[发明专利]改进的深紫外线光刻技术

说明书

本发明涉及半导体器件的制造。更具体地说，本发明涉及用于改进深紫外线光刻技术中光致抗蚀剂显影的分辨率(resolution)和工艺窗口的技术。

在半导体集成电路的制造过程中，采用熟知的光刻技术在集成电路芯片的不同层上构造各种功能图线的图案。一般地，光刻技术涉及有选择地将涂在晶片上的光致抗蚀剂的区域暴露在一放射图案下，然后，显影曝光的光致抗蚀剂，以在后续蚀刻操作中有选择地保护晶片层(如金属，多晶硅层和介电层)的区域。

一般地，光致抗蚀剂是一辐射敏感材料，它典型地旋涂在硅晶片上一选定的层上。光致抗蚀剂材料根据在曝光过程中它如何与光辐射反应，分成正光致抗蚀剂和负光致抗蚀剂。正光致抗蚀剂当暴露在辐射作用下时，变得更加可溶，所以在显影时更容易移去。相反，负光致抗蚀剂当暴露在辐射作用下时变得更加不可溶，所以，可以移去非暴露区域。尽管传统的I-线光刻工艺对在0.35微米技术和更大的图线尺寸的效果良好，但随着集成电路图线尺寸不断减少，构图的光致抗蚀剂有很多分辨率的限制。

为了解决这个问题，光刻技术工程师采用波长比传统的I-线波长(也就是，365nm)短的光。如，许多通用光刻技术现在采用深紫外光(DUV,deepultra-violet)波长(如：248nm波长)。在光刻工艺中采用DUV波长，结果，多个DUV光致抗蚀剂也被显影，从而更好地与短波长配合。当工程师们注意到在DUV波长下，I-线光刻技术所用传统的光致抗蚀剂呈现不透光特性时，需要使用DUV专门光致抗蚀剂。一般DUV光致抗蚀剂包括两个基本成分：一具有脱保护基(deprotection group)的聚合物树脂(polymer resin)和一光-酸发生元(PAG,1hoto-acid generator)。

当一“正”DUV光致抗蚀剂层被选择性地曝光以形成集成电路的几何形状时，DUV光致抗蚀剂的曝光区域的PAG经历一化学分解并产生强酸的过程。曝光以后，晶片然后被移到一热板上，在这里后曝光烘烤(PEB)将使产生的酸催化DUV光致抗蚀剂的聚合物树脂的脱保护基。一旦聚合物树脂的脱保护基被催化，曝光的DUV光致抗蚀剂将变得可溶在水基显影剂溶液中。最好，在后曝光烘烤操作中，延伸至下层的DUV光致抗蚀剂材料的所有曝光的聚合物树脂都被催化。然而，在多个小图形几何形状的精细检测下，发现不同量的DUV光致抗蚀剂仍保留在DUV光致抗蚀剂和抗反射层的界面上，并且显影以后会产生熟知的垫层和浮渣效应(footing and scummingeffect)。

为了说明这个问题，图1示出了半导体基底100的截面图，它包括一显影的光致抗蚀剂层106。半导体基底100上有一个层102，它是后续蚀刻操作的目标。一传统的底抗反射层(BARL)104典型地施加在层102上，帮助消除反射光，以更好地控制临界尺寸(CDs)。最后，一正DUV光致抗蚀剂层106旋涂在底抗反射层层104上。当多个示例性特征图案通过掩模母版分步曝光装置曝光以后，执行后曝光烘烤操作和显影，会出现一比较差的分辨率。如图所示，DUV光致抗蚀剂108的分辨率差，它是由区域108a-108c中未显影光致抗蚀剂材料所导致的。

当PAG的酸性化合物损失以后会出现差的分辨率。酸损与多种熟知的因素有关，包括基本中和(base neutralization)，蒸发或两种都有。有时，空气和光致抗蚀剂界面上的酸损非常严重，从而导致产生非常差的分辨率(如区域108c所示)。差的分辨率有时称为“T-top”(也就是，接触孔结构的封闭图案和线/空间结构的桥接图案)。结果，在标号108c处只去掉DUV光致抗蚀剂层106的表皮层。

另外，在底抗反射层层104和DUV光致抗蚀剂层106的界面120上也会发生酸损，图1B示出了由于“酸扩散”和“酸中和”产生的酸损。图1B示出了多个酸扩散箭头130，它形象地示出了DUV光致抗蚀剂层106的酸损。当在界面120上发生酸损时，在区域108a上会出现称为“浮渣”或“垫层”的差分辨效果，在区域108b会出现精细图案。

差分辨率的另一个原因是差的空气影象，当光经过掩模分步曝光机时光发生衍射，会产生这种情况。例如，当在光刻工艺中采用248nm波长时，临界尺寸约175nm的图形会遭受增加的光衍射作用。结果，在DUV光致抗蚀剂层106上会产生差的空气影象，所以，减少了用于产生强酸来催化底抗反射层层104界面120附近脱保护反应的光的浓度。