CN100447672C

CN100447672C - 一种微细光刻图案方法

Info

Publication number: CN100447672C
Application number: CNB2005100242139A
Authority: CN
Inventors: 崔彰日
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2005-03-04
Filing date: 2005-03-04
Publication date: 2008-12-31
Anticipated expiration: 2025-03-04
Also published as: CN1828422A

Abstract

一种微细光刻图案方法，采用改进的深紫外(DUV)光刻胶和底层树脂。此方法在未使用光学改进方法的条件下可以减小光刻胶的厚度，实现光刻图案安全的高宽比，从而提高图案的分辨率和关键尺寸的均匀性、曝光宽容度和聚焦深度。由于采用底层树脂，在后续刻蚀工艺中不需要通常薄层光刻胶需要的硬掩模，而得到衬底上高分辨率的转移图案，使DUV光刻胶的应用可延伸至0.11μm及以下的技术。此方法的应用可以简化量产工艺，降低成本，提高产能。

Description

一种微细光刻图案方法

技术领域

本发明涉及微细光刻图案方法，特别是涉及利用深紫外(Deep UltraViolet)光刻胶(Photoresist)(以下简称DUV光刻胶)和底层树脂进行微细光刻图案的方法。

背景技术

在超大规模集成电路等半导体器件的生产过程中，光刻(lithography)是最重要的步骤之一。凡是与MOS元件的结构相关的各层薄膜的图案(pattern)以及掺杂(doping)的区域都是用光刻方法决定的。

在光刻中应用感光材料光刻胶涂敷于半导体晶片衬底上，通过特定的光掩模照射到光刻胶上，因为光掩模上有图案，这些图案使来自光源的入射光发生反射，使未被反射而透过光掩模的光束也具备与光掩模相同的图案，被照射区域的光刻胶进行光化反应，转变为易溶性(正型光刻胶)或不溶性(负型光刻胶)部分。然后在显影液中显影，部分溶解掉光刻胶层，留下一层特定区域的光刻胶。以此光刻胶作为阻挡层进行选择性刻蚀。将光掩模上的图案完整地转移到半导体衬底上的薄膜上。

随着芯片上集成密度的提高，对电路设计规则要求更严格而且缩小工艺尺寸所遭遇的最大瓶颈就是光刻图案方法。为了获得高密度和高集成度，获得微细图案的方法首先就是缩短用于曝光的光源的波长，波长在248nm的深紫外光(由KrF激态激光组成)已经替代紫外光用于大规模生产256Mbits到1Gbits以上的动态随机存储器DRAM(Dynamic RandomAccess Memory)，其工艺尺寸可以达到0.25μm以下。

为了阻挡刻蚀，在0.13μmDRAM器件的光刻图案过程中必须保持导线区和导线间隔区光刻胶厚度在420nm以上，而接触孔上光刻胶厚度在620nm以上。而对于0.11μmDRAM器件或以下的设计规则，为了阻挡刻蚀若也保持此光刻胶厚度，则会产生高宽比率问题，因为为了得到微细图案必须保持高宽比在3.5以下。

生产集成度在4G bits或更高(工艺尺寸在0.13nm或以下)的DRAM的过程中，对光刻图案的微细度及分辨率要求更高。很多在248nmKrF DUV光刻工艺基础上的提高图案分辨率的方法得到了研究、应用和逐渐量产，如：相移光掩模(PSM)、偏轴照明(OA illumination)、高透镜性能(NA)等。但是，由于用于光刻的曝光设备价格很昂贵，这些方法成本都很高，而且会不同程度地增加生产工艺的复杂性。

本发明是利用改进的薄层深紫外(DUV)光刻胶和底层树脂进行微细光刻图案的方法。

发明内容

本发明的目的是在不使用任何如相移光掩模(P.S.M)、偏轴照明(OAillumination)、高透镜性能(Numerical Aperture)等光学方法的情况下，提高光刻图案的分辨率(resolution)和关键尺寸(critical dimensions)的均匀性，曝光宽容度，聚焦深度。

本发明的另一个目的是在使用较薄层光刻胶的条件下，不使用目前薄层光刻胶必需的任何硬掩模方法，获得微细光刻图案。

本发明的又一个目的是将KrF DUV光刻胶的应用延伸至0.11μm及以下的技术。

通常深紫外DUV光刻胶组合物，包括光化酸生成剂PAG(Photo AcidGenerators)，基质树脂、溶剂、添加剂等。根据图1，当光刻胶被曝光以后，PAG物质变成质子酸，该质子酸攻击光刻胶中的基质树脂，被攻击的树脂分子转变为溶于显影液的物质和新的质子酸。新的质子酸如同前面的质子酸一样去攻击其他基质树脂分子，如此进行链反应。这就是光活性DUV光刻胶的作用机理。

本发明应用了已有DUV光刻胶的作用机理和已有DUV光刻胶组分及其光化酸生成剂PAG。

本发明的微细光刻图案方法，包括在整个被刻蚀的衬底层表面涂敷一层底层树脂；在底层树脂层的上表面涂敷一层光刻胶；对光刻胶层进行要求图案的曝光，和曝光后烘烤；光刻胶层和底层树脂层在显影液中显影，在光刻胶和底层树脂层上形成光刻图案；光刻胶和底层树脂层作为刻蚀阻挡层进行选择性刻蚀，将图案转移到衬底上。

本发明的底层树脂层由含有羟基的聚合物树脂类构成，优选是烷基苯酚、叔丁基醛和烷基苯酚缩合生成的酚醛树脂、聚乙烯醇。

本发明的光刻胶为DUV光刻胶组分，优选为正型KrF DUV光刻胶，其包括光化酸生成剂(PAG)、基质树脂(Matrix resin)、溶剂和添加剂。

本发明的KrF DUV光刻胶组分中，光化酸生成剂PAG是含有芳烃基的锍盐(sulfonium salt)或是不含芳烃基的锍盐。

本发明的DUV光刻胶组分中，光化酸生成剂PAG的浓度为28～55％，优选为45～55％。

本发明的光刻胶层厚度为150～250nm。

本发明的底层树脂层厚度为150～250nm。

本发明的曝光采用深紫外光(DUV)，其为KrF激光所产生的波长为248nm的光源。

本发明的曝光后烘烤温度为100～140℃，优选为110～130℃；烘烤时间为60～120s，优选为60～90s。

本发明的显影液为碱性显影液。

本发明是以显影后保留的光刻胶和树脂层为刻蚀阻挡层，对衬底层进行选择性刻蚀。

本发明的微细图案方法可将KrF DUV光刻胶的应用延伸至0.11μm及以下的光刻技术。

本发明的一个优点是，将本发明的方法应用于光刻图案工艺中，可以减小KrF DUV光刻胶的厚度，在不采用任何如相移光掩膜、偏轴照明、高透镜性能NA等光学方法的情况下提高分辨率而且还可提高关键尺寸CD的均匀性、曝光宽容度、聚焦深度，其结果可以降低成本，简化量产工艺过程。

本发明的另一个优点是可以减小光刻胶厚度到安全的高宽比，即使在0.11μm以下技术可应用KrF DUV光刻胶而不用ArF DUV光刻胶，从而可大大降低成本。

本发明的另一个优点是，因为应用了底层树脂，较薄的光刻胶的厚度不仅实现了光刻胶图案适宜的高宽比，而且可以在后续刻蚀中达到阻挡层的作用，而不需要通常薄层光刻胶需要的硬掩膜，可简化量产工艺。

本发明的又一个优点是，延伸KrF DUV光刻胶的应用至0.11μm节点及以下，可降低成本、提高产能(throughput)。

附图说明

图1 DUV光刻胶组分在曝光过程中的反应机理的一个例子的示意图。

图2光刻图案的工艺流程示意图。

图3A～3D本发明的微细图案形成过程的一个例子的示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种微细光刻图案的方法，主要包括在整个被刻蚀的衬底层表面涂敷一层底层树脂；在底层树脂层的上表面涂敷一层光刻胶；对光刻胶层进行要求图案的曝光，和曝光后烘烤；光刻胶层和底层树脂层在显影液中显影，在光刻胶和底层树脂层上形成光刻图案；光刻胶和底层树脂层作为刻蚀阻挡层进行选择性刻蚀，将图案转移到衬底上。

根据本发明的方法，衬底材料可以是任何通常用在DRAM等半导体制造上的被刻蚀或离子注入而转移图案或形成特定区域预期图案的薄膜材料。

根据本发明，在整个需要转移图案的衬底上首先形成底层树脂层，其厚度取决于光刻胶层的厚度及光刻胶组分中光化酸生成剂的含量，而且其厚度可足以作为后续刻蚀过程中的阻挡层，该底层树脂层厚度与光刻胶层厚度可以相同，也可以不相同。该底层树脂的厚度不特别限定，一般优选在150～250nm的范围。该底层树脂层的应用可以相应减小光刻胶层的厚度。

本发明的底层树脂由于不直接被曝光，对其透明性等没有特别要求，含有象羟基类活性基团，能够被光刻胶层曝光后产生的质子酸激发而分解成为溶解于碱性显影液的物质，因此可以选自很多含有象羟基类基团的聚合物树脂如：烷基苯酚、酚醛树脂如叔丁基醛和烷基苯酚缩合生成的酚醛树脂、聚乙烯醇。其中优选是分子量在5～10万的烷基苯酚，分子量在5000～1万的聚乙烯醇，分子量在1～10万的酚醛树脂。根据本发明，在底层树脂层上表面形成光刻胶层，所说的光刻胶组合物可以是任何用于KrFDUV光刻的光刻胶组合物，优选是正型光刻胶，包括可在KrF DUV光源照射下产生质子酸的光化酸生成剂PAG、可以和质子酸产生化学反应而分解为另外的质子酸和可溶于碱性显影液的物质的基质树脂、溶解和稀释以及调节和改善光刻胶组合物物理性质的溶剂和添加剂。

根据本发明的KrF DUV光刻胶组合物，其中光化酸生成剂是在深紫外光照射下可以发生分解反应产生质子酸的物质，即一般应用在KrF DUV光刻胶中的光化酸生成剂PAG，含有芳烃基的锍盐或不含芳烃基的锍盐，可举出如三苯基硫六氟砷酸盐(triphenylsulfonium hexafluoroarsenate)，二-叔丁苯基碘氟丁烷基磺酸盐(di-(t-butylphenyl)iodoniumperfluorobutane sulfonate)等，基质树脂可以是如叔丁基醛与烷基苯酚缩合生成的酚醛树脂，叔丁氧基羰基氧T-BOC(t-butoxycarbonyloxy)与苯乙烯形成的(poly((t-butoxycarbonyloxy)styrene)等，以及溶剂，其可以是任意一种或两种及以上的混合物，可以溶解光化酸生成剂和基质树脂的溶剂，并使该组合物溶液可以形成均匀的旋涂薄膜，如有机溶剂醇、酮、酯等，添加剂如稳定剂等。

本发明的光刻胶组合物具有较高浓度的光化酸生成剂PAG，以便光化产生的质子酸不仅攻击光刻胶层树脂，而且足够多的质子酸同时攻击底层树脂，使其分解，在显影步骤中，光刻胶和树脂层均可被显影。这样就可以通过优化KrF DUV光刻胶厚度和底层树脂厚度以使光刻胶层和底层树脂层均被显影和形成图案，由于减小光刻胶厚度，甚至可以达到通常厚度的一半，因此可以获得安全的高宽比率。本发明的深紫外光刻胶组分中，光化酸PAG的含量使光化产生的质子酸足够多，以使曝光光刻胶层对应的树脂层完全反应。本发明的光化酸生成剂PAG不限制其浓度，但举出其浓度一般为光刻胶组合物的28％～55％，优选为45～55％。PAG的浓度与光刻胶层及底层树脂层的厚度相匹配。

本发明的光刻图案工艺为常规工艺流程如图2所示，包括衬底预加热去除其中的水分、底层树脂和光刻胶的旋涂、软烤(曝光前烘烤)以去除光刻胶层中的溶剂形成预期厚度的固态薄膜、曝光、曝光后烘烤、显影、硬烤、显影后检视、干或湿式刻蚀、光刻胶剥离和清洗、图案形成。

曝光可以采用KrF(248nm)DUV光。其中，由于本发明的光刻胶中高浓度光化酸生成剂和曝光的光刻胶层较薄，因此曝光的宽容度提高，图案尺寸的均匀性提高。

在曝光后的烘烤中，反应的光刻胶层和底层树脂层侧壁经过软化、形变(Deformation)，其表面因为表面张力而变得圆滑，减少光刻胶和底层树脂表面的缺陷，使图案的边缘轮廓得到修正。而且还可帮助光刻胶和底层树脂层加强对后续刻蚀的阻挡能力，增加其选择性。曝光后烘烤温度在100～140℃，优选为110～130℃，烘烤时间在60～120s，优选为60～90s。曝光后的光刻胶层和反应的底层树脂层在显影液中溶解而显影，在光刻胶和底层树脂层上形成预期的光刻图案，保留的光刻胶和底层树脂作为阻挡层进行选择性刻蚀，并去除光刻胶和底层树脂，将图案转移到衬底材料上。

由于光刻胶层厚度减小，因此提高了光刻图案的分辨率，高宽比率，而且提高了其曝光宽容度和图案尺寸的均匀性。由于底层树脂层的存在，加强了其在后续刻蚀工艺中的阻挡能力，不需要通常薄层光刻胶需要的硬掩模，即可以获得要求的微细图案。

下面结合附图具体说明本发明的微细图案形成过程。

首先如图3A所示，在预加热的整个半导体衬底11的表面旋涂一层厚度为150～250nm的含有保护基叔丁氧羰基的酚醛树脂形成底层树脂层12；然后在该树脂层12的上表面旋涂一层厚度为150～250nm的本发明的KrF(DUV)光刻胶组合物形成光刻胶层13。

如图3B所示，采用KrF DUV深紫外光作为曝光光源01，通过步进式扫描机在光刻胶层上进行预期图案的曝光。KrF DUV深紫外光通过特定的光掩模02照射到光刻胶层13上，因为光掩模上有预期的图案，这些图案使来自光源的入射光发生反射，使未被反射而透过光掩模的光束也具备与光掩模相同的图案，被照射区域的光刻胶23进行光化反应，光刻胶层23中的PAG，获得KrF DUV光源的能量之后，PAG会释出质子酸，攻击并分解光刻胶组分中基质树脂里的(t-butoycarbonyloxy)基团，使其产生具有羟基且易溶于碱性显影液的生成物。由于本发明的光刻胶层23中足够多的PAG，曝光时因吸收光能量释出的足够多的质子酸，靠获得的能量扩散至对应于曝光的光刻胶23的底层树脂22中，攻击底层树脂分子，使被攻击的底层树脂22分解变成易溶于碱性显影液的物质，而且此过程是在曝光后自动进行的反应。

曝光的光刻胶层23和底层树脂层22侧壁在曝光后的烘烤中软化、形变(Deformation)，使其表面因为表面张力而变得圆滑，减少光刻胶23和底层树脂22表面的缺陷，使图案的边缘轮廓得到修正。而且还可帮助光刻胶13和树脂层12加强对后续刻蚀的阻挡能力，增加其选择性。曝光后烘烤温度在100～140℃，优选为110～130℃，烘烤时间在60～120s，优选为60～90s。

如图3C所示，曝光后的光刻胶层23和反应的底层树脂层22在显影液中溶解而显影在光刻胶和底层树脂层上形成预期的光刻图案33，保留的光刻胶13和底层树脂12作为阻挡层进行选择性刻蚀，并去除光刻胶13和底层树脂12，得到如图3D所示的转移图案41，将图案转移到衬底材料上。

光刻胶层13厚度减小，因此提高了光刻图案的分辨率，高宽比率和图案尺寸的均匀性，由于底层树脂层12的存在，加强了其在后续刻蚀工艺中的阻挡能力，因此可以获得要求的微细图案。

由于本发明的光刻胶组合物中光化酸生成剂的浓度增加和底层树脂的存在，光刻胶层厚度减少，甚至是通常的一半，即150～250nm，所以如本发明的方法应用于KrF(248nm)DUV技术可以延伸到0.11μm及以下。

如上所述，本发明的特点是利用包含适宜浓度PAG的KrF DUV光刻胶和底层树脂并优化光刻胶层和树脂层的厚度，可以获得微细图案，当我们发展这种概念和优化工艺后，可以减小光刻胶厚度到安全的高宽比率，即使对0.11μm以下技术也可以仅用KrF D.U.V.光刻胶而不必用ArF D.U.V.光刻胶，而且也不需要其他如偏轴照明、相移光掩模、硬掩模等改进技术和工艺，对降低成本、提高产能(througput)，简化量产工艺等非常有益处。

由于ArF DUV光刻胶与KrF DUV光刻胶的反应机理几乎相同，因此本发明的方法应用于ArF DUV光刻胶及其ArF DUV光刻技术也是可以的。

Claims

1.一种微细光刻图案方法，包括

在整个被刻蚀的衬底层表面涂敷一层底层树脂；

在底层树脂层的上表面涂敷一层光刻胶；

对光刻胶层进行要求图案的曝光，和曝光后烘烤；

光刻胶层和底层树脂层在显影液中显影，在光刻胶和底层树脂层上形成光刻图案；

光刻胶和底层树脂层作为刻蚀阻挡层进行选择性刻蚀，将图案转移到衬底上。

2.根据权利要求1所述的微细光刻图案方法，其特征在于，所述的底层树脂层由含有羟基的聚合物树脂类构成。

3.根据权利要求2所述的微细光刻图案方法，其特征在于，所述聚合物树脂是烷基苯酚、叔丁基醛和烷基苯酚缩合生成的酚醛树脂或聚乙烯醇。

4.根据权利要求1所述的微细光刻图案方法，其特征在于，所述的光刻胶为DUV光刻胶组合物。

5.根据权利要求4所述的微细光刻图案方法，其特征在于，所述的光刻胶为正型KrF DUV光刻胶，其包括光化酸生成剂、基质树脂、溶剂和添加剂。

6.根据权利要求5所述的微细光刻图案方法，其特征在于，所述的KrF DUV光刻胶组合物中，光化酸生成剂PAG是含有芳烃基的锍盐，或是不含芳烃基的锍盐。

7.根据权利要求5所述的微细光刻图案方法，其特征在于，所述的KrFDUV光刻胶组分中，光化酸生成剂PAG的浓度为28～55％。

8.根据权利要求7所述的微细光刻图案方法，其特征在于，光化酸生成剂PAG的浓度为45～55％。

9.根据权利要求1所述的微细光刻图案方法，其特征在于，所述的光刻胶层厚度为150～250nm。

10.根据权利要求1所述的微细光刻图案方法，其特征在于，所述的底层树脂层厚度为150～250nm。

11.根据权利要求1所述的微细光刻图案方法，其特征在于，所述的曝光采用KrF深紫外光。

12.根据权利要求1所述的微细光刻图案方法，其特征在于，所述的曝光后烘烤温度为100～140℃，烘烤时间为60～120s。

13.根据权利要求12所述的微细光刻图案方法，其特征在于，烘烤温度为110～130℃，烘烤时间为60～90s。

14.根据权利要求1所述的微细光刻图案方法，其特征在于，所述的显影液为碱性显影液。

15.根据权利要求1所述的微细光刻图案方法，其特征在于，所述的方法可应用于0.11μm及以下节点的微细图案的形成。