng)因素的“水漂洗脫水速度”、“干脫水速度”和“干燥時(shí)間”相當(dāng)一致。由此可以有把握地說，這三個(gè)因素將在減少與SC相關(guān)的缺陷方面發(fā)揮重要作用。中值統(tǒng)計(jì)和均值統(tǒng)計(jì)Pareto圖之間的結(jié)果略有不同的原因是，每個(gè)實(shí)驗(yàn)只測試三個(gè)晶片，非常高或非常低的異常值很容易影響均值統(tǒng)計(jì)，然后使軟件報(bào)告錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。

針對之前定義為最強(qiáng)的三個(gè)因素，在最佳和最差工藝條件下對一組晶片進(jìn)行涂覆、曝光和顯影。所有其他因素被設(shè)置為低設(shè)置以最小化旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)時(shí)間，并且由于晶片覆蓋問題，流速被設(shè)置為0.8 L/min。對于這兩個(gè)過程中的每一個(gè)，五個(gè)晶片被涂覆、曝光和顯影。結(jié)果總結(jié)在表4中。在最差的DOE條件下，歸一化平均缺陷為5.2，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.75。最佳條件確認(rèn)運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)化平均值為1，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.23，減少了80%。

干燥速度和時(shí)間仍然需要一些優(yōu)化，因?yàn)樽⒁獾皆?秒鐘的干燥時(shí)間后，SC沒有完全干燥。進(jìn)行了改變干紡時(shí)間的測試，以發(fā)現(xiàn)SC何時(shí)干燥以及缺陷隨干燥時(shí)間的變化趨勢。結(jié)果如圖9所示。可以看出，隨著干紡時(shí)間的增加，缺陷有增加的趨勢。SC在15-20秒內(nèi)干燥，如果曲線看起來是最陡的部分。

結(jié)論

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過使用DOE，穩(wěn)健的沖洗過程可以顯著減少PDD的數(shù)量和可變性。被發(fā)現(xiàn)具有重要意義的DOE參數(shù)是漂洗過程中的循環(huán)次數(shù)、開始漂洗速度以及在較小程度上的開始漂洗時(shí)間。該測試的結(jié)果表明，在每個(gè)晶片的平均缺陷和幾個(gè)晶片的范圍上，可以實(shí)現(xiàn)超過75%的可能減少。此外，沖洗時(shí)間已從最大允許時(shí)間30秒減少到17秒。還表明，對于250納米的密集線/間隔，測量的線寬差異小于2%。在這項(xiàng)工作中考慮了三種不同的顯影配方，所有配方都顯示出晶片間可變性的減少或每個(gè)晶片缺陷數(shù)量的減少，或兩者兼有。這表明沖洗過程可用于任何數(shù)量的顯影過程，并具有一些積極的結(jié)果。通過這項(xiàng)工作，可以去除可能被認(rèn)為是致命缺陷的不需要的缺陷，并可能增加產(chǎn)量，同時(shí)通過減少清洗過程中的水消耗以及減少去除缺陷所需的時(shí)間來降低成本。

研究了用于減少193納米光致抗蝕劑的線塌陷的后水沖洗材料，以找到改變以最小化缺陷的最佳參數(shù)。該測試的參數(shù)是水漂洗速度、干轉(zhuǎn)速度和干燥時(shí)間。從測試來看，從最差到最好的過程中，缺陷減少了80%。仍然需要進(jìn)一步的優(yōu)化，因?yàn)楫?dāng)工藝以最低的缺陷完成時(shí)，SC不是完全干燥的。

審核編輯：符乾江