CN1815371B - 半导体元件及其制程方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是有关于一种半导体元件及其制程方法，该半导体元件至少包括：一基材；以及一位于基材之上的顶层，该顶层用于一浸润式微影制程中，且有一如小滴流体的混合物，存在于浸润式微影制程中的该混合物有一介于40度及80度间的接触角。该半导体元件的制造方法是在晶圆上施行浸润式微影制程的方法，包括将半导体晶圆置于一透镜之下，及将一流体置于此半导体晶圆的上表面与透镜之间。提供一添加物于在此上表面之上以使任何在此半导体晶圆上表面之上的小滴流体形成一介于40度至80度间的接触角。
Description
技术领域
本发明是有关于一种半导体晶圆的半导体制程，且特别是有关于一种流体基底制程，例如浸润式微影制程，以图案化在半导体基材上的一或多层的半导体元件及其制程方法。
背景技术
自数十年前半导体元件问世至今，其在几何尺寸上有着戏剧性的下降。从那时以来，集成电路通常遵循着此每两年/尺寸减半的规则(通常称为摩尔定律)，这表示一晶片上的元件数目每两年便增加一倍。现今制造工厂的正常制造程序中，可生产0.13微米甚至是90纳米等特征尺寸元件。
由于持续地降低特征尺寸，半导体制程的各方面都会有所改变。例如，微影制程是为一种机制，藉由此机制可将一光罩上的图案投射至一个如半导体晶圆的基材上。例如在光学微影制程的领域中，必须在解析度的极限下在半导体晶圆上产生极小尺寸的影像。微影系统必须使用更短波长的光以形成更小的特征元件。有一解决方法称为浸润式微影制程。浸润式微影制程是为使用一透明流体，将介于一扫瞄式或重复步进式微影系统的投射透镜与基材(例如半导体晶圆)表面之间的空间填满。
以更进一步的范例而言，在一193纳米波长曝光系统中，通常使用水作为介于投射透镜与基材表面之间的流体。这样可以运作的很好，因为透镜的数值孔径可比单独一个透镜设计的更高，这让此微影系统可制作更小的影像且因此缩小了其特征尺寸。
为了实现浸润式微影制程有许多实际上的问题。其中之一，要将一完全无气泡的流体保持在透镜与晶圆表面是非常困难的。这问题基本上有三种解决方法。第一个方法是将整片晶圆与透镜浸至一水池中。此方法很难达成的原因在于需将一由多个伺服马达及雷射干涉仪组成的复杂系统的载台精准的移动，及需将此系统的部分或全部浸入水中。第二个方法是限制池子的尺寸与载台顶部相仿。此方法可确保所有的载台控制机构不进入水中，但加诸于载台的可观质量必定迅速增加。第三个方法是以一喷嘴于透镜与晶圆之间供给水，及依靠表面张力以维持一「水洼」存在。然而，由于在晶圆表面上到处都可能形成小水滴，气泡还是有可能在透镜与晶圆表面之间形成，而不仅只于水洼处。当一晶圆的未曝光部分包含一容纳小水滴的水洼，空气也可能被封在里面，因而导致至少一个气泡的产生。
由此可见，上述现有的半导体元件在其制造方法与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决半导体元件及其制程方法存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般制造方法又没有适切的方法能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。因此如何能创设一种新的半导体元件及其制程方法，便成了当前业界极需改进的目标。
有鉴于上述现有的半导体元件及其制程方法存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新的半导体元件及其制程方法，能够改进一般现有的半导体元件及其制程方法，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经反复试作及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有的半导体元件的制程方法存在的缺陷，而提供一种新的在半导体晶圆上施行浸润式微影制程的方法，所要解决的技术问题是使其可以解决上述和其他的问题，并且达到本发明所主张的技术优点，从而更加适于实用。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的在半导体晶圆上进行浸润式微影制程的半导体制程方法，该方法至少包括以下步骤：放置半导体晶圆在一透镜之下；将一流体置于一半导体晶圆的上表面及透镜之间；以及提供一添加物于该流体中，以调整在半导体晶圆之顶层的亲水性，可使该流体的一小滴流体在半导体晶圆的顶层的上表面形成一介于40度及80度之间的接触角。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术措施来进一步实现。
前述的半导体制程方法，其中所述的流体是为水。
前述的半导体制程方法，其中所述的顶层包括一聚合物，该聚合物已调整为具有部分的亲水性。
前述的半导体制程方法，其中所述的顶层是为一光阻层或是一顶抗反射层。
前述的半导体制程方法，其中所述的添加物可调整该顶层中的单体比例，使该接触角介于40度及80度之间。
前述的半导体制程方法，其中所述的添加物是为喷洒化学方法提供一氟聚合物。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上技术方案可知，本发明半导体元件及其制程方法至少具有下列优点：
本发明的半导体元件及其制程，可以降低或消除任何可能在晶圆表面产生的气泡。
综上所述，本发明特殊的半导体元件及其制程方法，其具有上述诸多的优点及实用价值，并在同类制造方法中未见有类似的设计公开发表或使用而确属创新，其不论在制造方法上或功能上皆有较大的改进，在技术上有较大的进步，并产生了好用及实用的效果，且较现有的半导体元件及其制程方法具有增进的多项功效，从而更加适于实用，而具有产业的广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是绘示依据本发明的一实施例，在一浸润式微影系统中，处理一半导体晶圆的透视图。
图2是绘示图1中半导体晶圆及浸润式微影系统的侧面的截面图。
图3与图4是绘示图1与图2中半导体晶圆的上表面上的水，且均为放大示意图。
10：浸润式微影系统 12：平台
14：平台控制机构 16：透镜
18：喷嘴 20：晶圆
22：水 24：水洼
30：箱子 32：阶段区域
34：曝光区域 36：方向
38：阶段区域 40：小水滴
40a：小水滴 40b：小水滴
50a：接触角 50b：接触角
52a：空气 52b：空气
54：顶层
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的半导体元件及其制程方法其具体实施方式、制造方法、步骤、特征及其功效，详细说明如后。
为了实现本发明的不同特征，以下揭示提供了许多不同的实施例，或示例是可理解的。叙示如下的各种元件与排列方式的特定示例，可简明地解释本发明的内容。此些示例仅为举例之用，并无用以限制的意图。此外，本发明揭示的各式示例中，可能会出现重复的参考数字及/或字母。这些重复是为了简单明确地讨论各式实施例与各种结构，而非为了规定彼此间有相关性。此外，下列叙述中的第一特征的结构在第二特征的上方或表面上，其中可能包含第一与第二特征彼此直接接触的实施例，及形成于第一与第二特征之间的其他特征，使上述两者不能直接接触的实施例。
请参阅图1所示，一193纳米浸润式微影系统10是为一系统及方法的示例，它可由本发明中的不同实施例获得好处。此193纳米浸润式微影系统10包括一平台(或载台)12及一多重性的平台控制机构14，此机构可使用这些常见的元件如伺服马达以控制平台12的移动。此浸润式微影系统10也包含了至少一个可投射影像的透镜16。在本发明的实施例中，此浸润式微影系统10也包含了一供应流体的喷嘴18。
如图1中所揭示的，一晶圆20可置于平台12上，且上述两者均可被平台控制机构14所移动。此外，喷嘴18射出水22以形成一水洼24于晶圆20的上表面之上。在此实施例中，此水洼24并未完全覆盖晶圆20的上表面。
在此实施例中，此浸润式微影系统10是为一水洼型的系统。喷嘴18在透镜16与晶圆20之间供给水22。表面张力使得水22形成水洼24。在一些实施例中，平台12可能有凹处以便承接水20。在平台边缘的周围有一唇状结构，其在边缘晶粒曝光时可使水洼24的延伸终止于水20的边缘。
同样地请参阅图2所示，此曝光系统10可包含许多附加的零件，其中包括了形成图案的装置(例如光罩)，产生光的机构，额外的透镜及光学元件，雷射量测系统等等，共同地由箱子30表示。这些附加的零件可依不同的因素作为设计的一种选择。
此水洼24并未完全覆盖晶圆20的上表面，但其覆盖了一阶段区域32，且与一重复步进式曝光系统相结合。在一实施例中，此阶段区域32可对应于一晶圆表面上的晶粒。在其他实施例中很清楚地揭示了，不同数量的晶粒可被单一的阶段区域32所覆盖。此外，在一些实施例中，当依一方向36扫瞄此阶段区域32，以便将一完整的倍缩光罩影像曝光时，一缩小的曝光区域34可在任一次曝光中形成一图案，一旦此阶段区域32已曝光过，此平台12便会移动(相对地)以便对下一个阶段区域38进行曝光。
此平台12以阶段式的移动跨越过晶圆20，在每一阶段位置扫瞄倍缩光罩的影像。为达成高生产量，平台12必须在一段短时间内很快地加速，很准确地移动到下一个阶段区域稳定住，扫瞄影像并往下个阶段区域移动。
需注意的是，有时至少有一小水滴40出现在晶圆20的上表面之上。此小水滴40可能是由喷嘴18喷洒所形成，可能是由平台12的扫瞄或步进移动所形成，可能是由一些其他的原因所形成。
在图2的示例中，此小水滴40出现于晶圆20上仍未被曝光的阶段区域38。当此平台12将晶圆20移动时，此阶段区域38可被校正以接受一新的水洼，至少会有一个空气气泡形成。
现在请参阅图3与图4所示，当此水洼24接近小水滴(在图3与图4中，分别标示为40a与40b)时，不论是否有空气被困在此水洼与小水滴之间，一接触角(在图3与图4中，分别标示为50a与50b)是非常重要的。在图3中，此小水滴40a的接触角50a相当高(例如约为85度)。因此一足量的空气52a被困住，会导致气泡的产生。在图4中，此小水滴40b的接触角50b约为60度。因此，若空气52b没有被困在其中，便不会产生气泡。经由实验可知，虽然其他角度亦适用，但接触角的较佳范围介于40度与80度之间。
此接触角50a与50b可由一晶圆20的顶层54的组成物所控制。此顶层54可由不同的层所组成，如光阻或一顶抗反射层(top ARC)。在某些实施例中很清楚地叙示了，一光阻层可被单独用于微电子结构的图案，而在其他的实施例中，至少使用了一个抗反射层。此外，一上抗反射层常用于防止透镜被污染。通常而言，在光学微影制程中，一顶抗反射层在远紫外线照射下是透明的，且有一标示可与下层的光阻相互对齐。
此顶层54可包含界面活性剂、聚合物或上述两者的混合物。若此顶层54的疏水性过强，如图3所绘示，气泡52a即会产生。若此顶层54的亲水性过强，则可能有膨润现象产生使得水扩散至亲水性层(且反之亦然)。若膨润现象发生，则此微影制程的结果将因此恶化。因此，要求亲水性与疏水性间的平衡，若不是由处理此顶层54，或更改此流体(例如水)22，就是将上述两者皆修改。
单体比例
要得到一个介于亲水性与疏水性间的接触角，则一聚合物光阻或顶抗反射层的单体比例是可被修改的。下列的聚合物均已知为亲水性：
聚乙烯醇 PVAL
聚氯乙烯 PVC
聚酰胺 PA
聚丙烯酸 PAA
聚丙烯腈 PAN
聚氧化乙烯 PEOX
聚醋酸乙烯 PVAC
聚乙烯醇缩丁醛 PVB
聚羟基 PHS
同样地，下列为亲水性的纤维素：
醋酸纤维素 CA
醋酸丁酸纤维素 CAB
醋酸丙酸纤维素 CAP
硝酸纤维素 CN
丙酸纤维素 CP
乙烷纤维素 EC
此外，一般商业用的亲水性共聚合物(copolymer)是由聚环氧乙烷(PEO)及可结晶的聚酰胺(crystallizable polyamide)，聚氨酯(polyurethane)或聚酯(polyester)(PBT)所制成的共聚合物。这些材料可使一疏水性材料变的更具亲水性。下列是已知为疏水性的聚合物：
硅 PE
聚乙烯 PPO
聚苯醚 PPS
聚苯硫醚 PS
聚苯乙烯另外，带有不稳定的酸官能基的聚合物已知为疏水性的，包括了：
反式聚四丁氧羧基苯乙烯 PBOCST
添加物
添加物亦可一并使用，或是完全不使用，而调整此顶层54的单体比例。下列的末端官能基可使一疏水性聚合物的亲水性更佳：
氢氧基 OH
氨基 CONH
羧基 COOH
另外，这些添加物可加入水22中以得到期望的接触角。
其他方法
此外，其他的方法可以分开使用或和上述的至少一种方法组合使用，以获得期望的接触角。举例而言，一物理性的方法如可将顶层54以一电浆源进行曝光。同样地，一化学性的方法是将顶层54喷洒一添加物，如上述所讨论添加物的其中一种。另一示例是使用一氟聚合物调整上抗反射层的聚合物。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种在半导体晶圆上进行浸润式微影制程的半导体制程方法，其特征在于该方法至少包括以下步骤：
放置半导体晶圆在一透镜之下；
将一流体置于一半导体晶圆的上表面及透镜之间；以及
提供一添加物于该流体中，以调整在半导体晶圆之顶层的亲水性，可使该流体的一小滴流体在半导体晶圆的顶层的上表面形成一介于40度及80度之间的接触角。
2.根据权利要求1所述的半导体制程方法，其特征在于其中所述的流体是为水。
3.根据权利要求1所述的半导体制程方法，其特征在于其中所述的顶层包括一聚合物，该聚合物已调整为具有部分的亲水性。
4.根据权利要求1所述的半导体制程方法，其特征在于其中所述的顶层是为一光阻层或是一顶抗反射层。
5.根据权利要求1所述的半导体制程方法，其特征在于其中所述的添加物可调整该顶层中的单体比例，使该接触角介于40度及80度之间。
6.根据权利要求5所述的半导体制程方法，其特征在于其中所述的添加物是为喷洒化学方法提供一氟聚合物。
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