光刻增粘工藝中多因素對(duì)氨含量影響的研究

[摘 要]文章對(duì)增粘過(guò)程中多因素對(duì)氨含量的影響趨勢(shì)和作用機(jī)制進(jìn)行了分析，得出了多種不同因素與氨含量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并通過(guò)試驗(yàn)得出了增粘過(guò)氨含量隨影響因素的變化規(guī)律，為增粘過(guò)程的優(yōu)化、光刻及顯影過(guò)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(hào)]TN305 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]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(diǎn)，光刻技術(shù)在該領(lǐng)域的重要性變得越來(lái)越重要。增粘過(guò)程是光刻工藝中的重要環(huán)節(jié)，該過(guò)程主要通過(guò)在晶圓表面涂覆增粘劑六甲基二硅氮烷來(lái)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(rùn)濕性，從而實(shí)現(xiàn)改善光刻膠在晶圓表面的粘附力，實(shí)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(huì)產(chǎn)生大量氨，可能會(huì)導(dǎo)致一系列圖形缺陷的產(chǎn)生。劉學(xué)平等[1]通過(guò)研究氨含量在45 nm制程上對(duì)顯影線寬的影響，得出了氨含量和濕度等多因素對(duì)半導(dǎo)體器件制造的影響程度，反映了氨含量對(duì)光刻工藝的重要影響。劉媛娜[2]對(duì)光刻工藝中氨含量對(duì)光刻工藝的影響進(jìn)行了研究，并提出了一種可實(shí)現(xiàn)的監(jiān)測(cè)手段，說(shuō)明在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)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(duì)增粘過(guò)程氨含量的影響因素進(jìn)行研究有重要意義。

2 試驗(yàn)材料與方法

本試驗(yàn)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(guò)調(diào)整增粘單元發(fā)泡氮?dú)饬魉?、增粘單元凈化氮?dú)鈺r(shí)長(zhǎng)、增粘單元盤蓋排風(fēng)、六甲基二硅氮烷噴涂時(shí)間，利用銨根離子測(cè)試儀，在增粘單元工藝過(guò)程結(jié)束盤蓋開(kāi)啟時(shí)進(jìn)行銨根離子采樣（每次盤蓋開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間一致，故用該段時(shí)間內(nèi)釋放的氨氣量來(lái)表征），通過(guò)監(jiān)測(cè)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(lái)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(diǎn)為貼近盤蓋縫隙處。

（1）保證其他條件不變，調(diào)整發(fā)泡氮?dú)饬魉贋?.5～3.5 L/min（間隔0.5 L/min）時(shí)，分別測(cè)量增粘工藝結(jié)束盤蓋開(kāi)啟時(shí)的銨根離子濃度。

（2）調(diào)整上一次工藝進(jìn)程時(shí)凈化氮?dú)鈺r(shí)間為10～50 s（間隔10 s），分別測(cè)量下一片增粘工藝結(jié)束盤蓋開(kāi)啟時(shí)的銨根離子濃度，表征對(duì)后一片測(cè)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(cè)量增粘工藝結(jié)束盤蓋開(kāi)啟時(shí)的銨根離子濃度。

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

（5）調(diào)整凈化氮?dú)饬髁繛?～9 L/min（間隔1 s），分別測(cè)量增粘工藝結(jié)束盤蓋開(kāi)啟時(shí)的銨根離子濃度。

通過(guò)銨根離子測(cè)試儀檢測(cè)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(guò)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(yàn)結(jié)果及討論

3.1 增粘單元發(fā)泡氮?dú)饬髁繉?duì)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?dú)饬髁肯落@根離子濃度變化曲線峰高變化趨勢(shì)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(yàn)均表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)。變化趨勢(shì)考慮為當(dāng)流速較快時(shí)，腔體內(nèi)氣體流動(dòng)速率加快，盤體內(nèi)增粘劑蒸汽滯留量提高，當(dāng)盤蓋開(kāi)啟一瞬間增粘劑與空氣接觸會(huì)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(kāi)盤蓋瞬間氨氣溢出的量會(huì)略微上升。

3.2 增粘單元凈化氮?dú)獯祾邥r(shí)間對(duì)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?dú)獯祾邥r(shí)間下銨根離子濃度變化曲線峰高變化趨勢(shì)如圖2所示，凈化過(guò)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(huì)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(shí)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(yàn)均表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)。變化趨勢(shì)考慮為當(dāng)吹掃時(shí)間延長(zhǎng)時(shí)，管內(nèi)殘余的蒸汽及上一次工藝時(shí)腔體內(nèi)殘余的氨及氨的衍生物積累的量會(huì)越低，表現(xiàn)為當(dāng)這次工藝結(jié)束后，盤蓋開(kāi)啟一瞬間氨氣溢出的量下降。

3.3 增粘單元盤蓋排風(fēng)對(duì)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(shì)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(yàn)均表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)。變化趨勢(shì)考慮為當(dāng)盤蓋排風(fēng)流量較高時(shí)，因?yàn)楸P蓋排風(fēng)一直處于敞開(kāi)的狀態(tài)，故當(dāng)排風(fēng)流量較高時(shí)，氣體置換率會(huì)提高，氨及氨的衍生物會(huì)隨著排風(fēng)排走的更多，表現(xiàn)為當(dāng)工藝結(jié)束后開(kāi)盤蓋瞬間氨氣溢出的量會(huì)降低的較明顯。

3.4 噴涂HMDS時(shí)間對(duì)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(shí)間下銨根離子濃度變化曲線峰高變化趨勢(shì)如圖4所示，隨著增粘劑噴涂時(shí)間的增加，銨根離子濃度變化曲線峰高呈逐漸上升的趨勢(shì)，40 s之后上升趨勢(shì)趨于平緩，重復(fù)3次試驗(yàn)均表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)。變化趨勢(shì)考慮為隨著增粘劑噴涂時(shí)間的延長(zhǎng)，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(huì)隨之增加，表現(xiàn)為當(dāng)工藝結(jié)束后開(kāi)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?dú)饬髁繉?duì)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?dú)饬髁繉?duì)銨根離子濃度變化曲線峰高變化趨勢(shì)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(shì)，重復(fù)3次試驗(yàn)均表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)。變化趨勢(shì)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(shí)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(kāi)啟一瞬間氨氣溢出的量會(huì)有所下降。

4 結(jié)論

（1）隨著發(fā)泡氮?dú)饬髁康脑黾樱@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?dú)獯祾邥r(shí)間的增加，管內(nèi)殘余的蒸汽及上一次工藝時(shí)腔體內(nèi)殘余的氨及氨的衍生物積累的量會(huì)越低。吹掃時(shí)間越長(zhǎng)殘余的氨的量會(huì)越少，但同時(shí)會(huì)增加工藝時(shí)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(shí)，盤體內(nèi)氣體置換率會(huì)提高，氨及氨的衍生物會(huì)隨著排風(fēng)排走的更多，且當(dāng)盤蓋排風(fēng)超過(guò)理論進(jìn)風(fēng)流量后，增大盤蓋排風(fēng)不會(huì)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(shí)間的增加，銨根離子濃度變化曲線峰高呈逐漸上升的趨勢(shì)，隨著增粘劑噴涂時(shí)間的延長(zhǎng)，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(huì)隨之增加，在滿足接觸角要求的前提下盡可能減短噴涂時(shí)間。

（5）隨著凈化氮?dú)饬髁康脑黾?，銨根離子濃度變化曲線峰高呈逐漸下降的趨勢(shì)，管內(nèi)殘余的蒸汽及上一次工藝時(shí)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(jī)械工程與自動(dòng)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.