TWI825960B - 半導體裝置的製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種半導體裝置的製造方法包含形成光阻層在基材上。利用罩幕使光阻層之部分暴露至輻射。利用鹼性氣體處理光阻層。顯影光阻層，以形成圖案化光阻層在基材上。

Description

半導體裝置的製造方法
本揭露是關於一種半導體裝置的製造方法，特別是關於一種製造半導體裝置之光微影製程的方法。
由於各種電子裝置(例如個人電腦、平板電腦、行動電話及其他電子設備)變得愈來愈小，這些電子裝置的個別組件之尺寸亦必須隨著縮小。組件亦可為半導體裝置，其一般是藉由連續地沉積介電材料、導電材料及/或半導體材料層在半導體基材上，然後藉由光微影技術圖案化各層，以形成各種電路組件。
光微影(photolithography)係一種用於製造積體電路(integrated circuit，IC)的常用方法。光微影是轉移幾何圖案至基材或基材上之層的製程。光微影的基礎製程包含光阻塗佈、曝光及顯影。曝光步驟包含暴露光阻層之特定區域至輻射，而顯影步驟包含施加顯影劑至光阻，藉以獲得所要的圖案。
根據本揭露之一些實施例，一種半導體裝置的製造方法包含形成光阻層在基材上。利用罩幕使光阻層之部分暴露至輻射。利用鹼性氣體處理光阻層。顯影光阻層，以形成圖案化光阻層在基材上。
根據本揭露之一些實施例，一種半導體裝置的製造方法包含塗佈光阻層在基材上。利用罩幕使光阻層暴露至輻射。對基材上的光阻層進行後曝光烘烤。自腔室中移除第一氣體。在自腔室中移除第一氣體之後，在腔室中藉由第二氣體修飾光阻層之頂表面。對光阻層施加顯影劑。
根據本揭露之一些實施例，一種半導體裝置的製造方法包含形成光阻層在基材上，其中光阻層包含光酸產生劑。暴露光阻層之第一區域至輻射，以在光阻層內產生光酸。對基材上的光阻層進行後曝光烘烤。使鹼性氣體在光阻層上流動，以與光阻層內的光酸反應。對光阻層施加顯影劑，以移除光阻層之第二區域，其中第二區域未暴露至輻射。
以下揭露提供許多不同實施例或例示，以實施提供之主體的不同特徵。以下敘述之組件和配置方式的特定例示是為了簡化本揭露。這些當然僅是做為例示，其目的不在構成限制。舉例而言，第一特徵形成在第二特徵之上或上方的描述包含第一特徵和第二特徵有直接接觸的實施例，也包含有其他特徵形成在第一特徵和第二特徵之間，以致第一特徵和第二特徵沒有直接接觸的實施例。除此之外，本揭露在各種具體例中重覆元件符號及/或字母。此重覆的目的是為了使說明簡化且清晰，並不表示各種討論的實施例及/或配置之間有關係。
再者，空間相對性用語，例如「下方(beneath)」、「在…之下(below)」、「低於(lower)」、「在…之上(above)」、「高於(upper)」等，是為了易於描述圖式中所繪示的零件或特徵和其他零件或特徵的關係。空間相對性用語除了圖式中所描繪的方向外，還包含元件在使用或操作時的不同方向。裝置可以其他方式定向(旋轉90度或在其他方向)，而本揭露所用的空間相對性描述也可以如此解讀。
一般而言，在光微影製程中，光阻層係先形成在基材上。接著，光阻層係透過光罩暴露至輻射源。光阻的輻射暴露造成光阻層之暴露部分中的化學反應。然後，光阻層係利用顯影劑顯影，以在光阻層中形成預設的圖案。
有二種類型的光阻：正型光阻(或正光阻)及負型光阻(或負光阻)。正型光阻及負型光阻在暴露至輻射時會改變其化學結構，藉以改變其在顯影劑中的溶解性。一般而言，在暴露至輻射之後，正型光阻之暴露部分破壞化學鍵結並改變在顯影劑中的溶解性。另一方面，負型光阻的曝光發起交聯反應，故造成負型光阻之暴露部分改變其在顯影劑中的溶解性。
無論光阻為正型光阻或負型光阻，所得之圖案係取決於用以顯影光阻的顯影劑類型。舉例而言，當顯影劑為水溶液基顯影劑[例如四甲基氫氧化銨(tetramethylammonium hydroxide，TMAH)溶液]時，不溶於顯影劑溶液中的一些正型光阻會提供正型圖案(即暴露部分係被顯影劑移除)，此為正顯影。另一方面，當顯影劑為有機溶劑時，相同的光阻則提供負型圖案(即未暴露部分係被顯影劑移除)，此為負顯影。再者，負型光阻之未暴露部分係被四甲基氫氧化銨移除，而光阻之暴露部分在暴露至輻射時發生交聯反應，且可在顯影後保留在基材上。除此之外，負型光阻之暴露部分可藉由使用有機溶劑做為顯影劑而被移除，而未暴露部分則保留在基材上。
典型地，光阻層包含光酸產生劑(photoacid generator，PAG)，其吸收曝光能量並產生光酸。光酸可做為轉化光阻之溶解度的化學增幅性要素。然而，主要在光阻層之暴露部分中產生的光酸亦可擴散至未暴露部分，特別係具有較大量光酸的上表面中。因此，在顯影之後，圖案化光阻層通常顯示T型狀(T-topping)圖案輪廓，其表示保留在基材上的圖案化光阻層係自上表面向下表面漸縮。換言之，圖案化光阻層之上表面的寬度通常是大於底表面的寬度，且圖案化光阻層之側壁為傾斜。因此，圖案顯示較大的關鍵尺寸(critical dimension，CD)及不理想的關鍵尺寸均勻度。
根據本揭露一些實施例，提供一種半導體裝置的製造方法，在曝光之後以鹼性氣體處理光阻。鹼性氣體可與光酸反應，特別係擴散至光阻之未暴露部分者，藉以減少光阻的T型狀圖案輪廓並優化關鍵尺寸均勻度。
圖1至圖4B係繪示根據本揭露一些實施例之半導體裝置的製造方法之中間階段的示意圖。如圖1所示，光阻層120係形成在基材110上。基材110可為半導體基材，例如矽、鍺、矽鍺、前述之組合等。基材可為晶圓，例如矽晶圓。在一些實施例中，基材110可包含在半導體基材上的各層。在一些實施例中，光阻層120為被光化輻射照射下可改變化學性質的光敏層。在一些實施例中，光阻層120為正型光阻。在一些實施例中，光阻層120包含光酸產生劑。在一些實施例中，光阻層120係藉由例如旋轉塗佈製程(spin-on coating process)、浸塗法(dip coating method)、氣動刮刀塗佈法(air-knife coating method)、簾幕式塗佈法(curtain coating method)、線棒塗佈法(wire-bar coating method)、凹版塗佈法(gravure coating method)、層壓法(lamination method)、擠壓塗佈法(extrusion coating method)、前述的組合等。光阻層之厚度係取決於預設的圖案及其後續的應用。
請參閱圖2，罩幕(或光罩)130係放置在光阻層120之上，且曝光輻射源透過罩幕130提供輻射135至光阻層120。在一些實施例中，暴露至輻射的操作係在包含罩幕130及曝光輻射源的光微影工具中進行。在一些實施例中，輻射135可為紫外光(ultraviolet，UV)、極紫外光(extreme ultraviolet light，EUV)、深紫外光(deep ultraviolet)、電子束等。在一些實施例中，輻射源係選自由汞蒸汽燈(mercury vapor lamp)、氙燈(xenon lamp)、碳弧燈(carbon arc lamp)、氟氪準分子雷射(KrF excimer laser light)(波長為248 nm)、氟氬準分子雷射(ArF excimer laser light)(波長為193 nm)、氟準分子雷射(F 2excimer laser light)(波長為157 nm)或二氧化碳雷射激發的錫電漿(CO 2laser-excited Sn plasma)(極紫外光，波長為13.5 nm)。
光阻層的第一區域120A係暴露至輻射135，而光阻層的第二區域(剩餘部分)120B係不暴露(或暴露較少)至輻射135。在光阻層120為正型光阻的一些實施例中，輻射135使第一區域120A的化學結構改變，且變成可溶於水溶液基顯影劑內，例如四甲基氫氧化銨溶液。在此實施例中，第二區域120B應不溶於顯影劑溶液中。如上所述，第一區域120A在吸收輻射135之後可產生光酸。然而，光酸擴散可使第二區域120B的上部部分包含一些光酸，進而在光微影製程之後造成影像模糊。
在暴露至輻射135之後，對光阻層120選擇性地進行後曝光烘烤(post exposure baking，PEB)，以完成曝光過程驅使的光反應。後曝光烘烤有助於圖案的輪廓。在一些實施例中，在約70℃至約110℃的溫度下加熱光阻層120約50秒至約90秒。後曝光烘烤的溫度及持續時間係取決於預設的圖案及其後續的應用。
然後，請參閱圖3，利用鹼性氣體145處理光阻層120。應理解的是，本文所用之「鹼性氣體(basic gas)」亦表示鹼氣(alkaline gas)。鹼性氣體145可與光阻層120中的光酸反應，例如自第一區域120A擴散至第二區域120B的光酸，特別是在光阻層120的上部部分中。換言之，光阻層120之頂表面係藉由施加鹼性氣體145來修飾。在一些實施例中，此處理操作係在腔室140內進行。在此實施例中，在通入鹼性氣體145至腔室140中之前，在腔室140內的其他氣體應先被移除。除了通入鹼性氣體145，載流氣體亦可隨鹼性氣體145一起通入腔室140中。在一些實施例中，載流氣體可為惰性氣體(例如氬氣及氦氣)、氮氣(N 2)或前述之組合。在一些實施例中，在以鹼性氣體145處理腔室內的光阻層120時，腔室的壓力係在約1 torr至約100 torr。
在一些實施例中，當鹼性氣體145溶於水時可為弱鹼性，例如具有約8至約9的pH值。若鹼性氣體145的pH值係小於8時，則無法達成減少T型狀輪廓的效果。若鹼性氣體145的pH值係大於9時，光阻層120會被破壞。在一些實施例中，鹼性氣體145可包含氨(NH 3)、胺氣(amine gas)或前述之組合。在一些實施例中，通入鹼性氣體145至腔室中的持續時間係1分鐘以下，例如約30秒至約60秒。通入鹼性氣體145的持續時間會影響光酸的量，若持續時間多於1分鐘，則光阻層120產生的圖案會變成底表面比上表面寬。在一些實施例中，由於液體會造成光阻層120的破壞，故鹼性氣體145係不含液體。
然後，光阻層120係藉由施加顯影劑而被顯影。在一些實施例中，此顯影操作可為負顯影或正顯影。一般而言，負顯影可溶解不具有光酸的光阻層，而正顯影可溶解具有光酸的光阻層。
當進行負顯影時，則在顯影之後，第一區域120A(即暴露區域)係保留在基材110上，因此第二區域120B係被顯影劑所移除，如圖4A所示。在圖4A所示的實施例中，顯影劑可包含有機溶劑。有機溶劑可為任何合適的溶劑。舉例而言，顯影劑係選自於由醚、二醇醚、芳香烴、酮、酯或前述之二者或多者之組合所組成的一族群。在一些實施例中，顯影劑包含丙二醇甲醚乙酸酯(propylene glycol methyl ether acetate，PGMEA)、丙二醇單甲醚(propylene glycol monomethyl ether，PGME)、甲苯、甲基異丁酮、環庚酮、四氫呋喃(tetrahydrofuran，THF)、乙酸正丁酯(n-butyl acetate，nBA)及2-庚酮(2-heptanone，MAK)等。
在負顯影之後，圖案化光阻層(例如圖4A所示之第一區域120A)具有較小的寬度及近乎完美的筆直側壁。在一些實施例中，第一區域120A之上表面121的寬度與第一區域120A之底表面123的寬度係實質相同。在一些實施例中，第一區域120A之側壁係實質垂直於底表面123及/或第一區域120A之側壁係實質垂直於上表面121。
在另一實施例中，顯影可為正顯影，其係利用水溶液做為顯影劑，例如四甲基氫氧化銨。如圖4B所示，在正顯影中，第二區域120B係保留在基材110上，而第一區域120A係被顯影劑所移除。相似地，在正顯影之後，圖案化光阻層(例如圖4B所示之第二區域120B)具有較小的寬度且具有近乎完美的筆直側壁。在一些實施例中，第二區域120B之上表面121的寬度與第二區域120B之底表面123的寬度係實質相同。在一些實施例中，第二區域120B之側壁係實質垂直於底表面123及/或第二區域120B之側壁係實質垂直於上表面121。
一般而言，圖案的解析度在負顯影中較差。若光酸在光阻層之上表面中過量地產生，會產生T型狀圖案輪廓。然而，本揭露之一些實施例達成優化的解析度，其係以鹼性氣體處理曝光後的光阻層，藉以減少在上表面之光酸的濃度。因此，在顯影之後，圖案化光阻層顯示優化的關鍵尺寸及優化的關鍵尺寸均勻度。再者，圖案化光阻層減少T型狀圖案輪廓。另外，本揭露之方法係適用於任何類型的圖案。
應理解的是本揭露之實施例所述之步驟可結合或省略，且其順序可根據實際需求而調整。
雖然本揭露已以數個實施例揭露如上，仍可能為其他的實施例。因此，後附之申請專利範圍的精神及範圍係不受限於所述之實施例的內容。
110:基材
120:光阻層
120A:第一區域
120B:第二區域
121:上表面
123:底表面
130:罩幕
135:輻射
140:腔室
145:鹼性氣體
根據以下詳細說明並配合附圖閱讀，使本揭露的態樣獲致較佳的理解。需注意的是，如同業界的標準作法，許多特徵並不是按照比例繪示的。事實上，為了進行清楚討論，許多特徵的尺寸可以經過任意縮放。 [圖1]係繪示根據本揭露一些實施例之半導體裝置的製造方法之中間階段的示意圖。 [圖2]係繪示根據本揭露一些實施例之半導體裝置的製造方法之中間階段的示意圖。 [圖3]係繪示根據本揭露一些實施例之半導體裝置的製造方法之中間階段的示意圖。 [圖4A]及[圖4B]係繪示根據本揭露一些實施例之半導體裝置的製造方法之中間階段的示意圖。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
110:基材
120:光阻層
120A:第一區域
120B:第二區域
140:腔室
145:鹼性氣體

Claims (19)

  1. 一種半導體裝置的製造方法，包含：形成一光阻層在一基材上；利用一罩幕暴露該光阻層之一部分至一輻射；利用一鹼性氣體處理該光阻層，其中當該鹼性氣體溶於水時的pH值為8至9；以及顯影該光阻層，以形成一圖案化光阻層在該基材上。
  2. 如請求項1所述之半導體裝置的製造方法，更包含：在處理該光阻層之前，進行一後曝光烘烤。
  3. 如請求項1所述之半導體裝置的製造方法，其中該處理該光阻層之步驟包含在該光阻層上施加該鹼性氣體及一載流氣體。
  4. 如請求項3所述之半導體裝置的製造方法，其中該載流氣體包含惰性氣體、氮氣或前述之組合。
  5. 如請求項1所述之半導體裝置的製造方法，其中該光阻層包含一正型光阻，且顯影該光阻層之步驟包含負顯影。
  6. 如請求項1所述之半導體裝置的製造方法， 其中該光阻層包含一正型光阻，且顯影該光阻層之步驟包含正顯影。
  7. 一種半導體裝置的製造方法，包含：塗佈一光阻層在一基材上；利用一罩幕暴露該光阻層之一部分至一輻射；對該基材上的該光阻層進行一後曝光烘烤；自一腔室中移除一第一氣體；在自該腔室中移除該第一氣體之後，在該腔室中藉由利用一第二氣體修飾該光阻層之一頂表面；以及對該光阻層施加一顯影劑。
  8. 如請求項7所述之半導體裝置的製造方法，其中當該第二氣體溶於水時為鹼性。
  9. 如請求項7所述之半導體裝置的製造方法，其中該第二氣體包含氨、胺氣或前述之組合。
  10. 如請求項7所述之半導體裝置的製造方法，其中該後曝光烘烤係在70℃至110℃的溫度下進行。
  11. 如請求項7所述之半導體裝置的製造方法，其中修飾該光阻層之該頂表面的持續時間為1分鐘以下。
  12. 如請求項7所述之半導體裝置的製造方法，其中該腔室之一壓力為1torr至100torr。
  13. 如請求項7所述之半導體裝置的製造方法，其中該顯影劑包含一水溶液。
  14. 如請求項7所述之半導體裝置的製造方法，其中該顯影劑包含一有機溶劑。
  15. 一種半導體裝置的製造方法，包含：形成一光阻層在一基材上，其中該光阻層包含一光酸產生劑；暴露該光阻層之一第一區域至一輻射，以在該光阻層內產生光酸；對該基材上的該光阻層進行一後曝光烘烤；使一鹼性氣體在該光阻層上流動，以與該光阻層內的該光酸反應；以及對該光阻層施加一顯影劑，以移除該光阻層之一第二區域，其中該第二區域未暴露至該輻射。
  16. 如請求項15所述之半導體裝置的製造方法，其中該顯影劑係選自於由醚、二醇醚、芳香烴、酮、酯或前述之組合所組成的一族群。
  17. 如請求項15所述之半導體裝置的製造方法，其中在施加該顯影劑至該光阻層之後，該光阻層之該第一區域的複數個側壁實質垂直於該光阻層之一底表面。
  18. 如請求項15所述之半導體裝置的製造方法，其中使該鹼性氣體在該光阻層上流動的持續時間為30秒至60秒。
  19. 如請求項15所述之半導體裝置的製造方法，其中使該鹼性氣體在該光阻層上流動包含使一惰性氣體或氮氣與該鹼性氣體流動。
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