CN102376542A - 半导体器件精细图案的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种半导体器件精细图案的制作方法，在刻蚀目标层的表面沉积掺氮的碳化硅层，掺氮的碳化硅层与氧化层的刻蚀选择比很高，可以在刻蚀氧化层的同时尽量不对掺氮的碳化硅层进行刻蚀。第二次光刻时，图案化的光阻胶由于其下的平面凹凸不平，出现具有足部的缺陷，这一缺陷会逐层传递给掩膜图形氧化层，因此本发明对氧化层进行预定时间的过刻蚀，由于刻蚀氧化层的同时基本不对其下掺氮的碳化硅层进行刻蚀，所以过刻蚀只是在横向上消耗氧化层，消除光阻胶层传递下来的足部缺陷，从而使得最终刻蚀目标层经过刻蚀之后，具有规则的垂直形状。而且，本发明使得对刻蚀目标层进行刻蚀的掩膜图形高度相同，进一步获得了规则形状的精细图案。

Description

半导体器件精细图案的制作方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种半导体器件精细图案的制作方法。

背景技术

目前，对于衬底上由相间排列的线(line)和间隔(space)形成的精细图案，一般采用双图案(Double Patterning)技术完成。所谓双图案技术，主要是利用两次光刻和刻蚀形成的掩膜图形，进行刻蚀，将掩膜图形转移到目标层上。

现有采用双图案技术形成精细图案的方法包括以下步骤，下面结合图1a至图1e进行说明。

步骤11、请参阅图1a，在半导体衬底100上依次沉积刻蚀目标层101、第一硬掩膜层102、第二硬掩膜层103；

然后在第二硬掩膜层103的表面涂布第一底部抗反射层(BARC)104；

接着在第一底部抗反射层104的表面涂布第一光阻胶层105，并曝光显影图案化所述第一光阻胶层105，进行第一次光刻，图案化的第一光阻胶层105的宽度定义精细图案的线宽。其中，第一硬掩膜层102为氧化硅层；第二硬掩膜层为氮化硅层。

步骤12、请参阅图1b，以图案化的第一光阻胶层105为掩膜，依次对第一底部抗反射层104和第二掩膜层103进行刻蚀，至第一硬掩膜层102表面停止刻蚀。

步骤13、请参阅图1c，去除第一光阻胶层105和第一底部抗反射层104之后，在第二硬掩膜层103的表面依次涂布第二底部抗反射层106和第二光阻胶层107，并曝光显影图案化所述第二光阻胶层107，进行第二次光刻。所述图案化的第二光阻胶层107与图案化的第一光阻胶层105定义的精细图案的线宽相等，且相间排列。也就是说第一次光刻和第二次光刻采用的光罩图形相同，第二次光刻时，在第一次光刻的基础上，平移光罩图形至两次图形相间排列。

步骤14、请参阅图1d，以图案化的第二光阻胶层107为掩膜，依次对第二底部抗反射层106和第一硬掩膜层102进行刻蚀，至刻蚀目标层101的表面停止刻蚀。

步骤15、请参阅图1e，去除第二光阻胶层107和第二底部抗反射层106之后，显露出掩膜图形，所述掩膜图形为相间排列的叠层和第一硬掩膜层102，其中叠层由第一硬掩膜层102和第二硬掩膜层103构成，以所述掩膜图形为遮蔽，对刻蚀目标层进行刻蚀，形成精细图案。

基于上述说明，从步骤13可以看出，在涂布第二底部抗反射层106和第二光阻胶层107时，其下的表面并不是平坦的，而是一个个凸起的经过刻蚀的第二硬掩膜层103，所以涂布的第二底部抗反射层106和第二光阻胶层107也不具有平坦的表面，而是随着刻蚀过的第二硬掩膜层103的凹凸结构而具有起伏不平的表面。这样，在第二次光刻时，曝光机无法精确对准所述不平表面，因此有的位置上光阻胶会出现曝光不足的问题，形成的图案化的光阻胶层具有足部(footing)，如1c中圆圈中的图所示。将具有足部的图案化光阻胶传递给刻蚀目标层，则形成的精细图案也会因此具有足部，而没有规则的垂直形状。

进一步地，图1e中的掩膜图形，高度不一致，有的是第一硬掩膜层和第二硬掩膜层的叠层结构，有的是单层的第一硬掩膜层，那么，将该掩膜图形的图案传递给刻蚀目标层时，形成的精细图案也会受到影响，不能同时具有规则的垂直形状。

发明内容

有鉴于此，本发明解决的技术问题是：如何形成规则形状的精细图案。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案具体是这样实现的：

本发明公开了一种半导体器件精细图案的制作方法，所述精细图案为相间排列的间隔和线，该方法包括：

在半导体衬底上依次沉积刻蚀目标层、掺氮的碳化硅层、氧化层、不定性碳层和氮化层；

在氮化层的表面依次涂布第一底部抗反射层和第一光阻胶层，并曝光显影图案化所述第一光阻胶层，图案化的第一光阻胶层的宽度定义精细图案的线宽；

以图案化的第一光阻胶层为掩膜，依次对第一底部抗反射层、氮化层和不定性碳层进行刻蚀，至露出氧化层表面停止刻蚀；

去除第一光阻胶层和第一底部抗反射层之后，在所述氮化层的表面依次涂布第二底部抗反射层和第二光阻胶层，并曝光显影图案化所述第二光阻胶层，图案化的第二光阻胶层的宽度定义精细图案的线宽；所述图案化的第二光阻胶层与图案化的第一光阻胶层定义的精细图案的线宽相等，且相间排列；

以图案化的第二光阻胶层为掩膜，依次对第二底部抗反射层和氧化层进行刻蚀，刻蚀氧化层至显露出掺氮的碳化硅层时，继续刻蚀至预定时间；

去除第二光阻胶层和第二底部抗反射层之后，显露出掩膜图形，所述掩膜图形为相间排列的的叠层和氧化层，所述叠层为至上而下依次沉积的氮化层、不定性碳层和氧化层；

依次去除氮化层和不定性碳层；

以掩膜图形氧化层为遮蔽，对掺氮的碳化硅层和刻蚀目标层依次进行刻蚀，形成精细图案；所述掩膜图形氧化层的宽度为精细图案的线宽，掩膜图形氧化层之间的空隙为间隔宽度。

采用热磷酸去除所述氮化层。

采用氧气灰化的方法去除所述不定性碳层。

所述氧化层为低温氧化层LTO。

在刻蚀目标层和掺氮的碳化硅层之间，该方法进一步包括：在刻蚀目标层的表面沉积不定性碳层的步骤。

由上述的技术方案可见，本发明在刻蚀目标层的表面沉积掺氮的碳化硅层(NDC)，掺氮的碳化硅层与氧化层的刻蚀选择比很高，可以在刻蚀氧化层的同时尽量不对掺氮的碳化硅层进行刻蚀。第二次光刻时，图案化的光阻胶由于其下的平面凹凸不平，出现具有足部的缺陷，这一缺陷会逐层传递给掩膜图形氧化层，因此本发明对氧化层进行预定时间的过刻蚀，由于刻蚀氧化层的同时基本不对其下掺氮的碳化硅层进行刻蚀，所以过刻蚀只是在横向上消耗氧化层，消除光阻胶层传递下来的足部缺陷，从而使得最终刻蚀目标层经过刻蚀之后，具有规则的垂直形状。而且，本发明使得对刻蚀目标层进行刻蚀的掩膜图形高度相同，进一步获得了规则形状的精细图案。

附图说明

图1a至图1e为现有采用双图案技术形成精细图案的剖面示意图；

图2为采用本发明的双图案技术制作精细图案的方法流程示意图；

图2a至图2f为采用本发明的双图案技术制作精细图案的剖面示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

采用本发明的双图案技术制作精细图案的方法流程示意图如图2所示，其包括以下步骤，下面结合图2a至图2f进行说明。

步骤21、请参阅图2a，在半导体衬底200上依次沉积刻蚀目标层201、掺氮的碳化硅层202、氧化层203、不定性碳层204和氮化层205；

然后在氮化层205的表面依次涂布第一底部抗反射层206和第一光阻胶层207，并曝光显影图案化所述第一光阻胶层207，进行第一次光刻。图案化的第一光阻胶层207的宽度定义精细图案的线宽。

其中，氧化层的形成方式可以有多种，可以为热氧化生长的方式，也可以为化学气相沉积的方式等等，优选为等离子体沉积方式形成的低温氧化物(LTO)。氮化层205用于作为不定性碳层204的刻蚀阻挡层。

步骤22、请参阅图2b，以图案化的第一光阻胶层207为掩膜，依次对第一底部抗反射层206、氮化层205和不定性碳层204进行刻蚀，至氧化层203表面停止刻蚀。

步骤23、请参阅图2c，去除第一光阻胶层207和第一底部抗反射层206之后，在氮化层205的表面依次涂布第二底部抗反射层208和第二光阻胶层209，并曝光显影图案化所述第二光阻胶层209，进行第二次光刻。图案化的第二光阻胶层209的宽度同样定义精细图案的线宽；所述图案化的第二光阻胶层209与图案化的第一光阻胶层207定义的精细图案的线宽相等，且相间排列。也就是说第一次光刻和第二次光刻采用的光罩图形相同，第二次光刻时，在第一次光刻的基础上，平移光罩图形至两次图形相间排列。

步骤24、请参阅图2d，以图案化的第二光阻胶层209为掩膜，依次对第二底部抗反射层208和氧化层203进行刻蚀，刻蚀氧化层203至显露出掺氮的碳化硅层202时，继续刻蚀至预定时间。

一般，刻蚀氧化层203的气体可以达到氧化层和掺氮的碳化硅层之间的刻蚀选择比很高，即刻蚀氧化层的同时能够不对掺氮的碳化硅层进行刻蚀，所以本发明的关键在于氧化层下面掺氮的碳化硅层的沉积，这样，即使第二次曝光的光阻胶层具有足部，刻蚀传递给氧化层时仍然具有足部，但是可以通过在该步骤中过刻蚀氧化层203，消除作为掩膜图形的氧化层的足部，也就是说在刻蚀显露出掺氮的碳化硅层表面后，继续刻蚀氧化层，这时，掺氮的碳化硅层由于刻蚀选择比较高，只会出现轻微的损失，这个过刻蚀过程主要在于横向刻蚀氧化层，消除氧化层的足部，使得氧化层203经过刻蚀之后，具有规则的垂直形状，从而使得最终传递给刻蚀目标层的形状为垂直形状。

其中，继续刻蚀至预定时间就是过刻蚀一定时间的氧化层。所述预定时间根据半导体器件的尺寸、规格及工艺的不同而不同。至于如何确定所述预定时间，本领域内普通技术人员可以通过有限次的实验获得所述预定时间。具体来说，首先选择一片需要过刻蚀的测试晶片，该晶片上形成有与产品晶片相同的半导体器件结构。其中，产品晶片为其上已经分布了器件的晶片，最终可以经过多道工序成为成品；而测试晶片虽然测试结构与产品晶片相同，但在测试之后被废弃。测试晶片在刻蚀反应腔内进行多次试验，每次预先设定过刻蚀时间，并将过刻蚀后的晶片置入测量设备中进行形貌观察，将最终达到氧化层具有垂直形状的过刻蚀时间，作为同批晶片在刻蚀反应腔内进行过刻蚀的预定时间。

步骤25、请参阅图2e，去除第二光阻胶层209和第二底部抗反射层208之后，显露出掩膜图形，所述掩膜图形为相间排列的叠层和氧化层，所述叠层为至上而下依次沉积的氮化层205、不定性碳层204和氧化层203。为确保掩膜图形高度一致，依次去除氮化层205和不定性碳层204，只保留氧化层203作为刻蚀目标层的掩膜。其中，去除氮化层205可以采用热磷酸；去除不定性碳层204可以采用氧气灰化的方法。去除氮化层205和不定性碳层204之后，所有掩膜图形高度相同，都为氧化层，这样就不会因为掩膜图形高度上的差异，给精细图案的刻蚀带来影响，导致有的线宽不能达到理想目标值。

步骤26、请参阅图2f，以掩膜图形氧化层203为遮蔽，对掺氮的碳化硅层202和刻蚀目标层201依次进行刻蚀，形成精细图案。所述掩膜图形氧化层的宽度为精细图案的线宽，掩膜图形氧化层之间的空隙为间隔宽度。

至此，本发明精细图案的制作方法完成。

优选地，为刻蚀目标层经过刻蚀之后具有理想的形状，在刻蚀目标层201和掺氮的碳化硅层202之间，进一步包括沉积不定性碳层等有机层的步骤。

对于刻蚀目标层的材质不作限定，可以包括多晶硅栅极以及位于其下的栅氧化层；也可以是其它用于形成光栅的材料。

综上所述，本发明的形成精细图案的方法，简单易实现，并且克服了现有技术中的多种缺陷，使得最终形成的精细图案具有规则形状。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (5)

1.一种半导体器件精细图案的制作方法，所述精细图案为相间排列的间隔和线，该方法包括：

在半导体衬底上依次沉积刻蚀目标层、掺氮的碳化硅层、氧化层、不定性碳层和氮化层；

在氮化层的表面依次涂布第一底部抗反射层和第一光阻胶层，并曝光显影图案化所述第一光阻胶层，图案化的第一光阻胶层的宽度定义精细图案的线宽；

以图案化的第一光阻胶层为掩膜，依次对第一底部抗反射层、氮化层和不定性碳层进行刻蚀，至露出氧化层表面停止刻蚀；

去除第一光阻胶层和第一底部抗反射层之后，在所述氮化层的表面依次涂布第二底部抗反射层和第二光阻胶层，并曝光显影图案化所述第二光阻胶层，图案化的第二光阻胶层的宽度定义精细图案的线宽；所述图案化的第二光阻胶层与图案化的第一光阻胶层定义的精细图案的线宽相等，且相间排列；

以图案化的第二光阻胶层为掩膜，依次对第二底部抗反射层和氧化层进行刻蚀，刻蚀氧化层至显露出掺氮的碳化硅层时，继续刻蚀至预定时间；

去除第二光阻胶层和第二底部抗反射层之后，显露出掩膜图形，所述掩膜图形为相间排列的的叠层和氧化层，所述叠层为至上而下依次沉积的氮化层、不定性碳层和氧化层；

依次去除氮化层和不定性碳层；

以掩膜图形氧化层为遮蔽，对掺氮的碳化硅层和刻蚀目标层依次进行刻蚀，形成精细图案；所述掩膜图形氧化层的宽度为精细图案的线宽，掩膜图形氧化层之间的空隙为间隔宽度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用热磷酸去除所述氮化层。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，采用氧气灰化的方法去除所述不定性碳层。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述氧化层为低温氧化层LTO。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在刻蚀目标层和掺氮的碳化硅层之间，该方法进一步包括：在刻蚀目标层的表面沉积不定性碳层的步骤。

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