用于精确光致抗蚀剂轮廓预测的模型

摘要

一种光致抗蚀剂模型化系统包含用于光刻工艺的数学模型。可使用计算机处理器执行所述数学模型。所述数学模型可用于将光致抗蚀剂模型化为形成于半导体晶片表面上。嵌段聚合物浓度梯度方程式可实施到所述数学模型中。所述嵌段聚合物浓度梯度方程式可描述由所述数学模型模型化的所述光致抗蚀剂中的嵌段聚合物的初始浓度梯度。

说明书

优先权主张

本专利主张2014年3月17日申请的第61/954,592号美国临时专利申请案的优先权，所述临时专利申请案的全部内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及在半导体处理期间使用的光致抗蚀剂。更特定地说，本发明涉及用于预测半导体表面上的光致抗蚀剂轮廓的方法。

背景技术

在光致抗蚀剂沉积于半导体表面上之后预测及精确描述光致抗蚀剂剖面形状是对于光致抗蚀剂质量的重要度量。光致抗蚀剂的薄剖面可引起随后半导体处理期间的短路或中断且导致由半导体处理产生的半导体装置的故障或降低性能。举例来说，在蚀刻工艺期间，需要光致抗蚀剂的最小厚度以将光致抗蚀剂图案适当转印到下伏表面(例如，半导体衬底)中。

已使用表面抑制/增强模型来尝试预测光致抗蚀剂行为及光致抗蚀剂显影期间的高度损耗且取得了一些可测量的成功。当前表面抑制/增强模型通常预测具有圆形顶隅角及相对平坦顶表面的光致抗蚀剂剖面。图1描绘使用当前表面抑制/增强模型找到的光致抗蚀剂轮廓的实例的剖面表示。光致抗蚀剂102经模型化为形成于半导体晶片100上。如在图1中展示，光致抗蚀剂102具有带有圆形顶隅角及相对平坦顶表面的剖面轮廓。然而，实验性剖面数据通常展示具有完全圆形顶部的光致抗蚀剂轮廓(例如，圆顶形轮廓)。

额外模型化元件已经添加到表面抑制/增强模型以尝试更精确预测光致抗蚀剂的圆形顶部轮廓。举例来说，已添加PEB(曝光后烘焙)期间的酸污染以产生用于光致抗蚀剂轮廓的相对良好剖面形状。添加酸污染包含：添加酸到未通过曝光过程产生的光致抗蚀剂表面的顶部。然而，此方法模型化机构，所述机构仅在使用顶涂层且已在不具有顶涂层的光致抗蚀剂系统(例如，浸润ArF光致抗蚀剂系统)中观察圆形顶部轮廓时是可能的。因此，PEB期间的酸污染是不大可能用于光致抗蚀剂中的顶部损耗的机构。另外，顶部抗蚀剂厚度损耗通常跨各种特征相对均匀且酸污染并不预测均匀顶部损耗。

其它光致抗蚀剂模型已包含光致抗蚀剂的其它组分(例如，光酸产生剂(PAG)或淬灭剂组分)的不均浓度以改变光致抗蚀剂剖面的形状。举例来说，PAG或淬灭剂组分的浓度可具有穿过光致抗蚀剂的梯度。然而，使用PAG或淬灭剂组分不均浓度的此类模型并不展示暗(未曝光)区中的抗蚀剂损耗，然而已在暗区中实验性地观察到抗蚀剂损耗。因此，存在对于更精确预测的光致抗蚀剂模型及促成光致抗蚀剂显影(处理)期间的顶部损耗的模拟机构的需求。

发明内容

在某些实施例中，一种光致抗蚀剂模型化系统包含用于光刻工艺的数学模型。可使用计算机处理器执行所述数学模型。嵌段聚合物浓度梯度方程式可实施到所述数学模型中。所述嵌段聚合物浓度梯度方程式可描述由所述数学模型模型化的光致抗蚀剂中的嵌段聚合物的浓度梯度。所述数学模型可用于将光致抗蚀剂模型化为形成于半导体晶片表面上。

在某些实施例中，一种用于模型化光致抗蚀剂剖面轮廓的方法包含：使用用于光刻工艺的数学模型(使用计算机处理器执行)将光致抗蚀剂的光致抗蚀剂轮廓模型化为形成于半导体晶片表面上。所述数学模型可包含嵌段聚合物浓度梯度方程式。所述嵌段聚合物浓度梯度方程式可描述通过所述数学模型模型化的所述光致抗蚀剂中的嵌段聚合物的浓度梯度。

在某些实施例中，一种计算机可读存储媒体包含程序指令，所述程序指令可由处理器执行以使用用于存储于所述程序指令中的光刻工艺的数学模型形成半导体晶片表面上的光致抗蚀剂的光致抗蚀剂轮廓。所述数学模型可包含嵌段聚合物浓度梯度方程式。所述嵌段聚合物浓度梯度方程式可描述通过所述数学模型模型化的所述光致抗蚀剂中的嵌段聚合物的浓度梯度。

在一些实施例中，所述嵌段聚合物浓度梯度方程式描述所述光致抗蚀剂中的所述嵌段聚合物的初始浓度梯度。在一些实施例中，所述嵌段聚合物浓度在所述光致抗蚀剂的界面处调整到所述嵌段聚合物的体积浓度的选定值。在一些实施例中，所述嵌段聚合物浓度梯度方程式将所述光致抗蚀剂中的嵌段聚合物的所述浓度梯度描述为指数函数。在一些实施例中，所述数学模型包含表面抑制/增强模型。

附图说明

通过结合附图参考下列根据本发明的目前优选但说明性实施例的详细描述将更完整理解本发明的方法及设备的特征及优势，在图式中：

图1描绘使用当前表面抑制/增强模型找到的光致抗蚀剂轮廓的实例的剖面表示。

图2描绘用于模型化光致抗蚀剂剖面轮廓的典型过程的实施例的流程图。

图3描绘用于模型化光致抗蚀剂剖面轮廓的过程的实施例的流程图，其中方程式描述初始嵌段聚合物浓度梯度。

图4描绘使用表面抑制/增强模型找到的光致抗蚀剂轮廓的剖面表示，表面抑制/增强模型提供有描述初始嵌段聚合物浓度梯度的方程式。

图5描绘通过实验性观察找到的光致抗蚀剂轮廓的SEM图像的实例。

图6描绘使用表面抑制/增强模型中的不同参数找到的光致抗蚀剂轮廓的剖面表示的比较。

虽然本发明具有各种修改及替代形式，但是其特定实施例在图式中通过实例展示且将在本文中详细描述。图式可不按比例绘制。应理解，图式及其详细描述并不希望将本发明限于所揭示的特定形式，而相反地，本发明将涵盖如所附权利要求书界定的归属于本发明的精神及范围内的所有修改、等效物及替代方案。

具体实施方式

在半导体处理中通常使用化学放大光致抗蚀剂以在光致抗蚀剂曝光及随后处理之后在半导体晶片上界定图案。当光致抗蚀剂沉积(例如，施配)于半导体晶片上时，化学放大光致抗蚀剂可包含“嵌段基”。“嵌段基”是光致抗蚀剂中的化学基团(例如，聚合物基团)，其使光致抗蚀剂不可溶解于显影溶液。

涂布有化学放大光致抗蚀剂的半导体晶片经曝光到扫描仪或步进器上的光且来自曝光的光导致在抗蚀剂中产生酸的光化反应。在随后半导体处理(例如，曝光后烘焙(PEB))期间，此酸与嵌段基(例如，嵌段聚合物基团)起反应且将不可溶解嵌段基部位转变为可溶解于显影液中的化学基团。典型光致抗蚀剂模型已将嵌段基的浓度模型化为在初始光致抗蚀剂薄膜(例如，“如所沉积”光致抗蚀剂薄膜)中是均匀的。用均匀嵌段基(例如，均匀嵌段聚合物浓度)模型化光致抗蚀剂可在显影光致抗蚀剂中产生剖面形状，所述剖面形状极大程度上由光致抗蚀剂中的光强度判定且导致圆形顶隅角及相对平坦顶表面(如在图1中展示)。

图2描绘用于模型化光致抗蚀剂剖面轮廓(例如，光致抗蚀剂剖面形状)的典型过程的实施例的流程图。举例来说，过程200可为用于光刻工艺的数学模型(例如，表面抑制/增强模型)。应注意，在图2中，矩形表示模拟的光刻工艺且椭圆形表示计算或模拟的结果。在某些实施例中，过程200以成像模拟202开始(注意，并非所有输入经展示用于成像模拟)。成像模拟202可输出光致抗蚀剂强度204。

在某些实施例中，光致抗蚀剂强度204连同光酸产生剂(PAG)浓度206输入到曝光模拟208中。PAG浓度206可随距光致抗蚀剂表面的距离(通过z方向表示)而变。依据距光致抗蚀剂表面的距离的PAG浓度206已知为用以控制光致抗蚀剂剖面形状的方法。在某些实施例中，曝光模拟208的输出是酸浓度210。酸浓度210可在任何方向上(例如，依据x方向、y方向及z方向)贯穿光致抗蚀剂薄膜而变化。

酸浓度210连同淬灭剂浓度212及嵌段聚合物浓度214可经输入到曝光后烘焙(PEB)模拟218中。在一些实施例中，酸污染216可经输入到PEB模拟218中。酸污染216可随距光致抗蚀剂表面的距离(z方向)而变。依据距光致抗蚀剂表面的距离的酸污染216已知为用以控制光致抗蚀剂剖面形状的方法。淬灭剂浓度212可随距光致抗蚀剂表面的距离(z方向)而变。依据距光致抗蚀剂表面的距离的淬灭剂浓度212已知为用以控制光致抗蚀剂剖面形状的方法。

在某些实施例中，嵌段聚合物浓度214经假设为贯穿光致抗蚀剂薄膜恒定(例如，均匀)。PEB模拟218的输出是嵌段聚合物浓度220，其随x方向、y方向及z方向而变。嵌段聚合物浓度220可连同显影率模型222输入到光致抗蚀剂显影模拟224中。在某些实施例中，显影率模型222包含取决于距光致抗蚀剂表面的距离(z方向)的表面函数。光致抗蚀剂表面附近的显影率增强或抑制已知为用以控制光致抗蚀剂剖面形状的方法。

在某些实施例中，光致抗蚀剂显影模拟224的结果是最终光致抗蚀剂形状226。图1描绘使用过程200找到的最终光致抗蚀剂形状226的实例(例如，由半导体晶片100上的光致抗蚀剂102表示最终光致抗蚀剂形状226)。因此，在图2中展示的过程200可产生具有圆形顶隅角及相对平坦顶表面的光致抗蚀剂剖面轮廓，例如在图1中展示，这是由于均匀嵌段聚合物浓度214的假设。

然而，光致抗蚀剂中使用的聚合物通常是两种或两种以上不同聚合物的掺合物。举例来说，光致抗蚀剂可包含具有高分子量及低分子量两者的聚合物。由于溶解率取决于聚合物的分子量，所以在光致抗蚀剂显影之前与之后贯穿光致抗蚀剂的聚合物浓度可存在差异(例如，梯度)。在一些实施例中，光致抗蚀剂包含聚合物的不同嵌段水平。不同嵌段水平可用于对不同批次的原材料的质量控制。在一些实施例中，光致抗蚀剂包含一或多个嵌入势垒层。举例来说，光致抗蚀剂可包含用于浸润的无顶涂层聚合物。在一些实施例中，光致抗蚀剂包含“常规”聚合物(例如，典型光致抗蚀剂聚合物)与含有PAG(光酸产生剂)官能团的聚合物的混合物。

光致抗蚀剂中的不同聚合物的掺合可导致光致抗蚀剂的嵌段水平中的垂直梯度。可由具有垂直变化的浓度梯度的光致抗蚀剂中的一或多个嵌段基导致嵌段水平中的垂直梯度。举例来说，无顶涂层的光致抗蚀剂可使用与光致抗蚀剂表面相分离的疏水添加剂。

长谷川(Hasegawa)等人的第2466379号欧洲专利、前田(Maeda)等人的第2012/0064459号美国专利申请公开案及D.桑德斯(D.Sanders)等人的“用于193nm的光致抗蚀剂的表面能的新材料(New materials for surface energy of 193nm photoresists)”(在关于浸润光刻的第四届国际研讨会(4^th>

由于在化学放大光致抗蚀剂中找到的嵌段水平中的垂直梯度，使用嵌段基的浓度(例如，嵌段聚合物浓度)的光致抗蚀剂模型化(其并不均匀)可在光致抗蚀剂的处理之后提供光致抗蚀剂的剖面轮廓的更精确预测。在某些实施例中，提供到光致抗蚀剂模型的嵌段聚合物浓度在初始(如所沉积)光致抗蚀剂薄膜中的光致抗蚀剂界面附近更低或更高(例如，初始嵌段聚合物浓度在光致抗蚀剂薄膜的顶表面或底表面附近耗尽或增强)。在一些实施例中，初始嵌段聚合物浓度在光致抗蚀剂薄膜的顶表面附近更低且在光致抗蚀剂薄膜的底表面附近更高。

然而，提供到光致抗蚀剂模型(例如，表面抑制/增强模型)的初始嵌段聚合物浓度可视需要变化，以在显影及随后处理之后提供光致抗蚀剂的剖面轮廓的更精确预测。举例来说，提供到光致抗蚀剂模型的初始嵌段聚合物浓度可经变化以更精确表示在实验性观察期间找到的光致抗蚀剂的剖面轮廓(例如，通过SEM(扫描电子显微镜)、TEM(透射电子显微镜)或其它剖面检查技术)。

在某些实施例中，初始嵌段聚合物浓度在光致抗蚀剂薄膜的顶表面(例如，空气/抗蚀剂界面)或底表面(例如，晶片/抗蚀剂界面)处调整(减小或增大)到选定值。初始嵌段聚合物浓度的选定值可具有随着浓度移动到光致抗蚀剂薄膜中而(例如，缓慢改变或衰减)到标称(整体)浓度的梯度。在一些实施例中，嵌段聚合物浓度梯度在光致抗蚀剂薄膜的表面附近具有增大嵌段聚合物浓度且嵌段聚合物浓度随着浓度移动到光致抗蚀剂薄膜中而减小。在一些实施例中，嵌段聚合物浓度梯度在光致抗蚀剂薄膜的表面附近具有减小嵌段聚合物浓度且嵌段聚合物浓度随着浓度移动到光致抗蚀剂薄膜中而增大。

移动到薄膜中的浓度的改变(例如，浓度的梯度)可通过指数函数描述。顶表面处的初始嵌段聚合物浓度的选定值可比嵌段聚合物的整体浓度(例如)低约20％与约40％之间。然而，选定值的范围可取决于例如(但不限于)聚合物分布及聚合物组合物的因素而变化。举例来说，选定值可比嵌段聚合物的整体浓度低约10％与约50％之间、比嵌段聚合物的整体浓度低约25％与约35％之间或比嵌段聚合物的整体浓度低约20％与约30％之间。

在一些实施例中，嵌段聚合物浓度通过例如方程式1的方程式中的指数衰减描述：

(1) M＝(R-1)e^-z/δ+1；

其中M是嵌段聚合物浓度，R是浓度减小的分率，δ是减小的深度且z是距界面的距离。

在光致抗蚀剂模型中使用描述初始嵌段聚合物浓度的指数衰减的方程式(例如上文的方程式1)可在显影及随后处理之后提供光致抗蚀剂的剖面形状(轮廓)的更精确预测(例如，在半导体晶片上界定图案的光致抗蚀剂的所得剖面形状)。因此，将描述初始嵌段聚合物浓度梯度的方程式提供到表面抑制/增强模型中提供对光致抗蚀剂的剖面形状的更佳模型化控制且提供更逼真光致抗蚀剂轮廓形状(例如，更类似于实验性观察的轮廓形状的轮廓形状，例如圆顶形轮廓)。

在一些实施例中，使用其它函数描述嵌段聚合物浓度的梯度。举例来说，可使用双曲正切函数描述嵌段聚合物浓度中的梯度。方程式2可依据双曲正切函数描述嵌段聚合物浓度梯度。方程式2如下：

(2) M＝(R-1)tanh(-z/δ)+R。

在某些实施例中，描述初始嵌段聚合物浓度梯度的方程式经编程到可由处理器(例如，计算机处理器)执行的软件中。在一些实施例中，描述初始嵌段聚合物浓度梯度的方程式作为程序指令存储于计算机可读存储媒体(例如，非暂时性计算机可读存储媒体)中且可由处理器执行方程式。在某些实施例中，描述初始嵌段聚合物浓度梯度的方程式实施为用于光刻工艺的数学模型(例如，表面抑制/增强模型)的部分。描述初始嵌段聚合物浓度梯度的方程式可在计算机代码中实施为数学模型的部分。举例来说，方程式可在计算机代码中实施为光刻模型PROLITH的部分。用于光刻工艺的数学模型可作为程序指令存储于计算机可读存储媒体(例如，非暂时性计算机可读存储媒体)中且可通过处理器(例如，计算机)执行。在一些实施例中，用于光刻工艺的数学模型经编程到可通过处理器执行的软件中。

图3描绘用于模型化光致抗蚀剂剖面轮廓(例如，光致抗蚀剂剖面形状)的过程的实施例的流程图，其中方程式描述初始嵌段聚合物浓度梯度。举例来说，过程200’可为用于光刻工艺的数学模型(例如，表面抑制/增强模型)。过程200’基本上类似于在图2中展示的过程200，区别仅在于嵌段聚合物浓度214’取代嵌段聚合物浓度214输入到PEB模拟218中。

在某些实施例中，依据距光致抗蚀剂表面的距离(例如，z方向)提供嵌段聚合物浓度214’。举例来说，描述初始嵌段聚合物浓度梯度的方程式(例如上文展示的方程式1或2)可用于依据距光致抗蚀剂表面的距离描述嵌段聚合物浓度214’。依据距光致抗蚀剂表面的距离提供嵌段聚合物浓度214’可产生比使用均匀嵌段聚合物浓度找到(例如在图2中展示的过程200中找到)的更精确光致抗蚀剂剖面轮廓。

图4描绘使用具备描述初始嵌段聚合物浓度梯度的方程式的表面抑制/增强模型(例如在图3中展示的过程200’)找到的光致抗蚀剂轮廓的剖面表示。在某些实施例中，使用具备描述初始嵌段聚合物浓度梯度的方程式的表面抑制/增强模型将光致抗蚀剂102’模型化为形成于半导体晶片100上。如在图4中展示，光致抗蚀剂102’可具有更圆的剖面轮廓(例如，圆顶形轮廓)。光致抗蚀剂102’具有相对表示通过实验性观察找到的光致抗蚀剂轮廓的剖面轮廓。图5描绘通过实验性观察找到的光致抗蚀剂轮廓的SEM图像的实例。

图6描绘使用表面抑制/增强模型中的不同参数找到的光致抗蚀剂轮廓的剖面表示的比较。使用不具有嵌段聚合物浓度的梯度(例如，嵌段聚合物具有均匀浓度)的模型形成光致抗蚀剂轮廓300。使用不具有嵌段聚合物浓度梯度且添加PEB酸污染峰值的模型形成光致抗蚀剂轮廓302。使用并入方程式1以描述初始嵌段聚合物浓度梯度(其中δ(减小的深度)是10nm且R(浓度减小的分率)是0.7)的模型形成光致抗蚀剂轮廓304。使用并入方程式1以描述初始嵌段聚合物浓度梯度(其中δ(减小的深度)是10nm且R(浓度减小的分率)是0.4)的模型形成光致抗蚀剂轮廓306。如在图6中展示，使用并入方程式1以描述初始嵌段聚合物浓度梯度的模型找到光致抗蚀剂的更精确(圆形)轮廓形状。另外，相比于使用PEB酸污染峰值的模型，在使用并入方程式1的模型来描述初始嵌段聚合物浓度梯度的情况下光致抗蚀剂轮廓中展示的顶部损耗更均匀。

光致抗蚀剂的轮廓形状的更精确预测在散射测量模型中且对光刻材料及工艺或模拟的计算机辅助改进可能是有用的。举例来说，精确光致抗蚀剂轮廓(例如，光致抗蚀剂的3D模型)的计算在例如(但不限于)光刻工艺优化、OPC确认(归因于薄光致抗蚀剂的失败模式)及用于基于模型的度量(例如散射测量)的精确形状的应用中可能是有用的。

将理解，本发明并不限于所描述的特定系统(其当然可变化)。还将理解，在本文中使用的术语仅出于描述特定实施例的目的且不旨在是限制性。如此说明书中所使用，单数形式“一”及“所述”包含复数形式指示物，除非在文中另外明确指示。因此，举例来说，对“形状”的提及包含两个或两个以上形状的组合且对“聚合物”的提及包含聚合物的混合物。

鉴于此描述，所属领域的技术人员将明白本发明的各种方面的进一步修改及替代实施例。因此，此描述应仅解释为说明性且是出于教示属领域的技术人员实施本发明的大体方式的目的。将理解，本文中展示及描述的本发明的形式将视为当前优选实施例。如属领域的技术人员在获得本发明的此描述的益处之后将全部明白，元件及材料可取代在本文中说明及描述的元件及材料，部件及过程可颠倒，且可单独利用本发明的某些特征。在不脱离如在所附权利要求书中描述的本发明的精神及范围的情况下可对本文中的元件作出改变。