形成光刻膠圖形的方法
2023-09-13 16:48:10 3
專利名稱：形成光刻膠圖形的方法
技術領域：
本發明涉及光刻膠圖形形成方法，特別涉及在矽化物膜(矽和金屬元素的互連化合物)上形成光刻膠圖形的方法。
在製造電晶體和其它半導體器件中，已經習慣使用矽化鎢(WSi)作為柵極和布線的導電材料。例如通過化學汽相澱積(CVD)和濺射形成這種矽化鎢膜的常規方法。隨著半導體集成電路小型化的最新發展，由於可獲得其電阻率下降約20％-40％的矽化鎢膜，所以與濺射相比，化學汽相澱積變得越來越流行。
一般來說，在用CVD形成矽化鎢膜的光刻工藝中，使用高壓汞燈的g射線(波長436nm)和i射線(波長365nm)作為光源，對塗敷並固化於矽化鎢膜上的酚醛基光刻膠進行曝光，以形成光刻膠圖形。但是近來，半導體集成電路的設計要求已達到35nm以下。在努力獲得精確的光刻膠圖形以滿足這種設計標準的過程中，採用氟化氪(KrF)準分子雷射器作為光源(波長248nm)進行曝光。在採用KrF準分子雷射器的這種曝光中，已經實現採用化學增強(amplification)光刻膠代替酚醛基光刻膠，這種化學增強光刻膠具有很大的光吸收能力，以獲得良好的抗蝕劑圖形。
化學增強光刻膠是正光刻膠，對其施加酸性催化劑反應。正光刻膠一般由基底樹脂例如當保護基在預定部分處於鍵合狀態時基底樹脂與鹼性顯影液不溶而當保護基處於自由狀態時基底樹脂與鹼性顯影液相溶的多羥基苯乙烯、在曝光時發射氫離子的光電離劑、用於控制性能的少量添加劑和用於旋塗的有機溶劑構成。
當利用KrF準分子層光源把塗敷和乾燥固化於矽化鎢膜上的這種化學增強光刻膠曝光於遠紫外線照射時，從光電離劑中產生氫離子,開始化學增強。當氫離子在曝光後烘乾(PEB)期間代替基底樹脂的保護基與基底樹脂鍵合時，基底樹脂將溶於鹼性顯影液。在此期間，自由的保護基也將和水反應再次產生氫離子，使上述與鹼性顯影液的溶解按鏈式反應加速。
因此，如果正的化學增強光刻膠由鹼性顯影液顯影，那麼即使未充分曝光也可以獲得期望的光刻膠圖形。
下面，將參照圖3(a)至圖3(c)說明按照常規光刻工藝構圖化學增強光刻膠的方法。
首先，通過熱氧化在矽襯底(晶片)31的表面上形成氧化矽膜32。然後，通過CVD在氧化矽膜32上生長多晶矽膜33。隨後，採用二氯甲矽烷(SiH2Cl2)和六氟化鎢(WF6)作為原料通過CVD形成矽化鎢(WSi)膜34。但是，由於矽化鎢膜34的內應力很大，所以需要終止供給六氟化鎢，就是說，在這種膜形成工藝的最後階段僅供給二氯甲矽烷以降低應力。
然後，為了增加光刻膠的粘附力，將半導體襯底暴露於六甲基二矽氮烷(HMDS)氣氛中，使襯底表面具有疏水性。隨後，用化學增強光刻膠(圖3(b))塗敷富矽的矽化鎢膜35。接著，採用例如KrF準分子雷射器作為光源進行圖形曝光，最後，僅除去光刻膠的不需要部分以形成光刻膠圖形38(圖3(c))。
但是，這種常規光刻膠圖形形成方法有以下問題如上所述，為了減輕矽化鎢膜34的內應力，在膜形成的最後階段，終止供給六氟化鎢，就是說，僅繼續供給二氯甲矽烷。即使在這個最後階段期間，仍輕微形成作為包含過多矽的富矽的矽化鎢膜35的矽化鎢膜34(圖3(a))。
這種富矽的矽化鎢膜35還包含來自二氯甲矽烷的高濃度氯。因此，如上所述，在化學增強光刻膠37塗敷前用六甲基二矽氮烷(HMDS)進行富矽的矽化鎢膜35的表面處理期間，在從六甲基二矽氮烷產生的氨和從富矽的矽化鎢膜35的最上層產生的氯之間會發生化學反應，形成如圖4(a)所示的氯化氨(NH4Cl)固體36。
如果將化學增強光刻膠37塗敷到富矽的矽化鎢膜35的生成表面並將其固化(圖4(b))，接著利用作為光源的KrF準分子雷射器產生的遠紫外線進行曝光，那麼從化學增強光刻膠的光電離劑中會產生作為啟動化學增強的粒子的氫離子，並被氯化氨固體36捕捉，以致阻礙保護基釋放的鏈式反應。結果，氯化氨固體36周圍的化學增強光刻膠將不會分解以致被鹼溶解。因此，在顯影期間，要除去的光刻膠留下未除去的圖形缺陷39(圖4(c))；在存在這些圖形缺陷39的情況下即使腐蝕矽化鎢膜34，也不能實現設計要求的精確的柵極和布線，這可能導致產品缺陷以及電特性缺陷。
鑑於以上現有技術的問題，本發明的目的在於提供形成光刻膠圖形的方法，該方法對襯底上形成的金屬矽化物膜、尤其由CVD形成的矽化鎢膜進行構圖，而不會造成圖形缺陷。
根據本發明的第一方面，通過形成光刻膠圖形的方法達到以上目的，該方法包括以下步驟在襯底上形成金屬矽化物膜；腐蝕金屬矽化物的表面層；用光刻膠塗敷金屬矽化物膜，以便在金屬矽化物膜的腐蝕表面層上形成光刻膠膜；和通過光刻構圖光刻膠膜。
最好在塗敷光刻膠之前用包含預定濃度的過氧化氫的液體進行金屬矽化物膜的表面層腐蝕。襯底最好是矽襯底。
根據本發明的第二方面，該方法還包括在塗敷光刻膠之前使金屬矽化物膜的表面層具有疏水性的處理步驟和在隨後腐蝕金屬矽化物膜的表面層的步驟。
最好通過將金屬矽化物膜的表面層暴露於用1-50％的二甲苯稀釋的六甲基二矽氮烷氣氛中，進行使金屬矽化物膜表面層具有疏水性的處理步驟。
作為另一優選特徵，光刻膠是化學增強光刻膠，包括基底樹脂，該基底樹脂當保護基在預定部分處於鍵合狀態時不溶於鹼性溶液，而當保護基處於自由狀態時該基底樹脂將溶於鹼性溶液；和光電離劑，在曝光時該光電離劑發射氫離子；當保護基由於所述光電離劑發射的氫離子和基底樹脂反應而處於自由狀態時，基底樹脂溶於鹼性溶液。
根據本發明的第三方面，腐蝕液體至少包括氨、過氧化氫和水。
腐蝕液體可以是至少包括硫酸和過氧化氫的可選擇的液體。
作為另一種替代液體，腐蝕液體可以是鹽酸和過氧化氫的混合液體或其稀釋液體。
作為又一種替代液體，腐蝕液體可以是氟酸和過氧化氫的混合液體。
根據本發明的第四方面，金屬矽化物膜是矽化鎢膜。
作為替代膜，金屬矽化物膜可以是矽化鈦膜。
最好至少由二氯甲矽烷(SiH2Cl2)和六氟化鎢(WF6)作為原料形成矽化鎢膜。
參照附圖結合以下說明將使本發明的以上和其它目的、優點和特徵更明顯，其中圖1(a)至圖1(d)是本發明第一實施例的光刻膠圖形形成方法的連續工藝的剖面圖；圖2(a)是表示在用常規方法形成圖形的矽襯底上普通光刻膠圖形缺陷分布的圖；圖2(b)是類似於圖2(a)的圖，但表示的是用本發明方法形成的改進的光刻膠圖形缺陷分布；圖3(a)至圖3(c)是構圖化學增強光刻膠的常規方法的連續工藝步驟的剖面圖，說明常規技術的原理；和圖4(a)至圖4(c)是說明常規技術問題的剖面圖。
本發明的原理對於光刻膠圖形形成方法特別有用，下面參照
其優選實施例。第一實施例圖1(a)至圖1(d)是本發明第一實施例的光刻膠圖形形成方法的連續工藝的剖面圖。
本實施例的方法包括以下步驟在矽襯底(晶片)11上形成矽化鎢(WSi)膜14，用化學增強光刻膠17塗敷矽化鎢膜14以在矽化鎢膜14的上表面上形成光刻膠膜17，和通過光刻構圖光刻膠膜17。該方法與常規方法的不同在於，在用化學增強光刻膠塗敷矽化鎢膜14前和在用六甲基二矽氮烷處理矽化鎢膜14前，用包含預定濃度過氧化氫的液體腐蝕矽化鎢膜14的上層。
下面用圖1(a)至圖1(d)詳細說明第一實施例的光刻膠圖形形成方法。
首先，在矽襯底11上通過熱氧化形成氧化矽膜12，然後通過CVD在氧化矽膜12上按約100nm的厚度形成多晶矽膜13。本實施例中，在多晶矽膜13形成期間，通過原位置(in-situ)摻雜將鉀加入多晶矽膜13。或者，在多晶矽膜13形成後，通過鉀擴散或離子注入可以將鉀摻入多晶矽膜13。此外，含有鉀的多晶矽膜13可以是採用含有鉀的非晶態矽作為原料形成的非晶態矽膜；在非晶矽生長期間可以在原位置附加鉀，或在非晶態矽膜形成後可以通過鉀擴散或離子注入將鉀摻入非晶態矽膜。
隨後，在多晶矽膜13的上表面上，用六氟化鎢和二氯甲矽烷作為主要原料通過CVD形成約110nm厚度的矽化鎢膜14。在矽化鎢膜14形成期間，基本上與常規技術一樣，為了減輕內應力，在該膜形成工藝的最後階段終止六氟化鎢的供給，就是說，僅繼續供給二氯甲矽烷，結果，在矽化鎢膜14(圖1(a))上必然形成包含高濃度氯離子的富矽的矽化鎢膜15。
然後，將在多層膜12、13、14的上表面上形成的矽襯底11浸漬在氨、過氧化氫和水的混合液體裡十分鐘，以便通過腐蝕除去富矽的矽化鎢膜15。該混合液體最好由約29重量％的氨水、約31重量％的含水的過氧化氫和水組成，該液體按約1(氨水)∶1(含水的過氧化氫)∶5(水)的體積比混合。此外，腐蝕期間的液體溫度最好約為55℃，在這種情況下，腐蝕速率約為每分鐘1nm。
在這種腐蝕中，不僅除去了富矽的矽化鎢膜15，而且還除去了部分(約10nm厚度)的矽化鎢膜14(圖1(b))。
接著，用旋塗器(spinner)將正的化學增強光刻膠17塗敷到經六甲基二矽氮烷處理的矽化鎢膜14的上表面上，隨後利用KrF準分子雷射器的照射進行曝光，然後進行曝光後的烘乾。隨後，進行鹼性顯影，用顯影液體溶解化學增強光刻膠17的被照射部分，從而在矽化鎢膜14上形成光刻膠圖形18(圖1(d))。
圖2(a)是表示按照常規方法在矽襯底31上產生的光刻膠圖形缺陷分布的圖。從該圖看出，在矽襯底31上出現了大量的圖形缺陷39。圖2(b)是表示按照第一實施例的方法在矽襯底11上產生的光刻膠圖形缺陷分布的圖。與常規方法相比，該圖顯示出矽襯底11上的圖形缺陷數量顯著地下降。
因此，在本實施例的方法中，由於在六甲基二矽氮烷處理前通過用氨水、過氧化氫和水的混合液體的腐蝕，除去含有高濃度氯離子的富矽的矽化鎢膜15，所以在矽化鎢膜14的上表面上不會形成任何氯化氨的固體。結果，作為反應啟動者的氯離子不被氯化氨捕捉，以致可以平滑地除去要除去的光刻膠，因而防止或減輕了可能的圖形缺陷。
由於用上述混合液體腐蝕矽化鎢膜14的速率約為很慢的每分鐘1nm，所以如上所述，容易監視如何進行這種腐蝕，在矽化鎢膜形成期間可以使矽化鎢膜14的總腐蝕厚度達到其厚度的約1/3(例如，在CVD膜形成期間，如果矽化鎢膜的厚度約為150nm，那麼腐蝕約50nm)，實現良好控制的腐蝕。第二實施例下面利用圖1(a)至圖1(d)說明本發明方法的第二實施例。
除了用於除去富矽的矽化鎢膜15的腐蝕液體外，本實施例的方法與第一實施例的方法相同，使用硫酸和過氧化氫的混合液體代替氨水、過氧化氫和水的混合液體。
在第二實施例中，這種混合液體最好由約95重量％的硫酸和約31重量％的含水的過氧化氫組成，該混合液體按約5(硫酸)∶1(含水的過氧化氫)的體積比混合。此外，腐蝕期間的液體溫度最好約為140℃，在這種情況下，腐蝕速率約為每分鐘0.1nm。
如果將形成多層膜12、13、14的上表面上的矽襯底11浸漬在溫度約140℃的這種混合液體中十分鐘左右，那麼不僅除去了富矽的矽化鎢膜15，而且還除去了部分(約2nm厚度)矽化鎢膜14。
按照第二實施例的方法，可以獲得與第一實施例基本相同的那些優點。
此外，根據第二實施例，與第一實施例相比，腐蝕矽化鎢膜14的速率顯著地變慢。結果，更容易掌握如何進行腐蝕，以致可以限制由腐蝕產生的矽化鎢膜14的厚度減小，實現更良好控制的腐蝕。因此，與第一實施例相比，在未除去的膜厚度和通過矽襯底11的整個表面的薄膜電阻兩方面可以實現矽化鎢膜14的更良好的均勻性。
本發明不應限於上述實施例，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下可以進行各種變更和改變。例如，氨、過氧化氫和水的混合比和硫酸和過氧化氫的混合比都可以按要求改變。液體溫度也可以改變。此外，腐蝕方法不限於浸漬。
此外，在以上實施例中，在塗敷光刻膠前，氨、過氧化氫和水的混合液體或硫酸的混合液體被用於按低腐蝕率在良好地控制下腐蝕矽化鎢膜的上層。由鹽酸和過氧化氫的混合液體或其稀釋液體、氟酸和過氧化氫的混合液體或其稀釋液體、單獨的過氧化氫或其稀釋液體為例說明了較好的替代腐蝕液體。就是說，只要它包含過氧化氫，任何腐蝕液體都可以。
此外，如果在裝備有超聲波振蕩器的處理槽中進行腐蝕，那麼可以避免外界物質再次粘附矽化鎢膜表面，更有效地防止圖形缺陷。
此外，光刻膠不限於化學增強光刻膠，該光刻膠可以是正型的或是負型的。
另外，在上述實施例中，在矽化鎢膜上形成光刻膠圖形。另一方面，在另一金屬矽化物例如矽化鈦(TiSi)上也可以形成光刻膠圖形。再有，金屬矽化物膜不限於由CVD形成的金屬矽化物膜，襯底也不限於矽襯底。
如上所述，根據本發明的光刻膠圖形形成方法，由於在塗敷光刻膠前利用含有過氧化氫的腐蝕液體除去包含高濃度氯離子的金屬矽化物膜的上層，所以在金屬矽化物膜的表面層上不會形成任何氯化氨的固體。結果，作為反應發動者的氯離子未被氯化氨捕捉，從而可以平滑地除去要除去的光刻膠，因此防止或減輕了可能的圖形缺陷。
因此，本發明顯然不限於以上實施例，在不脫離本發明範圍和精神的情況下可以進行改變和變更。
最後，本申請要求在本申請中參考引用的於1998年1月29日申請的日本專利申請No.平10-017064的優先權。
權利要求
1．一種形成光刻膠圖形的方法，包括以下步驟在襯底上形成金屬矽化物膜；腐蝕金屬矽化物的表面層；用光刻膠塗敷金屬矽化物膜，以便在金屬矽化物膜的腐蝕表面上形成光刻膠膜；和通過光刻構圖光刻膠膜。
2．如權利要求1的方法，其中在光刻膠的所述塗敷前，用含有預定濃度的過氧化氫的液體進行金屬矽化物膜的表面層的所述腐蝕。
3．如權利要求1的方法，還包括在光刻膠的所述塗敷前使金屬矽化物膜的表面層具有疏水性的處理步驟，隨後進行金屬矽化物膜表面層的所述腐蝕。
4．如權利要求3的方法，其特徵在於，通過將金屬矽化物膜的表面層暴露於用1-50％的二甲苯稀釋的六甲基二矽氮烷氣氛中進行使金屬矽化物膜的表面層具有疏水性的處理步驟。
5．如權利要求1的方法，其中所述襯底是矽襯底。
6．權利要求1的方法，其中所述光刻膠是化學增強光刻膠，包括基底樹脂，當保護基在預定部分處於鍵合狀態時該基底樹脂不溶於鹼性溶液，而當保護基處於自由狀態時該基底樹脂將溶於鹼性溶液；和光電離劑，在曝光時該光電離劑發射氫離子；當所述保護基由於所述光電離劑發射的氫離子與所述基底樹脂反應而處於自由狀態時，所述基底樹脂溶於鹼性溶液。
7．權利要求2的方法，其中所述液體至少包括氨、過氧化氫和水。
8．權利要求2的方法，其中所述液體至少包括硫酸和過氧化氫。
9．權利要求2的方法，其中所述液體是鹽酸和過氧化氫的混合液體或其稀釋液體。
10．權利要求2的方法，其中所述液體是氟酸和過氧化氫的混合液體。
11．權利要求1的方法，其中所述金屬矽化物膜是矽化鎢膜。
12．權利要求1的方法，其中所述金屬矽化物膜是矽化鈦膜。
13．權利要求2的方法，其中所述金屬矽化物膜是矽化鎢膜。
14．權利要求2的方法，其中所述金屬矽化物膜是矽化鈦膜。
15．權利要求3的方法，其中所述金屬矽化物膜是矽化鎢膜。
16．權利要求3的方法，其中所述金屬矽化物膜是矽化鈦膜。
17．權利要求11的方法，其中至少以二氯甲矽烷(SiH2Cl2)和六氟化鎢(WF6)為原料形成所述矽化鎢膜。
全文摘要
在多晶矽膜上用CVD方法形成以六氟化鎢(WF
文檔編號H01L21/027GK1233848SQ9910048
公開日1999年11月3日 申請日期1999年1月29日 優先權日1998年1月29日
發明者岡村健司, 荒田弘美, 井上修一 申請人:日本電氣株式會社