CN102262357A - 光刻胶和光刻胶图形的优化方法 - Google Patents

Abstract

一种光刻胶和光刻胶图形的优化方法，所述光刻胶包括有用于与金属离子配位键合而生成螯合物的螯合剂。所述优化方法包括：提供半导体衬底；在所述半导体衬底表面涂布有光刻胶层，所述光刻胶层中包含有离散的金属离子；通过曝光显影将掩模版上的图案转移至所述光刻胶层上，形成光刻胶图形；所述光刻胶包括有用于与金属离子配位键合而生成螯合物的螯合剂。相较于现有技术，本发明的光刻胶层中包括螯合剂，使得所述螯合剂与所述金属离子配位键合而生成螯合物，能够有效避免所述金属离子与光刻胶中的聚合物生成不易清除的凝胶并防止在显影时清除不干净而产生缺陷，从而提高半导体器件的成品率。

Description

光刻胶和光刻胶图形的优化方法

技术领域

本发明涉及半导体器件的制造领域，尤其涉及能避免金属离子杂质影响光刻胶图形质量的光刻胶和光刻胶图形的优化方法。

背景技术

半导体光刻技术包括在半导体晶圆的顶层表面上涂布光刻胶，以正光刻胶为例，将所述光刻胶曝光形成图案，然后将曝光后的光刻胶高温烘烤，以使曝光部分的高分子为主的物质产生裂解；接着将裂解的高分子光刻胶移到显影槽，因曝光的高分子可溶于显影液，所以可借此去除曝光的高分子物质；如此，可在晶圆的顶层表面得到图案化的光刻胶层。

目前的光刻技术的主流为使用248nm(使用KrF光刻胶的曝光机)与193nm(使用ArF光刻胶的曝光机)光源的曝光技术。

以KrF光刻胶来讲，包括聚合物(Polymer)、光酸产生剂(photo-acidgenerator，PAG)、酸捕捉剂(acid quencher)、添加剂(additive)等。光酸产生剂用来催化聚合物发生去保护基(deprotection)的化学反应，以增加聚合物在显影液中的溶解度；酸捕捉剂可以调整光刻胶中光酸的扩散特性；添加剂则可以提升光刻胶表层对环境中碱性物质的耐受力。

对于ArF光刻胶来说，主要是将KrF光刻胶中的聚合物的芳环(aromaticring)结构改成脂环烃(alicyclic)的结构，一方面可使193nm光波穿透至光刻胶底层，另一方面可增加光刻胶的抗刻蚀力。而其他成分如光酸产生剂、中性添加剂与碱性添加剂等，亦需要配合ArF光刻胶的聚合物的结构来加以调整。

由于在光刻工艺中，光刻胶中不可避免地会受到污染，引入一些杂质，例如水分、氧气、臭氧有机物、甚至是微小颗粒物和金属离子等，这些杂质会影响后续的曝光工艺和显影工艺。以杂质中的金属离子为例，在制作工艺中，由于在反应腔室或输送光刻胶的管道中可能会存在有其他工艺中的残留金属离子，所述金属离子不可避免地会掺入光刻胶中，所述掺入的金属离子会与光刻胶(以KrF光刻胶或ArF光刻胶为例)中的聚合物结合而生成聚集的凝胶(gel)，所述凝胶在后续曝光显影工艺中不易去除，进而出现例如刻蚀不完全而无法形成符合产品规范的接触孔(如图1中所示的11和12)或造成相邻布线层桥接(如图2中所示的21)等缺陷。

例如在申请号01122126.7的中国专利申请文献中提供了一种用于涂敷和显影的方法和系统，所述发明主要在于在形成涂层的步骤之后和在曝光处理之前将半导体基片送入密封的腔室，减小所述腔室内的压力到预定的压力并持续预定时间，从而去除附着在半导体基片的涂层上的分子级杂质比如水分、水蒸气、氧气、臭氧有机物、细小颗粒等，所以曝光处理可以在更好的条件下进行而不被这些杂质所影响，提高半导体产品的成品率。

但在上述专利申请文件中，并没有涉及如何去除金属离子或消除金属离子与光刻胶中的聚合物产生凝胶的技术内容。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种光刻胶和光刻胶图形的优化方法，避免在显影过程中因光刻胶中的金属离子与光刻胶中的聚合物生成不易清除的凝胶而清除不干净、造成半导体器件产生缺陷的问题。

为解决上述问题，本发明一方面提供一种光刻胶，其包括有用于与金属离子配位键合而生成螯合物的螯合剂。

可选地，所述螯合剂为乙二胺四乙酸溶剂，所述乙二胺四乙酸溶剂与所述金属离子生成乙二胺四乙酸螯合物。

可选地，所述乙二胺四乙酸螯合物呈环状结构。

可选地，所述金属离子为铝、钙、铜、铁、锰、镁、钾、钠或锌。

可选地，所述光刻胶还包括聚合物、光酸产生剂、酸捕捉剂或添加剂中的一种或多种。

可选地，所述光刻胶为KrF光刻胶或ArF光刻胶。

本发明另一方面提供一种光刻胶图形的优化方法，包括：提供半导体衬底；在所述半导体衬底表面涂布光刻胶，形成光刻胶层；所述光刻胶中包含有金属离子的杂质；通过曝光显影将掩模版上的图案转移至所述光刻胶层上，形成光刻胶图形；所述光刻胶包括有用于与金属离子配位键合而生成螯合物的螯合剂。

可选地，所述螯合剂为乙二胺四乙酸溶剂，所述乙二胺四乙酸溶剂与所述金属离子生成乙二胺四乙酸螯合物。

可选地，所述乙二胺四乙酸螯合物呈环状结构。

可选地，所述金属离子为铝、钙、铜、铁、锰、镁、钾、钠或锌。

可选地，所述光刻胶还包括聚合物、光酸产生剂、酸捕捉剂或添加剂中的一种或多种。

可选地，所述光刻胶为KrF光刻胶或ArF光刻胶。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：所述光刻胶至少包括有螯合剂，所述螯合剂能与金属离子配位键合而生成具有高稳定性的螯合物，相较于现有技术，所述螯合物能够将金属离子予以隔绝，有效避免所述金属离子与光刻胶中的聚合物生成不易清除的凝胶以防止在显影时清除不干净而产生缺陷，从而提高半导体器件的成品率。

附图说明

图1和图2为现有光刻工艺中光刻胶中的金属离子与聚合物生成凝胶产生的器件缺陷的示意图；

图3为本发明光刻胶图形的优化方法的具体实施方式流程图；

图4至图9为利用本发明光刻胶图像的优化方法来制作接触孔的实施例示意图。

具体实施方式

现有光刻工艺中，光刻胶中不可避免地会掺入一些杂质(例如金属离子)，随着半导体制造工艺的细微化，在光刻过程中，所述金属离子会与光刻胶中的聚合物易生成难以去除的凝胶，影响光刻工艺的效果，降低半导体产品的成品率。

本发明通过实验对光刻胶进行了改进，提供了一种新型的光刻胶，所述光刻胶中包括有用于与金属离子配位键合而生成螯合物的螯合剂。优选地，所述螯合剂为乙二胺四乙酸溶剂，所述乙二胺四乙酸溶剂与所述金属离子生成呈环状结构的乙二胺四乙酸螯合物。

本发明另一方面将所述包含有螯合剂的光刻胶应用于光刻胶图形的形成工艺中，利用光刻胶中螯合剂能与光刻胶中掺入的金属离子配位键合而生成具有高稳定性的螯合物的特性，将金属离子予以隔绝，避免所述金属离子与光刻胶中的聚合物生成凝胶，防止在显影时因清除不干净而产生缺陷，从而提高半导体器件的成品率。

下面结合附图对本发明所提供光刻胶应用于光刻胶图形的形成工艺的具体实施方式做详细的说明。

图3即示出了利用本发明提供的光刻胶应用于光刻胶图形的形成工艺的流程示意图。如图3所示，所述光刻胶图形的优化方法包括如下步骤：

步骤S101，提供半导体衬底；

步骤S103，在所述半导体衬底表面涂布光刻胶，以形成光刻胶层；所述光刻胶中包括有用于与金属离子配位键合而生成螯合物的螯合剂，所述螯合剂与所述光刻胶中掺入的金属离子配位键合而生成螯合物；

步骤S105，通过曝光显影将掩模版上的图案转移至所述光刻胶层上，形成光刻胶图形。

以下以上述光刻胶图形的优化方法应用于制作接触孔为例来进行具体说明。

如图4所示，提供半导体衬底200，所述半导体衬底200已包含有晶体管、存储器或金属连线等结构。在半导体衬底200上形成布线层202，其中布线层202的材料可以为铝或铝铜合金或多晶硅，如果布线层202的材料为铝、铜或铝铜合金的话，则形成方法为溅镀法或电镀法等；如果布线层202的材料为多晶硅，则形成方法为化学气相沉积法或等离子体增强化学气相沉积法等。

继续参考图4，用化学气相沉积法或物理气相沉积法在布线层202上形成介电层204，介电层204的材料为氧化硅或氮氧化硅等，其作用为使接触孔之间互相绝缘；用化学气相沉积法或物理气相沉积法在介电层204上形成阻挡层206，阻挡层206的材料为含碳化合物等，其作用为在刻蚀过程中作为接触孔图形的硬掩模；利用旋涂法在阻挡层206上形成抗反射层(BARC)208，抗反射层208的材料为有机高分子溶剂或含硅的有机高分子溶剂，其作用为于后续曝光工艺中保护下面的膜层免受光的影响，减少曝光过程中光在后续形成的光刻胶层的上下表面的反射，以使曝光的大部分能量都被所述光刻胶层吸收。

如图5所示，利用旋涂法在抗反射层208上旋涂光刻胶以形成光刻胶层210。特别地，在本实施例中，所述光刻胶为KrF光刻胶或ArF光刻胶，主要包括聚合物(Polymer)、光酸产生剂(photo-acid generator；PAG)、酸捕捉剂(acid quencher)、添加剂(additive)等。特别地，在本发明的技术方案中，所述光刻胶中包括有用于与金属离子配位键合而生成螯合物的螯合剂，优选地，所述螯合剂为乙二胺四乙酸溶剂(Ethylene Diamine Tetra-acetic Acid；EDTA)，其化学结构式表示为：

每一个乙二胺四乙酸分子能提供2个氮原子和4个羧基氧原子(每一个羧基上有二个氧原子)，乙二胺四乙酸溶剂与金属离子配位键合后能生成具有高稳定性的乙二胺四乙酸螯合物。

因此，在本实施例中，可以通过添加的EDTA溶剂，一个EDTA分子以两个或两个以上的配位原子同时与一个中心离子(即光刻胶中的金属离子，例如为铝Al、钙Ca、铜Cu、铁Fe、锰Mn、镁Mg、钾K、钠Na、锌Zn等离子)配位键合，形成一个或多个包含中心离子的环状结构的EDTA螯合物，所述EDTA螯合物具有高稳定性，能将作为中心离子的金属离子包裹起来，隔绝所述金属离子与光刻胶中的聚合物(Polymer)的接触，从而能够有效避免所述金属离子与光刻胶中的聚合物接触后生成凝胶。

如图6所示，通过曝光显影将掩模版212上的接触孔图形转移至光刻胶层210上，形成接触孔开口图形214。光刻胶是一种感光材料，受光照后会发生化学反应，从而将光掩模版上的光学图案转移至晶片表面。在接触孔开口图形214形成过程中，由于对解析度要求较高，因此，一般采用正光刻胶。该类光刻胶通常是通过感光剂而交联的酚醛树脂(Novolac)。曝光时，光子引发光刻胶中光敏产酸物(PAG)发生光化学反应产生质子H⁺(光酸)，此质子会与光刻胶反应导致其交联键断裂而解交联，使得曝光部分的光刻胶可被显影剂所溶解，从而得到光刻胶图形。由于所述光刻胶中包括EDTA溶剂，所述EDTA溶剂与光刻胶中的金属离子配位键合而生成EDTA螯合物，避免所述金属离子与光刻胶中的聚合物接触后生成凝胶，这样，在经过曝光处理后，需要曝光部分的光刻胶可被显影剂全部溶解而清除干净，得到符合要求的光刻胶图形。

如图7所示，以光刻胶层210为掩模，沿接触孔开口图形214刻蚀抗反射层208，在抗反射层208上形成与后续接触孔对应的开口216。在本实施例中，所述刻蚀形成开口216的方法可以采用干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺，优选地，为干法刻蚀工艺。

如图8所示，去除光刻胶层210，随后以抗反射层208为掩模，刻蚀阻挡层206至显露出介质层204，以形成目标接触孔开口218。在本实施例中，所述去除光刻胶210的方法可以采用灰化法。刻蚀阻挡层206以形成目标接触孔开口218的方法可以采用干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺，优选地，为干法刻蚀工艺。

如图9所示，去除抗反射层208，以阻挡层206为掩模，沿目标接触孔开口218刻蚀介质层204至显露出布线层202，形成目标接触孔220。在本实施例中，去除抗反射层208的方法可以采用的等离子干法刻蚀工艺。刻蚀介质层204以形成目标接触孔220的方法可以采用干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺，优选地，为干法刻蚀工艺。

在本实施例中，由于在所述光刻胶中添加有能与金属离子配位键合而生成高稳定性的螯合物的螯合剂，能够避免所述金属离子与光刻胶中的聚合物生成不易清除的凝胶，这样，在后续显影时就可将待形成接触孔处对应的光刻胶清除干净，制作出合格的接触孔，从而提高半导体器件的成品率。

另外，需说明的是，在本实施例中，虽是以接触孔的制作为例进行说明的，但并不以此为限，只要能应用于将金属离子和与金属离子易结合的聚合物相隔绝以避免生成难以清除的凝胶的情形下，所述技术方案仍可应用于其他器件的制作工作中，例如线路层的制作工艺中。

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)

1.一种光刻胶，其特征在于，所述光刻胶包括有用于与金属离子配位键合而生成螯合物的螯合剂。

2.根据权利要求1所述光刻胶，其特征在于，所述螯合剂为乙二胺四乙酸溶剂，所述乙二胺四乙酸溶剂与所述金属离子生成乙二胺四乙酸螯合物。

3.根据权利要求2所述光刻胶，其特征在于，所述乙二胺四乙酸螯合物呈环状结构。

4.根据权利要求1所述光刻胶，其特征在于，所述金属离子为铝、钙、铜、铁、锰、镁、钾、钠或锌。

5.根据权利要求1所述光刻胶，其特征在于，所述光刻胶还包括聚合物、光酸产生剂、酸捕捉剂或添加剂中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述光刻胶，其特征在于，所述光刻胶为KrF光刻胶或ArF光刻胶。

7.一种光刻胶图形的优化方法，包括：

提供半导体衬底；

在所述半导体衬底表面涂布光刻胶，形成光刻胶层；

通过曝光显影将掩模版上的图案转移至所述光刻胶层上，形成光刻胶图形；

其特征在于，所述光刻胶包括有用于与金属离子配位键合而生成螯合物的螯合剂。

8.根据权利要求7所述光刻胶图形的优化方法，其特征在于，所述螯合剂为乙二胺四乙酸溶剂，所述乙二胺四乙酸溶剂与所述金属离子生成乙二胺四乙酸螯合物。

9.根据权利要求8所述光刻胶图形的优化方法，其特征在于，所述乙二胺四乙酸螯合物呈环状结构。

10.根据权利要求7所述光刻胶图形的优化方法，其特征在于，所述金属离子为铝、钙、铜、铁、锰、镁、钾、钠或锌。

11.根据权利要求7所述光刻胶，其特征在于，所述光刻胶还包括聚合物、光酸产生剂、酸捕捉剂或添加剂中的一种或多种。

12.根据权利要求7所述光刻胶图形的优化方法，其特征在于，所述光刻胶为KrF光刻胶或ArF光刻胶。

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