CN111856889B - 一种增强光刻图形分辨率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种增强光刻图形分辨率的方法，其包括在衬底上依次形成第一胶层和第二胶层；通过光刻曝光工艺在所述第一胶层上形成曝光区和非曝光区；采用第一溶剂去除所述曝光区和所述第二胶层的部分区域，或者先采用第二溶剂去除所述曝光区，再采用第三溶剂去除所述第二胶层的部分区域，从而在所述第一胶层形成第一图案，在所述第二胶层形成第二图案，所述第二图案是在所述第一图案基础上缩进后的图案；采用第四溶剂去除所述非曝光区。
Description
技术领域
本发明涉及微电子光刻工艺技术领域，尤其涉及一种增强光刻图形分辨率的方法。
背景技术
在集成电路制造过程中光刻工艺是将光刻掩模上的图形精确复制到衬底(单晶硅、多晶硅、二氧化硅、氮化镓、砷化镓、氧化铝、碳化硅、磷化铟或金属衬底等)表面的光刻胶上。然后在光刻胶的保护作用下，经过刻蚀、离子注入或薄膜沉积等工艺过程，实现衬底表面选择性的图形化、离子掺杂或生长薄膜等功能。
一直以来，半导体工业中光刻技术都在追求更高的分辨率以便可以达到更小的电子器件尺寸，从而获得更优异的产品性能。如以下公式(1)所示，Rayleigh方程给出了光刻分辨率(R)与波长(λ)和数值孔径(NA)之间的关系：
式中k1是光刻过程中的工艺参数，与光刻胶材料及光刻工艺过程有关，一般为0.3-0.8；λ为曝光光源的波长；NA为镜头的数值孔径；n为光源与光刻胶之间介质的折射率(通常是空气)；θ为镜头的半角孔径。
根据公式(1)可知，想要得到更小的图形尺寸，可以通过减小k1值、降低曝光波长或者增加数值孔径等方法。在工业中，最主要是通过开发更短波长的曝光光源和增加NA值以及通过照明条件优化等分辨率增强手段来不断提高光刻工艺的分辨率。但对于特定波长光刻机设备来说，很难通过以上方法突破由于衍射极限造成的分辨率极限。
对于大多数芯片制造企业来说，购买更先进的光刻机满足分辨率的需求所需要的资金成本往往是巨大的。尤其是对于4寸或6寸晶圆厂来说，采用先进的光刻机(如ArF光刻机)是非常不经济的。因此对于有些需要突破分辨率极限的制造需求，就需要通过特殊的光刻工艺来增强图形分辨率。
发明内容
鉴于现有技术中的问题，本发明提供了一种增强光刻图形分辨率的方法，其包括：
在衬底上依次形成第一胶层和第二胶层；
通过光刻曝光工艺在所述第一胶层上形成曝光区和非曝光区；
采用第一溶剂去除所述曝光区和所述第二胶层的部分区域，或者先采用第二溶剂去除所述曝光区，再采用第三溶剂去除所述第二胶层的部分区域，从而在所述第一胶层形成第一图案，在所述第二胶层形成第二图案，所述第二图案是在所述第一图案基础上缩进后的图案；
采用第四溶剂去除所述非曝光区。
进一步地，所述第一胶层采用可显影胶，所述可显影胶适于在碱性显影液中溶解，并且耐有机显影液和光刻胶溶剂溶解；所述第二胶层采用光刻胶；所述第一溶剂和所述第三溶剂采用碱性显影液；所述第二溶剂采用适于去除所述曝光区的有机显影液；所述第四溶剂采用适于去除所述非曝光区的光刻胶溶剂。
现有的光刻显影分为碱性显影和有机溶剂显影两种方式，本申请中的“碱性显影液”是针对并适用于碱性显影的显影液，“有机显影液”是针对并适用于有机溶剂显影的显影液。
进一步地，所述可显影胶采用具有聚甲基戊二酰亚胺结构、马来酰亚胺-丙烯酸共聚物、丙烯酰胺-丙烯酸共聚物或聚酰亚胺结构的材料。
进一步地，所述可显影是金属剥离工艺中所使用的金属剥离胶，或是可显影的底部抗反射涂层材料。
进一步地，所述第二胶层采用G线、I线、KrF、ArF、ArF浸没式、EUV或电子束光刻胶。
进一步地，所述第二胶层采用酚醛树脂-重氮萘醌类光刻胶、化学放大类光刻胶、主链断裂型光刻胶或含金属氧化物类光刻胶。
进一步地，所述第二胶层采用适于碱性显影液或有机显影液进行显影的正性光刻胶。
进一步地，所述第四溶剂采用丙二醇甲醚醋酸酯、丙二醇甲醚、乳酸乙酯、丙酮、环戊酮、环己酮中的一种或几种；或采用苯甲醚或二氯苯。
进一步地，所述可显影胶可通过烘烤温度和时间改变其在碱性显影液中的溶解速率。
进一步地，在所述衬底上涂覆所述可显影胶并进行烘烤后形成所述第一胶层。
本发明的增强光刻图形分辨率的方法，可以实现光刻图形的微缩，突破衍射极限的限制，从而使光刻图形分辨率得到提升。可通过现有光刻机来获得优于其最小曝光尺寸的图形，而无需购买更先进的光刻机来满足分辨率的需求，降低了对于先进光刻机、高分辨率光刻胶及复杂光刻工艺的依赖。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1至图6是本发明的实施例中光刻工艺各步骤的结构示意图。
具体实施方式
在本发明的实施方式的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。附图为原理图或者概念图，各部分厚度与宽度之间的关系，以及各部分之间的比例关系等等，与其实际值并非完全一致。
实施例一
本实施例的增强光刻图形分辨率的方法，包括：
在衬底100上均匀涂覆一层可显影胶101并进行烘烤，如图1所示。
衬底100可以是单晶硅、多晶硅、二氧化硅、氮化硅、氮化镓、砷化镓、氧化铝、碳化硅、磷化铟或其他金属或金属合金衬底。
可显影胶101不同于光刻胶，其无需曝光即在碱性显影液中有一定的溶解性能，并可以通过烘烤温度和时间改变其溶解速率，一般在碱性显影液中的溶解速率在0.1～200纳米/秒。可显影胶101还可以耐光刻胶溶剂溶解。符合以上条件的可显影胶的材料可以是在金属剥离(lift-off)工艺中使用的金属剥离胶或者是可显影的底部抗反射涂层材料。
在可显影胶101上均匀涂覆一层光刻胶102并进行烘烤，如图2所示。
光刻胶102可以是G线、I线、KrF、ArF、ArF浸没式、EUV或电子束光刻胶。
光刻胶102可以是酚醛树脂-重氮萘醌类光刻胶、化学放大类光刻胶、主链断裂型光刻胶或含金属氧化物类光刻胶。
本实施例中，光刻胶102是适于碱性显影液进行显影的正性光刻胶。
通过光刻曝光工艺，基于该步工艺中所使用的掩模版，在光刻胶102上形成曝光区102a和非曝光区102b，如图3所示。
执行曝光后显影工艺，采用碱性显影液将曝光区102a去除，同时碱性显影液也能够溶解光刻胶102下层的可显影胶101，在预定时间后，形成如图4所示的结构，其中光刻胶102中曝光区102a被碱性显影液溶解去除，位于曝光区102a下方的可显影胶也被去除，基于碱性显影液对于可显影胶溶解时的各向同性，曝光区102a下方的可显影胶在横向上也被溶解掉一部分，如图4所示，非曝光区102b中某处的线条尺寸为W1，其下方的可显影胶尺寸为W2，可显影胶相对于其上方的光刻胶有一个内切深度D，从而W2＝W1-2*D，非曝光区102b形成了与掩模版对应的图案，可显影胶101在显影工艺后所形成的图案，相对于非曝光区102b的图案，具有一单边缩进，缩进尺寸即内切深度D。
本实施例中，碱性显影液可采用如1％～30％的氢氧化钠水溶液、氢氧化钾水溶液、四甲基氢氧化铵水溶液或四乙基氢氧化铵水溶液等碱性显影液。直接使用碱性显影液可以通过单次显影工艺形成图4所示的底部内切结构，内切深度D的大小取决于所使用的可显影胶101及其烘烤工艺以及光刻胶100的类型及显影液类型和显影工艺条件，通常可显影胶101在显影液中的溶解速率越快、曝光区102a在显影液中的溶解速率越快，或者显影液浓度越高、显影时间越长，都会使内切深度D越大。
执行顶层去胶，采用光刻胶溶剂去除位于顶层的光刻胶102中的非曝光区102b，如图6所示。
本实施例中，上述光刻胶溶剂可以是丙二醇甲醚醋酸酯、丙二醇甲醚、乳酸乙酯、丙酮、环戊酮、环己酮等一种或几种可溶解顶部光刻胶的溶剂。采用有机溶剂浸泡或喷淋等方式进行去胶，从而将底部的可显影胶101暴露出来。
可显影胶101通常在结构中具有羧基、酯羟基或酚羟基等活性基团可以参与碱溶过程，并且具备一定的耐有机溶剂特性以实现可以选择性地去除上层光刻胶而下层可显影胶保留的目的。可以选用具有聚甲基戊二酰亚胺(PMGI)结构、马来酰亚胺-丙烯酸共聚物、丙烯酰胺-丙烯酸共聚物或聚酰亚胺等结构材料，如美国Microchem公司的LOR及SF系列产品，或是儒芯微电子材料(上海)有限公司(以下简称儒芯)的LR和DB系列产品等。选择特定溶解速率的可显影胶，主要取决于后续工艺中需要实现的内切深度及图形尺寸的大小。一般来说，可显影胶在显影液中的溶解速率越大，实现的内切深度越大，相应图形尺寸越小。
可显影胶101涂覆在衬底100上之后，执行预设条件的烘烤，烘烤后形成的薄膜在光刻胶溶剂中溶解性很低。通常烘烤温度为130～250℃，烘烤后将可显影胶101在光刻胶溶剂中的溶解速率控制在2纳米/秒以下。一般对于可显影胶来说，通过烘烤工艺过程，可实现胶的固化，其固化程度直接影响到在碱性显影液中的溶解速率和在光刻胶溶剂中的溶解性能。烘烤温度越高，烘烤时间越长，固化程度越高，其在显影液中的溶解速率越低，在光刻胶溶剂中溶解性能越差。因此在选择烘烤温度和时间时，需要考虑对可显影胶溶解速率的需求及在光刻胶溶剂中溶解性能的需求。
完成顶层去胶后，衬底上保留了图案化的可显影胶101，再次进行烘烤，烘烤温度范围为180-250℃，以适于后续进行刻蚀、离子注入或薄膜沉积等工艺。
实施例二
本实施例的增强光刻图形分辨率的方法，包括：
在衬底100上均匀涂覆一层可显影胶101并进行烘烤，如图1所示。
衬底100可以是单晶硅、多晶硅、二氧化硅、氮化硅、氮化镓、砷化镓、氧化铝、碳化硅、磷化铟或其他金属或金属合金衬底。
可显影胶101不同于光刻胶，其无需曝光即在碱性显影液中有一定的溶解性能，并可以通过烘烤温度和时间改变其溶解速率，一般在碱性显影液中的溶解速率在0.1～200纳米/秒。可显影胶101还可以耐有机显影液和光刻胶溶剂溶解。符合以上条件的可显影胶的材料可以是在金属剥离(lift-off)工艺中使用的金属剥离胶或者是可显影的底部抗反射涂层材料。
在可显影胶101上均匀涂覆一层光刻胶102并进行烘烤，如图2所示。
光刻胶102可以是G线、I线、KrF、ArF、ArF浸没式、EUV或电子束光刻胶。
光刻胶102可以是酚醛树脂-重氮萘醌类光刻胶、化学放大类光刻胶、主链断裂型光刻胶或含金属氧化物类光刻胶。
本实施例中，光刻胶102是适于有机显影液进行显影的正性光刻胶。
通过光刻曝光工艺，基于该步工艺中所使用的掩模版，在光刻胶102上形成曝光区102a和非曝光区102b，如图3所示。
执行曝光后显影工艺，本实施例中分两步显影，分别用于去除曝光区102a去除，以及将可显影胶101图案化。
首先采用第一显影液将曝光区102a去除，形成如图5所示的结构，其中光刻胶102中曝光区102a被第一显影液溶解去除，下层的可显影胶101仍保留。
被去除的曝光区102a相当于在光刻胶102上打开窗口，之后采用第二显影液对于暴露出的可显影胶101进行溶解，基于第二显影液对于可显影胶溶解时的各向同性，窗口下方的可显影胶在横向上也被溶解掉一部分，如图4所示，非曝光区102b中某处的线条尺寸为W1，其下方的可显影胶尺寸为W2，可显影胶相对于其上方的光刻胶有一个内切深度D，从而W2＝W1-2*D，非曝光区102b形成了与掩模版对应的图案，可显影胶101在显影工艺后所形成的图案，相对于非曝光区102b的图案，具有一单边缩进，缩进尺寸即内切深度D。
本实施例中，第一显影液是有机显影液，如醋酸正丁酯、醋酸正戊酯、甲苯、二甲苯等。
本实施例中，第二显影液采用碱性显影液，如1％～30％的氢氧化钠水溶液、氢氧化钾水溶液、四甲基氢氧化铵水溶液或四乙基氢氧化铵水溶液等碱性显影液。内切深度D的大小取决于所使用的可显影胶101及其烘烤工艺以及第二次显影的显影液类型和显影工艺条件，通常可显影胶101的溶解速率越快或者显影液浓度越高、显影时间越长，都会使内切深度D越大。
执行顶层去胶，采用光刻胶溶剂去除位于顶层的光刻胶102中的非曝光区102b，如图6所示。
本实施例中，上述光刻胶溶剂可以是苯甲醚或二氯苯等可溶解顶部光刻胶的溶剂。采用有机溶剂浸泡或喷淋等方式进行去胶，从而将底部的可显影胶101暴露出来。
可显影胶101通常在结构中具有羧基、酯羟基或酚羟基等活性基团可以参与碱溶过程，并且具备一定的耐有机溶剂特性以实现可以选择性地去除上层光刻胶而下层可显影胶保留的目的。可以选用具有聚甲基戊二酰亚胺(PMGI)结构、马来酰亚胺-丙烯酸共聚物、丙烯酰胺-丙烯酸共聚物或聚酰亚胺等结构材料，如美国Microchem公司的LOR及SF系列产品，或是儒芯微电子材料(上海)有限公司(以下简称儒芯)的LR和DB系列产品等。选择特定溶解速率的可显影胶，主要取决于后续工艺中需要实现的内切深度及图形尺寸的大小。一般来说，可显影胶在显影液中的溶解速率越大，实现的内切深度越大，相应图形尺寸越小。
可显影胶101涂覆在衬底100上之后，执行预设条件的烘烤，烘烤后形成的薄膜在光刻胶溶剂中溶解性很低。通常烘烤温度为130～250℃，烘烤后将可显影胶101在光刻胶溶剂中的溶解速率控制在2纳米/秒以下。一般对于可显影胶来说，通过烘烤工艺过程，可实现胶的固化，其固化程度直接影响到在显影液中的溶解速率和在光刻胶溶剂中的溶解性能。烘烤温度越高，烘烤时间越长，固化程度越高，其在显影液中的溶解速率越低，在光刻胶溶剂中溶解性能越差。因此在选择烘烤温度和时间时，需要考虑对可显影胶溶解速率的需求及在光刻胶溶剂中溶解性能的需求。
完成顶层去胶后，衬底上保留了图案化的可显影胶101，再次进行烘烤，烘烤温度范围为180-250℃，以适于后续进行刻蚀、离子注入或薄膜沉积等工艺。
通过实施例一和二中的工艺可以实现光刻图形的微缩，突破衍射极限的限制，从而使光刻图形分辨率得到提升。分辨率增强后的光刻线条图形线宽W2＝W1-2*D。如在现有I线光刻机及光刻工艺条件下，上层光刻胶的最小图形线宽W1可以做到0.3微米，通过以上工艺，精确控制内切深度，如D为0.05微米，通过这种工艺其图形线宽W2＝W1-2*D＝0.3-2*0.05＝0.2微米，大大缩小了图形尺寸，增加了图形分辨率。如在现有KrF光刻机及光刻工艺条件下，上层光刻胶的最小图形线宽W1可以做到110纳米，通过以上工艺，精确控制内切深度，如D为20纳米，通过这种工艺其图形线宽W2＝W1-2*D＝110-2*20＝70纳米，可以实现光刻图形分辨率的提升。因此采用本实施例的方法，通过合理控制上层光刻胶的图形尺寸以及底部可显影胶的内切深度即可得到小于上层光刻胶图形尺寸的图形，达到提升分辨率的目的。
实施例三
以下针对I线光刻工艺条件下的分辨率增强，结合具体参数进行说明：
1)在单晶硅衬底经疏水处理后，均匀涂覆一层可显影胶LR811(儒芯)，厚度0.3微米，并在190℃下烘烤3分钟。
2)在可显影胶LR811薄膜上均匀涂覆光刻胶AZ701(AZ ELECTRONIC MATERIALS公司)，厚度0.3微米，并在90℃下烘烤1分钟。
3)经I线曝光机曝光0.5微米线条图形(即W1＝0.50微米)，能量为160mJ/cm2。曝光后在110℃下烘烤1分钟，然后在2.38％TMAH显影液中显影60秒，可得到内切深度D为0.10微米的内切结构。
4)将上层光刻胶用去胶剂OK73(PGMEA/PGME＝3/7)浸泡1分钟，去除上层光刻胶。
5)留下底层可显影胶LR811薄膜，并在200℃下烘烤3分钟硬化，即得到W2＝W1-2*D＝0.30微米线宽的光刻图形。
本实施例，通过以上工艺过程，可以将I线工艺条件下0.5微米线宽图形微缩成0.3微米的线宽图形，达到分辨率增强的目的。
实施例四
以下针对电子束光刻工艺条件下分辨率增强，结合具体参数进行说明：
1)在单晶硅衬底经疏水处理后，均匀涂覆一层可显影胶LR722(儒芯)，厚度80纳米，并在200℃下烘烤3分钟。
2)在可显影胶LR722薄膜上均匀涂覆光刻胶EB200(儒芯)，厚度100纳米，并在180℃下烘烤3分钟。
3)经电子束曝光机曝光100纳米线条图形(即W1＝100纳米)，能量为150μC/cm2。曝光后在有机显影液正乙酸戊酯中显影60秒，将顶部光刻胶图形显影开。再将晶圆用2.38％TMAH显影液显影20秒，得到内切深度D为20纳米的内切结构。
4)将上层光刻胶用去胶剂苯甲醚浸泡1分钟，去除上层光刻胶。
5)留下底层可显影胶LR722薄膜，并在200℃下烘烤3分钟硬化，即得到W2＝W1-2*D＝60纳米线宽的光刻图形。
本实施例，通过以上工艺过程，可以将电子束光刻工艺条件下100纳米线宽图形微缩成60纳米的线宽图形，达到分辨率增强的目的。
实施例五
以下针对采用有机显影液显影光刻胶工艺条件下的分辨率增强，结合具体参数进行说明：
1)在单晶硅衬底经疏水处理后，均匀涂覆一层可显影胶LR707(儒芯)，厚度100纳米，并在180℃下烘烤2分钟。
2)在可显影胶LR707薄膜上均匀涂覆光刻胶EB200(儒芯)，厚度100纳米，并在180℃下烘烤3分钟。
3)经电子束曝光机曝光200纳米密集线条图形(即W1＝200纳米)，能量为200μC/cm2。曝光后在有机显影液正乙酸戊酯中显影60秒，将顶部光刻胶图形显影开。再将晶圆用2.38％TMAH显影液显影30秒，得到内切深度为50纳米的内切结构。
4)将上层光刻胶用去胶剂苯甲醚浸泡1分钟，去除上层光刻胶。
5)留下底层可显影胶LR707薄膜，并在200℃下烘烤3分钟硬化，即得到W2＝W1-2*D＝100纳米线宽的光刻图形。
本实施例，通过以上工艺过程，可以将电子束光刻工艺条件下200纳米线宽图形微缩成100纳米的线宽图形，达到分辨率增强的目的。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种半导体制程中增强光刻图形分辨率的方法，其特征在于，包括：
在衬底上依次形成第一胶层和第二胶层；
通过光刻曝光工艺在所述第二胶层上形成曝光区和非曝光区；
采用第一溶剂去除所述曝光区和所述第一胶层的部分区域，或者先采用第二溶剂去除所述曝光区，再采用第三溶剂去除所述第一胶层的部分区域，从而在所述第一胶层形成第一图案，在所述第二胶层形成第二图案，所述第一图案是在所述第二图案基础上缩进后的图案；
采用第四溶剂去除所述非曝光区；其中
所述第一胶层采用可显影胶，所述可显影胶适于在碱性显影液中溶解，并且耐有机显影液和光刻胶溶剂溶解；所述第二胶层采用光刻胶；所述第一溶剂和所述第三溶剂采用碱性显影液；所述第二溶剂采用适于去除所述曝光区的有机显影液；所述第四溶剂采用适于去除所述非曝光区的光刻胶溶剂。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可显影胶采用具有聚甲基戊二酰亚胺结构、马来酰亚胺-丙烯酸共聚物、丙烯酰胺-丙烯酸共聚物或聚酰亚胺结构的材料。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可显影胶采用金属剥离工艺中所使用的金属剥离胶，或采用可显影的底部抗反射涂层材料。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二胶层采用G线、I线、KrF、ArF、ArF浸没式、EUV或电子束光刻胶。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二胶层采用酚醛树脂-重氮萘醌类光刻胶、化学放大类光刻胶、主链断裂型光刻胶或含金属氧化物类光刻胶。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二胶层采用适于碱性显影液或有机显影液进行显影的正性光刻胶。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第四溶剂采用丙二醇甲醚醋酸酯、丙二醇甲醚、乳酸乙酯、丙酮、环戊酮、环己酮中的一种或几种；
或采用苯甲醚或二氯苯。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可显影胶可通过烘烤温度和时间改变其在碱性显影液中的溶解速率。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述衬底上涂覆所述可显影胶并进行烘烤后形成所述第一胶层。
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