不同襯底材料對(duì)光刻膠剖面的影響

張世權(quán)，朱 斌，顧 霞

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無(wú)錫 214035）

1 引言

在半導(dǎo)體前端制造流程中，光刻工序貫穿了一個(gè)常規(guī)CMOS流程的始終，從最初的阱圖形的形成到最后鈍化窗口的形成，都需要光刻來(lái)幫助形成圖形轉(zhuǎn)移[1]。半導(dǎo)體制造工藝更加要求工藝的可重復(fù)性和穩(wěn)定性，對(duì)光刻工序而言光刻膠剖面控制是光刻工藝控制的關(guān)鍵點(diǎn)，光刻膠剖面影響著光刻CD的穩(wěn)定性和精確性[2]。光刻膠剖面的影響因素有很多，光刻工藝條件包括涂膠、曝光、顯影是最主要的影響因素[3]。除此之外，不同襯底材料對(duì)光刻膠形貌也有重要的影響，本研究通過(guò)對(duì)金屬薄膜和SiN薄膜進(jìn)行研究，就高反射率薄膜材料和透明薄膜材料影響光刻膠形貌的根本原因作了詳盡分析，并提出了有效的解決方案，可以在科研開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 金屬襯底光刻膠形貌

一般的0.8 μm CMOS工藝流程中，互聯(lián)采用的為Al工藝，常規(guī)工藝的金屬膜層結(jié)構(gòu)為T(mén)i/TiN/Al（鈦/氮化鈦/鋁）層結(jié)構(gòu)，在金屬光刻、腐蝕完成后部分位置金屬條出現(xiàn)了變細(xì)甚至斷條現(xiàn)象，如圖1。

圖1 金屬斷條剖面照片

經(jīng)過(guò)對(duì)光刻后光刻膠剖面的觀察發(fā)現(xiàn)，光刻后光刻膠形貌已經(jīng)變差，如圖2，導(dǎo)致金屬腐蝕后金屬形貌差，究其造成金屬光刻后形貌差的原因，從圖1中的剖面可明顯看出異常位置的金屬條正好處于兩個(gè)高臺(tái)階(場(chǎng)氧化層)的底部，襯底金屬為Al，反射率高導(dǎo)致光刻膠受到兩側(cè)臺(tái)階反射而曝光，最終導(dǎo)致光刻膠形貌差。根據(jù)此原因，降低金屬層反射即可解決此問(wèn)題。通過(guò)更改金屬層為T(mén)i/TiN/Al/Ti/TiN，TiN表面反射遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Al，因此TiN可以作為底部抗反射層使用，再次經(jīng)過(guò)光刻后的光刻膠形貌如圖3，光刻膠形貌完全正常，俯視平面圖如圖4，形貌良好。

圖2 光刻膠形貌

圖3 增加底部抗反射層后的光刻膠剖面

圖4 增加底部抗反射層后金屬腐蝕平面圖

2.2 二氧化硅氮化硅疊層襯底光刻膠形貌

二氧化硅氮化硅疊層襯底主要應(yīng)用在CMOS工藝的阱，有源區(qū)光刻后的光刻工序，氮化硅襯底的光刻膠形貌較難控制，最容易出現(xiàn)的就是氮化硅光刻后光刻膠形貌出現(xiàn)嚴(yán)重Footing效應(yīng)（光刻膠底部不陡直）。有研究發(fā)現(xiàn)這種材料光刻形貌差的原因主要為氮化硅材料容易變臟，在氮化硅材料光刻前進(jìn)行有效清潔后可以有效解決此問(wèn)題。但在本研究中發(fā)現(xiàn)，采用剛剛從爐管生長(zhǎng)出的氮化硅圓片，排除了表面吸潮、變臟的因素，光刻后仍然出現(xiàn)了嚴(yán)重的Footing效應(yīng)，如圖5所示。

圖5 SiO2/SiN 40 nm/150 nm襯底光刻膠剖面

根據(jù)原襯底材料結(jié)構(gòu)分析，二氧化硅/氮化硅（SiO2/SiN）厚度分別為40 nm/150 nm，光刻機(jī)為G line光刻機(jī)?？紤]到光源在光刻膠底層二氧化硅/氮化硅膜層頂層和底層反射的情況，粗略計(jì)算垂直入射的曝光光線在二氧化硅氮化硅頂層和底層反射后的光波程差為：（(40×1.5)＋(150×2)）×2＝720 nm ，其中40 nm為二氧化硅厚度，1.5為二氧化硅的折射率，150 nm為氮化硅厚度，2為氮化硅折射率。而G line光刻機(jī)的光源波長(zhǎng)為365 nm，光程差基本為光源波長(zhǎng)的整數(shù)倍，因此導(dǎo)致了光刻膠底部反射光和表面反射光相長(zhǎng)干涉，造成光刻膠底部反射光對(duì)光刻膠形貌影響加劇，從而導(dǎo)致光刻膠底部剖面變差。

通過(guò)把二氧化硅層調(diào)整到100 nm，計(jì)算可得曝光光線在二氧化硅/氮化硅頂層和底層反射后的光波程差為（(100×1.5)＋(150×2)）×2＝900 nm，約為G line的光源波長(zhǎng)（365 nm）的1.4倍，這樣在薄膜頂部和底部的反射光相消干涉，造成光刻膠底部反射光對(duì)光刻膠形貌影響變?nèi)酰粫?huì)出現(xiàn)明顯的Footing。圖7為增加二氧化硅厚度至100 nm后的光刻膠剖面圖。

圖6 曝光光線在膜層中的反射示意圖

3 結(jié)論

Al表面反射率較高，在條寬降低至0.8 μm附近的時(shí)候，由于襯底平坦程度的不同，部分復(fù)雜形貌位置由于側(cè)面反射導(dǎo)致光刻膠條曝光，從而使得光刻膠形貌變差，通過(guò)增加金屬表面TiN抗反射層可以有效降低金屬表面反射率，保證小條寬的光刻膠形貌。

圖7 SiO2/SiN 100 nm/150 nm光刻膠剖面

二氧化硅/氮化硅疊層襯底光刻膠形貌受疊層厚度的嚴(yán)重影響，應(yīng)該選擇光刻機(jī)光源反射通過(guò)疊層的光程為光刻機(jī)光源波長(zhǎng)的半整數(shù)倍，即把增反射膜變?yōu)榭狗瓷淠?，即可解決二氧化硅/氮化硅疊層襯底光刻膠形貌的嚴(yán)重Footing效應(yīng)。

綜合以上兩種材料對(duì)光刻膠形貌的影響分析，其核心原因都為底部材料反射導(dǎo)致光刻膠形貌變差。通過(guò)以上兩類(lèi)問(wèn)題的調(diào)查和解決，可以推斷要保證不同膜層襯底光刻膠形貌良好，就需要盡可能降低襯底材料反射，對(duì)于透明材料盡量調(diào)整底部膜層厚度為入射波長(zhǎng)的半整數(shù)倍，對(duì)于非透明材料通過(guò)增加粗糙度或者增加抗反射涂層來(lái)降低反射率。

[1]李興. 超大規(guī)模集成電路技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999.

[2]Kazuaki Suzuki, Bruce W Smith. Micro Lithography Science[M]. CRC PRESS, 2007.

[3]Harry J, Levinson. Principles of Lithography[C]. SPIE,2010.