專利名稱：縮小光刻膠接觸孔圖案的臨界尺寸的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于形成半導(dǎo)體器件的光刻膠接觸孔圖案的方法，具體而言，涉及一種在半導(dǎo)體器件的光刻過程中縮小用于形成接觸孔的光刻膠圖案的臨界尺寸CD(critical dimension)從而允許得到臨界尺寸在90nm以下的接觸孔圖案的方法。
背景技術(shù)：
隨著大規(guī)模集成電路制造的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則(design rule)逐步減小，要求光刻膠接觸孔的臨界尺寸也越來越小，下表1示出各種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則下對(duì)接觸孔臨界尺寸(CD)的要求。
表1

然而，接觸孔臨界尺寸的減小遠(yuǎn)比減小線寬和間隔寬度要困難得多。目前，光刻過程中常用光源(例如248nm KrF)的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，限制了解析度，因而難以得到臨界尺寸在130nm以下的接觸孔，而這是發(fā)展更先進(jìn)的集成電路制造工藝如0.09μm集成電路制造工藝所必需的。
目前，為了得到臨界尺寸更小的接觸孔已經(jīng)發(fā)展了多種技術(shù)來克服上述解析度不足的問題，例如利用ArF光源、浸沒式光刻法(immersion lithography)、強(qiáng)移相模塊(PSM)和薄光刻膠層等方法可以得到臨界尺寸在130nm以下的接觸孔。
CN03102525.0公開了一種通過雙層光刻膠的二次曝光形成微細(xì)圖案的方法，其中采用了ArF光源和ArF光刻膠，其缺點(diǎn)在于不能利用傳統(tǒng)設(shè)備并且工藝復(fù)雜。
CN200310124851.9公開了一種形成微細(xì)圖案特別是臨界尺寸縮小的接觸孔圖案的方法，其特征在于利用VUV輻射使得曝光顯影后的光刻膠的Tg臨時(shí)下降，從而通過加熱使光刻膠圖案發(fā)生重新流動(dòng)，因而導(dǎo)致臨界尺寸縮小。其缺點(diǎn)在于必須采用新設(shè)備并增加工藝步驟而且難以精確控制光刻膠圖案的臨界尺寸。
上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)在于應(yīng)用上述方法需要不同于傳統(tǒng)光刻過程的設(shè)備，因此需要大量投資，導(dǎo)致成本增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明人為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，經(jīng)深入研究發(fā)現(xiàn)通過在曝光后的光刻膠層上涂布光酸抑制劑例如甲基硅氮烷化合物，利用光酸抑制劑與光刻膠中的質(zhì)子和光酸生成劑的反應(yīng)來控制光刻膠的光化學(xué)反應(yīng)過程，以實(shí)現(xiàn)對(duì)光刻膠接觸孔圖案的縮小。因此，本發(fā)明得到一種簡(jiǎn)單縮小光刻膠接觸孔圖案的臨界尺寸的方法，該方法既能應(yīng)用于0.11μm以下集成電路制造工藝中，又可利用現(xiàn)有設(shè)備而不需要再次投資。
本發(fā)明提出一種縮小光刻膠接觸孔圖案的臨界尺寸的方法，該方法包括以下步驟a)在襯底上涂覆光刻膠，形成光刻膠層；b)利用具有預(yù)定圖案的掩模對(duì)光刻膠層進(jìn)行曝光；c)在曝光后的光刻膠層上涂布光酸抑制劑；d)對(duì)涂布有光酸抑制劑的光刻膠層進(jìn)行曝光后烘烤；和e)利用顯影劑對(duì)經(jīng)上述處理的光刻膠層進(jìn)行顯影，得到臨界尺寸縮小的接觸孔圖案。
在步驟a)中，可選擇采用預(yù)烘烤方法預(yù)先除去襯底上的水分，并且在涂覆光刻膠層之前涂布甲基硅氮烷化合物底材，其中所涂布的甲基硅氮烷化合物底材是六甲基二硅氮烷(HMDS)。
在步驟a)中，涂覆所述光刻膠層之后，優(yōu)選預(yù)烘烤所涂覆的光刻膠層，以除去光刻膠中的溶劑。
步驟a)中用于涂覆所述光刻膠層的方法包括旋轉(zhuǎn)涂布法(spin-coating)和氣體輔助法，上述方法的條件為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知。
步驟a)中所涂覆的光刻膠層厚度為500-10000nm。
步驟a)中的光刻膠層優(yōu)選采用正型光刻膠，包括酚醛樹脂等。
步驟b)中的曝光過程所采用的光源波長(zhǎng)為400nm-190nm，所使用的掩模包括雙密度掩模(BIM)、移相掩模(PSM)和單元投影掩模(CPM)等。
步驟c)中所涂覆的光酸抑制劑是甲基硅氮烷類化合物，包括六甲基二硅氮烷(HMDS)、雙(N，N-二甲基氨基)甲基甲硅烷(C5H16N2Si)、雙(N，N-二甲基氨基)二甲基甲硅烷(C6H16N2Si)、二甲基甲硅烷基二甲基胺、二甲基甲硅烷基二乙基胺、三甲基甲硅烷基二甲基胺、三甲基甲硅烷基二乙基胺和N，N-二甲基氨基五甲基二硅烷(DMDS)等。
步驟c)中，利用輔助氣體法即利用輔助氣體夾帶所述光酸抑制劑噴灑至光刻膠層表面的方法而將所述光酸抑制劑涂覆在光刻膠層表面，其中輔助氣體包括He、Ne、Ar、N2、O2、空氣及其混合氣體。
步驟d)中，所述曝光后烘烤溫度的范圍為80℃至光刻膠的玻璃化溫度Tg，烘烤時(shí)間為20秒-200秒。所述曝光后烘烤是在真空環(huán)境下進(jìn)行的，其壓力為10-1.5-10-1mmHg。
以上步驟中所采用的烘烤方法包括熱板烘烤、加熱爐烘烤和代理烘烤(proxybaking)。
根據(jù)本發(fā)明的方法具有以下優(yōu)點(diǎn)1、只需在現(xiàn)有光刻技術(shù)中增加一個(gè)涂布光酸抑制劑和曝光后加熱的步驟，即可得到90nm以下臨界尺寸的光刻膠接觸孔圖案；2、不需要增加任何設(shè)備和材料，從而大大節(jié)省了成本；3、通過調(diào)節(jié)加熱時(shí)間和加熱溫度等條件，可以精確控制形成各種目標(biāo)臨界尺寸的光刻膠接觸孔圖案；和4、與現(xiàn)有的縮小光刻膠接觸孔尺寸的方法相比，根據(jù)本發(fā)明的方法更加簡(jiǎn)單并且更容易控制。


下文中將參照附圖對(duì)本發(fā)明的上述優(yōu)點(diǎn)和特征進(jìn)一步進(jìn)行說明。
圖1示出根據(jù)本發(fā)明方法利用HMDS處理來縮小光刻膠接觸孔圖案的各步驟示意圖。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明方法，采用HMDS作為光酸抑制劑，在不同烘烤時(shí)間后對(duì)所得光刻膠接觸孔圖案進(jìn)行顯影后檢查(ADI)的電子顯微鏡照片。
具體實(shí)施例方式
以下詳細(xì)說明本發(fā)明。
眾所周知，光刻膠是一種暫時(shí)涂布在晶片上的感光材料，和底片感光材料相似，受照射后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而將光掩模上的光學(xué)圖案轉(zhuǎn)印到晶片表面。在接觸孔圖案形成過程中，由于其對(duì)解析度要求很高，因此一般采用正光刻膠。該類光刻膠通常是通過感光劑而交聯(lián)的酚醛樹脂(Novolac)。曝光時(shí)，光子引發(fā)光刻膠中的光敏產(chǎn)酸物(PAG)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生質(zhì)子H+(光酸)，此質(zhì)子會(huì)與光刻膠反應(yīng)導(dǎo)致其交聯(lián)鍵斷裂而解交聯(lián)，使得曝光部分的光刻膠可被顯影劑所溶解，從而得到光刻膠圖案。
本發(fā)明人提出可以考慮利用光酸抑制劑如甲基硅氮烷類化合物來控制光刻膠中的質(zhì)子濃度分布從而縮小上述光化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域，由此實(shí)現(xiàn)接觸孔圖案的縮小。
在現(xiàn)有的光刻技術(shù)中已經(jīng)廣泛使用了甲基硅氮烷類化合物，例如HMDS，但是其用途是作為底材(primer)，即用于除去襯底上的水分和增強(qiáng)光刻膠與襯底之間的粘接。這是因?yàn)榧谆璧榛衔镆着c含有活潑氫的化合物如水發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)甲基硅氮烷化合物的甲基可與光刻膠發(fā)生反應(yīng)而增加粘接力。
但是，在本發(fā)明中使用甲基硅氮烷化合物是作為光酸抑制劑來控制光照產(chǎn)生的質(zhì)子與光刻膠之間的化學(xué)反應(yīng)，這與現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)甲基硅氮烷化合物的用途和工藝完全不同。
圖1示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的光刻膠接觸孔圖案臨界尺寸縮小的方法。
首先，如步驟1所示，在襯底上涂布光刻膠層，該光刻膠層的厚度可為500-10000nm。具體步驟是預(yù)先利用烘烤的方法除去襯底上的水分，隨后通過輔助氣體法涂布HMDS，所述輔助氣體法是指利用輔助氣體夾帶所述甲基硅氮烷化合物噴灑至襯底表面的方法，經(jīng)HMDS處理之后再利用旋轉(zhuǎn)涂布法涂覆光刻膠層，例如酚醛樹脂型光刻膠，接著對(duì)光刻膠層進(jìn)行預(yù)烘烤以除去光刻膠中的過量溶劑使光刻膠硬化并提高光刻膠與襯底間的附著力。
其次，如步驟2所示，利用光學(xué)掩模對(duì)光刻膠層進(jìn)行曝光，光刻膠中的光酸生成劑受光照后產(chǎn)生質(zhì)子。已知由于邊緣效應(yīng)，在圖案邊緣處的光強(qiáng)度要低于圖案中心部位的光強(qiáng)度，因此導(dǎo)致曝光后的光刻膠中的質(zhì)子濃度出現(xiàn)梯度分布，圖案中心大部分區(qū)域的H+濃度要遠(yuǎn)高于邊緣處的H+濃度。
接著，如步驟3所示，在曝光后的光刻膠層表面通過輔助氣體法噴灑預(yù)定量的HMDS(光酸抑制劑)，HMDS隨即與光刻膠中的質(zhì)子發(fā)生反應(yīng)形成HMDS酸化物，該反應(yīng)可由下式1表示。
HMDS+H+→HMDS-H+(式1)其中，所形成的HMDS-H+不再能夠與光刻膠反應(yīng)，從而抑制光刻膠的光降解過程。
作為選擇，也可以噴灑預(yù)定量的其它光酸抑制劑，例如DMDS、雙(N，N-二甲基氨基)甲基甲硅烷(C5H16N2Si)、雙(N，N-二甲基氨基)二甲基甲硅烷(C6H16N2Si)、二甲基甲硅烷基二甲基胺、二甲基甲硅烷基二乙基胺、三甲基甲硅烷基二甲基胺或三甲基甲硅烷基二乙基胺。上述光酸抑制劑均含有活潑氨基，易于與質(zhì)子反應(yīng)形成穩(wěn)定的酸化物，其反應(yīng)機(jī)理與HMDS類似。
利用輔助氣體夾帶氣態(tài)的所述光酸抑制劑，在真空環(huán)境下噴灑至光刻膠層表面來涂布所述光酸抑制劑，其中所述真空環(huán)境的壓力為10-1.5-10-1mmHg，所述輔助氣體可使用He、Ne、Ar、N2、O2、空氣或其混合氣體等。
最后，如步驟4所示，在曝光后烘烤過程結(jié)束之后，利用顯影劑如TMAH(氫氧化四甲基銨)進(jìn)行顯影過程，將光刻膠與質(zhì)子反應(yīng)而降解解交聯(lián)的部分光刻膠溶解掉，同時(shí)保留曝光區(qū)域中未充分降解解交聯(lián)的部分光刻膠，從而在光刻膠層上得到縮小的接觸孔圖案。
以下詳述光刻膠層上的接觸孔圖案縮小的機(jī)理。
由于光刻膠曝光區(qū)域中的質(zhì)子濃度在圖案中心大部分區(qū)域與邊緣區(qū)域之間存在濃度差異，而光酸抑制劑的涂布卻是均勻的，因此這就意味著當(dāng)光酸抑制劑向光刻膠中擴(kuò)散時(shí)，質(zhì)子濃度較低的邊緣區(qū)域中質(zhì)子將迅速與光酸抑制劑結(jié)合導(dǎo)致質(zhì)子不能充分與光刻膠反應(yīng)，使得所述邊緣區(qū)域的光刻膠雖然被曝光但卻不能被降解解交聯(lián)，而接觸孔圖案中心大部分區(qū)域由于質(zhì)子濃度較高，其質(zhì)子與光刻膠的反應(yīng)基本不受光酸抑制劑作用的影響，因此雖然曝光面積并未縮小，但是顯影劑所能溶解的曝光面積卻得以縮小，最終導(dǎo)致顯影后的光刻膠接觸孔圖案的面積縮小。
由于上述過程受光酸抑制劑的擴(kuò)散速度控制，而且通過調(diào)節(jié)曝光后烘烤過程的溫度和時(shí)間可以控制光酸抑制劑的擴(kuò)散速度，由此得以控制光刻膠接觸孔圖案的縮小程度。以下討論控制光刻膠接觸孔圖案縮小程度的具體方法。
引入如下定義當(dāng)曝光后不使用光酸抑制劑進(jìn)行處理時(shí)，定義其曝光后烘烤時(shí)間為T0；而在使用光酸抑制劑處理后進(jìn)行曝光后烘烤時(shí)，隨著烘烤時(shí)間的延長(zhǎng)，接觸孔圖案邊緣處的質(zhì)子逐漸被耗盡，且質(zhì)子耗盡區(qū)逐漸向中心區(qū)域擴(kuò)展，這段時(shí)間定義為T1；然而，當(dāng)烘烤時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)超過一定義為Tc的臨界時(shí)間點(diǎn)之后，質(zhì)子會(huì)重新擴(kuò)散至質(zhì)子已經(jīng)耗盡的區(qū)域，導(dǎo)致接觸孔圖案邊緣模糊，臨界尺寸反而擴(kuò)大，這一時(shí)間定義為T2。
顯然，上述各時(shí)間之間的關(guān)系為T0＞T1＞Tc＞T2，與之對(duì)應(yīng)的臨界尺寸之間的關(guān)系為CDc＜CD2＜CD1＜CD0。由于T2時(shí)間中接觸孔圖案邊緣會(huì)出現(xiàn)大量缺陷，對(duì)后續(xù)蝕刻步驟不利，因此，烘烤時(shí)間應(yīng)該控制不超過Tc。
由于光酸抑制劑和質(zhì)子酸的擴(kuò)散速度除了受烘烤時(shí)間控制之外，還受烘烤溫度的影響，并且眾所周知溫度越高則擴(kuò)散速度越快，因此，為了得到預(yù)定臨界尺寸的接觸孔圖案，當(dāng)烘烤溫度較高時(shí)，烘烤時(shí)間應(yīng)該適當(dāng)縮短，而烘烤溫度較低時(shí)，則應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)烘烤時(shí)間。
上述曝光后烘烤過程的條件一般為烘烤時(shí)間一般為20-200秒，烘烤溫度大于80℃但不超過光刻膠的玻璃化溫度Tg。這是因?yàn)槿绻婵緶囟雀哂诠饪棠z的玻璃化溫度Tg則光刻膠會(huì)發(fā)生流動(dòng)從而不能得到具有穩(wěn)定形狀的接觸孔圖案。上述條件可以根據(jù)所需的光刻膠接觸孔圖案臨界尺寸而進(jìn)行調(diào)整。
以上各烘烤步驟中可以采用的烘烤方法包括熱板烘烤、加熱爐烘烤和代理烘烤(proxy baking)。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明方法，采用HMDS作為光酸抑制劑，在不同烘烤時(shí)間后對(duì)所得光刻膠接觸孔圖案進(jìn)行顯影后檢查(ADI)的電子顯微鏡照片。
參考圖2，可見當(dāng)曝光后不采用HMDS處理時(shí)(T0)，光刻膠接觸孔圖案的臨界尺寸明顯較大；而曝光后在光刻膠表面涂布HMDS并經(jīng)烘烤處理36秒(T1)之后，接觸孔圖案的臨界尺寸明顯縮小，且圖案邊緣清晰適合用作后續(xù)蝕刻步驟的掩模；然而，曝光后在光刻膠表面涂布HMDS并經(jīng)烘烤處理60秒(T2)之后，接觸孔圖案的臨界尺寸反而增大，并且圖案邊緣出現(xiàn)大量缺陷，其不適合用于后續(xù)蝕刻步驟。因此，為了精確縮小光刻膠接觸孔圖案的臨界尺寸，必須設(shè)定最優(yōu)的烘烤時(shí)間和溫度。
上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)了采用根據(jù)本發(fā)明的方法可以簡(jiǎn)單、方便且有效地獲得臨界尺寸縮小的光刻膠接觸孔圖案，而不需要增加任何設(shè)備或材料。
雖然根據(jù)特定優(yōu)選實(shí)施方案描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明并不受其限制，很明顯本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍的情況下，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種更改和變化。
權(quán)利要求
1.一種縮小光刻膠接觸孔圖案的臨界尺寸的方法，該方法包括以下步驟a)在襯底上涂覆光刻膠，形成光刻膠層；b)利用具有預(yù)定圖案的掩模對(duì)光刻膠層進(jìn)行曝光；c)在曝光后的光刻膠層上涂布光酸抑制劑；d)對(duì)涂布有光酸抑制劑的光刻膠層進(jìn)行曝光后烘烤；和e)利用顯影劑對(duì)經(jīng)上述處理的光刻膠層進(jìn)行顯影，得到臨界尺寸縮小的接觸孔圖案。
2.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，步驟a)還包括采用預(yù)烘烤方法除去襯底上的水分的步驟。
3.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，步驟a)還包括在干燥襯底上涂覆甲基硅氮烷化合物底材的步驟。
4.權(quán)利要求3的方法，其特征在于，步驟a)中所涂覆的甲基硅氮烷化合物底材是六甲基二硅氮烷HMDS。
5.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，步驟a)還包括預(yù)烘烤所涂覆的光刻膠層，以除去光刻膠中的溶劑的步驟。
6.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，步驟a)中涂覆光刻膠層的方法包括旋轉(zhuǎn)涂布法和氣體輔助法。
7.權(quán)利要求6的方法，其特征在于，步驟a)中所涂覆的光刻膠層厚度為500-10000nm。
8.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，步驟a)中的光刻膠層包括酚醛樹脂。
9.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，步驟b)中所述曝光過程所采用的光源波長(zhǎng)為400nm-190nm。
10.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，步驟b)中所述的掩模包括雙密度掩模BIM、移相掩模PSM和單元投影掩模CPM。
11.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，步驟c)中所述的光酸抑制劑是甲基硅氮烷化合物，包括六甲基二硅氮烷HMDS、雙(N，N-二甲基氨基)甲基甲硅烷、雙(N，N-二甲基氨基)二甲基甲硅烷、二甲基甲硅烷基二甲基胺、二甲基甲硅烷基二乙基胺、三甲基甲硅烷基二甲基胺、三甲基甲硅烷基二乙基胺和N，N-二甲基氨基五甲基二硅烷DMDS。
12.權(quán)利要求11的方法，其特征在于，在步驟c)中利用輔助氣體夾帶所述光酸抑制劑噴灑至光刻膠層表面而將所述光酸抑制劑涂布在所述光刻膠層表面。
13.權(quán)利要求12的方法，其特征在于，步驟c)中的所述輔助氣體包括He、Ne、Ar、N2、O2、空氣及其混合氣體。
14.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，步驟d)中的曝光后烘烤溫度范圍為80℃至光刻膠的玻璃化溫度Tg，烘烤時(shí)間為20秒-200秒。
15.權(quán)利要求14的方法，其特征在于，所述曝光后烘烤是在真空環(huán)境下進(jìn)行的，所述真空環(huán)境的壓力為10-1.5-10-1mmHg。
16.權(quán)利要求1或2或5的方法，其特征在于，所述的烘烤方法包括熱板烘烤、加熱爐烘烤和代理烘烤。
17.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，根據(jù)該方法得到的光刻膠接觸孔圖案的臨界尺寸達(dá)到90nm或以下。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在半導(dǎo)體器件的光刻過程中縮小用于形成接觸孔的光刻膠圖案的臨界尺寸，從而允許得到臨界尺寸在90nm以下的接觸孔圖案的方法。所述方法包括a)在襯底上涂覆光刻膠，形成光刻膠層；b)利用具有預(yù)定圖案的掩模對(duì)光刻膠層進(jìn)行曝光；c)在曝光后的光刻膠層上涂布光酸抑制劑；d)對(duì)涂布有光酸抑制劑的光刻膠層進(jìn)行曝光后烘烤；和e)利用顯影劑對(duì)經(jīng)上述處理的光刻膠層進(jìn)行顯影，得到臨界尺寸縮小的接觸孔圖案。
文檔編號(hào)G03F1/38GK101042536SQ200610024870
公開日2007年9月26日 申請(qǐng)日期2006年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月20日
發(fā)明者崔彰日 申請(qǐng)人:中芯國(guó)際集成電路制造(上海)有限公司