專利名稱：多臺階器件結(jié)構(gòu)底層表面的光刻方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光刻技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種平面光刻工藝在小尺寸圖形制作中的優(yōu)化方法，可用于在深臺階底部制作細(xì)線條圖形，適用于小尺寸圖形多臺階器件結(jié)構(gòu)的圖形制作。
背景技術(shù)：
光刻是半導(dǎo)體器件制作過程中出現(xiàn)最多的工藝步驟，光刻質(zhì)量和精度直接影響后續(xù)工藝的質(zhì)量和精度。光刻按照曝光方式可將曝光分為接觸式、接近式和投影式。接觸式光刻機(jī)光刻廣泛應(yīng)用于微米、亞微米量級半導(dǎo)體器件制作工藝中，一般在原始襯底或者臺階較小的襯底(臺階小于幾個(gè)微米)上進(jìn)行，涂膠多采用薄膠，膠厚在Iu nT3 范圍內(nèi)。在許多微電子、光電子器件的制備過程中，往往需要在深臺階底部制作圖形，經(jīng)過多步光刻及多次刻蝕才能達(dá)到所需的多臺階器件結(jié)構(gòu)的工藝要求，比如多臺面型柵結(jié)構(gòu)的HEMT器件的制備、多臺面的金屬爬坡工藝等。 在器件的制備工藝過程中，具有多臺階結(jié)構(gòu)的深層表面光刻工藝存在許多問題，主要包含以下幾種1)臺階底部堆積光刻膠。在具有多臺階結(jié)構(gòu)的表面涂覆光刻膠時(shí)，由于受到臺階的阻擋作用，臺階底部的光刻膠厚度大于臺階表面的光刻膠厚度；2)曝光誤差。在臺階底部制作圖形時(shí)，曝光聚焦失準(zhǔn)和邊緣衍射效應(yīng)會導(dǎo)致圖形的線條尺寸發(fā)生偏差且線條質(zhì)量下降，尤其在制作窄線條圖形時(shí)，臺階底部易曝光不足；3)臺階表面及底部難以同時(shí)得到高質(zhì)量圖形。相對于臺階表面，臺階底部堆積了大量的光刻膠。因此，為了在臺階底部制作出質(zhì)量較好的圖形，光刻臺階底部圖形時(shí)需要更長的曝光時(shí)間和顯影時(shí)間。與此同時(shí)，同一光線強(qiáng)度下臺階表面及臺階底部的曝光效果存在顯著差異。增加曝光、顯影時(shí)間會導(dǎo)致臺階表面光刻膠過度曝光及顯影，損傷光刻膠并影響表面圖形的完整性，增加了同時(shí)在臺階表面及臺階底部制作圖形的難度；4)金屬爬坡工藝較難實(shí)現(xiàn)。由于深臺階側(cè)壁及底部難做出高質(zhì)量圖形，會造成金屬腐蝕不充分進(jìn)而使得側(cè)壁無法絕緣，增加了金屬爬坡工藝的難度。目前深臺階光刻工藝主要采用噴膠光刻。對于帶有深臺階結(jié)構(gòu)的襯底，噴膠均勻性較好，可以通過多次噴膠來完全覆蓋住帶刻蝕的襯底。噴膠多用來保護(hù)側(cè)壁，在臺階底部進(jìn)行大尺寸圖形、低線條精度的光刻。但是對于高深寬比的臺階(幾個(gè)微米寬)，噴膠工藝無法進(jìn)行光刻。首先，噴膠液滴直徑約為幾至幾十微米，在高深寬比的臺階上噴膠，深臺階底部堆膠現(xiàn)象非常嚴(yán)重；其次，由于光刻膠厚度的不均勻?qū)е缕毓饬侩y于控制，容易產(chǎn)生局部的曝光過量或曝光不足；另外，高深寬比臺階底部的光刻膠難于顯影且易導(dǎo)致光刻失敗。因此噴膠光刻無法實(shí)現(xiàn)高深寬比的深臺階襯底上的精確光刻，只適用于帶有淺臺階結(jié)構(gòu)的襯底上的大尺寸圖形、低精度線條的光刻。在深臺階底部制作圖形，同樣可以使用基于多種薄膜材料的多層掩膜工藝，用多次薄膠光刻和薄膜材料的刻蝕制作多層掩膜圖形，進(jìn)而有效的避免坑底堆膠、光刻對準(zhǔn)和曝光誤差等問題，制作出細(xì)線條圖形。多層掩膜工藝的充分利用了薄膠光刻和薄膜工藝的優(yōu)點(diǎn)，用氧化、低壓化學(xué)氣相沉積(lowpressure chemical vapor deposition, LPCVD)、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(plasma-enhancedchemical vapor deposition, PECVD)等方法生長出多種薄膜，在刻蝕材料之前用多次薄膠光刻、薄膜刻蝕在襯底表面制作出多層掩膜圖形。每層掩膜可以進(jìn)行一次材料刻蝕或其他工藝，之后去除該掩膜層，用下一層掩膜進(jìn)行材料的刻蝕或其他工藝，依次進(jìn)行直至完成對襯底硅的刻蝕和加工。該工藝在制作多層掩膜后就無需涂膠光刻對準(zhǔn)，所以不存在上面提到的深坑涂膠光刻問題，通過多層掩膜工藝出復(fù)雜且精細(xì)的結(jié)構(gòu)。多掩膜工藝的優(yōu)點(diǎn)是涂膠速度快、光刻線條質(zhì)量好且可以在任何尺寸的臺階上進(jìn)行光刻，但是增加了工藝步驟和工藝復(fù)雜性，并沒有完全解決深臺階底部光刻工藝的問題
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決深臺階底部光刻技術(shù)存在的問題，將傳統(tǒng)的平面光刻工藝技術(shù)進(jìn)行改良以適合多臺階表面結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，提供一種在深臺階底部制作高質(zhì)量圖形的工藝方法，用于金屬爬坡等多臺階器件結(jié)構(gòu)的制備。本發(fā)明采用SEM (掃描電子顯微鏡)觀察涂覆光刻膠樣品的剖面，測量臺階表面及底部的光刻膠厚度。使用光度分光計(jì)及數(shù)據(jù)擬合方法做出臺階底部光刻膠在不同曝光時(shí)間下的透過率曲線，找出光刻膠完全曝光所需時(shí)間，最終完成對工藝條件的優(yōu)化。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的多臺階器件結(jié)構(gòu)底層表面的光刻工藝方法，具體包括以下步驟(I)在具有多臺階結(jié)構(gòu)的晶圓片表面涂覆一層光刻膠；(2)用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察涂覆光刻膠后的具有多臺階表面的樣品剖面，并對臺階表面及臺階底部的光刻膠厚度進(jìn)行測量；(3)使用光度分光計(jì)測量與臺階底部光刻膠一樣厚度的光刻膠在不同曝光時(shí)間內(nèi)的透過率，取光度分光計(jì)的波長與光刻機(jī)曝光用紫外燈的波長一樣；如將光刻膠涂覆到玻璃上今夕透光率測試。(4)將步驟(3)所得的透過率與時(shí)間的關(guān)系數(shù)值擬合得到與臺階底部光刻膠厚度一致的光刻膠在不同曝光時(shí)間內(nèi)的透過率曲線，找出透過率趨于不變的拐點(diǎn)時(shí)間；(5)取根據(jù)透過率曲線得到的拐點(diǎn)時(shí)間作為在臺階底部完成圖形制作的工藝曝光時(shí)間，進(jìn)行光刻。上述所述的深層表面或臺階底部均可指多臺階器件的不同臺階的底面，尤其指多臺階器件的最底層面，臺階底面甚至為幾個(gè)微米寬，制備的圖形線條同樣是小于臺階底面寬度的微米級。上述的多臺階器件結(jié)構(gòu)深層表面的光刻工藝方法，所說的多臺階結(jié)構(gòu)為使用濕法腐蝕或干法刻蝕的方法在晶圓片表面制作的相同或不同深度的多個(gè)臺階。上述的多臺階器件結(jié)構(gòu)深層表面的光刻工藝方法，所應(yīng)用的條件為圖形線寬較小，使用臺階儀無法滿足測量要求，如不超過10個(gè)微米級甚至納米級的；同時(shí)使用SEM (掃描電子顯微鏡)剖面測量方法能夠同時(shí)得到臺階底部與臺階表面沉積的光刻膠厚度。上述的多臺階器件結(jié)構(gòu)深層表面的光刻工藝方法，所得到的不同曝光時(shí)間下的透過率曲線是通過分光光度計(jì)得到的，取分光光度計(jì)測量范圍內(nèi)與光刻機(jī)曝光所用的紫外燈波長一致時(shí)的光強(qiáng)透過率值，至少每刻一層臺階底面，進(jìn)行一層SEM掃描、測量、透過率曲線擬合的步驟。上述的多臺階器件結(jié)構(gòu)深層表面的光刻工藝方法，光刻膠光強(qiáng)透過率變化趨勢為，隨著時(shí)間的增加，光刻膠的光強(qiáng)透過率逐漸增大并趨于不變；透過率趨于不變的拐點(diǎn)時(shí)間即為光刻膠完全曝光所需時(shí)間。上述的多臺階器件結(jié)構(gòu)深層表面的光刻工藝方法，所得到的臺階底部的光刻膠所需的完全曝光時(shí)間與晶圓片表面情況有關(guān)；在曝光過程中，入射光線易在晶圓片表面發(fā)生反射導(dǎo)致完全曝光時(shí)間減小，這一現(xiàn)象在臺階底部的表面有金屬層的晶圓片曝光過程中更為明顯。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的優(yōu)點(diǎn)I、本發(fā)明通過利用SEM及光度分光計(jì)的技術(shù)方法，結(jié)合數(shù)據(jù)擬合的方法，測量出深臺階底部沉積的光刻膠厚度，克服了臺階底部堆積光刻膠所造成影響的情況，并針對該現(xiàn)象找出了能夠在深臺階底部制作高質(zhì)量圖形的工藝條件。2、本發(fā)明使得接觸式光刻工藝能夠用在尺寸較小的圖形制備過程中，通過簡單的材料表征及分光計(jì)實(shí)驗(yàn)即可獲得準(zhǔn)確的完全曝光時(shí)間，簡單有效，適用于工業(yè)化生產(chǎn)中各種多臺階器件結(jié)構(gòu)的光刻工藝。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例中不同臺階高度時(shí)臺階表面及底部光刻膠厚度的實(shí)驗(yàn)步驟示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例中圖I (C)涂覆光刻膠后樣品的剖面SEM圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例中圖I (f)涂覆光刻膠后樣品的剖面SEM圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例中圖I (i)涂覆光刻膠后樣品的剖面SEM圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施例中步驟(b )中臺階高度2. 2 ii m、線寬為4 ii m時(shí)，曝光時(shí)間35s下臺階底部制作出的圖像； 圖6是本發(fā)明實(shí)施例中步驟(b )中臺階高度2. 2 ii m、線寬為4 ii m時(shí)，曝光時(shí)間40s下臺階底部制作出的圖像；圖7是本發(fā)明實(shí)施例中步驟(b )中臺階高度2. 2 ii m、線寬為4 ii m時(shí)，曝光時(shí)間45s下臺階底部制作出的圖像；圖8是本發(fā)明實(shí)施例中光刻膠厚度為2. 2 iim時(shí)不同曝光時(shí)間下光刻膠透射率曲線.圖9是本發(fā)明實(shí)施例步驟(h)中臺階高度3. 7 ii m、線寬為2 ii m時(shí)，曝光時(shí)間45s下臺階底部制作出的圖像；圖10是本發(fā)明實(shí)施例步驟(h)中臺階高度3. 7iim、線寬為2iim時(shí)，曝光時(shí)間50s下臺階底部制作出的圖像；圖11是本發(fā)明實(shí)施例步驟(h)中臺階高度3. 7iim、線寬為2iim時(shí)，曝光時(shí)間55s下臺階底部制作出的圖像。
具體實(shí)施例方式本實(shí)施例只是按照實(shí)際情況的步驟來采用本發(fā)明的方法來制備圖形，從而可以證明本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，但本發(fā)明并不限于以下類似的實(shí)施例。實(shí)施例參照圖1，它是本發(fā)明實(shí)驗(yàn)例中測量不同臺階高度時(shí)臺階表面及底部光刻膠厚度的示意圖，從該圖能夠清楚地看出所采用的本發(fā)明的方法?，F(xiàn)結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)步驟及后續(xù)試驗(yàn)說明本發(fā)明的
具體實(shí)施例方式I.在未經(jīng)刻蝕的GaAs晶圓片表面制作圖形。使用勻膠機(jī)旋轉(zhuǎn)涂覆光刻膠，所使 用的膠型為S9912，轉(zhuǎn)速為4500轉(zhuǎn)/min。使用接觸式光刻機(jī)MV-6制作圖形并曝光顯影，使用烘箱對晶圓片進(jìn)行前烘及后烘，前烘溫度107°C，前烘時(shí)間8min，后烘溫度107°C，后烘時(shí)間20min。所制作的第一個(gè)臺階圖形的線寬為6 y m,圖2為該步驟后制作的GaAs樣品剖面SEM 圖；2.第一個(gè)臺階制備。使用ICP(電感耦合等離子體)干法刻蝕技術(shù)刻蝕第一個(gè)臺階，刻蝕條件為 SiCl4 flow 5sccm, Ar flow 15sccm, Press 2mT, ICP power 350W, RF power60W，基底溫度為20°C，GaAs材料的刻蝕選擇比為19. 3，刻蝕速度為7800 SdOOA/min, ICP刻蝕時(shí)間為170s ；3.在具有一個(gè)臺階的GaAs晶圓片表面制作圖形。使用與上述相同的旋轉(zhuǎn)勻膠參數(shù)在已刻蝕的臺階表面涂覆光刻膠，曝光顯影并制作圖形，所制作的第二個(gè)臺階圖形線寬為4 ii m，圖3為該步驟后制作的GaAs樣品剖面SEM圖；4.第二個(gè)臺階制備。使用與上述相同的ICP刻蝕參數(shù)刻蝕第二個(gè)臺階，刻蝕時(shí)間為 250s ；5.在具有兩個(gè)臺階的GaAs晶圓片表面制作圖形。使用與上述相同的旋轉(zhuǎn)勻膠參數(shù)在已刻蝕的臺階表面涂覆光刻膠，曝光顯影并制作圖形，所制作的第二個(gè)臺階圖形線寬為2 ii m，圖4為該步驟后制作的GaAs樣品剖面SEM圖；6.第三個(gè)臺階制備。使用與上述相同的ICP刻蝕參數(shù)刻蝕第二個(gè)臺階，刻蝕時(shí)間為 IOOs ；7.在具有三個(gè)臺階的GaAs晶圓片表面涂覆光刻膠。使用與上述相同的旋轉(zhuǎn)勻膠參數(shù)在已刻蝕的臺階表面涂覆光刻膠；進(jìn)行SEM剖面測量。將晶圓片解離，在樣品的剖面上選取三個(gè)位置，每一個(gè)位置附近選取3個(gè)以上微觀區(qū)域拍攝SEM圖片。所使用的樣品分別為已刻蝕一個(gè)臺階涂覆光刻膠樣品，刻蝕兩個(gè)臺階并涂覆光刻膠樣品和刻蝕三個(gè)臺階并涂覆光刻膠樣品。先使用較低的放大倍數(shù)拍照，再每增大倍數(shù)對樣品剖面進(jìn)行拍照，直至可以清晰的看到涂覆光刻膠后的臺階形貌。分別測量三種樣品臺階表面及臺階底部的光刻膠厚度，使用三點(diǎn)取平均的方式處理數(shù)據(jù)。通過上述實(shí)驗(yàn)步驟可得到刻蝕一個(gè)臺階并涂覆光刻膠后樣品臺階高度為
2.I u m，臺階表面光刻膠厚度為0. 7 ii m，臺階底部光刻膠厚度為I. 7 y m，沒經(jīng)過具體測試曝光時(shí)間所刻蝕的圖形見圖5、6和7 ;刻蝕兩個(gè)臺階并涂覆光刻膠后，按照本發(fā)明的方法先采用SEM掃描，測量樣品臺階高度為3. 7 ii m，臺階表面光刻膠厚度為0. 7 y m，臺階底部光刻膠厚度為2 y m，然后在玻璃上涂覆同樣的2 y m的光刻膠采用分光光度計(jì)進(jìn)行透光率測試，分光光度計(jì)采用的波長與接觸式光刻機(jī)MV-6光刻時(shí)的波長，見圖8 ;刻蝕兩個(gè)臺階并涂覆光刻膠后樣品臺階高度為5. 4 u m，臺階表面光刻膠厚度為0. 7 u m，臺階底部光刻膠厚度為3 u m ；使用光度分光計(jì)做出曝光波長下不同曝光時(shí)間的光強(qiáng)透過率曲線。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使用U-4100光度分光計(jì)測量在一定波長范圍內(nèi)2 厚度光刻膠在不同曝光時(shí)間下的光強(qiáng)透過率曲線。取紫外燈的波長即370nm下光刻膠的透射率，使用Orign軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，所做出曲線如圖8所示。透射率最大值點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)間即為2 u m厚的光刻膠完全曝光所需時(shí)間，本試驗(yàn)中得到的完全曝光時(shí)間為60s。這一方法應(yīng)用的原理是在一定波長下，光刻的吸收系數(shù)與光強(qiáng)投射率成反比。在曝光過程中，光刻膠的吸收系數(shù)逐漸減小，當(dāng)光刻膠完全曝光時(shí)，光刻膠吸收系數(shù)為最小值，即透射率達(dá)到最大；曝光時(shí)間繼續(xù)增加時(shí)，光刻膠吸收系數(shù)保持不變，光強(qiáng)透射率也保持不變。對工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。使用與上述相同的旋轉(zhuǎn)涂覆光刻膠參數(shù)和前烘、后烘條件在具有已刻蝕3. 7 iim深臺階的表面制作圖形，圖9是曝光時(shí)間分別為45s時(shí)在臺階底部制 作圖形的光刻圖案，圖10是曝光時(shí)間分別為50s時(shí)在臺階底部制作圖形的光刻圖案，圖11是曝光時(shí)間分別為55s時(shí)在臺階底部制作圖形的光刻圖案。從圖中可以看出，曝光時(shí)間為50s時(shí)制作的線條清晰完整；曝光時(shí)間為55s時(shí)光刻膠過度顯影使得表面圖形輕度缺失。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，選擇曝光時(shí)間為50s制作圖形。
權(quán)利要求
1.多臺階器件結(jié)構(gòu)底層表面的光刻方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)在具有多臺階結(jié)構(gòu)的晶圓片表面涂覆一層光刻膠； (2)用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察涂覆光刻膠后的具有多臺階表面的樣品剖面，并對臺階底部的光刻膠厚度進(jìn)行測量； (3)將與臺階底部光刻膠一樣厚度的光刻膠涂覆到玻璃上進(jìn)行透光率測試，使用光度分光計(jì)測量該厚度的光刻膠在不同曝光時(shí)間內(nèi)的透過率，取光度分光計(jì)的波長與光刻機(jī)曝光用紫外燈的波長一致； (4)將步驟(3)所得的透過率與時(shí)間的關(guān)系數(shù)值擬合得到與臺階底部光刻膠厚度一致的光刻膠在不同曝光時(shí)間內(nèi)的透過率曲線，找出透過率趨于不變的拐點(diǎn)時(shí)間； (5)取根據(jù)透過率曲線得到的拐點(diǎn)時(shí)間作為在臺階底部完成圖形制作的工藝曝光時(shí)間，進(jìn)行光刻。
2.按照權(quán)利要求I的方法，其特征在于，所述的深層表面或臺階底部均指多臺階器件的不同臺階的底面。
3.按照權(quán)利要求I的方法，其特征在于，所述的深層表面或臺階底部均指多臺階器件的最底層面，臺階底面為幾個(gè)微米寬，制備的圖形線條同樣是小于臺階底面寬度的微米級。
4.按照權(quán)利要求I的方法，其特征在于，所述的多臺階器件結(jié)構(gòu)底層表面為金屬時(shí)，步驟(5 )的曝光時(shí)間小于步驟(4 )所確定的拐點(diǎn)時(shí)間。
全文摘要
多臺階器件結(jié)構(gòu)底層表面的光刻方法，屬于光刻技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明采用SEM觀察涂覆光刻膠樣品的剖面，測量臺階底部的光刻膠厚度。使用光度分光計(jì)及數(shù)據(jù)擬合方法做出臺階底部光刻膠在不同曝光時(shí)間下的透過率曲線，找出光刻膠完全曝光所需時(shí)間，最終完成對工藝條件的優(yōu)化。本發(fā)明克服了臺階底部堆積光刻膠的情況，通過簡單的材料表征及分光計(jì)實(shí)驗(yàn)即可獲得準(zhǔn)確的完全曝光時(shí)間，簡單有效，適用于工業(yè)化生產(chǎn)中各種多臺階器件結(jié)構(gòu)的光刻工藝。
文檔編號G03F7/00GK102707568SQ20121018861
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月8日
發(fā)明者吳文榮, 孫麗媛, 張露, 鄒德恕, 高志遠(yuǎn) 申請人:北京工業(yè)大學(xué)