专利名称：减小曝光图形宽度的光刻方法
技术领域：
本发明涉及集成电路制造领域，尤其涉及减小曝光图形宽度的光刻方法。
背景技术：
在集成电路制造领域，随着集成电路的特征尺寸不断降低，芯片集成度不断提高，传统的生产模式、工艺材料以及器件模型等均面临诸多挑战。
光刻工艺是集成电路制造领域中最关键的工艺之一，附图1所示为现有技术中的光刻工艺的实施步骤流程图，通常包括如下步骤 步骤S10，涂胶；步骤S11，曝光；步骤S12，烘烤；步骤S13，显影。
附图2至附图4所示为现有技术中的光刻工艺的工艺示意图。
附图2所示，参考步骤S01，涂胶，在半导体衬底100的表面均匀的涂敷光刻胶层110。
附图3所示，参考步骤S02，曝光，将需要保留的部分112和114曝光，遮挡需要除去的部分111、113和115。
附图4所示，参考步骤S04，显影，典型的工艺例如采用氧等离子体刻蚀手段刻蚀光刻胶，其中未曝光部分111、113和115可以被刻蚀除去，而曝光部分112和114得以保留。
由上述工艺得到的图形是由光刻胶层110的镂空部分构成的，光刻胶层110曝光部分112和114的边缘之间的距离即为此图形的宽度。
在光刻工艺中，图形宽度的最小值与所采用的光源波长密切相关。例如采用波长193nm的KrF激光光源作为曝光的光源时，通常只能制作具有90nm宽度的图形。而在不改变光刻工艺的前提下，要想得到具有更小宽度的图形，有效的方法之一是采用波长更短的曝光光源。而改变曝光光源的波长，将面临激光光源、光刻机、光刻版、光刻胶等一系列部件和材料的改进，因此是一项很庞大的工程。
因此，在保持曝光光源的波长不变的前提下，如何通过改进光刻工艺，突破波长对宽度最小值的限制，得到具有更小宽度的图形，是目前光刻技术领域面临的重要问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种减小曝光图形宽度的光刻方法，可以在在保持曝光光源的波长不变的前提下，突破波长对最小宽度的限制，得到具有更小宽度的图形。
为了解决上述问题，本发明提供了一种减小曝光图形宽度的光刻方法，包括如下步骤提供表面具有光刻胶层的半导体衬底；对光刻胶层进行曝光，在光刻胶层中定义图形；采用含三价态氮原子的钝化剂与曝光后的光刻胶层发生钝化反应，钝化剂中的三价态氮原子与存在于光刻胶层曝光部分表面和侧面的氢离子结合，在光刻胶层曝光部分表面及侧面形成包覆层；对钝化后的光刻胶层进行显影处理，除去光刻胶层中的未曝光部分，保留包覆层和光刻胶层中的曝光部分。
作为可选的技术方案，所述含三价态氮原子的钝化剂中含有如下物质
其中A1、A2以及A3之中至少有一个是Si原子，其余是C原子，R1～R9分别独立地选自氢以及线性或支化的烷基、硅烷基、氨基、烷氨基中的一种。
作为可选的技术方案，所述含三价态氮原子的钝化剂中含有六甲基二硅氮烷(Hexa-Methyl-Di-Silazane，HMDS)、四甲基二硅氮烷(Tetra-Methyl-Di-Silazane，TMDS)、双二甲基氨甲基硅烷、双二甲基氨二甲基硅烷、二甲硅基二甲胺、二甲硅基二乙胺、三甲硅基二甲胺、三甲硅基二乙胺以及二甲基氨五甲基二硅烷中的至少一种。
作为可选的技术方案，所述钝化反应在由He、Ne、Ar、N2、O2中的至少一种所构成的气体环境中进行。
作为可选的技术方案，所述钝化反应在空气中进行。
作为可选的技术方案，所述钝化反应所采用的压强范围为1帕至100帕，温度范围为90℃至150℃，钝化反应的时间为80秒至200秒。
作为可选的技术方案，所述显影步骤采用湿法显影工艺。
作为可选的技术方案，所述湿法显影工艺所采用的显影液为四甲基氢氧化铵(tetramethyl ammonium hydroxide，TMAH)。
作为可选的技术方案，所述光刻胶层的厚度范围是500nm至1000nm。
本发明的优点在于，采用含有三价态氮原子的钝化剂同光刻胶曝光部分表面以及侧面的氢离子结合，形成包覆层，降低未曝光部分的图形宽度，突破了波长对最小宽度的限制，可以得到具有更小宽度的图形。
附图1所示为现有技术中的光刻工艺的实施步骤流程图； 附图2至附图4所示为现有技术中的光刻工艺的工艺示意图； 附图5为本发明所述减小曝光图形宽度的光刻方法的具体实施方式
的工艺流程图； 附图6至附图9为本发明所述减小曝光图形宽度的光刻方法的具体实施方式
的实施步骤示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的减小曝光图形宽度的光刻方法的具体实施方式
做详细说明。
附图5为本发明所述减小曝光图形宽度的光刻方法的具体实施方式
的工艺流程图。步骤S20，提供表面具有光刻胶层的半导体衬底；步骤S21，对光刻胶层进行曝光，在光刻胶层中定义图形；步骤S22，采用含三价态氮原子的钝化剂与曝光后的光刻胶层发生钝化反应，钝化剂中的三价态氮原子与存在于光刻胶层曝光部分表面和侧面的氢离子结合，在光刻胶层曝光部分表面及侧面形成包覆层；步骤S23，对钝化后的光刻胶层进行显影处理，除去光刻胶层中的未曝光部分，保留包覆层和光刻胶层中的曝光部分。
附图6至附图9为本发明所述减小曝光图形宽度的光刻方法的具体实施方式
的实施步骤示意图。
附图6所示，参考步骤S20，提供表面具有光刻胶层210的半导体衬底200。
所述半导体衬底200的材料包括单晶硅、多晶硅、锗硅(SiGe)，应变硅(Strained-Si)、绝缘体上的硅(SOI)等半导体工业中常见的或者具有重大发展前景的衬底材料，也可以是碳化硅、锑化铟、碲化铅、砷化铟、磷化铟、砷化镓、锑化镓、氮化镓、氮化铝，氮化铟等化合物半导体或其组合。
所述半导体衬底200可以是已经形成各种半导体结构、器件以及线路的半导体衬底。该衬底表面也可经过其他工艺处理，比如生长了金属层、介质层，或者经过其他表面处理工艺的预处理。
光刻胶层210的厚度比较薄，这有利于节约材料成本和后续曝光工艺中光刻胶可以得到充分的曝光，通常的厚度范围是500nm至1000nm。
参考步骤S21，对光刻胶层210进行曝光，在光刻胶层210中定义图形。采用固定波长的光源通过掩模版对光刻胶层210进行曝光，将掩模版上的图形转移到光刻胶层200之中。
在本具体实施方式
中，步骤S21所述之曝光工艺，可以采用的光源的波长范围通常为190nm至400nm，掩模版可以采用二进制掩模版、相移掩模版或者其他光刻工艺中常见的掩模版。
附图7所示是经过曝光之后的光刻胶层210，光刻胶层210中包括未曝光部分211、213、215以及曝光部分212、214。在曝光部分212与214之中，由于光照的作用，在光刻胶之中产生了氢离子。
附图8所示，参考步骤S22，采用含三价态氮原子的钝化剂与曝光后的光刻胶层200发生钝化反应，钝化剂中的三价态氮原子与存在于光刻胶层曝光部分212与214表面以及侧面的氢离子结合，在光刻胶层曝光部分212与214的表面及侧面形成包覆层222与224。可以采用喷涂的方法使含有三价态的钝化剂分布于光刻胶层200的表面。
作为优选的技术方案，所述含三价态氮原子的钝化剂中含有如下物质
其中A1、A2以及A3之中至少有一个是Si原子，其余是C原子，R1～R9分别独立地选自氢，线性或支化的烷基、硅烷基、氨基、烷氨基中的一种。
作为优选的技术方案，所述钝化剂中含有六甲基二硅氮烷(Hexa-Methyl-Di-Silazane，HMDS)、四甲基二硅氮烷(Tetra-Methyl-Di-Silazane，TMDS)、双二甲基氨甲基硅烷、双二甲基氨二甲基硅烷、二甲硅基二甲胺、二甲硅基二乙胺、三甲硅基二甲胺、三甲硅基二乙胺以及二甲基氨五甲基二硅烷中的一种或者多种，上述物质是在化工领域中的常见有机物，制备工艺成熟，价格低廉，尤其是HMDS和TMDS，是集成电路制造领域中常用的有机物。
六甲基二硅氮烷(Hexa-Methyl-Di-Silazane，HMDS)的分子结构是
四甲基二硅氮烷(Tetra-Methyl-Di-Silazane，TMDS)的分子结构是
双二甲基氨甲基硅烷的分子结构是
双二甲基氨二甲基硅烷的分子结构是
二甲硅基二甲胺的分子结构是
二甲硅基二乙胺的分子结构是
三甲硅基二甲胺的分子结构是
三甲硅基二乙胺的分子结构是
二甲基氨五甲基二硅烷的分子结构是
从上面的列举可以看出，每种物质中均含有三价的氮以及硅原子。三价的氮原子化学性质活泼，可以与光刻胶曝光部分212与214表面和侧面的氢离子结合，从而在曝光部分212与214表面及侧面覆盖一层含有钝化剂成分的包覆层222与224，增大了光刻胶层212与214曝光部分的横向宽度，相应的减小了未曝光部分212与214的横向宽度。光刻胶中的氢离子与钝化剂中的氮相结合后的生成物质的化学活性降低，在后续的显影工艺中不容易被除去。
由于光刻胶层210的厚度较薄，且光刻胶的构成物质通常为大分子的有机物和有机聚合物，钝化剂中与光刻胶发生反应的物质分子同光刻胶分子相比较小，因此可以保证反应物质可以扩散到整个光刻胶层210中，不仅与曝光部分212与214的表面，还可以与其侧面发生反应。反应形成的包覆层222与224将曝光部分212与214的表面覆盖，将钝化剂与氢离子分离，从而阻止了反应的进一步发生，因此形成了附图8所示的结构。
钝化剂中含有硅原子进一步保证了含有钝化剂的包覆层222与224在后续的显影工艺中不被除去，因为硅是集成电路领域的衬底材料，集成电路领域中清洗、腐蚀、显影等工艺所采用的化学药剂与硅的结合能力都很差，其目的在于避免对单晶硅衬底造成损伤，因此钝化剂中含有硅原子可以进一步保证包覆层222与224在显影工艺中的稳定性。
所述钝化反应在由He、Ne、Ar、N2、O2中的至少一种所构成的气体环境中进行，可以在空气中进行，压强范围为1帕～100帕。
所述钝化反应所采用的温度范围为90℃～150℃，加温有利于增加三价氮的活性，促进其与氢离子结合。所述钝化反应的时间为80秒～200秒。
附图9所示，参考步骤S24，对钝化后的光刻胶层210进行显影处理，除去光刻胶层210中的未曝光部分211、213以及215，保留包覆层和被包覆层包裹的光刻胶层中的曝光部分。
所述显影步骤采用湿法显影工艺。
所述湿法显影工艺所采用的显影液为四甲基氢氧化铵(Tetramethylammonium hydroxide，TMAH)。
经过显影处理之后，不仅光刻胶层中的曝光部分212与214得以保留，并且其表面的包覆层222与224也得到了保留。采用本具体实施方式
所提供的方法，由于包覆层222与224的存在，加宽了曝光部分的宽度，相应的减小了由光刻胶的镂空部分构成的图形的宽度，因此可以突破光刻波长对宽度最小值的限制。
例如在采用193nm波长光源的情况下，通过曝光，使得两个曝光部分之间的宽度值达到90nm，这已经是现有技术中采用193nm波长光源进行曝光所能实现的最小宽度，然后再进一步采用本具体实施方式
中的钝化工艺，在曝光部分生成5nm的包覆层，从而可以使图形宽度降低至80nm，突破了曝光波长对宽度最小值的限制。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种减小曝光图形宽度的光刻方法，其特征在于，包括如下步骤
提供表面具有光刻胶层的半导体衬底；
对光刻胶层进行曝光，从而在光刻胶层中定义图形；
采用含三价态氮原子的钝化剂与曝光后的光刻胶层发生钝化反应，从而在光刻胶层曝光部分表面及侧面形成包覆层；
对钝化后的光刻胶层进行显影处理，从而除去光刻胶层中的未曝光部分，保留包覆层和光刻胶层中的曝光部分。
2.根据权利要求1中所述之减小曝光图形宽度的光刻方法，其特征在于，所述含三价态氮原子的钝化剂中含有如下物质
其中A1、A2以及A3之中至少有一个是Si原子，其余是C原子，R1～R9分别独立地选自氢以及线性或支化的烷基、硅烷基、氨基、烷氨基中的一种。
3.根据权利要求1中所述之减小曝光图形宽度的光刻方法，其特征在于，所述含三价态氮原子的钝化剂中含有六甲基二硅氮烷、四甲基二硅氮烷、双二甲基氨甲基硅烷、双二甲基氨二甲基硅烷、二甲硅基二甲胺、二甲硅基二乙胺、三甲硅基二甲胺、三甲硅基二乙胺以及二甲基氨五甲基二硅烷中的至少一种。
4.根据权利要求1或2或3中所述之减小曝光图形宽度的光刻方法，其特征在于，所述钝化反应在由He、Ne、Ar、N2、O2中的至少一种所构成的气体环境中进行。
5.根据权利要求1或2或3中所述之减小曝光图形宽度的光刻方法，其特征在于，所述钝化反应在空气中进行。
6.根据权利要求1或2或3中所述之减小曝光图形宽度的光刻方法，其特征在于，所述钝化反应所采用的压强范围为1帕至100帕。
7.根据权利要求1或2或3中所述之减小曝光图形宽度的光刻方法，其特征在于，所述钝化反应所采用的温度范围为90℃至150℃。
8.根据权利要求1或2或3中所述之减小曝光图形宽度的光刻方法，其特征在于，所述钝化反应的时间为80秒至200秒。
9.根据权利要求1或2或3中所述之减小曝光图形宽度的光刻方法，其特征在于，所述显影步骤采用湿法显影工艺。
10.根据权利要求9中所述之减小曝光图形宽度的光刻方法，其特征在于，所述湿法显影工艺所采用的显影液为四甲基氢氧化铵。
11.根据权利要求1或2或3中所述之减小曝光图形宽度的光刻方法，其特征在于，所述光刻胶层的厚度范围是500nm至1000nm。
全文摘要
一种减小曝光图形宽度的光刻方法，包括如下步骤提供表面具有光刻胶层的半导体衬底；对光刻胶层进行曝光，在光刻胶层中定义图形；采用含三价态氮原子的钝化剂与曝光后的光刻胶层发生钝化反应，钝化剂中的三价态氮原子与存在于光刻胶层曝光部分表面的氢离子结合，在光刻胶层曝光部分表面及侧面形成包覆层；对钝化后的光刻胶层进行显影处理，除去光刻胶层中的未曝光部分，保留包覆层和被包覆层包裹的光刻胶层中的曝光部分。本发明的优点在于，采用含有三价态氮原子的钝化剂对光刻胶曝光部分表面以及侧面的氢离子结合，形成包覆层，降低未曝光部分的图形宽度，突破了波长对最小宽度的限制，可以得到具有更小宽度的图形。
文档编号H01L21/027GK101640170SQ20081004114
公开日2010年2月3日 申请日期2008年7月29日 优先权日2008年7月29日
发明者冯士祯, 崔彰日 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司