光刻增粘工藝中多因素對氨含量影響的研究

[摘 要]文章對增粘過程中多因素對氨含量的影響趨勢和作用機制進(jìn)行了分析，得出了多種不同因素與氨含量的對應(yīng)關(guān)系，并通過試驗得出了增粘過氨含量隨影響因素的變化規(guī)律，為增粘過程的優(yōu)化、光刻及顯影過程的環(huán)境要求及缺陷控制提供了指導(dǎo)作用。

[關(guān)鍵詞]六甲基二硅氮烷；增粘工藝；氨及氨的衍生物；光刻

[中圖分類號]TN305 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）12–0041–03

Research on the Influence of Multiple Factors on Ammonia Content in Photolithography Adhesive Enhancement Process

JIANG Beihong，WANG Haoran，WANG Haoran，QIN Weifan，XING Li

[Abstract]The article analyzes the influence trend and mechanism of multiple factors on ammonia content during the thickening process， and obtains the corresponding relationship between various factors and ammonia content. Through experiments， the variation law of ammonia content with influencing factors during thickening is obtained， providing guidance for the optimization of the thickening process， environmental requirements of photolithography and development processes， and defect control.

[Keywords]hexamethyldisilazane； thickening process； ammonia and its derivatives； photolithography

1 背景

隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體器件的特征尺寸邁向了更小的工藝節(jié)點，光刻技術(shù)在該領(lǐng)域的重要性變得越來越重要。增粘過程是光刻工藝中的重要環(huán)節(jié)，該過程主要通過在晶圓表面涂覆增粘劑六甲基二硅氮烷來影響晶圓與光刻膠之間的相互作用，降低晶圓的表面張力，改善晶圓的潤濕性，從而實現(xiàn)改善光刻膠在晶圓表面的粘附力，實現(xiàn)更小、更復(fù)雜的光刻圖形，避免光刻膠倒塌、剝落等缺陷的產(chǎn)生。

在晶圓表面涂覆增粘劑后會產(chǎn)生大量氨，可能會導(dǎo)致一系列圖形缺陷的產(chǎn)生。劉學(xué)平等[1]通過研究氨含量在45 nm制程上對顯影線寬的影響，得出了氨含量和濕度等多因素對半導(dǎo)體器件制造的影響程度，反映了氨含量對光刻工藝的重要影響。劉媛娜[2]對光刻工藝中氨含量對光刻工藝的影響進(jìn)行了研究，并提出了一種可實現(xiàn)的監(jiān)測手段，說明在實際生產(chǎn)過程中對氨含量的控制也是需要著重考慮的因素。所以在半導(dǎo)體器件制作工藝中，對增粘過程氨含量的影響因素進(jìn)行研究有重要意義。

2 試驗材料與方法

本試驗以12 in相同45 nm規(guī)格的晶圓作為基片，采用控制變量法，通過調(diào)整增粘單元發(fā)泡氮氣流速、增粘單元凈化氮氣時長、增粘單元盤蓋排風(fēng)、六甲基二硅氮烷噴涂時間，利用銨根離子測試儀，在增粘單元工藝過程結(jié)束盤蓋開啟時進(jìn)行銨根離子采樣（每次盤蓋開啟和關(guān)閉時間一致，故用該段時間內(nèi)釋放的氨氣量來表征），通過監(jiān)測銨根離子濃度變化，以銨根離子濃度變化曲線峰值與背景值高度差來表征增粘單元內(nèi)氨氣生成量，具體在增粘單元內(nèi)采樣點為貼近盤蓋縫隙處。

（1）保證其他條件不變，調(diào)整發(fā)泡氮氣流速為1.5～3.5 L/min（間隔0.5 L/min）時，分別測量增粘工藝結(jié)束盤蓋開啟時的銨根離子濃度。

（2）調(diào)整上一次工藝進(jìn)程時凈化氮氣時間為10～50 s（間隔10 s），分別測量下一片增粘工藝結(jié)束盤蓋開啟時的銨根離子濃度，表征對后一片測試片的銨根離子濃度的影響。

（3）調(diào)整盤蓋排風(fēng)為7～12 L/min（間隔1 L/min），分別測量增粘工藝結(jié)束盤蓋開啟時的銨根離子濃度。

（4）調(diào)整增粘劑噴涂時間為5～60 s（間隔10 s），分別測量增粘工藝結(jié)束盤蓋開啟時的銨根離子濃度。

（5）調(diào)整凈化氮氣流量為5～9 L/min（間隔1 s），分別測量增粘工藝結(jié)束盤蓋開啟時的銨根離子濃度。

通過銨根離子測試儀檢測銨根離子濃度變化，尋找影響增粘單元銨根離子濃度變化的重要因素，優(yōu)化增粘工藝過程，減少增粘單元內(nèi)氨氣生成量或提高單元內(nèi)氨氣置換率，從而減少后續(xù)高端工藝制程出現(xiàn)缺陷的概率。

3 試驗結(jié)果及討論

3.1 增粘單元發(fā)泡氮氣流量對氨及氨的衍生物生成量的影響

環(huán)境銨根離子背景值約為10 μg/L，不同的發(fā)泡氮氣流量下銨根離子濃度變化曲線峰高變化趨勢如圖1所示，隨著流量的增加，銨根離子濃度變化曲線峰高逐漸上升，重復(fù)3次試驗均表現(xiàn)出相同的變化趨勢。變化趨勢考慮為當(dāng)流速較快時，腔體內(nèi)氣體流動速率加快，盤體內(nèi)增粘劑蒸汽滯留量提高，當(dāng)盤蓋開啟一瞬間增粘劑與空氣接觸會發(fā)生水解，導(dǎo)致腔體內(nèi)滯留的氨及氨的衍生物的量增加，表現(xiàn)為在開盤蓋瞬間氨氣溢出的量會略微上升。

3.2 增粘單元凈化氮氣吹掃時間對氨及氨的衍生物生成量的影響

環(huán)境銨根離子背景值約為10 μg/L，不同的凈化氮氣吹掃時間下銨根離子濃度變化曲線峰高變化趨勢如圖2所示，凈化過程在每次工藝的最后，將管內(nèi)殘余的增粘劑蒸汽去除，其會影響下一次工藝進(jìn)程的氨及氨的衍生物生產(chǎn)量。隨著吹掃時間的增加，銨根離子濃度變化曲線峰高逐漸下降，重復(fù)3次試驗均表現(xiàn)出相同的變化趨勢。變化趨勢考慮為當(dāng)吹掃時間延長時，管內(nèi)殘余的蒸汽及上一次工藝時腔體內(nèi)殘余的氨及氨的衍生物積累的量會越低，表現(xiàn)為當(dāng)這次工藝結(jié)束后，盤蓋開啟一瞬間氨氣溢出的量下降。

3.3 增粘單元盤蓋排風(fēng)對氨及氨的衍生物生成量的影響

環(huán)境銨根離子背景值約為10 μg/L，不同的盤蓋排風(fēng)流量下銨根離子濃度變化曲線峰高變化趨勢如圖3所示，隨著流量的增加，銨根離子濃度變化曲線峰高逐漸下降，重復(fù)3次試驗均表現(xiàn)出相同的變化趨勢。變化趨勢考慮為當(dāng)盤蓋排風(fēng)流量較高時，因為盤蓋排風(fēng)一直處于敞開的狀態(tài)，故當(dāng)排風(fēng)流量較高時，氣體置換率會提高，氨及氨的衍生物會隨著排風(fēng)排走的更多，表現(xiàn)為當(dāng)工藝結(jié)束后開盤蓋瞬間氨氣溢出的量會降低的較明顯。

3.4 噴涂HMDS時間對氨及氨的衍生物生成量的影響

環(huán)境銨根離子背景值約為10 μg/L，不同的增粘劑噴涂時間下銨根離子濃度變化曲線峰高變化趨勢如圖4所示，隨著增粘劑噴涂時間的增加，銨根離子濃度變化曲線峰高呈逐漸上升的趨勢，40 s之后上升趨勢趨于平緩，重復(fù)3次試驗均表現(xiàn)出相同的變化趨勢。變化趨勢考慮為隨著增粘劑噴涂時間的延長，蒸汽與晶圓表面反應(yīng)的程度加深，反應(yīng)的副產(chǎn)物生成的氨及氨的衍生物的量也會隨之增加，表現(xiàn)為當(dāng)工藝結(jié)束后開盤蓋瞬間氨氣溢出的量有明顯的增加。

3.5 增粘單元凈化氮氣流量對氨及氨的衍生物生成量的影響

環(huán)境銨根離子背景值約為10 μg/L，不同的凈化氮氣流量對銨根離子濃度變化曲線峰高變化趨勢如圖5所示，隨著流量的增加，銨根離子濃度變化曲線峰高呈逐漸下降的趨勢，重復(fù)3次試驗均表現(xiàn)出相同的變化趨勢。變化趨勢考慮為隨著流量的增加，管內(nèi)殘余的增粘劑蒸汽及上一次工藝時腔體內(nèi)殘余的氨及氨的衍生物的置換速度變快，表現(xiàn)為當(dāng)這次工藝結(jié)束后，盤蓋開啟一瞬間氨氣溢出的量會有所下降。

4 結(jié)論

（1）隨著發(fā)泡氮氣流量的增加，銨根離子濃度變化曲線峰高逐漸上升，代表著盤體內(nèi)增粘劑蒸汽滯留量提高，故流量應(yīng)為在滿足工藝窗口的情況下選擇較小的流量。

（2）隨著凈化氮氣吹掃時間的增加，管內(nèi)殘余的蒸汽及上一次工藝時腔體內(nèi)殘余的氨及氨的衍生物積累的量會越低。吹掃時間越長殘余的氨的量會越少，但同時會增加工藝時間而影響產(chǎn)能，故需要考慮二者的平衡。

（3）隨著盤蓋排風(fēng)流量的增加，銨根離子濃度變化曲線峰高逐漸下降，當(dāng)排風(fēng)流量較高時，盤體內(nèi)氣體置換率會提高，氨及氨的衍生物會隨著排風(fēng)排走的更多，且當(dāng)盤蓋排風(fēng)超過理論進(jìn)風(fēng)流量后，增大盤蓋排風(fēng)不會影響接觸角均值，故推薦流量應(yīng)越大越好。

（4）隨著增粘劑噴涂時間的增加，銨根離子濃度變化曲線峰高呈逐漸上升的趨勢，隨著增粘劑噴涂時間的延長，蒸汽與晶圓表面反應(yīng)的程度加深，反應(yīng)的副產(chǎn)物生成的氨及氨的衍生物的量也會隨之增加，在滿足接觸角要求的前提下盡可能減短噴涂時間。

（5）隨著凈化氮氣流量的增加，銨根離子濃度變化曲線峰高呈逐漸下降的趨勢，管內(nèi)殘余的蒸汽及上一次工藝時腔體內(nèi)殘余的氨及氨的衍生物的置換速度變快，推薦流量可適當(dāng)加大。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉學(xué)平，朱珂.半導(dǎo)體制造領(lǐng)域顯影工藝及顯影噴嘴的發(fā)展[J].機械工程與自動化，2017（5）：23-26.

[2] 劉媛娜.談300 mm晶圓廠潔凈室光刻區(qū)域環(huán)境中NH3和SO2的控制[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2006，35（11）：19-23.