EUV光刻下墊層材料研究進(jìn)展

EUV光刻是hp22以下器件制造最有前途的候選技術(shù)之一。但它有些難點(diǎn)需要克服，特別是要開發(fā)高功率EUV光源、制造多層掩膜與檢測(cè)以及開發(fā)均衡性良好的光刻膠，因?yàn)榉直媛?線寬粗糙度-靈敏度(RLS)的權(quán)衡最重要。EUV用光刻膠(PR)開發(fā)的主要目標(biāo)是：改進(jìn)LWR(CD尺寸的10%)、分辨率極限低于20hp、高產(chǎn)出要求的高靈敏度(Eop＜10mJ/cm2)和改善圖形坍塌。

抗反射涂層材料是光學(xué)光刻（i-line,、KrF和ArF）的關(guān)鍵技術(shù)，防止PR和襯底界面間的反射問(wèn)題。但EUV(13.5nm)光能通過(guò)材料而在界面處無(wú)反射。根據(jù)這一現(xiàn)象，從光學(xué)行為的觀點(diǎn)來(lái)看，抗反射性質(zhì)對(duì)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。最近有些報(bào)告指出，UL材料能用作粘附層來(lái)防止小CD尺寸時(shí)的圖形坍塌問(wèn)題，也可以用來(lái)改善光刻膠剖面和LWR。所以，UL將成為EUV光刻的關(guān)鍵技術(shù)之一?；谶@一看法，Nissan Chemical開發(fā)了改善圖形坍塌和控制光刻膠剖面改進(jìn)LWR的UL材料。同時(shí)，對(duì)于EUV PR圖形，由于要獲得合適的深寬比，PR厚度變得越來(lái)越薄，UL厚度必須更薄（如厚度10nm）以滿足刻蝕要求。如何控制超薄UL涂層性質(zhì)也是開發(fā)EUV UL的一個(gè)課題。
本文將說(shuō)明UL材料設(shè)計(jì)概念，討論材料性能，包括圖形坍塌裕度、光刻膠剖面、LWR和關(guān)于超薄涂層性質(zhì)研究。

實(shí)驗(yàn)
材料準(zhǔn)備
本文所用UL材料列于表1。所有樣品均是熱交聯(lián)材料，并含有堿性聚合物、交聯(lián)劑、酸性催化劑和其他添加物。丙烯 乙二醇 單甲基 乙醚（PGME），丙烯 乙二醇 單甲基 乙醚 醋酸脂（PGMEA），乙基乳酸脂（EL）等用作溶劑系。

對(duì)在1500rpm/60sec和205 deg.C/60sec焙烘條件下目標(biāo)為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過(guò)濾器過(guò)濾。光學(xué)干擾薄膜厚度測(cè)量設(shè)備（Nanospec AFT5100, Nanometrics）用于測(cè)量厚度。橢圓對(duì)稱設(shè)備（LAMDA ACE RE-3100, DNS）用于測(cè)量10nm以下的厚度。

光刻
光刻用EUV α示范機(jī)、微曝光設(shè)備和小面積曝光設(shè)備進(jìn)行。工藝條件列出如下：EUV α示范機(jī)（ADT，ASML）NA=0.25(σ0.5)， hp30nm、28nm、 26nm、25nm L/S=1/1；微曝光設(shè)備（MET）NA=0.3(σ0.36/0.68四極，hp30nm、26nm L/S=1/1；小面積曝光設(shè)備（SFET, Canon)） NA=0.3 (σ0.3/0.7 slit)， hp45nm、35nm和32nm L/S=1/1用于評(píng)估EUV光刻。

結(jié)果和討論
圖形坍塌的改善
對(duì)22nm及更小尺寸節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，線條圖形坍塌是小CD目標(biāo)尺寸時(shí)最關(guān)鍵的問(wèn)題。由于PR底部與襯底間的接觸面積越來(lái)越窄，且在圖形尺寸小于hp30nm時(shí)更加嚴(yán)重。另一方面，UL材料能提高PR與UL間的粘附性能，據(jù)一些報(bào)告稱它能改進(jìn)圖形坍塌問(wèn)題。我們從PR聚合物和UL聚合物間化學(xué)相互作用的角度研究圖形坍塌的改善。新聚合物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為具有能與PR功能單元進(jìn)行化學(xué)與物理相互作用的功能單元，如羥基苯乙烯單元或內(nèi)脂或約束PAG單元。

圖2是用ADT評(píng)估的圖形坍塌裕度數(shù)據(jù)。UL-1和UL-2表明比參考UL的最終分辨率好，有新功能單元的UL-1和UL-2可能使PR圖形低至hp 25nm。在較高劑量條件(較小的CD尺寸)時(shí)，UL-1和UL-2的圖形坍塌裕度較寬。這說(shuō)明，引入與PR有相互作用的單元能提高PR和下墊層界面間的粘附性質(zhì)，提高圖形坍塌裕度。

UL對(duì)光刻膠剖面和LWR/LER的影響
● 光刻膠剖面的控制
從PAG和用于化學(xué)放大PR的抑制劑產(chǎn)生的酸擴(kuò)散是引起PR剖面的底腳或浮渣的重要原因。對(duì)于EUV光刻，酸或抑制劑的擴(kuò)散必須嚴(yán)加控制。從控制擴(kuò)散出發(fā)研究了UL的設(shè)計(jì)和性能，特別是研究了增加堿性聚合物的薄膜密度以控制從PR到下墊層的擴(kuò)散。

圖5是采用SFET（Canon)的光刻結(jié)果。結(jié)果比較了在UL-2和UL-3上hp45nm、35nm和32nm時(shí)的光刻膠剖面，HMDS處理的裸-Si作為基準(zhǔn)。HMDS處理的襯底和UL-3顯示了hp32nm時(shí)的底腳剖面，但UL-2顯示了垂直剖面。UL-2將物理可堆疊單元引入堿性聚合物，且控制聚合物鏈的構(gòu)造形態(tài)。用XRR測(cè)出UL-2薄膜密度為1.42g/cm3，另一方面，UL-3薄膜密度為1.25g/cm3（圖3，4）。此結(jié)果說(shuō)明，UL薄膜密度高能最大限度減少酸或抑制劑從PR擴(kuò)散進(jìn)入U(xiǎn)L，使光刻膠剖面垂直。

● LWR/LER的提高
光刻膠的LWR/LER影響器件性能，且由于目標(biāo)CD越來(lái)越細(xì)小而變得越來(lái)越關(guān)鍵。從光刻膠剖面的角度看，PR底部的形狀將影響LWR/LER。例如，PR底部上的底腳和浮渣將使LWR/LER變差。PR底部形狀基本上能由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。本節(jié)研究表面酸性度對(duì)LWR的影響，我們將酸性單元引入堿性聚合物，見(jiàn)圖6。



圖7是用ADT得到的EUV光刻結(jié)果。比較了hp30nm時(shí)的情況，UL-2上的LER值為4.2nm，但UL-4上為3.9nm。具有與UL-2相同堿聚合物結(jié)構(gòu)的UL-4將酸性單元引入堿聚合物，但UL-2沒(méi)有引入。根據(jù)圖7的X-SEM圖像，hp28nm時(shí)，UL-4 上的光刻膠剖面比UL-2上的更加垂直。結(jié)果表明，將酸性單元引入堿聚合物改進(jìn)了光刻膠剖面，剖面更加垂直，也改善了LWR/LER。

超薄UL涂層性質(zhì)研究
PR厚度必須減少以得到合適的深寬比防止圖形坍塌。為了減少UL開放刻蝕階段PR的損傷，UL的厚度應(yīng)如PR一樣減少。對(duì)于hp26nm目標(biāo)，PR厚度將為40-50nm，UL厚度將為10nm或10nm以下。我們研究了超薄UL的涂層性質(zhì)，討論了幾種襯底上的厚度均勻性及針孔。

● 裸Si襯底上UL薄膜厚度均勻性
圖8顯示了裸-Si襯底上UL材料UL-5的薄膜厚度10nm和5nm均勻性。范圍（最大-最?。┰诤穸?0nm時(shí)小于2%，在厚度5nm時(shí)小于1%。此結(jié)果說(shuō)明，即使UL厚度為5nm時(shí)厚度均勻性也沒(méi)有問(wèn)題。


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● CVD硬掩膜（HM）襯底上的涂層性質(zhì)
圖9顯示了在幾種HM襯底上厚度10nm UL-5的涂層性質(zhì)。用AFM分析沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何缺陷（包括針孔一類的缺陷）。此外，在每種HM襯底上均觀測(cè)到良好的表面粗糙度。

結(jié)論
研究UL材料以提高EUV光刻性能（圖形坍塌、光刻膠剖面控制和LWR/LER控制），也研究了厚度超薄的涂層性質(zhì)。對(duì)于改善圖形坍塌，我們引入了與PR極性單元相互作用的功能單元，對(duì)提高PR和UL界面間的粘附性質(zhì)非常有效，確保了圖形坍塌裕度的提高。采用薄膜密度高的高勢(shì)壘性質(zhì)薄膜證明改善了光刻膠剖面。此外，在堿基聚合物中引入酸性單元顯示光刻膠剖面更加垂直，LER更小。控制堿基聚合物的極性和酸度及UL薄膜密度是獲得EUV光刻優(yōu)良性能的關(guān)鍵。同時(shí)，我們?cè)趲追N襯底上獲得了厚度10nm和5nm超薄UL的涂層性質(zhì)。

根據(jù)這些結(jié)果可知，將UL材料應(yīng)用于EUV光刻對(duì)提高光刻性能是有利的，無(wú)任何副作用。未來(lái)，我們將開發(fā)滿足22nm及以上節(jié)點(diǎn)器件制造要求的新型UL材料。