TW535213B - Method of designing photosensitive composition and lithography process - Google Patents

Description

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發明背景 本發明有關於一種設計感光合成物之方法及一種微影製 程，尤其是關於一種設計含有生酸劑的感光合成物之方法， 及一種使用此感光合成物之微影製程。 在製造半導體元件的製程中，感光合成物（所謂的光阻劑）

以一種微影處理而圖型化，且利用此感光合成物之圖型作 為光罩而進行姓刻。 根據最近头;年精密半導體元件的需求，縮短曝光照射的 波長已在微影處理的圖型曝光中進行，因此，除了目前所用 的KrF激兀雷射光之微影外，使用八斤、h、Euv、X射線、帶 裝 電粒子束如電子束等作為曝光照射的微影製程已經提出。 另一方面，為了增加圖型曝光的生產率，一種具有較高靈敏 度的化學放大式感光合成物已經使用於曝光照射的微影製 程中。 化學放大式感光合成物含有一種生酸劑，能在曝光照射

線 下產生一種酸，因為在曝光照射下感光合成物中出現酸，所 、在負f生开^怨的感光合成物中進行交聯反應，在正性形態 的感光合成物中進行分解反應，結果以较低的曝光劑量^ 成圖型曝光。 同時，當感光合成物的靈敏度增強時，對一曝光區域的曝 光照㈣量則降低。舉個例子，圖8示出電子束微影中的曝 光劑量與曝光區域中照射粒子間平均距離之間的關係，如 圖所不，曝光區域中曝光粒子間的平均距離隨著曝光劑量 的降低d敏度增強）而增加，且看出在圖型曝料曝光區 -5- 535213 A7 B7 五、發明説明（ 域中曝光粒子的統計性擴散隨著感光合成物靈敏度的增加 而變大，當目前電子束微影中所實現的靈敏度（曝光劑量5 μσαττ)提咼到不高於1 pC/cm1 2的較高靈敏度時就更為顯著。 此外，在生酸的效率相對於入射電子（曝光粒子）為低之處， 酸之間的平均距離因此增大，促成感光合成物反應的酸其 出現位置的統計性擴散也擴大。 已知在曝光區域中曝光粒子統計性擴散因此擴大之處， 以微影形成的光阻圖型其末端部位的邊緣粗糙度因曝光粒 子的統計性擴散而增加，如Joumal 〇f Vacuum Seienee and

Technology，B17[6] (1999-11，12)(USA)中 Artide 1 (Wolfgang Henke and Michael Torkler，p.3112-3118)之所述。此亦適用於上述化學 放大式感光合成物，邊緣粗糙度的增加使感光合成物的解 析度降低。 發明概要 因此本發明之一目的在提供一種設計化學放大式感光合 成物的方法，能形成一具有充分解析度的圖型，與感光合成 物的靈敏度無關，甚至靈敏度從此更加提高，並提供一種使 用此化學放大式感光合成物的微影製程。 為了達到上述目的，根據本發明設計感光合成物之方法 為一種設計含有生酸劑的化學放大式感光合成物的方法， 其程序特徵如下：首先，在感光合成物的圖型曝光時，感光 合成物的曝光區域中曝光粒子之間的平均距離基於感光合 成物所需的靈敏度而計算。其次，感光合成物的組成設定成 使圖型曝光時生酸劑所生之酸的擴散長度的平均值大於曝 1 -6· 2 T紙張尺度適财@ S家標準(CNS) A4規格(210 X 297公爱） ^ 535213 A7

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其次’微影條件例如在圖型曝光之前及之後的感光合成物 的加熱條件，具體上即加熱溫度、加熱時間、加熱氣壓等都 叹足使圖型曝光時生酸劑所生之酸的擴散長度的平均值大 於曝光粒子之間所計算的平均距離。 根據這種彳政影製程，在圖型曝光之前及之後的感光合成 物的加熱溫度條件設定成使圖型曝光時感光合成物中生酸 Μ所生之酸的擴散長度大於曝光粒子之間的平均距離。因 此在感光合成物中，圖型曝光所產生的酸擴散到一廣大範圍 超過曝光粒子之間的平均距離，因此即使圖型曝光以低曝 光劑量進行，曝光區域中曝光粒子的統計性擴散很大，但此 種擴散被酸的擴散所減緩。 根據本發明另一種微影製程，其中計算圖型曝光時生酸 劑所生之酸之間的平均距離，微影條件設定成使感光合成 物中酸的擴散長度的平均值大於所計算的平均距離。根據 這種彳政影製程，在感光合成物中，圖型曝光所產生的酸擴散 到一廣大範圍超過酸之間的平均距離，因此即使圖型曝光 以低曝光W畺進行，曝光區域中曝光粒子的統計性擴散很 大，即酸產生之統計性擴散很大，但此種擴散被酸的擴散所 減緩。此外，根據這種微影製程，各種條件設定使酸的擴散 長度超過酸之間的平均距離，因此即使生酸的效率相對於 曝光粒子為低，促成感光合成物反應的酸的統計性擴散則 確實減緩。 本發明上述及其他目的、特色與優點隨著後面的說明及 所附的申請專利範圍，配合附圖之展示本發明幾個優選實 -8 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐) 535213 A7 B7 五、發明説明（ 施例，將更加清楚。 圖式簡述 圖1之圖示出曝光粒子之間的平均距離的計算； 圖2之圖示出酸的擴散長度與感光合成物的曝光區域中光 阻圖型邊緣粗糙度之間的關係； 圖3之圖示出微影中烘烤前（pb)溫度與準射束外型之模糊 之間的關係， 圖4A與4B之圖示出兩次曝光以獲致準射束外型； 圖5之圖示出一光阻圖型的邊緣粗糙度； 圖6之圖示出各光阻圖型的邊緣粗糙度與線寬之間的關係； 圖7之圖不出微影中烘烤前(PB)溫度與準射束外型之模糊 之間的關係；及 圖8之圖示出曝光劑量與曝光粒子（電子）間平均距離之間 的關係。 較佳實施例詳述 現在參考圖式說明本發明各實施例。下面的實施例中，電

子束微影是假設使用電子束作為曝光輻射線，首先說明S 於電子束微影的設計感光合成物的方法實施例，然後說明 電子束微影製程之實施例。當然，本發明不限定於電子束微 影的感光合成物及電子束微影製程，而可以適用於對應各

種曝光輻射線的感光合成物以及使用感光合成物的各種 影製程。 U

[設計感光合成物的方法] 首先，訂出感光合成物的靈敏度作為設計目標，這裡比方 -9- 535213 A7 B7

說，感光合成物的靈敏度ϋ訂為D = 0.1 MC/cm2。 /、人°十圖型曝光時感光合成物中曝光粒子之間的平 均距離或酸之間的平均距離，此處「爆光粒子」一詞意即 曝光輻射線之粒子，具體而言，在曝光輻射線為電子束時即 為電子，在曝光輻射線為光時即為光子，在曝光輻射線為離 子束時即為離子。此外，「曝光粒子之間的平均距離」意即 曝光區域中曝光粒子之間的間隔，當各感光合成物以感光 合成物靈敏度的最佳曝光劑量之曝光輻射線照射時。此外， 「酸之間的平均距離」意即圖型曝光時曝光區域中所產生 《酸之間的平均距離；此處之生酸效率相對於入射的曝光 粒子是小於1，酸之間的平均距離大於曝光粒子之間的平均 距離，有效的曝光劑量則降低。因此，當生酸效率較低時， 所生之酸的平均間隔較大。 這裡對一靈敏度D的感光合成物曝光時，感光合成物中一 曝光粒子所佔的面積s以下面的式子⑴表示，其中e為基本電 荷。此外，比方說，當入射一曝光粒子所生之酸只有〇 5 piece 時’下面式子⑴中的曝光劑量D成為〇.5D。 S = e [C] / D [pC/cm2] = 1.6χ 10'19[C]/Dx ΙΟ-2 [C/m2] =16 xlO-18 / D [m2/piece] = 16/D [nm2/piece] ...(1) 此外，比方說，如圖1所示，假設曝光粒子1置於六邊形的 中央，使曝光粒子1緊密填裝於曝光區域中，在曝光粒子之 間的平均距離為d時，區域S的面積如下面式子⑺所示，這裡 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 535213 A7 _____B7 五、發明説明（7 ) 當曝光區域中所生之酸之間的平均距離待計算時，平均距 離d即之間的平均距離。 S = 6x(l/2)x(d/2)x(d/，3) …(2) 此外’由上面的式子⑴與（2)，曝光粒子之間的平均距離d 以下面式子（3)計算。 16/D = 6 X (1/2) X (d/2) X (d/，3) d = /~{32/(D，3)} ...(3) 由式子（3)，當靈敏度1) = αι pC/cm2時，計算曝光粒子之間 的平均距離d = 13.6 nm。比較一下，當靈敏度D = 1〇 MC/cm2時 ，计异曝光粒子之間的平均距離d = 14 nm。因此可見當靈敏 度D町得較鬲時，曝光粒子之間的平均距離d較大，且曝光粒 子出現及感光合成物曝光所生之酸的擴散也較大。 基於靈敏度D = 0.1 pc/cm2而決定曝光區域中曝光粒子之間 的平均距離d = 13.6 nm之後，感光合成物的組成基於平均距 離d而設定。此例中，重要的是感光合成物的組成設定成使 生酸劑所生之酸的擴散長度的平均值大於計算的平均距離0 。當計算上面平均距離(1為曝光區域中所生之酸之間的平均 距離時，感光合成物的組成設定成使生酸劑所生之酸的擴 散長度的平均值大於計算的平均距離d。 關於酸的擴散長度，考慮微影實際形成的圖型間隔而設 疋一上限，在大於平均距離4的範圍中。當圖型間隔較小時 ，上限設定為較低，例如在製造半導體元件的微影製程中， 上限是根據最小的圖型間隔而設定。 而且，在使用感光合成物的微影加熱步驟中考慮溫度的 -11 - 本紙張尺度適财g s家標準(CNJS) A4規格(2i〇x297公爱)

8 五、發明説明（ 設定，感A合成物的組成$定成㊉酸的擴散長度以溫度的 口又毛而貝現。又走感光合成物的組成時，例如可以選擇生酸 劑的種類，或者可以控制構成感光合.成物的基本樹脂分子 量的擴散度，因而實現上面設定的酸之擴散長度。 根據這種設計方法，感光合成物設定成使生酸劑所生之 酸的擴散長度大於曝光粒子之間的平均距離d = 13.6麵。因 此在感光合成物中，當圖型曝光以設定的靈敏度D = 〇1 MC/cm2之曝光劑量進行時，曝光區域中所生之酸擴散成一廣 大範圍超過曝光粒子之間平均距離d = 13 6 nm。 因此，即使進行圖型曝光，感光合成物增加靈敏度使靈敏 度D - 0.1 pC/cm，且曝光區域中曝光粒子的統計性擴散很大 ’但酸擴散成一廣大範圍超過曝光粒子之間平均距離，因而 S艾與感光合成物的反應（交連反應或分解反應）亦在擴散區域 發生，結果在曝光區域的終端部位，因曝光粒子的統計性擴 散而產生的邊緣粗糙度就得以減緩。 此外’當計异圖型曝光時生酸劑所生之酸之間的平均距 '離時，且感光合成物的組成設定使酸的擴散長度超過計算的 平均距離時’邊緣粗糙度亦以相同方式而得以減緩。特別是 在此例中，即使生酸效率相對於曝光粒子為低，促成感光合 成物反應的酸的統計性擴散則減緩，邊緣粗糙度的減緩則 確實達成。 此處「邊緣粗糙度」一詞意即以微影形成的感光合成物 圖型（所謂光阻圖型）邊緣部位的凹陷及突起程度，其表示法 比方說以光阻圖型各分割區域中最大與最小的線寬差異的 -12- 本紙張尺度適财g S家標準(CNS) A视格(21GX 297公釐) " — 535213 A7 B7 五、發明説明（9 ) 平均值表示。邊緣粗糙度是一種靈敏度之值，反映微影條件 良好複製性的變化，與解析度具線性關係。因此邊緣粗糙度 之減緩可以達成代表感光合成物的解析度得以確保且增加。 結果，如上述設計感光合成物，可以獲致具有高解析度的 感光合成物，不論是否為高靈敏度。 圖2示出酸的擴散長度與邊緣粗糙度之間的關係。如圖所 示之線寬100 nm (100 nm Iso)的隔離圖型，可見當酸的擴散長 度越大時’邊緣粗糙度就越小，圖中顯示感光合成物中曝光 粒子出現的統計性擴散因酸的擴散而減緩。因此，設計感光 合成物使酸的擴散長度大於曝光粒子之間的平均距離（例如 ’當靈敏度D = 0.1 pC/cm2，d = 13.6 nm)，如此種設計方法， 則可保證曝光所生之酸擴散範圍超過曝光粒子之間的平均 距離，於是因上述擴散而形成的邊緣粗糙度即得以徹底減 緩。 另一方面，如圖所示之LS圖型，包含三條並肩排列的線圖 (100 nm三條線L/S)，可見LS圖型的邊緣粗糙度相對於酸的擴 散長度有一最小值，這是因為在形成LS圖型之微影中，酸從 ㉝近圖型擴散的影響。因此，設計感光合成物而用在如半導 體元件的LS圖型之形成時，對酸的擴散長度設定一上限，使 邊緣粗糙度落在最小值的附近。 圖2所示的邊緣粗糙度與酸的擴散長度之間的關係以下述 方式得到。這裡的說明是採取獲得邊緣粗糙度與關於隔離 圖型的酸擴散長度之間的關係，但這同樣適用於[§圖型的情 況。 -13- ¥紙張尺度適用中國國家標準(CNS) 297公_^------ 535213 A7 B7 五、發明説明（ ） 10 首先，如圖3所示，根據邊緣粗糙度評估方法（ERE方法）計 算準射束外型（quasi beam profile，QBP)之射束模糊量（污染是因 為酸的擴散長度變化所致），在曰本專利申請案平成11-265076 號中有所說明。這裡「準射束外型」一詞意即一準射束外 型（曝光照射之強度分佈）包含所有影響微影精確度之因素 (即微影因素）所造成的模糊，且自然包含酸之擴散所造成的 模糊。準射束外型為一種靈敏反映邊緣粗糙度之值。 這裡，以微影形成一圖型，其中烘烤前(PB)溫度為一種控 制酸之擴散長度的因素，於是因酸之擴散長度而產生的模 糊量有所變化。亦即當PB溫度升高時，一種殘餘溶劑（酸經 過其中而擴散）即蒸發，於是酸擴散長度即縮短。另一方面 ，當PB溫度降低時，因光阻劑分子量的擴散比例而造成的酸 擴散長度之變化主導殘餘溶劑的量（酸經過其中而擴散），酸 擴散長度則飽和。 在此種微影中，使用一種化學放大式負性光阻劑NEB22 (Sumitomo Chemical Co·，Ltd.的產品）作為感光合成物，感光合 成物則塗敷於一基片上，所塗厚度為250 nm。感光合成物先 接受PB之每一溫度120秒。 塗到晶圓的光阻劑接受雙曝光，例如使用一種電子束繪 圖式的曝光裝置HL800D (Hitachi Ltd.的產品）。即例如以曝光 劑量10 pC/cm2的曝光繪出設計線寬100 nm的線圖型，然後例 如以線圖型為中心進行整個區域範圍65 μηι X 65 μπι的曝光。 此種雙曝光以整個區域的曝光劑量為因素而重覆進行。 因此以整個區域的曝光劑量D為因素而進行雙曝光，於是 ___-14-_ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐） 535213 A7 B7 五、發明説明（u ) " '~—- 如圖4A及4B所示，當維持曝光照射的強度分佈（即在隔離線 曝^中的射束側面的時，臨界值几相同於射束倒㈣而變化 。「射束側面」一詞意即所謂的準射束外型p包含所有影響 微影精確度的因素（即微影因素）所造成的變化。可能提到的 微影因素例如，曝光系統、感光合成物的種類、光阻製程、 顯影條件、光罩的退化度、感光合成物中酸的擴散長度等。 如上述雙曝光之後，在丨⑽它進行曝光後烘烤（pEB)12〇秒， 且進行一顯影處理，於是形成各光阻圖型。然後，對每一如 此形成的光阻圖型量度邊緣粗糙度及線寬。這裡提出一量 度邊緣粗糙度的例子，如圖5所示，光阻圖型丨丨邊緣部位 的750 nm區域分成32段，計算每一分區中邊緣平均位置與一 最小正方直線的擴散(3 cr )，作為邊緣粗糙度3 σ。 其次，如圖6所示，一高斯函數（圖中虛線）配合邊緣粗糙 度3 σ及線寬W而畫出。此例中，使用高斯函數的擴散度（標 準偏差σ)作為參數而進行畫線，計算所繪高斯函數的標準 偏差σ (例如σ = 73腿）作為準射束外型的模糊a，以ΡΒ溫度為 因素對各微影計算模糊a。 另一方面，如圖3所示，所有其他非因酸之擴散長度之因 素所產生的模糊b則以經驗或模擬而定出。其他模糊b相當於 擴散長度-0時準射束外型的射束模糊量。然後，在酸擴散 長度造成模糊變化（即PB溫度）之下，自準射束外型的射束模 糊量a減掉其他模糊b而得到[/(a2七2)]之值，作為酸擴散長度 所影響的模糊，亦即酸擴散長度。 然後，對各光阻圖型所量的邊緣粗糙度對應於酸擴散長 -15- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 535213 A7 B7

度[/"(a -b )]，於是得到圖2隔離圖·型之酸擴散長度與邊緣粗 糙度之間的關係（100 nm Iso)。 ^ ' [微影製程] 其次’說明微影製程-實施例，這裡將舉例說明使用上述 設計方法所設計的感光合成物的微影製程。感光人 一種含生酸劑的化學放大式感光合成物，設定靈敏^d = 〇i HC/cm2H設計使曝光所生酸的擴散長度大於曝光粒子 (電子）之間的平均距離d = 13.6 nm。感光合成物所定的酸擴 散長度依照微影因素而變化，結果，微影進行如下。 首先’在使用感光合成物進行微影之前，進行一實驗性的 微影，於是導出確保酸擴散長度大於曝光粒子間平均長度^ =13·6 nm所需的微影條件。 此例中，在影響鉍擴散長度的微影因素變化下的淮射束 外型以上述舰方法計算。至於影響酸擴散長度的微影因素 ’可能提及上述的PB溫度、簡溫度、加熱條件如四步驟與 ㈣步驟中的加熱時間及加熱氣壓、控制感光合成物塗覆材 料的溶劑量等。 例如，當以PB溫度控制酸擴散長度時，進行以四溫度為因 素的微影圖型之形成’於是PB溫度所產生的模糊量（即酸擴 散長度）有所變化’然後如圖7所示之例，得到在四溫度（酸 擴散長度）所生之模糊變化下準射束外型的射束模糊量另 万面，所有其他非因PB溫度因素（酸擴散長度）所產生的模 糊量b則以經驗或模擬而定出，結果’酸擴散長度_酸擴散 長度《模糊量變化下準射束外型的射束模糊a及其他模糊_

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算為 w = /"(akb2)。 然後’ PB溫度設定於使曝光粒子的平均距離d =： η 6 nm〈 w的PB溫度範圍内。這裡，因為當〜=· 13·6㈣時a % 48 _， 所以PB溫度設定低於115t。當計算平均距離(1作為曝光區域 中所生酸之間的平均距離時，微影條件設定成使生酸劑所 生酸的擴散長度平均值大於計算的平均距離d。 然後，進行實際的微影圖型之形成，採用上述設定的pB溫 度、為感光合成物設定的靈敏度D、準射束外型形成時的其 他微影條件。 對於PB溫度，考慮微影實際形成的圖型間隔，在平均距離 d = 13.6 nm < /(a2-b2)的範圍内設定一下限。當圖型間隔，較 小時，此下限設定較高的值，例如，在製造半導體元件的微 影製程中，下限是根據最小的圖型間隔而設定。 此外，當酸擴散長度以PEB溫度及溶劑的量而控制時，PEB 溫度的範圍及溶劑量的範圍都以上述相同的程序而設定。 根據這種微影製程，PB溫度（微影條件如PEB溫度及溶劑的 量）設定成使圖型曝光時感光合成物的曝光區域中生酸劑所 生之酸的擴散長度大於曝光粒子之間的平均距離d = 13.6 nm 。因此，在感光合成物中，圖型曝光所生之酸擴散的範圍超 過曝光粒子之間的平均距離，結果，即使使用高靈敏度D = 0· 1 pC/cm2的感光合成物進行微影，且曝光區域中曝光粒子的 統計性擴散很大，但酸的擴散可以減緩其擴散，因此可以在 高靈敏度的感光合成物上進行高解析度的微影。 此外，當微影條件設定成使酸的擴散長度大於圖型曝光 -17- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 535213

發明説明 時生酸劑所生之酸之間的平均距離時，邊緣粗糙度可以同 樣方式減緩。特別在此例中，促成感光合成物反應的酸的統 汁性擴散可以減緩’即使生酸效率相對於曝光粒子為低亦 然。因此，高解析度的微影可在高靈敏度的感光合成物上安 全地進行。 +贫明不受 所附 由 之 ’ *〜卿即，4、贫明的範圍 申請專利範圍而界定，因此

— W有洛入申請專利R 寺效範圍内的改變及修飾均由本發明所涵括。 乾圍 -18- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS> A4規格(210 X 297公釐)

Claims (1)

1. 535213 A B c D 六、申請專利範圍 1· 一種設計含生酸劑之化學放大式感光合成物之方法，包 含步驟如下： 基於孩感光合成物所需的靈敏度，計算該感光合成物 圖型曝光時該感光合成物曝光區域中曝光粒子之間的平 均距離，及 設疋該感光合成物之組成使該圖型曝光之該生酸劑所 生之酸的擴散長度大於該曝光粒子之間的平均距離。 2· 一種設計含生酸劑之化學放大式感光合成物之方法，包 含步驟如下： 基於該感光合成物所需的靈敏度，計算該感光合成物 圖型曝光時該感光合成物曝光區域中該生酸劑所生之酸 之間的平均距離，及 設定該感光合成物之組成使該感光合成物中該酸的擴 散長度大於該酸之間的平均距離。 3. —種微影製程，其中一含生酸劑之化學放大式感光合成 物接受圖型曝光，然後接受顯影處理，該微影製程包含 步驟如下： 基於該圖型曝光時之曝光劑量，計算該圖型曝光時該 感光合成物曝光區域中曝光粒子之間的平均距離，及 設定一微影條件使該圖型曝光時該生酸劑所生之酸的 擴散長度大於該曝光粒子之間的平均距離。 4. 如申請專利範圍第3項之微影製程，其中 該微影條件為該感光合成物在圖型曝光之前及之後的 加熱條件。 -19- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 535213 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 5. —種微影製程，其中一含生酸劑之化學放大式感光合成 物接受圖型曝光，然後接受顯影處理，該微影製程包含 步驟如下： 基於該圖型曝光時之曝光劑量，計算該圖型曝光時該 感光合成物曝光區域中該生酸劑所生之酸之間的平均距 離，及 設定一微影條件使該感光合成物中該酸的擴散長度大 於該酸之間的平均距離。 6. 如申請專利範圍第5項之微影製程，其中 該微影條件為該感光合成物在圖型曝光之前及之後的 加熱條件。 -20- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)