CN102486618A - 无抗水表面涂层的浸没式光刻胶的显影方法 - Google Patents
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Abstract
一种半导体技术领域的无抗水表面涂层的浸没式光刻胶的显影方法，包括：使用表面活性剂溶液对所述半导体晶圆进行预显影，所述半导体晶圆的表面涂覆光刻胶层且已完成曝光和曝光后烘烤处理，所述预显影使所述光刻胶层的表面由疏水性变为亲水性；使用显影液对所述半导体晶圆进行显影，使曝光图案显现在所述光刻胶层上；对所述半导体晶圆进行清洗，去除溶解有光刻胶的显影液和多余的显影液。本发明在向半导体晶圆表面喷洒显影液前，先向光刻胶层表面喷洒表面活性剂溶液，对光刻胶层进行预显影，使光刻胶层表面从疏水性变为亲水性，以使后续喷洒的显影液充分与光刻胶表面接触，并减少溶解了的聚合物黏附在光刻胶表面，最终减少显影后光刻胶残留缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种半导体技术领域的方法，具体是一种无抗水表面涂层(topcoa-less)的浸没式光刻胶(immersion resisit)的显影方法。
背景技术
晶圆经过曝光后，器件或电路的图形被以曝光和未曝光区域的形式记录在光刻胶上。通过对曝光区光刻胶的溶解来使图形显影，完成掩模版图形到光刻胶上的转移。
浸没式曝光(immersion exposure)法在曝光时，在透镜和曝光晶圆之间设置规定厚度的纯水或氟类惰性液体等液状折射率介质(折射率液体、浸渍液)。采用上述方法，将目前作为空气或氮气等惰性气体的曝光光路空间用折射率大的液体，例如纯水等进行置换，由此即使使用曝光波长相同的光源，也能够与使用短波长光源时或使用高数值孔径透镜时同样的实现高清晰度，同时，焦点深度宽度也不降低。
一般来说，在浸没式曝光中光刻胶膜上存在有水，因此溶解于水中的光刻胶成分会污染曝光设备的物镜，而且水还会渗透到光刻胶膜中阻碍光刻胶中的化学反应，导致产生图案缺陷。尽管能够通过在光刻胶膜和水之间涂覆形成一个抗水表面涂层(topcoat)，来防止光刻胶成分的析出和浸没式工艺特有的缺陷，但这样做由于工序增加会增大生产成本。
进一步地，现有技术通过使用只在光刻胶膜表面形成用于防止光刻胶成分析出和水渗透的特有添加剂，取消了额外的表面涂层。所述添加剂在光刻胶液中均匀分布，形成光刻胶膜时只分布于光刻胶表面，自形成了一层抗水表面涂层。通过采用这样“表面疏水化技术”，解决了浸没式曝光工艺特有的问题。
但是随着技术的发展，现有无抗水表面涂层(topcoat-less)浸没式光刻胶的表面疏水性太强了，从而影响了后续显影过程中光刻胶与显影液的充分接触，也可能导致溶解出的聚合物黏附在光刻胶图形表面上，致使显影后会在半导体晶圆的表面形成光刻胶残留缺陷，该缺陷会进一步引起刻蚀或离子注入缺陷，造成形成的半导体器件的稳定性下降，影响电学性能。相关内容可参阅专利申请号为200710046211.9的中国专利申请。
为了解决上述问题，现有的显影方法分为两种：一种是用显影液预显影的显影方法，另一种是用低醇预显影的显影方法。以下两种方法中的半导体晶圆都已涂覆光刻胶层且经过曝光和曝光后烘烤处理。
如图1所示，所述用显影液预显影的显影方法包括：
S110，采用去离子水(DI-water，deionized water)对半导体晶圆进行预湿润(Pre-Wet)，所述预湿润包括：在半导体晶圆上喷洒少量的去离子水，以对晶圆表面进行润湿，减少其表面张力，增加后续溶液涂覆的相容性；
S120，采用显影液对半导体晶圆进行预显影(Pre-Develop)，所述预显影包括：在半导体晶圆的表面喷洒少量显影液；旋转半导体晶圆，将显影液溶液在半导体晶圆的表面甩开；
S130，采用现有的显影方法对所述半导体晶圆进行显影(Main Develop)；
S140，对所述半导体晶圆进行清洗(Rinse)，所述清洗包括：在半导体晶圆表面喷洒去离子水，并旋转所述半导体晶圆，使溶解有光刻胶的显影液和多余的显影液被甩出半导体晶圆边缘之外。
上述方法在显影前采用显影液进行预显影，从而提高了显影液在显影过程的最初阶段的扩散程度，且通过显影液中提供的带有羧酸基团的去保护聚合物而使得光刻胶膜的表面变成亲水性。但是这种方法存在以下缺点：不能充分使光刻胶膜的表面从疏水性变成亲水性；由于对于不同图案密度的半导体晶圆需要不同的预显影过程，因此实际操作的难度比较大。总之，本方法不能很好去除光刻胶残留缺陷。
如图2所示，所述用低醇预显影的显影方法包括：
S210，采用去离子水对半导体晶圆进行预湿润(Pre-Wet)，所述预湿润同步骤S110中的所述预湿润；
S220，采用低醇类有机溶剂对半导体晶圆进行预显影(Pre-Develop)，所述低醇包括：乙醇或丙醇等，所述预显影包括：在半导体晶圆的表面喷洒少量低醇类有机溶剂；旋转半导体晶圆，将低醇类有机溶剂在半导体晶圆的表面均匀涂覆；
S230，采用现有显影方法对所述半导体晶圆进行显影(Main Develop)；
S240，对所述半导体晶圆进行清洗(Rinse)，所述清洗同步骤S140中的所述清洗。
上述方法在显影前采用低醇类有机溶剂进行预显影，根据相似相溶的原理，醇能溶剂有机物，即低醇类有机溶剂能溶解光刻胶表面的疏水性添加剂。但是这种方法存在以下缺点：需要额外配置的容器和管路来输导该类低醇类有机溶剂；另外，低醇类有机溶剂通样对光刻胶具有一定的溶解性，控制只溶解光刻胶表面的疏水性材料具有一定的难度，实际操作的难度也比较大。总之，用低醇预显影的显影方法也不能很好去除光刻胶残留缺陷并保证光刻胶图形的质量。
发明内容
本发明解决的问题是：提供一种无抗水表面涂层(topcoat-less)的浸没式光刻胶(immersion resisit)的显影方法，以使得光刻胶表面从疏水性变为亲水性，进而减小光刻胶残留缺陷。
为解决上述问题，本发明提供了一种无抗水表面涂层的浸没式光刻胶的显影方法，包括：
使用表面活性剂溶液对所述半导体晶圆进行预显影(Pre-Develop)，所述半导体晶圆的表面涂覆光刻胶层且已完成曝光和曝光后烘烤处理，所述预显影使所述光刻胶层的表面由疏水性变为亲水性；
使用显影液对所述半导体晶圆进行显影(Main Develop)，使曝光图案显现在所述光刻胶层上；
对所述半导体晶圆进行清洗(Rinse)，去除溶解有光刻胶的显影液和多余的显影液。
可选地，还包括：在进行所述预显影前，采用去离子水对所述半导体晶圆进行预湿润(Pre-Wet)。
可选地，所述预显影包括：
向所述半导体晶圆喷洒表面活性剂溶液，并使所述表面活性剂溶液在所述半导体晶圆上驻留第一时间；
旋转所述半导体晶圆，使所述表面活性剂均匀的涂覆在晶圆表面。
可选地，所述半导体晶圆的旋转速率小于或等于2000转/分。
可选地，所述表面活性剂为除金属离子表面活性剂外的表面活性剂。
可选地，所述表面活性剂包括：高级脂肪酸的铵盐、两性离子表面活性剂、脂肪酸甘油酯、多元醇或聚氧乙烯型表面活性剂中的一种。
可选地，所述表面活性剂溶液的流速范围为：100～1500毫升/秒。
可选地，所述表面活性剂溶液的浓度小于临界胶束浓度(Critical MicelleConcentration，CMC)。
可选地，所述表面活性剂溶液的在所述半导体晶圆上驻留第一时间的范围包括0.5～20秒。
可选地，所述进行显影包括：
向所述光刻胶层喷洒显影液，使显影液布满整个光刻胶层表面；
间歇性的旋转所述半导体晶圆，使显影液与光刻胶层中的可溶解区域反应，使所述可溶解区域的光刻胶溶解。
可选地，所述进行显影包括：
向所述光刻胶层喷洒显影液，使显影液布满整个光刻胶层表面；
保持所述半导体晶圆静止第二时间，显影液与光刻胶层中的可溶解区域反应，使所述可溶解区域的光刻胶溶解。
可选地，所述第二时间的取值范围包括：10～150秒。
可选地，所述进行清洗包括：旋转所述半导体晶圆，向所述光刻胶层喷洒去离子水，使溶解有光刻胶的显影液和多余的显影液被甩出半导体晶圆边缘之外。
可选地，在开始向所述光刻胶层喷洒去离子水时以及之后的第三时间内，使所述半导体晶圆的旋转速率小于或等于2000转/分。
可选地，所述第三时间的取值范围大于或者等于60秒。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明在向半导体晶圆表面喷洒显影液之前，先向光刻胶层表面喷洒表面活性剂溶液，对光刻胶层进行预显影，使光刻胶层表面从疏水性变为亲水性，以使后续喷洒的显影液能够充分与光刻胶表面接触，并减少溶解了的聚合物黏附在光刻胶表面，最终减少了显影后光刻胶残留缺陷。
附图说明
图1是现有技术中采用显影液预显影的显影流程示意图；
图2是现有技术中采用低醇类有机溶剂预显影的显影流程示意图；
图3是实施例中采用表面活性剂溶液预显影的显影流程示意图；
图4是实施例中光刻胶与表面活性剂溶液结合的示意图。
具体实施方式
正如背景技术部分所述，现有技术中在显影前采用显影液或低醇有机溶剂进行预显影的方法，都不能很好的去除光刻胶残留缺陷。
因此，在进行光刻显影时，为更好去除光刻胶残留缺陷，本发明提供的无抗水表面涂层(topcoat-less)的浸没式光刻胶(immersion resisit)的显影方法包括：
使用表面活性剂溶液对所述半导体晶圆进行预显影(Pre-Develop)，所述半导体晶圆的表面涂覆光刻胶层且已完成曝光和曝光后烘烤处理，所述预显影使所述光刻胶层的表面由疏水性变为亲水性；
使用显影液对所述半导体晶圆进行显影(Main Develop)，使曝光图案显现在所述光刻胶层上；
对所述半导体晶圆进行清洗(Rinse)，去除溶解有光刻胶的显影液和多余的显影液。
本发明在向半导体晶圆表面喷洒显影液之前，先向光刻胶层表面喷洒表面活性剂溶液，对光刻胶层进行预显影，使光刻胶层表面从疏水性变为亲水性，以使后续喷洒的显影液能够充分与光刻胶表面接触，并减少溶解了的聚合物黏附在光刻胶表面，最终减少了显影后光刻胶残留缺陷。
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，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图3所示，本实施例提供的无表面涂层的光刻胶显影方法包括：
S310，采用去离子水对所述半导体晶圆进行预湿润(Pre-Wet)，所述半导体晶圆的表面涂覆光刻胶层且已完成曝光和曝光后烘烤处理；
S320，使用表面活性剂溶液对所述半导体晶圆进行预显影(Pre-Develop)，所述预显影使所述光刻胶层的表面由疏水性变为亲水性；
S330，使用显影液对所述半导体晶圆进行显影(Main Develop)，使曝光图案显现在所述光刻胶层上；
S340，对所述半导体晶圆进行清洗(Rinse)，去除溶解有光刻胶的显影液和多余的显影液。
首先执行步骤S310，采用去离子水对所述半导体晶圆进行预湿润(Pre-Wet)。
所述半导体晶圆的表面涂覆光刻胶层且已完成曝光和曝光后烘烤处理。本实施例中通过向所述半导体晶圆喷洒少量去离子以达到显影前预先湿润半导体晶圆的目的，去离子水可去除半导体晶圆表面的杂质，且预湿润后的半导体晶圆更利于后续半导体晶圆与表面活性剂溶液或显影液的充分接触。需要说明的是，经去离子水预湿润后的光刻胶层的表面仍为疏水性。
在本发明的其他实施例中，可以不执行步骤S310，即采用去离子水对半导体晶圆表面进行预湿润的步骤是一个可选的步骤。
接着执行步骤S320，使用表面活性剂溶液对所述半导体晶圆进行预显影(Pre-Develop)，所述预显影使所述光刻胶层的表面由疏水性变为亲水性。
本实施例中使用表面活性剂溶液对所述半导体晶圆进行预显影包括：
S321，向所述半导体晶圆喷洒表面活性剂溶液，并使所述表面活性剂溶液在所述半导体晶圆上驻留第一时间；
S322，旋转所述半导体晶圆，使所述表面活性剂均匀的涂覆在晶圆表面。
表面活性剂是具有固定的亲水亲油基团，在溶液的表面能定向排列，并能使表面张力显著下降的物质。表面活性剂的分子结构具有两亲性：一端为亲水基团，另一端为疏水基团。如上所述，经去离子水预湿润后的光刻胶层的表面仍为疏水性，而不经离子水预湿润的光刻胶层的表面也是疏水性，因此当将表面活性剂溶液喷洒到半导体晶圆上，必然是表面活性剂的疏水基团的一端吸在光刻胶表面上，而表面活性剂的亲水基团的一端背离光刻胶表面，从而使得光刻胶层的表面呈现亲水性，具体如图4所示。
表面活性剂为了使自己成为溶液中的稳定分子，有可能采取的两种途径：一是当它们以低浓度存在时，可被吸附在光刻胶层的表面上，形成定向排列的单分子层；二是当表面活性剂溶液浓度增大到一定值时，表面活性剂离子或分子不但在光刻胶层的表面聚集而形成单分子层，而且在表面活性剂溶液本体内部也三三两两的以疏水基相互聚拢，聚在一起形成胶束。形成胶束的最低浓度成为临界胶束浓度(Critical Micelle Concentration，CMC)。而本发明中需要表面活性剂以第一种途径形成稳定分子，即在光刻胶层的表面形成单分子层，因此本发明中选取的表面活性剂溶液的浓度应该低于其临界胶束浓度。
本实施例中使用的表面活性剂为脂肪酸甘油酯，在本发明的其他实施例中，所述表面活性剂还可以是高级脂肪酸的铵盐、两性离子表面活性剂、多元醇或聚氧乙烯型表面活性剂中的一种。但是所述表面活性剂绝不能是含金属离子的离子型表面活性剂。选用的表面活性剂溶液的浓度均应低于所述表面活性剂溶液的表面胶束浓度，因此，当选用不同的表面活性剂时，其浓度一般是不同的。
本实施例在向所述半导体晶圆喷洒表面活性剂溶液时，所述表面活性剂溶液的流速范围为：100～1500毫升/秒；所述表面活性剂溶液在所述半导体晶圆上驻留第一时间的范围为0.5～20秒。
本实施例为了甩干半导体晶圆上的表面活性剂溶液而旋转所述半导体晶圆时，所述半导体晶圆的旋转速度小于或者等于2000转/分。
本实施例通过喷洒表面活性剂溶液，改变了所述光刻胶层的亲水疏水状态，从而使后续喷洒的显影液能够充分与光刻胶表面接触。需要说明的是，本实施例在向所述半导体晶圆喷洒表面活性剂溶液时，所述半导体晶圆可以处于静止状态，也可以处于旋转状态。
然后执行步骤S330，使用显影液对所述半导体晶圆进行显影(MainDevelop)，使曝光图案显现在所述光刻胶层上。
本实施例中使用显影液对所述半导体晶圆进行显影包括：
首先，向所述光刻胶层喷洒显影液，使显影液布满整个光刻胶层表面，以使所述显影液能够完全浸没所述光刻胶层。
然后，保持所述半导体晶圆静止第二时间，显影液与光刻胶层中的可溶解区域反应，使所述可溶解区域的光刻胶溶解，从而在光刻胶层中形成图案。根据光刻胶的种类、显影液的浓度和种类调整第二时间，以使所述可溶解光刻胶能够充分溶解，但又不会造成过度显影，影响形成的图案的轮廓。所述第二时间可以包括10至150s。
在本发明的另一个实施例中，所述使用显影液对所述半导体晶圆进行显影包括：
首先，向所述光刻胶层喷洒显影液，使显影液布满整个光刻胶层表面，以使所述显影液能够完全浸没所述光刻胶层；
然后，间歇性的旋转所述半导体晶圆，使显影液与光刻胶层中的可溶解区域反应，使所述可溶解区域的光刻胶溶解。在所述光刻胶上喷洒显影液后，使所述半导体晶圆保持静止，显影液与所述光刻胶中的可溶解区域的光刻胶反应，使所述可溶解区域的光刻胶溶解于显影液中；一段时间后，缓慢转动所述半导体晶圆，使显影液在半导体晶圆上产生晃动，与可溶解区域未参加反应的光刻胶充分接触，从而起到搅拌的作用；再次使所述半导体晶圆保持静止一段时间；并再次缓慢转动所述半导体晶圆，如此反复，使得显影液在与光刻胶反应的同时不断的被搅动，可使得显影液充分与光刻胶反应，有利于形成轮廓较好的图案，减少缺陷的产生。其中，间歇性旋转所述半导体晶圆的速率小于或等于2000转/分，以避免所述半导体晶圆表面的显影液被甩出而造成显影不完全，另一方面避免所述半导体晶圆表面被甩干。
最后执行步骤S340，对所述半导体晶圆进行清洗(Rinse)，去除溶解有光刻胶的显影液和多余的显影液。
本实施例所述对所述半导体晶圆进行清洗包括：旋转所述半导体晶圆，并向所述光刻胶层喷洒去离子水，使溶解有光刻胶的显影液和多余的显影液被甩出半导体晶圆边缘之外。
本实施例在经过第二时间后，显影液与光刻胶层中的可溶解区域发生反应，使所述可溶解区域的光刻胶溶解于显影液中。接着，向所述光刻胶层喷洒去离子水进行冲洗，同时旋转所述半导体晶圆，通过离心力的作用，使显影液被甩出所述半导体晶圆之外。
由于去离子水喷洒到半导体晶圆的中央区域，需要一定的时间才能到达半导体晶圆的边缘，此时为避免半导体晶圆靠近边缘的区域被甩干，在开始喷洒去离子水时及之后的第三时间内，保持半导体晶圆旋转速率小于或等于2000转/分。本实施例中第三时间取60s，在本发明的其他实施例中，第三时间还可以取大于60s的值。
由于控制半导体晶圆的旋转速率小于或等于2000转/分，旋转速率较小，半导体晶圆的光刻胶表面始终处于湿润状态，可使得去离子水更容易去除半导体晶圆的光刻胶表面的显影液以及光刻胶残留物，减小或消除光刻胶残留的缺陷，特别是减小或消除处于半导体晶圆中央区域的光刻胶残留。
完成去离子水冲洗后，停止喷洒去离子水，继续旋转所述半导体晶圆，甩干所述半导体晶圆表面的水分；然后，停止旋转所述半导体晶圆，完成显影工艺。
本发明在向半导体晶圆表面喷洒显影液之前，先向光刻胶层表面喷洒表面活性剂溶液，对光刻胶层进行预显影，使光刻胶层表面从疏水性变为亲水性，以使后续喷洒的显影液能够充分与光刻胶表面接触，并减少溶解了的聚合物黏附在光刻胶表面，最终减少了显影后光刻胶残留缺陷。
进一步地，在开始向所述光刻胶层喷洒去离子水时以及之后的第三时间内，使所述半导体晶圆的旋转速率小于或等于2000转/分，因此能特别减小或消除半导体晶圆中央区域的光刻胶残留的缺陷。
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 (15)
1.一种无抗水表面涂层的浸没式光刻胶的显影方法，其特征在于，包括：
使用表面活性剂溶液对所述半导体晶圆进行预显影，所述半导体晶圆的表面涂覆光刻胶层且已完成曝光和曝光后烘烤处理，所述预显影使所述光刻胶层的表面由疏水性变为亲水性；
使用显影液对所述半导体晶圆进行显影，使曝光图案显现在所述光刻胶层上；
对所述半导体晶圆进行清洗，去除溶解有光刻胶的显影液和多余的显影液。
2.根据权利要求1所述的无抗水表面涂层的浸没式光刻胶的显影方法，其特征在于，还包括：在进行所述预显影前，采用去离子水对所述半导体晶圆进行预湿润。
3.根据权利要求1或2所述的无抗水表面涂层的浸没式光刻胶的显影方法，其特征在于，所述预显影包括：
向所述半导体晶圆喷洒表面活性剂溶液，并使所述表面活性剂溶液在所述半导体晶圆上驻留第一时间；
旋转所述半导体晶圆，使所述表面活性剂均匀的涂覆在晶圆表面。
4.根据权利要求3所述的无抗水表面涂层的浸没式光刻胶的显影方法，其特征在于，所述半导体晶圆的旋转速率小于或等于2000转/分。
5.根据权利要求1所述的无抗水表面涂层的浸没式光刻胶的显影方法，其特征在于，所述表面活性剂为除金属离子表面活性剂外的表面活性剂。
6.根据权利要求5所述的无抗水表面涂层的浸没式光刻胶的显影方法，其特征在于，所述表面活性剂包括：高级脂肪酸的铵盐、两性离子表面活性剂、脂肪酸甘油酯、多元醇或聚氧乙烯型表面活性剂中的一种。
7.根据权利要求1、5或6所述的无抗水表面涂层的浸没式光刻胶的显影方法，其特征在于，所述表面活性剂溶液的流速范围为：100～1500毫升/秒。
8.根据权利要求1、5或6所述的无抗水表面涂层的浸没式光刻胶的显影方法，其特征在于，所述表面活性剂溶液的浓度小于临界胶束浓度。
9.根据权利要求1、5或6所述的无抗水表面涂层的浸没式光刻胶的显影方法，其特征在于，所述表面活性剂溶液的在所述半导体晶圆上驻留第一时间的范围包括0.5～20秒。
10.根据权利要求1所述的无抗水表面涂层的浸没式光刻胶的显影方法，其特征在于，所述进行显影包括：
向所述光刻胶层喷洒显影液，使显影液布满整个光刻胶层表面；
间歇性的旋转所述半导体晶圆，使显影液与光刻胶层中的可溶解区域反应，使所述可溶解区域的光刻胶溶解。
11.根据权利要求1所述的无抗水表面涂层的浸没式光刻胶的显影方法，其特征在于，所述进行显影包括：
向所述光刻胶层喷洒显影液，使显影液布满整个光刻胶层表面；
保持所述半导体晶圆静止第二时间，显影液与光刻胶层中的可溶解区域反应，使所述可溶解区域的光刻胶溶解。
12.根据权利要求11所述的无抗水表面涂层的浸没式光刻胶的显影方法，其特征在于，所述第二时间的取值范围包括：10～150秒。
13.根据权利要求1所述的无抗水表面涂层的浸没式光刻胶的显影方法，其特征在于，所述进行清洗包括：旋转所述半导体晶圆，向所述光刻胶层喷洒去离子水，使溶解有光刻胶的显影液和多余的显影液被甩出半导体晶圆边缘之外。
14.根据权利要求13所述的无抗水表面涂层的浸没式光刻胶的显影方法，其特征在于，在开始向所述光刻胶层喷洒去离子水时以及之后的第三时间内，使所述半导体晶圆的旋转速率小于或等于2000转/分。
15.根据权利要求14所述的无抗水表面涂层的浸没式光刻胶的显影方法，其特征在于，所述第三时间的取值范围大于或者等于60秒。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120606 |