CN101354535B - 多层掩膜层的形成方法和涂布方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层掩膜层的形成方法，包括步骤：提供衬底，所述衬底表面已形成前一掩膜层；向所述衬底表面喷洒湿润剂，保持所述衬底静止；向所述衬底表面喷洒后一掩膜材料；旋转所述衬底，在所述衬底表面上形成后一掩膜层。本发明还公开了相应的多层掩膜层的涂布方法，采用本发明的多层掩膜层的形成方法和涂布方法，可以提高前一掩膜层表面的湿润度，进而改善了后一掩膜层在前一掩膜层上的涂布质量。

Description

多层掩膜层的形成方法和涂布方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种多层掩膜层的形成方法和涂布方法。

背景技术

在现有的半导体制造中，常需要利用涂布的方法在衬底上形成各种掩膜层，如光刻胶、抗反射层等等。该种由涂布方法形成的掩膜层对后续工艺的影响很大，其中的关键参数为掩膜层的厚度及厚度的均匀性。

随着集成电路的发展，电路的集成度及复杂性均有所提高，在同一衬底上常会形成器件密集度不同的区域，同时，由于器件尺寸的不断缩小，对半导体制作工艺的要求进一步提高，相应地，对衬底表面的平坦度的要求也更为严格。此时在器件密集度不同的区域之间，仅进行一次掩膜材料的涂布往往难以达到衬底的平坦度要求。常需要进行多次掩膜材料的涂布，形成多层掩膜层。如，多层光刻胶、多层抗反射层(ARC，Anti-reflective coating)或者由抗反射层和光刻胶层混和组成的多层混和掩膜层的涂布等。但在进行多层掩膜层的涂布时，常会出现一些采用单层掩膜层时不会出现的问题。

图1为现有的双层光刻胶的形成方法的流程图，如图1所示，先利用蒸气法令增黏剂均匀分布于衬底上(S101)，该增黏剂可以是六甲基二硅亚胺(HMDS，hexamethyldisilazane)等，其可以改善衬底表面的亲水性，提高光刻胶在衬底上的分布均匀性。然后，将衬底放置于涂布机内，在衬底上方喷洒一种湿润剂——RRC(Reduction Resist Consumption)溶剂，其可以提高衬底表面的湿润度，在保证光刻胶涂布质量的同时显著减少光刻胶的用量(S102)。接着，通过旋转衬底令该湿润剂均匀分布于衬底上(S103)；再接着，在衬底上方喷洒第一光刻胶(S104)，再次旋转衬底令该第一光刻胶沿着湿润剂均匀分布于衬底上，形成第一光刻胶层(S105)。然后，可以对衬底进行烘烤，去除第一光刻胶层中的大部分溶剂，使其基本定型(S106)；至此完成第一层光刻胶层的涂布。

形成第一层光刻胶层后，再次将衬底放置于涂布机中，在衬底上方喷洒湿润剂(S107)；旋转衬底令该湿润剂均匀分布于衬底上(S108)。然后，再在衬底上方喷洒第二光刻胶(S109)；再次旋转衬底令该第二光刻胶均匀分布于衬底上，形成第二光刻胶层(S110)；接着，对衬底进行烘烤，去除第二光刻胶层中的大部分溶剂(S111)；完成第二光刻胶层的涂布。然后再进行曝光、显影、坚膜等其他步骤。

图2为现有的光刻胶涂布示意图，如图2所示，将衬底吸附于涂布机内的样品台上，再利用其上方的喷嘴210由衬底201的上方喷洒一定量的湿润剂或光刻胶202(前者用于S102或S107步骤中，后者用于S104或S109步骤中)，再通过样品台旋转衬底201，令该湿润剂或光刻胶202均匀分布于衬底201的表面上。

图3为现有的涂布光刻胶层时的衬底转速示意图，现有技术中，两层光刻胶的涂布均是按图3中所示的转速曲线进行控制的，如图3所示，图3中的横坐标为时间轴，纵坐标为衬底转速轴，箭头301代表了喷洒湿润剂的时刻，311代表了喷洒光刻胶的时刻，曲线300代表了在喷洒湿润剂后，衬底的转速随时间的变化情况(湿润剂转速曲线)，曲线310代表了在喷洒光刻胶后，衬底的转速随时间的变化情况(光刻胶转速曲线)。可以看到，在湿润剂转速曲线之后，喷洒光刻胶之前，为了确保衬底表面处于较好的状态，还对衬底进行了一段持续约1秒左右的高速旋转，称之为预旋转。

图4为按照现有的图3中转速情况形成第二光刻胶层后的衬底表面示意图，如图4所示，在衬底401(该衬底上已覆盖了第一光刻胶层，其的分布情况较为均匀)上涂布了第二光刻胶层402，但结果该第二光刻胶层402在衬底上的分布并不理想，其厚度均匀性较差，甚至在衬底的边缘处形成了如图4中403所示的缺口图形，这对后续工艺的进行极为不利。

上述第二光刻胶层分布不均匀的问题，在多层掩膜层中第二层以后的掩膜层的形成过程中普遍存在，为此，需要对第二层以后的掩膜层的涂布方法进行改进。

除了满足平坦化要求外，多层掩膜层还可以有其他的应用，如2005年5月25日授权的公告号为CN1203523C的中国专利公开了一种采用双层光刻胶的另一种情形，其是为了解决曝光光源波长小于193nm时光刻质量有所下降的问题而采用了双层光刻胶的方法，并针对采用双层光刻胶后显影时残留物较多的问题提出了改进的方案。但该专利中并未对第二光刻胶层的涂布质量问题提出改进。

发明内容

本发明提供一种多层掩膜层的形成方法和涂布方法，以提高现有的多层掩膜层的涂布过程中第二层以后的掩膜层的形成质量。

本发明提供的一种多层掩膜层的形成方法，包括步骤：

提供衬底，所述衬底表面已形成前一掩膜层；

向所述衬底表面喷洒湿润剂，保持所述衬底静止；

向所述衬底表面喷洒后一掩膜材料；

旋转所述衬底，在所述衬底表面上形成后一掩膜层。

其中，所述前一掩膜层至少包括光刻胶层和抗反射层中的一种。

其中，所述后一掩膜层至少包括光刻胶层和抗反射层中的一种。

其中，所述湿润剂为用于减少掩膜材料用量的溶剂。

其中，所述静止的时间在1至10秒之间。

其中，喷洒后一掩膜材料之前，还可以包括步骤：衬底旋转50至500毫秒。

另外，在旋转所述衬底后，还包括步骤：烘烤所述衬底。

本发明还提供了一种具有相同或相应技术特征的多层掩膜层的涂布方法，包括步骤：

提供衬底，所述衬底表面已形成前一掩膜层；

将所述衬底吸附于涂布机的样品台上；

利用所述涂布机的喷嘴向所述衬底表面喷洒湿润剂；

保持所述涂布机的样品台静止；

利用所述涂布机的喷嘴向所述衬底表面喷洒后一掩膜材料；

旋转所述涂布机的样品台，在所述衬底表面上形成后一掩膜层。

其中，所述前一掩膜层至少包括光刻胶层和抗反射层中的一种。

其中，所述后一掩膜层至少包括光刻胶层和抗反射层中的一种。

其中，所述湿润剂为用于减少掩膜材料用量的溶剂。

其中，所述静止的时间在1至10秒之间。

其中，喷洒后一掩膜材料之前，还可以包括步骤：衬底旋转50至500毫秒。

其中，在旋转所述衬底后，还包括步骤：烘烤所述衬底。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的多层掩膜层的形成方法和涂布方法，在涂布第二层以后的后一掩膜材料时，虽然仍会在前一掩膜层上喷洒湿润剂，但在喷洒该后一掩膜材料前会令衬底保持静止(且显著缩短其预旋转时间)，这样可以在前一掩膜层上保留较多的湿润剂，提高了该前一掩膜层表面的湿润度，改善了后一掩膜层在前一掩膜层上的涂布质量(如厚度的均匀性等)。

附图说明

图1为现有的双层光刻胶的形成方法的流程图；

图2为现有的光刻胶涂布示意图；

图3为现有的涂布第二光刻胶层时的衬底转速示意图；

图4为按照现有的图3中转速情况形成第二光刻胶层后的衬底表面示意图；

图5为本发明第一实施例中未形成掩膜层前的衬底剖面示意图；

图6为本发明第一实施例中形成第一掩膜层后的衬底剖面示意图；

图7为本发明第一实施例中形成第二掩膜层后的衬底剖面示意图；

图8为本发明第一实施例中双层掩膜层的形成方法的流程图；

图9为本发明第一实施例中涂布第二掩膜材料时的衬底转速示意图；

图10为本发明第二实施例中多层掩膜层的形成方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本发明的处理方法可以被广泛地应用于各个领域中，并且可利用许多适当的材料制作，下面是通过具体的实施例来加以说明，当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的普通技术人员所熟知的一般的替换无疑地涵盖在本发明的保护范围内。

其次，本发明利用示意图进行了详细描述，在详述本发明实施例时，为了便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，不应以此作为对本发明的限定，此外，在实际的制作中，应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

本发明中，掩膜材料是指由涂布机的喷嘴喷洒至衬底表面的用于形成掩膜的液态的混合物；掩膜层是指已经过旋转涂布于衬底上的薄膜层。

为了改善多层掩膜层中，第二层以后的掩膜层的形成质量，本发明提出了一种多层掩膜层的形成方法，其可以提高前一掩膜层表面的湿润度，改善后一掩膜层的涂布质量。

本发明第一实施例中介绍了在内部金属层间利用双层涂布的方法形成一种掩膜层——底部抗反射层(BARC，Bottom Anti-reflectiveCoating)的具体过程，采用双层涂布方法形成的BARC层可以提高衬底上器件密集度不同的区域间的厚度均匀性，并进而减少关键尺寸(CD，Critical Dimension)的偏差。

图5为本发明第一实施例中未形成掩膜层前的衬底剖面示意图，如图5所示，在硅衬底500上分别形成了密集度较大的图形501和密集度较小的图形502(本图中未示出各图形的具体结构，如其可能包含的金属层结构、介质层结构等)。

图6为本发明第一实施例中形成第一掩膜层后的衬底剖面示意图，如图6所示，利用传统的涂布方法，在衬底500上涂布形成第一掩膜层510。本实施例中该第一掩膜层为BARC层。由图6中可以看到，在第一掩膜层510形成后，对于衬底上器件密集度不同的区域501和502，该第一掩膜层510的厚度是不同的，这样，在形成第一掩膜层后衬底表面仍会存在凹凸不平，衬底的平坦度仍较差，不能满足小尺寸器件的制作要求。为此，在形成第一掩膜层510后，还需要再进行一次掩膜材料的涂布，以改善衬底表面的平坦度。

图7为本发明第一实施例中形成第二掩膜层后的衬底剖面示意图，如图7所示，在第一掩膜层510上再涂布一层第二掩膜层520，有效提高了衬底表面的平坦度。本实施例中该第二掩膜层仍为BARC层，其厚度通常会设置得小于或等于第一掩膜层，如要求的BARC总厚度为

则可以将第一掩膜层与第二掩膜层的厚度分别设置为

或

但是，如果直接采用现有的第二掩膜层的形成方法或涂布方法，则会出现如图4中所示的情形，不能得到厚度均匀性较好的第二掩膜层，也就无法真正实现衬底表面的平坦度的提高。为此，本发明对该第二掩膜层的形成方法或涂布方法进行了改进。

图8为本发明第一实施例中双层掩膜层的形成方法的流程图，下面结合图8对本发明的第一实施例进行详细介绍。

首先，提供衬底，该衬底上已涂布形成了第一掩膜层(S801)。本实施例中，该第一掩膜层的形成过程如下：

A、在硅衬底500上按器件的具体要求形成各种结构；

B、利用蒸气法令增黏剂均匀分布于衬底500上，以改善衬底500表面的亲水性，提高待在衬底上的分布均匀性；

C、将衬底放置于涂布机内，在衬底上方喷洒一种湿润剂——RRC(Reduction Resist Consumption)溶剂；

D、旋转衬底令该RRC溶剂均匀分布于衬底上；

E、在衬底上方喷洒第一掩膜材料，本实施例中为液态的抗反射层材料；

F、旋转衬底令第一掩膜材料均匀分布于衬底上，形成第一掩膜层510；

G、对衬底进行烘烤，去除第一掩膜层中的大部分溶剂，实现第一掩膜层510的定型。

其中，对衬底转速的控制可以按图3中所示的转速曲线进行，也可以根据本实施列中所用的BARC的特性作些具体调整，这一调整对于本领域普通技术人员而言是易于理解和实现的，在此不再赘述。

在形成第一掩膜层后，在该衬底上方喷洒湿润剂，且保持衬底静止(S802)。本实施例中的湿润剂为一种RRC溶剂，如OK73溶剂，其可以增大衬底表面的湿润度，在减少掩膜材料用量的同时，得到较好的涂布效果。传统的涂布方法中，第二层以后的掩膜材料在涂布时，也要在喷洒湿润剂后进行旋转，但大量实验证实采用该种涂布方法得到的第二层以后的掩膜层会出现图4中所示的分布不均匀的现象。其原因在于，与硅衬底表面相比，第一掩膜层的表面更为光滑，如果仍采用与第一掩膜材料的涂布方法相同的涂布条件(喷洒湿润剂后旋转衬底)，则大部分湿润剂会在该旋转过程中脱离第一掩膜层表面，这将导致第一掩膜层表面的湿润度不足，结果使得后面形成的第二掩膜层在第一掩膜材料上的分布不均匀。为此，本发明在喷洒湿润剂后，令衬底处于了静止的状态，这样可以在第一掩膜层上保留更多的湿润剂，有效提高了其表面的湿润度，改善了第二掩膜层分布的均匀性。

接着，在衬底上方喷洒第二掩膜材料(S803)。本实施例中，该第二掩膜材料仍是抗反射层材料BARC。

再接着，旋转衬底，在衬底表面上形成第二掩膜层520(S804)。采用本发明的上述方法形成的第二掩膜层，不会再出现图4中所示的掩膜厚度分布不均匀的现象，而是会均匀地分布于衬底上，提高了第二掩膜层的形成质量。

图9为本发明第一实施例中涂布第二掩膜材料时的衬底转速示意图，如图9所示，其横坐标为时间轴，纵坐标为衬底转速轴，图中箭头901所示为S802步骤中喷洒湿润剂的时刻，箭头911为S803步骤中喷洒第二掩膜材料的时刻，曲线910代表了在喷洒第二掩膜材料后，衬底的转速随时间的变化情况(第二掩膜材料转速曲线)。可以看到，为了在第一掩膜层表面保留较多的湿润剂，提高其表面的湿润度，本发明第一实施例中，在喷洒湿润剂后，不再旋转衬底，而是令其保持静止。该静止的时间可以在1至10秒之间，如2秒、5秒、7秒等。

另外，由图9中可以看到，本实施例中，为了确保在喷洒第二掩膜材料前，衬底(或说第一掩膜层)的表面能处于较好的状态，在喷洒第二掩膜材料前还对衬底进行了一个短时间的高速旋转操作(其旋转时间要远小于图3中所示的现有的预旋转时间，以确保在衬底表面能够保留较多的湿润剂)。该高速旋转过程通常可以持续50至500毫秒，如10毫秒、200毫秒、400毫秒等。但这一步骤并不为必须，在本发明的其他实施例中也可以没有这一高速的预旋转过程，而直接进行喷洒第二掩膜材料的操作。

本发明的第一实施例中介绍了双层掩膜层的形成方法，在本发明的其他实施例中，还可以利用本发明的方法形成质量较好的两层以上的多层掩膜层。本发明的第二实施例就对此进行了介绍。

图10为本发明第二实施例中多层掩膜层的形成方法的流程图，如图10所示，利用本发明的方法形成两层以上的多层掩膜层的步骤如下：

首先，提供衬底，该衬底上已涂布形成了前一掩膜层(S1001)。本实施例中，假设已按第一实施例中的双层掩膜材料的涂布方法在衬底上形成了两层掩膜层(第一掩膜层和第二掩膜层)，且该两层掩膜层均为BARC层。还要再在其上形成至少一层光刻胶掩膜层。

注意到，本实施例中，将相邻的两层掩膜层中先形成的一层定义为前一掩膜层(其所用材料称为前一掩膜材料)；后形成的一层定义为后一掩膜层(其所用材料为后一掩膜材料)。即：对于前面形成的两层掩膜层(BARC层)，第一掩膜层为第二掩膜层的前一掩膜层，第二掩膜层为第一掩膜层的后一掩膜层。而对于第二掩膜层及其上形成的相邻的光刻胶掩膜层而言，第二掩膜层为该相邻光刻胶掩膜层的前一掩膜层，该相邻光刻胶掩膜层为第二掩膜层的后一掩膜层。

在该衬底上方喷洒湿润剂，并且保持衬底静止(S1002)。采用该种方式可以确保在较光滑的前一掩膜层的表面上能够保留较多的湿润剂。

接着，在衬底上方喷洒后一掩膜材料(S1003)。本实施例中，本步骤中的后一掩膜材料为光刻胶材料。

再接着，旋转衬底，在衬底表面上形成后一掩膜层(S1004)。注意到S1003与S1004步骤中衬底的旋转情况可以基本如图9中所示，但其中的910第二掩膜材料转速曲线也可以根据后一掩膜材料的具体情况而进行相应的改变。

然后，对衬底进行烘烤，以去除该后一掩膜层中的大部分溶剂，使其定型(S1005)。

接着，判断该后一掩膜层是否为要涂布的最后一层掩膜层(S1006)，如果不是最后一层，则再重复进行S1002至S1005步骤。如果是最后一层，则结束该多层掩膜层的涂布(S1007)，再进行后续的曝光、显影、坚膜等其他步骤。

本发明的上述实施例中介绍了多层掩膜层的形成方法，本发明还提出了一种具有相同或相应技术特征的多层掩膜层的涂布方法，其包括步骤：提供表面已涂布形成前一掩膜层的衬底；将所述衬底吸附于涂布机的样品台上；利用所述涂布机的喷嘴在所述衬底上方喷洒湿润剂，并且保持所述涂布机的样品台静止；利用所述涂布机的喷嘴在所述衬底上方喷洒后一掩膜材料；旋转所述涂布机的样品台，在所述衬底表面上形成后一掩膜层。

该涂布方法的具体实施步骤与思路均和本发明中多层掩膜层的形成方法的实施例相似，在本发明上述实施例的启示下，这一应用的延伸对于本领域普通技术人员而言是易于理解和实现的，在此不再赘述。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (12)

1.一种多层掩膜层的形成方法，其特征在于，包括步骤：

提供衬底，所述衬底表面已经过旋转涂布形成前一掩膜层；

向所述衬底表面喷洒湿润剂后，保持所述衬底静止，所述静止的时间在2至10秒之间；

向所述衬底表面喷洒后一掩膜材料；

旋转所述衬底，在所述衬底表面上形成后一掩膜层。

2.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于：所述前一掩膜层至少包括光刻胶层和抗反射层中的一种。

3.如权利要求1或2所述的形成方法，其特征在于：所述后一掩膜层至少包括光刻胶层和抗反射层中的一种。

4.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于：所述湿润剂为用于减少掩膜材料用量的溶剂。

5.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于：保持所述衬底静止后，还包括步骤：

衬底旋转50至500毫秒后，向所述衬底表面喷洒后一掩膜材料。

6.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于：旋转所述衬底后，还包括步骤：

烘烤所述衬底。

7.一种多层掩膜层的涂布方法，其特征在于，包括步骤：

提供衬底，所述衬底表面已经过旋转涂布形成前一掩膜层；

将所述衬底吸附于涂布机的样品台上；

利用所述涂布机的喷嘴向所述衬底表面喷洒湿润剂；

向所述衬底表面喷洒湿润剂后，保持所述涂布机的样品台静止，所述静止的时间在2至10秒之间；

利用所述涂布机的喷嘴向所述衬底表面喷洒后一掩膜材料；

旋转所述涂布机的样品台，在所述衬底表面上形成后一掩膜层。

8.如权利要求7所述的涂布方法，其特征在于：所述前一掩膜层至少包括光刻胶层和抗反射层中的一种。

9.如权利要求7或8所述的涂布方法，其特征在于：所述后一掩膜层至少包括光刻胶层和抗反射层中的一种。

10.如权利要求7所述的涂布方法，其特征在于：所述湿润剂为用于减少掩膜材料用量的溶剂。

11.如权利要求7所述的涂布方法，其特征在于：保持所述涂布机的样品台静止后，还包括步骤：

衬底旋转50至500毫秒后，利用所述涂布机的喷嘴向所述衬底表面喷洒后一掩膜材料。

12.如权利要求7所述的涂布方法，其特征在于：旋转所述衬底后，还包括步骤：

烘烤所述衬底。

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