专利名称：基于掩模层的光学性能在衬底上对准图形的方法及相关器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体器件制造，以及更具体，涉及在半导体器件制造中对准图形的方法。
背景技术：
半导体器件可以包括多层图形的集成结构。由此，在不同层上形成的图形可能需要在误差的限制余量范围内在其间对准。用于测量图形之间对准的许多方法是公知的。通常，可以光学地确定在图形上形成的对准键的位置，以及可以测量上和下对准键的重叠。
因为半导体器件按比例缩小，所以图形宽度可以变小，限定这种图形可能需要使用具有较短波长的光源的光刻技术。同时，为了增加形成图形中的精确度和准确度，在采用较短波长光源的光刻工序过程中可以使用较薄的光刻胶图形。但是，因为在待刻蚀材料较厚的地方这种较薄的光刻胶层不可能提供足够的刻蚀掩模，所以可以使用相对于待刻蚀材料具有刻蚀选择率的硬掩模层。
图1至3是说明用于构图半导体器件的常规方法的示图。
参考图1，在衬底10上可以形成材料层12，以及在材料层12上可以形成硬掩模层和光刻胶层。硬掩模层可以包括有机硬掩模层14(可以被容易地构图和/或相对于下材料层可以具有较好的刻蚀选择率)，以及无机硬掩模层16(可以用作有机硬掩模层14的刻蚀掩模)。光刻胶层可以被曝光和显影，以形成光刻胶图形18。
参考图2，可以使用光刻胶图形18作为刻蚀掩模，构图无机硬掩模层16，以形成无机硬掩模图形16p，以及光刻胶图形18可以被除去。可以使用无机硬掩模图形16p作为刻蚀掩模，构图有机硬掩模层14，以形成有机硬掩模图形14p。
参考图3，可以使用无机硬掩模图形16p和/或有机硬掩模图形14p作为刻蚀掩模构图材料层12，以形成材料层图形12p。材料层图形12p本身可以形成希望的图形，或可以用作用于形成其他图形的铸件/模具。在形成材料层图形12p中，无机硬掩模图形16p可以被刻蚀，和/或部分无机硬掩模图形14r可以被刻蚀。在用于形成DRAM器件的存储节点的工序中，可以使用材料层图形12p。换句话说，材料层图形12p可以限定可以形成存储节点的开口。
在后续工序中形成的图形可能需要在预定的误差限度范围内与在先工序中形成的图形对准。由此，可以在衬底的预定区域与图形一起形成用于测量上下图形之间的重叠的重叠标记，即，对准键。如图4所示，例如，使用光刻工艺，光掩模60上的图形区62可以在衬底上被照射。更具体，光掩模60可以暴露于光源，以便可以在先前工序过程中形成的芯片区52上形成图形区62。为了这样做，可以使对准键54(可以已形成在衬底的芯片区)和光掩模60上的对准键64互相对准。此外，在完成光刻之后，可以测量对准键54和对准键64的位置，可以确认它们的重叠程度。如果该重叠在预定的误差限度范围之内，可以执行刻蚀工序。
图5是说明常规对准键的平面图。该对准键可以用来测量图形之间的重叠程度，以及根据特定的对准方法可以形成有各种形状。如图5所示，对准键可以包括在先前形成的图形上的第一对准键70a和在之后形成的图形上的第二对准键70b。在光刻之前，第二对准键70b可以被设计在光掩模上，以及在光刻之后，可以形成在衬底上。可以基于键的界面处的光色散测量对准键的相对位置。可以比较第一对准键70a和第二对准键70b之间的水平距离d1和d2，以计算水平方向中的重叠，以及可以比较垂直距离d3和d4，以计算垂直方向中的重叠。
如图6所示，如果覆盖第一对准键20a的材料层12的表面保持第一对准键20a的形状外形，通过测量界面处的光分散或由于第一对准键20a材料层12中的台阶差可以从第二对准键20b测量距离d和d′。如图7和8所示，覆盖第一对准键20a的材料层12被平整，以及在其上形成不透明的有机硬掩模层14，因为光不能透过有机硬掩模层14，测量对准键20a的位置可能是困难的。因此，即使通过刻蚀光刻胶层18形成第二对准键20b之后，测量第一对准键20a的位置也可能是困难的。
发明内容
根据本发明的某些实施例，一种用于测量对准的方法，可以包括在衬底上形成第一对准键，形成覆盖第一对准键的材料层，在材料层上形成不透明的掩模层，在不透明层上执行离子注入工序，以减小不透明层的光吸收系数，在不透明层上形成光刻胶层，以及通过具有减小光吸收系数的不透明层传送光。
在某些实施例中，可以在第一对准键上形成平整的材料层。不透明层可以是有机硬掩模层，如非晶的碳层。在不透明层和光刻胶层之间可以进一步形成无机硬掩模层。
在其他实施例中，当在衬底上布置光掩模时和/在形成光刻胶图形之后，可以测量对准键的位置。例如，第一对准键的位置可以被测量，以对准衬底上的光掩模，以及可以使用光掩模使光刻胶曝光。在另一例子中，曝光的光刻胶可以被显影，以形成包括第二对准键的光刻胶图形，以及第一对准键和第二对准键的位置可以被测量，以确定光刻胶图形的对准。
根据本发明的再一实施例，一种制造半导体器件的方法可以包括，在衬底上形成材料层和在材料层上形成掩模层。例如，掩模层可以是不透明的掩模层，如非晶的碳层。离子可以被注入到掩模层中，以减小其光吸收。注入的掩模层可以被构图，以限定掩模图形，以及可以使用掩模图形作为刻蚀掩模构图材料层。
在某些实施例中，掩模层可以是有机掩模层。此外，在注入离子之前可以在有机掩模层上形成无机掩模层。离子可以通过无机掩模层被注入到有机掩模层中。
在另一实施例中，氮离子可以被注入掩模层中，以减小其光吸收。例如，具有约5×1015ion/cm2的氮离子可以被注入掩模层中。
在某些实施例，可以在材料层和衬底之间形成对准键。在离子被注入其中之后，通过注入的掩模层，可以光学地确定对准键的位置。在构图注入掩模层之前，可以使用对准键使光掩模与衬底对准。
在另一实施例中，在其上形成掩模层之前材料层可以被平整。
在某些实施例中，在注入离子之后和构图注入的掩模层之前可以在注入的掩模层上形成第二对准键。可以基于第一对准键的位置测量第二对准键的对准。如果对准在预定误差限度范围内，那么可以使用掩模图形作为刻蚀掩模构图材料层。在某些实施例中，在除去材料层之后第二掩模图形可以被除去。
在另一实施例中，通过将光传送通过注入的掩模层可以测量该对准。光可以具有约600nm至约700nm的波长，以及掩模层可以具有约0.35至约0.4范围内的光吸收系数。第一和第二对准键的相对位置可以基于透射的光来确定。
在某些实施例中，可以在部分掩模层上形成光刻胶图形。离子可以被注入被光刻胶图形曝光的部分掩模层中。
在某些实施例中，可以在约500℃至约600℃的温度下形成掩模层。在另一实施例中，掩模层可以形成至约150至约250的厚度。
根据本发明的另一实施例，一种在衬底上对准图形的方法可以包括，在衬底上形成第一对准键，在第一对准键上形成材料层，以及在材料层上形成掩模层。离子可以被注入掩模层中，例如，以减小掩模层的光吸收。在掩模层上也可以形成第二对准键。第一和第二对准键的相对位置可以通过在其中注入离子之后的掩模层光学地确定。
根据本发明的又一实施例，一种半导体器件，可以包括衬底，衬底上的对准键，对准键上的材料层，以及材料层上的非晶碳掩模层。非晶碳掩模层在其中可以包括氮。例如，非晶碳掩模层可以具有约5×1015ion/cm2的氮浓度。
在某些实施例中，非晶的碳掩模层可以形成有约150至约250的厚度。非晶的碳掩模层相对于具有约600nm至约700nm的波长的光，也可以具有约0.35至约0.4范围内的光吸收系数，。
在另一实施例中，材料层可以是平整的材料层。该器件还可以包括非晶的碳掩模层上的第二对准键。第二对准键可以在预定的误差限度范围内与第一对准键对准。
图1至3是说明用于构图半导体衬底的常规方法的剖面图；图4是说明常规对准工艺的平面图；
图5是说明常规对准键的平面图；图6至8是说明用于在衬底上对准图形的常规方法的剖面图；图9A-B，10A-B以及11是说明根据本发明的某些实施例用于在衬底上对准图形的方法的剖面图；以及图12是说明根据本发明的某些实施例在衬底上对准图形的方法中使用的掩模层的光吸收图。
具体实施例方式
下面将参考附图更完全地描述本发明，其中示出本发明的优选实施例。但是，本发明不应该被认为是局限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了本公开是彻底的和完全的，并将本发明的范围完全传递给所属领域的技术人员。在图中，为了清楚放大了层和区域的厚度。在整篇中，相同的数字始终指相同的元件。
应当理解当一个元件例如层、区域或衬底称为在另一元件“上”或在另一个元件“上”延伸时，它可以直接在另一元件上或直接在元件上延伸，或也可以存在插入元件。相反，当一个元件称为直接在另一个元件“上”或直接在另一个元件“上”延伸时，不存在插入元件。应当理解当一个元件称为“连接”或“耦接”到另一个元件时，它可以被直接连接或耦接到另一个元件，或可以存在插入元件。相反，当一个元件称为“直接连接”或“直接耦合”到另一个元件时，不存在插入元件。
还应当理解尽管在此可以使用术语第一和第二等来描述各个元件，但是这些元件不应该受这些术语限制。这些术语仅仅用来使一个元件与其它元件相区别。例如，在不脱离本发明的范围的条件下，下面论述的第一元件可以称为第二元件，同样，第二元件可以称为第一元件。
此外，在此可以使用相对术语，如“下”或“底部”和“上”或“顶部”来描述一个元件与图中所示的其它元件的关系。应当理解相对术语是用来包括除图中描绘的取向之外的器件的不同取向。例如，如果图的元件被翻转，那么描述为在其他元件的“下”侧上的元件将定向在其他元件的“上”侧上。因此示例性术语“下”根据图的特定取向可以包括“下”和“上”两种取向。同样地，如果图中的器件被翻转，那么描述为在其他元件“下面”或“底下”的元件将定向在其他元件“上面”。因此示例性术语“在...下面”或“在...底下”可以包括“在...之上”和“在...之下”的两种取向。
在此在本发明的说明书中使用的专业词汇是仅仅用于描述特定的实施例，不打算限制本发明。如本发明的说明书和附加权利要求中使用的单数形式“a”、“an”和“the”也打算包括复数形式，除非上下文另外清楚地表明。还应当理解在此使用的术语“和/或”指和包括一个或多个相关列项的任意和所有可能的组合。还应当理解，当说明书中使用术语“comprises”和/或“comprising”时，说明陈述的部件、整体、步骤、操作、元件、和/或组件的存在，但是不排除存在或增加一个或多个其他部件、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组。
在此参考剖面图描述本发明的实施例，剖面图是本发明的理想化实施例(和中间结构)的示意图。照此，将预想由于制造工艺和/或容差图例形状的变化。因此，本发明的实施例不应该认为限于在此所示的区域的特定形状，而是包括所得的形状例如由制造产生的偏差。例如，图示为矩形的注入区一般地将具有圆润的或弯曲的特点和/或在其边缘具有注入浓度的梯度，而不是从注入区至非注入区的二元变化。同样，通过注入形成的掩埋区可以引起掩埋区和通过其进行注入的表面之间区域中发生某些注入。因此，图中所示的区域本质上是示意性的，且它们的形状不打算图示器件区域的实际形状，以及不打算限制本发明的范围。
除非另外限定，在本发明的公开实施例中使用的所有术语，包括技术和科学术语，具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解相同的意思，以及不必局限于在描述本发明的时候知道的具体定义。由此，这些术语可以包括在此之后产生的等效术语。还应当理解如在通常使用的词典中定义的那些术语应该解释为具有符合相关技术和本公开的环境中的意思且不被理想化解释或过度地形式感知，除非在此清楚地限定。在此提及的所有出版物、专利申请、专利及其他参考文献被全部引入作为参考。
图9A，9B，10A，10B和11是说明根据本发明的某些实施例，在衬底上对准图形的方法的剖面图。
现在参考图9A，在其上形成第一对准键120a的衬底100上形成材料层102，以及在材料层102上形成有机硬掩模层104。常规对准测量装置可以采用具有约600nm至约700nm波长范围的光源测量对准。有机硬掩模层104可以由相对于材料层102具有较好的刻蚀选择率的非晶碳层形成。因为有机硬掩模层104可以具有较高的光吸收系数，所以测量对准可能需要较薄的有机硬掩模层。但是，为了提供与材料层102相关的适当的刻蚀掩模，可能需要较厚的有机硬掩模层104。因而，可以基于其想要的使用确定有机硬掩模层104的厚度。换句话说，有机硬掩模层104不能形成超出对准工艺使用的最大厚度，以及不能形成超出用作刻蚀掩模的最小厚度。
因为形成有机硬掩模层104时的温度增加，所以有机硬掩模层104的光吸收系数也可以增加。由此，有机硬掩模层104可以在较低温度下形成，以减小其光吸收系数。但是，在较低温度下形成的有机硬掩模层104具有较高的氢气浓度，且因此可能具有较低的刻蚀抵抗性。因而，有机硬掩模层104必须在至少500℃的温度下形成，以足够地用作刻蚀掩模。
根据本发明的某些实施例，有机硬掩模层104可以在约500℃至约600℃的温度范围内形成。因而，有机硬掩模层104可以是具有较高光吸收系数和较高刻蚀抵抗性的不透明层。例如，有机硬掩模层可以是使用源气体如液体碳CxHy和反应气体如氢气、氮气和/或氨气形成的非晶碳层。
使用离子注入工艺可以减小有机硬掩模104的光吸收系数。例如，具有约1015ion/cm2浓度的氮离子可以被注入有机硬掩模层104中，以相对于具有例如约600nm至约700nm的波长范围的对准测量光源，降低其光吸收系数。
为了提供用于构图下材料层的足够的蚀刻掩模，有机硬掩模层104可以形成至约150埃()至约250的厚度范围。通过将离子注入有机硬掩模层104中，有机硬掩模层104a的光吸收系数可以被减小至约0.35至约0.40的范围。因而，光可以通过有机硬掩模层104a传送，以到达第一对准键120a。
参考图10A，在通过离子注入工艺降低其光吸收系数之后，在有机硬掩模层104a上形成无机硬掩模层106。在无机硬掩模层106上形成光刻胶层108。光刻胶层108可以包括在其下部的防反射层。执行对准工艺，以使光掩模(包括其上的图形)与其上形成光刻胶层108的衬底100对准。因为有机硬掩模层104a相对于如上所述的光源具有较低的光吸收系数，因此可以确定第一对准键120a的位置和可以测量光掩模上的第一对准键120a和第二对准键的重叠，以在衬底100上对准光掩模。但是，如果基于光掩模上的对准键的位置和预定的输入坐标对准光掩模，那么衬底上的对准键和光掩模上的对准键的重叠测量可以被省略。
参考图11，在衬底上使用光刻胶层108上对准的光掩模执行光刻工艺，以形成光刻胶图形。光刻胶图形包括第二对准键120b。如果第二对准键120b和第一对准键120a之间的重叠超过预定的误差限度，那么可能要求返工。
相反，如果光刻胶图形的重叠在误差限度范围内，那么使用光刻胶图形作为刻蚀掩模，刻蚀硬掩模层104a和材料层102。
图9B和10B是说明根据本发明的再一实施例，在衬底上对准图形的方法的剖面图。
如图9B所示，在有机硬掩模层104上执行离子注入工艺，以减小光吸收，如上所述。但是，与图9A所示的实施例相反，在有机硬掩模层104上形成无机硬掩模层106之后，执行离子注入工序。换句话说，离子可以通过无机硬掩模层106被注入到有机硬掩模层104中。通过在其上形成光刻胶图形107，在除对准键区以外的区域可以防止离子注入工序。
参考图10B，由于离子注入工序，在对准键区上的部分无机硬掩模层106处可以形成离子注入层106a。但是，因为光可以透过注入的掩模层106a和104a，因此可以确定第一对准键的位置。
如上所述，当在构图工序中使用相对于下材料层具有较好的刻蚀选择率的不透明硬掩模层时，通过将离子注入不透明硬掩模层中可以降低不透明硬掩模层的光吸收系数。结果，即使一个或多个下层被平整，因为光可以透过注入的硬掩模层至对准键，因此对准键的位置可以被确定。
图12是说明根据本发明的某些实施例与有机硬掩模层的光吸收有关的离子注入效果的图形。图形示出在550℃、50keV能量下(线①)由注入具有约5×1015ion/cm2浓度的氮到非晶碳层中获得的结果图形。该图形也说明在相似条件下形成的非晶碳层中的光吸收，但是氮离子没有被注入(线②)。
如图12所示，当执行离子注入时(线①)，与不执行离子注入时相比(线②)，可以改变有机硬掩模层的光吸收系数。更具体，对于具有约600nm至约700nm波长范围的光源，注入离子的掩模层可以具有约0.35至约0.40的光吸收系数，而不注入离子的掩模层可以具有约0.45的光吸收系数。
尽管参考其示例性实施例具体展示和描述了本发明，但是本领域的普通技术人员应当明白在不脱离附加权利要求及其等效词所限定的本发明的精神和范围的条件下，可以在形式上和细节上可以进行各种改变。
权利要求
1.一种制造半导体器件的方法，该方法包括在衬底上形成材料层；在材料层上形成掩模层；将离子注入掩模层中，以减小其光吸收；构图注入的掩模层，以限定掩模图形；以及使用掩模图形作为刻蚀掩模，构图材料层。
2.根据权利要求1的方法，其中掩模层包括有机掩模层。
3.根据权利要求2的方法，还包括在注入离子之前，在有机掩模层上形成无机掩模层，其中注入离子包括通过无机掩模层将离子注入到有机掩模层中。
4.根据权利要求1的方法，其中掩模层包括非晶的碳层。
5.根据权利要求1的方法，其中注入离子包括将氮离子注入掩模层中，以减小其光吸收；
6.根据权利要求5的方法，其中注入氮离子包括注入具有约5×1015ion/cm2的氮浓度的氮离子。
7.根据权利要求1的方法，还包括在材料层和衬底之间形成对准键；以及在其中注入离子之后，通过注入的掩模层光学地确定对准键的位置。
8.根据权利要求7的方法，还包括在其上形成掩模层之前平整材料层。
9.根据权利要求7的方法，还包括在注入离子之后和构图注入掩模层之前使用对准键，使光掩模与衬底对准。
10.根据权利要求7的方法，还包括在注入离子之后和构图注入掩模层之前在注入掩模层上形成第二对准键；以及基于第一对准键的位置测量第二对准键的对准。
11.根据权利要求10的方法，其中测量该对准包括使光透过注入的掩模层；以及基于透射的光确定第一和第二对准键的相对位置。
12.根据权利要求11的方法，其中光可以具有约600nm至约700nm的波长，以及其中掩模层可以具有约0.35至约0.4范围内的光吸收系数。
13.根据权利要求10的方法，其中构图材料层包括如果在预定误差限度范围内对准，那么使用掩模图形作为刻蚀掩模刻蚀材料层。
14.根据权利要求1的方法，还包括在部分掩模层上形成光刻胶图形，其中注入离子包括将离子注入被光刻胶图形曝光的部分掩模层中。
15.根据权利要求1的方法，其中形成掩模层包括在约500℃至约600℃的温度下形成掩模层。
16.根据权利要求1的方法，其中形成掩模层包括形成约150至约250厚度的掩模层。
17.根据权利要求1的方法，还包括在构图材料层之后除去掩模图形。
18.一种在衬底上对准图形的方法，包括在衬底上形成第一对准键；在第一对准键上形成材料层；在材料层上形成掩模层；将离子注入掩模层中；在掩模层上形成第二对准键；以及在其中注入离子之后，通过掩模层光学地确定第一和第二对准键的相对位置。
19.一种半导体器件，包括衬底；衬底上的对准键；对准键上的平整材料层；以及材料层上的其中包括氮的非晶碳掩模层。
20.根据权利要求19的器件，其中非晶的碳掩模层具有约5×1015ion/cm2的氮浓度。
21.根据权利要求19的器件，其中非晶的碳掩模层具有约150至约250的厚度，以及相对于具有约600nm至约700nm波长的光具有约0.35至约0.4范围内的光吸收系数。
22.根据权利要求19的器件，还包括在非晶的碳掩模层上以及在预定的误差限度范围内与第一对准键对准的第二对准键。
全文摘要
一种制造半导体器件的方法，包括，在衬底上形成材料层，在材料层上形成掩模层，以及将氮离子注入掩模层中，以减小其光吸收。在材料层和衬底之间可以形成对准键，以及可以通过注入的掩模层光学地确定对准键的位置。注入的掩模层可以被构图，以限定掩模图形，以及可以使用掩模图形作为刻蚀掩模，构图材料层。还论述了相关器件。
文档编号H01L21/027GK1760754SQ200510108599
公开日2006年4月19日 申请日期2005年10月11日 优先权日2004年10月11日
发明者申壮浩, 李昔柱, 赵汉九, 禹相均 申请人:三星电子株式会社