分區(qū)域精確調(diào)控光刻膠成膜形貌方法研究

樸勇男 王惠生 邢 栗 張晨陽

（沈陽芯源微電子設(shè)備股份有限公司,遼寧 沈陽110000）

1 概述

隨著信息時(shí)代的飛速發(fā)展，光刻工藝作為大規(guī)模集成電路制造工序中的一種關(guān)鍵技術(shù)正不斷地創(chuàng)新與發(fā)展，對(duì)光刻工藝的要求也隨之升高。光刻工藝包括涂膠工藝、光刻工藝、顯影工藝。涂膠工藝作為光刻工藝的基礎(chǔ)，涂膠工藝技術(shù)要求包括涂膠均勻性、厚度、形貌等[1]。

涂膠工藝的質(zhì)量直接影響了曝光過程的品質(zhì)，不均勻的膜厚分布往往會(huì)導(dǎo)致曝光過程中defocus 等多種缺陷的產(chǎn)生，同時(shí)大大縮減了曝光劑量、曝光時(shí)間等參數(shù)的調(diào)整窗口。對(duì)于一個(gè)完整的半導(dǎo)體制造工藝流程，光刻工藝往往可占到總步驟的20%以上，光刻質(zhì)量最能影響整體制程的良率及產(chǎn)量，提高光刻工藝質(zhì)量并提高產(chǎn)能尤為重要。

隨著工藝節(jié)點(diǎn)不斷從g-line/I-ine 過度至KrF/ArF 甚至DUV/EUV，特別是在Immersion 工藝中每道layer 涂膠最多需要barc、resist、tarc、topcoat 四層涂層[2]，每一層帶來的不均勻性都會(huì)疊加影響其下一層光阻，四層光阻涂覆需要對(duì)光刻膠形貌及各項(xiàng)參數(shù)有及其嚴(yán)苛的要求。

傳統(tǒng)的通過調(diào)整配方中多個(gè)參數(shù)DOE 反復(fù)試驗(yàn)的調(diào)試方法顯得繁瑣且耗時(shí)較長，嚴(yán)重浪費(fèi)光刻膠及量測(cè)機(jī)臺(tái)throughput，并且占用rework 機(jī)臺(tái)資源，且對(duì)一些性質(zhì)的特殊的光阻很難調(diào)整成目標(biāo)形態(tài)的形貌特征。本文應(yīng)用沈陽芯源公司專利技術(shù)通過調(diào)整涂膠過程中晶圓上方供風(fēng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)的的調(diào)整光刻膠形貌。

2 實(shí)驗(yàn)

本文中實(shí)驗(yàn)使用沈陽芯源公司研發(fā)的KS-FT300 型前道track 設(shè)備（該機(jī)型可與主流stepper 聯(lián)機(jī)完成涂膠、曝光及顯影全自動(dòng)作業(yè)流程）、分層可調(diào)控導(dǎo)流板、前道光刻膠、12 寸晶圓、膜厚測(cè)試儀（圖1）。

圖1 KS-FT300 型Track 外觀

上述分層可調(diào)控導(dǎo)流板為沈陽芯源公司發(fā)明專利，其結(jié)構(gòu)示意如圖2 所示，該裝置安裝于涂膠單元上方，其簡要工作原理為圓形擋片能夠繞圓心旋轉(zhuǎn)，通過轉(zhuǎn)動(dòng)不同角度來控制輸出至晶圓中心位置的氣流大小，從而實(shí)現(xiàn)膠形的調(diào)整控制。

首先使用原始條件（FFU 正常供風(fēng)，不使用分層可控導(dǎo)流板調(diào)控）涂膠，經(jīng)測(cè)量后其膜厚如圖3 所示：可見光刻膠成膜后有三個(gè)高點(diǎn)，分別為中心區(qū)域（點(diǎn)13、點(diǎn)37）、中部環(huán)形區(qū)域（點(diǎn)6、點(diǎn)20、點(diǎn)32、點(diǎn)44）、邊緣區(qū)域（點(diǎn)1、點(diǎn)26、點(diǎn)49）。 調(diào)整導(dǎo)流板中心結(jié)構(gòu)，減小中部區(qū)域供風(fēng)，其他條件不變?cè)俅芜M(jìn)行涂膠，其膜厚狀況如圖4 所示：可見其中心區(qū)域明顯減薄，而中部環(huán)形區(qū)域及邊緣區(qū)域膜厚無明顯變化。保持導(dǎo)流板中心供風(fēng)，調(diào)整導(dǎo)流板環(huán)形區(qū)域減小供風(fēng)，其他條件不變?cè)俅芜M(jìn)行涂膠，其膜厚狀況如圖5 所示：可見減小中部環(huán)形區(qū)域后對(duì)應(yīng)光刻膠膜區(qū)域厚度明顯降低。

3 原理分析

對(duì)旋涂工藝而言，陳春芳及范椿[3]對(duì)旋轉(zhuǎn)圓盤上粘塑性流體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究。整個(gè)旋涂過程涉及潤濕、擴(kuò)散、液相流動(dòng)、溶劑揮發(fā)等許多物化過程。基于經(jīng)典EBP 方程[4]及Meyerhofer 分析模型[5]對(duì)光刻膠成膜過程的模擬，可將涂膠過程劃分為不同的三個(gè)階段：

圖3 原始條件下膜厚示意圖

圖4 減小中心區(qū)域供風(fēng)條件下膜厚示意圖

圖5 繼續(xù)減小中心環(huán)形區(qū)域供風(fēng)條件下膜厚示意圖

3.1 低轉(zhuǎn)數(shù)投料階段。該階段中光刻膠從噴嘴滴落到低速或靜置的晶元上，此時(shí)光阻溶劑蒸發(fā)效應(yīng)忽略不計(jì)，離心力占支配地位，光刻膠在離心力作用下迅速向外展開。

3.2 中速擴(kuò)散階段。該階段轉(zhuǎn)數(shù)大幅度增加，光刻膠在離心力作用下迅速鋪滿晶元，超量部分從晶元邊緣甩出，由于該過程時(shí)間一般只有5s 以內(nèi)，且轉(zhuǎn)數(shù)在1000rpm 左右，蒸發(fā)過程同樣可以忽略不計(jì)。

3.3 高速成膜階段。該階段晶元轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到頂峰，一般為1500-4000rpm，該階段中，光刻膠已鋪滿晶元形成膠膜。該階段光刻膠的甩出已經(jīng)很小，溶劑的蒸發(fā)占主導(dǎo)，經(jīng)過20-60s 后，膜厚基本定型。

針對(duì)不同種類光刻膠的實(shí)際工藝過程中，第二階段與第三階段的過渡點(diǎn)有所不同，在過渡點(diǎn)前離心力占主導(dǎo)，光刻膠在晶元上的分布不斷變化，溶劑的揮發(fā)效應(yīng)極小可忽略。在過渡點(diǎn)后，光刻膠在晶元上的分布基本確定，離心力與徑向剪切力達(dá)到平衡，溶劑的揮發(fā)效應(yīng)占主導(dǎo)地位[6]。

分析上述過程可知，成膜過程的第三步是決定膜厚及光刻膠形貌的關(guān)鍵，即蒸發(fā)過程決定膜厚及形貌。而影響蒸發(fā)過程的主要因素基本有三點(diǎn)：溫度、風(fēng)速、溶劑本身的性質(zhì)。溫度及溶劑本身的性質(zhì)已經(jīng)確定下，風(fēng)速就是控制蒸發(fā)過程的關(guān)鍵要素。而在成膜過程的第三階段，光刻膠在晶元上擴(kuò)散過程已忽略不計(jì)，因此改變晶元上方的局部供風(fēng)狀態(tài)就能夠特定性的影響到晶元對(duì)應(yīng)的區(qū)域形成指定的形貌特征。

對(duì)于12 寸晶元，其上方供風(fēng)調(diào)整時(shí)一般分為中心、中環(huán)、邊環(huán)三個(gè)區(qū)域即可，過多的細(xì)分容易造成風(fēng)流的紊亂而無法達(dá)到精確調(diào)整的目的。通過調(diào)整三個(gè)調(diào)整域風(fēng)量、風(fēng)速及FFU 高度，即可實(shí)現(xiàn)精確調(diào)控的目的。

4 結(jié)論

由以上實(shí)驗(yàn)與理論分析可知，通過精確調(diào)控晶圓涂膠工藝過程中上方供風(fēng)狀況的方法，可精確調(diào)整控制光刻膠成膜后局部膜厚。實(shí)現(xiàn)了不改變配方前提下快速準(zhǔn)確獲得所需光刻膠膜局部形貌特征，大幅減小了工藝調(diào)整時(shí)間。