减轻双曝光工艺中的抗蚀剂图案关键尺寸变化的方法

摘要

一种减轻双曝光工艺中抗蚀剂图案关键尺寸(CD)变化的方法，通常包括：在衬底之上形成光抗蚀剂层；将光抗蚀剂层曝光于第一辐射；对光抗蚀剂层进行显影以在光抗蚀剂层中形成第一图案；在光抗蚀剂层之上形成顶涂层；将顶涂层和光抗蚀剂层曝光于第二辐射；去除顶涂层；以及，对光抗蚀剂层进行显影以在光抗蚀剂层中形成第二图案。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及半导体制造的方法，并且更加具体地涉及用于减轻双曝光工艺中抗蚀剂图案关键尺寸(CD)变化的方法。

背景技术

半导体集成电路通常使用光刻技术制造。在光刻工艺中，光抗蚀剂层在衬底如硅晶片上淀积。对衬底进行烘焙以去除保留在光抗蚀剂层中的溶剂。通过具有所需要的图案的光掩模将光抗蚀剂曝光于光化辐射的源。辐射曝光在光抗蚀剂的曝光区域内引起化学反应，并且在光抗蚀剂层中产生了对应于掩模图案的潜像。继而在显影剂溶液中显影光抗蚀剂，以便对于正性光抗蚀剂去除光抗蚀剂的曝光部分，或者对于负性光抗蚀剂去除光抗蚀剂的未曝光部分。然后构图的光抗蚀剂可以用作掩模，用于衬底的后续制造工艺，如淀积、刻蚀或离子注入工艺。

浸没式光刻是一种光刻分辨率增强技术，半导体行业已经将该技术用于45nm和32nm节点，以及可能的除此以外的节点。在浸没式光刻工艺中，将液体介质置于光刻工具的最后透镜和晶片之间，代替传统干法光刻工艺中的气体介质。与干法光刻工艺相比较，浸没式光刻可以将分辨率提高与液体的折射率相同的系数。当前的193nm浸没式光刻工具使用水作为液体介质，其在193nm具有1.44的折射率。

采用193nm浸没式光刻的一个主要挑战是缺陷控制。已经表明水从光抗蚀剂中提取出光酸产生剂(PAG)和光生酸。进入到水中的PAG以及酸的沥滤可能造成光抗蚀剂的缺陷。另外，提取出的PAG和酸还可能污染或腐蚀光刻工具的透镜。为了解决这些问题，使用顶涂层直接放置在光抗蚀剂的顶上。顶涂充当水和光抗蚀剂之间的阻挡层，并且能够有效地减少从光抗蚀剂的进入到水中的PAG和酸的沥滤。顶涂通常是酸性材料，其可以在光抗蚀剂的显影步骤期间通过水基显影剂去除。

为了增加集成电路的特征密度，半导体行业已经开发了多种双构图技术，例如双曝光和双曝光双刻蚀。在双曝光工艺中，光抗蚀剂层通过使用两个光掩模的两个独立曝光序列进行曝光。该技术通常用于在相同的层中产生不同的或具有不一致的密度或间距的图案。在双曝光双刻蚀工艺中，曝光光抗蚀剂的第一层。在第一光抗蚀剂中形成的图案通过第一刻蚀工艺传递到其下的硬掩模层，以在硬掩模中形成第一图案。光抗蚀剂的第二层涂敷在硬掩模上。第二光抗蚀剂经过第二曝光以在第二光抗蚀剂中形成第二图案。硬掩模中的第一图案和第二光抗蚀剂中的第二图案形成组合的掩模，其在第二刻蚀工艺中传递到下面的最后层。双曝光双刻蚀技术允许特征密度的增加。

虽然双构图技术在增强图案密度方面效果相对较好，但是存在一个普遍的问题，第一曝光之后形成的图案的CD可能在后续工艺期间变化，造成CD变化的附加来源。

发明内容

在一个方面，本发明涉及光刻方法，包括以下步骤：在衬底之上形成光抗蚀剂层；将光抗蚀剂层曝光于第一辐射；对光抗蚀剂层进行显影以在光抗蚀剂层上形成第一图案；在光抗蚀剂层之上形成顶涂层；将顶涂层和光抗蚀剂层曝光于第二辐射；去除顶涂层；以及对光抗蚀剂层进行显影以在光抗蚀剂层中形成第二图案。

优选地，将顶涂层和光抗蚀剂层曝光于第二辐射是使用浸没式光刻工艺来实施的。

在另一个实施方式中，本发明涉及光刻方法，包括以下步骤：在衬底之上形成光抗蚀剂层；在光抗蚀剂层之上形成第一顶涂层；将第一顶涂层和光抗蚀剂层曝光于第一辐射；对光抗蚀剂层进行显影以在光抗蚀剂层中形成第一图案；在光抗蚀剂层上形成第二顶涂层；将第二顶涂层和光抗蚀剂层曝光于第二辐射；去除第二顶涂层；以及，对光抗蚀剂层进行显影以在光抗蚀剂层中形成第二图案。

优选地，将第一顶涂层和光抗蚀剂层曝光于第一辐射以及将第二顶涂层和光抗蚀剂层曝光于第二辐射是使用浸没式光刻工艺来实施的。

可以通过将顶涂层与有机溶剂接触而去除顶涂层。所述有机溶剂可以包括：1-丁醇、甲醇、乙醇、1-丙醇、乙烯乙二醇、1，2-丁二醇、1，3-丁二醇、1，4-丁二醇、1，2-丙二醇、1，3-丙二醇、1-戊醇、2-戊醇、3-戊醇、1-己醇、2-己醇、3-己醇、1-庚醇、2-庚醇、3-庚醇、4-庚醇、2-甲基-1-戊醇、2-甲基-2-戊醇、2-甲基-3-戊醇、3-甲基-1-戊醇、3-甲基-2-戊醇、3-甲基-3-戊醇、4-甲基-1-戊醇、4-甲基-2-戊醇、2，4-二甲基-3-戊醇、3-乙基-2-戊醇、1-甲基环戊醇、2-甲基-1-己醇、2-甲基-2-己醇、2-甲基-3-己醇、3-甲基-3-己醇、4-甲基-3-己醇、5-甲基-1-己醇、5-甲基-2-己醇、5-甲基-3-己醇、4-甲基环己醇、1，3-丙二醇、辛醇、癸烷或包含一种或两种上述溶剂的组合物。

顶涂层优选地包括包含酸基团的聚合物。酸基团可以包括羧酸、氟醇、氟磺胺，或包括一种或两种上述基团的组合。顶涂层优选地可溶于水合碱性显影剂中。

同样优选地，第一辐射和第二辐射都具有大约193nm的成像波长。

光刻方法可以进一步包括至少一个以下步骤：在对光抗蚀剂层进行显影以在光抗蚀剂层中形成第一图案之前，以第一温度烘焙衬底；在对光抗蚀剂层进行显影以在光抗蚀剂层中形成第二图案之前，以第二温度烘焙衬底；以及，在对光抗蚀剂层进行显影以在光抗蚀剂层中形成第二图案之后，将第二图案传递到衬底中。将第二图案传递到衬底中可以包括刻蚀或离子注入衬底没有被光抗蚀剂层覆盖的部分。

上述以及其他特征通过以下的附图和详细描述举例说明。

附图说明

包括了附图以提供对本发明的进一步理解，将其并入说明书并构成说明书的一部分。附图示出了本发明的实施方式，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是示出了根据本发明的一个实施方式的光刻方法的流程图；

图2-图8是示出了根据本发明的一个实施方式的光刻方法的示例性加工步骤的截面图；

图9示出了在根据图1的工艺产生第一曝光之后，构图的光抗蚀剂的俯视图的扫描电子显微图；

图10示出了在根据图1的工艺产生第二曝光之后，构图的光抗蚀剂的俯视图的扫描电子显微图；

图11示出了在使用标准双曝光工艺产生第二曝光之后，构图的光抗蚀剂的俯视图的扫描电子显微图。

具体实施方式

在描述本发明的优选实施方式时，此处将参考附图的图1-图11，其中相同的数字指示本发明的相同特征。本发明的特征在附图中不一定按比例示出。

可以理解，当元件，例如层，称为在另一个元件“上”或“之上”时，其可以直接位于其它元件上或者也可以存在居间元件。相反，当元件称为“直接”在另一元件“上”或“之上”时，不存在居间元件。

本发明提供了一种光刻方法，其减轻了双曝光工艺中抗蚀剂图案CD的变化。在该方法中，首先对光抗蚀剂层进行曝光和显影以在光抗蚀剂中形成第一图案。在构图的光抗蚀剂的顶上形成顶涂层。该顶涂层包括通常用于浸没式光刻的顶涂材料。光抗蚀剂经过第二曝光。在第二曝光之后，在对光抗蚀剂进行显影之前，使用有机溶剂去除顶涂层。然后对光抗蚀剂进行显影以形成第二图案。与在水合碱性显影剂中对光抗蚀剂进行显影时去除顶涂层的传统双曝光方法相比，在对光抗蚀剂进行显影之前使用有机溶剂去除顶涂层能够显著减轻第一图案的CD变化。

图1是示出了根据本发明的一个实施方式的光刻方法的流程图。步骤100包括在衬底之上形成光抗蚀剂层。本发明中的衬底适合是传统上用于涉及光抗蚀剂的工艺中的任何衬底。例如，衬底可以是硅、氧化硅、铝-氧化铝(aluminum-aluminum oxide)、砷化镓、陶瓷、石英、铜及其任何组合，包括多层。衬底可以包括一个或多个半导体层或结构，并且可以包括半导体器件的有源或可操作部分。

光抗蚀剂可以是传统上用于半导体行业中的任何光抗蚀剂，包括193nm和248nm光抗蚀剂。优选地，本发明中使用的光抗蚀剂是化学增强光抗蚀剂。正型光抗蚀剂和负型光抗蚀剂都适合用于本发明。一般地，光抗蚀剂可以包括包含酸敏基团的聚合物、辐射敏感成分诸如光酸产生剂(PAG)、溶剂，以及其它性能增强添加剂，例如，急冷剂和表面活性剂。聚合物上的酸敏基团可以包括叔烷基碳酸酯(tertiary alkyl carbonate)、叔烷基酯、叔烷基醚、乙缩醛或缩酮。

可以通过包括旋涂的实质上任何标准方法形成光抗蚀剂层。可以对光抗蚀剂层进行烘焙(涂后烘焙(PAB))以从光抗蚀剂去除剩余溶剂，并改善光抗蚀剂层的一致性。用于光抗蚀剂层的PAB温度的优选范围是从大约70℃到大约150℃，更优选地从大约90℃到大约130℃。光抗蚀剂层的优选厚度范围是从大约20nm到大约400nm，更优选地从大约50nm到大约300nm。

步骤110包括将光抗蚀剂层曝光于第一辐射。本发明中采用的第一辐射可以是可见光、紫外线(UV)、远紫外线(EUV)或电子束(E束)。优选地，第一辐射的成像波长是大约365nm、248nm、193nm或13nm。更优选地，第一辐射的成像波长是大约193nm。曝光可以使用干法或浸没式光刻工艺实施。

在步骤120，对光抗蚀剂层进行显影以在光抗蚀剂层中形成第一图案。可以在水合碱性溶液中显影光抗蚀剂层。优选地，该水合碱性溶液是四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液。进一步优选地，TMAH溶液的浓度是大约0.263N。水基溶液可以进一步包括添加剂，如表面活性剂、聚合物、异丙醇、乙醇等等。

在使用第一辐射对光抗蚀剂层进行曝光之后，并在对其进行显影之前，可以以第一温度烘焙衬底(曝光后烘焙(PEB))。第一温度的优选范围是从大约60℃到大约150℃，更优选地从大约80℃到大约130℃。在一些实例中，由于对于某些化学品，如乙缩醛或缩酮化学品，抗蚀剂聚合物的去保护在室温下进行，所以可能避免第一烘焙。

步骤130包括在光抗蚀剂层之上形成顶涂层。顶涂层可以是通常用于193nm浸没式光刻的顶涂材料。在一个实施方式中，顶涂材料包括包含酸基团的聚合物。适合的酸基团的示例包括但不限于羧酸、氟醇、氟磺胺(fluorosulfonamide)，或包括两种或更多上述基团的组合。顶涂材料可以进一步包括至少一种溶剂。溶剂优选地与下面的光抗蚀剂不可混合。适合的溶剂包括但不限于1-丁醇、甲醇、乙醇、1-丙醇、乙烯乙二醇、1，2-丁二醇、1，3-丁二醇、1，4-丁二醇、1，2-丙二醇、1，3-丙二醇、1-戊醇、2-戊醇、3-戊醇、1-己醇、2-己醇、3-己醇、1-庚醇、2-庚醇、3-庚醇、4-庚醇、2-甲基-1-戊醇、2-甲基-2-戊醇、2-甲基-3-戊醇、3-甲基-1-戊醇、3-甲基-2-戊醇、3-甲基-3-戊醇、4-甲基-1-戊醇、4-甲基-2-戊醇、2，4-二甲基-3-戊醇、3-乙基-2-戊醇、1-甲基环戊醇、2-甲基-1-己醇、2-甲基-2-己醇、2-甲基-3-己醇、3-甲基-3-己醇、4-甲基-3-己醇、5-甲基-1-己醇、5-甲基-2-己醇、5-甲基-3-己醇、4-甲基环己醇、1，3-丙二醇、辛醇、癸烷或包括两种或更多种上述溶剂的组合物。顶涂层优选地可溶于水合碱性显影剂。

顶涂层可以通过包括旋涂的任何标准方法形成。可以对顶涂层进行烘焙以从顶涂去除剩余的溶剂，并改善顶涂层的一致性。顶涂层的烘焙温度的优选范围是从大约70℃到大约130℃，更优选地从大约90℃到大约110℃。顶涂层的厚度的优选范围是从大约10nm到大约200nm，更优选地从大约30nm到大约100nm。

步骤140包括将顶涂层和光抗蚀剂层曝光于第二辐射。第二辐射可以是可见光、UV、EUV或E束。优选地，第二辐射的成像波长是大约365nm、248nm、193nm或13nm。更优选地，第二辐射的成像波长是大约193nm。曝光可以使用干法或浸没式光刻工艺实施。优选地，顶涂层和光抗蚀剂层的曝光使用浸没式光刻工艺实施。

步骤150包括去除顶涂层。可以通过使顶涂层与有机溶剂接触而去除顶涂层。有机溶剂优选地不溶解下面的光抗蚀剂层。适合的有机溶剂的示例包括但不限于1-丁醇、甲醇、乙醇、1-丙醇、乙烯乙二醇、1，2-丁二醇、1，3-丁二醇、1，4-丁二醇、1，2-丙二醇、1，3-丙二醇、1-戊醇、2-戊醇、3-戊醇、1-己醇、2-己醇、3-己醇、1-庚醇、2-庚醇、3-庚醇、4-庚醇、2-甲基-1-戊醇、2-甲基-2-戊醇、2-甲基-3-戊醇、3-甲基-1-戊醇、3-甲基-2-戊醇、3-甲基-3-戊醇、4-甲基-1-戊醇、4-甲基-2-戊醇、2，4-二甲基-3-戊醇、3-乙基-2-戊醇、1-甲基环戊醇、2-甲基-1-己醇、2-甲基-2-己醇、2-甲基-3-己醇、3-甲基-3-己醇、4-甲基-3-己醇、5-甲基-1-己醇、5-甲基-2-己醇、5-甲基-3-己醇、4-甲基环己醇、1，3-丙二醇、辛醇、癸烷或包括两种或更多种上述溶剂的组合物。

在步骤160，对光抗蚀剂层进行显影以在光抗蚀剂中形成第二图案。可以在水合碱性溶液中对光抗蚀剂层进行显影。优选地，水基溶液是TMAH溶液。TMAH溶液的浓度优选地是大约0.263N。水基溶液可以进一步包括添加剂，如表面活性剂、聚合物、异丙醇、乙醇等等。

在去除顶涂层之后并且在对光抗蚀剂进行显影之前，可以以第二温度烘焙衬底。第二温度的优选范围是从大约60℃到大约150℃，更优选地从80℃到大约130℃。在一些实例中，由于对于某些化学品，如乙缩醛或缩酮化学品，抗蚀剂聚合物的去保护在室温下进行，所以有可能避免第一烘焙。

可以通过去除衬底没有被构图的光抗蚀剂层覆盖的部分，将光抗蚀剂中的第二图案传递到衬底中。通常，通过反应离子刻蚀或本领域技术人员所知的一些其它技术去除衬底的部分。还可以通过离子注入衬底没有被光抗蚀剂覆盖的部分，而将第二图案传递到衬底。本发明的方法可以用于产生构图的结构例如可以用于集成电路器件的设计的金属布线线路、用作接触或通孔的洞、绝缘部分(例如，大马士革沟槽或浅沟槽隔离)，电容结构的沟槽等等。

图2-图8是示出了根据本发明的实施方式的示例性加工步骤的截面图。在图2a中，在衬底200之上形成光抗蚀剂层202，如以上步骤100所述。虽然没有示出，但是衬底200可以包括一个或多个半导体层或结构，例如衬底层、电介质层和底部防反射涂层(BARC)层，并且可以包括半导体器件的有源或可操作部分。优选地通过旋涂形成光抗蚀剂层202。可以执行PAB步骤以去除光抗蚀剂层202中的任何剩余溶剂。

可选但不是必须地，在光抗蚀剂层202之上可以形成第一顶涂层204，如图2b所示。第一顶涂层204可以防止光抗蚀剂层202中的成分沥滤到浸没式光刻工艺的水中。第一顶涂层204优选地包括包含酸基团的聚合物。酸基团可以包括羧酸、氟醇、氟磺胺，或包括两种或更多种上述基团的组合。第一顶涂层204优选地可溶于水合碱性显影剂中。

用于形成第一顶涂层204的顶涂材料可以进一步包括至少一种溶剂。溶剂优选地与下面的光抗蚀剂层202为不溶混的。适合的溶剂包括但不限于1-丁醇、甲醇、乙醇、1-丙醇、乙烯乙二醇、1，2-丁二醇、1，3-丁二醇、1，4-丁二醇、1，2-丙二醇、1，3-丙二醇、1-戊醇、2-戊醇、3-戊醇、1-己醇、2-己醇、3-己醇、1-庚醇、2-庚醇、3-庚醇、4-庚醇、2-甲基-1-戊醇、2-甲基-2-戊醇、2-甲基-3-戊醇、3-甲基-1-戊醇、3-甲基-2-戊醇、3-甲基-3-戊醇、4-甲基-1-戊醇、4-甲基-2-戊醇、2，4-二甲基-3-戊醇、3-乙基-2-戊醇、1-甲基环戊醇、2-甲基-1-己醇、2-甲基-2-己醇、2-甲基-3-己醇、3-甲基-3-己醇、4-甲基-3-己醇、5-甲基-1-己醇、5-甲基-2-己醇、5-甲基-3-己醇、4-甲基环己醇、1，3-丙二醇、辛醇、癸烷或包括两种或更多种上述溶剂的组合物。

可以通过包括旋涂的任何标准方法形成第一顶涂层204。可以进一步对第一顶涂层204进行烘焙以从顶涂去除剩余的溶剂，并改善顶涂层的一致性。顶涂层204的烘焙温度的优选范围是从大约70℃到大约130℃，更优选地从大约90℃到大约110℃。顶涂层204的厚度的优选范围是从大约10nm到大约200nm，更优选地从大约30nm到大约100nm。

在图3中，通过第一构图的光掩模220将光抗蚀剂层202曝光于第一辐射210中，如以上步骤110所述。第一曝光可以使用干法或浸没式光刻工艺实施。优选地，第一曝光使用浸没式光刻工艺实施。

构图的掩模220包括图案，其中掩盖的部分222基本上对于辐射是不透明的或对于高能粒子是不能穿过的，未掩盖的部分224基本上对于辐射是透明的或对于高能粒子是可穿过的。穿过未掩盖的部分224的辐射或粒子可以传输到光抗蚀剂层202，其中辐射或粒子可能导致光抗蚀剂层202的曝光区域中产生酸。光抗蚀剂层202的未曝光区域可以不产生酸。曝光于辐射或高能粒子中可以使得曝光区域可溶于水合碱性显影剂。

本发明中采用的构图的掩模220可以是通常用于光刻工艺的任何光掩模，包括衰减的PSM。构图的掩模220上的图案特征可以包括但不限于线路、沟槽和接触洞。

图4是在如以上的步骤120所述的在水合碱性显影剂中显影光抗蚀剂层202之后，衬底200和光抗蚀剂层202的示意图。在光抗蚀剂层202中形成第一图案206。

在图5中，在构图的光抗蚀剂层202之上形成顶涂层208。如果在第一曝光之前，将第一顶涂层204涂在光抗蚀剂层202之上，则顶涂层208将成为工艺中使用的第二顶涂层。顶涂层208优选地包括包含酸基团的聚合物。酸基团可以包括羧酸、氟醇、氟磺胺，或包括两种或更多种上述基团的组合。优选地，顶涂层208可溶于水合碱性显影剂中。顶涂层208可以防止光抗蚀剂层202中的成分沥滤到浸没式光刻工艺的水中。

在图6中，通过第二构图的光掩模240将顶涂层208和光抗蚀剂层202曝光于第二辐射230中，如以上步骤140所述。构图的掩模240包括以下图案，其中掩盖的部分242基本上对于辐射是不透明的或对于高能粒子是不可穿过的，并且未掩盖的部分244基本上对于辐射是透明的或对于高能粒子是可穿过的。穿过未掩盖的部分244的辐射或粒子可以传输到顶涂层208和光抗蚀剂层202，其中辐射或粒子可以导致光抗蚀剂层202的曝光区域中产生酸。光抗蚀剂层202的未曝光区域可以不产生酸。曝光于辐射或高能粒子中可以使得曝光区域可溶于水合碱性显影剂中。

同样地，构图的掩模240可以是光刻工艺中通常使用的任何光掩模，包括衰减的PSM。构图的掩模240上的图案特征可以包括但不限于线路、沟槽和接触洞。

图7是在如以上步骤150所述的去除顶涂层208之后，衬底200和光抗蚀剂层202的示意图。顶涂层208可以通过使其与有机溶剂接触而去除。

在图8中，在水合碱性显影剂中显影光抗蚀剂层202以形成第二图案212，如以上步骤160所述。在对光抗蚀剂层202进行显影之前，可以烘焙衬底200。

示例1

使用42纳米的Rohm&Haas公司的商标AR40下的市售的底部防反射涂层(BARC)涂覆硅衬底。在BARC的顶上淀积厚度为150纳米的193nm光抗蚀剂层。193nm光抗蚀剂是Rohm&Haas公司的商标EPIC2370下市售的。第一顶涂层在光抗蚀剂层的顶上以90纳米的厚度形成。第一顶涂是日本Synthetic Rubber公司的商标TCX41下市售的。使用ArF浸没式光刻扫描仪对光抗蚀剂进行第一次曝光，并显影以形成光抗蚀剂中的第一图案。第二顶涂层在构图的光抗蚀剂层的顶上以90纳米的厚度形成。第二顶涂也是日本SyntheticRubber公司的TCX41。使用ArF浸没式光刻扫描仪对光抗蚀剂进行第二次曝光。然后使用旋涂机，使用4-甲基-2-戊醇去除第二顶涂层。然后在0.263N的TMAH溶液中显影光抗蚀剂以形成光抗蚀剂中的第二图案。

图9和图10分别是示例1中形成的第一图案和第二图案的俯视图的扫描电子显微图。图9中的第一图案是图10中的第二图案的一部分。在第二曝光和显影之后，第一图案的CD几乎没有变化。

相比之下，使用标准双曝光工艺也产生了光抗蚀剂图案。在标准的工艺中，使用与示例1(图9)中描述的相同的过程产生第一图案。在构图的光抗蚀剂层的顶上淀积第二顶涂层，以及使用ArF浸没式光刻扫描仪对光抗蚀剂进行第二次曝光，与示例1中描述的相同。然后在0.263N的TMAH溶液中显影光抗蚀剂以在光抗蚀剂中形成第二图案。图9中的第一图案是图11中的第二图案的一部分。在标准双曝光工艺中第二次曝光和显影之后，第一图案的CD扩大了。

虽然已经关于优选的实施方式而特定地示出和描述了本发明，但是本领域技术人员可以理解，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下，做出形式上和细节上的上述和其他变化。因此，本发明不限制于描述和示出的确切形式和细节，而是落入所附的权利要求的范围内。