The Microelectronics industry has continuously pushed the limit of critical dimensions to sub-20 nm. One of the challenges is pattern collapse, caused by unbalanced capillary forces during the final rinse and drying process. The use of surfactants offers a convenient method to reduce capillary forces but causes another deformation issue. This thesis work focuses on alternative approaches that are compatible with lithographic processes to mitigate pattern collapse. First, an e-beam lithography pattern with a series of varying line and space widths has been specifically designed in order to quantitatively study pattern collapse behavior. This pattern generates increasing stress in the pairs of resist lines as one moves across the pattern array and eventually a sufficiently small space value (critical space, S1c) is reached in each array such that the stress applied to the resist exceeds the critical stress (σc) required for pattern bending and subsequently feature deformation and collapse occurrs. The patterns we designed allow us to qualitatively and quantitatively study pattern collapse and obtain consistent, reproducible results. In the first part of the thesis work, a quick surface crosslink (called a reactive rinse) that involves the strengthening of the resist using crosslinking via carbodiimide chemistry while the resist structures are still in their wet state, has been developed and demonstrated. This technique provides efficient and significant improvement on the pattern collapse issue. In the second part of the thesis work, a triethoxysilane compound, vinyl ether silane (VE), has been successfully synthesized. It can be used to modify the silicon or silicon nitride substrates and form a covalent bond with the resist film instead of manipulating the surface energies using common HMDS. Compared to traditional Hexamethyldisilazane (HMDS) vapor primed surfaces, the implementation of the VE adhesion promoter resulted in a significant improvement in the adhesion and resistance to adhesion based pattern collapse failure in small sub-60 nm resist features. In the third part of the thesis work, the effect of drying rates and drying methods has been systematically studied. SEM analysis and critical stress results showed that fast drying appear to reduce the resist collapse. The line pair orientations in each pattern array with respect to the wafer radius reveal an apparent effect of fluid flow and centrifugal forces on collapse. Finally, a comprehensive pattern collapse model that incorporates adhesion based pattern failure and elastoplastic deformation-based failure, and dimensionally dependent resist modulus properties has been developed. This model provides such an excellent prediction of the experimental data and supports the idea that this level of combined adhesion-failure and elastoplastic-failure based pattern collapse modeling, where one explicitly considers the dimensionally dependent mechanical properties of the resist can be quantitatively predictive and useful for understanding the pattern collapse behavior of polymeric nanostructures.

In multi-level Co/low-k based interconnect systems of ultralarge-scale integrated electronic devices the removal of plasma etch residues by common plasma cleaning processes has been shown to alter material properties like k-value and leakage current of the low-k dielectric. Besides the development of less damaging plasma processes their substitution by wet cleaning steps is in the focus of research and development. With further decreasing feature dimensions the development of wet cleaning processes has to include wetting issues like the non-wetting of small features due to the surface energy of the liquid or pattern collapse effects of low-k dielectric trenches due to high capillary forces This work at first focuses on the determination of the surface energetic character of common cleaning solutions for PERR and differently etched or ashed low-k dielectric surfaces by contact angle analysis, to outline which combinations of solid and liquid will be critical regarding their wetting behavior. Besides the determination of the wetting behavior the contact angle analysis turned out to be a fast and sensible analytic tool to understand the surface modifications introduced by different plasma processes and can help to understand the mechanisms of plasma damage of low-k dielectric surfaces. The analysis showed that especially polymerizing plasma etch processes produce a low-energetic low-k dielectric surface with a negligible polar energy contributions, which inhibits their wetting by high energetic water based cleaning solutions, which actually are favored by semiconductor manufacturers. The strategy to overcome these wetting issues followed in the present work is the reduction of the surface energy of the cleaning liquids by the application of surfactants. Several types of surfactants have been applied to the cleaning liquids and the compatibility of the surfactant solutions to BEOL materials like low-k dielectrics, copper and diffusion barriers as well as their dynamic behavior has been studied. The analysis showed that choosing the appropriate rinsing solution after the cleaning process is essential to ensure its compatibility to porous low-k dielectrics. Optical, electrical and structural data indicated that DIW rinse in most of the cases was not able to remove residual surfactant species within the material, while for an IPA rinse most of the residual surfactants have been removed. Considering the data received for compatibility to low-k materials, copper and barriers, the dynamic behavior of the surfactant solutions as well as influences of increased bath temperature and long term stability a general advice about surfactant selection and processing of surfactant aided solutions within BEOL is given. / In mehrlagigen Kupfer/low-k basierten Metallisierungssystemen hochintegrierter elektronischer Bauelemente kann die Entfernung von Residuen nach der Plasmastrukturierung des Dielektrikums mittels herkömmlicher Plasmareinigungsprozesse zur Schädigung der Isolatorschicht und damit zum Ansteigen der relativen Dielektrizitätszahl sowie der Leckströme führen. Neben der Entwicklung schädigungsarmer Plasmaprozesse stellt der Ersatz dieser Prozesse durch Nassreinigungsschritte zur Ätzresiduenentfernung eine vielversprechende Alternative dar. Mit stetig abnehmenden Strukturabmaßen ist bei der Entwicklung dieser Nassreinigungsprozesse neben der Materialkompatibilität auch das Benetzungsverhalten der Reinigungsflüssigkeit von entscheidender Bedeutung, da die Oberflächenenergie der Reinigungslösung das Eindringen dieser in kleinste Strukturen verhindern und es durch hohe Kapillarkräfte zum Kollaps von Grabenstrukturen im Dielektrikum kommen kann. In der vorliegenden Arbeit wurde zunächst mittels Kontaktwinkelanalyse die Oberflächenenergie verschieden prozessierter low-k Dielektrikaschichten sowie herkömmlicher Lösungen zur Entfernung von Ätzresiduen untersucht, um hinsichtlich ihres Benetzungsverhaltens besonders kritische Materialkombinationen aufzuzeigen. Neben der Bestimmung des Benetzungsverhaltens hat sich die Kontaktwinkelanalyse zur Oberflächenenergieberechnung als schnelle und empfindliche Methode zur Analyse der Auswirkung von Plasmaprozessen auf die Oberfläche von low-k Dielektrika erwiesen. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass besonders polymerisierende Plasmaprozesse eine niederenergetische Oberfläche erzeugen, welche von den derzeit in der Halbleiterfertigung bevorzugten hochenergetischen wasserbasierten Reinigungslösungen nur schlecht benetzt wird. Um diesem Effekt entgegenzuwirken wurde in der vorliegenden Arbeit die Senkung der Oberflächenenergie der Reinigungslösungen durch Zugabe von Tensiden untersucht. Es wurden mehrere Tenside unterschiedlichen Typs den Reinigungsflüssigkeiten zugemischt und die Kompatibilität dieser Lösungen mit low-k Dielektrika, Kupferschichten und Diffusionsbarrieren untersucht sowie ihr dynamisches Verhalten analysiert. Dabei hat sich gezeigt, dass die Auswahl der geeigneten Spüllösung nach dem eigentlichen Reinigungsprozess von entscheidender Bedeutung ist. Optische, elektrische sowie strukturelle Daten deuten darauf hin, dass bei Verwendung einer Spülung mit deionisiertem Wasser in den meisten Fällen Tensidrückstände im porösen Dielektrikum verbleiben. Eine Spülung mit Isopropanol war hingegen in der Lage, einen Großteil dieser Tensidrückstände zu entfernen. Unter Einbeziehung der Daten zur Materialkompatibilität und dem dynamischen Verhalten der Tensidlösungen bei Raumtemperatur und erhöhter Badtemperatur sowie ihrer Langzeitstabilität konnte schließlich eine Prozessempfehlung für die Verwendung der benetzungsoptimierten Reinigungslösungen in der BEOL-Prozessierung gefunden werden.

In multi-level Co/low-k based interconnect systems of ultralarge-scale integrated electronic devices the removal of plasma etch residues by common plasma cleaning processes has been shown to alter material properties like k-value and leakage current of the low-k dielectric. Besides the development of less damaging plasma processes their substitution by wet cleaning steps is in the focus of research and development. With further decreasing feature dimensions the development of wet cleaning processes has to include wetting issues like the non-wetting of small features due to the surface energy of the liquid or pattern collapse effects of low-k dielectric trenches due to high capillary forces This work at first focuses on the determination of the surface energetic character of common cleaning solutions for PERR and differently etched or ashed low-k dielectric surfaces by contact angle analysis, to outline which combinations of solid and liquid will be critical regarding their wetting behavior. Besides the determination of the wetting behavior the contact angle analysis turned out to be a fast and sensible analytic tool to understand the surface modifications introduced by different plasma processes and can help to understand the mechanisms of plasma damage of low-k dielectric surfaces. The analysis showed that especially polymerizing plasma etch processes produce a low-energetic low-k dielectric surface with a negligible polar energy contributions, which inhibits their wetting by high energetic water based cleaning solutions, which actually are favored by semiconductor manufacturers. The strategy to overcome these wetting issues followed in the present work is the reduction of the surface energy of the cleaning liquids by the application of surfactants. Several types of surfactants have been applied to the cleaning liquids and the compatibility of the surfactant solutions to BEOL materials like low-k dielectrics, copper and diffusion barriers as well as their dynamic behavior has been studied. The analysis showed that choosing the appropriate rinsing solution after the cleaning process is essential to ensure its compatibility to porous low-k dielectrics. Optical, electrical and structural data indicated that DIW rinse in most of the cases was not able to remove residual surfactant species within the material, while for an IPA rinse most of the residual surfactants have been removed. Considering the data received for compatibility to low-k materials, copper and barriers, the dynamic behavior of the surfactant solutions as well as influences of increased bath temperature and long term stability a general advice about surfactant selection and processing of surfactant aided solutions within BEOL is given. / In mehrlagigen Kupfer/low-k basierten Metallisierungssystemen hochintegrierter elektronischer Bauelemente kann die Entfernung von Residuen nach der Plasmastrukturierung des Dielektrikums mittels herkömmlicher Plasmareinigungsprozesse zur Schädigung der Isolatorschicht und damit zum Ansteigen der relativen Dielektrizitätszahl sowie der Leckströme führen. Neben der Entwicklung schädigungsarmer Plasmaprozesse stellt der Ersatz dieser Prozesse durch Nassreinigungsschritte zur Ätzresiduenentfernung eine vielversprechende Alternative dar. Mit stetig abnehmenden Strukturabmaßen ist bei der Entwicklung dieser Nassreinigungsprozesse neben der Materialkompatibilität auch das Benetzungsverhalten der Reinigungsflüssigkeit von entscheidender Bedeutung, da die Oberflächenenergie der Reinigungslösung das Eindringen dieser in kleinste Strukturen verhindern und es durch hohe Kapillarkräfte zum Kollaps von Grabenstrukturen im Dielektrikum kommen kann. In der vorliegenden Arbeit wurde zunächst mittels Kontaktwinkelanalyse die Oberflächenenergie verschieden prozessierter low-k Dielektrikaschichten sowie herkömmlicher Lösungen zur Entfernung von Ätzresiduen untersucht, um hinsichtlich ihres Benetzungsverhaltens besonders kritische Materialkombinationen aufzuzeigen. Neben der Bestimmung des Benetzungsverhaltens hat sich die Kontaktwinkelanalyse zur Oberflächenenergieberechnung als schnelle und empfindliche Methode zur Analyse der Auswirkung von Plasmaprozessen auf die Oberfläche von low-k Dielektrika erwiesen. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass besonders polymerisierende Plasmaprozesse eine niederenergetische Oberfläche erzeugen, welche von den derzeit in der Halbleiterfertigung bevorzugten hochenergetischen wasserbasierten Reinigungslösungen nur schlecht benetzt wird. Um diesem Effekt entgegenzuwirken wurde in der vorliegenden Arbeit die Senkung der Oberflächenenergie der Reinigungslösungen durch Zugabe von Tensiden untersucht. Es wurden mehrere Tenside unterschiedlichen Typs den Reinigungsflüssigkeiten zugemischt und die Kompatibilität dieser Lösungen mit low-k Dielektrika, Kupferschichten und Diffusionsbarrieren untersucht sowie ihr dynamisches Verhalten analysiert. Dabei hat sich gezeigt, dass die Auswahl der geeigneten Spüllösung nach dem eigentlichen Reinigungsprozess von entscheidender Bedeutung ist. Optische, elektrische sowie strukturelle Daten deuten darauf hin, dass bei Verwendung einer Spülung mit deionisiertem Wasser in den meisten Fällen Tensidrückstände im porösen Dielektrikum verbleiben. Eine Spülung mit Isopropanol war hingegen in der Lage, einen Großteil dieser Tensidrückstände zu entfernen. Unter Einbeziehung der Daten zur Materialkompatibilität und dem dynamischen Verhalten der Tensidlösungen bei Raumtemperatur und erhöhter Badtemperatur sowie ihrer Langzeitstabilität konnte schließlich eine Prozessempfehlung für die Verwendung der benetzungsoptimierten Reinigungslösungen in der BEOL-Prozessierung gefunden werden.