專利名稱：形成微細(xì)圖形的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種形成半導(dǎo)體器件微細(xì)圖形的方法，特別是有關(guān)利用電子束曝光設(shè)備的低加速電壓和表面成象工藝形成超微細(xì)圖形的方法。
為了制造微細(xì)半導(dǎo)體電路，要在硅襯底微小區(qū)域內(nèi)精確地控制雜質(zhì)的注入，并且在這些區(qū)域之間互相連接形成器件和VLS1電路。根據(jù)光刻工藝制造確定這些區(qū)域的圖形，即光刻工藝包括以下步驟在圓片襯底表面涂敷抗蝕劑，將涂敷了的抗蝕劑有選擇地暴露在紫外射線、電子射線或X射線下，然后將曝光區(qū)顯影。當(dāng)在露出的襯底上進(jìn)行各種增加或除去工藝的時候，在此，留下的抗蝕劑保護(hù)由抗蝕劑遮蓋了的襯底。
為了半導(dǎo)體器件得到更大的封裝密度，就制造極限尺寸即亞微米以下的微細(xì)抗蝕劑圖形的光刻工藝而言，要進(jìn)行連續(xù)顯影。
特別是為了達(dá)到兆位級，對于制作亞微米級的圖形，已經(jīng)證明常規(guī)的單層抗蝕劑是不適合的。
抗蝕劑的光刻反差和光源曝光反差決定了平襯底上的分辨率。因此，為了制造分辨率好的微米級圖形和亞微米級圖形，所以應(yīng)該使用好的曝光設(shè)備以及高反差抗蝕劑。在這種情況下，使反差降低的因素是，隨抗蝕劑厚度不同，與抗蝕劑光吸收率相適應(yīng)的曝光劑量也要不同;以及光刻的固有因素如光自襯底的反射率，光散射等。除了分辨率低的問題外，還有熱穩(wěn)定性和耐干法蝕刻也是必要的特性。另外抗蝕劑至少應(yīng)有1μm的厚度。
為了解決上述問題，提出了多層抗蝕劑系統(tǒng)，利用3層抗蝕劑結(jié)構(gòu)，獲得了很好效果。然而，這多層系統(tǒng)不僅有復(fù)雜的加工過程，而且膜和中間層在烘烤處理期間容易受到應(yīng)力，還有，薄而均勻無針孔的抗蝕劑膜難以通過涂敷抗蝕劑來形成。
為了減少多層系統(tǒng)的復(fù)雜性，包含硅的二層結(jié)構(gòu)抗蝕劑得到了發(fā)展。然而抗蝕劑內(nèi)含硅的數(shù)量應(yīng)當(dāng)大于10%，上述含量降低了抗蝕劑的物理化學(xué)性質(zhì)，從而，目前難以利用二層結(jié)構(gòu)。
于是提出了包含現(xiàn)有多層功能性又有單層簡單性的增強(qiáng)擴(kuò)散甲硅烷基化的抗蝕劑(DESIRE)工藝方法，這種抗蝕劑被認(rèn)為是更好的溶液(參看F.CoopmansandB.Roland的“固態(tài)工藝”P93-99、1987.6.)。甲硅烷基化作用是這樣一種工藝方法，通過把材料暴露在氣態(tài)或液態(tài)六甲基二硅氮烷(HMDS)或四甲基二硅氮烷(TMDS)的化合物中，在100-200℃的高溫下，把硅滲到抗蝕劑聚合物內(nèi)。DESIRE工藝方法其特征在于，通過高選擇性氣態(tài)甲硅烷基化作用，把潛藏光學(xué)圖象變換成潛藏硅圖象。通過在氧中干法腐蝕，利用該硅圖象產(chǎn)生凸起的圖象。
盡管通過上述DESIRE工藝方法能形成微細(xì)圖形，但還存在若干問題。難以控制反應(yīng)，因?yàn)槭窃跉庀嘀羞M(jìn)行甲硅烷基化反應(yīng)，在抗蝕劑表面部分很難形成均勻的甲硅烷基化層。隨圖形寬度減小，由于光衍射產(chǎn)生所不希望的附加照射，在圖形周圍形成抗蝕劑剩余物，這嚴(yán)重影響了圖形質(zhì)量。況且，由于甲硅烷基化試劑分子滲入到抗蝕劑層內(nèi)，并且與抗蝕劑分子起反應(yīng)，結(jié)果，隆起現(xiàn)象難以形成所要求的圖形，并且抗蝕劑去除很困難。
還有，當(dāng)按照通常方法利用紫外線和深紫外線形成圖形的時候，光學(xué)光刻的分辨率限定為略小于1μm。為了形成亞微型級以下的圖形，提出了其他光刻方法，這就是電子束光刻，離子束光刻和X射線光刻。
電子束光刻(常稱之為EBL)是一種利用聚焦電子束形成電路圖形的方法。在此，利用電子束，在通常的光刻工藝過程期間，可以將亞微型級圖形直接記錄在半導(dǎo)晶片表面形成的抗蝕膜上或照相掩膜表面形成的抗蝕劑膜上。布圖步驟中形成的圖形作為成象圖形存儲在電子計(jì)算機(jī)內(nèi)。按照來自電子計(jì)算機(jī)的信號，通過電子偏轉(zhuǎn)板可控制電子束。因此，EBL能夠在無掩模的晶片上直接作出小于1μm的特征尺寸。上述EBL方法速度低于通常的光刻方法。然而，鑒于使用該方法可完成很準(zhǔn)確的層對層的套準(zhǔn)，所以特征尺寸小至0.1μm還能形成微細(xì)圖形。由于這些原因，仍然試圖實(shí)施EBL方法。
在利用常規(guī)電子束曝光設(shè)備形成微細(xì)圖形的光刻工藝中，為了增強(qiáng)抗蝕劑圖形的輪廓，配上大于10KeV的電子束加速電壓(一般為20KeV)。為使抗蝕劑圖形的輪廓好，抗蝕劑要涂得薄。


圖1至3是為說明使用配上常規(guī)的高加速電壓的電子束光刻，形成圖形的方法的剖面圖。
在半導(dǎo)體襯底1的表面涂敷抗蝕劑，形成抗蝕劑膜2(圖1)。使帶有高加速電壓的電子束3在抗蝕劑膜2的表面作選擇性掃描，使抗蝕劑層受到局剖曝光。然后，將所得生成物顯影，形成抗蝕劑圖形(圖3)。
如上所述，在常規(guī)的電子束光刻中，當(dāng)電子束加速電壓大于20KeV時，并且使用薄(1μm)的抗蝕劑膜，可獲得具有極佳輪廓和高分辨率的圖形。
但是，當(dāng)使用加速電壓高于20KeV時，電子束的正散射(圖2中為標(biāo)號6)和背散射(圖2中為標(biāo)號5)影響都比較大，結(jié)果，難以形成圖形。進(jìn)一步來說，由于散射范圍超過幾微米，當(dāng)曝光形成細(xì)密圖形的時候，電子被投射到相鄰圖形內(nèi)，使抗蝕劑不需要部位也被曝光，這稱之為鄰近效應(yīng)。
還有由于高的加速電壓在表面部分內(nèi)引起抗蝕劑膜的熱變形，使抗蝕劑圖形產(chǎn)生缺陷。進(jìn)而為了減少鄰近效應(yīng)，就要按照圖形尺寸或相鄰圖形，適當(dāng)控制圖形尺寸或控制曝光時間。這就增加了所必須的操縱曝光系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，由此使CPU時間增加。結(jié)果導(dǎo)至系統(tǒng)的生產(chǎn)率下降。
更進(jìn)一步，使用低加速電壓形成圖形的方法公開于Jpn.J.Appl.Phys.Vol.31(1992)part2，No.6A，pp.L774-L746中。但是，按照該方法，電子穿透深度淺，使得在抗蝕劑膜的厚度大于0.5μm的情況下，不可能完成圖形的成形。
因此，為了解決上述問題，本發(fā)明的目的是提供形成微細(xì)圖形的方法，該方法使用低加速電壓的電子束，用厚度為1μm的抗蝕劑也可制造出滿意的抗蝕劑圖形。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種形成圖形的方法。該方法包括以下步驟在襯底上涂敷抗蝕劑以形成抗蝕劑膜;使用低加速電壓的電子束，對抗蝕劑膜上表面作選擇性曝光;使曝光過的抗蝕劑膜作甲硅烷基化，在抗蝕膜上部選擇性形成甲硅烷基化層;使用甲硅烷基化層作為掩膜，腐蝕抗蝕劑膜。電子束的加速電壓最好是1KeV到5KeV。
在甲硅烷基化步驟中，作為甲硅烷基化試劑可包括六甲基二硅氮烷、四甲基二硅氮烷、二甲基甲硅烷基二甲胺、二甲基甲硅烷基二乙胺、三甲基甲硅烷基二甲胺、三甲基甲硅烷基二乙胺、二甲基氨基三甲基硅烷、二乙基氨基三甲基硅烷、雙(二甲基氨基)二甲基硅烷、雙(二甲基氨基)甲基硅烷、辛基環(huán)四硅氮烷、己基環(huán)三硅氮烷、二氯辛基環(huán)四硅氧烷、二氯二甲基二苯基二硅氧烷、四甲基二硅氮烷環(huán)戊烷、四甲基雙(N，N二甲基氨基)二硅亞乙基、雙(三甲基甲硅烷基)乙酰胺或其他有機(jī)金屬試劑。上述甲硅烷基化試劑可單獨(dú)或?qū)⑵浠旌鲜褂?。在上述甲硅烷基化步驟中，將上述氣態(tài)或流態(tài)甲硅烷基化試劑滲入到抗蝕劑膜的表面，以處理上述抗蝕劑膜。然后用上述甲硅烷基化層作為腐蝕掩膜，利用氧等離子、CH4+O2等離子或等離子混合物的干法腐蝕工藝，實(shí)施對抗蝕劑膜的蝕刻，以此制作出圖形。
按照負(fù)象明暗方法將抗蝕劑膜露出部分作選擇性甲硅烷基化，或按照正象明暗方法將抗蝕劑層的非露出部分作選擇性甲硅烷基化，這樣可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述方法。就抗蝕劑而論。最好使用負(fù)性型電子束抗蝕劑。
按照本發(fā)明，由于使用小于5KeV的加速電壓的電子束，所以可將微細(xì)圖形轉(zhuǎn)移到抗蝕劑表面，并且電子束的正散射和背散射也可顯著減小，可制作超微米級(小于10nm的圖形)圖形。
通過參考附圖對最佳實(shí)施例的詳述，本發(fā)明的上述目的和其他優(yōu)點(diǎn)會更加清楚。其中圖1至3是按照使用高加速電壓的常規(guī)電子束光刻說明形成圖形的一種方法剖視圖;
圖4至8是按照本發(fā)明的一個實(shí)施例;展示形成圖形的一種方法，并且;
圖9至14是分別按照六種不同的電子束加速電壓展示在抗蝕劑膜內(nèi)電子軌跡(深度作為水平距離的函數(shù))的模擬曲線圖。
下面更詳細(xì)地描述本發(fā)明按照本發(fā)明，在半導(dǎo)體襯底上涂敷抗蝕劑，使之形成抗蝕劑膜，并利用低加速電壓的電子束對上述抗蝕劑膜上表面作選擇性曝光。然后，使曝光后的抗蝕劑膜作甲硅烷基化，使得在抗蝕劑膜上表面部分選擇性形成甲硅烷基化層。以甲硅烷基化層作為掩膜，完成對抗蝕劑膜的腐蝕，進(jìn)而作出圖形。
在本發(fā)明的電子束曝光工藝中，上述電子束的加速電壓最好變化范圍為1KeV至5KeV。
圖9至14是按照六種不同的電子束加速電壓，分別展示在抗蝕劑膜內(nèi)電子軌跡(深度作為水平距離的函數(shù))的模擬曲線圖。曲線圖顯示在加速電壓為1KeV、2KeV、3KeV、5KeV、10KeV和20KeV，電子束被發(fā)送到厚度為1μm的抗蝕劑膜上的情況。這里，當(dāng)水平軸相應(yīng)于從電子束掃描的原點(diǎn)開始的橫向距離時，垂直軸相應(yīng)于抗蝕劑膜的深度。細(xì)密的線表示電子軌跡。
如在圖9至14中所了解到。如果電子束的加速能量大于5KeV，則發(fā)生電子束的正散射和背散射，致使難以作出微細(xì)圖形。還有如果電子束的加速能量小于1KeV，則曝光輻射劑量小至難以形成甲硅烷基化層。所以如上所述，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了電子束低加速電壓的曝光工藝，其范圍是從1KeV到5KeV，最好在3KeV和5KeV之間。
由于加速電壓小于5KeV，電子束的正散射和背散射顯著減小，并且可在抗蝕劑表面執(zhí)行極精密曝光，因此，可制造超微細(xì)圖形(100nm)。
但是，當(dāng)用低加速電壓的電子束使抗蝕劑曝光時，由于電子束的射入深度很淺，所以不可能用厚度大于0.5μm的抗蝕劑膜制造圖形。因此，本發(fā)明以這樣的方式形成甲硅烷基化層，當(dāng)配上電子束的低加速電壓時，通過甲硅烷基化層工藝，即表面成象工藝，在曝了光的抗蝕劑膜的部分有選擇性地發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
上述工藝方法是使抗蝕劑膜作選擇性甲硅烷基化，以形成甲硅烷基化層。使用含硅化合物或有機(jī)金屬試劑作為甲硅烷基化試劑滲入到上述抗蝕劑表面。作為該甲硅烷基化試劑，可有六甲基二硅氮烷、四甲基二硅氮烷、二甲基甲硅烷基二甲胺、二甲基甲硅烷基二乙胺、三甲基甲硅烷基二甲胺、三甲基甲硅烷基二乙胺、二甲基氨基三甲基硅烷、二乙基氨基三甲基硅烷、雙(二甲基氨基)二甲基硅烷、雙(二甲基氨基)甲基硅烷、辛基環(huán)四硅氮烷、己基環(huán)三硅氮烷、二氯辛基環(huán)四硅氧烷、二氯二甲基二苯基二硅氧烷、四甲基二硅氮烷環(huán)戊烷、四甲基雙(N，N二甲基氨基)二硅亞乙基、雙(三甲基甲硅烷基)乙酰胺或其他有機(jī)金屬試劑。上述甲硅烷基化試劑以氣態(tài)或液態(tài)形式滲入抗蝕劑膜表面，為的是浸潤薄膜，完成甲硅烷基化工藝過程。
在本發(fā)明中，通過使用上述甲硅烷基化層作為腐蝕掩模，干法腐蝕上述抗蝕劑層，形成抗蝕劑圖形。使用O2等離子、CH1+O2待離子或其等離子混合物實(shí)施干法腐蝕工藝過程。U.S.專利No.4，657，845公開了使用制作抗蝕劑圖形的氧等離子，使抗蝕劑膜顯影的方法。
借助上述甲硅烷基化形成的甲硅烷基化層產(chǎn)生包括SiOX的掩膜。由于在干法腐蝕顯影過程與O2等離子反應(yīng)，結(jié)果是賦予抗氧等離子的特性。因此，在隨后制造圖形的干法腐蝕工藝過程中，甲硅烷基化層可起腐蝕掩模作用。
該抗蝕劑的感光性與加速電壓成反比例。因此，在低加速電壓下可制造微細(xì)圖形，而與電子束的射入深度無關(guān)。
實(shí)施例圖4至8說明按照本發(fā)明一個實(shí)施例，制造微細(xì)圖形的方法。
圖4說明在半導(dǎo)體襯底11表面涂敷抗蝕劑的步驟。在半導(dǎo)體襯底11表面，涂敷能夠通過電子束曝光的負(fù)性化學(xué)增強(qiáng)型電子束抗蝕劑(如SAL-601ER7、Shipley有限公司商標(biāo))，其厚度為0.7μm，這樣就形成抗蝕劑膜12。
圖5說明使抗蝕劑膜12曝光的步驟。通過使用具有3KeV加速電壓的電子束13使抗蝕劑膜12作選擇性曝光?？刮g劑膜12被確定為曝光區(qū)域14和非曝光區(qū)域。
圖6說明使選擇性曝光了的抗蝕劑膜的表面部分作選擇性甲硅烷基化的步驟，以此，形成甲硅烷基化層18。
四甲基二硅氮烷(TMDS)7以氣態(tài)滲入抗蝕劑膜12的表面，在抗蝕劑膜12非曝光區(qū)域14的表面部分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，致使形成甲硅烷基化層18。
圖7說明在干法腐蝕工藝過程的第一階段中甲硅烷基化層18轉(zhuǎn)換成掩模層18′的步驟。如果形成甲硅烷基化層18的抗蝕劑膜12的干法腐蝕是在O2等離子19情況下進(jìn)行，則完成曝了光部分的局部腐蝕。
然而，在形成甲硅烷基化層18部分，甲硅烷基化層18與O2等離子起化學(xué)反應(yīng)，為的是產(chǎn)生含SiOX的掩模層18′。
圖8說明進(jìn)行干法腐蝕以形成抗蝕劑圖形12′的步驟。當(dāng)上述干法腐蝕工藝過程繼續(xù)進(jìn)行時，掩模層18′充當(dāng)腐蝕掩模，致使抗蝕劑膜12曝了光的表面部分及其下面留下的抗蝕劑被腐蝕去，從而，形成抗蝕劑圖形。
按照本發(fā)明形成微細(xì)圖形的方法，可以制造相等于電子束尺寸的負(fù)性圖形(孔或間隔圖形)。
上述實(shí)施例適合負(fù)性抗蝕劑。但也可使用正性抗蝕劑，在此情況下，可制造凸起圖形(線或點(diǎn)圖形)。
按照本發(fā)明的制造圖形的方法，由于使用低加速電壓和表面成象工藝方法，可防止起源于具有常規(guī)高加速電壓的電子束的鄰近效應(yīng)。并且當(dāng)使用高加速電壓電子束時，不必增加數(shù)據(jù)以補(bǔ)償鄰近效應(yīng)，使生產(chǎn)效率得以提高。
雖然在特定的實(shí)施例方面詳細(xì)展示和描述本發(fā)明，勿庸置疑，在不脫離作為由附加的權(quán)利要求書所限定的發(fā)明精神和范圍的情況下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人可作出各種形式和細(xì)節(jié)方面的改變。
權(quán)利要求
1.一種形成圖形的方法，其步驟包括在襯底上涂敷抗蝕劑以形成抗蝕劑膜；使用低加速電壓的電子束，使所述抗蝕劑膜上表面部分曝光；使所述曝了光的抗蝕劑膜甲硅烷基化，在所述抗蝕劑膜上部選擇性地形成甲硅烷基化層；并且用所述甲硅烷基化層作為掩模，腐蝕所述抗蝕劑膜。
2.按權(quán)利要求1的形成圖形的方法，其特征是，所述電子束加速電壓范圍是從1KeV到5KeV。
3.按權(quán)利要求1形成圖形的方法，其特征是，用甲硅烷基化試劑進(jìn)行所述甲硅烷基化步驟，甲硅烷基化試劑至少從以下組中選擇一種，試劑包括六甲基二硅氮烷、四甲基二硅氮烷、二甲基甲硅烷基二甲胺、二甲基甲硅烷基二乙胺、三甲基甲硅烷基二甲胺、三甲基甲硅烷基二乙胺、二甲基氨基三甲基硅烷、二乙基氨基三甲基硅烷、雙(二甲基氨基)二甲基硅烷、雙(二甲基氨基)甲基硅烷、辛基環(huán)四硅氮烷、己基環(huán)三硅氮烷、二氯辛基環(huán)四硅氧烷、二氯二甲基二苯基二硅氧烷、四甲基二硅氮烷環(huán)戊烷、四甲基-雙(N，N二甲基氨基)二硅亞乙基、雙(三甲基甲硅烷基)乙酰。
4.按照權(quán)利要求3形成圖形的方法，其特征是，所述甲硅烷基化步驟是以氣態(tài)形式把所述甲硅烷基化試劑滲入到所述抗蝕劑膜表面。
5.按權(quán)利要求1形成圖形的方法，其特征是，通過使用O2等離子或CH1+O2等離子的干法腐蝕方法，實(shí)施腐蝕所述抗蝕劑膜。
6.按權(quán)利要求1形成圖形的方法，其特征是，通過使用O2等離子和CH1+O2等離子混合物的干法腐蝕方法，完成腐蝕所述抗蝕劑膜。
7.按權(quán)利要求1形成圖形的方法，其特征是，所述抗蝕劑是負(fù)性型電子束抗蝕劑。
全文摘要
一種形成半導(dǎo)體器件微細(xì)圖形的方法，使用低加速電壓的電子束(1—5KeV)和甲硅烷基化工藝方法。在襯底上涂敷抗蝕劑以形成抗蝕劑膜，用電子束將抗蝕劑上表面部分作選擇性曝光，然后使曝了光的抗蝕劑膜進(jìn)行選擇性甲硅烷基化，使抗蝕劑膜上部形成甲硅烷基化層。用甲硅烷基化層作掩模腐蝕該抗蝕劑膜，以形成抗蝕劑圖形。在干法腐蝕第一階段，甲硅烷基化層的硅和氧等離子起化學(xué)反應(yīng)，形成含SiO
文檔編號H01L21/027GK1092554SQ9312112
公開日1994年9月21日 申請日期1993年12月4日 優(yōu)先權(quán)日1992年12月4日
發(fā)明者金鶴, 姜浩英 申請人:三星電子株式會社