CN1277287C - 一种缩小元件临界尺寸的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种缩小半导体元件临界尺寸的方法，包含有下列步骤：于一半导体层上形成一光致抗蚀剂层，其已至少经过曝光显影处理，构成一暴露出部分该半导体层的第一图案；进行一全面曝光(blanketexposure)步骤，以该光致抗蚀剂层可吸收光波长的光照射该光致抗蚀剂层以及暴露出的该半导体层，以提供该光致抗蚀剂层一预定能量，产生光质子酸；进行一第一热工艺，使前一步骤中在该光致抗蚀剂层产生的光质子酸进行炼反应，并且均一化该光致抗蚀剂层的玻璃转化温度(Tg)；然后进行一第二热工艺，其中该第一热工艺是在一低于该玻璃转化温度(Tg)的温度下进行的。

Description

一种缩小元件临界尺寸的方法
技术领域
本发明是关于半导体工艺，尤其涉及一种光刻工艺，可使半导体元件的临界尺寸(critical dimension，简称为CD)缩小，同时改善CD缩小的均匀度(uniformity)。
背景技术
随着半导体制造技术的发展，集成电路的尺寸也越来越小。在集成电路的制造过程中，最关键的技术莫过于所谓的光刻工艺(lithography)，其肩负着将光罩上图案精确地转印至晶圆上不同元件层的重要责任，同时，光刻工艺所使用的曝光光源波长亦可决定半导体元件所能达到的最小尺寸。在光刻工艺过程中，微小接触孔(contact hole)的成形显然要比在晶圆上形成细线等其它图案要困难许多。
目前，虽已有部分的研究提出几种方法可将元件的临界尺寸(CD)，例如接触孔的CD，进一步缩小至曝光光源的波长极限以下，包括由日本三菱公司所提出的RELACS法、由韩国三星公司所提出的热流法(thermalflow)、以及由日本TOK公司所提出的SAFIER法。
然而，上述这些改良方法皆会遇到均匀度不佳的问题。举例来说，在接触孔图案较密集的区域以及接触孔图案较疏的区域所得到的接触孔尺寸缩小幅度即有明显差异，使得元件的可靠度降低。
请参阅图1，图1为已知缩小元件CD方法的流程图。以下即借由图1说明由日本三菱公司所提出的RELACS法(RELACS为ResolutionEnhancement Lithography Assisted by Chemical Shrink的缩写)。首先，如步骤1所示，经由照光可产生酸的第一光致抗蚀剂层被涂布于一半导体基底上。第一光致抗蚀剂层约0.7微米厚，且一般需经过70℃至100℃约1分钟左右的预烘焙(pre-baking)处理。光经由一预定光罩图案对第一光致抗蚀剂层进行曝光。曝光光源可以为汞灯(mercury lamp)所发出的g-line或i-line光，其曝照时间约对应于200mJ/cm2的单位能量。有时为了增加分辨率，曝光后的第一光致抗蚀剂层可再经过一道100℃至160℃后烘焙(post exposure baking)处理。接着进行显影，利用例如2wt％的TMAH(tetra-methyl-ammonium hydroxide)稀释水溶液将第一光致抗蚀剂层经过光照射过的区域溶解去除，产生一第一蚀刻屏蔽图案。
接着如步骤2所示，含有可与第一光致抗蚀剂层发生交联(cross-linking)反应的第二光致抗蚀剂层被覆盖在第一光致抗蚀剂层上。第二光致抗蚀剂层内含有在酸的存在下可发生交联反应的成分，且可溶解于无法溶解第一光致抗蚀剂层的溶剂中。第二光致抗蚀剂层可接着在85℃下进行一道预烘焙工艺。接着如步骤3所示，对半导体基底加热，以使先前所产生的酸得以扩散至第一光致抗蚀剂层各角落以及第二光致抗蚀剂层，以使在第一光致抗蚀剂层与第二光致抗蚀剂层的界面发生交联反应，产生一交联层覆盖于第一光致抗蚀剂层表面。接着如步骤4、5所示，将未发生交联反应的第二光致抗蚀剂层移除，产生一CD缩小的第二蚀刻屏蔽图案。
如前所述，在完成第一步骤后，由于在高密度接触孔图案区域与低密度接触孔图案区域的曝光特性不同，使得由第一光致抗蚀剂层所构成的第一蚀刻屏蔽图案上的质子酸分布不均匀。换句话说，在高密度接触孔图案区域的第一光致抗蚀剂层内的质子酸分布浓度会稍高于在低密度接触孔图案区域的第一光致抗蚀剂层内的质子酸分布浓度，这同时也影响到第一光致抗蚀剂层的玻璃转化温度(glass transition temperature，Tg)，导致第一光致抗蚀剂层的特性不一致。如此一来，在后续进行交联反应时，或者进行热流法时，由于质子酸分布浓度不同或者玻璃转化温度不同，即会发生CD缩小的均匀度不佳的问题。
发明内容
因此，本发明的主要目的在于提供一种可提高CD缩小的均匀度的方法。
为实现本发明所述目的，本发明提供一种缩小半导体元件临界尺寸的方法，包含有下列步骤：在一半导体层上形成一光致抗蚀剂层，其已至少经过曝光显影处理，构成一暴露出部分该半导体层的第一图案；进行一全面曝光(blanket exposure)步骤，以该光致抗蚀剂层可吸收光波长的光照射该光致抗蚀剂层以及暴露出的该半导体层，以提供该光致抗蚀剂层一预定能量，产生光质子酸；进行一第一热工艺，使前一步骤中于该光致抗蚀剂层产生的光质子酸进行炼反应，并且均一化该光致抗蚀剂层的玻璃转化温度(Tg)；以及进行一第二热工艺，其中该第一热工艺是在一低于该玻璃转化温度(Tg)的温度下进行的。
附图说明
图1为已知RELACS法的流程图；
图2为本发明缩小元件CD方法的流程图。
图号说明：
1     步骤1：第一光致抗蚀剂层曝光显影
2     步骤2：覆盖第二光致抗蚀剂层
3     步骤3：热处理
4     步骤4：清洗
5     步骤5：完成CD缩小的蚀刻屏蔽
10    步骤1：光致抗蚀剂层曝光显影
20    步骤2：全面性曝光
30    步骤3：第一道热处理
40    步骤4：覆盖高分子层
50    步骤5：第二道热处理
60    步骤6：清洗
70    步骤7：完成CD缩小的蚀刻屏蔽
具体实施方式
以下参照附图所举仅为本发明的一较佳实施例，并非用以限制本发明的范畴。
如图2所示，图2为本发明缩小元件CD方法的流程图。首先，如步骤10所示，经由照光可产生酸的光致抗蚀剂层被涂布于一半导体基底上。依据本发明的较佳实施例，光致抗蚀剂层为一化学增幅型(chemicalamplification)光致抗蚀剂，其包含有酚醛型环氧树脂(novolac-basedresin)以及芳香族胺类光感应剂(naphtha-quinone diazidephotosensitive agent)。光致抗蚀剂层另含有光酸产生剂。举例来说，光致抗蚀剂层约0.2至0.8微米厚，且一般需经过70℃至100℃约1分钟左右的预烘焙(pre-baking)处理。光经由一预定光罩图案对第一光致抗蚀剂层进行曝光。曝光光源可以为汞灯(mercury lamp)所发出的g-line或i-line光，其曝照时间约对应于200至1000mJ/cm2的单位能量。有时为了增加分辨率，曝光后的光致抗蚀剂层可再经过一道100至160℃后烘焙(post exposure baking)处理。接着进行显影，利用例如2wt％的TMAH(tetra-methyl-ammonium hydroxide)稀释水溶液将光致抗蚀剂层经过光照射过的区域溶解去除，产生一第一蚀刻屏蔽图案。
如前所述，在完成第一步骤后，由于在高密度接触孔图案区域与低密度接触孔图案区域的曝光特性不同，使得由光致抗蚀剂层所构成的第一蚀刻屏蔽图案上的质子酸分布不均匀。换句话说，在高密度接触孔图案区域的光致抗蚀剂层内的质子酸分布浓度会稍高于在低密度接触孔图案区域的光致抗蚀剂层内的质子酸分布浓度，这同时也影响到光致抗蚀剂层的玻璃转化温度(Tg)，导致光致抗蚀剂层的特性不一致。如此一来，在后续进行交联反应时，或者进行热流法(thermal flow)时，由于质子酸分布浓度不同或者玻璃转化温度不同，即会发生CD缩小的均匀度不佳的问题。本发明的主要目的即在改善此不均匀性。
在步骤20中，接着将已经曝光显影的光致抗蚀剂层以及已经暴露出的半导体基底照射与先前曝光光致抗蚀剂层相同的曝光光源，例如曝光光源可以为汞灯(mercury lamp)所发出的g-line或i-line光。该曝光光源是光致抗蚀剂层可吸收光波长的光，以提供该光致抗蚀剂层一预定能量，产生光质子酸(photo generated acid)。全面性曝光的目的在于使已经曝光显影的光致抗蚀剂层各部分产生质子酸，因此此曝光步骤所用的能量不宜过高。较佳者，该预定能量约为10％-150％E0，其中，E0为将该光致抗蚀剂完全清除的阈值能量(threshold energy)。依据本发明的较佳实施例，全面性曝光所执行的时间约相对应于曝光能量2mJ/cm2。
在步骤30中，接着将经过全面性曝光处理的光致抗蚀剂层施以第一道热处理，使前一步骤中在光致抗蚀剂层产生的光质子酸进行炼反应或扩散反应，并且均一化光致抗蚀剂层的玻璃转化温度(Tg)。第一道热处理建议其工艺温度需小于光致抗蚀剂层的玻璃转化温度(Tg)，例如110℃至160℃持需加热约60秒左右。在经过步骤20以及30的处理后，原先存在于光致抗蚀剂层中质子酸分布不均的不利因素已经消除，而且可将光致抗蚀剂层的玻璃转化温度(Tg)调整至均一状态。
在步骤40中，含有可与光致抗蚀剂层发生交联(cross-linking)反应的高分子层被覆盖在光致抗蚀剂层上。高分子层内含有在酸的存在下可发生交联反应的成分，且可溶解于无法溶解光致抗蚀剂层的溶剂中。依据本发明的一较佳实施例，高分子层含有架桥剂(cross-link agent)，而依据本发明的另一较佳实施例，高分子层含有水溶性高分子。依据本发明的又另一较佳实施例，步骤40是可以省略的。
接着如步骤50所示，对半导体基底进行第二道热处理，以使先前所产生的酸得以扩散至光致抗蚀剂层各角落至该高分子层，以使在第一光致抗蚀剂层与该高分子层的界面发生交联反应，产生一交联层覆盖于光致抗蚀剂层表面。一般而言，第二道热处理的工艺温度约略高于光致抗蚀剂层的玻璃转化温度(Tg)。
接着如步骤60及步骤70所示，将未发生交联反应的高分子层移除，产生一CD缩小的第二蚀刻屏蔽图案。去除未与光致抗蚀剂层发生化学交联反应的高分子层是利用一清洗溶液，其中该清洗溶液仅可溶解该高分子层，而无法溶解该光致抗蚀剂层以及与该光致抗蚀剂层发生化学交联反应。最后经由该第二蚀刻屏蔽图案作为屏蔽，进行干蚀刻以蚀刻下方的半导体层。

Claims (14)

1.一种缩小半导体元件临界尺寸的方法，包含有下列步骤：
在一半导体层上形成一光致抗蚀剂层，其已经过曝光显影处理，构成一暴露出部分该半导体层的第一图案；
该光致抗蚀剂层含有酸产生剂；
进行一全面曝光步骤，以具有该光致抗蚀剂层可吸收的光波长的光照射该光致抗蚀剂层以及暴露出的该半导体层，以提供该光致抗蚀剂层一预定能量，使产生光质子酸；
进行一第一热工艺，使前一步骤中在该光致抗蚀剂层产生的光质子酸进行炼反应或扩散，并且均一化该光致抗蚀剂层的玻璃转化温度(Tg)，其中该第一热工艺是在一低于该玻璃转化温度(Tg)的温度下进行的；
以及进行一第二热工艺。
2.根据权利要求1所述的一种缩小半导体元件临界尺寸的方法，
其中在进行该第一热工艺之后，以及进行该第二热工艺之前，该方法另包含有下列步骤：
于该光致抗蚀剂层覆盖一高分子层，其中该高分子层是可以与该光致抗蚀剂层在该第二热工艺中发生化学交联反应。
3.根据权利要求2所述的一种缩小半导体元件临界尺寸的方法，
其中在进行该第二热工艺之后，该方法另包含有下列步骤：
去除未与该光致抗蚀剂层发生化学交联反应的该高分子层，构成一第二图案；
以及经由该第二图案作为屏蔽，蚀刻该半导体层。
4.根据权利要求3所述的一种缩小半导体元件临界尺寸的方法，
其中去除未与该光致抗蚀剂层发生化学交联反应的该高分子层是利用一清洗溶液，其中该清洗溶液仅可溶解该高分子层，而无法溶解该光致抗蚀剂层以及与该光致抗蚀剂层发生化学交联反应。
5.根据权利要求1所述的一种缩小半导体元件临界尺寸的方法，其中该光致抗蚀剂层为一化学增幅型光致抗蚀剂。
6.根据权利要求5所述的一种缩小半导体元件临界尺寸的方法，其中该光致抗蚀剂层含有光酸产生剂。
7.根据权利要求1所述的一种缩小半导体元件临界尺寸的方法，其中该预定能量约为10％-150％E0，其中，E0为将该光致抗蚀剂层完全清除的阈值能量。
8.根据权利要求1所述的一种缩小半导体元件临界尺寸的方法，其中该预定能量约为2mJ/cm2。
9.一种半导体元件的制造方法，包含有下列步骤：
在一半导体层上形成一化学增幅型光致抗蚀剂层，其是至少已经过曝光显影处理，构成一暴露出部分该半导体层的第一图案；
进行一全面曝光步骤，以该化学增幅型光致抗蚀剂层可吸收光波长的光照射该化学增幅型光致抗蚀剂层以及暴露出的该半导体层，以提供该化学增幅型光致抗蚀剂层一预定能量，产生光质子酸；
进行一第一热工艺，使前一步骤中在该化学增幅型光致抗蚀剂层产生的光质子酸进行炼反应或扩散，并且均一化该化学增幅型第一光致抗蚀剂层的玻璃转化温度(Tg)；
在该化学增幅型光致抗蚀剂层表面上覆盖一高分子层，其中该高分子层是可以与该化学增幅型光致抗蚀剂层发生化学交联反应，且该第一热工艺是在一低于该玻璃转化温度(Tg)的温度下进行的；
然后进行一第二热工艺，以使先前所产生的光质子酸得以扩散至该化学增幅型光致抗蚀剂层各角落至高分子层，以使在该化学增幅型光致抗蚀剂层与高分子层的界面发生交联反应，产生一交联层。
10.根据权利要求9所述的一种半导体元件的制造方法，其中该化学增幅型光致抗蚀剂层包含有一酸产生剂。
11.根据权利要求9所述的一种半导体元件的制造方法，其中在进行该第二热工艺之后，该方法另包含有下列步骤：
去除未与该化学增幅型光致抗蚀剂层发生化学交联反应的该高分子层，构成一第二图案；
以及经由该第二图案作为屏蔽，蚀刻该半导体层。
12.根据权利要求11所述的一种半导体元件的制造方法，其中去除未与该化学增幅型光致抗蚀剂层发生化学交联反应的该高分子层是利用一清洗溶液，其中该清洗溶液仅可溶解该高分子层，而无法溶解该化学增幅型光致抗蚀剂层以及与该交联层。
13.根据权利要求9所述的一种半导体元件的制造方法，其中该预定能量约为10％-150％E0，其中，E0为将该化学增幅型光致抗蚀剂层完全清除的阈值能量。
14.根据权利要求9所述的一种半导体元件的制造方法，其中该预定能量约为2mJ/cm2。
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