CN101042536A

CN101042536A - 缩小光刻胶接触孔图案的临界尺寸的方法

Info

Publication number: CN101042536A
Application number: CNA2006100248708A
Authority: CN
Inventors: 崔彰日
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2006-03-20
Filing date: 2006-03-20
Publication date: 2007-09-26
Anticipated expiration: 2026-03-20
Also published as: CN100498544C

Abstract

本发明涉及一种在半导体器件的光刻过程中缩小用于形成接触孔的光刻胶图案的临界尺寸，从而允许得到临界尺寸在90nm以下的接触孔图案的方法。所述方法包括a)在衬底上涂覆光刻胶，形成光刻胶层；b)利用具有预定图案的掩模对光刻胶层进行曝光；c)在曝光后的光刻胶层上涂布光酸抑制剂；d)对涂布有光酸抑制剂的光刻胶层进行曝光后烘烤；和e)利用显影剂对经上述处理的光刻胶层进行显影，得到临界尺寸缩小的接触孔图案。

Description

缩小光刻胶接触孔图案的临界尺寸的方法

技术领域

本发明涉及一种用于形成半导体器件的光刻胶接触孔图案的方法，具体而言，涉及一种在半导体器件的光刻过程中缩小用于形成接触孔的光刻胶图案的临界尺寸CD(critical dimension)从而允许得到临界尺寸在90nm以下的接触孔图案的方法。

背景技术

随着大规模集成电路制造的设计准则(design rule)逐步减小，要求光刻胶接触孔的临界尺寸也越来越小，下表1示出各种设计准则下对接触孔临界尺寸(CD)的要求。

表1

设计准则(μm)	0.11	0.09	0.07
设计准则(μm)	0.11	0.09	0.07	接触孔CD(nm)	145	130	100

然而，接触孔临界尺寸的减小远比减小线宽和间隔宽度要困难得多。目前，光刻过程中常用光源(例如248nm KrF)的波长较长，限制了解析度，因而难以得到临界尺寸在130nm以下的接触孔，而这是发展更先进的集成电路制造工艺如0.09μm集成电路制造工艺所必需的。

目前，为了得到临界尺寸更小的接触孔已经发展了多种技术来克服上述解析度不足的问题，例如利用ArF光源、浸没式光刻法(immersion lithography)、强移相模块(PSM)和薄光刻胶层等方法可以得到临界尺寸在130nm以下的接触孔。

CN03102525.0公开了一种通过双层光刻胶的二次曝光形成微细图案的方法，其中采用了ArF光源和ArF光刻胶，其缺点在于不能利用传统设备并且工艺复杂。

CN200310124851.9公开了一种形成微细图案特别是临界尺寸缩小的接触孔图案的方法，其特征在于利用VUV辐射使得曝光显影后的光刻胶的Tg临时下降，从而通过加热使光刻胶图案发生重新流动，因而导致临界尺寸缩小。其缺点在于必须采用新设备并增加工艺步骤而且难以精确控制光刻胶图案的临界尺寸。

上述现有技术的缺点在于应用上述方法需要不同于传统光刻过程的设备，因此需要大量投资，导致成本增加。

发明内容

本发明人为了克服上述现有技术的缺点，经深入研究发现通过在曝光后的光刻胶层上涂布光酸抑制剂例如甲基硅氮烷化合物，利用光酸抑制剂与光刻胶中的质子和光酸生成剂的反应来控制光刻胶的光化学反应过程，以实现对光刻胶接触孔图案的缩小。因此，本发明得到一种简单缩小光刻胶接触孔图案的临界尺寸的方法，该方法既能应用于0.11μm以下集成电路制造工艺中，又可利用现有设备而不需要再次投资。

本发明提出一种缩小光刻胶接触孔图案的临界尺寸的方法，该方法包括以下步骤：a)在衬底上涂覆光刻胶，形成光刻胶层；b)利用具有预定图案的掩模对光刻胶层进行曝光；c)在曝光后的光刻胶层上涂布光酸抑制剂；d)对涂布有光酸抑制剂的光刻胶层进行曝光后烘烤；和e)利用显影剂对经上述处理的光刻胶层进行显影，得到临界尺寸缩小的接触孔图案。

在步骤a)中，可选择采用预烘烤方法预先除去衬底上的水分，并且在涂覆光刻胶层之前涂布甲基硅氮烷化合物底材，其中所涂布的甲基硅氮烷化合物底材是六甲基二硅氮烷(HMDS)。

在步骤a)中，涂覆所述光刻胶层之后，优选预烘烤所涂覆的光刻胶层，以除去光刻胶中的溶剂。

步骤a)中用于涂覆所述光刻胶层的方法包括旋转涂布法(spin-coating)和气体辅助法，上述方法的条件为本领域技术人员所公知。

步骤a)中所涂覆的光刻胶层厚度为500-10000nm。

步骤a)中的光刻胶层优选采用正型光刻胶，包括酚醛树脂等。

步骤b)中的曝光过程所采用的光源波长为400nm-190nm，所使用的掩模包括双密度掩模(BIM)、移相掩模(PSM)和单元投影掩模(CPM)等。

步骤c)中所涂覆的光酸抑制剂是甲基硅氮烷类化合物，包括六甲基二硅氮烷(HMDS)、双(N，N-二甲基氨基)甲基甲硅烷(C₅H₁₆N₂Si)、双(N，N-二甲基氨基)二甲基甲硅烷(C₆H₁₆N₂Si)、二甲基甲硅烷基二甲基胺、二甲基甲硅烷基二乙基胺、三甲基甲硅烷基二甲基胺、三甲基甲硅烷基二乙基胺和N，N-二甲基氨基五甲基二硅烷(DMDS)等。

步骤c)中，利用辅助气体法即利用辅助气体夹带所述光酸抑制剂喷洒至光刻胶层表面的方法而将所述光酸抑制剂涂覆在光刻胶层表面，其中辅助气体包括He、Ne、Ar、N₂、O₂、空气及其混合气体。

步骤d)中，所述曝光后烘烤温度的范围为80℃至光刻胶的玻璃化温度Tg，烘烤时间为20秒-200秒。所述曝光后烘烤是在真空环境下进行的，其压力为10^-1.5-10^-1mmHg。

以上步骤中所采用的烘烤方法包括热板烘烤、加热炉烘烤和代理烘烤(proxybaking)。

根据本发明的方法具有以下优点：1、只需在现有光刻技术中增加一个涂布光酸抑制剂和曝光后加热的步骤，即可得到90nm以下临界尺寸的光刻胶接触孔图案；2、不需要增加任何设备和材料，从而大大节省了成本；3、通过调节加热时间和加热温度等条件，可以精确控制形成各种目标临界尺寸的光刻胶接触孔图案；和4、与现有的缩小光刻胶接触孔尺寸的方法相比，根据本发明的方法更加简单并且更容易控制。

附图说明

下文中将参照附图对本发明的上述优点和特征进一步进行说明。

图1示出根据本发明方法利用HMDS处理来缩小光刻胶接触孔图案的各步骤示意图。

图2示出根据本发明方法，采用HMDS作为光酸抑制剂，在不同烘烤时间后对所得光刻胶接触孔图案进行显影后检查(ADI)的电子显微镜照片。

具体实施方式

以下详细说明本发明。

众所周知，光刻胶是一种暂时涂布在晶片上的感光材料，和底片感光材料相似，受照射后发生化学反应，从而将光掩模上的光学图案转印到晶片表面。在接触孔图案形成过程中，由于其对解析度要求很高，因此一般采用正光刻胶。该类光刻胶通常是通过感光剂而交联的酚醛树脂(Novolac)。曝光时，光子引发光刻胶中的光敏产酸物(PAG)发生光化学反应产生质子H⁺(光酸)，此质子会与光刻胶反应导致其交联键断裂而解交联，使得曝光部分的光刻胶可被显影剂所溶解，从而得到光刻胶图案。

本发明人提出可以考虑利用光酸抑制剂如甲基硅氮烷类化合物来控制光刻胶中的质子浓度分布从而缩小上述光化学反应的区域，由此实现接触孔图案的缩小。

在现有的光刻技术中已经广泛使用了甲基硅氮烷类化合物，例如HMDS，但是其用途是作为底材(primer)，即用于除去衬底上的水分和增强光刻胶与衬底之间的粘接。这是因为甲基硅氮烷化合物易与含有活泼氢的化合物如水发生反应，同时甲基硅氮烷化合物的甲基可与光刻胶发生反应而增加粘接力。

但是，在本发明中使用甲基硅氮烷化合物是作为光酸抑制剂来控制光照产生的质子与光刻胶之间的化学反应，这与现有技术中对甲基硅氮烷化合物的用途和工艺完全不同。

图1示意性地示出根据本发明的光刻胶接触孔图案临界尺寸缩小的方法。

首先，如步骤1所示，在衬底上涂布光刻胶层，该光刻胶层的厚度可为500-10000nm。具体步骤是预先利用烘烤的方法除去衬底上的水分，随后通过辅助气体法涂布HMDS，所述辅助气体法是指利用辅助气体夹带所述甲基硅氮烷化合物喷洒至衬底表面的方法，经HMDS处理之后再利用旋转涂布法涂覆光刻胶层，例如酚醛树脂型光刻胶，接着对光刻胶层进行预烘烤以除去光刻胶中的过量溶剂使光刻胶硬化并提高光刻胶与衬底间的附着力。

其次，如步骤2所示，利用光学掩模对光刻胶层进行曝光，光刻胶中的光酸生成剂受光照后产生质子。已知由于边缘效应，在图案边缘处的光强度要低于图案中心部位的光强度，因此导致曝光后的光刻胶中的质子浓度出现梯度分布，图案中心大部分区域的H⁺浓度要远高于边缘处的H⁺浓度。

接着，如步骤3所示，在曝光后的光刻胶层表面通过辅助气体法喷洒预定量的HMDS(光酸抑制剂)，HMDS随即与光刻胶中的质子发生反应形成HMDS酸化物，该反应可由下式1表示。

HMDS+H⁺→HMDS-H⁺ (式1)

其中，所形成的HMDS-H⁺不再能够与光刻胶反应，从而抑制光刻胶的光降解过程。

作为选择，也可以喷洒预定量的其它光酸抑制剂，例如DMDS、双(N，N-二甲基氨基)甲基甲硅烷(C₅H₁₆N₂Si)、双(N，N-二甲基氨基)二甲基甲硅烷(C₆H₁₆N₂Si)、二甲基甲硅烷基二甲基胺、二甲基甲硅烷基二乙基胺、三甲基甲硅烷基二甲基胺或三甲基甲硅烷基二乙基胺。上述光酸抑制剂均含有活泼氨基，易于与质子反应形成稳定的酸化物，其反应机理与HMDS类似。

利用辅助气体夹带气态的所述光酸抑制剂，在真空环境下喷洒至光刻胶层表面来涂布所述光酸抑制剂，其中所述真空环境的压力为10^-1.5-10^-1mmHg，所述辅助气体可使用He、Ne、Ar、N₂、O₂、空气或其混合气体等。

最后，如步骤4所示，在曝光后烘烤过程结束之后，利用显影剂如TMAH(氢氧化四甲基铵)进行显影过程，将光刻胶与质子反应而降解解交联的部分光刻胶溶解掉，同时保留曝光区域中未充分降解解交联的部分光刻胶，从而在光刻胶层上得到缩小的接触孔图案。

以下详述光刻胶层上的接触孔图案缩小的机理。

由于光刻胶曝光区域中的质子浓度在图案中心大部分区域与边缘区域之间存在浓度差异，而光酸抑制剂的涂布却是均匀的，因此这就意味着当光酸抑制剂向光刻胶中扩散时，质子浓度较低的边缘区域中质子将迅速与光酸抑制剂结合导致质子不能充分与光刻胶反应，使得所述边缘区域的光刻胶虽然被曝光但却不能被降解解交联，而接触孔图案中心大部分区域由于质子浓度较高，其质子与光刻胶的反应基本不受光酸抑制剂作用的影响，因此虽然曝光面积并未缩小，但是显影剂所能溶解的曝光面积却得以缩小，最终导致显影后的光刻胶接触孔图案的面积缩小。

由于上述过程受光酸抑制剂的扩散速度控制，而且通过调节曝光后烘烤过程的温度和时间可以控制光酸抑制剂的扩散速度，由此得以控制光刻胶接触孔图案的缩小程度。以下讨论控制光刻胶接触孔图案缩小程度的具体方法。

引入如下定义：当曝光后不使用光酸抑制剂进行处理时，定义其曝光后烘烤时间为T₀；而在使用光酸抑制剂处理后进行曝光后烘烤时，随着烘烤时间的延长，接触孔图案边缘处的质子逐渐被耗尽，且质子耗尽区逐渐向中心区域扩展，这段时间定义为T₁；然而，当烘烤时间继续延长超过一定义为T_c的临界时间点之后，质子会重新扩散至质子已经耗尽的区域，导致接触孔图案边缘模糊，临界尺寸反而扩大，这一时间定义为T₂。

显然，上述各时间之间的关系为T₀＞T₁＞T_c＞T₂，与之对应的临界尺寸之间的关系为CD_c＜CD₂＜CD₁＜CD₀。由于T₂时间中接触孔图案边缘会出现大量缺陷，对后续蚀刻步骤不利，因此，烘烤时间应该控制不超过T_c。

由于光酸抑制剂和质子酸的扩散速度除了受烘烤时间控制之外，还受烘烤温度的影响，并且众所周知温度越高则扩散速度越快，因此，为了得到预定临界尺寸的接触孔图案，当烘烤温度较高时，烘烤时间应该适当缩短，而烘烤温度较低时，则应适当延长烘烤时间。

上述曝光后烘烤过程的条件一般为：烘烤时间一般为20-200秒，烘烤温度大于80℃但不超过光刻胶的玻璃化温度Tg。这是因为如果烘烤温度高于光刻胶的玻璃化温度Tg则光刻胶会发生流动从而不能得到具有稳定形状的接触孔图案。上述条件可以根据所需的光刻胶接触孔图案临界尺寸而进行调整。

以上各烘烤步骤中可以采用的烘烤方法包括热板烘烤、加热炉烘烤和代理烘烤(proxy baking)。

参考图2，可见当曝光后不采用HMDS处理时(T₀)，光刻胶接触孔图案的临界尺寸明显较大；而曝光后在光刻胶表面涂布HMDS并经烘烤处理36秒(T₁)之后，接触孔图案的临界尺寸明显缩小，且图案边缘清晰适合用作后续蚀刻步骤的掩模；然而，曝光后在光刻胶表面涂布HMDS并经烘烤处理60秒(T₂)之后，接触孔图案的临界尺寸反而增大，并且图案边缘出现大量缺陷，其不适合用于后续蚀刻步骤。因此，为了精确缩小光刻胶接触孔图案的临界尺寸，必须设定最优的烘烤时间和温度。

上述试验数据证实了采用根据本发明的方法可以简单、方便且有效地获得临界尺寸缩小的光刻胶接触孔图案，而不需要增加任何设备或材料。

虽然根据特定优选实施方案描述了本发明，但是本发明并不受其限制，很明显本领域技术人员可以在不违背所附权利要求所限定的本发明的实质和范围的情况下，对本发明进行各种更改和变化。

Claims

1.一种缩小光刻胶接触孔图案的临界尺寸的方法，该方法包括以下步骤：

a)在衬底上涂覆光刻胶，形成光刻胶层；

b)利用具有预定图案的掩模对光刻胶层进行曝光；

c)在曝光后的光刻胶层上涂布光酸抑制剂；

d)对涂布有光酸抑制剂的光刻胶层进行曝光后烘烤；和

e)利用显影剂对经上述处理的光刻胶层进行显影，得到临界尺寸缩小的接触孔图案。

2.权利要求1的方法，其特征在于，步骤a)还包括采用预烘烤方法除去衬底上的水分的步骤。

3.权利要求1的方法，其特征在于，步骤a)还包括在干燥衬底上涂覆甲基硅氮烷化合物底材的步骤。

4.权利要求3的方法，其特征在于，步骤a)中所涂覆的甲基硅氮烷化合物底材是六甲基二硅氮烷HMDS。

5.权利要求1的方法，其特征在于，步骤a)还包括预烘烤所涂覆的光刻胶层，以除去光刻胶中的溶剂的步骤。

6.权利要求1的方法，其特征在于，步骤a)中涂覆光刻胶层的方法包括旋转涂布法和气体辅助法。

7.权利要求6的方法，其特征在于，步骤a)中所涂覆的光刻胶层厚度为500-10000nm。

8.权利要求1的方法，其特征在于，步骤a)中的光刻胶层包括酚醛树脂。

9.权利要求1的方法，其特征在于，步骤b)中所述曝光过程所采用的光源波长为400nm-190nm。

10.权利要求1的方法，其特征在于，步骤b)中所述的掩模包括双密度掩模BIM、移相掩模PSM和单元投影掩模CPM。

11.权利要求1的方法，其特征在于，步骤c)中所述的光酸抑制剂是甲基硅氮烷化合物，包括六甲基二硅氮烷HMDS、双(N，N-二甲基氨基)甲基甲硅烷、双(N，N-二甲基氨基)二甲基甲硅烷、二甲基甲硅烷基二甲基胺、二甲基甲硅烷基二乙基胺、三甲基甲硅烷基二甲基胺、三甲基甲硅烷基二乙基胺和N，N-二甲基氨基五甲基二硅烷DMDS。

12.权利要求11的方法，其特征在于，在步骤c)中利用辅助气体夹带所述光酸抑制剂喷洒至光刻胶层表面而将所述光酸抑制剂涂布在所述光刻胶层表面。

13.权利要求12的方法，其特征在于，步骤c)中的所述辅助气体包括He、Ne、Ar、N₂、O₂、空气及其混合气体。

14.权利要求1的方法，其特征在于，步骤d)中的曝光后烘烤温度范围为80℃至光刻胶的玻璃化温度Tg，烘烤时间为20秒-200秒。

15.权利要求14的方法，其特征在于，所述曝光后烘烤是在真空环境下进行的，所述真空环境的压力为10^-1.5-10^-1mmHg。

16.权利要求1或2或5的方法，其特征在于，所述的烘烤方法包括热板烘烤、加热炉烘烤和代理烘烤。

17.权利要求1的方法，其特征在于，根据该方法得到的光刻胶接触孔图案的临界尺寸达到90nm或以下。