一種用於193奈米光阻開發之低缺陷高效率製程
George Mack, Jeffrey Bright, IBM Corp., Hopewell Junction, New York
Tom Winter, Kenichi Ueda, TEL America, Hopewell Junction, New York
Steven Consiglio, TEL Technology Center, America, Albany, New York, United States
擴大微影集合式(cluster)機台之產能率以降低現今先進193奈米製程的擁有成本(COO)自有其必要性。佔有一半微影製程步驟的集合式塗佈/顯影系統具有多段之製程步驟。一般來說，總體機台產量取決於最長的製程階段。然而，致力於減少製程時間，尤其在光阻的開發上，務必達成而不影響到關鍵尺寸(CD)均勻性與基線缺陷等級。新的顯影劑噴嘴硬體以及製程則業已開發，並且使用在多種193奈米光阻上來進行評估，可明顯地減少製程時間及化學品消耗量。
在微影塗佈/顯影製程當中最終步驟之一的是曝光光阻特徵的研發。曝光化學增益光阻在曝後烤(PEB)期間，透過熱驅使酸催化反應而變成為顯影劑可溶之情況。然後標準製程使用鹼性顯影劑溶液產生靜態的混拌顯影(puddle)，以便移除曝光的光阻，而留下圖案特徵。該混拌顯影時間，隨著特定光阻的顯影率參數而變化。
我們發現到，特別是針對193奈米微影製程所設計的那些化學增益光阻，比起過去diazonaphthoquinone (DNQ)/NOVOLAC的材料，則顯著有著較高的溶解速率。這使得一新態樣的「連續動力供應」發展概念，大幅地縮短顯影製程循環。其所設計的全新硬體與製程解決方案，以增大動態製程的性能。全新製程的主要條件為︰
1. 在光阻表面上顯影劑的影響或接觸是勻稱的。
2. 因緩慢溶解的缺陷以及溶解光阻成分的再沉積得以降低。
3. 在整個一般常見的顯影過程當中，製程時間與顯影劑消耗量減少達60%。
我們已評估了若干條件的東京電子(TEL)光阻開發硬體及製程，著重於缺陷等級，操作範圍以及使用數種商業上可取得光阻之製程曝光容許度，並且我們就新硬體標準製程與一般常見顯影劑製程此二者去比較所獲的這些成果。實驗設計(DOE)方法已運用於該研究[1,2]。該篇論文刊載出我們的評估結果，文中顯示完整製程表現出，具有低缺陷率及高產率之優良CD控制能力。在TEL Clean Track Lithius微影機台及ASML193奈米曝光系統上進行矽晶圓(300毫米)的處理。針對密集及隔離線路/空間，以及接觸洞應用則使用上若干商業用193奈米光阻；所有都塗佈上底部抗反射塗(BARC)層 。所使用的顯影劑化學成分為標準之2.38% TMAH(tetramethylammoniumhydroxide)加上界面活性劑。在配備有掃描式電子顯微鏡(SEM)可進行缺陷檢視的亮場光學檢查機台上，來完成缺陷檢查。關鍵尺寸平均值與3σ均勻性，則以CD-SEM進行量測。
製程DOE評估
複製(replicated)23組完全階乘隨機化的設計在這次評估中運用上。我們測試了(1)60秒典型混拌型式製程vs. TEL硬體標準(動態的)製程的效應；(2)顯影後噴灑(PDD)步驟vs.無PDD步驟的增加差異；以及(3)顯影劑溫度23℃ vs 21.5℃，在其他TEL TRACK機台上使用標準顯影劑溫度。每一因素皆有其不同的重要性：典型的混拌顯影製程相近於使用在TEL ACT 12系統的歷史研發方法上；PDD通常用於減低圖案的缺陷層級；而顯影劑溫度對於溶解率曲線有可預知的效應存在。
針對實驗部份，1700埃厚度光阻膜塗佈在矽晶圓上的1000埃BARC膜的上面。聚焦曝光劑量矩陣進行製程處理，以決定出針對基線顯影製程之最佳劑量與聚焦。所有晶圓在每個實驗設計中都有經歷曝光與顯影，並且CD的測量是使用48曝光場/晶圓於CD-SEM施行。所測試的反應是針對82奈米目標線路/空間(L/S)測試區的CD平均值與均勻性。
顯影製程的效應可以從針對2個製程的平均值效應圖表來得知(圖一)。針對CD平均值圖的誤差條(Error bars)表示95% 的信賴區間。在平均值CD當中有明顯的變動，～7奈米，介於2個製程之間。統計上的DOE分析暗示到，只有顯影製程類別在CD平均值上有明顯的效應，利用0.05的明顯層級，對應到95% 的信賴區間。PDD顯影劑溫度，以及所有交互效應被視為無特別關聯，因為只有顯影製程因素落到正常或然率分佈以外範圍。針對CD均勻性，沒有一個因素有效應關聯(圖二)。當中顯示出CD均勻性的正常或然率圖表。所有主要因素以及交互效應在統計學上無直接意義。針對這樣測試的平均值3σ均勻性為3.2奈米。
顯影時間CD平均值與製程操作範圍
接下來，對新的TEL顯影製程之增加混拌時間(晶圓中央噴灑)的影響進行測試。如之前實驗中所述，1700埃光阻膜塗佈在1000埃BARC膜上面。多個晶圓用測試原罩加以曝光，並且以動態製程使用增加混拌時間，從3-17秒以2秒為一時間區隔，此外加上之前所測之CD平均值及均勻性的反應，操作範圍及曝光寬度容許量vs.聚焦深度(DOF)也加以研究，在相同的82奈米L/S目標測試區。將劑量與聚焦設定加以保持固定以測試CD平均值並且變化矩陣型式，得以評估製程操作範圍的變化。
針對這些實驗，每片晶圓量測84個曝光位置。我們發覺到CD是隨著以0.33奈米/秒而增加混拌時間的速率而減少，決定於資料方法的最少平方線性配對，而並未在CD均勻性上有明顯影響。然而，藉由繪製曝光容許度vs DOF，我們確實看到隨著混拌時間的增加而在製程操作範圍的損失。較少的混拌時間則足以清除這些光阻，而且過度顯影會造成曝光製程容許度的降低。
193奈米光阻組合製程操作範圍評估
針對2 個線路/空間光阻的製程操作範圍分析，隔離線路光阻，以及接觸洞光阻都加以實施評估。所使用的全部光阻都是可購得之商用193奈米材料，塗佈在標準BARC上。我們比較了新標準動態製程，沒有PDD步驟的典型常見顯影劑製程，由於這個因素在CD平均值/均勻性研究中是認定為無其意義關聯性。聚焦曝光矩陣，在中間以最適的劑量以及針對每一光阻聚焦，然後針對兩者顯影製程類型(圖三)進行製程處理。雖然有細微差異，對於供應者標準製程的製程操作範圍，並且典型常見的顯影劑製程的製程操作範圍，在曝光容許度vs DOF行為則表現出近似特性。
缺陷層級的完全製程亮場研究
為了歸納新顯影劑製程的測試，在TEL標準製程與典型顯影劑製程之間，作一缺陷層級的比較。另外，我們在原始顯影應用與水洗步驟之間，安插PDD來察看其影響。我們期待PDD製程將有助於提昇溶解光阻副產物之移除，因而減少再沉積缺陷的總數。PDD時間從0到1.5秒，以0.5秒增量作變化。每個實驗條件被複製3次，以瞭解其製程與檢查再現性。測試手段是光阻塗佈在矽上有BARC層，並且利用產品原罩對所有晶圓做曝光。缺陷分析是依據從亮場光學檢測系統所量測的總次數(total counts)而定。在資料上實施的變異數分析(ANOVA)顯示出，使用PDD對於缺陷次數並沒有明顯的效果，且在於PDD與顯影製程間的交互效應在統計學上，無太大明顯之處(=0.05)。供應者的標準顯影製程在95% 信賴等級沒什麼缺陷(圖四及五)。我們假設缺少靜態的混拌可能在防止沉積類型缺陷會較為有效的。
結論
我們運用到供應商的推薦標準動態製程與典型顯影劑製程去評估過TEL的下一世代顯影硬體及製程。藉著新的顯影方法，總體製程時間能夠將需時100秒或以上之典型顯影劑製程從而減少達60%。加上較高的產量，每片新的顯影製程所消耗的是少於典型顯影劑製程消耗的60%。這兩個益處有助於降低微影機台設備的擁有成本(COO)。
全面製程缺陷評估顯示，新的硬體與製程成為一低缺陷研發之解決方案。而CD平均值是與噴嘴在中心駐留(Reside)時間有依存關係，跨晶圓CD均勻性則相對地穩定。雖然製程操作範圍損失隨中央噴灑(dispense)時間的增加而可預期，短暫的噴灑(dispense)時間足以清除曝光光阻特徵。也留意到針對TEL標準製程vs.典型顯影劑製程之4-12% 的劑量增加。總結來說，新的硬體及製程可就成像光阻的開發來提供穩定及健全的技術。
銘謝
作者由衷感謝 James Kozielski、Steve Schneider、Patrick Lindo、Adam Walton以及 Jim Doran使用CD-SEM於測量上的寶貴協助。TEL Clean Track Lithius及ACT 12是TEL的商標。
參考文獻
1. George E.P. Box, William Hunter, J. Stuart Hunter, Statistics for Experimenters, John Wiley & Sons Inc., 1978.
2. Douglas C. Montgomery, Design and Analysis of Experiments, 5th Ed., John Wiley & Sons Inc., 2001.
作者
George Mack於丹佛大都會州立學院取得學士學位，目前是IBM公司的顧問工程師，聯絡地址︰Rte. 52 ,Hopewell Junction ,NY 12533；電話︰845/892-3738，電子郵件信箱︰gmack@us.ibm.com。
Jeffrey Bright於Dutchess社區學院獲得其計算機科學的學位，目前是IBM公司的資深製程技術專員。
Tom Winter從東北大學取得電機工程學士學位，目前是TEL美國公司的應用工程經理，聯絡地址︰Hopewell Junction ,NY；電子郵件信箱︰tom.winter@us.tel.com。
Kenichi Ueda從宮崎大學取得機械系統工程學士學位，目前是TEL美國公司的製程工程師。
Steven Consiglio從Albany-SUNY大學取得奈米科學博士學位，目前是紐約州Albany的TEL美國技術中心的製程工程師。
圖一：針對新標準及一般常見顯影劑製程之CD平均數的顯影製程DOE圖表。
圖二：CD均勻性之顯影製程DOE正常或然率圖。無因素明顯影響CD 3σ。