光刻返工方法与流程

1.本发明涉及半导体制造技术领域，特别是涉及一种光刻返工方法。


背景技术：

2.光刻(photolithography，简称photo)工艺是半导体器件制造工艺中的一个重要步骤，该步骤利用曝光和显影在光刻材料层上刻画几何图形结构，然后通过刻蚀工艺将光掩模上的图形转移到所在衬底上。光刻工艺是半导体制造过程中为数不多的几个可以进行返工(rework)的工艺之一。当形成的光刻图形不满足工艺要求时，可将原有的光刻材料层去除，之后重新涂布光刻材料层并进行曝光显影。返工作业过程中，不仅要确保将原有的光刻材料层完全去除，而且不能造成衬底材料上的既有器件结构的损伤。
3.现有的28nm及以下节点的多晶硅栅极切割三层薄膜堆栈光刻材料，自上而下为光刻胶层(pr)/富硅减反射材料层(si-barc)/填充物层(soc)，其返工工艺一般采用干法刻蚀(o2-cf4-o2)+批次型湿法清洗(batch wet strip)的组合方式。但o2-cf4-o2干法刻蚀只适用于完整的三层薄膜堆栈光刻材料层，即同时包含前述的光刻胶层、富硅减反射材料层和填充物层，不适用于仅含有填充物层的情况。仅含有填充物层的晶圆经过现有的干法刻蚀(o2-cf4-o2)+批次型湿法清洗(batch wet strip)处理后，晶圆上既有的器件结构，例如栅极图形会发生严重异常，栅极图形将从图1所示的结构变形为图2所示的结构。另外，批次型湿法清洗对聚合物(polymer)、颗粒物(particle)、残留物(residue)的去除能力相对单片式处理比较差，导致返工品质下降。


技术实现要素：

4.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种光刻返工方法，用于解决现有技术中的光刻返工方法采用干法刻蚀(o2-cf4-o2)+批次型湿法清洗(batch wet strip)的组合方式进行返工处理，在处理仅含有填充物层的晶圆时，会导致晶圆上已有的器件结构受到损伤，导致器件变形，且批次型湿法清洗的清洁能力有限，导致返工品质下降等问题。
5.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种光刻返工方法，包括步骤：
6.提供待返工的半导体衬底，所述半导体衬底上形成有器件结构和位于器件结构上的光刻材料层，所述光刻材料层包括填充物材料层；
7.先用有机溶剂对所述半导体衬底进行清洗，之后用sf6和o2的刻蚀气体依次进行等离子体刻蚀，最后采用单片式湿法清洗方法进行清洗，以去除所述光刻材料层。
8.在一可选方案中，所述光刻材料层自上而下由光刻胶层、富硅减反射材料层及所述填充物材料层构成。
9.在另一可选方案中，所述光刻材料层自上而下由富硅减反射材料层及所述填充物材料层构成。
10.更可选地，所述光刻胶层的厚度为500a～2000a。
11.可选地，所述富硅减反射材料层的厚度为100a～1000a。
12.在又一可选方案中，所述光刻材料层由所述填充物材料层构成。
13.可选地，所述填充物材料层的厚度为500a～4000a。
14.可选地，所述半导体衬底的器件结构自上而下包括刻蚀阻挡层、多晶硅栅极、栅介质层和有源区。
15.更可选地，所述刻蚀阻挡层的上层为100a～500a的二氧化硅层，下层为100a～500a的氮化硅层，所述多晶硅栅极的高度为200a～1000a，所述栅介质层包括二氧化硅层和/或高k介质材料层。
16.可选地，所述单片式湿法清洗方法中使用的药液包括h2so4:h2o2配比为6:1～4:1且温度为110℃～140℃的混合溶液，以及nh4oh:h2o2:h2o配比为1:1.5:50且温度为30℃～70℃的混合溶液。
17.如上所述，本发明的光刻返工方法，具有以下有益效果：本发明提供的光刻返工方法可以适用于多种结构的光刻材料层的返工处理，即便是在处理仅含有填充物层的晶圆时，也能起到很好的返工效果而不会导致图形变形，也不会引入新的缺陷，有助于提高返工品质。
附图说明
18.图1显示为正常的栅极图形的电子扫描隧道显微镜俯视图。
19.图2显示为采用现有技术的光刻返工方法处理后的栅极图形的电子扫描隧道显微镜俯视图。
20.图3显示为半导体衬底表面的光刻材料层由光刻胶层、富硅减反射材料层及填充物材料层构成的示意图。
21.图4显示为半导体衬底表面的光刻材料层仅有富硅减反射材料层及填充物材料层的示意图。
22.图5显示为半导体衬底表面的光刻材料层仅有填充物材料层的示意图。
23.图6显示为光刻材料层完全去除后的半导体衬底的示意图。
24.图7显示为采用现有技术及本发明的光刻返工方法处理后的硬掩膜图形的尺寸变化对比图。
25.图8显示为采用本发明提供的光刻返工方法进行不同次返工作业后缺陷数量的统计柱状图。
26.元件标号说明
27.11
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半导体衬底
28.12
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光刻胶层
29.13
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富硅减反射材料层
30.14
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填充物材料层
具体实施方式
31.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实
施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
32.为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
33.在本技术的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
34.需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。为使图示尽量简洁，各附图中并未对所有的结构全部标示。
35.请参阅图1至图8。
36.实施例一
37.本实施例提供一种光刻返工方法，包括步骤：
38.提供待返工的半导体衬底11，所述半导体衬底11上形成有器件结构和位于器件结构上的光刻材料层，所述光刻材料层包括填充物材料层14；所述半导体衬底11例如为硅晶圆，硅晶圆内形成的器件结构例如自上而下包括刻蚀阻挡层、多晶硅栅极、栅介质层和有源区，但并不仅限于此，本实施例的光刻返工方法适用于各种类型的衬底的双重曝光光刻返工作业；且本实施例中，所述光刻材料层自上而下为光刻胶(pr)层12、富硅减反射材料(si-barc)层13及所述填充物材料层14，即本实施例提供的光刻材料层为三层堆栈结构，所述填充物材料层14例如为soc层(spin on carbon，旋涂碳硬掩模)，它可以填充光刻胶层12下面的器件结构，例如填充栅极之间的缝隙，并形成一个平坦化的材料层，以便于后续光刻胶均匀旋涂，所述光刻胶层12可以为正胶层或负胶层，只要在后续的清洗步骤中根据各材料层的材质选择合适的清洗溶剂即可；在进一步的示例中，所述刻蚀阻挡层的上层为100a～500a的二氧化硅层，下层为100a～500a的氮化硅层，所述多晶硅栅极的高度为200a～1000a，所述栅介质层包括二氧化硅层和/或高k介质材料层，但不仅限于此，器件结构还可以为其他设置，本实施例的光刻返工方法适用于具有不同器件结构半导体衬底的双重曝光光刻返工作业，尤其是图形越精细，器件关键尺寸越小，越适用于采用本实施例的方法进行返工作业；
39.然后进行返工作业，先用有机溶剂对所述半导体衬底11进行清洗，之后用sf6和o2的刻蚀气体依次进行等离子体刻蚀，最后采用单片式湿法清洗方法进行清洗，以去除所述光刻材料层；所述有机溶剂的具体类型根据前述的各材料层的材质进行择优选择，只要确保所述有机溶剂可以溶解光刻胶层12，但不与底层的填充物材料层14和中间层的富硅减反射材料层13反应即可，例如所述有机溶剂可以为包含pgme(丙二醇甲醚醋酸酯)的稀释剂，
也可以为包含nmp(n-甲基吡咯烷酮)的剥离液，也可以是先后使用多种有机溶剂进行清洗，有机溶剂对光刻胶层12进行溶解，经有机溶剂清洗后，光刻胶层12被去除，得到的结构如图4所示；接下来使用sf6和o2对残余的光刻材料层依次进行等离子体刻蚀，具体地，sf6+o2等离子气体作业过程为先用sf6等离子气体刻蚀，然后抽干sf6等离子基团及反应物，再通o2气体使用氧等离子气体刻蚀，其中sf6可与中间层的富硅减反射材料层13反应，o2可与底层的填充物材料层14反应，而不与刻蚀阻挡层反应，且此处需要特别强调说明的是，已往的方案中都是使用cf4+o2进行此步骤的等离子体刻蚀，但研究表明，cf4刻蚀产生的等离子体与富硅减反射材料层13表面的硅材质反应后，会在表面产生电绝缘的碳及氟化碳聚合物，不仅阻挡了后续等离子体与硅的反应，也影响了挥发性产物sif
x
的去除，最终影响cf4对富硅减反射材料层13的刻蚀速率。然而，在相同条件下，sf6产生的f自由基的浓度比cf4产生的f自由基浓度高，且sf6与富硅减反射材料层13表面的硅反应后产生的副产物不会阻挡挥发性产物sif
x
的去除。因此，本发明人经大量实验后，确定采用sf6+o2等离子体的刻蚀方案，相较于采用cf4+o2的方案，可以极大提高刻蚀速率(提高5倍以上)，经等离子体刻蚀后，富硅减反射材料层13被去除，且填充物材料层14也将被去除，得到如图5所示的结构；等离子刻蚀完成后，在通过单片式湿法清洗将刻蚀产物去除，例如将完成等离子体刻蚀的半导体衬底放置于单片式清洗设备的载台上，通过喷嘴向半导体衬底表面喷洒清洗液体以去除表面的残留物，在较佳的示例中，单片式湿法清洗方法中使用的药液包括h2so4:h2o2配比为6:1～4:1且温度为110℃～140℃的混合溶液，以及nh4oh:h2o2:h2o配比为1:1.5:50且温度为30℃～70℃的混合溶液，且之后还可以再用去离子水进行清洗，最后可以再进行干燥；单片式清洗具有清洗效果好的优点，可以有效避免刻蚀产物的残留，提高晶圆表面洁净度，该步骤后得到的结构如图6所示。
40.采用本实施例提供的光刻返工方法相较于现有技术，可以有效减少对硬掩膜图形关键尺寸(cd)的影响。如图7所示为采用现有的光刻返工处理方法进行返工处理和采用本实施例的光刻返工方法对结构片和产品片进行返工处理后的多晶硅栅极的硬掩膜图形尺寸变化对比图。可以看到，在经过3次光刻返工重复作业后，本实施例的返工方法引起的cd变化为1nm左右，远小于采用现有方法产生的3nm以上的变化，这充分说明采用本实施例的光刻返工方法，可以提高图形稳定性。本实施例处理后，半导体衬底11的栅极图形与原有图形相比没有变形，仍呈现为如图1所示的形貌。
41.另外，采用本实施例提供的光刻返工方法相较于现有技术，有助于减少缺陷数量，提高返工品质。参考图8所示，采用本实施例的光刻返工方法经过1～3次光刻返工重复作业后，并没有引入或新增新的缺陷。
42.本实施例中，对光刻材料层的各厚度并没有严格的限定，只要根据各材料层的厚度适当调整有机溶剂清洗、等离子体刻蚀和单片式湿法清洗的时间即可。但从整个工艺的角度考虑，较佳地，所述光刻胶层12的厚度为500a～2000a，所述富硅减反射材料层13的厚度为100a～1000a，所述填充物材料层14的厚度为500a～4000a。
43.本实施例的光刻返工方法尤其适用于28nm及以下节点制程的光刻返工，可以最大程度减少对器件结构的损伤。
44.实施例二
45.实施例一中，所述光刻材料层自上而下包括光刻胶层12、富硅减反射材料层13和
填充物材料层14，为三层堆栈结构，而本实施例中，所述光刻材料层由上部的富硅减反射材料层13及底部的所述填充物材料层14构成，即仅为两层结构，因而其初始结构如图4所示，但光刻返工方法与实施例一完全一样，即先用有机溶剂对所述半导体衬底11进行清洗，之后用sf6和o2的刻蚀气体依次进行等离子体刻蚀，最后采用单片式湿法清洗方法进行清洗，以去除所述光刻材料层；有机溶剂不会与填充物材料层14和富硅减反射材料层13反应而只是初步去除杂质，之后通过等离子体刻蚀与富硅减反射层和填充物材料层14反应，最后再用单片式湿法清洗处理，最终同样得到如图6所示的结构，且呈现出的效果和实施例一完全一样，即对cd变化影响小，同样不会引入新的缺陷，也不会导致栅极图形变形。本实施例除光刻材料层的结构不一样外，返工处理的步骤及各步骤的操作完全相同，具体请参考实施例一的内容，出于简洁的目的不赘述。
46.实施例三
47.实施例一中，所述光刻材料层自上而下包括光刻胶层12、富硅减反射材料层13和填充物材料层14，为三层堆栈结构，而本实施例中，所述光刻材料层由所述填充物材料层14构成，为单层结构，因而其初始结构如图5所示。除该区别外，本实施例的返工处理方法与实施例一完全一样，即先用有机溶剂对所述半导体衬底11进行清洗，之后用sf6和o2的刻蚀气体进行等离子体刻蚀，最后采用单片式湿法清洗方法进行清洗，去除所述光刻材料层后得到的结构如图6所示，且呈现出的效果和实施例一完全一样，即对cd变化影响小，同样不会引入新的缺陷，也不会导致栅极图形变形。本实施例除光刻材料层的结构不一样外，返工处理的步骤及各步骤的操作完全相同，具体请参考实施例一的内容，出于简洁的目的不赘述。
48.本发明提供的光刻返工方法，相较于现有技术，可以适用于多种结构的光刻材料层的返工处理，即便是在处理仅含有填充物层的晶圆时，也能起到很好的返工效果而不会导致图形变形，也不会引入新的缺陷，有助于提高返工品质。
49.综上所述，本发明提供一种光刻返工方法，包括步骤：提供待返工的半导体衬底，所述半导体衬底上形成有器件结构和位于器件结构上的光刻材料层，所述光刻材料层包括填充物材料层；先用有机溶剂对所述半导体衬底进行清洗，之后用sf6和o2的刻蚀气体进行等离子体刻蚀，最后采用单片式湿法清洗方法进行清洗，以去除所述光刻材料层。本发明提供的光刻返工方法可以适用于多种结构的光刻材料层的返工处理，即便是在处理仅含有填充物层的晶圆时，也能起到很好的返工效果而不会导致图形变形，适用性大大提高；也不会引入新的缺陷，有助于提高返工品质。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
50.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。