CN117369225A - 半导体装置的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种半导体装置的制造方法包含形成光阻层在基材上。利用罩幕使光阻层的部分暴露至辐射。利用碱性气体处理光阻层。显影光阻层，以形成图案化光阻层在基材上。

Description

半导体装置的制造方法
技术领域
本揭露是关于一种半导体装置的制造方法，特别是关于一种制造半导体装置的光刻工艺的方法。
背景技术
由于各种电子装置(例如个人计算机、平板计算机、移动电话及其他电子设备)变得愈来愈小，这些电子装置的个别组件的尺寸也必须随着缩小。组件也可为半导体装置，其一般是通过连续地沉积介电材料、导电材料及/或半导体材料层在半导体基材上，然后通过光刻技术图案化各层，以形成各种电路组件。
光刻(photolithography)为一种用于制造集成电路(integrated circuit，IC)的常用方法。光刻是转移几何图案至基材或基材上的层的工艺。光刻的基础工艺包含光阻涂布、曝光及显影。曝光步骤包含暴露光阻层的特定区域至辐射，而显影步骤包含施加显影剂至光阻，借以获得所要的图案。
发明内容
根据本揭露的一些实施例，一种半导体装置的制造方法包含形成光阻层在基材上。利用罩幕使光阻层的部分暴露至辐射。利用碱性气体处理光阻层。显影光阻层，以形成图案化光阻层在基材上。
在上述实施例中，碱性气体溶于水时的pH值为8至9。
在上述实施例中，方法还包含在处理光阻层之前，进行后曝光烘烤。
在上述实施例中，处理光阻层的步骤包含在光阻层上施加碱性气体及载流气体。
在上述实施例中，载流气体包含惰性气体、氮气或前述的组合。
在上述实施例中，光阻层包含正型光阻，且显影光阻层的步骤包含负显影。
在上述实施例中，光阻层包含正型光阻，且显影光阻层的步骤包含正显影。
根据本揭露的一些实施例，一种半导体装置的制造方法包含涂布光阻层在基材上。利用罩幕使光阻层暴露至辐射。对基材上的光阻层进行后曝光烘烤。自腔室中移除第一气体。在自腔室中移除第一气体之后，在腔室中通过第二气体修饰光阻层的顶表面。对光阻层施加显影剂。
在上述实施例中，当第二气体溶于水时为碱性。
在上述实施例中，第二气体包含氨、胺气或前述的组合。
在上述实施例中，后曝光烘烤在70℃至110℃的温度下进行。
在上述实施例中，修饰光阻层的顶表面的持续时间为1分钟以下。
在上述实施例中，腔室的压力为1torr至100torr。
在上述实施例中，显影剂包含水溶液。在上述实施例中，显影剂包含有机溶剂。
根据本揭露的一些实施例，一种半导体装置的制造方法包含形成光阻层在基材上，其中光阻层包含光酸产生剂。暴露光阻层的第一区域至辐射，以在光阻层内产生光酸。对基材上的光阻层进行后曝光烘烤。使碱性气体在光阻层上流动，以与光阻层内的光酸反应。对光阻层施加显影剂，以移除光阻层的第二区域，其中第二区域未暴露至辐射。
在上述实施例中，显影剂选自于由醚、二醇醚、芳香烃、酮、酯或前述的组合所组成的族群。
在上述实施例中，在施加显影剂至光阻层之后，光阻层的第一区域的复数个侧壁实质垂直于光阻层的底表面。
在上述实施例中，使碱性气体在光阻层上流动的持续时间为30秒至60秒。
在上述实施例中，使碱性气体在光阻层上流动包含使惰性气体或氮气与碱性气体流动。
附图说明
根据以下详细说明并配合附图阅读，使本揭露的态样获致较佳的理解。需注意的是，如同业界的标准作法，许多特征并不是按照比例绘示的。事实上，为了进行清楚讨论，许多特征的尺寸可以经过任意缩放。
图1绘示根据本揭露一些实施例的半导体装置的制造方法的中间阶段的示意图。
图2绘示根据本揭露一些实施例的半导体装置的制造方法的中间阶段的示意图。
图3绘示根据本揭露一些实施例的半导体装置的制造方法的中间阶段的示意图。
图4A及图4B绘示根据本揭露一些实施例的半导体装置的制造方法的中间阶段的示意图。
具体实施方式
以下揭露提供许多不同实施例或例示，以实施提供的主体的不同特征。以下叙述的组件和配置方式的特定例示是为了简化本揭露。这些当然仅是做为例示，其目的不在构成限制。举例而言，第一特征形成在第二特征之上或上方的描述包含第一特征和第二特征有直接接触的实施例，也包含有其他特征形成在第一特征和第二特征之间，以致第一特征和第二特征没有直接接触的实施例。除此之外，本揭露在各种具体例中重复元件符号及/或字母。此重复的目的是为了使说明简化且清晰，并不表示各种讨论的实施例及/或配置之间有关系。
再者，空间相对性用语，例如“下方(beneath)”、“在…之下(below)”、“低于(lower)”、“在…之上(above)”、“高于(upper)”等，是为了易于描述附图中所绘示的零件或特征和其他零件或特征的关系。空间相对性用语除了附图中所描绘的方向外，还包含元件在使用或操作时的不同方向。装置可以其他方式定向(旋转90度或在其他方向)，而本揭露所用的空间相对性描述也可以如此解读。
一般而言，在光刻工艺中，光阻层先形成在基材上。接着，光阻层通过光罩暴露至辐射源。光阻的辐射暴露造成光阻层的暴露部分中的化学反应。然后，光阻层利用显影剂显影，以在光阻层中形成默认的图案。
有二种类型的光阻：正型光阻(或正光阻)及负型光阻(或负光阻)。正型光阻及负型光阻在暴露至辐射时会改变其化学结构，借以改变其在显影剂中的溶解性。一般而言，在暴露至辐射之后，正型光阻的暴露部分破坏化学键结并改变在显影剂中的溶解性。另一方面，负型光阻的曝光发起交联反应，故造成负型光阻的暴露部分改变其在显影剂中的溶解性。
无论光阻为正型光阻或负型光阻，所得的图案取决于用以显影光阻的显影剂类型。举例而言，当显影剂为水溶液基显影剂(例如四甲基氢氧化铵(tetramethylammoniumhydroxide，TMAH)溶液)时，不溶于显影剂溶液中的一些正型光阻会提供正型图案(即暴露部分被显影剂移除)，此为正显影。另一方面，当显影剂为有机溶剂时，相同的光阻则提供负型图案(即未暴露部分被显影剂移除)，此为负显影。再者，负型光阻的未暴露部分被四甲基氢氧化铵移除，而光阻的暴露部分在暴露至辐射时发生交联反应，且可在显影后保留在基材上。除此之外，负型光阻的暴露部分可通过使用有机溶剂做为显影剂而被移除，而未暴露部分则保留在基材上。
典型地，光阻层包含光酸产生剂(photoacid generator，PAG)，其吸收曝光能量并产生光酸。光酸可做为转化光阻的溶解度的化学增幅性要素。然而，主要在光阻层的暴露部分中产生的光酸也可扩散至未暴露部分，特别具有较大量光酸的上表面中。因此，在显影之后，图案化光阻层通常显示T型状(T-topping)图案轮廓，其表示保留在基材上的图案化光阻层自上表面向下表面渐缩。换言之，图案化光阻层的上表面的宽度通常是大于底表面的宽度，且图案化光阻层的侧壁为倾斜。因此，图案显示较大的关键尺寸(criticaldimension，CD)及不理想的关键尺寸均匀度。
根据本揭露一些实施例，提供一种半导体装置的制造方法，在曝光之后以碱性气体处理光阻。碱性气体可与光酸反应，特别为扩散至光阻的未暴露部分，借以减少光阻的T型状图案轮廓并优化关键尺寸均匀度。
图1至图4B绘示根据本揭露一些实施例的半导体装置的制造方法的中间阶段的示意图。如图1所示，光阻层120形成在基材110上。基材110可为半导体基材，例如硅、锗、硅锗、前述的组合等。基材可为晶圆，例如硅晶圆。在一些实施例中，基材110可包含在半导体基材上的各层。在一些实施例中，光阻层120为被光化辐射照射下可改变化学性质的光敏层。在一些实施例中，光阻层120为正型光阻。在一些实施例中，光阻层120包含光酸产生剂。在一些实施例中，光阻层120通过例如旋转涂布工艺(spin-on coating process)、浸涂法(dipcoating method)、气动刮刀涂布法(air-knife coating method)、帘幕式涂布法(curtaincoating method)、线棒涂布法(wire-bar coating method)、凹版涂布法(gravurecoating method)、层压法(lamination method)、挤压涂布法(extrusion coatingmethod)、前述的组合等。光阻层的厚度取决于默认的图案及其后续的应用。
请参阅图2，罩幕(或光罩)130放置在光阻层120之上，且曝光辐射源通过罩幕130提供辐射135至光阻层120。在一些实施例中，暴露至辐射的操作在包含罩幕130及曝光辐射源的光刻工具中进行。在一些实施例中，辐射135可为紫外光(ultraviolet，UV)、极紫外光(extreme ultraviolet light，EUV)、深紫外光(deep ultraviolet)、电子束等。在一些实施例中，辐射源选自由汞蒸汽灯(mercury vapor lamp)、氙灯(xenon lamp)、碳弧灯(carbon arc lamp)、氟氪准分子激光(KrF excimer laser light)(波长为248nm)、氟氩准分子激光(ArF excimer laser light)(波长为193nm)、氟准分子激光(F2 excimer laserlight)(波长为157nm)或二氧化碳激光激发的锡等离子体(CO2 laser-excited Snplasma)(极紫外光，波长为13.5nm)。
光阻层的第一区域120A暴露至辐射135，而光阻层的第二区域(剩余部分)120B不暴露(或暴露较少)至辐射135。在光阻层120为正型光阻的一些实施例中，辐射135使第一区域120A的化学结构改变，且变成可溶于水溶液基显影剂内，例如四甲基氢氧化铵溶液。在此实施例中，第二区域120B应不溶于显影剂溶液中。如上所述，第一区域120A在吸收辐射135之后可产生光酸。然而，光酸扩散可使第二区域120B的上部部分包含一些光酸，进而在光刻工艺之后造成影像模糊。
在暴露至辐射135之后，对光阻层120选择性地进行后曝光烘烤(post exposurebaking，PEB)，以完成曝光过程驱使的光反应。后曝光烘烤有助于图案的轮廓。在一些实施例中，在约70℃至约110℃的温度下加热光阻层120约50秒至约90秒。后曝光烘烤的温度及持续时间取决于默认的图案及其后续的应用。
然后，请参阅图3，利用碱性气体145处理光阻层120。应理解的是，本文所用的“碱性气体(basic gas)”也表示碱气(alkaline gas)。碱性气体145可与光阻层120中的光酸反应，例如自第一区域120A扩散至第二区域120B的光酸，特别是在光阻层120的上部部分中。换言之，光阻层120的顶表面通过施加碱性气体145来修饰。在一些实施例中，此处理操作在腔室140内进行。在此实施例中，在通入碱性气体145至腔室140中之前，在腔室140内的其他气体应先被移除。除了通入碱性气体145，载流气体也可随碱性气体145一起通入腔室140中。在一些实施例中，载流气体可为惰性气体(例如氩气及氦气)、氮气(N2)或前述的组合。在一些实施例中，在以碱性气体145处理腔室内的光阻层120时，腔室的压力在约1torr至约100torr。
在一些实施例中，当碱性气体145溶于水时可为弱碱性，例如具有约8至约9的pH值。若碱性气体145的pH值小于8时，则无法达成减少T型状轮廓的效果。若碱性气体145的pH值大于9时，光阻层120会被破坏。在一些实施例中，碱性气体145可包含氨(NH3)、胺气(amine gas)或前述的组合。在一些实施例中，通入碱性气体145至腔室中的持续时间为1分钟以下，例如约30秒至约60秒。通入碱性气体145的持续时间会影响光酸的量，若持续时间多于1分钟，则光阻层120产生的图案会变成底表面比上表面宽。在一些实施例中，由于液体会造成光阻层120的破坏，故碱性气体145不含液体。
然后，光阻层120通过施加显影剂而被显影。在一些实施例中，此显影操作可为负显影或正显影。一般而言，负显影可溶解不具有光酸的光阻层，而正显影可溶解具有光酸的光阻层。
当进行负显影时，则在显影之后，第一区域120A(即暴露区域)保留在基材110上，因此第二区域120B被显影剂所移除，如图4A所示。在图4A所示的实施例中，显影剂可包含有机溶剂。有机溶剂可为任何合适的溶剂。举例而言，显影剂选自于由醚、二醇醚、芳香烃、酮、酯或前述的二者或多者的组合所组成的族群。在一些实施例中，显影剂包含丙二醇甲醚乙酸酯(propylene glycol methyl ether acetate，PGMEA)、丙二醇单甲醚(propyleneglycol monomethyl ether，PGME)、甲苯、甲基异丁酮、环庚酮、四氢呋喃(tetrahydrofuran，THF)、乙酸正丁酯(n-butyl acetate，nBA)及2-庚酮(2-heptanone，MAK)等。
在负显影之后，图案化光阻层(例如图4A所示的第一区域120A)具有较小的宽度及近乎完美的笔直侧壁。在一些实施例中，第一区域120A的上表面121的宽度与第一区域120A的底表面123的宽度实质相同。在一些实施例中，第一区域120A的侧壁实质垂直于底表面123及/或第一区域120A的侧壁实质垂直于上表面121。
在另一实施例中，显影可为正显影，其利用水溶液做为显影剂，例如四甲基氢氧化铵。如图4B所示，在正显影中，第二区域120B保留在基材110上，而第一区域120A被显影剂所移除。相似地，在正显影之后，图案化光阻层(例如图4B所示的第二区域120B)具有较小的宽度且具有近乎完美的笔直侧壁。在一些实施例中，第二区域120B的上表面121的宽度与第二区域120B的底表面123的宽度实质相同。在一些实施例中，第二区域120B的侧壁实质垂直于底表面123及/或第二区域120B的侧壁实质垂直于上表面121。
一般而言，图案的分辨率在负显影中较差。若光酸在光阻层的上表面中过量地产生，会产生T型状图案轮廓。然而，本揭露的一些实施例达成优化的分辨率，其以碱性气体处理曝光后的光阻层，借以减少在上表面的光酸的浓度。因此，在显影之后，图案化光阻层显示优化的关键尺寸及优化的关键尺寸均匀度。再者，图案化光阻层减少T型状图案轮廓。另外，本揭露的方法适用于任何类型的图案。
应理解的是本揭露的实施例所述的步骤可结合或省略，且其顺序可根据实际需求而调整。
虽然本揭露已以数个实施例揭露如上，仍可能为其他的实施例。因此，后附的权利要求书的精神及范围不受限于所述的实施例的内容。
【符号说明】
110:基材
120:光阻层
120A:第一区域
120B:第二区域
121:上表面
123:底表面
130:罩幕
135:辐射
140:腔室
145:碱性气体。

Claims (20)

1.一种半导体装置的制造方法，其特征在于，包含：
形成光阻层在基材上；
利用罩幕暴露该光阻层的一部分至辐射；
利用碱性气体处理该光阻层；以及
显影该光阻层，以形成图案化光阻层在该基材上。
2.根据权利要求1所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，当该碱性气体溶于水时的pH值为8至9。
3.根据权利要求1所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，还包含：
在处理该光阻层之前，进行后曝光烘烤。
4.根据权利要求1所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，该处理该光阻层的步骤包含在该光阻层上施加该碱性气体及载流气体。
5.根据权利要求4所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，该载流气体包含惰性气体、氮气或前述的组合。
6.根据权利要求1所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，该光阻层包含正型光阻，且显影该光阻层的步骤包含负显影。
7.根据权利要求1所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，该光阻层包含正型光阻，且显影该光阻层的步骤包含正显影。
8.一种半导体装置的制造方法，其特征在于，包含：
涂布光阻层在基材上；
利用罩幕暴露该光阻层的一部分至辐射；
对该基材上的该光阻层进行后曝光烘烤；
自腔室中移除第一气体；
在自该腔室中移除该第一气体之后，在该腔室中通过利用第二气体修饰该光阻层的顶表面；以及
对该光阻层施加显影剂。
9.根据权利要求8所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，当该第二气体溶于水时为碱性。
10.根据权利要求8所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，该第二气体包含氨、胺气或前述的组合。
11.根据权利要求8所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，该后曝光烘烤在70℃至110℃的温度下进行。
12.根据权利要求8所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，修饰该光阻层的该顶表面的持续时间为1分钟以下。
13.根据权利要求8所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，该腔室的压力为1torr至100torr。
14.根据权利要求8所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，该显影剂包含水溶液。
15.根据权利要求8所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，该显影剂包含有机溶剂。
16.一种半导体装置的制造方法，其特征在于，包含：
形成光阻层在基材上，其中该光阻层包含光酸产生剂；
暴露该光阻层的第一区域至辐射，以在该光阻层内产生光酸；
对该基材上的该光阻层进行后曝光烘烤；
使碱性气体在该光阻层上流动，以与该光阻层内的该光酸反应；以及
对该光阻层施加显影剂，以移除该光阻层的第二区域，其中该第二区域未暴露至该辐射。
17.根据权利要求16所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，该显影剂选自于由醚、二醇醚、芳香烃、酮、酯或前述的组合所组成的族群。
18.根据权利要求16所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，在施加该显影剂至该光阻层之后，该光阻层的该第一区域的复数个侧壁实质垂直于该光阻层的底表面。
19.根据权利要求16所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，使该碱性气体在该光阻层上流动的持续时间为30秒至60秒。
20.根据权利要求16所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，使该碱性气体在该光阻层上流动包含使惰性气体或氮气与该碱性气体流动。
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