lift-off 制程PEB 溫度對負(fù)性光阻顯影后截面Profile 的影響

齊 鵬，王顥然，孫 鵬，姜倍鴻，邢 栗（通信作者）

（沈陽芯源微電子設(shè)備股份有限公司 遼寧 沈陽 110168）

0 引言

Lift-off 工藝，即揭開－剝離工藝，是一種集成電路工藝，主要應(yīng)用于金屬電極的制作過程，替代刻蝕工藝，其實(shí)現(xiàn)方式為在襯底上用光刻工藝獲得圖案化的光刻膠結(jié)構(gòu)。具體方法為利用鍍膜工藝在掩膜上鍍上目標(biāo)涂層，后利用剝離液溶解光刻膠的方式獲得圖案一致的目標(biāo)圖形結(jié)構(gòu)，與其他圖形轉(zhuǎn)移手段相比，lift-off 具有工藝步驟簡單等優(yōu)勢［1］。

光刻膠種類、光刻膠厚度、鍍膜方式、剝離方式和溫度等為影響lift-off 工藝的關(guān)鍵因素。研究表明lift-off 工藝需滿足：光刻膠厚度/被剝離的金屬厚度≥3。底切和頂切兩種光刻膠形態(tài)同樣會直接影響lift-off 工藝過程，研究表明負(fù)膠相比于正膠更容易獲得lift-off 工藝所需的底切形態(tài)，即圖形反轉(zhuǎn)膠的負(fù)膠更適用于lift-off 工藝過程［2］。在半導(dǎo)體光刻工藝中，隨著器件尺寸的縮小和制程多樣化，lift-off 工藝對顯影截面光刻膠結(jié)構(gòu)要求日益提高，若截面光刻膠結(jié)構(gòu)不佳，會導(dǎo)致后續(xù)鍍膜時金屬間斷層不明顯，在lift-off 光刻膠剝離時殘留，導(dǎo)致導(dǎo)線間短路等嚴(yán)重問題。如在顯影過程中截面光刻膠強(qiáng)度不足可能導(dǎo)致坍塌，產(chǎn)生大量缺陷，而在鍍膜過程中截面光刻膠強(qiáng)度不足導(dǎo)致的坍塌造成光刻膠與金屬交聯(lián)，使缺陷率增高等問題。

現(xiàn)階段，對于調(diào)整lift-off 工藝中截面光刻膠結(jié)構(gòu)的研究主要集中在通過改變曝光后烘烤溫度和顯影工藝兩種方式。對于5 ～15 μm 厚度的光刻膠，改變曝光后烘烤溫度的方式具有簡單、成本低和過程易于控制等優(yōu)勢，但需同步調(diào)整顯影puddle 時間修正關(guān)鍵尺寸（critical dimension， CD）；而調(diào)整顯影工藝對截面光刻膠結(jié)構(gòu)調(diào)整改善能力有限，復(fù)雜光刻膠結(jié)構(gòu)改善周期較長［3－5］。目前，對于涂膠后烘烤過程中所采用的熱盤結(jié)構(gòu)通常附加盤蓋加熱功能，其作用為防止易揮發(fā)的結(jié)晶物黏附在盤蓋表面的同時提高溫度均勻性，而由于曝光后烘烤通常不附加盤蓋加熱功能，對于附加盤蓋加熱功能的曝光后烘烤其盤蓋加熱溫度對截面光刻膠結(jié)構(gòu)是否存在影響鮮有提及［6］。針對上述問題，本文的主要目的為驗(yàn)證曝光后的烘烤過程中盤蓋加熱溫度是否對lift-off 工藝截面光刻膠形態(tài)存在影響，進(jìn)而配合相關(guān)工藝參數(shù)，旨在獲得最佳的lift-off 工藝條件。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

本實(shí)驗(yàn)以12 英寸晶片作為基片，首先將晶圓傳送至涂膠單元涂敷負(fù)性PI 光刻膠并形成膠膜（厚度約為5 ～6 μm），將完成涂膠處理的晶圓傳送至熱板進(jìn)行前烘處理，至晶圓在冷板上冷卻后傳送至光刻機(jī)進(jìn)行圖形曝光，晶圓完成曝光后傳送至邊緣曝光單元，通過硅片邊緣曝光保護(hù)Product ID（產(chǎn)品編碼）部分，硅片邊緣曝光需控制曝光區(qū)域?yàn)殚L度4 mm，寬度25 mm。然后進(jìn)行曝光后烘烤溫度（post exposure bake， PEB）進(jìn)程，設(shè)置4 種不同的熱板加熱方式，如下所示。

（1）在光刻膠曝光后烘烤盤蓋不加熱，僅調(diào)整盤面溫度，設(shè)置盤面溫度分別為100 ℃、101 ℃、102 ℃和103 ℃。

（2）在光刻膠曝光后烘烤盤蓋不加熱，僅調(diào)整顯影配方，設(shè)置盤面溫度為102 ℃，設(shè)置顯影條件分別為顯影條件1、顯影條件2、顯影條件3 和顯影條件4。

（3）在光刻膠曝光后烘烤使用盤面加熱與盤蓋加熱相結(jié)合的方式，設(shè)置盤面及盤蓋溫度分別為100 ℃＆盤蓋不加熱、100 ℃＆102 ℃、101 ℃＆100 ℃和101 ℃＆102 ℃。

（4）在光刻膠曝光后烘烤使用盤面加熱與盤蓋加熱相結(jié)合的方式并延長顯影時間，設(shè)置盤面及盤蓋溫度分別為100 ℃＆102 ℃、101 ℃＆100 ℃、101 ℃＆102 ℃和101 ℃＆102 ℃（顯影時間加長）。

晶圓經(jīng)冷板冷卻后傳送至顯影單元進(jìn)行顯影，然后用FIB-SEM 對其截面結(jié)構(gòu)、CD 線寬、角度及膜厚進(jìn)行測量。通過對比對照實(shí)驗(yàn)中參數(shù)的變化，確認(rèn)不同的盤面溫度與不同的盤蓋溫度及不同顯影條件對顯影后截面Profile 的影響。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 改善lift-off 制程顯影截面光刻膠Profile 工藝流程

本實(shí)驗(yàn)采用某種負(fù)性光刻膠，旨在研究lift-off 制程PEB 溫度對負(fù)性光阻顯影后截面Profile 的影響。具體步驟如下：①晶圓涂覆光刻膠。在晶圓表面涂覆光刻膠形成厚度為5～6 μm 的膠膜。②晶圓前烘處理。根據(jù)晶圓上所旋涂膠的厚度、特性確定所需溫度，去除膠層內(nèi)的溶劑，提高光刻膠與襯底的黏附力固化光刻膠。③晶圓圖形曝光?？梢砸罁?jù)所旋涂膠的厚度、特性及所需的線寬來確定曝光能量和曝光時間。④晶圓邊緣曝光。根據(jù)晶圓上所旋涂膠的厚度、切邊寬度、Product ID 來確定曝光時間、照度、長度、寬度。⑤曝光后烘烤（PEB）。如圖1 所示，本實(shí)驗(yàn)在保留盤面加熱基礎(chǔ)上增加盤蓋加熱功能，使盤蓋和盤面同時進(jìn)行加熱。盤蓋蓋合在盤面上形成了加熱空間，通過對盤蓋和盤面溫度的調(diào)控實(shí)現(xiàn)對顯影截面光刻膠結(jié)構(gòu)的改善。本實(shí)驗(yàn)使用的負(fù)性光刻膠盤蓋溫度為90 ～130℃，盤面溫度設(shè)置為90 ～130 ℃。⑥顯影：根據(jù)晶圓上所旋涂膠的厚度、特性及所需要的線寬決定顯影時間及沖洗時間。

圖1 曝光后烘烤結(jié)構(gòu)單元示意圖

2.2 不同工藝配方對顯影后截面Profile 的影響

為了詳細(xì)確認(rèn)lift-off 制程PEB 溫度對顯影后截面Profile 的影響，使用不同工藝配方經(jīng)上節(jié)所述流程后觀察截面profile 形貌，各個控制變量實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置及獲得光阻CD 寬度如表1～表4 所示。首先設(shè)計控制變量實(shí)驗(yàn)1：采用某種負(fù)性PI 光刻膠，將直徑300 mm 晶圓傳送至涂膠單元涂覆光刻膠并烘烤形成厚度為5～6 μm 的膠膜，分別經(jīng)過光刻機(jī)圖形曝光、邊緣曝光保護(hù)Product ID 部分（長度4 mm、寬度25 mm）、PEB 烘烤處理、顯影工藝流程，獲得數(shù)據(jù)結(jié)果如表1 所示。如圖2 所示，在PEB 步驟中，盤蓋不加熱，僅調(diào)整盤面溫度來觀察profile 形貌。溫度為100 ℃時條件最佳CD 尚可，但THK 偏薄，截面profile 形貌頂部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠，有塌陷風(fēng)險，說明僅增加盤面溫度改善無效。隨后，控制變量實(shí)驗(yàn)2：烘烤過程中選擇僅盤面加熱，盤面溫度設(shè)置為100 ℃，對顯影條件進(jìn)行調(diào)整，其他條件與實(shí)驗(yàn)1 相同，所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示。調(diào)整顯影配方時，截面光刻膠結(jié)構(gòu)如圖3 所示。顯影條件2 時條件最佳CD 和THK 尚可，但仍存在截面光刻膠頂部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠問題，顯影條件4 嘗試減少TMAH 噴液量，雖THK 有改善，但CD 過小且profile 形貌頂部強(qiáng)度仍需加強(qiáng)。

表1 實(shí)驗(yàn)1 工藝參數(shù)設(shè)置及顯影后數(shù)據(jù)

表2 實(shí)驗(yàn)2 工藝參數(shù)設(shè)置及顯影后數(shù)據(jù)

表3 實(shí)驗(yàn)3 工藝參數(shù)設(shè)置及顯影后數(shù)據(jù)

表4 實(shí)驗(yàn)4 工藝參數(shù)設(shè)置及顯影后數(shù)據(jù)

圖2 僅盤面加熱的光刻膠結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 僅調(diào)整顯影配方的光刻膠結(jié)構(gòu)示意圖

僅通過盤面加熱方式調(diào)整工藝配方很難獲得優(yōu)良截面profile 形貌，因此后續(xù)實(shí)驗(yàn)增加盤蓋加熱功能改善profile 形貌。設(shè)計控制變量實(shí)驗(yàn)3：將直徑300 mm 晶圓傳送至涂膠單元涂覆光刻膠并烘烤形成厚度為5 ～6 μm 的膠膜，分別經(jīng)過光刻機(jī)圖形曝光、邊緣曝光保護(hù)Product ID部分（長度4 mm、寬度25 mm）、PEB 烘烤處理、顯影工藝流程。在固定顯影條件下，光刻膠曝光后通過使用盤面加熱與盤蓋加熱結(jié)合的方式，觀察PEB 溫度對顯影后光阻CD 及截面Profile 形貌的影響。所得數(shù)據(jù)如表3 所示，截面光刻膠結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示?？梢钥闯鲈趌ift-off 制程增加PEB 盤蓋加熱對負(fù)性光阻顯影后截面Profile 結(jié)構(gòu)改善明顯，光刻膠的形貌和頂部結(jié)構(gòu)均得到明顯加強(qiáng)。其中，盤面溫度100 ℃，盤蓋溫度102 ℃效果最佳?？刂谱兞繉?shí)驗(yàn)4 與實(shí)驗(yàn)3 類似，使用盤面加熱與盤蓋加熱結(jié)合的方式，調(diào)試各項(xiàng)參數(shù)可以獲得各種截面光刻膠結(jié)構(gòu)（如表4、圖5 所示），其中條件4 顯影時間加長。通過記錄數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，不同盤面溫度、不同盤蓋溫度以及不同的顯影時間相互配合，可以實(shí)現(xiàn)一種負(fù)性光阻產(chǎn)生不同截面光刻膠結(jié)構(gòu)效果，可以實(shí)現(xiàn)同種光阻lift-off 制程多樣化。

圖4 顯影配方不變盤蓋盤面同時加熱的光刻膠結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 顯影配方改變盤蓋盤面同時加熱的光刻膠結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)語

依據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文在保留原有PEB 盤面加熱方式的前提下通過增加PEB 盤蓋加熱功能進(jìn)行烘烤，通過控制PEB 盤面溫度可控制光阻CD 及截面Profile 形貌，根據(jù)控制PEB 盤蓋溫度可控制截面Profile 光阻頂端形貌及強(qiáng)度。其中在lift-off 制程PEB 盤蓋加熱對負(fù)性光阻顯影后截面Profile 的影響權(quán)重較大，通過調(diào)整PEB 盤蓋加熱溫度對截面profile 頂端不同程度固化，增加截面Profile頂端強(qiáng)度，可明顯優(yōu)化顯影后截面Profile。另外，可以通過不同的PEB 盤面溫度、PEB 盤蓋溫度、不同的顯影時間相互配合，可以實(shí)現(xiàn)一種負(fù)性光阻產(chǎn)生不同截面Profile 效果，實(shí)現(xiàn)制程多樣化。