EUV光刻下垫层材料研究进展
时间：2011-11-04 05:24:00
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[导读]EUV光刻是hp22以下器件制造最有前途的候选技术之一。但它有些难点需要克服，特别是要开发高功率EUV光源、制造多层掩膜与检测以及开发均衡性良好的光刻胶，因为分辨率-线宽粗糙度-灵敏度(RLS)的权衡最重要。EUV用光刻
EUV光刻是hp22以下器件制造最有前途的候选技术之一。但它有些难点需要克服，特别是要开发高功率EUV光源、制造多层掩膜与检测以及开发均衡性良好的光刻胶，因为分辨率-线宽粗糙度-灵敏度(RLS)的权衡最重要。EUV用光刻胶(PR)开发的主要目标是：改进LWR(CD尺寸的10%)、分辨率极限低于20hp、高产出要求的高灵敏度(Eop＜10mJ/cm2)和改善图形坍塌。
抗反射涂层材料是光学光刻（i-line,、KrF和ArF）的关键技术，防止PR和衬底界面间的反射问题。但EUV(13.5nm)光能通过材料而在界面处无反射。根据这一现象，从光学行为的观点来看，抗反射性质对EUV光刻是不必要的。但是，已研究了UL材料使PR的RLS折衷最小。最近有些报告指出，UL材料能用作粘附层来防止小CD尺寸时的图形坍塌问题，也可以用来改善光刻胶剖面和LWR。所以，UL将成为EUV光刻的关键技术之一。基于这一看法，Nissan Chemical开发了改善图形坍塌和控制光刻胶剖面改进LWR的UL材料。同时，对于EUV PR图形，由于要获得合适的深宽比，PR厚度变得越来越薄，UL厚度必须更薄（如厚度10nm）以满足刻蚀要求。如何控制超薄UL涂层性质也是开发EUV UL的一个课题。
本文将说明UL材料设计概念，讨论材料性能，包括图形坍塌裕度、光刻胶剖面、LWR和关于超薄涂层性质研究。
实验
材料准备
本文所用UL材料列于表1。所有样品均是热交联材料，并含有碱性聚合物、交联剂、酸性催化剂和其他添加物。丙烯 乙二醇 单甲基 乙醚（PGME），丙烯 乙二醇 单甲基 乙醚 醋酸脂（PGMEA），乙基乳酸脂（EL）等用作溶剂系。
对在1500rpm/60sec和205 deg.C/60sec焙烘条件下目标为10nm或5nm的薄膜厚度，材料的粘度是固定的。按配方制造的材料用UPE过滤器过滤。光学干扰薄膜厚度测量设备（Nanospec AFT5100, Nanometrics）用于测量厚度。椭圆对称设备（LAMDA ACE RE-3100, DNS）用于测量10nm以下的厚度。
光刻
光刻用EUV α示范机、微曝光设备和小面积曝光设备进行。工艺条件列出如下：EUV α示范机（ADT，ASML）NA=0.25(σ0.5)， hp30nm、28nm、 26nm、25nm L/S=1/1；微曝光设备（MET）NA=0.3(σ0.36/0.68四极，hp30nm、26nm L/S=1/1；小面积曝光设备（SFET, Canon)） NA=0.3 (σ0.3/0.7 slit)， hp45nm、35nm和32nm L/S=1/1用于评估EUV光刻。
结果和讨论
图形坍塌的改善
对22nm及更小尺寸节点来说，线条图形坍塌是小CD目标尺寸时最关键的问题。由于PR底部与衬底间的接触面积越来越窄，且在图形尺寸小于hp30nm时更加严重。另一方面，UL材料能提高PR与UL间的粘附性能，据一些报告称它能改进图形坍塌问题。我们从PR聚合物和UL聚合物间化学相互作用的角度研究图形坍塌的改善。新聚合物结构设计为具有能与PR功能单元进行化学与物理相互作用的功能单元，如羟基苯乙烯单元或内脂或约束PAG单元。
图2是用ADT评估的图形坍塌裕度数据。UL-1和UL-2表明比参考UL的最终分辨率好，有新功能单元的UL-1和UL-2可能使PR图形低至hp 25nm。在较高剂量条件(较小的CD尺寸)时，UL-1和UL-2的图形坍塌裕度较宽。这说明，引入与PR有相互作用的单元能提高PR和下垫层界面间的粘附性质，提高图形坍塌裕度。
UL对光刻胶剖面和LWR/LER的影响
● 光刻胶剖面的控制
从PAG和用于化学放大PR的抑制剂产生的酸扩散是引起PR剖面的底脚或浮渣的重要原因。对于EUV光刻，酸或抑制剂的扩散必须严加控制。从控制扩散出发研究了UL的设计和性能，特别是研究了增加碱性聚合物的薄膜密度以控制从PR到下垫层的扩散。
图5是采用SFET（Canon)的光刻结果。结果比较了在UL-2和UL-3上hp45nm、35nm和32nm时的光刻胶剖面，HMDS处理的裸-Si作为基准。HMDS处理的衬底和UL-3显示了hp32nm时的底脚剖面，但UL-2显示了垂直剖面。UL-2将物理可堆叠单元引入碱性聚合物，且控制聚合物链的构造形态。用XRR测出UL-2薄膜密度为1.42g/cm3，另一方面，UL-3薄膜密度为1.25g/cm3（图3，4）。此结果说明，UL薄膜密度高能最大限度减少酸或抑制剂从PR扩散进入UL，使光刻胶剖面垂直。
● LWR/LER的提高
光刻胶的LWR/LER影响器件性能，且由于目标CD越来越细小而变得越来越关键。从光刻胶剖面的角度看，PR底部的形状将影响LWR/LER。例如，PR底部上的底脚和浮渣将使LWR/LER变差。PR底部形状基本上能由UL的表面酸性度控制，也受某些物理因素控制，例如3.2.1所述的高薄膜密度。本节研究表面酸性度对LWR的影响，我们将酸性单元引入碱性聚合物，见图6。
图7是用ADT得到的EUV光刻结果。比较了hp30nm时的情况，UL-2上的LER值为4.2nm，但UL-4上为3.9nm。具有与UL-2相同碱聚合物结构的UL-4将酸性单元引入碱聚合物，但UL-2没有引入。根据图7的X-SEM图像，hp28nm时，UL-4 上的光刻胶剖面比UL-2上的更加垂直。结果表明，将酸性单元引入碱聚合物改进了光刻胶剖面，剖面更加垂直，也改善了LWR/LER。
超薄UL涂层性质研究
PR厚度必须减少以得到合适的深宽比防止图形坍塌。为了减少UL开放刻蚀阶段PR的损伤，UL的厚度应如PR一样减少。对于hp26nm目标，PR厚度将为40-50nm，UL厚度将为10nm或10nm以下。我们研究了超薄UL的涂层性质，讨论了几种衬底上的厚度均匀性及针孔。
● 裸Si衬底上UL薄膜厚度均匀性
图8显示了裸-Si衬底上UL材料UL-5的薄膜厚度10nm和5nm均匀性。范围（最大-最小）在厚度10nm时小于2%，在厚度5nm时小于1%。此结果说明，即使UL厚度为5nm时厚度均匀性也没有问题。
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● CVD硬掩膜（HM）衬底上的涂层性质
图9显示了在几种HM衬底上厚度10nm UL-5的涂层性质。用AFM分析没有发现任何缺陷（包括针孔一类的缺陷）。此外，在每种HM衬底上均观测到良好的表面粗糙度。
结论
研究UL材料以提高EUV光刻性能（图形坍塌、光刻胶剖面控制和LWR/LER控制），也研究了厚度超薄的涂层性质。对于改善图形坍塌，我们引入了与PR极性单元相互作用的功能单元，对提高PR和UL界面间的粘附性质非常有效，确保了图形坍塌裕度的提高。采用薄膜密度高的高势垒性质薄膜证明改善了光刻胶剖面。此外，在碱基聚合物中引入酸性单元显示光刻胶剖面更加垂直，LER更小。控制碱基聚合物的极性和酸度及UL薄膜密度是获得EUV光刻优良性能的关键。同时，我们在几种衬底上获得了厚度10nm和5nm超薄UL的涂层性质。
根据这些结果可知，将UL材料应用于EUV光刻对提高光刻性能是有利的，无任何副作用。未来，我们将开发满足22nm及以上节点器件制造要求的新型UL材料。
抗反射涂层材料是光学光刻（i-line,、KrF和ArF）的关键技术，防止PR和衬底界面间的反射问题。但EUV(13.5nm)光能通过材料而在界面处无反射。根据这一现象，从光学行为的观点来看，抗反射性质对EUV光刻是不必要的。但是，已研究了UL材料使PR的RLS折衷最小。最近有些报告指出，UL材料能用作粘附层来防止小CD尺寸时的图形坍塌问题，也可以用来改善光刻胶剖面和LWR。所以，UL将成为EUV光刻的关键技术之一。基于这一看法，Nissan Chemical开发了改善图形坍塌和控制光刻胶剖面改进LWR的UL材料。同时，对于EUV PR图形，由于要获得合适的深宽比，PR厚度变得越来越薄，UL厚度必须更薄（如厚度10nm）以满足刻蚀要求。如何控制超薄UL涂层性质也是开发EUV UL的一个课题。
本文将说明UL材料设计概念，讨论材料性能，包括图形坍塌裕度、光刻胶剖面、LWR和关于超薄涂层性质研究。
实验
材料准备
本文所用UL材料列于表1。所有样品均是热交联材料，并含有碱性聚合物、交联剂、酸性催化剂和其他添加物。丙烯 乙二醇 单甲基 乙醚（PGME），丙烯 乙二醇 单甲基 乙醚 醋酸脂（PGMEA），乙基乳酸脂（EL）等用作溶剂系。
对在1500rpm/60sec和205 deg.C/60sec焙烘条件下目标为10nm或5nm的薄膜厚度，材料的粘度是固定的。按配方制造的材料用UPE过滤器过滤。光学干扰薄膜厚度测量设备（Nanospec AFT5100, Nanometrics）用于测量厚度。椭圆对称设备（LAMDA ACE RE-3100, DNS）用于测量10nm以下的厚度。
光刻
光刻用EUV α示范机、微曝光设备和小面积曝光设备进行。工艺条件列出如下：EUV α示范机（ADT，ASML）NA=0.25(σ0.5)， hp30nm、28nm、 26nm、25nm L/S=1/1；微曝光设备（MET）NA=0.3(σ0.36/0.68四极，hp30nm、26nm L/S=1/1；小面积曝光设备（SFET, Canon)） NA=0.3 (σ0.3/0.7 slit)， hp45nm、35nm和32nm L/S=1/1用于评估EUV光刻。
结果和讨论
图形坍塌的改善
对22nm及更小尺寸节点来说，线条图形坍塌是小CD目标尺寸时最关键的问题。由于PR底部与衬底间的接触面积越来越窄，且在图形尺寸小于hp30nm时更加严重。另一方面，UL材料能提高PR与UL间的粘附性能，据一些报告称它能改进图形坍塌问题。我们从PR聚合物和UL聚合物间化学相互作用的角度研究图形坍塌的改善。新聚合物结构设计为具有能与PR功能单元进行化学与物理相互作用的功能单元，如羟基苯乙烯单元或内脂或约束PAG单元。
图2是用ADT评估的图形坍塌裕度数据。UL-1和UL-2表明比参考UL的最终分辨率好，有新功能单元的UL-1和UL-2可能使PR图形低至hp 25nm。在较高剂量条件(较小的CD尺寸)时，UL-1和UL-2的图形坍塌裕度较宽。这说明，引入与PR有相互作用的单元能提高PR和下垫层界面间的粘附性质，提高图形坍塌裕度。
UL对光刻胶剖面和LWR/LER的影响
● 光刻胶剖面的控制
从PAG和用于化学放大PR的抑制剂产生的酸扩散是引起PR剖面的底脚或浮渣的重要原因。对于EUV光刻，酸或抑制剂的扩散必须严加控制。从控制扩散出发研究了UL的设计和性能，特别是研究了增加碱性聚合物的薄膜密度以控制从PR到下垫层的扩散。
图5是采用SFET（Canon)的光刻结果。结果比较了在UL-2和UL-3上hp45nm、35nm和32nm时的光刻胶剖面，HMDS处理的裸-Si作为基准。HMDS处理的衬底和UL-3显示了hp32nm时的底脚剖面，但UL-2显示了垂直剖面。UL-2将物理可堆叠单元引入碱性聚合物，且控制聚合物链的构造形态。用XRR测出UL-2薄膜密度为1.42g/cm3，另一方面，UL-3薄膜密度为1.25g/cm3（图3，4）。此结果说明，UL薄膜密度高能最大限度减少酸或抑制剂从PR扩散进入UL，使光刻胶剖面垂直。
● LWR/LER的提高
光刻胶的LWR/LER影响器件性能，且由于目标CD越来越细小而变得越来越关键。从光刻胶剖面的角度看，PR底部的形状将影响LWR/LER。例如，PR底部上的底脚和浮渣将使LWR/LER变差。PR底部形状基本上能由UL的表面酸性度控制，也受某些物理因素控制，例如3.2.1所述的高薄膜密度。本节研究表面酸性度对LWR的影响，我们将酸性单元引入碱性聚合物，见图6。
图7是用ADT得到的EUV光刻结果。比较了hp30nm时的情况，UL-2上的LER值为4.2nm，但UL-4上为3.9nm。具有与UL-2相同碱聚合物结构的UL-4将酸性单元引入碱聚合物，但UL-2没有引入。根据图7的X-SEM图像，hp28nm时，UL-4 上的光刻胶剖面比UL-2上的更加垂直。结果表明，将酸性单元引入碱聚合物改进了光刻胶剖面，剖面更加垂直，也改善了LWR/LER。
超薄UL涂层性质研究
PR厚度必须减少以得到合适的深宽比防止图形坍塌。为了减少UL开放刻蚀阶段PR的损伤，UL的厚度应如PR一样减少。对于hp26nm目标，PR厚度将为40-50nm，UL厚度将为10nm或10nm以下。我们研究了超薄UL的涂层性质，讨论了几种衬底上的厚度均匀性及针孔。
● 裸Si衬底上UL薄膜厚度均匀性
图8显示了裸-Si衬底上UL材料UL-5的薄膜厚度10nm和5nm均匀性。范围（最大-最小）在厚度10nm时小于2%，在厚度5nm时小于1%。此结果说明，即使UL厚度为5nm时厚度均匀性也没有问题。
[!--empirenews.page--]
● CVD硬掩膜（HM）衬底上的涂层性质
图9显示了在几种HM衬底上厚度10nm UL-5的涂层性质。用AFM分析没有发现任何缺陷（包括针孔一类的缺陷）。此外，在每种HM衬底上均观测到良好的表面粗糙度。
结论
研究UL材料以提高EUV光刻性能（图形坍塌、光刻胶剖面控制和LWR/LER控制），也研究了厚度超薄的涂层性质。对于改善图形坍塌，我们引入了与PR极性单元相互作用的功能单元，对提高PR和UL界面间的粘附性质非常有效，确保了图形坍塌裕度的提高。采用薄膜密度高的高势垒性质薄膜证明改善了光刻胶剖面。此外，在碱基聚合物中引入酸性单元显示光刻胶剖面更加垂直，LER更小。控制碱基聚合物的极性和酸度及UL薄膜密度是获得EUV光刻优良性能的关键。同时，我们在几种衬底上获得了厚度10nm和5nm超薄UL的涂层性质。
根据这些结果可知，将UL材料应用于EUV光刻对提高光刻性能是有利的，无任何副作用。未来，我们将开发满足22nm及以上节点器件制造要求的新型UL材料。
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