CN101558357A - 使用覆盖在抗蚀剂上的保护层的沉浸光刻技术和产品 - Google Patents

Abstract

在一种沉浸光刻方法中，为光致抗蚀剂层(20)提供屏蔽层(30)以保护光致抗蚀剂层(20)不受因与浸液接触引起的降解的影响。屏蔽层(30)在曝光波长下透明，并基本不透(优选不溶于)浸液。屏蔽层(30)可由能使用与曝光后用于显影光致抗蚀剂层(20)的显影剂相同的显影剂除去的材料形成。

Description

使用覆盖在抗蚀剂上的保护层的沉浸光刻技术和产品

技术领域

本发明涉及光刻领域，更特别地，涉及沉浸光刻。

背景技术

光刻技术(或光刻法)作为制造集成半导体元件等中的支柱技术在半导体工业中已使用40多年。光刻技术的不断改进已使非常小的零件能被印刷和制造。不幸的是，这种技术开始碰到趋于限制可制造零件的大小进一步降低的物理障碍。已提出了替代技术，如远紫外光刻。但是，这些替代技术还没准备好应用。

瑞利方程限定了可用光刻技术印刷的最小线宽度LW，如下：

$\mathrm{LW}=\frac{\mathrm{k\λ}}{\mathrm{NA}}$

其中k为过程系数，λ为光刻过程中使用的波长，NA为曝光透镜系统的数值孔径。

过程系数k取决于光刻过程中的许多变量，但被认为具有0.25的实际下限。

目前，在光刻法中使用波长为193nm的氟化氩(ArF)准分子激光器。还提出了氟(F₂)准分子激光器(λ＝157nm)。考虑到使用氟(F₂)准分子激光器(λ＝157nm)所需的设备易于只使用有限的一段时间，许多人不情愿投资这种设备。事实上，沉浸光刻的最近进展已经使大多数半导体制造商从他们的总未来计划中去掉157nm。

已表明，在根据上述瑞利方程使52nm线宽度可获得的ArF系统(λ＝193nm)中，可在光刻系统中得到高达0.93的数值孔径。理论上，在空气为透镜和晶片间介质的系统中，数值孔径的最大可获得值为1，这使ArF系统中最小的可能线宽度刚超过48nm。但是，已预测到2007年将需要45nm和以下的线宽度。

最近，提出了另一技术沉浸光刻，其能提高光刻方法的分辨率降至比迄今为止都小的水平。沉浸光刻通过在光刻图案形成方法中使用的光系统和被处理的晶片之间插入沉浸介质，一般是液体，以增加曝光系统的数值孔径来提高分辨率。

典型地，在投影曝光系统中，浸液被插入在最后的透镜元件和要被形成图案的晶片之间。有两种主要方法：整个晶片台被浸液淹没或在最后的透镜元件和晶片之间存有弯液面(几毫米厚)。

可按照下面的方程计算光学投影系统的数值孔径NA：

NA＝ηsinθ

其中η是透镜和晶片之间的介质的折射率，θ是透镜的受光角。可看到，通过选择在曝光波长下比空气折射率高的插入介质，可提高系统的数值孔径。

在使用ArF系统(λ＝193nm)的沉浸光刻的情况下，沉浸介质的主要备选者是水，一般是去离子水。去离子水的折射率是1.44，如果用作ArF系统中的浸液，则它将给出大约33nm的可能线宽度。

但是，如果光致抗蚀剂薄膜沉浸在水中，则结果产生许多有害影响：离子材料从光致抗蚀剂薄膜中浸出，抗蚀剂的溶胀，抗蚀剂基质内剩余材料的改变扩散等。这些问题在使用去离子水时尤其严重。这些困难可能引起发展新光致抗蚀剂材料的需要，导致沉浸光刻技术引入的延迟，或至少该技术能获得的分辨率降低。

对于除水以外的沉浸介质，可能也是浸液和光致抗蚀剂之间的接触将降低光致抗蚀剂性能的情况。

应认识到，在本文中，“沉浸介质”或“浸液”表示光刻系统中透镜和晶片之间存在的介质或液体。术语“沉浸”应被理解为需要整个设备(以至其整体中的晶片)应沉浸或浸没在所讨论的介质或液体中，尽管这在某些情况下可能发生。

现有技术描述

Switkes等人的论文“Extending optics to 50nm and beyond withimmersion lithography”(Journal of Vacuum Science & Technology B，Nov/Dec 2003，American Vacuum Society)讨论了沉浸光刻，并指出一些抗蚀剂本质上适用于沉浸光刻方法。但是，它也指出在沉浸介质(特别是水)和光致抗蚀剂之间的可能相互作用方面存在问题。

在使用化学增强抗蚀剂(CAR)的光刻领域中，已提出了在CAR上提供顶涂层以便提高CAR的稳定性(提高它的保存期)。关于这一点，参见US 2001/044077和US 5,326,675。这些现有建议没有面对沉浸光刻技术的使用，因而经常提出水溶性顶涂层。

发明内容

本发明的优选实施方案能使沉浸光刻技术在基本避免因接触沉浸介质引起的对光致抗蚀剂薄膜不良影响的同时得到应用。

本发明提供如权利要求中所述的沉浸光刻方法。

本发明还提供如权利要求所述的适合于在使用特定沉浸介质的沉浸光刻方法中曝光的中间产品。

附图说明

通过用实施例给出的本发明优选实施方案的以下描述和用附图说明，本发明的上述和其它特征和优点将变得清楚，其中：

图1为说明根据本发明一种优选实施方案的沉浸光刻方法中主要步骤的流程图；和

图2为说明图1方法中不同阶段的晶片结构的图。

具体实施方式

现在将参考图1和2描述根据本发明的沉浸光刻方法的优选实施方案。

如图1的流程图所示，方法中的步骤1为在衬底10上形成光致抗蚀剂层20。(应注意到衬底10可为空白晶片或它可已经过光刻形成图案产生特定的特征。)得到的结构示意地图示于图2A。

可按任何方便的方式在衬底10上形成光致抗蚀剂层20。典型地，如果衬底为晶片，则晶片将首先被清洗和涂底层，在其上形成阻挡层，使用众所周知的技术通过旋涂在其上形成光致抗蚀剂，然后软焙烧光致抗蚀剂除去不想要的微量溶剂。典型地，在光致抗蚀剂层的周边，除去几毫米的该层(“边缘球珠去除”)。这些过程的细节对于本领域的技术人员来说是公知的，并可在例如http://www.ee.Washington.edu网站的“光刻”网页上找到。

然后，如图1的步骤2所示，通过任何合适的方法在光致抗蚀剂层20上形成屏蔽或保护层30，产生图2B所示的结构。典型地，使用用于形成顶部抗反射涂层(TRAC)的技术在光致抗蚀剂层上形成屏蔽层30是方便的，其在涂敷屏蔽层材料后通常包括焙烧步骤。

有利地，形成屏蔽层30以便覆盖光致抗蚀剂层的基本全部自由表面，特别是如图2B所示的顶和侧表面。如果在屏蔽层30形成后进行边缘球珠去除，优选地，去除材料的量小于在光致抗蚀剂层20上进行的早先边缘球珠去除过程中去除的量，以便确保屏蔽层30的部分保持覆盖光致抗蚀剂层20的侧表面。

相对于光刻曝光系统对准带有现在已受屏蔽层30保护的光致抗蚀剂20的衬底10，在曝光透镜和屏蔽层30之间提供沉浸介质，并打开曝光辐射(图1的步骤3)。按照需要，可在曝光过程中使用公知的分档器(stepper)或扫描器设备相对于曝光光学系统移动衬底10(或反之亦然)。

可以看到，根据本发明的优选实施方案，在光致抗蚀剂层和沉浸介质间接触前在光致抗蚀剂层上形成屏蔽层。屏蔽层30由在曝光波长下光学透明且基本不透沉浸介质和优选基本不溶于沉浸介质的材料形成。这样，曝光辐射通过屏蔽层30曝光光致抗蚀剂产生图2C所示的结构。此外，屏蔽层30防止了沉浸介质在光致抗蚀剂层20上另外产生的不利影响。

通过用基本不透沉浸介质的屏蔽层封闭光致抗蚀剂，优选实施方案的沉浸光刻方法避免了光致抗蚀剂和沉浸介质之间的接触，从而防止了光致抗蚀剂性能的降低。这使得即使在新的沉浸光刻方法中也可使用常规光致抗蚀剂材料，使该技术的更快速引入成为可能。

对于屏蔽层30，优选使用基本不溶于沉浸介质的材料。可使用部分可溶材料，但屏蔽层材料在沉浸介质中的溶解性需要足够低，以避免在光刻过程完成前光致抗蚀剂层变得暴露于沉浸介质。此外，如果屏蔽层材料在沉浸介质中具有太快的溶解速度，则存在透镜元件在溶解的屏蔽层材料中被涂敷的危险，从而抑制光致抗蚀剂的精确图案形成。

图2C图示了正性光致抗蚀剂的情况：图2C中的暗区域代表已曝光于曝光辐射的区域，亮区域代表被光刻掩模从曝光辐射隐藏的区域。应认识到本发明一般适用于正性和负性光致抗蚀剂。

一旦光致抗蚀剂层20被曝光，则从曝光装置中除去衬底10。通常，现在将对曝光的光致抗蚀剂进行后焙烧步骤。如果不能使用通常用于显影曝光的光致抗蚀剂层20的显影液除去屏蔽层30，则在方法中包括步骤3a以便除去保护层。可使用任何保持下面的光致抗蚀剂基本不受影响的合适化学试剂或物理方法除去屏蔽层30。

有利地，屏蔽层30由这样的材料形成，该材料可使用与用于显影曝光的光致抗蚀剂层20相同的显影剂容易地除去。因此，在单个步骤(图1的步骤4)中，光致抗蚀剂层20被显影，并且屏蔽层30也被除去。这避免了光刻制造方法中所涉及步骤数目的过度增加，和相关成本以及处理废品的增加。

在屏蔽层30和光致抗蚀剂层20被除去后，留下带有图案化光致抗蚀剂20a的衬底10，如图2D所示。

本发明利用屏蔽层30保护抗蚀剂20不受沉浸光刻过程中接触沉浸介质的可能不利结果的影响。而且，使用屏蔽层30产生额外的有益效果。如果没有屏蔽层30，并且在沉浸光刻过程中要曝光抗蚀剂20时，则在抗蚀剂曝光过程中，各种物质可能从抗蚀剂中浸出。在许多情况下，这些浸出的材料会污染和甚至破坏曝光光学装置。曝光光学装置是昂贵的，占整个光刻工具成本的大约50％，而光刻工具又是半导体制造设施中最昂贵的物品之一。因此，曝光光学装置的保护是本发明提供的重要优点。

根据沉浸光刻方法中使用的曝光波长和沉浸介质选择用于形成屏蔽层30的材料。合适的材料为在曝光波长下透明且基本不透(并优选基本不溶于)浸液的那种。

还可根据在显影光致抗蚀剂中所用的显影剂选择用于屏蔽层30的材料，以便该屏蔽层材料可使用与曝光后用于显影光致抗蚀剂的显影剂相同的显影剂除去。这减少了光刻方法中需要的总步骤数。此外，这确保了显影的光致抗蚀剂20a不会被用于除去屏蔽层30的方法破坏。

显然，屏蔽层材料还必须为本身对光致抗蚀剂材料基本没有有害影响的材料。

现代光致抗蚀剂的大部分为可使用氢氧化四甲铵(TMAH)的水溶液作为显影液来显影的化学增强抗蚀剂。这种TMAH显影液为碱性的(高pH)。

当寻找可容易被显影剂除去的屏蔽层材料时，选择在157nm曝光波长下使用的合适材料是相对直接的，因为典型沉浸介质(氟化溶剂)的性能明显不同于典型显影剂(TMAH的水溶液)的那些。因此，任何能在157nm下提供高透明性和在碱性水溶液中的溶解度的聚合物可能满足屏蔽层的要求。

但是，在193nm曝光波长下，屏蔽层材料的选择更困难，因为沉浸介质一般为水，显影剂一般为TMAH的水溶液。因此，在后一情况下，需要的为溶解度与pH有关的屏蔽层材料。在该曝光波长下使用的合适屏蔽层材料的例子包括在193nm下光学透明的两性离子聚合物或共聚物；易于快速碱水解以引起水溶性的在193nm下光学透明的交联聚合物膜；等。

应注意到，本发明适用于涉及非化学增强光致抗蚀剂的沉浸光刻方法和涉及化学增强光致抗蚀剂的方法。此外，本发明在沉浸光刻方法中使用的曝光波长(365nm，248nm，193nm，127nm等)或相关技术(I-线、深UV等)方面不受限制。更具体地说，对光波长的使用没有要求。

举一个具体例子，考虑在248nm下进行的沉浸光刻方法中要被曝光的APEX光致抗蚀剂(IBM提出)的情况，其中水为浸液。一旦光致抗蚀剂被曝光，需要使用0.26N TMAH显影液显影光致抗蚀剂。在这种情况下，对于屏蔽层，使用4-羟基苯乙烯和4-乙烯基苯胺的共聚物是有利的。下面示出了这种共聚物的名义结构。

但是，这种共聚物不以名义形式存在，而是以两性离子形式存在，因为单体单元之间有基于酸的相互作用。下面示出了两性离子形式。

在中性pH环境中，由这种共聚物形成的膜基本不溶于水和基本不透水。因此，在使用水作为沉浸光刻方法中的浸液的情况下，由这种共聚物形成的膜将保护光致抗蚀剂不受水影响。

在高或低pH环境中，这种共聚物是可溶的。TMAH显影液具有相对高的pH，因此可除去这种共聚物的膜并显影曝光的光致抗蚀剂。

可通过以类似于形成TARC膜(参见例如Brian Head，“Spin-onapplication of top-side A/R coatings”，Solid State Technology，2003年6月)所用的方式用水中的共聚物的草酸盐涂敷光致抗蚀剂层20在光致抗蚀剂层20上形成这种4-羟基苯乙烯和4-乙烯基苯胺的共聚物的屏蔽层30。在草酸盐被涂敷到光致抗蚀剂层20上后，进行焙烧步骤，其将草酸盐分解成水不溶性共聚物，如下面所示。

水溶性草酸盐                           两性离子共聚物

典型地，分解草酸盐的焙烧步骤包括在150℃下焙烧样品60秒。

在上述方法中，最初以水溶液形式制备屏蔽层材料是方便的，因为这有利于光致抗蚀剂层20的涂敷。涂敷后，可通过任何合适的化学或物理方法(在上述例子中在涂敷后焙烧步骤期间)将屏蔽层材料转化成水不溶性形式。

上述两性离子共聚物在193nm或更短的曝光波长下使用时不够透明。但是，通过用在所关心的波长下透明的替代单体替换酸和碱单体可扩展上述方法到较短的波长。

尽管已参考本发明的优选实施方案描述了本发明，但应认识到，本发明不限制于该实施方案的细节。更具体地说，本领域的技术人员能认识到只要不脱离附加权利要求中限定的本发明的范围，就可在该实施方案中作出变化和改进。

例如，光致抗蚀剂的上述讨论为简化的一种。技术人员能容易地认识到光致抗蚀剂可包含上面没有具体提到的其它组分(如光酸产生剂、光碱产生剂、猝灭剂、溶解抑制剂、增强催化剂等)。

同样，沉浸光刻方法的讨论也被简化。技术人员能容易地认识到通常可在沉浸光刻方法中应用其它步骤和措施，如确保浸液中不形成气泡的措施、确保从显影的光致抗蚀剂中冲洗显影剂的冲洗步骤等。

此外，尽管上述优选实施方案涉及其中沉浸介质为水的沉浸光刻方法，但本发明不限制于使用这种特定的浸液或甚至不限制于使用液体——可使用其它形式的沉浸介质，例如气体。

Claims (10)

1.一种沉浸光刻方法，其中使用光学曝光系统在曝光期间曝光光致抗蚀剂层，在光学曝光系统和要被曝光的光致抗蚀剂层(20)之间插入沉浸介质，曝光后，使用显影剂显影光致抗蚀剂层，其特征在于，该方法包括为光致抗蚀剂层(20)提供屏蔽层(30)以防止光致抗蚀剂层(20)和沉浸介质之间接触的步骤，所述屏蔽层在曝光波长下为透明的且不透沉浸介质。

2.根据权利要求1的沉浸光刻方法，其中屏蔽层(30)由在沉浸介质中的不溶程度足以防止沉浸介质在曝光期间接触光致抗蚀剂层(20)的材料形成。

3.根据权利要求1或2的沉浸光刻方法，其中屏蔽层(30)由能通过显影剂除去的材料形成。

4.根据权利要求3的沉浸光刻方法，其中沉浸介质为水，显影剂为氢氧化四甲铵，屏蔽层(30)由溶解性与pH有关的材料形成。

5.根据权利要求4的沉浸光刻方法，包括如下步骤：通过用屏蔽层材料涂敷光致抗蚀剂层(20)为光致抗蚀剂层(20)提供屏蔽层(30)，然后应用化学或物理方法使屏蔽层在水中的不溶解程度足以防止水沉浸介质在曝光期间接触光致抗蚀剂层(20)。

6.一种适合于在使用特定浸液的沉浸光刻方法中曝光的中间产品，该产品由带有光致抗蚀剂层(20)的衬底(10)组成，其特征在于，远离衬底(10)的光致抗蚀剂层(20)的表面被在沉浸光刻方法中使用的曝光波长下透明且不透所述特定沉浸介质的屏蔽层(30)覆盖。

7.权利要求6的中间产品，其中选择屏蔽层材料使得它在所述特定沉浸介质中的不溶解程度足以防止所述沉浸介质在曝光期间接触光致抗蚀剂层(20)。

8.权利要求6或7的中间产品，其中选择屏蔽层材料使得普通显影剂能够除去屏蔽层(30)和显影光致抗蚀剂层(20)。

9.权利要求8的中间产品，其中屏蔽层由溶解性与pH有关的材料形成。

10.权利要求6至9中任何一项的中间产品，其中所述特定沉浸介质为水，并且屏蔽层(30)由不透水的材料形成。

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