CN100456462C

CN100456462C - 具有增强光刻胶黏性的无定形碳层的器件及其制造方法

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Publication number: CN100456462C
Application number: CNB2004800265685A
Authority: CN
Inventors: 戴维·P·曼西尼; 热姆·A·金特罗; 道格拉斯·J·贝斯尼克; 史蒂文·M·史密斯
Original assignee: Freescale Semiconductor Inc
Current assignee: NXP USA Inc
Priority date: 2003-10-09
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2009-01-28
Anticipated expiration: 2024-09-30
Also published as: TW200525794A; CN1853270A

Abstract

一种半导体器件(10)，包括用于提高光刻胶层的黏性的无定形碳层(16)。此外，公开了一种制造所述半导体器件的方法。器件(10)包括具有表面(15)的衬底(12)、形成在衬底的表面(15)上的无定形碳层(16)、以及形成在衬底的表面上的低表面能材料层(14)。通过提供具有表面(15)的衬底(10)、使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或溅射沉积低表面能材料(14)以及在衬底(12)的表面上并邻近低表面能材料层(14)沉积无定形碳层(16)来形成器件(10)。

Description

具有增强光刻胶黏性的无定形碳层的器件及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体加工技术，更具体地是涉及具有增强的黏着性质的电子器件，例如半导体器件，以及制造含有增强黏性的有机层的方法。

背景技术

使用目前的方法，以光刻胶黏性形式的有机材料层对具有存在于表面上的一层低表面能材料(例如，Teflon

)的衬底的黏性以及低表面能材料对衬底表面的黏性是非常低的。该结果降低了光刻处理的质量，并且不能将低表面能材料结合在多层器件中。已经进行了几次尝试，用于提高有机材料(例如，光刻胶)对具有低表面能材料作为顶面的各种衬底表面的黏性。在没有任何预处理的情况下，有机光刻胶材料将不会浸润低表面能表面，因此不能以可促进图形化的方式涂覆这些表面。尽管已经利用了许多表面预处理选项，但是这些传统的操作不具有完成所有必要的加工步骤所需的黏性持久性。这些操作中的一些操作产生了实质上非常短暂的效果，而通过其它的操作，在显影步骤期间或在清洁溶液(例如，氢氧化铵(NH₄OH)溶液(在水中10％))中浸泡期间已经观察到光刻胶层从晶片表面剥离。通常在例如刻蚀或沉积的随后处理步骤之前使用此NH₄OH溶液来清洁晶片表面。

最近已经进行了几种关于预处理选项的尝试，用于改性表面，努力提高抗蚀剂黏性。这些选项包括脱水烘烤、施加i线和用作薄膜夹层的DUV抗反射涂层、标准的HMDS气相涂布、和施加几种硅烷基有机偶联剂。但是，这些处理都没有充分地提高黏性。

目前业内用作制备抗蚀剂涂层的硅晶片的标准工艺是通过六甲基二硅胺烷(HMDS)气相涂布晶片表面。但是，HMDS仅化学地与硅及其氧化物兼容，并且不能以相同的方式与大多数其它材料反应。HMDS从气相阶段在硅表面上施加有机的单层，该有机单层排斥水或其它的水溶液，例如显影剂或NH₄OH。该膜在衬底/抗蚀剂界面上的斥水性质维持了足够的表面能，以允许抗蚀剂粘住并形成膜，但是防止了抗蚀剂膜在随后的水性处理(例如显影或清洁)期间的升高。已知的是，水在表面的接触角是表面能和表面斥水性的良好的度量标准。水滴在适当HMDS涂布的硅表面上的接触角通常测量是在65至72°之间。此外还发现，传统的气相涂布到必须再次涂覆晶片之前只能维持三天。另外，在气相涂布工艺期间，通常将晶片放在150℃温度下超过30分钟。这对于某些温度敏感的应用来说是要不得的，如上所述，通过HMDS气相涂布对大部分的低表面能材料(例如Teflon或其它的含氟聚合物)没有影响。

如上所述，存在其它的方法用于促进有机材料对晶片表面的黏性，更具体地是对低表面能材料的表面。经常用于修改作为气相涂布插入物的表面的一种这样的方法是使用化学气相沉积(CVD)工艺在衬底上施加第二材料的薄层(小于500埃)，第二材料例如氮化硅(SiN)或氧化硅(SiO)。当与传统的HMDS气相涂布结合时，沉积的这种材料提供了抗蚀剂层对晶片表面的极好的黏性。但是，这样的覆层稍后必须被去除，这能够带来其它的问题。例如，已经发现，通常通过干法刻蚀技术去除SiN材料是非常强烈的，能够导致易碎晶片外延层的损坏。

还存在其它的方法用于促进光刻胶对晶片的黏性，例如在通过抗蚀剂涂覆表面之前使用氧气等离子体使表面粗糙化并将氧引入表面。此工艺暂时提高了表面能，但是仅产生短暂的效果，因为分子中的低表面能官能团会再迁移到表面，恢复到其原始的低水平的表面能。此外，表面粗糙度维持在可能并不是预期的水平。在使用无定形的Teflon的例子中，氧气等离子体使Teflon

表面粗糙化，并促进了增加的黏性，但是允许抗蚀剂溶剂来侵蚀Teflon

。此外还提议使用与光刻胶材料混合的表面活性剂来帮助表面湿润。该工艺是复杂的，并由于第一涂层的湿润通常是不完整的，所以需要双抗蚀剂涂层。通常，相对于抗蚀剂需要10％-15％的表面活性剂，而通过第一涂层仅产生80％的覆盖。

最后，其它的材料已经用作界面黏性促进剂。已经使用了铝，而铝在抗蚀剂显影剂中发生刻蚀，由此限制了分辨率。

因此，本发明的一个目的是提供一种包括界面材料的器件，例如半导体器件、光子器件、微流器件、声波器件、压印器件等，该界面材料能够促进光刻胶对低表面能材料的增强的黏性或者低表面能材料对衬底的增强的黏性。

本发明的另一个目的是提供一种包括界面材料的器件，该界面材料能够促进增强的黏性，该黏性在随后去除抗蚀剂和界面层时不损坏下面的材料表面。

本发明的另一个目的是提供一种包括界面材料的器件，该界面材料能够促进增强的黏性，并允许在与传统的刻蚀工艺结合的传统方法中使用抗蚀剂层来图形化低表面能层。

本发明的另一个目的是提供制造器件的方法，包括提供界面材料的步骤，该界面材料能够促进光刻胶对低表面能材料的增强的黏性或者低表面能材料对衬底的增强的黏性。

发明内容

通过提供包括衬底、低表面能材料层和设置在衬底上并邻近低表面能材料层的无定形碳层的器件以及制造该器件的方法基本上满足了这些需求以及其它的需求。制造该器件的方法包括提供具有表面的衬底、在衬底上沉积低表面能材料层、以及在衬底的表面上并邻近低表面能材料层沉积无定形碳层。利用标准的离子化学气相沉积技术(PECVD)或通过溅射来形成无定形碳层。

附图说明

本领域技术人员通过结合附图阅读本发明优选实施例的详细说明，将很容易了解本发明的前述和其它的更具体的目的及优点，其中：

图1至6显示了按照本发明的制造第一实施例的半导体器件的步骤的剖面图，该器件包括用于增强光刻胶对低表面能材料层的黏性的无定形碳层；和

图7至8显示了按照本发明的制造第二实施例的半导体器件的步骤的剖面图，该器件包括用于增强低表面能材料层对衬底的黏性的无定形碳层。

具体实施方式

在本说明书中，使用相同的数字标识显示本发明的不同附图中的相同元件。此外，在说明优选实施例的过程中，说明了半导体器件，而且本公开还期望术语“器件”可以包括半导体器件、光子器件、微流器件、声波器件、压印器件等。因此，图1显示了按照本发明的制造器件(即，半导体器件)的方法中第一步骤的简化剖面图。图1中所示的是通常标记为10的半导体器件，包括作为第一步骤提供衬底12。在特定实施例中，衬底12被说明由硅或氧化硅材料形成。更具体地，衬底12被说明由硅形成。应当理解，本公开期望是以III-V族(例如GaAs、InGaAs、InAlAs或任何类似的材料)材料，或者任何其它通常用作半导体衬底的材料(包括但不限于硅、含硅的材料、某种金属和金属氧化物)制造衬底12。

在衬底12的上表面13上已经沉积了低表面能材料层14。低表面能材料层14通常由Teflon

形成，但是也可以选择的由无定形或半结晶的含氟聚合物、聚对二甲苯、其结构包含硅树脂成分(聚二甲基硅氧烷)的硅树脂基材料(例如DOW bisbenzocyclobutene(DOWBCB))等形成。在此特定的实施例中，在衬底12的表面13上提供低表面能材料层14，以便为表面13提供对低表面能材料固有的特殊特性(例如斥水性、稳定性、低粘性/高可释放性、高电阻)以及为了保护表面13避免磨损、沾污或其它杂质。低表面能材料层14通常很难湿润，结果是其上不能黏着或涂覆任何东西。这阻止了在许多可能是有益的情况下使用低表面能材料，例如低k材料、不粘东西的掩模涂层、MEMS器件、微流、步进与闪光压印蚀刻(SFIL)技术的图形化层等。为了增加可湿润性并提高黏性，在低表面能材料层14的最上表面15上沉积无定形碳层16。公开的是，使用典型的半导体沉积技术通过沉积在低表面能材料层14的表面15上的无定形碳材料来形成无定形碳层16。更具体地，使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或通过溅射在低表面能材料层14的表面15上沉积无定形碳层16。应当理解，当利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术沉积时，无定形碳层16可以含有其它的元素，例如氢、氮或氧。无定形碳层16在衬底12与光刻胶之间提供了增强的黏性(目前讨论的)。

由无定形碳的薄层形成碳层16。在此优选实施例中，使用业内公知的标准PECVD技术或通过溅射来沉积厚度小于100埃的无定形碳层16，优选地厚度为30至70埃。无定形碳层16的沉积提高了随后沉积的光刻胶对低表面能材料层14的黏性持久性，允许通过传统的光刻胶和刻蚀加工技术来处理并图形化低表面能材料层14。

现在参照图2和3，接下来通过有机光刻胶堆叠20来涂覆通常标记为10的晶片堆叠。有机光刻胶堆叠20可由一层或多层光可成像的有机光刻胶层构成，包括光学敏感和/或电子束敏感的这些材料。如图2所示，有机光刻胶堆叠20形成为标准的单层抗蚀剂，包括光刻胶层22。如图3所示，或者，有机光刻胶堆叠20形成为多层抗蚀剂，例如标准的双层抗蚀剂，包括光刻胶层22和24。应当理解，根据预期的图形，能够形成无论是作为单层抗蚀剂堆叠还是作为多层抗蚀剂堆叠所形成的抗蚀剂堆叠20，使其包括正抗蚀剂或负抗蚀剂。

如图4所示，接下来使用标准的光刻方法(如电子束、光学等)来曝光并图形化晶片堆叠10，更具体地是抗蚀剂堆叠20，然后通过适当的湿法化学显影剂来显影。如图所示，在显影工艺期间去除堆叠20的区域26，由此形成图形。

接下来，在氧气等离子体中对完全显影的晶片堆叠10刻蚀大约1分钟，以去除在图形化步骤期间露出的无定形碳层16的一部分，并提供随后的刻蚀步骤。接下来在氧气中对堆叠10刻蚀大约1至10分钟，以去除低表面能材料层14的一部分。然后任选地在10％的NH₄OH溶液中浸泡堆叠10，通常持续1至5分钟。在随后的步骤(即，刻蚀、金属化等)之前，堆叠10浸泡在NH₄OH溶液中能够清洁衬底12的暴露表面13。测量黏着强度和持久性的标准是在室温下在10％的氢氧化铵(NH₄OH)水溶液中浸泡10分钟。在此浸没期间，不应当出现即使最小的、通常亚微类型的抗蚀剂特征的上升或底切。

通常在大约15秒内沉积无定形碳层16，并且容易通过低的或零偏置氧气等离子体去除无定形碳层16。如图6所示，在下面的预期工艺之后，去除有机抗蚀剂堆叠20和无定形碳层16。可以通过包括湿法化学分解或氧气等离子体灰化或其组合的技术进行该去除步骤。使用碳层和此处所述的单层或双层抗蚀剂堆叠的图形化的晶片样本被显影1分钟，并且在10％的氢氧化铵溶液中浸泡10分钟。使用扫描电子显微镜(SEM)对图形化的抗蚀剂进行检查，显示出抗蚀剂没有升高，其轮廓也没有显示出任何分层或底切的迹象。结果得出结论，含有无定形碳层16使得低表面能材料层14的表面15很好的适于有机光刻胶堆叠20的黏着。

此公开期望碳层16由无定形碳形成，并沉积在低表面能材料层14的表面15上，厚度小于200埃，但是应当理解，层16可以具有30埃至10000埃的厚度。在优选实施例中，形成厚度在30至70埃之间的碳层16。公开了两种类型的无定形碳适于碳层16的制造。更具体地，为碳层16公开了聚合物形式的碳材料(PLC)和金刚石状碳(DLC)材料。在优选实施例中，聚合物形式的碳材料被公开为～60％聚合的、含有可测量的数量的氢、具有～0.9g/cc的低密度值、～2.0GPa的硬度值以及在633nm的n～1.7和k～0.02的光学常数数据。金刚石状碳材料被公开为35％聚合的、含有可测量的数量的其它元素(例如氮和氢，甚至可以含有氧)、具有～1.4g/cc的高密度值、～8.0GPa的硬度值以及在633nm的n～1.9和k～0.20的光学常数数据。尽管没有检测落在PLC和DLC的说明之间的具体的碳膜，但是应当相信它们在此应用中将同样好的工作。无定形碳层16通过改变低表面能材料层14的表面能，提供了光刻胶堆叠20对低表面能材料层14的表面15的增强的黏性，因此提供了与光刻胶堆叠20的更大的兼容性，同时排斥水或水的混合物。

在可选实施例中，如图7和8所示，在衬底12′的最上表面上形成无定形碳层16′，在无定形碳层16′的最上表面上形成低表面能材料层14′。应当注意，通过类似的数字指出所有与图1中所示的部件类似的部件，这些数字添加了标记以表示不同的实施例。

更具体地，第二实施例中显示的是期望在衬底12′上沉积低表面能材料层14′的器件。为了促进低表面能材料层14′对衬底12′的黏性，在低表面能材料层14′的沉积之前，在衬底12′上邻近衬底12′沉积无定形碳层16′。这种类型的应用对于低k材料、不粘东西的掩模涂层、MEMS器件、微流和SFIL器件的图形化层是有益的。

如图7和8所示，提供衬底12′，并由与图1至6中公开的衬底12类似的那些材料形成。接下来，在衬底12′上并邻近衬底12′的最上表面13′设置无定形碳层16′。无定形碳层16′由与图1至6中公开的无定形碳层16类似的那些材料形成，并且提供了低表面能材料层14′在衬底12′上增强的黏性。低表面能材料层14′以特定实施例的Teflon

形成，但是可以预见，也能够按照图1至6中所述由其它的低表面能材料形成。

在此特别的实施例中，在器件10′的制造期间，如上所述使用PECVD或其它的技术在衬底12′的表面13′上沉积小于100埃的无定形碳的薄层。通过此公开可以预见，层16′通常小于200埃，但是应当理解，层16′能够具有在30埃至10000埃范围内的厚度。

在无定形碳层16′顶上沉积或旋涂一层低表面能材料14′。使用无定形碳作为界面层提供了低表面能材料14′对衬底12′的增强的黏性。

因此，公开了用于增强有机层的黏性的无定形碳层以及制造方法。含有无定形碳层提供了抗蚀剂层对低表面能材料表面的增强的黏性，或者低表面能材料层对衬底的增强的黏性。此增强的黏性特性改进了半导体器件、光子器件、微流器件、表面声波器件、压印模板等的制造，包括图形化所述低表面能材料的制造，并且通过此黏性容易实现抗蚀剂层的去除。

Claims

1.一种器件，包括：

具有表面的衬底；

形成在所述衬底的表面上的低表面能材料层，其中所述低表面能材料层的表面能小于或等于18毫焦耳/平方米；和

形成在所述衬底的表面上并邻近所述低表面能材料层的无定形碳层。

2.如权利要求1所述的器件，其中在所述衬底的表面与所述无定形碳层之间形成所述低表面能材料层，在所述无定形碳层的最上表面上形成光刻胶堆叠。

3.如权利要求2所述的器件，其中所述光刻胶堆叠形成为多层光刻胶。

4.如权利要求1所述的器件，其中低表面能材料选自于无定形的含氟聚合物、半结晶的含氟聚合物、聚对二甲苯和硅树脂基材料组成的组。

5.如权利要求1所述的器件，其中无定形碳层由聚合物形式的碳形成。

6.如权利要求1所述的器件，其中无定形碳层由金刚石状碳形成。

7.一种器件，包括：

具有表面的衬底；

在所述衬底的表面上形成的低表面能材料层，其中所述低表面能材料层的表面能小于或等于18毫焦耳/平方米；

邻近所述低表面能材料层的最上表面形成的、等离子体增强化学气相沉积的无定形碳层；和

邻近所述无定形碳层的最上表面形成的光刻胶堆叠。

8.一种器件，包括：

具有表面的衬底；

邻近所述衬底的表面形成的、等离子体增强化学气相沉积的无定形碳层；

邻近所述无定形碳层的最上表面形成的低表面能材料层。

9.一种形成器件的方法，包括以下步骤：

提供具有表面的衬底；

在所述衬底的表面上形成一层低表面能材料，其中所述低表面能材料层的表面能小于或等于18毫焦耳/平方米；

在所述衬底的表面上并邻近所述低表面能材料沉积无定形碳层。

10.如权利要求9所述的形成器件的方法，其中所述形成一层低表面能材料的步骤包括在所述衬底与无定形碳层之间形成该层低表面能材料，并且在所述无定形碳层的最上表面上形成光刻胶堆叠。