CN1213789A - 改进的深紫外线光刻技术 - Google Patents

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Abstract

一种用于制造可以改进光致抗蚀剂分辨率和工艺窗口的抗反射层的方法包括:提供一第一体积的有机抗反射化学品;提供一第二体积的光－酸发生元化学品,第二体积是第一体积的0.01%～30%;基本同时混合第一体积的有机抗反射化学品和第二体积的光－酸发生元化学品,以得到一增强抗反射化学品,其酸水平得到提高,其中,增强抗反射化学品酸水平的增加减少了后续在抗反射涂层(ARC)的界面上旋涂深紫光致抗蚀剂层的酸损的影响。

Description

改进的深紫外线光刻技术
本发明涉及半导体器件的制造。更具体地说，本发明涉及用于改进深紫外线光刻技术中光致抗蚀剂显影的分辨率(resolution)和工艺窗口的技术。
在半导体集成电路的制造过程中，采用熟知的光刻技术在集成电路芯片的不同层上构造各种功能图线的图案。一般地，光刻技术涉及有选择地将涂在晶片上的光致抗蚀剂的区域暴露在一放射图案下，然后，显影曝光的光致抗蚀剂，以在后续蚀刻操作中有选择地保护晶片层(如金属，多晶硅层和介电层)的区域。
一般地，光致抗蚀剂是一辐射敏感材料，它典型地旋涂在硅晶片上一选定的层上。光致抗蚀剂材料根据在曝光过程中它如何与光辐射反应，分成正光致抗蚀剂和负光致抗蚀剂。正光致抗蚀剂当暴露在辐射作用下时，变得更加可溶，所以在显影时更容易移去。相反，负光致抗蚀剂当暴露在辐射作用下时变得更加不可溶，所以，可以移去非暴露区域。尽管传统的I-线光刻工艺对在0.35微米技术和更大的图线尺寸的效果良好，但随着集成电路图线尺寸不断减少，构图的光致抗蚀剂有很多分辨率的限制。
为了解决这个问题，光刻技术工程师采用波长比传统的I-线波长(也就是，365nm)短的光。如，许多通用光刻技术现在采用深紫外光(DUV,deepultra-violet)波长(如：248nm波长)。在光刻工艺中采用DUV波长，结果，多个DUV光致抗蚀剂也被显影，从而更好地与短波长配合。当工程师们注意到在DUV波长下，I-线光刻技术所用传统的光致抗蚀剂呈现不透光特性时，需要使用DUV专门光致抗蚀剂。一般DUV光致抗蚀剂包括两个基本成分：一具有脱保护基(deprotection group)的聚合物树脂(polymer resin)和一光-酸发生元(PAG,1hoto-acid generator)。
当一“正”DUV光致抗蚀剂层被选择性地曝光以形成集成电路的几何形状时，DUV光致抗蚀剂的曝光区域的PAG经历一化学分解并产生强酸的过程。曝光以后，晶片然后被移到一热板上，在这里后曝光烘烤(PEB)将使产生的酸催化DUV光致抗蚀剂的聚合物树脂的脱保护基。一旦聚合物树脂的脱保护基被催化，曝光的DUV光致抗蚀剂将变得可溶在水基显影剂溶液中。最好，在后曝光烘烤操作中，延伸至下层的DUV光致抗蚀剂材料的所有曝光的聚合物树脂都被催化。然而，在多个小图形几何形状的精细检测下，发现不同量的DUV光致抗蚀剂仍保留在DUV光致抗蚀剂和抗反射层的界面上，并且显影以后会产生熟知的垫层和浮渣效应(footing and scummingeffect)。
为了说明这个问题，图1示出了半导体基底100的截面图，它包括一显影的光致抗蚀剂层106。半导体基底100上有一个层102，它是后续蚀刻操作的目标。一传统的底抗反射层(BARL)104典型地施加在层102上，帮助消除反射光，以更好地控制临界尺寸(CDs)。最后，一正DUV光致抗蚀剂层106旋涂在底抗反射层层104上。当多个示例性特征图案通过掩模母版分步曝光装置曝光以后，执行后曝光烘烤操作和显影，会出现一比较差的分辨率。如图所示，DUV光致抗蚀剂108的分辨率差，它是由区域108a-108c中未显影光致抗蚀剂材料所导致的。
当PAG的酸性化合物损失以后会出现差的分辨率。酸损与多种熟知的因素有关，包括基本中和(base neutralization)，蒸发或两种都有。有时，空气和光致抗蚀剂界面上的酸损非常严重，从而导致产生非常差的分辨率(如区域108c所示)。差的分辨率有时称为“T-top”(也就是，接触孔结构的封闭图案和线/空间结构的桥接图案)。结果，在标号108c处只去掉DUV光致抗蚀剂层106的表皮层。
另外，在底抗反射层层104和DUV光致抗蚀剂层106的界面120上也会发生酸损，图1B示出了由于“酸扩散”和“酸中和”产生的酸损。图1B示出了多个酸扩散箭头130，它形象地示出了DUV光致抗蚀剂层106的酸损。当在界面120上发生酸损时，在区域108a上会出现称为“浮渣”或“垫层”的差分辨效果，在区域108b会出现精细图案。
差分辨率的另一个原因是差的空气影象，当光经过掩模分步曝光机时光发生衍射，会产生这种情况。例如，当在光刻工艺中采用248nm波长时，临界尺寸约175nm的图形会遭受增加的光衍射作用。结果，在DUV光致抗蚀剂层106上会产生差的空气影象，所以，减少了用于产生强酸来催化底抗反射层层104界面120附近脱保护反应的光的浓度。
因此，当发生一定量酸损时，DUV光致抗蚀剂层106和抗反射层104的界面附近区域不会产生足够的酸，所以只有少量酸用来催化聚合物树脂的脱保护基。因为聚合物树脂的脱保护层没有得到足够的催化，在显影过程中，DUV光致抗蚀剂的这些区域将保持不溶解，区域108a-c保持在显影的光致抗蚀剂中。也就是，在显影过程中，只有一部分光致抗蚀剂可溶解，所以导致非常差的图形分辨率。随着对集成电路的要求日趋小型化，差的光致抗蚀剂分辨率越来越成问题。
如上所述，需要有用于减少DUV光致抗蚀剂的酸损的方法和装置，以防止光刻工艺中出现差分辨率效果。
广而言之，本发明通过提供一种改进的抗反射层而满足这些需求，改进的抗反射层包括一预定量的光-酸发生元(PAG)，它是用来弥补DUV光致抗蚀剂的酸损和不充足的曝光。必须理解的是本发明可以用多种方式来实践，包括：一工艺、一装置、一系统、一器件或一种方法。这里介绍了本发明的几个实施例。
在一个实施例中，公开一种用于制造可以改进光致抗蚀剂分辨率和工艺窗口的抗反射层的方法。该方法包括：提供一第一体积的有机抗反射化学品；提供一第二体积的光-酸发生元化学品，第二体积约是第一体积的约0.01％～约30％；基本同时混合第一体积的有机抗反射化学品和第二体积的光-酸发生元化学品，以得到一增强抗反射化学品，其具有提高的酸水平。
在另一实施例中，公开一种深紫外线光刻层状结构。该层状结构包括：一选择用来构图的基层；一增强抗反射层，它具有一有机聚合物和一预定量添加光-酸发生元。层状结构还包括覆盖在增强抗反射层之上的深紫外线光致抗蚀剂层。深紫外线光致抗蚀剂包括：一光-酸发生元成分和一有机聚合物树脂成分。
在另一实施例中，公开一种用于生成可以改进光致抗蚀剂分辨率和工艺窗口的抗反射层的系统，该系统包括：提供一第一体积的有机抗反射化学品的装置；提供一第二体积的光酸发生元化学品的装置，第二体积约是第一体积的0.01％～12％；基本同时混合第一体积的有机抗反射化学品和第二体积的光-酸发生元化学品，以得到一增强抗反射化学品的装置，其具有提高的酸水平。
由于在有机聚合物抗反射层中加入了一定百分比的光-酸发生元，最好可以基本上避免上述光致抗蚀剂垫层和浮渣。因为在光致抗蚀剂和底抗反射层的界面上会产生更多的酸，可以获得更宽的工艺窗口，特别是当出现暴露条件时。通过下面的介绍以及用来显示本发明原理的示意图，可以更好地理解本发明的其它特征和优点。
参考附图，通过下面的详细介绍，就能更好地理解本发明，在附图中，相同的参数表示相同的结构元件。附图中：
图1A和1B示出了半导体基底的截面图，它包括一被显影的光致抗蚀剂层，并显示了传统的DUV光刻技术的缺点；
图2示出了一半导体基底的截面图，它包括本发明一实施例中的一覆盖层；
图3示出了图2在施加上本发明一实施例中的增强抗反射层后的截面图；
图4示出了图3在增强抗反射层上旋涂本发明一实施例中的一DUV光致抗蚀剂层后的截面图；
图5示出了图4在本发明一实施例中的曝光的DUV光致抗蚀剂层被显影以后的截面图；
图6是一流程图，示出了本发明一实施例中优选方法的操作。
本发明提供了一种用于改进DUV光致抗蚀剂分辨率的方法，它通过提供一增强抗反射层来弥补DUV光致抗蚀剂的酸损失。在下面的介绍中，为了为本发明提供一透彻的了解，提出了许多具体的细节。然而，对熟悉该技术的人必须知道的是在没有一些或所有这些细节时，也可以实施本发明。在其它方面，为了防止使本发明黯然失色，对一些熟知的工序操作没有进行描述。
图2示出了半导体基底200的截面图，它包括本发明一实施例中的一覆盖层102。在一个实施例中，半导体基底200可能是硅晶片(那些普遍用于集成电路(ICs)的制造硅晶片)的一部分。这种集成电路(ICs)包括：随机存取存储器(RAMs)；动态随机存取存储器(DRAMs)；同步随机存取存储器(SDRAMs)；只读存储器(ROMs)。也可以制造专用集成电路(ASICs)，归并DRAM逻辑(嵌入DRAMs)集成电路或其它逻辑电路。典型地，在晶片上并列地形成多个集成电路ICs。在处理结束以后，晶片被切割，从而将集成电路分成单个晶片。晶片然后被组装起来，形成最终用品，可以用于家用产品(如计算机系统；单元电话机；个人数字助手(PDAs)；和其它电器)。层202可以是经沉积、溅射、形成或作用到半导体基底200上的层。在该例中，层202最好适合于构图来确定集成电路设计的图形。
例如，层200可以是一介电层，如硅的二氧化物(SiO2)层，它在后述的金属化层之间起着绝缘体的作用。层202可以是铝、铜或多晶硅，它们在集成电路的设计中通常用来形成晶体管栅极。因此，层202可以认为是集成电路设计中需要使用多种熟知的蚀刻技术构图的任何层。图3示出了图2在本发明一实施例的增强抗反射层204施加在层202上之后的截面图。在一个实施例中，增强抗反射层包括光-酸产生器(PAG)。在曝光过程中PAG产生酸，从而增加抗蚀剂底和ARC的界面的酸浓度，使之足以弥补界面内的酸损失和/或曝光不足处。结果，酸和合适的烘烤温度一起催化聚合物的脱保护反应，使聚合物溶在主显影剂中。
增强抗反射层204最好是一用与传统的有机抗反射层所用相似的方法旋涂的层。其它合适的沉积增强抗反射层的方法也可以采用。增强抗反射化合物是通过混合用于形成抗反射层204的有机聚合物与PAG来提供的。当被激活时，PAG的量要足以增加增强抗反射层中的酸浓度，从而弥补酸损失或酸不足。酸量不足会导致抗蚀剂垫层。例示性地，构成增强抗反射层204的有机聚合物用占有机聚合物约0.01％～约30％(除注明外，所有百分比都是指体积百分比)的PAG混合，更优选在约0.1％至约6％之间，最好是约1％。通过这种方法，增强抗反射层204的PAG酸浓度将会增加，它可以有利地限制后续沉积的DUV光致抗蚀剂层中的酸扩散量。
一般地，添加到有机聚合物中的PAG在高热工序步骤中最好基本保持稳定，高热工序步骤典型地，是后施加烘烤(PAB,post-apply bake)和后曝光烘烤(post-exposed bake)操作的一部分。例如，由于在增强抗反射层204中会有一PAG百分比，重要的是在PAB和后曝光烘烤温度下该百分比保持稳定(也就是说，它不会分解)。在一个实施例中，一合适的稳定PAG混合物最好是Diphenyliodonium盐或其它熟知的PAG混合物。
一般地，PAB温度约在80℃至150℃之间，最好约为100℃。后曝光烘烤温度一般约在90℃至150℃之间，最好约为135℃。在这种工艺条件下，PAG含量将保持热稳定，不会和增强抗反射层204的聚合物反应。
在该实施例中，增强抗反射层204的优选厚度在约300埃至约2000埃之间，更优选在约500埃至约900埃之间，最好为约1000埃。
图4示出了根据本发明一实施例在增强抗反射层204上旋涂的一DUV光致抗蚀剂层后图3的截面图。尽管具体例子和优点是参考“正”光致抗蚀剂进行描述的，必须理解的是本发明的实施例可以适用于“负”光致抗蚀剂，在该实施例中，DUV光致抗蚀剂是“正”光致抗蚀剂，它可以是“UV2HS”,“UV4HS”,“UV6HS”，或其它合适的包括聚合物树脂成分(即作为基体)和光-酸发生元(PAG)成分的“正”光致抗蚀剂。这些实例性光致抗蚀剂可以从Marlborough,MA的Shipley Co.得到。在该实施例中，DUV光致抗蚀剂层206旋涂的厚度最好在约4000埃至约15000埃之间。更优选地在约6000埃至约7000埃之间，最好为约6500埃。
一旦DUV光致抗蚀剂层206已施加到增强抗反射层204之上，晶片最好在一热板上接受后作用烘烤(PAB)，以驱动溶剂并保证在曝光之前使光致抗蚀剂有足够的硬度。一旦PAB完成以后，晶片被移到一分步曝光装置中，它将DUV光致抗蚀剂层206的选定部分暴露在DUV波长(也就是248nm或193nm)光400中。典型地，分步曝光装置有一掩模母版(reticle)，它包括所需的图案，在DUV波长光400的帮助下，可以将图案传到DUV光致抗蚀剂层206上。当DUV光致抗蚀剂层206被曝光时，曝光区域产生强酸402。
因为增强抗反射层204包括一定比例的PAG,DUV光致抗蚀剂层206中位于增强抗反射层204界面上的那些区域酸的浓度相对高，所以，可以有效地防止酸扩散效应和贫空气影象。因此，在该界面上产生了更多的酸，在显影的DUV光致抗蚀剂层206中不会再出现浮渣和垫层。在此，半导体晶片被移到一热板上，在这里在约150℃至约250℃的温度下进行后曝光烘烤(PEB)，它使强酸402催化包含在DUV光致抗蚀剂层206中的聚合物树脂的深保护基。
最好，由于DUV光致抗蚀剂层206基本保持其PAG的较大部分，聚合物树脂的脱保护基更均匀地催化，直至下层的增强抗反射层204。在后曝光烘烤温度帮助强酸402催化DUV光致抗蚀剂层206的聚合物树脂的脱保护基，那些DUV光致抗蚀剂层206的曝光部分现在可以溶于显影剂，它典型地是一水基溶液。
一旦施加显影剂以后，DUV光致抗蚀剂层206将会有显影区208a-208b，他们基本向下延伸到增强抗反射层204，如图5所示。如上所述，通过在增强抗反射层204中包含一定百分比的PAG,DUV光致抗蚀剂层206中酸向外扩散到下层增强抗反射层204中会基本减小。也就是，尽管仍然存在一些酸扩散，基本避免了酸损问题。这样，由酸损所导致的疑难的分辨率问题基本解决，所以，使光致抗蚀剂掩模的制造可以提供改进的外观比率。
和以前的技术相比，必须指出的是在显影的DUV光致抗蚀剂层206中不再出现参考图1所介绍的垫层效应和浮渣效应。因此，现在可以改进工艺窗口，更好地控制整成电路设计的制造中的整体临界尺寸(CDs)。最主要的是，随着图形尺寸不断减小，更需要有改进的光致抗蚀剂和抗反射层来获得更好的影象分辨率。
图6是一流程图，示出了本发明一实施例中优选方法的操作。该方法从操作602开始，为光刻图案提供一个层。如上所述，该层可以是诸如氧化物层、金属化层、硅层、多晶硅层等之类的任何层。众所周知，这些层一般被构图来形成用于制造半导体芯片的集成电路设计的多个图形。
一旦操作602中提供了该层，该方法传到操作604，提供抗反射化学品。最好，抗反射化学品是有机聚合物，它典型地用作底抗反射层(BARL)。一旦在操作604中提供了抗反射化学品，该方法传至操作606，提供一光-酸发生元(PAG)化学品。如前面所述，PAG最好是Diphenyliodonium盐或其它合适的PAG化合物，它在烘烤操作中，保持热稳定，不会与抗反射层的聚合物发生反应。
该方法然后传至操作608，基本同时混合抗反射化学品和一定比例的PAG，从而得到一增强抗反射化学品。最好，提供约0.01％至约30％的PAG的抗反射化学品以得到增强抗反射化学品。一旦增强抗反射化学品形成以后，该方法传至操作610，增强抗反射化学品旋涂到在操作602中为光刻图案提供的层上。最好，增强抗反射层的厚度在约300埃至约2000埃之间。
接着，该方法传至操作612，一深紫外线光致抗蚀剂施加到上述旋涂的增强抗反射层。最好，旋涂DUV光致抗蚀剂层的厚度约在4,000埃至约15,000埃之间，一旦在操作612中旋涂上DUV光致抗蚀剂层，旋涂有DUV光致抗蚀剂的晶片放在一热板上，以执行后作用烘烤(PAB)，以致DUV光致抗蚀剂硬化。该方法然后传至操作614，对DUV光致抗蚀剂的选定区域曝光。
一旦被曝光，曝光的区域将会产生一强酸，与曝光的DUV光致抗蚀剂层接受后曝光烘烤(PEB)时，强酸会催化DUV光致抗蚀剂层的聚合物树脂的脱保护基。该方法然后传至操作616，DUV光致抗蚀剂层在水基溶液中显影，基本除去DUV光致抗蚀剂所有的曝光区域。
尽管为了清楚地理解本发明，上面介绍了本发明的一些细节，很明显在权利要求所规定的范畴内可以进行一定的变化和修改。例如，在实施化学增强光致抗蚀剂的技术中可以采用各种改进的光刻技术。这种技术一般包括集成电路，如逻辑和存储器件(也就是ROM,RAM,DRAM等)。因此，本实施例只是例示性的，而不是限制性的，本发明不局限于这里所给出的细节，可以在权利要求所规定的范畴内进行修改。

Claims (25)

1．一种用于制造可以改进光致抗蚀剂分辨率和工艺窗口的抗反射层的方法。该方法包括：
提供一第一体积的有机抗反射化学品；
提供一第二体积的光-酸发生元化学品，第二体积约是第一体积的约0.01％～约30％；
基本同时混合第一体积的有机抗反射化学品和第二体积的光-酸发生元化学品，以得到一增强抗反射化学品，其具有提高的酸水平。
2．如权利要求1所述的用于制造可以改进光致抗蚀剂分辨率和工艺窗口的抗反射层的方法，其中，光-酸发生元是热稳定的。
3．如权利要求2所述的用于制造可以改进光致抗蚀剂分辨率和工艺窗口的抗反射层的方法，还包括：
将增强抗反射化学品旋涂在选用来构图的层上，旋涂是用于形成一增强抗反射层。
4．如权利要求3所述的用于制造可以改进光致抗蚀剂分辨率和工艺窗口的抗反射层的方法，还包括；
在旋涂增强抗反射层上旋涂一深紫外线光致抗蚀剂层，深紫外线光致抗蚀剂层包括一有机聚合物树脂成分和一光-酸发生元成分。
5．如权利要求4所述的用于制造可以改进光致抗蚀剂分辨率和工艺窗口的抗反射层的方法，其中，有机聚合物树脂包括脱保护基。
6．如权利要求5所述的用于制造可以改进光致抗蚀剂分辨率和工艺窗口的抗反射层的方法，其中，增强抗反射层酸水平的增加基本减少了光-酸发生元成分的扩散以及深紫外线光致抗蚀剂层的酸进入增强抗反射层中。
7．如权利要求6所述的用于制造可以改进光致抗蚀剂分辨率和工艺窗口的抗反射层的方法，其中，深紫外线光致抗蚀剂是一种正光致抗蚀剂。
8．如权利要求7所述的用于制造可以改进光致抗蚀剂分辨率和工艺窗口的抗反射层的方法，还包括：
在深紫外线光致抗蚀剂的选定区域暴露一光能，曝光的区域用以产生强酸。
9．如权利要求8所述的用于制造可以改进光致抗蚀剂分辨率和工艺窗口的抗反射层的方法，还包括；
使产生的强酸受到温度在约90℃-约150℃的后曝光烘烤的作用，后曝光烘烤温度设定为用以使强酸催化有机聚合物树脂的脱保护基。
10．如权利要求9所述的用于制造可以改进光致抗蚀剂分辨率和工艺窗口的抗反射层的方法，其中，光能的波长为约248nm～约193nm。
11．一种深紫外线光刻层状结构，包括：
一基层，选择来用于构图；
一增强抗反射层，它具有一有机聚合物和一预定量的添加光-酸发生元；和
一深紫光致抗蚀剂层，它覆盖在增强抗反射层上，深紫光致抗蚀剂包括一光-酸发生元成分和一有机聚合物树脂成分。
12．如权利要求11所述的深紫外线光刻层状结构，其中，有机聚合物树脂成分包括脱保护基。
13．如权利要求12所述的深紫外线光刻层状结构，其中，预定量添加光酸发生元约是有机聚合物的约0.01％～约30％。
14．如权利要求12所述的深紫外线光刻层状结构，其中，预定量添加光-酸发生元约是有机聚合物的约0.1％～约6％。
15．如权利要求14所述的深紫外线光刻层状结构，其中，增强抗反射层的厚度为约300埃～约2000埃。
16．如权利要求14所述的深紫外线光刻层状结构，其中，深紫外线光致抗蚀剂的厚度约为4000埃～15000埃。
17．如权利要求16所述的深紫外线光刻层状结构，其中，选定波长为248nm或193nm的深紫外线光用来使深紫外线光致抗蚀剂的曝光区产生强酸。
18．如权利要求17所述的深紫外线光刻层状结构，其中，一热板用来加热曝光区域产生的强酸，热量是用来催化有机聚合物树脂成分的脱保护基。
19．如权利要求18所述的深紫外线光刻层状结构，其中，有机聚合物脱保护基催化至选用来构图的基层，所以在光致抗蚀剂的显影步骤完成以后，避免了浮渣和垫层。
20．一种用于形成可以改进光致抗蚀剂分辨率和工艺窗口的抗反射层的系统，包括：
提供一第一体积的有机抗反射化学品的装置；
提供一第二体积的光-酸发生元化学品的装置，第二体积是第一体积的约0.01％～约12％；
基本同时混合第一体积的有机抗反射化学品和第二体积的光-酸发生元化学品的装置，以得到一增强抗反射化学品，其酸水平得到提高。
21．如权利要求20所述的用于形成可以改进光致抗蚀剂分辨率和工艺窗口的抗反射层的系统，还包括：
将增强抗反射化学品旋涂在选用来构图的基层上的装置，旋涂是用于形成一增强抗反射层；
在旋涂的增强抗反射层上旋涂一深紫外线光致抗蚀剂的装置，深紫外线光致抗蚀剂包括一有机聚合物树脂成分和一光-酸发生元成分。
22．如权利要求21所述的用于形成可以改进光致抗蚀剂分辨率和工艺窗口的抗反射层的系统，其中有机聚合物树脂包括脱保护基。
23．如权利要求22所述的用于形成可以改进光致抗蚀剂分辨率和工艺窗口的抗反射层的系统，其中，增强抗反射层酸水平的增加基本减少了光酸发生元成分的扩散以及深紫外线光致抗蚀剂层的酸进入增强抗反射层中。
24．如权利要求22所述的用于形成可以改进光致抗蚀剂分辨率和工艺窗口的抗反射层的系统，其中，显影时间和显影剂减少。
25．如权利要求18所述的用于形成可以改进光致抗蚀剂分辨率和工艺窗口的抗反射层的系统，其中，毒害深紫外线光致抗蚀剂层的基片污染效应减为最低。
CNB981162754A 1997-09-30 1998-08-11 用于深紫外线光刻的层状结构以及形成光刻层状结构的方法 Expired - Fee Related CN1182440C (zh)

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