專利名稱：曝光方法
技術領域：
本發明涉及圖形形成方法，具體涉及在半導體器件、微型機械等制造中成為工藝掩模的微細光刻膠圖形的圖形形成方法。
背景技術：
隨著半導體器件的集成度增高，已經提高了柵極、布線和連接孔圖形的精細程度。用光刻法形成的光刻膠圖形作掩模，腐蝕各個底膜，形成這些圖形。光刻法包括源光刻膠，圖形曝光和顯影處理等步驟。用下式(1)表示這樣制成的光刻膠圖形的最小線寬RR＝K1×λ/NA (1)式中K1是工藝常數，λ是曝光用的光的波長，NA是投影透鏡的數字孔徑。
從式(1)看到，縮短曝光光波長λ和增大投影透鏡的數字式孔徑能有效提高光刻膠圖形的精細程度(即使最小線寬變細的程度)。因此，近年來已開發出諸如有高數字式孔徑的曝光設備的投影透鏡，因此，光刻圖形曝光中用的光的波長已縮到水銀燈的g線(波長λ為436nm)，i線(波長λ為356nm)，KrF準分子激光(波長λ為248nm)，和ArF準分子激光(波長λ為193nm)。
此外，為了進一步提高光刻膠圖形的精細程度，不僅是分辨率而且曝光的焦深的增大均很重要。即，對應襯底的散焦范圍，透鏡相差，光刻膠厚度和曝光設備的聚焦調整等都是必需的。焦深d用下式表示(2)表示，d＝K2×λ/(NA)2(2)式中K2是工藝常數，λ是曝光用光的波長，NA是投影透鏡的數字式孔徑。
從式(2)看到，縮短曝光光的波長能有效增大焦深d。另一方面，看到增大投影透鏡的數字式孔徑NA能提高分辨率，減小焦深。
因此，為了補償因投影透鏡的數字式孔徑增大造成的焦深減小，必須用其它方式來增大焦深。其中一種方式是，把光刻膠形成薄膜，增大式(2)中的工藝常數K2。此外，使光刻膠膜變薄還能有效抑制顯影時由于表面張力造成的圖形缺陷。
但是，光刻膠做薄時，會擔心要處理的膜作為底層腐蝕時光刻膠膜的厚度不夠。因此，用光刻膠材料的耐腐蝕性來確定光刻膠層的薄度極限。此外，光刻膠做薄時，用底層反射光與入射光之間的干擾，即增大所謂的駐波效應，來調整光刻膠中的光吸收量。為了抑制底層反射光的影響，通常設置用CVD(化學汽相淀積)法形成的有機抗反射膜或抗反射膜作為光刻膠膜的下層。但是，用抗反射膜來防止由于光刻膠膜變薄造成的駐波效應的方法中，由于抗反射膜也需要腐蝕，所以光刻膠也必須加厚，因而由此來確定光刻膠的薄度極限。
因此，正如T.Azuma et al all″resist design for resolution limit ofKrF imaging towards 130nm lithography″J.Vac.Sci.Technol.B16，3734(1998)中所公開的方法中，在要處理的膜上使用CVD法形成的氮化硅膜、多晶硅膜、或非晶硅膜作為層間膜，經過該層間膜腐蝕要處理的膜。即，用光刻膠圖形作掩模腐蝕要處理的膜，而且用該層間膜作掩模腐蝕要處理的膜。用對要處理的膜有高腐蝕選擇率的膜作層間膜。按該方法，光刻膠圖形的厚度只是需要腐蝕的層間膜的厚度，因而光刻膠膜的厚度與沒有層間膜的情況相比明顯地變薄。
此外，日本特許公開73922/1998公開了一種方法，在襯底上形成含光-酸發生劑的光刻膠圖形后，在襯底上涂敷覆蓋該光刻膠圖形的含與光酸反應的交聯劑的光刻膠膜、在光刻膠圖形與光刻膠之間的界面處發生交聯反應，以生長交聯層。這時，涂敷光刻膠膜后用光輻射，在光刻膠圖形中產生足夠的酸。按該方法，由于形成覆蓋光刻膠圖形的交聯層，交聯層的厚度加到光刻膠圖形上，因此，用光刻法形成的光刻膠圖形的厚度能減薄添加的厚度量。
但是，所述圖形形成方法有以下缺點
即，中間膜形成方法中必須進行膜形成步驟，如CVD法，需要有膜形成時間，清洗步驟和設層間膜的時間。而且，若層間膜留下，還會損壞器件的電性能，因此，必須在腐蝕要處理的膜后進行除去層間膜的步驟。因此增大了生產成本和加長了工藝時間。
光刻膠圖形界面處形成交聯層的方法中，不需要進行膜形成步驟，如不需進行CVD法，與設層間膜的方法相比，不會增大生產成本和延長工藝時間。但是，光經過含交聯劑的光刻膠膜輻射光刻膠圖形，在光刻膠膜中會出現光的多重干擾，因而不能使襯底整個表面上的光刻膠圖形受到均勻的光輻射。因此光刻膠圖形中產生的酸量出現波動，因而不能在襯底平面中的光刻膠圖形界面處均勻形成交聯層的膜厚。而且不能達到交聯層構成的第2光刻膠圖形的尺寸精度。引起襯底平面中的光刻膠圖形波動。用該第2光刻膠圖形處的底層也不能達到尺寸精度。
發明內容
因此，本發明的目的是提供能在襯底平面中形成尺寸精度的微細光刻膠圖形的圖形形成方法。而且不會增大生產成本和延長生產周期。
為達到發明目的，本發明的圖形形成方法的特征有以下工藝步驟首先，襯底上形成含光酸發生劑的第1光刻膠圖形，用光輻射該第1光刻膠圖形。之后，襯底上涂敷覆蓋第1光刻膠圖形的含有與光酸反應的交聯劑的光刻膠膜，在第1光刻膠圖形界面發生交聯反應生長交聯層，形成交聯層和第1光刻膠圖形構成的第2光刻膠圖形。
這種圖形形成方法中，用光刻膠膜覆蓋第1光刻膠圖形之間用光輻射第1光刻膠圖形。因此，能防止光輻射第1光刻膠圖形時光在光刻膠膜中的多重干擾。使輻射到襯底整個表面上的光有效量均勻。因此，在襯底的整個表面上在第1光刻膠圖形中產生的酸量均勻，能在第1光刻膠圖形的露出界面處形成厚度均勻的交聯層。
附圖簡述
圖1A至1E是顯示本發明圖形形成方法的剖視圖；圖2是實施本發明圖形形成方法用的半導體制造設備的結構示意圖；圖3是圖2所示半導體制造設備用的光輻射單元的結構示意圖；圖4A至4D是用于半導體器件制造方法中的本發明例的結構剖視示意圖(No.1)；圖5A至5E是用于半導體器件制造方法中的本發明例的結構剖視示意圖(No.2)；圖6是與發明例對比的對比例的結構剖視圖。
優選實施例詳述以下將參見附圖詳細說明本發明的圖形形成方法。這里將說明用于半導體器件制造方法中的本發明的圖形形成方法的一個實施例。本發明的圖形形成方法不限于用于半導體器件的制造方法中。它也能廣泛用于微型機械的制造方法中，或其它要求制造精細圖形的制造方法中。
首先，如圖1A所示，在半導體晶片制成的襯底1上用光刻法形成第1光刻膠圖形2。這里進行用化學放大的光刻膠的光刻。化學放大光刻膠是指含光酸發生劑的光刻膠，在光刻中用圖形曝光產生的酸的催化反應形成圖形。
此外，該光刻中的圖形曝光中，按第1光刻膠圖形2的線寬和圖形間隔，所用的光刻膠材料、從KrF準分子激光曝光設備，i線曝光設備，ArF準分子激光曝光設備，F2激光曝光設備，電子束繪圖設備，X-射線繪圖設備和X-射線曝光設備中選取合適的曝光設備，進行曝光。
這時，按曝光方式選擇合適的光刻膠材料。例如，用汞I線作曝光用光時，用酚醛清漆為光刻膠材料的基本樹脂。對光刻膠材料中的光酸發生劑無具體限制，可用锍鹽和尿素。
之后，如圖1B所示，進行第2次曝光，其中，用光3輻射第1光刻膠圖形2。這時，光3均勻輻射到襯底1的整個表面上，在第2光刻膠圖形2內產生足夠的酸4。為了進行該曝光，要求用下述的曝光單元，它能同時用光3輻射襯底1的整個表面。此外，對光3的波長無具體限制，只要它能夠被第1光刻膠圖形2中的光酸發生劑吸收即可。
之后，如圖1C所示，襯底1上涂敷并形成覆蓋光刻膠圖形2的含有與酸反應的交聯劑的光刻膠膜5。這時，含交聯劑的沒硬化的光刻膠材料旋涂到襯底1上。
這里用的光刻膠材料是由聚乙烯醇系，聚丙烯酸系，聚乙烯醇縮醛系等構成的基礎樹脂，尿素系和三聚氰胺系構成的可溶性交聯劑，作為溶劑的水，提供涂敷性能的可溶性溶劑和諸如表面活化劑的添加劑的混合物。
以后，例如，襯底1放在加熱板6上加熱，使第1光刻膠圖形2中的酸4擴散進光刻膠膜5中。如圖1D所示，由此在第1光刻膠圖形2的界面附近，光刻膠膜5中的交聯劑與酸4反應，在第1光刻膠圖形2的界面形成交聯層7。選擇襯底1的最佳加熱溫度和加熱時間來控制要生長的交聯層7的膜厚。這時，盡管隨著加熱溫度變高交聯層7的厚度增長變大，但加熱溫度設定在低于第1光刻膠圖形2軟化開始的溫度范圍內。
以后，如圖1E所示，襯底1回到室溫后，用樹脂溶劑洗去光刻膠膜5的沒反應的部分。由此制成用第1光刻膠圖形2和覆蓋它的交聯層7構成的第2光刻膠圖形10。第2光刻膠圖形10的厚度是光刻形成的第1光刻膠圖形2的厚度與交聯層7的厚度之和。
上述方法中，用光刻膠膜5覆蓋第1光刻膠圖形2之前，光3輻射第1光刻膠圖形2。因此能防止光輻射中光3對光刻膠膜5的多重干擾，能對襯底1上的第1光刻膠圖形2進行光輻射，并使輻射到襯底1的整個表面上的有效光量均勻。而且，在襯底1的整個表面上在第1光刻膠圖形2中能產生均勻量的酸，因而能在襯底1的整個表面上的第1光刻膠圖形2的界面生長均勻的有足夠厚度的交聯層7。結果，在襯底1上能形成厚度均勻和尺寸精確的第2光刻膠圖形10。
而且，由于該第2光刻膠圖形的厚度是第1光刻膠圖形2的厚度加交聯層7的厚度，所以第1光刻膠圖形2的厚度可以減薄交聯層的厚度。因此，形成第1光刻膠圖形2的光刻中，進行圖形曝光中有更高的分辨率。結果，不要用CVD法形成導間膜，即，不會增大生產成本，不會延長生產周期。能形成有更微細的線寬和開口寬度的光刻膠圖形。
特別是，在該情況下，由于第1光刻膠圖形2的側壁上也形成有交聯層7，所以擴大了第2光刻膠圖形10的保留部分圖形的線寬。而且，在要加速提高物體的精細程度的情況下，要求物體形成去掉圖形10a如孔圖形或槽圖形。第2次曝光中，光3輻射第1光刻膠圖形2時，與第1光刻膠圖形2的側壁相比，光3更多地輻射到第1光刻膠圖形2的頂表面上。因此，頂表面處的交聯層7的厚度比第1光刻膠圖形2側壁處的厚度厚。
以下要說明作為半導體制造設備構件的實施與此相同的圖形形成方法用的制造設備。圖2是半導體制造設備的實例的結構示意圖。圖2所示半導體制造設備包括載體盒安置部分21、21，其中放有裝要處理的晶片W(即，襯底)的載體盒(沒畫)，和設在載體盒安置部分21附近的晶片輸送部件23。
而且，晶片輸送部件23的周圍安置有以下各個單元。設有用光輻射晶片W的光輻射單元24，給晶片W旋涂光刻膠膜用的旋涂單元25，給涂有光刻膠膜的晶片W加熱用的加熱單元26，干燥和冷卻加熱晶片W用的晶片干燥和冷卻單元，用于除去晶片W表面上的光刻膠膜的晶片清洗單元28。
裝在載體盒安置部分21的載體盒中的晶片用輸送部件23輸送到各個單元，隨后在各個單元中進行處理。
這些單元中，構成用光輻射晶片W用的光輻射單元24，如圖3所示。圖3所示光輻射單元包括例如高壓汞燈構成的光源31，鏡子32，凹透鏡33，光柵34，復眼透鏡35，狹縫36，鏡子37，凸透鏡38，載物架39，照度計40，從光源31開始順序安置在光3輻射通道中。
從光源31輻射的光被鏡子32反射，通過光柵34，入射到復眼透鏡35。該復眼透鏡35用多個小凸透鏡捆扎在一起構成，它有限定的方向性，和均勻的光漫射特性，能均分和均勻漫射入射光3。該復眼透鏡35變成二次光源，光通過狹縫36。該狹縫36遮蔽光束的周邊部分，以防止光在透鏡周邊散射。通過了狹縫36的光3通過凸透鏡38變成平行光3，并均勻地輻射到放在載物架39上的晶片W的整個表面上。用光柵34的打開時間控制光3的輻射量，通過照度計40預先校正光照度。
用顯影液涂敷機的光刻膠旋涂單元作為旋涂單元25。該旋涂單元25包括晶片旋轉卡盤，供料噴嘴，含有交聯劑的光刻膠溶液從供料噴嘴供給由晶片旋轉卡盤旋轉固定的晶片W上，由此把光刻膠膜旋涂在晶片W表面上。
加熱單元26包括用于蒸發晶片W上涂敷的光刻膠膜的溶劑，例如水的加熱塊，和加熱晶片W以形成交聯層用的加熱塊，各個加熱塊按兩級垂直安置。每個加熱塊包括加熱板，其結構應使加熱板的溫度使晶片W的平面溫度精度能控制在±0.5℃。而且，使晶片W的平面中的溫度分布均勻。并設有排氣部分，用它調節晶片W周圍的氣流。
之后，包括干燥晶片W的加熱板的加熱塊，包括把晶片W冷卻到室溫的冷卻板的冷卻塊，各個塊按兩級垂直安放，構成晶片干燥和冷卻單元27。
顯影液涂敷機的顯影單元用作晶片清洗單元28。清洗單元28中設晶片旋轉卡盤和兩個供料噴嘴，用晶片旋轉卡盤旋轉地固定晶片W，一個供料噴嘴供給異丙烯醇，另一供料噴嘴供給純水。由此，用異丙烯醇和純水處理晶片W表面，晶片W進行旋轉干燥。
用有該結構的半導體制造設備，能連續而順序地進行圖1所示各個步驟。
此外，由于設有用光均勻輻射晶片W的整個表面的光輻射單元24，能使輻射到晶片W(襯底1)的整個表面上的光的有效量進一步均勻，因此，可以在襯底1的整個表面上的光刻膠圖形2的界面處均勻生長有足夠厚度的交聯層7。
另外，有該結構的半導體制造設備也可以用普通的顯影液涂敷機構成。顯影液涂敷機包括載體盒安置部分，晶片輸送部件，周邊曝光輻射單元。旋涂單元，顯影單元，加熱單元，晶片干燥和冷卻單元。這里，周邊曝光單元用光輻射晶片邊緣，在顯影時去掉晶片邊緣的光刻膠(正型光刻膠)。因此，周邊曝光單元更換進所述的光輻射單元24中，從旋涂單元的供料噴嘴加含交聯劑的光刻膠材料溶液，并從顯影單元的供料噴嘴供給異丙烯醇，所以，它能用作有所述結構的半導體制造設備。
之后，將用圖4和圖5說明本發明的圖形形成方法的具體例用于半導體器件的制造方法。
首先，如圖4A所示，在硅襯底101的表面側形成元件隔離區102，之后，硅襯底101上形成線寬為0.1μm的柵極103，硅襯底101的表面層上形成源/漏擴散層101a。之后，用CVD法在硅襯底101上形成要變成層間絕緣膜的氧化硅膜104后，用CMP(化學機械拋光)法整平氧化硅膜表面。由此，使氧化硅膜104的厚度為500±50nm。這時，用CMP步驟磨薄量波動引起的氧化硅膜104的厚度波動范圍在±50nm內。
之后，如圖4B所示，在氧化硅膜104上旋涂厚度為135nm用有機材料構成的抗波動膜105。這時，為在以后的圖形曝光步驟中充分抑制從底層的反射光，形成135nm厚的抗波動膜105。抗波動膜105的厚度不夠時，氧化硅膜104的厚度波動會改變光的干擾狀態，它還會使從底層反射的光強度變化。因此，在以后的圖形曝光和顯影而形成光刻膠圖形的步驟中，它的尺寸會波動。
之后，抗波動膜105上旋涂390nm厚的正型化學擴大光刻膠106。主要含锍鹽光酸發生劑的光刻膠和有乙縮醛基作保護基的聚羥基不銹樹脂用作化學擴大光刻膠106。
之后，用縮小率為1/4的投影透鏡用KrF準分子激光掃描儀(曝光波長λ為248nm)實施到化學擴大光刻膠106的通孔圖形的曝光，襯底在1300℃加熱90秒鐘后，用2.0wt％的TMAH(氫氧化四甲銨)稀釋溶液顯影，最好用純水清潔。由此，如圖4C所示，形成有孔徑為220nm的孔圖形107的第1光刻膠圖形106a。
之后，如圖4D所示，用汞燈108輻射的光3均勻輻射襯底101，總的曝光量為80J/m2，在第1光刻膠圖形106a的表面中產生酸109。這時，用圖3所述結構的光輻射單元24。
之后，如圖5A所示，在襯底101上旋涂厚度為800nm含有交聯劑的光刻膠膜110。這時，用聚乙烯酸系可溶性樹脂，尿素系交聯劑，作為溶劑的水，和諸如表面活性劑的添加劑制成要涂敷的光刻膠材料溶液。之后，襯底101放在加熱板111上加熱。這時，首先在850℃加熱70秒鐘，蒸發掉溶液中的溶劑。之后，在110℃加熱70秒鐘，第1光刻膠圖形106a表面上的酸擴散進光刻膠膜110中。由此，擴散進光刻膠膜110中的酸109與光刻膠膜110中的交聯劑相互反應，形成覆蓋第1光刻膠圖形106a的不溶于水的交聯層112。
之后，如圖5B所示，襯底101上噴淋異丙烯醇溶液，溶解除去沒被交聯的光刻膠膜(110)的部分，最后，用純水洗襯底101，襯底101加熱干燥。由此形成用交聯層112覆蓋其表面106a的第2光刻膠圖形113。第2光刻膠圖形113的高度變成交聯層112的厚度110nm加光刻膠圖形106a的高度390nm之和500nm。通孔圖形的直徑從220nm減小至100nm。
之后，如圖5C所示，用第2光刻膠圖形113作掩模腐蝕底層抗波動膜105，腐蝕條件如下<抗波動膜105的腐蝕條件>腐蝕設備氣體類感應耦合等離子腐蝕機。
流量O2(10sccm)/He(100sccm)。
第2光刻膠圖形113對抗波動膜105的選擇比1過腐蝕量30％之后，如圖5D所示，用第2光刻膠圖形作掩模，再次腐蝕氧化硅膜104，這時的腐蝕條件如下<氧化硅膜104的腐蝕條件>腐蝕設備氣體類平行平板型等離子腐蝕機。
氣體種類和流量八氟環丁烷C4F8(2sccm)/O2(10sccm)/Ar(300sccm)。
第2光刻膠圖形113對氧化硅膜104的選擇比3。
過腐蝕量30％氣體流速單位“sccm”是指標準的cm3/分鐘，指示氣體在標準狀態的流速。
按上述方式，在氧化硅膜104中形成達到襯底101的表面層的擴散層101a的連接孔104a。
此后，如圖5E所示，對氧化硅膜104進行氧灰化拋光，除去殘留在硅襯底101和有機抗波動膜(105)上的第2光刻膠圖形(113)，用硫酸和過氧化氫混合液進行后期處理。
通過以上的一系列步驟，在襯底101的平面中有均勻尺寸精度的襯底101的上部的氧化硅膜104中形成直徑為100nm的連接孔104a。
并按下述方式設定形成連接孔104a所需的第2光刻膠圖形113的厚度。首先，計算經兩次腐蝕第2光刻膠圖形113減去的厚度。
第2光刻膠圖形113減去的厚度＝(抗波動膜的厚度/腐蝕選擇比)×(1+過腐蝕量)+(層間膜厚/腐蝕選擇比)×(1+過腐蝕量)＝(135nm/1)×(1+0.3)+(500nm/3)×(1+0.3)＝175.5nm+216.7nm＝392nm。
這里，盡管抗波動膜也有腐蝕掩模的功能。如果腐蝕到抗波動膜105而使膜減薄，則嚴重損壞腐蝕后的連接孔104a的直徑均勻性。此外，由于腐蝕時第2光刻膠圖形113的通孔圖形107的開口部分擴大，為了防止到通孔圖形107的底部擴大，必須使腐蝕后的第2光刻膠圖形113的殘留膜至少厚60nm。因此，第2光刻膠圖形113要求的厚度變成392nm+60nm≌450nm。
之后，上述實施例中，第2光刻膠圖形113的厚度為500nm，由此能保證連接孔104a的直徑均勻和保持它的形狀。
只用第1光刻膠圖形106a作掩模而不形成交聯層112在氧化硅膜104中形成連接孔時，如圖6所示，氧化硅膜104中的連接孔104a的上開口擴大。這種情況下，連接孔104a與其上部之間的部分上形成的布線之間會發生電短路，不能制成半導體器件。
如上所述，按本發明的圖形形成方法，用含有能與酸反應的交聯劑的光刻膠膜覆蓋第1光刻膠圖形之前，用光輻射第1光刻膠圖形。所以，能在襯底平面中形成有均勻厚度和尺寸精確的第2光刻膠圖形。由于不必用CVD法形成層間膜，因此可以在襯底平面中形成有均勻尺寸精度的更微細的第2光刻膠圖形，不會增大生產成本和延長生產周期。結果，用第2光刻膠圖形作掩模，能在襯底平面中形成形狀精度提高了的微細圖形。
權利要求
1.一種圖形形成方法，包括以下步驟襯底上形成含有光酸發生劑的第1光刻膠圖形；光輻射第1光刻膠圖形的曝光表面；光輻射后，襯底上涂敷覆蓋第1光刻膠圖形的含有能與酸反應的交聯劑的光刻膠膜；在第1光刻膠圖形與光刻膠層之間的界面處引起交聯反應，生長交聯層；和形成交聯層和第1光刻膠圖形構成的第2光刻膠圖形。
2.按權利要求1的圖形形成方法，其中，光是選自ArF準分子激光和KrF準分子激光的光之一。
3.按權利要求1的圖形形成方法，其中，形成第1光刻膠圖形的含有光酸發生劑的基礎樹脂是選自甲基丙烯酸樹脂和環烯基樹脂中的一種樹脂。
4.按權利要求1的圖形形成方法，其中，含有能與酸反應的交聯劑的光刻膠膜的基礎樹脂是選自聚乙烯醇系樹脂，聚丙烯酸系樹脂和聚乙烯醇縮醛系樹脂的一種樹脂。
全文摘要
一種圖形形成方法,能在襯底平面中形成有均勻尺寸精度的微細光刻膠圖形,而不增大生產成本和不延長生產周期。該方法中,用光刻法在襯底上形成含光酸發生劑的第1光刻膠圖形后,襯底上涂敷覆蓋第1光刻膠圖形的含有與酸反應的交聯劑的光刻膠膜。第1光刻膠圖形與光刻膠膜之間的界面處發生交聯反應,生長交聯層,形成交聯層和第1光刻膠圖形構成的第2光刻膠圖形,在襯底上涂光刻膠層之前進行第1光刻膠層的光輻射步驟。
文檔編號H01L21/3065GK1350205SQ0113702
公開日2002年5月22日 申請日期2001年10月19日 優先權日2000年10月19日
發明者竹內幸一 申請人:索尼株式會社