CN101764053B - 光刻方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光刻方法，包括步骤：提供一半导体基板，所述半导体基板具有待刻蚀层；在所述待刻蚀层上涂覆光酸放大型光刻胶层；对所述光刻胶层的部分区域进行曝光；对曝光后的光刻胶层进行烘焙，所述烘焙至少包括两步，并且后一步烘焙的温度相比前一步烘焙的温度依次递减；用显影液清洗，在光刻胶层的曝光区域形成开口图形，形成开口图形的边界垂直于半导体基板，该光刻方法改善了光刻形成的开口图形边界粗糙的问题。

Description

光刻方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种光刻方法。

背景技术

在半导体器件的制造中，在进行光刻工艺中，通常在将硅片经过预处理之后，进行涂覆光刻胶，然后进行曝光前的烘焙使光刻胶具有一定的硬度并且均匀的附着在硅片上，之后将掩膜板上的掩模图形投影到涂覆了光刻胶层的硅片上，经过光源的曝光，使光刻胶层的曝光位置发生了光化学变化，

因为光强随着波长减小越来越弱，曝光光源波长在248nm以下的制造工艺中，光强的减小使得曝光区域的边缘的光刻胶不能充分的发生反应，因此通常使用的光刻胶具有光酸放大作用，也就是在曝光后光刻胶中的光酸会释放出来使光刻胶变的容易溶解，因为在曝光时光源照在光刻胶上的光强分布通常是曝光区域的中央位置较强，然后向边缘递减，因此在曝光后曝光区域的光刻胶释放出的光酸从中间向边缘递减，这样在曝光区域边缘部分的光刻胶因为光强较弱因此不足以发生化学变化。然后进行曝光后的烘焙，因为光刻胶具有光酸放大作用，在烘焙的时候光刻胶中的光酸会从曝光区域的中央逐渐向边缘扩散，在曝光后烘焙时间和温度的控制下，光酸会扩散达到曝光区域的边缘。因为有大量光酸扩散到了曝光区域边缘，因此在光酸扩散到的位置的光刻胶都会发生化学变化，变得可以溶解于显影液。因此在显影之后就得到了具有特定CD开口图形的掩膜图形。同时在烘焙的过程中，没有经过曝光的光刻胶会变硬定型。

从而经过显影在光刻胶层中形成了掩模图形的映像，也就是刻蚀阻挡图形。再通过后续工艺，如刻蚀工艺，就把掩膜板上的掩模图形转移到硅片表面制成永久的图形，例如形成栅极图形。

在光刻工艺中，曝光后的烘焙对光刻胶层中形成的图形线宽和边界的影响很大，例如在专利号为：6235439，名称为：利用加热设备对曝光后的晶片加热进行坚膜来控制集成电路图形尺寸的方法的美国专利中，公开了测量坚膜(曝光后烘焙)的温度和图形线宽的关系，然后反馈到坚膜(曝光后烘焙)的过程中，从而利用坚膜(曝光后烘焙)的加热温度在晶片上形成目标线宽的图形。

但是传统方法在曝光后烘焙的时候会采用一步烘焙，经过测试发现烘焙后的掩膜图形的开口边界处非常粗糙。图1是现有技术中曝光后采用一步烘焙形成的光刻胶掩膜图形，如图1所示，这样会造成在后续刻蚀的过程形成的图形的边界粗糙，从而半导体器件的电学特性较差。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种光刻方法，改善了光刻形成的开口图形边界粗糙的问题。

本发明提供了一种光刻方法，包括步骤：

提供一半导体基板，所述半导体基板具有待刻蚀层；

在所述待刻蚀层上涂覆光酸放大型光刻胶层；

对所述光刻胶层的部分区域进行曝光；

对曝光后的光刻胶层进行烘焙，所述烘焙至少包括两步，并且后一步烘焙的温度相比前一步烘焙的温度依次递减；

用显影液清洗，在光刻胶层的曝光区域形成开口图形，形成开口图形的边界垂直于半导体基板。

可选的，所述烘焙包括第一步烘焙和第二步烘焙。

可选的，所述第一步烘焙的时间为t1；所述第二步烘焙的时间为t2，其中第二步烘焙的时间t2大于第一步烘焙的时间t1。

可选的，第二步烘焙温度T2和第一步烘焙温度T1的比值大于或等于3/7。

可选的，第二步烘焙的时间t2和第一步烘焙的时间t1的比值小于或等于4。

可选的，第二步烘焙温度T2和第一步烘焙温度T1的比值为9/11，第二步烘焙的时间t2和第一步烘焙的时间t1的比值为2。

可选的，所述光刻胶材料为包括乙酸丙二醇单甲醚酯、聚羟基苯乙烯、光酸产生剂、界面活性剂的混合物，第一步烘焙温度T1为100℃-115℃，第二步烘焙温度T2为85℃-100℃。

可选的，所述第一步烘焙温度T1为110℃，烘焙时间为30s，第二步烘焙温度T2为90℃，第二步烘焙的时间t2为60s。

可选的，所述光刻胶为248nm波长曝光光源所对应的光刻胶。

上述技术方案的优点是：

将现有技术中的曝光后的一步烘焙改为至少两步烘焙，并且后一步烘焙的温度相比前一步烘焙的温度依次递减，这样在前面相对较高温度的烘焙步骤中中使光酸快速扩散，在后面相对较低温度的烘焙步骤中使光酸扩散到曝光区域边缘时较慢的均匀扩散，从而在曝光区域边缘光酸充分反应，因此在显影之后形成的开口图形边界平滑。

附图说明

图1为现有技术中采用曝光后一步烘焙形成的光刻胶掩膜图形；

图2为本发明的光刻方法一实施例的流程图；

图3-图8为本发明的光刻方法一实施例的示意图。

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。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

因为光强随着波长减小越来越弱，曝光光源波长在248nm以下的制造工艺中，光强的减小使得曝光区域的边缘的光刻胶不能充分的发生反应，因此，通常使用的光刻胶具有光酸放大作用，也就是在曝光后光刻胶中的光酸会释放出来使光刻胶变的容易溶解，因为在曝光时光源照在光刻胶上的光强分布通常是曝光区域的中央位置较强，然后向边缘递减，因此在曝光后曝光区域的光刻胶释放出的光酸从中间向边缘递减，这样在曝光区域边缘部分的光刻胶因为光强较弱因此不足以发生化学变化。然后进行烘焙，因为光刻胶具有光酸放大作用，在烘焙的时候光刻胶中的光酸会从曝光区域的中央逐渐向边缘扩散，在特定的烘焙时间和温度的控制下，光酸会扩散达到曝光区域的边缘。因为有大量光酸扩散到了曝光区域边缘，因此在光酸扩散到的位置的光刻胶都会发生化学变化，变得可以溶解于显影液。因此在显影之后就得到了具有特定CD开口图形的掩膜图形。同时在烘焙的过程中，没有经过曝光和光酸没有扩散到的位置的光刻胶会变硬定型。从而经过显影在光刻胶层中形成了掩模图形的映像。一般来说，在烘焙的时候会采用在一个较高温度下烘焙，经过测试发现在高温下进行烘焙后掩膜图形的开口边界处比较粗糙。发明人研究后认为是由于烘焙温度越高，光酸扩散的速度较快，因此使得掩膜图形的边界粗糙，这样会使得后续刻蚀步骤中形成的图形的边界粗糙，从而半导体器件的电学特性较差。

因此本发明提供了一种光刻方法，包括步骤：

提供一半导体基板，所述半导体基板具有待刻蚀层；

在所述待刻蚀层上涂覆光酸放大型光刻胶层；

对所述光刻胶层的部分区域进行曝光；

对曝光后的光刻胶层进行烘焙，所述烘焙至少包括两步，并且后一步烘焙的温度相比前一步烘焙的温度依次递减；

用显影液清洗，在光刻胶层的曝光区域形成开口图形，形成开口图形的边界垂直于半导体基板。

可选的，所述烘焙包括第一步烘焙和第二步烘焙。

可选的，所述第一步烘焙的时间为第一步烘焙的时间t1；所述第二步烘焙的时间为t2，其中第二步烘焙的时间t2大于第一步烘焙的时间t1。

可选的，第二步烘焙温度T2和第一步烘焙温度T1的比值大于或等于3/7。

可选的，第二步烘焙的时间t2和第一步烘焙的时间t1的比值小于或等于4。

可选的，第二步烘焙温度T2和第一步烘焙温度T1的比值为9/11，第二步烘焙的时间t2和第一步烘焙的时间t1的比值为2。

可选的，所述光刻胶材料为包括乙酸丙二醇单甲醚酯、聚羟基苯乙烯、光酸产生剂、界面活性剂的混合物，第一步烘焙温度T1为100℃-115℃，第二步烘焙温度T2为85℃-100℃。

可选的，所述第一步烘焙温度T1为110℃，烘焙时间为30s，第二步烘焙温度T2为90℃，第二步烘焙的时间t2为60s。

可选的，所述光刻胶为248nm波长曝光光源所对应的光刻胶。

下面结合附图对本发明光刻方法的实施例进行详细说明。

图2本发明的光刻方法实施例的流程图。如图2所示，本实施例的光刻方法包括以下步骤：

图3-图8为本发明的光刻方法一实施例的示意图，参考图3和图4。

S110：提供一半导体基板100，在半导体基板100上具有待刻蚀层112。

所述待刻蚀层112是需要在刻蚀的步骤中被刻蚀掉一些区域，例如待刻蚀层112可以为多晶硅层，从而可以在刻蚀之后形成多晶硅栅。

S120：在待刻蚀层112上涂覆光刻胶层120，所述光刻胶的材料为光酸放大型光刻胶。

所述光刻胶层材料可以具体为包括乙酸丙二醇单甲醚酯、聚羟基苯乙烯、光酸产生剂生和界面活性剂的混合物。所述光刻胶材料包括光酸产生剂，因此具有光酸放大作用。因为光强随着波长减小越来越弱，曝光光源波长在248nm以下的制造工艺中，光强的减小使得曝光区域的边缘的光刻胶不能充分的发生反应，因此该光刻胶材料通常应用在248nm以下波长光源曝光的半导体制造中。可以采用本领域技术人员熟知的方法进行涂覆，例如旋涂法，从而在待刻蚀层112表面形成一层均匀覆盖的光刻胶层120，该光刻胶层120起到刻蚀掩膜的作用，因此需要把待刻蚀层112需要刻蚀的区域的表面114暴露出来。在涂覆光刻胶层120之后还可以包括曝光前的烘焙步骤，使光刻胶层120定型。

S130：对所述光刻胶层的部分区域进行曝光。

用光源12通过所述掩膜板10对光刻胶层120曝光。将掩膜板10和半导体基板110的位置对应，使掩膜板10的开口位置21对准光刻胶层120的区域116。在本实施例中曝光光源波长为248nm，曝光能量为30mJ，经过光源12曝光，光刻胶层120上的部分区域116被曝光，被曝光的区域116发生化学变化，释放出光酸，但是由于光源曝光时能量分布不均匀，也就是在曝光区域116的中央位置能量较强，从而光酸充分释放，光刻胶层120发生化学反应，变得可被显影液软化和溶解，但是曝光能量从曝光区域116的中央向边缘递减，从而在曝光区域116边缘位置因为曝光能量较弱，因此光酸不能充分释放，光刻胶层120发生化学反应较弱，不足以变得可被显影液软化和溶解。图5为曝光后曝光区域的光刻胶层所释放的光酸浓度的分布图。如图5所示光刻胶释放出的光酸的浓度从曝光区域的中央向边缘逐渐减小，图5的中央区域黑色区域为光酸浓度最大的区域边缘的白色区域为光酸浓度最小的区域，光酸浓度从中央黑色区域向边缘白色区域递减。

S140：对曝光后的光刻胶层进行烘焙，所述烘焙至少包括两步，并且后一步烘焙的温度相比前一步烘焙的温度依次递减。

在一具体实现方式中包括：

第一步烘焙：在温度T1下对光刻胶层第一步烘焙。

在本实施例中，烘焙可以采用将具有光刻胶层120的半导体基底110放进加热容器内然后加热，或者将具有光刻胶层120的半导体基底110放在加热基台上，在本实施例中烘焙是在硅片轨道系统的热板上或生产线的炉子中进行。通过热板的对半导体基底110的加热使光刻胶层120被烘焙。不同的光刻胶曝光后使光刻胶定型，并且使光酸快速扩散所需温度不同，因此通常光刻胶厂家会给定光刻胶定型，并且使光酸快速扩散所需温度。本实施例中，使用的光刻胶定型，并且光酸快速扩散所需温度为100℃。在本实施例中，第一烘焙温度为100℃-115℃，例如105℃、108℃、110℃、113℃，在一种具体实现中，第一烘焙温度为110℃，烘焙时间为30s。因为第一步的烘焙温度相比其它的烘焙步骤烘焙的温度最高，优选的高于光刻胶厂家会给定光刻胶定型，并且使光酸快速扩散所需温度，因此在第一步烘焙中，光酸迅速从曝光区域116的中央向边缘扩散，大量光酸扩散到的地方会和光刻胶层发生化学反应，发生化学反应后的光刻胶层就可以被显影液清洗。因为该步烘焙的温度较高，因此使得光刻胶层110中的光酸迅速扩散，因为光酸扩散速度过快，因此和光刻胶层120发生化学反应就不均匀，使得在大量光酸扩散到的位置边缘可能有的地方发生了反应，有的地方没有，因此形成光酸扩散到的边界不均匀。如图6所示为第一烘焙后曝光区域的光刻胶层所释放的光酸浓度的分布图，图6的中央区域黑色区域为光酸浓度最大的区域边缘的白色区域为光酸浓度最小的区域，光酸浓度从中央黑色区域向边缘白色区域递减。因为该烘焙步骤的温度较高，因此没有被曝光区域的光刻胶材料的定型会较好，而且因为光酸扩散快，因此节省时间。

第二步烘焙：在温度T2下对光刻胶层第二步烘焙，所述第二步烘焙温度T2小于第一步烘焙温度T1。

在本实施例中，第二烘焙可以采用和第一烘焙相同的方法，例如本实施例中第二烘焙是在硅片轨道系统的热板上或生产线的炉子中进行。通过热板的对半导体基底110的加热使光刻胶层120被烘焙。经过第二烘焙光酸继续向边缘扩散。在该步烘焙中，大量光酸在比第一烘焙较小的速度下扩散到曝光区域116的边缘，并和光刻胶层发生化学反应，发生化学反应后的光刻胶层就可以被显影液清洗。当然第二烘焙也可以采用和第一烘焙不同的其它方法。

第二步烘焙温度T2和第一步烘焙温度T1的比值大于或等于6/14，例如为10/11、9/11、6/11或5/11。第二烘焙的时间t2大于第一烘焙的时间t1，第二步烘焙的时间t2和第一步烘焙的时间t1的比值小于或等于4，例如可以为1、2、3或4。在本实施例中，第二步烘焙温度T2和第一步烘焙温度T1的比值为9/11，第二步烘焙的时间t2和第一步烘焙的时间t1的比值为2，也就是第二烘焙温度为85℃-100℃，例如87℃、90℃、95℃，在一个具体实现中，第二烘焙温度为90℃，烘焙时间为60s。因为该步烘焙的温度小于第一烘焙的温度，因此使得光刻胶层110中的光酸迅速扩散速度也小于第一烘焙中的速度，因为光酸扩散速度较慢，因此和光刻胶层120发生化学反应就较慢，从而光酸的扩散边缘均匀性好，可以充分反应，使在大量光酸扩散到的曝光区域116的边缘时，曝光区域116的边缘的光刻胶和光酸反应充分。如图7所示为第二烘焙后曝光区域的光刻胶层所释放的光酸浓度的分布图，图7的中央区域黑色区域为光酸浓度最大的区域边缘的白色区域为光酸浓度最小的区域，光酸浓度从中央黑色区域向边缘白色区域递减。而且经过进二步烘焙光刻胶材料没有经过曝光的区域被定型，变得较硬。

S150：用显影液清洗，在光刻胶层的曝光区域形成开口图形，形成开口图形的边界垂直于半导体基板。

用显影液清洗，在本实施例中具体采用的显影液为浓度为2.38％的TMAH。因为在第二烘焙中采用了较低的温度，因此光酸扩散的缓慢，，在光酸扩散到的曝光区域边缘和光刻胶材料充分反应，因此容易被显影液清洗，这样在显影液清洗之后在光刻胶层中形成的开口图形边界就比较平滑。如图8所示的显影之后的开口图形。从而利用该光刻胶层做为掩膜图形进行后续刻蚀时，因为该开口图形的边缘平滑，因此形成的刻蚀图形的边缘就平滑，从而形成的半导体器件的质量高。

在上述实施例中，还可以在涂覆光刻胶步骤之后，曝光步骤之前还包括软烘焙步骤使涂覆的光刻胶定型，在显影步骤之后还包括对光刻胶层进行第三步烘焙，使光刻胶层形成的掩膜图形硬化定型。

在上述实施例中，将现有技术中的曝光后的一步烘焙改为两步烘焙，因此可以调整两步烘焙的温度，使第一烘焙的温度高于第二烘焙的温度，在第一烘焙中使光酸快速扩散，在第二烘焙的步骤中使光酸扩散到曝光区域边缘时较慢的均匀扩散，从而在曝光区域边缘光酸充分反应，因此在显影之后形成的开口图形边界平滑，并且形成开口图形的边界垂直于半导体基板。

发明人在经过试验研究之后，从而得到针对248nm波长的曝光光源，光刻胶材料为包括乙酸丙二醇单甲醚酯、聚羟基苯乙烯、光酸产生剂生、界面活性剂的混合物时，将现有技术中的一步烘焙温度变为第一烘焙温度为110℃，烘焙时间为30s，第二烘焙温度为T2为90℃，时间t2为60s时可以得到相比现有技术的一步烘焙边界更平滑的开口图形，并且烘焙的总时间和现有技术中一步烘焙的时间相同，因此在不改变生产效率的前提下得到了更好的光刻效果。

在其它实施例中，在对曝光后的光刻胶层进行烘焙的步骤可以包括例如第一步、第二步......第N步，其中N为大于1的自然数，每一步烘焙的方法可以和上述实施例相同，每一在后的步骤的烘焙温度小于在前步骤的烘焙温度，也就是后一步烘焙的温度相比前一步烘焙的温度依次递减。

在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种光刻方法，其特征在于，包括步骤：

提供一半导体基板，所述半导体基板具有待刻蚀层；

在所述待刻蚀层上涂覆光酸放大型光刻胶层；

对所述光刻胶层的部分区域进行曝光；

对曝光后的光刻胶层进行烘焙，所述烘焙至少包括两步，并且后一步烘焙的温度相比前一步烘焙的温度依次递减；

用显影液清洗，在光刻胶层的曝光区域形成开口图形，形成开口图形的边界垂直于半导体基板。

2.根据权利要求1所述的光刻方法，其特征在于，所述烘焙包括第一步烘焙和第二步烘焙。

3.根据权利要求2所述的光刻方法，其特征在于，所述第一步烘焙的时间为t1；所述第二步烘焙的时间为t2，其中第二步烘焙的时间t2大于第一步烘焙的时间t1。

4.根据权利要求3所述的光刻方法，其特征在于，第二步烘焙温度T2和第一步烘焙温度T1的比值大于或等于3/7。

5.根据权利要求4所述的光刻方法，其特征在于，第二步烘焙的时间t2和第一步烘焙的时间t1的比值小于或等于4。

6.根据权利要求5所述的光刻方法，其特征在于，第二步烘焙温度T2和第一步烘焙温度T1的比值为9/11，第二步烘焙的时间t2和第一步烘焙的时间t1的比值为2。

7.根据权利要求6所述的光刻方法，其特征在于，所述光刻胶材料为包括乙酸丙二醇单甲醚酯、聚羟基苯乙烯、光酸产生剂、界面活性剂的混合物，第一步烘焙温度T1为100℃-115℃，第二步烘焙温度T2为85℃-100℃。

8.根据权利要求7所述的光刻方法，其特征在于，所述第一步烘焙温度T1为110℃，烘焙时间为30s，第二步烘焙温度T2为90℃，t2为60s。

9.根据权利要求1所述的光刻方法，其特征在于，所述光刻胶为248nm波长曝光光源所对应的光刻胶。

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