CN109256330A - 一种光刻方法 - Google Patents

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Abstract

本发明技术方案公开了一种光刻方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有介质层，所述介质层的表面附有碱性基团和/或负电荷；对所述半导体衬底上的介质层进行表面处理工艺，所述表面处理工艺采用的反应源适于产生酸性基团和/或正电荷；在所述表面处理工艺后，在所述介质层上涂布光阻材料，进行光刻工艺。本发明技术方案可以改善光刻效果，并且降低工艺复杂度。

Description

一种光刻方法
技术领域
本发明涉及半导体制造工艺领域，尤其涉及一种光刻方法。
背景技术
在集成电路半导体制造工艺中，关键尺寸(CD，Critical Dimension)的大小可通过光刻工艺来实现。随着器件尺寸的缩小，光刻需要波长更短的紫外光及与之相兼容的光阻(PR，Photoresist)。在例如248nm或193nm光刻工艺中，PR经曝光后会产生氢离子(H+)，促进反应的进行，但介质层中若存在碱性基团，如氮氧化硅(SiON)层、氮化硅(SiN)层中存在氨基(-NH2)，就会与H+中和阻碍反应的进行，使曝光区域的PR不能完全反应，显影后形成光阻底膜残留(footing)的缺陷(defect)，影响CD。另一方面，如果介质层(如SiN层，二氧化硅(SiO2)层)表面带有负电荷，过多的负电荷会吸附环境中的水分子，使得介质层表面变为亲水性，不利于PR的涂覆，也会导致光阻形貌(profile)缺陷产生。
当前的工艺是在介质层上先制备一层底部抗反射涂层(BARC，Bottom Anti-Reflective Coating)来提高抗反射效果或涂布一层增黏剂(六甲基二硅氮烷HMDS，Hexamethyldisilazane)来增加PR的黏附性。但该方法不仅会增加一道涂布工艺，而且曝光后也需要通过刻蚀将BARC或HMDS除去，增加了工艺的复杂度。因此，发展一种简单的方法来改善介质表面性质，有利于提高光刻效果。
发明内容
本发明技术方案要解决的技术问题是如何改善光刻效果，且降低工艺复杂度。
为解决上述技术问题，本发明技术方案提供一种光刻方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有介质层，所述介质层的表面附有碱性基团和/或负电荷；对所述半导体衬底上的介质层进行表面处理工艺，所述表面处理工艺采用的反应源适于产生酸性基团和/或正电荷；在所述表面处理工艺后，在所述介质层上涂布光阻材料，进行光刻工艺。
可选的，所述介质层由含氮反应源制备形成。
可选的，所述表面处理工艺为等离子体表面处理工艺或酸性化学反应源表面处理工艺。
可选的，所述等离子体表面处理工艺的反应源包括：氢气、烷烃、烯烃、炔烃、氯化氢，氟化氢或含氢的物质。
可选的，所述光刻方法还包括：控制反应源流量和/或调整射频功率，以使等离子体密度与所述碱性基团数量和/或负电荷数量相适应。
可选的，所述等离子体表面处理工艺在表面处理装置的腔体中进行，所述反应源在腔体外或腔体内解离成等离子体。
可选的，所述光刻方法还包括：通过电磁过滤装置过滤掉等离子体中的负离子。
可选的，所述酸性化学反应源表面处理工艺的反应源包括：氮氧化物、氯化氢，氟化氢或二氧化碳。
可选的，所述光刻方法还包括：控制反应源流量，以使反应源的通入量与所述碱性基团数量和/或负电荷数量相适应。
可选的，所述光刻方法还包括：在表面处理反应过程中，对形成有介质层的所述半导体衬底进行加热。
与现有技术相比，本发明技术方案具有以下有益效果：
利用表面处理工艺改变介质层材料表面的物理化学性质，利用反应源的酸性基团中和介质表面的碱性基团，以此降低介质层表面的碱性基团浓度，使后续光阻经曝光后产生的氢离子不会被中和，由此促进曝光反应的进行，抑制光刻后的光阻形貌缺陷。另一方面，介质层表面的负电荷可通过表面处理工艺产生的正电荷中和，使介质表面由亲水性变为疏水性，从而有利于光阻的黏附。因此，本发明技术方案改善了光刻效果。
光阻可以直接涂布在经过表面处理过的介质层表面，省去了光刻前涂布底部抗反射涂层或涂布增黏剂和光刻后去除底部抗反射涂层或增黏剂的步骤，从而降低了工艺复杂度。
附图说明
图1至图7为光刻工艺中形成缺陷的实例说明示意图；
图8和图9为一种光刻方法对应的结构示意图；
图10为本发明技术方案的光刻方法的流程示意图；
图11和图12为本发明实施例的光刻方法采用表面处理工艺的实例示意图。
具体实施方式
在半导体衬底上形成介质层的过程中，如果反应物含氮(N)，都可能引入碱性基团，如图1所示，以在半导体衬底10上形成氮氧化硅(SiON)层11为例，反应式为：SiH4+NH3+N2O→SiON+Byproducts,反应物含N，副产物(Byproducts)会引入碱性基团(如-NH2)。如图2所示，当在SiON层11上涂覆光阻层12后，采用深紫外光(DUV，Deep Ultra-Violet)对光阻层12进行曝光，PR经曝光后会产生氢离子(H+)，促进反应的进行，但H+会与SiON层11表面存在的-NH2中和，从而阻碍反应的进行，使曝光区域的PR不能完全反应，显影后形成例如footing的缺陷，如图3的虚线区域所示，而理想情况下，PR完全反应形成的形貌如图4所示。
另一种情况，介质层表面附带的负电荷可能会吸附水分子,如图5至图7所示，以在半导体衬底20上形成氮化硅(SiN)层21为例，SiN表面的负电荷会吸引水分子(H2O)，在SiN表面形成羟基(-OH)，吸水后SiN表面变为亲水性(hydrophilic)，不利于PR的黏附。
基于上述问题，以介质层为SiON层为例，如图8所示，可以在SiON层11上先形成氧化(OX)层13，在OX层13与PR层12之间旋涂一层BARC14以提高抗反射效果，同时避免PR直接与OX接触；或者，如图9所示，在OX层13与PR层12之间旋涂一层HMDS15以增加PR的黏附性。这两种方法不仅会增加一道涂布工艺，而且曝光后也需要通过刻蚀将BARC或HMDS除去，增加了工艺的复杂度。
为解决现有技术的问题，本发明技术方案提出了一种光刻方法，利用表面处理工艺(例如等离子体(plasma)表面处理工艺或酸性化学反应源表面处理工艺)改变介质层材料表面的物理化学性质，通过表面处理工艺产生酸性基团中和碱性基团，或者通过等离子体轰击除去介质层表面的杂质(包括碱性基团)，从而降低介质层表面的碱性基团浓度，使光阻经曝光后产生的氢离子不会被中和，由此促进曝光反应的进行，抑制光刻后的光阻形貌缺陷。另一方面，介质层表面的负电荷可通过表面处理工艺产生的正电荷中和，使介质表面由亲水性变为疏水性，从而有利于光阻的黏附。
请参考图10，本发明技术方案的光刻方法包括：
步骤S11，提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有介质层，所述介质层的表面附有碱性基团和/或负电荷；
步骤S12，对所述半导体衬底上的介质层进行表面处理工艺，所述表面处理工艺采用的反应源适于产生酸性基团和/或正电荷；
步骤S13，在所述表面处理工艺后，在所述介质层上涂布光阻材料，进行光刻工艺。
其中，所述介质层的材料可以为氮氧化硅(SiON)、氮化硅(SiN)或二氧化硅(SiO2)、氮碳化硅、碳氧化硅等适用于作为介质层的材料，所述介质层通常是由含氮反应源制备形成。以所述介质层为SiON层为例，其表面杂质包括有阻碍PR反应的-NH2。以所述介质层为SiN层为例，其表面杂质包括有阻碍PR反应的-NH2和影响PR黏附性的负电荷。以所述介质层为SiO2层为例，其表面杂质包括有影响PR黏附性的负电荷。
本发明实施例中，所述表面处理工艺为等离子体表面处理工艺或酸性化学反应源表面处理工艺。所述等离子体表面处理工艺的反应源可以包括：氢气(H2)、烷烃(CnH2n+2)、烯烃(CnH2n)、炔烃(CnH2n-1)、氯化氢(HCl)，氟化氢(HF)或含氢的物质等。所述酸性化学反应源表面处理工艺的反应源可以包括：氮氧化物(NOX)、氯化氢(HCl)，氟化氢(HF)或二氧化碳(CO2)等酸性反应源。以下结合附图11和图12进行详细说明，图中示出了形成有介质层的半导体衬底在表面处理装置的腔体30中进行反应的过程，酸性基团水解或电离能够产生氢离子(H+)，可以与碱性基团中和，H+也可以作为与负电荷中和的正电荷。
请参考图11和图12，半导体衬底置于表面处理装置的腔体30中。以采用酸性化学反应源表面处理工艺为例，反应源通过入口31进入腔体30进行反应。以采用等离子体表面处理工艺为例，对于不会引入新的杂质或引入杂质含量较少的反应源(比如H2)，可以通过入口31进入腔体30然后在腔体30内解离成等离子体，也可以先在腔体30外解离成等离子体然后通过入口31进入腔体30，或者同时在腔体30内和腔体30外进行解离；对于会引入新的杂质的反应源(比如CH4，HCl，HF)，较佳地，可以在腔体30外解离成等离子体后通过入口31进入腔体30。进一步，为了只让H+进入腔体30，防止其他粒子(比如碳、氯、氟等)进入污染半导体衬底及腔体，还可以将H+之外的粒子过滤掉。具体地，可以通过电磁过滤装置过滤掉等离子体中的负离子，其是通过施加电磁场，利用不同离子在电磁场中的运动方向及速度不同而筛选出特定的离子。
表面处理装置的喷淋头(Showerhead)32为可选的，Showerhead主要用于在沉积薄膜时让反应源均匀地流入腔体，如果表面处理和沉积共用一个腔体，则喷淋头32可以使反应源或反应源等离子体均匀进入腔体，如果表面处理是单独的腔体，则可以不包括喷淋头32。
请参考图11，半导体衬底10上的介质层为SiON层11，腔体30内的H+与SiON层11表面的-NH2中和，在后续光刻工艺中，由于介质表面没有-NH2或者-NH2浓度很低，光阻经曝光后产生的H+不会因被中和而减少，由此促进曝光反应的进行，抑制光刻后的光阻形貌缺陷。需要说明的是，如果采用等离子体表面处理工艺，由于等离子体具有高能量，在表面反应时也会撞击表面，轰击除去介质层表面的杂质(包括碱性基团)，从而进一步降低SiON层11表面的碱性基团浓度。
请参考图12，半导体衬底20上的介质层为SiN层21，腔体30内的H+(正电荷)与SiN层21表面的负电荷中和，介质表面不会吸附水分子，由亲水性变为疏水性，从而有利于光阻的黏附，由此解决因光阻黏附不好而引起的光阻缺陷。
进一步，在表面处理反应过程中，可以通过调节相关工艺参数来优化表面处理工艺。
以采用等离子体表面处理工艺为例，腔体内的等离子体密度是与反应源流量和射频功率(RF power)相关的：反应源流量过大会造成浪费及污染颗粒(particle)的产生，反应源流量过小则反应源的通入量少，使解离的等离子体密度过低而可能会增加反应时间，影响产能；射频源用于将反应源解离成等离子体，RF power太小可能导致反应源解离不完全，影响反应效果，RF power过大可能会导致等离子体密度过高，使表面过度反应，产生颗粒(particle)，并且高密度等离子体轰击可能会破坏薄膜表面。因此，可以通过控制反应源流量或调整射频功率来调整等离子体密度，也可以同时通过控制反应源流量和调整射频功率来调整等离子体密度，以使等离子体密度与所述碱性基团数量和/或负电荷数量相适应。这里所说的等离子体密度与碱性基团数量和/或负电荷数量相适应是指腔体内的等离子体足够与介质层表面的碱性基团、负电荷中和且不会破坏介质层表面。
以采用酸性化学反应源表面处理工艺为例，腔体内的氢离子浓度与反应源的通入量相关：因为介质表面的碱性基团、负电荷数量是有限的，通入的反应源只要足够与表面完全反应即可，反应源流量过大会造成浪费及污染颗粒的产生，反应源流量过小可能会使反应时间增加，影响产能。因此，可以通过控制反应源流量，以使反应源的通入量与所述碱性基团数量和/或负电荷数量相适应。这里所说的反应源的通入量与碱性基团数量和/或负电荷数量相适应是指腔体内的反应源足够与介质层表面的碱性基团、负电荷中和。
此外，还可以适当地调整反应时间来优化表面处理过程，因为反应时间太短可能会反应不完全，导致介质表面仍有碱性基团、负电荷存在；时间过长会反应过度，使得介质表面H+浓度过高，同样会影响后续光刻效果。
仍请参考图11和图12，表面处理装置还可以包括加热装置33，在表面处理反应过程中，加热装置33还可以对形成有介质层的所述半导体衬底进行加热。加热的作用是促进表面反应的进行，加速副产物的脱附(比如NH3、H2O等脱离介质层表面)。加热的温度应适当，温度太高可能会对前面的工艺产生影响(比如离子植入、硅化物等受高温影响较大)，导致器件失效，高温可以提高薄膜的纯度，降低杂质(比如碱性基团)含量，但高温会破坏前面工艺，影响器件可靠性。另外，未反应的反应物及副产物、载气、稀释气体等可以在反应过程中或反应完后通过腔体底部的出口34排出(pump)。
经过介质层表面处理后的半导体衬底，不需要再在介质层上涂布BARC或HMDS，而可以直接在表面处理过的介质层上涂布光阻材料，光阻材料可以很好地黏附在介质层上，并且后续进行光刻工艺时，光阻经曝光产生的氢离子因为没有介质表面的碱性基团中和，而可以用于促使光阻反应完全，最终形成形貌良好的光阻图形。
本发明虽然已以较佳实施方式公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种光刻方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有介质层，所述介质层的表面附有碱性基团和/或负电荷；
对所述半导体衬底上的介质层进行表面处理工艺，所述表面处理工艺采用的反应源适于产生酸性基团和/或正电荷；
在所述表面处理工艺后，在所述介质层上涂布光阻材料，进行光刻工艺。
2.如权利要求1所述的光刻方法，其特征在于，所述介质层由含氮反应源制备形成。
3.如权利要求1所述的光刻方法，其特征在于，所述表面处理工艺为等离子体表面处理工艺或酸性化学反应源表面处理工艺。
4.如权利要求3所述的光刻方法，其特征在于，所述等离子体表面处理工艺的反应源包括：氢气、烷烃、烯烃、炔烃、氯化氢，氟化氢或含氢的物质。
5.如权利要求4所述的光刻方法，其特征在于，还包括：控制反应源流量和/或调整射频功率，以使等离子体密度与所述碱性基团数量和/或负电荷数量相适应。
6.如权利要求4所述的光刻方法，其特征在于，所述等离子体表面处理工艺在表面处理装置的腔体中进行，所述反应源在腔体外或腔体内解离成等离子体。
7.如权利要求4所述的光刻方法，其特征在于，还包括：通过电磁过滤装置过滤掉等离子体中的负离子。
8.如权利要求3所述的光刻方法，其特征在于，所述酸性化学反应源表面处理工艺的反应源包括：氮氧化物、氯化氢，氟化氢或二氧化碳。
9.如权利要求8所述的光刻方法，其特征在于，还包括：控制反应源流量，以使反应源的通入量与所述碱性基团数量和/或负电荷数量相适应。
10.如权利要求1至9任一项所述的光刻方法，其特征在于，还包括：在表面处理反应过程中，对形成有介质层的所述半导体衬底进行加热。
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