CN1089370A - 形成图形的方法 - Google Patents

Abstract

一种形成图形的方法改善了光刻胶图形的轮 廓。本方法包括下列各步骤：在有台阶的衬底上形成 光刻胶层、用第一掩模将光刻胶层作第一次曝光，用 第二掩模将由于台阶使光刻胶层很厚的部位作第二 次曝光，以及将曝过光的光刻胶层显影。尤其是，在 台阶处的厚光刻胶要进行充足的曝光，从而避免形成 桥接或残胶，而获得改善了轮廓的图形。

Description

本发明涉及形成图形的方法，更具体地说，涉及以简单的制造工艺形成图形的方法，而改善了所提供图形在高台阶部位的图形轮廓。

与一系列高集成度与高性能半导体器件相适应，已导致一种复杂的结构。因此，很需要在半导体衬底上能形成微细图形的工艺技术。大家都清楚这样的半导体器件图形是通过光刻的方法形成的。

通过光刻法来形成图形的方法如下：首先在待形成图形的衬底的上表面，诸如绝缘层、导电层或半导体圆片上，形成其溶解度随光照，例如紫外光或X射线而改变的光刻胶层。用刻有图形的掩模，选择性地将预定部位曝光，光就有选择地照射到胶层上。然后，显影受过光照的胶层，除去具有高溶解度（正胶情况下是曝光部位）的光刻胶部位而留下低溶解度的光刻胶部位，这样就形成一种光刻图形。刻蚀去掉了光刻胶的衬底的部位，就形成图形。在完成了衬底刻蚀之后，除去所留下的光刻胶，就能获得用于有关布线、电极，等等所需的图形。

虽然，用这种高分辨率光刻法能够形成微细图形，但更微细的图形产生还需要改进相关的工艺。

这就是，在光刻胶曝光与显影曝过光的光刻胶之后所获得的微细图形，要按光掩模图形的线宽同样的比率来形成图形的线宽。然而，因光刻中存在各种操作过程，就很难保持恒定的图形线宽。这种线宽的偏差是由于不同厚度的光刻胶捕集到的能量剂量的差别，以及由于在台阶处因衍射和反射造成光散射产生的（参见“Silicon    Processing    for    the    VSLI    Era”by    S.Wolf    and    R.N.    Tauber，Vol.1，P439，1986）。

图1是按照常规单层光刻胶法的图形形成工艺的流程图。参照图1，下面将更详细地描述这样的图形形成过程。

当衬底以100至1000rpm.的速度旋转时，将光敏材料涂敷在衬底的上表面。然后，若衬底以高速，例如2000到6000rpm.旋转，该光敏材料在离心力作用下会迅速铺开，并在整个衬底上形成厚度均匀的胶层。

图3A和3B分别表示按照常规的单胶层法，在台阶处形成图形时，光刻胶厚度的变化，以及显影后在台阶处的图形形状。如图3A和3B所示，因已经在衬底上形成图形，在有台阶的情况下，会局部地改变胶层的厚度。这就是如图3A所示，衬底1上部的台阶处形成了较厚的胶层2。特别是，由于高集成度器件的复杂结构的发展，更增加了许多台阶。如果所形成的台阶部位的胶层因这样的复杂台阶，在光刻胶涂敷之际要比其他部位厚得多，那末，在形成光刻胶图形时就会导致图形桥接或残胶等等之处增加。

图3B表示将如图3A所示的形成的胶层曝光与显影，而获得的光刻胶图形3。参看图3B，该台阶底部的光刻胶，即，相对应于光刻胶厚度特别厚的部位，没有全被除去。因此，可以看到，光刻胶留在光刻图形3之间，并用标号4指明。

造成这种不希望有的现象是由于下列情况。为形成优良的光刻胶图形，进行曝光时，光的焦距应与光刻胶厚度的中心线相适应。即，因相对于焦点在光刻胶的表面曝光区与光刻胶下表面的曝光区是对称的，当焦点与光刻胶厚度中心符合时，光刻胶表面和下部的曝光区彼此是一样的，因此，具有陡峭的光强分布。然而，在有台阶的圆片上形成光刻胶层，该层的厚度随衬底区的不同而不固定，所以不太可能使整个胶层的厚度中心线与光的焦点相配合。这就是，例如，由于在有相当厚光刻胶的台阶处，光的聚焦线位于光刻胶厚中心线的上部，所以，光刻胶下曝光范围变成宽于上曝光范围。这意味着光刻胶下部的曝光能量剂量相对欠缺，即，曝光不足。曝光不足会发生不希望的线宽改变、桥接、残胶层等等。因此，该光刻胶图形的轮廓变坏，以致不能刻蚀衬底。

为解决常规单层胶（SLR）方法的上述问题，而已经开发了一种多胶层（MLR）的方法。

按照MLR法，图形形成工艺的流程图示于图2中。图4表示按MLR法形成图形时的夹层结构。参照图2和4，下面将更详细地描述MLR的方法。

首先，在衬底1的上部涂敷比衬底台阶厚很多的用于平面化的下光刻胶11，然后烘焙。在下光刻胶11的上部涂敷中间绝缘层12之后，涂敷用以曝光的上光刻胶13，于是形成多层胶层。在曝光与显影上光刻胶之后，再用干法刻蚀该中间绝缘层。此后，用氧气（O₂）等离子干法刻蚀下平面化光刻胶，以形成光刻胶图形。然后，利用该光刻胶图形来刻蚀衬底，再除去留下的光刻胶，就获得图形。MLR法能产生高分辨率，小于或等于0.5μm的图形。

在日本披露的特许公开昭51-107775中已揭示了MLR法的一种应用。上述的日本公开中，在衬底存在不平整部位或台阶的衬底上部之上厚厚地涂敷上一层有机物层（下层），使衬底的上部平面化，然后，在衬底的顶部形成由旋涂玻璃（SOG）、磷硅玻璃（PSG）或SiO₂组成的中间层。于是，按照常规光刻工艺，曝光与显影该顶层，再刻蚀中间层，从而将中间层制成预定的形状。又用中间层作掩模，干法刻蚀除去厚厚下层的露出部位。此后，通过刻成图形的下层，干法刻蚀要制作的层的露出部位，从而形成预定的图形。

还有，韩国专利公开号89-3903揭示了一种用来改善MLR法图形分辨率的方法。为做到这一点，通过减小中间层对光的折射率和上层与下层对光的折射率之间的差值而使上层与中间层，以及中间层与下层之间的每个界面都减小光反射。同时，防止了由于下层层厚度的不同所产生的在层内的光干涉，当图形形成时可以遏制尺寸的改变。上述韩国专利公开中所描述的方法包括连续的淀积待制作层的各工序，下层由有机聚合复合物组成、中间层由具有比在衬底上的下层与光敏的上层更大的耐干法刻蚀的性能的材料制造，通过选择性对上层的预定部位曝光和使曝了光的部位显影，形成有预定形状的上层图形，除去露出的下层部位，以及经过除去衬底的露出部位而形成衬底图形，其中中间层的光折射率与上层或下层的光折射率之差都小于或等于12%。

用MLR法能够获得高分辨率的微细图形。但是，因为工艺复杂，又要通过许多工序，所以，生产率低、不合格产品的数量增加以及制造半导体工艺的全部成本增大了。

因此，本发明的目的是提供一种能获得有良好分辨率的图形的图形形成方法，其中由于采用了单层光刻胶的方法，不必经过像多层光刻胶法那样复杂的工艺，从而简化了工艺、节省了费用、以及容易使在台阶部位变厚的光刻胶显影。

为了完成本发明的上述目的，提供一种用来形成图形的方法，包括下列步骤：

在衬底上形成光刻胶层的步骤;

首先，用第1掩模给光刻胶层曝光;

其次，用第2掩模给由于台阶而所说光刻胶层相当厚的部位曝光;以及

使曝过光的光刻胶层显影。

参照附图，通过对本发明的优选的实施例的详细描述，本发明的上述目的和其他优点将变得更加明显。

图1是按照常规单层光刻胶（SLR）法的图形形成工艺的流程图;

图2是按照常规多层光刻胶（MLR）法的图形形成工艺的流程图;

图3A和3B分别表示出按照常规单层光刻胶法图形形成时，在台阶处光刻胶厚度的变化，以及显影后在台阶处的图形形状;

图4是按照常规MLR法形成图形时，夹层的剖面图;

图5是按照本发明的形成图形工艺的流程图;

图6A是有一台阶的光刻胶层剖面图;

图6B和6C表示在图6A光刻胶层的上部位，用于本发明为第2掩模所设计的条形栅图形的排列布图;

图6D表示在图6A的光刻胶层上部位，用于本发明中为第2掩模所设计的一种方格图形的排列布图;

图7A至7C表示按照本发明的图形形成法的工艺流程而形成图形的过程;

图8A和8B分别表示出按照常规的SLR法形成图形时在台阶处光刻胶的剖面以及显影后台阶处的图形形状。

按本发明的优选实施例，将光刻胶曝光，而后，用第2块掩模让光刻胶较厚的部位再次曝光。尤其有必要，在曝光机中用第1块掩模和第2块掩模连续地让该光刻胶层曝光。亦即，需要制造第2掩模图形，以便沿台阶部位有0.5μm至400μm的尺寸。最好是，所制造的第2掩模图形能按光刻胶的厚度和台阶深度调正第2掩模图形的尺寸。

图5是按照本发明的形成图形工艺的流程图。为形成本发明有台阶的器件的具有高分辨率的图形，用有预定图形的掩模，对单层光刻胶进行第一次曝光。而后，有效地除去台阶部位的厚光刻胶，再用有预定图形的掩模进行第2次曝光。也就是，为解决第一次曝光后，由于在厚光刻胶部位曝光能量剂量低，致使光激活化合物（PAC）的分解强度小，而使厚光刻胶部位显影不干净问题，再一次给台阶部位曝光，从而补充曝光能量剂量以增加PAC的分解强度。

所需的第2次曝光的曝光能量剂量是第1次曝光剂量的5%到20%。若是能量剂量低于5%，则曝光作用过弱，而若是能量剂量多于20%，图形的分辨率增大则随能量增加而稍微减小。如果使第2次曝光能量剂量弱于第1次曝光能量剂量，即使***第1掩模时没有曝过光的部位，当***第2掩模使该部位曝光，那个部位也不会成为图形留下，因为曝光光量小又不显影。由于让台阶部位两次曝光，光刻胶曝光很充分，所以，甚至在曝过光的边缘部位也能形成干净的图形。

尤其，因为第2掩模有与台阶的厚胶层上部相配合的图形，所以该第2掩模几乎没有象第1掩模那样的微细图形。由于第2掩模尺寸相当大，就使第2次曝光不需象第1次曝光一样准确安置掩模。亦即，不会有掩模的转动、相互垂直，等等问题。这样，按照本发明的方法，增加第2次曝光是辅助性的。然而，可以明白，当与常规曝光工艺比较，第2次曝光工艺虽相当简单，但其效果是优良的。

为了形成更好的图形，用第2掩模进行第2次曝光时，最好赋予大约数微米的散焦。这样的散焦改善了光刻胶边缘部位的图形分辨率，其中第1掩模与第2掩模相重叠。优选的是，散焦值为0.5至20μm。

还有，按照本发明的形成图形的方法中，在第2掩模的预定第2图形中添加辅助性条栅图形（X-或Y-方向）或方格图形，以便施行第2次曝光。

图6A到6D表示出条栅图形（图6B和6C的标号9）或方格图形（图6D的标号10），在第2掩模上设置这些图形要被配置在有台阶（图6A）的光刻胶层2的上部之上。

这个图形中，条栅间的距离“d”（该条栅是与台阶平行被***的）可以按因台阶而改变的光刻胶厚度作适当调整与配置。所以，可以按光刻胶厚度的改变使图形尺寸的变化减至最低程度。安插到有预定图形的第2掩模中的条栅图形或方格图形的尺寸或距离要等于或小于周围区的临界分辨率。就是要求，所要设计的第2图形不是因散焦所显示的图形。最好的是，条栅图形或方格图形可以按光刻胶厚度的改变而改变其尺寸或距离。

通常将掩模分为硬掩模或软掩模。然而，因软性掩模难以形成小于或等于2.5μm的微细图形，所以，最近在半导体制造领域主要采用硬性掩模。硬性掩模是借助于淀积法溅射法或化学汽相淀积法在基板上涂覆一层遮光薄层材料制造的。碱石灰、硼硅酸盐或结晶体等等可以用作掩模基板材料。其中，结晶体的价格特别昂贵。然而，结晶体优点在于热膨胀系数极小，而且浅紫外光或深紫外光的透过率都很高。因此，本发明中，就需要用这种晶体作为掩模基板的材料。

硅、氧化铁、铬或铬的氧化物可以用作涂覆在掩模上的遮光薄层材料。特别是，在本发明中要用铬与氧化铬的复合材料。

除在基板上涂覆铬/氧化铬的常规掩模外，还可以采用反射掩模或相移掩模等等作为在本发明中可用的掩模。

本发明能用作曝光的光，就光刻胶曝过光的部分与非曝光部分之间赋予溶解度差能够形成图形来说，不会有限制。作为可用于本发明的光，可使用KrF受激准分子激光（248nm）和ArF受激准分子激光（193nm）以及g-线（436nm）、i-线（365nm），h-线（405nm）和发自水银灯或Xe灯的深紫外光（240-440nm）。

除缩小投影曝光法外，一对一投影曝光法、X-射线曝光法，等毫无例外地都可用作曝光法。

通常将光敏材料分成正性型或负性型。负性型光敏材料是由环化橡胶基树脂和双偶氮基化合物的混合物组成。照射过光的部位通过交联材料（双偶基化合物）形成网状结构而被硬化，而非曝光区则用显影剂溶去。另一方面，正性型光敏材料，通常是由苯醌重氮基光敏材料、碱性可溶性的酚基树脂及有机溶剂组成。通过光照，将本来为碱性不溶性的树脂，转变成碱性可溶性的树脂。因为正性光敏材料分辨率比负性材料高，近来广泛采用正性型光敏材料。

作为本发明可用的光敏材料，无论正性还是负性的都能使用。但是，如上所述，要求使用有较高分辨率的正性型材料。作为本发明能用的正性型光敏材料，可以使用酚醛基树脂混合物、化学强化树脂混合物或断链树脂混合物。

下文，将详细地说明本发明的优选实施例。但是，本发明不限于此。

实施例1

在有台阶的衬底上部旋涂包括酚醛基树脂和重氮萘醌的光刻胶，形成厚为1.2μm的光刻胶层。用g-线（436nm）的紫外光，采用有金属图形的预定晶体掩模进行对准曝光。随后，实际上除去在台阶部位的厚光刻胶，在与金属图形方向相同的方向，***第2掩模，该掩模中有设计尺寸大约为9到10μm的图形。然后，用第1次曝光能量的大约10%的能量第2次继续给第1次已曝光的光刻胶曝光。这里，为了散焦，使第2掩模的焦点移到约5μm，以此进行曝光。随后，用四甲基氢氧化铵（TMAH）的碱性水溶液进行湿法显影而形成光刻胶图形。利用所形成的光刻胶图形来刻蚀要制作的衬底，再除去留下来的光刻胶，从而获得所需的图形。

实施例2

用实施例1描述过的相同方法在有台阶的衬底上部形成光刻胶层。用g-线紫外光（436nm），采用有金属图形的预定晶体掩模进行对准曝光，随后，实际上除去台阶部位的厚光刻胶，在与金属图形相同的那个方向，***第2掩模，而该掩模中有设计尺寸约为9到10μm的图形，并将其中尺寸为0.1至0.2μm的条栅图形或方格盘图形对准。然后，用第1次曝光能量的大约10%的能量在台阶处（第2次）继续给第1次已曝光的光刻胶对准曝光。这里，为了散焦，使第2掩模移动5μm，而进行曝光。随后，用四甲基氢氧化铵（TMAH）的碱性水溶液进行湿法显影而形成光刻胶图形。利用所形成的光刻胶图形来刻蚀要制作的衬底，再除去留下来的光刻胶，从而获得所需的图形。

上述的实施例中，能够改善图形边缘部位的光洁度，其中通过散焦将第1掩模和第2掩模叠合，而且可以改善条栅图形或方格盘图形的作用。

图7A到7C表示按照本发明的形成图形的方法的工艺流程而形成图形的过程。图8A和8B表示按第1实施例和第2实施例所得到的图形，在台阶处的图形形状。

参照图7A到7C以及图8A和8B，下面将更详细地描述上述的实施例。

如图7A到7C所示，该光刻胶经第1次曝光（图7A）。在第1次曝过光的光刻胶中，在台阶顶部的光刻胶6没有被曝光，而在台阶底部的光刻胶7要经受第2次曝光（图7B），得到两次曝光的为光刻胶8。然后，通过曝光后烘焙（PEB）和显影，就形成台阶部位没有桥接或残胶的光滑光刻胶图形3（图7C）。

如图8A和8B所示，获得的光刻胶图形（图8B）代表着对应于在台阶部位的光刻胶（图8A），从本发明的图8A和8B可以看出，在整个区域内，包括易于出现缺陷的台阶底部区域5，形成了边缘光滑的图形。

如上所述，如果按本发明来制成微细图形，只要用单层光刻胶，就可以获得通过MLR法才能获得的有优良轮廓的光刻胶图形。通过使用两块掩模，进行两次曝光，就能简单地达到此目的。

亦即，按照本发明，缺陷率极低（光刻胶本身缺陷除外），而且工艺简单，从而取得提高生产率和节省费用的效果。这样，即使有台阶，也能很容易地形成微细图形。

虽然参照优选的实施例已经具体地显示和描述了本发明，但本领域的技术人员都明白，其中可以作出许多形式或细节上的改变而不会偏离由附属的权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (11)

1、一种形成图形的方法，包括下列步骤：

在具有台阶的衬底上形成一层光刻胶；

用第一掩模，第一次给所述光刻胶层曝光；

用第二掩模，第二次给由于所述台阶而使所述光刻层相当厚的部位曝光；以及

将曝过光的光刻胶层显影。

2、按照权利要求1的方法，其中根据光刻胶层的厚度和所述台阶的深度而调整所述的第二掩模图形的大小。

3、按照权利要求1的方法，其中在曝光机中用所述第一和第二掩模将光刻胶层连续曝光。

4、按照权利要求1的方法，其中所述的第二次曝光步骤的曝光能量是所述的第一次曝光步骤的5到20%。

5、按照权利要求1的方法，其中所述的第二掩模的图形沿台阶部位具有0.5到400μm的尺寸。

6、按照权利要求1的方法，其中当所述的第二次曝光时赋予散焦。

7、按照权利要求6的方法，其中散焦是0.5到20μm。

8、按照权利要求1的方法，其中所述的第二掩模有一条栅图形或一方格盘型图形。

9、按照权利要求8的方法，其中所述的条栅图形或所述的方格盘型图形能根据光刻胶厚度的改变而改变其尺寸或距离。

10、按照权利要求8的方法，其中所述的条栅图形或所述的方格盘型图形的尺寸不大于临界分辨率。

11、按照权利要求8的方法，其中所述的条栅图形或所述方格盘型图形，在所述第二次曝光步骤中通过散焦，仍然是具有不大于临界分辨率的图形。

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