一种采用双侧墙工艺形成超低尺寸图形的方法
【专利摘要】一种采用双侧墙工艺形成超低尺寸图形的方法，包括：利用一层掩模版进行第一次光刻并刻蚀衬底上的掩模层以形成具有第一特征尺寸的图形；在该图形上沉积一层薄膜材料，形成均匀覆盖掩模图形的共形层，侧墙上薄膜的厚度为第一厚度；进行第二次光刻并刻蚀，其中光刻胶覆盖一部分薄膜材料，将光刻胶暴露的部分的薄膜材料减薄到具有第二厚度的侧墙；去除光刻胶，形成具有两种厚度侧墙的图形；各向异性地刻蚀薄膜材料，将掩模层顶部和底部的薄膜材料去除，只留下侧壁上的薄膜；灰化工艺选择性的去除掩模层，只留下薄膜材料形成的侧墙；薄膜材料作为刻蚀的掩模进行刻蚀，形成具有两种尺寸的超精细图形，并且尺寸的大小对应于侧墙的第一厚度和第二厚度。
【专利说明】一种采用双侧墙工艺形成超低尺寸图形的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体制造领域，具体地涉及一种自对准的形成超精细特征尺寸图形的方法。更具体地说，本发明涉及一种采用双侧墙工艺形成超低尺寸图形的方法。
【背景技术】
[0002]超大规模集成电路的特征尺寸按照摩尔定律的发展，已经发展到20纳米及以下的特征尺寸，以便在更小面积上增加半导体器件的容量并降低成本，形成具有更好的性能，更低的功耗的半导体器件。每个器件的特征尺寸的收缩需要更复杂的技术。光刻法是常用的将器件及电路图案转移到衬底上的方法，线的宽度和间距是光刻工艺中最为关键的两个参数。间距被定义为两个相邻线的相同点之间的距离。由于各种因素，如光学和光的波长等物理限制，现有的光刻技术具有最小间距在20纳米以下已不能满足集成电路的需求，低于该特定光刻技术极限的特征尺寸的图形已不能通过现有的光刻技术形成。因此，找到一种利用现有光刻技术同时又能满足特征尺寸需求的方法就非常重要。
[0003]自对准的二次图形方法是近年来被广泛研究并极有可能大规模生产的图形转移技术，通过该方法，能够满足20纳米以下的图形转移需求，不受到光刻工艺的物理及设备极限的限制。
[0004]但是自对准的二次图形方法得到的隔离物的宽度(共形层的厚度)是唯一的，这样得到的图形的尺寸也是唯一的，但是在实际的集成电路应用中，特别是在逻辑电路、SRAM电路中，要求有不同特征尺寸的有源区，不同特征尺寸的栅极等。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种能够采用双侧墙工艺形成超低尺寸图形的方法。
[0006]为了实现上述技术目的，根据本发明，提供了 一种采用双侧墙工艺形成超低尺寸图形的方法，其包括:首先用一层掩模版进行第一次光刻并刻蚀掩模层(非晶碳牺牲层)形成具有第一特征尺寸(该尺寸接近光刻的物理极限)的图形；接着在该图形上沉积一层薄膜材料，形成均匀覆盖掩模图形的侧墙，侧墙上薄膜的厚度为第一厚度；进行第二次光刻并刻蚀，光刻胶覆盖一部分材料，将暴露的部分的薄膜材料减薄到具有第二厚度的侧墙；去除光刻胶，形成具有两种厚度侧墙的图形；各向异性的刻蚀薄膜材料，将掩模层顶部和底部的薄膜薄膜材料去除，只留下侧壁上的薄膜；灰化工艺选择性的去除硬掩模(牺牲层)，只留下材料形成的侧墙；薄膜材料作为刻蚀的掩模进行刻蚀，形成具有两种尺寸的超精细图形，并且尺寸的大小接近于侧墙的第一厚度和第二厚度。
[0007]在一个实施例中，在硅衬底中形成图案化的浅沟槽的方法包括:在硅衬底上形成氮化硅，并在氮化硅上形成掩模层(牺牲层)，并采用光刻工艺形成具有第一特征尺寸的掩模图形；该方法进一步包括在上述图形上覆盖一层二氧化硅形成共形层，形成均匀覆盖掩模图形的侧墙，侧墙上薄膜的厚度为第一厚度；紧接行第二次光刻并刻蚀，光刻胶覆盖一部分二氧化硅共形层，将暴露的部分的共形层减薄到具有第二厚度的侧墙；各向异性的刻蚀薄膜材料，将牺牲层顶部和底部的薄膜材料去除，只留下侧壁上的薄膜；采用氧气灰化工艺去处暴露在表面的掩模层(牺牲层)；采用干法刻蚀刻蚀遗留下来的共形层，并作为硬掩模刻蚀氮化硅和硅衬底，形成浅沟槽，最后得到的浅沟槽隔离的有源区的尺寸有两种，第一尺寸接近于第一厚度，第二尺寸接近于第二厚度。
[0008]在另一实施例中在衬底上形成图案化的多晶硅栅的方法包括:形成二氧化硅栅介质层，形成多晶硅栅，并在多晶硅栅上形成掩模层(牺牲层)，并采用光刻工艺形成具有第一特征尺寸的掩模图形；该方法进一步包括在上述图形上覆盖一层二氧化硅形成共形层，形成均匀覆盖掩模图形的侧墙，侧墙上薄膜的厚度为第一厚度；紧接行第二次光刻并刻蚀，光刻胶覆盖一部分二氧化硅共形层，将暴露的部分的共形层减薄到具有第二厚度的侧墙；各向异性的刻蚀二氧化硅共形层，将牺牲层顶部和底部的二氧化硅去除，只留下侧壁上的薄膜；采用氧气灰化工艺去处暴露在表面的掩模层(牺牲层)；采用干法刻蚀刻蚀遗留下来的共形层，并作为硬掩模刻蚀多晶硅栅和栅介质层，形成栅极结构，最后得到的栅极结构的尺寸有两种，第一尺寸接近于第一厚度，第二尺寸接近于第二厚度。
[0009]通过本发明，可以通过增加一次光刻形成具有两种厚度的隔离物；而且，通过这种方法，可以一次性刻蚀出两种特征尺寸的图形，甚至可以无限制增加光刻次数形成各种厚度的隔离物隔离物，得到更多不同的特征尺寸的图形，满足集成电路的实际需求，对SADP的大规模应用有重要意义。
[0010]本发明采用先进光刻工艺形成具有第一特征尺寸的图形，第一特征尺寸接近于光刻的物理极限，通过采用双隔离物双图案成型的方法可以将光刻的物理限制打破，形成远小于第一特征尺寸的图形，通过两次光刻得到两种超低尺寸的图形，满足20纳米及以下的集成电路工艺的图形转移需求。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中:
[0012]图1至图10分别示意性地示出了根据本发明优选实施例的采用双侧墙工艺形成超低尺寸图形的方法的各个步骤的截面图或俯视图。
[0013]需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。
【具体实施方式】
[0014]为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。
[0015]图1至图10分别示意性地示出了根据本发明优选实施例的采用双侧墙工艺形成超低尺寸图形的方法的各个步骤的截面图或俯视图。
[0016]如图1至图10所示，根据本发明优选实施例的采用双侧墙工艺形成超低尺寸图形的方法包括:
[0017]在硅衬底I上形成氮化硅(未示出)，并在氮化硅上形成非晶碳层(掩模层)2 (如图1所示)，并采用光刻工艺形成具有第一特征尺寸的掩模图形(如图2的截面图所示)；其中第一特征尺寸形成在或接近用高分辨率的光掩模光刻系统的光学分辨率的极限，在现阶段最先进的浸没式光刻机的分辨率极限的尺寸为20-28纳米。
[0018]在上述掩模图形上覆盖一层二氧化硅共形层(如图3的俯视图和图4的截面图所示)，该共形层后续会形成均匀覆盖掩模图形的侧墙(如图5的截面图所示)，侧墙上薄膜的厚度为第一厚度；
[0019]紧接执行第二次光刻并刻蚀，光刻胶4覆盖一部分二氧化硅共形层(如图6的俯视图所示)，将暴露的部分5的共形层减薄到具有第二厚度的侧墙(如图7的俯视图所示)；
[0020]去除所有光刻胶，各向异性地刻蚀二氧化硅共形层，将掩模层顶部和底部的二氧化硅去除，只留下侧壁上的二氧化硅薄膜(如图8的俯视图所示)；
[0021]采用氧气灰化工艺去处暴露在表面的掩模层(牺牲层)；采用干法刻蚀刻蚀遗留下来的二氧化硅共形层，并作为硬掩模刻蚀氮化硅和硅衬底，形成浅沟槽(如图9的截面图和图10的俯视图所示)，最后得到的浅沟槽隔离的有源区的尺寸有两种，第一尺寸接近于第一厚度，第二尺寸接近于第二厚度。
[0022]在本发明中，作为最终刻蚀掩模的二氧化硅或者氮化硅得到的图形的尺寸有两种，两种尺寸都不受到光刻的物理极限的限制，仅由侧墙的厚度决定。
[0023]根据本发明优选实施例的采用双侧墙工艺形成超低尺寸图形的方法可有利地应用在20纳米及以下集成电路制造光刻刻蚀工艺中。例如，上述方法可作为在硅衬底中形成图案化的浅沟槽的方法或者在衬底上形成图案化的多晶硅栅的方法。
[0024]<具体工艺示例>
[0025]下面描述根据本发明实施例的具体工艺示例，可依次执行下述步骤:
[0026]采用热氧化法在硅衬底上形成3到5纳米的二氧化硅层，在二氧化硅层采用LPCVD形成50-80纳米厚度的氮化硅层；
[0027]在氮化硅层上用PECVD的方法沉积50-200纳米厚度的非晶碳层，通过分解C2H2,形成非晶碳，工艺设定为=C2H2的流量为1500SCCm，温度为400C，缓冲气体He流量为300-1500sccm，射频为 13.56Mhz 功率为 800-1200W，压强为 10 托；
[0028]光刻并刻蚀非晶碳层形成具有第一特征尺寸的图形，本例的尺寸为80纳米；
[0029]在上述图形上采用原子层沉积(ALD)的方法形成二氧化硅共形层，工艺设定为:2Nte流量为lmgm，功率为2000-3000W，O2的流量为3000-4000sccm，Ar的流量为1000-2000sCCm;共形层的厚度为15-35纳米，台阶覆盖率为100% ；
[0030]进行第二次光刻:旋涂凝胶法形成一层正性光刻胶，对第二器件区域进行显影，保留第一器件区域光刻胶，本例为6T-SRAM区域的下拉MOS管区域进行显影，保留传输MOS管区域的光刻胶；
[0031]采用干法刻蚀对暴露出来的下拉MOS管区域的共形层进行减薄，减薄到10到25纳米，台阶覆盖率为80%及以上；
[0032]采用等离子体刻蚀各向异性的去除掉非晶碳顶部和底部的二氧化硅共形层，仅留下侧墙上的二氧化硅；
[0033]采用氧气灰化工艺去除非晶碳牺牲层，工艺设定为:02的流量为500-1500sCCm，温度为200度，功率为300W;
[0034]以残留的二氧化硅共形层为硬掩模对衬底进行干法刻蚀，形成浅沟槽隔离的有源区，该有源区的尺寸为共形层的厚度，第一器件区域(传输MOS管)的尺寸为15-35纳米；第二器件区域(下拉MOS管)的尺寸为10-25纳米。
[0035]本发明采用先进光刻工艺形成具有第一特征尺寸的图形，第一特征尺寸接近于光刻的物理极限，通过采用双隔离双图案成型的方法可以将光刻的物理限制打破，形成远小于第一特征尺寸的图形，通过两次光刻得到两种超低尺寸的图形，满足20纳米及以下的集成电路工艺的图形转移需求。
[0036]此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
[0037]可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。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做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
【权利要求】
1.一种采用双侧墙工艺形成超低尺寸图形的方法，其特征在于包括:首先利用一层掩模版进行第一次光刻并刻蚀衬底上的掩模层以形成具有第一特征尺寸的图形；接着在该图形上沉积一层薄膜材料，形成均匀覆盖掩模图形的共形层，侧墙上薄膜的厚度为第一厚度；进行第二次光刻并刻蚀，其中光刻胶覆盖一部分薄膜材料，而且将光刻胶暴露的部分的薄膜材料减薄到具有第二厚度的侧墙；去除光刻胶，形成具有两种厚度侧墙的图形；各向异性地刻蚀薄膜材料，将掩模层顶部和底部的薄膜材料去除，只留下侧壁上的薄膜；灰化工艺选择性的去除掩模层，只留下薄膜材料形成的侧墙；薄膜材料作为刻蚀的掩模进行刻蚀，形成具有两种尺寸的超精细图形，并且尺寸的大小对应于侧墙的第一厚度和第二厚度。
2.根据权利要求1所述的采用双侧墙工艺形成超低尺寸图形的方法，其特征在于，掩模层为非晶碳薄膜。
3.根据权利要求1或2所述的采用双侧墙工艺形成超低尺寸图形的方法，其特征在于，第一特征尺寸等于高分辨率的光掩模光刻系统的光学分辨率的极限。
4.根据权利要求1或2所述的采用双侧墙工艺形成超低尺寸图形的方法，其特征在于，薄膜材料为二氧化硅或者氮化硅。
5.一种采用双侧墙工艺形成超低尺寸图形的方法，其特征在于包括:在硅衬底上形成氮化硅，并在氮化硅上形成掩模层，并采用光刻工艺形成具有第一特征尺寸的掩模图形；在掩模图形上覆盖一层二氧化硅形成共形层，形成均匀覆盖掩模图形的侧墙，侧墙上薄膜的厚度为第一厚度；紧接进行第二次光刻并刻蚀，光刻胶覆盖一部分二氧化硅共形层，将暴露的部分的共形层减薄到具有第二厚度的侧墙；各向异性的刻蚀薄膜材料，将牺牲层顶部和底部的薄膜材料去除，只留下侧壁上的薄膜；采用氧气灰化工艺去处暴露在表面的掩模层；采用干法刻蚀刻蚀遗留下来的共形层，并作为硬掩模刻蚀氮化硅和硅衬底，形成浅沟槽，最后得到的浅沟槽隔离的有源区的尺寸有两种，第一尺寸等于第一厚度，第二尺寸等于第二厚度。
6.一种采用双侧墙工艺形成超低尺寸图形的方法，其特征在于包括:形成二氧化硅栅介质层，形成多晶硅栅，并在多晶硅栅上形成作为牺牲层的掩模层，并采用光刻工艺形成具有第一特征尺寸的掩模图形；在上述掩模图形上覆盖一层二氧化硅形成共形层，形成均匀覆盖掩模图形的侧墙，侧墙上薄膜的厚度为第一厚度；紧接行第二次光刻并刻蚀，光刻胶覆盖一部分二氧化硅共形层，将暴露的部分的共形层减薄到具有第二厚度的侧墙；各向异性的刻蚀二氧化硅共形层，将牺牲层顶部和底部的二氧化硅去除，只留下侧壁上的薄膜；采用氧气灰化工艺去处暴露在表面的掩模层；采用干法刻蚀刻蚀遗留下来的共形层，并作为硬掩模刻蚀多晶硅栅和栅介质层，形成栅极结构，最后得到的栅极结构的尺寸有两种，第一尺寸等于第一厚度，第二尺寸等于第二厚度。
【文档编号】H01L21/02GK103996604SQ201410253948
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年6月9日 优先权日:2014年6月9日
【发明者】桑宁波, 雷通, 方精训 申请人:上海华力微电子有限公司