CN101303970A - 光刻工艺的进行方法及半导体制造的方法 - Google Patents

光刻工艺的进行方法及半导体制造的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光刻工艺的进行方法及半导体制造的方法，本发明的一实施例中，提供一衬底包含一光刻胶层，并使光刻胶层曝光。曝光的光刻胶层再进行显影，应用一化学清洗步骤于此曝光的光刻胶层。此化学清洗步骤包含以一醇基的清洗溶液清洗衬底后，将衬底旋转风干。

Description

光刻工艺的进行方法及半导体制造的方法
技术领域
本发明涉及一种用来制作半导体集成电路的光刻工艺，且特别涉及一种具有化学清洗步骤的光刻工艺的进行方法及半导体制造的方法。
背景技术
光刻(photolithography)是一种将掩膜上的图案投射转移到衬底(例如半导体晶片)上的技术。半导体光刻技术包含覆盖一光刻胶层于半导体衬底表面上，并将光刻胶层曝光以形成图案等工艺。曝光后烘烤工艺(post-exposurebake；PEB)通常被用来打断曝光后光刻胶的高分子结构。接着将衬底送入显影反应室，衬底表面包含被打断的高分子光刻胶，在反应室中以水性显影液移除溶于水性显影液的光刻胶材料。一般来说，光刻胶表面以浸置式(puddle)显影的方式涂覆显影液(例如四甲基氢氧化铵，TMAH)，用以使曝光的光刻胶显影。接着以去离子水清洗衬底以去除溶解的光刻胶高分子，之后将衬底进行一旋转风干工艺，衬底可再进行下一工艺，例如一硬烤工艺，以去除光刻胶表面的任何水气。
然而传统的工艺存在许多的问题。随着半导体技术的发展及更高密度的尺寸需求，在衬底上的光刻胶层需要具有相对更细、更高的图案结构。在光刻工艺中(特别是在旋转风干工艺时)，由于去离子水产生的毛细作用力，可能导致此图案结构产生弯曲及/或断裂。其中一个解决此问题的方法是导入超临界二氧化碳，通过还原氢键以降低表面张力。然而，此解决方案会显著地提高此工艺的成本。另一个解决的方法可包含：利用具有修饰高分子的光刻胶材料以使光刻胶更具疏水性，然而，此解决方案会降低显影液的可湿性。传统光刻工艺的另一个问题是由光刻胶及光学分辨率的限制所导致的线边缘粗糙度(lineedge roughness；LER)，线边缘粗糙度包括由理想的结构到实际形成的结构之间产生的水平及垂直误差。特别是关键尺寸的缩小，使得线边缘粗糙度的问题更严重，并且可能导致优良率降低。传统光刻工艺的另一问题是出现水痕(watermark)缺陷，例如在以去离子水清洗时，在光刻胶亲水性表面的水可能无法完全旋干而在光刻胶上留下水痕。光刻胶可以为疏水性的，特别是在分离的、或非密集的图案区域，水痕的产生对于优良率及器件性能具有严重的影响。
因此，需要一种改进的方法来进行光刻工艺。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种具有化学清洗步骤的光刻工艺的进行方法及半导体制造的方法，用以解决光刻工艺中清洗步骤造成的水痕，并改善图案化光刻胶结构线边缘粗糙度的问题。
为了实现上述目的，本发明提出一种具有化学清洗步骤的光刻工艺的进行方法，包含提供一衬底，衬底上具有一光刻胶层，光刻胶层经过曝光及显影步骤后，以一化学清洗溶液清洗曝光后的光刻胶层，并在使用完化学清洗溶液清洗之后进行一旋转风干步骤。此化学清洗溶液包含一醇基化学药剂，化学清洗溶液可具有比纯水低的表面张力，一实施例中，醇基化学药剂为异丁醇。
为了实现上述目的，本发明还提供了另一种光刻工艺的进行方法。此方法包含提供具有一光刻胶层的衬底，此光刻胶层被曝光。应用一化学清洗溶液于此曝光的光刻胶层上，化学清洗溶液包含醇基化学药剂。显影经曝光的光刻胶层，且接着进行旋转风干包含已显影光刻胶层的衬底。在一实施例中，此化学清洗溶液包含一醇基化学药剂，也可应用于显影的光刻胶层。
为了实现上述目的，本发明又提供了一种半导体制造的方法。此方法包含提供一衬底，具有一图案化光刻胶层。应用一醇基化学药剂于此图案化光刻胶层，并旋转风干在醇基化学药剂处理后的衬底。在一实施例中，醇基化学药剂为异丁醇。
根据上述可知，本发明实施例的化学清洗步骤使用的化学清洗溶液，可在旋转风干步骤的过程中将水份完全带走，而不会沉积在表面上形成水痕。此外，化学清洗溶液的表面张力比去离子水低，可降低在旋转风干步骤的过程中光刻胶结构的毛细作用力而减少缺陷的产生。
为让本发明的上述和其它目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，下面结合附图详细说明。
附图说明
图1示出依照本发明一实施例的光刻工艺流程图；
图2a～2f示出依照图1所示的方法进行光刻工艺的一半导体衬底的剖面图；
图3示出依照本发明另一实施例的光刻工艺流程图；
图4a～4c示出依照本发明一实施例的依照图3所示的方法进行光刻工艺的一半导体衬底的剖面图。
【主要器件符号说明】
100：方法              102：步骤
104：步骤              106：步骤
108：步骤              110：步骤
112：步骤              202：衬底
204：光刻胶            206a：未曝光的光刻胶部分
206b：曝光的光刻胶部分 208a：缺口部分
208b：残余颗粒         210：化学清洗溶液
300：方法              302：步骤
304：步骤              306：步骤
402：衬底              404：图案化光刻胶层
406：化学清洗溶液
具体实施方式
本发明涉及一种制造半导体器件的方法，且特别涉及一种具有化学清洗工艺的光刻工艺。应了解的是，下文中的特定实施例是举例说明本发明的概念，使本技术领域的人员可据以实施本发明。另外，还应了解在本发明实施例中所揭露的操作方法及装置当可包含某些已知的工艺或结构。当这些已知结构或工艺在实施例中提到时，其细节的部分的描述仅用于一般的讨论。此外，附图中的同一器件以同一参考号重复使用是为了方便说明，而非用以代表示附图中的结构或步骤的任何组合。
图1示出依照本发明一实施例的光刻工艺方法100的流程图。而图2a～2f示出依照图1所示的方法于一半导体衬底上进行光刻工艺的不同步骤时，相对应半导体衬底结构变化的剖面图。
方法100从步骤102开始，首先提供一衬底。为了举例说明，以一半导体晶片构成的衬底为例，描述此方法的细节。需要了解的是，其它的衬底及工艺的例子也可应用于本发明的实施例，例如印刷电路板(printed circuit board；PCB)衬底、镶嵌工艺(damascene process)、薄膜晶体管液晶显示器(thin filmtransistor liquid crystal display；TFT-LCD)衬底及工艺。参照图2a，提供一衬底202。
方法100的步骤104是将光刻胶沉积于衬底上。参照图2b，衬底202上沉积了一层光刻胶204。衬底202可包含多层薄膜，例如一薄膜堆栈。光刻胶204可包含一传统的光刻胶层，并可以传统方法沉积于衬底202上，例如以旋转涂层法(spin-on coating)。依照本发明的一实施例，光刻胶204包含传统上可接受的193纳米光刻胶材料。
在步骤106中，进行一曝光操作及一曝光后烘烤工艺。参照图2c，对光刻胶204图案化以包含曝光的光刻胶部分206b及未曝光的光刻胶部分206a。应了解的是，不同的光刻胶材料均可应用，为了举例说明，在此以一正光刻胶为例。曝光系统与烘烤系统可为分离的系统。
方法100的步骤108为进行一显影步骤，将衬底上的图案化光刻胶显影。显影工艺可包含将一水性四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液涂覆于衬底上，TMAH可通过一浸置式工艺(puddle process)涂覆于衬底。此显影工艺可移除光刻胶的可溶部分。参照图2c和图2d的示例，移除光刻胶的可溶部分，曝光的光刻胶部分206b产生缺口部分208a，以在衬底202上形成掩膜图案。显影工艺之后，已溶解的光刻胶材料的高分子聚合物仍可能存在于衬底202上，例如图2d所示的残余颗粒208b。依照本发明的一实施例，于步骤108的显影工艺后，以去离子水清洗衬底。参照图2d，以去离子水清洗衬底202并清除残余颗粒208b。一部分的残余颗粒208b仍可能残留在衬底202上，并可经下文所示的步骤移除。
方法100的步骤110为进行一化学清洗步骤。化学清洗步骤包含以一化学清洗溶液清洗衬底，化学清洗溶液可包含一醇基的化学药剂。依照本发明的一实施例，化学清洗溶液包含大约0.1重量百分比以上的醇基化学药剂。化学清洗溶液可具有小于纯水的表面张力(也即当25℃时纯水的表面张力为70dynes/cm，则此化学清洗溶液的表面张力在25℃时应小于70dynes/cm)。醇基化学药剂可包含异丁醇(isobutyl alcohol；IBA)。依照本发明的一实施例，此化学清洗溶液包含介于约5～10重量百分比的异丁醇。异丁醇在此可为一优良的醇基化学药剂，原因包括成本的考虑。另一可选择的实施例，使用的醇基化学药剂可包含其它不同种类的醇溶剂，例如乙醇(ethanol)、甲醇(methanol)、异丙醇(isopropyl alcohol；IPA)、丙酮(acetone)、丁醇(butanol)、第三丁醇(tert-butanol)、环己醇(cyclohexanol)、二甲基二丁醇(2-methyl-2-butanol)、异戊醇(isopentyl alcohol)及/或二甲苯(xylene)。依照本发明一实施例，此化学清洗溶液可包含异丁醇及一种或一种以上的醇溶剂，例如甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、丁醇、第三丁醇、环己醇、二甲基二丁醇、异戊醇(isopentyl alcohol)及/或二甲苯。依照本发明一实施例，此化学清洗溶液包含异丁醇及一约9.5重量百分比的醇溶剂，例如甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、丁醇、第三丁醇、环己醇、二甲基二丁醇、异戊醇及/或二甲苯。除了醇基化学药剂外，化学清洗溶液还可包含一化学添加剂，依照本发明的一实施例，化学添加剂为一表面活性剂。
参照图2e，导入一化学清洗溶液210于衬底202上。依照本发明一实施例，化学清洗溶液210是动态的分配于衬底202上。本发明的另一可选择的实施例中，化学清洗溶液210可填充于衬底202。化学清洗溶液210可从衬底202上移除残余颗粒208b。在一实施例中，化学清洗溶液210及去离子水清洗溶液从衬底202上移除残余颗粒208b。参照图4a～4c，化学清洗溶液210可改善未曝光的光刻胶部分206a的线边缘粗糙度(LER)。化学清洗溶液210可减少水痕的产生，经过化学清洗溶液210的处理后，可使衬底202的曝光表面及未曝光的光刻胶部分206a具有亲水性，举例来说，可允许水(例如去离子水清洗步骤中的使用的水)扩散进入未曝光的光刻胶部分206a的亲水性表面，而不会沉积在表面上形成水痕。
方法100的步骤110的化学清洗步骤的配置将在下文单独说明。化学清洗步骤可于方法100的任一个步骤中或多个步骤中使用。依照本发明的实施例，于步骤106的曝光后烘烤工艺之后及步骤108的显影工艺之前使用一第一化学清洗溶液，在显影工艺之后使用一第二化学清洗溶液。在一实施例中，一化学清洗溶液与显影液实质上同时使用。在一实施例中，于方法100中的步骤108的显影工艺后及步骤112的旋转风干工艺之前包含一去离子水清洗步骤。在去离子水清洗步骤之前及/或之后可进行一化学清洗步骤。方法100的每一个实施例中使用的化学清洗溶液可实质类似于步骤110所述的化学清洗溶液。
方法100的步骤112为进行一旋转风干工艺。参照图2e及2f，在旋转风干工艺之前，可在衬底202上使用化学清洗溶液210清洗衬底表面，之后化学清洗溶液210可经旋转风干工艺去除。在一实施例中，去离子水清洗步骤中残留在衬底202的去离子水可以旋转风干工艺去除。相比较于在传统光刻工艺中，旋转风干工艺之前可能出现于衬底上的纯去离子水，化学清洗溶液210可具有较低的表面张力。化学清洗溶液210可降低在旋转风干步骤的过程中，在未曝光的光刻胶部分206a的结构上的毛细作用力，如此可降低缺陷产生，例如未曝光的光刻胶部分206a的结构断裂或弯曲。接着可在移除未曝光的光刻胶部分206a之前，于衬底202上进行进一步的工艺，可包含一硬烤步骤、湿法蚀刻及/或离子注入。
参照图3，方法300为本发明另一可选择的实施例，为一包含化学清洗步骤的光刻工艺。方法300由步骤302开始，提供一具有图案化光刻胶层的衬底。在光刻胶层被移除之前，光刻胶的一图案化层包含任何已经被曝光的光刻胶层，其曝光工艺可以如图1所示的曝光步骤106进行(此光刻胶的图案化层可进行或不进行曝光后烘烤步骤)。举例来说，提供的光刻胶的图案化层可为已经曝光、显影、清洗、去离子水清洗、化学清洗及/或旋转风干的结构，或已经进行过硬烤，或已经完成显影后检查(after development inspection；ADI)，或以参照图1所揭示的方法100制造而成。
方法300的步骤304为一化学清洗步骤。化学清洗步骤包含以一含醇基化学药剂的化学清洗溶液清洗图案化光刻胶层。在一实施例中，化学清洗溶液可具有小于纯水的表面张力(也即当25℃时纯水的表面张力为70dynes/cm，则此化学清洗溶液的表面张力在25℃时应小于70dynes/cm)。醇基化学药剂可包含异丁醇(isobutyl alcohol；IBA)，依照本发明的一实施例，此化学清洗溶液包含介于约5～10重量百分比的异丁醇。异丁醇在此可为一优良的醇基化学药剂，原因包括成本的考虑。另一可选择的实施例，使用的醇基化学药剂可包含其它不同种类的醇溶剂，例如乙醇、甲醇、异丙醇、丙酮、丁醇、第三丁醇、环己醇、二甲基二丁醇、异戊醇及/或二甲苯。一实施例中，此化学清洗溶液包含异丁醇及一约9.5重量百分比的醇溶剂，例如甲醇、异丙醇、丙酮、丁醇、第三丁醇、环己醇、二甲基二丁醇、异戊醇及/或二甲苯。除了醇基化学药剂外，化学清洗溶液还可包含一化学添加剂，依照本发明的一实施例，化学添加剂为一表面活性剂，例如商业配方的3M Novec fluid HFE-7000、HFE-7100、HFE-7200、HFE-7500或HFE-71IPA；3M Fluorinert FC-72、FC-84、FC-77、FC-3255、FC-40或FC-70；3M Novec 4200、3M Novec 4300、3MFC-4432、3M FC-4430、3M FC-4434及或其它的表面活性剂。一实施例中，浸置处理时间介于约1秒～约100秒之间。另一可选择的实施例，化学清洗溶液是动态的分配在图案化光刻胶上。
方法300的步骤306为将具有图案化光刻胶的衬底进行一旋转风干工艺。依照方法300的一实施例，于化学清洗步骤304之后、旋转风干步骤306之前进行一去离子水清洗步骤，方法300的优点可包括改善图案化光刻胶结构的线边缘粗糙度。在一实施例中，可使用方法300来改善在衬底上形成集成电路结构(例如以等离子体蚀刻形成栅极或导电线、或离子注入形成源极/漏极)之前的显影后检查(ADI)中所确定的图案化光刻胶结构的线边缘粗糙度。
参照图4a～4c，一衬底402包含一图案化光刻胶层404。衬底402可类似于图2a～2f所述的衬底202，图案化光刻胶层404可类似于图2a～2f所述的未曝光的光刻胶部分206a，其形成方式也类似于图2a～2f所述，且图案化光刻胶层404包含线边缘粗糙的结构。依照本发明的一实施例，步骤304为一化学清洗步骤。化学清洗步骤包含利用一化学清洗溶液406，此化学清洗溶液406含有如参照图3说明中所述的醇基化学药剂。如图4b所示，化学清洗溶液406可包围图案化光刻胶层的结构，且化学清洗溶液406可溶解图案化光刻胶层404的高分子聚合物及/或在图案化光刻胶层404上提供物理性的表面应力。因此，化学清洗溶液406可使图案化光刻胶层404表面平滑，而降低其线边缘粗糙度。接着进行方法300的步骤306，旋转风干图4b所示的图案化光刻胶层404及衬底402，之后图案化光刻胶层404可包含如图4c所示的改良后的线边缘粗糙度。
虽然本发明已以多个实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的改变与变形，因此本发明的保护范围当以后附的权利要求书的界定为准。
本发明以一实施例揭露一光刻工艺的进行方法，此方法包含提供一衬底，衬底上具有一光刻胶层，光刻胶层经过曝光及显影步骤。应用一化学清洗溶液于曝光后的光刻胶层，此化学清洗溶液包含一醇基化学药剂。在使用完化学清洗溶液清洗之后进行一旋转风干步骤。化学清洗溶液可具有比纯水低的表面张力，在一实施例中，醇基化学药剂为异丁醇。
本发明的另一实施例中，提供一种光刻工艺的进行方法。此方法包含提供具有一光刻胶层的衬底，此光刻胶层被曝光。应用一化学清洗溶液于此曝光的光刻胶层上，化学清洗溶液包含醇基化学药剂。显影经曝光的光刻胶层，且接着进行旋转风干包含已显影光刻胶层的衬底。在一实施例中，此化学清洗溶液包含一醇基化学药剂，也可应用于显影的光刻胶层。
在一实施例中，进行光刻工艺的方法包含提供一衬底，具有一图案化光刻胶层。应用一醇基化学药剂于此图案化光刻胶层，并旋转风干在醇基化学药剂处理后的衬底。在一实施例中，醇基化学药剂为异丁醇。

Claims (15)

1、一种光刻工艺的进行方法，其特征在于，包含：
提供一衬底，该衬底上包含一光刻胶层；
曝光该光刻胶层；
显影该曝光后的光刻胶层；
应用一化学清洗溶液于该显影后的光刻胶层，其中该化学清洗溶液包含一醇基化学药剂；以及
在该化学清洗溶液的应用后旋转风干该衬底。
2、根据权利要求1所述的光刻工艺的进行方法，其特征在于，所述醇基化学药剂包含异丁醇，该异丁醇的含量约为5～10重量百分比。
3、根据权利要求1所述的光刻工艺的进行方法，其特征在于，所述醇基化学药剂包含异丁醇，所述化学清洗溶液还包含一药剂，是选自于由乙醇、异丙醇、丙酮、丁醇、第三丁醇、环己醇、二甲基二丁醇、异戊醇及二甲苯所组成的族群。
4、根据权利要求1所述的光刻工艺的进行方法，其特征在于，所述醇基化学药剂是选自于由乙醇、异丙醇、丙酮、异丁醇、丁醇、第三丁醇、环己醇、二甲基二丁醇及异戊醇所组成的族群。
5、根据权利要求1所述的光刻工艺的进行方法，其特征在于，所述化学清洗溶液包含一表面活性剂。
6、根据权利要求1所述的光刻工艺的进行方法，其特征在于，还包含以去离子水清洗所述显影后的光刻胶层。
7、根据权利要求1所述的光刻工艺的进行方法，其特征在于，所述化学清洗溶液的表面张力低于纯水。
8、根据权利要求1所述的光刻工艺的进行方法，其特征在于，所述化学清洗溶液包含水及至少0.1重量百分比的醇基化学药剂。
9、一种光刻工艺的进行方法，其特征在于，包含：
提供一衬底，该衬底上包含一光刻胶层；
曝光该光刻胶层；
应用一第一化学清洗溶液于该曝光后的光刻胶层，其中该第一化学清洗溶液包含一醇基化学药剂；
显影该曝光后的光刻胶层；以及
旋转风干该具有显影后光刻胶层的衬底。
10、根据权利要求9所述的光刻工艺的进行方法，其特征在于，所述醇基化学药剂包含异丁醇，异丁醇的含量约为5～10重量百分比。
11、根据权利要求9所述的光刻工艺的进行方法，其特征在于，所述醇基化学药剂是选自于由乙醇、异丁醇、异丙醇、丙酮、丁醇、第三丁醇、环己醇、二甲基二丁醇及异戊醇所组成的族群。
12、根据权利要求9所述的光刻工艺的进行方法，其特征在于，还包含在该显影后的光刻胶层上应用一第二化学清洗溶液，其中该第二化学清洗溶液包含一醇基化学药剂。
13、一种半导体制造的方法，包含：
提供一衬底，该衬底上包含一图案化光刻胶层；
应用一醇基化学药剂于该图案化光刻胶层，以及
旋转风干该衬底。
14、根据权利要求13所述的半导体制造的方法，其特征在于，应用所述醇基化学药剂包含浸置所述醇基化学药剂于所述图案化光刻胶之上。
15、根据权利要求13所述的半导体制造的方法，其特征在于，所述醇基化学药剂包含异丁醇。
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