CN101452225B

CN101452225B - 光刻胶掩模图形的显影方法

Info

Publication number: CN101452225B
Application number: CN2007100944056A
Authority: CN
Inventors: 崔彰日
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2007-12-07
Filing date: 2007-12-07
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2027-12-07
Also published as: CN101452225A

Abstract

一种光刻胶掩模图形的显影方法，包括：一种光刻胶掩模图形的显影方法，其特征在于，包括：a)提供表面涂敷光刻胶并经过曝光处理的半导体衬底；b)将半导体衬底置于刻蚀反应室中；c)采用含有元素周期表中VIIA族原子的第一刻蚀气体对光刻胶进行预刻蚀；d)采用第二刻蚀气体对光刻胶进行刻蚀。本发明的优点在于可以提高掩模图形侧壁的平整度，提高光刻工艺的精确度。

Description

光刻胶掩模图形的显影方法

技术领域

本发明涉及集成电路制造方法，特别涉及光刻胶掩模图形的显影方法。

背景技术

光刻是集成电路制造领域的关键技术之一。光刻工艺的精确度，对芯片的良率和品质起到至关重要的作用。对光刻工艺的改进，是集成电路制造领域始终关注的热点问题。

目前在先进的集成电路制造工艺中，光刻工艺普遍采用深紫外(Deep UltraViolent，DUV)光源和组合物光刻胶。常见的组合物光刻胶之一是采用光致生酸物质以及酯类聚合有机物光阻物质所组成的组合物光刻胶。

上述的光刻工艺通常包括如下步骤：

涂胶，在半导体衬底1的表面均匀的涂敷一层光刻胶2。如图1A所示，光刻胶2的主要成分包括光致生酸物质与酯类聚合有机物。光致生酸物质在受到光照的情况下，可以解离产生氢离子而显酸性，故而称之为光致生酸物质。

曝光，将需要保留的部分曝光，遮挡需要除去的部分。如图1B所示，曝光可以使光刻胶中曝光部分2b的光致生酸物质解离出氢离子，未曝光部分2a和2c不发生变化。

烘烤，在曝光部分2b中，烘烤可以促使氢离子同酯类聚合有机物反应，生成羟类聚合物。

硅化，通入硅化反应物，如HMDS(HexaMethylDiSilazane，六甲基二硅氨烷)。如图1C所示，通入硅化反应物之后，曝光部分2b生成的羟类聚合物与硅化反应物反应，形成了由含硅的有机物构成的硅化部分2b’，化学性质稳定。

显影，采用干法显影，典型的工艺例如采用氧等离子体刻蚀手段刻蚀光刻胶2，其中未曝光部分2a和2c中的酯类聚合有机物与氧反应，因此可以被刻蚀除去，而曝光部分2b由于硅化反应生成了硅化部分2b’，在氧等离子体的环境下并不发生化学反应，因此曝光部分2b得以保留。如图1D所示，显影后形成了由曝光部分2b和硅化部分2b’构成的掩模图形。

在美国专利申请US5427649中，揭露了更多与上述技术方案相关的信息。干法显影污染小、工艺稳定，并且比湿法显影适合于小线宽工艺。

现有技术中，采用氧气干法显影形成的掩模图形，由于反应速率和气流的影响，掩模图形的侧壁的平整度较差。如图1E所示，为采用氧等离子体刻蚀显影之后的光刻胶掩模图形的俯视图。采用此方法，由于氧等离子体与光刻胶之间反应的活性较强，反应速度很快，导致由曝光部分2b和硅化部分2b’构成的掩模图形侧壁有锯齿产生。这种侧壁的锯齿状结构影响了光刻工艺的精确度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种消除掩模图形侧壁锯齿状结构，提高光刻工艺的精确度的光刻胶掩模图形的显影方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种光刻胶掩模图形的显影方法，包括：a)提供表面涂敷光刻胶并经过曝光处理的半导体衬底；b)将半导体衬底置于刻蚀反应室中；c)采用含有元素周期表中VIIA族原子的第一刻蚀气体对光刻胶进行预刻蚀；d)采用第二刻蚀气体对光刻胶进行刻蚀。

可选的，步骤c)包括：c1)将含有元素周期表中VIIA族原子的第一刻蚀气体通入刻蚀反应室；c2)激发通入的第一刻蚀气体，使通入的气体呈等离子态并与光刻胶的未曝光部分发生反应。

可选的，所述含有元素周期表中VIIA族原子的第一刻蚀气体包括含有F₂、Cl₂、Br₂、I₂、HF、HCl、HBr或HI的气体。

可选的，步骤c2)中所述激发通入的第一刻蚀气体，持续时间为10秒至120秒。

可选的，步骤c2)中所述激发通入的第一刻蚀气体，包括采用射频功率源进行激发。

可选的，在步骤c2)进行的过程中，刻蚀反应室的气压为1帕～100帕。

可选的，在步骤c2)进行的过程中，刻蚀反应室的温度为150℃～400℃。

可选的，在实施步骤b)之前，对经曝光处理后的半导体衬底表面的光刻胶进行硅化处理。

可选的，所述硅化处理包括如下步骤：将曝光后的涂敷有光刻胶的半导体衬底置于硅化反应室中；提供包括下式所示一种或多种硅基有机物的反应物质：

其中R3～R6独立的表示选自线性或支化的、至多具有10个碳原子的烷基、硅烷基、亚烷基、亚硅烷基或者胺基；使反应物质流过半导体衬底表面的光刻胶。

可选的，所述光刻胶的组成成份中含有聚酰胺酸和重氮萘醌。

可选的，所述硅化反应室内的气体为He、Ne、Ar、N2、O2或者空气。

可选的，所述硅化反应室内的压强为1～100帕。

可选的，所述硅化反应室的温度为90℃～150℃。

可选的，所述反应物质流过半导体衬底表面的光刻胶的时间为80秒～200秒。

可选的，所述光刻胶的厚度为150纳米～500纳米。

可选的，所述硅化处理方法还包括在使反应物质流过半导体衬底表面的光刻胶之后，烘烤涂敷光刻胶的半导体衬底。

可选的，所述第二刻蚀气体包括氧气。

与现有技术相比，上述技术方案的优点在于，在采用等离子体干法刻蚀之前，采用含有元素周期表中VIIA族原子的等离子体，对光刻胶进行刻蚀，由于VIIA族原子的存在，降低了光刻胶在刻蚀工艺中，与氧或其他等离子体发生化学反应的活性，可以提高掩模图形侧壁的平整度，提高光刻工艺的精确度。

附图说明

图1A至图1D为现有技术光刻胶掩模图形的显影方法的工艺示意图；

图1E为图1D所示结构的俯视图；

图2、图3为本发明提供的光刻胶掩模图形的显影方法具体实施方式的工艺流程图；

图4至图9、图11为本发明提供的光刻胶掩模图形的显影方法具体实施方式的工艺示意图；

图10为图9所示结构的俯视图；

图12为图11所示结构的俯视图。

具体实施方式

以下具体实施方式和实施例中所述的光刻胶掩模图形的显影方法，在采用等离子体干法刻蚀之前，采用含有元素周期表中VIIA族原子的第一刻蚀气体对光刻胶进行预刻蚀，由于VIIA族原子的存在，降低了光刻胶在刻蚀工艺中，与氧或其他等离子体发生化学反应的活性，降低了反应速率，可以提高掩模图形侧壁的平整度，提高光刻工艺的精确度。

下面将结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

图2所示为本发明光刻胶掩模图形的显影方法具体实施方式的工艺流程图。包括如下步骤：步骤S101，提供表面涂敷光刻胶并经过曝光处理的半导体衬底；步骤S102，将半导体衬底置于刻蚀反应室中；步骤S103，采用含有元素周期表中VIIA族原子的第一刻蚀气体对光刻胶进行预刻蚀；步骤S104，采用第二刻蚀气体对光刻胶进行刻蚀。

如图3所示，其中步骤S103进一步包括如下步骤：步骤S103a，将含有元素周期表中VIIA族原子的第一刻蚀气体通入刻蚀反应室；步骤S103b，激发通入的第一刻蚀气体，使通入的气体呈等离子态并与光刻胶的未曝光部分发生反应。

在实施步骤S102之前，实施步骤S101’，对经曝光处理后的半导体衬底表面的光刻胶进行硅化处理。

步骤S101，提供表面涂敷光刻胶并经过曝光处理的半导体衬底。

如图4所示，为表面涂覆了光刻胶的半导体衬底。

所述半导体衬底101包括单晶硅、多晶硅、锗硅(SiGe)、应变硅(Strained-Si)、绝缘体上的硅(SOI)等半导体工业中常见的或者具有重大发展前景的衬底；也可以是碳化硅、锑化铟、碲化铅、砷化铟、磷化铟、砷化镓、锑化镓、氮化镓、氮化铝，氮化铟等化合物半导体，或其组合；也可以是已经形成各种半导体结构、器件以及线路的半导体衬底。该衬底表面也可经过其他工艺处理，比如生长了金属层、介质层，或者经过HMDS工艺的预处理。

所述光刻胶102的主要成分包括光致生酸物质与酯类聚合有机物。光致生酸物质在受到光照的情况下，可以解离产生氢离子而显酸性，故而称之为光致生酸物质。

所述的光致生酸物质可以是含有如下分子结构的物质：

所述光致生酸物质也可以是其它具有在光照下分离出氢离子特点的物质。

如图5所示，为光刻胶102进行曝光之后的示意图。

光刻胶102中的光致生酸物质在光照情况下发生如下反应：

所述曝光采用的光源波长为190纳米～400纳米。该方法适用于波长365nm的汞灯光源，也适用于波长为248nm的KrF激光器光源、波长为193nm的ArF激光器光源。

曝光时采用掩模版102’对光刻胶102中不需要曝光的部分进行遮挡，所采用的掩模版可以是二进制明暗度掩模版(Binary Intensity Mask)、相移式掩模版(Phase Shift Mask)或者单元投影式掩模版(cell Projection Mask)等各种类型的掩模版。以上均为集成电路工艺中常见的掩模版，根据需要，分别应用在不同的工艺环境中。

曝光技术是本领域内技术人员所公知的技术，此处不详细描述。

曝光之后的光刻胶102包括曝光部分102b和102d，以及未曝光部分102a、102c和102e。

步骤S101’，如图6所示，经曝光处理后的半导体衬底在实施步骤b)之前，对光刻胶进行硅化处理。

硅化处理的方法包括在一定的温度和气压下，使反应物质持续流过半导体衬底101表面的光刻胶102。

硅化反应室的温度为90℃～150℃，具体温度例如90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃或者150℃等。

硅化反应室的气压为1～100帕，具体压强例如1帕、10帕、20帕、30帕、40帕、50帕、60帕、70帕、80帕、90帕或者100帕等。

硅化反应室中保持一定的温度，可以除去曝光过程中化学反应生成的水以及其它易挥发的副产物，还可以使曝光过程中产生的氢离子同酯类聚合有机物发生反应。

所述的酯类聚合有机物，可以是含有如下分子结构的物质；

其中R¹和R²独立的表示选自线性或支化的、至多具有10个碳原子的烷基或者亚烷基。

含有分子结构(2)物质与氢离子在加热的条件下发生如下化学反应：

上述反应在光刻胶102的曝光部分102b和102d中生成了酚类物质(3)和正电性基团R²。生成的正电性基团R²可以解离出H⁺离子，继续作为该反应的反应物使用。

反应物质持续流过半导体衬底101表面的时间为80秒～200秒，具体时间例如80秒、90秒、100秒、110秒、120秒、130秒、140秒、150秒、160秒、170秒、180秒、190秒或者200秒等。

所述流过半导体表面的反应物质包括由下式所示一种或多种硅基有机物：

其中R³～R⁶独立的表示选自线性或支化的、至多具有10个碳原子的烷基、硅烷基、亚烷基、亚硅烷基或者胺基。具体的反应物质例如：四甲基二硅烷、双(二甲基氨)甲基硅烷、双(二甲基氨)二甲基硅烷、二甲硅基二甲胺、二甲硅基二乙胺、三甲硅基二甲胺、三甲硅基二乙胺或者二甲基氨五甲基二硅烷等其它物质。

硅基有机物(4)与曝光部分102b和102d中的酚类物质(3)发生反应：

反应主要生成硅化物(5)，其中R⁷～R⁹独立的表示选自R³～R⁶中的任意一种。硅化物(5)继续发生聚合反应，聚合成包括分子结构的物质：

其中R¹⁰～R¹⁵独立的表示选自R³～R⁶中的任意一种，R¹⁷和R¹⁸独立的表示选自线性或支化的、至多具有10个碳原子的烷基或者亚烷基。

硅化处理时，发生反应的主要是光刻胶102中曝光部分102b与102d的表面。经过硅化反应，在曝光部分102b与102d的表面生成硅化部分102b’与102d’。未曝光部分102a、102c与102e并不发生反应。

步骤S102，如图7所示，将半导体衬底101置于刻蚀反应室中。

步骤S103，采用含有元素周期表中VIIA族原子的第一刻蚀气体对光刻胶进行预刻蚀。

其中步骤S103进一步包括如下步骤：步骤S103a，如图8所示，将含有元素周期表中VIIA族原子的第一刻蚀气体通入刻蚀反应室；步骤S103b，如图9所示，激发通入的第一刻蚀气体，使通入的气体呈等离子态并与光刻胶的未曝光部分发生反应。

所述含有元素周期表中VIIA族原子的气体包括F₂、Cl₂、Br₂、I₂、HF、HCl、HBr、HI等气体，或由它们混合后形成的组合物。

在步骤S103b进行的过程中，刻蚀反应室内的压强为1～100帕，具体气压例如1帕、10帕、20帕、30帕、40帕、50帕、60帕、70帕、80帕、90帕或者100帕等；刻蚀反应室的温度为150℃～400℃，具体温度例如150℃、200℃、250℃、300℃、350℃或者400℃等。

将反应室的压强和温度值调节到合适的范围以内，有利于后续等离子体通入后与未曝光部分102a、102c与102e表面之间化学反应的进行。

所述激发的方法，包括采用射频功率源激发通入的含有元素周期表中VIIA族原子的气体，使之呈等离子态，成为等离子体。等离子体充满整个刻蚀反应室。当射频功率源持续工作时，通入的气态物质始终保持等离子体态，一旦射频功率源关闭，等离子态随之恢复为气态。

在激发的过程中，气体处于等离子态，与光刻胶发生化学反应。

活化通入的气体呈等离子态，持续时间为10秒至120秒，具体时间例如10秒、20秒、30秒、40秒、50秒、60秒、70秒、80秒、90秒、100秒、110秒或者120秒等。

采用将含有元素周期表中VIIA族原子的气体激发成等离子体态之后，气体中的分子式为HM或M₂(M代表F、Cl、Br或者I原子)的物质激发，生成含有M或者M⁺的等离子体，并与光刻胶102中未曝光部分102a、102c与102e发生反应，生成CO₂以及其他物质。曝光部分102b与102d由于表面生成硅化部分102b’与102d’对等离子体起到了遮挡作用，因此并不与等离子体发生化学反应。

VIIA族元素形成的等离子体，在与光刻胶反应的过程中，反应活性比氧等离子体低，因此可以保证被遮挡的曝光部分102b与102d以及硅化部分102b’与102d’的侧壁在刻蚀过程中具有较高的平整度。

图10所示为实施步骤S103后，图9所示结构的俯视图。由于VIIA族原子等离子体的活性低，因此硅化部分102b’与102d’的侧壁在刻蚀过程中具有较高的平整度。

步骤S104，如图11所示，采用第二刻蚀气体对光刻胶102进行刻蚀。

所述第二刻蚀气体包括氧气。

刻蚀包括采用氧或其他物质构成的等离子体对光刻胶102的未曝光部分102a、102c与102e进行刻蚀。曝光部分102b与102d由于表面生成硅化部分102b’与102d’起到遮挡作用，并不与氧等离子体发生化学反应。刻蚀的目的是去除光刻胶102中未曝光部分102a、102c与102e，对曝光后的光刻胶进行显影，形成掩模图形。

由于HM的存在，降低了光刻胶在刻蚀工艺中，与氧或其他等离子体发生化学反应的活性，降低了反应活性，提高了保留的曝光部分102b与102d以及硅化部分102b’与102d’侧壁的平整度。

图12所示为实施步骤S104后，图11所示结构的俯视图。

采取以上方法，完成了光刻胶掩模图形的显影，形成了由光刻胶构成的掩模图形。该图形可以用于后续的半导体工艺，例如芯片封装、离子注入，刻蚀半导体衬底等。

下面给出本发明提供的一种光刻胶掩模图形的显影方法的实施例。

第一步：在硅衬底表面涂覆光刻胶，光刻胶的成分为

和

两种物质所组成的组合物；

第二步：采用相移式掩模版对光刻胶曝光，曝光光源波长192nm；

第三步：对光刻胶进行硅化处理，所采用反应物质的分子结构为：

硅化反应温度120℃，持续时间150秒；

第四步：将硅衬底置于刻蚀反应室中；

第五步：将F₂气体通入刻蚀反应室；

第六步：将反应室的温度调节至250℃，气压调节至50帕；

第七步：打开射频功率源，激发氟等离子体，刻蚀光刻胶，持续时间50秒；

第八步：采用氧等离子体对经氟等离子刻蚀后的光刻胶进行刻蚀。

刻蚀完毕后，完成了光刻胶掩模图形的显影，在硅衬底上形成了由光刻胶构成的掩模图形，用于后续工艺。

以上光刻胶掩模图形的显影方法的实施方式与实施例所描述的技术方案的优点在于：在采用等离子体干法刻蚀之前，采用含有元素周期表中VIIA族原子的等离子体，对光刻胶进行刻蚀，降低了反应活性，可以提高掩模图形侧壁的平整度，提高光刻工艺的精确度。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims

1.一种光刻胶掩模图形的显影方法，其特征在于，包括：

a)提供表面涂敷光刻胶并经过曝光处理的半导体衬底；

b)将半导体衬底置于刻蚀反应室中；

c)采用含有元素周期表中VIIA族原子的第一刻蚀气体对光刻胶进行预刻蚀，包括：将含有元素周期表中VIIA族原子的第一刻蚀气体通入刻蚀反应室；激发通入的第一刻蚀气体，使通入的气体呈等离子态并与光刻胶的未曝光部分发生反应；其中，所述含有元素周期表中VIIA族原子的第一刻蚀气体包括含有F2、C12、Br2、I2、HF、HCl、HBr或HI的气体；

d)采用第二刻蚀气体对光刻胶进行刻蚀，所述第二刻蚀气体包括氧气。

2.根据权利要求1所述之光刻胶掩模图形的显影方法，其特征在于，所述激发通入的第一刻蚀气体，持续时间为10秒至120秒。

3.根据权利要求1所述之光刻胶掩模图形的显影方法，其特征在于，所述激发通入的第一刻蚀气体，包括采用射频功率源进行激发。

4.根据权利要求1所述之光刻胶掩模图形的显影方法，其特征在于，刻蚀反应室的气压为1帕～100帕。

5.根据权利要求1所述之光刻胶掩模图形的显影方法，其特征在于，刻蚀反应室的温度为150℃～400℃。

6.根据权利要求1所述之光刻胶掩模图形的显影方法，其特征在于，在实施步骤b)之前，对经曝光处理后的半导体衬底表面的光刻胶进行硅化处理。

7.根据权利要求6所述之光刻胶掩模图形的显影方法，其特征在于，所述硅化处理包括如下步骤：

将曝光后的涂敷有光刻胶的半导体衬底置于硅化反应室中；

提供包括下式所示一种或多种硅基有机物的反应物质：

其中R³～R⁵独立的表示选自线性或支化的、至多具有10个碳原子的烷基、硅烷基、或者胺基；

使反应物质流过半导体衬底表面的光刻胶。

8.根据权利要求7所述之光刻胶掩模图形的显影方法，其特征在于，所述光刻胶的组成成份中含有聚酰胺酸和重氮萘醌。

9.根据权利要求7或8所述之光刻胶掩模图形的显影方法，其特征在于，所述硅化反应室内的气体为He、Ne、Ar、N₂、O₂或者空气。

10.根据权利要求7或8所述之光刻胶掩模图形的显影方法，其特征在于，所述硅化反应室内的压强为1～100帕。

11.根据权利要求7或8所述之光刻胶掩模图形的显影方法，其特征在于，所述硅化反应室的温度为90℃～150℃。

12.根据权利要求7或8所述之光刻胶掩模图形的显影方法，其特征在于，所述反应物质流过半导体衬底表面的光刻胶的时间为80秒～200秒。

13.根据权利要求7或8所述之光刻胶掩模图形的显影方法，其特征在于，所述光刻胶的厚度为150纳米～500纳米。

14.根据权利要求7或8所述之光刻胶掩模图形的显影方法，其特征在于，所述硅化处理方法还包括在使反应物质流过半导体衬底表面的光刻胶之后，烘烤涂敷光刻胶的半导体衬底。