CN107146796A - 一种提高背面金属栅格分辨率的方法和半导体结构 - Google Patents
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Abstract
本发明特别涉及一种提高背面金属栅格分辨率的方法和半导体结构。方法包括以下步骤：在半导体衬底上依次沉积金属层和保护层；在所述保护层的表面依次涂覆抗反射涂层和负光阻层，然后对所述负光阻层曝光和显影后形成第一光刻图形；之后涂覆一层碱溶性有机化合物以完全覆盖所述第一光刻图形以及抗反射涂层，通过对涂覆有碱溶性有机化合物的半导体衬底进行高温烘烤和显影得到第二光刻图形；以所述第二光刻图形为掩膜层对所述保护层和金属层进行刻蚀，直至露出所述半导体衬底，然后去除所述掩膜层形成第三图形。通过本发明的方法可以在KrF(248nm波长)光刻机台上实现更小的线宽临界尺寸，不仅工艺窗口范围广利于生产操作，而且生产成本低。
Description
技术领域
本发明涉及半导体集成电路制造领域，特别涉及一种提高背面金属栅格分辨率的方法和半导体结构。
背景技术
像素和像素间会因为光线及电流产生串扰，从而降低画面的锐度，影响色彩还原，形成噪点。BMG(Backside Metal Grid即背面金属栅格)像素隔离技术可以增加光线利用率降低干扰，提升控噪能力和照片纯净度。
目前130nm的BMG小线宽几乎是KrF(氟化氪248nm波长)机台光刻的极限分辨率,但是由于工艺窗口很小，很难满足量产的要求。况且随着像素尺寸的不断缩小，对像素间的隔离线要求也越来越高，隔离线的尺寸也需要不断缩小，现有的KrF(248nm波长)光刻机台分辨率已经不能满足现有工艺对光刻机台分辨率的要求。如果转移到ArF(氟化氩193nm波长)机台上，分辨率能够满足要求，但是所需要的光阻厚度太厚(大于4000埃)，因此难以找到匹配的光阻，同时，由于高宽比太大，导致工艺窗口仅有0.1um左右，完全不能满足量产需求，而且转移到ArF(193nm波长)机台上，光阻成本至少是KrF机台的3倍。
发明内容
本发明提供了一种提高背面金属栅格分辨率的方法和半导体结构，解决以上所述技术问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种提高背面金属栅格分辨率的方法,包括以下步骤：
步骤1，在半导体衬底上依次沉积金属层和保护层；
步骤2，在所述保护层的表面依次涂覆抗反射涂层和负光阻层，然后对所述负光阻层曝光和显影后形成第一光刻图形；
步骤3，之后涂覆一层碱溶性有机化合物以完全覆盖所述第一光刻图形以及抗反射涂层，通过对涂覆有碱溶性有机化合物的半导体衬底进行高温烘烤和显影得到第二光刻图形；
步骤4，以所述第二光刻图形为掩膜层对所述保护层和金属层进行刻蚀，直至露出所述半导体衬底，然后去除所述掩膜层形成第三图形。
本发明的有益效果是：本发明的技术方案通过在KrF(248nm波长)光刻机台上采用负光阻形成第一光刻图形，之后在第一光刻图形表面涂覆碱溶性有机化合物，碱溶性有机化合物与第一光刻图形侧壁中含有的光酸成分在高温烘烤的条件下发生交联反应，反应生成物溶于显影液而被去除，达到缩小光刻图形的目的，进而缩小以光刻图形为掩膜刻蚀形成的第三图形的尺寸即线宽临界尺寸，提高了工艺窗口范围，降低了生产成本。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，步骤1中，所述金属层为铝层，所述保护层为PETEOS薄膜层或氮化硅层。
采用上述进一步方案的有益效果是：采用金属铝层作为BMG像素隔离技术中像素间的隔离线不仅可以增加光线利用率降低干扰，而且可以提升控噪能力和照片纯净度，采用保护层能有效的保护金属铝层，避免金属铝层被氧化。
进一步，步骤1中，采用电子束蒸发、磁控溅射或热蒸发沉积所述铝层。
采用上述进一步方案的有益效果是：采用电子束蒸发金属铝层，制成的薄膜纯度高、质量好，厚度可以较准确地控制；采用磁控溅射沉积金属铝层，金属膜的致密性高，金属膜的反射率高，采用热蒸发沉积金属铝层，工艺简单成本低。
进一步，步骤2中，所述抗反射涂层的厚度范围为100埃～1000埃。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过涂覆一定厚度的抗反射涂层能有效的提高光刻工艺中线宽解析度。
进一步，步骤3中，所述碱溶性有机化合物为含有酚类树脂、交联剂、碱性添加剂和光刻胶溶剂的胶体。
进一步，步骤3中，所述碱溶性有机化合物的厚度范围为150nm-300nm。
采用上述进一步方案的有益效果是：采用碱溶性有机化合物，这种碱溶性有机化合物可以跟酸性物质反应，同时反应物可以溶于显影液，可以兼容现有的显影工艺。
进一步，所述第一光刻图形、第二光刻图形和第三图形为包含至少一个长方体状的凸起图形。
进一步，所述第一光刻图形中任一凸起图形的宽度范围为130nm～160nm，所述第一光刻图形中任一凸起图形的高度范围为150nm～300nm；所述第二光刻图形中任一凸起图形的宽度范围为90nm～150nm，第二光刻图形中任一凸起图形的高度范围为150nm～300nm；所述第三图形中任一凸起图形的宽度范围为90nm～150nm，第三图形中任一凸起图形的高度范围为150nm～300nm。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过形成上述尺寸的凸起图形能满足BMG像素隔离技术中对隔离线尺寸的工艺要求，并且能降低成本。
为了解决本发明的技术问题，还提供了一种半导体结构，包括半导体衬底和利用所述的提高背面金属栅格分辨率的方法在半导体衬底上形成的所述第三图形。
进一步，所述第三图形为包含至少一个长方体状的凸起图形，所述凸起图形的宽度范围为90nm～150nm，所述凸起图形的高度范围为150nm～300nm。
采用上述进一步方案的有益效果是：本发明的进一步技术方案形成的凸起图形的尺寸更小，能满足像素尺寸的不断缩小对像素的隔离线尺寸要求也更小的需求。
附图说明
图1为本发明实施例一种提高背面金属栅格分辨率的方法的流程示意图；
图2为图1实施例中半导体衬底上生长的金属层的剖面示意图；
图3为图1实施例中生长保护层的剖面示意图；
图4为图1实施例中涂覆抗反射涂层的剖面示意图；
图5为图1实施例中半导体衬底形成第一光刻图形的剖面示意图；
图6为图1实施例中涂覆碱溶性有机化合物的剖面示意图；
图7为图1实施例中形成第二光刻图形的剖面示意图；
图8为图1实施例中形成第三图形的剖面示意图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、半导体衬底，2、金属层，3、保护层，4、抗反射涂层，5、第一光刻图形，6、碱溶性有机化合物，7、第二光刻图形，8、第三图形。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，本发明实施例一种提高背面金属栅格分辨率的方法流程示意图，包括以下步骤：
步骤1，在半导体衬底上依次沉积金属层和保护层；
步骤2，在所述保护层的表面依次涂覆抗反射涂层和负光阻层，然后对所述负光阻层曝光和显影后形成第一光刻图形；
步骤3，之后涂覆一层碱溶性有机化合物以完全覆盖所述第一光刻图形以及抗反射涂层，通过对涂覆有碱溶性有机化合物的半导体衬底进行高温烘烤和显影得到第二光刻图形；
步骤4，以所述第二光刻图形为掩膜层对所述保护层和金属层进行刻蚀，直至露出所述半导体衬底，然后去除所述掩膜层形成第三图形。
本发明实施例通过在KrF(248nm波长)光刻机台上采用负光阻形成第一光刻图形，之后在第一光刻图形表面涂覆碱溶性有机化合物，碱溶性有机化合物与第一光刻图形侧壁中含有的光酸成分在高温烘烤的条件下发生交联反应，反应生成物溶于显影液而被去除，达到缩小光刻图形的目的，进而缩小以光刻图形为掩膜刻蚀形成的第三图形的尺寸即线宽临界尺寸，提高了工艺窗口范围，降低了生产成本。
优选的，本发明一个实施例的步骤1中，在半导体衬底1上采用电子束蒸发沉积金属层2，如图2所示，所述的金属层2为金属铝层，之后在金属铝层上表面,以TEOS(正硅酸乙酯)和氧气作为原料，采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积)沉积保护层3，所述保护层3为PETEOS(等离子体增强正硅酸乙脂)薄膜，如图3所示。采用电子束蒸发金属铝层，制成的薄膜纯度高、质量好，厚度可以较准确地控制。
优选的，在本发明另一个实施例的步骤1中，在半导体衬底上采用磁控溅射沉积金属铝层，之后在金属铝层上表面，以SiH2Cl2(即二氯二氢硅)和NH3(即氨气)为原料，在LPCVD设备中生长氮化硅保护层3，所述保护层3位氮化硅薄膜层。，采用磁控溅射沉积金属铝层，金属膜的致密性高，金属膜的反射率高，采用氮化硅作为保护层，氮化硅密度高，不易被氢氟酸腐蚀，广泛应用于集成电路芯片工艺。优选的，在本发明一个实施例的步骤1中，在半导体衬底上采用热蒸发沉积金属铝层，之后在金属铝层上表面，以TEOS(正硅酸乙酯)和氧气作为原料，采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积)沉积保护层PETEOS(等离子体增强正硅酸乙脂)薄膜。采用热蒸发沉积金属铝层工艺简单，成本低。
优选的，在本发明一个实施例的步骤2中，在涂覆负光阻之前还包括涂覆抗反射涂层4，抗反射涂层可以是BARC，如图4所示，所述抗反射涂层的厚度范围为100埃～1000埃,例如500埃、670埃或者800埃等等，抗反射涂层能有效的提高光刻工艺中线宽解析度。
优选的，在本发明的一个实施例的步骤2中，采用旋涂的方法在抗反射涂层4上涂覆一层负光阻，然后通过在KrF(248nm波长)光刻机台上曝光，并在含有TMAH(四甲基氢氧化铵)的显影液里面显影，之后通过冲水甩干的方式形成第一光刻图形5，如图5所示。所述负光阻为含有感光树脂、光致产酸剂、交联剂、碱性添加剂和光刻胶溶剂的胶体，所述感光树脂采用聚乙烯醇月桂酸酯等作为光敏材料,在光的作用下,其分子中的双键被打开，并使链与链之间发生交联，形成一种不溶性的网状结构。所述负光阻的厚度范围为150nm-300nm，例如150nm、200nm或者300nm等等，合理厚度的光阻不仅能节省成本，而且能提高光刻图形的分辨率。
优选的，在本发明的一个实施例的步骤3中，涂覆一层碱溶性有机化合物6以完全覆盖所述第一光刻图形以及抗反射涂层，，所述碱溶性有机化合物6为含有酚类树脂、交联剂、碱性添加剂和光刻胶溶剂的胶体，通过旋涂或者喷涂的方式将碱溶性有机化合物均匀的涂覆在第一光刻图形的表面，如图6所示。
优选的，在本发明的一个实施例的步骤3中，所述碱溶性有机化合物的厚度范围为150nm-300nm，例如150nm、200nm或者300nm等等，合理厚度的碱溶性有机化合物能节省成本。
优选的，在本发明一个实施例中，在涂覆一层碱溶性有机化合物6以完全覆盖所述第一光刻图形以及抗反射涂层之后，通过对涂覆有碱溶性有机化合物的半导体衬底进行高温烘烤、显影和冲水甩干的方式得到第二光刻图形7，如图7所示。高温烘烤的温度为90℃～130℃,时间为60S～200S，比如烘烤的温度为90℃，时间为60S；或者烘烤的温度为100℃，时间为120S；或者烘烤的温度为120℃，时间为180S等等，通过采用不同的烘烤温度和烘烤时间得到不同的第二光刻图形尺寸。所述显影采用的显影液为含有TMAH(四甲基氢氧化铵)的显影液，这样可以和负光阻的显影液兼容，可以使用同一个显影机台，节省成本。此时，负光阻中含有的光酸成分在高温烘烤下与溶性有机化合物胶体发生交联反应，反应的温度和时间根据光刻图形临界尺寸缩小的具体数值决定，光刻图形临界尺寸缩小的大小与反应的温度和时间在一定范围内呈线性关系，最后在显影过程中将发生交联反应的反应物去除，达到缩小光刻图形临界尺寸的目的。
优选的，在本发明一个实施例中，以所述第二光刻图形为掩膜层对氧化物保护层和金属层进行刻蚀，直至露出所述半导体衬底，然后去除所述掩膜层形成第三图形8。刻蚀采用干法刻蚀，干法刻蚀得到的图形精度高，不会出现湿法腐蚀产生的侧腐蚀，保证了凸起图形的完整性。具体的，可以采用BCl3、氯气的混合气体或者三氟氢碳在感应耦合等离子体机中刻蚀所述的保护层表面和金属铝层直至露出所述半导体衬底，形成第三图形8。
优选的，在本发明具体实施例中，所述第一光刻图形、第二光刻图形和第三图形分别包括至少一个长方体状的凸起图形。所述第一光刻图形包括至少一个长方体状的凸起图形；
优选的，在本发明一个实施例中，所述第一光刻图形中任一凸起图形的宽度范围为130nm～160nm，所述第一光刻图形中任一凸起图形的高度范围为150nm～300nm；所述第二光刻图形中任一凸起图形的宽度范围为90nm～150nm，第二光刻图形中任一凸起图形的高度范围为150nm～300nm；所述第三图形中任一凸起图形的宽度范围为90nm～150nm，第三图形中任一凸起图形的高度范围为150nm～300nm。通过形成上述尺寸的凸起图形能满足BMG像素隔离技术中对隔离线尺寸的工艺要求，并且能降低成本。
本发明的实施例还提供了一种半导体结构，包括半导体衬底1和利用所述的提高背面金属栅格分辨率的方法在半导体衬底1上形成的第三图形8，所述第三图形为铝层和保护层的多层结构，如图8所示。本实施例中，所述第三图形8为多层结构，自下而上依次为金属铝层和保护层，所述金属铝层沉积在半导体衬底1上，同时所述保护层为PETEOS薄膜层或者氮化硅层。在一个优选的实施例中，所述第三图形为包含至少一个长方体状的凸起图形，所述凸起图形的宽度范围为90nm～150nm，比如90nm、100nm或者150nm等等，所述凸起图形的高度范围为150nm～300nm，比如150nm、200nm或者250nm等等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种提高背面金属栅格分辨率的方法,其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在半导体衬底上依次沉积金属层和保护层；
步骤2，在所述保护层的表面依次涂覆抗反射涂层和负光阻层，然后对所述负光阻层曝光和显影后形成第一光刻图形；
步骤3，之后涂覆一层碱溶性有机化合物以完全覆盖所述第一光刻图形以及抗反射涂层，通过对涂覆有碱溶性有机化合物的半导体衬底进行高温烘烤和显影得到第二光刻图形；
步骤4，以所述第二光刻图形为掩膜层对所述保护层和金属层进行刻蚀，直至露出所述半导体衬底，然后去除所述掩膜层形成第三图形。
2.根据权利要求1所述的一种提高背面金属栅格分辨率的方法，其特征在于，步骤1中，所述金属层为铝层，所述保护层为PETEOS薄膜层或氮化硅层。
3.根据权利要求2所述的一种提高背面金属栅格分辨率的方法，其特征在于，步骤1中，采用电子束蒸发、磁控溅射或热蒸发沉积所述铝层。
4.根据权利要求1～3任一所述的一种提高背面金属栅格分辨率的方法，其特征在于，步骤2中，所述抗反射涂层的厚度范围为100埃～1000埃。
5.根据权利要求4所述的一种提高背面金属栅格分辨率的方法，其特征在于，步骤3中，所述碱溶性有机化合物为含有酚类树脂、交联剂、碱性添加剂和光刻胶溶剂的胶体。
6.根据权利要求5所述的一种提高背面金属栅格分辨率的方法，特征在于，步骤3中，所述碱溶性有机化合物的厚度范围为150nm-300nm。
7.根据权利要求4所述的一种提高背面金属栅格分辨率的方法，其特征在于，所述第一光刻图形、第二光刻图形和第三图形为包含至少一个长方体状的凸起图形。
8.根据权利要求7所述的一种提高背面金属栅格分辨率的方法，其特征在于，所述第一光刻图形中任一凸起图形的宽度范围为130nm～160nm，所述第一光刻图形中任一凸起图形的高度范围为150nm～300nm；所述第二光刻图形中任一凸起图形的宽度范围为90nm～150nm，第二光刻图形中任一凸起图形的高度范围为150nm～300nm；所述第三图形中任一凸起图形的宽度范围为90nm～150nm，第三图形中任一凸起图形的高度范围为150nm～300nm。
9.一种半导体结构，其特征在于，包括半导体衬底和利用权利要求1～8任一所述的提高背面金属栅格分辨率的方法在半导体衬底上形成的所述第三图形。
10.根据权利要求9所述的半导体结构，其特征在于，所述第三图形为包含至少一个长方体状的凸起图形，所述凸起图形的宽度范围为90nm～150nm，所述凸起图形的高度范围为150nm～300nm。
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