СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССА ЭКСПОНИРОВАНИЯ ПЛЕНКИ ФОТОРЕЗИСТА Российский патент 2000 года по МПК G03F7/26 H01L21/66 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике технологических процессов производства изделий микроэлектроники, в частности к контролю фотолитографических процессов с использованием газофазной химической модификации приповерхностного слоя пленок фоторезистов.

Известно, что в фотолитографии при производстве изделий микроэлектроники экспонирование пленок фоторезистов производится полностью, на всю глубину, то есть такой дозой УФ-излучения, которая необходима для осуществления и завершения в них фотохимических реакций /1/. Недоэкспонирование пленок фоторезистов приводит к увеличению времени проявления, что при заданных концентрации и температуре проявителя ведет к возникновению на неэкспонированных участках пленки проколов, критичная плотность которых определяется степенью интеграции прибора. Кроме того, недоэкспонирование фоторезистных пленок может повлечь за собой в дальнейшем недопроявление засвеченных участков фоторезистных пленок, выражающееся в наличии остатков фоторезиста на границе раздела "фоторезистная пленка - подложка". Переэкспонирование пленок фоторезиста, как правило, приводит к уходу литографических размеров структур за счет дифракционных процессов и процессов отражения актиничного излучения от подложки, приводящее к попаданию дифрагирующего и отраженного света в область геометрической тени, создавая потенциально опасные участки с увеличенной скоростью растворения и уменьшенным индукционным периодом. Отсюда очевидно, что выбор оптимальных режимов экспонирования является важным с точки зрения качества проведения всего фотолитографического процесса. Контроль процесса экспонирования осуществляют или путем определения величины оптимальной экспозиции при экспонировании /2/, или путем контроля оптимального времени экспонирования пленки фоторезиста /3/. При этом экспонирование пленок фоторезиста осуществляют на всю глубину. Известные способы проведения процесса фотолитографии позволяют получать элементы структур на пластине с размерами 1 - 2 мкм.

Однако в последнее время при решении проблем дальнейшего уменьшения размеров элементов (субмикронная литография) и одновременном стремлении при этом расширить функциональные возможности фотолитографии идут по пути создания многослойной резистной маски, одним из вариантов которой является квазидвухслойная пленочная структура, получаемая в процессе газофазной химической модификации приповерхностного слоя сравнительно толстой фоторезистной пленки (процесс силилирования).

Экспонирование в этом случае осуществляют не на всю глубину, а только приповерхностного слоя строго определенной заданной глубины. При дальнейшей технологической обработке такой пленки, включающей в себя и контролируемый процесс диффузии гексаметилдисилазана (ГМДС) в экспонированный приповерхностный слой фоторезистной пленки, необходимо обеспечить равенство величин глубины экспонирования и глубины диффузии ГМДС. Только в этом случае может быть получен неискаженный маскирующий квазидвухслойный фоторезистный рельеф. Отсюда следует необходимость строгого контроля глубины экспонирования приповерхностного слоя пленок фоторезистов.

Из известных наиболее близким по технической сущности является способ экспонирования пленок фоторезиста /4/, предназначенный для процесса силилирования. В данном способе глубина экспонирования приповерхностного слоя пленки фоторезиста осуществляется косвенно путем подбора режимов экспонирования и последующего силилирования на основании данных, полученных при послойном химическом анализе содержания кремния в пленке фоторезиста.

Недостаток известного способа заключается в том, что он не позволяет точно определить глубину экспонирования пленки фоторезиста, что сказывается на качестве проведения дальнейшего процесса силилирования. Способ разрушающий и, кроме того, сложен и длителен.

Предложенный способ позволяет быстро и точно определять глубину экспонирования по изменению эффективного значения показателя преломления экспонируемой пленки.

Способ заключается в следующем. На полупроводниковую пластину с пленкой фоторезиста направляют параллельный монохроматический луч поляризованного света и в процессе экспонирования определяют изменения эффективного значения показателя преломления экспонируемой пленки, а затем находят соответствующие этому изменения глубины экспонированного слоя пленки фоторезиста в соответствии с выражением:

где d - толщина исходной пленки фоторезиста;
d_э - глубина экспонированного слоя пленки фоторезиста;
n_пл - показатель преломления исходной фоторезистной пленки;
n_э - показатель преломления полностью проэкспонированной фоторезистной пленки;
n_эф - меняющееся в процессе экспонирования эффективное значение показателя преломления фоторезистной пленки, и при достижении заданной величины d_э прекращают процесс экспонирования.

Получаемый при осуществлении изобретения технический результат, а именно определение глубины экспонированного слоя пленки фоторезиста, достигается за счет того, что изменение глубины экспонированного слоя пленки фоторезиста происходит в соответствии с изменением эффективного значения показателя преломления пленки в процессе ее экспонирования, которое постоянно контролируется эллипсометрическим методом. Использование поляризованного света с длинной волны равной 546,1 нм позволяет определять структурные и концентрационные изменения фоторезистной пленки в процессе экспонирования с наибольшей чувствительностью.

Предложенное техническое решение следует считать имеющим изобретательский уровень, так как оно не вытекает очевидным образом из уровня техники.

На фиг. 1 показана структура "подложка - фоторезистная пленка", проэкспонированная не на всю глубину.

На фиг. 2 схематично показана лабораторная установка для экспонирования.

Установка для экспонирования (фиг. 2) содержит держатель 1 с исследуемым образцом фоторезистной пленкой 2, источник УФ-излучения 4, конденсор 5, заслонку 6, источник поляризованного света 3 с заданными параметрами поляризации, анализатор изменения параметров поляризованного света 7.

Способ реализуют следующим образом.

Подложку со сформированной фоторезистной пленкой 2 толщиной d помещают на предметный столик 1 установки экспонирования (фиг. 2), направляют на нее параллельный монохроматический длиной волны 546,1 нм луч поляризованного света с заданными параметрами поляризации от источника 3, и экспонируют пленку фоторезиста параллельным пучком УФ-излучения 4. Экспериментально показано, что в результате экспонирования фоторезистных пленок показатель преломления пленок уменьшается. Так, в частности, для фоторезиста ФП-051 МК в результате экспонирования показатель преломления уменьшается с n = 1,7 до n = 1,66.

Поскольку скорость фотохимической реакции при экспонировании уменьшается сверху вниз, можно считать, что процесс экспонирования идет квазипослойно. А это в свою очередь приводит к тому, что в процессе экспонирования автоматический эллипсометр измеряет эффективное значение показателя преломления n_эф квазидвухслойной структуры, слои которой имеют отличающиеся друг от друга показатели преломления n_пл и n_э.

Выбор рабочей длины волны при эллипсометрическом измерении равной 546,1 нм обусловлен наибольшей чувствительностью максимально возможного оптического разрешения при определении структурных и концентрационных изменений в процессе экспонирования.

Из фиг. 1 на основании равенства оптических путей поляризованного света следует:
dn_эф=d_эn_э+(d-d_э)n_пл;
dn_эф=d_эn_э+dn_пл-d_эn_пл;
dn_эф-dn_пл=d_э(n_э-n_пл);

Пример конкретной реализации.

На поверхности двух полупроводниковых подложек формируют пленки фоторезиста ФП-051 МК и с помощью известных оптических методов, например интерферометрии и эллипсометрии, определяют их толщину d и показатель преломления n_пл.

Одну из пленок экспонируют на всю глубину избыточной дозой УФ-излучения и измеряют показатель преломления n_э. Подложку с неэкспонированной фоторезистной пленкой 2 помещают на предметный столик 1 установки экспонирования (фиг. 2) и освещают пучком параллельного монохроматического поляризованного света 3 длиной волны λ = 546,1 нм с заданными параметрами поляризации. Одновременно пленку фоторезиста освещают параллельным пучком УФ-излучения (от ртутной лампы 4) и экспонируют ее. При этом постоянно анализируют параметры отраженного поляризованного света 7, по изменению которых, пользуясь математическим аппаратом эллипсометрии, определяют изменения эффективного значения показателя преломления экспонируемой фоторезистной пленки n_эф, используя который находят соответствующие этому значения глубины залегания фотоструктурированных молекул d_э из выражения:

где d - толщина исходной пленки фоторезиста;
d_э - глубина экспонированного слоя пленки фоторезиста;
n_пл - показатель преломления исходной фоторезистной пленки;
n_э - показатель преломления полностью проэкспонированной пленки;
n_эф - меняющееся в процессе экспонирования эффективное значение показателя преломления, и при достижении заданного значения глубины экспонирования d_э процесс экспонирования прекращают.

Способ позволяет точно определить глубину экспонирования, что позволяет оптимизировать процесс экспонирования, а следовательно, получить воспроизводимость результатов.

Источники информации:
1. Введение в фотолитографию. Под ред. Лаврищева В.П., М., "Энергия", 1977, 400 с.

2. В. В.Мартынов, Т.Е.Базарова. Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники. Книга 8. Литографические процессы. - М., "Высшая школа", 1990. -127 с.

3. Ф.П.Пресс. Фотолитографические методы в технологии полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. - М., "Советское радио", 1978. - 96 с.

4. К.А.Валиев и др. Фотолитографический процесс с использованием газофазной химической модификации фоторезистов. Труды ФТИАН, 1992 N 4.

Использование: контрольно-измерительная техника технологических процессов производства изделий микроэлектроники. Сущность изобретения: способ контроля процесса экспонирования пленки фоторезиста осуществляется путем измерения параметров поляризованного монохроматического света при отражении его от полупроводниковой пластины с пленкой фоторезиста, по которым в процессе экспонирования определяют изменения эффективного значения показателя преломления экспонируемой пленки, а затем соответственно этим изменениям находят изменения глубины экспонированного слоя пленки фоторезиста из выражения

где d - толщина исходной пленки фоторезиста; d_э - глубина экспонированного слоя пленки фоторезиста; n_пл - показатель преломления исходной фоторезистной пленки; n_э - показатель преломления полностью проэкспонированной фоторезистной пленки; n_эф - меняющееся в процессе экспонирования эффективное значение показателя преломления фоторезистной пленки, и при достижении заданной величины d_э прекращают процесс экспонирования. Рабочую длину волны поляризованного света выбирают равной λ = 546,1 нм. Техническим результатом изобретения является создание неразрушающего способа точного определения глубины экспонирования пленки фоторезиста. 2 ил.

Способ контроля процесса экспонирования пленки фоторезиста, включающий облучение ее дозой УФ-излучения и операцию контроля, отличающийся тем, что на полупроводниковую пластину с пленкой фоторезиста направляют параллельный монохроматический, с длиной волны λ = 546,1 нм, луч поляризованного света с заданными параметрами поляризации и в процессе экспонирования постоянно анализируют параметры отраженного поляризованного света, по изменению которых определяют изменения эффективного значения показателя преломления экспонируемой пленки, а затем соответственно этим изменениям находят соответствующие изменения глубины экспонированного слоя пленки фоторезиста из выражения

где d - толщина исходной пленки фоторезиста;
d_э - глубина экспонированного слоя пленки фоторезиста;
n_пл - показатель преломления исходной фоторезистной пленки;
n_э - показатель преломления полностью проэкспонированной фоторезистной пленки;
n_эф - меняющееся в процессе экспонирования эффективное значение показателя преломления фоторезистной пленки, и при достижении заданной величины d_э прекращают процесс экспонирования.