CN100461004C - 浸润式光刻的方法及其处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种浸润式光刻的方法及其处理方法，包括：提供一光致抗蚀剂层在半导体基底上，以及使用浸润式光刻曝光系统曝光该光致抗蚀剂层。该浸润式光刻曝光系统在曝光时使用液体，并可在曝光后去除一些但不是全部的液体；曝光后，使用一处理步骤以中和在浸润式曝光过程中，一些不希望的元素扩散至光致抗蚀剂层所产生的效应；经过处理后，进行曝后烤及显影步骤。本发明所述浸润式光刻的方法及其处理方法，可在光致抗蚀剂上产生想要的图案并减少缺陷。

Description

浸润式光刻的方法及其处理方法

技术领域

本发明是有关于一种半导体装置的制造方法，特别有关于一种防止缺陷在半导体基底上产生的方法及系统。

背景技术

光刻技术是将光罩上的图案投射至一基底例如半导体晶圆上。在半导体光刻技术领域中，必须在解析度极限或关键尺寸下，将半导体晶圆上的图案特征尺寸最小化，目前的关键尺寸已达到65nm以下。

半导体光刻技术通常包括在半导体晶圆的顶层表面(例如薄层堆叠)上涂布光致抗蚀剂，将光致抗蚀剂曝光形成图案，然后将曝光后的光致抗蚀剂曝后烤，以使高分子为主的物质产生裂解。接着将裂解的高分子光致抗蚀剂移到显影槽，因曝光的高分子可溶于显影液，所以可借此去除曝光的高分子。如此，可在晶圆的顶层表面得到图案化的光致抗蚀剂层。

浸润式光刻技术(immersion lithograpHy)是光刻技术中一项新的技术，其在晶圆表面及透镜之间填充液体进行曝光步骤。使用浸润式光刻技术可使透镜具有较在空气中使用时更高的孔径，进而改善解析度。此外，浸润更可提高聚焦深度(depth-of-focus，DOF)以制造较小的特征尺寸。

浸润式的曝光步骤在晶圆与透镜之间可使用去离子水或其他适合的浸润曝光液，虽然曝光时间很短，但是液体会造成一些问题，例如经过浸润式曝光制程之后，来自液体的液滴会残留，并且对光致抗蚀剂的图案化、特征尺寸以及其他方面造成不良的影响。

传统上用来减少液滴在晶圆上出现的方式例如为在曝光之后立刻提供干燥制程，然而，干燥制程的进行必须非常快速，例如在短暂的几分钟以内，以避免某些损害产生，但有时候很难保证干燥制程可以在短时间内完成。

发明内容

本发明提供一种在半导体基底上进行浸润式光刻的方法，包括：提供光致抗蚀剂层在半导体基底上，以及使用浸润式光刻曝光系统曝光该光致抗蚀剂层。此方法更包括在曝光后及曝后烤前处理该光致抗蚀剂层，该处理步骤可中和扩散至光致抗蚀剂层的捕捉剂，该捕捉剂来自曝光时所使用及残留的液体。之后，对曝光及处理过的光致抗蚀剂层进行曝后烤及显影制程。

本发明所述的浸润式光刻的方法，处理步骤使用冲洗液，该冲洗液包括具有酸性或碱性的物质，以中和扩散至光致抗蚀剂层的捕捉剂。该物质可以是酸性，以中和碱性的捕捉剂；该物质也可以是碱性，以中和酸性的捕捉剂。所选用的物质可基于其扩散速率与捕捉剂至光致抗蚀剂层的扩散速率相当。

本发明所述的浸润式光刻的方法，其中该冲洗液的pH值小于7，并且该捕捉剂的pH值大于7。

本发明所述的浸润式光刻的方法，其中该冲洗液包含pH值介于1到3之间的酸、光酸产生剂(PAG)、缓冲液或前述的组合。

本发明所述的浸润式光刻的方法，其中该处理步骤更使用一旋干步骤。

本发明所述的浸润式光刻的方法，其中该冲洗液的pH值大于7，并且该捕捉剂的pH值小于7。

本发明所述的浸润式光刻的方法，其中该冲洗液包含碱、光碱产生剂(PBG)或前述的组合。

本发明所述的浸润式光刻的方法，于处理步骤后及曝后烤前，使用中性溶液(例如去离子水)冲洗并旋干。

本发明所述的浸润式光刻的方法，处理步骤使用蒸气相溶液，所选用的蒸气相溶液具有酸性或碱性，以中和扩散至光致抗蚀剂层的捕捉剂。

本发明所述的浸润式光刻的方法，其中该蒸气相溶液的扩散速率符合该捕捉剂至该光致抗蚀剂层的扩散速率。

本发明所述的浸润式光刻的方法，其中该蒸气相溶液包括酸、光酸产生剂、缓冲液或前述的组合，并且其中该光致抗蚀剂层的pH值大于7且包含一光酸产生剂。

本发明所述的浸润式光刻的方法，其中该蒸气相溶液包括碱、光碱产生剂、缓冲液或前述的组合，并且其中该光致抗蚀剂层的pH值小于7且包含一光碱产生剂。

本发明所述的浸润式光刻的方法，处理步骤还使用溶剂，溶剂可除去光致抗蚀剂层的一上层部分，其厚度约为100

。

本发明更提供一种处理方法，适用于经过浸润式光刻制程后的半导体晶圆，该半导体晶圆的光致抗蚀剂层上具有曝光图案，该处理方法包括：对半导体晶圆的光致抗蚀剂层进行冲洗。光致抗蚀剂层包含用在后续制程中的光酸产生剂，并且冲洗液包含酸性成分以中和任何碱性捕捉剂，该碱性捕捉剂从光致抗蚀剂层的未曝光部分滤出，并扩散至光致抗蚀剂层的曝光部分。

本发明所述浸润式光刻的方法及其处理方法，可在光致抗蚀剂上产生想要的图案并减少缺陷。

附图说明

图1为半导体晶圆的俯视图，其具有一个或一个以上的缺陷。

图2为浸润式光刻系统的剖面图。

图3、4以及图6至10为半导体晶圆的剖面图，其经历浸润式光刻后的处理制程。

图5为依据本发明的一个或一个以上的实施例，进行减少缺陷数量的浸润式光刻制程的方法的流程图。

具体实施方式

为了让本发明的上述目的、特征及优点能更明显易懂，以下配合所附图式，作详细说明如下：

请参阅图1，半导体晶圆10包括基底12及图案化层14，基底12可以是一层或一层以上的结构，包括多晶硅、金属以及/或介电质，其将被图案化。在本发明实施例中，图案化层14为聚合物光致抗蚀剂层，其可经由曝光制程产生图案。光致抗蚀剂层14包括光酸产生剂(PAG)以进行化学放大反应(CAR)，化学放大反应可支持深紫外光及深次微米技术。在光刻制程中，光子引发光酸产生剂分解并形成少量的酸，所形成的酸通常于曝后烤时，在光致抗蚀剂层中引发连串的化学转变反应。本领域技术人员当可了解，光致抗蚀剂有许多种类，包括具有光碱产生剂(PBG)的光致抗蚀剂，此外，不管光致抗蚀剂14在设计上是选择正型或负型，为了得到较佳的结果，正型光致抗蚀剂是较佳的选择。

接着参阅图2，光致抗蚀剂层14上的图案可由浸润式光刻系统20产生，浸润式光刻系统包括透镜系统22；承载液体26(例如去离子水)的结构24；多个开口28，液体可经由开口添加或移除；以及吸盘30，用来固定晶圆10，并使晶圆对透镜系统22做相对移动。承载液体的结构24以及透镜系统22组成浸润头20a，浸润头20a可使用一些开口作为空气干燥用(air purge)，通入空气使晶圆干燥，其他的开口则作为排除清洗液体用，单一的空气干燥用开口可能不足以排除晶圆10上所有的液体26，因此通常有液滴残留。

请再参阅图1，图中所示的晶圆10为经过传统的浸润式光刻制程之后的结果，晶圆10上含有在制程中造成的缺陷50，缺陷50表示来自浸润式光刻液体26(图2)残留的液滴所造成的损害，并且其可能为光致抗蚀剂层变形或光致抗蚀剂层上的空洞(缺掉的图案)，而其它种类的缺陷也可能存在。

请参阅图3，造成缺陷的故障机制可为光致抗蚀剂层14中用以终止化学放大反应的捕捉剂60滤出到液体26中；图3中的光致抗蚀剂层包含两个未曝光的光致抗蚀剂部分，标示为14a，以及一个曝光的光致抗蚀剂部分，标示为14b；然后捕捉剂60经由残留的液滴26扩散至曝光的光致抗蚀剂部分14b中(标示为62)，其在后续的曝后烤(PEB)及显影制程中，对于图案的形成产生不良的影响。

请参阅图4，其为一缺陷的示意图，由上述捕捉剂60的滤出及扩散所造成，在曝后烤及显影制程后，产生不希望存在的光致抗蚀剂，标示为14c，希望得到的图案在图10中会说明。在此例中，扩散的捕捉剂会终止或严重地降低光酸产生剂在化学放大反应中的作用，例如在曝后烤过程中，这将会使得光致抗蚀剂去保护基不完全而在后续显影时较不可溶，较不易与显影液例如四甲基氢氧化铵(tetramethyl ammonium hydroxide，简称TMAH)水溶液反应，在图4的例子中，光致抗蚀剂14c为架桥形状，并对想要的图案造成不良的影响。

请参阅图5，其为减少浸润式光刻制程的缺陷数量的方法其一实施例的简化流程图，参照数字为100。在步骤102中，光致抗蚀剂14覆盖于晶圆基底12的表面上，光致抗蚀剂14可为负型或正型光致抗蚀剂，以及目前已知或以后开发的光致抗蚀剂材料，例如，光致抗蚀剂14可以是一种、两种或多种成分的光致抗蚀剂系统。光致抗蚀剂14可用旋转涂布或其他适合的方法涂布，在涂布光致抗蚀剂14之前，晶圆10可先预处理以进行浸润式光刻制程，例如，晶圆10在涂布光致抗蚀剂14之前可先清洁、干燥以及/或涂布粘着促进材料。

在步骤104中，进行浸润式的曝光步骤。晶圆10和光致抗蚀剂14浸润于浸润式曝光液体26中，然后经由透镜22(图2)曝光于辐射源下，辐射源可为紫外光，例如氟化氪(KrF，248nm)、氟化氩(ArF，193nm)或氟气(F₂，157nm)的准分子激光。光致抗蚀剂14在辐射下的曝光时间是取决于其所使用的光致抗蚀剂种类、紫外光强度以及/或其他因素，例如，曝光时间可约为0.2秒至30秒。曝光后，光致抗蚀剂14的曝光部分会固化，其他部分则保持在液体状态。

在步骤106中，进行一处理制程。该处理制程可与前一步骤或下一步骤在同一反应室中进行，也可以在另一个反应室进行。有许多独特的处理制程可用来降低上述的问题，这些制程可单独使用或以各种方式结合使用。

参阅图6，在一实施例中，提供捕捉剂中和溶液70至光致抗蚀剂14的顶层表面(之前暴露于浸润液体26的表面)，溶液70可基于光致抗蚀剂的种类，以及/或捕捉剂60的扩散深度而改变。在一例中，溶液为酸碱性与捕捉剂60相反的液体，此外，溶液70也可为蒸气或是液体与蒸气的组合，例如，如果捕捉剂60是碱性(pH>7)，则溶液70为酸性(pH<7)。在一较佳实施例中，溶液70可包含H⁺例如HCl，HCl溶液的pH值可介于1～3之间。在另一例中，溶液70可包含光酸产生剂。在第三例中，溶液70可包含缓冲液例如H₃PO₄+KH₂PO₄。

本领域技术人员当可了解，在一例中，光致抗蚀剂14包含碱性捕捉剂以及光酸产生剂(PAG)；在另一例中，光致抗蚀剂14可包含酸性捕捉剂及光碱产生剂(PBG)，并且在上述后者之中，溶液70为碱性(pH>7)。因此，本领域技术人员应可了解，有许多种类的溶液皆可使用，其取决于各种因素，例如所使用的光致抗蚀剂14的种类，其他因素如下所述。

请参阅图7，在图中溶液70扩散至光致抗蚀剂14中，并与捕捉剂60反应。在一实施例中，希望溶液70扩散至相对较浅的深度(例如改善与在较浅深度的捕捉剂60的交互作用)，在此实施例中，可选择不同种类的溶液70，例如，具有相对较高摩尔浓度(例如大于或等于约0.1摩尔)的HCl溶液。此外，较大的酸性分子例如H₃PO₄比起较小的酸性分子例如HCl，会有较浅的扩散深度，因此希望选用较大的酸性分子，因为其扩散至光致抗蚀剂的速率较低。更进一步地，还可改变温度以及/或压力来控制其扩散速率。

请参阅图8，在另一实施例中(或是在上述的一实施例以外)，可使用表面降低机制80来移除扩散的捕捉剂60(图3)，表面降低机制80可利用溶剂冲洗以除去光致抗蚀剂层14的上表面的一薄层，该薄层厚度约为100

。该移除层的厚度可基于捕捉剂60扩散的深度而改变，溶剂可为丙二醇单甲基醚(propylene glycolmonomethyl ether，简称PGME)或丙二醇单甲基醚乙酸酯(propylene glycol monomethyl ether acetate，简称PGMEA)，其他溶剂也可以使用，视光致抗蚀剂14的种类以及/或捕捉剂60的扩散深度而定(与上述的溶液70相似)。

请参阅图9，其中靠近光致抗蚀剂层14上表面的捕捉剂60已经被中和，以及/或通过上述的一种或一种以上的方法去除。

在一些实施例中，可在捕捉剂60被移除以及/或中和之后，进行去离子(DI)水冲洗步骤90以及旋干步骤。去离子水90较不可能滤出捕捉剂60，因为靠近光致抗蚀剂层14上表面的捕捉剂已经被移除以及/或中和，此外，在曝后烤之前进行的冲洗/旋干步骤的时间非常接近(例如小于2分钟)，所以如果发生任何滤出也是非常少量。

请再参阅图5，在步骤108中，已经曝光及处理过光致抗蚀剂层14的晶圆10，在曝后烤中加热以分解聚合物，此步骤让产生的光酸(或碱)与聚合物反应，帮助聚合物分解，例如晶圆可加热到约85～150℃的温度，持续约30～200秒。

在步骤110中，在曝光(正型)或未曝光(负型)光致抗蚀剂14上进行图案化显影制程，留下想要的光罩图案。在某些实施例中，将晶圆10浸泡在显影液中一段时间，此时一部分的光致抗蚀剂14会被溶解并移除，例如，晶圆10可浸泡在显影液中约5至60秒。本领域技术人员当可了解，显影液的成分取决于光致抗蚀剂14的成分，如前所述，四甲基氢氧化铵(TMAH)可为显影液的一例。

请参阅图10，其为在光致抗蚀剂14上产生想要的图案并减少缺陷(例如图4中的架桥的光致抗蚀剂14c)的结果。

在上述实施例中，晶圆10在该液体处理时可旋转或保持静止，此外，溶液70以及/或表面降低机制80可包含超临界流体或其他溶剂。

以上所述仅为本发明较佳实施例，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟悉本项技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可在此基础上做进一步的改进和变化，因此本发明的保护范围当以本申请的权利要求书所界定的范围为准。

附图中符号的简单说明如下：

10：晶圆

12：基底

14：光致抗蚀剂

14a：未曝光的光致抗蚀剂

14b：曝光的光致抗蚀剂

14c：架桥的光致抗蚀剂

20：浸润式光刻系统

20a：浸润头

22：透镜系统

24：承载液体26的结构

26：浸润液体

28：开口

30：吸盘

50：缺陷

60：捕捉剂

62：捕捉剂60扩散至曝光的光致抗蚀剂层14b中

70：捕捉剂中和溶液

80：表面降低机制

90：去离子水冲洗

100：减少缺陷数量的浸润式光刻制程的方法流程图

102：光致抗蚀剂涂布

104：曝光

106：处理步骤

108：曝后烤

110：显影

Claims (15)

1.一种浸润式光刻的方法，所述浸润式光刻的方法包括：

提供一光致抗蚀剂层在一半导体基底上；

使用一浸润式光刻曝光系统曝光该光致抗蚀剂层，该浸润式光刻曝光系统在曝光时使用一液体；

在曝光后及曝后烤前对该光致抗蚀剂层进行一处理步骤，用以中和从该液体扩散至该光致抗蚀剂层的一捕捉剂；

曝后烤该光致抗蚀剂层；以及

显影该曝光的光致抗蚀剂层。

2.根据权利要求1所述的浸润式光刻的方法，其特征在于，该处理步骤使用一冲洗液，该冲洗液包含一具有一酸性或碱性的物质，该物质用以中和扩散至该光致抗蚀剂层的该捕捉剂。

3.根据权利要求2所述的浸润式光刻的方法，其特征在于，该物质的扩散速率符合该捕捉剂至该光致抗蚀剂层的扩散速率。

4.根据权利要求2所述的浸润式光刻的方法，其特征在于，该冲洗液的pH值小于7，并且该捕捉剂的pH值大于7。

5.根据权利要求4所述的浸润式光刻的方法，其特征在于，该冲洗液包含pH值介于1到3之间的酸、光酸产生剂、缓冲液或前述的组合。

6.根据权利要求2所述的浸润式光刻的方法，其特征在于，该处理步骤更使用一旋干步骤。

7.根据权利要求2所述的浸润式光刻的方法，其特征在于，该冲洗液的pH值大于7，并且该捕捉剂的pH值小于7。

8.根据权利要求7所述的浸润式光刻的方法，其特征在于，该冲洗液包含碱、光碱产生剂或前述的组合。

9.根据权利要求1所述的浸润式光刻的方法，其特征在于，更包括：

在该处理步骤后及该曝后烤前，以一中性溶液冲洗并旋干。

10.根据权利要求1所述的浸润式光刻的方法，其特征在于，该处理步骤使用一蒸气相溶液，该蒸气相溶液具有一酸性或碱性，用以中和扩散至该光致抗蚀剂层的该捕捉剂。

11.根据权利要求10所述的浸润式光刻的方法，其特征在于，该蒸气相溶液的扩散速率符合该捕捉剂至该光致抗蚀剂层的扩散速率。

12.根据权利要求10所述的浸润式光刻的方法，其特征在于，该蒸气相溶液包括酸、光酸产生剂、缓冲液或前述的组合，并且其中该光致抗蚀剂层的pH值大于7且包含一光酸产生剂。

13.根据权利要求10所述的浸润式光刻的方法，其特征在于，该蒸气相溶液包括碱、光碱产生剂、缓冲液或前述的组合，并且其中该光致抗蚀剂层的pH值小于7且包含一光碱产生剂。

14.根据权利要求1所述的浸润式光刻的方法，其特征在于，该处理步骤还包括提供一溶剂至该光致抗蚀剂层，该溶剂移除该光致抗蚀剂层的一上层部分。

15.一种处理方法，适用于经过一浸润式光刻制程后的一半导体晶圆，该半导体晶圆的一光致抗蚀剂层上具有一曝光图案，其中该光致抗蚀剂层包含一用在一后续制程中的光酸产生剂，该浸润式光刻的处理方法包括：

将一冲洗液用在该半导体晶圆的光致抗蚀剂层上，该冲洗液包含一酸性成分以中和一碱性捕捉剂，该碱性捕捉剂从该光致抗蚀剂层的一未曝光部分滤出，并扩散至该光致抗蚀剂层的一曝光部分。

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