CN1288719C - 图案光刻胶的微缩制造过程 - Google Patents
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Abstract
一种图案光刻胶的微缩制造过程，包括：提供一半导体衬底，其上具有一光刻胶层；藉由一光学光刻工序形成多个具有第一线宽的图案光刻胶于半导体衬底上；进行一酸化工序以形成一具有酸性物质的扩散层于多个图案光刻胶上；进行一再烘烤工序以使扩散层内的酸性物质扩散至多个图案光刻胶中，同时使得酸性物质与位于其扩散深度内的多个图案光刻胶进行一链锁反应以形成多个化学反应层于多个图案光刻胶的表层中，其中，多个图案光刻胶中的酸性物质的扩散深度是取决于酸化工序的酸性物质的扩散速率；以及进行一再显影工序以去除多个化学反应层并形成多个具有第二线宽的图案光刻胶于半导体衬底上。其中上述的所有工序是藉由原位反应的方式进行的。
Description
(1)技术领域
本发明有关一种半导体制造过程的临界尺寸(critical dimension；CD)的控制方法，特别是有关于一种图案光刻胶的临界尺寸的微缩方法。
(2)背景技术
随着集成电路的密度不断地扩大，为使芯片(chip)面积保持一样，甚至缩小，以持续降低电路的单位成本，唯一的办法，就是不断地缩小电路设计规格(design rule)，以符合高科技产业未来发展的趋势。随着半导体技术的发展，集成电路的元件的尺寸已经缩减到深亚微米的范围。当半导体连续缩减到深亚微米的范围时，产生了一些在工序微缩上的问题。在将掩模板(mask)的图案转移至光刻胶(photoresist)的光刻过程中，显影工序(development)是为将掩模板转移得来的潜在图案经由曝光(expose)与烘烤(bake)过的光刻胶层显现出来的步骤。在此，是利用显影液(developer)将光刻胶中未对应到图案的部份除去，藉以得到具有所需要图案的光刻胶。简单来说，当掩模板的图案已被转移至位于被表层覆盖的衬底上的光刻胶而使得光刻胶可以分为对应到掩模板的图案的图案光刻胶与未对应到掩模板的图案的非图案光刻胶时，接下来的步骤便是将显影液以喷洒-混拌(spray/puddle)等方式分布在光刻胶上，使得光刻胶的每一部份都会与显影液接触。此时，以正光刻胶为例，图案光刻胶会被显影液所移除而在衬底上仅留下非图案光刻胶，而未被显影液移除的非图案光刻胶便可在随后进行的蚀刻等程序中在表层形成出所需的图案。当然，在此是以正光刻胶为例，但负光刻胶的原理相同，也会有相同的作用。
集成电路的进展已经牵涉到元件几何学的规格缩小化。在深亚微米的半导体技术中，需要越来越小的多晶硅基极的临界尺寸。为了扩展光刻工序窗，势必要修正图案光刻胶的线宽以形成较窄的图案光刻胶，以便于获得具有更小尺寸的半导体元件。传统修正图案光刻胶的线宽的方法是在曝光显影程序完成后进行一蚀刻工序以缩减图案光刻胶的临界尺寸。一般而言，用以缩减图案光刻胶的蚀刻工序通常是为一各向同性蚀刻工序。此种传统的方法并无法修正图案光刻胶的侧面结构，因而造成图案光刻胶的临界尺寸的一致性不佳。此外，另一种传统的方法是为等离子体修整工序(trimming process with plasma)，其是藉由一种具有各向异性电子束的等离子体工序进行蚀刻以缩减图案光刻胶。然而，此种方法对图案光刻胶而言，其纵向蚀刻速率会大于横向蚀刻速率，因而导致预定缩减的临界尺寸还未达到，即已耗损过多的图案光刻胶的顶部，使得在缩减线宽而达到预定的的临界尺寸后，图案光刻胶的厚度会变得过薄。更进一步地，在藉由等离子体修整工序所形成的图案光刻胶当成蚀刻罩幕亦或是当成离子注入罩幕以进行后续的蚀刻工序或离子注入工序时，常在主要的蚀刻终点位置上蚀穿极薄的基极氧化层至半导体衬底中或图案光刻胶极容易被离子击穿。另一方面，任何传统修正图案光刻胶的方法皆无法控制图案光刻胶的侧面而难以避免线性边缘粗糙度(line edge roughness；LER)的问题，而且皆必须藉由外场反应(ex-situ)的方式进行蚀刻工序，不但工序速度缓慢，而且工序成本高。
无论如何，在深亚微米的半导体工序中，临界尺寸的控制相当地重要，尤其是设计规格(design rule)越小时，所形成的线宽越窄，临界尺寸的控制更形困难。若是无法维持图案光刻胶轮廓的完整性，将对后续的蚀刻工序或离子注入工序等半导体相关工序产生重大的影响，或是造成电性的偏移，进而降低元件的再现性。鉴于上述的种种原因，我们更需要一种新的图案光刻胶的临界尺寸的微缩工序，以便于提升后续工序的产率与良率。
(3)发明内容
鉴于上述的发明背景中，传统图案光刻胶的临界尺寸的微缩制造过程，其所产生的诸多缺点，本发明提供一方法可用以克服传统制造过程上的问题。
本发明的一目的是在提供一种图案光刻胶的微缩制造过程。
本发明一方面的图案光刻胶的微缩方法，其特点是，至少包含下列步骤：提供一半导体衬底，其上具有一第一线宽的一图案光刻胶；藉由一化学物质以形成一化学扩散层于该图案光刻胶上；扩散该化学扩散层内的该化学物质至该图案光刻胶中，使得该图案光刻胶与该化学物质进行一化学反应以形成一化学反应层于该图案光刻胶的表层中；与移除该化学反应层以修正该半导体衬底上的该图案光刻胶的第一线宽而成一第二线宽。
本发明另一方面的图案光刻胶的微缩方法，其特点是，至少包含下列步骤：提供一半导体衬底；形成一具有一第一化学极性的光刻胶层于该半导体衬底上；藉由该光刻胶层形成多个具有一第一线宽的图案光刻胶于半导体衬底上；形成多个具有一酸性物质的扩散层于该多个图案光刻胶上；扩散该多个扩散层的该酸性物质至该多个图案光刻胶中，且藉由该酸性物质与该多个图案光刻胶进行一化学反应以形成多个具有第二化学极性的反应层于该多个图案光刻胶的表层中；与移除该多个反应层并使得该半导体衬底上的该多个图案光刻胶的该第一线宽变成一第二线宽。
本发明另一方面的图案光刻胶的微缩方法，其特点是，至少包含下列步骤：提供一半导体衬底；形成一具有亲油性的光刻胶层于该半导体衬底上；藉由一曝光工序形成多个具有一第一线宽的图案区于该光刻胶层上；进行一第一显影工序以形成多个具有第一线宽的图案光刻胶于该半导体衬底上的该多个图案区中；进行一酸化工序以共形生成一具有酸性物质的扩散层于该多个图案光刻胶与该半导体衬底的表面上；进行一烘烤工序以使该扩散层内的该酸性物质扩散至该多个图案光刻胶中，同时使得该酸性物质与该多个图案光刻胶进行一链锁反应以转化该酸性物质的扩散深度内的该多个图案光刻胶的该亲油性成一亲水性，并形成多个具有该亲水性的反应层于该多个图案光刻胶的表层上；与进行一第二显影工序以去除该多个反应层并使得该半导体衬底上的该多个图案光刻胶的该第一线宽变成一第二线宽。
本发明是在光刻工序完成后藉由一酸化工序形成一扩散层于图案光刻胶的表层中，其中，本发明的酸化工序可藉由酸性物质的扩散速率控制链锁反应的程度以调整图案光刻胶的线宽，藉此达到微缩图案光刻胶的目的。此外，本发明在酸化工序完成后藉由一再烘烤工序(re-baking process)使扩散层内的酸性物质与图案光刻胶进行链锁反应(chain reaction)以改变图案光刻胶的极性，并形成一反应层于图案光刻胶的表层上，其中，本发明能藉由再烘烤工序的控因(controlling factor)控制反应层的轮廓大小，进而控制图案光刻胶的临界尺寸，使得图案光刻胶的线宽能自由地偏移。另外，本发明在再烘烤工序完成后藉由一再显影工序(redeveloping process)去除反应层以形成具有一新的线宽的图案光刻胶，且新的线宽小于藉由光刻工序所形成的原线宽。如上所述，本发明的微缩图案光刻胶工序不但可保持图案光刻胶的轮廓的完整性，亦可避免线性边缘粗糙度(LER)的问题，且本发明能藉由原位反应(in-situ)的方式进行微缩图案光刻胶工序以加快工序速度。因此，本发明能降低传统工序的成本以符合经济上的效益，且本方法能适用于半导体元件的深亚微米的技术中。
为更清楚理解本发明的目的、特点和优点，下面将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明。
(4)附图说明
图1A至图1C是为是为根据本发明的第一较佳实施例中，藉由新的工序程序微缩图案光刻胶的线宽的工序剖面图；
图2A至图2D是为是为根据本发明的第二较佳实施例中，藉由新的工序程序微缩图案光刻胶的线宽的工序剖面图；与
图3A至图3D是为是为根据本发明的第三较佳实施例中，藉由新的工序程序微缩图案光刻胶的线宽的工序剖面图。
(5)具体实施方式
本发明在此所探讨的方向为一种控制图案光刻胶的临界尺寸的方法。为了能彻底地了解本发明，将在下列的描述中提出详尽的步骤与元件。显然地，本发明的施行并未限定于半导体元件的技术人员所熟习的特殊细节。另一方面，众所周知的工序步骤与元件并未描述于细节中，以避免造成本发明不必要的限制。本发明的较佳实施例会详细描述如下，然而除了这些详细描述的外，本发明还可以广泛地施行在其他的实施例中，且本发明的范围不受限定，其以权利要求所限定的范围为准。
参考图1A至图1C所示，在本发明的第一实施例中，首先提供一半导体衬底100，其上具有第一线宽D1的图案光刻胶110。然后，藉由一化学物质以各向异性形成一化学扩散层120于图案光刻胶110的表层上。之后，进行一烘烤工序130以使化学扩散层120内的化学物质扩散至图案光刻胶110中，同时使得化学物质与其扩散深度d内的图案光刻胶110进行一化学反应以形成化学反应层140于图案光刻胶110的表层中，其中，在图案光刻胶110中的化学物质的扩散深度d是取决于化学物质的扩散速率。接着，进行一显影工序150以去除图案光刻胶110的化学反应层140并使得半导体衬底100上的图案光刻胶110的第一线宽D1变成第二线宽D2，其中，第二线宽D2与第一线宽D1之差即为扩散深度d。其中上述的所有工序是藉由原位反应(in-situ)的方式进行。
参考图2A至图2D所示，在本发明的第二实施例中，首先提供一半导体衬底200，并形成一具有第一化学极性的光刻胶层210于半导体衬底200上。然后，藉由一光学光刻工序220形成多个具有第一线宽D1的图案光刻胶230于半导体衬底200上。其次，藉由一酸化工序240形成多个扩散层250于多个图案光刻胶230上，其中，酸化工序240所应用的酸性物质能转化多个图案光刻胶230的一第一化学极性成一第二化学极性，且在多个图案光刻胶230中的酸性物质的扩散深度d是取决于酸性物质的扩散速率。之后，进行一烘烤工序260以便于从多个扩散层250中扩散酸化工序240的酸性物质至多个图案光刻胶230中，同时使多个图案光刻胶230与其内的酸性物质进行一化学反应以形成多个具有第二化学极性的反应层270于多个图案光刻胶230的表层中。接着，进行一显影工序280以去除多个反应层270并使得半导体衬底200上的多个图案光刻胶230的第一线宽D1变成第二线宽D2，其中，第二线宽D2与第一线宽D1之差即为扩散深度d，且显影工序280还包含具有第二化学极性的显影剂。其中上述的所有工序是藉由原位反应(in-situ)的方式进行的。
参考图3A至图3D所示，在本发明的第三实施例中，首先提供一半导体衬底300，并形成一具有亲油性(hydrophobic)的光刻胶层310于半导体衬底300上，其中，光刻胶层310包含一化学放大光刻胶材料(chemical amplifyphotoresist material；CAP)，例如，I-line、深紫外光材料(deep ultraviolet；DUV)。然后，藉由一曝光工序320A转化掩模板图案至光刻胶层310上以形成多个具有第一线宽D1的图案区于光刻胶层310上。接着，进行一第一显影工序320B以形成多个具有第一线宽D1的图案光刻胶330于半导体衬底300上的多个图案区中。之后，进行一酸化工序340以共形生成一扩散层350于多个图案光刻胶330与半导体衬底300的表面上，其中，酸化工序340还包含一旋涂工序(spin-coating process)，另外，酸化工序340所应用的酸性物质能转化多个图案光刻胶330的亲油性成亲水性，而在多个图案光刻胶330中的扩散深度d是取决于酸性物质的扩散速率，且酸性物质还包含一具有氟基的酸性物质。之后，进行一烘烤工序360以便于从扩散层350中扩散酸化工序340的酸性物质至多个图案光刻胶330中，同时使得多个图案光刻胶330与其内的酸性物质进行一链锁反应以转化位于扩散深度内的部分多个图案光刻胶的亲油性成亲水性，并形成多个具有亲水性的反应层370于多个图案光刻胶330的表层上，其中，多个反应层370的宽度是随着烘烤工序360的工序时间增加而增加，且反应层370的宽度亦随着烘烤工序360的操作温度增加而增加，此外，较佳的操作温度约为50℃至200℃，且较佳的操作时间约为10秒至600秒。最后，进行一第二显影工序380以去除多个反应层370并使得半导体衬底300上的多个图案光刻胶330的第一线宽D1变成第二线宽D2，其中，第二显影工序380还包含具有亲水性的显影剂。其中上述的所有工序是藉由原位反应(in-situ)的方式进行的。
如上所述，在本发明的实施例中，本发明是在显影工序后，藉由额外添加于光刻胶上的物质缩小临界尺寸，然后进行烘烤工序以扩散酸性物质至光刻胶中，并藉此改变其极性；此外，再次进行显影工序以移除额外添加的物质与光刻胶层上极性变化区。因此，本发明具有较少的复杂度、较低的工序成本、易于控制缩小程度、改良线性边缘粗糙度较低的薄膜损耗与扩大工序窗等优势。据此，临界尺寸偏移的控制窗变得越来越广泛。因此，本发明实为一适用于半导体元件的深亚微米工序。
当然，本发明可能用在图案光刻胶的线宽的微缩工序上，也可能用在任何半导体的临界尺寸的控制工序上。而且，本发明藉由酸化工序与烘烤工序以控制图案光刻胶的线宽，迄今仍未发展用在关于图案光刻胶的微缩工序方面。对深亚微米的工序而言，本方法为一较佳可行的图案光刻胶的微缩工序。
显然地，依照上面实施例中的描述，本发明可能有许多的修正与差异。因此需要在其附加的权利要求项的范围内加以理解，除了上述详细的描述外，本发明还可以广泛地在其他的实施例中施行。
上述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的申请专利范围；凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或等效替换，均应包含在下述权利要求所限定的范围内。
Claims (30)
1.一种图案光刻胶的微缩方法，其特征在于，至少包含下列步骤：
提供一半导体衬底，其上具有一第一线宽的一图案光刻胶；
藉由一化学物质以形成一化学扩散层于该图案光刻胶上；
扩散该化学扩散层内的该化学物质至该图案光刻胶中，使得该图案光刻胶与该化学物质进行一化学反应以形成一化学反应层于该图案光刻胶的表层中；与
移除该化学反应层以修正该半导体衬底上的该图案光刻胶的第一线宽而成一第二线宽。
2.如权利要求1所述的图案光刻胶的微缩方法，其特征在于，所述的化学物质扩散方法是为一各向异性扩散。
3.如权利要求1所述的图案光刻胶的微缩方法，其特征在于，所述的化学扩散层的扩散深度是取决于该化学物质的扩散速率。
4.如权利要求1所述的图案光刻胶的微缩方法，其特征在于，所述的扩散步骤与该化学反应是藉由一烘烤工序所进行。
5.如权利要求1所述的图案光刻胶的微缩方法，其特征在于，所述的移除该化学反应层的方法为一显影工序。
6.如权利要求1所述的图案光刻胶的微缩方法，其特征在于，所述的第二线宽与该第一线宽之差即为该化学扩散层的扩散深度。
7.如权利要求1所述的图案光刻胶的微缩方法，其特征在于，其中所有工序是藉由原位反应的方式进行。
8.一种图案光刻胶的微缩方法，其特征在于，至少包含下列步骤：
提供一半导体衬底；
形成一具有一第一化学极性的光刻胶层于该半导体衬底上；
藉由该光刻胶层形成多个具有一第一线宽的图案光刻胶于半导体衬底上；
形成多个具有一酸性物质的扩散层于该多个图案光刻胶上；
扩散该多个扩散层的该酸性物质至该多个图案光刻胶中，且藉由该酸性物质与该多个图案光刻胶进行一化学反应以形成多个具有第二化学极性的反应层于该多个图案光刻胶的表层中；与
移除该多个反应层并使得该半导体衬底上的该多个图案光刻胶的该第一线宽变成一第二线宽。
9.如权利要求8所述的图案光刻胶的微缩方法，其特征在于，所述的多个图案光刻胶的形成方法为一光学光刻工序。
10.如权利要求8所述的图案光刻胶的微缩方法，其特征在于，所述的多个扩散层的形成方法为一酸化工序。
11.如权利要求8所述的图案光刻胶的微缩方法，其特征在于，所述的酸性物质能转化该多个图案光刻胶的该第一化学极性成该第二化学极性。
12.如权利要求8所述的图案光刻胶的微缩方法，其特征在于，所述的酸性物质在该多个图案光刻胶内的一扩散深度是取决于该酸性物质的扩散速率。
13.如权利要求12所述的图案光刻胶的微缩方法，其特征在于，所述的酸性物质在该多个图案光刻胶内的该扩散深度即为第二线宽与该第一线宽之差。
14.如权利要求8所述的图案光刻胶的微缩方法，其特征在于，所述的扩散步骤与该化学反应是藉由一烘烤工序进行的。
15.如权利要求8所述的图案光刻胶的微缩方法，其特征在于，所述的移除该多个反应层的方法还为一显影工序。
16.如权利要求15所述的图案光刻胶的微缩方法，其特征在于，所述的显影工序采用一具有第二化学极性的显影剂。
17.如权利要求8所述的图案光刻胶的微缩方法，其特征在于，其中所有工序是藉由原位反应的方式进行。
18.一种图案光刻胶的微缩方法，其特征在于，至少包含下列步骤：
提供一半导体衬底；
形成一具有亲油性的光刻胶层于该半导体衬底上；
藉由一曝光工序形成多个具有一第一线宽的图案区于该光刻胶层上；
进行一第一显影工序以形成多个具有第一线宽的图案光刻胶于该半导体衬底上的该多个图案区中；
进行一酸化工序以共形生成一具有酸性物质的扩散层于该多个图案光刻胶与该半导体衬底的表面上；
进行一烘烤工序以使该扩散层内的该酸性物质扩散至该多个图案光刻胶中，同时使得该酸性物质与该多个图案光刻胶进行一链锁反应以转化该酸性物质的扩散深度内的该多个图案光刻胶的该亲油性成一亲水性，并形成多个具有该亲水性的反应层于该多个图案光刻胶的表层上；与
进行一第二显影工序以去除该多个反应层并使得该半导体衬底上的该多个图案光刻胶的该第一线宽变成一第二线宽。
19.如权利要求18所述的图案光刻胶的微缩方法，其特征在于，所述的光刻胶层采用一化学放大光刻胶材料。
20.如权利要求18所述的图案光刻胶的微缩方法，其特征在于，所述的酸化工序为一旋涂工序。
21.如权利要求18所述的图案光刻胶的微缩方法，其特征在于，所述的酸性物质为一具有氟基的酸性物质。
22.如权利要求18所述的图案光刻胶的微缩方法，其特征在于，所述的酸性物质在该多个图案光刻胶中的扩散深度是取决于该酸性物质的扩散速率。
23.如权利要求18所述的图案光刻胶的微缩方法，其特征在于，所述的烘烤工序可藉由一工序时间控制该多个反应层的宽度。
24.如权利要求23所述的图案光刻胶的微缩方法，其特征在于，所述的多个反应层的宽度是随着该工序时间的增加而增加。
25.如权利要求23所述的图案光刻胶的微缩方法，其特征在于，所述的工序时间约为10秒至600秒。
26.如权利要求18所述的图案光刻胶的微缩方法，其特征在于，所述的烘烤工序可藉由一工序温度控制该反应层的宽度。
27.如权利要求26所述的图案光刻胶的微缩方法，其特征在于，所述的多个反应层的宽度是随着该工序温度的增加而增加。
28.如权利要求26所述的图案光刻胶的微缩方法，其特征在于，所述的工序温度约为50℃至200℃。
29.如权利要求18所述的图案光刻胶的微缩方法，其特征在于，所述的第二显影工序采用具有亲水性的显影剂。
30.如权利要求18所述的图案光刻胶的微缩方法，其特征在于，所述的所有工序是藉由原位反应的方式进行。
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