一种光刻胶图案化方法及光刻胶剥离方法与流程

1.本发明涉及半导体集成电路制造领域，特别是涉及一种光刻胶图案化方法及光刻胶剥离方法。


背景技术：

2.在半导体集成电路制造过程中，光刻胶剥离工艺是非常常用且关键的工艺过程。例如在微机电系统(micro electro mechanical systems)工艺中，光刻胶剥离不仅能解决金属刻蚀的问题还能够解决衬底损伤问题。而光刻胶剥离方法的关键是光刻胶图案的形成。目前通常采用负显影技术、双图案层技术等。这些技术通常伴随着过程复杂、图案控制难度大、损伤衬底等缺点。
3.针对现有技术中的上述问题，有必要提供一种简单易行且易于控制图案结构的光刻胶剥离技术。


技术实现要素：

4.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种光刻胶图案化方法及光刻胶剥离方法，该方法通过硅基化以及氧等离子体处理工艺结合负显影技术在衬底上方形成t型或者类似的上宽狭窄的图案结构，过程简单、易于实现，并且图案的形状及尺寸易于控制。
5.为实现上述目的及其它相关目的，本发明提供了一种光刻胶图案化方法，该方法包括如下步骤：
6.提供一衬底，所述衬底表面涂覆有光刻胶层；
7.对所述光刻胶层进行曝光，形成曝光区和非曝光区；
8.在所述曝光区的顶部形成预阻挡层以形成第一图案结构；
9.对所述第一图案结构进行刻蚀，以形成第二图案结构，所述预阻挡层在刻蚀过程中形成阻挡层，形成的所述第二图案结构中的所述阻挡层的宽度大于所述阻挡层下方的所述光刻胶层的宽度。
10.可选地，在所述曝光区的顶部形成预阻挡层以形成第一图案结构，还包括采用负显影技术去除所述光刻胶层的所述非曝光区。
11.可选地，在所述曝光区的顶部形成预阻挡层以形成第一图案层，还包括以下步骤：
12.对曝光后的所述光刻胶层进行硅烷基化；
13.在所述曝光区的所述光刻胶层的顶部形成含硅聚合物层。
14.可选地，对曝光后的所述光刻胶层进行硅烷基化，还包括以下步骤：
15.将带有曝光后的光刻胶层的所述衬底置于反应腔室中；
16.向所述反应腔室通入硅基化试剂；
17.将反应温度设置为50℃～150℃；
18.将所述第一图案结构在所述反应腔室中保持30秒～900秒。
19.可选地，所述预阻挡层的厚度介于10nm～300nm。
20.可选地，对所述第一图案结构进行刻蚀，以形成第二图案结构还包括以下步骤：
21.对所述第一图案结构进行氧等离子体处理；
22.所述预阻挡层被氧化为氧化物层以形成阻挡层。
23.可选地，在80℃～200℃之间对所述第一图案结构进行氧等离子体处理。
24.可选地，所述第二图案结构中的所述阻挡层与所述阻挡层下方的所述光刻胶层形成t型结构。
25.可选地，所述第二图案结构中所述阻挡层下方的所述光刻胶层三角形结构。
26.本发明还提供了一种光刻胶剥离方法，包括以下步骤：
27.采用本发明提供的光刻胶图案化方法在衬底上形成第二图案结构；
28.在所述衬底及所述第二图案结构上方形成金属层；
29.去除所述第二图案结构，在所述衬底上形成图案化金属层。
30.可选地，在衬底及所述第二图案结构上方形成的所述金属层的厚度不大于所述第二图案结构中的光刻胶层的厚度。
31.可选地，所述衬底为sic衬底。
32.如上所述，本发明提供的光刻胶图案化方法及光刻胶剥离方法，至少具备如下有益技术效果：
33.本发明光刻胶图案化方法，在对光刻胶层进行曝光形成曝光区和非曝光区之后，对曝光区的顶部进行处理，形成预阻挡层，或者结合负显影技术去除非曝光区，形成第一图案结构，之后对第一图案结构进行等离子体处理，使得预阻挡层发生反应形成阻挡层，并且使得阻挡层下方的光刻胶层被刻蚀，形成上宽下窄的第二图案结构。该方法过程步骤简单，易于实现。阻挡层的形成有利于保持第二图案结构的顶部尺寸，以及光刻胶层的钻刻，利于形成上宽下窄的第二图案结构。上述方法只需一层光刻胶层，因此有利于减小光刻胶层的厚度，由此能够降低各个步骤以及整个工艺过程的成本。
34.本发明的光刻胶剥离方法通过上述光刻胶图案化方法在衬底上形成上宽下窄的图案结构，然后沉积金属层，最后去除光刻胶实现光刻胶剥离。该过程可以采用例如正显影技术去除曝光后的光刻胶。整个过程采用的试剂不会对图案金属层以及衬底造成损伤，提高了成品率。
附图说明
35.图1a～图1c显示为现有技术中不同工艺所形成的上宽下窄的图案结构的示意图。
36.图2a～图2f显示为图1c所述图案结构的一形成过程。
37.图3显示为本发明一实施例提供的光刻胶图案化方法的流程示意图。
38.图4显示为图3所示的提供的衬底的示意图。
39.图5显示为对图4所示的光刻胶层进行曝光的示意图。
40.图6显示为对图5所示的曝光后的光刻胶层进行硅基化处理形成第一图案结构的示意图。
41.图7显示为对图6所示的第一图案结构进行处理以形成第二图案结构的示意图。
42.图8显示为本发明另一实施例中在衬底上形成第一图案结构的示意图。
43.图9对图8所示的第一图案结构进行处理以形成第二图案结构的示意图。
44.图10显示为本发明另一实施例提供的光刻胶剥离方法的流程示意图。
45.图11显示为在具有第二图案结构的衬底上沉积金属层的示意图。
46.图12显示为进行光刻胶剥离之后形成的图案金属层的示意图。
47.元件标号说明
48.001
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衬底
49.002
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保护层
50.003
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图案化光刻胶层
51.0031
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阻挡层
52.004
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图案结构
53.005
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薄膜层
54.0051
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图案薄膜层
55.100
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衬底
56.101
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光刻胶层
57.1011
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光刻胶层的未曝光区
58.1012
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光刻胶层的曝光区
59.200
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光掩膜版
60.1013
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预阻挡层
61.1014
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顶部阻挡层
62.102
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第一图案结构
63.102＇
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第一图案结构
64.103
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第二图案结构
65.103＇
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第二图案结构
66.200
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衬底
67.201
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金属层
68.201＇
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图案金属层
具体实施方式
69.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
70.需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量、位置关系及比例可在实现本方技术方案的前提下随意改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
71.光刻胶剥离技术是sic/mems工艺中的关键步骤，现有的光刻胶剥离技术，通常采用负显影技术形成如图1a所示的图案结构，该技术的缺点是不易控制图形的形状；或者通过双层光刻胶技术形成图1b所示的图案结构，该技术过程步骤繁琐。另外，现有技术中还有
通过在衬底上形成氧化物保护层并采用离子轰击技术形成图1c所示的图案结构。如图2a～图2f所示，该方法首先要在衬底001的表面形成一层保护层，例如氧化物保护层002，然后在保护层上方形成图案化光刻胶层003，再对图案化光刻胶层进行离子轰击，在图案化光刻胶层的顶部形成一定厚度的阻挡层0031，然后进行等离子体刻蚀，刻蚀阻挡层下方的光刻胶，形成t型的图案结构004，然后，在刻蚀去除衬底表面未被图案结构004覆盖的保护层002，之后在衬底上形成薄膜层005，例如金属层等。最后进行光刻胶剥离及剩余保护层的去除，形成最终的图案薄膜层0051。
72.综上可以看出，现有技术中形成图1c所示结构的工艺过程相当复杂，涉及到多个刻蚀过程，难免会对衬底造成损伤。因此，针对现有技术中的上述缺陷，本发明提供了一种光刻胶图案化方法及光刻胶剥离方法，以简化图案形成过程，并且避免衬底损伤。现通过下面的具体实施例并结合附图详细描述本发明。
73.实施例一
74.本实施例提供一种光刻胶图案化方法，如图3所示，该方法包括如下步骤：
75.步骤s101：提供一衬底，所述衬底表面涂覆有光刻胶层；
76.如图4所示，在衬底100上涂覆光刻胶层101。该衬底100可以是硅晶圆、蓝宝石、sic衬底等任意需要在其上形成上宽下窄图案结构的衬底。衬底100还可以包括依本领域中实际设计需求配置的各种掺杂区域及有源区域(未图示)。可以通过旋涂、喷涂等常用手段在衬底100的表面上形成该光刻胶层101。
77.步骤s102：对所述光刻胶层进行曝光，形成曝光区和非曝光区；
78.如图5所示，在光刻胶层101上方放置光掩膜版200，光掩膜版200上具有图案化分布的透光区及遮光区，经该光掩膜版200对光刻胶层101进行曝光。如图5所示，光刻胶层101在透光区及遮光区所对应的位置处分别形成曝光区域1012及未曝光区域1011。如本领域技术人员所知，曝光之后，对形成上述曝光区域1012及未曝光区域1011的光刻胶层进行烘烤。烘烤过程保持一定温度，使得光刻胶的光致化学反应进行完全，同时通过光致反应产生的活性成分在此过程中产生扩散，从而更精确的控制光刻胶图形的形貌。
79.在本实施例的优选实施例中，光刻胶层101选择正型光刻胶，该正性光刻胶含有树脂及光致产酸剂，其中树脂结构具有酸不稳定或者酸可裂解的有机基团，经曝光并烘烤后，树脂中的酸不稳定基团或酸可裂解基团断裂，由疏水性聚合物转变为亲水性聚合物。光刻胶层中的光致产酸剂(pag，photo acid generator)以及树脂在曝光及烘烤过程的反应过程简单示意如下：
80.曝光：
81.烘烤：
82.由上可以看出，经烘烤后，形成了带有羟基的亲水聚合物。
83.步骤s103：在所述曝光区的顶部形成预阻挡层以形成第一图案结构。
84.如图6所示，在本实施例中通过对曝光后的光刻胶层进行硅基化处理，在曝光区的
顶部形成一定厚度的预阻挡层。在优选实施例中，采用六甲基二硅氮烷作为硅基化试剂，当然也可以用其它硅烷试剂，例如三甲基氯硅烷(trimethylchlorosilane，tmcs)、六甲基二硅胺烷(hexamethyldisilazane，hmdsz)、或其他适当的硅烷化试剂。在该优选实施例中，首先将带有曝光后的光刻胶层的衬底100置于反应腔室中，向反应腔室通入六甲基二硅氮烷气体，使第一图案结构102暴露在气相hmds氛围中。将反应温度设为50-150℃，保持反应时间介于30-900秒，使得曝光区1012自表面开始发生硅基化反应，在曝光区的顶部形成含硅聚合物层，即预阻挡层。该硅基化反应过程示意如下：
[0085][0086]
将第一图案结构110暴露在气相hmds氛围中，时第一图案结构110的表层发生硅烷基化反应，在表层形成含硅聚合物层1013，如图6所示。同时控制硅烷基化反应的反应时间及反应温度，来控制含硅聚合物层1013的厚度。上述硅基化反应自曝光区的顶部表面逐渐向下反应，形成具有一定厚度的预阻挡层1013，在30～900秒的反应时间内，形成的预阻挡层1013的厚度介于10nm～300nm，至此型号才能如图6所示的第一图案结构102。例如在本实施例的优选实施例中，控制反应时间为300秒，形成的预阻挡层1013的厚度大约为100nm。
[0087]
在上述硅烷基化处理过程中通过控制反应的温度以及时间来控制含硅聚合物的形成厚度，同时能够保证含硅聚合物层下方的光刻胶层不被高温破坏，从而保证第一图案结构的完整性，控制第一图案结构的线宽，保证后期蚀刻的线宽均匀性及精确度。
[0088]
步骤s104：对所述第一图案结构进行刻蚀，以形成第二图案结构，所述预阻挡层在刻蚀过程中形成阻挡层，形成的所述第二图案结构中的所述阻挡层的宽度大于所述阻挡层下方的所述光刻胶层的宽度。
[0089]
在本实施例中，形成的曝光区的线宽(cd)小于光刻胶层101的厚度，因此，在本实施例中，形成上述第一图案结构102之后，直接对第一图案结构102进行刻蚀，以获得最终的第二图案结构。如图7所示，在本实施例的优选实施例中，对第一图案结构102进行各向同性氧等离子体处理，例如控制等离子体的温度介于80℃～200℃。在该氧等离子体处理过程中，含硅聚合物层(即预阻挡层)与氧发生反应形成氧化硅层，即阻挡层1014，光刻胶层101的未曝光区1011在氧等离子体作用被反应去除。而阻挡层下方的曝光区的光刻胶层在氧等离子体作用下反应形成co2和h2o，实现对阻挡层下方的曝光后的光刻胶的钻刻。最终形成图7所示的包括阻挡层1014以及位于阻挡层下方呈类似三角形的曝光后的光刻胶层的第二图案结构103。在等离子体处理过程中，由于预阻挡层形成了阻挡层，并且曝光后的光刻胶层被钻刻，因此，形成的第二图案结构的上部尺寸大于下部尺寸，即，形成了上宽下窄的第二图案结构。
[0090]
在本实施例的另一优选实施例中，所要形成的第二图案结构的线宽(cd)小于光刻胶层101的厚度。此时直接对上述图6所示的第一图案结构进行处理，难以获得理想的图案结构。此时，在形成预阻挡层以形成第一图案结构时，需要对上述第一图案结构进行一进步的处理。
[0091]
如图8所示，在该优选实施例中，首先采用负显影技术，对曝光、烘烤后的光刻胶层
进行显影处理，去除未曝光区1011，形成仅保留曝光区的第一图案结构102＇。在更加优选的实施例中，可以采用酮类、醚类、酯类、醇类、烃类或酰胺类溶剂等负显影液。例如本优选实施例优选醇类溶剂，例如2-庚酮、4-庚酮、2-己酮、5-甲基-2-己酮、2-辛酮、2-壬酮、丙酮、环己酮、甲基环己酮、苯乙酮、乙酰基丙酮、甲基乙基酮、甲基异丁酮等中的一种或者多种的混合溶液。
[0092]
将包括烘烤后的光刻胶层101浸入上述醇类溶剂中，使未曝光区域1012充分溶解。该负性显影技术在室温下就能够完成，不需要复杂的工艺条件，并且能够形成高分辨率的精细图案。另外，该技术采用有机溶剂进行显影，有机溶剂对衬底表面的有机物有良好的溶解性，显影后使得衬底表面的洁净度高，有机残留物少，不会对后续工艺造成污染。
[0093]
然后，基于形成的图8所述的第一图案结构102＇，对该第一图案结构102＇进行刻蚀，以形成第二图案结构。在该优选实施例中，同样对第一图案结构102＇进行各向同性氧等离子体处理，例如控制等离子体的温度介于80℃～200℃。在该氧等离子体处理过程中，含硅聚合物层(即预阻挡层)与氧发生反应形成氧化硅层，即阻挡层1014，而阻挡层下方的曝光区的光刻胶层在氧等离子体作用下反应形成co2和h2o，实现对阻挡层下方的曝光后的光刻胶的钻刻。最终形成图9所示的包括阻挡层1014以及位于阻挡层下方的曝光后的光刻胶层的第二图案结构103＇，该第二图案结构103＇呈现类似t型的结构，即，同样形成第二图案结构的上部尺寸大于下部尺寸的上宽下窄的第二图案结构。
[0094]
综上可以看出，相比于现有技术，上述形成上宽下窄的第二图案结构的过程简单，各参数易于控制，容易控制形成的图案的形状及尺寸。
[0095]
实施例二
[0096]
本实施例提供一种光刻胶剥离方法，如图10所示，该方法包括以下步骤：
[0097]
步骤s201，首先依照实施例一所提供的光刻胶图案化方法在衬底上形成第二图案结构；
[0098]
本实施例中，衬底200同样可以是硅晶圆、蓝宝石、sic衬底等任意需要通过光刻胶剥离技术形成图案结构的衬底。衬底也可以包括依本领域中实际设计需求配置的各种掺杂区域及有源区域(未图示)。依照实施例一所述的方法在衬底上形成图7或者图9所示的第二图案结构103(103＇)。
[0099]
步骤s202：在所述衬底及所述第二图案结构上方形成金属层；
[0100]
在本实施例中，以图9所示的第二图案结构103＇为了进行说明。如图11所示，在形成图9所述的第二图案结构103＇之后，在衬底200表面及第二图案结构103＇的表面沉积金属层201。由于第二图案结构103＇呈类似t型的上宽下窄的结构，因此在第二图案结构103＇中上部的阻挡层1014的遮挡作用下，衬底表面的金属层201与第二图案结构103＇中下部的曝光区1012之间具有一间隔距离。
[0101]
本实施例的优选实施例中，可以采用物理溅射或蒸发的方法在衬底200及第二图案结构103＇的表面生长一层金属层201，该金属层通常是难以用通常的湿法或干法刻蚀进行腐蚀的金属，例如，指铜、金、钛、镍、银、铂、铬，但不限于这些金属。并且金属层201的厚度通常介于0.1μm～40μm，并且为了防止第二图案结构表面的金属层与衬底表面的金属层发生粘连，金属层的厚度要小于阻挡层下方的曝光区的光刻胶层的厚度。
[0102]
步骤s203：去除所述第二图案结构，在所述衬底上形成图案化金属层。
[0103]
形成金属层201之后，需要对第二图案结构进行剥离。在本实施例的优选实施例中，使用光刻胶剥离液去除曝光区的光刻胶层，与此同时，曝光区的光刻胶层上的阻挡层以及阻挡层上的金属层也同时被去除，而衬底200上的金属层得以保留，最终形成图12所示的图案金属层201＇。该图案金属层可以作为半导体器件的引(连)线或电极。在优选实施例中，对于曝光后的光刻胶层，采用碱性溶液作为光刻胶剥离液，例如，选择四甲基氢氧化铵tmah显影液。
[0104]
上述光刻胶剥离方法同样采用有机溶剂进行显影，有机溶剂对衬底表面的有机物有良好的溶解性，显影后使得衬底表面的洁净度高，有机残留物少，不会对沉积的金属层以及衬底造成损伤。
[0105]
如上所述，本发明提供的光刻胶图案化方法及光刻胶剥离方法，至少具备如下有益技术效果：
[0106]
本发明光刻胶图案化方法，在对光刻胶层进行曝光形成曝光区和非曝光区之后，对曝光区的顶部进行处理，形成预阻挡层，或者结合负显影技术去除非曝光区，形成第一图案结构，之后对第一图案结构进行等离子体处理，使得预阻挡层发生反应形成阻挡层，并且使得阻挡层下方的光刻胶层被刻蚀，形成上宽下窄的第二图案结构。该方法过程步骤简单，易于实现。阻挡层的形成有利于保持第二图案结构的顶部尺寸，以及光刻胶层的钻刻，利于形成上宽下窄的第二图案结构。上述方法只需一层光刻胶层，因此有利于减小光刻胶层的厚度，由此能够降低各个步骤以及整个工艺过程的成本。
[0107]
本发明的光刻胶剥离方法通过上述光刻胶图案化方法在衬底上形成上宽下窄的图案结构，然后沉积金属层，最后去除光刻胶实现光刻胶剥离。该过程可以采用例如正显影技术去除曝光后的光刻胶。整个过程采用的试剂不会对图案金属层以及衬底造成损伤，提高了成品率。
[0108]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。