專利名稱：形成抗蝕刻保護層的方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體元件，特別涉及一種用于亞微米半導體元件制造的高精細度抗蝕刻掩模。
背景技術：
當半導體元件發展至亞微米領域以及更高密度的密集結構時，內連接線及絕緣線寬在工藝中變的更細小。一般來說圖案化工藝包括通過光刻技術形成圖案化光阻，接著通過圖案化光阻蝕刻光阻下層的結構。光刻技術包括光阻涂布、掩模對準、曝光及顯影，而此技術中受限其光的波長而有工藝極限，換句話說，當使用傳統的光刻技術時，無法超越照射光的波長限制而達到微細圖案化的關鍵尺寸(critical dimension)。
進一步來說，傳統光刻技術中較難控制圖案化光阻的抗蝕刻能力，不易完全控制其表面輪廓。因此，造成在基板上的蝕刻圖案相對粗糙，特別是在蝕刻圖案側壁的表面，當半導體工藝發展至亞微米時，更難以通過傳統的光刻技術達到更精細的尺寸。除此之外，當光刻技術的光源由氟化氪(KrF)激光轉變成氟化氬(ArF)激光時，光阻材料的選擇也必須隨之改變。由于許多應用于氟化氬激光的光阻材料容易受蝕刻工藝影響，因此臨界尺寸小于100nm的氟化氬激光光阻材料需要一種抗蝕刻結構。以傳統方法形成的圖案化光阻還進一步會受掃描式電子顯微鏡電子束測試的影響。掃描式電子顯微鏡電子束測試是用來確認半導體尺寸，但會造成關鍵尺寸(critical dimension)的減小。
因此，業界極需要一種新的亞微米半導體元件的制造方法，其能有效地制造精細的半導體尺寸，以及提供光阻圖案額外的蝕刻阻抗。

發明內容
本發明揭示一種形成具有高抗蝕刻性圖案化光阻的方法，包括下列步驟在基板上形成至少一圖案化光阻；在該圖案化光阻上形成含硅聚合物層；進行熱處理工藝，在該含硅聚合物層中該圖案化光阻上形成交聯抗蝕刻保護層；以及移除剩余的該含硅聚合物層。此外，可再進一步實行等離子體處理，以增加該交聯抗蝕刻保護層及該圖案化光阻的蝕刻阻抗。
根據所述的形成抗蝕刻保護層的方法，其中該等離子體處理包括氧氣、氬氣、氮氣或氫氣等離子體處理。
根據所述的形成抗蝕刻保護層的方法，其中該含硅聚合物層為醇溶性含硅聚合物材料。
本發明還提供一種形成抗蝕刻保護層的方法，包括在基底上形成至少一圖案化光阻；在該圖案化光阻上形成水溶性含金屬聚合物層；進行熱處理工藝，以在該圖案化光阻上的該含金屬聚合物層中形成抗蝕刻保護層；以及移除剩余的該含金屬聚合物。
根據所述的形成抗蝕刻保護層的方法，其中該含金屬聚合物層包括鈦、鉭、鎢、鋁、銅或鈷。
本發明又提供一種形成抗蝕刻保護層的方法，包括在基底上形成至少一圖案化光阻；在該圖案化光阻上形成聚合物層，其含有至少一化學周期表上4A族的元素；進行熱處理工藝，以在該圖案化光阻上的該含金屬聚合物層中形成抗蝕刻保護層；以及移除剩余的該聚合物。
根據所述的形成抗蝕刻保護層的方法，其中該聚合物層包括碳、碳雙鍵聚合物、碳三鍵聚合物或碳化硅。
本發明再提供一種形成抗蝕刻保護層的方法，包括在基板上形成至少一圖案化光阻；在該圖案化光阻上形成水溶性聚合物層；進行熱處理工藝，使該圖案化光阻引發酸擴散，以在該圖案化光阻及該水溶性聚合物層之間形成交聯抗蝕刻保護層；移除該水溶性聚合物層；以及進行等離子體處理，以強化該圖案化光阻及該交聯抗蝕刻保護層的蝕刻阻抗。
根據所述的形成抗蝕刻保護層的方法，其中該水溶性聚合物層包括雙鍵或三鍵聚合物。
根據所述的形成抗蝕刻保護層的方法，其中該水溶性聚合物層還包括鈦、鉭、氟或氯。
根據所述的形成抗蝕刻保護層的方法，其中該熱處理工藝溫度范圍在85℃至150℃之間。
根據所述的形成抗蝕刻保護層的方法，其中該交聯抗蝕刻保護層厚度至少為10埃。
綜上所述，本發明有效地制造精細的半導體尺寸，以及提供光阻圖案額外的蝕刻阻抗。
為了讓本發明的上述和其它目的、特征、和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，并配合附圖，作詳細說明如下。


圖1為傳統的半導體工藝剖面圖；圖2為本發明較佳實施例的半導體工藝剖面圖。
其中，附圖標記說明如下100 傳統工藝102、104、106、108、110、112、114、202、204、212 工藝步驟116 第一光阻層118 基底；120 第一圖案化光阻122 酸帶124 第二光阻層126 交聯層128 交聯區域200 工藝206 水溶性硅基聚合物層208 交聯抗蝕刻保護層210 聯合圖案化光阻214 側壁具體實施方式
本發明揭示一種形成具有微小圖案的硬掩模的方法。本發明利用硅基聚合物材料取代傳統的阻抗層來制造微細光阻圖案的掩模，此方法中也結合了熱處理工藝以提高硬掩模的蝕刻阻抗性，因此，在蝕刻工藝中提供了半導體結構額外的保護。
圖1顯示傳統的半導體工藝100。在傳統的工藝方法中利用光刻技術(photolithographic)，包括曝光形成圖案化光阻，但受限于曝光波長，這種方法已很難形成具有微小圖案的光阻圖案。工藝步驟102至114包含了半導體工藝中形成第一阻抗層至完成整個半導體的工藝過程。
步驟102中在基底118上例如以旋轉涂布的方式形成第一光阻層116，第一光阻層116為一種在熱處理的過程中能產生酸性物質的材料。
步驟104中將第一光阻層116暴露在射線下，例如利用光線通過圖案化的掩模在基板118上形成圖案化光阻120，其曝光的光源可為紫外光(deepUV light)、氟化氪激光、氟化氬激光、電子束、X光等，只要其光源的波長對應于第一光阻層的敏感波長。
步驟106顯示在第一光阻層116部分被移除后殘留多個酸帶122在第一圖案化光阻120上，其中酸帶是形成于曝光工藝中，來自于曝光后會分解成酸的光阻材料，若酸的濃度高于所需的臨界濃度，則會在顯影過程中溶解聚合物。當酸的濃度控制在臨界濃度之下則會形成酸帶圖案化光阻120。其中酸帶的密度非常高，會造成如步驟110中的厚交聯層。在形成酸帶122后，可進行后烘烤(post-developing baking)，例如在60至120℃下加熱60秒。
步驟108顯示在半導體基板118上形成第二光阻層124，第二光阻層124是由可交聯(cross-linkable)材料組成，在酸的存在下會進行交聯。第二光阻層可溶解于溶劑中，但該溶劑不可溶解第一圖案化光阻120。第二光阻層124可利用噴涂法(spray coating)、旋轉涂布法(spinning coating)或浸漬法(dipping)形成。
步驟110為熱處理工藝，也就是混合烘烤(mixing baking)，第一圖案化光阻120以及第二光阻層124在約85至150℃下加熱60至120秒。熱處理步驟可使酸從第一圖案化光阻120擴散至第二光阻層124，在兩者之間形成交聯層126，值得注意的是交聯層126形成的反應是發生在第二光阻層124中且覆蓋第一圖案化光阻120。第二光阻層124殘留未與酸反應形成交聯層的部分將在步驟112中移除。
步驟112中利用液態顯影劑，例如水或堿性水溶液，例如四甲基氫氧化銨(tetramethyl ammonium hydroxide；TMAH)，顯影并移除第二光阻層124。而交聯層126并不受液態顯影劑的影響，而本質上成為組合交聯區域128。
步驟114包含傳統半導體工藝后續必要的工藝步驟，包括蝕刻步驟，以移除未被光阻遮蔽的部分，可利用濕式或干式蝕刻步驟完成，接著，利用剝除工藝(strip process)移除全部的光阻材料，最后形成源極、漏極與柵極結構，以及利用金屬化工藝形成內連接線。
在傳統的光刻技術中，典型的光阻層在波長193nm的光線照射下具有較差的抗蝕刻性。傳統上增加圖案化光阻抗蝕刻性的方法為增加光阻的厚度。然而這種方法會降低有效景深(depth of focus，DOF)、工藝容許度、臨界尺寸(critical dimension)、臨界尺寸的一致性以及產量穩定度(yield stability)。例如0.3μm的景深工藝容許度很難在光阻厚度2000埃下完成65nm的產品。進行蝕刻后檢查(after etch inspection，AEI)發現，曝光波長193nm的光阻層線路末端縮短(line end shortening)程度較曝光波長248nm的光阻嚴重。更進一步來說，末端對末端，線路末端或線路對末端的尺寸變化很難以光學鄰近效應修正(optical proximity correction，OPC)進行修正。圖案的修正需要強大的光學鄰近效應修正，然而會大大增加工藝的復雜度，因此需要較佳的蝕刻阻抗強化工藝來解決此問題。但兩個鄰近的接觸窗或溝槽間的微小柵欄狀圖案(fence pattern)很難以傳統方法完成。進行蝕刻后檢查(after etchinspection，AEI)發現，柵欄會剝落，倒塌或在蝕刻工藝中耗盡。由于較小的接觸窗或溝槽只能以較短波長的儀器完成，若所需的分辨率無法以現有的設備完成，而需額外的短波長設備，會增加工藝設備的成本。
圖2顯示本發明的工藝步驟200，用來在圖案化光阻中形成抗蝕刻保護層。參照圖1及圖2，步驟102至106與傳統工藝一致，而值得注意的是，酸性原子，例如H+，被包含在光阻圖案中。
步驟202及204中利用硅基聚合物(silicon-based polymer)層或含硅聚合物(silicon-containing polymer)層來取代步驟108及110中的第二光阻層124。新的工藝步驟產生了具有高蝕刻阻抗的圖案化光阻，可用來制造亞微米半導體元件所需的精細圖案。
步驟202中在硅基底118及第一光阻層120上形成水溶性硅基聚合物層206。水溶性硅基聚合物層206含有硅、鈦、鉭、氟或氯及雙鍵或三鍵材料，例如苯基或苯甲基聚合物。值得注意的是，其中雙鍵聚合物包括兩個碳原子間或碳原子及氧原子間的雙鍵，這些鍵增加了蝕刻阻抗。其它類似的鍵結結構為碳化硅，其也可包含在聚合物中。部分上述元素可在形成水溶性硅基聚合物層之前或無水溶性硅基聚合物的幫助下，摻雜于光阻層120，例如硅、鈦或鉭分子可通過布植工藝摻雜入光阻層中。
值得注意的是，除了上述水溶性硅基聚合物206之外，也可利用其它聚合物，例如醇溶性聚合物材料。在另一實施例中，可利用任何包含金屬材料的聚合物，例如包含鈦、鉭鎢、鋁銅鈷或化學周期表上4A族中的任何元素的聚合物，來取代水溶性硅基聚合物層。
步驟204中，將第一圖案化光阻120及水溶性硅基聚合物層206加熱至85至150℃之間。此熱處理工藝造成酸性原子自第一圖案化光阻120擴散至水溶性硅基聚合物層206，而在兩者之間形成第二層聚合物或交聯抗蝕刻保護層208。交聯抗蝕刻保護層208的形成反應發生在水溶性硅基聚合物層206中，并覆蓋第一圖案化光阻120。抗蝕刻保護層厚度一般約50埃。值得注意的是，大部分未與酸反應產生交聯的水溶性硅基聚合物層206的殘留物，會在步驟112中用液態顯影劑移除。
步驟112為圖1所述的傳統工藝步驟，在此步驟中用液態顯影劑移除未產生交聯反應的水溶性硅基聚合物層206，但不影響交聯抗蝕刻保護層208，此時，第一圖案化光阻120與交聯抗蝕刻保護層208共同形成組合圖案化光阻210。
步驟212對組合圖案化光阻210可再進行能量處理，例如等離子體處理，以增加在蝕刻工藝中的蝕刻阻抗。等離子體處理步驟利用氧、氬、氮或氫氣等離子體進行處理。因此，各種開口，例如側壁214，在蝕刻工藝及掃描式電子顯微鏡電子束測量后，將會保持其臨界尺寸(critical dimension)。臨界尺寸在此是指圖案化光阻210的最小線寬或最小接觸窗寬度。在本發明一實施例中，圖案化光阻210的臨界尺寸小于約100nm。
因等離子體處理而增加的蝕刻阻抗具有以下優點臨界尺寸及工藝容許度會增加，因此可降低制造方法的工藝依賴性、溝槽或接觸窗的臨界尺寸降低(critical dimension)，可允許更小的半導體元件所需的精細圖案、蝕刻后檢查(after etch inspection，AEI)及顯影后檢視(after develop inspection，ADI)的臨界尺寸偏壓降低、隨著等離子體處理后蝕刻阻抗的增加，經電子束測量后臨界尺寸的縮小將會降低，以及由于等離子體處理增加了景深(depth offocus，DOF)，使得光刻所需的分辨率增加。
步驟114包括傳統半導體工藝中形成半導體元件所需的后續步驟，包括以傳統濕式或干式蝕刻步驟移除未被圖案化光阻遮蔽的部分、利用剝除工藝(strip process)移除全部光阻、最后形成源極、漏極與柵極結構，以及利用金屬化工藝形成內連接線。
雖然本發明已以較佳實施例揭示如上，然其并非用以限定本發明，任何本領域的技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍內，當可作些許的更動與潤飾，因此本發明的保護范圍當視所附的權利要求所界定的范圍為準。
權利要求
1.一種形成抗蝕刻保護層的方法，包括在基板上形成至少一圖案化光阻；在該圖案化光阻上形成含硅聚合物層；進行熱處理工藝，以在該圖案化光阻上的該含硅聚合物層中形成抗蝕刻保護層；以及移除剩余的該含硅聚合物層。
2.根據權利要求1所述的形成抗蝕刻保護層的方法，還包括進行等離子體處理，以增加該抗蝕刻保護層及該圖案化光阻的蝕刻阻抗。
3.根據權利要求2所述的形成抗蝕刻保護層的方法，其中該等離子體處理包括氧氣、氬氣、氮氣或氫氣等離子體處理。
4.根據權利要求1所述的形成抗蝕刻保護層的方法，其中該含硅聚合物層為醇溶性含硅聚合物材料。
5.一種形成抗蝕刻保護層的方法，包括在基底上形成至少一圖案化光阻；在該圖案化光阻上形成水溶性含金屬聚合物層；進行熱處理工藝，以在該圖案化光阻上的該含金屬聚合物層中形成抗蝕刻保護層；以及移除剩余的該含金屬聚合物。
6.根據權利要求5所述的形成抗蝕刻保護層的方法，其中該含金屬聚合物層包括鈦、鉭、鎢、鋁、銅或鈷。
7.一種形成抗蝕刻保護層的方法，包括在基底上形成至少一圖案化光阻；在該圖案化光阻上形成聚合物層，其含有至少一化學周期表上4A族的元素；進行熱處理工藝，以在該圖案化光阻上的該含金屬聚合物層中形成抗蝕刻保護層；以及移除剩余的該聚合物。
8.根據權利要求7所述的形成抗蝕刻保護層的方法，其中該聚合物層包括碳、碳雙鍵聚合物、碳三鍵聚合物或碳化硅。
9.一種形成抗蝕刻保護層的方法，包括在基板上形成至少一圖案化光阻；在該圖案化光阻上形成水溶性聚合物層；進行熱處理工藝，使該圖案化光阻引發酸擴散，以在該圖案化光阻及該水溶性聚合物層之間形成交聯抗蝕刻保護層；移除該水溶性聚合物層；以及進行等離子體處理，以強化該圖案化光阻及該交聯抗蝕刻保護層的蝕刻阻抗。
10.根據權利要求9所述的形成抗蝕刻保護層的方法，其中該水溶性聚合物層包括雙鍵或三鍵聚合物。
11.根據權利要求9所述的形成抗蝕刻保護層的方法，其中該水溶性聚合物層還包括鈦、鉭、氟或氯。
12.根據權利要求9所述的形成抗蝕刻保護層的方法，其中該熱處理工藝溫度范圍在85℃至150℃之間。
13.根據權利要求9所述的形成抗蝕刻保護層的方法，其中該交聯抗蝕刻保護層厚度至少10埃。
全文摘要
本發明揭示一種在半導體基板上形成具有強化蝕刻阻抗的圖案化光阻的方法。首先在基板上形成圖案化光阻，在圖案化光阻之上形成含硅聚合物層，接著以熱處理工藝在圖案化光阻及含硅聚合物層之間形成連接兩層的交聯抗蝕刻保護層，之后，移除剩余的含硅聚合物層，再以等離子體處理增加交聯抗蝕刻保護層及圖案化光阻的蝕刻阻抗。因此，本發明能有效地制造精細的半導體尺寸，以及提供光阻圖案額外的蝕刻阻抗。
文檔編號H01L21/00GK1881078SQ20061009159
公開日2006年12月20日 申請日期2006年6月14日 優先權日2005年6月14日
發明者林進祥, 張慶裕 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司