CN103488045A

CN103488045A - 一种离子注入的阻挡层制作方法

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Publication number: CN103488045A
Application number: CN201210196951.1A
Authority: CN
Inventors: 胡华勇
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Corp
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2012-06-14
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2032-06-14
Also published as: CN103488045B

Abstract

本发明提供了一种离子注入阻挡层的制作方法，该方法在光刻胶上方加入光学敏感型顶部抗反射层，在曝光和显影形成光刻图案的步骤中，增加光刻胶曝光区域与光学敏感型顶部抗反射层接触部分的溶解度，在其侧壁顶端呈圆弧状的阻挡层，减轻了后续离子注入过程中由于离子注入角度造成的阴影效应。

Description

一种离子注入的阻挡层制作方法

技术领域

本发明涉及一种半导体制造方法，特别涉及一种离子注入的阻挡层制作方法。

背景技术

半导体制造流程中的掺杂工艺多采用离子注入实现。离子注入的原理，简单地说就是将电离的杂质原子经过静电场加速以离子束的方式以一定的角度和速度照射到晶片（wafer）表面，通过电离的杂质原子的。要在晶片上进行选择性区域掺杂，则必须先在晶片上形成阻挡层作为掩膜，用于阻止杂质原子进入晶片表面，而未被掩膜覆盖的部分则称为离子注入窗口，并在离子注入窗口中实现掺杂。众所周知，在离子注入工艺流程中，为了避免沟道效应对离子注入分布的拖尾现象，普遍采用偏离轴注入的方法，该方法是在离子束与其将要进行离子注入的晶片表面法线之间形成一个约为7°或者更大的夹角，这个夹角称为离子束注入角度（tilt）。

结合图2~5说明现有技术中如图1所示的离子注入阻挡层制作方法，其具体步骤如下：

步骤101，图2为现有技术中离子注入阻挡层制作步骤101的剖面结构示意图，如图2所示，在具有硅衬底的晶片表面涂覆光刻胶；

本步骤中，光刻胶的主要组成包括：树脂（resin/polymer）、光刻胶中不同材料的粘合剂、感光剂、添加剂（Additive）以及溶剂（Solvent）。其中，粘合剂决定光刻胶的机械与化学性质（如粘附性、胶膜厚度、热稳定性等）；感光剂对光能发生光化学反应；溶剂用于保持光刻胶的液体状态，使之具有良好的流动性；添加剂用以改变光刻胶的某些特性，如改善光刻胶发生反射而添加染色剂等。

本步骤的光刻胶是曝光波长248纳米（nm）的氟化氪（KrF）化学放大光刻胶（CAR，Chemical Amplified Resist），其成分中的树脂是具有化学基团保护（t-BOC）的聚乙烯（PHS）。有化学基团保护的树脂不溶于水；感光剂是光酸产生剂（PAG，Photo Acid Generator），光刻胶曝光后，在曝光区的PAG发生光化学反应会产生一种酸。该酸在曝光后热烘（PEB，PostExposure Baking）时，作为化学催化剂将树脂上的保护基团移走，从而使曝光区域的光刻胶由原来不溶于水转变为高度溶于以水为主要成分的显影液。

本步骤中，提供具有p型（或n型）硅衬底300的晶片（wafer），涂覆光刻胶（Phote Resist，PR）的方法和步骤为现有技术，不再赘述。

为了获得平坦而厚度均匀的光刻胶并保持与晶片之间的良好粘附性，在涂覆光刻胶之前，PR通过喷嘴（Nozzle）喷涂在高速旋转的Wafer表面，并在离心力作用下被均匀涂布在Wafer表面。

需要注意的是，在涂覆光刻胶之前，还可以先在wafer表面形成底部抗反射涂层（BARC，Bottom Anti-Reflective Coating）。将抗反射涂层涂覆在光刻胶的底部来减少底部光的反射。有两种BARC材料：一种是有机抗反射涂层（Organic），在硅衬底表面旋涂，用于直接吸收入射光线；另一种是无机抗反射涂层（Inorganic），用等离子增强化学气相沉积（PECVD，PlasmaEnhanced Chemical Vapour Deposition）在硅衬底表面形成。一般无机抗反射涂层的材料为氮化钛（TiN）或氮化硅（SiN）。

步骤102，图3为现有技术中离子注入阻挡层制作步骤102的剖面结构示意图，如图3所示，对所述光刻胶进行软烘（Soft Bake）；

本步骤中，对光刻胶进行软烘的目的是通过Soft Bake蒸发PR中的溶剂，并控制PR的敏感度和后续形成的光刻图案的线宽，同时也将PR中的残余内应力释放。

步骤103，图4为现有技术中离子注入阻挡层制作步骤103的剖面结构示意图，如图4所示，在光刻胶表面涂覆顶部抗反射涂层（TARC，TopAnti-Reflective Coating）。

本步骤中，TARC是一种水溶性的有机抗反射涂层，为一层透明的薄膜，不会吸收光，通过光线之间相位相消来消除反射。

步骤104，图5为现有技术中离子注入阻挡层制作步骤104的剖面结构示意图，如图5所示，经过曝光和显影工艺将光刻胶图案化形成光刻图案，作为阻挡层。

本步骤中，化学放大光刻胶的曝光速度快，对短波长光源具有很好的光学敏感性；且光刻图案提供陡直侧墙，具有高对比度，能够提供0.25μm及其以下尺寸的高分辨率。

本步骤中，水溶性的有机抗反射涂层TARC在显影步骤也会被去除，仅有曝光步骤中没有被照射到的部分光刻胶未被溶解，作为后续离子注入的阻挡层。

需要注意的是，在曝光显影后还可以包括坚膜步骤，为现有技术，不再赘述。

至此，为现有技术中离子注入阻挡层制作流程结束。

后续离子注入工艺中以上述阻挡层为掩膜进行离子注入。其中，没有被阻挡层遮蔽的部分称为离子注入窗口区域。对于上述采用具有离子注入角度的离子束来说，由于阻挡层的遮蔽，在靠近阻挡层底部的离子注入窗口区域中，必然形成一个无法被离子束照射的区域，称为阴影效应（shadow effect）。随着半导体制造工业的技术进步，半导体器件的特征尺寸（CD）不断缩小，离子注入工艺中的阴影效应成为亟待解决的问题之一。

发明内容

有鉴于此，本发明解决的技术问题是：离子注入工艺中的阴影效应。

为解决上述问题，本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种离子注入阻挡层的制作其特征在于，该方法包括：在光刻胶上方加入光学敏感型顶部抗反射层，在曝光和显影形成光刻图案的步骤中，增加光刻胶曝光区域与光学敏感型顶部抗反射层接触部分的溶解度，在其侧壁顶端呈圆弧状的阻挡层。

所述光刻胶是化学放大光刻胶，所述化学放大光刻胶是曝光波长248纳米的氟化氪光刻胶或者曝光波长193纳米的氟化氩光刻胶。

所述光学敏感型顶部抗反射涂层的组成包括光酸产生剂和抗反射材料。

所述抗反射材料的重量占所述抗反射材料和光酸产生剂总重量的百分比范围是80-99.9%，所述光酸产生剂的重量占所述抗反射材料和光酸产生剂总重量的百分比范围是0.1-20%。

所述抗反射材料的组成为全氟烷烃酸类化合物，聚氟化烷基醚类化合物和聚四氟乙烯基类化合物的任意一种或两种及以上组成的混合物。

所述光酸产生剂由鎓盐，有机卤素化合物，砜化合物和磺酸盐化合物，所述鎓盐的氟化物，所述有机卤素化合物的氟化物，所述砜化合物的氟化物和所述磺酸盐化合物的氟化物中的任意一种或两种及以上组成的混合物。

所述光酸产生剂是二芳基碘鎓盐类，三芳基硫鎓盐类，硝基苄基酯类，磺酸酯类化合物，吩噻噁类化合物，硫杂蒽酮类化合物的任意一种或两种及以上组成的混合物。

所述光酸产生剂是以氟化的烷基磺酸根离子作为阴离子的鎓盐。

所述光学敏感型顶部抗反射涂层可进一步包括，含有作为猝灭剂的含氮有机化合物，所述含氮有机化合物包括：二甲氨基吡啶，叔胺，1,8-双二甲氨基萘，黄连素，胺的聚合物，四烃基氢氧化铵和十六烷基三甲基氢氧化铵中任意一种基团或两种及以上的组合基团。

所述作为猝灭剂的含氮有机化合物的重量占所述光学敏感型顶部抗反射涂层重量的百分比范围是0.001-1%。

本发明提出了一种离子注入阻挡层的制作方法，该方法在光刻胶上方加入光学敏感型顶部抗反射层，在曝光和显影形成光刻图案的步骤中，由于顶部抗反射层在曝光区域生成了光酸，从而增加光刻胶曝光区域顶部与光学敏感型顶部抗反射层接触部分的溶解度，在其侧壁顶端呈圆弧状的阻挡层，减轻了后续离子注入过程中由于离子注入角度造成的阴影效应。

附图说明

图1为现有技术离子注入阻挡层制作方法流程图；

图2~5为现有技术离子注入阻挡层制作的剖面结构示意图；

图6为本发明离子注入阻挡层制作方法流程图；

图7~10为本发明离子注入阻挡层制作的剖面结构示意图。

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，对本发明进一步详细说明。

具体实施例一

结合图7~10说明现有技术中如图6所示的离子注入阻挡层制作方法，其具体步骤如下：

步骤601，图7为本发明离子注入阻挡层制作步骤601的剖面结构示意图，如图7所示，在具有硅衬底的晶片表面涂覆光刻胶；

本步骤的光刻胶化学放大光刻胶（CAR，Chemical Amplified Resist），其成分中的树脂是具有化学基团保护（t-BOC）的聚乙烯（PHS）。有化学基团保护的树脂不溶于水；感光剂是光酸产生剂（PAG，Photo Acid Generator），光刻胶曝光后，在曝光区的PAG发生光化学反应会产生一种酸。该酸在曝光后热烘（PEB，Post Exposure Baking）时，作为化学催化剂将树脂上的保护基团移走，从而使曝光区域的光刻胶由原来不溶于水转变为高度溶于以水为主要成分的显影液。具体地，光学放大光刻胶可以是曝光波长248纳米的氟化氪（KrF）光刻胶或者曝光波长193纳米的氟化氩（ArF）光刻胶。

步骤602，图8为本发明离子注入阻挡层制作步骤602的剖面结构示意图，如图8所示，对所述光刻胶进行软烘（Soft Bake）；

本步骤中，对光刻胶进行软烘的目的是通过Sofft Bake蒸发PR中的溶剂，并控制PR的敏感度和后续形成的光刻图案的线宽，同时也将PR中的残余内应力释放。

步骤603，图9为本发明离子注入阻挡层制作步骤603的剖面结构示意图，如图9所示，在光刻胶表面涂覆光学敏感型顶部抗反射涂层（phote-sensitive Top Anti-Reflective Coating，PS TARC）。

本步骤中，PS TARC是一种水溶性的有机抗反射涂层，为一层透明的薄膜，不会吸收光，通过光线之间相位相消来消除反射。

本步骤中，PS TARC的组成包括：光酸产生剂和抗反射材料，PS TARC还可以进一步包括含有作为猝灭剂的含氮有机化合物的树。

抗反射材料的组成为全氟烷烃酸类化合物，聚氟化烷基醚类化合物和聚四氟乙烯基类化合物（Teflon-based materials）的任意一种或两种及以上组成的混合物。其中，所述抗反射材料的重量占所述抗反射材料和光酸产生剂总重量的百分比范围是80-99.9%。

光酸产生剂可以是下述化合物中任意一种或任意两种及以上的混合物：由鎓盐，有机卤素化合物，砜化合物和磺酸盐化合物，所述鎓盐的氟化物，所述有机卤素化合物的氟化物，所述砜化合物的氟化物和所述磺酸盐化合物的氟化物中。具体的，光酸产生剂优选为二芳基碘鎓盐类，三芳基硫鎓盐类，硝基苄基酯类，磺酸酯类化合物，吩噻噁类化合物，硫杂蒽酮类化合物的任意一种或两种及以上组成的混合物。光酸产生剂优选为以氟化的烷基磺酸根离子作为阴离子的鎓盐。其中，光酸产生剂的重量占所述抗反射材料和光酸产生剂总重量的百分比范围是0.1-20%，例如0.01%，10%或者20%。

上述作为猝灭剂的含氮有机化合物中，含氮有机化合物包括下述基团中的任意一种基团或任意两种及以上的基团组合：二甲氨基吡啶（dimethaminopyridine），叔胺（tertiary amines），1,8-双二甲氨基萘（proton sponge），黄连素（berberine），胺的聚合物（polymeric amines），四烃基氢氧化铵（tetraalkyl ammonium hydroxides）和十六烷基三甲基氢氧化铵（cetyl trimethylammonium hydroxide）。其中，所述作为猝灭剂的含氮有机化合物的重量占所述光学敏感型顶部抗反射涂层重量的百分比范围是0.001-1%，例如0.001%，0.5%或者1%。

在涂覆PS TARC之后，还可以包括对PS TARC的软烘步骤。

步骤604，图10为本发明离子注入阻挡层制作步骤604的剖面结构示意图，如图10所示，经过曝光和显影工艺将光刻胶图案化形成光刻图案，作为阻挡层。

本步骤中，水溶性的有机抗反射涂层PS TARC在显影步骤也会被去除，同时由于在光刻胶上方加入光学敏感型顶部抗反射层，光学敏感型顶部抗反射层中的光酸产生剂（photoacid generator）和添加剂（base additive）增加了光刻胶与光学敏感型顶部抗反射层接触部分的溶解度，光刻图案不再是陡直侧墙，而是在其侧壁顶端呈圆弧状的阻挡层，上述形状的阻挡层相比陡直侧墙阻挡层能够有效减轻了后续离子注入过程中由于离子注入角度造成的阴影效应。

至此，为本发明离子注入阻挡层制作流程结束。

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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims

1.一种离子注入阻挡层的制作其特征在于，该方法包括：在光刻胶上方加入光学敏感型顶部抗反射层，在曝光和显影形成光刻图案的步骤中，增加光刻胶曝光区域与光学敏感型顶部抗反射层接触部分的溶解度，在其侧壁顶端呈圆弧状的阻挡层。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光刻胶是化学放大光刻胶，所述化学放大光刻胶是曝光波长248纳米的氟化氪光刻胶或者曝光波长193纳米的氟化氩光刻胶。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光学敏感型顶部抗反射涂层的组成包括光酸产生剂和抗反射材料。

4.根据权利要求3的所述的方法，其特征在于，所述抗反射材料的重量占所述抗反射材料和光酸产生剂总重量的百分比范围是80-99.9%，所述光酸产生剂的重量占所述抗反射材料和光酸产生剂总重量的百分比范围是0.1-20%。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述抗反射材料的组成为全氟烷烃酸类化合物，聚氟化烷基醚类化合物和聚四氟乙烯基类化合物的任意一种或两种及以上组成的混合物。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光酸产生剂由鎓盐，有机卤素化合物，砜化合物和磺酸盐化合物，所述鎓盐的氟化物，所述有机卤素化合物的氟化物，所述砜化合物的氟化物和所述磺酸盐化合物的氟化物中的任意一种或两种及以上组成的混合物。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光酸产生剂是二芳基碘鎓盐类，三芳基硫鎓盐类，硝基苄基酯类，磺酸酯类化合物，吩噻噁类化合物，硫杂蒽酮类化合物的任意一种或两种及以上组成的混合物。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述光酸产生剂是以氟化的烷基磺酸根离子作为阴离子的鎓盐。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光学敏感型顶部抗反射涂层可进一步包括，含有作为猝灭剂的含氮有机化合物，所述含氮有机化合物包括：二甲氨基吡啶，叔胺，1,8-双二甲氨基萘，黄连素，胺的聚合物，四烃基氢氧化铵和十六烷基三甲基氢氧化铵中任意一种基团或两种及以上的组合基团。

10.根据权利要求9的所述的方法，其特征在于，所述作为猝灭剂的含氮有机化合物的重量占所述光学敏感型顶部抗反射涂层重量的百分比范围是0.001-1%。