显影剂温度对光刻胶溶解影响的新模型

引言

显影过程中显影剂溶液的温度会对抗蚀剂性能产生重大影响。速度随着温度以复杂的方式变化，通常导致“更快”的抗蚀剂工艺的反直觉结果。显影速率对剂量(或对敏化剂浓度)曲线的形状也将随温度发生显著变化，从而可能导致显著的性能差异。尽管在这一领域已经发表了一些好的工作，但在定量的表征显影剂温度的影响方面还不够。

实验

为了了解显影剂温度对溶解速率行为的影响，研究了一种g线和七种I线光刻胶。g线抗蚀剂OFPR-800是半导体工业中仍在使用的最古老的光刻胶之一，被称为低对比度抗蚀剂。每个抗蚀剂被涂覆在裸露的硅晶片上，厚度约为0.6-1.8m。每种抗蚀剂的软烘焙和曝光后烘焙(PEB)条件以及所用的特定显影剂如图1所示。

图1 每种抗蚀剂的加工条件

所有抗蚀剂都是在抗蚀剂显影分析仪中测量的。该工具使用一个带有18个通道的测量头，在晶片上的18个曝光位置同时提供反射干涉测量。使用工具内置的软件，将得到的反射率-时间信号转换为抗蚀剂厚度-时间，最后转换为显影速率-厚度。

结果和讨论

对于所有抗蚀剂，溶解速率行为随显影剂温度的变化是相似的，但程度或多或少取决于抗蚀剂。

通过将溶解速率行为拟合到开发模型，可以显示R(m)曲线随温度的变化，如图2所示。对于这种拟合，为了消除表面抑制效应并分析整体显影行为，抗蚀剂的顶部被排除。同样，结果显示在高剂量下，较高的显影剂温度增加了显影速率。但是在低剂量下，情况正好相反。使用显影模型，提高显影剂温度导致最大显影速率Rmax增加，溶解选择性参数n增加。发现大多数研究的抗蚀剂的阈值聚合氯化铝浓度mTH为负(少数抗蚀剂在0.0-0.15范围内)，并且不会随温度显著变化。不包括表面抑制效应的Rmin测量需要特别小心。数据显示，在整个温度范围内，所有抗蚀剂(OFPR-800除外)的Rmin都很小。

图2 比较不同显影剂温度下THMR-iP3650的最佳拟合模型，显示增加Rmax和增加溶解选择性参数n对显影速率曲线形状的影响。

溶解速率行为的这些变化对光刻有何影响？随着显影剂温度的升高，抗蚀剂变得“更快”还是“更慢”？如果光刻胶的“速度”是通过其剂量-清除率(Eo)或剂量-尺寸(ES)来判断的，乍一看不清楚上面显示的显影速率响应的变化将如何影响光刻胶速度。使用光刻模拟器作为显影剂温度的函数，模拟了清除剂量和大小剂量。图3证实了众所周知的结果，即较冷的显影剂导致较快的抗蚀剂。这种看似反直觉的结果可以用溶解选择性参数n随显影剂温度的增加而增加来解释。

图3 为THMR-iP3650显影液温度函数的剂量-清除率(Eo)和剂量-大小(Es)的模拟结果

除了影响抗蚀剂速度之外，溶解选择性参数n对于抗蚀剂性能至关重要。图4显示了较低的温度和由此产生的较低的n值如何产生更差的抗蚀剂侧壁角度(在这种情况下，曝光剂量被调整为给定温度下的剂量大小)。尽管未示出，较低的温度也将导致较小的聚焦曝光过程窗口。

图4 Prolith/2模拟显示了显影剂温度对(a)14°C、(b)22°C和30°C(NA=0.6，σ=0.5)的预测影响。每个剖面都符合该温度的剂量和大小。

建模的另一个有价值的用途是研究这些抗蚀剂对显影剂温度变化的敏感性。

总结

如果将温度与曝光剂量和抗蚀剂深度一起简单地作为另一个独立变量来处理，那么显影剂温度对溶解速率行为的影响将显得相当复杂。这里使用的方法是参数化开发人员温度对开发模型系数的影响。如果显影速率对曝光(或聚合氯化铝浓度)曲线的形状在感兴趣的温度范围内被给定模型充分拟合，则可以确定模型的每个参数随温度的变化。如果模型表现良好，即得到的参数作为显影剂温度的函数是平滑变化的，这种方法可以用来完全描述显影剂温度的影响。