專利名稱：改善光刻膠耐刻蝕性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開內(nèi)容涉及集成電路制造領(lǐng)域中的光刻工藝，更具體而言，是涉及改善用于這種光刻法的光刻膠耐刻蝕性的方法。
光刻法是制造用于計(jì)算機(jī)和其他這類應(yīng)用的集成電路中一種通常使用的技術(shù)。光刻工藝中，在底材，例如硅片上形成光刻膠層。然后光刻膠用含有打算刻到底材上的具有透明和不透明區(qū)域圖樣的掩模掩蓋。將蓋上掩模的光刻膠層對(duì)光化輻射線如紫外光(UV)、X射線、電子束等等曝光，這類射線透過掩模上的透明區(qū)，使相應(yīng)區(qū)域的光刻膠起化學(xué)反應(yīng)。對(duì)于負(fù)型光刻膠而言，光刻膠的射線接觸區(qū)會(huì)變得在顯影溶劑中不溶解。例如，輻射可引發(fā)交聯(lián)、鏈生長(zhǎng)、光縮合或其他這樣的反應(yīng)，引起光刻膠的化學(xué)變化。對(duì)于正型光刻膠而言，射線接觸區(qū)會(huì)變得較易溶于顯影溶劑。例如，輻射可引起光刻膠分子結(jié)構(gòu)的光降解。在輻射曝光后，光刻膠暴露于顯影溶劑中顯影，溶劑洗去了光刻膠的可溶部分，留下了圖樣。在形成圖樣這一步之后，進(jìn)行刻蝕工藝，其中將底材暴露于酸中，如濕刻蝕工藝，或暴露于離子束中，如干刻蝕工藝。被留下的光刻膠所復(fù)蓋的底材區(qū)域保持不被刻蝕。最后，留下的光刻膠用合適的溶劑或其他通常的脫除方法除去，留下其中刻有圖樣的底材。
為了開發(fā)更強(qiáng)有力的微處理器，必須將更多的電子元件置入芯片中。因?yàn)樾酒奈锢砻娣e是有限的，這就意味著，隨著線路可分辨性趨于更高，刻蝕進(jìn)底材的圖樣必須更精細(xì)。在現(xiàn)在的工藝狀況下，圖樣是如此的精細(xì)，以致用于使光刻膠曝光的光的波長(zhǎng)成為一個(gè)重要的因素，波長(zhǎng)越短的光會(huì)產(chǎn)生更高分辨率的圖像。
另外一個(gè)因素是光刻膠層的厚度。光刻膠層越薄，影像越清晰。然而，當(dāng)光刻膠層變得越薄時(shí)，就越難以經(jīng)受刻蝕加工。
本文為產(chǎn)生一種光刻法結(jié)構(gòu)提供方法。此法包括(a)提供含基本樹脂和響應(yīng)光化輻射的光活性組分的光刻膠，此樹脂含有被保護(hù)的活性部位，在脫去保護(hù)后便提供反應(yīng)活性部位；(b)將光刻膠涂布到底材上；(c)用所說電磁輻射有效劑量，選擇性地將所說的光刻膠圖樣區(qū)域曝光；(d)將所說的光刻膠暴露于顯影劑中產(chǎn)生有圖樣的光刻膠；然后(e)將基本樹脂的被保護(hù)活性部位脫去保護(hù)，以提供反應(yīng)活性部位；然后(f)由步驟(e)中產(chǎn)生的反應(yīng)活性部位與含有甲硅烷基化劑的刻蝕保護(hù)劑反應(yīng)，將此刻蝕保護(hù)劑結(jié)合入基本樹脂的結(jié)構(gòu)；以及(g)刻蝕底材。
本文描述的方法有利于改善光刻膠的耐刻蝕性，同時(shí)保持了光刻膠對(duì)形成圖樣的射線的敏感度。
本文在下文所述的各種實(shí)施方案中，參照此處的圖

圖1說明按本文公開內(nèi)容的方法執(zhí)行一個(gè)步驟之后、某一結(jié)構(gòu)的橫截面視圖；圖2說明按本文公開內(nèi)容的方法執(zhí)行又一步驟之后所述結(jié)構(gòu)的橫截面視圖；圖3說明按本文公開內(nèi)容的方法執(zhí)行又一步驟之后所述結(jié)構(gòu)的橫截面視圖；以及圖4說明按本文公開內(nèi)容的方法執(zhí)行又一步驟之后所述結(jié)構(gòu)的橫截面視圖；本文描述的耐刻蝕的光刻膠體系包括能很好構(gòu)造并對(duì)波長(zhǎng)小于2500的電磁輻射有響應(yīng)的一種光刻膠。一種刻蝕保護(hù)劑用于與顯影后的光刻膠反應(yīng)以增加其耐刻蝕性。
更具體說，光刻膠可以是正性或負(fù)性的光刻膠。光刻膠包括一種基本樹脂和一種光活性組分(即光致產(chǎn)酸劑)，通常以基本樹脂與光活性組分在一合適溶劑中的溶液形式提供。光刻膠以光化射線(例如UV輻射、X射線或電子束輻射)通過掩模成像曝光，其光刻膠的曝光區(qū)的光致產(chǎn)酸劑便釋出酸。負(fù)性光刻膠其曝光區(qū)在顯影溶劑中變得較難溶解，例如通過基本樹脂聚合物鏈的交聯(lián)。正性光刻膠其曝光區(qū)變得較易溶解，例如通過降解或在分子鏈上形成較易溶解的基團(tuán)。芳族基團(tuán)傾向于阻擋UV輻射透過，特別是較短波長(zhǎng)的UV光。因此，為了使用2000～2500的UV射線，基本樹脂應(yīng)降低芳族基團(tuán)量，按芳族成分含量的重量計(jì)，范圍為0％至20％左右。為了使用波長(zhǎng)短于2000的UV射線，光刻膠中的基本樹脂應(yīng)當(dāng)基本上不含芳族基團(tuán)。
基本樹脂包含活性部位，或基團(tuán)，它們開始被保護(hù)基團(tuán)保護(hù)，在加工的后一步驟，即脫保護(hù)步驟中脫除保護(hù)基團(tuán)，提供反應(yīng)活性基團(tuán)。有用的反應(yīng)活性基團(tuán)包括羥基(-OH)、羧基(-COOH)、巰基(-SR)、氨基(-NH2)、烷基氨基(-NHR)、亞氨基(-NH-)、甲?；?-CHO)、磺基(-SO3H)和膦?；?-P(O)(OH)2)。優(yōu)選羥基和羧基?；钚圆课豢梢杂镁哂斜Ｗo(hù)基團(tuán)的適當(dāng)阻隔劑來(lái)保護(hù)。合適的保護(hù)基團(tuán)例如包括芐氧基羰基、三氟乙酰基、芐基酯、叔丁基酯、N-羥基琥珀酰亞胺酯等等。對(duì)本文所描述的方法，優(yōu)選的阻隔劑包括叔丁氧基羰基(t-BOC)。
舉例子來(lái)說，正性或負(fù)性光刻膠的基本樹脂可以選自聚羥基苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸叔丁酯、聚乙烯醇、聚乙烯基酚、聚降冰片烯、聚(對(duì)-甲?；?氧苯乙烯、聚(叔丁氧基羰基氧苯乙烯)、聚乙烯吡咯烷酮、聚甲基異戊二烯基酮、酚-甲醛聚合物、三聚氰胺-甲醛聚合物，以及這些樹脂的共聚物、摻合物和衍生物。商業(yè)上作為正性光刻膠示范的例子包括由日本JSR公司出售的M20G，以及由Shipley公司出售的UV2HS。市售負(fù)性光刻膠的一個(gè)例子是Shipley公司的DV30N。
光活性組分包括光致產(chǎn)酸劑，如二芳基碘鎓鹽、三芳基锍鹽和取代的芳基重氮鹽，這些鹽具有抗衡離子，如四氟硼酸根、六氟銻酸根、六氟砷酸根和六氟磷酸根。其他的光致產(chǎn)酸劑是鹵代甲烷類、三氯三嗪、β-萘酚、硝基苯甲醛和聚氯乙烯。光刻膠可以包括另外的通常用于抗蝕劑制劑的一些物質(zhì)。這些另外的物質(zhì)可能包括，例如其它的聚合物、敏化劑、交聯(lián)劑、增速劑、增彈性劑、增強(qiáng)粘合劑、耐熱性增強(qiáng)劑和表面活性劑。這些組分是本領(lǐng)域熟知的。敏化劑的例子是重氮醌如萘醌-(1，2)-二疊氮磺酸酯，具體是重氮萘醌的5-磺酸酯。調(diào)配的光刻膠和光刻膠組分可從供應(yīng)商處購(gòu)得。
光化輻射優(yōu)選使用短波紫外光，波長(zhǎng)約2480，更優(yōu)選波長(zhǎng)小于2000左右(例如1930UV)的紫外光。X射線(波長(zhǎng)約100以下)和電子束輻射也可用。
本發(fā)明的方法按下列步驟進(jìn)行。
按通常的方式將光刻膠涂布到一種底材，如硅上。通常是將光刻膠溶液涂到硅片上，然后旋轉(zhuǎn)使光刻膠以均勻?qū)用娣植紡?fù)蓋于硅片上。然后溫和加熱該光刻膠至約100℃以驅(qū)除溶劑。光刻膠層的優(yōu)選厚度不超過約1微米，優(yōu)選不超過約0.8微米，更優(yōu)選不超過約0.5微米，最優(yōu)選不超過約0.3微米。圖1說明光刻膠層2沉積在硅片底材1上。
然后光刻膠如下述形成圖樣。首先，給光刻膠加上掩模。掩?？砂€條和其他圖形，分辨率小于1.0微米，優(yōu)選小于0.5微米，更優(yōu)選小于0.3微米。然后將該光刻膠通過掩模圖樣對(duì)電磁輻射以足夠的輻射劑量水平曝光，典型地是約50到約200mJ/cm2。下一步，將光刻膠暴露于顯影劑中而形成圖樣。一種合適的顯影溶液的例子是顯影劑AZ 400K(由Hoechst AG購(gòu)得)和氨的水溶液。然后，該光刻膠在溫和加熱下干燥。
顯影后，作成圖樣的光刻膠經(jīng)過脫去保護(hù)這一步以暴露基本樹脂的活性部位，以便與刻蝕保護(hù)劑反應(yīng)。脫去保護(hù)是通過將有圖樣的光刻膠對(duì)深紫外輻射(低于2500)的浣光曝光，隨之熱處理或烘焙而完成的。UV的劑量可以是例如約20mJ/cm2至約50mJ/cm2，雖然被認(rèn)為合適的其他劑量也可以使用。在深紫外線照射下，酸由組合物中的光致產(chǎn)酸組分產(chǎn)生。然后在暴露的活性基團(tuán)(如羥基、羧基等)熱處理過程中酸使基本樹脂脫去保護(hù)。于是暴露的活性基團(tuán)變?yōu)榭梢耘c刻蝕保護(hù)劑反應(yīng)，而后者與活性基團(tuán)反應(yīng)之后，便以化學(xué)方式結(jié)合入基本樹脂的聚合物結(jié)構(gòu)之中。實(shí)現(xiàn)脫去保護(hù)的熱活化作用在約100℃至約150℃的溫度下進(jìn)行，其持續(xù)時(shí)間為約1分鐘至約5分鐘。圖2表示在加工的這一步驟形成圖樣的光刻膠，具有底材1上的圖樣結(jié)構(gòu)3。
下一步，光刻膠用刻蝕保護(hù)劑處理，所述刻蝕保護(hù)劑可以是反應(yīng)活性氣體，或是將反應(yīng)活性刻蝕保護(hù)劑溶于合適的溶劑，如己醇中制得的溶液形式?？涛g保護(hù)劑包括甲硅烷基化劑，它具有一個(gè)或多個(gè)能與基本樹脂的脫去保護(hù)的活性基團(tuán)反應(yīng)的官能團(tuán)，反應(yīng)后甲硅烷基化劑鍵接到基本樹脂上。優(yōu)選的甲硅烷基化劑可以選自于由四氯化硅、四氟化硅、三甲基氯硅烷、三氯硅烷、二甲基氯硅烷和六甲基二硅氮烷。U.S.專利5,707,783公開了其他合適的甲硅烷基化劑，本文已將其列入?yún)⒖嘉墨I(xiàn)。甲硅烷基化劑通過將硅分布到光刻膠結(jié)構(gòu)中而增強(qiáng)耐刻蝕性。
現(xiàn)參考圖3，形成圖樣的光刻膠結(jié)構(gòu)3包括化學(xué)改性后的表面區(qū)域4，即其中摻入了硅。表面區(qū)4比未改性區(qū)具有較強(qiáng)的耐刻蝕性。
然后，將光刻膠和底材進(jìn)行已知的刻蝕加工，如濕刻蝕或優(yōu)選等離子體刻蝕。濕刻蝕通常用酸刻蝕劑，如氫氟酸來(lái)完成。然而濕刻蝕不適于刻蝕小于約3微米的線條和間隔，因?yàn)檫@是一種各向同性加工。即該刻蝕也通過底材側(cè)向進(jìn)行，由此從下面潛挖光刻膠。這可能引起聚合物光刻膠隆起或?qū)⑵漤旊x開。
優(yōu)選等離子體刻蝕，因?yàn)樗芨飨虍愋缘剡M(jìn)行，留下較清晰的邊緣輪廓。等離子體刻蝕可以用含氧的刻蝕氣體來(lái)完成。圖4說明帶有刻蝕于其中的溝道5的底材1。
如上文特別提到的，等離子體刻蝕也能使光刻膠降解。然而，甲硅烷基化的光刻膠卻更耐等離子體刻蝕，甲硅烷基化作用特別有助于將耐刻蝕性賦予使用氧等離子體的光刻膠。例如，按本文描述的方法，甲硅烷基化的光刻膠在氧等離子體中呈現(xiàn)的刻蝕速率，小于未甲硅烷基化處理的光刻膠刻蝕速率的45％。因此，甲硅烷基化的光刻膠可涂成較薄涂層，并能產(chǎn)生較清晰的圖像。
用反應(yīng)劑處理也引起耐蝕膜結(jié)構(gòu)的膨脹。而由于反應(yīng)劑處理而致的膨脹可能是一種附加的有益效果，這種情形提供了一種可控的生長(zhǎng)層，該層由于較大層厚度而產(chǎn)生刻蝕保留量。因此，耐蝕膜可以以良好的分辨率以薄層構(gòu)造起來(lái)，并可用反應(yīng)劑加厚至足夠的耐刻蝕程度。此外，光掩模還可以針對(duì)印刷結(jié)構(gòu)的目標(biāo)尺寸設(shè)置負(fù)偏差。通過故意地對(duì)光刻膠過度曝光和添加硅，可以達(dá)到印刷結(jié)構(gòu)的最終目標(biāo)尺寸。
提供以下的實(shí)例以說明本發(fā)明。
實(shí)例硅片用Shipley UV2HS光刻膠涂布，深度為7380。然后在140℃烘焙該涂片60秒使耐蝕膜硬化。將光刻膠的選定面對(duì)2480UV輻射曝光，使用NIKON EXX 248nm激基締合物激光階與掃描曝光器。然后，將光刻膠顯影以除去其曝光區(qū)。帶有影像并已顯影的光刻膠的硅片對(duì)2480UV輻射進(jìn)行浣光曝光處理，輻射劑量是20mJ/cm2。下一步，將光刻膠用六甲基二硅氮烷蒸汽在100℃處理60秒鐘，使光刻膠甲硅烷基化。然后，此片用通常的方法在含氧等離子體(100sscmAr，7sscm O2)中刻蝕30秒鐘，得到刻蝕了的硅片。
應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本文描述的實(shí)施方案可作各種各樣的改變。因此，不應(yīng)把上面的描述認(rèn)作為對(duì)本發(fā)明的限制，而應(yīng)僅作為優(yōu)選實(shí)施方案的例證。本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍內(nèi)將能想象出其他的改良。
權(quán)利要求
1.產(chǎn)生光刻結(jié)構(gòu)的方法，包括a)提供含基本樹脂和對(duì)光化輻射作出響應(yīng)的光活性組分的光刻膠，所述基本樹脂含有被保護(hù)的活性部位，在脫去保護(hù)后能提供反應(yīng)活性部位；b)將所說的光刻膠涂布到底材上；c)將所說的光刻膠成圖樣面，對(duì)所說光化射線的有效劑量選擇性曝光；d)將所說的光刻膠暴露于顯影劑中，產(chǎn)生帶有圖樣的光刻膠；然后e)將基本樹脂的被保護(hù)的活性部位脫去保護(hù)，提供化學(xué)反應(yīng)活性的部位；然后f)將步驟(e)產(chǎn)生的反應(yīng)活性部位與含有甲硅烷基化劑的刻蝕保護(hù)劑反應(yīng)，將刻蝕保護(hù)劑結(jié)合入基本樹脂的結(jié)構(gòu)中；以及g)刻蝕底材。
2.權(quán)利要求1的方法，其中光化射線是波長(zhǎng)短于約2500的UV射線。
3.權(quán)利要求1的方法，其中光化射線是波長(zhǎng)短于約2000的UV射線。
4.權(quán)利要求1的方法，其中基本樹脂按重量計(jì)含有約0％至20％的芳族成分。
5.權(quán)利要求1的方法，其中基本樹脂基本上不含芳族基團(tuán)。
6.權(quán)利要求1的方法，其中光刻膠是正性光刻膠。
7.權(quán)利要求1的方法，其中光刻膠是負(fù)性光刻膠。
8.權(quán)利要求1的方法，其中光刻膠合有選自下述聚合物的基本樹脂聚羥基苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸叔丁酯、聚乙烯醇、聚乙烯基酚、聚降冰片烯、聚(對(duì)-甲?；?氧苯乙烯、聚(叔丁氧基羰基氧苯乙烯)、聚乙烯吡咯烷酮、聚甲基異戊二烯基酮、苯-甲醛聚合物、三聚氰胺-甲醛聚合物，以及它們的物理的和化學(xué)的結(jié)合物。
9.權(quán)利要求1的方法，其中化學(xué)反應(yīng)活性部位選自下列基團(tuán)羥基、羧基、巰基、氨基、烷基氨基、亞氨基、甲?；?，磺基和膦?；?。
10.權(quán)利要求1的方法，其中光刻膠的光活性組分是光致產(chǎn)酸劑，選自下列化合物二芳基碘鎓鹽、三芳基锍鹽、取代的芳基重氮鹽、鹵代甲烷類、三氯三嗪、β-萘酚、硝基苯甲醛和聚氯乙烯。
11. 權(quán)利要求1的方法，其中光刻膠脫去保護(hù)的步驟包括使光刻膠對(duì)電磁輻射進(jìn)行二次曝光，并加熱光刻膠至約100℃到約150℃的溫度。
12.權(quán)利要求1的方法，其中所說的甲硅烷基化劑包括選自下述的化合物四氯化硅、四氟化硅、三氯硅烷、二甲基氯硅烷和六甲基二硅氮烷。
13.權(quán)利要求1的方法，其中甲硅烷基化劑是氣體形式。
14.權(quán)利要求1的方法，其中刻蝕底材步驟包括等離子體刻蝕。
15.權(quán)利要求11的方法，其中等離子體刻蝕用含氧刻蝕氣體完成。
16.權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括在刻蝕后除掉光刻膠的步驟。
17.產(chǎn)生光刻結(jié)構(gòu)的方法，包括a)提供包括基本樹脂的光刻膠，基本樹脂含有按重量計(jì)約0％至約20％的芳族成分，并含被保護(hù)的活性部位，脫去保護(hù)后能提供反應(yīng)活性部位和光活性組分，光活性組分能對(duì)波長(zhǎng)不大于約2500的電磁輻射作出響應(yīng)；b)將所說的光刻膠涂布到底材上；c)將所說的光刻膠的成圖樣面對(duì)所說的電磁輻射的有效首次劑量選擇性曝光；d)將所說的光刻膠暴露于顯影劑中，產(chǎn)生帶有圖樣的光刻膠；然后e)基本樹脂的被保護(hù)的活性部位，通過使帶有圖樣的光刻膠經(jīng)電磁輻射的二次劑量照射并加熱帶有圖樣的光刻膠至100℃～約150℃間的溫度以脫去保護(hù)，提供活性部位；然后f)將步驟(e)產(chǎn)生的反應(yīng)的活性部位與含有甲硅烷基化劑的刻蝕保護(hù)劑反應(yīng)，將該刻蝕保護(hù)劑結(jié)合入基本樹脂的結(jié)構(gòu)中；以及g)刻蝕底材。
18.權(quán)利要求17的方法，其中甲硅烷基化劑選自下列化合物四氯化硅、四氟化硅、三氯硅烷、二甲基氯硅烷和六甲基二硅氮烷。
19.權(quán)利要求17的方法，其中光刻膠基本上不含芳族基團(tuán)。
20.權(quán)利要求19的方法，其中電磁輻射線的波長(zhǎng)短于約2000。
全文摘要
提供一種光刻膠體系,它易于構(gòu)造并宜于深紫外區(qū)形成圖樣。在以光刻法產(chǎn)生光刻膠結(jié)構(gòu)時(shí),通過用刻蝕保護(hù)劑處理,增強(qiáng)對(duì)含氧等離子體的耐刻蝕性。該蝕保護(hù)劑包括能與光刻膠反應(yīng)活性基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的甲硅烷基化劑。在一種實(shí)施方案中,光刻膠包含最初不含芳族基團(tuán)的基本樹脂。甲硅烷基化劑包括四氯化硅、四氟化硅、三氯硅烷、二甲基氯硅烷和六甲基二硅氮烷。
文檔編號(hào)H01L21/027GK1268678SQ0010536
公開日2000年10月4日 申請(qǐng)日期2000年3月31日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月31日
發(fā)明者U·P·施勒德爾, G·昆克爾, A·古特曼, B·斯普勒 申請(qǐng)人:因芬尼昂技術(shù)北美公司