半导体结构的形成方法与流程

1.本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种半导体结构的形成方法。


背景技术：

2.随着集成电路制造技术的不断发展，为了达到更快的运算速度、更大的数据存储量以及更多的功能，集成电路芯片朝向更高的器件密度、更高的集成度方向发展。
3.随着半导体芯片的集成度不断提高，晶体管的特征尺寸不断缩小，对光刻工艺的挑战越来越大。控制图案线宽的临界尺寸成为半导体发展的一个重要方向。为了形成更为精细的图案，以及工艺过程中的保真度，引入自对准双重图形技术(sadp)、自对准四重图形技术(saqp)等，以实现更小尺寸的图形。
4.然而，现有的光刻技术有待进一步的提高。


技术实现要素：

5.本发明解决的技术问题是提供一种半导体结构的形成方法，以提高形成的半导体结构的性能。
6.为解决上述技术问题，本发明技术方案提供一种半导体结构的形成方法，包括：提供待刻蚀层，所述待刻蚀层包括第一区和环绕所述第一区的第二区，所述第二区的顶部表面低于所述第一区的顶部表面；在所述待刻蚀层上形成第一图形材料层；向所述第一图形材料层表面注入第一离子，使位于所述第二区上的第一图形材料层脱落，至少部分脱落的第一图形材料层黏附至所述待刻蚀层表面形成残留物；清洗去除所述残留物；清洗去除所述残留物后，在所述第一图形材料层表面形成图像化结构。
7.可选的，所述图像化结构内具有第一开口，所述第一开口底部暴露出部分第一图形材料层；所述形成方法还包括：向所述第一开口底部注入第二离子，使所述第一开口底部暴露出的第一图形材料层形成改性区；去除所述改性区，使所述第一图形材料层形成第一图形层。
8.可选的，在形成所述第一图形材料层前，还包括：在所述待刻蚀层表面形成第二图形材料层，所述第二图形材料层位于所述第一图形材料层与所述待刻蚀层之间。
9.可选的，所述第二图形材料层的材料包括氮化钛、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅、碳氮化硅和碳氮氧化硅中的一种或多种。
10.可选的，向所述第一图形材料层表面注入第一离子，使位于所述第二区上的第一图形材料层脱落的同时，也使位于所述第二区上的第二图形材料层脱落。
11.可选的，还包括：在所述第一图形层侧壁形成侧墙。
12.可选的，还包括：在形成所述侧墙之前，还去除所述图像化结构；形成所述侧墙后，去除所述第一图形层。
13.可选的，所述侧墙的材料包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅、碳氮化硅和碳氮氧化硅中的一种或多种。
14.可选的，还包括：以所述侧墙为掩膜刻蚀所述第二图形材料层，直到露出待刻蚀层表面，形成第二图形层。
15.可选的，所述图像化结构包括位于所述第一图形层表面的第一抗反射层，位于所述第一抗反射层表面的第二抗反射层，以及位于所述第二抗反射层表面的光刻胶层。
16.可选的，所述第一抗反射层的材料包括含碳的聚合物。
17.可选的，所述第二抗反射层的材料包括有机聚合物。
18.可选的，所述第一图形材料层的材料包括硅。
19.可选的，清洗去除所述残留物的工艺为湿法工艺。
20.可选的，所述湿法工艺的清洗液包括含二氧化碳的去离子水。
21.可选的，所述第一离子注入的工艺参数包括：所述第一离子包括碳离子、氮离子和氧离子中的一种或者多种，注入离子的能量范围为5kev至20kev，注入离子的浓度范围为1.0e14atom/cm3至1.0e20atom/cm3。
22.可选的，所述第一图形材料层的材料包括硅。
23.可选的，所述注入第二离子的工艺参数包括：所述第二离子包括p型离子或n型离子，能量范围为5kev至20kev。
24.与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
25.本发明技术方案提供的半导体结构的形成方法中，向所述第一图形材料层表面注入第一离子，由于所述第一离子注入使所述第一图形材料层产生应力以及表面静电，所述应力使位于第二区表面的黏附不牢的第一图形材料层由黏附薄弱点处撕裂开并脱离，脱落的第一图形材料层黏附至所述待刻蚀层上的部分形成的残留物通过清洗去除，使位于所述第二区表面黏附不牢的第一图形材料层在后续工艺进行前脱离并去除，避免影响后续的刻蚀工艺过程，降低了位于晶圆边缘的待刻蚀层高度差对后续图形定义中刻蚀过程的影响，提高了图形定义的准确度，从而提高了器件的性能。
26.进一步，向所述第一图形材料层表面注入第一离子，使位于所述第二区上的第一图形材料层脱落的同时，也使位于所述第二区上的第二图形材料层脱落，使位于所述第二区表面黏附不牢的第二图形材料层在后续工艺进行前脱离并去除，不会影响后续的刻蚀工艺过程，降低了位于晶圆边缘的待刻蚀层高度差对后续图形定义中刻蚀过程的影响，提高了图形定义的准确度，从而提高了器件的性能。
27.进一步，所述第一离子注入的工艺参数包括：注入的离子包括碳离子、氮离子和氧离子中的一种或者多种，注入离子的能量范围为5kev至20kev，注入离子的浓度范围为1.0e14atom/cm3至1.0e20atom/cm3。所述注入第二离子的工艺参数包括：所述第二离子包括p型离子或n型离子，能量范围为5kev至20kev。所述第一离子注入工艺和所述第二离子注入工艺的离子类型不同，避免影响所述第二离子的注入过程，从而不影响后续的图形定义。
附图说明
28.图1至图3是一种半导体结构形成过程的剖面示意图；
29.图4至图15是本发明一实施例中的半导体结构的形成方法各步骤的结构示意图。
具体实施方式
30.需要注意的是，本说明书中的“表面”、“上”，用于描述空间的相对位置关系，并不限定于是否直接接触。
31.如背景技术所述，采用现有的光刻技术形成的半导体结构，性能亟需提升。现结合一种半导体结构进行说明分析。
32.图1至图3是一种半导体结构形成过程的剖面示意图。
33.请参考图1，提供待刻蚀层101，所述待刻蚀层101包括第一区ⅰ和第二区ⅱ；在所述待刻蚀层101上形成图形材料层102；在所述图形材料层102上形成无定型硅材料层103；在所述无定型硅材料层103表面形成图形化的光刻胶层104，所述光刻胶层104内具有开口105，所述开口105底部暴露出所述第一区ⅰ上的部分无定型硅材料层103和所述第二区ⅱ上的无定型硅材料层103。
34.请参考图2，向所述开口105底部注入离子，使所述开口105暴露出的所述无定型硅材料层103形成改性区106，位于所述光刻胶层104下方的所述无定型硅材料层103形成图形层107。
35.上述方法用于图形定义过程中，在所述图形定义过程之前的刻蚀工序中会使用到底部抗反射涂层，所述底部抗反射涂层的材料为流体的有机聚合物，通常采用旋转涂敷的方式形成，所述第二区ⅱ位于晶圆边缘处，由于液体在离心力的作用容易在晶圆边缘产生聚集，会造成晶圆边缘的底部抗反射涂层材料因厚度较厚而不容易去除，残留的底部抗反射涂层材料会使得后续淀积形成的膜与下层的薄膜的黏附性较差，而导致后续形成的膜脱离，从而导致所述第二区ⅱ顶部表面高度相对于所述第一区ⅰ顶部表面较低。
36.向所述开口105底部注入离子的过程中，由于离子注入产生的应力较大，加上所述第一区ⅰ和所述第二区ⅱ之间的高度差，会导致所述第二区ⅱ上的所述无定型硅材料层103和所述图形材料层102产生撕裂，如在黏附薄弱处形成裂纹a，造成所述第二区ⅱ上的所述无定型硅材料层103和所述图形材料层102产生部分脱落。脱落的材料形成的残留物b，会黏附到带有大量静电的晶圆表面(如图3所示)，当所述残留物b覆盖在所述开口105上方时，会阻挡离子注入到所述开口105暴露出的无定型硅材料层103(如图1所示)内，使区域c处(图3虚线标识区域)的无定型硅材料层103无法形成目标所需的改性区。所述无定型硅材料层103是否注入离子会造成不同的刻蚀速率，后续会去除所述改性区106，在所述图形层107侧壁形成侧墙，所述侧墙用于后续的图形定义。由于所述区域c处无法形成目标所需的改性区，会造成相应位置的侧墙缺失，无法形成图形材料层102表面均一的侧墙，使所述侧墙无法用于后续准确地定义图形。当所述侧墙作为掩膜图形用于形成金属互连线时，金属互连线的位置无法准确定义，可能会造成金属互连线间的桥连，产生漏电，影响器件的良率等。
37.为了解决上述问题，本发明提供的一种半导体结构的形成方法中，向所述第一图形材料层表面注入第一离子，由于所述第一离子注入使所述第一图形材料层产生应力以及表面静电，所述应力使位于第二区表面的黏附不牢的第一图形材料层由黏附薄弱点处撕裂开并脱离，脱落的第一图形材料层黏附至所述待刻蚀层上的部分形成的残留物通过清洗去除，使位于所述第二区表面黏附不牢的第一图形材料层在后续工艺进行前脱离并去除，不会影响后续的刻蚀工艺过程，降低了位于晶圆边缘的待刻蚀层高度差对后续图形定义中刻蚀过程的影响，提高了图形定义的准确度，从而提高了器件的性能。
38.为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
39.图4至图15是本发明一实施例中的半导体结构的形成方法各步骤的结构示意图。
40.请参考图4和图5，图5是俯视图，图4是图5的区域a沿着xy方向的剖面图，提供待刻蚀层201，所述待刻蚀层201包括第一区ⅰ和环绕所述第一区ⅰ的第二区ⅱ，所述第二区ⅱ的顶部表面低于所述第一区ⅰ的顶部表面。
41.所述刻蚀层201的材料可以为介质材料、金属材料、半导体材料等任何需要刻蚀的材料。所述刻蚀层201可以为单层或者多层堆叠结构。所述待刻蚀层201位于基底(图中未显示)上，所述基底为硅衬底、绝缘体上硅(soi)衬底、锗衬底、锗硅衬底、砷化镓衬底或者绝缘体上锗衬底。在一实施例中，所述基底内具有金属互联结构等。本实施例中，所述待刻蚀层201的材料为金属材料，所述基底为具有晶体管器件的硅晶圆。
42.本实施例中，所述基底内具有器件结构，在形成所述待刻蚀层201前，形成所述器件结构过程中存在的光刻工序，会在所述基底表面形成底部抗反射涂层，所述底部抗反射涂层的材料为流体的有机聚合物，所述基底表面形成底部抗反射涂层的工艺通常为旋转涂敷工艺。在形成所述底部抗反射涂层的过程中，所述第二区ⅱ位于晶圆边缘处，由于液体在离心力的作用下容易在晶圆边缘产生聚集，会造成第二区ⅱ上的底部抗反射涂层材料因厚度较厚而不容易在所述光刻工序后去除。在所述光刻工序后，形成所述待刻蚀层201前，在所述基底表面形成膜层时，无法去除的底部抗反射涂层材料使得所述膜层与所述基底的黏附性较差，导致第二区ⅱ上的膜层从所述基底表面脱离，从而在形成所述待刻蚀层201后，所述第二区ⅱ顶部表面高度相对于所述第一区ⅰ顶部表面较低。
43.需要说明的是，后续的图6至图15视图方向均与图4的视图方向相同。
44.请参考图6，在所述待刻蚀层201上形成第一图形材料层202。
45.本实施例中，在形成所述第一图形材料层202前，还在所述待刻蚀层201表面形成第二图形材料层203，所述第二图形材料层203位于所述第一图形材料层202与所述待刻蚀层201之间。
46.所述第二图形材料层203的材料包括氮化钛、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅、碳氮化硅和碳氮氧化硅中的一种或多种。
47.本实施例中，所述第二图形材料层203的材料包括二氧化硅、氮化钛、碳氧化硅。所述第二图形材料层203的结构为多层结构，包括位于所述待刻蚀层201表面的二氧化硅材料层(图中未标出)，位于所述二氧化硅层上的氮化钛材料层(图中未标出)，以及位于所述氮化钛材料层上的碳氧化硅材料层(图中未标出)。所述第二图形材料层203用于后续形成第二图形层。
48.所述第一图形材料层202的材料包括硅。本实施例中，所述第一图形材料层202的材料为无定型硅。其他实施例中，所述第一图形材料层202的材料还可以为多晶硅、氧化硅、碳化硅等。所述第一图形材料层202用于后续形成第一图形层。
49.在形成所述第一图形材料层202时，形成所述待刻蚀层201前的光刻工序中的底部抗反射涂层材料，在位于所述第二区ⅱ上尚有残留，使所述第一图形材料层202与所述待刻蚀层201的黏附性较差。后续在向所述第一图形材料层202表面注入第一离子，使所述第一图形材料层202内产生应力，由于所述第一区ι和所述第二区ⅱ的高度差，使得所述第一图
形材料层202在所述第一区ι和所述第二区ⅱ的邻接处m应力最大，所述第一区ι和所述第二区ⅱ的邻接处m容易成为第二区ⅱ上第一图形材料层的黏附薄弱点。
50.请参考图7和图8，向所述第一图形材料层202表面注入第一离子204，使位于所述第二区ⅱ上的第一图形材料层202脱落，至少部分脱落的第一图形材料层202黏附至所述待刻蚀层201表面形成残留物205。
51.所述第一离子204注入的工艺参数包括：所述第一离子包括碳离子、氮离子和氧离子中的一种或者多种，注入离子的能量范围为5kev至20kev，注入离子的浓度范围为1.0e14atom/cm3至1.0e20atom/cm3。
52.向所述第一图形材料层202表面注入第一离子204，由于所述第一离子204注入使所述第一图形材料层202产生应力以及表面静电，所述应力使位于第二区ⅱ表面的黏附不牢的第一图形材料层202由黏附薄弱点处撕裂开并脱离。具体的，所述黏附薄弱点位于所述第一区ⅰ和所述第二区ⅱ邻接处m。在表面静电及重力的作用下，部分脱落的第一图形材料层202会黏附至所述待刻蚀层201，形成的残留物205。后续清洗去除所述残留物205，使位于所述第二区ⅱ表面黏附不牢的第一图形材料层202在后续工艺进行前脱离并去除，避免影响后续的刻蚀工艺过程，降低了位于晶圆边缘的待刻蚀层201高度差对后续图形定义中刻蚀过程的影响，提高了图形定义的准确度，从而提高了器件的性能。
53.本实施例中，向所述第一图形材料层202表面注入第一离子204，使位于所述第二区ⅱ上的第一图形材料层202脱落的同时，也使位于所述第二区ⅱ上的第二图形材料层203脱落。所述残留物205还包括脱落并黏附至所述待刻蚀层201表面的第二图形材料层203。
54.后续，清洗去除所述残留物后，在所述第一图形材料层202表面形成图像化结构，所述图像化结构内具有第一开口，所述第一开口底部暴露出部分第一图形材料层202；向所述第一开口底部注入第二离子，使所述第一开口底部暴露出的第一图形材料层形成改性区。所述第一离子注入工艺和所述第二离子注入工艺的离子类型不同，避免影响所述第二离子的注入过程，从而不影响后续的图形定义。
55.请参考图9，清洗去除所述残留物205。
56.清洗去除所述残留物205的工艺为湿法工艺。本实施例中，所述湿法工艺的清洗液包括含二氧化碳的去离子水。所述湿法工艺可减少清洗过程中对所述待刻蚀层201的损伤。
57.请参考图10，清洗去除所述残留物205后，在所述第一图形材料层202表面形成图像化结构206。
58.所述图像化结构206包括位于所述第一图形材料层202表面的第一抗反射层(图中未显示)，位于所述第一抗反射层表面的第二抗反射层(图中未显示)，以及位于所述第二抗反射层表面的光刻胶层(图中未显示)。
59.所述图像化结构206的形成方法包括：在所述第一图形材料层202表面形成第一抗反射材料层(图中未显示)，在所述第一抗反射材料层表面形成第二抗反射材料层(图中未显示)，在所述第二抗反射材料层表面形成光刻胶材料层(图中未显示)；图形化所述光刻胶材料层形成光刻胶层，以所述光刻胶层为掩膜刻蚀所述第一抗反射材料层和所述第二抗反射材料层，直到暴露出所述第一图形材料层202表面，形成所述第一抗反射层和所述第二抗反射层。
60.所述第一抗反射材料层的形成工艺包括旋转涂敷工艺。
61.所述第一抗反射材料层的材料包括含碳的聚合物。所述第一抗反射材料层用于形成第一抗反射层，所述第一抗反射层的材料包括含碳的聚合物。形成所述图像化结构206的刻蚀过程中，所述第一抗反射材料层起到图形传输的作用，同时由于所述第一抗反射材料层具有耐蚀刻性，可减少所述第一抗反射材料层支撑的第二抗反射层(以及位于所述第二抗反射层上的光刻胶层)塌陷的情况。
62.所述第二抗反射材料层的形成工艺包括旋转涂敷工艺。
63.所述第二抗反射材料层的材料包括有机聚合物。所述第二抗反射材料层用于形成第二抗反射层，所述第二抗反射层的材料包括有机聚合物。所述第二抗反射材料层用于减少刻蚀过程中，所述光刻胶材料层底部光的反射。
64.本实施例中，所述图像化结构206内具有第一开口207，所述第一开口207底部暴露出部分第一图形材料层202。所述图像化结构206后续作为掩膜用以形成第一图形层。
65.请参考图11，向所述第一开口207底部注入第二离子208，使所述第一开口207底部暴露出的第一图形材料层202形成改性区209。
66.所述注入第二离子208的工艺参数包括：所述第二离子包括p型离子或n型离子，能量范围为5kev至20kev。本实施例中，所述第二离子208为p型离子，具体的，所述第二离子208为硼。
67.后续，去除所述改性区209，使所述第一图形材料层202形成第一图形层。注入第二离子208后，会改变所述第一图形材料层202的刻蚀速率，去除所述改性区209的刻蚀工艺过程中，可在去除所述改性区209的同时，减少对所述第一图形层的损伤。另一方面，由于所述残留物205(如图8所示)在形成图像化结构206之前被去除，不影响所述注入第二离子208的工艺过程，避免目标第一图形层的缺失，形成所述第二图形材料层203上均一分布的第一图形层。
68.请参考图12，去除所述改性区209(如图11所示)，使所述第一图形材料层202形成第一图形层210。
69.所述第一图形层210可以作为图形定义的掩膜层，也可以作为图形定义(如自对准双重图形技术(sadp))工艺过程中的心轴，后续在所述第一图形层210侧壁形成侧墙，所述侧墙用于定义更小尺寸的图形。本实施例中，所述第一图形层210用于作为心轴，后续在所述第一图形层210侧壁形成侧墙。
70.本实施例中，在形成所述侧墙之前，还去除所述图像化结构206。
71.去除所述图像化结构206的工艺包括干法工艺和湿法工艺中的一者或两者的结合。本实施例中，去除所述图像化结构206的工艺为干法工艺，具体的，所述图像化结构206的工艺为灰化工艺。所述灰化工艺可以提高所述图像化结构206的去除率，减少去除所述图像化结构206的过程对所述第一图形层210和所述第二图形材料层203产生的损伤，具有较高的可靠性。
72.请参考图13，在所述第一图形层210侧壁形成侧墙211。
73.所述侧墙211的材料包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅、碳氮化硅和碳氮氧化硅中的一种或多种。
74.所述侧墙211的形成方法包括：在所述第一图形层210、所述第二图形材料层203表面沉积侧墙材料层(图中未标出)，回刻所述侧墙材料层直到暴露出所述第一图形层210和
所述第二图形材料层203顶部表面，以形成所述侧墙211。
75.所述侧墙211的宽度由所述侧墙材料层的厚度决定，可以调节所述侧墙材料层的厚度来控制所述侧墙211的宽度。所述侧墙211可用于作为图形定义的掩膜。为提高图形转移的准确性，本实施例中，所述侧墙211还用于形成第二图形层，所述第二图形层用于作为图形定义的掩膜。形成所述第二图形层的方法请参考图14至图15。
76.请参考图14，形成所述侧墙211后，去除所述第一图形层210。
77.去除所述第一图形层210的工艺包括湿法刻蚀工艺和干法刻蚀工艺中的一者或者两者的结合。
78.本实施例中，所述第一图形层210的材料由所述第一图形材料层202的材料决定，所述第一图形层210为无定型硅，去除所述第一图形层210的工艺为湿法刻蚀工艺。所述湿法刻蚀工艺的参数包括：采用的溶液包括氨水溶液，温度30度至80度，氨水的浓度为30％-70％(体积比)。由于氨水溶液对无定型硅材料和氧化硅材料具有较高的选择性比，利于去除所述第一图形层210的过程中，减少对所述侧墙211的损伤。
79.由于所述第一图形层210具有分布均一的特点，使形成的所述侧墙211具有在所述第二图形材料层203分布均一的特点，用所述侧墙211作为掩膜可以提高图形定义的准确性。
80.请参考图15，以所述侧墙211为掩膜刻蚀所述第二图形材料层203，直到露出待刻蚀层201表面，形成第二图形层212。
81.刻蚀所述第二图形材料层203的工艺包括干法刻蚀工艺和湿法刻蚀工艺。本实施例中，刻蚀所述第二图形材料层203的工艺为干法刻蚀工艺。所述干法刻蚀工艺的工艺参数包括：刻蚀气体包括cf4、chf3，功率范围为300瓦至1000瓦。所述干法刻蚀工艺利于形成较好形貌的第二图形层212。
82.后续，所述第二图形层212可用于作为图形定义过程中的掩膜。由于所述第二图形层212由所述侧墙211图形转移得到，因此也具有在待刻蚀层201表面分布均一的特点，用所述第二图形层212作为掩膜可以提高图形定义的准确性。
83.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。