双重图形结构及其形成方法
【专利摘要】一种双重图形结构及其形成方法，所述双重图形结构的形成方法包括：提供待刻蚀层；在所述待刻蚀层上形成应力层；在所述应力层上形成具有若干开口的牺牲层，所述开口暴露出部分应力层的表面；在所述应力层和牺牲层表面形成侧墙材料层；在所述侧墙材料层表面形成填充满所述开口的介质层；以所述牺牲层为停止层，对所述介质层进行平坦化，暴露出牺牲层的顶部表面；去除所述牺牲层和介质层；刻蚀所述应力层，在所述应力层内形成贯穿所述应力层的凹槽。采用上述方法形成的双重图形结构不会发生形变。
【专利说明】双重图形结构及其形成方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体【技术领域】，特别涉及一种双重图形结构及其形成方法。
【背景技术】
[0002] 随着集成电路设计的最小线宽和间距的不断缩小，当曝光线条的特征尺寸接近于 曝光系统的理论分辨极限时，硅片表面的成像就会发生严重的畸变，从而导致光刻图形质 量的严重下降。为了减小光学邻近效应的影响，工业界提出了光刻分辨率增强技术（RET)， 其中备受关注的双重图形技术（DPT)被认为是填补浸入式光刻和EUV之间鸿沟的有力保 障。
[0003] 双重图形技术通常在待刻蚀材料层上形成刻蚀牺牲层，在刻蚀牺牲层的周围形成 侧墙，去除所述刻蚀牺牲层后，以所述侧墙为掩膜，刻蚀所述待刻蚀材料层，可以形成特征 尺寸小的图形。
[0004] 图1至图5为现有技术中采用双图形化方法形成双重图形的结构示意图。
[0005] 请参考图1，在半导体衬底10上形成刻蚀材料层20。
[0006] 请参考图2,在刻蚀材料层20的表面形成待刻蚀牺牲材料层（未示出），刻蚀所述 待刻蚀牺牲材料层，形成图形化的牺牲层30,暴露出部分刻蚀材料层20的表面。
[0007] 请参考图3,在所述图形化的牺牲层30表面以及刻蚀材料层20表面形成侧墙材料 层，并刻蚀所述侧墙材料层，在所述图形化的牺牲层30的侧壁表面形成侧墙40。
[0008] 请参考图4,去除图形化的牺牲层30。
[0009] 请参考图5,以所述侧墙40为掩膜，对刻蚀材料层20进行刻蚀，形成待刻蚀图形 21。
[0010] 现有技术形成的双重图形容易发生变形，影响后续刻蚀所述刻蚀材料层形成的刻 蚀图形的准确性。
【发明内容】
[0011] 本发明解决的问题是提供一种双重图形结构及其形成方法，可以提高形成的刻蚀 图形的准确性。
[0012] 为解决上述问题，本发明提供一种双重图形结构的形成方法，包括：提供待刻蚀 层；在所述待刻蚀层上形成应力层；在所述应力层上形成具有若干开口的牺牲层，所述开 口暴露出部分应力层的表面；在所述应力层和牺牲层表面形成侧墙材料层；在所述侧墙材 料层表面形成填充满所述开口的介质层；以所述牺牲层为停止层，对所述介质层进行平坦 化，暴露出牺牲层的顶部表面；去除所述牺牲层和介质层；以所述侧墙材料层为掩膜，刻蚀 所述应力层，形成贯穿所述应力层的凹槽。
[0013] 可选的，所述应力层为单层结构或双层结构。
[0014] 可选的，所述应力层的材料为氮化硅、碳化硅或正硅酸乙酯。
[0015] 可选的，所述应力层的厚度为5()A?1000A。
[0016] 可选的，所述单层结构的应力层具有压应力或张应力。
[0017] 可选的，所述应力层的应力大小为50MPa?lOOOMPa。
[0018] 可选的，所述双层结构的应力层包括位于所述待刻蚀层上的张应力层和位于所述 张应力层表面的压应力层。
[0019] 可选的，所述牺牲层的材料为光刻胶、抗反射涂层或氮化硅。
[0020] 可选的，采用原子层沉积工艺形成所述侧墙材料层。
[0021] 可选的，所述介质层的材料为光刻胶、抗反射材料、SiCO或SiCOH。
[0022] 可选的，所述待刻蚀层的材料为低介电常数材料、无定形硅、无定形碳、氧化硅、 SiN、SiON、SiCN、SiC、BN、SiCO、SiCOH、BN或TiN。
[0023] 可选的，在所述待牺牲层表面形成硬掩膜层之后，在所述硬掩膜层表面形成应力 层。
[0024] 为解决上述问题，本发明的技术方案还提供了一种采用上述方法形成的双重图形 结构，包括：待刻蚀层；位于待刻蚀层上的若干分立的应力层；位于应力层的两端表面上的 分立的侧墙。
[0025] 可选的，所述应力层为单层结构或双层结构。
[0026] 可选的，所述应力层的材料为氮化硅、碳化硅或正硅酸乙酯。
[0027]可选的，所述应力层的厚度为5〇A?1000A。
[0028] 可选的，所述单层结构的应力层具有压应力或张应力。
[0029] 可选的，所述应力层的应力大小为50MPa?lOOOMPa。
[0030] 可选的，所述双层结构的应力层包括位于所述待刻蚀层上的张应力层和位于所述 张应力层表面的压应力层。
[0031] 可选的，所述侧墙的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、氮碳化硅中的一种 或多种。
[0032] 与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
[0033]在待刻蚀层上形成应力层，所述应力层具有应力，在所述应力层表面形成侧墙材 料层的过程中，所述应力层用于消除或减小侧墙材料层与牺牲层之间产生的应力，在牺牲 层去除后，可以避免侧墙发生形变。在形成所述侧墙材料层之后，在所述侧墙材料层表面形 成介质层并且平坦化，暴露出牺牲层，同时去除所述牺牲层和介质层暴露出部分应力层的 表面，然后刻蚀应力层，形成贯穿应力层的凹槽，所述凹槽使得应力层被分成若干小尺寸的 应力层，降低了应力层内的应力，相邻小尺寸的应力层表面的侧墙之间被分离开，不会受到 其余应力层的应力影响，从而消除或减小了应力层与侧墙之间的应力，并且消除或减小了 应力层与待刻蚀层之间的应力。而且，在刻蚀形成所述凹槽的同时，对侧墙进行刻蚀，使若 干小尺寸的应力层表面的侧墙之间相互断开，并且还可以在所述若干小尺寸的应力层表面 形成凹陷，使得位于所述小尺寸的应力层表面的侧墙之间相互分离，相互之间没有应力作 用。因此，上述方法可以使得侧墙发生形变的应力消除或减小到最小，从而避免侧墙发生形 变。
[0034]进一步，采用本发明的双重结构的形成方法所形成的双重图形结构的侧墙能够保 持垂直，不会发生形变，从而可以提高后续刻蚀待刻蚀层形成的刻蚀图形的准确性。
【专利附图】
【附图说明】
[0035] 图1至图6为现有技术中采用双重图形结构的形成过程的结构示意图；
[0036] 图7至图14为本发明的实施例的双重图形结构的形成过程的结构示意图。
【具体实施方式】
[0037] 如【背景技术】中所述，现有技术形成的双重图形结构容易发生变形，影响后续形成 的刻蚀图形的准确性。
[0038] 研究发现，现有技术中，去除牺牲层之后实际形成的侧墙形貌如图6所示，在将相 邻侧墙40之间的牺牲层30 (参考图3)去除后，相邻的侧墙40会向原来牺牲层所在的位置 发生倾斜，使形成的双重图形结构产生变形，后续再采用所述侧墙为掩膜刻蚀硬掩膜层和 待刻蚀层时，会使得硬掩膜层和待刻蚀层中形成的图形产生变形，影响后续形成的器件的 稳定性。
[0039] 现有技术在牺牲层30表面形成侧墙材料层的时候，通常采用原子层沉积工艺或 化学气相沉积工艺形成所述侧墙材料层，所述侧墙材料层、牺牲层、待刻蚀材料层中间的材 料不相同，在采用原子层沉积工艺或化学气相沉积工艺形成所述侧墙材料层的过程中，所 述侧墙材料层内部会形成应力，并且所述侧墙材料层和待刻蚀层之间会形成应力，最终会 对牺牲层产生一定的应力作用，对牺牲层顶部产生挤压，使得牺牲层的侧壁产生一定程度 的倾斜，但是由于牺牲层内部会产生一个相反的应力来抵消这种作用，所以，在牺牲层两侧 形成的侧墙基本还是保持垂直的形态。但是，当去除所述牺牲层之后，相反方向的应力消 失，使得侧墙向原来牺牲层所在的位置发生倾斜，从而使的图形发生形变，影响后续刻蚀图 形的形成。
[0040] 本发明的技术方案，提出一种双重图形结构及其形成方法，能够有效的通过释放 双重图形结构在形成过程中使侧墙发生形变的应力，使最终形成的刻蚀图形更准确。
[0041] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明 的具体实施例作详细的说明。
[0042] 请参考图7,提供待刻蚀层100,在所述待刻蚀层表面形成硬掩膜层101，在所述硬 掩膜层表面形成应力层200。
[0043] 所述待刻蚀层100为后续需要刻蚀的材料层。所述待刻蚀层100可以为单层或多 层堆叠结构。所述待刻蚀层100的材料为介质层材料或金属材料或非金属材料。具体的， 所述待刻蚀层100的材料为低介电常数材料、多晶娃、无定形娃、无定形碳、氧化娃、SiN、 SiON、SiCN、SiC、BN、SiCO、SiCOH、BN、TiN、W、Al或Cu等。需要说明的是，所述待刻蚀层还 可以为其他材料，刻蚀层的材料不应限制本发明的保护范围。
[0044] 所述硬掩膜层101后续作为刻蚀所述待刻蚀层100的掩膜，在所述硬掩膜层101 表面形成双重图形之后，将所述双重图形转移到所述硬掩膜层101上，然后以所述硬掩膜 层101作为掩膜刻蚀所述待刻蚀材料层，由于所述硬掩膜层101的材料硬度较大，在刻蚀过 程中掩膜图形不易发生变化，从而可以提高刻蚀图形的准确性。在本发明的其他实施例中， 也可以在所述待刻蚀层表面直接形成应力层。
[0045] 所述应力层200的材料为氮化硅、碳化硅或正硅酸乙酯（TE0S)，所述应力层的厚 度为50A?1000A。所述应力层200用于后续在沉积形成侧墙材料层的过程中消除或减 小侧墙材料层与牺牲层之间的应力作用，从而在牺牲层去除后，使侧墙不发生形变。
[0046] 所述应力层200可以是单层结构或者双层结构。本实施例中，采用双层结构的应 力层200,所述应力层200包括位于硬掩膜层101表面的第一应力层201和位于所述第一 应力层201表面的第二应力层202。所述第一应力层201具有张应力，所述第二应力层202 具有压应力。所述第一应力层201和第二应力层202的应力大小为50Mpa?lOOOMpa。在 本发明的其他实施例中，所述应力层200为单层结构，所述单层的应力层200可以具有张应 力或者压应力，所述张应力或者压应力的大小为50Mpa?lOOOMpa。
[0047] 本实施例中，所以第一应力层201和第二应力层202的材料为氮化硅。具体的，具 有张应力的第一应力层201的形成方法包括：采用等离子体增强化学气相沉积工艺，其中， 采用NH3和SiH4作为反应气体，惰性气体作为载气，反应温度为200°C?500°C，反应压强为 IOOmTorr?200mTorr，并且提供一个功率为10W?100W，频率为IOMHz?15MHz的射频功 率源；具有压应力的第二所述应力层202的形成方法包括：采用等离子体增强化学气相沉 积工艺，其中，NH3和SiH4作为反应气体，惰性气体作为载气，反应温度为200°C?500°C，反 应压强为IOOmTorr?200mTorr，并且提供一个功率为10W?100W，频率为50KHz?500kHz 的低频功率源。采用上述方法分别形成所述第一应力层201和第二应力层202。
[0048] 请参考图8,在所述应力层200上形成具有若干开口 204的牺牲层203,所述开口 204暴露出部分应力层200的表面。
[0049] 所述牺牲层203的形成方法包括：在所述应力层202上形成牺牲材料层；在所述 牺牲材料层表面形成图形化掩膜层，所述图形化掩膜层定义了开口的位置和大小；以所述 图形化掩膜层为掩膜刻蚀所述牺牲材料层，在所述牺牲材料层内形成开口 204,剩余牺牲材 料层作为牺牲层203。
[0050] 所述牺牲层203的材料与应力层202的材料以及后续形成的侧墙材料层的材料不 相同，以使各材料之间具有不同的刻蚀选择比。
[0051] 所述牺牲层203采用易于去除，并且不会造成残留缺陷的材料。所述牺牲层203的 材料为光刻胶、底部抗反射涂层或氮化硅。本实施例中，所述牺牲层203的材料为光刻胶。
[0052] 请参考图9,在所述应力层200和牺牲层203表面形成侧墙材料层205。
[0053] 所述侧墙材料层205的材料与牺牲层203的材料不相同，所述侧墙材料层205的 材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、氮碳化硅中的一种或几种。所述侧墙材料层205 为单层结构或者多层堆叠结构，可以是氧化硅-氮化硅的双层堆叠结构或者氧化硅-氮化 硅-氧化硅的三层堆叠结构。本实施例中，所述侧墙材料层205为单层的氧化硅层。
[0054] 本实施例中，采用原子层沉积工艺形成所述侧墙材料层205,采用原子层沉积工 艺可以使所述侧墙材料层205表面具有较好的表面平整度，并且易于控制所述侧墙材料层 205的厚度。在本发明的其他实施例中，还可以采用化学气相沉积工艺形成所述侧墙材料层 205。
[0055] 所述侧墙材料层205形成在应力层200表面，所述应力层200对所述侧墙材料层 205具有一定的应力作用，能够消除侧墙材料层205对牺牲层203之间的应力作用，避免牺 牲层203受到侧墙材料层205的应力作用，发生形变，在后续去除牺牲层203后，可以避免 牺牲层203两侧侧壁上的侧墙向牺牲层方向发生变形。
[0056] 所述侧墙材料层205的厚度值小于相邻牺牲层203之间的间距尺寸的一半。
[0057] 请参考图10,在所述侧墙材料层205表面形成填充满所述开口 204 (请参考图9) 的介质层206。
[0058] 所述介质层206的材料为光刻胶、抗反射材料、SiCO或SiCOH，以及其他的合适的 有机材料。所述介质层206的材料可以与牺牲层的材料相同或不同。本实施例中，所述介 质层206的材料与牺牲层203的材料相同，在后续工艺中，可以同时去除所述介质层206和 牺牲层203,从而简化工艺步骤。本实施例中，所述介质层206的材料为光刻胶，采用旋涂工 艺形成所述介质层，所述介质层206填充满开口 204。
[0059] 请参考图11，以所述牺牲层203为停止层，对所述介质层206 (请参考图10)进行 平坦化,暴露出牺牲层203的顶部表面。
[0060] 以所述牺牲层203为停止层，对所述介质层206进行化学机械研磨处理，使所述平 坦后的介质层206a的表面与牺牲层203的表面齐平，同时在平坦过程中也去除了牺牲层 203顶部的侧墙材料层，形成与牺牲层203表面齐平的侧墙205a，暴露出牺牲层203的顶部 表面，便于后续去除所述牺牲层203。
[0061] 请参考图12,去除所述牺牲层203 (请参考图11)和平坦化之后的介质层206a。
[0062] 本实施例中，所述牺牲层203和介质层206a的材料相同，均为光刻胶，所以可以采 用灰化工艺同时去除所述牺牲层203 (请参考图11)和平坦化之后的介质层206a。在本发 明的其他实施例中，也可以采用湿法刻蚀工艺分别去除所述介质层206a和牺牲层203。
[0063] 去除所述介质层206a和牺牲层203之后，暴露出牺牲层位置处的应力层200的表 面。
[0064] 请参考图13,刻蚀所述应力层200,在所述应力层200内形成贯穿所述应力层200 的凹槽207。
[0065] 以所述侧墙205a(请参考图12)为掩膜，刻蚀所述应力层200。采用各向异性的 干法刻蚀工艺刻蚀所述应力层200。本实施例中，所述应力层200的材料为氮化硅，刻蚀所 述应力层200采用的刻蚀气体为为含氟基的气体，比如：SF6、CH2F2中的一种或几种。在干 法刻蚀过程中，同时会对侧墙205a进行刻蚀形成侧墙205b，所述侧墙205b为分立的侧墙结 构。
[0066] 本实施例中，刻蚀应力层形成贯穿应力层200的凹槽207,所述凹槽207使得应力 层200被分成若干小尺寸的应力层，降低了应力层内的应力，相邻小尺寸的应力层表面的 侧墙205b之间分离开，不会受到其余应力层的应力影响，从而消除或减小了应力层200与 侧墙205b之间的应力，并且消除或减小了应力层200与硬掩膜层101、待刻蚀层100之间 的应力。而且，在刻蚀形成所述凹槽207的同时，对侧墙205a进行刻蚀，使若干小尺寸的应 力层表面的侧墙之间相互断开，并且还可以在所述若干小尺寸的应力层表面形成凹陷，使 得位于所述小尺寸的应力层表面的侧墙之间相互分离，相互之间没有应力作用。因此，上述 方法可以使得侧墙205b发生形变的应力消除或减小到最小，从而避免侧墙205b发生形变。 在本发明的其他实施例中，在形成所述凹槽207之后，还可以继续刻蚀相邻凹槽207之间的 应力层200,以硬掩膜层101作为刻蚀停止层，可以进一步降低所述应力层200内的应力。
[0067] 后续，以所述双重图形为掩膜，刻蚀所述硬掩膜层101，将图形转移到硬掩膜层 101上。由于所述双重图形中，侧墙205b受到的应力较小或者没有应力作用，侧墙能够保持 垂直，所以有利于将图形准确的转移到硬掩膜层101中，后续再刻蚀所述待刻蚀层，能够形 成准确的图形。
[0068] 请参考图14,以所述侧墙205b、应力层200为掩膜，刻蚀所述硬掩膜层101，和待刻 蚀材料层，在所述待刻蚀内形成待刻蚀图形。
[0069] 本发明还提供一种采用上述方法形成的双重图形结构。
[0070] 请参考图13,所述双重图形结构包括：待刻蚀层100 ;位于待刻蚀层100上的若干 分立的应力层200 ;位于应力层200的两端表面上的分立的侧墙205b。
[0071] 本实施例中，所述待刻蚀层100和应力层200之间还具有硬掩膜层101。
[0072] 所述应力层200的材料为氮化硅、碳化硅或正硅酸乙酯。所述应力层的厚度为 50A?1000 所述应力层的应力大小为50MPa?lOOOMPa，所述应力层200可以是单层 或者双层结构。
[0073] 所述单层结构的应力层具有压应力或张应力。本实施例中，所述应力层200为双 层结构，所述双层结构的应力层200包括位于所述待刻蚀层上的张应力层201和位于所述 张应力层表面的压应力层202。
[0074] 所述侧墙205b的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、氮碳化硅中的一种或 多种。
[0075] 上述双重图形结构的侧墙205b受到底部应力层的应力影响较小或没有，侧墙能 够保持垂直形貌，后续以所述双重图形结构为掩膜在待刻蚀层100中形成的刻蚀图形的准 确度较高，有利于后续形成的器件的质量。
[0076] 虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本 发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所 限定的范围为准。
【权利要求】
1. 一种双重图形结构的形成方法，其特征在于，包括： 提供待刻蚀层； 在所述待刻蚀层上形成应力层； 在所述应力层上形成具有若干开口的牺牲层，所述开口暴露出部分应力层的表面； 在所述应力层和牺牲层表面形成侧墙材料层； 在所述侧墙材料层表面形成填充满所述开口的介质层； 以所述牺牲层为停止层，对所述介质层进行平坦化，暴露出牺牲层的顶部表面； 去除所述牺牲层和介质层； 以所述侧墙材料层为掩膜，刻蚀所述应力层，形成贯穿所述应力层的凹槽。
2. 根据权利要求1所述的双重图形结构的形成方法，其特征在于，所述应力层为单层 结构或双层结构。
3. 根据权利要求2所述的双重图形结构的形成方法，其特征在于，所述应力层的材料 为氮化硅、碳化硅或正硅酸乙酯。
4. 根据权利要求2所述的双重图形结构的形成方法，其特征在于，所述应力层的厚度 为 50 A ?1000 /\。
5. 根据权利要求2所述的双重图形结构的形成方法，其特征在于，所述单层结构的应 力层具有压应力或张应力。
6. 根据权利要求2所述的双重图形结构的形成方法，其特征在于，所述应力层的应力 大小为 50MPa ?lOOOMPa。
7. 根据权利要求2所述的双重图形结构的形成方法，其特征在于，所述双层结构的应 力层包括位于所述待刻蚀层上的张应力层和位于所述张应力层表面的压应力层。
8. 根据权利要求1所述的双重图形结构的形成方法，其特征在于，所述牺牲层的材料 为光刻胶、抗反射涂层或氮化硅。
9. 根据权利要求1所述的双重图形结构的形成方法，其特征在于，采用原子层沉积工 艺形成所述侧墙材料层。
10. 根据权利要求1所述的双重图形结构的形成方法，其特征在于，所述介质层的材料 为光刻胶、抗反射材料、SiCO或SiCOH。
11. 根据权利要求1所述的双重图形结构的形成方法，其特征在于，所述待刻蚀层的材 料为低介电常数材料、无定形硅、无定形碳、氧化硅、SiN、SiON、SiCN、SiC、BN、SiCO、SiCOH、 BN 或 TiN。
12. 根据权利要求1所述的双重图形结构的形成方法，其特征在于，在所述待牺牲层表 面形成硬掩膜层之后，在所述硬掩膜层表面形成应力层。
13. -种双重图形结构，其特征在于，包括： 待刻蚀层； 位于待刻蚀层上的若干分立的应力层； 位于应力层的两端表面上的分立的侧墙。
14. 根据权利要求13所述的双重图形，其特征在于，所述应力层为单层结构或双层结 构。
15. 根据权利要求13所述的双重图形结构，其特征在于，所述应力层的材料为氮化硅、 碳化硅或正硅酸乙酯。
16. 根据权利要求13所述的双重图形结构，其特征在于，所述应力层的厚度为 5〇 A ?1〇〇〇 A。
17. 根据权利要求14所述的双重图形结构，其特征在于，所述单层结构的应力层具有 压应力或张应力。
18. 根据权利要求14所述的双重图形结构，其特征在于，所述应力层的应力大小为 50MPa ?lOOOMPa。
19. 根据权利要求14所述的双重图形结构，其特征在于，所述双层结构的应力层包括 位于所述待刻蚀层上的张应力层和位于所述张应力层表面的压应力层。
20. 根据权利要求13所述的双重图形结构，其特征在于，所述侧墙的材料为氧化硅、氮 化硅、氮氧化硅、碳化硅、氮碳化硅中的一种或多种。
【文档编号】H01L21/027GK104347360SQ201310315127
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2013年7月24日 优先权日:2013年7月24日
【发明者】张城龙, 何其暘, 张海洋 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司