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CN116053116A - 一种半导体器件图形化的方法 - Google Patents

一种半导体器件图形化的方法 Download PDF

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CN116053116A
CN116053116A CN202310042316.6A CN202310042316A CN116053116A CN 116053116 A CN116053116 A CN 116053116A CN 202310042316 A CN202310042316 A CN 202310042316A CN 116053116 A CN116053116 A CN 116053116A
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CN
China
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photoresist layer
photoresist
substrate
patterned
semiconductor device
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张祥平
林士程
古哲安
徐伟强
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Nexchip Semiconductor Corp
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Abstract

本发明提出一种半导体器件图形化的方法，属于半导体技术领域。所述方法包括：提供一衬底；在所述衬底上形成第一光刻胶层；在所述第一光刻胶层上形成第二光刻胶层，且所述第二光刻胶层包含羟基；显影所述第二光刻胶层，形成第二图案化光刻胶层；采用固化剂对所述第二图案化光刻胶层进行固化，所述固化剂包含胺基；以固化后的所述第二图案化光刻胶层为掩膜，刻蚀所述第一光刻胶层，形成第一图案化光刻胶层。通过本发明提出一种半导体器件图形化的方法，能够在半导体器件上获得高分辨率的图形。

Description

一种半导体器件图形化的方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种半导体器件图形化的方法。
背景技术
在半导体器件制造过程中，光阻是重要的制作环节之一，光刻胶的厚度和均一性是旋涂过程中需要控制的重要参数。随着集成电路工艺层数的增加，刻蚀层数增加，衬底表面变得高低不平。这些高低不平的平面各自具有不同的反射性质，在这样的表面条件下，景深（Depth of Field，DOF）变小问题尤其明显。同时，随着线条尺寸的不断缩小，为了实现更高的分辨率，应该涂布更薄的光刻胶，但薄胶易出现耐蚀刻不足的问题。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本申请提出一种半导体器件图形化的方法，可以在半导体器件制作过程中，对图形化的过程进行改进，获得高分辨率的图形，提高半导体器件制作的准确性。
为实现上述目的及其他目的，本申请提出一种半导体器件图形化的方法，至少包括以下步骤：
提供一衬底；
在所述衬底上形成第一光刻胶层；
在所述第一光刻胶层上形成第二光刻胶层，且所述第二光刻胶层包含羟基；
显影所述第二光刻胶层，形成第二图案化光刻胶层；
采用固化剂对所述第二图案化光刻胶层进行固化，所述固化剂包含胺基；以及
以固化后的所述第二图案化光刻胶层为掩膜，刻蚀所述第一光刻胶层，形成第一图案化光刻胶层。
在本发明一实施例中，所述第一光刻胶层的形成步骤包括：
在所述衬底上涂布第一光刻胶；以及
对所述第一光刻胶进行烘烤，形成所述第一光刻胶层，且所述烘烤温度为所述第一光刻胶的玻璃化温度。
在本发明一实施例中，所述第一光刻胶层的厚度为0.5μm~1μm。
在本发明一实施例中，所述第一光刻胶的曝光波长为248nm~436nm。
在本发明一实施例中，所述第二图案化光刻胶层的形成步骤包括：
在所述第一光刻胶层上涂布第二光刻胶；
在预设温度下对所述第二光刻胶进行烘烤，以形成厚度为0.1μm~0.5μm的所述第二光刻胶层；以及
对所述第二光刻胶层进行曝光并显影，形成第二图案化光刻胶层。
在本发明一实施例中，所述第二光刻胶的曝光波长为13.5nm~248nm。
在本发明一实施例中，含有所述羟基的物质包括酚醛树脂或丙烯酸树脂。
在本发明一实施例中，含有所述胺基的物质包括六次甲基四胺、N,N二甲基苯胺、三亚甲基二胺、肉桂亚乙基乙二胺、肉桂亚基六亚甲基二胺、六亚甲基二胺氨基甲酸酯、1,3-二氨基丙烷一氨基甲酸酯或乙二胺氨基甲酸酯中的一种或几种混合。
在本发明一实施例中，所述第一图案化光刻胶层的形成步骤包括：
将带有固化后的所述第二图案化光刻胶层的所述衬底放入腔室内；以及
向所述腔室内通入六氟化硫和氧气的混合气体。
在本发明一实施例中，所述六氟化硫和所述氧气的体积比为1:20~1:6。
综上所述，本申请提出一种半导体器件图形化的方法，在高低不平的衬底上，能够解决光刻胶景深变小问题，获得高分辨率的图案。光刻胶层在图案化过程中，不受叠层光刻胶的影响，能够扩大当层光阻图案的景深。有利于提高半导体器件的制作良率和性能，有利于获得高集成度的半导体器件，降低生产成本。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明在一实施例中半导体器件图形化的方法的流程示意图。
图2为本发明在一实施例中在衬底上形成双层光刻胶层结构示意图。
图3为本发明在一实施例中第二光刻胶层曝光显影过程示意图。
图4为本发明在一实施例中第二图案化光刻胶层的固化过程示意图。
图5为本发明在一实施例中第一光刻胶层的刻蚀过程示意图。
图6为本发明在一实施例中衬底的刻蚀过程示意图。
图7为本发明在一实施例中剥离光刻胶后的图形示意图。
附图标记说明：
10、衬底；11、第一光刻胶层；111、第一图案化光刻胶层；12、第二光刻胶层；121、第二图案化光刻胶层；122、固化层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
在本发明中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等，其所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”仅用于描述和区分目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在半导体集成器件制造过程中，光刻工艺是半导体制造过程中最为重要的工艺步骤之一，先在基材上覆盖光刻胶，通过掩膜版将图形复制到基材上，为下一步的刻蚀、离子注入或其他制作工艺提供条件。其中，光刻的成本约为整个基材制造工艺的三分之一，耗费时间约占整个基材制造工艺的40%~60%，因此，光刻的准确性对半导体制造的质量、成本以及良率等方面的影响较大。在半导体集成器件制作中，随着制作工艺层数的增加，刻蚀层数增加，衬底表面变得高低不平。这些高低不平的平面各自具有不同的反射性质，在形成光刻胶图案时，易出现景深变小问题，影响光刻胶图案的准确性。同时，随着刻蚀线条尺寸的不断缩小，为获得高分辨率的图形，会减少光刻胶的涂布量，但易出现耐蚀刻不足的问题。本发明提供一种半导体器件图形化的方法，可扩大光刻胶的景深，增加耐刻蚀能力，同时，获得高分辨的图案，可广泛应用于半导体集成器件的各个制作流程中。
请参阅图1所示，本发明提供一种半导体器件图形化的方法，通过对图形化的过程进行优化，获得高分辨的图案，可用来制备体积较小或要求较高的半导体集成器件的制作过程中，并提高半导体集成器件的制作良率。其中，半导体器件图形化的方法包括步骤S11-S15。
步骤S11、提供一衬底。
步骤S12、在所述衬底上形成第一光刻胶层和第二光刻胶层，且所述第二光刻胶层位于所述第一光刻胶层上。
步骤S13、曝光显影所述第二光刻胶层，形成第二图案化光刻胶层。
步骤S14、采用固化剂对所述第二图案化光刻胶层进行固化。
步骤S15、以固化后的所述第二光刻胶层为掩膜，刻蚀所述第一光刻胶层。
请参阅图2所示，在本发明一实施例中，首先提供一衬底10，衬底10作为制作半导体集成器件的基材。其中，衬底10可以为任意适用的半导体材料，例如为碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌(ZnO)、氮化铝（AlN）、氮化铟（InN）、磷化铟（InP）、砷化镓（GaAs）、砷化铟（InAs）、磷化镓(GaP)、铝砷化镓(AlGaAs)、铝镓铟磷(AlGaInP)、硅锗（GeSi）、蓝宝石、硅片或者其它III/V化合物形成的半导体材料等，还包括这些半导体材料构成的叠层结构，或者为绝缘体上硅、绝缘体上层叠硅、绝缘体上层叠锗化硅、绝缘体上锗化硅以及绝缘体上锗等。本发明并不限制衬底10的材料，具体可根据制作的半导体集成器件的类型进行选择，在本实施例中，衬底10例如为硅半导体衬底。
请参阅图2所示，在本发明一实施例中，在涂布光刻胶前，衬底10的上表面并不平整，具有高低不同形貌，即具有不同大小的高度差。其中，衬底10的表面上例如设置有不同的半导体功能层或半导体器件等，或者衬底10上包括不同区域，采用光刻胶覆盖部分区域，在衬底10上的部分区域形成光刻胶图案等，即半导体集成器件的制作工艺导致的衬底10的表面高低不同。
请参阅图1至图2所示，在本发明一实施例中，在步骤S12中，在衬底10上形成第一光刻胶层11和第二光刻胶层12。其中，第一光刻胶层11设置在衬底10上，第二光刻胶层12设置在第一光刻胶层11上，且形成第一光刻胶层11的第一光刻胶和形成第二光刻胶层12的第二光刻胶的曝光波长不同。
请参阅图1至图2所示，在本发明一实施例中，首先，在衬底10上涂布第一光刻胶，形成第一光刻胶层11。其中，第一光刻胶层11的厚度例如为衬底10上最大高度差的2倍~3倍，第一光刻胶层11的具体厚度例如为0.5μm~1μm。在本实施例中，第一光刻胶为曝光波长例如为248nm~436nm的光刻胶，具体例如为氟化氩(ArF)光刻胶或极紫外光刻胶（EUV光刻胶）等。且第一光刻胶中包括光敏产酸剂和树脂，其中，树脂例如为甲基丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸(2-乙烯氧基)乙酯等不含羟基的树脂。在第一光刻胶层11涂布后，在第一光刻胶的对应的玻璃化温度（Tg）下烘烤，且烘烤时间例如为30s~2min，以获取顶层平坦的第一光刻胶层11，扩大第一光刻胶层11的景深。
请参阅图1至图2所示，在本发明一实施例中，在第一光刻胶层11烘烤完成后，冷却到室温，在第一光刻胶层11上涂布第二光刻胶，形成第二光刻胶层12。其中，第二光刻胶层12的厚度小于第一光刻胶层11的厚度，第二光刻胶层12的厚度例如为0.1μm~0.5μm。在本实施例中，第二光刻胶为曝光波长例如为13.5nm~248nm的光刻胶，具体例如为氟化氪(KrF)光刻胶、i线光刻胶或g线光刻胶等。其中，第二光刻胶中例如包括光敏产酸剂和树脂，其中，树脂包括酚醛树脂或丙烯酸树脂等含羟基的树脂。因第一光刻胶层11的顶层较为平坦，因此，在第二光刻胶层12涂布后，可在70℃~90℃下进行烘烤，且烘烤时间例如为30s~2min，即可获取表面平整的第二光刻胶层12。本发明并不限制第一光刻胶和第二光刻胶的极性，即第一光刻胶层11和第二光刻胶层12的极性可以相同也可以相反，第一光刻胶层11和第二光刻胶层12可以为正性光刻胶和/或负性光刻胶。在本发明中，第二光刻胶层12选择深紫外类型或极紫外类型的第二光刻胶进行涂布，因此第二光刻胶层12具有较大景深的特性，在显影第二光刻胶层12时，受景深影响较小。通过在第一光刻胶层11上设置较薄的第二光刻胶层12，可以获得高分辨率的图案，且在图案化第一光刻胶层11的过程中，不受叠层光刻胶的影响，能够扩大光阻图案的景深。
请参阅图2至图3所示，在本发明一实施例中，在步骤S13中，利用掩膜版对第二光刻胶层12进行曝光处理。具体的，采用曝光光源对第二光刻胶层12进行曝光工艺，曝光后，采用正性显影液或负性显影液进行显影，将掩膜版上的目标图案转移至第二光刻胶层12上，形成第二图案化光刻胶层121。其中，掩膜版上设置有目标图形，利用具有第一波长的曝光光源透过掩膜版上的图形对第二光刻胶层12进行照射，实现曝光。将掩膜版移除之后，可以对曝光后的第二光刻胶层12进行显影，形成如图3所示的第二图案化光刻胶层121。且曝光光源例如为波长在150nm~245nm的深紫外光源或者极紫外光光源，曝光光源的第一波长例如为157nm或193nm等。第一光刻胶层11选择波长大于248nm的光刻胶，在第一波长的曝光光源的作用下，对第一光刻胶层11不产生影响，可以针对性的显影第二光刻胶层12。且第二光刻胶层12的厚度较小，从而避免了因光刻胶层曝光显影不充分，而导致在衬底上的光刻胶层的景深小的问题。
请参阅图3至图4所示，在本发明一实施例中，在步骤S14中，在形成第二图案化光刻胶层121后，采用固化剂对第二图案化光刻胶层121进行固化处理。在本实施例中，固化剂包括六次甲基四胺、N,N-二甲基苯胺、三亚甲基二胺、肉桂亚乙基乙二胺、肉桂亚基六亚甲基二胺、六亚甲基二胺氨基甲酸酯、1,3-二氨基丙烷一氨基甲酸酯或乙二胺氨基甲酸酯等含胺基固化剂中的一种或几种混合。在本实施例中，例如采用质量分数为5%~20%的三亚甲基二胺的酸溶液为固化剂，并在固化温度为110℃～160℃的条件下对第二图案化光刻胶层121进行固化处理。在固化过程中，第二光刻胶层12中的羟基与固化剂中的胺基发生反应，生成难溶的大分子链物质，在第二图案化光刻胶层121的顶部和四周形成固化层122。同时，第一光刻胶层11中不含有羟基，因此，固化剂不与第一光刻胶层11反应。固化层122的性质稳定，在对第一光刻胶层11进行显影过程中，确保第二图案化光刻胶层121不受影响，可以作为第一光刻胶层11的掩膜。
请参阅图4至图5所示，在本发明一实施例中，以形成固化层122的第二图案化光刻胶层121为掩膜，采用刻蚀的方式向衬底10的方向对第一光刻胶层11进行刻蚀，将第二图案化光刻胶层121上的图案转移至第一光刻胶层11上。其中，图4中箭头表示第一光刻胶层11刻蚀方向，且在刻蚀过程中，固化层122的性质稳定，不易被刻蚀，确保了第一光刻胶层11的刻蚀准确性。在本实施例中，例如采用干法刻蚀去除暴露的第一光刻胶层11，具体的，将带有固化层122和第二图案化光刻胶层121的衬底10放入腔室内，例如等离子刻蚀腔室，向腔室内通入刻蚀气体。其中，刻蚀气体例如包括氧气（O2）和六氟化硫（SF6）等的混合气体，将腔室内压力维持在20Pa~30Pa，且六氟化硫和氧气的气体体积比例如为1:20~1:6，六氟化硫和氧气的总流量例如为3000sccm~8000sccm，刻蚀时间例如为20s~80s。通过干法刻蚀的各向异性，将第二图案化光刻胶层121上的图案准确的转移到在第一光刻胶层11上，以获得高分辨率的光刻胶图案，形成第一图案化光刻胶层111。本发明通过刻蚀获得第一图案化光刻胶层111，可避免在采用曝光显影等方式的过程中，景深问题对光刻胶图案化过程的影响，从而获取准确的图案化光阻层。在其他实施例中，第一光刻胶层11也可采用其他刻蚀方式进行刻蚀。
请参阅图4至图6所示，在本发明一实施例中，在形成第一图案化光刻胶层111后，第二图案化光刻胶层121和第一图案化光刻胶层111可以作为衬底10的刻蚀阻挡层，对衬底10或衬底10上需要刻蚀的功能层进行刻蚀。其中，依据需要刻蚀材料的不同，选择不同的刻蚀程序，从而在衬底10上获得高分辨图像。本发明通过一次曝光显影和刻蚀，解决景深变小的问题，获得高分辨率的图案。且第一光刻胶层11和衬底10同样采用刻蚀的方法，一方面减少第一光刻胶层11在曝光显影中受景深的影响，另一方面，相当于实现第一光刻胶层11和衬底10的自对准，提高对衬底10的刻蚀或对衬底10操作的准确性。
请参阅图4至图5所示，在本发明另一实施例中，在形成第一图案化光刻胶层111后，可以去除第二图案化光刻胶层121，并以第一图案化光刻胶层111为掩膜，刻蚀衬底10，以将第一图案化光刻胶层111中的图案转移到衬底10上。再或者，在其他实施例中，在形成第一图案化光刻胶层111后，可以去除第二图案化光刻胶层121，并以第一图案化光刻胶层111为掩膜，对衬底10进行离子注入，在衬底10中形成离子注入区。在形成高分辨率的第一图案化光刻胶层111后，再依据制作要求，对衬底10进行操作，均可在衬底10中形成高分辨率的图案或边界清晰的掺杂区等，有利于提高半导体器件的制作良率和性能，有利于获得高质量和高集成度的半导体器件，同时，降低企业的生产成本。
请参阅图6至图7所示，在本发明一实施例中，在衬底10刻蚀或离子注入完成后，剥离衬底10上的第二图案化光刻胶层121和第一图案化光刻胶层111。在本实施例中，因第一图案化光刻胶层111通过刻蚀形成的，衬底10上剩余的第一光刻胶未经过曝光处理，因此采用溶剂即可对第一光刻胶进行溶解剥离，第一图案化光刻胶层111溶解后，第一图案化光刻胶层111上的第二图案化光刻胶层121和固化层122自然就从衬底10上剥离。其中，溶剂可以选用丙酮、乙氧基乙酸乙酯、芳族二甲苯、丙二醇单甲基醚酯、乳酸乙酯、甲基戊基酮或丙二醇单甲基醚等有机溶剂中的一种或组合。去除光刻胶后，衬底10依次经过丙酮清洗、去离子水清洗、异丙醇清洗以及烘干等工序，确保衬底10上无光刻胶残留，至此，衬底的该制作步骤中光阻工艺完成。
综上所述，本申请提出一种半导体器件图形化的方法，在需要形成图形的衬底上依次形成第一光刻胶层和第二光刻胶层，且第一光刻胶层和第二光刻胶层选择不同曝光波长的光刻胶。且第二光刻胶层的厚度小于第一光刻胶层的厚度，解决光刻胶景深变小问题。曝光显影第二光刻胶层后，对第二图案化光刻胶层进行固化处理，以固化后的第二图案化光刻胶层为掩膜，刻蚀第一光刻胶层，获得高分辨率的光刻胶图形。有利于提高半导体器件的制作良率和性能，有利于获得高集成度的半导体器件，降低生产成本。
本发明所示实施例的上述描述(包括在说明书摘要中所述的内容)并非意在详尽列举或将本发明限制到本文所公开的精确形式。尽管在本文仅为说明的目的而描述了本发明的具体实施例和本发明的实例，但是正如本领域技术人员将认识和理解的，各种等效修改是可以在本发明的精神和范围内的。如所指出的，可以按照本发明所述实施例的上述描述来对本发明进行这些修改，并且这些修改将在本发明的精神和范围内。
因而，尽管本发明在本文已参照其具体实施例进行描述，但是修改自由、各种改变和替换意在上述公开内，并且应当理解，在某些情况下，在未背离所提出发明的范围和精神的前提下，在没有对应使用其他特征的情况下将采用本发明的一些特征。因此，可以进行许多修改，以使特定环境或材料适应本发明的实质范围和精神。本发明并非意在限制到在下面权利要求书中使用的特定术语和/或作为设想用以执行本发明的最佳方式公开的具体实施例，但是本发明将包括落入所附权利要求书范围内的任何和所有实施例及等同物。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明，本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案，例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。除说明书所述的技术特征外，其余技术特征为本领域技术人员的已知技术，为突出本发明的创新特点，其余技术特征在此不再赘述。

Claims (10)

1.一种半导体器件图形化的方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
提供一衬底；
在所述衬底上形成第一光刻胶层；
在所述第一光刻胶层上形成第二光刻胶层，且所述第二光刻胶层包含羟基；
显影所述第二光刻胶层，形成第二图案化光刻胶层；
采用固化剂对所述第二图案化光刻胶层进行固化，所述固化剂包含胺基；以及
以固化后的所述第二图案化光刻胶层为掩膜，刻蚀所述第一光刻胶层，形成第一图案化光刻胶层。
2.根据权利要求1所述的半导体器件图形化的方法，其特征在于，所述第一光刻胶层的形成步骤包括：
在所述衬底上涂布第一光刻胶；以及
对所述第一光刻胶进行烘烤，形成所述第一光刻胶层，且所述烘烤温度为所述第一光刻胶的玻璃化温度。
3.根据权利要求2所述的半导体器件图形化的方法，其特征在于，所述第一光刻胶层的厚度为0.5μm~1μm。
4.根据权利要求2所述的半导体器件图形化的方法，其特征在于，所述第一光刻胶的曝光波长为248nm~436nm。
5.根据权利要求1所述的半导体器件图形化的方法，其特征在于，所述第二图案化光刻胶层的形成步骤包括：
在所述第一光刻胶层上涂布第二光刻胶；
在预设温度下对所述第二光刻胶进行烘烤，以形成厚度为0.1μm~0.5μm的所述第二光刻胶层；以及
对所述第二光刻胶层进行曝光并显影，形成第二图案化光刻胶层。
6.根据权利要求5所述的半导体器件图形化的方法，其特征在于，所述第二光刻胶的曝光波长为13.5nm~248nm。
7.根据权利要求1所述的半导体器件图形化的方法，其特征在于，含有所述羟基的物质包括酚醛树脂或丙烯酸树脂。
8.根据权利要求1所述的半导体器件图形化的方法，其特征在于，含有所述胺基的物质包括六次甲基四胺、N,N二甲基苯胺、三亚甲基二胺、肉桂亚乙基乙二胺、肉桂亚基六亚甲基二胺、六亚甲基二胺氨基甲酸酯、1,3-二氨基丙烷一氨基甲酸酯或乙二胺氨基甲酸酯中的一种或几种混合。
9.根据权利要求1所述的半导体器件图形化的方法，其特征在于，所述第一图案化光刻胶层的形成步骤包括：
将带有固化后的所述第二图案化光刻胶层的所述衬底放入腔室内；以及
向所述腔室内通入六氟化硫和氧气的混合气体。
10.根据权利要求9所述的半导体器件图形化的方法，其特征在于，所述六氟化硫和所述氧气的体积比为1:20~1:6。
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