一种碳化硅二极管氧化层的光刻方法和装置与流程

1.本发明涉及半导体制作技术领域，具体涉及一种碳化硅二极管氧化层的光刻方法和装置。


背景技术：

2.光刻工艺在半导体流片过程中是一项最重要的设计图形转移和精度控制工艺环节，作为芯片图形结构转移到衬底的重要结构层和保护层，光刻胶在衬底表面涂覆时的粘着性、厚度、均匀性及曝光时的时间和焦距等直接影响着后续衬底刻蚀工艺及套刻的质量。光刻胶通常用于金属前道的曝光过程，其粘性和稳定性非常适合于具有线条和圆孔形状的光刻工艺。经过光刻机紫外线光照后，其化学性质发生变化，形成易被腐蚀的有机物，经过显影液浸泡溶解去除后，得到所需图形。对于功率芯片致密氧化硅衬底，涂胶的厚度、均匀性、胶膜的硬度、曝光时间和焦距等直接影响着氧化硅衬底图形的刻蚀质量，进而直接决定着功率芯片的优劣，因此选取的胶型、光刻条件不同，其得到的图形质量差异也极其显著。总之，氧化层(如场氧或者栅氧)光刻工艺是直接影响芯片性能和成品率的重要因素。
3.由于碳化硅晶圆的透明度较高，造成光刻时的光的反射率及折射率有很大影响，若采用现有技术中光刻工艺对碳化硅二极管氧化层进行光刻，则会导致光刻后的图形线条不均匀，线条边缘层次不齐，工艺质量差。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术中工艺质量差的不足，本发明提供一种碳化硅二极管氧化层的光刻方法，包括：
5.对晶圆的氧化层进行增粘处理；
6.在增粘处理后的氧化层表面涂覆光刻胶；
7.采用光刻工艺对涂覆有所述光刻胶的晶圆进行光刻。
8.所述对氧化层表面进行增粘处理，包括：
9.在所述金属层表面粘附增粘剂。
10.所述在所述金属层表面粘附增粘剂，包括：
11.按照预设的第一环境温度将增粘液加热，使所述增粘液变为增粘剂并粘附至所述氧化层的表面；
12.采用冷却板将粘附有增粘剂的晶圆冷却至常温。
13.所述氧化层的厚度为1.6um
‑
2.5um；
14.所述预设的第一环境温度为100
±
0.5℃；
15.所述增粘剂的厚度为10nm
‑
20nm。
16.所述在增粘处理后的氧化层表面涂覆光刻胶，包括：
17.采用涂胶工艺在增粘处理后的氧化层表面涂覆光刻胶；
18.所述光刻胶为粘稠状，厚度均匀，且厚度为1.6um
‑
1.8um。
19.所述采用涂胶工艺在增粘处理后的氧化层表面涂覆粘稠状的光刻胶，包括：
20.按照预设的第一转速，在所述氧化层的中间区域旋转喷洒所述光刻胶；
21.当所述光刻胶不再流动后，按照预设的第二转速在所述氧化层的表面旋转涂覆所述光刻胶；
22.按照预设的第二环境温度和预设的烘烤时间，对涂覆有所述光刻胶的晶圆进行烘烤，使粘稠状的光刻胶变为固态。
23.所述第一转速小于所述第二转速；
24.所述预设的第二环境温度为115℃
‑
125℃；
25.所述预设的烘烤时间为120s
‑
150s。
26.所述采用光刻工艺对涂覆有所述光刻胶的晶圆进行光刻，包括：
27.采用曝光工艺对涂覆有所述光刻胶的晶圆进行曝光；
28.使用显影工艺对晶圆表面进行显影，使曝光区域的光刻胶溶解；
29.采用清洗液对晶圆表面进行清洗，并甩干所述晶圆，得到光刻胶掩膜图案。
30.所述采用曝光工艺对涂覆有所述光刻胶的晶圆进行曝光，包括：
31.控制步进式光刻机发射紫外线，通过紫外线对涂覆有所述光刻胶的晶圆进行曝光。
32.所述步进式光刻机的焦距为0um～0.1um；
33.所述步进式光刻机的曝光剂量为315ms
±
5ms；
34.所述紫外线的波长为365nm；
35.所述紫外线的光强为680mw/cm2～750mw/cm2；
36.所述紫外线的均匀性小于2％。
37.另一方面，本发明提供一种碳化硅二极管氧化层的光刻装置，包括：
38.增粘模块，用于对晶圆的氧化层进行增粘处理；
39.涂覆模块，用于在增粘处理后的氧化层表面涂覆光刻胶；
40.光刻模块，用于采用光刻工艺对涂覆有所述光刻胶的晶圆进行光刻。
41.所述增粘模块用于：在金属层表面粘附增粘剂。
42.所述增粘模块具体用于：
43.按照预设的第一环境温度将增粘液加热，使所述增粘液变为增粘剂并粘附至所述氧化层的表面；
44.采用冷却板将粘附有增粘剂的晶圆冷却至常温。
45.其中，氧化层的厚度为1.6um
‑
2.5um；
46.所述预设的第一环境温度为100
±
0.5℃；
47.所述增粘剂的厚度为10nm
‑
20nm。
48.所述涂覆模块用于：
49.采用涂胶工艺在增粘处理后的氧化层表面涂覆光刻胶；
50.其中，光刻胶为粘稠状，厚度均匀，且厚度为1.6um
‑
1.8um。
51.涂覆模块具体用于：
52.按照预设的第一转速，在所述氧化层的中间区域旋转喷洒光刻胶；
53.当所述光刻胶不再流动后，按照预设的第二转速在氧化层的表面旋转涂覆所述光
刻胶；
54.按照预设的第二环境温度和预设的烘烤时间，对涂覆有所述光刻胶的晶圆进行烘烤，使粘稠状的光刻胶变为固态。
55.第一转速小于所述第二转速；预设的第二环境温度为115℃
‑
125℃；预设的烘烤时间为120s
‑
150s。
56.所述光刻模块具体用于：
57.采用曝光工艺对涂覆有所述光刻胶的晶圆进行曝光；
58.使用显影工艺对晶圆表面进行显影，使曝光区域的光刻胶溶解；
59.采用清洗液对晶圆表面进行清洗，并甩干所述晶圆，得到光刻胶掩膜图案。
60.所述采用曝光工艺对涂覆有所述光刻胶的晶圆进行曝光，包括：
61.控制步进式光刻机发射紫外线，通过紫外线对涂覆有所述光刻胶的晶圆进行曝光。
62.所述步进式光刻机的焦距为0um～0.1um；所述步进式光刻机的曝光剂量为315ms
±
5ms；
63.所述紫外线的波长为365nm；所述紫外线的光强为680mw/cm2～750mw/cm2；所述紫外线的均匀性小于2％。
64.本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
65.本技术提供的碳化硅二极管氧化层的光刻方法中，对晶圆的氧化层进行增粘处理；在增粘处理后的氧化层表面涂覆光刻胶；采用光刻工艺对涂覆有所述光刻胶的晶圆进行光刻，能够保证光刻后的图形线条均匀，线条边缘整齐，进而提高工艺质量；
66.本技术中氧化层表面增粘剂的厚度范围为10nm
‑
20nm，不仅厚度均匀，且避免被表面张力拉裂而起不到增粘作用，导致光刻胶与氧化层裂开；
67.本发明提供的技术方案保证了光刻胶厚度足以对厚度范围内氧化层进行充分保护，通过合理设置工艺参数，实现了套刻精度小于0.05μm，且将线宽损失量的精度控制在0.05微米内，有效实现了光刻工艺精度的控制，且提高了光刻精度；
68.本技术中光刻胶为粘稠状，厚度均匀，且厚度为1.6um
‑
1.8um，既保证了刻蚀氧化硅所需的光刻胶掩膜厚度，同时也有利于曝光过程中焦距和时间的选择，另外不至于在显影时由于高速旋转导致光刻胶线条形貌坍塌或漂胶；
69.本技术按照预设的第一转速，在氧化层的中间区域旋转喷洒光刻胶(即第一次涂胶)；当光刻胶不再流动后，按照预设的第二转速在氧化层的表面旋转涂覆所述光刻胶(即第二次涂胶)；按照预设的第二环境温度和预设的烘烤时间，对涂覆有所述光刻胶的晶圆进行烘烤，使粘稠状的光刻胶变为固态，通过两次涂胶保证了光刻胶的厚度均匀，也尽可能避免出现光刻胶掉胶或者塌胶的现象；
70.本发明提供的技术方案有效的改善了后期适用于刻蚀工艺的光刻胶掩膜形貌和图形尺寸的偏差，得到了稳定的与工艺要求相匹配的最优条件，大大提高了光刻工艺的图形转移质量，同时也在一定程度上简化了工艺复杂度。
附图说明
71.图1是本发明实施例中碳化硅二极管氧化层的光刻方法流程图；
72.图2是本发明实施例中光刻胶做掩膜的干法刻蚀示意图；
73.图3是本发明实施例中扫描电子显微镜观测套刻图；
74.图4是本发明实施例中放大倍数为10k的x方向套刻精度测试示意图；
75.图5是本发明实施例中放大倍数为10k的y方向套刻精度测试示意图；
76.图6是本发明实施例中光刻版设计线宽为1μm时线宽检测电子扫描显微镜光刻胶线宽测试示意图；
77.图7是本发明实施例中光刻版设计线宽为0.9μm时线宽检测电子扫描显微镜光刻胶线宽测试示意图；
78.图8是本发明实施例中光刻版设计线宽为0.8μm时线宽检测电子扫描显微镜光刻胶线宽测试示意图；
79.图9是本技术实施例中光刻胶表面示意图；
80.图10是本技术实施例中光刻侧壁形貌示意图；
81.图11是本技术实施例中观测氧化硅干法刻蚀后的表面形貌示意图；
82.图12是本技术实施例中观测氧化硅干法刻蚀后的侧壁形貌示意图；
83.图13是本技术实施例中碳化硅二极管氧化层的光刻装置结构图。
具体实施方式
84.下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
85.实施例1
86.本发明实施例1提供了一种碳化硅二极管氧化层的光刻方法，具体流程图如图1所示，具体过程如下：
87.s101：对晶圆的氧化层进行增粘处理；
88.s102：在增粘处理后的氧化层表面涂覆光刻胶；
89.s103：采用光刻工艺对涂覆有所述光刻胶的晶圆进行光刻。
90.上述s101中，对氧化层表面进行增粘处理，包括：在所述金属层表面粘附增粘剂。
91.进一步地，可以按照预设的第一环境温度将增粘液(可以是hmds增粘液)加热，使增粘液变为增粘剂(也就是在加热的条件下，使增粘液从液态挥发为雾状)并粘附至氧化层的表面；采用冷却板将粘附有增粘剂的晶圆冷却至常温(如23℃)。也就是，采用hmds烘箱对晶圆表面进行增粘处理，在高温100℃全程n2环境箱中，通过将hmds药液加热成气态，均匀的粘落在干净的晶圆表面，冷却变为一层均匀厚度的10
‑
20nm粘稠状液态。
92.本技术实施例中，由于晶圆采用碳化硅材质，所以氧化层就是二氧化硅层，氧化层的厚度为1.6um
‑
2.5um；预设的第一环境温度为100
±
0.5℃。
93.需要说明的是，增粘剂的厚度不可太厚，也不可以太薄，因为增粘剂太厚就会导致厚度不均匀，太薄就会被表面张力拉裂。本技术实施例中，增粘剂的厚度为10nm
‑
20nm。
94.还需要说明的是，本技术除了用加热使增粘液挥发的措施实现氧化层表面的增粘处理，还可以在保证增粘剂的厚度均匀和厚度范围的前提下，通过合理控制增粘液的喷洒剂量等措施实现氧化层表面的增粘处理。这样，不仅能够极大的降低成本，而且大大缩短了增粘处理的时间。当然，除了上述措施，还可以采用其他措施对氧化层表面进行增粘处理，本技术实施例对此不作限定。
95.在增粘处理后的氧化层表面涂覆光刻胶，包括：
96.采用涂胶工艺在增粘处理后的氧化层表面涂覆光刻胶；其中，光刻胶为粘稠状，厚度均匀，且厚度为1.6um
‑
1.8um。
97.本技术实施例采用涂胶工艺在增粘处理后的氧化层表面涂覆的是az mir
‑
703光刻胶。
98.进一步地，采用涂胶工艺在增粘处理后的氧化层表面涂覆粘稠状的光刻胶，包括：
99.按照预设的第一转速(可以称为低速)，在氧化层的中间区域(可以晶圆半径5cm
‑
6cm的中间区域)旋转喷洒光刻胶；
100.当光刻胶不再流动(即光刻胶因表面张力拉住不动)后，按照预设的第二转速(可以称为高速)在氧化层的表面旋转涂覆光刻胶。
101.按照预设的第二环境温度和预设的烘烤时间，对涂覆有光刻胶的晶圆进行烘烤，使粘稠状的光刻胶变为固态。
102.第一转速小于所述第二转速，本技术实施例中，第一转速远小于第二转速。
103.可选地，预设的第二环境温度为115℃
‑
125℃；预设的烘烤时间为120s
‑
150s。本技术实施例中，预设的第二环境温度为120摄氏度，预设的烘烤时间为120s。
104.采用光刻工艺对涂覆有所述光刻胶的晶圆进行光刻，包括：
105.采用曝光工艺对涂覆有所述光刻胶的晶圆进行曝光；
106.使用显影工艺对晶圆表面进行显影，使曝光区域的光刻胶溶解。
107.采用清洗液对晶圆表面进行清洗，并甩干所述晶圆，得到光刻胶掩膜图案。
108.进一步的，采用曝光工艺对涂覆有所述光刻胶的晶圆进行曝光，包括：
109.控制步进式光刻机发射紫外线，通过紫外线对涂覆有光刻胶的晶圆进行曝光。
110.示例性的，步进式光刻机的焦距为0um～0.1um；步进式光刻机的曝光剂量为315ms
±
5ms。
111.示例性的，紫外线的波长为365nm，即步进式光刻机发射的紫外线为i线。紫外线的光强为680mw/cm2～750mw/cm2；紫外线的均匀性小于2％。
112.进一步的，使用显影工艺对晶圆表面进行显影，使曝光区域的光刻胶溶解，具体包括：采用全自动涂胶显影机对光刻胶表面进行表面旋转水洗30s,去除表面张力，使曝光区域的光刻胶溶解，也使得显影液(可以是fhd5显影液)可流动至晶圆表面任何区域。然后以50转/min的转速缓慢旋转喷洒显影液，使显影液布满晶圆表面,浸泡30s,之后高速旋转5s甩去显影液，接着再低速旋转水洗晶圆表面30s，高速旋转10s甩干。可以执行上述过程两次，确保曝光区域的光刻胶彻底溶解去除。
113.进一步的，采用清洗液对晶圆表面进行清洗，并甩干所述晶圆，得到光刻胶掩膜图案，具体包括：
114.使用清洗甩干机对晶圆表面洒水浸泡60s，清洗掉显影液及溶解的光刻胶残渣，高温(100℃)高速(转速600～1000转/分钟)旋转甩干浸润在光刻胶表层的水分，使得光刻胶表面充分硬化。该步骤完成后，光刻工艺结束。
115.对于同一涂胶厚度的光刻胶，衬底材料不同，其对入射紫外光的反射情况也不同，曝光过程中入射光的光程差与光源波长存在影响关系，从而导致光刻图形的线宽尺寸和侧壁形貌出现差异。对于致密氧化硅薄膜(即氧化层)的干法刻蚀有着严格的精度控制，因此
需要精确控制光刻的线宽尺寸，对于功率芯片其光刻线宽的损失(cd
‑
loss)就需要严格控制在数百乃至几十纳米。
116.为了验证本技术实施例1提供的碳化硅二极管氧化层的光刻方法的光刻工艺能力，进行了氧化硅的干法刻蚀验证，光刻胶做掩膜的干法刻蚀示意图如图2所示。具体可以采用以光刻胶2作为掩膜，采用等离子束1对氧化层3(即碳化硅晶圆4表面的二氧化硅层)进行刻蚀。
117.使用光学显微镜和扫描电子显微镜(sem)对上述步骤完成后的晶圆表面及截面进行观测，扫描电子显微镜观测套刻图形如图3所示，图3中的上部竖线条用来测试x方向套刻精度(向右为正)，下部横线条用来测试y方向套刻精度(向上为正)。图4为放大倍数为10k的x方向套刻精度测试，精度计算公式及结果为：
118.x方向套刻偏移量＝(v1
‑
v2)/2＝(1.474
‑
1.463)/2＝0.0055μm
119.图5为放大倍数为10k的y方向套刻精度测试，精度计算公式及结果为：
120.y方向套刻偏移量＝(h1
‑
h2)/2＝(0.7704
‑
0.7704)/2＝0μm
121.光刻版设计线宽分别为1μm、0.9μm、0.8μm，对比线宽检测电子扫描显微镜(cdsem)光刻胶线宽测试如图6、图7、图8所示，测量尺寸依次为0.9885μm(即988.5nm)、0.8979μm(即897.9nm)、0.8303μm(即830.3nm)，参照线宽损失量cdloss＝光刻胶测量尺寸
‑
设计线宽尺寸，按照本工艺方法后的最终线宽损失量cdloss计算结果为
‑
0115μm、
‑
0.0022μm、0.0303μm，随着设计线宽越小，光刻胶测试线宽误差变大，这是因为为满足干法刻蚀工艺，根据刻蚀比，所需的光刻涂胶厚度比线宽要大，对于较窄的线宽，光刻胶高度大于宽度，造成光刻胶线条不稳定，误差变大，但是总体的结果分析，按照本技术提供的方法执行的光刻工艺偏差量均小于0.05μm。
122.光刻胶表面及侧壁形貌分别如图9和图10所示，线条平直光滑，侧壁形貌正梯形，角度接近90
°
(测试为88.8
°
)，胶厚度为1.647μm，胶条底部宽度为3.238μm，测试结果及形貌表明工艺性能优异。
123.观测氧化硅干法刻蚀后的表面形貌和侧壁分别如图11和图12所示，氧化层(即二氧化硅层)厚度为2.121μm，在离子束刻蚀氧化层时，对光刻胶也会刻蚀，剩余厚度为0.24μm(2.361μm
‑
2.121μm得到)，刻蚀条底部宽度测试结果为3.247μm。参照刻蚀偏差cdbias＝刻蚀测量尺寸
‑
光刻胶测试尺寸，刻蚀偏差cdbias为3.247(即刻蚀条底部宽度)
‑
3.238(即光刻胶条底部宽度)的差值，约等于0.01μm。
124.上述结果表明，本技术提供的光刻方法可将光刻精度控制在0.05μm以内，同时可将刻蚀精度提升到数十纳米。
125.实施例2
126.基于同一发明构思，本发明实施例2还提供一种碳化硅二极管氧化层的光刻装置，如图13所示，包括：
127.增粘模块，用于对晶圆的氧化层进行增粘处理；
128.涂覆模块，用于在增粘处理后的氧化层表面涂覆光刻胶；
129.光刻模块，用于采用光刻工艺对涂覆有所述光刻胶的晶圆进行光刻。
130.增粘模块用于：在金属层表面粘附增粘剂，具体可以按照预设的第一环境温度将增粘液加热，使所述增粘液变为增粘剂并粘附至所述氧化层的表面；
131.采用冷却板将粘附有增粘剂的晶圆冷却至常温。
132.其中，氧化层的厚度为1.6um
‑
2.5um；预设的第一环境温度为100
±
0.5℃；增粘剂的厚度为10nm
‑
20nm。
133.涂覆模块用于：
134.采用涂胶工艺在增粘处理后的氧化层表面涂覆光刻胶；
135.其中，光刻胶为粘稠状，厚度均匀，且厚度为1.6um
‑
1.8um。
136.涂覆模块具体按照预设的第一转速，在所述氧化层的中间区域旋转喷洒光刻胶；
137.当光刻胶不再流动后，按照预设的第二转速在所述氧化层的表面旋转涂覆所述光刻胶；
138.按照预设的第二环境温度和预设的烘烤时间，对涂覆有所述光刻胶的晶圆进行烘烤，使粘稠状的光刻胶变为固态。
139.第一转速小于所述第二转速；预设的第二环境温度为115℃
‑
125℃；预设的烘烤时间为120s
‑
150s。
140.光刻模块具体用于：
141.采用曝光工艺对涂覆有所述光刻胶的晶圆进行曝光；
142.使用显影工艺对晶圆表面进行显影，使曝光区域的光刻胶溶解；
143.采用清洗液对晶圆表面进行清洗，并甩干所述晶圆，得到光刻胶掩膜图案。
144.所述采用曝光工艺对涂覆有所述光刻胶的晶圆进行曝光，包括：
145.控制步进式光刻机发射紫外线，通过紫外线对涂覆有所述光刻胶的晶圆进行曝光。
146.所述步进式光刻机的焦距为0um～0.1um；所述步进式光刻机的曝光剂量为315ms
±
5ms；
147.所述紫外线的波长为365nm；所述紫外线的光强为680mw/cm2～750mw/cm2；所述紫外线的均匀性小于2％。
148.为了描述的方便，以上所述装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本技术时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。
149.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd
‑
rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
150.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
151.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指
令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
152.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
153.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的保护范围之内。