CN103137442A - 半导体工艺中制作细长型孤立线条图形的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体工艺中制作细长型孤立线条图形的方法，包括如下步骤：在需要制作细长型孤立线条的基片上先生长一薄膜层，再分别旋涂可显影底部抗反射材料和光刻胶，曝光及显影后形成上宽下窄的组合图形和细长型孤立沟槽，然后用低温的方法生长一相互断开的刻蚀掩膜层，再使用光刻胶剥离液去除光刻胶及可显影底部抗反射材料，同时去除光刻胶表面的刻蚀掩膜层，而保留细长型孤立沟槽处的刻蚀掩膜层，最后以该刻蚀掩膜层为阻挡层，对薄膜层进行刻蚀，最终形成由该薄膜层材料组成的细长型孤立线条。本发明可解决用传统光刻和刻蚀方法制作细长型孤立线条时容易发生的图形倒塌问题，可获得长宽比＞30，且线宽＜0.6微米的细长型孤立线条。
Description
技术领域
本发明属于半导体集成电路制造领域，具体涉及一种半导体工艺中制作细长型孤立线条图形的方法。
背景技术
在半导体器件制造工艺中，孤立线条一般用来制作器件的栅极或金属连线，对于一般的孤立线条，通常的做法都是先通过光刻工艺形成孤立的光刻胶线条图形，然后再以此光刻胶线条图形为掩蔽膜，经过刻蚀去胶以后形成最终所需的孤立线条。但对于某些特殊的半导体器件，需要制作一些细长型的孤立线条，其线条的长宽比(L/W)通常都在30以上，尤其对于线宽＜0.6μm这样的细长型的孤立线条，因为其相对较大的长宽比和较小的线宽，在光刻胶的显影过程以及以光刻胶为掩蔽膜的刻蚀过程中，沿着光刻胶孤立线条的长度方向会经受相对较大的侧向冲击力，这种侧向冲击力经常会导致光刻胶发生图形倒塌(PattenCollapse)的问题，而不能形成所需要的细长型孤立线条。
发明专利申请(专利申请号：201110374967.2，申请日：2011年11月22日)就上述问题提出了一种解决方案，但在该发明专利中，形成细长型孤立线条的薄膜材料是生长在光刻胶上面的，因此必须使用低于200℃的生长温度(如：低温淀积或低温溅射)，但对于某些薄膜材料，如多晶硅和硅化钨(WSi)等，难于使用低于200℃的低温生长方法制备，而且，即使对于有些能够使用低温生长方法制备的薄膜材料，由于低温和高温方法制备的薄膜材料具有不同的材料特性，因此为了满足有些半导体器件对高温生长材料特性的需求，必须使用高温生长方法。因此，当形成需要的细长型孤立线条的薄膜材料必须使用高温生长方法制备时，发明专利申请(专利申请号：201110374967.2)提出的解决方案就不再适用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种半导体工艺中制作细长型孤立线条图形的方法，以解决用传统光刻和刻蚀方法制作长宽比＞30，线宽为0.3-10微米，长度大于9微米，尤其是线宽为0.5微米，长度为20微米的细长型孤立线条容易发生的图形倒塌的问题，且用来形成细长型孤立线条的薄膜材料对生长温度没有要求。
为解决上述技术问题，本发明提供一种半导体工艺中制作细长型孤立线条图形的方法，采用光刻胶剥离工艺且在该工艺中引入可显影底部抗反射材料来获得所需的细长型孤立线条；该方法包括如下步骤：
(1)提供一需要制作细长型孤立线条图形的基片；
(2)在所述基片上生长一薄膜层；
(3)进行可显影底部抗反射材料的旋涂和烘烤，；
(4)进行光刻胶的旋涂和烘烤；
(5)曝光及显影，去除曝光部分的光刻胶和可显影底部抗反射材料，形成类T字形上宽下窄的光刻胶和可显影底部抗反射材料的组合图形和细长型孤立沟槽，同时使细长型孤立沟槽处的薄膜层露出；
(6)使用低温淀积或低温溅射的方法在细长型孤立沟槽处露出的薄膜层上及光刻胶图形上生长一层相互断开的刻蚀掩膜层；
(7)使用光刻胶剥离液去除光刻胶和可显影底部抗反射材料，同时去除光刻胶上面的刻蚀掩膜层，而保留细长型孤立沟槽处薄膜层上的刻蚀掩膜层，形成细长型孤立线条的刻蚀掩膜层；
(8)以所述的保留下来的刻蚀掩膜层为阻挡层，对其底部的薄膜层进行刻蚀；
(9)去除刻蚀掩膜层，形成由薄膜层材料组成的细长型孤立线条。
所述的细长型孤立线条的线宽为0.3-10微米，长度大于9微米，长宽比大于30。优选地，所述的细长型孤立线条的线宽为0.5微米，长度为20微米。
在步骤(2)中，所述的薄膜层就是形成所述的细长型孤立线条的材料，且所述的薄膜层厚度为0.02-10微米。优选地，所述薄膜层是多晶硅，其生长方法采用以硅烷、氦气、氧气和氩气的混合气体为反应气体的化学气相淀积方法，其生长温度为600-700℃。
在步骤(3)中，所述的可显影底部抗反射材料不能溶于步骤(4)所述的光刻胶所使用的溶剂，但能溶于常用的四甲基氢氧化铵(TMAH)显影液和常用的光刻胶剥离液。所述的可显影底部抗反射材料是指能够减少波长365纳米的I-line，波长248纳米的KrF和波长193纳米的ArF中任意一种光的反射的材料，所述的可显影底部抗反射材料旋涂和烘烤后的厚度为0.2-30微米。
在步骤(4)中，所述的光刻胶为正性或负性光刻胶，其曝光波长为436纳米的G-line或365纳米的I-line或248纳米的KrF或193纳米的ArF。
在步骤(6)中，所述的刻蚀掩膜层是指能够使用低温淀积或低温溅射的方法在光刻胶表面上生长的材料，所述的低温是指低于200℃的温度。所述的刻蚀掩膜层是指以下介质膜：二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅；或者所述的刻蚀掩膜层是指以下金属膜：铝、铜、金、钛、镍、银、铂、铬或其组合。所述的刻蚀掩膜层的厚度为0.02-10微米，且所述的刻蚀掩膜层的厚度要小于步骤(3)所述的可显影底部抗反射材料的厚度。优选地，所述刻蚀掩膜层是指二氧化硅，其生长方法采用以硅烷，氧气和氩气的混合气体为反应气体的高密度等离子体化学气相淀积，其生长温度为80-150℃，所获得的二氧化硅刻蚀掩膜层的厚度为0.05-0.5微米。
在步骤(7)中，所述的光刻胶剥离液既能剥离步骤(3)所述的可显影底部抗反射材料，又能剥离步骤(4)所述的光刻胶。优选地，在步骤(7)中，所述的光刻胶剥离液是指N-甲基吡咯烷酮(NMP)和/或γ-丁内酯(GBL)和/或乳酸乙酯(EL)。
在步骤(8)中，所述的刻蚀要保证步骤(2)所述的薄膜层材料对步骤(6)所述的刻蚀掩膜层的刻蚀选择比＞2∶1。优选地，步骤(2)所述的薄膜层是多晶硅，步骤(6)所述的刻蚀掩膜层是二氧化硅，在步骤(8)中，所述的刻蚀使用以氯气、溴化氢和氧气的混合气体为主要刻蚀气体的等离子体干法刻蚀，保证多晶硅对二氧化硅的刻蚀选择比＞10∶1。
和现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明的特征一：当形成所需的细长型孤立线条的材料无法通过通常的低温淀积或低温溅射的方法在光刻胶上生长时，可以使用此发明的方法；特征二：采用光刻胶剥离(Lift-off)工艺来获得细长型的孤立线条作为刻蚀掩膜层，在工艺过程中避开了细长型的孤立的光刻胶线条(Line)图形的形成，取而代之的是细长型的孤立的光刻胶开槽(Space)图形和大面积的光刻胶图形，因此就可以解决传统光刻和刻蚀方法中容易发生的图形倒塌问题，可以获得长宽比＞30的细长型孤立线条；特征三：在上述光刻胶剥离工艺中引入可显影底部抗反射材料，利用其可溶于显影液的特性，来获得光刻胶剥离工艺所需的上宽下窄的光刻胶和可显影底部抗反射材料的组合图形，而利用其抗反射的特性，又可以提高光刻胶开槽的分辨率，减小光刻胶开槽的尺寸，从而可以获得线宽＜0.6微米的细长型孤立线条。
附图说明
图1是光刻胶Lift-off(剥离)工艺中上宽下窄的光刻胶形貌示意图。
图2是本发明方法的工艺流程剖面示意图；其中，图2(A)是本发明方法的步骤(2)完成后的示意图；图2(B)是本发明方法的步骤(3)完成后的示意图；图2(C)是本发明方法的步骤(4)完成后的示意图；图2(D)是本发明方法的步骤(5)完成后的示意图；图2(E)是本发明方法的步骤(6)完成后的示意图；图2(F)是本发明方法的步骤(7)完成后的示意图；图2(G)是本发明方法的步骤(8)完成后的示意图；图2(H)是本发明方法的步骤(9)完成后的示意图；。
图3是本发明方法的工艺流程图。
图中附图标记说明如下：
1-需要制作细长型孤立线条图形的基片；
2-可显影底部抗反射材料；
3-光刻胶；
4-刻蚀掩膜层；
5-薄膜层(形成细长型孤立线条的薄膜材料)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供了一种新的制作细长型孤立线条图形的方法，所述的细长型孤立线条的线宽为0.3-10微米，长度大于9微米，长宽比大于30。优选地，所述的细长型孤立线条的线宽为0.5微米，长度为20微米；该方法包括以下步骤：在需要制作细长型孤立线条的基片上先生长一薄膜层(这些薄膜层的材料就是形成细长型孤立线条的材料)，再旋涂可显影底部抗反射材料(BARC)和光刻胶，曝光显影后形成如图1所示的上宽下窄的光刻胶和可显影底部抗反射材料的组合图形和细长型孤立沟槽(Space)，同时使沟槽处的薄膜层露出，然后通过低温淀积或低温溅射的方法，在光刻胶和露出的薄膜层表面形成相互断开的刻蚀掩膜层，再使用光刻胶剥离液去除光刻胶及可显影底部抗反射材料，光刻胶表面的刻蚀掩膜层随光刻胶一起去除，而在细长型孤立沟槽处，与薄膜层直接接触的刻蚀掩膜层则得以保留，最后以该刻蚀掩膜层为阻挡层，对其底部的薄膜层进行刻蚀，最终形成由该薄膜层材料组成的细长型孤立线条。
本发明的特征一：当形成所需的细长型孤立线条的材料无法通过通常的低温淀积或低温溅射的方法在光刻胶上生长时，可以使用此发明的方法；特征二：采用光刻胶剥离(Lift-off)工艺来获得细长型的孤立线条作为刻蚀掩膜层，在工艺过程中避开了细长型的孤立的光刻胶线条图形的形成，取而代之的是细长型的孤立的光刻胶开槽(Space)图形和大面积的光刻胶图形，因此就可以解决传统光刻和刻蚀方法中容易发生的图形倒塌问题，可以获得长宽比＞30的细长型孤立线条；特征三：在上述光刻胶剥离工艺中引入可显影底部抗反射材料，利用其可溶于显影液的特性，来获得光刻胶剥离工艺所需的上宽下窄的光刻胶和可显影底部抗反射材料的组合图形，而利用其抗反射的特性，又可以提高光刻胶开槽的分辨率，减小光刻胶开槽的尺寸，从而可以获得线宽＜0.6微米的细长型孤立线条。
本发明的一种制作细长型孤立线条图形的方法，其详细工艺步骤如图2和图3所示：
(1)提供一需要制作细长型孤立线条图形的基片1；
(2)如图2(A)所示，在所述基片上生长一薄膜层5，所述的薄膜层5的材料就是形成细长型孤立线条的材料，薄膜层5的厚度为0.02-10微米；此步骤对薄膜层5的生长温度没有特别要求，可以是高温，也可以是低温，本实施例中优选的薄膜X5是指多晶硅，其生长方法是本领域常规的以硅烷(SiH4)、氦气(He)、氧气(O2)和氩气(Ar)的混合气体为反应气体的化学气相淀积方法(CVD)，其生长温度一般在600-700℃；
(3)如图2(B)所示，在生长完所述薄膜层5的基片1上进行可显影底部抗反射材料2的旋涂和烘烤；所述的可显影底部抗反射材料2不能溶于步骤(4)所述的光刻胶3所使用的溶剂，但可以溶于常用的四甲基氢氧化铵(TMAH)显影液和常用的光刻胶剥离液，所述的可显影底部抗反射材料2是指能够减少I-line(365纳米)，KrF(248纳米)和ArF(193纳米)波长中任意一种光的反射的材料；所述的可显影底部抗反射材料2旋涂和烘烤后的厚度为0.2-30微米；
(4)如图2(C)所示，在可显影底部抗反射材料2上进行光刻胶3的旋涂和烘烤；所述的光刻胶3为本领域常用的正性或负性光刻胶，其曝光波长为436纳米(G-line)或365纳米(I-line)或248纳米(KrF)或193纳米(ArF)；
(5)如图2(D)所示，经曝光及显影后，曝光区域的光刻胶3被显影去除，而可显影底部抗反射材料2由于其可溶于显影液的特性以及显影刻蚀的各向同性(即显影液对可显影底部抗反射材料2的纵向和横向具有相同的显影能力)，因此在曝光区域的可显影底部抗反射材料2被显影去除的同时，显影液还会横向显影去除可显影底部抗反射材料2，使得可显影底部抗反射材料2的沟槽宽度大于其顶部光刻胶3的沟槽宽度，从而形成类T字形上宽下窄的光刻胶3和可显影底部抗反射材料2的组合图形，同时获得细长型孤立沟槽，使沟槽处的薄膜层5露出；
(6)如图2(E)所示，使用低温淀积或低温溅射的方法在细长型孤立沟槽处露出的薄膜层5上及光刻胶3图形上生长一层刻蚀掩膜层4；所述的刻蚀掩膜层4是指能够使用低温淀积或低温溅射的方法在光刻胶表面上生长的材料，所述的低温一般是指低于200℃的温度；所述的刻蚀掩膜层4是指以下介质膜：二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅，或者所述的刻蚀掩膜层4是指以下金属膜：铝、铜、金、钛、镍、银、铂、铬或其组合；所述的刻蚀掩膜层4的厚度为0.02-10微米，且为了防止光刻胶3上面的刻蚀掩膜层4和细长型孤立沟槽处的薄膜层5上的刻蚀掩膜层4发生粘连，所述的刻蚀掩膜层4的厚度要小于步骤(3)所述的可显影底部抗反射材料2的厚度；本实施例中优选的刻蚀掩膜层4是指二氧化硅，其生长方法是本领域常规的以硅烷(SiH4)，氧气(O2)和氩气(Ar)的混合气体为反应气体的高密度等离子体化学气相淀积(HDP CVD)，其生长温度为80-150℃，所获得的二氧化硅刻蚀掩膜层的厚度为0.05-0.5微米；
(7)如图2(F)所示，使用光刻胶剥离液去除光刻胶3和可显影底部抗反射材料2，光刻胶3上面的刻蚀掩膜层4虽然不能被光刻胶剥离液溶解而去除，但它可以连同光刻胶3一起被去除，而在细长型孤立沟槽处的薄膜层5上的刻蚀掩膜层4因为不能被光刻胶剥离液溶解而得以保留，从而形成细长型孤立线条的刻蚀掩膜层；所述的光刻胶剥离液即能剥离步骤(3)所述的可显影底部抗反射材料2，又可以剥离步骤(4)所述的光刻胶3，优选地，所述的光刻胶剥离液是指N-甲基吡咯烷酮(NMP)和/或γ-丁内酯(GBL)和/或乳酸乙酯(EL)；
(8)如图2(G)所示，以所述的保留下来的细长型孤立线条的刻蚀掩膜层4为阻挡层，对其底部的薄膜层5进行刻蚀；所述的刻蚀要保证步骤(2)所述的薄膜层5对步骤(6)所述的刻蚀掩膜层4的刻蚀选择比＞2∶1；由于本实施例中优选的薄膜层5是指多晶硅，而优选的刻蚀掩膜层4是指二氧化硅，因此所述的刻蚀可以使用本领域常用的以氯气(Cl2)、溴化氢(HBr)和氧气(O2)的混合气体为主要刻蚀气体的等离子体干法刻蚀，使用此刻蚀方法，可以保证多晶硅对二氧化硅的刻蚀选择比＞10∶1；
(9)如图2(H)所示，去除刻蚀掩膜层4，形成细长型孤立线条。所述的去除方法包括干法刻蚀和湿法刻蚀等方法，例如，对于本实施例中的二氧化硅刻蚀掩膜层，可以使用本领域常用的氢氟酸系的湿法刻蚀方法予以去除。
Claims (21)
1.一种半导体工艺中制作细长型孤立线条图形的方法，其特征在于，采用光刻胶剥离工艺且在该工艺中引入可显影底部抗反射材料来获得所需的细长型孤立线条；该方法包括如下步骤：
(1)提供一需要制作细长型孤立线条图形的基片；
(2)在所述基片上生长一薄膜层；
(3)进行可显影底部抗反射材料的旋涂和烘烤；
(4)进行光刻胶的旋涂和烘烤；
(5)曝光及显影，去除曝光部分的光刻胶和可显影底部抗反射材料，形成类T字形上宽下窄的光刻胶和可显影底部抗反射材料的组合图形和细长型孤立沟槽，同时使细长型孤立沟槽处的薄膜层露出；
(6)使用低温淀积或低温溅射的方法在细长型孤立沟槽处露出的薄膜层上及光刻胶图形上生长一层相互断开的刻蚀掩膜层；
(7)使用光刻胶剥离液去除光刻胶和可显影底部抗反射材料，同时去除光刻胶上面的刻蚀掩膜层，而保留细长型孤立沟槽处薄膜层上的刻蚀掩膜层，形成细长型孤立线条的刻蚀掩膜层；
(8)以所述的保留下来的刻蚀掩膜层为阻挡层，对其底部的薄膜层进行刻蚀；
(9)去除刻蚀掩膜层，形成由薄膜层材料组成的细长型孤立线条。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的细长型孤立线条的线宽为0.3-10微米，长度大于9微米，长宽比大于30。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的细长型孤立线条的线宽为0.5微米，长度为20微米。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述的薄膜层就是形成细长型孤立线条的材料。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述的薄膜层厚度为0.02-10微米。
6.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述薄膜层是多晶硅，其生长方法采用以硅烷、氦气、氧气和氩气的混合气体为反应气体的化学气相淀积方法，其生长温度为600-700℃。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述薄膜层是多晶硅，其生长方法采用以硅烷、氦气、氧气和氩气的混合气体为反应气体的化学气相淀积方法，其生长温度为600-700℃。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述的可显影底部抗反射材料不能溶于步骤(4)所述的光刻胶所使用的溶剂，但能溶于常用的四甲基氢氧化铵显影液和常用的光刻胶剥离液。
9.根据权利要求1或8所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述的可显影底部抗反射材料是指能够减少波长365纳米的I-line，波长248纳米的KrF和波长193纳米的ArF中任意一种光的反射的材料。
10.根据权利要求1或8所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述的可显影底部抗反射材料旋涂和烘烤后的厚度为0.2-30微米。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述的可显影底部抗反射材料旋涂和烘烤后的厚度为0.2-30微米。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述的光刻胶为正性或负性光刻胶，其曝光波长为436纳米的G-line或365纳米的I-line或248纳米的KrF或193纳米的ArF。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(6)中，所述的刻蚀掩膜层是指能够使用低温淀积或低温溅射的方法在光刻胶表面上生长的材料，所述的低温是指低于200℃的温度。
14.根据权利要求1或13所述的方法，其特征在于，在步骤(6)中，所述的刻蚀掩膜层是指以下介质膜：二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅；或者所述的刻蚀掩膜层是指以下金属膜：铝、铜、金、钛、镍、银、铂、铬或其组合。
15.根据权利要求1或13所述的方法，其特征在于，在步骤(6)中，所述的刻蚀掩膜层的厚度为0.02-10微米，且所述的刻蚀掩膜层的厚度要小于步骤(3)所述的可显影底部抗反射材料的厚度。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在步骤(6)中，所述的刻蚀掩膜层的厚度为0.02-10微米，且所述的刻蚀掩膜层的厚度要小于步骤(3)所述的可显影底部抗反射材料的厚度。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在步骤(6)中，所述刻蚀掩膜层是指二氧化硅，其生长方法采用以硅烷，氧气和氩气的混合气体为反应气体的高密度等离子体化学气相淀积，其生长温度为80-150℃，所获得的二氧化硅刻蚀掩膜层的厚度为0.05-0.5微米。
18.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(7)中，所述的光刻胶剥离液既能剥离步骤(3)所述的可显影底部抗反射材料，又能剥离步骤(4)所述的光刻胶。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，在步骤(7)中，所述的光刻胶剥离液是指N-甲基吡咯烷酮和/或γ-丁内酯和/或乳酸乙酯。
20.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(8)中，所述的刻蚀要保证步骤(2)所述的薄膜层材料对步骤(6)所述的刻蚀掩膜层的刻蚀选择比＞2∶1。
21.根据权利要求1或20所述的方法，其特征在于，如步骤(2)所述的薄膜层是多晶硅，如步骤(6)所述的刻蚀掩膜层是二氧化硅，在步骤(8)中，所述的刻蚀使用以氯气、溴化氢和氧气的混合气体为主要刻蚀气体的等离子体干法刻蚀，保证多晶硅对二氧化硅的刻蚀选择比＞10∶1。
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