專利名稱：浸潤式光刻的方法及其處理方法
技術領域：
本發(fā)明是有關于一種半導體裝置的制造方法，特別有關于一種防止缺陷在半導體基底上產(chǎn)生的方法及系統(tǒng)。
背景技術：
光刻技術是將光罩上的圖案投射至一基底例如半導體晶圓上。在半導體光刻技術領域中，必須在解析度極限或關鍵尺寸下，將半導體晶圓上的圖案特征尺寸最小化，目前的關鍵尺寸已達到65nm以下。
半導體光刻技術通常包括在半導體晶圓的頂層表面(例如薄層堆疊)上涂布光致抗蝕劑，將光致抗蝕劑曝光形成圖案，然后將曝光后的光致抗蝕劑曝后烤，以使高分子為主的物質(zhì)產(chǎn)生裂解。接著將裂解的高分子光致抗蝕劑移到顯影槽，因曝光的高分子可溶于顯影液，所以可借此去除曝光的高分子。如此，可在晶圓的頂層表面得到圖案化的光致抗蝕劑層。
浸潤式光刻技術(immersion lithograpHy)是光刻技術中一項新的技術，其在晶圓表面及透鏡之間填充液體進行曝光步驟。使用浸潤式光刻技術可使透鏡具有較在空氣中使用時更高的孔徑，進而改善解析度。此外，浸潤更可提高聚焦深度(depth-of-focus，DOF)以制造較小的特征尺寸。
浸潤式的曝光步驟在晶圓與透鏡之間可使用去離子水或其他適合的浸潤曝光液，雖然曝光時間很短，但是液體會造成一些問題，例如經(jīng)過浸潤式曝光制程之后，來自液體的液滴會殘留，并且對光致抗蝕劑的圖案化、特征尺寸以及其他方面造成不良的影響。
傳統(tǒng)上用來減少液滴在晶圓上出現(xiàn)的方式例如為在曝光之后立刻提供干燥制程，然而，干燥制程的進行必須非常快速，例如在短暫的幾分鐘以內(nèi)，以避免某些損害產(chǎn)生，但有時候很難保證干燥制程可以在短時間內(nèi)完成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種在半導體基底上進行浸潤式光刻的方法，包括提供光致抗蝕劑層在半導體基底上，以及使用浸潤式光刻曝光系統(tǒng)曝光該光致抗蝕劑層。此方法更包括在曝光后及曝后烤前處理該光致抗蝕劑層，該處理步驟可中和擴散至光致抗蝕劑層的捕捉劑，該捕捉劑來自曝光時所使用及殘留的液體。之后，對曝光及處理過的光致抗蝕劑層進行曝后烤及顯影制程。
本發(fā)明所述的浸潤式光刻的方法，處理步驟使用沖洗液，該沖洗液包括具有酸性或堿性的物質(zhì)，以中和擴散至光致抗蝕劑層的捕捉劑。該物質(zhì)可以是酸性，以中和堿性的捕捉劑；該物質(zhì)也可以是堿性，以中和酸性的捕捉劑。所選用的物質(zhì)可基于其擴散速率與捕捉劑至光致抗蝕劑層的擴散速率相當。
本發(fā)明所述的浸潤式光刻的方法，其中該沖洗液的p H值小于7，并且該捕捉劑的p H值大于7。
本發(fā)明所述的浸潤式光刻的方法，其中該沖洗液包含p H值介于1到3之間的酸、光酸產(chǎn)生劑(PAG)、緩沖液或前述的組合。
本發(fā)明所述的浸潤式光刻的方法，其中該處理步驟更使用一旋干步驟。
本發(fā)明所述的浸潤式光刻的方法，其中該沖洗液的pH值大于7，并且該捕捉劑的pH值小于7。
本發(fā)明所述的浸潤式光刻的方法，其中該沖洗液包含堿、光堿產(chǎn)生劑(PBG)或前述的組合。
本發(fā)明所述的浸潤式光刻的方法，于處理步驟后及曝后烤前，使用中性溶液(例如去離子水)沖洗并旋干。
本發(fā)明所述的浸潤式光刻的方法，處理步驟使用蒸氣相溶液，所選用的蒸氣相溶液具有酸性或堿性，以中和擴散至光致抗蝕劑層的捕捉劑。
本發(fā)明所述的浸潤式光刻的方法，其中該蒸氣相溶液的擴散速率符合該捕捉劑至該光致抗蝕劑層的擴散速率。
本發(fā)明所述的浸潤式光刻的方法，其中該蒸氣相溶液包括酸、光酸產(chǎn)生劑、緩沖液或前述的組合，并且其中該光致抗蝕劑層的pH值大于7且包含一光酸產(chǎn)生劑。
本發(fā)明所述的浸潤式光刻的方法，其中該蒸氣相溶液包括堿、光堿產(chǎn)生劑、緩沖液或前述的組合，并且其中該光致抗蝕劑層的pH值小于7且包含一光堿產(chǎn)生劑。
本發(fā)明所述的浸潤式光刻的方法，處理步驟使用溶劑，溶劑可除去光致抗蝕劑層的一薄的上層部分，其厚度約為100。
本發(fā)明更提供一種處理方法，適用于經(jīng)過浸潤式光刻制程后的半導體晶圓，該半導體晶圓的光致抗蝕劑層上具有曝光圖案，該處理方法包括對半導體晶圓的光致抗蝕劑層進行沖洗。光致抗蝕劑層包含用在后續(xù)制程中的光酸產(chǎn)生劑，并且沖洗液包含酸性成分以中和任何堿性捕捉劑，該堿性捕捉劑從光致抗蝕劑層的第一部分濾出，并擴散至光致抗蝕劑層的第二部分。
本發(fā)明所述浸潤式光刻的方法及其處理方法，可在光致抗蝕劑上產(chǎn)生想要的圖案并減少缺陷。


圖1為半導體晶圓的俯視圖，其具有一個或一個以上的缺陷。
圖2為浸潤式光刻系統(tǒng)的剖面圖。
圖3、4以及圖6至10為半導體晶圓的剖面圖，其經(jīng)歷浸潤式光刻后的處理制程。
圖5為依據(jù)本發(fā)明的一個或一個以上的實施例，進行減少缺陷數(shù)量的浸潤式光刻制程的方法的流程圖。
具體實施例方式
為了讓本發(fā)明的上述目的、特征及優(yōu)點能更明顯易懂，以下配合所附圖式，作詳細說明如下請參閱圖1，半導體晶圓10包括基底12及圖案化層14，基底12可以是一層或一層以上的結構，包括多晶硅、金屬以及/或介電質(zhì)，其將被圖案化。在本發(fā)明實施例中，圖案化層14為聚合物光致抗蝕劑層，其可經(jīng)由曝光制程產(chǎn)生圖案。光致抗蝕劑層14包括光酸產(chǎn)生劑(PAG)以進行化學放大反應(CAR)，化學放大反應可支持深紫外光及深次微米技術。在光刻制程中，光子引發(fā)光酸產(chǎn)生劑分解并形成少量的酸，所形成的酸通常于曝后烤時，在光致抗蝕劑層中引發(fā)連串的化學轉(zhuǎn)變反應。本領域技術人員當可了解，光致抗蝕劑有許多種類，包括具有光堿產(chǎn)生劑(PBG)的光致抗蝕劑，此外，不管光致抗蝕劑14在設計上是選擇正型或負型，為了得到較佳的結果，正型光致抗蝕劑是較佳的選擇。
接著參閱圖2，光致抗蝕劑層14上的圖案可由浸潤式光刻系統(tǒng)20產(chǎn)生，浸潤式光刻系統(tǒng)包括透鏡系統(tǒng)22；承載液體26(例如去離子水)的結構24；多個開口28，液體可經(jīng)由開口添加或移除；以及吸盤30，用來固定晶圓10，并使晶圓對透鏡系統(tǒng)22做相對移動。承載液體的結構24以及透鏡系統(tǒng)22組成浸潤頭20a，浸潤頭20a可使用一些開口作為空氣干燥用(air purge)，通入空氣使晶圓干燥，其他的開口則作為排除清洗液體用，單一的空氣干燥用開口可能不足以排除晶圓10上所有的液體26，因此通常有液滴殘留。
請再參閱圖1，圖中所示的晶圓10為經(jīng)過傳統(tǒng)的浸潤式光刻制程之后的結果，晶圓10上含有在制程中造成的缺陷50，缺陷50表示來自浸潤式光刻液體26(圖2)殘留的液滴所造成的損害，并且其可能為光致抗蝕劑層變形或光致抗蝕劑層上的空洞(缺掉的圖案)，而其它種類的缺陷也可能存在。
請參閱圖3，造成缺陷的故障機制可為光致抗蝕劑層14中用以終止化學放大反應的捕捉劑60濾出到液體26中；圖3中的光致抗蝕劑層包含兩個未曝光的光致抗蝕劑部分，標示為14a，以及一個曝光的光致抗蝕劑部分，標示為14b；然后捕捉劑60經(jīng)由殘留的液滴26擴散至曝光的光致抗蝕劑部分14b中(標示為62)，其在后續(xù)的曝后烤(PEB)及顯影制程中，對于圖案的形成產(chǎn)生不良的影響。
請參閱圖4，其為一缺陷的示意圖，由上述捕捉劑60的濾出及擴散所造成，在曝后烤及顯影制程后，產(chǎn)生不希望存在的光致抗蝕劑，標示為14c，希望得到的圖案在圖10中會說明。在此例中，擴散的捕捉劑會終止或嚴重地降低光酸產(chǎn)生劑在化學放大反應中的作用，例如在曝后烤過程中，這將會使得光致抗蝕劑去保護基不完全而在后續(xù)顯影時較不可溶，較不易與顯影液例如四甲基氫氧化銨(tetramethyl ammonium hydroxide，簡稱TMAH)水溶液反應，在圖4的例子中，光致抗蝕劑14c為架橋形狀，并對想要的圖案造成不良的影響。
請參閱圖5，其為減少浸潤式光刻制程的缺陷數(shù)量的方法其一實施例的簡化流程圖，參照數(shù)字為100。在步驟102中，光致抗蝕劑14覆蓋于晶圓基底12的表面上，光致抗蝕劑14可為負型或正型光致抗蝕劑，以及目前已知或以后開發(fā)的光致抗蝕劑材料，例如，光致抗蝕劑14可以是一種、兩種或多種成分的光致抗蝕劑系統(tǒng)。光致抗蝕劑14可用旋轉(zhuǎn)涂布或其他適合的方法涂布，在涂布光致抗蝕劑14之前，晶圓10可先預處理以進行浸潤式光刻制程，例如，晶圓10在涂布光致抗蝕劑14之前可先清潔、干燥以及/或涂布粘著促進材料。
在步驟104中，進行浸潤式的曝光步驟。晶圓10和光致抗蝕劑14浸潤于浸潤式曝光液體26中，然后經(jīng)由透鏡22(圖2)曝光于輻射源下，輻射源可為紫外光，例如氟化氪(KrF，248nm)、氟化氬(ArF，193nm)或氟氣(F2，157nm)的準分子激光。光致抗蝕劑14在輻射下的曝光時間是取決于其所使用的光致抗蝕劑種類、紫外光強度以及/或其他因素，例如，曝光時間可約為0.2秒至30秒。曝光后，光致抗蝕劑14的曝光部分會固化，其他部分則保持在液體狀態(tài)。
在步驟106中，進行一處理制程。該處理制程可與前一步驟或下一步驟在同一反應室中進行，也可以在另一個反應室進行。有許多獨特的處理制程可用來降低上述的問題，這些制程可單獨使用或以各種方式結合使用。
參閱圖6，在一實施例中，提供捕捉劑中和溶液70至光致抗蝕劑14的頂層表面(之前暴露于浸潤液體26的表面)，溶液70可基于光致抗蝕劑的種類，以及/或捕捉劑60的擴散深度而改變。在一例中，溶液為酸堿性與捕捉劑60相反的液體，此外，溶液70也可為蒸氣或是液體與蒸氣的組合，例如，如果捕捉劑60是堿性(pH＞7)，則溶液70為酸性(pH＜7)。在一較佳實施例中，溶液70可包含H+例如HCl，HCl溶液的pH值可介于1～3之間。在另一例中，溶液70可包含光酸產(chǎn)生劑。在第三例中，溶液70可包含緩沖液例如H3PO4+KH2PO4。
本領域技術人員當可了解，在一例中，光致抗蝕劑14包含堿性捕捉劑以及光酸產(chǎn)生劑(PAG)；在另一例中，光致抗蝕劑14可包含酸性捕捉劑及光堿產(chǎn)生劑(PBG)，并且在上述后者之中，溶液70為堿性(pH＞7)。因此，本領域技術人員應可了解，有許多種類的溶液皆可使用，其取決于各種因素，例如所使用的光致抗蝕劑14的種類，其他因素如下所述。
請參閱圖7，在圖中溶液70擴散至光致抗蝕劑14中，并與捕捉劑60反應。在一實施例中，希望溶液70擴散至相對較淺的深度(例如改善與在較淺深度的捕捉劑60的交互作用)，在此實施例中，可選擇不同種類的溶液70，例如，具有相對較高摩爾濃度(例如大于或等于約0.1摩爾)的HCl溶液。此外，較大的酸性分子例如H3PO4比起較小的酸性分子例如HCl，會有較淺的擴散深度，因此希望選用較大的酸性分子，因為其擴散至光致抗蝕劑的速率較低。更進一步地，還可改變溫度以及/或壓力來控制其擴散速率。
請參閱圖8，在另一實施例中(或是在上述的一實施例以外)，可使用表面降低機制80來移除擴散的捕捉劑60(圖3)，表面降低機制80可利用溶劑沖洗以除去光致抗蝕劑層14的上表面的一薄層，該薄層厚度約為100。該移除層的厚度可基于捕捉劑60擴散的深度而改變，溶劑可為丙二醇單甲基醚(propylene glycolmonomethyl ether，簡稱PGME)或丙二醇單甲基醚乙酸酯(propylene glycol monomethyl ether acetate，簡稱PGMEA)，其他溶劑也可以使用，視光致抗蝕劑14的種類以及/或捕捉劑60的擴散深度而定(與上述的溶液70相似)。
請參閱圖9，其中靠近光致抗蝕劑層14上表面的捕捉劑60已經(jīng)被中和，以及/或通過上述的一種或一種以上的方法去除。
在一些實施例中，可在捕捉劑60被移除以及/或中和之后，進行去離子(DI)水沖洗步驟90以及旋干步驟。去離子水90較不可能濾出捕捉劑60，因為靠近光致抗蝕劑層14上表面的捕捉劑已經(jīng)被移除以及/或中和，此外，在曝后烤之前進行的沖洗/旋干步驟的時間非常接近(例如小于2分鐘)，所以如果發(fā)生任何濾出也是非常少量。
請再參閱圖5，在步驟108中，已經(jīng)曝光及處理過光致抗蝕劑層14的晶圓10，在曝后烤中加熱以分解聚合物，此步驟讓產(chǎn)生的光酸(或堿)與聚合物反應，幫助聚合物分解，例如晶圓可加熱到約85～150℃的溫度，持續(xù)約30～200秒。
在步驟110中，在曝光(正型)或未曝光(負型)光致抗蝕劑14上進行圖案化顯影制程，留下想要的光罩圖案。在某些實施例中，將晶圓10浸泡在顯影液中一段時間，此時一部分的光致抗蝕劑14會被溶解并移除，例如，晶圓10可浸泡在顯影液中約5至60秒。本領域技術人員當可了解，顯影液的成分取決于光致抗蝕劑14的成分，如前所述，四甲基氫氧化銨(TMAH)可為顯影液的一例。
請參閱圖10，其為在光致抗蝕劑14上產(chǎn)生想要的圖案并減少缺陷(例如圖4中的架橋的光致抗蝕劑14c)的結果。
在上述實施例中，晶圓10在該液體處理時可旋轉(zhuǎn)或保持靜止，此外，溶液70以及/或表面降低機制80可包含超臨界流體或其他溶劑。
以上所述僅為本發(fā)明較佳實施例，然其并非用以限定本發(fā)明的范圍，任何熟悉本項技術的人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可在此基礎上做進一步的改進和變化，因此本發(fā)明的保護范圍當以本申請的權利要求書所界定的范圍為準。
附圖中符號的簡單說明如下10晶圓12基底14光致抗蝕劑14a未曝光的光致抗蝕劑14b曝光的光致抗蝕劑14c架橋的光致抗蝕劑20浸潤式光刻系統(tǒng)20a浸潤頭
22透鏡系統(tǒng)24承載液體26的結構26浸潤液體28開口30吸盤50缺陷60捕捉劑62捕捉劑60擴散至曝光的光致抗蝕劑層14b中70捕捉劑中和溶液80表面降低機制90去離子水沖洗100減少缺陷數(shù)量的浸潤式光刻制程的方法流程圖102光致抗蝕劑涂布104曝光106處理步驟108曝后烤110顯影
權利要求
1.一種浸潤式光刻的方法，所述浸潤式光刻的方法包括提供一光致抗蝕劑層在一半導體基底上；使用一浸潤式光刻曝光系統(tǒng)曝光該光致抗蝕劑層，該浸潤式光刻曝光系統(tǒng)在曝光時使用一液體；在曝光后及曝后烤前對該光致抗蝕劑層進行一處理步驟，用以中和從該液體擴散至該光致抗蝕劑層的一捕捉劑；曝后烤該光致抗蝕劑層；以及顯影該曝光的光致抗蝕劑層。
2.根據(jù)權利要求1所述的浸潤式光刻的方法，其特征在于，該處理步驟使用一沖洗液，該沖洗液包含一具有一酸性或堿性的物質(zhì)，該物質(zhì)用以中和擴散至該光致抗蝕劑層的該捕捉劑。
3.根據(jù)權利要求2所述的浸潤式光刻的方法，其特征在于，該物質(zhì)的擴散速率符合該捕捉劑至該光致抗蝕劑層的擴散速率。
4.根據(jù)權利要求2所述的浸潤式光刻的方法，其特征在于，該沖洗液的pH值小于7，并且該捕捉劑的pH值大于7。
5.根據(jù)權利要求4所述的浸潤式光刻的方法，其特征在于，該沖洗液包含pH值介于1到3之間的酸、光酸產(chǎn)生劑、緩沖液或前述的組合。
6.根據(jù)權利要求2所述的浸潤式光刻的方法，其特征在于，該處理步驟更使用一旋干步驟。
7.根據(jù)權利要求2所述的浸潤式光刻的方法，其特征在于，該沖洗液的pH值大于7，并且該捕捉劑的pH值小于7。
8.根據(jù)權利要求7所述的浸潤式光刻的方法，其特征在于，該沖洗液包含堿、光堿產(chǎn)生劑或前述的組合。
9.根據(jù)權利要求1所述的浸潤式光刻的方法，其特征在于，更包括在該處理步驟后及該曝后烤前，以一中性溶液沖洗并旋干。
10.根據(jù)權利要求1所述的浸潤式光刻的方法，其特征在于，該處理步驟使用一蒸氣相溶液，該蒸氣相溶液具有一酸性或堿性，用以中和擴散至該光致抗蝕劑層的該捕捉劑。
11.根據(jù)權利要求10所述的浸潤式光刻的方法，其特征在于，該蒸氣相溶液的擴散速率符合該捕捉劑至該光致抗蝕劑層的擴散速率。
12.根據(jù)權利要求10所述的浸潤式光刻的方法，其特征在于，該蒸氣相溶液包括酸、光酸產(chǎn)生劑、緩沖液或前述的組合，并且其中該光致抗蝕劑層的pH值大于7且包含一光酸產(chǎn)生劑。
13.根據(jù)權利要求10所述的浸潤式光刻的方法，其特征在于，該蒸氣相溶液包括堿、光堿產(chǎn)生劑、緩沖液或前述的組合，并且其中該光致抗蝕劑層的pH值小于7且包含一光堿產(chǎn)生劑。
14.根據(jù)權利要求1所述的浸潤式光刻的方法，其特征在于，該處理步驟包括提供一溶劑至該光致抗蝕劑層，該溶劑移除該光致抗蝕劑層的一薄的上層部分。
15.一種處理方法，適用于經(jīng)過一浸潤式光刻制程后的一半導體晶圓，該半導體晶圓的一光致抗蝕劑層上具有一曝光圖案，其中該光致抗蝕劑層包含一用在一后續(xù)制程中的光酸產(chǎn)生劑，該浸潤式光刻的處理方法包括將一沖洗液用在該半導體晶圓的光致抗蝕劑層上，該沖洗液包含一酸性成分以中和一堿性捕捉劑，該堿性捕捉劑從該光致抗蝕劑層的一第一部分濾出，并擴散至該光致抗蝕劑層的一第二部分。
全文摘要
本發(fā)明提供一種浸潤式光刻的方法及其處理方法，包括提供一光致抗蝕劑層在半導體基底上，以及使用浸潤式光刻曝光系統(tǒng)曝光該光致抗蝕劑層。該浸潤式光刻曝光系統(tǒng)在曝光時使用液體，并可在曝光后去除一些但不是全部的液體；曝光后，使用一處理步驟以中和在浸潤式曝光過程中，一些不希望的元素擴散至光致抗蝕劑層所產(chǎn)生的效應；經(jīng)過處理后，進行曝后烤及顯影步驟。本發(fā)明所述浸潤式光刻的方法及其處理方法，可在光致抗蝕劑上產(chǎn)生想要的圖案并減少缺陷。
文檔編號H01L21/02GK1916766SQ20061010953
公開日2007年2月21日 申請日期2006年8月4日 優(yōu)先權日2005年8月5日
發(fā)明者張慶裕, 游大慶 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司