CN114026497A - 增强含金属抗蚀剂的光刻性能的烘烤策略 - Google Patents

增强含金属抗蚀剂的光刻性能的烘烤策略 Download PDF

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Abstract

本文中的各种实施方案涉及在反应性气体物质的存在下，将位于半导体衬底上的含金属进行烘烤的方法、装置和系统。例如，所述方法可包括将所述衬底接收于处理室中，所述衬底具有位于其上方的所述光致抗蚀剂层，其中所述光致抗蚀剂层包括含金属光致抗蚀剂材料；使反应性气体物质从气体源流动、通过气体输送管线、进入所述处理室中，以及将所述衬底暴露于所述处理室中的所述反应性气体物质；以及当将所述衬底暴露于所述反应性气体物质时，对所述光致抗蚀剂层进行烘烤。

Description

增强含金属抗蚀剂的光刻性能的烘烤策略
通过引用并入
PCT申请表作为本申请的一部分与本说明书同时提交。如在同时提交的PCT申请表中所标识的本申请要求享有其权益或优先权的每个申请均通过引用全文并入本文且用于所有目的。
技术领域
本公开总体上涉及半导体处理的领域。在特定的方面中，本公开针对用于在光刻图案化和膜显影的背景下处理光致抗蚀剂以形成图案化掩模的处理和装置。
背景技术
随着半导体加工持续发展，特征尺寸系持续缩小并需要新的处理方法。正在发展的一个领域为图案化的方面，例如使用经暴露于辐射而被图案化的光致抗蚀剂材料。
这里提供的背景描述是为了总体呈现本公开的背景的目的。当前指定的发明人的工作在其在此背景技术部分以及在提交申请时不能确定为现有技术的说明书的各方面中描述的范围内既不明确也不暗示地承认是针对本公开的现有技术。
发明内容
本文的各种实施方案涉及用于在衬底上烘烤光致抗蚀剂层的方法、装置和系统。在所公开的实施方案的一方面，提供了一种烘烤衬底上的光致抗蚀剂层的方法，所述方法包括：将所述衬底接收在处理室中，所述衬底包括位于其上方的所述光致抗蚀剂层，其中所述光致抗蚀剂层包括含金属光致抗蚀剂材料；使反应性气体物质从气体源流动、通过气体输送管线、进入所述处理室中，以及将所述衬底暴露于所述处理室中的所述反应性气体物质；以及当将所述衬底暴露于所述反应性气体物质时，对所述光致抗蚀剂层进行烘烤。
在各种实施方案中，所述光致抗蚀剂层包括极紫外(EUV)光致抗蚀剂材料。在一些实施方案中，所述反应性气体物质包括气体，所述气体选自由：水、氢、氧、臭氧、过氧化氢、一氧化碳、二氧化碳、氨、一氧化二氮、一氧化氮、醇、乙酰丙酮、甲酸、草酰氯、吡啶、羧酸、胺和其组合所构成的群组。在一些情况下，所述反应性气体物质可以包括所述水。在这些或其他情况下，所述反应性气体物质可以包括所述氢。在这些或其他情况下，所述反应性气体物质可以包括所述氧。在这些或其他情况下，所述反应性气体物质可以包括所述臭氧。在这些或其他情况下，所述反应性气体物质可以包括所述过氧化氢。在这些或其他情况下，所述反应性气体物质可以包括所述一氧化碳。在这些或其他情况下，所述反应性气体物质可以包括所述二氧化碳。在这些或其他情况下，所述反应性气体物质可以包括所述氨。在这样的情况下，对所述光致抗蚀剂层进行烘烤发生在已将所述光致抗蚀剂层暴露于EUV辐射以对所述光致抗蚀剂层图案化之后，且满足下列条件中的一者：(i)当对所述光致抗蚀剂层进行烘烤时，所述处理室被维持在大气压强下，且所述氨以介于约0.001-5％(以体积计)之间的浓度提供，或者(ii)当对所述光致抗蚀剂层进行烘烤时，所述处理室被维持在次大气压强下，且所述氨以介于约1-100毫托之间的分压提供。在这些或其他情况下，所述反应性气体物质可以包括所述一氧化二氮和/或所述一氧化氮。在这些或其他情况下，所述反应性气体物质可以包括所述醇。在这些或其他情况下，所述反应性气体物质可以包括所述乙酰丙酮。在这些或其他情况下，所述反应性气体物质可以包括所述甲酸。在这些或其他情况下，所述反应性气体物质可以包括所述草酰氯。在这些或其他情况下，所述反应性气体物质可以包括所述羧酸。在这些或其他情况下，所述反应性气体物质可以包括所述胺。在某些情况下，示例性的胺可以包括甲胺、二甲胺、三甲胺、乙胺、二乙胺和/或三乙胺。在多种实施方案中，所述反应性气体物质可以是氧化性的。在这些或其他情况下，所述反应性气体物质可以是极性的。
在某些实现方案中，将所述衬底暴露于所述反应性气体物质可以促进所述光致抗蚀剂层内的交联。在这些或其他情况下，将所述衬底暴露于所述反应性气体物质可以促进去除所述光致抗蚀剂层中的低分子量物质。例如，所述低分子量物质可以是每分子包括0、1、或2个金属原子。在一些实施方案，将所述衬底暴露于所述反应性气体物质可以将所述光致抗蚀剂层中的金属氢化物物质氧化成金属氢氧化物物质。
在某些实现方案中，所述的方法还可以包括当对所述光致抗蚀剂层进行烘烤时，施加真空至所述处理室。在这些或其他实施方案中，所述方法还可以包括当对所述光致抗蚀剂层进行烘烤时，控制所述处理室中的水浓度以使其保持在目标水浓度范围内。类似地，所述方法可以包括当对所述光致抗蚀剂层进行烘烤时，控制所述处理室中的氧浓度以使其保持在目标氧浓度范围内。在一些实施方案中，当对所述光致抗蚀剂层进行烘烤时，可以将所述处理室维持在等于或低于大气压强下。在一些情况下，当对所述光致抗蚀剂层进行烘烤时，可以将所述处理室维持在低于大气压强下。
当对所述光致抗蚀剂层进行烘烤时，可以控制支撑件的温度，其中所述衬底被设置在所述支撑件上。例如，在一些实施方案中，所述方法还可以包括当对所述光致抗蚀剂层进行烘烤时，降低衬底支撑件的温度，其中所述衬底被设置在所述衬底支撑件上。在这些或其他实施方案中，该方法还可以包括：在对所述光致抗蚀剂层进行烘烤的同时降低上面设置有所述衬底的衬底支撑件的温度。在某些情况下，所述方法可以包括：控制所述反应性气体物质进入所述处理室的流动，以实现目标交联程度。可以提供各种不同类型的热。在一些实施方案中，对所述光致抗蚀剂层进行烘烤包括在加热板上将所述衬底加热。在一些实施方案中，对所述光致抗蚀剂层进行烘烤包括将所述衬底暴露于红外辐射和/或紫外辐射。在一些实施方案中，对所述光致抗蚀剂层进行烘烤可以包括从上方将所述衬底加热。在这些或其他实施方案中，对所述光致抗蚀剂层进行烘烤可以包括从下方将所述衬底加热。
本文描述的方法可用于不同的应用。在某些情况下，已将所述光致抗蚀剂层施加至所述衬底但尚未进行图案化，而所述烘烤为施加后烘烤(PAB)。在其他情况下，已将所述光致抗蚀剂层施加至所述衬底并且通过部分暴露于EUV辐射而进行图案化，以产生所述光致抗蚀剂层的暴露和未暴露区域，而所述烘烤为暴露后烘烤(PEB)。在这些或其他实施方案中，所述反应性气体物质可以包括极性且氧化性的分子。例如，所述反应性气体物质可以包括过氧化氢。
在本公开的实施方案的另一方面，提供了一种用于烘烤衬底上的光致抗蚀剂层的装置，所述装置包括：处理室；入口，其用于将反应性气体物质导入至所述处理室；出口，其用于将材料从所述处理室移除；衬底支撑件，其位于所述处理室内；加热器，其被配置成通过传导、对流和/或辐射而加热所述衬底；以及控制器，其具有至少一个处理器，其中所述至少一个处理器被配置成控制所述装置，以进行所主张的或在本发明中以其他方式描述的任何一种方法。
这些及其他方面在下文参照附图进一步描述。
附图说明
图1根据各种实施方案呈现了描述光刻图案化处理的流程图。
图2根据某些实施方案而呈现处理室的简化视图。
具体实施方式
在本文中详细地参照本公开的特定实施方案。这些特定实施方案的示例被图示在附图中。虽然将结合这些特定实施方案来描述本公开，但应理解的是，这并非意指将本公开限制在这些特定实施方案。相反，其意指涵盖可包括在本公开的精神及范围内的变更、修正和等同方案。在下列叙述中，许多具体细节被阐述以提供对本公开的透彻理解。本公开可在不具有这些具体细节中的一些或全部的情况下实施。在其他情况下，并未详细描述公知的处理操作以免不必要地模糊本公开。
半导体处理中的薄膜图案化经常是半导体加工中的重要步骤。图案化涉及光刻术。在常规的光刻术中(例如，193nm光刻术)，图案被印在光敏感的光致抗蚀剂膜上，通过在光掩模所限定的选择区域中将光致抗蚀剂暴露于光子，从而在光致抗蚀剂中引起化学反应并产生在显影步骤中可起到重要效果的化学对比(chemical contrast)以移除光致抗蚀剂的某些部分而形成图案。接着，经图案化和显影的光致抗蚀剂膜可使用作为蚀刻掩模以将该图案转移至由金属、氧化物等所构成的下伏膜中。
包括22nm、16nm和更低节点的先进技术节点(如国际半导体技术发展蓝图(International Technology Roadmap for Semiconductors)所定义的)需要持续改善光刻分辨率。举例来说，在16nm节点中，位于镶嵌结构中的通孔或线路的宽度通常不大于约30nm，这对于单纯的193nm光刻术是不可能的，否则就要涉及复杂的多重图案化方案。
比起常规的光刻方法所能实现的，极紫外(EUV)光刻术可通过移动至较小的成像源波长来扩展光刻技术。可将约位于10-20nm、或11-14nm波长(例如，13.5nm波长)的EUV光源使用于前缘光刻工具，其也称为扫描器。EUV的辐射会被各种固体和流体材料(包括石英和水蒸气)、以及环境压强气体强烈吸收，因此EUV扫描仪是在真空中操作。
EUV光刻术使用EUV抗蚀剂，EUV抗蚀剂可以用EUV光图案化，以形成用于蚀刻下伏层的掩模。EUV抗蚀剂可以是通过基于液体的旋涂技术所制造的基于聚合物的化学放大光致抗蚀剂(CAR)。CAR的替代品是可直接光图案化的基于金属氧化物的EUV光致抗蚀剂(PR)膜。这种PR膜可通过(湿式)旋涂技术制造，例如可从Inpria,Corvallis,OR得到的那些；以及例如在美国专利申请2017/0102612和US 2016/0116839中描述的那些，至少它们对可光图案化的含金属氧化物膜的公开内容通过引用并入本文中；或是在2019年5月9日所申请的且名称为“METHODS FOR MAKING EUV PATTERNABLE HARD MASKS”的申请PCT/US19/31618号中所描述的干式气相沉积的那些，其公开内容(其至少涉及可直接光图案化的金属氧化物膜的组成与图案化以形成EUV光致抗蚀剂掩模)通过引用并入本文中。这些可直接光图案化的EUV抗蚀剂可由高EUV吸收率的金属、以及它们的有机金属氧化物/氢氧化物与其他衍生物构成或包含高EUV吸收率的金属、以及它们的有机金属氧化物/氢氧化物与其他衍生物。在EUV暴露之后，EUV光子及所产生的二次电子可诱发化学反应，例如在基于SnOx抗蚀剂(及基于其他金属氧化物的抗蚀剂)中的β-氢消除反应，并提供化学功能性以促进抗蚀剂膜中的交联及其他变化。可接着在显影步骤中利用这些化学变化，以选择性地移除光致抗蚀剂膜的暴露、或未暴露区域，并且形成用于转移图案的蚀刻掩模。
还应理解，虽然本公开涉及以EUV光刻术作为示例的光刻图案化技术及材料，然而其也可应用于其他的下一代光刻技术。除了在当前使用及发展中包括标准13.5nm的EUV波长的EUV之外，与这种光刻术最相关的辐射源为DUV(深UV)，其一般是指使用248nm或193nm的准分子激光源；X光，其形式上在X光范围的较低能量范围处包括EUV；以及电子束，其可涵盖广泛的能量范围。这些特定方法可取决于在半导体衬底及最终半导体设备中所使用的特定材料和应用。因此，在本申请中所描述的方法仅是可在本技术中所使用的示例性方法和材料。
光刻处理通常涉及一或更多烘烤步骤，以在光致抗蚀剂的暴露与未暴露区域之间促进产生化学对比所需的化学反应。对于大量生产(HVM)，这种烘烤步骤通常是在轨道上执行，其中在环境空气(或者，在一些情况下为N2气流)下，将晶片在加热板上以预设的温度下进行烘烤。在这些烘烤步骤期间，较谨慎地控制烘烤环境、以及导入环境中附加的反应性气体成分可有助于进一步降低剂量需求和/或改善图案的保真度(fidelity)。
本公开描述了一种新式的烘烤策略，该烘烤策略涉及谨慎地控制烘烤环境、反应性气体的导入、以及在一些情况下谨慎地控制烘烤温度的升降速率(ramping rate)。对于基于金属氧化物的EUV光致抗蚀剂(PR)，这种策略会是特别实用的。实用反应性气体的示例包括水、氢、氧、臭氧、过氧化氢、一氧化碳、二氧化碳、氨、一氧化二氮、一氧化氮、甲胺、二甲胺、醇、乙酰丙酮、甲酸、草酰氯、羧酸、其他的胺、这些材料中的任何材料的取代形式等。该反应性气体以气体形式提供，并且可以在输送至反应室之前将其汽化。各种示例性气体在下文进一步描述。
尽管本公开并不受限于任何特定的理论、或是操作机制，但应当理解，这些反应性气体分子可经由氧化、配位、或酸/碱化学过程以潜在地加快位于EUV暴露区域(在此示例中，是保留以在图案化膜的显影后形成掩模的区域)中的基于金属氧化物的EUV光致抗蚀剂的交联行为，同时有限地影响未暴露区域中的交联。替代性地或附加地，在一些情况下，所述反应性气体分子可促进将挥发性物质从基于金属氧化物的EUV光致抗蚀剂移除，从而进一步提高光致抗蚀剂的稳定性。
图1是根据各种实施方案所呈现的流程图。在操作101处，在衬底上沉积抗蚀剂。上面沉积了抗蚀剂的衬底通常包括下伏材料，所述下伏材料最终将会在对抗蚀剂进行图案化/显影之后被蚀刻。在多种实施方案中，上面沉积了抗蚀剂的衬底可以具有暴露的非晶形碳层、旋涂碳(SoC)层、旋涂玻璃(SoG)层、硅氧化物层、硅氮化物层、硅氮氧化物层、硅碳化物层、硅碳氧化物层等。在许多情况下，该暴露层是可灰化硬掩模(AHM)。在操作101中所沉积的抗蚀剂为基于金属氧化物的EUV光致抗蚀剂。所述沉积可通过湿式旋涂技术或干式基于气相的技术(例如，化学气相沉积(CVD)和/或原子层沉积(ALD))，其中的任一种技术可由热能、等离子体能量、或两者驱动。接着，在操作103处，将该衬底暴露于第一烘烤步骤中的热，该第一烘烤步骤经常被称作施加后烘烤(post-application bake：PAB)。在操作105处，将该衬底暴露于EUV辐射以将光致抗蚀剂图案化，从而形成该光致抗蚀剂的暴露区域以及未暴露区域。接着，在操作107处，将该衬底暴露于第二烘烤步骤中的热，该第二烘烤步骤经常被称作暴露后烘烤(post-exposure bake：PEB)。接着，在操作109处，将该光致抗蚀剂显影以选择性地移除该未暴露区域。在本文的各种实施方案中，在操作103的PAB期间和/或操作107的PEB期间可将大气(衬底暴露于该大气)进行控制。举例来说，在这些步骤期间可将衬底暴露于一或更多种反应性气体。各烘烤步骤在下文进一步描述。
1.施加后烘烤(PAB)
施加后烘烤是在将光致抗蚀剂沉积于衬底上之后且在将光致抗蚀剂暴露于用于图案化的EUV辐射之前执行。参见图1的操作103。可执行PAB以去除过量的溶剂(例如，在通过旋涂方法沉积抗蚀剂的情况下)、去除其他低分子量或其他挥发性物质、以及促进抗蚀剂内的期望交联程度。这些特征被操作以提高光致抗蚀剂的稳定性。举例来说，通过将在抗蚀剂内未接合或者仅松弛接合的低分子量或其他挥发性物质去除，可使含金属分子的释气(outgassing)减少至可接受的量(例如，<1E10分子/(cm2*月))。去除这些材料是有利的，原因在于它们可能会以其他方式污染下游的处理、装置和衬底。在PAB期间所实现的交联同样地会提高抗蚀剂的稳定性；然而，过多的交联可能会导致线宽的粗糙度提高。因此，在PAB期间可将交联控制在期望的程度。
在本文的各种实施方案中，在PAB期间可将衬底暴露于反应性气体。该反应性气体可促进低分子量或其他挥发性物质的去除。在各种实施方案中，在PAB期间被移除的低分子量物质可具有0个金属原子、1个金属原子、或2个金属原子。在一些情况下，所移除的低分子量物质可包括双金属物质。具有三或更多金属原子的分子通常具有相对较高的分子量且相对较不具挥发性，并且在PAB期间可能基本保留在抗蚀剂中。除了移除低分子量的物质之外，该反应性气体可促进抗蚀剂内的期望交联程度。由于这些特征的效果，在PAB期间使用反应性气体可助于稳定抗蚀剂。
示例性的处理装置和反应性气体在下文提供。在各种实施方案中，在PAB期间可将衬底暴露于这些反应性气体中的任何一或更多者。在特定示例中，在PAB期间可将衬底暴露于伴随有惰性气体的处理大气，该处理大气具有受控的氧气和/或湿气(例如，水蒸气)含量。在一些实施方案中，可使用合适的气体传感器和反馈机制，以确保将该处理大气的组成控制在期望范围内。
在多种实施方案中，在PAB期间可将一或更多个处理条件控制如下。可将衬底加热至介于约100-170℃的高温，在一些情况下例如介于约100-130℃。可将压强维持在介于约0.1-760Torr之间，在一些情况下例如介于约0.1-1Torr之间。可将衬底暴露于该高温介于约1-10分钟的持续时间，例如介于约2-5分钟之间。可使惰性气体以介于约10-10,000sccm的速率流入处理室中。在特定示例中，在PAB期间可控制处理室内的氧(例如，O2)浓度。在这些或其他实施方案中，在PAB期间可控制水(例如，H2O蒸气)的浓度。
在一些实施方案中，可省略PAB。在通过干式基于气相的技术而并非湿式旋涂技术以沉积抗蚀剂的情况下，PAB可能是不需要的，例如因为不存在将用于沉积光致抗蚀剂的过量溶剂移除的需求。然而，即使是通过干式基于气相的技术以沉积抗蚀剂的情况，执行PAB可有利于促进期望的交联程度、以及去除低分子量或其他挥发性物质，其中与利用湿式旋涂沉积技术相比，低分子量或其他挥发性物质对于干式基于气相的沉积技术可能是较大的问题。在一些实施方案中，PAB可以是常规的PAB。换言之，可以在不将衬底暴露于反应性气体物质的情况和/或在非受控的大气下进行PAB。在这种实施方案中，可以在暴露后的烘烤期间将衬底暴露于反应性气体物质，如在下文进一步描述的。
2.暴露后烘烤(PEB)
暴露后烘烤是在将抗蚀剂暴露于用于图案化的EUV辐射之后且在将光致抗蚀剂进行显影以去除光致抗蚀剂的未暴露部分之前执行。参见图1的操作107。可以执行PEB以用于若干目的，例如：1)用于驱使将在EUV暴露期间所产生的有机片段完全蒸发；2)用于将金属氢化物物质(在EUV暴露期间来自β-氢消除反应的其他产物)氧化成金属氢氧化物；以及3)用于促进邻近-OH基团之间的交联，并形成交联的金属氧化物网络。
烘烤温度被谨慎地选择以实现最佳的EUV光刻性能。过低的PEB温度将导致有机片段的不完全去除、以及不充足的交联、并因此在给定的剂量下具有用于显影的较少化学对比。过高的PEB温度也会具有不利的影响，包括在未暴露区域(在此示例中，为了形成掩模，此区域会由于图案化膜的显影而移除)中的剧烈氧化与膜收缩、以及在PR与下方层(underlayer：UL；通常为旋涂碳材料)之间的接口处的非期望交互扩散(interdiffusion)，这两者均会导致化学对比的减损、以及缺陷密度的增大(由于不可溶的浮渣)。将烘烤温度和烘烤时间作为唯一的调节钮(knob)往往使可调性和工艺窗十分受限。
如本文所述，在PEB处理期间对烘烤环境和反应性气体物质的导入的谨慎控制，提供了附加的化学调节纽以对交联处理进行微调。举例来说，由于烷基的减少与氢化物/氢氧化物成分的形成而使得该暴露区域倾向于比未暴露区域更具极性，因此在烘烤步骤期间存在像H2O2这样的具有极性和氧化性分子可促进暴露区域中金属氢化物的氧化。其他气体(例如在下文中的反应性气体章节中所描述的那些)还可经由氧化、酸/碱化学过程、配位化学过程和其组合来改变氢化物氧化以及氢氧化物交联反应的动力学。所述反应性气体可提供在受控的大气中，例如使用下文中的烘烤装置章节中所述的任何装置。所述反应性气体可以与例如N2、Ar、He、Ne、Kr、Xe等非反应性气体一起提供。在一些情况下，在PEB期间可在该大气中提供空气、或是干净的干空气。
用于在基于金属氧化物的EUV光致抗蚀剂材料中调整交联行为的动力学的能力提供较广的工艺窗，该较广的工艺窗通过使交互扩散及其他相关的缺陷形成机制最小化，以允许光刻性能的进一步优化。举例来说，如果反应性气体可有效率地降低烘烤温度的需求，则可减缓PR/UL界面处的交互扩散问题，从而将会有益于减少缺陷。
在某些实施方案中，在PEB期间可将一或更多个处理条件控制如下。可将衬底加热至介于约100-250℃之间的高温，在一些情况下例如介于约120-200℃之间。可将压强维持在介于约0.1-760Torr之间，在一些情况下例如介于约0.1-1Torr之间。可以将衬底暴露于该高温介于约1-10分钟之间的持续时间，例如介于约2-5分钟。可以使惰性气体以介于约10-10,000sccm的速率流入处理室中。在特定示例中，在PEB期间可控制处理室内的氧(例如，O2)浓度。在这些或其他实施方案中，在PEB期间可控制水(例如，H2O蒸气)的浓度。
在特定的实施方案中，在PEB期间可将衬底暴露于氨。在一些情况下，氨可以是在PEB期间唯一存在的反应性气体，然而在其他情况下，一或更多附加反应性气体可以与氨一起提供。在一些实施方案中，在大气压强下、或当处理室处于真空时，在介于约1-100毫托之间的分压下(在一些情况下介于1-10毫托之间)，可将氨以介于约0.001-5.0％(以体积计)之间的浓度，在一些情况下介于约0.001-0.5％(以体积计)之间的浓度提供。PEB的持续时间(和/或在PEB期间将衬底暴露于氨的持续时间)可以介于约5秒与约10分钟之间，在一些情况下介于约5秒与1分钟之间。在将衬底暴露于氨之后，可利用惰性气体清扫处理室。在各种实施方案中，惰性气体清扫的持续时间可与将衬底暴露于氨的持续时间一样长、或较长。这些步骤可促进M-OH缩合(condensation)/交联的碱性催化，从而使得相对较高分子量的、较低挥发性的物质形成，因而形成如上所述较稳定的光致抗蚀剂膜。这些步骤还可使已暴露于EUV辐射(或其他类型的光刻图案化辐射)的膜区域变得坚固且密实，并可以在比以其他方式达到相同膜性质所需的温度更低的烘烤温度下实现这些功效。在一些实施方案中，在PAB期间可使用这些相同的反应条件。在一些情况下，在PAB和/或PEB期间可使用这些相同的反应条件，以及本文中所述的替代性或附加反应性气体，包括但不限于其他挥发性胺类，例如甲胺、二甲胺、三甲胺、乙胺、二乙胺、三乙胺、吡啶等。
在一些实施方案中，PEB可以是常规的PEB。换言之，可以在不将任何反应性气体提供至衬底的情况下和/或在非受控的大气下进行PEB。在这种情况下，可在PAB期间将一或更多种反应性气体提供至衬底。
3.反应性气体
在本文的各种实施方案中，在光致抗蚀剂的烘烤操作期间，可将衬底暴露于一或更多种反应性气体。如上所述，所述反应性气体可促进期望的交联程度、促进低分子量或其他挥发性物质的去除和/或使光致抗蚀剂稳定。
可使用多种不同的反应性气体。实用反应性气体的示例包括水(H2O)、氢(H2)、氧(O2)、臭氧(O3)、过氧化氢(H2O2)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、氨(NH3)、一氧化二氮(N2O)、一氧化氮(NO)、甲胺(CH3NH2)、二甲胺((CH3)2NH)、三甲胺(N(CH3)3)、乙胺(CH3CH2NH2)、二乙胺((CH3CH2)2NH)、三乙胺(N(CH2CH3)3)、醇(CnH2n+1OH，包括但不限于甲醇、乙醇、丙醇和丁醇)、乙酰丙酮(CH3COCH2COCH3)、甲酸(HCOOH)、草酰氯((COCl)2)、羧酸(CnH2n+1COOH)和其他小分子胺(NR1R2R3，其中R1、R2、与R3中的每一者独立选自氢、羟基、脂肪族、卤代脂肪族(haloaliphatic)、卤代杂脂肪族(haloheteroaliphatic)、杂脂肪族(heteroaliphatic)、芳香族、脂肪-芳香族(aliphatic-aromatic)、杂脂肪-芳香族(heteroaliphatic-aromatic)、或其任何组合)等。还可使用这些反应性气体的取代形式。在一些情况下，在光致抗蚀剂的烘烤操作期间可将衬底暴露于两种或更多种反应性气体。
反应性气体可经由氧化、配位、或酸/碱化学过程而与光致抗蚀剂交互作用。在PEB操作期间将反应性气体进行输送的一些情况下，反应性气体可优先地与已暴露于EUV辐射的区域中的光致抗蚀剂交互作用。这种优先的交互作用可由于在EUV暴露期间发生的化学变化(例如，在该光致抗蚀剂中烷基的减少)而引起。
在PAB和/或PEB期间将衬底暴露于反应性气体之后，可将在其中处理衬底的室进行抽排和/或例如利用惰性气体进行清扫。在一些情况下，惰性气体清扫的持续时间可至少与将衬底暴露于反应性气体的持续时间一样长。
4.温度升降
在一些实施方案中，在烘烤步骤期间可控制衬底温度变化的速率。在一些情况下，急速加热与冷却可能会产生问题。通过控制衬底温度的上升或下降的速率，可避免与急速加热及冷却相关的问题。此外，可控制烘烤温度上升和/或下降的速率，以微调抗蚀剂中的交联行为。
5.烘烤装置
本文中所述的烘烤操作可在各种不同类型的处理装置上进行。在一些情况下，处理装置可具有与周边环境隔绝的封闭室。在其他情况下，处理装置可具有未与周边环境隔绝的开放室。在使用开放室的某些情况下，可在轨道上处理衬底，其中该轨道可连续地、或非连续地进行操作。一般而言，封闭室提供对处理气氛的较佳控制，并提供与具潜在危害性的反应化学品相关的附加安全性。然而，开放室在一些情况下会是优选的，例如，在大量生产以及使用非危害性化学品的情况下。
室可配备用于提供所需处理气氛的一或更多个入口。所需处理气氛可以包括如上所述的一或更多种反应性气体。因此，所述入口可以与反应性气体源流体连接。反应性气体可以从该反应性气体源流动、通过气体输送管线、经过所述入口、并进入该室中。在相关温度下反应性气体为液体的情况下，可将反应性气体以液体进行储存，并接着在输送至气体输送管线/入口/室之前汽化。除此之外，在某些实现方案中，可将空气和/或惰性气体(例如，N2、Ar、He、Ne、Kr、Xe等)提供至该处理气氛中。这些空气和/或惰性气体同样地可从气体源流动、通过气体输送管线、经过入口、并且进入该室中。在一些情况下，该处理气氛可以是无空气(air-free)的。
该室还可配备有用于从该室移除材料的一或更多个出口。所述出口可以与真空源流体连接，以允许主动地将气态物质从该室移除。真空连接的出口可在封闭室和开放室两者中使用。当在封闭室中使用时，真空连接的出口可在次大气压(sub-atmosphericpressure)下进行处理。在处理室是开放室(不与周边隔绝)的情况下，所述出口可以是任何路径，其中气体可通过所述路径而被动地从该室逸出。
如上所述，在某些实施方案中，可在烘烤步骤期间控制室内的气氛。在一些情况下，在烘烤步骤期间可主动地控制反应性气体(例如，氧和/或水和/或本文所述的任何其他反应性气体)的浓度。除了上述的入口和出口之外，该室可进一步配备有传感器(例如，残余气体分析器、傅立叶变换红外光谱传感器等)，以监测室中的气氛组成。这些传感器可用于提供反馈以主动地控制烘烤气氛的组成。
为了对光致抗蚀剂进行烘烤，将该室配备一或更多加热元件，所述加热元件被配置成加热衬底。所述加热元件可从上方和/或从下方对衬底加热。所述加热元件可以加热衬底的前侧(例如，半导体设备/结构所形成处)和/或衬底的背侧。各种不同类型的加热元件可独立地、或彼此结合地使用。示例性加热元件可包括加热的衬底支撑件(例如，基座、卡盘等)以及例如红外灯和/或紫外灯之类的辐射源。
在一些实施方案中，该室可配备一或更多冷却元件，所述冷却元件被配置成冷却衬底。举例来说，可将衬底支撑件配置成冷却衬底。在一实施方案中，衬底支撑件可包括冷却通道，其中热交换流体流经所述冷却通道，从而冷却衬底。如特定应用所需求的，可使用其他的热交换硬件。在烘烤操作之后，冷却元件对于控制衬底冷却的速率会是特别有用的。
该室还可配备温度传感器，其用于在烘烤操作期间监测衬底和/或衬底支撑件的温度。在一示例中，该室包括用于在烘烤期间测量衬底表面的温度的高温计(pyrometer)。可将来自高温计或其他温度传感器的温度测量值使用作为反馈，以在烘烤期间主动地控制衬底的温度。
图2是根据一实施方案而呈现的处理室200的简化视图。在此示例中，处理室200为具有可控制气氛的封闭室。衬底201可设置在衬底支撑件202上，其中该衬底支撑件202还可对该衬底进行加热和/或冷却。在一些情况下，可提供替代性或附加的加热与冷却元件。处理气体通过入口203进入该处理室200。材料通过出口204而从处理室200去除，其中该出口204可连接至真空源(未显示)。处理室200的操作可由控制器206控制，其在下文进一步讨论。此外，传感器205可例如提供用于监测处理室200内的温度和/或气氛的组成。通过控制器206，可将来自传感器205的读数使用于主动反馈回路中。
在其中进行烘烤的室可以以多种方式进行配置。在一些实施方案中，该室与将光致抗蚀剂进行沉积所使用的室相同和/或与将光致抗蚀剂暴露于EUV辐射所使用的室相同和/或与将光致抗蚀剂显影所使用的室相同。在一些实施方案中，该室是专用的烘烤室，而不使用于例如沉积、蚀刻、EUV暴露、或光致抗蚀剂显影之类的其他处理。该室可以是独立运作的室、或可将其整合至较大型的处理工具，例如将光致抗蚀剂进行沉积所使用的沉积工具、将光致抗蚀剂暴露于EUV辐射所使用的EUV暴露工具和/或将光致抗蚀剂显影所使用的显影工具。如特定应用所需求的，用于烘烤的室可与这些工具中的任何一或更多者结合。
该室还可配备控制器。在一些实现方案中，控制器是系统的一部分，该系统可以是上述示例的一部分。这样的系统可以包括半导体处理设备，半导体处理设备包括一个或多个处理工具、一个或多个室、用于处理的一个或多个平台、和/或特定处理部件(晶片基座、气体流系统等)。这些系统可以与用于在半导体晶片或衬底的处理之前、期间和之后控制它们的操作的电子器件集成。电子器件可以被称为“控制器”，其可以控制一个或多个系统的各种部件或子部件。根据处理要求和/或系统类型，控制器可以被编程以控制本文公开的任何处理，包括处理气体的输送、温度设置(例如加热和/或冷却)、压力设置、真空设置、功率设置、射频(RF)产生器设置、RF匹配电路设置、频率设置、流率设置、流体输送设置、位置和操作设置、晶片转移进出工具和其他转移工具和/或与具体系统连接或通过接口连接的装载锁。
概括地说，控制器可以定义为电子器件，电子器件具有接收指令、发出指令、控制操作、启用清洁操作、启用端点测量等的各种集成电路、逻辑、存储器和/或软件。集成电路可以包括存储程序指令的固件形式的芯片、数字信号处理器(DSP)、定义为专用集成电路(ASIC)的芯片、和/或一个或多个微处理器、或执行程序指令(例如，软件)的微控制器。程序指令可以是以各种单独设置(或程序文件)的形式发送到控制器的指令，单独设置(或程序文件)定义用于在半导体晶片或系统上或针对半导体晶片或系统执行特定处理的操作参数。在一些实施方案中，操作参数可以是由工艺工程师定义的配方的一部分，以在一或多个(种)层、材料、金属、氧化物、硅、二氧化硅、表面、电路和/或晶片的管芯的制造期间完成一个或多个处理步骤。
在一些实现方案中，控制器可以是与系统集成、耦合到系统、以其它方式联网到系统或其组合的计算机的一部分或耦合到该计算机。例如，控制器可以在“云”中或是晶片厂(fab)主机系统的全部或一部分，其可以允许对晶片处理的远程访问。计算机可以实现对系统的远程访问以监视制造操作的当前进展、检查过去制造操作的历史、检查多个制造操作的趋势或性能标准，改变当前处理的参数、设置处理步骤以跟随当前的处理、或者开始新的处理。在一些示例中，远程计算机(例如服务器)可以通过网络(其可以包括本地网络或因特网)向系统提供处理配方。远程计算机可以包括使得能够输入或编程参数和/或设置的用户界面，然后将该参数和/或设置从远程计算机发送到系统。在一些示例中，控制器接收数据形式的指令，其指定在一个或多个操作期间要执行的每个处理步骤的参数。应当理解，参数可以特定于要执行的处理的类型和工具的类型，控制器被配置为与该工具接口或控制该工具。因此，如上所述，控制器可以是例如通过包括联网在一起并朝着共同目的(例如本文所述的处理和控制)工作的一个或多个分立的控制器而呈分布式。用于这种目的的分布式控制器的示例是在与远程(例如在平台级或作为远程计算机的一部分)的一个或多个集成电路通信的室上的一个或多个集成电路，其组合以控制在室上的处理。
示例系统可以包括但不限于等离子体蚀刻室或模块、沉积室或模块、旋转漂洗室或模块、金属电镀室或模块、清洁室或模块、倒角边缘蚀刻室或模块、物理气相沉积(PVD)室或模块、化学气相沉积(CVD)室或模块、原子层沉积(ALD)室或模块、原子层蚀刻(ALE)室或模块、离子注入室或模块、轨道室或模块、以及可以与半导体晶片的制造和/或制备相关联或用于半导体晶片的制造和/或制备的任何其它半导体处理系统。
如上所述，根据将由工具执行的一个或多个处理步骤，控制器可以与一个或多个其他工具电路或模块、其它工具部件、群集工具、其他工具接口、相邻工具、邻近工具、位于整个工厂中的工具、主计算机、另一控制器、或在将晶片容器往返半导体制造工厂中的工具位置和/或装载口运输的材料运输中使用的工具通信。
结论
公开了用于增强含金属EUV抗蚀剂的EUV光刻性能的烘烤策略。
应当理解，本文所述的示例及实施方案仅仅是为了说明的目的，且会将鉴于这些示例及实施方案的各种修改或变化建议给本领域技术人员。虽然为了清楚起见而已省略各种细节，但可实施各种设计的替代方案。因此，所呈现的示例被视为说明性而非限制性的，且本公开并不受限于本文所给出的细节，而是可在本公开的范围内进行修改。

Claims (45)

1.一种烘烤衬底上的光致抗蚀剂层的方法，所述方法包括：
将所述衬底接收在处理室中，所述衬底包括位于其上方的所述光致抗蚀剂层，其中所述光致抗蚀剂层包括含金属光致抗蚀剂材料；
使反应性气体物质从气体源流动、通过气体输送管线、进入所述处理室中，以及将所述衬底暴露于所述处理室中的所述反应性气体物质；以及
当将所述衬底暴露于所述反应性气体物质时，对所述光致抗蚀剂层进行烘烤。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述光致抗蚀剂层包括极紫外(EUV)光致抗蚀剂材料。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述反应性气体物质包括气体，所述气体选自由：水、氢、氧、臭氧、过氧化氢、一氧化碳、二氧化碳、氨、一氧化二氮、一氧化氮、醇、乙酰丙酮、甲酸、草酰氯、吡啶、羧酸、胺和其组合所构成的群组。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述反应性气体物质包括所述水。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述反应性气体物质包括所述氢。
6.根据权利要求3所述的方法，其中所述反应性气体物质包括所述氧。
7.根据权利要求3所述的方法，其中所述反应性气体物质包括所述臭氧。
8.根据权利要求3所述的方法，其中所述反应性气体物质包括所述过氧化氢。
9.根据权利要求3所述的方法，其中所述反应性气体物质包括所述一氧化碳。
10.根据权利要求3所述的方法，其中所述反应性气体物质包括所述二氧化碳。
11.根据权利要求3所述的方法，其中所述反应性气体物质包括所述氨。
12.根据权利要求11所述的方法，其中对所述光致抗蚀剂层进行烘烤发生在已将所述光致抗蚀剂层暴露于EUV辐射以对所述光致抗蚀剂层图案化之后，且其中满足下列条件中的一者：
(i)当对所述光致抗蚀剂层进行烘烤时，所述处理室被维持在大气压强下，且所述氨以介于约0.001-5％(以体积计)之间的浓度提供，或者
(ii)当对所述光致抗蚀剂层进行烘烤时，所述处理室被维持在次大气压强下，且所述氨以介于约1-100毫托之间的分压提供。
13.根据权利要求3所述的方法，其中所述反应性气体物质包括所述一氧化二氮和/或所述一氧化氮。
14.根据权利要求3所述的方法，其中所述反应性气体物质包括所述醇。
15.根据权利要求3所述的方法，其中所述反应性气体物质包括所述乙酰丙酮。
16.根据权利要求3所述的方法，其中所述反应性气体物质包括所述甲酸。
17.根据权利要求3所述的方法，其中所述反应性气体物质包括所述草酰氯。
18.根据权利要求3所述的方法，其中所述反应性气体物质包括所述羧酸。
19.根据权利要求3所述的方法，其中所述反应性气体物质包括所述胺。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述胺包括甲胺、二甲胺和/或三甲胺。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述胺包括乙胺、二乙胺和/或三乙胺。
22.根据权利要求2至21中任一项所述的方法，其中所述反应性气体物质是氧化性的。
23.根据权利要求2至22中任一项所述的方法，其中所述反应性气体物质是极性的。
24.根据权利要求2至23中任一项所述的方法，其中将所述衬底暴露于所述反应性气体物质促进所述光致抗蚀剂层内的交联。
25.根据权利要求2至24中任一项所述的方法，其中将所述衬底暴露于所述反应性气体物质提高所述光致抗蚀剂层的稳定性。
26.根据权利要求2至25中任一项所述的方法，其中将所述衬底暴露于所述反应性气体物质促进去除所述光致抗蚀剂层中的低分子量物质。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述低分子量物质是每分子包括0、1、或2个金属原子。
28.根据权利要求2至27中任一项所述的方法，其中将所述衬底暴露于所述反应性气体物质将所述光致抗蚀剂层中的金属氢化物物质氧化成金属氢氧化物物质。
29.根据权利要求2至28中任一项所述的方法，其还包括当对所述光致抗蚀剂层进行烘烤时，施加真空至所述处理室。
30.根据权利要求2至29中任一项所述的方法，其还包括当对所述光致抗蚀剂层进行烘烤时，控制所述处理室中的水浓度以使其保持在目标水浓度范围内。
31.根据权利要求2至30中任一项所述的方法，其还包括当对所述光致抗蚀剂层进行烘烤时，控制所述处理室中的氧浓度以使其保持在目标氧浓度范围内。
32.根据权利要求2至31中任一项所述的方法，其中当对所述光致抗蚀剂层进行烘烤时，将所述处理室维持在等于或低于大气压强下。
33.根据权利要求32所述的方法，其中当对所述光致抗蚀剂层进行烘烤时，将所述处理室维持在低于大气压强下。
34.根据权利要求2至33中任一项所述的方法，其还包括当对所述光致抗蚀剂层进行烘烤时，提高衬底支撑件的温度，其中所述衬底被设置在所述衬底支撑件上。
35.根据权利要求2至34中任一项所述的方法，其还包括当对所述光致抗蚀剂层进行烘烤时，降低衬底支撑件的温度，其中所述衬底被设置在所述衬底支撑件上。
36.根据权利要求2至35中任一项所述的方法，其还包括控制所述反应性气体物质进入所述处理室的流动，以实现目标交联程度。
37.根据权利要求2至36中任一项所述的方法，其中对所述光致抗蚀剂层进行烘烤包括在加热板上将所述衬底加热。
38.根据权利要求2至37中任一项所述的方法，其中对所述光致抗蚀剂层进行烘烤包括将所述衬底暴露于红外辐射和/或紫外辐射。
39.根据权利要求2至38中任一项所述的方法，其中对所述光致抗蚀剂层进行烘烤包括从上方将所述衬底加热。
40.根据权利要求2至39中任一项所述的方法，其中对所述光致抗蚀剂层进行烘烤包括从下方将所述衬底加热。
41.根据权利要求2至40中任一项所述的方法，其中已将所述光致抗蚀剂层施加至所述衬底但尚未进行图案化，而所述烘烤为施加后烘烤(PAB)。
42.根据权利要求2至41中任一项所述的方法，其中已将所述光致抗蚀剂层施加至所述衬底并且通过部分暴露于EUV辐射而进行图案化，以产生所述光致抗蚀剂层的暴露和未暴露区域，而所述烘烤为暴露后烘烤(PEB)。
43.根据权利要求42所述的方法，其中所述反应性气体物质包括极性且氧化性的分子。
44.根据权利要求43所述的方法，其中所述反应性气体物质包括过氧化氢。
45.一种用于烘烤衬底上的光致抗蚀剂层的装置，所述装置包括：
处理室；
入口，其用于将反应性气体物质导入至所述处理室；
出口，其用于将材料从所述处理室移除；
衬底支撑件，其位于所述处理室内；
加热器，其被配置成通过传导、对流和/或辐射而加热所述衬底；以及
控制器，其具有至少一个处理器，其中所述至少一个处理器被配置成控制所述装置，以进行根据权利要求1至44中任何一种所述的方法。
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