TWI587093B - 三層型光阻結構和其製造方法 - Google Patents

Description

三層型光阻結構和其製造方法

本發明主要和微影製程中的三層型光阻劑相關，在特定的實施例中，提供了三層光阻劑堆疊的方法。

為了在積體電路上放進更多的裝置，這在發明積體電路中的半導體製造上已經成為一重要目標。更高的電路密度可以製造更高效能的裝置並大幅降低基礎電晶體的費用。

積體電路製程中最大的挑戰是光學微影的極限。於光學微影中，一層稱為光阻的感光材料係塗覆在半導體裝置上，然後光阻根據特定分層設計的樣式曝露在一光學圖案中。然而，半導體裝置的組成元件已經小到尺寸和光阻曝光的光波長為同一級。儘管使用各種合理期待的技術來企圖推展這個光學微影極限，但就從某一層面來看，這個物理上的限制是無法克服的。

為了挑戰這項極限，使用了兩層或多層型光阻設計來提升線寬均勻度、解析度和敏感度，最常使用的則是三層型光阻結構。然而，隨著半導體製程已進展到奈米技術 製程節點，必須就現有光學微影製程進行改良。

依據本發明之多個實施例，一種用於微影之三層光阻結構，包含一底層、一光敏層和一位於底層以及光敏層之間的中間層，其中，中間層包含一第一分層以及一第二分層，第二分層位於第一分層上且第一分層的矽含量大於第二分層。

在某些實施方式中，中間層進一步包含一改質層，位於第二分層之上。

在某些實施方式中，第二分層的表面能比第一分層低。

在某些實施方式中，中間層包含光酸產生劑。

在某些實施方式中，第一分層包含第一聚合物，第二分層包含第二聚合物。

在某些實施方式中，第一聚合物具有以下述通式(A)及下述通式(B)表示之重複單體：

其中，R分別獨立為氫原子或碳數1~6之烷基。

在某些實施方式中，第二聚合物具有以下述通式(A)、下述通式(B)以及下述通式(C)表示之重複單體：

其中，R分別獨立為氫原子或碳數1~6之烷基。

在某些實施方式中，第一聚合物中單體A的比例大於20%以及單體B的比例小於80%。

依據本發明之多個實施例，一種應用於微影製程的方法，包含形成一底層於基板上，接著形成一中間層於底層上，其中中間層分層為一多層結構，再形成一光敏層於中間層上。

在某些實施方式中，更包含添加一表面改質劑至該中間層，以形成一表面改質層。

100‧‧‧方法

102、104、106、108、110、112‧‧‧步驟

200‧‧‧基板

201‧‧‧底層光阻

203‧‧‧正型光敏層

205‧‧‧負型光敏層

210‧‧‧中間層

212‧‧‧第一分層

214‧‧‧第二分層

216‧‧‧表面改質層

為了更完整的了解本發明以及其優點，請搭配以下的文字和圖片當作參考，其中：第1圖繪示根據本發明一實施例之三層型光阻結構之製造方法之流程圖。

第2圖至第4B圖繪示一製程的側視剖面圖，製程包括本發明另一實 施例以形成第4B圖所示之實施例。

第5A圖至第5B圖繪示第4A圖至第4B圖的替代製程步驟，其中替代步驟包含本發明另一實施例。

以下將詳細討論本實施例的製造與使用，然而，應瞭解到，本發明提供實務的創新概念，其中可以用廣泛的各種特定內容呈現。底下討論的特定實施例僅為說明，並不能限制本發明的範圍。

以下揭露提供了許多不同的實施方式或實施例，使描述之標的的各種特徵得以實現。下文描述了構件和安排方式的特定實例是為了簡化本揭露。這些內容當然僅是例示而已，其意不在構成限制。例如，在下文中描述第一特徵形成在第二特徵上或上方，可能包括形成直接接觸的第一和第二特徵的實施方式，也可能包括其他特徵形成於第一和第二特徵之間的實施方式，此時第一和第二特徵就可能沒有直接接觸。此外，本揭露可能會在不同的實例中重複使用元件符號及/或字母。這些重複是為了進行簡單和清楚的說明，其本身並不表示在文中討論的各種實施方式及/或組態之間存在一定關係。

此外，在本文中，為了易於描述圖式所繪的某個元件或特徵和其他元件或特徵的關係，可能會使用空間相對術語，例如「在…下方」、「在…下」、「低於」、「在…上方」、「高於」和類似用語。這些空間相對術語意欲涵蓋 元件使用或操作時的所有不同方向，不只限於圖式所繪的方向而已。裝置可以其他方式定向(旋轉90度或定於另一方向)，而本文使用的空間相對描述語則可相應地進行解讀。

第2圖至第5B圖繪示製程步驟之剖面示意圖。請參照第1圖及第2圖，方法100起始於步驟102，提供一基板。如第2圖所示，基板200是一半導體基板，半導體基板200可以由矽、鍺、III-V族化合物半導體等材料形成。在一實施例中，半導體基板200包括磊晶層。此外，基板200可包括絕緣層上覆矽(SOI)結構。例如，基底可包括埋藏氧化物(BOX)層，此埋藏氧化物(BOX)層可藉由例如植氧分離(SIMOX)或其它適合的技術的步驟形成，其它適合的步驟例如為晶圓結合及研磨。基板200亦包括P型摻雜區及/或N型摻雜區，由例如離子佈植及/或擴散的步驟佈植。此摻雜區包括N井、P井、輕摻雜區(LDD)、重摻雜源極及汲極(S/D)及各種通道摻雜輪廓，將上述摻雜區作配置可形成各種積體電路裝置，例如互補金氧半場效電晶體(CMOSFET)、影像感測器及/或發光二極體。基板200更包括功能元件，例如形成於基板上或基板中的電阻或電容。

繼續參照第1圖及第2圖，方法100進行至步驟104，形成一底層光阻於基板上。如第2圖所示，在基板200上塗覆一底層光阻201，避免基板200及/或下方層在光阻曝光期間反射顯著量的入射輻射線而負面地影響所形成之圖案的品質。塗層包含一可圖案化的材料。塗層可改良聚焦深度、曝光寬容度、線寬度均勻性及CD控制。

底層光阻201藉由旋塗施用至基板200，在其他實施例中，可以使用其他適當的沉積製程。於旋塗過程中，可基於所使用之具體塗覆設備、塗覆溶劑之黏度、塗覆工具之速度及允許旋轉之時間量來調節塗覆溶液之固體含量，以提供所欲之薄膜厚度。接著，可烘烤底層光阻201以最小化層中之溶劑含量，從而改善層與基板200之黏著性。為了減少晶圓表面構形的變化，可使用一平坦化製程，製程可為回蝕刻(etching back)製程或化學機械研磨製程(chemical mechanical polishing，CMP)。平坦化製程將底層201表面多餘的材料移除，以得到一平坦化表面。

請參照第1圖、第3圖及第4A圖，方法100進行至步驟106，形成一中間層於底層光阻上，該中間層分層成多層結構。如第3圖所示，沉積含矽的樹酯聚合物於底層光阻201上，含矽聚合物包括以下A、B、C三種單體結構，其中R為氫基或C1~C6的烷基，Ar為C6~C20的發色團(chromophore)。

如第4A圖所示，因為單體C為疏水性且具有較低之表面能，單體(C)會浮至中間層210的表面，使中間層210分成第一分層212和第二分層214，其中第二分層214 在第一分層212上方。第一分層212含單體A和B，第二分層214含單體A、B、C。單體C具有較高的碳含量，可以提升第二分層214的反射率控制。第一分層212因為不含單體C所以具有比第二分層214高的矽含量。

根據本發明之其他實施例，第一分層212的矽含量越高時，蝕刻後檢視(After etching inspection,AEI)的線寬均勻度(Critical dimension uniformity)越佳。因為第一分層212的矽含量越高，第一分層212的蝕刻速率越快，在露出底層(Bottom layer)光阻201時第一分層的蝕刻速率越慢，所以矽含量較高的第一分層212具有較佳的蝕刻選擇比。高蝕刻選擇比可以避免光阻崩塌以及有較佳的AEI之CDU。在另一實施例中，第一分層212的矽含量至少比第二分層214的矽含量多3%。在又一實施例中，第一分層212之聚合物的分子量介於1000~10000，其中單體A的比例大於20%且單體B的比例小於80%。第一分層212的厚度介於50~200A。第二分層214之聚合物的分子量介於1000~10000，其中單體A的比例大於20%且單體B的比例小於70%且單體C的比例小於50%。第二分層214的厚度介於100~250A。

如中間層210之聚合物組成物可包含光酸產生劑(photo-acid generator，PAG)，光酸產生劑經照光後吸收光子在成像區便會產生光酸，再經照後烘烤的步驟進一步地進行去保護基的觸媒式化學放大型反應機制。光阻經去保護基的羧酸基化，進而可被顯影去除。光酸產生劑可包含 鹵化三嗪(halogenated triazines)、鎓鹽(onium salts)、重氮鹽(diazonium salts)、芳香重氮鹽(aromatic diazonium salts)、鏻鹽(phosphonium salts)、鋶鹽(sulfonium salts)、錪鹽(iodonium salts)、甲磺酰亞胺(imide sulfonate)、肟磺酰(oxime sulfonate)、二碸(disulfone)、鄰硝基苯磺酰(o-nitrobenzylsulfonate)、磺酸酯(sulfonated esters)、鹵化硫酰二甲酰亞胺(halogenerated sulfonyloxy dicarboximides)、重氮二碸(diazodisulfones)、α-氰基氧胺磺酸鹽(α-cyanooxyamine-sulfonates)、酮基重氮碸(ketodiazosulfones)、磺醯基重氮酯(sulfonyldiazoesters)、1,2-二芳基磺酰聯氨(1,2-di(arylsulfonyl)hydrazines)、硝基芐基酯(nitrobenzyl esters)和s-三嗪衍生物(s-triazine derivatives)或其他類似化合物或其組合。

請參照第1圖及第4B圖，方法100進行至步驟108，形成一光敏層於中間層上。如第4B圖所示，將正調顯影(positive tone developing)之正型光敏層203組成物藉由旋塗施用至中間層210上，正型光敏層203可為多層結構。正型光敏層203可使用一化學放大(chemical amplification，CA)光阻材料。可基於所使用之具體塗覆設備、塗覆溶劑之黏度、塗覆工具之速度、及允許旋轉之時間量來調節塗覆溶液之固體含量，以提供所欲之薄膜厚度。

接著，可軟烘烤正型光敏層203以最小化層中 之溶劑含量，從而改善層與基板200之黏著性。軟烘烤可於熱板上或烘箱中施行。軟烘烤之溫度及時間將取決於正型光敏層203之特定材料及厚度。

請參照第1圖，方法100進行至步驟110，將光敏層曝光。根據本發明之其他實施例，正型光敏層203透過光罩曝光，於曝光區域與未曝光區域之間創造溶解度差異。光罩具有光學透明區域及光學不透明區域，係分別對應於後續顯影步驟中正型光敏層203之待保留區域及待移除區域。曝光可使用KrF/ArF光源(248nm/193nm)及EUV(13.5nm)或帶電粒子束(例如e-beam或Ion-beam)。曝光方法可以使用浸潤式或乾燥式(非浸潤)微影技術。曝光能量介於約10至80毫焦耳(mJ)/平方公分(cm²)，取決於曝光工具及光敏組成物之成份。

在某些實施例中，曝光時可使用光罩，例如二元光罩(binary photo mask)、相位移光罩(Phase-shift Mask,PSM)、衰減式相位移光罩(Attenuated Phase Shifting Mask,APSM)、穿透式光罩(transmission type reticle)或EUV反射式光罩，來定義曝光區域和未曝光區域。在另一實施例中，可使用不需要光罩的帶電粒子束直接在晶圓上覆寫預期的圖案。

正型光敏層203曝光之後，實施曝光後烘烤(post exposure bake,PEB)。當曝光進行時，部分沒有被光阻吸收的光，將透過光阻到達基板200的表面，由基板200表面反射的光與入射的光波產生建設性及破壞性干涉，而形 成駐波效應(Standing wave effect)。這將使得光阻層接受曝光的強度不均勻，所以經過顯影後，光阻的側面將成為波紋狀，導致光阻線寬改變，而影響後續的製程。曝光後烘烤(PEB)可以使曝光過的光阻結構重新排列，以使駐波的現象減輕。PEB可於熱板上或烘箱中施行。PEB之條件將取決於特定之光阻組成物及光敏層203之厚度。

請參照第1圖，方法100進行至步驟112，將該光敏層顯影。接著正型光敏層203使用任何適當的製程顯影，在正型光敏層203上形成一圖案。可使用一顯影溶液來移除部分的正型光敏層203，例如TMAH(tetramethylammonium Hydroxide)。根據其他實施例，接著晶圓可使用清洗製程，例如去離子水或其他溶液清洗晶圓表面，以移除殘留的顆粒。

根據本發明另一實施例，當使用負調顯影時(negative tone developing，NTD)時，可在中間層210加入一含矽之表面改質劑(參考歐洲專利EP2628744A1)，其中表面改質劑可包含ALG(Acid labile group)。如第5A圖所示，中間層210會因為表面能而分成第一分層212，第二分層214和表面改質層216，其中第二分層214在第一分層212之上，表面改質層216在第二分層214上。表面改質層216具有極性轉換功能，在不同反應條件下可轉換成不同化合物，同時改變極性，例如從疏水性變成親水性，以避免負型光敏層205崩塌。表面改質層216的厚度介於20A~50A。

如第5B圖所示，將負調顯影之負型光敏層205組成物藉由旋塗施用至中間層210上，負型光敏層205可為多層結構。負型光敏層205可使用一化學放大(chemical amplification，CA)光阻材料。可基於所使用之具體塗覆設備、塗覆溶劑之黏度、塗覆工具之速度、及允許旋轉之時間量來調節塗覆溶液之固體含量，以提供所欲之薄膜厚度。

接著，可軟烘烤負型光敏層205以最小化層中之溶劑含量，從而改善層與基板200之黏著性。軟烘烤可於熱板上或烘箱中施行。軟烘烤之溫度及時間將取決於光敏層之特定材料及厚度。

根據本發明之其他實施例，負型光敏層205透過光罩曝光，於曝光區域與未曝光區域之間創造溶解度差異。光罩具有光學透明區域及光學不透明區域，係分別對應於後續顯影步驟中負型光敏層205之待保留區域及待移除區域。曝光可使用KrF/ArF光源(248nm/193nm)及EUV(13.5nm)或帶電粒子束(例如e-beam或Ion-beam)。曝光方法可以使用浸潤式或乾燥式(非浸潤)微影技術。曝光能量介於約10至80毫焦耳(mJ)/平方公分(cm²)，取決於曝光工具及光敏組成物之成份。

在某些實施例中，曝光時可使用光罩，例如二元光罩(binary photo mask)、相位移光罩(Phase-shift Mask,PSM)、衰減式相位移光罩(Attenuated Phase Shifting Mask,APSM)、穿透式光罩(transmission type reticle)或EUV反射式光罩，來定義曝光區域和未曝光區 域。在另一實施例中，可使用不需要光罩的帶電粒子束直接在晶圓上覆寫預期的圖案。

負型光敏層205曝光之後，實施曝光後烘烤(post exposure bake,PEB)。PEB可於熱板上或烘箱中施行。PEB之條件將取決於特定之光阻組成物及光敏層厚度。

接著負型光敏層205使用任何適當的製程顯影，在光敏層205上形成一圖案。可使用一顯影溶液來移除部分的負型光敏層205，例如TMAH(tetramethylammonium Hydroxide)。根據其他實施例，接著晶圓可使用清洗製程，例如去離子水或其他溶液清洗晶圓表面，以移除殘留的顆粒。

本發明之實施例的優點是提供用於微影之三層光阻結構，可以提升蝕刻後的線寬均勻度。

如前文概述了幾種實施方式的特徵，使本技術領域中具有通常知識者更易於理解本揭露的態樣。所屬技術領域中具有通常知識者應理解，他們可以輕易地以本揭露作為基礎，設計、潤飾或修改其他製程和結構，以實現和這些本文介紹的實施方式相同的目的及/或達到相同的優點。所述技術領域中具有通常知識者也應理解，此類均等架構，並不超出本揭露的意旨和範圍，他們可以在本揭露的意旨和範圍內做出各式各樣的改變、取代和變化。

200‧‧‧基板

205‧‧‧光敏層

201‧‧‧底層光阻

210‧‧‧中間層

212‧‧‧第一分層

214‧‧‧第二分層

216‧‧‧表面改質層

Claims (10)

1. 一種用於微影之三層型光阻結構，包含：一底層；一光敏層；以及一中間層，位於該底層以及該光敏層之間，其中，該中間層包含一第一分層以及一第二分層，該第二分層位於該第一分層上且該第一分層的矽含量大於該第二分層。
2. 如請求項1所述之三層型光阻結構，其中中間層進一步包含一改質層，位於該第二分層之上。
3. 如請求項1所述之三層型光阻結構，其中該第二分層的表面能比該第一分層低。
4. 如請求項1所述之三層型光阻結構，其中該中間層包含光酸產生劑。
5. 如請求項1所述之三層型光阻結構，其中該第一分層包含第一聚合物，該第二分層包含第二聚合物。
6. 如請求項5所述之三層型光阻結構，其中該第一聚合物具有以下述通式(A)及下述通式(B)表示之重複單體： 其中，R分別獨立為氫原子或碳數1~6之烷基。
7. 如請求項5所述之三層型光阻結構，其中該第二聚合物具有以下述通式(A)、下述通式(B)以及下述通式(C)表示之重複單體： 其中，R分別獨立為氫原子或碳數1~6之烷基。
8. 如請求項6所述之三層型光阻結構，其中該第一聚合物中單體A的比例大於20%以及單體B的比例小於80%。
9. 一種應用於微影製程的三層型光阻之製造方法，包含：形成一底層於基板上； 形成一中間層於底層上，其中中間層分層成一第一分層及一第二分層，該第二分層位於該第一分層上且該第一分層的矽含量大於該第二分層；以及形成一光敏層於中間層上。
10. 如請求項9所述之三層型光阻之製造方法，更包含添加一表面改質劑至該中間層，以形成一表面改質層。