光刻方法

專利名稱：光刻方法
技術領域：
本發明涉及使用光致抗蝕劑的光刻方法，特別涉及一種使用化學放大作用的光致抗蝕劑的光刻方法。
背景技術：
微電子產業的飛速發展要求半導體器件的特征尺寸越來越小，器件特征尺寸的減小一方面依賴于曝光工具，另一方面也與光致抗蝕劑的選擇密切相關。因此，與光刻技術相應的光致抗蝕劑的選擇與應用也成為光刻工藝中的一個重要研究內容。光刻技術的進步促進了光致抗蝕劑性能的不斷完善。利用化學放大作用的光致抗蝕劑具有高靈敏度、強的耐干法腐蝕性等優點，有利于半導體后續加工工藝的進行，因此在半導體工藝領域具有廣闊的應用前景。在光刻領域正逐漸受到人們的關注。可以相信，工藝性能得到更加完善穩定的化學放大光致抗蝕劑將在半導體工業中發揮重要作用。化學放大光致抗蝕劑一般包括三個部分基質樹脂、有機溶劑和用于產生化學放大作用的光致產酸劑(photoacid generator, PAG)。化學放大光致抗蝕劑經曝光或光照后，PAG吸收能量發生光分解，生成自由酸，發生酸催化反應，使曝光區域的基質樹脂發生保護基團的去除反應或樹脂與交聯劑之間的交聯反應，形成正性或負性潛像，在一定的溶劑中顯影形成曝光圖案。此外，也有一些化學放大光致抗蝕劑使用光致產堿劑(photobasegenerator,PBG)來替代光致產酸劑,通過光堿(photo-base)來產生堿催化反應，同樣可以與基質樹脂發生保護基團的去除反應或樹脂與交聯劑之間的交聯反應，形成正性或負性潛像。但是，有兩種因素會降低潛像的對比度。一種因素是光酸(photo-acid)的擴散。通過第一波段的光照射產生的光酸會通過自由運動從質量濃度高的地方逐漸擴散到質量濃度低的地方。這樣，光酸的質量濃度分布將偏離光學圖像，從而使光酸的潛像的對比度降低。第二種因素是光學衍射。理論上，通過掩模形成的光學圖像應該是簡單的二值圖像，即光學圖像中，對應于被掩模遮擋部分的圖像的光強為零，而對應于掩模的透光部分的圖像的光強為常數。然而，實際上，隨著半導體工藝關鍵尺寸的不斷減小，光的衍射效應越來越明顯，使得光學圖像中原本光強應當為零的部分也具有一定的光強。由此，導致光酸的潛像的對比度進一步降低。現有技術中，通常采用限制光酸擴散長度的方式來提高潛像的對比度。但是，這種做法的缺陷在于使得去除反應或交聯反應的效率降低。此外，現有技術中的方法也不能克服由于衍射效應而導致的潛像對比度降低。

發明內容
本發明的發明人發現上述現有技術中存在問題，并因此針對所述問題中的至少一個問題提出了一種新的技術方案。
本發明的ー個目的是提供ー種使用光致抗蝕劑進行光刻的方法。根據本發明的第一方面，提供了ー種使用光致抗蝕劑進行光刻的方法，所述光致抗蝕劑包括基質樹脂；用于產生化學放大作用的第一組分，該第一組分能夠在第一波段的光的照射下產生第一化學物質，所述第一化學物質能夠與所述基質樹脂發生反應以形成潛像；以及第ニ組分，該第二組分能夠在第二波段的光的照射下產生第二化學物質，所述第ニ化學物質能夠與所述第一化學物質發生反應，從而降低第一化學物質的質量濃度，所述光刻方法包括以下步驟提供表面覆蓋有所述光致抗蝕劑的襯底；使用第一波段的光對所述光致抗蝕劑表面的選定區域進行選擇性照射，從而在光致抗蝕劑中產生第一化學物質，其中該第一化學物質在所述光致抗蝕劑中具有一定質量濃度分布；使用第二波段的光對所述光致抗蝕劑表面的所有區域進行均勻照射，從而在光致抗蝕劑中產生第二化學物質，其中所述第二化學物質的質量濃度在光致抗蝕劑中是均勻分布的，并且所述第二化學物質的質量濃度大于所述第一化學物質的質量濃度的最小值；對所述光致抗蝕劑進行顯影處理，從而形成所需要的光致抗蝕劑圖案。優選地，第一波段的光的照射劑量為0.1-100毫焦耳/平方厘米。優選地，第二波段的光的照射劑量為0.1-100毫焦耳/平方厘米。優選地，基本上同時進行第一波段的光的照射步驟和第二波段的光的照射步驟。優選地，所述第一組分是光致產酸劑，并且所述第一化學物質是光酸；以及所述第ニ組分是光致產堿劑，并且所述第二化學物質是光堿。進ー步地，所述光致產酸劑為(4-叔丁基苯基)ニ苯基锍三氟甲基磺酸酯或三苯基硫三氟甲烷磺酸鹽等。進ー步地，所述光致產堿劑為季銨鹽等。進ー步地，所述光致產酸劑的質量濃度為1%至30%。進ー步地，所述光致產堿劑的質量濃度為0.1 %至20%。進ー步地，所述基質樹脂為聚羥基苯こ烯或聚丙烯酸酯等。進ー步地，所述光堿的擴散長度為5_80nm。本發明的ー個優點在干，利用光堿來中和部分光酸，從而提高了潛像的對比度。通過以下參照附圖對本發明的示例性實施例的詳細描述，本發明的其它特征及其優點將會變得清楚。


構成說明書的一部分的附圖描述了本發明的實施例，并且連同說明書一起用于解釋本發明的原理。參照附圖，根據下面的詳細描述，可以更加清楚地理解本發明，其中圖1是示出使用本發明的一個實施例的光致抗蝕劑進行光刻的方法的流程圖。圖2是示出根據本發明的實施例的使用第一波段的光對光致抗蝕劑進行曝光的示意圖。圖3示出根據本發明的實施例的在光致抗蝕劑中產生的光酸的質量濃度的分布曲線。圖4是示出根據本發明的實施例的在光致抗蝕劑中產生的光酸的質量濃度分布的示意圖。圖5是示出根據本發明的實施例的使用第二波段的光對光致抗蝕劑進行照射的示意圖。圖6是示出根據本發明的實施例的在光致抗蝕劑中產生的光堿的質量濃度分布的示意圖。圖7A和圖7B示出根據本發明的實施例的經過光酸和光堿的中和反應之后，光致抗蝕劑中的光酸和光堿的質量濃度分布曲線。圖8是示出根據本發明的實施例的經過光酸和光堿的中和反應之后，光致抗蝕劑中的光酸的質量濃度分布的示意圖。圖9是示出根據本發明的實施例的對光致抗蝕劑進行顯影處理的示意圖。圖10是示出根據本發明的實施例的光刻方法得到的光致抗蝕劑圖案的示意圖。
具體實施例方式現在將參照附圖來詳細描述本發明的各種示例性實施例。應注意到除非另外具體說明，否則在這些實施例中闡述的部件和步驟的相對布置、數字表達式和數值不限制本發明的范圍。同時，應當明白，為了便于描述，附圖中所示出的各個部分的尺寸并不是按照實際的比例關系繪制的。以下對至少一個示例性實施例的描述實際上僅僅是說明性的，決不作為對本發明及其應用或使用的任何限制。對于相關領域普通技術人員已知的技術、方法和設備可能不作詳細討論，但在適當情況下，所述技術、方法和設備應當被視為授權說明書的一部分。在這里示出和討論的所有示例中，任何具體值應被解釋為僅僅是示例性的，而不是作為限制。因此，示例性實施例的其它示例可以具有不同的值。應注意到相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進行進一步討論。本發明提供的光致抗蝕劑包括基質樹脂；用于產生化學放大作用的第一組分，該第一組分能夠在第一波段的光的照射下產生第一化學物質，所述第一化學物質能夠與所述基質樹脂發生反應以形成潛像；以及第二組分，該第二組分能夠在第二波段的光的照射下產生第二化學物質，所述第二化學物質能夠與所述第一化學物質發生反應，從而降低第一化學物質在光致抗蝕劑中的質量濃度。本發明提供的一種使用上述光致抗蝕劑進行光刻的方法，包括以下步驟提供表面覆蓋有所述光致抗蝕劑的襯底；使用第一波段的光對所述光致抗蝕劑表面的選定區域進行選擇性照射，從而在光致抗蝕劑中產生第一化學物質，其中該第一化學物質在所述光致抗蝕劑中具有一定質量濃度分布；使用第二波段的光對所述光致抗蝕劑表面的所有區域進行均勻照射，從而在光致抗蝕劑中產生第二化學物質，其中所述第二化學物質的質量濃度在光致抗蝕劑中是均勻分布的，并且所述第二化學物質的質量濃度大于所述第一化學物質的質量濃度的最小值；
對所述光致抗蝕劑進行顯影處理，從而形成所需要的光致抗蝕劑圖案。在本發明的一個實施例中，提供了 ー種光致抗蝕劑，該光致抗蝕劑包括光致產酸劑(photoacid generator, PAG)、光致產喊劑(photobase generator, PBG)、基質樹脂和有機溶劑。對于基質樹脂，可以選用例如聚輕基苯こ烯(Polyhydroxystyrene),聚丙烯酸酯(Polyacrylates)等。對于有機溶劑，可以采用本領域常用的各種溶劑，本文就不再贅述。在該示例性光致抗蝕劑中，光致產酸劑對第一波段的光敏感，當采用第一波段的光照射光致抗蝕劑時，將使得光致產酸劑吸收能量發生光分解，產生光酸(photo-acid)。光致抗蝕劑中的樹脂在光酸的作用下，將發生例如去除反應，從而使得曝光區域的樹脂發生保護基團的去除。光致產酸劑可以采用例如(4-叔丁基苯基)ニ苯基锍三氟甲基磺酸酯、三苯基硫三氟甲烷磺酸鹽，等等。這些光致產酸劑在光致抗蝕劑中的質量濃度一般可以在1%至30%之間進行選擇。上述光致抗蝕劑中的光致產堿劑對于第二波段的光敏感。當光致產堿劑受到第二波段的光照射時，光致產堿劑吸收能量發生光分解，產生光堿(photo-base)。并且，第二波段與第一波段基本上不同。這種光致產堿劑可以為例如各種季銨鹽(Quaternaryammoniumsalts)。根據光致產酸劑的質量濃度的不同,光致產堿劑的質量濃度可以在0. 1%至20%之間進行選擇。下面結合圖1-圖10進ー步描述如何使用上述實施例中的光致抗蝕劑進行光刻。如圖1所示，利用上述實施例中的光致抗蝕劑進行光刻的方法包括以下幾個步驟
(I)提供表面覆蓋有所述光致抗蝕劑的襯底(步驟101)。例如，根據實際需要，在襯底204表面上均勻地涂覆一層光致抗蝕劑203。(2)使用第一波段的光對所述光致抗蝕劑表面的選定區域進行選擇性照射(步驟102)，從而使光致抗蝕劑中的光致產酸劑分解產生光酸，并且光酸在光致抗蝕劑的各個區域中具有一定質量濃度分布。如圖2所示，從光源發出的第一波段的光通過掩模201之后，形成光學圖案，通過曝光光學器件202把該光學圖案成像到光致抗蝕劑203表面。光致抗蝕劑中的光致產酸劑因為吸收第一波段的光而發生分解，從而在光致抗蝕劑中產生光酸。本領域人員應當理解，所產生的光酸的質量濃度與第一波段的光的照射劑量以及光致產酸劑的質量濃度等參數相關。在本實施例中，第一波段的光的照射劑量為例如0. 1-100毫焦耳/平方厘米。通過這種方式，光學圖像被轉換為光酸的潛像。理想情況下，希望光酸的潛像的對比度越高越好，這樣，將來通過顯影形成的光致抗蝕劑圖案的邊緣粗糙度會比較小。但是，由于光酸的擴散以及掩模201的光學衍射，會降低潛像的對比度。圖3示出了在光致抗蝕劑中產生的光酸的質量濃度分布曲線。如圖3所示，光酸的質量濃度在任何位置都大于零，也就是說，即使在沒有接受第一波段的光照射的區域中也具有光酸。這里，本領域技術人員應當理解，對于任何位置的所述光酸的質量濃度，是指在該位置處的光致抗蝕劑的微元中產生的光酸質量與該光致抗蝕劑微元的質量的比值。圖4進ー步圖示了光酸在光致抗蝕劑中的分布情況。如圖4所示，黑色區域206表示被掩模201所遮擋的位置，該黑色區域206中光酸質量濃度較低，而白色區域205表示受到第一波段的光直接照射的位置，在該白色區域205中光酸質量濃度較高。與圖3的光酸的質量濃度分布曲線相對應地，隨著光酸質量濃度從最大值逐漸減小到最小值，光致抗蝕劑203中的白色區域205逐漸過渡到黑色區域206。由于上面描述的光酸的擴散和掩模衍射的影響，黑色區域206和白色區域205之間的過渡區域比較模糊，即光酸的潛像的對比度比較低。本領域技術人員應當理解，這里所說的光酸質量濃度的最小值是指光酸的質量濃度在光致抗蝕劑的所有區域中的最小值，這種最小值通常出現在例如黑色區域206中。(3)使用第二波段的光對所述光致抗蝕劑表面的所有區域進行均勻照射(步驟
5103)。如圖5所示，第二波段的光均勻的照射到光致抗蝕劑表面。由于光致抗蝕劑203中的光致產堿劑對第二波段的光敏感，所以將在光致抗蝕劑203中產生質量濃度均勻分布的光堿，如圖6所示。通過控制例如第二波段的光的照射劑量以及光致產堿劑的質量濃度等參數，可以控制光堿的質量濃度，使得光堿的質量濃度大于光酸質量濃度的最小值。在本實施例中，第二波段的光的照射劑量為例如0. 1-100毫焦耳/平方厘米。此外，當光堿質量濃度大于光酸質量濃度的最小值時，光致抗蝕劑中的光堿不但將中和黑色區域206中的所有光酸，而且在黑色區域206中還將殘留有光堿。如圖7A和圖7B所示，黑色區域中殘留的光堿將向其它區域發生擴散。通過把光堿的擴散長度控制在例如5-80nm范圍內，能夠使得光致抗蝕劑中光酸質量濃度的梯度變得變大，即光酸的潛像的對比度變得更大。本領域技術人員應當理解，光堿的擴散與分子量相關，分子量越大，越不容易擴散。本領域中，通常用擴散長度來描述物質分子的這種擴散特性，即擴散長度越小，物質越不容易發生擴散。本領域技術人員能夠通過設計適當的光致產堿劑來控制所產生的光堿的擴散長度。圖8進一步示出了中和反應后的光酸潛像。黑色區域206變得更黑，這表明黑色區域206中的光酸已經全部被中和反應去除，并且黑色區域206中殘留光堿的擴散提高了光酸質量濃度的梯度。因此，光酸的潛像的對比度得以提高。此外，使用第一波段的光進行照射的步驟和使用第二波段的光進行照射的步驟可以間隔適當的時間。在本發明的提示下，本領域技術人員能夠合理地選擇該時間間隔。在本實施例中，一種更優選的方案是這兩個步驟同時進行，即使用第一波段和第二波段的光同時照射光致抗蝕劑，這種處理方式的優點是保證光刻處理能夠高速進行，提高光刻效率。(4)對所述光致抗蝕劑進行顯影處理，從而形成所需要的光致抗蝕劑圖案(步驟
5104)。如圖9所示，使用顯影劑207對光致抗蝕劑203進行顯影處理。對于本實施例中的正性光致抗蝕劑203，白色區域(產生光酸的區域)被去除，而黑色區域(沒有光酸的區域)被保留下來，從而形成圖10所示的光致抗蝕劑圖案208。上述實施例中，由于光致產酸劑和光致產堿劑的敏感波段不同，所以能夠在曝光過程中分別用不同波段的光照射光致抗蝕劑，這樣，能夠單獨地控制和調節光致抗蝕劑中的光酸及光堿的質量濃度。然后利用光堿與光酸的中和反應以及黑色區域中殘留光堿的擴散，使得光酸的潛像的對比度得到了提高，從而最終形成的光致抗蝕劑圖案的邊緣粗糙度得到了改善。本發明的這種方法不僅能夠克服由于光酸擴散對光酸潛像對比度的不利影響，而且能夠進一步克服由于掩模的衍射導致的光酸潛像的對比度的下降。當然，上面示例的光致抗蝕劑為正性光致抗蝕劑。本領域人員應當理解，可以采用同樣的方式來獲得負性光致抗蝕劑。至此，已經詳細描述了根據本發明的光致抗蝕劑和使用該光致抗蝕劑進行光刻的方法。為了避免遮蔽本發明的構思，沒有描述本領域所公知的ー些細節。本領域技術人員根據上面的描述，完全可以明白如何實施這里公開的技術方案。雖然已經通過示例對本發明的ー些特定實施例進行了詳細說明，但是本領域的技術人員應該理解，以上示例僅是為了進行說明，而不是為了限制本發明的范圍。本領域的技術人員應該理解，可在不脫離本發明的范圍和精神的情況下，對以上實施例進行修改。本發明的范圍由所附權利要求來限定。
權利要求
1.一種使用光致抗蝕劑進行光刻的方法，所述光致抗蝕劑包括基質樹脂；用于產生化學放大作用的第一組分，該第一組分能夠在第一波段的光的照射下產生第一化學物質，所述第一化學物質能夠與所述基質樹脂發生反應以形成潛像；以及第二組分，該第二組分能夠在第二波段的光的照射下產生第二化學物質，所述第二化學物質能夠與所述第一化學物質發生反應，從而降低第一化學物質的質量濃度，所述光刻方法包括以下步驟 提供表面覆蓋有所述光致抗蝕劑的襯底； 使用第一波段的光對所述光致抗蝕劑表面的選定區域進行選擇性照射，從而在光致抗蝕劑中產生第一化學物質，其中該第一化學物質在所述光致抗蝕劑中具有一定質量濃度分布； 使用第二波段的光對所述光致抗蝕劑表面的所有區域進行均勻照射，從而在光致抗蝕劑中產生第二化學物質，其中所述第二化學物質的質量濃度在光致抗蝕劑中是均勻分布的，并且所述第二化學物質的質量濃度大于所述第一化學物質的質量濃度的最小值； 對所述光致抗蝕劑進行顯影處理，從而形成所需要的光致抗蝕劑圖案。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，第一波段的光的照射劑量為0.1-100毫焦耳/平方厘米。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，第二波段的光的照射劑量為0.1-100毫焦耳/平方厘米。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，基本上同時進行第一波段的光的照射步驟和第二波段的光的照射步驟。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一組分是光致產酸劑，并且所述第一化學物質是光酸；以及所述第二組分是光致產堿劑，并且所述第二化學物質是光堿。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述光致產酸劑為(4-叔丁基苯基)二苯基锍三氟甲基磺酸酯或三苯基硫三氟甲烷磺酸鹽。
7.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述光致產堿劑為季銨鹽。
8.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述光致產酸劑的質量濃度為I%至30%。
9.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述光致產堿劑的質量濃度為0.1 %至20%。
10.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述基質樹脂為聚羥基苯乙烯或聚丙烯酸酯。
11.根據權利要求5所述的方法,其特征在于,所述光堿的擴散長度為5-80nm。
全文摘要
本發明公開了一種使用光致抗蝕劑進行光刻的方法。光致抗蝕劑中含有第一組分和第二組分，并且第一組分和第二組分的敏感波段基本不同。通過使用波長為兩個敏感波段之一的光對光致抗蝕劑進行曝光，使得第一組分產生第一化學物質，然后使用另一個敏感波段的光對光致抗蝕劑進行均勻照射，使得第二組分產生第二化學物質，并且第二化學物質的質量濃度高于所述第一化學物質的最小質量濃度，從而能夠改善在光致抗蝕劑中所形成的第一化學物質的潛像的對比度，由此得到的光刻圖案具有更好的邊緣粗糙度。
文檔編號G03F7/00GK103034048SQ201110300889
公開日2013年4月10日 申請日期2011年9月29日 優先權日2011年9月29日
發明者伍強, 徐垚 申請人:中芯國際集成電路制造(北京)有限公司