图形化光刻胶的形成方法
【专利摘要】一种图形化光刻胶的形成方法，包括：提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成光刻胶层，所述光刻胶层的厚度大于等于1微米；对所述光刻胶层依次进行软烘和曝光；在所述曝光后的光刻胶层表面喷洒润湿剂，优化所述喷洒参数，在所述曝光后的光刻胶层表面形成润湿层；对表面润湿后的光刻胶层进行显影处理，形成图案化的光刻胶层。采用本发明的方法提高了对厚光刻胶的显影均匀性，并使其在不产生泡状缺陷的前提下大幅缩短形成图形化的光刻胶时间，提高生产效率。
【专利说明】图形化光刻胶的形成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种图形化光刻胶的形成方法。
【背景技术】
[0002]光刻工艺是芯片制作技术中用的最频繁、最关键的工艺之一。半导体器件、光电器件等都需要用光刻工艺将所需的基本组成单元和线路的光掩膜图形转移到半导体衬底表面的光刻胶上，形成图形化光刻胶，然后以图形化光刻胶为掩膜，对半导体衬底进行刻蚀和离子注入。
[0003]当对芯片进行重掺杂的离子注入时，就需要在芯片表面形成厚度大于等于I微米的厚光刻胶。现有技术中，厚光刻胶图形的形成方法具体如下:
[0004]首先，在芯片上涂覆光刻胶层，所述光刻胶层的厚度大于等于I微米。将芯片温度提高到90摄氏度至120摄氏度进行软烘30秒?90秒，然后降温，以去除光刻胶层中的溶齐U，使光刻胶变成固态。对软烘后的光刻胶层进行曝光，将曝光后的芯片放在真空吸盘上，然后对曝光后的光刻胶表面喷洒去离子水。喷洒去离子水的参数为:将真空吸盘的转速设置为20转/分钟，喷洒去离子水的时间为10秒。然后，对喷洒去离子水的光刻胶进行显影处理。其中，显影处理的参数为:将真空吸盘的转速设置为30转/分钟，喷洒显影液的时间为I秒。如此，可使显影液完全覆盖硅片表面并在随后的显影步骤中在光刻胶上形成图形。最后坚膜烘焙图形化光刻胶，以进一步挥发掉残余的光刻胶溶剂，提高光刻胶对晶圆表面的粘附性。最后对图形化光刻胶层进行检查，找出有问题的图形化光刻胶。
[0005]采用现有技术的方法形成的厚图形化光刻胶的图形失真，得到的器件的关键尺寸(CD)与目标尺寸发生差异，使得半导体器件尺寸无法满足要求。
【发明内容】
[0006]本发明解决的问题是采用现有技术的方法形成的厚图形化光刻胶的图形失真，得到的器件的关键尺寸(CD)与目标尺寸发生差异，使得半导体器件尺寸无法满足要求。
[0007]为解决上述问题，本发明提供一种图形化光刻胶的形成方法:包括
[0008]提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成光刻胶层，所述光刻胶层的厚度大于等于I微米；
[0009]对所述光刻胶层依次进行软烘和曝光；
[0010]在所述曝光后的光刻胶层表面喷洒润湿剂，优化所述喷洒参数，在所述曝光后的光刻胶层表面形成润湿层；
[0011]对形成润湿层的光刻胶层进行显影处理，形成图案化的光刻胶层。
[0012]可选的，所述润湿剂为去离子水。
[0013]可选的，在所述曝光后的光刻胶层表面喷洒润湿剂的方法包括:
[0014]将所述半导体衬底放置在真空吸盘上，所述真空吸盘上方设置有第一喷嘴组，所述真空吸盘相对于所述第一喷嘴组水平旋转；[0015]所述喷洒润湿剂参数为:所述真空吸盘在第一喷嘴组喷洒去离子水时的转速为1000?2000转/分钟，所述第一喷嘴组向所述光刻胶层表面喷洒去离子水的时间为I?3秒。
[0016]可选的，对形成润湿层的光刻胶层进行显影处理前，还包括对形成润湿层的光刻胶层进行甩干。
[0017]可选的，所述甩干的方法包括:
[0018]将所述真空吸盘在甩干时的转速设置为1200?1800转/分钟，所述甩干的时间为2?4秒。
[0019]可选的，所述显影处理的方法包括:
[0020]将所述半导体衬底设置在真空吸盘上，所述半导体衬底为圆形，所述真空吸盘上方预定距离设有第二喷嘴组，所述第二喷嘴组中的喷嘴沿所述半导体衬底直径方向排列，所述排列长度大于等于所述半导体直径，所述真空吸盘相对于所述第二喷嘴组水平旋转；
[0021]所述真空吸盘在第二喷嘴组喷洒显影液时的转速为30?60转/分钟，所述第二喷嘴组喷洒在所述光刻胶层表面的显影液的时间为I?2秒。
[0022]可选的，所述预定距离为大于等于I毫米且小于等于3毫米。
[0023]可选的，所述第二喷嘴组中的各喷嘴的尺寸相同且所述喷嘴之间的距离相等。
[0024]可选的，所述软烘的时间大于等于60s且小于等于90s。
[0025]与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点:
[0026]优化所述喷洒参数，润湿所述曝光后的厚光刻胶层表面。但不让润湿剂浸入到厚光刻胶层的内部，在所述厚光刻胶的表面形成润湿层，从而避免厚光刻胶层内部发生局部膨胀和产生泡状缺陷，同时使得显影液能均匀及充分地覆盖光刻胶表面，这样显影液能够更容易的且更均匀和光刻胶层进行反应，从而在避免泡状缺陷的同时，提高了显影均匀性，改善器件的关键尺寸(CD)的均匀性。
[0027]另外，本发明的技术方案并没有增加软烘时间，甚至比现有技术中形成图案化的光刻胶的时间还短。因此，正是在不影响生产效率的前提下解决厚光刻胶层内部发生局部膨胀和产生泡状缺陷问题，达到“鱼与熊掌兼得”的效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1是采用现有技术的方法形成的在喷洒显影液的步骤前的厚光刻胶层厚度方向的剖面结构示意图；
[0029]图2是本发明具体实施例中的在光刻胶层表面进行喷洒润湿剂的部分装置结构示意图；
[0030]图3是本发明具体实施例中的在光刻胶层表面进行喷洒显影液的部分装置结构示意图。
【具体实施方式】
[0031]采用现有技术的方法形成的厚图形化光刻胶的图形失真的原因如下:
[0032]厚光刻胶层的厚度大于等于I微米，而现有技术中，厚光刻胶的形成方法与厚度小于I微米的薄光刻胶的形成方法相同。具体如下:厚光刻胶的软烘时间与薄光刻胶的软烘时间相同。该软烘时间下，薄光刻胶中的溶剂99%已经挥发完全，而且软烘后的薄光刻胶硬度较高。而厚光刻胶中的溶剂并没有挥发干净，使软烘后的厚光刻胶质地比较软。
[0033]接着，对软烘后的厚光刻胶表面进行喷洒去离子水的步骤。之所以喷洒去离子水，是因为去离子水润湿后的光刻胶表面能与显影液形成较小的接触角，在较小的接触角下，显影液就能更容易的覆盖光刻胶表面并均匀的和光刻胶进行反应。对于薄光刻胶来说，软烘后的光刻胶硬度较高，去离子水喷洒在薄光刻胶的表面，去离子水不容易渗入薄光刻胶的内部，而只在薄光刻胶的表面形成润湿层。然而，相同的条件下，去离子水喷洒在较软的厚光刻胶表面时，则水会很容易的渗入厚光刻胶的内部。过多的水和残余溶剂在厚光刻胶内部停留时间较长，会使厚光刻胶的内部发生局部膨胀，在厚光刻胶的内部形成“水泡”，在厚光刻胶的内部形成泡状缺陷。图1为在厚光刻胶10上喷洒去离子水步骤结束后、在厚光刻胶10上喷洒显影液步骤之前的厚光刻胶在厚度方向的剖面结构示意图。参考图1，在厚光刻胶10的内部形成泡状缺陷11。泡状缺陷11使得光刻胶表面不均匀，例如，在光刻胶的表面形成圆形鼓包，从而影响后续在厚光刻胶上的显影效果，使厚图形化光刻胶的图形失真。
[0034]另外，留在硅片表面较多的水会对显影液具有稀释作用，降低后续的显影液的浓度，进一步影响后续显影液的显影效果，使厚图形化光刻胶的图形失真。
[0035]厚图形化光刻胶的图形失真，影响厚光刻胶抗刻蚀或抗注入能力的均匀性，后续得到的器件的关键尺寸(CD)的均匀性变差，使得半导体器件尺寸无法满足要求。
[0036]为解决上述技术问题，发明人曾经尝试增加软烘的时间来提高厚光刻胶的硬度，从而使去离子水不容易渗入厚光刻胶的内部，可以在厚光刻胶的表面形成浸润层。然而，软烘的时间至少需要增加至十分钟才能达到需要硬度，大大延长了制作图形化的光刻胶工艺时间，使得图形化的光刻胶效率低下，因此，增加软烘时间的方法并不适用。
[0037]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种图形化光刻胶的形成方法。可以防止厚图形化光刻胶的图形失真，得到的器件的关键尺寸(CD)与目标尺寸不会发生差异，从而使得半导体器件尺寸满足要求。
[0038]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
[0039]参考图2，执行步骤S11，提供半导体衬底20，在所述半导体衬底20上形成光刻胶层21，所述光刻胶层21的厚度大于等于I微米。
[0040]半导体衬底20材料可以是硅衬底、锗硅衬底、II1- V族元素化合物衬底、碳化硅衬底或其叠层结构，或绝缘体上硅结构，或金刚石衬底，或本领域技术人员公知的其他半导体材料衬底。所述半导体体衬底内部还具有晶体管(图未示)、存储器(图未示)等半导体器件。本实施例中，半导体衬底20为圆形。
[0041]接着，在所述半导体衬底20上形成光刻胶层21之前，还包括在半导体衬底20进行气相成底膜的步骤，具体如下:对半导体衬底20进行清洗以去除玷污物，然后进行脱水和烘焙。烘焙后，采用六甲基二硅胺烷(HMDS)进行助粘附处理，来提高后续形成的光刻胶层与半导体衬底的粘附性。本实施例中，在衬底20表面形成助粘附涂层后，立即采用旋转涂胶的方法在衬底材料上均匀涂上液相光刻胶层。光刻胶层的厚度为大于I微米。
[0042]接着，执行步骤S12，对所述光刻胶层进行软烘和曝光。[0043]本实施例中，为了增加形成图案化的厚光刻胶层的的工艺时间，依然对厚光刻胶层采用现有技术中的软烘方法。具体为:将半导体衬底的温度提高到90摄氏度至120摄氏度，软烘30秒?90秒，然后降温，以去除厚光刻胶层中的溶剂。使液相光刻胶层变成固相。需要说明的是，本实施例中，正因为厚光刻胶层的软烘时间与薄光刻胶层的软烘时间相同，厚光刻胶层中的溶剂并没有挥发干净，使软烘后的厚光刻胶层质地比较软。
[0044]在所述软烘后的光刻胶层表面覆盖具有预先设置好图案的掩膜板(图未示)，掩膜板和光刻胶层对准后，用紫外线自上方照射光刻胶层，光刻胶发生光敏反应，实现曝光，该掩膜板上的图案被转印在光刻胶层上。具体工艺为本领域技术人员熟知技术，在此不再赘述。
[0045]接着，继续参考图2，执行步骤S13，在所述曝光后的光刻胶层21表面喷洒润湿剂，优化所述喷洒参数，在所述曝光后的光刻胶层21表面形成润湿层25。
[0046]本实施例中，润湿剂为去离子水。之所以为去离子水，一方面对光刻胶的润湿能够达到很理想的润湿效果，另一方面，不会在后续的显影步骤中，增加新离子，防止污染后续的显影液。当然，其他实施例中，润湿剂也可以为其他溶剂，只要能够起到润湿光刻胶层21的效果，而且还不污染后续的显影过程的润湿剂都属于本发明的保护范围。在曝光后的光刻胶层21表面喷洒去离子水，并在光刻胶层21表面形成润湿层25 (参考图3)的方法如下:
[0047]将所述半导体衬底20设置在真空吸盘22上，所述真空吸盘22上方设置有第一喷嘴组23，第一喷嘴组23用于喷洒去离子水。本实施例中，真空吸盘22为圆形。半导体衬底20及其上的光刻胶层21也为圆形。第一喷嘴组23包括两个喷嘴，其中一个喷嘴231在光刻胶层的中心进行喷洒去离子水，另一个喷嘴232在光刻胶层21半径的二分之一至三分之二之间喷洒去离子水。所述真空吸盘22由控制真空吸盘的旋转电机带动旋转，因此，真空吸盘22相对于所述第一喷嘴组23水平旋转。真空吸盘22可以顺时针旋转也可以逆时针旋转。图3中的箭头方向为真空吸盘22的旋转方向。
[0048]喷洒润湿剂参数为:真空吸盘22在第一喷嘴组23喷洒去离子水时的转速为1000?2000转/分钟，第一喷嘴组23向所述光刻胶层21表面喷洒去离子水的时间为I?3秒。
[0049]相对于现有技术，本实施例中，将真空吸盘的转速提高50?100倍，将喷洒去离子水的时间缩减十分之九?三分之一。高速旋转的真空吸盘和喷洒去离子水的时间的缩短不仅能够使去离子水只停留在光刻胶层的表面，并不渗入至光刻胶层21的内部。因此，可以避免过多的水和残余溶剂在厚光刻胶层21内部停留时间较长，从而避免厚光刻胶层的内部发生局部膨胀，在厚光刻胶的内部形成“水泡”，避免在厚光刻胶层的内部形成泡状缺陷。另外，高速旋转的真空吸盘和喷洒去离子水的时间的缩短还能够使去离子水覆盖光刻胶层21的整个面积，在光刻胶层的表面形成一层均匀且极薄的润湿层25。润湿层25能够使得光刻胶层21表面润湿，且不会在光刻胶层21的表面产生气泡，在后续步骤中，显影液可以均匀的覆盖光刻胶层21表面，这样显影液能够更容易的且更均匀和光刻胶层进行反应，从而提高了显影效果。再者，本实施例中，缩短喷洒去离子水时间的方法提高了整个制作图形化光刻胶工艺的效率。
[0050]真空吸盘22在第一喷嘴组23喷洒去离子水时的转速太低或者在光刻胶层的表面喷洒去离子水的时间太长，光刻胶层表面的去离子水在光刻胶层表面停留时间相对长，去离子水会渗入至光刻胶层的内部，在光刻胶层的内部会形成泡状缺陷。如果真空吸盘的转速太快或者在光刻胶层的表面喷洒去离子水的时间太短，则去离子水无法全部覆盖光刻胶层，从而在光刻胶层的表面无法形成一层润湿层。
[0051]需要说明的是，本实施例中，在光刻胶层21表面形成润湿层25的两个重要的决定因素是真空吸盘22在第一喷嘴组23喷洒去离子水时的转速和喷嘴组23向所述光刻胶层21表面喷洒去离子水的时间。因此，其他实施例中，只要真空吸盘的转速为1000?2000转/分钟，其他类型的喷嘴，只要满足向光刻胶层表面喷洒去离子的时间为I?3秒，也可以在光刻胶层的表面形成浸润层。
[0052]本实施例中，在光刻胶层21的表面形成润湿层25后，停止向所述光刻胶层21表面喷洒去离子水的操作，对形成润湿层的光刻胶层21还进行甩干步骤。所述甩干的方法包括:将所述真空吸盘在甩干时的转速设置为1200?1800转/分钟，所述甩干的时间为2?4秒。
[0053]甩干操作可以进一步去除形成润湿层的光刻胶层表面的多余去离子水，使润湿层更加均匀。
[0054]甩干操作时，如果真空吸盘在甩干时的转速设置太高、甩干的时间太长，容易将光刻胶层表面的部分润湿层部分甩出，从而破坏光刻胶层表面的润湿层。如果真空吸盘在甩干时的转速设置太低、甩干的时间太短，多余的去离子水会稀释显影液，从而在光刻胶的表面形成不均匀的显影液层，影响显影的均匀性。
[0055]其他实施例中，也可以不进行甩干操作，也能实施本发明。
[0056]接着，参考图3，执行步骤S14，对形成润湿层25的光刻胶层21进行显影处理，形成图案化的光刻胶层。
[0057]将半导体衬底20设置在真空吸盘22上，真空吸盘22上方设有第二喷嘴组24，第二喷嘴组24用于喷洒显影液。第二喷嘴组24比光刻胶层表面高预定距离H。本实施例中，所述预定距离H为I毫米?3毫米。
[0058]第二喷嘴组24中的喷嘴沿半导体衬底20直径方向排列，排列长度大于等于半导体20直径。第二喷嘴组24中各喷嘴的设置方式有两种:第一种设置方式为:各喷嘴的尺寸相同且喷嘴之间的距离相等，例如，日本TEL公司的E-two型号喷嘴(E-two nozzle)。第二种设置方式为:各喷嘴的尺寸是不同的，尺寸不同的各喷嘴至喷嘴组中点间的距离也是不同的，但是，各喷嘴的尺寸与所述各喷嘴至喷嘴组中点的距离相关。例如，日本TEL公司的E-Three型号喷嘴(E-Three nozzle)。控制真空吸盘22的旋转电机带动真空吸盘22相对于第二喷嘴组24水平旋转。真空吸盘22可以顺时针旋转也可以逆时针旋转。图3中的箭头方向为真空吸盘22在第二喷嘴组喷洒显影液时的旋转方向。
[0059]本实施例中，真空吸盘在第二喷嘴组喷洒显影液时的转速为30?60转/分钟，所述第二喷嘴组喷洒在所述光刻胶层表面的显影液的时间为I?2秒。相对于现有技术，真空吸盘在喷洒显影液时的转速增加I?2倍，喷嘴组喷洒在光刻胶表面的显影液的时间也增加I?2倍。相当于增加了喷洒在光刻胶层表面的显影液的量。克服了厚光刻胶层内部的残余溶剂较多稀释显影液的缺陷，提高了显影效果。
[0060]本实施例中，第二喷嘴组的类型、第二喷嘴组至光刻胶表面的预定距离、真空吸盘在第二喷嘴组喷洒显影液时的转速、第二喷嘴组喷洒显影液的时间是紧密联系、不可分割的。需要严格执行这些条件，才能在提高效率的同时，得到最佳的显影效果。
[0061]当然，其他实施例中，采用现有技术的显影参数，也能实施本发明，只是显影效果比上个实施例略差些，但是相对于现有技术来说，也解决了现有技术中的在厚光刻胶层内部产生泡状缺陷的问题，而且还能够在不影响显影效果的同时，不增加厚光刻胶软烘时间的前提下，提高了制作图案化光刻胶层的效率。属于本发明的保护范围。
[0062]显影结束后，就可以在衬底20表面形成图案化的光刻胶层。
[0063]最后坚膜烘焙图形化光刻胶层，以进一步挥发掉残余的光刻胶溶剂，提高图案化的光刻胶层对晶圆表面的粘附性。最后对图形化光刻胶层进行检查，找出有问题的图形化光刻胶层。
[0064]需要说明的是，按照本实施例的方法形成的图形化的光刻胶层用于能量较大的离子注入情况的离子注入阻挡层。其他实施例中，也可以用于抗刻蚀阻挡层。
[0065]虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
【权利要求】
1.一种图形化光刻胶的形成方法，其特征在于，包括: 提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成光刻胶层，所述光刻胶层的厚度大于等于I微米； 对所述光刻胶层依次进行软烘和曝光； 在所述曝光后的光刻胶层表面喷洒润湿剂，优化所述喷洒参数，在所述曝光后的光刻胶层表面形成润湿层； 对形成润湿层的光刻胶层进行显影处理，形成图案化的光刻胶层。
2.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述润湿剂为去离子水。
3.如权利要求2所述的形成方法，其特征在于，在所述曝光后的光刻胶层表面喷洒润湿剂的方法包括: 将所述半导体衬底放置在真空吸盘上，所述真空吸盘上方设置有第一喷嘴组，所述真空吸盘相对于所述第一喷嘴组水平旋转； 所述喷洒润湿剂参数为:所述真空吸盘在第一喷嘴组喷洒去离子水时的转速为1000?2000转/分钟，所述第一喷嘴组向所述光刻胶层表面喷洒去离子水的时间为I?3秒。
4.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，对形成润湿层的光刻胶层进行显影处理前，还包括对形成润湿层的光刻胶层进行甩干。
5.如权利要求4所述的形成方法，其特征在于，所述甩干的方法包括: 将所述真空吸盘在甩干时的转速设置为1200?1800转/分钟，所述甩干的时间为2?4秒。
6.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述显影处理的方法包括: 将所述半导体衬底设置在真空吸盘上，所述半导体衬底为圆形，所述真空吸盘上方预定距离设有第二喷嘴组，所述第二喷嘴组中的喷嘴沿所述半导体衬底直径方向排列，所述排列长度大于等于所述半导体直径，所述真空吸盘相对于所述第二喷嘴组水平旋转； 所述真空吸盘在第二喷嘴组喷洒显影液时的转速为30?60转/分钟，所述第二喷嘴组喷洒在所述光刻胶层表面的显影液的时间为I?2秒。
7.如权利要求6所述的形成方法，其特征在于，所述预定距离为大于等于I毫米且小于等于3毫米。
8.如权利要求6所述的形成方法，其特征在于，所述第二喷嘴组中的各喷嘴的尺寸相同且所述喷嘴之间的距离相等。
9.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述软烘的时间大于等于60s且小于等于 90s。
【文档编号】G03F7/38GK103823334SQ201410081194
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年3月6日 优先权日:2014年3月6日
【发明者】顾以理, 夏建慧 申请人:上海华虹宏力半导体制造有限公司