专利名称：复合光致抗蚀剂层结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光致抗蚀剂层结构，特别是一种用于半导体工艺中微小尺寸图案的转印的复合光致抗蚀剂层结构。
背景技术：
一般而言，半导体工艺中的光刻工艺(photolithographic process)与蚀刻工艺用来定义集成电路中的各种电子单元以及内连线等结构。随着集成电路的集成度需求日益提升，光刻工艺中的曝光光源已从g-线(436nm)或I-线(365nm)逐渐地转向利用深紫外光区域的光线，例如波长为248nm以及193nmm的曝光光源。对于波长越短的光源而言，其相对应的光致抗蚀剂的厚度则越薄，然而，光致抗蚀剂的厚度太薄会导致其无法抵抗后续的蚀刻。因此，对于利用短波长的曝光光源的光刻工艺而言，寻求一适当的光致抗蚀剂层结构以供光刻工艺以及蚀刻工艺使用是必须的。
请参考图1，图1为现有光致抗蚀剂层结构示意图。如图1所示，一半导体晶片10包含有一衬底12、一抗反射层14与一光致抗蚀剂层16。由于曝光光源的波长与聚焦深度(depth of focus，DOF)成正比，为了精确地将光罩上的图案转印至光致抗蚀剂层16内，光致抗蚀剂层16的厚度必须配合曝光光源的波长，因此对于深紫外光区域的光源(如小于248nm)而言，光致抗蚀剂层16的厚度则不能太厚，以确保接近光致抗蚀剂层16的表面端或是其底端的光致抗蚀剂分子都有约略相同的聚焦。然而，在后续的蚀刻工艺中，光致抗蚀剂层16的作用之一即是作为衬底12的蚀刻掩膜，光致抗蚀剂层16的厚度过薄则无法有效地抵挡蚀刻工艺的侵袭。
请参考图2，图2为现有另一种光致抗蚀剂层结构示意图，其目的是为了克服上述的问题。如图2所示，一半导体晶片20包含一衬底22、一氮氧硅层24、一抗反射层26以及一光致抗蚀剂层28。其中氮氧硅层24作为一硬掩膜(hard mask)，以弥补光致抗蚀剂层28的厚度过薄而无法抵挡蚀刻工艺的侵蚀的不足。此外，当光罩上的图案转移至衬底22内之后，氮氧硅层24、抗反射层26及光致抗蚀剂层28则随后被去除，然而，氮氧硅层24的去除步骤往往会破坏衬底22的结构。
此外，光致抗蚀剂层厚度不足的解决方法还包括，一是利用双层光致抗蚀剂结构技术(美国专利第6,323,287号)，另一是利用顶面映射(TSI(topsurface image))技术(美国专利第6,296,989号)。不过这两种方法都必须引入新的光致抗蚀剂材料，例如，在TSI技术中，光致抗蚀剂层是一含硅(silicon-containing)的光致抗蚀剂材料。而此势必会增加工艺的复杂性与困难，此外，新光致抗蚀剂材料的引入也会增加工艺成本，因此寻求一适当的光致抗蚀剂层结构以供光刻工艺以及蚀刻工艺使用是必须的。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于半导体工艺中微小尺寸图案的转印的复合光致抗蚀剂层结构，以解决前述问题。
依据本发明的目的，在本发明的优选实施例中提供一种复合光致抗蚀剂层结构，该复合光致抗蚀剂层结构包含一第一有机层，设于一待蚀刻面上；一牺牲层，设于该第一有机层上；以及一第二有机层，设于该牺牲层上。其中该第一有机层利用易于用等离子体去除的有机材料构成，以避免在图案转印过程中损伤该待蚀刻面。
本发明提供一种复合光致抗蚀剂层结构，其包含一第一有机层、一无机牺牲层以及一第二有机层。由于牺牲层与第一有机层的存在，该第二有机层厚度可依照曝光光源的波长来调整，而不会有光致抗蚀剂层过薄而抵挡不住蚀刻的不足，因此，光罩上的预定图案可以精确地转印至半导体晶片上，并且可获得一优选的临界尺寸(critical dimension，CD)控制。此外，第一有机层可视为一硬掩膜，其可轻易地利用等离子体去除，并且第一有机层的去除对基材的损伤相当地轻微。
图1为现有光致抗蚀剂层结构示意图；图2为现有另一种光致抗蚀剂层结构示意图；图3为本发明的复合光致抗蚀剂层结构示意图；图4(A)至图4(F)是在蚀刻工艺中利用复合光致抗蚀剂层30的示意图；以及图5为本发明的另一实施例的复合光致抗蚀剂层结构示意图。
附图中的附图标记说明如下10半导体晶片 12衬底14抗反射层16光致抗蚀剂层20半导体晶片 22衬底24氮氧硅层26抗反射层28光致抗蚀剂层30复合光致抗蚀剂层30a第一有机层 30b牺牲层30c第二有机层 40半导体晶片42衬底50半导体晶片50a第一有机层 50b牺牲层50c抗反射层 50d第二有机层具体实施方式
请参考图3，图3为本发明的复合光致抗蚀剂层结构示意图。如图3所示，复合光致抗蚀剂层30包含一第一有机层30a、一设于第一有机层30a上的牺牲层30b以及一设于牺牲层30b上的第二有机层30c。其中第一有机层30a与第二有机层30c皆为有机材料，而牺牲层30b则是无机材料。
其中，第一有机层30a可轻易地利用等离子体去除，第一有机层30a可由有机低介电常数材料(例如SiLKTM材料)所构成，此外，其亦可由旋涂二氧化硅(SOG(spin-on glass))层所构成，而上述等离子体可以是氧气、氮气、氢气、氩气、CxFy、CxHyFz或氦气等等离子体。牺牲层30b的组成可以是无机抗反射材料，例如氮氧化硅(SiON)以及氮化硅，此外，牺牲层30b亦可由硬掩膜材料所构成，例如氮化硅以及氧化硅。而第二有机层30c可为一有机光致抗蚀剂层，其可为正光致抗蚀剂以及负光致抗蚀剂，此外，第二有机层30c并不限于有机光致抗蚀剂材料，其亦可由适用于电子束光刻技术(e-beam lithography)的有机材料所构成。而复合光致抗蚀剂层30可适用于半导体工艺中的任一光刻工艺，因此第一有机层30a、牺牲层30b与第二有机层30c的厚度乃是依据工艺的需要而加以调整，这应为本领域技术人员所熟知。
请参考图4(A)至图4(F)，图4(A)至图4(F)是在蚀刻工艺中利用复合光致抗蚀剂层30的示意图。如图4A所示，一半导体晶片40包含一待蚀刻的衬底42，以及复合光致抗蚀剂层30形成于待蚀刻衬底42之上，其中待蚀刻衬底42包含硅衬底、金属衬底与介电层等。首先，如图4(B)与图4(C)所示，进行一曝光工艺以及一显影工艺，以将光罩上的预定图案转印至第二有机层30c内。接着，利用第二有机层30c做为一蚀刻掩膜，对牺牲层30b进行一干法蚀刻工艺，以将第二有机层30c内的预定图案转印至牺牲层30b内。此外，在本发明的另一实施例之中，亦可利用电子束光刻技术在第二有机层30c内形成该预定图案。
接着，如图4(D)至图4(F)所示，进行一各向异性蚀刻工艺，并利用牺牲层30b做为一蚀刻掩膜，以将牺牲层30b内的预定图案转印至第一有机层30a内。接着，再利用牺牲层30b与第一有机层30a做为一蚀刻掩膜，并进行一蚀刻工艺，以将第一有机层30a与牺牲层30b内的预定图案转移至待蚀刻衬底42之内。其中，在蚀刻待蚀刻衬底42的过程中，牺牲层30b会一并被去除。当第一有机层30a内的预定图案转移至待蚀刻衬底42之内后，随即去除第一有机层30a，至此，光罩上的图案便成功地转印至待蚀刻衬底42内。其中，第一有机层30a可视为一硬掩膜，其可以弥补第二有机层30c的厚度不足而无法抵挡蚀刻的缺陷，因此，本发明的复合光致抗蚀剂层30可用于深紫外光区域的曝光光源(如波长小于248nm的激光光源)。此外，传统的硬掩膜材料(如氮化硅或氧化硅)的去除步骤通常在酸槽内进行，而此步骤往往会严重损伤待蚀刻衬底42。但是，第一有机层30a只需要利用等离子体即可去除之，其对待蚀刻衬底42的伤害较轻微。
请参考图5，图5为本发明的另一实施例的复合光致抗蚀剂层结构示意图。如图5所示，一复合光致抗蚀剂层50包含一第一有机层50a、一设于第一有机层50a上的牺牲层50b、一设于牺牲层50b上的抗反射层50c、以及一设于抗反射层50c上的第二有机层50d。其中第一有机层50a由有机低介电常数材料或SOG所构成，其可轻易地利用等离子体去除。牺牲层50b由硬掩膜材料所构成，其包含氮化硅以氧化硅。抗反射层50c是有机抗反射材料(organic bottom ARC)例如聚酰亚胺(polyimide)及其类似物，此外，抗反射层50c亦可由无机抗反射材料所构成，例如氮氧化硅(SiON)。而第二有机层50d可为一有机光致抗蚀剂层，其可为正光致抗蚀剂以及负光致抗蚀剂，此外，第二有机层50d并不限于有机光致抗蚀剂材料，其亦可由适用于电子束光刻技术(e-beam lithography)的有机材料所构成。而抗反射层50c用来防止入射光线经由基材再反射回光致抗蚀剂层，而在第二有机层50d内形成驻波(standing wave)，进而导致光致抗蚀剂线宽的改变。如前所述，复合光致抗蚀剂层50亦可适用于半导体工艺中的任一光刻工艺，因此第一有机层50a、牺牲层50b、抗反射层50c与第二有机层50d的厚度乃是依据工艺的需要而加以调整，这应为本领域技术人员所熟知。
相较于现有技术，本发明提供一种复合光致抗蚀剂层结构，其包含一第一有机层、一无机牺牲层以及一第二有机层。该第二有机层厚度可配合曝光光源的波长来调整，并藉由调整牺牲层与第一有机层的厚度，以提供一足够厚的复合光致抗蚀剂层结构以抵挡蚀刻工艺的侵蚀，因此，光罩上的预定图案可以精确地转印至半导体晶片上，并且可获得一优选的临界尺寸(critical dimension，CD)控制。此外，第一有机层可视为一硬掩膜，但其可轻易地利用等离子体去除，并且第一有机层的去除步骤不会对基材造成严重的伤害。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。
权利要求
1.一种复合光致抗蚀剂层结构，包括一第一有机层，设于一待蚀刻面上；一牺牲层，设于该第一有机层上；以及一第二有机层，设于该牺牲层上。
2.如权利要求1所述的复合光致抗蚀剂层结构，其中该待蚀刻面为一硅表面、一金属表面、或一介电层表面。
3.如权利要求1诉述的复合光致抗蚀剂层结构，其中该第一有机层利用易于用等离子体去除的有机材料构成，以避免在一图案转印过程中损伤该待蚀刻面。
4.如权利要求3所述的复合光致抗蚀剂层结构，其中该第一有机层由有机低介电常数材料所构成。
5.如权利要求3所述的复合光致抗蚀剂层结构，其中该第一有机层由旋涂二氧化硅构成。
6.如权利要求3所述的复合光致抗蚀剂层结构，其中该等离子体可以是氧气、氮气、氢气、氩气、CxFy、CxHyFz或氦气等离子体。
7.如权利要求1所述的复合光致抗蚀剂层结构，其中该牺牲层由无机抗反射材料所构成。
8.如权利要求1所述的复合光致抗蚀剂层结构，其中该牺牲层由氮化硅、氧化硅或氮氧化硅(SiON)所构成。
9.如权利要求1所述的复合光致抗蚀剂层结构，其中该第二有机层由可吸收248nm以下波长光线的有机光致抗蚀剂所构成。
10.如权利要求1所述的复合光致抗蚀剂层结构，其中该第二有机层可适用于电子束光刻技术。
11.一种光致抗蚀剂层结构，用于半导体工艺中微小尺寸图案的转印，该光致抗蚀剂层结构包括一第一有机层，设于一待蚀刻面上；一牺牲层，设于该有机层上；一抗反射层，设于该牺牲层上；以及一第二有机层，设于该抗反射层上。
12.如权利要求11所述的光致抗蚀剂层结构，其中该待蚀刻面是一硅表面、一金属表面、或一介电层表面。
13.如权利要求11所述的光致抗蚀剂层结构，其中该第一有机层利用易于用等离子体去除的有机材料所构成，以避免在一图案转印过程中损伤该待蚀刻面。
14.如权利要求13所述的光致抗蚀剂层结构，其中该第一有机层由有机低介电常数材料或旋涂二氧化硅所构成。
15.如权利要求13所述的光致抗蚀剂层结构，其中该等离子体可以是氧气、氮气、氢气、氩气、CxFy、CxHyFz或氦气等离子体。
16.如权利要求11所述的光致抗蚀剂层结构，其中该牺牲层由氮化硅或氧化硅所构成。
17.如权利要求11所述的光致抗蚀剂层结构，其中该抗反射层由有机抗反射材料所构成。
18.如权利要求17所述的光致抗蚀剂层结构，其中该抗反射层由聚酰亚胺所构成。
19.如权利要求11所述的光致抗蚀剂层结构，其中该抗反射层由无机抗反射材料所构成。
20.如权利要求19所述的光致抗蚀剂层结构，其中该抗反射层由氮化硅或氮氧化硅所构成。
21.如权利要求11所述的光致抗蚀剂层结构，其中该牺牲层在一预定图案转印至该待蚀刻面的过程中被去除，而该第一有机层则是在该预定图案转印至该待蚀刻面之后才利用等离子体去除。
22.如权利要求11所述的光致抗蚀剂层结构，其中该第二有机层由可吸收248nm以下波长光线的有机光致抗蚀剂所构成。
23.如权利要求11所述的光致抗蚀剂层结构，其中该第二有机层可适用于电子束光刻技术。
24.一种制作半导体元件的方法，其包括提供一衬底；在该衬底上依次形成一第一有机层、一牺牲层、与一第二有机层；进行一光刻工艺，以在该第二有机层内形成一预定图案；利用该第二有机层作为一蚀刻掩膜以蚀刻该牺牲层，并暴露出该第一有机层的表面，以将该预定图案转印至该牺牲层内；利用该牺牲层作为一蚀刻掩膜，蚀刻该第一有机层直到该衬底的表面，以将该预定图案转印至该第一有机层内；利用该牺牲层与该第一有机层作为蚀刻掩膜以蚀刻该衬底，以将该预定图案转移至该衬底内；以及利用等离子体去除该第一有机层。
25.如权利要求24所述的方法，其中该第一有机层由有机低介电常数材料或旋涂二氧化硅所构成。
26.如权利要求24所述的方法，其中该等离子体可以是氧气、氮气、氢气、氩气、CxFy、CxHyFz或氦气等离子体。
27.如权利要求24所述的方法，其中该牺牲层由氮化硅或氧化硅所构成。
28.如权利要求24所述的方法，其中该第二有机层由可吸收248nm以下波长光线的有机光致抗蚀剂所构成。
29.如权利要求24所述的方法，其中该第二有机层可适用于电子束光刻技术。
30.如权利要求24所述的方法，其中该衬底为一硅衬底、一金属衬底、或一介电层。
全文摘要
本发明提供一种复合光致抗蚀剂层结构，该复合光致抗蚀剂层结构包含有一第一有机层，设置在一待蚀刻面上；一牺牲层，设于该第一有机层上；以及一第二有机层，设于该牺牲层上。其中该第一有机层利用易于用等离子体去除的有机材料所构成，以避免在一图案转印过程中损伤该待蚀刻面。
文档编号G03F7/09GK1450595SQ02105820
公开日2003年10月22日 申请日期2002年4月11日 优先权日2002年4月11日
发明者黄瑞祯 申请人:联华电子股份有限公司