专利名称：一种制造半导体器件的光刻工艺方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造工艺，具体而言涉及一种制造半导体器件的过程中所使用的光刻工艺方法。
背景技术：
随着集成电路的芯片集成度越来越高，半导体器件的设计规则从65nm缩小到45nm,目前已向32nm甚至更小尺寸的工艺进行挑战。在缩小工艺尺寸的过程中，光刻工艺是最重要的步骤之一。在超大规模集成电路中，器件的关键尺寸(Critical Dimension, CD)的均勻性决定了器件整体的性能。特别是，栅电极的CD是否均匀会影响半导体器件的阈值电压分布以及总的良率。而栅电极尺寸特征的线宽粗糙度(LWR)是衡量栅电极关键尺寸的一个重要指标。线宽粗糙度定义为线宽变化的3倍标准偏差σ。当3 σ LWR大于晶体管的栅极关键尺寸(CD)的10%时，晶体管的性能会受到影响。这是由于沿着栅极的尺寸方向，当CD越大，开启电流ION就会减小，而当CD越小，截止电流IOFF就会增大。因此，如果线宽粗糙度变大，就会引发器件性能的不一致，造成电路的稳定性变差。线宽粗糙度(LWR)来自于图形刻化过程的各个工艺步骤条件及所使用的材料，例如光刻工艺中的曝光能量的微小涨落(shot noise)，光刻胶的光酸扩散长度(PAGdiffusion length),以及蚀刻工艺中不同等离子体对光刻胶的轰击等等。在现有的半导体工艺技术中，已经有多种方法用来降低栅电极的线宽粗糙度，比如通过蒸汽平滑法、臭氧氧化法、采用HBr或Ar气作为蚀刻气体进行蚀刻、硬烘焙(Hardbake)、显影后的特殊冲洗等方法来降低栅电极的线宽粗糙度。但是效果均不是十分理想。图1B示出了通过现有方法对栅电极进行光刻后的SEM照片图。由图中可见，栅电极的线宽粗糙度3 σ达到9.5nm，在深亚微米量级的半导体器件制造中，该线宽粗糙度是无法容忍的。因此，需要一种改进的光刻工艺方法能够降低光刻工艺过程中引起的高线宽粗糙度，保证器件的性能和一致性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种半导体器件的光刻工艺方法。所述方法包括下列步骤:a)在要制作半导体器件的硅片表面涂覆光刻胶；b)对所述硅片实施对准工艺；c)对所述涂覆光刻胶的硅片进行曝光和显影；和(1)用含有增塑剂的溶液对所述硅片的表面进行冲洗。优选地，在所述步骤d)之后还包括对所述硅片进行硬烘焙。优选地，所述硬烘焙的温度在50_150°C，硬烘焙过程的时间为30-240秒。优选地，所述含有增塑剂的溶液为水溶液，其中增塑剂的浓度范围为0.01%至 1%。优选地，所述增塑剂为含有一个或多于一个的酯基、酰胺基、醚基或羟基的化合物。优选地，所述增塑剂为含有4-20个碳原子的基于C-H或C-F的有机化合物。优选地，所述步骤d)的冲洗温度为22-23度。优选地，所述步骤d)的冲洗时间为5-50秒，冲洗量为20_100ml。更优选地，冲洗时间10-20秒，冲洗量50-80ml。优选地，所述增塑剂溶液的化合物选自苯二甲酸酯类、脂肪族二元酸酯类、磷酸酯类、多元醇酯类、苯多酸酯类、柠檬酸酯类、聚酯类、环氧类、含氯类、和反应性增塑剂中的一种或多种。根据本发明的光刻工艺方法能够降低光刻工艺过程中引起的高线宽粗糙度，保证器件的性能和一致性。
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。附图中:图1示出了通过现有方法对栅电极进行光刻后的SEM照片图。图2为根据本发明的光刻工艺方法的流程图。图3为根据本发明的光刻工艺方法对栅电极进行光刻后的SEM照片图。
具体实施例方式在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤，以便阐释本发明如何调整工艺步骤用于降低栅电极关键尺寸的线宽粗糙度。显然，本发明的施行并不限定于半导体领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。下面，参照图2来描述本发明提出的用于降低栅电极关键尺寸的线宽粗糙度的光刻工艺方法的详细步骤。根据本发明的半导体器件的光刻工艺方法包括如下步骤:首先，在步骤201，对要制作半导体器件的硅片表面进行清洗烘干，即预烘焙步骤。该清洗步骤通常采取湿法清洗，并辅以去离子水冲洗。预烘焙工艺通常为脱水烘焙，采用热板烘焙1-2分钟，温度在大约150 250°C，并用氮气对硅片进行保护。这一步骤的目的可以除去表面的污染物，例如颗粒、有机物、前一工艺步骤的残余物等，还可以除去水蒸气，使硅片基底表面由亲水性变为疏水性，增强表面对光刻胶的黏附性。可选地，在步骤202，可以对要涂覆光刻胶的半导体硅片表面进行涂底。可采用气相淀积或旋转涂底的方式，使硅片表面具有疏水性，增强基底表面与光刻胶的黏附性。接着，在步骤203，对要进行光刻的硅片表面进行旋转涂覆光刻胶的工艺步骤。可采用本领域常用的静态涂胶或动态涂胶的方法。接下来，在步骤204，进行软烘焙(Soft Baking)的步骤。可采用本领域常用的热板烘焙的方法，温度控制在70 120°C，时间大约为30 90秒。软烘焙步骤可以除去溶齐U，增强黏附性，释放光刻胶膜内的应力，并防止光刻胶污染设备。接着，在步骤205，去除边缘的光刻胶，即EBR(Edge Bead Removal)步骤。在光刻胶涂覆后，在硅片边缘的正反两面都会有光刻胶的堆积。边缘的光刻胶一般涂布不均匀，不能得到很好的图形，而且容易发生剥离而影响其它部分的图形，所以需要去除。通常可采用化学方法或光学方法进行去除。接着,在步骤206,进行对准(Alignment)步骤,使光刻模板与娃片上已经存在的图形之间对准。接着，在步骤207，曝光工序步骤。可以采用本领域常用的接触式曝光、接近式曝光或投影式曝光等方法。接下来，在步骤208，进行曝光后烘焙(PEB)步骤。所述后烘焙步骤可采用热板在80 140°C的温度下持续约60秒。后烘焙可以减少驻波效应并激发化学增强光刻胶的PAG产生的酸与光刻胶上的保护基团发生反应并移除基团使之能溶解于显影液。然后，在步骤209进行显影步骤。优选地，采用单次旋覆显影液，例如，涂覆显影液后保持10 60秒。然后，在步骤210进行第一清洗步骤，用去离子水对硅片的表面进行冲洗。再在步骤211进行第二清洗步骤，用含有增塑剂的溶液对硅片的表面进行冲洗。可选的，可省去步骤210，直接进行步骤211，即直接用含有增塑剂的溶液取代去离子水对硅片的表面进行冲洗，最后对晶圆进行高速甩干。所述含有增塑剂的溶液一般为水溶液，其中增塑剂的浓度范围为0.01%至I %。所述增塑剂为含有一个或多于一个的酯基、酰胺基、醚基或羟基的化合物，从而能够与部分脱保护的抗性-COOH基团形成氢键。在本发明的优选实施方案中，所述增塑剂为含有4-20个碳原子的基于C-H或C-F的有机化合物。在本发明的优选实施方案中，使用低分子量的酯或酰胺作为光刻胶(PR)聚合物的表面增塑分子，它们可以在光刻胶的图案表面(pattern surface)与部分脱保护的-COOH基团形成氢键形成溶胀区域。由于较小的分子可以在图案面上降低光阻聚合物的Tg，这有利于在随后的硬烘焙步骤中光刻胶表面的聚合物分子发生重排收缩从而改进光刻胶图形的LWR，而不影响图形的尺寸。使用增塑剂溶液冲洗的温度为22-23度，冲洗时间为5-50秒，冲洗的量为20-100ml，优选的范围是冲洗时间10-20秒，冲洗量50_80ml。 优选地，所述增塑剂溶液所使用的化合物选自下列化合物中的一种或多种:(I)苯二甲酸酯类(包括邻苯、对苯、间苯二甲酸酯)。(2)脂肪族二元酸酯类(包括己二酸酯、壬二酸酯、癸二酸酯)。
(3)磷酸酯类(包括磷酸脂肪醇酯、磷酸酚酯和含氯磷酸酯)。(4)多元醇酯类(包括甘油三醋酸酯、一缩二乙二醇苯甲酸酯等)。(5)苯多酸酯类(包括偏苯三酸三辛酯、偏苯三酸三己酯、均苯四酸四酯)。(6)柠檬酸酯类[包括柠檬酸三乙酯、乙酰柠檬酸三乙酯、柠檬酸三丁酯、乙酰柠檬酸三(2-乙基已)酯等]。(7)聚酯类(包括己二酸丙二醇聚酯、癸二酸丙二醇聚酯、邻苯二甲酸聚酯等)。(8)环氧类(包括环氧大豆油、环氧亚麻子油、环氧油酸丁酯、环氧硬脂酸辛酯、环氧化甘油三酸酯、环氧四氢邻苯二甲酸二辛酯等)。(9)含氯类(包括氯化石蜡、五氯硬脂酸甲酯)。(10)反应性增塑剂(包括顺丁烯二酸二丁酯、马来酸二辛酯、丙烯酸/甲基丙烯酸多元醇酯、富马酸酯、衣康酸酯、不饱和聚酯树脂等)。)在上述含增塑剂溶液清洗步骤后，对硅片进行硬烘焙的步骤。所述硬烘焙的温度大约在50-150°C，这一温度要低于树脂的玻璃转化温度Tg。所述树脂的Tg通常为150-180°C。硬烘焙过程的时间为30-240秒。在本发明的优选实施方案中，在使用增塑剂溶液处理之后再在步骤212进行硬烘焙处理。硬烘焙除了能够把残余的溶剂从光阻中去除，改善蚀刻的抵抗力，以及光阻的附著力，更为主要的目的是使光刻胶表面的含有增塑剂的树脂在一个相对光刻胶树脂更低的Tg温度烘烤条件下进行聚合物的分子重排，从而降低器件的线宽粗糙度。通过本发明的半导体器件光刻工艺方法，可以提高半导体器件的LWR高达20%。如图3示出了利用本发明的光刻工艺方法对栅电极进行光刻后的SEM照片图。由图中可见，栅电极的线宽粗糙度3 σ降低为7.5nm。本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。
权利要求
1.一种半导体器件的光刻工艺方法，包括下列步骤: a)在要制作半导体器件的硅片表面涂覆光刻胶； b)对所述硅片实施对准工艺； c)对所述涂覆光刻胶的硅片进行曝光和显影；和 d)用含有增塑剂的溶液对所述硅片的表面进行冲洗。
2.如权利要求1所述的光刻工艺方法，在所述步骤d)之后还包括对所述硅片进行硬烘小立m。
3.如权利要求2所述的光刻工艺方法，其中所述硬烘焙的温度在50-150°C，硬烘焙过程的时间为30-240秒。
4.如权利要求1所述的光刻工艺方法，其中所述含有增塑剂的溶液为水溶液，其中增塑剂的浓度范围为0.01%至1%。
5.如权利要求1所述的光刻工艺方法，其中所述增塑剂为含有一个或多于一个的酯基、酰胺基、醚基或羟基的化合物。
6.如权利要求1或5所述的光刻工艺方法，其中所述增塑剂为含有4-20个碳原子的基于C-H或C-F的有机化合物。
7.如权利要求1所述的光刻工艺方法，其中所述步骤d)的冲洗温度为22-23度。
8.如权利要求1或7所述的光刻工艺方法，其中所述步骤d)的冲洗时间为5-50秒，冲洗量为20-100ml。
9.如权利要求8所述的光刻工艺方法，其中所述步骤d)的冲洗时间10-20秒，冲洗量50_80ml。
10.如权利要求1所述的光刻工艺方法，其中所述增塑剂溶液的化合物选自苯二甲酸酯类、脂肪族二元酸酯类、磷酸酯类、多元醇酯类、苯多酸酯类、柠檬酸酯类、聚酯类、环氧类、含氯类、和反应性增塑剂中的一种或多种。
全文摘要
本发明提供一种半导体器件的光刻工艺方法，包括下列步骤a)在要制作半导体器件的硅片表面涂覆光刻胶；b)对所述硅片实施对准工艺；c)对所述涂覆光刻胶的硅片进行曝光和显影；和d)用含有增塑剂的溶液对所述硅片的表面进行冲洗。根据本发明的光刻工艺方法能够降低光刻工艺过程中引起的高线宽粗糙度，保证器件的性能和一致性。
文档编号G03F7/20GK103186037SQ20111045524
公开日2013年7月3日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者胡华勇, 丁丽华, 林益世 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司