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研究生： 徐俊成
Chun-Cheng Hsu
論文名稱： 化學微縮技術應用於電子束微影製程與電子束阻劑線寬變異原因及其微波消化效率之探討
Study of Resist Scaling Down and Characterization Technology
指導教授： 朱鐵吉
Tieh-Chi Chu
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 原子科學院 - 生醫工程與環境科學系
Department of Biomedical Engineering and Environmental Sciences
論文出版年： 2002
畢業學年度： 90
語文別： 中文
論文頁數： 192
中文關鍵詞： 化學微縮技術 、電子束微影製程 、鹼基污染物質 、微波消化 、光阻劑
外文關鍵詞： chemical shrink technique, electron beam lithography, ariborne molecular contamination, microwave digestion, photoresist, RELACS
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    • 本研究已經證實化學微縮製程應用在電子束微影製程是十分可行的，化學微縮製程是利用阻劑中的光酸來催化學微縮試劑，使之產生交鏈反應（crosslinking reaction），在阻劑形成新的側壁，達到圖形微縮的目的。藉由控制化學微縮製程步驟中的烘烤溫度與時間，可以得到80 nm的接觸洞圖形（contact hole, C/H）。微縮製程的延遲時間，並不會對於微縮效率或是製程上造成任何的影響，本研究還發現，減少某些化學微縮製程的烘烤步驟，甚至會提高化學微縮製程的微縮效率而且並不會對於製程的穩定性上有所影響。
    隨著線寬的縮小，對於線寬變異的容忍度也就越來越小，在電子束微影製程中，因為曝後烤延遲時間的增加，而造成電子束線寬的變化，這種效應稱之為大氣延遲效應（atmospheric delay effect, ADE），當延遲的時間超過30分鐘後，線寬的變化已經超過製程所能容忍的誤差範圍，而造成線寬改變的原因，就是因為阻劑受到無塵室中的空氣傳播分子污染物（airborne molecular contaminations, AMC）所污染，因而造成阻劑特性改變。在本研究中發現，利用氣相層析質譜儀可以有效的分析出無塵室中的空氣傳播的分子污染物並且加以比對出污染物質的物種，因而能夠作為防治污染物質的依據。

    如果阻劑受到金屬雜質污染，則這些金屬雜質在製程中會進入元件造持元件電性的退化，因此，對於阻劑的品質管理也是很重要的。目前最常使用微波消化作為阻劑樣品分析的前處理步驟，而影響微波消化的因素有下列幾點：1、溫度，2、酸液種類，3、樣品種類，4、消化酸液體積，5、消化持續時間，6、樣品重量。本研究中詳細的探討了每個條件對於微波消化效率的影響，其中微波消化的溫度與消化酸液的種類，對於消化效率的影響是最為重要。

    In this study, we had been proved the application of chemical shrink technique in the electron shaped beam lithography is practicable. The chemical shrink reaction is catalyzed by the photoacid in the resist. During the mixing bake step, the cross-linker undergoes crosslinked reaction with the polymer in shrink agent. The new crosslinked material forms aside the sidewall of the resist pattern. The baking temperature and baking time of the shrink process control the shrink ratio. In a well-controlled situation, the shrink ratio could reach 60% as well as the shrinkage is 60 nm. It could enhance the shrink ratio by omitting the soft bake step of the shrink process, moreover, it's won't cause any influence to the stability of the shrink process.
    According the critical dimension reducing, the tolerance of the pattern width variation is also contraction. The time between the exposure step and post exposure bake is called the atmospheric delay effect (ADE). It cause serious problem to the resist pattern. When the atmospheric delay is over 30 min, it will make the dimension shifting out of the process window. The main reason, which causes the atmospheric delay effect, is the resist pattern is polluted by the airborne molecular contamination (AMC). In this study, it is effective to identify the individual molecular of these contaminations by using the gas chromatographic mass spectrometer (GC-MS). These data could help the process engineer to prevent the contamination.

    If the photoresist contains the metal impurity, these impurities will migrate into the device during the photolithographic process, and cause the electric property degrading. For this reason, it is important to insurance the quality of the photoresist. At Present, the microwave-assisted digestion is the most common pre-treatment method to sample analysis. There is several parameters will influence the microwave-assisted digestion ratio, including: digestion temperature, digesting solution type, sample type, volume of digesting solution, digestion holding time and sample weight. In this study, we had investigated the influence of the digestion ratio to these factors. The digestion temperature and the digesting solution type are the most important factor to the digestion ratio.

    目錄…………………………………………………………………..………………Ⅰ 表目錄………………………………………………………………..………………Ⅳ 圖目錄…………………………………………………………………..……………Ⅴ 第一章 緒論 1.1半導體微影製程現況及發展………………………………………………..…1 1.2化學微縮製程於電子束微影製程之應用…………………………………..…1 1.3電子束阻劑線寬變化之探討…………………………………………………..2 1.4阻劑之微波消化動力學探討…………………………………………………..3 1.5論文架構………………………………………………………………………..4 第二章 文獻回顧 2.1微影製程技術進展……………………………………………………………..9 2.1.1相位移光罩……………………………………………….………………10 2.1.2化學微縮製程…………………………………...………………………..12 2.1.3阻劑熱流法…………………………………...…………………………..14 2.1.4阻劑流動微縮製程……………………………………………………….16 2.2電子束微影系統…………………………………...………………………….17 2.2.1電子束微影系統簡介…………………………………...………………..17 2.2.1.1電子源種類………………………………..……………..…………..17 2.2.1.2電子射束形狀…………………………………...…………….……..18 2.2.1.3電子射束偏折系統…………………………………………………..19 2.2.1.4電子射束掃描方式…………………………………………………..20 2.2.1.5晶圓平台移動方式…………………………………………………..20 2.2.2電子束微影系統常見問題…………………………………...…………..21 2.2.2.1圖形失真問題………………………………………………………..21 2.2.2.2充電效應…………………………………...…………….…………..21 2.2.2.3加熱效應…………………………………...………………………...22 2.2.2.4電子束散射效應……………………………………………………..22 2.2.3電子束微影系統的最新發展…………………………………………….30 2.2.3.1單電子柱與單電子束系統…………………………………………..30 2.2.3.2單電子柱與多電子束系統…………………………………………..31 2.2.3.3多電子柱與單電子束系統…………………………………………..33 2.2.3.4多電子柱與多電子束系統…………………………………………..33 2.3微影製程中對線寬變化之因素……………………………………..………..33 2.4微波輔助消化之原理及應用………………………………….……………...36 2.4.1微波消化的應用…………………………………...……………………..36 2.4.2微波加熱原理…………………………………...………………………..37 第三章 探討化學微縮製程應用於電子束微影製程 3.1實驗藥品與設備…………………………………...………………………….63 3.2 實驗儀器…………………………………...…………………………..……..65 3.3 實驗結果與討論…………………………………...………………………....68 3.3.1化學微縮試劑的製程特性……………………………………………….68 3.3.2軟烤溫度與時間對製程之影響………………………………………….70 3.3.3攙合烤溫度與時間對製程之影響………………………………….…....72 3.3.4硬烤溫度與時間對製程之影響………………………...…………..……73 3.3.5化學微縮試劑厚度對化學微縮製程之影響……………………….……74 3.3.6化學微縮試劑塗佈之延遲時間影響………………………...……..……74 3.3.7化學微縮試劑攙合烤之延遲時間影響………………………...…..……75 3.3.8修飾化學微縮製程與光阻微影製程的微縮效率表現…………..…...…76 3.3.9化學微縮試劑的蝕刻特性………………………...……………..………77 3.3.10化學微縮試劑的熱流現象………………………...……………………78 第四章 電子束阻劑線寬變化之探討 4.1實驗藥品與設備…………………………………...……………….………..103 4.2實驗步驟…………………………………...………………………………...105 4.3實驗結果與討論…………………………………...……………….………..107 4.3.1電子束阻劑的微影製程特性…………………………………………...107 4.3.2電子束阻劑顯影步驟的線寬變化……………………………………...109 4.3.3電子束阻劑於真空腔延遲效應之影響…………………………………113 4.3.4 電子束阻劑於無塵室曝後烤延遲時間之影響………………………..116 4.3.5電子束阻劑於無塵室中曝光前延遲時間之影響…………………..…..117 4.3.6氣體採樣檢測管量測無塵室中空氣鹼性物質的濃度………………....118 4.3.7利用氣相層析儀量測無塵室環境中氣體的組成……………………....119 第五章 阻劑之微波消化動力學探討 5.1實驗藥品與設備…………………………………...………….……………..135 5.2實驗步驟…………………………………...………………………………...137 5.3實驗結果與討論…………………………………...…………………….…..139 5.3.1微波輔助消化的機制探討……………………...………………………139 5.3.2不同種類消化酸液的消化效果………………...…………………..…..143 5.3.3消化溫度對消化效率之影響…………………...……………..………..152 5.3.4酸液體積對消化效率之影響…………………...………………..……..153 5.3.5持續時間對消化效率之影響…………………...………………..……..154 5.3.6阻劑樣品重量對消化效率之影響…………………………….………..155 5.3.7不同阻劑的消化效率…………………………...………………..……..155 5.3.8消化壓力與消化效率的關係…………………………………………...157 第六章 結論 6.1實驗結論…………………………………...………………………….……..183 6.2未來展望…………………………………...…………………………..…….185 參考文獻…………………………………...……………………………………….187 表目錄 表1.1微影製程中所使用的曝光光源演進表………………………………………..5 表2.1電子鄰近效應修正方法的比較………………………………………………39 表2.2電子束微影系統的最新發展…………………………………………………39 表2.3在微影製程中常見於空氣中傳播的有機物質………………………………40 表3.1氧化矽乾式蝕刻機所設定的各氣體流量及使用功率參數……………..…. 80 表3.2化學微縮試劑劑塗佈在矽晶圓底材上不經烘烤的n、k值………………….80 表3.3化學微縮試劑在矽晶圓底材上烘烤（110℃，120秒）後的n、k值………….80 表3.4 化學微縮試劑在矽晶圓底材上經由電子束曝光後的n、k值…………….80 表3.5修飾化學微縮製程與光阻微影製程的製程流程圖………………………....81 表3.6修飾化學微縮製程的微縮效率表現……………………………………..…. 81 表4.1氧化矽乾式蝕刻機所設定的各氣體流量及使用功率參數………………..121 表4.2電子束阻劑的折射係數（n）與消光係數（k）………………………….…121 表4.3電子束正型阻劑200 nm與300 nm溝渠曝光劑量與製程窗口………….121 表4.4 在不同排列密度時，不同寬度的溝渠線寬標準差變化值……………….122 表4.5利用氣體採樣檢測管在電子束曝光機台的無塵室中量測結果………….122 表4.6氣相層析質譜圖，各個尖峰值所代表的可能物種……………………….123 表5.1各種微波消化與電熱板消化時，所使用的消化酸液體積以及設定溫度…161 表5.2密閉式消化瓶中的氣壓達到一大氣壓時，所需要的氣體分子莫耳數….162 表5.3加入不同體積的硝酸溶液與水溶液的分子莫耳數…………..…..….……162 表5.4加入不同體積的硝酸溶液、鹽酸溶液與水溶液的分子莫耳數………….162 表5.5加入不同體積的硝酸溶液與水溶液，在不同溫度所推算的氣體壓力數值與實際經由壓力感測器所測得壓力數值…………………………………...……….163 表5.6加入不同體積的硝酸溶液、鹽酸溶液與水溶液，在不同溫度所推算的氣體壓力數值與實際經由壓力感測器所測得壓力數值…………………………..…. 164 圖目錄 圖1.1全世界的國民生產毛額及各工業產值所佔的比例…………………………..6 圖1.2「個人電腦時代」與「網際網路時代」的半導體演進動力……………………6 圖1.3微影製程技術所使用的波長………………………………………………….7 圖1.4光阻劑受到鹼基污染造成圖形輪廓的改變…………………………….……7 圖2.1半導體微影製程所使用的曝光技術…………………………………………41 圖2.2 2001年所提出的國際半導體技術藍圖（ITRS）……………………..………41 圖2.3在微影設備中能夠提升圖形解析度的各種方法……………………………42 圖2.4傳統二位元式光罩與相位移光罩的比較……………………………………42 圖2.5各種相位移光罩的光罩示意圖………………………………………………43 圖2.6化學微縮製程步驟示意圖……………………………………………………44 圖2.7阻劑曝光前後光酸濃度的分佈圖……………………………………………45 圖2.8阻劑熱流法微縮示意圖………………………………………………………46 圖2.9利用樹脂塗覆法對接觸洞微縮的製程流程圖………………………………47 圖2.10水溶性有機塗覆物質（WASOON）微縮製程示意圖………………….……48 圖2.11現今電子束微影系統在半導體工業的功用……………………………..…49 圖2.12可變形電子束投影原理示意圖…………………………………………..…49 圖2.13各種不同的電子束形狀原理………………………………………..………50 圖2.14各種不同的電子束形狀的系統……………………………………..………50 圖2.15各種不同的電子束形狀所寫出的圖形大小比較……………………..……50 圖2.16電子射束掃描方式………………………………………………..…………51 圖2.17電子束微影系統中晶圓平台（stage）移動方式………….……..…………51 圖2.18電子束微影圖形失真問題…………………………………………..………52 圖2.19電子束微影圖形失真的電子顯微鏡俯視圖……………………..…………52 圖2.20使用導電材料前後的電子束曝光圖形比較…………………………..……53 圖2.21不同的照射區域之下，升溫幅度與電子束照射時間關係圖………………53 圖2.22照射區域對圖形銜接的影響…………………………………..……………53 圖2.23前向散射與背向散射的示意圖…………………………………………..…54 圖2.24電子散射所造成的鄰近效應的示意圖………………………………..……54 圖2.25孔徑陣列式電子束微影系統……………………………………………..…54 圖2.26孔徑陣列系統的(a)孔徑藍圖，(b)電極線路藍圖………….………………..55 圖2.27(a)孔徑陣列系統的電子光學柱示意圖，(b)孔徑陣列的製程流程圖……..55 圖2.28限角度散射投影式電子束微影系統的光罩結構………………………..…56 圖2.29限角度散射投影式電子束微影系統成像示意圖………………………..…56 圖2.30限角度散射投影式電子束微影系統構造示意圖…………………………..56 圖2.31 SCALPEL的光罩與PREVAIL的光罩結構圖…………………………..…57 圖2.32 SCALPEL的光罩與PREVAIL的光罩製程流程……………………..……57 圖2.33變軸透鏡投影式電子束微影系統（PREVAIL）的原理……………..………58 圖2.34微電子柱陣列系統的曝光概念示意圖……………………………………..58 圖2.35微電子柱的構造圖…………………………………………………………..59 圖2.36單電子柱與多電子束系統與多電子柱與單電子束系統的問題……..……59 圖2.37多電子柱與多電子束系統的曝光方式…………………………………..…59 圖2.38多電子柱與多電子束系統系統概略圖……………………………………..60 圖2.39微製造冷場發射電子槍的製程示意圖……………………………..………60 圖2.40 ITRS 2001年半導體技術藍圖對於微影製程的近程要求……………...…61 圖3.1 化學微縮試劑厚度對轉速的關係圖…………………………..……………82 圖3.2改變化學微縮製程軟烤溫度的微縮效率與側壁位移量……………………82 圖3.3改變化學微縮製程軟烤溫度的微縮效率與側壁位移量……………………83 圖3.4化學微縮製程的化學反應示意圖……………………………………………83 圖3.5比較烘烤溫度高低，改變化學微縮製程的化學微縮效率的示意圖………84 圖3.6改變化學微縮製程軟烤溫度的線上電子顯微鏡俯視圖……………………85 圖3.7改變化學微縮製程軟烤時間的線上電子顯微鏡俯視圖……………………86 圖3.8改變化學微縮製程軟烤溫度的微縮效率與側壁位移量……………………87 圖3.9改變化學微縮製程軟烤溫度的微縮效率與側壁位移量……………………87 圖3.10改變化學微縮製程攙合烤溫度的線上電子顯微鏡俯視圖………………..88 圖3.11改變化學微縮製程攙合烤時間的線上電子顯微鏡俯視圖………………..89 圖3.12改變化學微縮製程硬烤溫度的微縮效率與側壁位移量………………..…90 圖3.13改變化學微縮製程硬烤時間的微縮效率與側壁位移量…………………..90 圖3.14改變化學微縮製程硬烤溫度的線上電子顯微鏡俯視圖…………………..91 圖3.15改變化學微縮製程硬烤時間的線上電子顯微鏡俯視圖…………………..92 圖3.16改變化學微縮試劑厚度的微縮效率與側壁位移量…………………….….93 圖3.17改變化學微縮試劑厚度的線上電子顯微鏡俯視圖………………………..94 圖3.18不同的化學微縮製程延遲時間的微縮效率與側壁位移量……………..…95 圖3.19不同的化學微縮製程延遲時間的線上電子顯微鏡俯視圖………………..96 圖3.20不同的化學微縮製程攙合烤延遲時間的微縮效率與側壁位移量………..97 圖3.21不同的化學微縮製程攙合烤延遲時間的線上電子顯微鏡俯視圖…..……98 圖3.22藉由修飾化學微縮製程與光阻微影製程所得到的化學微縮效率……..…99 圖3.23化學微縮製程修飾後的線上電子顯微鏡俯視圖…………………..………99 圖3.24在不同CHF3/(CHF3+CF4)的流量比例下，化學微縮試劑、化學微縮試劑與光阻劑產生交鏈反應薄膜、光阻劑的蝕刻率…………………………..………100 圖3.25蝕刻率與F/C比例、蝕刻時所加的直流偏壓之關係圖…………………100 圖3.26化學微縮製程所出現的接觸洞圖形變異…………………………………101 圖3.27由於接觸洞圖形變異所造成接觸洞位移的示意圖………………………101 圖3.28經由不同烘烤溫度的化學微縮製程接觸洞截面圖………………………101 圖4.1電子束光阻劑厚度對轉速的關係圖………………………………..………124 圖4.2電子束正型阻劑200 nm與300 nm溝渠線寬對曝光劑量關係圖…………124 圖4.3在不同CHF3/(CHF3+CF4)的流量比例下，二氧化矽對電子束阻劑與化學微縮薄膜的蝕刻選擇比……………………………..………………………………..125 圖4.4微觀型負載效應示意圖…………………………………………………..…125 圖4.5設計不同的溝渠圖形的排列密度（duty ratio）的示意圖………………….126 圖4.6溝渠圖形寬度設計為200 nm的負載效應比較圖…………………………126 圖4.7溝渠圖形寬度設計為300 nm的負載效應比較圖…………………………127 圖4.8電子束曝光製程中，電子束散射造成線寬變化示意圖……………………127 圖4.9在電子束微影機台的真空腔中，分別經過30、60、90、120、150分鐘的曝後烤延遲時間的溝渠線寬變化圖………………………………………………128 圖4.10在電子束微影機台的真空腔中，分別經過30、60、90、120、150分鐘的真空腔延遲時間的溝渠線寬位移變化量圖形……………………………………128 圖4.11電子束曝光前後，阻劑中光酸分佈與線寬變化示意圖…………………129 圖4.12在無塵室的大氣環境中，分別經過30、60、90、120、150分鐘的無塵室延遲時間的溝渠線寬變化圖形……………………………………………………129 圖4.13在無塵室的大氣環境中，分別經過30、60、90、120、150分鐘的無塵室延遲時間的溝渠線寬位移變化量圖………………………………………………130 圖4.14空氣中鹼基污染物質造成正型阻劑T型頂過程示意圖…………………131 圖4.15在無塵室大氣環境中受到鹼性物質污染後，在不同延遲時間有符合設計線寬時的劑量位移圖以及近似曲線方程式…………………………….……...…132 圖4.16在無塵室的大氣環境中，分別經過30、60、90、120、150分鐘的曝光前延遲時間的溝渠線寬變化圖形……………………………………………………132 圖4.17利用氣相層析質譜儀加以分析無塵室所得到的氣相層析質譜圖………133 圖4.18氣相層析質譜圖各個尖峰值，可能物種名稱以及分子結構圖…………134 圖5.1利用硝酸微波消化深紫外光正型阻劑的微波消化效率……………..……165 圖5.2利用過氧化氫微波消化深紫外光正型阻劑的微波消化效率……………..165 圖5.3利用硝酸加上過氧化氫微波消化深紫外光正型阻劑的微波消化效率…..166 圖5.4利用鹽酸以電熱板方式消化深紫外光正型阻劑的微波消化效率……..…166 圖5.5利用反王水微波消化深紫外光正型阻劑的微波消化效率……………..…167 圖5.6利用硝酸：鹽酸＝1：1的混酸溶液微波消化深紫外光正型阻劑的微波消化效率……….. ……………………………………………………………….………167 圖5.7分別以不同體積的硝酸溶液，在不同的消化溫度，微波消化深紫外光正型阻劑的微波消化效率………………………………………………………………168 圖5.8分別以不同體積的反王水（硝酸：鹽酸＝3：1）溶液，在不同的消化溫度，微波消化深紫外光正型阻劑的微波消化效率……………………………………168 圖5.9分別在不同的消化溫度下，加入不同體積的硝酸溶液，微波消化深紫外光正型阻劑的微波消化效率…………………………………………………………169 圖5.10分別在不同的消化溫度下，加入不同體積的反王水（硝酸：鹽酸＝3：1）溶液，微波消化深紫外光正型阻劑的微波消化效率…………………….………169 圖5.11分別在5min、15min 、25min、35min的消化持續時間下，利用硝酸溶液微波消化深紫外光正型阻劑的微波消化效率……………………………………170 圖5.12分別在5min、15min 、25min、35min的消化持續時間下，利用反王水（硝酸：鹽酸＝3：1）溶液微波消化深紫外光正型阻劑的微波消化效率……………170 圖5.13分別在深紫外光正型阻劑樣品量為0.15g、0.20g、0.25g 、0.30g，利用硝酸溶液微波消化的消化效率………………………………………………………171 圖5.14分別在深紫外光正型阻劑樣品量為0.15g、0.20g、0.25g 、0.30g，利用反王水（硝酸：鹽酸＝3：1）溶液微波消深紫外光正型阻劑的微波消化效率………171 圖5.15分別以不同體積的硝酸溶液，在不同的消化溫度，微波消化電子束正型阻劑的微波消化效率………………………………………………………………172 圖5.16分別在不同的消化溫度下，加入不同體積的硝酸溶液，微波消化電子束正型阻劑的微波消化效率…………………………………………………………172 圖5.17分別在5min、15min 、25min、35min、45min的消化持續時間下，利用硝酸溶液微波消化的消化效率……………………………………………………173 圖5.18分別在電子束正型阻劑樣品量為0.15g、0.20g、0.25g 、0.30g、0.35g，利用硝酸溶液微波消化的消化效率……………………………………….…..…173 圖5.19在180℃時，消化硝酸溶液所得到的壓力值與推算的壓力值及其解離常數……………………………………………………………………………………174 圖5.20在160℃時，消化硝酸溶液所得到的壓力值與推算的壓力值及其解離常數……………………………………………………………………………………174 圖5.21在140℃時，消化硝酸溶液所得到的壓力值與推算的壓力值及其解離常數……………………………………………………………………………………175 圖5.22在120℃時，消化硝酸溶液所得到的壓力值與推算的壓力值及其解離常數……………………………………………………………………………………175 圖5.23在180℃時，消化反王水溶液所得到的壓力值與推算的壓力值及其解離常數……………………………………………………………………………………176 圖5.24在160℃時，消化反王水溶液所得到的壓力值與推算的壓力值及其解離常數……………………………………………………………………………………176 圖5.25在140℃時，消化反王水溶液所得到的壓力值與推算的壓力值及其解離常數……………………………………………………………………………………177 圖5.26在120℃時，消化反王水溶液所得到的壓力值與推算的壓力值及其解離常數……………………………………………………………………………………177 圖5.27樣品消化與酸液消化時，壓力值的關係圖………………………………178 圖5.28在180℃時，硝酸溶液與阻劑樣品的壓力值、壓力差值與消化效率……178 圖5.29在160℃時，硝酸溶液與阻劑樣品的壓力值、壓力差值與消化效率……179 圖5.30在140℃時，硝酸溶液與阻劑樣品的壓力值、壓力差值與消化效率……179 圖5.31在120℃時，硝酸溶液與阻劑樣品的壓力值、壓力差值與消化效率……180 圖5.32在180℃時，反王水溶液與阻劑樣品的壓力值、壓力差值與消化效率…180 圖5.33在160℃時，反王水溶液與阻劑樣品的壓力值、壓力差值與消化效率…181 圖5.34在140℃時，反王水溶液與阻劑樣品的壓力值、壓力差值與消化效率…181 圖5.35在120℃時，反王水溶液與阻劑樣品的壓力值、壓力差值與消化效率…182

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