CN101893823A - 避免光刻胶层图形损伤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种避免光刻胶层图形损伤的方法，包括：对晶圆衬底进行气相成底膜处理、旋转涂胶、软烘及曝光；对曝光后的具有光刻胶层的晶圆衬底等待设定的时间；对等待设定时间的具有光刻胶层的晶圆衬底进行曝光后烘焙、显影及坚膜烘焙，得到光刻胶层图形。本发明提供的方法避免了所形成的光刻胶层图形损伤，保证光刻胶层图形和在掩膜上构造的图形一致。

Description

避免光刻胶层图形损伤的方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术，特别涉及一种避免光刻胶层图形损伤的方法。

背景技术

在半导体器件的制程中，有一个步骤为光刻。光刻的本质就是将电路结构复制到以后要进行刻蚀步骤及离子注入步骤的晶圆衬底上。电路结构首先以图形形式制作在名为掩膜的石英膜版上，紫外光通过该掩膜将图形转移到晶圆衬底的光刻胶层上，进行显影后，用后续的刻蚀步骤将图形成像在晶圆衬底上，或者用后续的离子注入步骤完成晶圆衬底的图形区域可选择的掺杂。转移到晶圆衬底的光刻胶层的各种各样图形确定了最终制成的半导体器件的众多特征，比如：通孔、各层间必要的互连线及硅掺杂区。

图1为现有技术提供的光刻方法流程图，其具体步骤为：

步骤101、对晶圆衬底进行气相成底膜处理；

该步骤的目的是增强晶圆衬底和光刻胶层之间的粘附性，一般采用六甲基二硅胺烷(HMDS)进行成膜处理，HMDS起到粘附促进剂的作用；

步骤102、对经过了气相成底膜处理的晶圆衬底进行旋转涂胶；

该步骤就是为了在晶圆衬底上均匀地涂敷光刻胶层；

光刻胶层至少由三种成分组成：树脂，用于将光刻胶层中的不同材料聚在一起的粘合剂；感光剂，用于和光能发生光化学反应，在曝光时起作用；溶剂，使光刻胶保持液体状态，直到其被涂敷在晶圆衬底上；

在该步骤中，一般采用I线光刻胶作为光刻胶层材料，当然也可以采用G线光刻胶或H线光刻胶作为光刻胶层材料；

光刻胶中的感光剂为光敏化合物(PAC)，最常见的为重氮萘醌(DNQ)，这种光刻胶被称为DNQ线性酚醛树脂，溶于溶剂中；

步骤103、对涂敷了光刻胶层的晶圆衬底进行软烘；

该步骤的目的就是去除光刻胶中的溶剂，提高晶圆衬底和光刻胶层之间的粘附性剂及提高光刻胶层的均匀性；

步骤104、对软烘后的具有光刻胶层的晶圆衬底进行对准和曝光；

在该步骤中，紫外光通过掩膜将要构造的图形转移到晶圆衬底的光刻胶层上；

在进行该步骤前，感光剂，即DNQ为作为一种强力的溶解抑制剂，不溶于显影液；当经过曝光后，感光剂，即DNQ发生化学反应产生羧酸和氮气，氮气挥发，羧酸在后续显影步骤中溶于显影液中，这样就构造出在光刻胶层上得到了图形；

步骤105、对曝光后的具有光刻胶层的晶圆衬底进行曝光后烘焙；

该步骤的目的就是为了促进光刻胶层的化学反应，减少曝光过程中的驻波缺陷；

步骤106、对经过了曝光后烘焙的具有光刻胶层的晶圆衬底进行显影；

该步骤是在晶圆衬底的光刻胶层上产生图形的关键步骤，在该步骤中，光刻胶层的可溶区域，即感光剂化学反应产生的羧酸被化学显影剂溶解；光刻胶层的不可溶区域，即未发生化学反应的感光剂则不能被化学显影剂溶解；这样，就将曝光的图形留在了晶圆衬底的光刻胶层上；

步骤107、显影后，对在光刻胶层上形成了图形的晶圆衬底进行坚膜烘焙；

该步骤实际上就是热烘，在热烘过程中，挥发掉存留的光刻胶层中的溶剂，提高形成了图形的光刻胶层对晶圆衬底的粘附性，这一步骤是稳固形成了图形的光刻胶层步骤，对后续的刻蚀步骤及离子注入步骤都非常关键。

最后，还可以对晶圆进行显影后检查，以确定在晶圆衬底上的光刻胶层图形的质量。

图1所述的这种方式是采用正光刻胶在晶圆衬底形成光刻胶层图形，相同的原理，也可以采用负光刻胶在晶圆衬底形成光刻胶层图形，不同的是，负光刻胶层的树脂为溶于化学显影液的惰性异戊二烯化合物，感光剂为一种经过紫外光曝光后释放出氮气的光敏剂，将树脂和感光剂都溶于如二甲苯的溶剂中。在曝光后，负光胶层中的感光剂释放出氮气，氮气产生的自由基和树脂，即惰性异戊二烯化合物反应，不溶于显影液。这样，在负光刻胶层形成的光刻胶层图形为掩膜所构造图形相反。

虽然采用图1的这种方式就可以在晶圆衬底的光刻胶层制作光刻胶层图形，但是，制作的光刻胶层图形和在掩膜上构造的图形并不一致。原因如图2a～图2c所示，图2a～图2c为现有技术制作光刻胶层图形的结构示意图。在图2a中，晶圆衬底的光刻胶层已经进行完步骤101～步骤103，执行步骤104，即对准和曝光步骤，假设光刻胶层为50000埃，这时，在经过曝光的区域，DNQ发生化学反应，生成羧酸和氮气(图中DNQ表示为实心圆，羧酸表示为空心圆)；非曝光区域，还是DNQ，氮气挥发，在光刻胶层中上部，经过曝光后得到的氮气易被挥发掉，而在光刻胶层中下部，经过曝光后得到的氮气由于生成的上层羧酸的阻挡，不易挥发。在图2b中，进行曝光后烘焙，即促进光刻胶层中DNQ的化学反应。在步骤2c中，进行显影，将DNQ产生的羧酸被化学显影剂溶解，在晶圆衬底上形成光刻胶层图形，这时，经过显影后，那些未来得及挥发的氮气就会在光刻胶层的中下部形成气泡，造成光刻胶层图形的损伤，得到和掩膜构造的图形不一致。

如图3所示，图3为现有技术在晶圆衬底上制作光刻胶层图形后的主视图，其中，左边的为采用光学显微镜(OM，Optical Microscope)观察的光刻胶层图形，右边的为采用扫描电子显微镜(SEM)观察的光刻胶层图形。可以看出，在晶圆衬底和光刻胶层交界的地方，不平滑，而是有凸起，也就是有气泡存在，这就是被损伤的光刻胶层图形。

对于负光刻胶层制作光刻胶层图形来说，也会造成损伤，这是因为，在曝光后，感光剂释放出氮气不能充分地和树脂反应就进行了曝光后烘焙，这时产生的不溶于显影液的区域就会小于要制作的光刻胶层图形。

由于得到的光刻胶层图形和在掩膜上构造的图形不一致，就会在后续进行刻蚀步骤及离子注入步骤出现问题：对于正光刻胶层，形成的光刻胶层图形在光刻胶层的中下部的面积由于气泡的原因大于掩膜构造的图形，所以在后续进行刻蚀步骤及离子注入步骤中，对晶圆衬底的刻蚀面积或离子注入的面积也会比掩膜所构造图形的面积大，造成最终形成半导体器件的通孔击穿、各层间必要的互连线互通或硅掺杂区区域面积增大，影响最终形成半导体器件的性能，在严重时还会造成最终形成的半导体器件的短路；对于负光刻胶层，形成的实际光刻胶层图形小于要制作的光刻胶层图形，在后续进行刻蚀步骤及离子注入步骤中，对晶圆衬底的刻蚀面积或离子注入的面积也会比要制作的光刻胶层图形的面积小，影响最终形成半导体器件的性能。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种避免光刻胶层图形损伤的方法，该方法能够避免所形成的光刻胶层图形损伤，保证光刻胶层图形和在掩膜上构造的图形一致。

为达到上述目的，本发明实施例的技术方案具体是这样实现的：

一种避免光刻胶层图形损伤的方法，包括：

对晶圆衬底进行气相成底膜处理、旋转涂胶、软烘及曝光；

对曝光后的具有光刻胶层的晶圆衬底等待设定的时间；

对等待设定时间的具有光刻胶层的晶圆衬底进行曝光后烘焙、显影及坚膜烘焙，得到光刻胶层图形。

所述设定的时间为大于等于30秒。

所述设定的时间为30～45秒。

所述晶圆衬底具有的光刻胶层厚度为大于等于40000埃。

所述晶圆衬底具有的光刻胶层的材料为I线光刻胶、G线光刻胶或H线光刻胶。

所述晶圆衬底具有的光刻胶层采用正胶或负胶。

所述对曝光后的具有光刻胶层的晶圆衬底等待设定的时间过程为：

在室温中，对曝光后的具有光刻胶层的晶圆衬底等待设定的时间。

由上述技术方案可见，本发明在对晶圆衬底的光刻胶层曝光后，等待设定的时间，使得光刻胶层发生化学反应得到的氮气都充分挥发掉或充分地和树脂反应后，再进行后续的曝光后烘焙、显影及坚膜烘焙步骤。这样，就不会像现有技术那样由于在曝光后未将化学反应得到的氮气发挥掉或感光剂释放出氮气不能充分地和树脂反应，而在最后得到的光刻胶层图形出现损伤。因此，本发明提供的方法避免了所形成的光刻胶层图形损伤，保证光刻胶层图形和在掩膜上构造的图形一致。

附图说明

图1为现有技术提供的光刻方法流程图；

图2a～图2c为现有技术制作光刻胶层图形的结构示意图；

图3为现有技术在晶圆衬底上制作光刻胶层图形后的主视图；

图4为本发明提供的采用光刻在晶圆衬底上制作光刻胶层图形的方法流程图；

图5a～图5d为本发明提供的制作光刻胶层图形的结构示意图；

图6为本发明在晶圆衬底上制作光刻胶层图形后的主视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。

采用图1在晶圆衬底上制作光刻胶层图形，会造成光刻胶层图形的损伤，和掩膜所构造的图形不一致的原因实质上就是由于在曝光后，晶圆衬底的光刻胶层化学反应得到的氮气没有被充分挥发掉(针对正光刻胶)或没有和光刻胶层中的树脂(针对负光刻胶)进行充分反应，而在后续显影后得到的光刻胶层图形，特别是光刻胶层图形的中下部出现气泡(针对正光刻胶)或造成光刻胶层图形的面积减小(针对负光刻胶)。因此，本发明在晶圆衬底上制作光刻胶层图形的过程中，在曝光后，等待设定的时长后，再进行后续步骤，使晶圆衬底的光刻胶层化学反应得到的氮气被充分挥发掉(针对正光刻胶)或充分和光刻胶层中的树脂进行充分反应(针对负光刻胶)，从而在最终制成的光刻胶层图形上不会出现气泡或不造成光刻胶层图形的面积减小，和掩膜所构造的图形一致。

图4为本发明提供的采用光刻在晶圆衬底上制作光刻胶层图形的方法流程图，其具体步骤为：

步骤401、对晶圆衬底进行气相成底膜处理；

该步骤一般采用六甲基二硅胺烷(HMDS)进行成膜处理，HMDS起到粘附促进剂的作用；

步骤402、对经过了气相成底膜处理的晶圆衬底进行旋转涂胶；

在该步骤中，采用I线光刻胶作为光刻胶层材料，当然也可以采用G线光刻胶或H线光刻胶作为光刻胶层材料；

光刻胶中的感光剂为PAC，最常见的为DNQ，这种光刻胶被称为DNQ线性酚醛树脂，溶于溶剂中；

在该步骤中，晶圆衬底上的光刻胶层的厚度可以涂敷到大于或等于40000埃；

步骤403、对涂敷了光刻胶层的晶圆衬底进行软烘；

步骤404、对软烘后的具有光刻胶层的晶圆衬底进行对准和曝光；

在该步骤中，紫外光通过掩膜将要构造的图形转移到晶圆衬底的光刻胶层上；

在进行该步骤前，DNQ为作为一种强力的溶解抑制剂，不溶于显影液；当经过曝光后，DNQ发生化学反应产生羧酸和氮气；

步骤405、对曝光后的具有光刻胶层的晶圆衬底等待设定的时间；

在该步骤中，等待的设定时间可以大于等于30秒，且在室温中等待，如室温的温度为23摄氏度；

这个步骤就是对DNQ发生化学反应产生的氮气进行挥发；

步骤406、对等待设定时间的具有光刻胶层的晶圆衬底进行曝光后烘焙；

该步骤的目的就是为了促进光刻胶层的化学反应，减少曝光过程中的驻波缺陷；

步骤407、对经过了曝光后烘焙的具有光刻胶层的晶圆衬底进行显影；

在该步骤中，光刻胶层的可溶区域，即DNQ化学反应产生的羧酸被化学显影剂溶解；光刻胶层的不可溶区域，即未发生化学反应的DNQ则不能被化学显影剂溶解；这样，就将曝光的图形留在了晶圆衬底的光刻胶层上；

步骤408、显影后，对在光刻胶层上形成了图形的晶圆衬底进行坚膜烘焙；

该步骤实际上就是热烘，在热烘过程中，挥发掉存留的光刻胶层中的溶剂，提高形成了图形的光刻胶层对晶圆衬底的粘附性。

最后，还可以对晶圆进行显影后检查，以确定在晶圆衬底上的光刻胶层图形的质量。

采用图4的这种方式在晶圆衬底的光刻胶层制作光刻胶层图形，和在掩膜上构造的图形一致。如图5a～图5d所示，图5a～图5c为本发明提供的制作光刻胶层图形的结构示意图。在图5a中，晶圆衬底的光刻胶层已经进行完步骤401～步骤403，执行步骤404，即对准和曝光步骤，假设光刻胶层为50000埃，这时，在经过曝光的区域，DNQ发生化学反应，生成羧酸和氮气(图中DNQ表示为实心圆，羧酸表示为空心圆)；非曝光区域，还是DNQ，在光刻胶层中上部，经过曝光后得到的氮气易被挥发掉，而在光刻胶层中下部，经过曝光后得到的氮气由于生成的上层羧酸的阻挡，不易挥发。在图5b中，等待设定的时间，这里设置为30秒，温度为室温23摄氏度，等待氮气被充分地挥发掉。在图5c中，进行曝光后烘焙，促进光刻胶层中DNQ的化学反应。在步骤5d中，进行显影，将DNQ产生的羧酸被化学显影剂溶解，在晶圆衬底上形成光刻胶层图形，这时，经过显影后，由于所产生的氮气被充分挥发掉，不会造成光刻胶层图形的损伤，得到和掩膜构造的图形一致。

如图6所示，图6为本发明在晶圆衬底上制作光刻胶层图形后的主视图，其中，左边的为采用OM观察的光刻胶层图形，右边的为SEM观察的光刻胶层图形。可以看出，在晶圆衬底和光刻胶层交界的地方，很平滑，也就是光刻胶层图形没有被损伤。

同理，本发明提出的这种方法还可以应用在采用负光刻胶层制作光刻胶层图形的方法中，即在曝光后，等待设定的时间，时间长度等于或大于30秒，在室温中进行，如23摄氏度，然后再进行现有技术的后续步骤。在等待的时间段内，负光刻胶层中的树脂就可以和感光剂在曝光后产生的氮气进行充分反应，形成不溶于化学显影剂的要制作的光刻胶层图形，这样，面积就不会小于要制作的光刻胶层图形，得到和掩膜构造的图形一致的光刻胶层图形。

本发明提供的方法适用于厚度为大于等于40000埃的光阻胶层，最佳地，在40000埃～50000埃之间。本发明提供的方法等待设定的时间设定为等于或大于30秒，这是因为，在小于30秒时，经过试验，效果并不理想，还是有光刻胶层图形的损伤，但是设定的时间太大，又会影响半导体器件制程时间，所以最佳为30-45秒。

以上举较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种避免光刻胶层图形损伤的方法，包括：

对晶圆衬底进行气相成底膜处理、旋转涂胶、软烘及曝光；

对曝光后的具有光刻胶层的晶圆衬底等待设定的时间；

对等待设定时间的具有光刻胶层的晶圆衬底进行曝光后烘焙、显影及坚膜烘焙，得到光刻胶层图形。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设定的时间为大于等于30秒。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设定的时间为30～45秒。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述晶圆衬底具有的光刻胶层厚度为大于等于40000埃。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述晶圆衬底具有的光刻胶层的材料为I线光刻胶、G线光刻胶或H线光刻胶。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述晶圆衬底具有的光刻胶层采用正胶或负胶。

7.如权利要求1～3任一所述的方法，其特征在于，所述对曝光后的具有光刻胶层的晶圆衬底等待设定的时间过程为：

在室温中，对曝光后的具有光刻胶层的晶圆衬底等待设定的时间。

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