CN111986988B - 一种更小线宽的光刻工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种更小线宽的光刻工艺，使用光刻机在晶圆表面进行曝光并形成曝光图形；第一次旋涂化学缩放胶，通过加热使其与第一层胶发生化学反应；使用清洗的方法将不参加反应的化学缩放胶去除，获得第一次缩放后的图形；第二次旋涂化学缩放胶，通过加热使其与第一层胶发生化学反应，再次使用清洗的方法将不参加反应的化学缩放胶去除，完成第二层化学缩放过程，进一步缩小曝光图形尺寸；根据所需要目标图形尺寸以及设计需求，确定化学缩放次数。本发明采用光刻和多次化学缩放工艺相结合的技术方案，有效的提升光刻机的分辨率，从而实现低成本、可生产化的小尺寸栅光刻工艺。
Description
技术领域
本发明涉及半导体芯片微加工领域，特别是一种基于化学缩放工艺实现更小线宽的光刻工艺。
背景技术
以GaN为代表的第三代半导体，禁带宽度3.4eV，二维电子气浓度高，导热率高，饱和电子速度大，击穿场强高。GaN的击穿电压约为Si和GaAs的10倍，因此高电压条件下的应用成为可能。也正是由于高电压，相较GaAs器件，GaN 在功率密度方面得到不止10倍的提升，从而可以达到较大的输出功率的量级。同时，GaN的高饱和电子速度、高电流密度，使其在高频的应用得以实现。在高温、高压、高频、大功率方面的应用潜力，使GaN射频微波芯片在5G无线通讯、通信导航以及卫星宇航工程等领域具有广泛而重要的应用价值。
随着无线通讯的应用越来越广泛，频宽的需求随之增加，芯片所需的线宽则趋向更小的尺寸，以增加芯片的射频特性。目前在化合物半导体微加工领域，实现短栅长器件的技术主要是电子束曝光，成本高、产能低，不利于批量生产。通常来说i-line光刻机的极限分辨率是0.35μm，如果需要特征尺寸在0.3μm以下，就需要用到DUV光刻机，这也意味着成本的大幅上升。如何延长光刻机的工艺寿命，使其形成更小的线宽，是对光刻工艺的挑战，也可以极大的降低光刻成本。
早在2001年，日本Takeo ISHIBASHI等人提出一种化学缩放提高光刻分辨率（Resolution Enhancement Lithography assisted by Chemical Shrink）的工艺技术方案，以下简称RELACS工艺技术。目前常采用的是一次RELACS工艺技术方案，通过该技术将KrF光刻机的分辨率提高到0.1μm [Jpn. J. Appl. Phys. 40 (2001) 419]，同时将i-line光刻机的分辨率提高到0.2 μm [Jpn. J. Appl. Phys. 40 (2001) 7156]。当前已有RELACS技术产业化报道，中国台湾稳懋半导体股份有限公司(WIN SEMICONDUCTORS CORP.)基于该技术实现i-line光刻0.25μm的最小栅宽，达到低成本量产目的。采用一次RELACS工艺技术可以将i-line光刻机的分辨率提高到0.15μm，但是研究发现化学缩放量过大时存在桥连缺陷的问题，且成品率低，难以用于工业生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种更小线宽的光刻工艺，通过光刻和两次以上化学缩放工艺相结合的技术方案，有效提升光刻机的分辨率，从而实现低成本、可生产化的小尺寸栅光刻工艺，以解决一次RELACS工艺中存在的桥连缺陷以及成品率低等问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种更小线宽的光刻工艺，包括：
在晶圆表面旋涂第一层光刻胶，使用光刻机进行曝光并形成曝光图形；
表面处理，第一次旋涂化学缩放胶，静置充足时间后，通过加热使其与第一层光刻胶发生化学反应；
使用清洗的方法将不参加反应的化学缩放胶去除，完成第一次化学缩放过程，获得第一次缩放后的图形；
表面处理，第二次旋涂化学缩放胶，静置充足时间后，通过加热使其与前一层光刻胶发生化学反应；
使用清洗的方法将不参加反应的化学缩放胶去除，完成第二次化学缩放过程，获得第二次缩放后的图形；
根据所需要目标图形尺寸以及设计需求，确定化学缩放次数；
将光刻图形转移到晶圆上。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：（1）本发明提出了一种基于两次以上化学缩放的光刻工艺技术方案，将i-line光刻机分辨率最高可以提升到0.1μm；同时，可用于生产，降低生产成本，实现国内自主可控的化合物微波芯片的产业化；（2）本发明通过增加化学缩放次数，在同一分辨率的情况下可有效降低化学缩放胶反应温度，提升工艺稳定性和提高成品率；同时，采用多次化学缩放的技术方案，进一步提高分辨率的空间；（3）本发明通过静置、表面处理、延长清洗时间等一系列的技术创新，仅通过两次化学缩放，即可实现可稳定生产的0.15μm i-line光刻工艺；（4）本发明可移植性强，不局限于晶圆衬底和光刻机种类，可以兼容Si、GaAs、GaN和SiC等半导体材料；不局限于i-line光刻，同样适用于DUV光刻。
附图说明
图1A-图1E是本发明所涉及的多次RELACS工艺技术原理图。
图2A-图2C是本发明实施例的实施步骤图。
具体实施方式
本发明提出一种更小线宽的光刻工艺，包括：
在晶圆表面旋涂第一层光刻胶，使用光刻机进行曝光并形成曝光图形；
表面处理，第一次旋涂化学缩放胶，静置充足时间后，通过加热使其与第一层光刻胶发生化学反应；
使用清洗的方法将不参加反应的化学缩放胶去除，完成第一次化学缩放过程，获得第一次缩放后的图形；
表面处理，第二次旋涂化学缩放胶，静置充足时间后，通过加热使其与第一层光刻胶发生化学反应；
使用清洗的方法将不参加反应的化学缩放胶去除，完成第二次化学缩放过程，获得第二次缩放后的图形；
根据所需要目标图形尺寸以及设计需求，确定化学缩放次数；
将光刻图形转移到晶圆上。
进一步的，化学缩放的次数为两次以上，通过增加缩放次数以降低化学反应温度；同时，根据所需要目标图形尺寸，确定化学缩放次数；对于工程化应用优选两次缩放。其中，化学反应温度为100~130℃；两次的反应温度不一定相同，和设计有关。
进一步的，晶圆衬底为Si、GaAs、GaN或SiC。
进一步的，每次旋涂化学缩放胶后需静置充足时间，保证化学缩放胶与第一层光刻图形的充分接触，静置时间为0~10min。
进一步的，在每次旋涂化学缩放胶前，采用一定强度的O2等离子体对光刻图形进行表面处理，去除光刻图形底膜，同时提高光刻胶表面浸润性。O2等离子体的主要参量条件：O2流量是10~2000sccm，功率为50~500W。
进一步的，本发明中清洗化学缩放胶的方式是去离子水清洗或者显影。
适当延长化学缩放胶的水洗或显影时间，可有效减小桥连缺陷，提高小线宽图形成品率，水洗或显影时间范围为30~180秒。
进一步的，图形转移采用湿法腐蚀或者干法刻蚀。
本发明的光刻工艺适用于i-line光刻工艺或DUV光刻工艺。
下面结合附图对本发明技术方案进行具体说明。
一种微波毫米波芯片的小尺寸栅长的制备工艺，工艺技术方案如图1A-图1E所示，包括：
取外延材料晶圆10，根据不同工艺设置，可选择性在衬底表面沉积氮化硅层或氧化硅层；
在晶圆表面涂第一层光刻胶，利用光刻机进行曝光，形成的栅脚图形20，如图1A；
在晶圆继续旋涂第一层化学缩放胶31，如图1B，通过加热使第二层胶与第一层胶在接触界面发生化学反应，如图1C，使用水洗或者显影的方法将未参加反应的化学缩放胶去除，从而在栅脚图形侧壁和表面形成第一层增厚层30，如图1D，实现缩小光刻线宽的目的；
将上述晶片表面进行微弱的表面处理；
第二次旋涂化学缩放胶，同样通过加热使其与第一层胶发生化学反应，使用水洗或者显影的方法将未参加反应的化学缩放胶去除，完成第二层化学缩放过程，在栅脚图案的侧壁和表面形成第二层增厚层40，如图1E进一步缩小曝光图形尺寸，达到目标线宽。
根据所需要目标图形尺寸以及设计需求，确定化学缩放次数。
最后，通过湿法腐蚀或者干法刻蚀的方法，将光刻图形转移到晶圆上。
本发明不限于化学缩放次数，其核心原理是通过增加化学缩放工艺的次数，有效降低化学缩放胶反应温度，从而提升工艺稳定性和提高成品率；同时，通过增加化学缩放次数的技术方案，还有进一步提高分辨率的空间。
为了节省生产成本和控制工艺复杂性，在本发明中优选两次化学缩放，并且结合静置、表面处理、延长清洗时间等一系列的技术创新，仅通过两次化学缩放，即可以实现可稳定生产的0.15 μm i-line光刻工艺。
本发明提出的高稳定性的小尺寸栅技术，不仅可以提高高频器件性能，而且对小尺寸栅的成品率提升，以及生产成本降低都具有帮助。并在此基础上研制系列化的GaAs、GaN微波毫米波芯片，从而实现国内自主可控的低成本微波毫米波射频芯片的产业化。
下面结合具体实施例，来进一步阐明本发明，应理解所述的实施例仅用于解释本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求项要求所限定的范围。
实施例
图2A-图2C是本实施例的实施步骤，其具体工艺步骤包括：
首先，本实施例在SiC衬底的GaN外延材料10上生长氮化硅介质层11，其中，氮化硅介质层的厚度根据工艺需求设定；
采用极限分辨率0.35µm 的Nikon i12步进光刻机在晶圆表面光刻形成0.35µm的栅脚图案，如图2A所示；
参照图1A-图1E的多次化学缩放的工艺技术，减少栅脚图案尺寸，在晶圆上形成0.1µm的栅脚图案，如图2B所示；
对上述晶圆进行刻蚀，去除外延材料10表面的氮化硅介质层11，从而将光刻图案转移到晶圆表面；
对剩余光刻胶50进行去胶，即可在晶圆表面获得小尺寸图形，如图2C所示，本实施例一次刻蚀后线宽是0.13 µm。
本发明所阐述的实施例是为了更好的解释本发明对小尺寸栅制备工艺的一种应用方法。本发明的制备工艺与半导体微波毫米波芯片生产的工艺技术兼容。
Claims (8)
1.一种更小线宽的光刻工艺，其特征在于，包括：
在晶圆表面旋涂第一层光刻胶，使用光刻机进行曝光并形成曝光图形；
表面处理，第一次旋涂化学缩放胶，静置充足时间后，通过加热使其与第一层光刻胶发生化学反应；
使用清洗的方法将不参加反应的化学缩放胶去除，完成第一次化学缩放过程，获得第一次缩放后的图形；
表面处理，第二次旋涂化学缩放胶，静置充足时间后，通过加热使其与前一层光刻胶发生化学反应；
使用清洗的方法将不参加反应的化学缩放胶去除，完成第二次化学缩放过程，获得第二次缩放后的图形；
根据所需要目标图形尺寸以及设计需求，确定化学缩放次数，化学缩放的次数为两次以上；在每次旋涂化学缩放胶前，采用O2等离子体的方式对光刻图形进行表面处理，O2流量为10~2000sccm，功率为50~500W，去除光刻图形底膜；
将光刻图形转移到晶圆上。
2.如权利要求1所述的一种更小线宽的光刻工艺，其特征在于，化学反应温度为100~130℃。
3.如权利要求1所述的一种更小线宽的光刻工艺，其特征在于，所述晶圆衬底为Si、GaAs、GaN或SiC。
4.如权利要求1所述的一种更小线宽的光刻工艺，其特征在于，该光刻工艺适用于i-line光刻工艺或DUV光刻工艺。
5.如权利要求1所述的一种更小线宽的光刻工艺，其特征在于，旋涂化学缩放胶后静置，静置时间为0~10min。
6.如权利要求1所述的一种更小线宽的光刻工艺，其特征在于，清洗化学缩放胶的方式为去离子水清洗或者显影。
7.如权利要求6所述的一种更小线宽的光刻工艺，其特征在于，化学缩放胶的水洗或显影时间范围为30~180秒。
8.如权利要求1所述的一种更小线宽的光刻工艺，其特征在于，所述图形转移采用湿法腐蚀或干法刻蚀。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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