CN1280315A - 一种形成光刻胶图形的方法 - Google Patents
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Abstract
为了即使在化学放大型光刻胶的封闭水平升高时降低显影缺陷,按照本发明的光刻胶图形形成方法,将一种由化学放大型光刻胶制成的光刻胶(12)施用在半导体基底(11)上,之后,在促进从光刻胶膜(12)除去保护基团的去除反应的PEB处理之前,将一种含有亲水基团的表面活性剂的水溶液施用在光刻胶膜(12)上,从而形成表面活性剂层(18)。
Description
本发明涉及一种形成光刻胶图形的方法,特别是本发明涉及一种应用于制造半导体器件,例如DRAM,的化学放大型光刻胶的方法。
在制造有LSI(大规模集成电路)为代表的半导体器件中,必须使用光刻技术使各种类型的薄膜形成图形,这些薄膜包括绝缘膜,例如在半导体基底上形成的氧化硅膜或氮化硅膜,以及导电薄膜,例如铝合金膜或铜合金膜。
在光刻技术中,通常将一种对紫外线辐射敏感的光刻胶涂布在一种薄膜上,形成光刻胶膜,在紫外辐射通过一个图形掩膜辐射(曝光)到光刻胶薄膜上之后,被紫外光辐射的区域被转化成可溶性(正胶)区域,或者没有被紫外光辐射的区域被转化成可溶性(负胶)的区域。然后将光刻胶膜进行显影,可溶性区域被一种溶剂部分除去,形成光刻胶图形。然后,将光刻胶图形用作掩膜对薄膜进行选择性的蚀刻,使薄膜形成图形。
作为上述的光刻胶的材料,通常使用一种正的以酚醛清漆树脂为基的光刻胶。由于正光刻胶与负光刻胶相比具有较高的分辨率,大多数上述类型的光刻胶为正胶类型。作为光刻胶的曝光光源,可使用一种高压汞灯,以及使用由高压汞灯产生的紫外线,例如一种g线(波长为约436 nm)和一种i线(波长为约365 nm)。
随着LISI集成程度的提高,需要一种可进行更为精细处理的光刻技术,因而用作光刻胶的曝光光源倾向于使用具有较短波长的紫外线,这样可得到较高的分辨率。结果,已实现了一种使用激光的光刻技术,这种激光产生比上述作为光源的i线更短的波长的远紫外线(例如,当使用KrF(氟化氪)作为激光介质时,波长为约248 nm)。
当上述的以酚醛清漆树脂为基的光刻胶被上述的KrF激光光源曝光时,由于以酚醛清漆树脂为基的光刻胶吸收大量的光,难以得到好的光刻胶图形。因而,作为一种可实现能够精细处理的光刻技术与可得到上述的远紫外线的光源的组合,在日本审查的专利公开第2-27660号中已提出了一种化学放大型光刻胶。
化学放大型光刻胶是一种应用酸催化反应的光刻胶,如上述文献所述,基本上由一种基体树脂,例如,聚羟基苯乙烯(PHS),它在保护基团与预先确定的部分偶联时不溶于碱,当保护基团从该预先确定的部分除去后可溶于碱,一种光酸产生剂,它在被光照射后产生氢离子(酸),很小量的用于调整性能的添加剂,和一种用于旋转图布的有机溶剂组成的。
将这种化学放大型光刻胶施用在一种半导体基底上,干燥,并固化,并将作为光源的从激光器发出的远紫外光照射到得到的半导体基底的光刻胶膜上。然后,光酸产生剂产生氢离子,它充当化学放大的引发剂。这种氢离子在曝光后进行的曝光后焙烧(PEB)的过程中替换与基体树脂偶联的保护基团,从而将这种保护基团排除。从而使对碱不溶性的光刻胶变得对碱具有溶解性。而且,由于氢离子是在这一过程中辅助产生的,从基体树脂除去保护基团的链式反应逐渐进行。这一反应被称为酸催化剂敏化反应。这一酸催化剂敏化反应可提高光刻胶的溶解选择性,从而可实现高度的光敏化特性。因而,在曝光后,如果这种光刻胶是用碱性显影剂显影的,可得到所需要的非常精细的光刻胶图形。
图1显示了以步骤为顺序的使用上述的化学放大型光刻胶形成光刻胶图形的常规方法。下文将参照图1以步骤为顺序描述这种光刻胶图形形成方法。
如图1中的步骤A所示,将需要形成光刻胶图形的具有所需的薄膜的半导体基底表面上进行疏水处理,从而提高光刻胶的附着性。如步骤B所示,例如,一种由化学放大型光刻胶制成的正光刻胶,它含有一种基体树脂,该基体树脂是由具有示于式(1)的三元共聚物结构的聚合物形成的,和一种光酸产生剂,它具有示于式(2)的结构。将其通过旋转涂布施用到半导体基底上,从而形成光刻胶膜。
然后,如图1的步骤C所示,对光刻胶膜进行预焙烧,除去溶剂。将半导体基底冷却至室温,如步骤D所示,用来自,例如,一种KrF激光器的远紫外光对光刻胶薄膜通过一个具有所需的图形的掩膜图形进行照射,如步骤E所示。然后对光刻胶膜进行PEB(曝光后焙烧),以促进从光刻胶膜除去保护基团的除去反应(酸催化剂敏化反应),如步骤F所示。
然后将半导体基底再次冷却至室温,如图1的步骤G所示,并将光刻胶膜用碱性显影剂显影,形成光刻胶图形,如步骤H所示。将形成光刻胶图形的光刻胶膜进行后焙烧,除去由显影产生的水分,如步骤Ⅰ所示。
然后,将半导体基底上的薄膜通过使用上述的光刻胶图形作为掩膜进行选择性蚀刻,使薄膜形成图形。
在最近的半导体器件中,当使用化学放大型光刻胶形成光刻胶图形时,聚焦深度S必须被设定在约0.7微米或更多,从而提高产率。聚焦深度S依赖于所使用的光刻胶的封闭水平C。封闭水平C是由上述的式(1)中的重复单元x,y,和z的比率决定的,并由下式表示:封闭水平C=((x+y)/(x+y+z))×100(%)
图4表示聚焦深度S(纵轴)和封闭水平C(横轴)之间的关系。在图4所示的实施例中,形成了一种具有0.2微米直径的接触孔的光刻胶图形。从图4可以看出,在封闭水平C处于约42%的范围内聚焦深度S以线性正比例提高,但当封闭水平超过约42%时倾向于逐渐饱和。为了得到如上所述的0.7微米或更高的聚焦深度S,封闭水平C必须提高至约40%或更高。
在如上所述的常规的光刻胶图形形成方法中,当使用高封闭水平的化学放大型光刻胶时,显影缺陷增加。
具体地说,如上文所述,当为了将聚焦深度S设定在约0.7微米或更高而使用具有约42%或更高的封闭水平的化学放大型光刻胶进行曝光和显影形成光刻胶图形时,在显影过程中会形成许多缺陷。图2通过显示显影缺陷的数量N(纵轴)和封闭水平C之间的关系显示这些缺陷。从图2可明显看出,当封闭水平C超过约38%时,显影缺陷的数量N急剧上升,直至达到几乎1000。如果这些许多显影缺陷N以这种方式存在于光刻胶图形中,这种图形是缺陷性的。
因而,通常,仅可得到相应于封闭水平C为约38%或更低的约0.45微米或更低的聚焦深度S,这可从图4明显看出,从而不能避免产率降低。图3通过显示光刻胶图形尺寸(纵轴)和聚焦位置(横轴),之间的关系详细说明常规方法中的缺陷,并说明了一种情况,其中形成了一个直径0.2微米的接触孔。由虚线L1和L2限定的范围M显示靶接触孔可允许的范围。图3显示仅在聚焦在0微米的聚焦位置上时可得到0.3微米的聚焦深度S。
通常,当封闭水平提高时,显影缺陷增加。这可能是由于以下的原因。由于在常规的光刻胶图形形成方法中使用的化学放大型光刻胶是高度疏水的,通过显影溶解的一种组分可重新吸附在光刻胶膜上,造成显影缺陷。
本发明是考虑到上述情况完成的,其目的是提供一种形成光刻胶图形的方法,它可抑制显影缺陷,即使在化学放大型光刻胶的封闭水平提高的情况下。
为了解决上述问题,按照本发明的权利要求1,本发明提供了一种形成光刻胶图形的方法,该方法包括以下步骤:在一种基底上涂布含有一种光酸产生剂的化学放大型光刻胶,形成光刻胶膜,将在所说的涂布步骤中形成的所说的光刻胶膜进行预定图形曝光,对所说的光刻胶膜进行PEB处理(曝光后焙烧处理),以在所说的光刻胶膜的整个区域中的曝光区域内促进酸催化剂敏化反应,并将经过PEB处理步骤的所说的光刻胶膜进行显影,得到所需形状的光刻胶图形,其特征在于在通过涂布形成所说的光刻胶膜之后并在显影之前施用一种含有一种疏水基团和一种亲水基团的缺陷防止剂的步骤。
按照权利要求2的发明涉及按照权利要求1的形成光刻胶图形的方法。在权利要求2中,缺陷防止剂是在曝光步骤前施用的。
按照权利要求3的发明涉及按照权利要求1的形成光刻胶图形的方法。在权利要求3中,缺陷防止剂是在曝光步骤后施用的。
按照权利要求4的发明涉及权利要求1的形成光刻胶图形的方法。在权利要求4中,所说的缺陷防止剂是在冷却步骤之后施用的。
按照权利要求5的发明涉及按照权利要求1,2,3,或4的形成光刻胶图形的方法。在权利要求5中,一种表面活性剂被用作缺陷防止剂。
按照权利要求6的发明涉及按照权利要求5的形成光刻胶图形的方法。在权利要求6中,该表面活性剂含有一种氟化碳基团或二甲基聚硅氧烷基团。
按照权利要求7的发明涉及按照权利要求5的形成光刻胶图形的方法。在权利要求7中,该表面活性剂是通过旋转涂布施用的。
按照权利要求8的发明涉及按照权利要求1至7中任意一项所述的形成光刻胶图形的方法。在权利要求8中,该化学放大型光刻胶具有38%至100%的封闭水平。
按照权利要求9的发明涉及按照权利要求8的形成光刻胶图形的方法。在权利要求9中,该化学放大型光刻胶含有一种具有一种三元聚合物结构的聚合物。
参照下文中的详细描述和附图,本发明的许多其它的目的,特征和优点对本领域的普通技术人员来说是显而易见的。
附图简要说明:
图1是以步骤为顺序显示常规的光刻胶图形形成方法的流程图。
图2是表示由这种光刻胶图形形成方法造成的缺陷的图;
图3是表示由这种光刻胶图形形成方法造成的缺陷的图;
图4是表示本发明所需要的背景的图;
图5是以步骤为顺序显示本发明的第一个实施方案的光刻胶图形形成方法的流程图;
图6是显示详细描述这种光刻胶图形形成方法的主要步骤的图;
图7是显示详细描述这种光刻胶图形形成方法的主要步骤的图;
图8是简要描述这种光刻胶图形形成方法的操作的图;
图9是显示这种光刻胶图形形成方法得到的效果的图;
图10是显示这种光刻胶图形形成方法得到的效果的图;
图11是以步骤为顺序显示本发明的第二个实施方案的光刻胶图形形成方法的流程图;
图12是显示详细描述这种光刻胶图形形成方法的主要步骤的图;
下文参照附图描述本发明的优选实施方案。这些描述将通过实施方案详细进行。第一个实施方案:
图5是以步骤为顺序显示本发明的第一个实施方案的光刻胶图形形成方法的流程图;图6和图7是显示详细描述这种光刻胶图形形成方法的主要步骤的图;图8是简要描述这种光刻胶图形形成方法的操作的图;图9和图10是显示这种光刻胶图形形成方法得到的效果的图;
本实施方案的光刻胶图形形成方法被应用于制造半导体器件,例如DRAM,的方法。下文将参照图5至10以步骤为顺序描述这种光刻胶图形形成方法。
如图5的步骤A所示,将一个具有所需的薄膜的半导体基底(其上将形成光刻胶图形)暴露于六甲基二硅氮烷(HMDS)气氛中,对其表面进行疏水处理,以提高光刻胶的附着性。
如图5的步骤B所示,将正光刻胶按照旋转涂布方法施用到半导体基底上,形成光刻胶膜。图6显示了这种光刻胶涂布步骤。
如图6所示,一个半导体基底11被支撑在一个支撑板14上,该支撑板被放置在一个光刻胶显影单元的显影容器15中,并通过一个马达16旋转驱动。例如,一种由化学放大型光刻胶制成的正光刻胶(它含有一种由示于式(1)的三元聚合物结构的大分子化合物形成的基体树脂和一种示于式(2)的结构的光酸产生剂)从一个喷嘴13提供,并按照旋转涂布施用到半导体基底11上,马达16的转速为2000rpm(每分钟转数)至4000rpm,从而形成光刻胶膜12,厚度为500 nm。作为光刻胶膜12,可使用一种具有约35%或更高的封闭水平的那种。
然后,如图5的步骤C所示,将通过上述的方式涂布形成的光刻胶膜12在80℃至130℃的气氛下预焙烧60至90秒钟,从其中除去溶剂。然后将半导体基底冷却60至90秒钟,至23℃的室温温度,如图5中的步骤D所示。
如图5的步骤E所示,将一种含有亲水基团的充当缺陷防止剂的表面活性剂通过旋转涂布施用到半导体基底11的光刻胶膜12上。如图7所示。
如图7所示,将涂布了光刻胶膜12的半导体基底11支撑在支撑板14上,并将含有具有如式(3)所示的结构的氟化碳基团的表面活性剂的水溶液从喷嘴17喷出,并通过旋转涂布施用到光刻胶膜12上,马达16的转速为2000rpm和4000rpm,在光刻胶膜12的表面上形成单分子或多分子膜的表面活性剂层18。
结果,如图8所示,表面活性剂的疏水基团19与光刻胶膜12的表面相连,并且亲水基团20也与疏水基团19相连。因而,光刻胶膜12的表面变成亲水的。在显影过程中(下文将详细描述),显影剂成分与光刻胶膜12的表面的重新结合被缓解,因而,即使封闭水平提高,显影缺陷仍被抑制。在图8中,疏水基团19和亲水基团20为单分子膜。
如图5的步骤F所示,将光刻胶膜12用来自例如一种KrF激光器的具有约193 nm波长的远紫外光通过一种具有所需图形的掩膜图形曝光,如图5步骤F所示。
然后将光刻胶膜12在90℃至160℃的温度进行PEB处理60至90秒钟,以促进从光刻胶膜12除去保护基团的除去反应,如图5中的步骤G所示。然后将半导体基底11再次冷却60至90秒钟至约23℃的室温温度,如图5的步骤H所示。
然后,如图5中的步骤Ⅰ所示对光刻胶膜12进行显影。显影是通过对半导体基底11上的按照旋转涂布形成的光刻胶膜12施用,例如一种含有约2.38%氢氧化四甲基铵(TMAH),作为碱显影剂进行的。在显影中,光刻胶膜12的表面是亲水的,因为在涂布前在其上形成了含有亲水基团的表面活性剂层18。因而,显影溶剂成分的再结合被缓解。
通过上述显影,光刻胶膜12的可溶性区域被碱显影剂除去,形成了具有相应于掩膜图形(如上文所述)的所需形状的光刻胶图形。
如图5的步骤J所示,将构成光刻胶图形的光刻胶膜12在110℃至120℃的气氛下预焙烧120至240秒钟,除去通过显影产生的水分。
然后,通过使用光刻胶图形(如上所述)作为掩膜选择性地腐蚀半导体基底11上的薄膜,从而使薄膜形成图形。
图9显示本实施方案得到的显影缺陷的数量N(纵轴)和封闭水平C之间的关系的图。从图9可以明显看出,显影缺陷的数量N被大大降低至几个缺陷的一位数,即使封闭水平提高至约100%它几乎不增加。上述的将焦点深度S设定在0.7微米或更多的要求可得到充分满足,并可改善半导体器件的产率。换句话说,当作为缺陷防止剂的含有亲水基团的表面活性剂被施用在光刻胶膜12上时,几乎可完全消除显影缺陷。
以这种方式,即使封闭水平C提高,显影缺陷大大降低。这是因为在光刻胶膜12通过涂布形成后,含有亲水基团的表面活性剂的水溶液被施用在光刻胶膜12的表面上,形成表面活性剂层18。然后,亲水基团影响光刻胶膜12,使其表面变成亲水的。
图10是显示本实施方案得到的光刻胶图形尺寸和焦点位置之间的关系的图。与图3比较后可明显看出,在图10中,以焦点位置“0”为中心可得到0.75微米的焦点深度S,因而,这一实施方案优越于现有技术。
以这种方式,按照这一实施方案,将含有化学放大型光刻胶的光刻胶膜12被施用到光刻胶膜12上,之后,在PEB处理促进从光刻胶膜12除去保护基团的除去反应之前,通过涂布在光刻胶膜12上形成含有亲水基团的表面活性剂层18。因而,光刻胶膜12的表面可被转变成亲水的。
因而,即使当化学放大型光刻胶的封闭水平提高,显影缺陷可降低。第二个实施方案
图11是以步骤为顺序显示本发明的第二个实施方案的光刻胶图形形成方法的流程图。该光刻胶图形形成方法大大不同于上述的第一个实施方案的方法,其中,表面活性剂的水溶液是在光刻胶膜曝光后施用的。
具体地说,在图11的步骤B中,光刻胶膜12是在与显示第一个实施方案的图5的步骤B几乎相同的条件下形成的。在图11的步骤E中,曝光是在与显示第一个实施方案的图5的步骤F的几乎相同的条件下进行的。然后,在图11的步骤F中,被用作缺陷防止剂的含有亲水基团的表面活性剂是在与显示第一个实施方案的图5的步骤E几乎相同的条件下施用的。
具体地说,如图11的步骤F所示,将已被曝光的半导体基底21支撑在显影容器15中的支撑板14上,如图12所示。例如,含有式(3)所示的结构的氟化碳基团的表面活性剂的水溶液从喷嘴17喷出,并通过旋转涂布被施用在半导体基底21上,马达16的转速为2000rpm至4000rpm。将表面活性剂的水溶液施用到光刻胶膜12的表面上,厚度为约30nm,从而形成表面活性剂层18。
构成表面活性剂层18的亲水基团影响下面的光刻胶膜12,其原理与第一实施方案中的相同,是光刻胶膜12的表面变成亲水性的。在后面的步骤Ⅰ的显影过程中,显影溶剂成分与光刻胶膜12的表面的重新结合被缓解。因而,即使封闭水平上升,显影缺陷也可降低。
按照本发明的这一实施方案,在曝光后施用表面活性剂的水溶液。在施用表面活性剂的水溶液时,即使一个缺陷与下面的光刻胶膜12的表面相连,它将不会转移至光刻胶膜12的表面,因为它在曝光后与光刻胶薄膜12的表面结合。结果可防止缺陷型光刻胶图形的形成。此外,在后面的显影过程中这一缺陷可容易地除去。
以这种方式,用这一个实施方案,可得到几乎与第一个实施方案中描述的相同的效果。
此外,按照这一实施方案,由于曝光不影响光刻胶膜,可防止缺陷型光刻胶图形的形成。第三个实施方案
在这一实施方案中,使用具有式(4)结构的二甲基聚硅氧烷基团代替第一个实施方案中的表面活性剂水溶液中含有的氟化碳基团。
在这一实施方案中,在施用光刻胶膜12之后,将含有二甲基聚硅氧烷基团的表面活性剂的水溶液施用在光刻胶膜12的表面上,形成表面活性剂层18。二甲基聚硅氧烷基团的亲水基团影响光刻胶膜12,使其表面变成亲水的。
除了这一点,第三个实施方案的安排基本上与上述的第一个实施方案的安排相同。因而,在图11中,与图5中的组成部分相对应的部分像图5那样用相同的字母表示相同的步骤,省略其详细描述。
以这一方式,以这一实施方案中的安排,得到了几乎与第一个实施方案相同的效果。第四个实施方案
在这一实施方案中,使用具有式(4)结构的二甲基聚硅氧烷基团代替第二个实施方案中的表面活性剂水溶液中含有的氟化碳基团。
在这一实施方案中,在施用光刻胶膜12并曝光之后,将含有二甲基聚硅氧烷基团的表面活性剂的水溶液施用在光刻胶膜12的表面上,形成表面活性剂层18。二甲基聚硅氧烷基团的亲水基团影响光刻胶膜12,使其表面变成亲水的。
以这一方式,以这一实施方案中的安排,得到了几乎与第二个实施方案相同的效果。
参照附图已对本发明的实施方案进行了详细描述。请注意,实际中的安排并不限于这些实施方案,但是不脱离本发明精神的任何一种设计均属于本发明的保护范围。例如,使用化学放大型光刻胶形成光刻胶图形并不限于半导体基底的情况,也适用于其它的基底例如光掩膜(photomask)基底的情况。表面活性剂并不限于含有氟化碳基团或二甲基聚硅氧烷基团的表面活性剂,也可使用下述的许多其它的表面活性剂。请注意,R表示各种类型的烷基基团。(1)阴离子表面活性剂
(2)阳离子表面活性剂
(3)两性表面活性剂
(4)非离子型表面活性剂
RO(CH2CH2O)nH ... (24)
RCOO(CH2CH2O)nH ... (25)
RCONHCH2CH2OH ... (27)
在上述的实施方案中,将缺陷防止剂在光刻胶膜形成之后但在PEB处理之前施用在光刻胶膜上。但是,缺陷防止剂的施用可以在光刻胶膜形成之后但在显影处理之前进行,优选在冷却步骤H和显影步骤Ⅰ之间进行。
化学放大型光刻胶并不限于以上讨论的那些,任何一种具有38%或更高的封闭水平,可形成显影缺陷的材料均可使用。化学放大型光刻胶并不限于正光刻胶,也可使用负光刻胶。例如光刻胶膜的旋转涂布方法,表面活性剂的水溶液的旋转涂布方法,预焙烧中的温度,时间等,PEB处理,后焙烧等,均是以举例的形式说明,均可按照应用,目的等进行变化。
如上文所述,按照本发明的光刻胶图形形成方法,含有化学放大型光刻胶的光刻胶膜被施用在基底上,之后,在促进从光刻胶膜除去保护基团的除去反应的PEB处理之前,将含有亲水基团的表面活性剂的水溶液通过涂布施用在光刻胶膜上。因而,光刻胶膜的表面可被改变为亲水性的。
按照本发明的另一个光刻胶图形形成方法,将含有化学放大型光刻胶的光刻胶膜施用在基底上,之后,在曝光步骤之后并在PEB处理之前,将含有亲水基团的表面活性剂的水溶液通过涂布施用在光刻胶膜上。因而,光刻胶膜的表面可被改变成亲水的。
因而,即使化学放大型光刻胶的封闭水平升高,显影缺陷也可降低。
Claims (9)
1.一种形成光刻胶图形的方法,该方法包括以下步骤:
在一种基底上涂布含有一种光酸产生剂的化学放大型光刻胶,形成光刻胶膜,将在所说的涂布步骤中形成的所说的光刻胶膜进行预定图形曝光,对所说的光刻胶膜进行PEB处理(曝光后焙烧处理),以在所说的光刻胶膜的整个区域中的曝光区域内促进酸催化剂敏化反应,并将经过PEB处理步骤的所说的光刻胶膜进行显影,得到所需形状的光刻胶图形,其特征在于在通过涂布形成所说的光刻胶膜之后但在显影之前施用一种含有一种疏水基团和一种亲水基团的缺陷防止剂的步骤。
2.按照权利要求1的形成光刻胶图形的方法,其中所说的缺陷防止剂是在曝光步骤前施用的。
3.按照权利要求1的形成光刻胶图形的方法,其中所说的缺陷防止剂是在曝光步骤后施用的。
4.按照权利要求1的方法,其中,所说的缺陷防止剂是在冷却步骤之后施用的。
5.按照权利要求1所述的形成光刻胶图形的方法,其中一种表面活性剂被用作缺陷防止剂。
6.按照权利要求4所述的形成光刻胶图形的方法,其中,该表面活性剂含有一种氟化碳基团或二甲基聚硅氧烷基团。
7.按照权利要求4所述的形成光刻胶图形的方法,其中,该表面活性剂是通过旋转涂布施用的。
8.按照权利要求1所述的形成光刻胶图形的方法,其中,该化学放大型光刻胶具有38%至100%的封闭水平。
9.按照权利要求7所述的形成光刻胶图形的方法,其中,该化学放大型光刻胶含有一种具有一种三元聚合物结构的聚合物。
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