KrF光刻胶浸酸残留缺陷的机理研究及解决方案

核心提示：本文阐述了对双栅极氧化层湿法刻蚀中KrF光刻胶在DHF(Diluted Hydrogen Fluoride)中浸泡去除清洗过程中出现的隐形残留缺陷问题的发现，并且研究产生这种由于缺乏抗酸性而产生缺陷的机理，进而阐述通过多项基于这种现象和机理的DHF工艺蚀刻时间、光刻胶显影后烘焙硬化处理、UV光照处理、等离子体抗酸处理等实验过程及效果，最终总结出有效的解决方案: 基于低温（摄氏90度）、低功率（小于1000W）下的以氧气和氮氢混合气为反应气体的Descum等离子处理非常有效地解决了光刻胶在酸液中形成残留缺陷的问题。

进入45/40nm技术节点以后，由于受到分辨率的限制，双栅极蚀刻光刻胶由之前通用的i-line（波长365nm）改成KrF（波长248nm）。另一方面，为减少栅极氧化层（Gate Oxide）去除后对硅表面的损伤，业界普遍将栅极氧化层湿法蚀刻药剂由蚀刻率较快的BOE（DHF+NH4F）改为DHF，导致蚀刻率极大的降低，从而导致湿法蚀刻工艺时间成几倍增加。而KrF光刻胶比起i-line光刻胶由于聚合物（polymer）等的不同而更容易被湿法药剂溶解剥落（melt and peeling），在长时间的DHF浸泡后极易形成脱落残留于尚未蚀刻完成的栅极氧化层的表面，从而导致栅极氧化层蚀刻不完全或极差的均匀性最终影响器件良率。

又由于目前业界栅极氧化层湿法蚀刻普遍采用在酸槽(wet bench)中的成套工艺，即在同一个酸槽设备里连续经过去氧化层，去光刻胶和去polymer的工艺流程，最后得到清洁的wafer表面，即使在中间过程(去氧化层)中出现光刻胶脱落残留而导致栅极氧化层蚀刻不完全或极差的均匀性，但由于栅极氧化层通常很薄(50～60A)不会形成色差，所以很难检查得到。

在栅极氧化层湿法蚀刻开发过程中，我们加入中间过程缺陷检测步骤，即在DHF去氧化层后的缺陷检测，结果发现大量的光刻胶脱落残留现象。

根据实验数据和材质特性，我们从不同层面进一步分析了产生光刻胶残留缺陷的机理。一方面是KrF光刻胶本身所具有的疏水性。光酸（PAG）在曝光的作用下产生助剂（Inhibitor），然后助剂经过烘焙产生可溶物最后被溶剂溶解，非曝光的部分也就是最终留下来的光刻胶将被当作湿法刻蚀的非蚀刻区阻挡层。最终这层作为阻挡层的KrF光刻胶含有甲基自由基等而形成疏水性。这种疏水性不利于被酸液浸泡后生成的光刻胶脱落残留的溶解。如前所述，KrF光刻胶比起i-line光刻胶由于聚合物等的不同而更容易被湿法药剂溶解剥落，在长时间的DHF浸泡后极易形成脱落残留于尚未蚀刻完成的栅极氧化层的表面。

另一方面，就是氧化层表面的偏疏水性。由于目前光刻胶在coating之前一般会加入HMDS(Hexa Methylene DiSilazane)得到疏水性来提高光刻胶黏合力（adhesion），如图5所示，这将会使得氧化硅表面形成如图所示的疏水性。而这种偏疏水性的氧化硅表面容易吸附KrF光刻胶在湿法蚀刻过程中脱落漂流出来的疏水性的残留块，最终形成氧化层表面光刻胶脱落残留。

基于以上机理的研究，我们通过DHF工艺蚀刻时间、光刻胶显影后烘焙硬化处理、UV光照处理、等离子体抗酸处理等实验过程并验证其效果效果，最终总结出有效的解决方案。

KrF光刻胶浸酸残留缺陷检测

由于目前业界栅极氧化层湿法蚀刻普遍采用在酸槽中的成套湿法工艺，即在同一个酸槽设备里连续经过去氧化层，去光刻胶和去polymer的工艺流程，最后得到清洁的wafer表面，即使在中间过程(去氧化层)中出现光刻胶脱落残留而导致栅极氧化层蚀刻不完全或极差的均匀性，由于栅极氧化层通常很薄(50～60A)不会形成色差，所以很难检查得到，所以这种缺陷有非常高的隐蔽性。如图6所示，在工艺开发的过程中我们在双栅极氧化层湿法蚀刻后、去光阻前加入缺陷检测步骤来检查光阻脱落残留情况。结果发现的光刻胶残留缺陷见图2，而且这种缺陷在经过去光阻和清洗后完全检测不到，但是实际上会由于蚀刻过程中光刻胶残留阻挡部分栅极氧化层蚀刻而引起栅极氧化层残留。

湿法蚀刻DHF工艺蚀刻时间的研究和不同光刻胶的效果对比

当器件尺寸微缩进入45/40nm技术节点以后，由于受到分辨率的限制，为减少栅极氧化层去除后对硅表面的损伤，业界普遍将栅极氧化层湿法蚀刻药剂由蚀刻率较快的BOE改为DHF，导致蚀刻率极大的降低，从而导致湿法蚀刻工艺时间成几倍增加。以目前华力40纳米低功耗栅极在湿法蚀刻前的氧化硅厚度为57埃来计算，在保证足够的过蚀刻的前提下，用1:200的DHF要9分钟工艺时间。我们通过湿法刻蚀工艺时间分批得到的光刻胶残留检测结果见表7。

在整套湿法工艺的酸槽中，在光刻曝光后(DHF 0分钟)和DHF浸泡时间仅1分钟的条件下并无光刻胶残留出现。而在4分钟和9分钟的条件下，测试检测出非常高的光刻胶残留缺陷。这种缺陷与刻蚀时间的强相关性，初步说明KrF光刻胶不能经受长时间的酸液浸泡，否则会产生剥落残留光阻。

由于是受到分辨率的限制，双栅极蚀刻光刻胶由之前通用的i-line（波长365nm）改成KrF（波长248nm）。在之前的55nm栅极蚀刻，i-line光刻胶同样经受9分钟的同浓度的DHF，没有发现光刻胶残留问题。可见KrF本身的材质直接影响到缺陷结果，因此，KrF光刻胶的硬化处理是其中的可能解决办法之一。

光刻胶显影后烘焙硬化处理