专利名称：改善光刻胶耐蚀刻性的方法
技术领域：
本发明涉及集成电路制造领域中的光刻法，更具体地说，涉及改善用于这种光刻法的光刻胶的耐蚀刻性的方法。
光刻是在制造用于计算机和其它这类应用场合的集成电路时常用的技术。光刻时，在诸如硅晶片的基片上形成光刻胶层。然后，用包含透明和不透明区的图案的掩模覆盖所述光刻胶，后者准备被朝着基片的方向蚀刻。然后，把掩模暴露在诸如紫外光(UV)、X射线、电子束等等的光化辐射之下，所述光化辐射透射过掩模的透明区，在光刻胶的相应区域引起化学反应。在负性光刻胶条件下，光刻胶受辐射冲击的区域变成不溶解于显影剂中。例如，所述辐射可以引发交联、链增长、光致聚合或者其它这类反应，引起光刻胶的化学变化。在正性光刻胶条件下，受辐射冲击的部分变成更加可溶解于显影剂中。例如，辐射可以引起光刻胶分子结构的光降解作用。在辐射照射之后，通过暴露在显影剂之下而将光刻胶显影，显影剂洗去光刻胶的可溶解部分而留下图案。在这种形成图案的步骤之后，进行蚀刻步骤，其中，例如在湿式蚀刻条件下基片被暴露在酸中，而在干式蚀刻条件下基片被暴露在离子束之下。该基片的被剩下的光刻胶覆盖的区域保留未被蚀刻的状态。最后，用适当的溶剂或其它传统的去除方法将剩下的光刻胶去除，留下其中蚀刻出图案的基片。
为了研制更高效的微处理器，必须把更多的电子元件置于芯片中。由于芯片的物理面积是有限的，所以，这意味着被蚀刻在基片中的图案必须变得更加精细，具有更高的分辨率。在当前技术状态下，所述图案是如此之精细，以致于光刻胶曝光用的光的波长成了重要因素，越短的波长产生分辨率越高的图象。
另一个因素是光刻胶层的厚度。光刻胶越薄，图象的边缘越清晰。但是，随着光刻胶变薄，它变得比较不耐蚀刻处理。通过在其成分中包含某些芳族化合物，可以使光刻胶比较耐蚀刻。但是，这些化合物降低了光刻胶对在曝光步骤中需要的较短波长辐射的灵敏度。例如，为1930埃紫外辐射准备的光刻胶可以不包含芳族成分。
授予Sezi等人的美国专利第5,173,393号公开了一种光刻胶系统，其中通过利用具有胺官能的试剂处理光刻胶而提供对于含卤素等离子体的增强的耐蚀刻性。Sezi等人采用具有包含在分子结构中的诸如酐官能团的特殊的反应基，后者能够与试剂的胺官能反应。
所需要的是一种可以使用比较广泛的各种光刻胶的、用来增强光刻胶耐蚀刻性的系统。
本发明提供用来产生光刻结构的方法。该方法包括(a)提供一种光刻胶，它具有原料树脂，后者包含在去保护时提供对光化辐射敏感的反应位点的被保护的活性位点；以及光敏成分；(b)将所述光刻胶涂敷在基片上；(c)将所述光刻胶的构成图案的区域选择性地暴露在所述电磁辐射的有效剂量下；(d)将所述光刻胶暴露在显影剂下，以便产生构成图案的光刻胶；(e)将所述原料树脂的被保护活性位点去保护，以便提供反应位点；(f)使从步骤(e)产生的反应位点与含芳族环的蚀刻保护剂起反应，以便把所述蚀刻保护剂包含在所述原料树脂的结构中；以及(g)对所述基片进行蚀刻。
这里所描述的方法有益地改善了光刻胶的耐蚀刻性，同时保留光刻胶对构成图案的辐射的灵敏度。此外，该方法可以使用任何类型的光刻胶。利用本方法的处理步骤来实现光刻胶的去保护，因此不需要特制的光刻胶。
下面将参考附图描述各种实施例，附图中
图1举例说明按照本公开的一个步骤之后的结构的截面图；图2举例说明按照本公开的再一个步骤之后的结构的截面图；图3举例说明按照本公开的再一个步骤之后的结构的截面图；图4举例说明按照本公开的再一个步骤之后的结构的截面图。
这里所描述的耐蚀刻的光刻胶系统包括可适当地构成并且对波长在2500埃以下的电磁辐射起反应的光刻胶。在显影之后采用一种与光刻胶起反应的蚀刻保护剂，以便把芳族基包含在光刻胶中，从而增强其耐蚀刻性。蚀刻保护剂最好是芳族聚羟酸、酸酐或氯化酰基试剂，可以把它们溶解在水中，以便形成水溶液。
更详细地说，光刻胶可以是正性光刻胶或者负性光刻胶。光刻胶包含原料树脂和光敏成分(即，光酸生成元(photoacidgenerator))，并且通常是以合适的溶剂中的原料树脂和光敏成分的溶液的形式提供的。光刻胶借助掩模以成象的方式暴露在光辐射(例如，紫外辐射、X射线或电子束辐射)下，在光刻胶的曝光区域中从所述光酸生成元析出酸。在负性光刻胶的情况下，所述曝光区例如由于原料树脂的聚合物链的交联而变成比较不溶于显影剂。在正性光刻胶的情况下，所述曝光区例如由于降解或者在分子链上形成更加可溶的基团而变成更加可溶的。芳族基团往往会阻挡紫外辐射的传输，尤其在短波长条件下。因此，为了用在2000埃至2500埃紫外辐射，原料树脂应当具有比较少量的芳族基团，其范围是按重量计从0％至20％的芳族含量。为了用在波长短于2000埃的紫外辐射，光刻胶中的原料树脂应当基本上不包含芳族基团。
原料树脂包含最初被保护基团保护的活性位点或基团，所述保护基团在后来的降解处理步骤中被去除，以便提供反应基团。有用的反应基团包括羟基(-OH)，羧基(-COOH)，氢硫基(-SH)，氨基(-NH2)，烷基氨基(-NHR)，亚氨基(-NH-)，甲酰(-CHO)，磺基(-SO，H)以及膦酰基(-P(O)(OH)2)。羟基和羧基是最佳的。可以用具有保护基团的适当的保护剂来保护活性位点。例如，适当的保护基团包括苄氧基羰基，三氟乙酰，二苄醚，叔丁基醚，N-羟基琥珀亚胺醚等等。对于这里所描述的方法，最佳保护剂包含叔丁氧羰基基团(t-BOC)。
例如，用于正性和负性光刻胶的原料树脂可以从以下化合物中选择聚羟基苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚(叔丁基)丙烯酸甲酯，聚乙烯醇，聚乙烯酚，聚降冰片烯，聚(对甲酰)氧基苯乙烯，聚(叔丁氧基羰基氧基苯乙烯)，聚乙烯吡咯烷酮，聚甲基异戊烯基酮，酚甲醛聚合物，蜜胺-甲醛聚合物以及这些树脂的共聚物、掺合物和衍生物。市场上买得到的正性光刻胶的实例包括可以从日本的JSR公司买到的M20G和可以从Shipley公司买到的UV2HS。市场上买得到的负性光刻胶的实例是可以从Shipley公司买到的DV30N。
光敏成分包括光酸生成元，例如，二芳基碘盐，三芳基锍盐和取代的芳基重氮盐，所述盐具有平衡离子，例如，四氟硼酸根，六氟锑酸盐，六氟砷酸盐和六氟磷酸盐。其它光酸生成元是卤化甲烷，三氯三嗪，a-萘酚，硝基苯甲醛和聚乙烯氯化物。所述光刻胶可以包括用于传统的抗蚀剂组成的附加物质。例如，这些附加物质可以包括附加的聚合物、敏化剂、交联剂、增速剂、增韧剂，粘合增强剂、耐热增强剂和表面活性剂。这些成分在本专业中是众所周知的。敏化剂的实例是重氮醌，例如，萘酚醌-(1，2)-二叠氮基磺酸醚，尤其是重氮萘酚醌的5-磺酸醚。一般可以从市场供应商买到配制的光刻胶和光刻胶成分。
采用的光化辐射最好是具有大约2480埃的短波紫外光，而具有短于大约2000埃波长(例如1930埃紫外线)的远紫外光则更好。具有短于大约100埃波长的X射线和电子束辐射也是有用的。
本发明的方法是按照以下步骤进行的。
以传统的方法把光刻胶涂敷在诸如硅的基片上。通常，把光刻胶溶液涂敷在硅晶片上，然后，使晶片旋转，以便使光刻胶均匀地分布在晶片上。然后对光刻胶进行轻度的加热，以便去除溶剂。光刻胶层的厚度最好不超过大约1微米，不超过0.8微米则更好，不超过0.5微米则更好，而不超过0.3微米则最最好。图1举例说明淀积在硅晶片基片1上的光刻胶层2。
然后，以如下方式使光刻胶构成图案。首先将光刻胶掩蔽。掩模可以包含分辨率在小于1.0微米、最好小于0.5微米、而最最好小于0.3微米范围内的线条和其它细节。然后，将光刻胶暴露在穿过掩模图案的、具有通常为大约50至大约200毫焦耳/平方厘米的足够的光化辐射剂量的电磁辐射之下。接着，通过暴露在显影剂之下而使所述光刻胶形成图案。合适的显影液的实例是显影剂AZ400K的水溶液(可以从Hoechst AG获得)和氨。然后在轻度的加热下把形成图案的光刻胶烘干。
显影之后，形成图案的光刻胶经历去保护步骤，以便露出原料树脂的用来与蚀刻保护剂反应的活性位点。通过把形成图案的光刻胶浸没暴露(flood exposure)在深(deep)紫外辐射(2500埃以下)下、接着进行热处理或烘焙步骤来实现所述去保护。紫外线的剂量可以是例如从大约20毫焦耳/平方厘米至大约50毫焦耳/平方厘米，虽然在认为合适时也可以使用其它剂量。在饱和的紫外辐射下，从混合物的光酸成分中产生酸，。随后，所述酸在热处理期间通过暴露活性基团(例如羟基，羧基等)而将原料树脂去保护。于是，暴露的活性基团变成适合于与蚀刻保护剂反应，而所述蚀刻保护剂与活性基团反应之后在化学上被总合成原料树脂的聚合结构。实现去保护作用的热激活是在从大约100℃至大约150℃的温度下进行的，而时间间隔是从大约1分钟至大约5分钟。图2举例说明在处理基片1上已经形成图案的结构3的这个步骤中的形成图案的光刻胶。
接着，用通过把反应蚀刻保护剂溶解在水中而制备的反应剂溶液来处理所述光刻胶。所述蚀刻保护剂是一种含芳族环的化合物，后者已经被适合于与原料树脂上的活性的、即去保护的化学官能团官能化。这里所用的术语“芳族”指的是含有单环和多环的化合物，还包括在分子结构中既具有芳族环又具有脂族成分的化合物。含芳族环的蚀刻保护剂将包含经历过与原料树脂的活性官能团反应的至少一个官能团。因此，例如，当原料树脂包含游离羟基时，蚀刻保护剂上的反应基可以是例如羧酸、羧酸酐或羧酸氯化物基团，它们将与原料树脂的羟基反应，以便通过酯键把蚀刻保护剂键合到其上。合适的蚀刻保护剂包括苯二甲酸，邻苯二甲酸酐，间苯二甲酸，对苯二酸，苯二甲酸氯化物，萘二甲酸，萘二甲酸酐，萘乙酸和蒽过氧酸。多功能酸通过向光刻胶结构贡献芳族结构以及通过增加交联而增强耐蚀刻性。合适的反应剂水溶液通常包含从大约0.2％至大约20％的按重量计的蚀刻保护剂，而更好的选择是包含从大约0.5％至大约5％的按重量计的蚀刻保护剂。
由于这个步骤不需要附加的测量，所以，这种处理可以在室温下、在简单的装置、例如喷雾的、搅拌的或浸没的显影装置进行。蚀刻保护剂的反应基与光刻胶的活性位点发射化学反应，导致蚀刻保护剂结合到光刻胶上。由于蚀刻保护剂的芳族结构的原因，提供了具有增强的耐蚀刻性、尤其是耐含卤素的等离子体的蚀刻的光刻胶。
现在参考图3，形成图案的光刻胶结构3包括其中包含芳族基的化学性质上改变了的表面区域4。与未改变的区域相比，表面区域4具有比较强的耐蚀刻性。
然后，光刻胶和基片经历已知的蚀刻处理，例如湿式蚀刻，或者最好是等离子体蚀刻。湿式蚀刻通常是利用诸如氢氟酸等蚀刻剂来进行的。但是，湿式蚀刻不适合于蚀刻小于3微米的线条和空间，因为它各向同性的处理方法。就是说，蚀刻还穿过基片在横向上进行，从而切去光刻胶的下部。这可能导致聚合物光刻胶隆起或顶离。
等离子体蚀刻是最佳的，因为它可以进行各向异性的蚀刻，留下边缘清晰的轮廓。可以利用含卤素的蚀刻气体来实现等离子体蚀刻。卤素与基片起反应，从而增强蚀刻处理过程。因此，含氟的蚀刻气体用于蚀刻硅基片，而含氯的气体用于蚀刻铝基片。图4说明具有蚀刻在其中的沟槽5的基片1。
如上所述，等离子体蚀刻也会剥蚀光刻胶。但是，光刻胶的芳族结构比较耐等离子体蚀刻。因此，芳族光刻胶可以做成比较薄的层，它也能够产生边缘清晰的图象。
利用反应剂的处理也导致抗蚀剂结构的隆起。由反应剂处理引起的隆起可以是一种附加的积极的好处，因为它提供一种可控制的生长层，后者由于比较大的层厚度而产生蚀刻裕量。因此，可以用具有良好分辨率的薄层构成抗蚀剂，并且可以利用反应剂把该抗蚀剂加厚，直至具有足够的耐蚀刻性。此外，可以把光掩模设置为具有相对于印刷电路结构的目标尺寸的负偏差。通过将光刻胶精密地过度曝光以及附加芳族基团，可以实现印刷电路结构的最后目标尺寸。这种程序在处理程序方面提供了比较大的灵活性。
应当理解，可以对这里描述的各实施例作出各种修改。因此，不应当把以上的描述当作一种限制，而应当仅仅当作最佳实施例的示范。本专业的技术人员将预见到在所附权利要求书范围内的其它各种修改。
权利要求
1.一种用来产生光刻结构的方法，该方法包括(a)提供一种光刻胶，它具有原料树脂，后者包含在去保护时提供对光化辐射敏感的反应位点的被保护的活性位点；以及光敏成分；(b)将所述光刻胶涂敷在基片上；(c)将所述光刻胶的构成图案的区域选择性地暴露在所述光化辐射的有效剂量下；(d)将所述光刻胶暴露在显影剂下，以便产生构成图案的光刻胶；(e)将所述原料树脂的被保护的活性位点去保护，以便提供化学反应位点；(f)使从步骤(e)产生的所述反应位点与含芳族环的蚀刻保护剂起反应，以便把所述蚀刻保护剂包含在所述原料树脂的结构中；以及(g)对所述基片进行蚀刻。
2.权利要求1的方法，其特征在于所述光化辐射是波长小于大约2500埃的紫外辐射。
3.权利要求1的方法，其特征在于所述光化辐射是波长小于大约2000埃的紫外辐射。
4.权利要求1的方法，其特征在于所述原料树脂包含按重量计的大约0％至20％的芳族成分。
5.权利要求1的方法，其特征在于所述原料树脂基本上不包含芳族基。
6.权利要求1的方法，其特征在于所述光刻胶是正性光刻胶。
7.权利要求1的方法，其特征在于所述光刻胶是负性光刻胶。
8.权利要求1的方法，其特征在于所述光刻胶包含从一组材料中选择的原料树脂，所述一组材料包括聚羟基苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚(叔丁基)丙烯酸甲酯，聚乙烯醇，聚乙烯酚，聚降冰片烯，聚(对甲酰)氧基苯乙烯，聚(叔丁氧基羰基氧基苯乙烯)，聚乙烯吡咯烷酮，聚甲基异戊烯基酮，酚甲醛聚合物，蜜胺-甲醛聚合物以及它们的物理和化学组合。
9.权利要求1的方法，其特征在于所述化学反应位点是从包括以下反应基团的一组中选择的羟基，羧基，氢硫基，氨基，烷基氨基，亚氨基，甲酰，磺基和膦酰基。
10.权利要求1的方法，其特征在于所述光刻胶的所述光敏成分是光酸生成元，后者是从一组材料中选择的，所述一组材料包括二芳基碘盐，三芳基锍盐，取代的芳基重氮盐，卤化甲烷，三氯三嗪，a-萘酚，硝基苯甲醛和聚乙烯氯化物。
11.权利要求1的方法，其特征在于对所述光刻胶进行的所述去保护步骤包括将所述光刻胶第二次暴露在电磁辐射之下以及把所述光刻胶加热到从大约100℃至大约150℃的温度。
12.权利要求1的方法，其特征在于所述蚀刻保护剂包括从一组材料中选择的组成部分，所述一组材料包括芳族聚羧酸，芳族聚羧酸酐和芳族聚羧酸氯化物。
13.权利要求1的方法，其特征在于所述蚀刻保护剂包括从以下一组材料中选择的化合物，所述一组材料包括苯二甲酸，邻苯二甲酸酐，间苯二甲酸，对苯二酸，苯二甲酸氯化物，萘二甲酸，萘二甲酸酐，萘乙酸和蒽过氧酸。
14.权利要求1的方法，其特征在于把所述蚀刻保护剂溶解在水中形成水溶液。
15.权利要求1的方法，其特征在于所述蚀刻基片的步骤包括等离子体蚀刻。
16.权利要求15的方法，其特征在于所述等离子体蚀刻是利用含卤素的蚀刻气体实现的。
17.权利要求1的方法，其特征在于还包括在蚀刻之后去除所述光刻胶的步骤。
18.一种用来产生光刻结构的方法，该方法包括(a)提供一种光刻胶，它包括原料树脂，后者含有按重量计的大约0％至20％的芳族成分并且包含被保护的活性位点，所述被保护的活性位点在去保护时提供反应位点；以及光敏成分，它对波长不长于大约2500埃的电磁辐射敏感；(b)将所述光刻胶涂敷在基片上；(c)将所述光刻胶的构成图案的区域选择性地暴露在所述电磁辐射的有效的第一剂量下；(d)将所述光刻胶暴露在显影剂下，以便产生构成图案的光刻胶；(e)将所述原料树脂的被保护的活性位点去保护，以便提供反应位点，其方法是使所述构成图案的光刻胶经受所述电磁辐射的第二剂量，然后将所述构成图案的光刻胶加热到从大约100℃至大约150℃的温度；(f)使从步骤(e)产生的所述反应位点与含芳族环的蚀刻保护剂起反应，以便把所述蚀刻保护剂包含在所述原料树脂的结构中，所述蚀刻保护剂是从一组材料中选择的化合物，所述一组材料包括芳族聚羧酸，芳族聚羧酸酐和芳族聚羧酸氯化物；以及(g)对所述基片进行蚀刻。
19.权利要求18的方法，其特征在于所述光刻胶基本上不包含芳族基。
20.权利要求19的方法，其特征在于所述电磁辐射的波长短于大约2000埃。
21.权利要求18的方法，其特征在于所述蚀刻保护剂是从以下一组材料中选择的化合物，所述一组材料包括苯二甲酸，邻苯二甲酸酐，间苯二甲酸，对苯二酸，苯二甲酸氯化物，萘二甲酸，萘二甲酸酐，萘乙酸和蒽过氧酸。
全文摘要
提供一种易于构成并且适合于深紫外范围构图的光刻胶系统。通过利用蚀刻保护剂的处理,在用光刻法产生的光刻胶结构中产生对于含卤素等离子体的增强的耐蚀刻性。蚀刻保护剂主要包括芳族结构并且包含适合于与光刻胶的反应基起化学反应的反应基。在实施例中,光刻胶包含原料树脂,它在与芳族蚀刻保护剂反应之前不包含芳族基。蚀刻保护剂最好包含:芳族聚羧酸,芳族聚羧酸酐或芳族聚羧酸氯化物。
文档编号G03F7/40GK1264061SQ0010236
公开日2000年8月23日 申请日期2000年2月17日 优先权日1999年2月17日
发明者U·P·施勒德尔, G·昆克尔, A·古特曼 申请人:因芬尼昂技术北美公司