CN102707568B - 多台阶器件结构底层表面的光刻方法 - Google Patents

Abstract

多台阶器件结构底层表面的光刻方法，属于光刻技术领域。本发明采用SEM观察涂覆光刻胶样品的剖面，测量台阶底部的光刻胶厚度。使用光度分光计及数据拟合方法做出台阶底部光刻胶在不同曝光时间下的透过率曲线，找出光刻胶完全曝光所需时间，最终完成对工艺条件的优化。本发明克服了台阶底部堆积光刻胶的情况，通过简单的材料表征及分光计实验即可获得准确的完全曝光时间，简单有效，适用于工业化生产中各种多台阶器件结构的光刻工艺。

Description

多台阶器件结构底层表面的光刻方法

技术领域

本发明属于光刻技术领域，具体地说是一种平面光刻工艺在小尺寸图形制作中的优化方法，可用于在深台阶底部制作细线条图形，适用于小尺寸图形多台阶器件结构的图形制作。

背景技术

光刻是半导体器件制作过程中出现最多的工艺步骤，光刻质量和精度直接影响后续工艺的质量和精度。光刻按照曝光方式可将曝光分为接触式、接近式和投影式。接触式光刻机光刻广泛应用于微米、亚微米量级半导体器件制作工艺中，一般在原始衬底或者台阶较小的衬底(台阶小于几个微米)上进行，涂胶多采用薄胶，胶厚在1μm~3μm范围内。在许多微电子、光电子器件的制备过程中，往往需要在深台阶底部制作图形，经过多步光刻及多次刻蚀才能达到所需的多台阶器件结构的工艺要求，比如多台面型栅结构的HEMT器件的制备、多台面的金属爬坡工艺等。

在器件的制备工艺过程中，具有多台阶结构的深层表面光刻工艺存在许多问题，主要包含以下几种：1)台阶底部堆积光刻胶。在具有多台阶结构的表面涂覆光刻胶时，由于受到台阶的阻挡作用，台阶底部的光刻胶厚度大于台阶表面的光刻胶厚度；2)曝光误差。在台阶底部制作图形时，曝光聚焦失准和边缘衍射效应会导致图形的线条尺寸发生偏差且线条质量下降，尤其在制作窄线条图形时，台阶底部易曝光不足；3)台阶表面及底部难以同时得到高质量图形。相对于台阶表面，台阶底部堆积了大量的光刻胶。因此，为了在台阶底部制作出质量较好的图形，光刻台阶底部图形时需要更长的曝光时间和显影时间。与此同时，同一光线强度下台阶表面及台阶底部的曝光效果存在显著差异。增加曝光、显影时间会导致台阶表面光刻胶过度曝光及显影，损伤光刻胶并影响表面图形的完整性，增加了同时在台阶表面及台阶底部制作图形的难度；4)金属爬坡工艺较难实现。由于深台阶侧壁及底部难做出高质量图形，会造成金属腐蚀不充分进而使得侧壁无法绝缘，增加了金属爬坡工艺的难度。

目前深台阶光刻工艺主要采用喷胶光刻。对于带有深台阶结构的衬底，喷胶均匀性较好，可以通过多次喷胶来完全覆盖住带刻蚀的衬底。喷胶多用来保护侧壁，在台阶底部进行大尺寸图形、低线条精度的光刻。

但是对于高深宽比的台阶(几个微米宽)，喷胶工艺无法进行光刻。首先，喷胶液滴直径约为几至几十微米，在高深宽比的台阶上喷胶，深台阶底部堆胶现象非常严重；其次，由于光刻胶厚度的不均匀导致曝光量难于控制，容易产生局部的曝光过量或曝光不足；另外，高深宽比台阶底部的光刻胶难于显影且易导致光刻失败。因此喷胶光刻无法实现高深宽比的深台阶衬底上的精确光刻，只适用于带有浅台阶结构的衬底上的大尺寸图形、低精度线条的光刻。

在深台阶底部制作图形，同样可以使用基于多种薄膜材料的多层掩膜工艺，用多次薄胶光刻和薄膜材料的刻蚀制作多层掩膜图形，进而有效的避免坑底堆胶、光刻对准和曝光误差等问题，制作出细线条图形。

多层掩膜工艺的充分利用了薄胶光刻和薄膜工艺的优点，用氧化、低压化学气相沉积(lowpressure chemical vapor deposition，LPCVD)、等离子体增强化学气相沉积(plasma-enhancedchemical vapor deposition，PECVD)等方法生长出多种薄膜，在刻蚀材料之前用多次薄胶光刻、薄膜刻蚀在衬底表面制作出多层掩膜图形。每层掩膜可以进行一次材料刻蚀或其他工艺，之后去除该掩膜层，用下一层掩膜进行材料的刻蚀或其他工艺，依次进行直至完成对衬底硅的刻蚀和加工。该工艺在制作多层掩膜后就无需涂胶光刻对准，所以不存在上面提到的深坑涂胶光刻问题，通过多层掩膜工艺出复杂且精细的结构。

多掩膜工艺的优点是涂胶速度快、光刻线条质量好且可以在任何尺寸的台阶上进行光刻，但是增加了工艺步骤和工艺复杂性，并没有完全解决深台阶底部光刻工艺的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决深台阶底部光刻技术存在的问题，将传统的平面光刻工艺技术进行改良以适合多台阶表面结构的特点，提供一种在深台阶底部制作高质量图形的工艺方法，用于金属爬坡等多台阶器件结构的制备。

本发明采用SEM（扫描电子显微镜）观察涂覆光刻胶样品的剖面，测量台阶表面及底部的光刻胶厚度。使用光度分光计及数据拟合方法做出台阶底部光刻胶在不同曝光时间下的透过率曲线，找出光刻胶完全曝光所需时间，最终完成对工艺条件的优化。

为实现上述目的，本发明的多台阶器件结构底层表面的光刻工艺方法，具体包括以下步骤：

（1）在具有多台阶结构的晶圆片表面涂覆一层光刻胶；

（2）用扫描电子显微镜（SEM）观察涂覆光刻胶后的具有多台阶表面的样品剖面，并对台阶表面及台阶底部的光刻胶厚度进行测量；

（3）使用光度分光计测量与台阶底部光刻胶一样厚度的光刻胶在不同曝光时间内的透过率，取光度分光计的波长与光刻机曝光用紫外灯的波长一样；如将光刻胶涂覆到玻璃上今夕透光率测试。

（4）将步骤（3）所得的透过率与时间的关系数值拟合得到与台阶底部光刻胶厚度一致的光刻胶在不同曝光时间内的透过率曲线，找出透过率趋于不变的拐点时间；

（5）取根据透过率曲线得到的拐点时间作为在台阶底部完成图形制作的工艺曝光时间，进行光刻。

上述所述的深层表面或台阶底部均可指多台阶器件的不同台阶的底面，尤其指多台阶器件的最底层面，台阶底面甚至为几个微米宽，制备的图形线条同样是小于台阶底面宽度的微米级。

上述的多台阶器件结构深层表面的光刻工艺方法，所说的多台阶结构为使用湿法腐蚀或干法刻蚀的方法在晶圆片表面制作的相同或不同深度的多个台阶。

上述的多台阶器件结构深层表面的光刻工艺方法，所应用的条件为图形线宽较小，使用台阶仪无法满足测量要求，如不超过10个微米级甚至纳米级的；同时使用SEM（扫描电子显微镜）剖面测量方法能够同时得到台阶底部与台阶表面沉积的光刻胶厚度。

上述的多台阶器件结构深层表面的光刻工艺方法，所得到的不同曝光时间下的透过率曲线是通过分光光度计得到的，取分光光度计测量范围内与光刻机曝光所用的紫外灯波长一致时的光强透过率值，至少每刻一层台阶底面，进行一层SEM扫描、测量、透过率曲线拟合的步骤。

上述的多台阶器件结构深层表面的光刻工艺方法，光刻胶光强透过率变化趋势为，随着时间的增加，光刻胶的光强透过率逐渐增大并趋于不变；透过率趋于不变的拐点时间即为光刻胶完全曝光所需时间。

上述的多台阶器件结构深层表面的光刻工艺方法，所得到的台阶底部的光刻胶所需的完全曝光时间与晶圆片表面情况有关；在曝光过程中，入射光线易在晶圆片表面发生反射导致完全曝光时间减小，这一现象在台阶底部的表面有金属层的晶圆片曝光过程中更为明显。

本发明与现有技术相比具有的优点：

1、本发明通过利用SEM及光度分光计的技术方法，结合数据拟合的方法，测量出深台阶底部沉积的光刻胶厚度，克服了台阶底部堆积光刻胶所造成影响的情况，并针对该现象找出了能够在深台阶底部制作高质量图形的工艺条件。

2、本发明使得接触式光刻工艺能够用在尺寸较小的图形制备过程中，通过简单的材料表征及分光计实验即可获得准确的完全曝光时间，简单有效，适用于工业化生产中各种多台阶器件结构的光刻工艺。

附图说明

图1是本发明实施例中不同台阶高度时台阶表面及底部光刻胶厚度的实验步骤示意图；

图2是本发明实施例中图1（c）涂覆光刻胶后样品的剖面SEM图；

图3是本发明实施例中图1（f）涂覆光刻胶后样品的剖面SEM图；

图4是本发明实施例中图1（i）涂覆光刻胶后样品的剖面SEM图；

图5是本发明实施例中步骤（b）中台阶高度2.2μm、线宽为4μm时，曝光时间35s下台阶底部制作出的图像；

图6是本发明实施例中步骤（b）中台阶高度2.2μm、线宽为4μm时，曝光时间40s下台阶底部制作出的图像；

图7是本发明实施例中步骤（b）中台阶高度2.2μm、线宽为4μm时，曝光时间45s下台阶底部制作出的图像；

图8是本发明实施例中光刻胶厚度为2.2μm时不同曝光时间下光刻胶透射率曲线；

图9是本发明实施例步骤（h）中台阶高度3.7μm、线宽为2μm时，曝光时间45s下台阶底部制作出的图像；

图10是本发明实施例步骤（h）中台阶高度3.7μm、线宽为2μm时，曝光时间50s下台阶底部制作出的图像；

图11是本发明实施例步骤（h）中台阶高度3.7μm、线宽为2μm时，曝光时间55s下台阶底部制作出的图像。

具体实施方式

本实施例只是按照实际情况的步骤来采用本发明的方法来制备图形，从而可以证明本发明的优点，但本发明并不限于以下类似的实施例。

实施例

参照图1，它是本发明实验例中测量不同台阶高度时台阶表面及底部光刻胶厚度的示意图，从该图能够清楚地看出所采用的本发明的方法。现结合具体实验步骤及后续试验说明本发明的具体实施方式：

1．在未经刻蚀的GaAs晶圆片表面制作图形。使用匀胶机旋转涂覆光刻胶，所使用的胶型为S9912，转速为4500转/min。使用接触式光刻机MV-6制作图形并曝光显影，使用烘箱对晶圆片进行前烘及后烘，前烘温度107℃，前烘时间8min，后烘温度107℃，后烘时间20min。所制作的第一个台阶图形的线宽为6μm，图2为该步骤后制作的GaAs样品剖面SEM图；

2．第一个台阶制备。使用ICP(电感耦合等离子体)干法刻蚀技术刻蚀第一个台阶，刻蚀条件为SiCl₄ flow 5sccm，Ar flow 15sccm，Press 2mT，ICP power 350W，RF power 60W，基底温度为20℃，GaAs材料的刻蚀选择比为19.3，刻蚀速度为ICP刻蚀时间为170s；

3．在具有一个台阶的GaAs晶圆片表面制作图形。使用与上述相同的旋转匀胶参数在已刻蚀的台阶表面涂覆光刻胶，曝光显影并制作图形，所制作的第二个台阶图形线宽为4μm，图3为该步骤后制作的GaAs样品剖面SEM图；

4．第二个台阶制备。使用与上述相同的ICP刻蚀参数刻蚀第二个台阶，刻蚀时间为250s；

5．在具有两个台阶的GaAs晶圆片表面制作图形。使用与上述相同的旋转匀胶参数在已刻蚀的台阶表面涂覆光刻胶，曝光显影并制作图形，所制作的第二个台阶图形线宽为2μm，图4为该步骤后制作的GaAs样品剖面SEM图；

6．第三个台阶制备。使用与上述相同的ICP刻蚀参数刻蚀第二个台阶，刻蚀时间为100s；

7．在具有三个台阶的GaAs晶圆片表面涂覆光刻胶。使用与上述相同的旋转匀胶参数在已刻蚀的台阶表面涂覆光刻胶；

进行SEM剖面测量。将晶圆片解离，在样品的剖面上选取三个位置，每一个位置附近选取3个以上微观区域拍摄SEM图片。所使用的样品分别为：已刻蚀一个台阶涂覆光刻胶样品，刻蚀两个台阶并涂覆光刻胶样品和刻蚀三个台阶并涂覆光刻胶样品。先使用较低的放大倍数拍照，再每增大倍数对样品剖面进行拍照，直至可以清晰的看到涂覆光刻胶后的台阶形貌。分别测量三种样品台阶表面及台阶底部的光刻胶厚度，使用三点取平均的方式处理数据。通过上述实验步骤可得到：刻蚀一个台阶并涂覆光刻胶后样品台阶高度为2.1μm，台阶表面光刻胶厚度为0.7μm，台阶底部光刻胶厚度为1.7μm，没经过具体测试曝光时间所刻蚀的图形见图5、6和7；刻蚀两个台阶并涂覆光刻胶后，按照本发明的方法先采用SEM扫描，测量样品台阶高度为3.7μm，台阶表面光刻胶厚度为0.7μm，台阶底部光刻胶厚度为2μm，然后在玻璃上涂覆同样的2μm的光刻胶采用分光光度计进行透光率测试，分光光度计采用的波长与接触式光刻机MV-6光刻时的波长，见图8；刻蚀两个台阶并涂覆光刻胶后样品台阶高度为5.4μm，台阶表面光刻胶厚度为0.7μm，台阶底部光刻胶厚度为3μm；

使用光度分光计做出曝光波长下不同曝光时间的光强透过率曲线。根据上述实验结果，使用U-4100光度分光计测量在一定波长范围内2μm厚度光刻胶在不同曝光时间下的光强透过率曲线。取紫外灯的波长即370nm下光刻胶的透射率，使用Orign软件对数据进行拟合，所做出曲线如图8所示。透射率最大值点对应的时间即为2μm厚的光刻胶完全曝光所需时间，本试验中得到的完全曝光时间为60s。这一方法应用的原理是：在一定波长下，光刻的吸收系数与光强投射率成反比。在曝光过程中，光刻胶的吸收系数逐渐减小，当光刻胶完全曝光时，光刻胶吸收系数为最小值，即透射率达到最大；曝光时间继续增加时，光刻胶吸收系数保持不变，光强透射率也保持不变。

对工艺条件进行优化。使用与上述相同的旋转涂覆光刻胶参数和前烘、后烘条件在具有已刻蚀3.7μm深台阶的表面制作图形，图9是曝光时间分别为45s时在台阶底部制作图形的光刻图案，图10是曝光时间分别为50s时在台阶底部制作图形的光刻图案，图11是曝光时间分别为55s时在台阶底部制作图形的光刻图案。从图中可以看出，曝光时间为50s时制作的线条清晰完整；曝光时间为55s时光刻胶过度显影使得表面图形轻度缺失。因此，在实际应用中，选择曝光时间为50s制作图形。

Claims (1)

1.高深宽比多台阶器件结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在未经刻蚀的GaAs晶圆片表面光刻制作图形，线宽为6μm，刻蚀第一个台阶，台阶高度2.2μm；然后在底层光刻制作图形，线宽为4μm，刻蚀第二个台阶，台阶高度3.7μm；在上述得到的具有多台阶结构的晶圆片表面准备制作线宽为2μm的第三个台阶的图形，在上述得到的具有多台阶结构的晶圆片表面涂覆一层光刻胶；

（2）用扫描电子显微镜（SEM）观察涂覆光刻胶后的具有多台阶表面的样品剖面，并对台阶底部的光刻胶厚度进行测量；

（3）将与台阶底部光刻胶一样厚度的光刻胶涂覆到玻璃上进行透光率测试，使用光度分光计测量该厚度的光刻胶在不同曝光时间内的透过率，取光度分光计的波长与光刻机曝光用紫外灯的波长一致；

（4）将步骤（3）所得的透过率与时间的关系数值拟合得到与台阶底部光刻胶厚度一致的光刻胶在不同曝光时间内的透过率曲线，找出透过率趋于不变的拐点时间，完全曝光时间为60s；

（5）取根据透过率曲线得到的拐点时间作为在台阶底部完成图形制作的工艺曝光时间50s，进行光刻，制备第三个台阶图形，进行刻饰，台阶高度为5.4μm；

所述的台阶底部均指多台阶器件的最底层面，台阶底面为几个微米宽，制备的图形线条同样是小于台阶底面宽度的微米级，上述所有光刻胶胶型为S9912。