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光刻胶去胶难度渐增

作者:Ruth DeJule Contributing Editor   2008-11-06   点击:1875

  无论湿法去胶还是干法去胶光刻胶去除工艺都需要在低k材料损伤、衬底硅材料损伤与光刻胶和其残余物去除效果之间取得平衡。

  对于32 nm及更高技术节点,超浅结(USJ)工艺中的清洗成为最关键的前道(FEOL)清洗工艺,对此国际半导体蓝图(ITRS)要求每次清洗所造成的硅材料损失小于0.3?。要满足这样苛刻的要求对于高剂量离子注入后的去胶工艺而言是相当困难的。对于使用超低k电介质绝缘材料的双大马士革结构,当介电常数(k值)小于2.5,去胶工艺变得困难,常规使用的湿法或干法去胶工艺都无法同时满足清洗和k值的要求。因此,无论是对于前道还是后道(BEOL)清洗工艺,业界都需要从各个角度去衡量可行的解决方案,从全湿法清洗(图1)到全干法清洗,再到两者的结合。

图1应用实验室中正在对单硅片清洗设备中所使用的新型清洗剂配方进行评估


  混合模式

  USJ源/漏(S/D)形成工艺中,离子注入的砷(As)和磷(P)的浓度通常超过1×1015 离子/cm2(图2),因此会在光刻胶表面形成坚硬的、碳化交联聚合物硬壳。由于这层碳化物硬壳通常无法通过标准的湿法清洗去除,例如:硫酸和双氧水的混合物(SPM)和SC1,因此在湿法清洗前需要通过等离子体将硬壳打破(图3)。

图2离子注入条件决定了对应的去胶工艺

图3选择恰当的干法去胶工艺干法去胶后的残余物左图可以通过稀释的SC1清洗右图彻底去除


  正如Axcelis Technologies的技术主管Ivan Berry所说,等离子体最为重要同时可能也是最不为人所知的贡献在于,可以在结的表面形成适当的化学键,因而能够控制掺杂元素的分布,而湿法清洗通常无法做到这一点。他表示:“如果可以各尽其用的使用等离子体清洗和湿法清洗,便能获得最佳的结果。”其他人也都同意这一点。

  例如,FSI International采用标准的SPM试剂,通过优化硫酸和双氧水的混合比例、恰当的喷射技术以及一种待批准的专利技术可以提高温度和反应活性,使得湿法去胶工艺延伸到所有的三类应用中——“掺杂元素”、被损伤的硬壳以及下层光刻胶。为了防止双氧水过早分解,从而使其功效最大化,在喷射到硅片前才将室温下的双氧水与预加热的硫酸混合在一起。此外,催化剂也是单独注入到反应腔中,用于提高硅片温度和增强SPM的反应活性。

  该工艺目前应用于DRAM制造工艺中,但同时也可以满足逻辑电路制造工艺的要求,90%的情况下,这种全湿法的工艺完全可以清除离子注入后的光刻胶;另外10%的情况则需要借助等离子体。FSI International的首席技术专家Jeff Butterbaugh表示:“对于中等剂量离子注入(2.5×1014 ions/cm2,40 keV As)后的去胶工艺,批次喷雾系统可以将去胶时间缩短90%,从50分钟降低到5.5分钟,并且该工艺适用性还延伸到了从前需要借助灰化工艺才能完成去胶的情况。”尽管如此,当离子注入束线剂量超过5×1015 离子/cm2后,等离子体去胶还是不可或缺的。

  BEOL材料

  新材料的引入增加了去胶工艺的复杂程度。对于多孔低k材料互连结构,k值通常为3左右,通过优化等离
子去胶和刻蚀工艺中所用的反应物,甚至是改变工艺本身,才能实现成功的工艺集成。例如:对于大马士革部分先沟槽的集成工艺,使用金属硬掩膜(MHM)定义沟槽图形,使用光刻胶掩膜定义通孔图形。由于使用了MHM,可以在绝缘材料被刻蚀之前进行干法去胶工艺。

图4图中展示了MHM图形化后BEOL湿法去胶工艺所面临的挑战


  IMEC湿法清洗团队的领导人Guy Vereecke表示,对于采用了气孔量为25~30%、k值为2.5~2.3的低介电常数材料的器件结构而言,由于干法去胶会对低k值材料造成过度损伤,因此无法有效地应用于先进的器件结构和集成工艺中。因此,他们三年前就开始研究如何使用湿法工艺去除化学气相沉积(CVD)生长的硅氧碳化物(SiOC)和MHM薄膜上的深紫外(DUV)光刻胶。研究人员分别研究了基于有机溶剂和水溶剂的湿法去胶工艺。

  Vereecke表示:“去胶工艺真正的问题是光刻胶与低k材料的刻蚀选择比。”193 nm光刻胶所使用的聚合物骨架为碳-碳键,这种化学键很难被打破。目标在于确定MHM或者多孔低k绝缘材料刻蚀后产生新的化学键,并将其打破。

  图4所示为该工艺的难点,在BDII(Black Diamond, k="2".5)薄膜上沉积氮化钛(TiN)薄膜,通过光刻刻蚀形成宽度为70 nm的TiN MHM。尽管我们采用了反应性很强的湿法去胶试剂,仍然发现去胶前后,TiN上的光刻胶厚度没有发生明显变化,这说明大部分光刻胶都已经发生交联(形成硬壳)反应了。尽管如此,我们还是取得了一些进展。实验小组采用有机溶剂,通过湿法去胶将金属掩膜上的光刻胶去除,同时也没有对低k材料造成损伤。

  FEOL材料

  新型的FEOL材料也面临其自身带来的光刻胶去除问题。当使用强氧化性去胶和清洗试剂时,会造成铪基高k值栅介质薄膜严重脱氮,例如:铪硅氧氮化合物(HfSiON)和铪硅氧化物(HfSiO)。当使用氧

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