用于形成剥离掩模结构的方法与流程

1.本公开涉及一种用于形成剥离掩模结构的方法。本公开还涉及按照包括形成剥离掩模结构的过程制造的设备。


背景技术：

2.在微米和纳米结构化技术中，剥离过程是用于使用牺牲性材料在基板的表面上产生目标材料的结构(即图案化)的方法。作为加性技术，剥离通常应用于减性技术(例如结构材料的蚀刻)将对下层具有不期望的影响的情况。此外，如果不存在用于所述材料的适当蚀刻方法，则可以执行剥离技术。
3.在过程第一步骤中形成的牺牲性剥离掩模的边缘需要负侧壁轮廓，即底切(undercut)轮廓，以维持高效的剥离过程。以这种方式，在沉积目标材料(其通常是薄金属或介电层)之后，溶解或溶胀掩模中的聚合物的去除剂溶液可以高效地与基板掩模界面接触以进行高效的剥离。然而，剥离掩模的负侧壁轮廓导致关于目标材料的特征尺寸和间隔的显著限制。此外，在目标材料沉积期间的遮蔽效应是采用负侧壁结构的剥离过程中的常见缺点。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种形成用于剥离过程的剥离掩模结构的改进构思，其克服了当今解决方案的限制。
5.该目的通过独立权利要求的主题来实现。在从属权利要求中描述了进一步的发展和实施例。
6.改进的构思基于形成剥离掩模结构的想法，该剥离掩模结构除了在掩模基板界面处具有负侧壁的底切轮廓之外还具有正侧壁轮廓。这确保了在沉积目标材料之后溶剂进入界面，同时还允许减小的间隔和特征尺寸，因此克服了常规方法的限制。改进的构思通过剥离掩模结构实现，该剥离掩模结构由基板上的对光不敏感的底部抗反射涂层barc和沉积在其上的抗蚀剂层形成。
7.具体地，一种根据改进构思的用于形成剥离掩模结构的方法包括提供基板主体，在基板主体的表面上沉积底部抗反射涂层barc层，以及在barc层上沉积光敏抗蚀剂层。该方法还包括通过光掩模将抗蚀剂层暴露于电磁辐射，以及通过施加显影剂以选择性地去除barc层和抗蚀剂层的一部分使得基板主体的表面的下面部分被暴露来形成剥离掩模结构。
8.基板主体是例如半导体基板，诸如硅晶圆或硅晶圆的一部分，或是玻璃基板，例如镜子基板。基板主体还可以包括沉积在基板上的功能层，例如cmos层。
9.在基板主体的表面(例如顶表面)上，形成双层结构，其包括沉积到基板主体的表面上的可显影barc，随后是沉积到barc上的光敏抗蚀剂。基板表面的专用预处理(例如灰化或湿法清洁)是否必要取决于barc类型和基板表面。基板表面理想地处于barc的粘附性和剥离性能均不劣化的状态。例如，经由旋涂来沉积抗蚀剂和barc(例如湿barc)两者。
10.抗反射涂层通常用于常规光刻中，以在抗蚀剂暴露期间降低抗蚀剂-基板界面处的反射率。随着图案几何形状持续缩小到纳米级，诸如反射切口和/或驻波的形成的反射效应可能显著地劣化光刻过程的分辨率。另外，barc可有助于使其下方的结构平整或平坦化，从而为抗蚀剂层产生光滑表面。
11.剥离掩模最终通过选择性地去除barc层和抗蚀剂层的一部分使得基板主体的表面的下面部分被暴露来形成。例如，将抗蚀剂暴露于电磁辐射，例如对应于汞i线光刻的365nm波长的uv光，其修改或改变抗蚀剂的化学性质。根据抗蚀剂类型，即正或负抗蚀剂，抗蚀剂的暴露或未暴露部分随后在显影剂溶液中溶解和去除。同样，barc可溶于显影剂溶液，尤其是以各向同性的方式。其中，barc的化学性质在暴露期间不受电磁辐射的影响或改变。
12.显影剂溶液可以是例如溶解在水溶液中的四甲基氢氧化铵tmah。替代显影剂是氢氧化钾koh或偏硅酸钠/磷酸钠基显影剂。
13.在至少一个实施例中，在形成剥离掩模结构之后，barc层的特征在于具有负侧壁斜坡的底切轮廓。
14.在至少一个实施例中，在形成剥离掩模结构之后，抗蚀剂层的特征在于具有正侧壁斜坡的过切(overcut)轮廓。
15.barc和正抗蚀剂的不同侧壁轮廓使得能够实现最小的遮蔽，同时确保理想的剥离条件。首先，barc层的负侧壁轮廓确保剥离溶剂可以容易地进入掩模-基板界面，尤其是在沉积目标材料之后。其次，抗蚀剂的正边缘轮廓使得能够在目标材料的沉积期间显著减少遮蔽效应，与其中整个剥离掩模具有负侧壁轮廓的常规解决方案相比，这有助于大大减少最终设备上的特征间隔。
16.当涉及展现多个通道的光感测应用(诸如ccd光谱仪或成像传感器)时，光电二极管间隔是常见问题。以剥离光掩模的两个子层的不同侧壁轮廓为特征的改进构思能够实现各个通道/光电二极管之间的窄得多的间隔，这又导致减小的晶粒尺寸。
17.例如，当应用改进的构思时，共享相同镜子的所谓法布里-珀罗光谱仪的两个通道之间的间隔可以从使用现有剥离技术的约28μm减小一个数量级到约3μm。此外，正抗蚀剂的正侧壁抑制在按照常规方法进行沉积和图案化期间经常观察到的遮蔽效应。
18.在至少一个实施例中，barc层的材料不是光敏的。
19.在这些实施例中，barc层是非吸收性涂层，例如，其不会由于暴露而改变其化学性质。结果，可以针对光敏抗蚀剂完全优化掩模的暴露。这与实现由两个光敏抗蚀剂层形成的剥离掩模的常规双层方法形成鲜明对比。这里，必须针对两种抗蚀剂优化暴露，这通常导致较差的光刻结果。
20.在至少一个实施例中，barc层的材料在电磁辐射的波长下是吸收性的，尤其是高吸收性的。
21.通过barc可以提高光致抗蚀剂暴露的光刻性能，barc抑制了不希望的效果，例如由于反射在抗蚀剂内形成驻波图案和反射切口。
22.在至少一个实施例中，barc层的材料是有机材料。
23.例如，barc层经由有机材料如聚乙烯基苯酚衍生物实现。替代地，barc层可以是透明材料(例如二氧化硅、氟化镁和含氟聚合物)的单个薄层，或者barc层可以包括低折射率材料(例如二氧化硅)和较高折射率材料的交替层。这些方法能够在特定波长(例如暴露波
长)下实现低至0.1％的反射率。
24.在至少一个实施例中，barc层的材料和光敏抗蚀剂层的材料的特征在于在电磁辐射的波长下反射率彼此相差小于10％、尤其是小于5％。
25.在至少一个实施例中，barc层的材料的特征在于在暴露于电磁辐射期间在抗蚀剂层内引起相消干涉的折射率。
26.可以这样的方式调节barc的折射率，使得例如在抗蚀剂-barc界面处和在barc-基板界面处的光反射由于相消干涉而被抵消。因此，该方法不会遭受不希望的光刻效应，例如尤其是在抗蚀剂层内形成驻波图案或反射切口。当涉及已知这些伪像会极大地劣化光刻性能的极小结构的图案化时，该方面变得更加相关。
27.在至少一个实施例中，沉积barc层包括在基板主体的表面上沉积厚度小于500nm、尤其是小于200nm的barc材料。
28.利用barc层已经可以实现不想要的光刻效应的高效抑制，该barc层具有与用于暴露抗蚀剂层的光的波长的数量级或甚至更小的厚度。此外，薄barc层同样导致薄剥离掩模，潜在地减少目标材料沉积期间的遮蔽效应，并整体上改善剥离过程的分辨率限制。
29.在至少一个实施例中，沉积光敏抗蚀剂层包括沉积正光致抗蚀剂。
30.对于暴露步骤，正光致抗蚀剂的化学性质以这样的方式改变，使得被照射区域可溶解在显影剂溶液中。可以以确保正抗蚀剂层的正侧壁轮廓的方式修改暴露的照射条件，这抑制了在剥离之前的目标材料的后续沉积步骤期间的遮蔽效应。
31.在至少一个实施例中，根据改进构思的方法还包括在沉积抗蚀剂层之前烘烤barc层的步骤。
32.在用barc涂覆基板主体的表面之后，对barc进行温度处理，例如经由烘烤过程，其在显影之后预定义剥离掩模的下层的边缘轮廓。这样，可以实现显影后barc层的特定斜坡轮廓。例如，对barc层进行温度处理，使得显影在一定角度下产生负侧壁轮廓。
33.另一方面，抗蚀剂层的正侧面(flank)可以仅经由暴露期间的照射条件来控制，而如上所述，barc层中的底切轮廓仅通过barc的烘烤和显影配方来控制。因此，在两个“控制参数”之间没有交叉影响或存在最小的交叉影响，使得可以执行两个侧壁轮廓的几乎独立的优化，例如，就各个倾斜角而言。
34.在至少一个实施例中，barc的材料可溶于显影剂，尤其是以各向同性的方式。
35.如果barc通过显影剂溶液各向同性地去除，该显影剂溶液还去除抗蚀剂层的暴露(或未暴露)部分，则可以实现barc层的目标负侧壁轮廓。例如，可以通过调整显影配方和/或显影时间来定制该底切的确切性质。
36.上述目的进一步通过一种设备来解决，该设备按照包括形成根据上述实施例之一的剥离掩模结构的过程进行制造。
37.例如，为了制造该设备，重复应用根据上述实施例之一的方法。
38.例如，根据上述实施例之一的方法被应用于例如在镜子基板的表面上制造多层干涉滤波器。
39.干涉滤波器的特征可以在于多个(例如20至100个)交替的材料层。这些可以各自通过根据改进构思的剥离过程高效地制造。
40.根据上述用于形成剥离掩模结构的方法的实施例，根据改进构思的设备的其他实
施例对于本领域技术人员而言变得显而易见。
41.示例性实施例的附图的以下描述可以进一步示出和解释改进构思的各方面。具有相同结构和相同效果的组件和部件分别用等同的附图标记表示。就不同附图中的组件和部件的功能而言，它们彼此相对应，因此对于下面的每个附图，不必重复对它们的描述。
附图说明
42.图1a至图1d示出了根据改进构思的剥离掩模的中间产品；
43.图1e示出了根据改进构思的剥离掩模；
44.图2示出了在沉积目标材料之后按照包括根据改进构思的剥离掩模的过程制造的设备的中间产品；以及
45.图3至图5示出了剥离之后按照包括根据改进构思的剥离掩模的过程制造的最终设备。
具体实施方式
46.图1a示出了在基板主体10的表面上沉积底部抗反射涂层barc层11之后，根据改进构思的剥离掩模的中间产品。
47.基板主体10例如是半导体基板，诸如硅晶圆或硅晶圆的一部分，诸如芯片。替代地，基板主体10是玻璃基板，例如镜子基板。基板主体10还可以包括沉积在基板上的功能层，例如cmos层。
48.例如，经由旋涂将barc层11沉积到基板主体10的顶表面上作为湿barc。barc层11的厚度例如在200nm到500nm的量级。barc层11是有机材料，例如聚乙烯基苯酚衍生物。替代地，barc层11可以是透明材料(例如二氧化硅、氟化镁和含氟聚合物)的单个薄层，或者barc层11可以包括低折射率材料(例如二氧化硅)和较高折射率材料的交替层。可选地，在沉积barc层11之后，可以例如在烘烤过程期间对中间产品、尤其是barc 11进行温度处理，以调节其对特定显影剂配方的响应。barc层11对光不敏感。这意味着其对显影剂的响应不受至少在暴露期间使用的波长下的光(例如对应于i线光刻的波长为365nm的uv光)的影响。
49.图1b示出了在沉积光敏抗蚀剂层12之后图1a的剥离掩模的中间产品。抗蚀剂层12是典型的正抗蚀剂，例如基于重氮萘醌、dnq和酚醛清漆树脂的混合物，酚醛清漆树脂是酚醛树脂。其中，正光致抗蚀剂被理解为其中暴露于光的光致抗蚀剂的部分变得可溶于光致抗蚀剂显影剂的一种类型的光致抗蚀剂。光致抗蚀剂的未暴露部分保持不溶于光致抗蚀剂显影剂。抗蚀剂层12经由旋涂沉积，例如具有450-1500nm之间的典型厚度。
50.图1c示出了在通过光掩模20的光刻暴露步骤期间图1b的剥离掩模的中间产品。使用光刻法，将光掩模20的图案转移到光致抗蚀剂层12。换句话说，抗蚀剂层12的被光掩模20的关于暴露辐射21的波长不透明的部分覆盖的部分保持未暴露，而抗蚀剂层12的未被不透明部分覆盖的部分被暴露于辐射21。在抗蚀剂层12是正抗蚀剂的所示示例中，抗蚀剂层12的暴露部分的化学性质被辐射21改变，使得这些部分可溶于显影剂溶液中。
51.在暴露期间，barc层11例如经由吸收和/或相消干涉抑制不想要的光刻效应，诸如在抗蚀剂层12内形成驻波图案和反射切口。为此，根据抗蚀剂层12和/或基板主体10的折射率调节barc层11的折射率。例如，上述元件的折射率彼此相差小于5％。
52.替代如上所述采用正抗蚀剂，根据改进的构思，采用负抗蚀剂作为抗蚀剂层12同样是可能的。对于负抗蚀剂，暴露部分在显影之后保留，而未暴露部分被溶解并因此被去除。
53.图1d示出了在显影的第一部分之后图1c的剥离掩模的中间产品。如上所述，正抗蚀剂层12的先前暴露部分被使用显影剂溶液溶解并因此被去除。其中，可以形成正侧壁轮廓12a，即，过切轮廓。正侧壁的倾斜角可以通过利用暴露辐射21的暴露的参数来预先确定。例如，辐射21的可调节焦点可以被设置为抗蚀剂层12内的特定深度。
54.图1e示出了在显影的第二部分之后的根据改进构思的最终剥离掩模1。在第二部分期间，在去除抗蚀剂层12的上述部分之后暴露的barc层11的部分同样通过用于去除抗蚀剂层12的部分的显影剂溶液来去除。其中，barc层11以各向同性的方式与显影剂溶液反应。这样，可以形成负侧壁轮廓11a，即底切轮廓。例如，可以通过在沉积抗蚀剂层12之前对barc层11进行上述温度处理的参数来预先确定负侧壁的倾斜角。例如，倾斜角约为45
°
，从而产生对应于barc层11的厚度或约为barc层11的厚度的底切，例如约为200nm。
55.如图1e所示，基板主体10上的最终剥离掩模1的特征在于具有负侧壁轮廓11a的barc层11和具有正侧壁轮廓12a的抗蚀剂层12。这确保了与采用整个剥离掩模的纯负侧壁轮廓的常规方法相比，可以实现显著更小的特征间隔，即剥离掩模中的相邻开口。此外，通过抗蚀剂层12的正侧壁轮廓12a抑制了诸如遮蔽的不期望的剥离效应。
56.应当理解，显影剂溶液可以以同时的方式执行抗蚀剂层12和barc层11的去除，取代主要用于说明目的的图1d和图1e中所示的后续方式。
57.图2示出了在沉积目标材料13之后，按照包括根据改进构思的剥离掩模的过程制造的设备的中间产品。例如，目标材料13是金属或电介质。目标材料13以均匀的方式沉积在剥离掩模1(即抗蚀剂层12的剩余部分)上，并且沉积在剥离掩模1显影之后产生的开口中。结构化材料13的边缘被示出为具有正侧壁轮廓。这些是典型的，因为沉积过程不是完全各向异性的，导致在剥离掩模的顶部下方的轻微沉积。目标材料13的完美垂直边缘仅可经由蚀刻过程而非利用剥离过程来实现。
58.图3示出了从基板主体10完全剥离剥离掩模1(即抗蚀剂层12和barc层11)之后的图2的中间产品。其中，barc层11的负侧壁轮廓11a确保剥离溶液不受阻碍地进入掩模-基板界面。
59.图4和图5示出了按照包括根据改进构思的剥离掩模的过程制造的设备的另外的示例性实施例。图4示出了由于剥离掩模的侧壁轮廓，可以实现显著更小的特征间隔。例如，目标材料13形成光学元件，诸如高分辨率cmos图像传感器的光电二极管。
60.图5示出了根据改进的构思如何经由多个剥离过程形成目标材料13的堆叠。其中，针对每个剥离步骤沉积一层目标材料13。例如，这可以用于在玻璃基板上形成多层光学干涉滤波器。例如，这样的滤波器可以包括两种不同目标材料13的20至100个交替层。为了说明的目的，目标材料13的侧壁轮廓在此保持垂直。
61.沉积barc和抗蚀剂层以及执行实际剥离的确切方法是众所周知的构思，因此在本公开中不再进一步详细描述。
62.进一步指出，根据改进构思的剥离掩模不限于制造光学设备，而是还可以用于限定各种类型的微米或纳米尺寸的结构，例如cmos电路的电极。
63.出于使读者熟悉本构思的新颖方面的目的，已经讨论了剥离掩模和使用本文公开的这种剥离掩模制造的设备的实施例。尽管已经示出和描述了优选实施例，但是本领域技术人员可以在不会不必要地脱离权利要求的范围的情况下对所公开的构思进行许多改变、修改、等同和替换。
64.具体地，本公开不限于所公开的实施例，并且对于所讨论的实施例中包括的特征尽可能地给出许多替代方案的示例。然而，旨在将所公开的构思的任何修改、等同和替换包括在所附权利要求的范围内。
65.可以有利地组合单独的从属权利要求中记载的特征。此外，权利要求中使用的附图标记不限于被解释为限制权利要求的范围。
66.此外，如本文所用，术语“包括”不排除其他要素。另外，如本文所用，冠词“一”旨在包括一个或多于一个部件或元件，并且不限于被解释为意指仅一个。
67.除非另有明确说明，否则决不旨在将本文所述的任何方法解释为需要以特定顺序执行其步骤。因此，在方法权利要求实际上没有叙述其步骤遵循的顺序或者在权利要求或说明书中没有另外具体说明步骤限于特定顺序的情况下，决不意图推断任何特定顺序。
68.本专利申请要求享有欧洲专利申请20192165.7的优先权，其公开内容通过引用并入本文。
69.附图标记
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剥离掩模
[0071]
10
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基板主体
[0072]
11
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barc层
[0073]
12
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抗蚀剂层
[0074]
11a、12a
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侧壁轮廓
[0075]
13
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目标材料
[0076]
20
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光掩模
[0077]
21
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暴露辐射