專(zhuān)利名稱(chēng)：干光刻法及用其形成柵圖案的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來(lái)說(shuō)涉及干光刻法及用其形成柵圖案的方法，特別涉及無(wú)抗蝕劑(resistless)的干光刻法和在不需要濕法工藝的情況下用該法形成柵圖案的方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體工業(yè)已使集成電路小型化技術(shù)獲得顯著進(jìn)步。集成電路一般集成數(shù)千萬(wàn)晶體管，并在一塊半導(dǎo)體晶片中采用多級(jí)器件互連的構(gòu)造。通過(guò)包括產(chǎn)生集成圖案的光刻加工的多重工藝，在一塊半導(dǎo)體晶片上依次形成不同的器件層。本領(lǐng)域技術(shù)人員已知，目前的光刻技術(shù)可以制造約0.1微米(100nm)大小的器件，但是不足以制造小于50nm的器件。首先，制造超小規(guī)模的電子器件要求更有效的高分辨率光刻工具，而且為了把污染源減到最小，隨后的集成圖案工藝不能用濕法工藝。
“光刻”工藝是指在底層區(qū)域例如半導(dǎo)體晶片的表面上生成圖案化掩膜的一種工藝，使得可以在隨后實(shí)施圖案成形工藝。隨后的圖案成形工藝包括沉積工藝(deposition process)、注入摻雜工藝(implant doping)，等離子體蝕刻工藝(plasma etching process)等。通常，使用光刻膠和光學(xué)光刻曝光工具(例如步進(jìn)投影曝光機(jī)(stepper))將圖案由掩膜轉(zhuǎn)移到底層區(qū)域(即，圖案轉(zhuǎn)移目的物)上。
圖1是傳統(tǒng)光刻法的流程圖。
如圖1所示，制備半導(dǎo)體基材(圖案轉(zhuǎn)移目的物)S10。用濕法工藝S20在其上旋涂光刻膠層，然后實(shí)施預(yù)烘烤工藝以驅(qū)除溶劑并固化該光刻膠層S30。接著，實(shí)施曝光工藝S40，并實(shí)施濕顯影工藝(wet develop process)，以便除去光刻膠層S50上的選定部分，然后可實(shí)施后烘烤工藝S60。此后，一般通過(guò)等離子體蝕刻工藝S70將該圖案轉(zhuǎn)移到底層區(qū)域(基材)。最后，采用濕法工藝或等離子體剝離工藝S80除去該光刻膠。
常規(guī)的光刻工藝的問(wèn)題或局限是，基于液體的濕法工藝被用于沉積該光刻膠層并用于圖案顯影等等。由于這些原因，在整個(gè)圖案加工工藝流程中，晶體被反復(fù)暴露在大氣和液體化學(xué)品中。這些反復(fù)暴露會(huì)導(dǎo)致晶片表面上的各種污染。此外，包括光刻膠的濕化學(xué)品本身可能在該表面留下金屬和有機(jī)污染，導(dǎo)致器件性能和可靠性下降。
同時(shí)，傳統(tǒng)光刻工藝采用不同工藝步驟的組合，例如旋涂工藝、預(yù)/后烘烤工藝、顯影工藝和光刻膠的清除工藝，而使得整個(gè)光刻工藝太復(fù)雜，以至于不能用于構(gòu)造小于50nm的圖案。
因此，開(kāi)發(fā)采用不包括濕化學(xué)品的簡(jiǎn)單工藝步驟的替代性光刻技術(shù)是非常重要。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)。
本發(fā)明的另一目的是提供能夠取代傳統(tǒng)光刻工藝的無(wú)需濕法工藝(wetprocess)的干光刻法。
本發(fā)明的另一目的是提供能夠取代傳統(tǒng)光刻法且減少工藝步驟的干光刻法。
本發(fā)明的另一目的是提供一種干光刻法并提供用該干光刻法形成柵圖案的方法，該干光刻法能取代傳統(tǒng)的光刻法，同時(shí)無(wú)需濕法工藝。
為了完成上述任務(wù)，根據(jù)本發(fā)明的干光刻法，其特征在于包括如下步驟制備硅晶片圖案轉(zhuǎn)移目的物，將該圖案轉(zhuǎn)移目的物中需要的部分在電子束下曝光，實(shí)施活性離子蝕刻工藝以確定圖案，其中需要部分(在電子束下曝光的部分)和其它部分(沒(méi)有在電子束下曝光的部分)之間的蝕刻速率差異導(dǎo)致除去圖案轉(zhuǎn)移目的物的其它部分。
最好是以2-200kV的電壓加速電子束且其劑量為0.01-10庫(kù)侖/cm2。該圖案轉(zhuǎn)移目的物在70-600℃的溫度下加熱后可以在電子束下曝光。此外，該電子束的曝光可通過(guò)e-束直接光刻和e-束投影光刻工具進(jìn)行。
這種活性離子蝕刻工藝包括在3-300mTorr的壓力下由Cl2反應(yīng)氣體產(chǎn)生等離子體，并通過(guò)施加電場(chǎng)使離子撞擊在圖案轉(zhuǎn)移目的物(硅晶片)上，由此在硅晶片、即圖案轉(zhuǎn)移目的物上需要的區(qū)域進(jìn)行選擇性蝕刻。最好在70-1000℃的溫度下加熱圖案轉(zhuǎn)移目的物來(lái)實(shí)施該活性離子蝕刻工藝。
該圖案轉(zhuǎn)移目的物可以是硅基材、沉積在半導(dǎo)體基材上的硅層或沉積在半導(dǎo)體基材的絕緣層上的硅層。
為了完成另一目的，一種根據(jù)本發(fā)明的柵圖案形成方法，其特征在于，該方法包括步驟在半導(dǎo)體基材上沉積絕緣層，在該絕緣層上沉積硅層，將該硅層的需要部分在電子束下曝光，并實(shí)施活性離子蝕刻工藝，該工藝?yán)盟枰牟糠?在電子束下曝光的部分)和其它部分(沒(méi)有在電子束下曝光的部分)之間的蝕刻速率差異從而除去該硅層的其它部分，并形成柵圖案。


以下描述將結(jié)合附圖解釋本發(fā)明的前述方面及其它特征。其中圖1是說(shuō)明傳統(tǒng)光刻法的流程圖；圖2是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施方案的干光刻法的流程圖；且圖3-圖5是半導(dǎo)體器件的截面圖，用來(lái)說(shuō)明使用本發(fā)明干光刻法形成柵圖案的方法。
具體實(shí)施例方式
參考附圖用優(yōu)選實(shí)施方案詳述本發(fā)明，附圖中用相同的附圖標(biāo)記代表相同或類(lèi)似的部分。
圖2是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施方案的干光刻法的流程圖。與圖1的工藝步驟相比，圖2的工藝步驟明顯簡(jiǎn)化。
參考圖2，該優(yōu)選實(shí)施方案的干光刻法基于以下事實(shí)當(dāng)部分硅層在電子束下曝光時(shí)，硅層曝光部分的蝕刻敏感性(susceptibility)與未曝光部分相比發(fā)生了變化。這意味著對(duì)于特定活性蝕刻工藝而言，曝光部分和未曝光部分相互間具有不同的蝕刻速率。換句話(huà)說(shuō)，當(dāng)一部分硅層曝光在高能電子束下，硅層的曝光部分與其它部分(沒(méi)有曝光部分)相比蝕刻敏感性明顯降低，因此，后續(xù)的活性離子蝕刻工藝能選擇性地除去硅層。
這種干光刻法包括制備由硅形成的圖案轉(zhuǎn)移目的物S100，將硅層的選定區(qū)域在電子束下曝光S110，并且利用曝光部分與未曝光部分之間蝕刻速率不同的事實(shí)實(shí)施活性離子蝕刻(RIE)工藝，以便將需要的圖案(例如，掩模圖案)轉(zhuǎn)移至圖案轉(zhuǎn)移目的物上S120。
該圖案轉(zhuǎn)移目的物可以是硅基材，沉積在半導(dǎo)體基材上的硅層和沉積在半導(dǎo)體基材上絕緣體層上的硅層。
在曝光(exposure)工藝中，可采用圖案掩?；虿捎弥苯涌虒?xiě)法使用該電子束。換句話(huà)說(shuō)，曝光工藝可以采用未使用掩模的電子束光刻工具或使用掩模的電子束投射光刻(EPL)工具。最好可為此目的使用加速電壓為2-200kV(電子束加速電壓)的電子束，且該電子束的劑量為0.01-10庫(kù)侖/cm2。該晶片最好在其被加熱到70-600℃后在電子束下曝光。
活性離子蝕刻工藝(RIE)如下。由約3-300mTorr的Cl2活性氣體產(chǎn)生等離子體并且接著離子化。用其有選擇地除去硅層。最好可在半導(dǎo)體晶片保持或加熱到0-1000℃時(shí)實(shí)施RIE工藝。例如，當(dāng)使用Cl2氣等離子體在50mTorr的壓力下蝕刻未曝光的無(wú)定形硅層時(shí)，測(cè)得未曝光部分的蝕刻速率為30-40nm/min，其中該無(wú)定形硅層是通過(guò)化學(xué)氣相沉積(CVD)法制備的，并且在高能電子束(以20kV加速，劑量為0.2庫(kù)侖/cm2)下曝光。發(fā)現(xiàn)未曝光部分的蝕刻速率(30-40nm/min)比曝光部分的10倍還高。
由于本發(fā)明的圖案轉(zhuǎn)移目的物由硅形成，所以未蝕刻部分(嚴(yán)格說(shuō)，低蝕刻部分)可以直接作為器件的組件。而且，干光刻法未基于以濕液體為基礎(chǔ)的工藝，且整個(gè)工藝可在受控環(huán)境(例如真空)下實(shí)施，這是因?yàn)樵搱D案可以使用e-束直接光刻系統(tǒng)或使用電子束投影光刻法(EPL)系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)移。因此，該圖案轉(zhuǎn)移法適于大批量生產(chǎn)，因?yàn)橄凉穹üに嚥襟E能使用集成的群集工具。在一臺(tái)群集(cluster)設(shè)備上就能實(shí)施全部光刻工藝，該設(shè)備處于受控環(huán)境中，消除了晶片的人工操作并不暴露于大氣環(huán)境，從而使加工過(guò)程中的污染最小。其提高了生產(chǎn)效率，改善了生產(chǎn)器件的可靠性。例如，通過(guò)本發(fā)明的干光刻法可制造的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)具有高的可靠性和最小的污染。
而且，因?yàn)楣?圖案轉(zhuǎn)移目的物)可以直接作為組件如溝道或柵門(mén)，所以可以簡(jiǎn)化制造過(guò)程。
圖3-圖5示出了使用本發(fā)明干光刻法使半導(dǎo)體器件的柵圖案化的例子。
圖3顯示了具有絕緣層140和硅層150的半導(dǎo)體晶片橫斷面。該絕緣層140可以是氧化硅(SiO2)層、氮化硅(Si3N4)層、LaAlO3層、HfSiO4層、HfO2層、ZrO2層、ZrSiO4層或Al2O3層等，在這種情況下，絕緣層140的厚度最好在1-100nm左右。
該硅層150通過(guò)例如化學(xué)氣相沉積的方法沉積。在沉積硅層150時(shí)，該半導(dǎo)體基材130可以加熱到300-700℃。該硅層150的厚度依賴(lài)于圖案的最小尺寸。例如，硅層150的厚度可以為約10-500nm。
圖4顯示了撞擊到硅層150上的電子束170。該曝光工藝可以使用掩模160或不使用掩模(直接刻寫(xiě)法)。最好電子束170用2-200kV的電壓加速，劑量為約0.01-10庫(kù)侖/cm2。在加熱到約70-600℃后，半導(dǎo)體基材130可以曝光于電子束170。
參照?qǐng)D5，硅層150被選擇性地蝕刻以便使用活性離子蝕刻(RIE)來(lái)進(jìn)行圖案轉(zhuǎn)移。換句話(huà)說(shuō)，由約3-300mTorr的活性Cl2氣體產(chǎn)生等離子體然后將其離子化。其被加速到硅層上以進(jìn)行選擇性蝕刻。在這種情況下，當(dāng)半導(dǎo)體基材130維持在0-600℃的條件下進(jìn)行該活性離子蝕刻(RIE)。與傳統(tǒng)的光刻法相比，本發(fā)明使用簡(jiǎn)化和直接的方法進(jìn)行圖案轉(zhuǎn)移。
在上述的解釋中，所描述的是一層位于另外一層上。然而，要注意的是，某一層可正好在另外一層上面，而第三層可介于它們之間。此外，為了便于解釋和理解而夸大了每一層的厚度和尺寸。
如上所述，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)光刻法相比，它能通過(guò)明顯減少工藝步驟以及減少所省略工藝步驟的相關(guān)附加成本，從而減少生產(chǎn)時(shí)間并降低成本。其原因是，使用硅層代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法中的光刻膠膜作為圖案掩模。這意味著，在顯影工藝后，作為掩模的殘留硅結(jié)構(gòu)可直接作為例如溝道或柵門(mén)等元件使用。因此，本發(fā)明可以簡(jiǎn)化工藝步驟并實(shí)現(xiàn)無(wú)抗蝕劑光刻法。
另外，該無(wú)抗蝕劑光刻法能減少各種污染物，因?yàn)樵摼瑳](méi)有暴露在大氣中或濕化學(xué)品中。本發(fā)明采用全干法工藝，完全排除了以濕液體為基礎(chǔ)的各種工藝。
整個(gè)光刻工藝可以在受控環(huán)境中的一臺(tái)群集設(shè)備上實(shí)施，消除了對(duì)晶體的人工操作并不暴露于大氣環(huán)境，從而把加工過(guò)程中的污染降到最小。本方法提高生產(chǎn)率，改善了制造器件的可靠性。
已經(jīng)聯(lián)系具體應(yīng)用參照具體的實(shí)施例描述了本發(fā)明。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員和領(lǐng)會(huì)本發(fā)明的人們會(huì)辨別出在其范圍內(nèi)的另外改變和應(yīng)用。因此所附權(quán)利要求書(shū)意欲覆蓋屬于本發(fā)明范圍內(nèi)的任何和所有的這種應(yīng)用、改變和實(shí)施方案。
權(quán)利要求
1.一種干光刻法，包括如下步驟制備硅圖案轉(zhuǎn)移目的物；將該圖案轉(zhuǎn)移目的物的需要部分在電子束下曝光；并且實(shí)施活性離子蝕刻工藝，以便選擇性蝕刻未曝光部分，從而留下圖案轉(zhuǎn)移目的物上的曝光部分。
2.如權(quán)利要求1所述的干光刻法，其中該活性離子蝕刻工藝采用在3-300mTorr的壓力下由Cl2反應(yīng)氣所生成的等離子體。
3.如權(quán)利要求2所述的干光刻法，其中當(dāng)該圖案轉(zhuǎn)移目的物在0-1000℃下加熱時(shí)實(shí)施該活性離子蝕刻工藝。
4.如權(quán)利要求1所述的干光刻法，其中電子束的劑量范圍是0.01-10庫(kù)侖/cm2，且電子束的能量范圍為2-200keV。
5.如權(quán)利要求1所述的干光刻法，其中當(dāng)該圖案轉(zhuǎn)移目的物在70-600℃加熱時(shí)，將該圖案轉(zhuǎn)移目的物在電子束下曝光。
6.如權(quán)利要求1所述的干光刻法，其中用e-束直接蝕刻工具或用e-束投影蝕刻工具進(jìn)行該電子束曝光。
7.如權(quán)利要求1所述的干光刻法，其中該圖案轉(zhuǎn)移目的物是硅晶片。
8.如權(quán)利要求1所述的干光刻法，其中該圖案轉(zhuǎn)移目的物是沉積在半導(dǎo)體基材上的硅層。
9.如權(quán)利要求8所述的干光刻法，其中該硅層是通過(guò)化學(xué)氣相沉積法沉積的，而且沉積厚度為1-500nm。
10.如權(quán)利要求1所述的干光刻法，其中該圖案轉(zhuǎn)移目的物是沉積在絕緣層上的硅層。
11.如權(quán)利要求10所述的干光刻法，其中該硅層是通過(guò)CVD法沉積的，而且沉積厚度為10-500nm。
12.形成柵電極的方法，包括步驟制備半導(dǎo)體基材；在半導(dǎo)體基材上沉積絕緣層；在絕緣層上沉積硅層；使圖案轉(zhuǎn)移目的物上的柵電極區(qū)域的所需部分在電子束下曝光；并且實(shí)施活性離子蝕刻工藝，以便選擇性蝕刻未曝光部分，從而在圖案轉(zhuǎn)移目的物上僅留下柵電極的曝光部分。
13.如權(quán)利要求12所述的柵電極形成方法，其中該活性離子蝕刻工藝采用在3-300mTorr壓力下由Cl2活性氣體產(chǎn)生的等離子體。
14.如權(quán)利要求13所述的柵電極形成方法，其中當(dāng)該圖案轉(zhuǎn)移目的物在0-1000℃下加熱時(shí)實(shí)施該活性離子蝕刻工藝。
15.如權(quán)利要求12所述的柵電極形成方法，其中電子束的劑量范圍是0.01-10庫(kù)侖/cm2，并且電子束的能量范圍是2-200keV。
16.如權(quán)利要求12所述的柵電極形成方法，其中當(dāng)圖案轉(zhuǎn)移目的物在70-600℃下加熱時(shí)將其在電子束下曝光。
17.如權(quán)利要求12所述的柵電極形成方法，其中用e-束直接蝕刻工具或用e-束投影蝕刻工具進(jìn)行該電子束曝光。
18.如權(quán)利要求12所述的柵電極形成方法，其中絕緣層是氧化硅(SiO2)層、氮化硅(Si3N4)層、LaAlO3層、HfSiO4層、HfO2層、ZrO2層、ZrSiO4層或Al2O3層。
19.如權(quán)利要求12所述的柵電極形成方法，其中絕緣層的厚度是1-100nm。
20.如權(quán)利要求12所述的柵電極形成方法，其中該硅層是通過(guò)化學(xué)氣相沉積法形成的，沉積厚度為10-500nm。
全文摘要
本發(fā)明涉及無(wú)抗蝕劑的干光刻法以及用其形成柵圖案的方法。本發(fā)明利用暴露在高能電子束下的硅層部分的干法蝕刻敏感性發(fā)生改變的現(xiàn)象。干光刻法包括步驟制備硅的圖案轉(zhuǎn)移目的物，將圖案轉(zhuǎn)移目的物上的需要部分在電子束下曝光，并實(shí)施活性離子蝕刻工藝以便選擇性地蝕刻未被曝光的部分，從而留下圖案轉(zhuǎn)移目的物的曝光過(guò)的部分。本發(fā)明是一種全干法工藝，而且全部光刻工藝過(guò)程可以在受控環(huán)境中的一臺(tái)群集設(shè)備上完成，該方法消除了晶片的人工操作并要求不暴露于大氣環(huán)境，從而將加工過(guò)程中的污染最小化。
文檔編號(hào)H01L21/3213GK1489184SQ0215426
公開(kāi)日2004年4月14日 申請(qǐng)日期2002年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月7日
發(fā)明者李誠(chéng)宰, 樸京完, 趙元珠, 張汶圭, 鄭又碩 申請(qǐng)人:韓國(guó)電子通信研究院