一種提高背面金屬柵格分辨率的方法和半導體結構與流程

本發明涉及半導體集成電路制造領域，特別涉及一種提高背面金屬柵格分辨率的方法和半導體結構。

背景技術：

像素和像素間會因為光線及電流產生串擾，從而降低畫面的銳度，影響色彩還原，形成噪點。bmg(backsidemetalgrid即背面金屬柵格)像素隔離技術可以增加光線利用率降低干擾，提升控噪能力和照片純凈度。

目前130nm的bmg小線寬幾乎是krf(氟化氪248nm波長)機臺光刻的極限分辨率,但是由于工藝窗口很小，很難滿足量產的要求。況且隨著像素尺寸的不斷縮小，對像素間的隔離線要求也越來越高，隔離線的尺寸也需要不斷縮小，現有的krf(248nm波長)光刻機臺分辨率已經不能滿足現有工藝對光刻機臺分辨率的要求。如果轉移到arf(氟化氬193nm波長)機臺上，分辨率能夠滿足要求，但是所需要的光阻厚度太厚(大于4000埃)，因此難以找到匹配的光阻，同時，由于高寬比太大，導致工藝窗口僅有0.1um左右，完全不能滿足量產需求，而且轉移到arf(193nm波長)機臺上，光阻成本至少是krf機臺的3倍。

技術實現要素：

本發明提供了一種提高背面金屬柵格分辨率的方法和半導體結構，解決以上所述技術問題。

本發明解決上述技術問題的技術方案如下：一種提高背面金屬柵格分辨率的方法,包括以下步驟：

步驟1，在半導體襯底上依次沉積金屬層和保護層；

步驟2，在所述保護層的表面依次涂覆抗反射涂層和負光阻層，然后對所述負光阻層曝光和顯影后形成第一光刻圖形；

步驟3，之后涂覆一層堿溶性有機化合物以完全覆蓋所述第一光刻圖形以及抗反射涂層，通過對涂覆有堿溶性有機化合物的半導體襯底進行高溫烘烤和顯影得到第二光刻圖形；

步驟4，以所述第二光刻圖形為掩膜層對所述保護層和金屬層進行刻蝕，直至露出所述半導體襯底，然后去除所述掩膜層形成第三圖形。

本發明的有益效果是：本發明的技術方案通過在krf(248nm波長)光刻機臺上采用負光阻形成第一光刻圖形，之后在第一光刻圖形表面涂覆堿溶性有機化合物，堿溶性有機化合物與第一光刻圖形側壁中含有的光酸成分在高溫烘烤的條件下發生交聯反應，反應生成物溶于顯影液而被去除，達到縮小光刻圖形的目的，進而縮小以光刻圖形為掩膜刻蝕形成的第三圖形的尺寸即線寬臨界尺寸，提高了工藝窗口范圍，降低了生產成本。

在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下改進。

進一步，步驟1中，所述金屬層為鋁層，所述保護層為peteos薄膜層或氮化硅層。

采用上述進一步方案的有益效果是：采用金屬鋁層作為bmg像素隔離技術中像素間的隔離線不僅可以增加光線利用率降低干擾，而且可以提升控噪能力和照片純凈度，采用保護層能有效的保護金屬鋁層，避免金屬鋁層被氧化。

進一步，步驟1中，采用電子束蒸發、磁控濺射或熱蒸發沉積所述鋁層。

采用上述進一步方案的有益效果是：采用電子束蒸發金屬鋁層，制成的薄膜純度高、質量好，厚度可以較準確地控制；采用磁控濺射沉積金屬鋁層，金屬膜的致密性高，金屬膜的反射率高，采用熱蒸發沉積金屬鋁層，工藝簡單成本低。

進一步，步驟2中，所述抗反射涂層的厚度范圍為100埃～1000埃。

采用上述進一步方案的有益效果是：通過涂覆一定厚度的抗反射涂層能有效的提高光刻工藝中線寬解析度。

進一步，步驟3中，所述堿溶性有機化合物為含有酚類樹脂、交聯劑、堿性添加劑和光刻膠溶劑的膠體。

進一步，步驟3中，所述堿溶性有機化合物的厚度范圍為150nm-300nm。

采用上述進一步方案的有益效果是：采用堿溶性有機化合物，這種堿溶性有機化合物可以跟酸性物質反應，同時反應物可以溶于顯影液，可以兼容現有的顯影工藝。

進一步，所述第一光刻圖形、第二光刻圖形和第三圖形為包含至少一個長方體狀的凸起圖形。

進一步，所述第一光刻圖形中任一凸起圖形的寬度范圍為130nm～160nm，所述第一光刻圖形中任一凸起圖形的高度范圍為150nm～300nm；所述第二光刻圖形中任一凸起圖形的寬度范圍為90nm～150nm，第二光刻圖形中任一凸起圖形的高度范圍為150nm～300nm；所述第三圖形中任一凸起圖形的寬度范圍為90nm～150nm，第三圖形中任一凸起圖形的高度范圍為150nm～300nm。

采用上述進一步方案的有益效果是：通過形成上述尺寸的凸起圖形能滿足bmg像素隔離技術中對隔離線尺寸的工藝要求，并且能降低成本。

為了解決本發明的技術問題，還提供了一種半導體結構，包括半導體襯底和利用所述的提高背面金屬柵格分辨率的方法在半導體襯底上形成的所述第三圖形。

進一步，所述第三圖形為包含至少一個長方體狀的凸起圖形，所述凸起圖形的寬度范圍為90nm～150nm，所述凸起圖形的高度范圍為150nm～300nm。

采用上述進一步方案的有益效果是：本發明的進一步技術方案形成的凸起圖形的尺寸更小，能滿足像素尺寸的不斷縮小對像素的隔離線尺寸要求也更小的需求。

附圖說明

圖1為本發明實施例一種提高背面金屬柵格分辨率的方法的流程示意圖；

圖2為圖1實施例中半導體襯底上生長的金屬層的剖面示意圖；

圖3為圖1實施例中生長保護層的剖面示意圖；

圖4為圖1實施例中涂覆抗反射涂層的剖面示意圖；

圖5為圖1實施例中半導體襯底形成第一光刻圖形的剖面示意圖；

圖6為圖1實施例中涂覆堿溶性有機化合物的剖面示意圖；

圖7為圖1實施例中形成第二光刻圖形的剖面示意圖；

圖8為圖1實施例中形成第三圖形的剖面示意圖；

附圖中，各標號所代表的部件列表如下：

1、半導體襯底，2、金屬層，3、保護層，4、抗反射涂層，5、第一光刻圖形，6、堿溶性有機化合物，7、第二光刻圖形，8、第三圖形。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發明，并非用于限定本發明的范圍。

如圖1所示，本發明實施例一種提高背面金屬柵格分辨率的方法流程示意圖，包括以下步驟：

步驟1，在半導體襯底上依次沉積金屬層和保護層；

步驟2，在所述保護層的表面依次涂覆抗反射涂層和負光阻層，然后對所述負光阻層曝光和顯影后形成第一光刻圖形；

步驟3，之后涂覆一層堿溶性有機化合物以完全覆蓋所述第一光刻圖形以及抗反射涂層，通過對涂覆有堿溶性有機化合物的半導體襯底進行高溫烘烤和顯影得到第二光刻圖形；

步驟4，以所述第二光刻圖形為掩膜層對所述保護層和金屬層進行刻蝕，直至露出所述半導體襯底，然后去除所述掩膜層形成第三圖形。

本發明實施例通過在krf(248nm波長)光刻機臺上采用負光阻形成第一光刻圖形，之后在第一光刻圖形表面涂覆堿溶性有機化合物，堿溶性有機化合物與第一光刻圖形側壁中含有的光酸成分在高溫烘烤的條件下發生交聯反應，反應生成物溶于顯影液而被去除，達到縮小光刻圖形的目的，進而縮小以光刻圖形為掩膜刻蝕形成的第三圖形的尺寸即線寬臨界尺寸，提高了工藝窗口范圍，降低了生產成本。

優選的，本發明一個實施例的步驟1中，在半導體襯底1上采用電子束蒸發沉積金屬層2，如圖2所示，所述的金屬層2為金屬鋁層，之后在金屬鋁層上表面,以teos(正硅酸乙酯)和氧氣作為原料，采用pecvd(等離子體增強化學氣相沉積)沉積保護層3，所述保護層3為peteos(等離子體增強正硅酸乙脂)薄膜，如圖3所示。采用電子束蒸發金屬鋁層，制成的薄膜純度高、質量好，厚度可以較準確地控制。

優選的，在本發明另一個實施例的步驟1中，在半導體襯底上采用磁控濺射沉積金屬鋁層，之后在金屬鋁層上表面，以sih2cl2(即二氯二氫硅)和nh3(即氨氣)為原料，在lpcvd設備中生長氮化硅保護層3，所述保護層3位氮化硅薄膜層。，采用磁控濺射沉積金屬鋁層，金屬膜的致密性高，金屬膜的反射率高，采用氮化硅作為保護層，氮化硅密度高，不易被氫氟酸腐蝕，廣泛應用于集成電路芯片工藝。優選的，在本發明一個實施例的步驟1中，在半導體襯底上采用熱蒸發沉積金屬鋁層，之后在金屬鋁層上表面，以teos(正硅酸乙酯)和氧氣作為原料，采用pecvd(等離子體增強化學氣相沉積)沉積保護層peteos(等離子體增強正硅酸乙脂)薄膜。采用熱蒸發沉積金屬鋁層工藝簡單，成本低。

優選的，在本發明一個實施例的步驟2中，在涂覆負光阻之前還包括涂覆抗反射涂層4，抗反射涂層可以是barc，如圖4所示，所述抗反射涂層的厚度范圍為100埃～1000埃,例如500埃、670埃或者800埃等等，抗反射涂層能有效的提高光刻工藝中線寬解析度。

優選的，在本發明的一個實施例的步驟2中，采用旋涂的方法在抗反射涂層4上涂覆一層負光阻，然后通過在krf(248nm波長)光刻機臺上曝光，并在含有tmah(四甲基氫氧化銨)的顯影液里面顯影，之后通過沖水甩干的方式形成第一光刻圖形5，如圖5所示。所述負光阻為含有感光樹脂、光致產酸劑、交聯劑、堿性添加劑和光刻膠溶劑的膠體，所述感光樹脂采用聚乙烯醇月桂酸酯等作為光敏材料,在光的作用下,其分子中的雙鍵被打開，并使鏈與鏈之間發生交聯，形成一種不溶性的網狀結構。所述負光阻的厚度范圍為150nm-300nm，例如150nm、200nm或者300nm等等，合理厚度的光阻不僅能節省成本，而且能提高光刻圖形的分辨率。

優選的，在本發明的一個實施例的步驟3中，涂覆一層堿溶性有機化合物6以完全覆蓋所述第一光刻圖形以及抗反射涂層，，所述堿溶性有機化合物6為含有酚類樹脂、交聯劑、堿性添加劑和光刻膠溶劑的膠體，通過旋涂或者噴涂的方式將堿溶性有機化合物均勻的涂覆在第一光刻圖形的表面，如圖6所示。

優選的，在本發明的一個實施例的步驟3中，所述堿溶性有機化合物的厚度范圍為150nm-300nm，例如150nm、200nm或者300nm等等，合理厚度的堿溶性有機化合物能節省成本。

優選的，在本發明一個實施例中，在涂覆一層堿溶性有機化合物6以完全覆蓋所述第一光刻圖形以及抗反射涂層之后，通過對涂覆有堿溶性有機化合物的半導體襯底進行高溫烘烤、顯影和沖水甩干的方式得到第二光刻圖形7，如圖7所示。高溫烘烤的溫度為90℃～130℃,時間為60s～200s，比如烘烤的溫度為90℃，時間為60s；或者烘烤的溫度為100℃，時間為120s；或者烘烤的溫度為120℃，時間為180s等等，通過采用不同的烘烤溫度和烘烤時間得到不同的第二光刻圖形尺寸。所述顯影采用的顯影液為含有tmah(四甲基氫氧化銨)的顯影液，這樣可以和負光阻的顯影液兼容，可以使用同一個顯影機臺，節省成本。此時，負光阻中含有的光酸成分在高溫烘烤下與溶性有機化合物膠體發生交聯反應，反應的溫度和時間根據光刻圖形臨界尺寸縮小的具體數值決定，光刻圖形臨界尺寸縮小的大小與反應的溫度和時間在一定范圍內呈線性關系，最后在顯影過程中將發生交聯反應的反應物去除，達到縮小光刻圖形臨界尺寸的目的。

優選的，在本發明一個實施例中，以所述第二光刻圖形為掩膜層對氧化物保護層和金屬層進行刻蝕，直至露出所述半導體襯底，然后去除所述掩膜層形成第三圖形8。刻蝕采用干法刻蝕，干法刻蝕得到的圖形精度高，不會出現濕法腐蝕產生的側腐蝕，保證了凸起圖形的完整性。具體的，可以采用bcl3、氯氣的混合氣體或者三氟氫碳在感應耦合等離子體機中刻蝕所述的保護層表面和金屬鋁層直至露出所述半導體襯底，形成第三圖形8。

優選的，在本發明具體實施例中，所述第一光刻圖形、第二光刻圖形和第三圖形分別包括至少一個長方體狀的凸起圖形。所述第一光刻圖形包括至少一個長方體狀的凸起圖形；

優選的，在本發明一個實施例中，所述第一光刻圖形中任一凸起圖形的寬度范圍為130nm～160nm，所述第一光刻圖形中任一凸起圖形的高度范圍為150nm～300nm；所述第二光刻圖形中任一凸起圖形的寬度范圍為90nm～150nm，第二光刻圖形中任一凸起圖形的高度范圍為150nm～300nm；所述第三圖形中任一凸起圖形的寬度范圍為90nm～150nm，第三圖形中任一凸起圖形的高度范圍為150nm～300nm。通過形成上述尺寸的凸起圖形能滿足bmg像素隔離技術中對隔離線尺寸的工藝要求，并且能降低成本。

本發明的實施例還提供了一種半導體結構，包括半導體襯底1和利用所述的提高背面金屬柵格分辨率的方法在半導體襯底1上形成的第三圖形8，所述第三圖形為鋁層和保護層的多層結構，如圖8所示。本實施例中，所述第三圖形8為多層結構，自下而上依次為金屬鋁層和保護層，所述金屬鋁層沉積在半導體襯底1上，同時所述保護層為peteos薄膜層或者氮化硅層。在一個優選的實施例中，所述第三圖形為包含至少一個長方體狀的凸起圖形，所述凸起圖形的寬度范圍為90nm～150nm，比如90nm、100nm或者150nm等等，所述凸起圖形的高度范圍為150nm～300nm，比如150nm、200nm或者250nm等等。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。