CN101551603A

CN101551603A - 光敏层的图案化方法

Info

Publication number: CN101551603A
Application number: CNA2008101682040A
Authority: CN
Inventors: 陆晓慈; 陈桂顺; 吴小真; 张尚文; 刘家助
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2007-09-25
Filing date: 2008-09-25
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2028-09-25
Also published as: US8815496B2; US8124323B2; CN101551603B; US8394576B2; US20090081591A1; US20120114872A1; US20130164686A1

Abstract

一种图案化光敏层的方法包括：提供一个其上形成有第一层的衬底，利用阳离子处理包括所述第一层的衬底，在所述第一层上形成第一光敏层，图案化所述第一光敏层以形成第一图案，利用阳离子处理所述第一图案，在所述已处理第一图案上形成第二光敏层，图案化所述第二光敏层以形成第二图案，以及使用所述第一图案与所述第二图案作为掩膜处理所述第一层。

Description

光敏层的图案化方法

技术领域

本发明通常涉及半导体制造领域，尤其涉及一种在半导体制造中用来图案化光敏层的方法。

背景技术

光刻常常用于形成集成电路(IC)部件。通常，曝光工具包括掩膜或者标线，光束经由掩膜或标线穿过并由投影透镜聚焦在晶片上，导致出现光敏层中的器件结构图像，从而光敏层形成在晶片上。目前能够放置在芯片上的器件的密度已经在不断增加，因此需要具有非常小间距(pitch)的器件结构图案印刷。但是，实际存在最小间距印刷分辨率限制，这种限制由光束波长和曝光工具的数值孔径(numerical aperture)决定。间距是一个器件结构与相邻器件结构的距离。如果间距太小，投影图像则可能被所谓的“邻近效应”变形，其中“邻近效应”和光线衍射有关。一种用来形成上述器件结构的方法包括两个光刻处理以及两个蚀刻处理。例如，形成第一掩膜用来提供具有大体线状结构的第一图案。然后，根据第一图案蚀刻衬底，以形成大体线状的结构。接着，从衬底上移除第一掩膜。然后，可以形成第二掩膜，以在先前形成的大体线状结构中提供用于缝隙的第二图案。接着，可以根据第二图案蚀刻衬底。上述所需的众多步骤增加了制造成本，例如包括处理复杂度的增加以及循环时间的增加。

因此，需要一种简单且成本有效的方法用于图案化半导体制造的光敏层，来处理45nm及以下的工艺。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种在半导体制造中用于图案化光敏层的方法，该方法包括以下步骤：提供上面形成有第一层的衬底；利用阳离子处理包括第一层的该衬底；在第一层上形成第一光敏层；对第一光敏层进行图案化，以形成第一图案；利用阳离子处理第一图案；在已处理的第一图案上形成第二光敏层；对第二光敏层进行图案化，以形成第二图案；以及使用第一图案和第二图案作为掩膜处理第一层。在一些实施例中，利用阳离子处理包括第一层的衬底的步骤与利用阳离子处理第一图案的步骤包括执行阳离子注入处理。在其他实施例中，阳离子注入处理可以使用选自以下元素组的阳离子：B、H、Al、Ga、In、N、P、As、Sb、C、Si、Ge和Sn。在其他实施例中，阳离子注入处理包括1E9到大约1E15cm^-2范围内的剂量。在其他实施例中，阳离子注入处理包括1keV到大约1M keV范围内的能量。

在其他实施例中，利用阳离子处理包括第一层的衬底的步骤与利用阳离子处理第一图案的步骤包括执行阳离子等离子体处理。在一些实施例中，阳离子等离子体处理使用选自以下元素组的阳离子：B、H、He、C、N、O、F、Cl、Br、Ne、Ar。在其他实施例中，提供包括第一层的衬底的步骤包括配置第一层选自以下元素组：硅(Si)、二氧化硅、氮氧化硅、有机材料、导体材料以及低介电常数材料。在其他实施例中，使用第一图案和第二图案作为掩膜处理第一层的步骤包括蚀刻第一层以形成线状图案。在一些实施例中，使用第一图案和第二图案作为掩膜处理第一层的步骤包括蚀刻第一层以形成孔状图案。在其他实施例中，提供包括第一层的衬底的步骤进一步包括在第一层上提供抗反射涂层(ARC)。

在其他实施例中，用于制造半导体器件的方法包括以下步骤：提供一个衬底；在衬底上形成第一光敏层；利用阳离子处理第一光敏层；图案化第一光敏层，从而在衬底上形成第一图案；利用阳离子处理第一图案；在衬底和第一图案上形成第二光敏层；图案化第二光敏层，从而在衬底上形成第二图案；以及使用第一图案和第二图案作为掩膜对衬底进行处理。利用阳离子处理第一光敏层和第一图案的步骤包括执行阳离子注入处理或者通过执行阳离子等离子体处理。在一些实施例中，利用阳离子处理第一光敏层和第一图案的步骤包括硼离子或氢离子。在一些其他实施例中，阳离子注入处理使用选自以下元素组的阳离子：Al、Ga、In、N、P、As、Sb、C、Si、Ge和Sn。在其他实施例中，阳离子等离子体注入处理使用选自以下元素组的阳离子：He、C、N、O、F、Cl、Br、Ne和Ar。在再一些其他实施例中，提供衬底的步骤还包括在衬底上方提供抗反射涂层(ARC)。

在又一些其他实施例中，提供了一种用于半导体制造的方法，包括以下步骤：提供一个其上形成有处理层的衬底；通过执行阳离子注入处理或者阳离子等离子体处理对包括处理层的衬底进行处理；在处理层上形成第一光致抗蚀剂层；图案化第一光致抗蚀剂层，以形成第一图案；处理第一图案；在衬底和第一图案上形成第二光致抗蚀剂层；图案化第二光致抗蚀剂层，以形成第二图案；以及使用第一图案和第二图案作为掩膜蚀刻处理层。在一些实施例中，阳离子注入处理使用选自以下元素组的阳离子：B、H、Al、Ga、In、N、P、As、Sb、C、Si、Ge和Sn。在一些其他实施例中，阳离子等离子体处理使用选自以下元素组的阳离子：B、H、He、C、N、O、F、Cl、Br、Ne和Ar。在又一些其他实施例中，处理第一图案包括通过执行注入处理、等离子体处理、紫外光固化处理、电子束处理及烘烤处理的其中一种方式对第一图案进行处理。

当结合附图阅读上文描述时，本发明的各个方面能够得到最好的理解。需要强调的是，根据工业标准实践，不同的特征没有按比例规定绘制。实际上，为了阐明描述的目的，不同特征的尺寸可以任意增加或减小。另外需强调的，附图仅阐明本发明的典型实施例，并且因此不被认为限制本发明的保护范围。本发明同样地可以很好地应用于其他实施例。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得容易理解。需要强调的是，根据工业标准实践，不同的结构没有按比例规定绘制。实际上，为了阐明描述的目的，不同结构的尺寸可以任意增加或减小。

图1为根据本发明不同方面用于图案化半导体制造中光敏层的方法流程图；

图2为根据图1所示方法处理的半导体器件的示意图；

图3为根据本发明不同方面用于图案化半导体制造中光敏层的替代方法流程图；

图4为根据图3所示方法处理的半导体器件的示意图；

图5为可利用图1和图3所示方法形成的线状图案俯视图；

图6为可利用图1和图3所示方法形成的孔状图案俯视图。

具体实施方式

应当理解下面的公开提供了许多不同的实施例或例子，下面详细描述本发明的实施例，以用来执行各种实施例的不同特征。下面描述的部件和设置的特定例子为了简化本发明公开。当然，它们仅仅为示例，并且不应当受到限制。此外，在不同实施例中，本发明公开可以重复参考编号和/或字母。这些重复目的在于简化和阐明，本质上不在于指示所讨论的不同实施例和/设定之间的关系。另外，在随后描述关于形成第一特征在第二特征上方或上面可以包括第一特征和第二特征以直接方式接触的实施例，也可以包括在第一特征和第二特征之间设置形成的附加特征的实施例，这样第一特征和第二特征可以不是直接接触。

参考图1，该图显示了根据本发明公开不同方面的用于图案化光敏层的方法100的流程图。另外参考图2，该图为根据图1的方法100处理半导体器件200的示意图。方法100从步骤102开始，在该步骤102中，可以在衬底202上配置有第一层204。衬底202可以包括元素半导体(例如晶体硅、多晶硅、非晶硅以及锗)，化合物半导体(例如碳化硅和砷化镓)，合金半导体(例如硅锗、镓砷磷、砷化铟铝、砷化镓铝和磷化镓铟)以及/或者其它组合。在其他例子中，化合物半导体衬底可以包括多重硅结构，或者硅衬底可以包括多层化合物半导体结构。衬底202也可以包括覆盖体型半导体(bulk semiconductor)的外延层。

第一层204可以包括即将被处理以及/或者图案化的材料层，以形成各种微电子结构，例如互连线、触点、通孔(vias)、多晶硅栅(polygate)以及其他已知结构。例如，第一层204可以包括硅(Si)、二氧化硅(SiO₂)、氮氧化硅(SiON)、有机材料、导体材料、低介电常数材料以及其他合适材料。第一层204可以通过化学气相沉淀(CVD)、旋涂或者其他合适的公知技术形成。此外，包括底部抗反射涂层(BARC)的抗反射涂层(ARC)(图中未显示)可以形成在衬底202上方。通过抑制薄膜干涉产生的反射刻痕、驻波效应以及摆动比，在光刻之前使用BARC层增强了临界尺度(CD)控制。

方法100接着执行步骤104，在步骤104中，可以利用阳离子对包括第一层204的衬底202进行处理206。阳离子可以通过执行阳离子注入处理提供。离子注入处理可以将阳离子注入到第一层204的表面。阳离子可以包括B阳离子。或者，阳离子可以包括H阳离子。此外，阳离子可以包括以下元素例如铝(Al)、镓(Ge)、铟(In)、氮(N)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)、碳(C)、硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)以及它们的化合物。被注入的阳离子剂量可以在大约1e⁹到大约1e¹⁵cm^-2范围之间。注入能量可以在大约1到1M keV范围内。上述离子注入设定可以仅仅作为例子，并且不应当被用于不适当地限制该处理的范围以及应用。

或者，可以在适当条件下执行阳离子等离子体处理对包括第一层204的衬底202进行处理206。许多合适的等离子体气体可以使用，例如包括B阳离子的气体。或者，该气体可以包括H阳离子。此外，该气体也可以包括其他合适阳离子，例如氦(He)、碳(C)、氮(N)、氧(O)、氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)、氖(Ne)、氩(Ar)以及它们的化合物。用于等离子体处理的频率范围可以在大约10到200MHz之间。等离子体室反应功率可以在大约100到3000瓦范围之间。上述等离子体处理设定仅提供作为实施例，不应当被用来不适当地限制该处理的范围和应用。

接下来，方法100执行步骤106，在步骤106中，可以在第一层204上形成第一光敏层208。先前步骤104利用阳离子的处理已经被观察，以增加第一光敏层208和第一层204之间的粘附，并因而改善随后的光刻处理。第一光敏层208可以包括光致抗蚀剂或者抗蚀剂层。抗蚀剂可以包括正性或负性抗蚀剂。第一光敏层208可以通过旋涂或者其他合适工艺形成。或者，可以如上文所述，利用阳离子对第一光敏层208进行处理。

然后是方法100的步骤108，在该步骤中，可以图案化第一光敏层208以形成第一图案210。第一光敏层208可以通过包括软烤、曝光、曝光后烤、显影、水洗、干燥及其他适当处理的光刻工艺进行图案化。光刻工艺为本领域的公知技术，因此这里不再详细描述。或者，光刻工艺可以包括沉浸光刻工艺。第一图案210可以包括被配置用来形成互连线的线状图案。线状图案可以包括可能被光刻系统的印刷分辨率限制的间距。间距与线状图案中相邻线之间的间隔对应。印刷分辨率可能被各种因素限制，例如辐射源波长以及透镜系统配置。

接着在步骤110中，可以处理212第一图案210以形成静态层。可以处理并稳定第一图案210，因此下文描述的随后步骤不会不利地改变第一图案。第一图案210的静态层可以通过各种技术形成。例如，静态层可以通过和步骤104描述的工艺类似的阳离子注入工艺形成。或者，静态层可以通过和步骤104描述的处理类似的阳离子等离子体工艺形成。此外，静态层也可以通过紫外光固化、烘烤以及/或者电子束处理形成。

在方法100的步骤112中，可以在衬底202上形成第二光敏层216。第二光敏层216可以类似于第一光敏层208，并且可以通过旋涂或者适当工艺形成。如此，第二光敏层216大体覆盖在第一层204上，其中第一层204包括位于第一图案210内部的间隙。

然后是方法100的步骤114，在该步骤中，可以图案化第二光敏层216，以形成第二图案218。第二光敏层216可以通过与前述步骤108中公开的一种类似的光刻工艺被图案化。第二图案218也可以包括线状图案，其中该线状图案具有设置在第一图案210的间隙内部的线条。第二图案218可以包括类似于第一图案210间距的间距。因此，第一图案210和第二图案218可以结合以形成最终图案220，其中最终图案220具有的间距大体上是第一图案及/或第二图案的间距的一半。接下来是步骤116，在步骤116中，利用第一图案210和第二图案218作为光掩模或者掩膜可以处理第一层204。例如，可以蚀刻第一层204，从而在衬底202上形成最终的线状图案222。因此，利用当前光刻设备和材料，可以执行方法100用来形成45nm及以下工艺技术的结构。

参考图3，图3所示为根据本发明不同方面的用于图案化半导体制造中光敏层的方法300流程图。另外参考图4，图4所示为根据图3方法300处理的半导体器件的示意图。首先在方法300的步骤302中，可以在衬底402上配置第一光敏层。衬底402可以类似于图2的衬底202，衬底402可以包括即将被处理形成各种器件结构，例如互连线、触点、通孔、硅栅、掺杂区域以及其他本领域已知结构的处理层，例如，处理层可以包括硅、二氧化硅、氮氧化硅、有机材料、导体材料、低介电常数以及其他合适材料。此外，包括底部抗反射涂层(BARC)的抗反射涂层(ARC)可以形成在衬底402上方。通过抑制薄膜干涉产生的反射刻痕、驻波效应以及摆动比，在光刻之前使用BARC层增强了临界尺度(CD)控制。

第一光敏层404可以包括光致抗蚀剂或者抗蚀剂层。抗蚀剂可以包括正或负型抗蚀剂。第一光敏层404可以通过旋涂或者其他合适工艺形成。然后是方法300的步骤304，在该步骤中，可以图案化第一光敏层404以形成第一图案406。第一光敏层404可以通过包括软烤、曝光、曝光后烤、显影、水洗、干燥及其他适当处理的光刻工艺进行图案化。光刻工艺为本领域的公知技术，这里不再详细描述。此外，光刻工艺可以包括沉浸光刻工艺。第一图案406可以包括类似于图2中线状图案的线状图案。

接着在方法300的步骤306中，可以利用阳离子处理408包括第一图案406的衬底402。可以处理并稳定第一图案406，因此下述的随后处理步骤不会不利地改变第一图案。阳离子可以通过执行阳离子注入处理被提供。注入处理可以将阳离子注入到包括第一图案406的第一层402的表面。阳离子可以包括B阳离子。或者，阳离子可以包括H阳离子。此外，阳离子可以包括以下元素例如铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)、氮(N)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)、碳(C)、硅(Si)、锗(Ge)、锡(Si)以及它们的化合物。被注入的阳离子剂量例如可以在大约1e⁹到大约1e¹⁵cm^-2范围之间。注入能量例如可以在大约1到1M keV范围之间。上述离子注入设定可以仅提供作为例子，并且不应当被用于不适当地限制该处理的范围以及应用。

或者，可以在适当条件下执行阳离子等离子体处理对包括第一图案406的衬底402进行处理408。许多合适的等离子体气体可以使用，例如包括B阳离子的气体。或者，该气体可以包括H阳离子。此外，该气体也可以包括其他合适阳离子，例如氦(He)、碳(C)、氮(N)、氧(O)、氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)、氖(Ne)、氩(Ar)以及它们的化合物。用于等离子体处理的频率范围可以在大约10到200MHz之间。等离子体室反应功率可以在大约100到3000瓦范围之间。上述等离子体处理设定仅提供作为实施例，不应当被用来不适当地限制该处理的范围和应用。

接下来，在方法300的步骤308中，可以在衬底402上形成第二光敏层410。第二光敏层410可以类似于第一光敏层404，可以通过旋涂或者适当处理形成。如此，第二光敏层410大体覆盖在衬底402上，其中衬底402包括位于第一图案406内部的间隙。

然后是方法300的步骤310，在该步骤中，可以图案化第二光敏层408，以形成第二图案412。第二光敏层408可以通过与前述步骤304中公开类似的光刻处理被图案化。第二图案412也可以包括线状图案，其中该线状图案具有设置在第一图案406的间隙内部的线条。第二图案412可以包括类似于第一图案406间距的间距。因此，第一图案406和第二图案412可以结合以形成最终图案414，其中最终图案414具有的间距大体上小于第一图案及/或第二图案的间距(例如为它们间距的一半)。接下来是方法300的步骤312，在步骤312中，利用第一图案406和第二图案412作为光掩模或者掩膜可以处理衬底402。例如，可以蚀刻衬底402，从而形成最终的线状图案420。因此，利用当前光刻设备和材料，可以执行方法100用来形成45nm及以下工艺技术的结构。

参考图5，图5所示为可分别利用图1的方法100及图3的方法300形成在光敏层中的线状图案500的俯视图。线状图案500包括第一线状图案510与第二线状图案520。第一线状图案510包括具有第一间距530的平行线条，并且第二线状图案520包括具有第二间距540的平行线条。通过结合第一线状图案510和第二线状图案520，线状图案500包括小于第一间距530和第二间距540的间距。可以观察到方法100和300能够在具有大约80nm间距的衬底上形成线状图案560，其中80nm间距包括大约45.5nm的线条宽度。

参考图6，该图所示为分别利用图1和图3的方法100及300在光敏层中形成的孔状图案600俯视图。孔状图案600包括第一线状图案610与第二线状图案620。第一线状图案610包括沿第一方向平行的线条，并且第二线状图案620包括沿垂直于第一方向的第二方向平行的线条。通过结合第一线状图案610和第二线状图案620，线状图案600包括产生在第一线状图案和第二线状图案间隙中的开孔630。如此，利用孔状图案600作为光掩模或者掩膜蚀刻例如介电层的底层材料层，可以在介电层中形成开孔用于触点、通孔或者其他合适结构。可以观察到方法100及300能够形成具有大约110nm间距的孔状图案640和/或大约100nm间距的孔状图案650，其中110nm的间距包括具有大约52.6nm临界尺度的开孔，100nm的间距包括具有大约41.2nm临界尺度的开孔。

虽然上文仅具体描述了本发明的一些具体实施例，但是本领域普通技术人员应当容易地了解在不脱离本发明的原理和精神及优点的情况下可以对这些实施例进行多种修改。应当理解上述所列步骤的各种不同结合可以沿不同顺序使用或者平行使用，并且不存在关键或必需的特殊步骤。此外，上述关于一些实施例显示及讨论的特征可以与其他实施例显示及讨论的特征结合。因此，所有这样的修改意欲包含在本发明的保护范围内。

一些不同的优点存在于本发明公开的这些及其他实施例中。除了提供一种图案化光敏层的方法之外，其中该方法可以执行如同形成45nm及以下特征的处理技术，这里公开的方法不需要先进光刻技术和/或光敏材料。并且，这里公开的方法使用双曝光及单蚀刻处理来图案化特征，由此减少了半导体器件制造的复杂性及成本。这里公开的方法可以形成具有改善轮廓及临界尺度一致的线状及/或孔状图案。

Claims

1、一种在半导体制造中用于图案化光敏层的方法，该方法包括：

提供一个其上形成有第一层的衬底；

利用阳离子处理包括所述第一层的衬底；

在所述第一层上形成第一光敏层；

图案化所述第一光敏层以形成第一图案；

利用阳离子处理所述第一图案；

在所述已处理第一图案上形成第二光敏层；

图案化所述第二光敏层以形成第二图案；以及

使用所述第一图案与所述第二图案作为掩膜处理所述第一层。

2、如权利要求1所述的方法，其中所述利用阳离子处理包括所述第一层的衬底的步骤与所述利用阳离子处理所述第一图案的步骤包括执行阳离子注入处理。

3、如权利要求2所述的方法，其中所述阳离子注入处理使用选自以下元素组的阳离子：B、H、Al、Ga、In、N、P、As、Sb、C、Si、Ge和Sn。

4、如权利要求2所述的方法，其中所述阳离子注入处理包括1E9到大约1E15cm^-2范围之间的剂量；所述阳离子注入处理包括1keV到1M keV范围之间的能量。

5、如权利要求1所述的方法，其中所述利用阳离子处理包括所述第一层的衬底的步骤与所述利用阳离子处理所述第一图案的步骤包括执行阳离子等离子体处理，其中所述阳离子等离子体处理使用选自以下元素组的阳离子：B、H、He、C、N、O、F、Cl、Br、Ne和Ar。

6、如权利要求1所述的方法，其中所述提供具有第一层的所述衬底的步骤包括配置所述第一层选自以下元素组：硅、二氧化硅、氮氧化硅、有机材料、导体材料及低介电常数材料。

7、如权利要求1所述的方法，其中所述使用所述第一图案与所述第二图案作为掩膜处理所述第一层的步骤包括蚀刻所述第一层以形成线状图案或者孔状图案。

8、如权利要求1所述的方法，其中所述提供具有第一层的所述衬底的步骤还包括在所述第一层上提供抗反射涂层。

9、一种制造半导体器件的方法，所述方法包括：

提供一个衬底；

在所述衬底上形成第一光敏层；

利用阳离子处理所述第一光敏层；

图案化所述第一光敏层，以在所述衬底上形成第一图案；

利用阳离子处理所述第一图案；

在所述衬底和所述第一图案上形成第二光敏层；

图案化所述第二光敏层，以在所述衬底上形成第二图案；以及

使用所述第一图案与所述第二图案作为掩膜处理所述衬底；

其中所述利用阳离子处理所述第一光敏层和所述第一图案的步骤包括执行阳离子注入处理或阳离子等离子体处理。

10、如权利要求9所述的方法，其中所述利用阳离子处理所述第一光敏层和所述第一图案的步骤包括利用硼离子或氢离子处理所述第一光敏层和所述第一图案。

11、如权利要求9所述的方法，其中所述阳离子注入处理使用选自以下元素组的元素：Al、Ga、In、N、P、As、Sb、C、Si、Ge和Sn；而所述阳离子等离子体处理使用选自以下元素组的元素：He、C、N、O、F、Cl、Br、Ne、Ar。

12、如权利要求9所述的方法，其中所述提供所述衬底的步骤还包括在所述衬底上提供抗反射涂层。

13、一种方法，包括：

提供一个其上形成有处理层的衬底；

通过执行阳离子注入处理或阳离子等离子体处理来处理包括所述处理层的衬底；

在所述处理层上形成第一光致抗蚀剂层；

图案化所述第一光致抗蚀剂层以形成第一图案；

处理所述第一图案；

在所述衬底和所述第一图案上形成第二光致抗蚀剂层；

图案化所述第二光致抗蚀剂层以形成第二图案；以及

使用所述第一图案与所述第二图案作为掩膜处理所述处理层。

14、如权利要求13所述的方法，其中所述阳离子注入处理使用选自以下元素组的阳离子：B、H、Al、Ga、In、N、P、As、Sb、C、Si、Ge和Sn；而所述阳离子等离子体处理使用选自以下元素组的阳离子：B、H、He、C、N、O、F、Cl、Br、Ne和Ar。

15、如权利要求13所述的方法，其中所述处理第一图案的步骤包括通过执行注入处理、等离子体处理、紫外光固化处理、电子束处理及烘烤处理的其中一种方式对所述第一图案进行处理。