CN116430690A - 光刻显影方法及半导体结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光刻显影方法，包括以下步骤：提供一经曝光后的目标结构，目标结构包括半导体衬底以及位于半导体衬底之上的光刻胶层；在光刻胶层之上形成润湿层，润湿层为去离子水与显影液的混合；向覆盖有润湿层的光刻胶层的表面喷洒显影液，使显影液覆盖在光刻胶层的整个表面上进行显影；去除显影液，获得显影后的目标结构。在显影之前利用去离子水和显影液的混合对表面进行润湿，在后续显影过程中显影液可以快速均匀地涂布于光刻胶上，减少缺陷的产生，提高图形尺寸的精确度。

Description

光刻显影方法及半导体结构

技术领域

本发明属于半导体制造技术领域，尤其涉及一种光刻显影方法。

背景技术

半导体集成电路(IC)工业已经经历了快速增长。IC材料、设计和制造工具中的技术进步已经产生了多代IC，其中，每一代IC都比前一代IC具有更小和更复杂的电路。在这些进步过程中，制造方法、工具和材料都努力去实现对更小的部件尺寸的期望。光刻工艺是IC加工制造业中最重要的工艺步骤之一。

光刻(photolithography)工艺是将掩模板上的几何图形转移到覆盖在半导体衬底表面的对光辐照敏感的薄膜材料(光刻胶)上去的工艺过程。光刻工艺的基本流程一般包括底膜处理、涂胶、前烘、曝光、显影、刻蚀、去胶等。在曝光过程中，将掩模板上的电路图案投映到光刻胶上，光刻胶在涂布机经过涂布之后，曝完光之后进入到显影步骤。显影步骤是非常重要的一步，在显影过程中，光刻胶产生的光酸经过和显影液进行酸碱中和反应之后，经过DI water(去离子水)冲洗之后，最后将光刻胶去除，将电路图案显影在光刻胶层中。然后，以该光刻胶图案作为掩模层，对晶圆执行后续的刻蚀或离子注入工艺。

在显影过程中，显影液在芯片表面的控制是非常重要的，不仅最后会影响到图形关键尺寸(CD)，更会影响到最后缺陷(defect)的结果。显影液在光刻胶表面上是否均匀分布将影响显影液与光刻胶所产生的光酸能否充分反映，进而影响到光刻图形尺寸的精确度和缺陷的产生。

发明内容

针对相关技术中存在的不足之处，本发明提供了一种光刻显影方法及半导体结构，在显影之前利用去离子水和显影液的混合对表面进行润湿，在后续显影过程中显影液可以快速均匀地涂布于光刻胶上，减少缺陷的产生，提高图形尺寸的精确度。

本申请一方面提供一种光刻显影方法，包括以下步骤：

提供一经曝光后的目标结构，目标结构包括半导体衬底以及位于半导体衬底之上的光刻胶层；

在光刻胶层之上形成润湿层，润湿层为去离子水与显影液的混合；

向覆盖有润湿层的光刻胶层的表面喷洒显影液，使显影液覆盖在光刻胶层的整个表面上进行显影；

去除显影液，获得显影后的目标结构。

在本申请的一些实施例中，在润湿层中去离子水与显影液的添加量之比为(1～4):(6～9)。

在本申请的一些实施例中，在润湿层中去离子水与显影液的添加量之比为2:8。

在本申请的一些实施例中，光刻显影方法在涂布显影机上执行，涂布显影机包括可旋转的吸盘以及位于吸盘上方且正对吸盘的第一喷嘴和第二喷嘴，吸盘的表面用于放置目标结构，第一喷嘴用于喷洒去离子水，第二喷嘴用于喷洒显影液。

在本申请的一些实施例中，在形成润湿层的过程中，首先，第一喷嘴移动至目标结构的中心部位并向光刻胶层喷洒去离子水，随后，第二喷嘴移动至目标结构的中心部位并向光刻胶层喷洒显影液。

在本申请的一些实施例中，在目标结构的中心部位喷洒有去离子水和显影液后，吸盘在水平方向上旋转，带动目标结构旋转，将混合后的去离子水和显影液由中心部位向边缘甩开，在光刻胶层的表面上形成润湿层。

在本申请的一些实施例中，在显影过程中，第二喷嘴移动至目标结构的中心部位并喷洒显影液，在喷洒的同时吸盘在水平方向上旋转，带动目标结构旋转，使显影液覆盖在光刻胶层上进行显影。

在本申请的一些实施例中，经显影后，光刻胶层中所形成的图案包括圆孔图形。

本申请另一方面提供一种采用如上任一项的光刻显影方法所制造的半导体结构。

在本申请的一些实施例中，半导体结构包括圆孔图形，圆孔图形的瞎窗缺陷率减少30％以上。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

(1)本申请至少一个实施例所提供的光刻显影方法，在显影之前采用去离子水和显影液的混合溶液预先对光刻胶表面进行润湿，在之后的显影涂布过程中，显影液可以很快速且浓度均匀地覆盖在光刻胶层上，使得目标结构中心和边缘均匀地被显影液所覆盖，在中心和边缘位置光刻胶中的光酸均可与显影液进行充分反应，获得较好的酸碱中和效果，提高图形尺寸的精确度，减少由于显影之后反应副产物所留下的缺陷。

(2)本申请至少一个实施例所提供的半导体结构，通过本申请实施例所提供的光刻显影方法制造获得，其表面缺陷率有明显下降。针对圆孔图形的瞎窗缺陷率可以改善30％以上。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所提供的光刻显影方法的流程示意图；

图2为本发明实施例所提供的润湿层形成方法的流程示意图；

图3为本发明实施例所提供的目标结构的示意图；

图4a-图4e为本发明实施例中光刻显影方法中各步骤的工艺过程示意图。

图中：

100、目标结构；101、半导体衬底；102、光刻胶层；200、吸盘；201、第一喷嘴；202、第二喷嘴；300、润湿层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。

在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。

值得理解的是，尽管附图可能示出了方法步骤的特定顺序，但是步骤的顺序可与所描绘的顺序不同。此外，可同时地或部分同时地执行两个或更多个步骤。这样的变型将取决于所选择的软件和硬件以及设计者选择。所有这样的变型都在本公开的范围内。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。

半导体制造过程是将裸片晶圆通过沉积薄膜、光刻、刻蚀、离子注入、平坦化等一系列工艺来形成完整的集成电路制造的过程。其中，光刻工艺是将集成电路的电路图形成在光刻胶上的关键工艺，可以用来限定出刻蚀和离子注入的区域。由此可见，光刻工艺作为后续刻蚀等图案形成工艺的基础，其质量将影响最终半导体集成电路的质量和成品率。

在光刻工艺中，光刻胶在涂布机经过涂布之后，通过曝光设备曝光后进入到显影步骤。这一步骤是非常重要的一步，主要目的是将曝光区域光刻胶(以正性光刻胶为例)所产生的光酸与显影液进行酸碱中和，去除相应部分的光刻胶，使得图案形成在光刻胶层中。显影液在光刻胶表面的分布情况会影响到酸碱中和的结果，进而影响到光刻显影的效果，最终影响光刻图形尺寸以及缺陷率。

本申请实施例提供一种光刻显影方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1：提供一经曝光后的目标结构，目标结构包括半导体衬底以及位于半导体衬底之上的光刻胶层；

S2：在光刻胶层之上形成润湿层，润湿层为去离子水与显影液的混合；

S3：向覆盖有润湿层的光刻胶层的表面喷洒显影液，使显影液覆盖在光刻胶层的整个表面上进行显影；

S4：去除显影液，获得显影后的目标结构。

本申请实施例所提供的光刻显影方法，在显影之前预先对光刻胶层的表面进行润湿，润湿层采用去离子水和显影液的混合溶液，在之后的显影涂布过程中，显影液可以很快速且浓度均匀地覆盖在光刻胶层上，使得目标结构中心和边缘均匀地被显影液所覆盖，在中心和边缘位置光刻胶中的光酸均可与显影液进行充分反应，获得较好的酸碱中和效果，提高图形尺寸的精确度，减少由于显影之后反应副产物所留下的缺陷。

本申请实施例中所提供的目标结构100如图3所述，其包括半导体衬底101及位于半导体衬底之上的光刻胶层102。

在一些实施例中，该半导体衬底101为体硅衬底(bulk substrate)，在另一些实施例中，该半导体衬底101为绝缘层上半导体衬底，例如绝缘层上硅(silicon-on-insulator，SOI)衬底、绝缘层上硅锗(silicon germanium-on-insulator，SGOI)衬底、或绝缘层上锗(germanium-on-insulator，GOI)衬底，还可以为本领域技术人员公知的其它半导体衬底。在半导体衬底101中还设有晶体管(例如，场效应晶体管)、存储器等半导体器件。

在半导体衬底101之上形成光刻胶层102。光刻胶层102的材料为光刻胶，光刻胶采用光敏材料制造而成，光敏材料在光照下会产生光酸。光刻胶按显示效果可分为正性光刻胶和负性光刻胶。针对正性光刻胶，其曝光区域变得可溶于显影液，而未曝光区域保持不溶于显影液；针对负性光刻胶，其曝光区域变得不溶于显影液，而未曝光区域可溶于显影液。利用光刻胶层102的光敏特性可将电路图案图形化在光刻胶层102中。

通常，光刻胶层102的表面为干燥表面，如在显影过程中直接向光刻胶层102的表面喷洒显影液，会使显影液在光刻胶层102表面上分布不均匀，造成有些位置由于没有充足的显影液，或者显影液在光刻胶层102表面上不同部位的浓度不同，在进行酸碱中和时会造成图案化的光刻胶部分无法精确地被去除。

在本申请实施例所提供的光刻显影方法中，采用去离子水和显影剂的混合溶液作为润湿层，在显影之前预先形成在光刻胶层102的表面上，对光刻胶层102起到润湿作用。此外，需要注意的是，润湿层单独采用去离子水或单独采用显影剂均无法达到本申请所要求的效果。如单独采用去离子水作为润湿层对光刻胶层101进行处理，则会在后续显影过程中对显影液的浓度产生影响，进而会影响到图案的显影效果。如单独采用显影液作为润湿层时，达不到很好的润湿效果。

在一些实施例中，在润湿层中去离子水与显影液的添加量之比为(1～4):(6～9)。本领域技术人员可根据实际需要在上述范围内进行选择，例如还可以为1:7、1:8、2:7、2:8、3:7、3:8、4:7、4:8等以及上述范围内的任一值。可选地，在一些实施例中，在润湿层中去离子水与显影液的添加量之比为2:8，具有该比例的润湿层可以达到良好的润湿效果，同时还不会对后续显影过程中显影液的浓度造成较大影响，可以较为显著地减少光刻显影后产生的缺陷率。

在一些实施例中，光刻显影方法是在涂布显影机上执行的。涂布显影机包括可旋转的吸盘200以及位于吸盘200上方且正对吸盘200的第一喷嘴201和第二喷嘴202。目标结构100放置在吸盘200上且光刻胶层102朝上，第一喷嘴201用于喷洒去离子水，第二喷嘴202用于喷洒显影液。

借助上述涂布显影机，参考图2，润湿层的形成包括以下步骤：

S21：第一喷嘴201移动至目标结构100的中心部位并向光刻胶层102喷洒去离子水，如图4a所示；

S22：第二喷嘴202移动至目标结构100的中心部位并向光刻胶层102喷洒显影液，如图4b所示；在目标结构100的中心部位，去离子水和显影液混合在一起；

S23：如图4c所示，在目标结构100的中心部位喷洒有去离子水和显影液后，吸盘200在水平方向上旋转，带动目标结构100旋转，将混合后的去离子水和显影液由中心部位向边缘甩开，在光刻胶层102的表面上形成润湿层300，达到充分润湿的效果，如图4d所示。

在上述润湿层300的形成过程中，在第一喷嘴201和第二喷嘴202内液体流速相同的情况下，通过控制第一喷嘴201和第二喷嘴202的喷洒时间可以控制去离子水与显影液的混合比例。例如，若要将去离子水与显影液的比例控制在2:8，则可控制第一喷嘴201喷洒去离子水的时间为2s，第二喷嘴202喷洒显影液的时间为8s。此外，先喷洒去离子水再喷洒显影液可以进一步提高润湿层对于光刻胶层表面的润湿效果。

在上述过程中，对吸盘200的转速没有具体的要求，只要可以将混合后的去离子水和显影液均匀地涂布在光刻胶层102的表面即可。例如，吸盘的转速可以为1000～2000转/min，本领域技术人员可根据需要进行设定。

经过以上S21-S23步骤后，光刻胶层102的表面在润湿层300的作用下已达到充分润湿的效果，随后对目标结构100执行显影操作。在显影过程中，如图4e所示，第二喷嘴202移动至目标结构100的中心部位并喷洒显影液，在喷洒的同时吸盘200在水平方向上旋转，带动目标结构100旋转，使显影液由中心部位向边缘部位甩开并覆盖在光刻胶层102的表面上，显影液与光刻胶层102中所产生的光酸中和，去除相应部位的光刻胶，从而在光刻胶层102中形成相应的图案。

光刻胶层102中所形成的图案对应掩模板上的电路图案所形成。掩模板上的电路图案根据所要制造的半导体元器件的种类和性能要求而制定。在曝光过程中，曝光设备中相应的光线会通过掩模板照射在光刻胶层102中，将掩模板上的图案投映到光刻胶层102中。在一些实施例中，在光刻胶层102中所形成的图案包括圆孔图形。圆孔图形由于其自身的形状特点，在曝光后的显影过程中其与显影液的接触面积较小，很容易发生圆孔未成功显影的问题，导致瞎窗缺陷。

在光刻胶层102表面未被润湿或润湿效果不理想的情况下，在后续显影过程中，显影液在光刻胶表面上的涂布不均匀，很容易导致圆孔图形发生瞎窗缺陷，影响半导体器件的性能。

在采用本申请中的光刻显影方法时，在显影之前对光刻胶层102的表面进行润湿，采用本申请中去离子水和显影液混合后作为润湿层的方案，在后续显影过程中，在润湿层所覆盖之处，显影液可均匀地进行涂布。特别地，针对圆孔图形位置，显影液也可充分地与该位置处的光刻胶接触并与所产生的光酸中和，提高圆孔图形的显影效果，可以显著改善圆孔图形的瞎窗缺陷率。

当润湿层中去离子水和显影液在本申请所限定的比例范围内时，即去离子水：显影液＝(1～4):(6～9)范围内时，对圆孔图形具有突出的缺陷改善作用。特别地，当润湿层中去离子水与显影液之比为2:8时，圆孔图形瞎窗缺陷率可以减少30％以上，而采用单一润湿剂(例如，仅采用去离子水或显影液)，缺陷率仅减少10％左右。

此外，在润湿过程中，润湿剂的添加顺序对最终的润湿效果也有较大的影响。优选地，首先喷洒去离子水，然后再喷洒显影液，去离子水作为基底成分可以首先湿润光刻胶层的表面，后续显影过程中的显影液在润湿层显影液成分的引导下更加均匀地分布于光刻胶层的表面各位置处。在上述润湿成分配比下，对圆孔图形的瞎窗缺陷率改善可以达到30％以上。

在另一些实施例中，在润湿过程中，首先喷洒显影液，然后再喷洒去离子水，对圆孔图形的瞎窗缺陷改善效果不显著，仅可以达到15％左右。

本申请实施例另一方面还提出一种采用如上任一实施例中的光刻显影方法制造的半导体结构。该半导体结构包括圆孔图形，圆孔图形的瞎窗缺陷率减少30％以上。

最后应当说明的是：本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种光刻显影方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供一经曝光后的目标结构，所述目标结构包括半导体衬底以及位于所述半导体衬底之上的光刻胶层；

在所述光刻胶层之上形成润湿层，所述润湿层为去离子水与显影液的混合；

向覆盖有所述润湿层的所述光刻胶层的表面喷洒显影液，使显影液覆盖在所述光刻胶层的整个表面上进行显影；

去除显影液，获得显影后的所述目标结构。

2.根据权利要求1所述的光刻显影方法，其特征在于，在所述润湿层中所述去离子水与所述显影液的添加量之比为(1～4):(6～9)。

3.根据权利要求2所述的光刻显影方法，其特征在于，在所述润湿层中所述去离子水与所述显影液的添加量之比为2:8。

4.根据权利要求1所述的光刻显影方法，其特征在于，所述光刻显影方法在涂布显影机上执行，所述涂布显影机包括可旋转的吸盘以及位于所述吸盘上方且正对所述吸盘的第一喷嘴和第二喷嘴，所述吸盘的表面用于放置所述目标结构，所述第一喷嘴用于喷洒去离子水，所述第二喷嘴用于喷洒显影液。

5.根据权利要求4所述的光刻显影方法，其特征在于，在形成所述润湿层的过程中，首先，所述第一喷嘴移动至所述目标结构的中心部位并向所述光刻胶层喷洒去离子水，随后，所述第二喷嘴移动至所述目标结构的中心部位并向所述光刻胶层喷洒显影液。

6.根据权利要求5所述的光刻显影方法，其特征在于，在所述目标结构的中心部位喷洒有去离子水和显影液后，所述吸盘在水平方向上旋转，带动所述目标结构旋转，将混合后的去离子水和显影液由所述中心部位向边缘甩开，在所述光刻胶层的表面上形成所述润湿层。

7.根据权利要求6所述的光刻显影方法，其特征在于，在显影过程中，所述第二喷嘴移动至所述目标结构的中心部位并喷洒显影液，在喷洒的同时所述吸盘在水平方向上旋转，带动所述目标结构旋转，使显影液覆盖在所述光刻胶层上进行显影。

8.根据权利要求1所述的光刻显影方法，其特征在于，经显影后，所述光刻胶层中所形成的图案包括圆孔图形。

9.一种采用如权利要求1-8任一项所述的光刻显影方法所制造的半导体结构。

10.根据权利要求9所述的半导体结构，其特征在于，所述半导体结构包括圆孔图形，所述圆孔图形的瞎窗缺陷率减少30％以上。

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