CN109459913A - 一种光刻方法 - Google Patents

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张锋
吴孝哲
吴龙江
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    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor

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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；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包括具有强氧化性的物质；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。
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；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包括具有强氧化性的物质；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，所述反应源包括臭氧、氧气、氯气或过氧化氢。
可选的，所述反应源为臭氧和氧气的混合气体。
可选的，所述反应源中的臭氧通过静电放电、电解或紫外线照射产生，反应原料为氧气。
可选的，所述光刻方法还包括：控制反应源流量、反应源的臭氧浓度和/或反应源的通入压力，以使臭氧量与所述介质层表面的碱性基团数量相适应。
可选的，所述反应源流量范围为100sccm～30000sccm；所述反应源的臭氧浓度范围为5wt％～25wt％；所述反应源的通入压力范围为100mTorr～760Torr。
可选的，还包括：控制反应时间，以使表面处理反应完全。
可选的，所述反应时间范围为5s～60s。
可选的，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。
可选的，所述加热的温度范围为100℃～440℃。
与现有技术相比，本发明技术方案具有以下有益效果：
通过表面处理工艺改变介质层材料表面的物理化学性质，利用反应源的具有强氧化性的物质和介质表面的具有还原性的碱性基团的氧化还原反应，以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碱性基团中和，促进了曝光反应的进行，抑制光刻后的光阻形貌缺陷，由此改善了光刻效果。
介质层表面的有机污染物也可以被氧化性的物质(例如臭氧)氧化成可挥发性物质除去，由此可以对衬底表面起到清洁的作用，进一步改善光刻效果。
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4为光刻工艺中形成缺陷的实例说明示意图；
图5和图6为一种光刻方法对应的结构示意图；
图7为本发明技术方案的光刻方法的流程示意图；
图8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。
基于上述问题，以介质层为SiON层为例，如图5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6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，利用表面处理工艺改变介质层材料表面的物理化学性质，通过具有强氧化性的物质和具有还原性的碱性基团的氧化还原反应，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。
请参考图7，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；
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包括具有强氧化性的物质；
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。另外，介质层表面杂质也可包括有机污染物。
反应源应具有强氧化性，且不会在反应过程中引入多余杂质。例如，反应源可以包括臭氧。反应源也可以包括氧气，但需要较高温度(如400℃左右)才可以与氨基反应，较低温度则需要将氧气解离(比如利用plasma解离)成氧自由基或激发态氧才具有强氧化性。其他物质如氯气、过氧化氢等也可以作为反应源。氟气也具有强氧化性，但腐蚀性太强，一般不使用。
以下以反应源包括臭氧为例，结合附图8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。
请参考图8，半导体衬底置于表面处理装置的腔体30中。反应源通过入口31进入腔体30进行反应。在腔体30中进行表面处理反应的反应源包括臭氧(Ozone,O3)，O3具有高反应活性及强氧化性。利用O3对介质(如SiON)处理可降低介质中杂质含量，提高介质材料的纯度。本实施例中，所述反应源为臭氧和氧气的混合气体。所述反应源中的臭氧可以通过静电放电、电解或紫外线照射等方法产生，反应原料为氧气，可以参考如下反应式：O2→2O,O+O2→O3。臭氧具有不稳定性，一般在臭氧发生器中产生，然后经过入口31通入表面处理装置的腔体30内。
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。
如图8所示，以半导体衬底10上的介质层为SiON层11为例，腔体30内的具有强氧化性的O3与SiON层11表面具有还原性的-NH2进行氧化还原反应，可以参考如下反应式：-NH2+O3→NOx(氮氧化物)+H2O。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-NH2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。
另外，O3还可以对衬底表面起到清洁的作用，因为介质层表面的有机污染物可以被O3氧化成可挥发性物质除去，可以参考如下反应式：CxHyOzN+O3→CO2+NOx+H2O+otherbyproducts(其他副产物)。
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。
具体地，腔体内的臭氧量是与反应源流量、反应源的臭氧浓度、反应源的通入压力相关的：反应源流量过大则通入的臭氧量过多会造成浪费及污染颗粒(particle)的产生；反应源流量过小则臭氧的通入量少，使臭氧量过低而可能会增加反应时间，影响产能。臭氧浓度大使臭氧量多，则可以缩短反应时间，但浓度过大易发生爆炸；臭氧浓度过低使臭氧量过低，则可能会使反应时间过长，影响产能。反应源的通入压力大使通入的臭氧量多，则可以缩短反应时间，但压力过大易发生爆炸；反应源的通入压力过小使臭氧量过低，则可能会使反应时间过长，影响产能。因此，可以通过控制反应源流量或反应源的臭氧浓度或反应源的通入压力来调整腔体内的臭氧量，也可以通过控制反应源流量、反应源的通入压力和反应源的臭氧浓度来调整腔体内的臭氧量，以使臭氧量与所述碱性基团数量相适应。这里所说的臭氧量与碱性基团数量相适应是指腔体内的臭氧足够与介质层表面的碱性基团反应且不会破坏介质层表面。反应源流量、反应源的臭氧浓度、反应源的通入压力根据实际工艺设定，在一个实例中，所述反应源流量范围可以为100标准毫升/分钟(sccm)～30000sccm；所述反应源的臭氧浓度以质量百分比表示，范围可以为5wt％～25wt％；所述反应源的通入压力范围可以为100mTorr(毫托)～760Torr。
除了控制反应源的相关参数外，还可以适当地控制反应时间(即表面处理工艺的时间)来优化表面处理过程。因为反应时间过短，会使得表面反应不完全，导致介质表面仍有较多碱性基团，从而影响后续光刻效果；反应时间过长，臭氧不仅在介质层表面反应，也可能会扩散进入薄膜内部反应，影响薄膜内部组成，例如，SiON与O3反应，表面-NH2被氧化后，O3进入SiON内部，可能会生成SiO2，导致薄膜成分改变，影响抗反射效果。反应时间根据实际工艺设定，在一个实例中，所述反应时间范围可以为5秒(s)～60s。
仍请参考图8，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NOx、H2O等脱离介质层表面)。加热的温度应适当，温度高，臭氧分解加快，从而使表面反应加快，但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)，由此影响器件性能和可靠性，导致器件失效；温度过低，臭氧分解缓慢，表面反应较慢，使反应时间过长。加热温度根据实际工艺设定，在一个实例中，加热的温度范围可以为100℃～440℃。
另外，未反应的反应物及副产物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，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；
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包括具有强氧化性的物质；
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，所述反应源包括臭氧、氧气、氯气或过氧化氢。
3.如权利要求1所述的光刻方法，其特征在于，所述反应源为臭氧和氧气的混合气体。
4.如权利要求3所述的光刻方法，其特征在于，所述反应源中的臭氧通过静电放电、电解或紫外线照射产生，反应原料为氧气。
5.如权利要求3所述的光刻方法，其特征在于，还包括：控制反应源流量、反应源的臭氧浓度和/或反应源的通入压力，以使臭氧量与所述介质层表面的碱性基团数量相适应。
6.如权利要求5所述的光刻方法，其特征在于，所述反应源流量范围为100sccm～30000sccm；所述反应源的臭氧浓度范围为5wt％～25wt％；所述反应源的通入压力范围为100mTorr～760Torr。
7.如权利要求1所述的光刻方法，其特征在于，还包括：控制反应时间，以使表面处理反应完全。
8.如权利要求7所述的光刻方法，其特征在于，所述反应时间范围为5s～60s。
9.如权利要求1至8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。
10.如权利要求9所述的光刻方法，其特征在于，所述加热的温度范围为100℃～440℃。
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