CN106292186B - 一种光刻方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光刻方法，包括：提供一衬底；在衬底上涂覆底层材料层，并且对底层材料层进行烘烤；其中，在底层材料层表面形成微气泡和/或微孔；对底层材料层进行表面处理工艺来消除底层材料层表面的微气泡和/或微孔；在经表面处理的底层材料层上形成中间层；在中间层上形成顶层光刻胶，然后进行曝光工艺。本发明通过对底层材料层表面进行溶剂或含氧等离子体的表面处理，利用化学溶剂的溶解作用或含氧等离子体的物理轰击以及化学作用，能消除底层材料层表面固有的微气泡和/或微孔，解决了微气泡和/或微孔在后续工艺过程中由于高温烘烤的作用而胀大形成大气泡的问题，从而降低了光刻胶的缺陷，提高光刻工艺质量和产品良率。

Description

一种光刻方法
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种光刻方法。
背景技术
随着半导体器件的集成度的不断提高，集成电路制造工艺中的线宽尺寸原来越小，也即光刻工艺的分辨率越来越小，为了实现不断变小的分辨率，光刻工艺中的光刻胶厚度也要求随之变薄，但是光刻胶厚度变薄又会产生另外一个副作用，即在后续薄膜刻蚀工艺中，由于光刻胶太薄而引起的抗刻蚀能力下降的问题。为了解决分辨率和抗刻蚀能力之间的这个矛盾，在40纳米节点以下产品的光刻工艺中，通常都会引入一种三层光刻胶工艺(Tri-layer photoresist process)，请参阅图1，三层光刻胶工艺一般包括以下步骤：
(1)在已完成薄膜材料200生长的衬底100上涂布底层材料层300，并烘烤；
(2)中间层抗反射材料400的涂布及烘烤；
(3)顶层光刻胶500的涂布、烘烤、曝光及显影。
上述三层光刻胶工艺的特点就是光刻胶500对底层材料层300的刻蚀选择比要比光刻胶500对薄膜材料200的刻蚀选择比要高，利用这个特点，可以以较薄的光刻胶500的图案为掩膜，先刻蚀出底层材料层300的图案，然后再以底层材料层300的图案为掩膜，刻蚀薄膜材料200从而形成所需的图案。从而解决传统两层光刻胶(底部抗反射材料400和光刻胶500)工艺中分辨率和抗刻蚀能力之间的这个矛盾。
但是，在传统的三层光刻胶工艺中，在进行步骤(1)的底层材料300的烘烤时，底层材料层300内部的一些微气泡由于烘烤的作用会向上聚集于底层材料层300的表面，但由于通常底层材料层300的厚度都较厚，有一些微气泡在向上聚集的过程中来不及从底层材料层300的表面溢出，从而会在底层材料300的表面形成聚集一些微气泡610(micro-bubble)或微孔620(micro-hole)，如图2所示，而在后续步骤(2)中，中间层抗反射材料400的烘烤温度又比较高，在高温情况下，底层材料层300表面的微气泡610非常容易胀大甚至破裂泡，进而产生如图2的气泡缺陷(bubble defect)，而底层材料层300表面的微孔620在经过中间层抗反射材料400的涂布之后，会被中间层抗反射材料400的液体填满，在经过后续的高温烘烤后，由于液体的受热挥发也会产生如图3A所示的大气泡缺陷，请参阅图3B，为气泡缺陷在衬底上的分布图，该气泡缺陷会严重影响后续的刻蚀工艺进而影响产品良率。
发明内容
为了克服以上问题，本发明旨在提供一种光刻方法，从而避免三层光刻胶工艺中底层材料表面的微气泡和/或微孔、以及后续工艺中成为大气泡的缺陷。
为了达到上述目的，本发明提供了一种光刻方法，包括：
步骤01：提供一衬底；
步骤02：在衬底上涂覆底层材料层，并且对底层材料层进行烘烤；其中，在底层材料层表面形成微气泡和/或微孔；
步骤03：对底层材料层进行表面处理工艺来消除底层材料层表面的微气泡和/或微孔；
步骤04：在经表面处理的底层材料层上形成中间层；
步骤05：在中间层上形成顶层光刻胶，然后进行曝光工艺。
优选地，所述步骤03中，所述表面处理工艺包括：在底层材料层表面施加化学溶剂或者采用含氧等离子体刻蚀来去除底层材料层表面的含有微气泡和/或微孔的薄层。
优选地，在底层材料层表面施加化学溶剂的方法具体包括：
步骤031：以第一速率旋转所述衬底，在第一时间内将所述化学溶剂形成于所述底层材料层表面；
步骤032：以第二速率旋转所述衬底，从而甩掉所述底层材料层表面的所述化学溶剂，使所述底层材料表面干燥；其中，在步骤031的第一时间结束后，所述化学溶剂将底层材料层表面的含有微气泡和/或微孔的薄层溶解掉，所述步骤032甩掉的所述化学溶剂包含被溶解掉的所述薄层。
优选地，所述第二速率大于所述第一速率。
优选地，所述步骤031之后且在所述步骤032之间，还包括：将所述衬底静置第二时间。
优选地，所述采用含氧等离子体刻蚀来去除底层材料层表面的含有微气泡和/或微孔的薄层，所采用的刻蚀时间为5～150秒。
优选地，所述采用含氧等离子体刻蚀来去除底层材料层表面的含有微气泡和/或微孔的薄层，采用100～5000sccm流量的氧气，采用的气体压强为50-5000mTorr。
优选地，所述步骤02具体包括：在衬底上涂覆底层材料层，并且对底层材料层进行烘烤；然后重复该过程多次。
优选地，所述底层材料层的材料为填充性材料或硬掩膜材料。
本发明通过对底层材料层表面进行溶剂或含氧等离子体的表面处理，利用化学溶剂的溶解作用或含氧等离子体的物理轰击以及化学作用，能消除底层材料层表面固有的微气泡和/或微孔，解决了微气泡和/或微孔在后续工艺过程中由于高温烘烤的作用而胀大形成大气泡的问题，从而降低了光刻胶的缺陷，提高光刻工艺质量和产品良率。
附图说明
图1为现有的三层光刻胶工艺所形成的衬底的截面结构示意图
图2为现有的三层光刻胶工艺中底层材料层经烘烤后的截面结构示意图
图3A为现有的底层材料层上涂布抗反射材料之后形成的大气泡缺陷图
图3B为现有的衬底上气泡缺陷分布图
图4为本发明的一个较佳实施例的光刻方法的流程示意图
图5-9为本发明的一个较佳实施例的光刻方法的各步骤示意图
图10为本发明的一个较佳实施例的图案化目标图案层之后的结构示意图
图11为本发明的一个较佳实施例的衬底上气泡缺陷分布示意图
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
以下结合附图4-11和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。
请参阅图4，本实施例的光刻方法包括：
步骤01：提供一衬底；
具体的，请参阅图5，这里的衬底0可以但不限于为硅衬底。衬底0的表面还具有一层薄膜1，该薄膜1作为目标图案层。也可以直接用衬底0作为目标图案层。
步骤02：在衬底上涂覆底层材料层，并且对底层材料层进行烘烤；其中，在底层材料层表面形成微气泡和/或微孔；
具体的，请参阅图6，底层材料层2的材料可以为填充性材料或硬掩膜材料；底层材料层2可以对位于底层材料层底部的目标图案层(薄膜1)进行平坦化，这是因为目标图案层(薄膜1)上可能具有台阶或凹陷等，利用底层材料层2形成于目标图案层(薄膜1)上来对台阶或凹陷进行填充以达到平坦化目的，有利于增加后续光刻的工艺窗口，底层材料层2还作为后续刻蚀目标图案层(薄膜1)的掩膜层。这里底层材料层2经烘烤后的厚度为100-500nm。在底层材料层2的烘烤过程中，其内部的一些微气泡由于烘烤的作用会向上聚集于底层材料层2的表面，但由于通常底层材料层2的厚度都较厚，有一些微气泡在向上聚集的过程中来不及从底层材料层2的表面溢出，从而会在底层材料层的表面聚集一些微气泡K1(micro-bubble)或微孔K2。
较佳的，为了减少底层材料层2的表面聚集的微气泡K1或微孔K2，也可以：首先在衬底0上(本实施例中在衬底0的薄膜1上)涂覆底层材料层2，并且对底层材料层2进行烘烤；然后重复该过程多次的方法，这样每次涂布的底层材料层2的厚度可以相对减小一些，更有利于微气泡K1或微孔K2的溢出。所述底层材料层涂布烘烤后的最终厚度为100-500nm。
步骤03：对底层材料层进行表面处理工艺来消除底层材料层表面的微气泡和/或微孔；
具体的，请参阅图7，表面处理工艺包括：在底层材料层2表面施加化学溶剂或者采用含氧等离子体刻蚀来去除如图6中的底层材料层2表面的含有微气泡K1和/或微孔K2的薄层。
本实施例中，在底层材料层2表面施加化学溶剂的方法具体包括：
步骤031：以第一速率旋转衬底0，在第一时间内将化学溶剂形成于底层材料层2表面；这里，当衬底0保持静止(第一速率为零)或低转速旋转时，在底层材料层2的表面喷涂化学溶剂，使化学溶剂铺满底层材料层2的整个表面，第一时间可以为1-100秒，第一时间结束后，停止喷涂。
步骤032：以第二速率旋转衬底0，从而甩掉底层材料层2表面的化学溶剂，使底层材料层2表面干燥；其中，在步骤031的第一时间结束后，化学溶剂将如图6所示的底层材料层2表面的含有微气泡K1和/或微孔K2的薄层溶解掉，步骤032甩掉的化学溶剂包含被溶解掉的上述含有微气泡K1和/或微孔K2的薄层。这里，第二速率大于第一速率；步骤031之后且在步骤032之间，还可以包括：将衬底0静置第二时间。第二时间可以为1～200秒；在用溶剂对底层材料层2进行表面处理过程中，利用化学溶剂对底层材料层2的微弱的溶解能力，将底层材料层2表面含有微气泡K1和/或微孔K2的薄层溶解去除。
本实施例中，还可以采用含氧等离子体刻蚀来去除底层材料层2表面的含有微气泡K1和/或微孔K2的薄层；其中，采用100～5000sccm流量的氧气，采用的气体压强为50-5000mTorr，射频功率为50～1500W，刻蚀时间为5～150秒，在用含氧等离子体对底层材料层2进行表面处理过程中，利用含氧等离子体对底层材料层2表面的物理轰击以及化学作用，将底层材料层2表面的含有微气泡K1和/或微孔K2的薄层刻蚀去除。
步骤04：在经表面处理的底层材料层上形成中间层；
具体的，请参阅图8，中间层3的材料可以为抗反射材料。中间层3的烘烤温度大于200℃，烘烤时间大于30秒。由于在步骤03就已经将底层材料层2表面的微气泡K1和/或微孔K2通过表面处理去除掉了，所以在中间层3的烘烤过程中，因此就不会发生传统三层光刻胶工艺中微气泡和/或微孔由于高温烘烤的作用而胀大形成大气泡的问题。如图11所示，图11为本发明的一个较佳实施例的衬底上气泡缺陷分布示意图，由此可知，采用本实施例的方法之后，没有发生传统方法中的如图3B所示的环状分布的缺陷，在扫描式电子显微镜下也没有看到如图3A所示的气泡缺陷。
步骤05：在中间层上形成顶层光刻胶，然后进行曝光工艺。
具体的，请参阅图9，顶层光刻胶4的涂布、烘烤、曝光及显影，经过此步骤05之后，请参阅图10，再以顶层光刻胶4的曝光图案为掩膜层，分别刻蚀中间层3和底层材料层2，然后再以底层材料层2中所形成的图案为掩膜来刻蚀目标图案层(薄膜1)，从而在目标图案层(薄膜1)中形成所需图案。在刻蚀目标图案层之后，顶层光刻胶4和中间层3也可能会被消耗掉。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种光刻方法，其特征在于，包括：
步骤01：提供一衬底；
步骤02：在衬底上涂覆底层材料层，并且对底层材料层进行烘烤；其中，在底层材料层表面形成微气泡和/或微孔；
步骤03：对底层材料层进行表面处理工艺来消除底层材料层表面的微气泡和/或微孔；
步骤04：在经表面处理的底层材料层上形成中间层；
步骤05：在中间层上形成顶层光刻胶，然后进行曝光工艺。
2.根据权利要求1所述的光刻方法，其特征在于，所述步骤03中，所述表面处理工艺包括：在底层材料层表面施加化学溶剂或者采用含氧等离子体刻蚀来去除底层材料层表面的含有微气泡和/或微孔的薄层。
3.根据权利要求2所述的光刻方法，其特征在于，在底层材料层表面施加化学溶剂的方法具体包括：
步骤031：以第一速率旋转所述衬底，在第一时间内将所述化学溶剂形成于所述底层材料层表面；
步骤032：以第二速率旋转所述衬底，从而甩掉所述底层材料层表面的所述化学溶剂，使所述底层材料表面干燥；其中，在步骤031的第一时间结束后，所述化学溶剂将底层材料层表面的含有微气泡和/或微孔的薄层溶解掉，所述步骤032甩掉的所述化学溶剂包含被溶解掉的所述薄层。
4.根据权利要求3所述的光刻方法，其特征在于，所述第二速率大于所述第一速率。
5.根据权利要求3所述的光刻方法，其特征在于，所述步骤031之后且在所述步骤032之间，还包括：将所述衬底静置第二时间。
6.根据权利要求2所述的光刻方法，其特征在于，所述采用含氧等离子体刻蚀来去除底层材料层表面的含有微气泡和/或微孔的薄层，所采用的刻蚀时间为5～150秒。
7.根据权利要求6所述的光刻方法，其特征在于，所述采用含氧等离子体刻蚀来去除底层材料层表面的含有微气泡和/或微孔的薄层，采用100～5000sccm流量的氧气，采用的气体压强为50-5000mTorr。
8.根据权利要求1所述的光刻方法，其特征在于，所述步骤02具体包括：在衬底上涂覆底层材料层，并且对底层材料层进行烘烤；重复该步骤02多次。
9.根据权利要求1所述的光刻方法，其特征在于，所述底层材料层的材料为填充性材料或硬掩膜材料。
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