CN111128693B - 光刻缺陷修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光刻缺陷修复方法，即在图形化的光刻胶层以及硬掩膜层上覆盖表面活性剂，并利用表面活性剂对光刻缺陷处暴露出的光刻胶和空气的界面的吸附来填充光刻缺陷，在除去多余表面活性剂后烘焙，使得表面活性剂交联，可以在后续刻蚀工艺前实现对光刻缺陷的填补。

Description

光刻缺陷修复方法

技术领域

本发明涉及集成电路领域，尤其涉及一种光刻缺陷修复方法。

背景技术

由于半导体工业中不断地增加集成密度，光刻掩模必须在晶片上投射越来越小的结构。为了满足此要求，已将光刻系统的曝光波长更换为越来越小的波长。光刻系统将使用极紫外(EUV)波长范围中的显著较小波长。

13.5nm极紫外光刻由于吸收的光子能量为92eV，相比193nm光子的能量6.4eV要大约14倍，同样的照明剂量光子数只有相当于193nm的1/14。由于光子数的涨落，光刻中沟槽线宽太小(容易出现桥接缺陷)或者太大(容易出现断线缺陷或者裂缝缺陷)都会导致缺陷。而产生的缺陷会对后续刻蚀过程中图形的传递造成影响。

因此，如何解决光刻工艺中，尤其是极紫外光刻工艺中出现的缺陷问题是至关重要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光刻缺陷修复方法，以解决光刻工艺中出现的缺陷问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种光刻缺陷修复方法，包括以下步骤：

提供一半导体结构，且所述半导体结构包括衬底、位于所述衬底上方的硬掩模层以及位于所述硬掩模层上方的图形化的光刻胶层，所述图形化的光刻胶层具有光刻缺陷；

在所述图形化的光刻胶层以及硬掩模层上覆盖表面活性剂，且所述表面活性剂还吸附在所述图形化的光刻胶层的光刻缺陷处；

除去多余的表面活性剂；

烘焙所述表面活性剂使其进行交联；

除去多余的交联的表面活性剂，以形成所述光刻缺陷被修复后的图形化的光刻胶层；

以修复后的所述图形化的光刻胶层为掩模刻蚀所述硬掩模层，以形成图形化的硬掩模层。

可选的，在所述的光刻缺陷修复方法中，所述光刻包括极紫外光刻。

可选的，在所述的光刻缺陷修复方法中，所述表面活性剂包括亲水性表面活性剂。

可选的，在所述的光刻缺陷修复方法中，所述除去多余的表面活性剂的方法包括冲洗。

可选的，在所述的光刻缺陷修复方法中，所述冲洗的溶剂包括去离子水。

可选的，在所述的光刻缺陷修复方法中，所述光刻缺陷包括桥接缺陷、断线缺陷和裂缝缺陷中的至少一种。

可选的，在所述的光刻缺陷修复方法中，当所述光刻缺陷包括桥接缺陷时，在除去多余的交联的表面活性剂的步骤中，还包括除去所述桥接缺陷，以使得所述桥接缺陷所连接的光刻胶图形相互断开。

可选的，在所述的光刻缺陷修复方法中，当所述光刻缺陷包括断线缺陷和/或裂缝缺陷时，在覆盖表面活性剂的步骤中，所述表面活性剂会填满所述图形化的光刻胶层中的所述断线缺陷和/或裂缝缺陷；在除去多余的交联的表面活性剂的步骤中，会去除所述光刻缺陷以外的交联的表面活性剂。

可选的，在所述的光刻缺陷修复方法中，所述交联的表面活性剂的抗刻蚀能力与所述图形化的光刻胶层的抗刻蚀能力相匹配。

可选的，在所述的光刻缺陷修复方法中，在所述图形化的光刻胶层以及硬掩模层上覆盖表面活性剂的步骤之前，在表面活性剂分子上增加耐刻蚀基团，以使得交联的表面活性剂的抗刻蚀能力与所述图形化的光刻胶层的抗刻蚀能力相匹配。

综上所述，本发明提供了一种光刻缺陷修复的方法，即在所述图形化的光刻胶层以及硬掩膜层上覆盖表面活性剂，并利用表面活性剂对光刻缺陷处暴露出的光刻胶和空气的界面的吸附来填充光刻缺陷，再除去多余表面活性剂后烘焙，使得表面活性剂交联，可以在后续刻蚀工艺前实现对光刻缺陷的填补。

附图说明

图1为一种桥接缺陷结构示意图；

图2为一种断线缺陷结构示意图；

图3为图1中桥接缺陷的扫描图；

图4为图2中断线缺陷的扫描图；

图5为CD值与出现缺陷可能性的关系示意图；

图6～图10为本发明一实施例中一种断线缺陷和/或裂缝缺陷的修复方法的各步骤的结构示意图；

图11～图15为本发明一实施例中一种桥接缺陷的修复方法的各步骤的结构示意图；

其中，图1～图5中：

01-衬底，02-图形化的光刻胶层，0201-桥接缺陷，0202-断线缺陷；

图6～图15中：

10-衬底，20-硬掩模层，201-图形化的硬掩模层，30-图形化的光刻胶层，301-光刻缺陷，40-表面活性剂层，401-交联的表面活性剂层。

具体实施方式

13.5nm极紫外光刻由于吸收的光子能量为92eV，相比193nm光子的能量6.4eV要大约14倍，同样的照明剂量光子数只有相当于193nm的1/14。由于光子数的涨落，光刻中沟槽线宽太小或者太大都会导致缺陷，而所述缺陷可以为桥接缺陷0201(参阅图1和图3)，也可以为断线缺陷0202(参阅图2和图4)或者裂缝缺陷。例如，在衬底01上形成光刻胶层，然后通过极紫外光刻工艺形成满足工艺要求的图形化的光刻胶层02。当所述图形化的光刻胶层02中的沟槽线宽小于20nm时，光刻胶容易出现桥接缺陷，即所述沟槽底部会残留少许光刻胶，而残留的光刻胶垂直于所述沟槽线条的断面。参阅图5，可以发现沟槽线宽越小(对应平均CD值越小，A表示平均CD值较小端，B表示平均CD值较大端)，出现桥接缺陷0201的概率越大(X表示出现桥接缺陷概率趋势线，纵坐标从下至上随机缺陷概率增加)，即沟槽线宽越小越容易出现桥接缺陷0201。当所述图形化的光刻胶层02中的沟槽线宽较大时，光刻胶容易出现断线缺陷或者裂缝缺陷，即所述沟槽线条上容易出现断线缺陷或者裂缝缺陷，而所述断线缺陷和裂缝缺陷是沿着所述沟槽线条的断面的。继续参阅图5，Y表示出现断线缺陷0202密度趋势线(纵坐标从下至上单位cm²的缺陷密度增加)，可以发现沟槽线宽越大(对应平均CD值越大)，出现断线缺陷的可能性越大。而所述断线缺陷或者裂缝缺陷一般只有1nm～10nm的尺寸，经过硬掩模层传递，例如多晶硅，含硅的抗反射层等材料仍然能够达到约1～5nm的尺寸，形成缺陷，因此，光刻胶在光刻过程中形成的缺陷会对后续刻蚀过程中图形的传递造成影响。所以，如何解决光刻工艺中，尤其是极紫外光刻工艺中出现的缺陷问题是至关重要的。

为了解决上述在光刻工艺中出现的缺陷问题，本发明提供了一种光刻缺陷修复方法。

所述的光刻缺陷修复方法包括以下步骤：

首选，提供一半导体结构，且所述半导体结构包括衬底、位于所述衬底上方的硬掩模层以及位于所述硬掩模层上方的图形化的光刻胶层，所述图形化的光刻胶层具有光刻缺陷；

其次，在所述图形化的光刻胶层以及硬掩模层上覆盖表面活性剂，且所述表面活性剂还吸附在所述图形化的光刻胶层的光刻缺陷处；

然后，除去多余的表面活性剂；

下一步，烘焙所述表面活性剂使其进行交联；

再下一步，除去多余的交联的表面活性剂以形成所述光刻缺陷被修复后的图形化的光刻胶层；

最后，以修复后的所述图形化的光刻胶层为掩模刻蚀所述硬掩模层，以形成图形化的硬掩模层。

参阅图6，首先，提供一半导体结构，且所述半导体结构包括衬底10、位于所述衬底10上方的硬掩模层20以及位于所述硬掩模层20上方的图形化的光刻胶层30，所述图形化的光刻胶层30具有光刻缺陷301。其中，所述衬底10可以为硅衬底，可以为其他半导体材料的衬底，也可以为具有半导体结构层的衬底，在此不做限制，即可以为任意衬底。然后，在所述衬底10上形成硬掩模层20，形成所述硬掩模层20的方法包括沉积、旋涂或者溅射等等，可以为任意形成薄膜结构的方法。所述硬掩模层20的材料不同于所述衬底10即可，优选为疏水性的材料，例如为疏水性的多晶硅或者含硅的抗反射层等。在所述硬掩模层20上方形成光刻胶层，并对所述光刻胶层进行光刻形成图形化的光刻胶层30，所述光刻优选为EUV(极紫外光刻)光刻。所述图形化的光刻胶层30上具有光刻缺陷301，且所述光刻缺陷301为所述光刻胶层在光刻过程中产生的缺陷。所述图形化的光刻胶层30中具有沟槽，且根据所述沟槽的线宽不同，形成的所述光刻缺陷301也可能会有所不同。当所述沟槽的线宽较大(>20nm)时，在所述图形化的光刻胶层30上主要出现的缺陷包括裂缝缺陷或者断线缺陷。当所述沟槽的线宽小于20nm时，在所述图形化的光刻胶层30中的所述沟槽的底部容易残留有光刻胶，形成桥接缺陷，即主要以桥接缺陷为主。所述图形化的光刻胶层30中的沟槽线宽根据工艺要求进行调整，所述沟槽的线宽可能相同，也可能不同，因此，桥接缺陷、断线缺陷和裂缝缺陷可能会单独出现，也可能会同时出现。

当所述光刻缺陷301包括断线缺陷和/或裂缝缺陷时，所述光刻缺陷301的修复方法参见图7～图10。

参阅图7，先在所述图形化的光刻胶层30以及硬掩模层20上覆盖表面活性剂，即所述表面活性剂会覆盖在所述图形化的光刻胶层30的上表面以及硬掩模层20的上表面(即所述图形化的光刻胶层30的沟槽所在位置)，与此同时，所述表面活性剂还会吸附在所述光刻缺陷301处，即所述表面活性剂还会填充所述光刻缺陷301，最终形成表面活性剂层40。所述表面活性剂优选为亲水性的表面活性剂，且所述表面活性剂的亲水能力与所述断线缺陷以及裂缝缺陷中暴露出的光刻胶和空气的界面的亲水能力相匹配，以使所述表面活性剂能充分吸附到所述图形化的光刻胶层30的断线缺陷和/或裂缝缺陷中。虽然所述光刻胶为疏水性的，但是经过曝光之后，曝光的部分会变成亲水性的，所以经过水性显影液可以把曝光部分的光刻胶冲洗掉。而所述断线缺陷和裂缝缺陷所在位置的光刻胶也被部分曝光了，暴露出来的光刻胶和空气的界面是亲水的，因此，优选为亲水性的表面活性剂，且利用亲水性的表面活性剂对所述断线缺陷以及裂缝缺陷中暴露出来的光刻胶和空气的界面的吸附来填充所述断线缺陷和/或裂缝缺陷。所述表面活性剂可以为液态或者气态，优选为液态。

在所述光刻胶层30以及硬掩模层20上覆盖表面活性剂的方法包括旋涂和气雾喷洒方法，而所述表面活性剂层40的上表面不低于所述图形化的光刻胶层30的上表面，且所述表面活性剂会填满所述图形化的光刻胶层30中的所述断线缺陷和/或裂缝缺陷。

参阅图8，在覆盖所述表面活性剂之后，除去多余的表面活性剂，即除去所述图形化的光刻胶层30的上表面和沟槽中的表面活性剂。所述除去表面活性剂的方法包括冲洗，冲洗的试剂包括去离子水，即可以通过多次冲洗以去除多余的表面活性剂。在冲洗并进行旋转甩干之后，可以通过对所述图形化的光刻胶层30进行电子显微镜观察来判断是否需要继续冲洗。当观察到所述图形化的光刻胶层30的图形不被所述图形化的光刻胶层30上表面以及沟槽中的表面活性剂影响时(此时所述图形化的光刻胶层30的表面和沟槽中仍然会残留有微量的表面活性剂)，可以固定清洗程序，如果沟槽中残留的活性剂还比较多，则继续增加清洗程序中的冲洗时间。所述冲洗的次数和时间需要根据所述图形化的光刻胶30中的沟槽尺寸进行调整，沟槽尺寸越小所需要的冲洗时间越长，冲洗次数越多。在此过程中，图形化的光刻胶层30上表面的表面活性剂保护了所述断线缺陷以及裂缝缺陷中的表面活性剂，因此，所述断线缺陷以及裂缝缺陷中的表面活性剂不受冲洗的影响。

继续参阅图8，在除去多余的表面活性剂之后，烘焙所述表面活性剂使其进行交联，形成交联的表面活性剂层401。因为所述断线缺陷和裂缝缺陷具有一定的尺寸，而表面活性剂的交联可以使得所述断线缺陷以及裂缝缺陷能被更好的填充，不会脱落。所述的烘焙的温度为20℃～250℃，所述交联包括表面活性剂的自交联和/或者表面活性剂与所述图形化的光刻胶层30接触面的交联。且交联的表面活性剂的抗刻蚀能力与所述图形化的光刻胶层30的抗刻蚀能力相匹配，即所述交联的表面活性剂的抗刻蚀能力与所述图形化的光刻胶层30的抗刻蚀能力相似(或者相近)以使得交联的表面活性剂在后续进行的刻蚀过程中不会被刻蚀掉，因此，使得所述图形化的光刻胶层30上的断线缺陷和/或裂缝缺陷不会被传递到硬掩模层20上。为了提高交联的表面活性剂的抗刻蚀能力，使得交联的表面活性剂的抗刻蚀能力与所述图形化的光刻胶层30的抗刻蚀能力相匹配，可以直接选择具有耐刻蚀基团的表面活性剂或者在所述图形化的光刻胶层30以及硬掩模层20上覆盖表面活性剂的步骤之前，在表面活性剂分子上增加耐刻蚀基团，即对表面活性剂进行改造，使表面活性剂的分子链接耐刻蚀基团，所述耐刻蚀基团包括苯环、脂肪环或者芳杂环等。由此，具有耐刻蚀基团的交联的表面活性剂的抗刻蚀能力相对不具有耐刻蚀基团的交联的表面活性剂的抗刻蚀能力增强，且通过控制耐刻蚀基团的种类和添加量，能够控制交联的表面活性剂的抗刻蚀能力，有利于使得所述交联的表面活性剂的抗刻蚀能力与所述图形化的光刻胶层30的抗刻蚀能力相匹配。

参阅图9，在烘焙所述表面活性剂使其进行交联之后，除去多余的交联的表面活性剂，以形成所述光刻缺陷被修复后的图形化的光刻胶层。其中，所述除去多余的交联的表面活性剂是指除去所述光刻缺陷301以外的交联的表面活性剂，即除去所述裂缝缺陷和/或断线缺陷以外的交联的表面活性剂，使得所述图形化的光刻胶层30的上表面与所述断线缺陷和/或者裂缝缺陷中的交联的表面活性剂的上表面齐平，所述除去多余的交联的表面活性剂的方法优选为去残留刻蚀。由于所述图形化的光刻胶层30上表面交联的表面活性剂保护了所述断线缺陷以及裂缝缺陷中的交联的表面活性剂，所以断线缺陷以及裂缝缺陷中的交联的表面活性剂不会被刻蚀掉。在此过程中，因为所述图形化的光刻胶层30与所述交联的表面活性剂的抗刻蚀能力相似(或者说相近)，因此，在去除多余的所述交联的表面活性剂的过程中，所述图形化的光刻胶层30也可能会被刻蚀掉稍许，最终形成修复后的图形化的光刻胶层，即所述修复后的图形化的光刻胶层包括图形化的光刻胶层30以及位于所述断线缺陷和/或者裂缝缺陷中的交联的表面活性剂。

参阅图10，在除去多余的交联的表面活性剂之后，以修复后的所述图形化的光刻胶层为掩模刻蚀所述硬掩模层20，以形成图形化的硬掩模层201，且所述图形化的硬掩模层201中没有缺陷。即通过刻蚀作用将修复后没有光刻缺陷的光刻胶图形转移到所述硬掩模上。

通过上述所述的光刻缺陷修复方法，即利用表面活性剂对光刻缺陷处暴露出的光刻胶和空气的界面的吸附来填充断线缺陷和/或裂缝缺陷，然后在除去多余的表面活性剂后烘焙，使所述表面活性剂进行交联，可以在后续刻蚀工艺前实现对断线缺陷和/或者裂缝缺陷的填补。

当所述图形化的光刻胶层30中的光刻缺陷301包括桥接缺陷时，即在所述沟槽的底部残留有光刻胶(参阅图11)。所述缺陷的修复过程参见图12～图15。

参阅图12，先在所述图形化的光刻胶层30以及硬掩模层20上覆盖表面活性剂，形成表面活性剂层40，且所述表面活性剂还吸附在所述图形化的光刻胶层30的光刻缺陷处，即吸附在所述桥接缺陷上。所述覆盖表面活性剂的方法包括旋涂和气雾喷洒方法。所述表面活性剂优选为亲水性的表面活性剂，且所优选为液体。

参阅图13，在覆盖表面活性剂之后，除去多余的表面活性剂。所述除去多余的表面活性剂的方法包括冲洗，且冲洗的试剂包括去离子水，即可以通过多次冲洗以去除多余的表面活性剂。在冲洗并进行旋转甩干之后，可以通过对所述图形化的光刻胶层30进行电子显微镜观察来判断是否需要继续冲洗。当观察到所述图形化的光刻胶层30的图形不被所述图形化的光刻胶层30上表面以及沟槽中的表面活性剂影响时(此时所述图形化的光刻胶层30的表面和沟槽中仍然会残留有微量的表面活性剂)，可以固定清洗程序，如果沟槽中残留的活性剂还比较多，则继续增加清洗程序中的冲洗时间。所述冲洗的次数和时间需要根据所述图形化的光刻胶30中的沟槽尺寸进行调整。

继续参阅图13，在除去多余的表面活性剂之后，烘焙所述表面活性剂使其进行交联，其中所述的烘焙的温度为20℃～250℃。所述交联包括表面活性剂的自交联和/或表面活性剂与所述图形化的光刻胶层30接触面的交联，且所述交联的表面活性剂层的抗刻蚀能力与所述光刻胶层的抗刻蚀能力相匹配，即所述交联的表面活性剂层的抗刻蚀能力与所述光刻胶层的抗刻蚀能力相似(或者相近)。

参阅图14，在烘焙所述表面活性剂使其进行交联之后，除去多余的交联的表面活性剂，除此之外，还需要除去所述桥接缺陷，以使得所述桥接缺陷与所连接的光刻胶图形相互断开，即除去所述图形化的光刻胶层30中的沟槽中残留的光刻胶，形成修复后的图形化的光刻胶层。所述除去交联的表面活性剂和桥接缺陷的方法优选为干法刻蚀(去残留刻蚀)，进一步优选为等离子体刻蚀。

参阅图15，在除去多余的交联的表面活性剂以及桥接缺陷之后，以修复后的所述图形化的光刻胶层为掩模刻蚀所述硬掩模层20，以形成图形化的硬掩模层201，且所述图形化的硬掩模层201中没有缺陷。即通过刻蚀作用将修复后没有光刻缺陷的光刻胶图形转移到所述硬掩模上。

通过上述所述的光刻缺陷修复的方法，即通过覆盖表面活性剂，并通过去残留刻蚀作用，可以消除图形化的光刻胶中的桥接缺陷。

除此之外，当所述光刻缺陷不仅包括桥接缺陷，同时还包括断线缺陷和/或裂缝缺陷时，所述光刻缺陷修复方法只要同时满足上述消除桥接缺陷的条件以及填补断线缺陷和/或裂缝缺陷的条件，就可以在解决桥接缺陷问题的同时，也解决断线缺陷和/或裂缝缺陷的问题。

因此，本发明提供的光刻缺陷的修复方法，即在图形化的光刻胶层以及硬掩膜层上覆盖表面活性剂，并利用表面活性剂对所述断线缺陷以及裂缝缺陷中暴露出来的光刻胶和空气的界面的吸附来填充断线缺陷和/或裂缝缺陷，再通过对所述表面活性剂的烘焙，使得表面活性剂交联固化，可以在后续刻蚀工艺前实现对光刻胶断线缺陷和/或裂缝缺陷的填补；同时通过去残留刻蚀，可以消除图形化的光刻胶中的桥接缺陷。而且本发明提供的光刻缺陷修复方法不仅可以解决光刻胶在光刻过程中，尤其在极紫外光刻中出现的单一缺陷问题，即只存在桥接缺陷、断线缺陷或者裂缝缺陷中的一种，也可以解决光刻胶在光刻过程中出现的多元缺陷问题，例如桥接缺陷、断线缺陷或者裂缝缺陷中至少两种缺陷同时存在。

最后所应说明的是，以上实施例仅为本发明较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims (9)

1.一种光刻缺陷修复方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供一半导体结构，且所述半导体结构包括衬底、位于所述衬底上方的硬掩模层以及位于所述硬掩模层上方的图形化的光刻胶层，所述图形化的光刻胶层具有光刻缺陷；

在所述图形化的光刻胶层以及硬掩模层上覆盖表面活性剂，且所述表面活性剂还吸附在所述图形化的光刻胶层的光刻缺陷处，所述表面活性剂包括亲水性的表面活性剂，且所述表面活性剂的亲水能力与所述光刻缺陷中的断线缺陷以及裂缝缺陷中暴露出的光刻胶和空气的界面的亲水能力相匹配，以使所述表面活性剂能充分吸附到所述图形化的光刻胶层的断线缺陷和/或裂缝缺陷中；

除去多余的表面活性剂；

烘焙所述表面活性剂使其进行交联；

除去多余的交联的表面活性剂，以形成所述光刻缺陷被修复后的图形化的光刻胶层；

以修复后的所述图形化的光刻胶层为掩模刻蚀所述硬掩模层，以形成图形化的硬掩模层。

2.如权利要求1所述的光刻缺陷修复方法，其特征在于，所述图形化的光刻胶层的形成方法包括极紫外光刻。

3.如权利要求1所述的光刻缺陷修复方法，其特征在于，所述除去多余的表面活性剂的方法包括冲洗。

4.如权利要求3所述的光刻缺陷修复方法，其特征在于，所述冲洗的溶剂包括去离子水。

5.如权利要求1所述的光刻缺陷修复方法，其特征在于，所述光刻缺陷包括桥接缺陷、断线缺陷和裂缝缺陷中的至少一种。

6.如权利要求5所述的光刻缺陷修复方法，其特征在于，当所述光刻缺陷包括桥接缺陷时，在除去多余的交联的表面活性剂的步骤中，还包括除去所述桥接缺陷，以使得所述桥接缺陷所连接的光刻胶图形相互断开。

7.如权利要求5所述的光刻缺陷修复方法，其特征在于，当所述光刻缺陷包括断线缺陷和/或裂缝缺陷时，在覆盖表面活性剂的步骤中，所述表面活性剂会填满所述图形化的光刻胶层中的所述断线缺陷和/或裂缝缺陷；在除去多余的交联的表面活性剂的步骤中，会去除所述光刻缺陷以外的交联的表面活性剂。

8.如权利要求1所述的光刻缺陷修复方法，其特征在于，所述交联的表面活性剂的抗刻蚀能力与所述图形化的光刻胶层的抗刻蚀能力相匹配。

9.如权利要求8所述的光刻缺陷修复方法，其特征在于，在所述图形化的光刻胶层以及硬掩模层上覆盖表面活性剂的步骤之前，在表面活性剂分子上增加耐刻蚀基团，以使得交联的表面活性剂的抗刻蚀能力与所述图形化的光刻胶层的抗刻蚀能力相匹配。