自对准双构图方法
【专利摘要】为避免干法刻蚀形成的沟槽开口大、底部小，及其进而导致的图形转移不精准问题，本发明提供一种新的自对准双构图方法。先利用干法刻蚀在第一材料层内形成开口大、底部小的沟槽，且所述沟槽的底部暴露所述待刻蚀层；接着在该沟槽内填入第二材料层，该第二材料层的形状与沟槽的形状相同；接着去除第一材料层，对保留的第二材料层进行修正，本步骤利用了修正工艺的特点，即对顶部的去除量大于底部，从而使得以修正后的第二材料层为核进行的基于侧墙的双构图工艺转移图形更为精准。此外，通过对修正量的控制，使得第二材料层的顶部尺寸与底部尺寸接近，从而提高了构图的均匀性。
【专利说明】自对准双构图方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种自对准双构图方法。
【背景技术】
[0002]目前，随着大规模集成电路制造技术的不断发展，行业内越来越希望形成高集成度的半导体器件。高集成度的半导体器件，例如动态随机存取存储器(DRAM)等包括大量精细的图案，这些图案是通过光刻、刻蚀工序将掩膜板图案转移至半导体层上形成的。光刻的工序一般为:将光刻胶(PR)涂覆在需图案化的目标层上，然后，执行曝光工序改变部分区域的光刻胶的溶解度，之后执行显影工序形成暴露出目标层的光刻胶图案，上述工序完成了将掩膜板图案转移至光刻胶上。以该光刻胶图案为掩膜进行刻蚀工序以将光刻胶图案转移至半导体层上。然而，曝光工序中由于衍射现象的存在，不可能无限制地提高关键尺寸，成为集成度进一步提闻的瓶颈。
[0003]为了解决上述问题，行业内出现了自对准双构图方法(Self-aligned DoublePatterning, SaDP)。一般来说，双构图包括采用两套掩膜板，即曝光-刻蚀-曝光-刻蚀(Litho-Etch-Litho-Etch)的双构图方案，或采用一套掩膜板，以该掩膜板形成的图案的侧墙(spacer)为掩膜进行刻蚀的基于侧墙进行双构图的方案。关于后者的具体工艺，以形成栅极为例，以下结合图1至图6简要介绍。
[0004]首先，参照图1所示的结构截面示意图，提供半导体衬底10，并在半导体衬底10上依次形成由栅氧化层及多晶硅组成的栅极结构层11、材质为氮化硅的硬掩膜层12。
[0005]然后，通过掩膜板曝光、刻蚀工艺在硬掩膜层12内形成多个沟槽13以暴露出栅极结构层11。以两个沟槽13为例，形成的结构的截面示意图如图2所示。假设两沟槽13的宽度均为Wl。
[0006]接着，参照图3所示，在沟槽13内淀积覆盖层14，该覆盖层14未填满所述沟槽13。
[0007]之后，参照图4所示，回蚀覆盖层14形成侧墙14’，并去除硬掩膜层12。
[0008]接着，以该侧墙14’为掩膜，刻蚀该栅极结构层11，形成的双构图的栅极结构示意图如图5所示。
[0009]可以看出，通过上述双构图方法，将原本沟槽13的尺寸缩小了一半，即在原套图案内插入了一组新的图案，可提高器件的密度。
[0010]然而，上述方法在实际实施过程中存在一些缺陷，其中一个缺陷存在于刻蚀过程中。具体地，图2所示的刻蚀形成的竖直侧壁均为理想情况，该侧壁竖直的硬掩膜层12在图形转移过程中较为精准，但事实情况是，如图6所示，刻蚀形成的结构普遍存在底部大、顶部小的问题，即侧壁并不竖直。可以预见的是，该梯形硬掩膜层12 (tapered，底部大、顶部小)会造成后续栅极结构与预定形成的栅极结构两者形貌、形成位置出现偏差，即关键尺寸(Critical Dimens1n,⑶)不一致问题。此外,刻蚀形成的结构底部大小无法控制,因而，也会造成关键尺寸均勻性(Critical Dimens1n Uniformity, Q)U)较差的问题。
[0011]有鉴于此，实有必要提出一种新的自对准双构图方法，以避免现有的双构图方法图案转移不精准及图案均匀性较差的问题。
【发明内容】
[0012]本发明解决的问题是提出一种自对准双构图方法，以避免现有的双构图方法图案转移不精准及图案均匀性较差的问题。
[0013]为解决上述问题，本发明提供一种自对准双构图方法，包括:
[0014]提供待刻蚀层，在所述待刻蚀层上形成具有沟槽的第一材料层，所述沟槽的开口大，底部小，且所述沟槽的底部暴露所述待刻蚀层；
[0015]在所述沟槽内填入第二材料层；
[0016]去除所述第一材料层，保留填入的所述第二材料层，所述第二材料层的顶部尺寸大于底部尺寸；
[0017]对所述第二材料层进行修正，所述修正对所述第二材料层的顶部去除量大于对所述第二材料层的底部去除量；
[0018]在所述第二材料层上形成厚度一致的第三材料层；
[0019]回蚀所述第三材料层形成侧墙；
[0020]去除所述第二材料层，保留其周围的侧墙；
[0021]以所述侧墙为掩膜，刻蚀所述待刻蚀层形成双构图的图案。
[0022]可选地，对所述第二材料层进行修正步骤中，使得所述第二材料层的侧壁竖直。
[0023]可选地，所述第一材料层的材质为无定形碳，其内的沟槽通过光刻、刻蚀法形成。
[0024]可选地，所述第二材料层为含硅抗反射层。
[0025]可选地，所述第二材料层的修正采用干法刻蚀。
[0026]可选地，所述第二材料层的修正采用的刻蚀气体及流量为:CF4:0-200sccm，HBr:0_200sccm, Cl2:0_200sccm, O2:0_200sccm, He:0_200sccm, Ar:0_200sccm,压强为:3mTorr-200mTorr,功率为:100W_1000W。
[0027]可选地，所述待刻蚀层为多晶硅、金属或二氧化硅。
[0028]可选地，所述待刻蚀层还包括硬掩膜层，所述硬掩膜层的材质为氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、氮碳化硅、氮化钛、氮化铝、氮化铜或上述至少两种材料的组合。
[0029]可选地，所述第三材料层的材质为氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、氮碳化硅或上述至少两种材料的组合。
[0030]可选地，所述第三材料层通过原子层沉积法形成。
[0031]可选地，去除所述第一材料层前，还对所述第二材料层进行回蚀。
[0032]可选地，所述第二材料层采用显影液去除。
[0033]与现有技术相比，本发明具有以下优点:1)为避免干法刻蚀形成的沟槽开口大、底部小，及其进而导致的图形转移不精准问题，本发明先利用干法刻蚀在第一材料层内形成开口大、底部小的沟槽，接着在该沟槽内填入第二材料层，该第二材料层的形状与沟槽的形状相同，接着去除第一材料层，对保留的第二材料层进行修正(Trimming)，本步骤利用了修正工艺的特点，即对顶部的去除量大于底部，从而使得以修正后的第二材料层为核(Core)进行的基于侧墙(Spacer)的双构图工艺转移图形更为精准，此外，通过对修正量的控制，使得第二材料层的顶部尺寸与底部尺寸接近，从而提高了构图的均勻性(Uniformity)。
[0034]2)可选方案中，为了实现以修正后的第二材料层为核进行的基于侧墙的双构图工艺转移图形进一步精准，在对第二材料层进行修正的过程中，通过修正量的控制，使得底部小、顶部大的第二材料层的侧壁竖直，此处的竖直是指第二材料层的侧壁与待刻蚀层，或称与所述待刻蚀层形成的基底，即半导体衬底垂直。该侧壁竖直的第二材料层，其顶部尺寸与底部尺寸相等，进一步提高了构图的均匀性。
[0035]3)可选方案中，第一材料层的材质为无定形碳,第二材料层的材质为含娃底部抗反射层，利用灰化法去除第一材料层时，能完整保留第二材料层的形状。
[0036]4)可选方案中，本方案的双构图可以用于制作栅极、金属互连结构,相应地,掩膜板的图形被转移至多晶硅、金属或二氧化硅上。
[0037]5)可选方案中，在4)可选方案的基础上，本方案的双构图可以先转移至硬掩膜上，然后再以硬掩膜为掩膜，将掩膜板的图形转移至多晶硅、金属或二氧化硅上，从而完成栅极(对应多晶硅)、金属互连结构(对应金属或二氧化硅)的制作。
[0038]6)可选方案中，用于形成侧墙的材质(第三材料层)是通过原子层沉积法形成的，如此能实现侧墙厚度的精准控制，侧墙较薄且沉积厚度均匀。
【专利附图】
【附图说明】
[0039]图1-图6是现有技术的双构图方法形成的各结构示意图；
[0040]图7-图15是本发明实施例提供的双构图方法各步骤形成的结构示意图。
【具体实施方式】
[0041]正如【背景技术】所述，现有的双构图方法中采用的干法刻蚀，会存在形成的沟槽开口大、底部小，进而导致图形转移不精准的问题。针对上述问题，本发明提出一种自对准构图方法，先利用现有的干法刻蚀在第一材料层内形成开口大、底部小的沟槽，接着在该沟槽内填入第二材料层，该第二材料层的形状与沟槽的形状相同，接着去除第一材料层，对保留的第二材料层进行修正(Trimming)，本步骤利用了修正工艺的特点，即对顶部的去除量大于底部，从而使得以修正后的第二材料层为核(Core)进行的基于侧墙(Spacer)的双构图工艺转移图形更为精准。此外，通过对修正量的控制，使得第二材料层的顶部尺寸与底部尺寸接近，从而提高了构图的均勻性(Uniformity)。
[0042]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做详细的说明。由于本发明重在解释原理，因此，未按比例制图。
[0043]以下结合图7至图15所示的各结构示意图，仍以制作晶体管的栅极结构为例，详细介绍本发明的一个实施例提供的自对准双构图方法。
[0044]步骤Sll:提供待刻蚀层，在所述待刻蚀层上形成具有沟槽的第一材料层，所述沟槽的开口大，底部小。
[0045]如图7所示，本实施例中，待刻蚀层为形成半导体衬底20之上，由栅氧化层及多晶硅组成的栅极结构层21。
[0046]第一材料层22为形成于栅极结构层21之上的无定形碳，其内的沟槽23通过现有的光刻、刻蚀法形成，所述沟槽23暴露出栅极结构层21表面。
[0047]如【背景技术】所述，现有的光刻、刻蚀法形成的沟槽23形状普遍为底部大、顶部小，侧壁呈现倾斜状(tapered)。为示意方便，图7所示将底部大、顶部小的结构简化为梯形结构。
[0048]步骤S12:在所述沟槽内填入第二材料层。
[0049]如图8所示，本实施例中，填入的第二材料层24优选流动性较好的抗反射层材质(ARC)0此外，由于后续第一材料层22需去除而保留第二材料层24，因而，第二材料层24材质不同于第一材料层22，本实施例中，第一材料层22在选择无定形碳时，该无定形碳优选采用灰化法去除，为避免该灰化同时也将抗反射层去除，该抗反射层材质优选含硅。其它实施例中，根据上述发明构思，该第二材料层24也可选择去除第一材料层22时得以保留的材质。
[0050]同样基于去除第一材料层22的目的，本步骤中，若第二材料层24厚度过厚，将第一材料层22包埋其中，如图8所示，不利于第一材料层22的去除，可进行部分高度回蚀(etch back)，将第一材料层22暴露出(如图9所示)。此外,该回蚀也可对第二材料层24的厚度进行控制。
[0051]步骤S13:去除所述第一材料层，保留填入的所述第二材料层，所述第二材料层的顶部尺寸大于底部尺寸。
[0052]如图10所示，可以看出，该保留的第二材料层24的形状与第一材料层22的形状互补，为顶部大、底部小。
[0053]步骤S14:对所述第二材料层进行修正，使得其侧壁竖直。
[0054]本步骤利用了修正(Trimming)工艺的特点，即对顶部的去除量大于底部，从而使得以后续进行的以修正后的第二材料层为核(Core)的基于侧墙(Spacer)的双构图工艺转移图形更为精准。此外，通过对修正量的控制，使得第二材料层24的顶部尺寸与底部尺寸接近，从而提高了构图的均勻性(Uniformity)。
[0055]本实施例中，本步骤对修正量的控制，如图11所示，优选使得对顶部尺寸大于底部尺寸的第二材料层24 (如图10所示)进行修正后的第二材料层24’的侧壁竖直。此处的侧壁竖直，是指该第二材料层24’的侧壁与待刻蚀层21，或称与所述待刻蚀层21所形成的基底，即半导体衬底20垂直。可以理解的是，以侧壁竖直的第二材料层24’为核(Core)，基于侧墙的双构图工艺转移图形会更为精准。另外，修正后的第二材料层24’的顶部尺寸与底部尺寸相等，也会进一步提高构图的均勻性(Uniformity)。
[0056]本步骤中，所述第二材料层24的修正采用干法刻蚀。本实施例中，第二材料层为含硅的抗反射层，其采用的具体刻蚀气体及流量为=CF4:0-200sccm, HBr:0-200sccm, Cl2:0_200sccm, O2:0-200sccm, He:0-200sccm, Ar:0-200sccm,压强为:3mTor;r-200mTo;r;r,功率为:100ff-1000ffo
[0057]形成上述竖直的第二材料层24’后，可以以此为掩膜进行基于侧墙的双构图工艺。具体参照如下步骤S15至S18。
[0058]步骤S15:在所述第二材料层上形成厚度一致的第三材料层。
[0059]如图12所示，所述第三材料层25的目的为形成侧墙(spacer)，其材质为现有的侧墙材质，例如为氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、氮碳化硅或上述至少两种材料的组合。此外，为对栅极结构的尺寸进行精确控制，本步骤中，第三材料层25优选通过原子层沉积法(ALD)形成。
[0060]由于后续需去除第二材料层24’，保留第三材料层25，因而，第三材料层25的材质可以根据去除工艺选择材质不同于第二材料层24’。
[0061]步骤S16:回蚀所述第三材料层形成侧墙。
[0062]本步骤形成的侧墙25’如图13所示，其采用的回蚀工艺为现有工艺，在此不再赘述。
[0063]步骤S17:去除所述第二材料层，保留其周围的侧墙。
[0064]本步骤形成的结构如图14所示，第二材料层24’(如图13所示)材质为含硅的抗反射层，其可以采用显影液去除，为避免第二材料层24’去除不干净，造成以其为掩膜进行图案转移过程的不精准，本步骤含硅抗反射层优选采用商标为CLK888的清洗剂(显影液)去除。
[0065]步骤S18:以所述侧墙为掩膜，刻蚀所述待刻蚀层形成双构图的图案。
[0066]本步骤形成的结构如图15所示，可以看出，相对于图11的半导体衬底20上具有的2个图案，经过上述双构图工艺，实现了将栅极结构21’图案密度加倍的目的。
[0067]需要说明的是，上述实施例的待刻蚀层为栅极结构层21，其它实施例中，所述待刻蚀层还可以包括硬掩膜层，以将第三材料层25形成的图案先转移至所述硬掩膜层，再转移至栅极结构层21。具体实施过程中，硬掩膜层的材质可以为氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、氮碳化硅、氮化钛、氮化铝、氮化铜或上述至少两种材料的组合。
[0068]本方案的双构图除了用于制作晶体管的栅极，还可以用于制作金属互连结构，相应地，掩膜板的图形被直接转移至材质为金属或二氧化硅的待刻蚀层上，或先转移至硬掩膜，再转移至待刻蚀层。
[0069]本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，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、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
【权利要求】
1.一种自对准双构图方法，其特征在于，包括: 提供待刻蚀层，在所述待刻蚀层上形成具有沟槽的第一材料层，所述沟槽的开口大，底部小，且所述沟槽的底部暴露所述待刻蚀层； 在所述沟槽内填入第二材料层； 去除所述第一材料层，保留填入的所述第二材料层，所述第二材料层的顶部尺寸大于底部尺寸； 对所述第二材料层进行修正，所述修正对所述第二材料层的顶部去除量大于对所述第二材料层的底部去除量； 在所述第二材料层上形成厚度一致的第三材料层； 回蚀所述第三材料层形成侧墙； 去除所述第二材料层，保留其周围的侧墙； 以所述侧墙为掩膜，刻蚀所述待刻蚀层形成双构图的图案。
2.根据权利要求1所述的自对准双构图方法，其特征在于，对所述第二材料层进行修正步骤中，使得所述第二材料层的侧壁竖直。
3.根据权利要求1所述的自对准双构图方法，其特征在于，所述第一材料层的材质为无定形碳，其内的沟槽通过光刻、刻蚀法形成。
4.根据权利要求1所述的自对准双构图方法，其特征在于，所述第二材料层为含硅抗反射层。
5.根据权利要求1或2或4所述的自对准双构图方法，其特征在于，所述第二材料层的修正采用干法刻蚀。
6.根据权利要求4所述的自对准双构图方法，其特征在于，所述第二材料层的修正采用的刻蚀气体及流量为:CF4:0_200sccm, HBr:0_200sccm, Cl2:0_200sccm, O2:0_200sccm,He:0-200sccm, Ar:0-200sccm,压强为:3mTor;r-200mTo;r;r,功率为:100W-1000W。
7.根据权利要求1所述的自对准双构图方法，其特征在于，所述待刻蚀层为多晶硅、金属或二氧化硅。
8.根据权利要求7所述的自对准双构图方法，其特征在于，所述待刻蚀层还包括硬掩膜层，所述硬掩膜层的材质为氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、氮碳化硅、氮化钛、氮化铝、氮化铜或上述至少两种材料的组合。
9.根据权利要求1所述的自对准双构图方法，其特征在于，所述第三材料层的材质为氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、氮碳化硅或上述至少两种材料的组合。
10.根据权利要求1所述的自对准双构图方法，其特征在于，所述第三材料层通过原子层沉积法形成。
11.根据权利要求1所述的自对准双构图方法，其特征在于，去除所述第一材料层前，还对所述第二材料层进行回蚀。
12.根据权利要求4所述的自对准双构图方法，其特征在于，所述第二材料层采用显影液去除。
【文档编号】H01L21/308GK104051255SQ201310080600
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2013年3月13日 优先权日:2013年3月13日
【发明者】张海洋, 张城龙 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司