专利名称：形成微细图形的方法
技术领域：
本发明涉及一种形成半导体器件微细图形的方法，特别是有关利用电子束曝光设备的低加速电压和表面成象工艺形成超微细图形的方法。
为了制造微细半导体电路，要在硅衬底微小区域内精确地控制杂质的注入，并且在这些区域之间互相连接形成器件和VLS1电路。根据光刻工艺制造确定这些区域的图形，即光刻工艺包括以下步骤在圆片衬底表面涂敷抗蚀剂，将涂敷了的抗蚀剂有选择地暴露在紫外射线、电子射线或X射线下，然后将曝光区显影。当在露出的衬底上进行各种增加或除去工艺的时候，在此，留下的抗蚀剂保护由抗蚀剂遮盖了的衬底。
为了半导体器件得到更大的封装密度，就制造极限尺寸即亚微米以下的微细抗蚀剂图形的光刻工艺而言，要进行连续显影。
特别是为了达到兆位级，对于制作亚微米级的图形，已经证明常规的单层抗蚀剂是不适合的。
抗蚀剂的光刻反差和光源曝光反差决定了平衬底上的分辨率。因此，为了制造分辨率好的微米级图形和亚微米级图形，所以应该使用好的曝光设备以及高反差抗蚀剂。在这种情况下，使反差降低的因素是，随抗蚀剂厚度不同，与抗蚀剂光吸收率相适应的曝光剂量也要不同;以及光刻的固有因素如光自衬底的反射率，光散射等。除了分辨率低的问题外，还有热稳定性和耐干法蚀刻也是必要的特性。另外抗蚀剂至少应有1μm的厚度。
为了解决上述问题，提出了多层抗蚀剂系统，利用3层抗蚀剂结构，获得了很好效果。然而，这多层系统不仅有复杂的加工过程，而且膜和中间层在烘烤处理期间容易受到应力，还有，薄而均匀无针孔的抗蚀剂膜难以通过涂敷抗蚀剂来形成。
为了减少多层系统的复杂性，包含硅的二层结构抗蚀剂得到了发展。然而抗蚀剂内含硅的数量应当大于10%，上述含量降低了抗蚀剂的物理化学性质，从而，目前难以利用二层结构。
于是提出了包含现有多层功能性又有单层简单性的增强扩散甲硅烷基化的抗蚀剂(DESIRE)工艺方法，这种抗蚀剂被认为是更好的溶液(参看F.CoopmansandB.Roland的“固态工艺”P93-99、1987.6.)。甲硅烷基化作用是这样一种工艺方法，通过把材料暴露在气态或液态六甲基二硅氮烷(HMDS)或四甲基二硅氮烷(TMDS)的化合物中，在100-200℃的高温下，把硅渗到抗蚀剂聚合物内。DESIRE工艺方法其特征在于，通过高选择性气态甲硅烷基化作用，把潜藏光学图象变换成潜藏硅图象。通过在氧中干法腐蚀，利用该硅图象产生凸起的图象。
尽管通过上述DESIRE工艺方法能形成微细图形，但还存在若干问题。难以控制反应，因为是在气相中进行甲硅烷基化反应，在抗蚀剂表面部分很难形成均匀的甲硅烷基化层。随图形宽度减小，由于光衍射产生所不希望的附加照射，在图形周围形成抗蚀剂剩余物，这严重影响了图形质量。况且，由于甲硅烷基化试剂分子渗入到抗蚀剂层内，并且与抗蚀剂分子起反应，结果，隆起现象难以形成所要求的图形，并且抗蚀剂去除很困难。
还有，当按照通常方法利用紫外线和深紫外线形成图形的时候，光学光刻的分辨率限定为略小于1μm。为了形成亚微型级以下的图形，提出了其他光刻方法，这就是电子束光刻，离子束光刻和X射线光刻。
电子束光刻(常称之为EBL)是一种利用聚焦电子束形成电路图形的方法。在此，利用电子束，在通常的光刻工艺过程期间，可以将亚微型级图形直接记录在半导晶片表面形成的抗蚀膜上或照相掩膜表面形成的抗蚀剂膜上。布图步骤中形成的图形作为成象图形存储在电子计算机内。按照来自电子计算机的信号，通过电子偏转板可控制电子束。因此，EBL能够在无掩模的晶片上直接作出小于1μm的特征尺寸。上述EBL方法速度低于通常的光刻方法。然而，鉴于使用该方法可完成很准确的层对层的套准，所以特征尺寸小至0.1μm还能形成微细图形。由于这些原因，仍然试图实施EBL方法。
在利用常规电子束曝光设备形成微细图形的光刻工艺中，为了增强抗蚀剂图形的轮廓，配上大于10KeV的电子束加速电压(一般为20KeV)。为使抗蚀剂图形的轮廓好，抗蚀剂要涂得薄。
图1至3是为说明使用配上常规的高加速电压的电子束光刻，形成图形的方法的剖面图。
在半导体衬底1的表面涂敷抗蚀剂，形成抗蚀剂膜2(图1)。使带有高加速电压的电子束3在抗蚀剂膜2的表面作选择性扫描，使抗蚀剂层受到局剖曝光。然后，将所得生成物显影，形成抗蚀剂图形(图3)。
如上所述，在常规的电子束光刻中，当电子束加速电压大于20KeV时，并且使用薄(1μm)的抗蚀剂膜，可获得具有极佳轮廓和高分辨率的图形。
但是，当使用加速电压高于20KeV时，电子束的正散射(图2中为标号6)和背散射(图2中为标号5)影响都比较大，结果，难以形成图形。进一步来说，由于散射范围超过几微米，当曝光形成细密图形的时候，电子被投射到相邻图形内，使抗蚀剂不需要部位也被曝光，这称之为邻近效应。
还有由于高的加速电压在表面部分内引起抗蚀剂膜的热变形，使抗蚀剂图形产生缺陷。进而为了减少邻近效应，就要按照图形尺寸或相邻图形，适当控制图形尺寸或控制曝光时间。这就增加了所必须的操纵曝光系统的数据，由此使CPU时间增加。结果导至系统的生产率下降。
更进一步，使用低加速电压形成图形的方法公开于Jpn.J.Appl.Phys.Vol.31(1992)part2，No.6A，pp.L774-L746中。但是，按照该方法，电子穿透深度浅，使得在抗蚀剂膜的厚度大于0.5μm的情况下，不可能完成图形的成形。
因此，为了解决上述问题，本发明的目的是提供形成微细图形的方法，该方法使用低加速电压的电子束，用厚度为1μm的抗蚀剂也可制造出满意的抗蚀剂图形。
为了达到上述目的，本发明提供一种形成图形的方法。该方法包括以下步骤在衬底上涂敷抗蚀剂以形成抗蚀剂膜;使用低加速电压的电子束，对抗蚀剂膜上表面作选择性曝光;使曝光过的抗蚀剂膜作甲硅烷基化，在抗蚀膜上部选择性形成甲硅烷基化层;使用甲硅烷基化层作为掩膜，腐蚀抗蚀剂膜。电子束的加速电压最好是1KeV到5KeV。
在甲硅烷基化步骤中，作为甲硅烷基化试剂可包括六甲基二硅氮烷、四甲基二硅氮烷、二甲基甲硅烷基二甲胺、二甲基甲硅烷基二乙胺、三甲基甲硅烷基二甲胺、三甲基甲硅烷基二乙胺、二甲基氨基三甲基硅烷、二乙基氨基三甲基硅烷、双(二甲基氨基)二甲基硅烷、双(二甲基氨基)甲基硅烷、辛基环四硅氮烷、己基环三硅氮烷、二氯辛基环四硅氧烷、二氯二甲基二苯基二硅氧烷、四甲基二硅氮烷环戊烷、四甲基双(N，N二甲基氨基)二硅亚乙基、双(三甲基甲硅烷基)乙酰胺或其他有机金属试剂。上述甲硅烷基化试剂可单独或将其混合使用。在上述甲硅烷基化步骤中，将上述气态或流态甲硅烷基化试剂渗入到抗蚀剂膜的表面，以处理上述抗蚀剂膜。然后用上述甲硅烷基化层作为腐蚀掩膜，利用氧等离子、CH4+O2等离子或等离子混合物的干法腐蚀工艺，实施对抗蚀剂膜的蚀刻，以此制作出图形。
按照负象明暗方法将抗蚀剂膜露出部分作选择性甲硅烷基化，或按照正象明暗方法将抗蚀剂层的非露出部分作选择性甲硅烷基化，这样可实现本发明的上述方法。就抗蚀剂而论。最好使用负性型电子束抗蚀剂。
按照本发明，由于使用小于5KeV的加速电压的电子束，所以可将微细图形转移到抗蚀剂表面，并且电子束的正散射和背散射也可显著减小，可制作超微米级(小于10nm的图形)图形。
通过参考附图对最佳实施例的详述，本发明的上述目的和其他优点会更加清楚。其中图1至3是按照使用高加速电压的常规电子束光刻说明形成图形的一种方法剖视图;
图4至8是按照本发明的一个实施例;展示形成图形的一种方法，并且;
图9至14是分别按照六种不同的电子束加速电压展示在抗蚀剂膜内电子轨迹(深度作为水平距离的函数)的模拟曲线图。
下面更详细地描述本发明按照本发明，在半导体衬底上涂敷抗蚀剂，使之形成抗蚀剂膜，并利用低加速电压的电子束对上述抗蚀剂膜上表面作选择性曝光。然后，使曝光后的抗蚀剂膜作甲硅烷基化，使得在抗蚀剂膜上表面部分选择性形成甲硅烷基化层。以甲硅烷基化层作为掩膜，完成对抗蚀剂膜的腐蚀，进而作出图形。
在本发明的电子束曝光工艺中，上述电子束的加速电压最好变化范围为1KeV至5KeV。
图9至14是按照六种不同的电子束加速电压，分别展示在抗蚀剂膜内电子轨迹(深度作为水平距离的函数)的模拟曲线图。曲线图显示在加速电压为1KeV、2KeV、3KeV、5KeV、10KeV和20KeV，电子束被发送到厚度为1μm的抗蚀剂膜上的情况。这里，当水平轴相应于从电子束扫描的原点开始的横向距离时，垂直轴相应于抗蚀剂膜的深度。细密的线表示电子轨迹。
如在图9至14中所了解到。如果电子束的加速能量大于5KeV，则发生电子束的正散射和背散射，致使难以作出微细图形。还有如果电子束的加速能量小于1KeV，则曝光辐射剂量小至难以形成甲硅烷基化层。所以如上所述，本发明实现了电子束低加速电压的曝光工艺，其范围是从1KeV到5KeV，最好在3KeV和5KeV之间。
由于加速电压小于5KeV，电子束的正散射和背散射显著减小，并且可在抗蚀剂表面执行极精密曝光，因此，可制造超微细图形(100nm)。
但是，当用低加速电压的电子束使抗蚀剂曝光时，由于电子束的射入深度很浅，所以不可能用厚度大于0.5μm的抗蚀剂膜制造图形。因此，本发明以这样的方式形成甲硅烷基化层，当配上电子束的低加速电压时，通过甲硅烷基化层工艺，即表面成象工艺，在曝了光的抗蚀剂膜的部分有选择性地发生化学反应。
上述工艺方法是使抗蚀剂膜作选择性甲硅烷基化，以形成甲硅烷基化层。使用含硅化合物或有机金属试剂作为甲硅烷基化试剂渗入到上述抗蚀剂表面。作为该甲硅烷基化试剂，可有六甲基二硅氮烷、四甲基二硅氮烷、二甲基甲硅烷基二甲胺、二甲基甲硅烷基二乙胺、三甲基甲硅烷基二甲胺、三甲基甲硅烷基二乙胺、二甲基氨基三甲基硅烷、二乙基氨基三甲基硅烷、双(二甲基氨基)二甲基硅烷、双(二甲基氨基)甲基硅烷、辛基环四硅氮烷、己基环三硅氮烷、二氯辛基环四硅氧烷、二氯二甲基二苯基二硅氧烷、四甲基二硅氮烷环戊烷、四甲基双(N，N二甲基氨基)二硅亚乙基、双(三甲基甲硅烷基)乙酰胺或其他有机金属试剂。上述甲硅烷基化试剂以气态或液态形式渗入抗蚀剂膜表面，为的是浸润薄膜，完成甲硅烷基化工艺过程。
在本发明中，通过使用上述甲硅烷基化层作为腐蚀掩模，干法腐蚀上述抗蚀剂层，形成抗蚀剂图形。使用O2等离子、CH1+O2待离子或其等离子混合物实施干法腐蚀工艺过程。U.S.专利No.4，657，845公开了使用制作抗蚀剂图形的氧等离子，使抗蚀剂膜显影的方法。
借助上述甲硅烷基化形成的甲硅烷基化层产生包括SiOX的掩膜。由于在干法腐蚀显影过程与O2等离子反应，结果是赋予抗氧等离子的特性。因此，在随后制造图形的干法腐蚀工艺过程中，甲硅烷基化层可起腐蚀掩模作用。
该抗蚀剂的感光性与加速电压成反比例。因此，在低加速电压下可制造微细图形，而与电子束的射入深度无关。
实施例图4至8说明按照本发明一个实施例，制造微细图形的方法。
图4说明在半导体衬底11表面涂敷抗蚀剂的步骤。在半导体衬底11表面，涂敷能够通过电子束曝光的负性化学增强型电子束抗蚀剂(如SAL-601ER7、Shipley有限公司商标)，其厚度为0.7μm，这样就形成抗蚀剂膜12。
图5说明使抗蚀剂膜12曝光的步骤。通过使用具有3KeV加速电压的电子束13使抗蚀剂膜12作选择性曝光。抗蚀剂膜12被确定为曝光区域14和非曝光区域。
图6说明使选择性曝光了的抗蚀剂膜的表面部分作选择性甲硅烷基化的步骤，以此，形成甲硅烷基化层18。
四甲基二硅氮烷(TMDS)7以气态渗入抗蚀剂膜12的表面，在抗蚀剂膜12非曝光区域14的表面部分发生化学反应，致使形成甲硅烷基化层18。
图7说明在干法腐蚀工艺过程的第一阶段中甲硅烷基化层18转换成掩模层18′的步骤。如果形成甲硅烷基化层18的抗蚀剂膜12的干法腐蚀是在O2等离子19情况下进行，则完成曝了光部分的局部腐蚀。
然而，在形成甲硅烷基化层18部分，甲硅烷基化层18与O2等离子起化学反应，为的是产生含SiOX的掩模层18′。
图8说明进行干法腐蚀以形成抗蚀剂图形12′的步骤。当上述干法腐蚀工艺过程继续进行时，掩模层18′充当腐蚀掩模，致使抗蚀剂膜12曝了光的表面部分及其下面留下的抗蚀剂被腐蚀去，从而，形成抗蚀剂图形。
按照本发明形成微细图形的方法，可以制造相等于电子束尺寸的负性图形(孔或间隔图形)。
上述实施例适合负性抗蚀剂。但也可使用正性抗蚀剂，在此情况下，可制造凸起图形(线或点图形)。
按照本发明的制造图形的方法，由于使用低加速电压和表面成象工艺方法，可防止起源于具有常规高加速电压的电子束的邻近效应。并且当使用高加速电压电子束时，不必增加数据以补偿邻近效应，使生产效率得以提高。
虽然在特定的实施例方面详细展示和描述本发明，勿庸置疑，在不脱离作为由附加的权利要求书所限定的发明精神和范围的情况下，本领域普通技术人可作出各种形式和细节方面的改变。
权利要求
1.一种形成图形的方法，其步骤包括在衬底上涂敷抗蚀剂以形成抗蚀剂膜；使用低加速电压的电子束，使所述抗蚀剂膜上表面部分曝光；使所述曝了光的抗蚀剂膜甲硅烷基化，在所述抗蚀剂膜上部选择性地形成甲硅烷基化层；并且用所述甲硅烷基化层作为掩模，腐蚀所述抗蚀剂膜。
2.按权利要求1的形成图形的方法，其特征是，所述电子束加速电压范围是从1KeV到5KeV。
3.按权利要求1形成图形的方法，其特征是，用甲硅烷基化试剂进行所述甲硅烷基化步骤，甲硅烷基化试剂至少从以下组中选择一种，试剂包括六甲基二硅氮烷、四甲基二硅氮烷、二甲基甲硅烷基二甲胺、二甲基甲硅烷基二乙胺、三甲基甲硅烷基二甲胺、三甲基甲硅烷基二乙胺、二甲基氨基三甲基硅烷、二乙基氨基三甲基硅烷、双(二甲基氨基)二甲基硅烷、双(二甲基氨基)甲基硅烷、辛基环四硅氮烷、己基环三硅氮烷、二氯辛基环四硅氧烷、二氯二甲基二苯基二硅氧烷、四甲基二硅氮烷环戊烷、四甲基-双(N，N二甲基氨基)二硅亚乙基、双(三甲基甲硅烷基)乙酰。
4.按照权利要求3形成图形的方法，其特征是，所述甲硅烷基化步骤是以气态形式把所述甲硅烷基化试剂渗入到所述抗蚀剂膜表面。
5.按权利要求1形成图形的方法，其特征是，通过使用O2等离子或CH1+O2等离子的干法腐蚀方法，实施腐蚀所述抗蚀剂膜。
6.按权利要求1形成图形的方法，其特征是，通过使用O2等离子和CH1+O2等离子混合物的干法腐蚀方法，完成腐蚀所述抗蚀剂膜。
7.按权利要求1形成图形的方法，其特征是，所述抗蚀剂是负性型电子束抗蚀剂。
全文摘要
一种形成半导体器件微细图形的方法，使用低加速电压的电子束(1—5KeV)和甲硅烷基化工艺方法。在衬底上涂敷抗蚀剂以形成抗蚀剂膜，用电子束将抗蚀剂上表面部分作选择性曝光，然后使曝了光的抗蚀剂膜进行选择性甲硅烷基化，使抗蚀剂膜上部形成甲硅烷基化层。用甲硅烷基化层作掩模腐蚀该抗蚀剂膜，以形成抗蚀剂图形。在干法腐蚀第一阶段，甲硅烷基化层的硅和氧等离子起化学反应，形成含SiO
文档编号H01L21/027GK1092554SQ9312112
公开日1994年9月21日 申请日期1993年12月4日 优先权日1992年12月4日
发明者金鹤, 姜浩英 申请人:三星电子株式会社