深紫外光光罩抗反射技術及次100奈米世代電子束直寫阻劑特性研究

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研究生：	許兼貴 CHIEN-KUI HSU
論文名稱：	深紫外光光罩抗反射技術及次100奈米世代電子束直寫阻劑特性研究 Study of Anti-Reflective Coatings for Deep Ultraviolet Photomask and Photoresists for Sub-100 nm Generation Electron Beam Direct Writing Applications
指導教授：	朱鐵吉博士 Dr. 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：	2001
畢業學年度：	89
語文別：	中文
論文頁數：	89
中文關鍵詞：	抗反射技術、光罩、電子束直寫
外文關鍵詞：	Fabry-Perot, photomask, Deep UV lithography, DUV CARs
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在本篇論文中有兩個主要的部分。一個是針對在深紫外光波段，光罩的抗反射層技術;另一個是對深紫外光的光阻，運用在電子束直寫系統時，其特性的研究。
在光罩抗反射層部分，我們針對在深紫外光的波段，成功的設計出，一個以Fabry-Perot結構為基礎的二元式光罩(binary mask)抗反射層結構。這抗反射層結構是由鉻(Cr) / 二氧化矽(oxide) / 鉻(Cr)堆疊所組成的。藉著調整這三層結構，在波長248 nm及193 nm的反射率，皆能小於2%。實驗結果跟模擬方面也非常的吻合。在這三層的Fabry-Perot結構中，頂部的金屬鉻層，厚度必須大於100 nm，才能對光達到理想的吸收效果。藉著控制中間二氧化矽層的厚度，我們可以使最低的反射率值，落在所要的波長上。至於底部的金屬鉻層，厚度必須有最佳的控制，使光仍能穿透而進入Fabry-Perot的結構，造成多光干涉的效果。一般來說，光罩層應該有良好的導電性，為著減少在電子束直寫的過程中，電子累積效應所造成的影響。在Fabry-Perot的結構中，頂部的金屬層，將可以避免因電子束直寫所造成的電子累積效應。

在電子束直寫阻劑特性研究的部分，一正型的深紫外光化學放大性阻劑(Shipley® UV86)，在電子束微影製程、蝕刻製程以及高溫硬烤後的熱流現象等特性，都已經做過相關的評估。我們發現UV86對電子束是一個高敏感的阻劑，對比度高達16。它對電子束微影最佳的軟烤、曝後烤條件，在加速電壓40kV電子束劑量11~13.5μC/cm2下，分別為130℃/60sec、135℃/90sec。藉著不同的硬烤溫度，洞寬200 nm~25 nm的光阻圖形，皆能成功的作出來，且其縮洞後上端的圖形較圓滑(round)，這將有利於後續蝕刻和離子佈植的製程。軟烤溫度的升高，可使光阻在硬烤過程中，縮小的比例有減緩的趨勢，可藉此對洞寬的大小作較佳的控制。此外，UV86對熱氧化矽、多晶矽及金屬鉻，分別在氣體CHF3 / CF4, Cl2 / O2, and Cl2 / O2的蝕刻選擇比，我們也已作過測試。

There are two major parts in this thesis. One is establishing the anti-reflective coatings technique for using in deep ultraviolet photomask. The other is to investigate the behavior of DUV photoresists for applying in electron beam direct writing system.
In the development of the anti-reflective coating techniques for photomask applications, we demonstrated a novel anti-reflective coating structure for deep ultraviolet binary mask, which is based on three-layer Fabry-Perot structure. The anti-reflective coating structure is composed of the chrome / oxide / chrome stack. By adding different optimized structures, reflectance of less than 2 % at both 248 nm and 193 nm has been achieved. The results are also agreed well with simulated ones. At the three-layer Fabry-Perot structure, the thickness of bottom chrome layer should be larger than 100 nm to provide suitable absorption. By controlling the thickness of the intermediate oxide layer, we can tune the minimum reflection regime for the desired exposure wavelength of interest. The thickness of top chrome layer should be well controlled in order to optimize transmission light into Fabry-Perot structures. In general, the mask layer should have good electrical conductivity for e-beam writing in order to prevent writing errors due to charging effects. In the Fabry-Perot structure, the top metal layer can also prevent charge accumulation during e-beam writing.

As to the investigation of the properties of a positive tone deep ultraviolet chemically amplified resist, UV86 (DUV CARs, Shipley®), has been evaluated for electron beam direct writing. Including the characteristics in electron beam lithography, etching process and thermal flow phenomena after hard baking. UV86 with its contrast higher than 16 is highly sensitive to electron beam exposure. The optimization condition for the electron beam lithography is SB 130℃/60 sec, PEB 135℃/90 sec with sensitivities of 11~13.5μC/cm2 at 40 kV. It could give contact holes critical dimension (CD) from 200 nm to 25 nm with almost perfect profiles by various hard baking temperatures. Moreover, the flow amount would decrease on hard baking temperature process by increasing the temperature of SB. In addition, the etching selectivity to thermal oxide, poly-Si and Cr has been examined by using the gas CHF3 / CF4, Cl2 / O2, and Cl2 / O2, respectively.

摘要………………………………………………………………………i
Abstract……………………………………………………………….…iii

致謝………………………………………………………………………v

目錄…………………………………………………………………...…vi

表目錄…………………………………………………………………...xi

圖目錄………………………………………………………………….xiii

第一章  簡介……………………………………………………………1

第二章 文獻回顧………………………………………………………..7

光罩的抗反射層技術……………………………………………………7

2.1光學微影成像解析度的限制  7

2.2空間影像與對比度  9

2.3二元式光罩(binary mask)的基本結構和原理   9

2.4光學中干涉(interference)現象及Fabry-Perot的原理   10

2.4.1光學中干涉現象的原理    10

2.4.2光學中Fabry-Perot的原理 10

2.5作為二元式光罩材料所需具備的條件  14

2.5.1高吸收係數(high absorptive coefficient) 14

2.5.2高熱傳導性(high thermal conductivity).………………...15

2.5.3低熱膨脹係數(low thermal expansion coefficient)……...15

2.5.4低電阻值(low electrical resistivity)    15

2.5.5高化學穩定性(high chemical stability)………………….15

2.5.6對基材(quartz)有良好的附著性(strong adhesion to substrate)      16

電子束直寫阻劑特性研究……………………………………………..16

2.6微影製程各步驟目的簡要說明        16

2.6.1上底材  16

2.6.2上阻劑  17

2.6.3軟烤    17

2.6.4曝光    18

2.6.5曝光後烘烤(曝後烤)      18

2.6.6顯影    19

2.6.7硬烤    19

2.7化學放大型阻劑    19

2.8玻璃轉移現象      20

2.9電子束曝光系統    21

2.9.1電子束曝光系統的限制    21

2.9.1.1電子束散射效應(scattering effect)     21

2.9.1.2電子累積效應(charging effect) 23

第三章 實驗……………………………………………………………29

光罩的抗反射層技術…………………………………………………..29

3.1實驗設備  29

3.2實驗步驟  29

3.2.1決定二元式光罩合適的材料及其厚度        29

3.2.2沉積吸收光金屬層（底部金屬鉻層）        29

3.2.3沉積抗反射層（中間二氧化矽層）  30

3.2.4沉積Fabry-Perot抗反射結構的頂部金屬鉻層…………30

3.2.5量測R值 30

電子束直寫阻劑特性研究……………………………………………..30

3.3化學藥品  30

3.4實驗設備  30

3.5實驗步驟  31

3.5.1 UV86應用於電子束微影製程的條件 31

3.5.1.1最佳曝後烤條件        31

3.5.1.2最佳軟烤條件  32

3.5.1.3最佳電子束曝光劑量    32

3.5.1.4比較不同硬烤溫度的熱流溝(洞)寬變化情形        32

3.5.1.5比較不同軟烤溫度的熱流洞寬變化情形    33

3.6電子束背後散射對UV86影響的驗證    33

3.7 UV86的敏感度及對比度     34

3.8 UV86蝕刻製程測試 34

3.8.1 UV86、PMMA對熱氧氧化矽(thermal oxide)的蝕刻選擇比(selectivity)及蝕刻率(etching rate)的比較     34

3.8.2 UV86、PMMA對多晶矽(poly-Si)的蝕刻選擇比及蝕刻率的比較  35

第四章 結果與討論    ……………………………………………………38

光罩的抗反射層技術…………………………………………………..38

4.1 Fabry-Perot的抗反射結構在應用上的模擬特性分析    38

4.1.1底部金屬鉻層    38

4.1.2中間二氧化矽層  38

4.1.3頂部金屬鉻層    40

4.2 針對深紫外光以Fabry-Perot形式為結構的傳統二元式光罩      40

4.2.1 波長在193 nm   40

4.2.2 波長在248 nm   41

電子束直寫阻劑特性研究……………………………………………..41

4.3 UV86應用於電子束微影製程的條件   41

4.3.1最佳曝後烤條件  41

4.3.2最佳軟烤條件    42

4.3.3最佳電子束曝光劑量      43

4.3.4比較不同硬烤溫度的熱流溝(洞)寬變化情形  43

4.3.5比較不同軟烤溫度的熱流洞寬變化情形      44

4.4電子束背後散射對UV86影響的驗證    45

4.5 UV86的敏感度及對比度     45

4.6 UV86蝕刻製程測試 46

4.6.1 UV86、PMMA對熱氧氧化矽的蝕刻選擇比及蝕刻率的比較       46

4.6.2 UV86、PMMA對多晶矽的蝕刻選擇比及蝕刻率的比較   47

4.6.3 UV86、PMMA對金屬鉻的蝕刻選擇比及蝕刻率的比較   48

第五章 結論……………………………………………………………81

參考文獻………………………………………………………………..85

表目錄

表格3-1  氧化矽乾蝕刻系統製程參數表………..…………………..36

表格3-2  ECR多晶矽蝕刻機系統製程參數表………………………36

表格3-3  金屬蝕刻系統製程參數表…………………………………37

表格4-1  Fabry-Perot結構中，使最小反射分別落在193 nm及248 nm的中間層各階厚度………………………………………..50

表格4-2  不同PEB溫度下，電子束dosage與CD的關係表………...54

表格4-3  不同SB溫度下，電子束dosage與CD的關係表………..…57

表格4-4  SB V.S HB 180 nm熱流洞寬變化關係表……………...…..69

表格4-5  SB V.S HB 200 nm熱流洞寬變化關係表…...……………..70

表格4-6  UV86對電子束dosage的敏感度關係表…………………..72

表格4-7  thermal oxide、UV86、PMMA在氧化矽乾蝕刻系統，不同CHF3比例下之蝕刻率的比較表………………………….74

表格4-8  在氧化矽乾蝕刻系統，不同CHF3比例下UV86、PMMA對thermal oxide的蝕刻選擇比表………………………...75

表格4-9  Poly-Si、UV86、PMMA 在ECR多晶矽蝕刻機系統，不同Cl2比例下之蝕刻率的比較表…………………………….76

表格4-10  在ECR多晶矽蝕刻機系統，不同Cl2比例下UV86、PMMA對Poly-Si的蝕刻選擇比表.…………………...………….77

表格4-11  Cr、UV86、PMMA在金屬蝕刻系統，不同Cl2比例下之蝕刻率的比較表…….…………………………………….78

表格4-12  在金屬蝕刻系統，不同Cl2比例下UV86、PMMA對Cr的蝕刻選擇比表…………………………………………..79

圖目錄

圖2-1  干涉結構圖……………………………..……………………..24

圖2-2  Fabry-Perot多光干涉結構圖…………………..……………..24

圖2-3  微影製程步驟流程圖………………..………………………..25

圖2-4  傳統(DQ/N)光阻與CARs，圖形形成的原理比較……………26

圖2-5  電子束之散射效應示意圖………………..…………………..27

圖2-6  電子累積效應示意圖…………………..……………………..28

圖4-1  三層Fabry-Perot抗反射結構圖………………..……………..49

圖4-2  底部金屬鉻厚度與反射率關係圖…………..………………..49

圖4-3  底部金屬鉻厚度與光密度關係圖…………..………………..50

圖4-4  Fabry-Perot結構中，中間氧化層zero, second, and fourth order的反射頻譜關係圖…………………………………………..51

圖4-5  Fabry-Perot結構中，zero, first, second, and third order二氧化矽層的厚度，變化±0-25%時，所對應的反射率關係圖……………………………………………………………. 51

圖4-6  頂部金屬鉻厚度與反射率關係圖…………..………………..52

圖4-7  單一金屬鉻層在紫外光波段的反射頻譜………..…………..52

圖4-8  單一層鉻加上抗反射層後，在波長193 nm的反射率圖...…53

圖4-9  單一層鉻加上抗反射層後，在波長248 nm的反射率圖…….53

圖4-10  不同PEB溫度下，電子束dosage與CD的關係圖……..…56

圖4-11 不同SB溫度下，電子束dosage與CD的關係圖……………..58

圖4-12  200 nm溝寬不作硬烤條件的光阻剖面圖…………………..58

圖4-13  300 nm溝寬不作硬烤條件的光阻剖面圖………….……….59

圖4-14  400 nm溝寬不作硬烤條件的光阻剖面圖……….………….59

圖4-15  500 nm溝寬不作硬烤條件的光阻剖面圖…………………..60

圖4-16  200 nm溝寬硬烤160℃/60sec後的光阻剖面圖…………….60

圖4-17  300 nm溝寬硬烤160℃/60sec後的光阻剖面圖…………….61

圖4-18  400 nm溝寬硬烤160℃/60sec後的光阻剖面圖…………….61

圖4-19  300 nm溝寬硬烤162℃/60sec後的光阻剖面圖…………….62

圖4-20  400 nm溝寬硬烤162℃/60sec後的光阻剖面圖…………….62

圖4-21  500 nm溝寬硬烤162℃/60sec後的光阻剖面圖………….…63

圖4-22  200 nm的洞寬光阻剖面圖…………………………………..63

圖4-23  180 nm的洞寬光阻剖面圖…………………………………..64

圖4-24  160 nm的洞寬光阻剖面圖…………………………………..64

圖4-25  140 nm的洞寬光阻剖面圖…………………………………..65

圖4-26  120 nm的洞寬光阻剖面圖…………………………………..65

圖4-27  100 nm的洞寬光阻剖面圖…………………………………..66

圖4-28  80 nm的洞寬光阻剖面圖……………………………………66

圖4-29  60 nm的洞寬光阻剖面圖……………………………………67

圖4-30  40 nm的洞寬光阻剖面圖……………………………………67

圖4-31  25 nm的洞寬光阻剖面圖.…………………………………...68

圖4-32  200 nm的洞寬光阻俯視圖…………………………………..68

圖4-33  180 nm的洞寬光阻剖面圖…………………………………..69

圖4-34  SB V.S HB 180 nm熱流洞寬變化關係圖…………………...70

圖4-35  SB V.S HB 200 nm熱流洞寬變化關係圖……………...……71

圖4-36  300 nm的溝寬光阻剖面圖，基材為厚132 nm的金屬鉻…...71

圖4-37  200 nm的溝寬光阻剖面圖，基材為厚132 nm的金屬鉻…...72

圖4-38  UV86對電子束dosage的敏感度關係圖…….……………...74

圖4-39  thermal oxide、UV86、PMMA在氧化矽乾蝕刻系統，不同CHF3比例下之蝕刻率的比較圖...…………………………..75

圖4-40  在氧化矽乾蝕刻系統，不同CHF3比例下UV86、PMMA對thermal oxide的蝕刻選擇比圖………………………………76

圖4-41  Poly-Si、UV86、PMMA 在ECR多晶矽蝕刻機系統，不同Cl2比例下之蝕刻率的比較圖.……………………...……..77

圖4-42  在ECR多晶矽蝕刻機系統，不同Cl2比例下UV86、PMMA對Poly-Si的蝕刻選擇比圖………………………………….78

圖4-43  Cr、UV86、PMMA在金屬蝕刻系統，不同Cl2比例下之蝕刻率的比較圖………………………………………………..79

圖4-44  在金屬蝕刻系統，不同Cl2比例下UV86、PMMA對Cr的蝕刻選擇比圖………………………………………………..80

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