形成图案的方法与流程

本发明概括而言涉及形成孔洞或沟槽图案的方法,特别是关于一种利用定向自组装材料的双重图案化技术形成孔洞或沟槽的方法。

背景技术：

随着半导体器件整合度的提高,整个芯片的面积随着存储器容量增加而逐渐变大,但实际上半导体器件中每个存储单元的布局图案面积是越来越小的。布局图案的节距(pitch),例如某个图形的关键尺寸(critical dimension,CD)或两图案之间的间距随着半导体器件微缩而愈来越小。为了满足半导体器件高度整合的需求,本技术领域必须提供一种可以制作更精细的半导体器件的工艺技术。一般而言,本技术领域制作半导体器件精细图案的技术包括利用光刻工艺形成图案化的阻挡层,作为后续蚀刻制成的遮罩,接着再蚀刻衬底层,形成所需的半导体器件的图案。

随着半导体器件的设计规范逐渐严苛,布局图案的节距也越来越小,突破目前光刻工艺能力的极限得到更精细的图案,成为本技术领域的技术人员努力的目标。然而,光刻工艺能力受到机台本身所能达到的最大解析度的限制,要突破此限制得到更精细的图案并不容易。例如,已知氟化氩(ArF)激光(波长193nm)浸润式光刻工艺的极限为4x纳米。

在更先进的3x纳米时代,双重图案化技术例如光刻-蚀刻-光刻-蚀刻(LELE)工艺,或者类似的工艺技术被积极地研究开发。以目前的工艺为例,首先在第一阻挡层中形成第一阻挡层开口图案,接着利用所述第一阻挡层开口图案在基层膜上形成第一开口或第一沟槽图案。然后,形成第二阻挡层开口图案,接着,接着利用所述第二阻挡层开口图案在衬底上形成第二开口或第二沟槽图案。

各种双重图案化技术开发过程中,一篇美国专利申请(公开号US2011/0124196)公开了一种新颖的方法,特别用来形成节距小于40纳米的接触 孔洞阵列图案。这篇专利申请公开的双重图案化技术包括,通过均匀分布的柱状体核心,以及沉积在所述柱状体核心上利用原子层沉积法形成的材料层,定义出整个具有所需节距的接触孔洞阵列。然而,此方法最大的问题在于制得的接触孔洞图案具有两种形状,影响到孔洞的关键尺寸的一致性。

有鉴于此,本技术领域需要一种可以形成具有较佳关键尺寸一致性的孔洞图案阵列的方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于改良现有的双重图案化技术,利用定向自组装(directed self-assembly,DSA)材料,能够制作出次40纳米时代的关键尺寸的图案,同时也具有较好的一致性。本发明优选者能制作出节距紧密,例如次22nm时代,并且具有适当尺寸一致性的接触洞或介层插塞。本发明公开的方法包括将定向自组装材料设置在衬底上,定义出目标图案。目标图案可通过定向自组装材料的定向自组装过程,在双重图案化工艺中预先形成的间隙中均匀地形成。形成的目标图案接着可转移到下方的衬底或硬遮罩上。

根据本发明提供的形成图案的方法,包括下列步骤。首先，在一衬底上形成一核心层，并且进行图案化工艺形成一图案化核心层。接着，在所述图案化核心层与所述衬底上顺形地形成一间隙层,并且形成多个由所述间隙层包围的第一凹陷区域。然后，进行一回蚀刻工艺,使所述图案化核心层与位于所述第一凹陷区域内的所述衬底暴露出来。移除暴露出来的所述图案化核心层,形成多个被所述间隙层包围的第二凹陷区域。接着，在所述第一凹陷区域与所述第二凹陷区域中填入一定向自组装材料。然后，诱发所述定向自组装材料进行一定向自组装过程,扩散至所述第一凹陷区域与所述第二凹陷区域的边界处,在所述第一凹陷区域与所述第二凹陷区域内形成被所述定向自组装材料包围的一孔洞。

毋庸置疑的,本技术领域的技术人士读完接下来本发明优选实施例的详细说明与附图后,均可了解本发明的目的。

附图说明

图1A、2A、3A、4A、5A、6A、7、8为示意性剖面图,说明根据本发明一实施例,形成一接触洞图案阵列的制作流程。

图1B、2B、3B、4B、5B、6B分别为图1A、2A、3A、4A、5A、6A的俯视图。

须注意的是所有附图均为示意图,以说明和制图方便为目的,相对尺寸及比例都经过调整。相同的符号在不同的实施例中代表相对应或类似的特征。

其中，附图标记说明如下：

100 衬底

101 硬遮罩层

103 核心层/柱状体核心/图案化核心层

105 间隙层

107 第一凹陷区域

111 定向自组装材料

109 第二凹陷区域

112 孔洞图案

具体实施方式

接下来的详细说明须参照相关附图所示内容,用来说明可依据本发明具体实行的实施例。这些实施例提供足够的细节,可使本技术领域中的技术人员充分了解并具体实行本发明。在不悖离本发明的范围内,可作结构、逻辑和电性上的修改应用在其他实施例上。因此,接下来的详细说明并非用来对本发明加以限制。本发明涵盖的范围由其权利要求界定。

在详细说明此优选实施例之前,应该进一步解释在说明中普遍使用的专有名词。

专有名词“蚀刻”普遍用来说明图案化某一材料的工艺,至少部分所述材料会在蚀刻后留存下来。例如,应该可了解蚀刻硅质的过程,包括图案化一位于硅质上方的遮罩层(例如光刻胶或硬遮罩),接着移除未被遮罩层保护的硅质区域。如此一来,被遮罩层保护的硅质区域会在蚀刻工艺结束后留下来。然而, 另外的例子里,蚀刻也表示未使用遮罩层,但蚀刻过程结束后仍留下至少部分材料的工艺。由以上说明,可区分专有名词“蚀刻”与“移除”的不同。当蚀刻某一材料,至少部分所述材料会在工艺结束后留下来。相反地,当移除某一材料时,所有所述材料会在接下来的工艺中被移除。然而在某些实施例中,广义地认为“移除”包括“蚀刻”。

接下来的说明中提到各种衬底的“区域”,具有场效器件形成其上。须了解的是这些“区域”可存在衬底的任何地方,且不具独占性。也就是说,在一些实施例中,一个或多个区域可部分重迭。虽然本发明说明书提到三个区域,但须了解的是衬底上可存在有任何数量的区域,并且可具有特定种类的器件或材料。一般而言,“区域”大多意指衬底上包括类似器件的地方,且不应受到所述实施例的限制。

专有名词“形成”、“沉积”和“设置”在此用来说明施加某一层材料于衬底之上。所述专有名词意指任何产生膜结构的技术,包括热生成、溅镀、蒸镀、化学气相沉积、外延成长、电镀等等。举例来说,根据不同实施例,沉积可由任何合适的公知的方法来实施,包括任何生长、覆盖,或传送材料到衬底上面的工艺。一些公知的技术包括物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、电化学沉积(ECD)、分子束外延、原子层沉积、高密度等离子化学气相沉积和等离子增强化学气相沉积及其他未在此提及者。

本文中普遍使用的“衬底”一般认为是硅衬底。然而所述衬底也可为半导体族群中任何一种材料、例如锗、砷化镓、磷化铟等等。在其他实施例中,衬底也可为非导电性材料,例如玻璃或蓝宝石晶圆。

图1A、2A、3A、4A、5A、6A、7、8为示意性剖面图,剖面线为A-A’,用以说明根据本发明一实施例形成一接触洞图案阵列的制作流程。图1B、2B、3B、4B、5B、6B分别为图1A、2A、3A、4A、5A、6A的俯视图。剖面图为沿着相对应的俯视图中线A-A’所绘示。参考剖面图时请同时参考其相对应的俯视图,以更清楚的了解本发明实施例的内容。

以下提供的实施例是在衬底100中制作具有目标图案的接触洞图案阵列。首先,请参考图1A、1B,提供一衬底100,在衬底100上进行形成这些图案的工艺。当本发明应用在形成接触洞图案时,衬底100可以有四乙基氧化硅烷(TEOS)形成的氧化层、旋涂式玻璃(Spin-on-glass)、氮氧化硅、低温氧化层与 含硅底抗反射层或其他材料。或者,当应用在形成沟渠或浅沟渠隔离结构时,则衬底100可为包括n型源极/漏极区(图未示)的p型衬底p型井区,或为包括p型源极/漏极区(图未示)的n型衬底或n型井区。根据所述实施例,衬底100可包括硅衬底、具有硅的衬底、氮化镓覆硅(或其他III-V族材料)、石墨覆硅、硅覆绝缘层衬底或其他。

根据所述实施例,可选择性地在衬底上设置一硬遮罩层101,硬遮罩层101可包括任何适合在后续移除未被遮蔽部分的选择性蚀刻中做为遮蔽层的材料。在具有硬遮罩层101的实施例中,硬遮罩层101会在后续工艺中被图案化,作为选择性蚀刻衬底100形成图案时的阻挡层。硬遮罩层101可为氮化硅(SiN)层、碳氮化硅(SiCN)层、或者二氧化硅(SiO2)层,但不限于此。

在硬遮罩层101上形成核心层103,然后将核心层103图案化成一预定图案,例如所述实施例的圆柱体。在双重曝光技术中,所谓核心层是用来形成一内部核心,在后续工艺中可被外层的间隙层顺形地覆盖住。特定而言,核心层103,例如光刻胶层,通过旋转涂布在硬遮罩层101上形成。核心层103可为ArF光刻胶材料。接着,进行光刻工艺,例如通过具有曝光装置的光刻胶涂布与显影设备,将核心层103图案化。本技术领域的技术人员可选择适当的核心层103厚度与成形图案的节距。所述欲形成接触洞阵列的实施例中,核心层(或称之为柱状体核心)103较佳为均匀分布在硬遮罩层101或衬底100的圆柱体。柱状体核心103之间具有预定的间隙,例如为后续形成的间隙层厚度的两倍,以在双重曝光工艺中得到具有所需目标节距的图案。

请参考图2A和图2B。图案化核心层103后,接着在硬遮罩层与图案化核心层103上形成一间隙层105。如图2A所示,间隙层105顺形地沉积在图案化核心层(或称为柱状体核心)103与硬遮罩层101上。间隙层105可为氧化硅(SiO2)、氧化铝(AlxOy)、氮化铝(AlN)、氧化钛(TiOx)、氮化硅(SiN)、非晶相硅、多晶硅或其组合。优选地,前述工艺形成的间隙层105具有小于柱状体核心103的一半间距的厚度。换句话说,当间隙层105具有适当的厚度且柱状体核心103排列成合适的阵列时,间隙层105就像是包围柱状体核心103的较大的圆柱体,并且在由间隙层105覆盖形成的较大圆柱体之间包围出多个方形凹陷区域107,均匀地分布在柱状体阵列之间。本技术领域的技术人员可通过核心层103的阵列图案与间隙层105的厚度,选择适当的凹陷区域107的尺寸。 优选地,凹陷区域107的尺寸近似于柱状体核心103的尺寸,以得到具有较佳关键尺寸均匀度的目标图案。请注意,由于在下面的说明中,还会出现另一种形态的凹陷区域,在此形成的凹陷区域107在下面的说明中称之为第一凹陷区域107。

由图2B,可清楚的看到所述实施例中形成的第一凹陷区域107均匀地分布在柱状体核心103阵列之中。由于第一凹陷区域107与柱状体核心103的图案都会转移到目标图案上,因此第一凹陷区域107与柱状体核心103的布局方式,也为本实施例重要的特征。

所述实施例形成间隙层105的方法优选者可为原子层沉积法(ALD),但不限于此。原子层沉积法是重复将单层材料分子吸附在基材上的成膜过程,所形成的材料层具有高度阶梯覆盖性。原子层沉积法的优点为可精准控制成膜厚度、控制材料组成、具有高阶梯覆盖性,以及可提供多种沉积材料可选择。这些特性对双重曝光工艺技术而言非常重要。此外,原子层沉积法可在其他半导体器件工艺的温度条件下进行成膜反应形成薄膜,例如是在温度23℃至25℃之间。

请参考图3A和图3B。接着进行回蚀刻工艺,例如活性离子蚀刻(RIE),移除部分间隙层105,使原本被间隙层105覆盖的柱状体核心103暴露出来。须注意的是所述回蚀刻工艺也会移除位于第一凹陷区域107中硬遮罩层101上的间隙层105。未被移除的间隙层105包围柱状体核心103的侧壁与包围出第一凹陷区域107。

请参考图4A和图4B。接着移除位于硬遮罩层101上的柱状体核心103。根据所述实施例,移除柱状体核心103的方法可为,但不限于,灰化或蚀刻工艺。优选者,柱状体核心103的蚀刻速率大于间隙层105的蚀刻速率,因此在移除柱状体核心103,间隙层105仅被蚀刻掉一小部分,可精确地保留住原本的形状。

移除柱状体核心103后,原本的位置形成了一个圆形的凹陷区域,在此称之为第二凹陷区域109。由图4B,可清楚的看到所述实施例中,形成的第二凹陷区域109被间隙层105包围,并且均匀地分布在硬遮罩层101上。第二凹陷区域109与第一凹陷区域107具有不同的形状,其中第一凹陷区域107为接近方形,第二凹陷区域109为圆形。形成的凹陷区域具有不同的形状为公知的双重曝光技术面临的问题。

根据所述实施例,若第一凹陷区域107与第二凹陷区域109具有不同的形状,通过两者所形成的孔洞的关键尺寸统计分布图会非常不同。本发明并不直接通过第一凹陷区域107与第二凹陷区域109定义接触洞或介层插塞而得到目标图案。本发明是利用定向自组装(directed self-assembly,DSA)材料,修整凹陷区域的形状使制作出的孔洞的形状与关键尺寸具有较佳均匀度。

请参考图5A和图5B。得到被间隙层105包围的第一凹陷区域107与第二凹陷区域109后,接着在凹陷区域中填入定向自组装材料。定向自组装材料为具有特定配方或可能包括其他添加物的团联式共聚物(block co-polymers,BCPs)。定向自组装材料的反应可通过例如熟化或烘烤而被诱发,并且受到接触面的表面化学与团联式共聚物成分的影响。所述实施例中,定向自组装材料可为双团联式共聚物(di-block copolymer),在适当的诱导条件下使其进行自组装机制。下文为较详细的说明。

首先,将团联式式共聚物,例如聚苯乙烯-嵌段-聚甲基丙烯酸甲酯(PS-b-PMMA,莫耳质量为96kg/mol-35kg/mol,从聚合物源),旋转涂布在衬底上并且填入被间隙层105定义且包围的第一凹陷区域107与第二凹陷区域109中。在适当的活化条件下,双团联式共聚物的高分子链段会进行相分离,形成微相(也可称为微相分离范围或相分离区域),以减少总体自由能。通过上述特性,填充在第一凹陷区域107与第二凹陷区域109中的定向自组装材料在定向自组装过程中,会往第一凹陷区域107与第二凹陷区域10的交界处扩散,因而在第一凹陷区域107与第二凹陷区域109中形成具一致性的孔洞。

在所述实施例中,所述定向自组装材料可包括任何具有可形成微相且与另一不同的高分子链段连结的共聚物。所述高分子链段由可进行聚合反应的单体反应而成,可包括,但不限于,聚烯烃(polyolefin),其包括聚二烯(polydiene)、聚醚(polyether),其包括聚烯化氧(poly(alkylene oxide))如聚环氧乙烷(poly(ethylene oxide))、聚环氧丙烯(poly(propylene oxide))、聚环氧丁烷(poly(butylene oxide))、或以上的随机或团联共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate)、聚甲基丙烯酸酯(poly((meth)acrylates))、聚苯乙烯(polystyrene)、聚酯(polyesters)、聚有机硅氧烷(poly-organosiloxanes),或聚有机锗烷(polyorganogermanes),或者由其组合的团联共聚物。

请参考图6A和图6B。位于第一凹陷区域107与第二凹陷区域109中的 目标图案,即定向自组装材料111经过定向自组装过程后形成的孔洞112,被定向自组装材料包围且均匀地分布在硬遮罩层101上。定向自组装材料往边界处扩散,因此形成开口暴露出其下的硬遮罩层101。须注意的是,由于孔洞112是由位于凹陷区域中的定向自组装材料向边界扩散而得到,因此孔洞112的尺寸比原本的第一凹陷区域107与第二凹陷区域109更小。与公知的双重曝光技术比较,本发明形成的目标图案的形状和关键尺寸具有较佳一致性。更重要的是,本发明具有更小的特征尺寸。

请参考图7和图8。通过定向自组装材料形成较具一致性的孔洞图案112后,接着进行形成接触洞或介层插塞的工艺。如图7所示,以间隙层105与定向自组装材料111为蚀刻遮罩,将孔洞112的图案转移至衬底100上。在包括硬遮罩层101的实施例中,可用间隙层105与定向自组装材料111作为蚀刻遮罩,将孔洞112的图案转移到硬遮罩层101上。接着,如图8所示,再以图案化的硬遮罩层101为蚀刻阻挡层蚀刻衬底100,形成具有较佳关键尺寸一致性的接触洞或介层插塞孔洞。然后,可进行另外的回填工艺将孔洞填满,例如填入导电金属材料,形成接触洞或介层插塞结构。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。