专利名称：接触孔图案化用的明场图像反转的制作方法
技术领域：
本发明广泛地涉及接触孔图案化(contact hole patterning)。更具体地，本发明涉及接触孔图案化用的明场图像反转(bright field imagereversal)。
接触孔为形成半导体装置的一项重要要件。典型地，接触孔使用一个暗场掩模与一个正型光刻胶而形成。正型光刻胶典型地为三项成分材料，具一个基质成分，一个感光剂成分，与一个溶剂成分，其特性由光感成分的光化学变化所改变，由一个溶解抑制剂至一个溶解增强剂。参见例如R.Wolf，Silicon Processing for the VLSI Era，第1册，418页。
为形成非常微小的接触孔特征，例如尺寸小于100纳米的接触孔或贯穿孔，暗场图案化将引起一些问题，因于这些非常微小尺寸范围其提供不良的临界尺寸控制。此主要由于使用一个暗场掩模与正型光刻胶的微小接触孔特征分辨率将难以控制，由于分辨率限制与高掩模误差因素感光度。
依照本发明的一个较佳具体实施例，上述目的可藉由在半导体装置形成一个接触孔的方法而达成。该方法包括形成一层中间层电介质层于基片的步骤，且接着形成一层正型抗蚀剂于中间层电介质层上。该方法接着包括使用明场掩模照射正型抗蚀剂的步骤，该明场掩模具有与正常接触掩模相反的极性(暗场与明场)。明场掩模的尺寸与欲形成于半导体装置里的接触孔相同。该方法进一步地包括显影照射的正型抗蚀剂的步骤，以便移除照射的正型抗蚀剂，从而仅留下部分正型抗蚀剂残余于中间层电介质层上。该方法更进一步地包括施加一层负型抗蚀剂以覆盖中间层电介质层与部分正型抗蚀剂的步骤，且接着使负型抗蚀剂凹陷使得部分正型抗蚀剂顶端区域延伸于凹陷的负型抗蚀剂上。本方法亦包括曝光凹陷负型抗蚀剂与部分正型抗蚀剂于大量光线的步骤，并接着施加显影剂至半导体装置以便移除部分正型抗蚀剂。结果，一个贯穿孔或接触孔形成于部分正型抗蚀剂先前形成的位置。
上述目的亦可藉由一个于半导体装置形成一个接触孔的方法而达成。该方法包括形成第一层于基质，且接着形成正型抗蚀剂层于第一层。该方法亦包括使用一个明场掩模照射正型抗蚀剂，其中明场掩模的尺寸与欲形成于半导体装置里的接触孔相同。该方法进一步地包括使照射的正型抗蚀剂与显影剂接触，以便移除照射的正型抗蚀剂，从而仅留下部分正型抗蚀剂残余于第一层上。该方法更进一步地包括施加一层负型抗蚀剂以覆盖第一层与部分正型抗蚀剂。本方法亦包括使负型抗蚀剂凹陷使得部分正型抗蚀剂的顶端表面不为负型抗蚀剂所覆盖。该方法进一步地包括使凹陷负型抗蚀剂与部分正型抗蚀剂曝光于光线。该方法更进一步包括施加一个显影剂至半导体装置以便溶解部分正型抗蚀剂。结果，形成接触孔于部分正型抗蚀剂先前形成的位置。
实施本发明的较佳模式常见微影工艺的一个主要关心为这些工艺于接触孔形成到达尺寸极限，尤其形成尺寸为100纳米(nm)或更小的接触孔。如早先所解释，常见接触孔形成使用一个暗场掩模与一个正型光刻胶，其导致难以控制，由于分辨率限制与高MEF。
图1显示一个明场柱子的MEF，且图2显示一个暗场掩模的MEF。这两份图表显示晶片尺寸与掩模尺寸的感光度。MEF的测量为直线的斜率，其近似于打印于图表的直线方程式的第一项。暗场掩模的改变导致晶片(光刻胶)增加4.6倍。明场掩模改变于晶片放大1.7倍。因此，如图1与图2所示的图表可知，使用明场掩模，晶片上接触孔变动程度将大为减小，与使用暗场掩模比较。图1与图2所示的资料乃根据发明者执行的测试。
本发明藉由使用一个明场(BF)掩模，形成一个微小圆柱于正型光刻胶，克服于微小接触孔形成的问题，藉以分辨率与MEF与常见微影工艺比较得以改进。进一步处理以反转图像形成一个良好控制的接触孔图案。明场掩模为一种掩模，掩模大部分为透明，仅一部份掩模为不透光。
现在将详细说明该发明，并参照图3(a)至3(d)。图3(a)显示一个半导体结构的横截面图，包括一个基片100，一层中间电介质层110，与一层正型光刻胶层120。中间电介质层110可为任何常见低k电介质，即，具低介电常数的电介质，例如SILK，提供一层不传导防护于传导层间。
如图3(a)所示，一个明场(BF)掩模130提供于半导体结构上，且正型光刻胶层120由位于明场掩模130上的光源照射光线。结果，大部分正型光刻胶层120曝光，除了位于明场掩模130正下方的部分125。一个典型掩模包括透明区域与不透光区域。光线照设整个掩模，并穿越透明区域至正下方的基质区域，但不穿越不透光区域至正下方的基质区域。
图3(b)显示正型光刻胶层120与显影剂溶液接触后的半导体结构。显影剂溶液用以溶解正型光刻胶层120曝光部分，仅留下一个微小圆柱140残余于中间层电介质层110上。可移除正型抗蚀剂的任何种类常见显影剂溶液可于该步骤使用。一般而言，圆柱140不需具环形横截面，而可选择性地具其它横截面形状。
图3(c)显示一层负型光刻胶层150形成于微小圆柱140周围后的半导体结构。负型光刻胶为一种与正型光刻胶作用相反的光刻胶，当部分负型光刻胶曝光时，其将变坚硬且当置于显影剂时将不会被溶解。负型光刻胶所有未曝光部分将不会变坚硬，且因此当置于显影剂时将会被溶解。
负型光刻胶典型地未于微影照相被利用，当超大规模集成电路结构变为越来越小，因负型光刻胶于显影时的膨胀使得其不适合小于3微米的临界控制。见K Wolf，Silicon Processing for the VLSI Era，第1册，420页。然而，本发明以创新方式利用负型光刻胶以提供一个方法以形成具非常微小尺寸的接触孔。
参照图3(c)，形成负型光刻胶层150使得其顶端表面与微小圆柱140(其为正型光刻胶结构)的顶端表面大体上共面。于一个配置，负型光刻胶层150旋涂至半导体结构使其顶端表面正好位于微小圆柱140顶端表面下方(例如，数十埃)，从而余留一段微小圆柱140残段，由负型光刻胶层150的顶端表面向外延伸。于第二种配置，负型光刻胶层150旋涂至半导体结构使其顶端表面形成于微小圆柱140上且因此以一微量完全覆盖(例如，数埃至数十埃)。于该第二配置，负型光刻胶层150被回蚀或研磨，使得微小圆柱140顶端一小部分(例如，数埃至数十埃)由负型光刻胶层150顶端表面向外延伸。
其它形成负型光刻胶层150至半导体结构的方法，除了旋涂外，亦可考虑，只要仍于本发明的范畴内。例如，喷洒涂布，新月形涂布，或刮墨刀涂布可用于形成负型光刻胶层150。
如图3(c)所示，一层包括负型光刻胶层150，且亦包括由正型光刻胶形成的微小圆柱140，提供作为一个组合层于中间层电介质层110上。
图3(d)显示结构置于大量曝光后，即，整个顶端表面皆曝光，并接着置于显影剂的半导体结构。用以达成第3(d)图所示结构的显影剂可与用以移除大部分正型光刻胶层120以达成第3(b)图所示结构为相同显影剂。再度参照第3(d)图，当显影剂与负型光刻胶层150接触时，负型光刻胶层并未被溶解，因其先前藉由大量曝光置于光线下。微小圆柱140，另一方面，当接触至显影剂时将被溶解，因大量曝光改变其特性使其可溶于显影剂(因微小圆柱140由正型光刻胶形成)。
结果，残留的为一个圆柱形小洞160，形成于微小圆柱140先前所在位置(例如，其于显影剂溶解前)。环绕于小洞160的光刻胶层150可接着作为一个抗蚀剂图案以蚀刻一个微小接触孔于中间层电介质层110，例如一个至晶体管闸极的接触孔，将形成于半导体结构里。根据本发明，因一个明场掩模与一个正型光刻胶用以形成一个微小尺寸接触孔的抗蚀剂图案，可达成绝佳控制，形成一个接触孔至精确微小尺寸(例如，小于200纳米)，此类控制不易由使用暗场掩模形成接触孔的常见方法达成。
虽然目前所描绘与说明为本发明一个较佳具体实施例，为熟知此技艺的技术者所知的是可做各种改变与修改，且相等物可代替其组件，只要不背离本发明的真实范畴。此外，可做许多修改以适应一个特定情况或材料至本发明的技术，只要不背离其中心范畴。因此，该发明并不意图限制于揭示的特定具体实施例，做为施行本发明的最好模式，而是本发明将包括所有位于所附申请专利范围范畴内的具体实施例。
权利要求
1.一种形成半导体装置的接触孔的方法，包括形成一层中间层电介质层(110)于一个基片(100)上，且接着形成一层正型抗蚀剂(120)于中间层电介质层上；使用一个明场掩模(130)照射正型抗蚀剂以形成一层照射的正型抗蚀剂层，其中该明场掩模具一个图案，对应于欲形成于半导体装置里的一个接触孔；显影正型抗蚀剂，以便移除照射的正型抗蚀剂层，从而仅留下部分正型抗蚀剂残留于中间层电介质层上；施加一层负型抗蚀剂(150)以覆盖中间层电介质层与部分正型抗蚀剂；使负型抗蚀剂凹陷使得部分正型抗蚀剂的一个顶端区域延伸于凹陷的负型抗蚀剂上；使凹陷的负型抗蚀剂与部分正型抗蚀剂曝光于大量光线；并施加显影剂至半导体装置以便移除部分正型抗蚀剂，其中形成接触孔(160)于部分正型抗蚀剂先前形成的位置。
2.如权利要求1所述的方法，其中的该负型抗蚀剂藉由等离子体回蚀刻负型抗蚀剂形成凹陷。
3.如权利要求1所述的方法，其中的该负型抗蚀剂藉由湿化学回蚀刻负型抗蚀剂形成凹陷。
4.如权利要求1所述的方法，其中的该负型抗蚀剂藉由抛光负型抗蚀剂形成凹陷。
5.如权利要求1所述的方法，其中的该负型抗蚀剂为一种负型光刻胶。
6.如权利要求5所述的方法，其中的该正型抗蚀剂为一种正型光刻胶。
7.如权利要求1所述的方法，其中于凹陷步骤将负型抗蚀剂凹陷于顶端负型抗蚀剂下。
8.一种形成半导体装置的接触孔的方法，包括下列的步骤形成第一层(110)于基片(100)上，且接着形成一层正型抗蚀剂(120)于第一层上；使用明场掩模(130)照射正型抗蚀剂，其中的该明场掩模具一个尺寸(125)与一个欲形成于半导体装置里的接触孔(160)尺寸相等；使照射的正型抗蚀剂于显影剂接触，以便移除照射的正型抗蚀剂，从而仅留下部分正型抗蚀剂残留于第一层上；施加一层负型抗蚀剂(150)以覆盖第一层与部分正型抗蚀剂；使负型抗蚀剂凹陷使得部分正型抗蚀剂其顶端表面不为负型抗蚀剂所覆盖；使凹陷的负型抗蚀剂与部分正型抗蚀剂曝光于光线；且施加显影剂至半导体装置以便溶解部分正型抗蚀剂，其中形成接触孔(160)于部分正型抗蚀剂先前形成的位置。
9.如权利要求8所述的方法，其中的该负型抗蚀剂藉由等离子体回蚀刻负型抗蚀剂形成凹陷。
10.如权利要求8所述的方法，其中的该负型抗蚀剂藉由湿式化学回蚀刻负型抗蚀剂形成凹陷。
全文摘要
一种形成微小接触孔(160)的方法，使用一个明场掩模(130)以形成一个微小圆柱(140)于一层正型抗蚀剂层(120)上。负型抗蚀剂层(150)环绕圆柱形成，且接着回蚀刻或抛光以留下微小圆柱顶端部分暴露于负型抗蚀剂层上。使负型抗蚀剂层与微小圆柱(正型抗蚀剂)曝光于光线下，且接着使之与显影剂接触。结果留存一个微小接触孔(160)于微小圆柱先前形成之处。
文档编号H01L21/027GK1476628SQ01819290
公开日2004年2月18日 申请日期2001年10月30日 优先权日2000年11月21日
发明者C·F·里昂, R·苏布拉马尼亚恩, M·V·普拉特, T·P·卢克, C F 里昂, 卢克, 普拉特, 祭 砟嵫嵌 申请人:先进微装置公司