CN105093863A - 一种光刻工艺的曝光后烘烤方法 - Google Patents

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杨正凯
毛智彪
张瑜
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Abstract

本发明公开了一种光刻工艺的曝光后烘烤方法，通过设置至少两个阶段的曝光后烘烤，采用不同的烘烤温度以及烘烤时间，以调整不同阶段的光酸反应速度以及图形尺寸形成的速度。在提高烘烤温度时，可加快光酸反应速度，图像尺寸形成速度同时加快，同时曝光能量降低；在降低烘烤温度时，可降低光酸反应速度，图像尺寸形成速度减缓，同时曝光能量升高。本发明可根据实际需要设定多次烘烤阶段，通过调整不同烘烤阶段的温度以及时间，调整图形形貌，同时降低曝光能量。

Description

一种光刻工艺的曝光后烘烤方法
技术领域
本发明属于半导体光刻工艺技术领域，涉及一种光刻工艺的曝光后烘烤方法。
背景技术
随着半导体集成电路制造工艺的不断进步，线宽的不断减少，半导体器件的面积正变得越来越小。半导体集成电路也从最初的集成电路到大规模集成电路，超大规模集成电路，直至今天的特大规模集成电路，其功能更为全面、强大。考虑到工艺研发的复杂性、长期性和高昂的成本等等不利因素的制约，如何在现有技术的基础上进一步提高器件的集成密度、缩小芯片的面积、以在同一枚硅片上尽可能多的得到有效芯片数，从而提高整体效益，将越来越受到芯片设计者、制造商的重视。
在半导体集成电路制造工艺中，光刻技术无疑是其中最关键的一环。在进行离子注入或刻蚀之前，需要通过光刻工艺形成光刻胶图案，以预先定义出待刻蚀或离子注入的区域。因而，整个芯片工艺所能达到的最小尺寸是由光刻工艺决定的。
现有的光刻工艺，首先在半导体晶片上通过旋涂的方法形成光刻胶层；将该光刻胶层置于曝光设备中，通过曝光工艺对所述光刻胶层进行曝光，将掩模板上的图案转移到光刻胶层中；接着对曝光后的光刻胶层进行曝光后烘烤(PostExposureBake，PEB)；然后对上述的光刻胶层进行显影，光刻胶层被曝光的区域与显影液发生化学反应而溶解，然后用去离子水进行冲洗将溶解的光刻胶去除，从而形成了光刻图案。
现有技术中，曝光后烘烤(PEB)通常采用固定温度以及时间促进光刻胶产生光酸反应，以正性光刻胶(简称正胶)为例，正胶在接收光照的地方会产生化学反应，生成可溶于显影液的化学生成物，曝光后烘烤工艺就是用来促进正胶产生光酸反应。为了更加精确的控制图形形貌，曝光后轰开的温度通常会设定的比较低，使得光刻胶的光酸反应变慢，但这导致曝光能量大幅上升。曝光后烘烤(PEB)通常采用热板对晶片进行加热，加热的温度为80～150℃，通常加热1分钟到2分钟左右。
相关数据表明，不同的烘烤温度以及烘烤时间会造成不同速度的光酸反应，最终影响到最终成像图形的形貌。因此，本领域技术人员亟需提供一种光刻工艺的曝光后烘烤方法，通过调整光刻胶曝光后的烘烤温度以及时间来控制图形形貌，并降低曝光能量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种光刻工艺的曝光后烘烤方法，通过调整光刻胶曝光后的烘烤温度以及时间来控制图形形貌，并降低曝光能量。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种光刻工艺的曝光后烘烤方法，包括以下步骤：
步骤S01、确定图案化光刻胶的形貌及尺寸；
步骤S02、设定至少两次的烘烤阶段，其中，每次烘烤阶段预设不同的烘烤温度和时间；
步骤S03、依次对晶片进行至少两次的曝光后烘烤，获得光刻图形的数据；
步骤S04、根据获得的光刻图形的数据对各烘烤阶段的烘烤温度和时间进行调整，直至满足图案化光刻胶的要求。
优选的，所述步骤S02中，设定三次烘烤阶段，包括第一烘烤阶段、第二烘烤阶段以及第三烘烤阶段；其中，
第一烘烤阶段的烘烤温度大于原始烘烤温度，烘烤时间小于原始烘烤时间，以加快光刻胶的光酸反应速度；
第二烘烤阶段的烘烤温度维持或小于原始烘烤温度，烘烤时间小于原始烘烤时间，以降低光刻胶顶部的光酸反应速度，加快光刻胶底部的光酸反应速度；
第三烘烤阶段的烘烤温度小于第二烘烤阶段的温度，烘烤时间小于原始烘烤时间，以维持光刻胶底部的光酸反应速度。
优选的，所述原始烘烤温度为80～150℃，原始烘烤时间为60s～120s。
优选的，第一烘烤阶段的烘烤温度大于原始烘烤温度5～30℃，烘烤时间为原始烘烤时间的1/3～1/2。
优选的，第二烘烤阶段的烘烤温度维持或小于原始烘烤温度5～30℃，烘烤时间为原始烘烤时间的1/3～1/2。
与现有的方案相比，本发明提供的光刻工艺的曝光后烘烤方法，通过设置至少两个阶段的曝光后烘烤，采用不同的烘烤温度以及烘烤时间，以调整不同阶段的光酸反应速度以及图形尺寸形成的速度。在提高烘烤温度时，可加快光酸反应速度，图像尺寸形成速度同时加快，同时，曝光能量降低；在降低烘烤温度时，可降低光酸反应速度，图像尺寸形成速度减缓，同时曝光能量升高。本发明可根据实际需要设定多次烘烤阶段，通过调整不同烘烤阶段的温度以及时间，调整图形形貌，同时降低曝光能量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明中光刻工艺的曝光后烘烤方法的流程示意图；
图2-5是本发明中曝光后烘烤中光刻胶的结构剖面示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
上述及其它技术特征和有益效果，将结合实施例及附图2-5对本发明的光刻工艺的曝光后烘烤方法进行详细说明。
如图1所示，本发明提供了一种光刻工艺的曝光后烘烤方法，包括以下步骤：
步骤S01、确定图案化光刻胶的形貌及尺寸。
现有光刻工艺中，首先提供半导体晶片，然后再半导体晶片上涂布光刻胶，接着曝光并烘烤光刻胶，再接着向光刻胶喷洒显影液，去除已曝光的区域，形成光刻图案。本步骤中，首先确定刻蚀光刻胶最终形成的光刻图案，即光刻胶的形貌和尺寸。
步骤S02、设定至少两次的烘烤阶段，其中，每次烘烤阶段预设不同的烘烤温度和时间。
由于现有的曝光后烘烤的工艺参数通常采用热板对晶片进行加热，加热的温度为80～150℃，通常加热1分钟到2分钟左右。为了精确控制最终光刻胶的形貌和尺寸，热板的温度设定的比较低，使得光酸反应速度变慢，同时曝光能量大幅上升。
由于热板在提高烘烤温度时，可加快光酸反应速度，图像尺寸形成速度同时加快，同时曝光能量降低；在降低烘烤温度时，可降低光酸反应速度，图像尺寸形成速度减缓，同时曝光能量升高。
基于上述原理，可根据最终光刻胶的形貌和尺寸，设定多个烘烤阶段，每个烘烤阶段具有不同的烘烤温度和时间，不仅可以加快光酸反应速度，提高图像尺寸形成速度，同时还可降低曝光能量，保证光刻胶的形貌。
步骤S03、依次对晶片进行至少两次的曝光后烘烤，获得光刻图形的数据。
本步骤是根据步骤S02中的预设的不同烘烤阶段，对晶片进行曝光后烘烤工艺，接着可以进行显影工艺，去除光刻胶上已曝光的区域，得到光刻图形的数据。
步骤S04、根据获得的光刻图形的数据对各烘烤阶段的烘烤温度和时间进行调整，直至满足图案化光刻胶的要求。
将实际获得的光刻图形的数据与原始光刻胶的形貌及尺寸进行对比，可根据实际需要调整各阶段的烘烤温度以及时间，直至满足图案化光刻胶的要求。
实施例一
首先，确定图案化光刻胶的形貌及尺寸，以图5为例，光刻胶的刻蚀图形为图5中的2所示区域，即在光刻胶中去除2所示区域。
接着，设定三次烘烤阶段，包括第一烘烤阶段、第二烘烤阶段以及第三烘烤阶段。其中，
第一烘烤阶段的烘烤温度大于原始烘烤温度，烘烤时间小于原始烘烤时间，以加快光刻胶的光酸反应速度。
通常，原始烘烤温度为80～150℃，原始烘烤时间为60s～120s，第一烘烤阶段的烘烤温度优选大于原始烘烤温度5～30℃，约为原始烘烤时间的1/3到1/2。其中，温度以及时间的设定根据实际需求而定，有实验表明，若烘烤时间不变，温度提高5℃，曝光能量将会降低超过10mj。由于该阶段中，后烘起始温度设定较高，光刻胶的光酸反应在开始的较短时间内将非常迅速，同时光酸反应区域面积迅速增加，如图2所示，图中1所示区域为加热后光酸反应区域面积。
第二烘烤阶段的烘烤温度维持或小于原始烘烤温度，约为原始烘烤时间的1/3～1/2，以降低光刻胶顶部的光酸反应速度，加快光刻胶底部的光酸反应速度；
本阶段中，降低了热板的烘烤温度，此时，光刻胶内的光酸反应速度将会发生变化，由于光刻胶从顶部到底部温度变化存在差异，所以随着温度的降低，光刻胶顶部的光酸反应速度下降，而光刻胶底部的光酸反应速度将逐步加快。第二烘烤阶段的烘烤温度优选小于原始烘烤温度5～30℃，烘烤时间为原始烘烤时间的1/3～1/2。如图3、4所示，图中2所示区域为温度降低后光酸反应的推进区域。
第三烘烤阶段的烘烤温度维持或小于第二烘烤阶段的温度，烘烤时间小于原始烘烤时间，具体时间可根据光刻胶形貌进行调整，以维持光刻胶底部的光酸反应速度。
本阶段中，此时光刻胶顶部的光酸反应基本停止，底部由于上下温差的关系，反应得以继续，这将减小由于光刻胶内上下温差所带来的光酸反应区域面积的差异温度，使得图形的形貌更加均一(如图5所示)。
综上所述，本发明提供的光刻工艺的曝光后烘烤方法，通过设置至少两个阶段的曝光后烘烤，采用不同的烘烤温度以及烘烤时间，以调整不同阶段的光酸反应速度以及图形尺寸形成的速度。在提高烘烤温度时，可加快光酸反应速度，图像尺寸形成速度同时加快，同时，曝光能量降低；在降低烘烤温度时，可降低光酸反应速度，图像尺寸形成速度减缓，同时曝光能量升高。本发明可根据实际需要设定多次烘烤阶段，通过调整不同烘烤阶段的温度以及时间，调整图形形貌，同时降低曝光能量。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种光刻工艺的曝光后烘烤方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S01、确定图案化光刻胶的形貌及尺寸；
步骤S02、设定至少两次的烘烤阶段，其中，每次烘烤阶段预设不同的烘烤温度和时间；
步骤S03、依次对晶片进行至少两次的曝光后烘烤，获得光刻图形的数据；
步骤S04、根据获得的光刻图形的数据对各烘烤阶段的烘烤温度和时间进行调整，直至满足图案化光刻胶的要求。
2.根据权利要求1所述的光刻工艺的曝光后烘烤方法，其特征在于，所述步骤S02中，设定三次烘烤阶段，包括第一烘烤阶段、第二烘烤阶段以及第三烘烤阶段；其中，
第一烘烤阶段的烘烤温度大于原始烘烤温度，烘烤时间小于原始烘烤时间，以加快顶部光刻胶的光酸反应速度；
第二烘烤阶段的烘烤温度维持或小于原始烘烤温度，烘烤时间小于原始烘烤时间，以降低光刻胶顶部的光酸反应速度，加快光刻胶底部的光酸反应速度；
第三烘烤阶段的烘烤温度小于第二烘烤阶段的温度，烘烤时间小于原始烘烤时间，以维持光刻胶底部的光酸反应速度。
3.根据权利要求2所述的光刻工艺的曝光后烘烤方法，其特征在于，所述原始烘烤温度为80～150℃，原始烘烤时间为60s～120s。
4.根据权利要求2所述的光刻工艺的曝光后烘烤方法，其特征在于，第一烘烤阶段的烘烤温度大于原始烘烤温度5～30℃，烘烤时间为原始烘烤时间的1/3～1/2。
5.根据权利要求2所述的光刻工艺的曝光后烘烤方法，其特征在于，第二烘烤阶段的烘烤温度维持或小于原始烘烤温度5～30℃，烘烤时间为原始烘烤时间的1/3～1/2。
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