CN105632885A - 半导体结构的形成方法 - Google Patents

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Abstract

一种半导体结构的形成方法，包括：提供基底，在所述基底上形成待刻蚀层；在所述待刻蚀层上形成若干分立的光刻胶牺牲层；对所述光刻胶牺牲层进行硅烷化处理，将光刻胶牺牲层的侧壁和顶部部分光刻胶材料转化为硅烷化层；对所述硅烷化层进行氧化处理，将硅烷化层转化为氧化硅层；去除顶部的氧化硅层，暴露出未被硅烷化的光刻胶牺牲层的顶部表面，未被硅烷化的光刻胶牺牲层两侧侧壁表面的氧化硅层作为氧化硅侧墙；去除未被硅烷化的光刻胶牺牲层，在氧化硅侧墙之间形成开口；以所述氧化硅侧墙为掩膜刻蚀所述待刻蚀层，形成刻蚀图形。本发明的方法有效的防止了双图形工艺中形成的侧墙掩膜的变形或者偏移。

Description

半导体结构的形成方法
技术领域
本发明涉及半导体制作领域，特别涉及一种半导体结构的形成方法。
背景技术
在半导体制造领域，光刻胶材料用于将掩膜图像转印到一层或多层的材料层中，例如将掩膜图像转印到金属层、介质层或半导体衬底上。但随着半导体工艺的特征尺寸的不断缩小，利用光刻工艺在材料层中形成小特征尺寸的掩膜图形变得越来越困难。
为了减小光学邻近效应的影响，工业界提出了光刻分辨率增强技术，其中的双重图形技术(DPT：DoublePatterningTechnology)被认为是填补浸入式光刻和极紫外光刻(EUV)之间鸿沟的有力保障。双重图形技术通常在待刻蚀层上形成牺牲层，在牺牲层的周围形成侧墙，去除所述牺牲层后，以所述侧墙为掩膜，刻蚀所述待刻蚀层，可以形成特征尺寸小的图形。
图1～图3为以光刻胶作为牺牲层的双重图形的形成过程的剖面结构示意图。
请参考图1，提供基底100，所述基底100上形成有待刻蚀层102；在所述待刻蚀层102上形成若干分立的光刻胶牺牲层103；形成覆盖所述光刻胶牺牲层103的侧壁和顶部表面、以及待刻蚀层102表面的侧墙材料层104。
所述光刻胶牺牲层103的材料为光刻胶，所述侧墙材料层104的材料为氮化硅等。
请参考图2，采用无掩膜刻蚀工艺刻蚀所述侧墙材料层104(参考图1)，在所述光刻胶牺牲层103的两侧侧壁表面上形成侧墙105。
请参考图3，去除所述光刻胶牺牲层(参考图2)，在相邻侧墙105之间形成开口107，所述开口107暴露出底部的待刻蚀层表面，若干侧墙105作为后续刻蚀待刻蚀层102时的双图形掩膜。
但是上述方法形成的双图形掩膜的形貌仍有待改善。
发明内容
本发明解决的问题是怎么改善双图形掩膜的形貌。
为解决上述问题，本发明提供一种半导体结构的形成方法，包括：提供基底，在所述基底上形成待刻蚀层；在所述待刻蚀层上形成若干分立的光刻胶牺牲层；对所述光刻胶牺牲层进行硅烷化处理，将光刻胶牺牲层的侧壁和顶部部分光刻胶材料转化为硅烷化层；对所述硅烷化层进行氧化处理，将硅烷化层转化为氧化硅层；去除顶部的氧化硅层，暴露出未被硅烷化的光刻胶牺牲层的顶部表面，未被硅烷化的光刻胶牺牲层两侧侧壁表面的氧化硅层作为氧化硅侧墙；去除未被硅烷化的光刻胶牺牲层，在氧化硅侧墙之间形成开口；以所述氧化硅侧墙为掩膜刻蚀所述待刻蚀层，形成刻蚀图形。
可选的，所述光刻胶牺牲层材料中包括羟基功能团、羧酸基功能团、胺基功能团或硫醇基功能团。
可选的，进行硅烷化处理时，部分光刻胶牺牲层材料中的功能团中的氢元素被硅烷基替代，形成硅烷化层。
可选的，所述硅烷化处理采用的反应物为六甲基二硅氮烷、四甲基二硅氮烷、双二甲氨基甲基硅烷、二甲基硅基二甲胺、二甲基硅基二乙胺、三甲基硅烷基二甲胺、三甲基硅烷基二乙胺或二甲氨基五甲基二硅烷。
可选的，所述光刻胶材料中还包含树脂，树脂中具有功能团，在进行硅烷化处理时，20～80％的所述功能团被硅烷基替代。
可选的，进行硅烷化处理时，所述反应物以气体的形式供入反应腔室，硅烷化处理的温度为100～160摄氏度，时间为30-600秒。
可选的，所述硅烷化层中包括氧元素、硅元素、碳元素和氢元素。
可选的，所述氧化处理为含氧等离子体氧化处理。
可选的，所述氧化处理时，去除硅烷化层中的碳元素和氢元素，硅烷化层中的硅元素与氧等离子体中的氧元素反应交联形成氧化硅层。
可选的，所述氧等离子以第一角度入射对硅烷化层进行氧化处理。
可选的，所述氧等离子体入射的第一角度为30～80度。
可选的，所述氧化处理时，采用的气体为O2或O3。
可选的，所述硅烷化层中还包括氮元素或硫元素，所述所述氧化处理时，去除硅烷化层中的氮元素或硫元素。
可选的，去除顶部的氧化硅层采用各向异性的干法刻蚀工艺。
可选的，所述各向异性的干法刻蚀工艺采用的气体为含碳氟的气体。
可选的，去除未被硅烷化的光刻胶牺牲层采用湿法刻蚀工艺或干法刻蚀工艺。
可选的，所述湿法刻蚀工艺采用的刻蚀溶液为硫酸溶液。
可选的，所述干法刻蚀工艺为等离子灰化工艺，所述等离子灰化工艺采用的气体为O2或O3。
可选的，所述光刻胶牺牲层的形成过程为：采用旋涂工艺在所述待刻蚀层上形成光刻胶层；对所述光刻胶层进行曝光和显影，在待刻蚀层上形成光刻胶牺牲层。
可选的，在形成光刻胶层之前，在所述待刻蚀层上形成底部抗反射涂层。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
本发明的半导体结构的形成方法，在所述待刻蚀层上形成若干分立的光刻胶牺牲层后，通过对所述光刻胶牺牲层进行硅烷化处理，将光刻胶牺牲层的侧壁和顶部部分光刻胶材料转化为硅烷化层，然后，对所述硅烷化层进行氧化处理，将硅烷化层转化为氧化硅层，接着，去除顶部的氧化硅层，暴露出未被硅烷化的光刻胶牺牲层的顶部表面，未被硅烷化的光刻胶牺牲层两侧侧壁表面的氧化硅层作为氧化硅侧墙。因而本发明的氧化硅侧墙不是通过化学气相沉积工艺形成，形成的氧化硅侧墙与未被硅烷化的光刻胶牺牲层之间不会产生应力作用或者氧化硅侧墙对未被硅烷化的光刻胶牺牲层的应力作用很小，因而在去除未被硅烷化的光刻胶牺牲层后，氧化硅侧墙不会向未被硅烷化的光刻胶牺牲层所在的方向发生倾斜或变形，另外，硅烷化处理后形成的硅烷化层的硬度和致密度均较低，通过氧化处理将硅烷化层材料层转化为硬度和致密度均较高的氧化硅层，形成的氧化硅侧墙不容易变形，并且提高了去除未被硅烷化的光刻胶牺牲层和待刻蚀层时，未被硅烷化的光刻胶牺牲层和待刻蚀层相对于氧化硅侧墙具有高的刻蚀选择比。
进一步，所述光刻胶牺牲层材料中包括羟基功能团、羧酸基功能团、胺基功能团或硫醇基功能团，部分光刻胶牺牲层材料中的功能团中的氢元素被硅烷基替代，因而可以较为方便的改变光刻胶牺牲层表面部分材料的性质，将光刻胶牺牲层的侧壁和顶部部分光刻胶材料转化为硅烷化层。
进一步，所述氧化处理为含氧等离子体氧化处理，氧等离子体具有较高的活性，容易氧化硅烷化层中的碳元素和氢元素，硅烷化层中的碳元素与氧等离子体中的氧元素结合生成CO或CO2、硅烷化层中的氢元素和氧等离子体中的氧元素结合生成H2O，硅烷化层中剩余的硅元素与氧等离子体中的氧元素反应交联形成氧化硅层，氧化处理后形成的氧化硅层相对于硅烷化层致密性和硬度更高，因而不容易发生变形，并且后续在去除未被硅烷化的光刻胶牺牲层时，氧化硅层相对于未被硅烷化的光刻胶牺牲层的刻蚀速率更低，使得形成的氧化硅侧墙可以保持较好的形貌。
附图说明
图1～图3为以光刻胶作为牺牲层的双重图形的形成过程的剖面结构示意图；
图4～图10为本发明实施例半导体结构的形成过程的剖面结构示意图。
具体实施方式
如背景技术所言，现有技术形成的双图形掩膜的形貌仍有待改善，比如现有技术在去除光刻胶牺牲层后，具体请参考图3，剩余的侧墙105容易向开口107(去除光刻胶牺牲层后形成)所在的位置倾斜或变形，后续在以倾斜的侧墙105为掩膜刻蚀待刻蚀层102，形成刻蚀图形的形貌受到影响。
对现有技术的双图形的形成工艺进行研究后发现，采用光刻胶材料作为牺牲层时，由于光刻胶材料的质地较软、硬度较低，当采用化学气相沉积工艺形成覆盖光刻胶牺牲层侧壁和底部的侧墙材料层时，侧墙材料层对光刻胶牺牲层会产生应力的作用，在去除光刻胶牺牲层后，形成的侧墙容易向光刻胶牺牲层所在的方向倾斜或变形。
为此，本发明提供了一种半导体结构的形成方法，在所述待刻蚀层上形成若干分立的光刻胶牺牲层后，通过对所述光刻胶牺牲层进行硅烷化处理，将光刻胶牺牲层的侧壁和顶部部分光刻胶材料转化为硅烷化层，然后，对所述硅烷化层进行氧化处理，将硅烷化层转化为氧化硅层，接着，去除顶部的氧化硅层，暴露出未被硅烷化的光刻胶牺牲层的顶部表面，未被硅烷化的光刻胶牺牲层两侧侧壁表面的氧化硅层作为氧化硅侧墙。因而本发明的氧化硅侧墙不是通过化学气相沉积工艺形成，形成的氧化硅侧墙与未被硅烷化的光刻胶牺牲层之间不会产生应力作用或者氧化硅侧墙对未被硅烷化的光刻胶牺牲层的应力作用很小，因而在去除未被硅烷化的光刻胶牺牲层后，氧化硅侧墙不会向未被硅烷化的光刻胶牺牲层所在的方向发生倾斜或变形，另外，硅烷化处理后形成的硅烷化层的硬度和致密度均较低，通过氧化处理将硅烷化层材料层转化为硬度和致密度均较高的氧化硅层，形成的氧化硅侧墙不容易变形，并且提高了去除未被硅烷化的光刻胶牺牲层和待刻蚀层时，未被硅烷化的光刻胶牺牲层和待刻蚀层相对于氧化硅侧墙具有高的刻蚀选择比。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。在详述本发明实施例时，为便于说明，示意图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明的保护范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
图4～图10为本发明实施例半导体结构的形成过程的剖面结构示意图。
参考图4，提供基底200，在所述基底200上形成待刻蚀层201；在所述待刻蚀层201上形成若干分立的光刻胶牺牲层203。
所述基底200作为后续工艺的平台，本实施例中，所述基底200为半导体衬底，所述基底200的材料为硅(Si)、锗(Ge)、或硅锗(GeSi)、碳化硅(SiC)；也可以是绝缘体上硅(SOI)，绝缘体上锗(GOI)。在本发明的其他实施例中，所述基底可以为其他的材料。
所述待刻蚀层201的材料为介质层材料或金属材料或非金属材料。具体的，所述待刻蚀层201的材料为低介电常数材料、多晶硅、无定形硅、无定形碳、氧化硅、SiN、SiON、SiCN、SiC、BN、SiCO、SiCOH、BN、TiN、W、Al或Cu等。
所述待刻蚀层201可以为单层或多层堆叠结构。
所述光刻胶牺牲层203的材料为光刻胶，所述光刻胶牺牲层203的形成过程为：采用旋涂工艺在所述待刻蚀层201上形成光刻胶层；对所述光刻胶层进行曝光和显影，在待刻蚀层201上形成光刻胶牺牲层203。
在形成光刻胶层之前，在所述待刻蚀层201上形成底部抗反射涂层202。
所述光刻胶材料层中包括树脂，树脂中包括羟基功能团、羧酸基功能团、胺基功能团或硫醇基功能团，后续进行硅烷化处理时，所述功能团中的氢元素被硅烷基替代，形成硅烷化层。
参考图5，对所述光刻胶牺牲层203进行硅烷化处理，将光刻胶牺牲层203的侧壁和顶部部分光刻胶材料转化为硅烷化层204。
所述硅烷化处理采用的反应物为六甲基二硅氮烷、四甲基二硅氮烷、双二甲氨基甲基硅烷、二甲基硅基二甲胺、二甲基硅基二乙胺、三甲基硅烷基二甲胺、三甲基硅烷基二乙胺或二甲氨基五甲基二硅烷。
进行硅烷化处理时，部分光刻胶牺牲层203材料中的功能团中的氢键从功能团上断裂，反应物中的氨基从反应物上断裂，断裂的氢键与断裂的氨基形成氨气，功能团中氢键的位置被硅烷基替代，形成硅烷化层204。
在一实施例中，在进行硅烷化处理时，光刻胶牺牲层材料中20～80％的所述功能团被硅烷基替代。
在一实施例中，进行硅烷化处理时，所述反应物以气体的形式供入反应腔室，硅烷化处理的温度为100～160摄氏度，时间为30-600秒，提高了硅烷化处理的效率，并且形成硅烷化层204厚度均匀，并且具有较好的表面形貌。
硅烷化处理时，由于是硅烷基替换光刻胶牺牲层中的功能团，因而形成的硅烷化层204中包括氧元素、硅元素、碳元素和氢元素等，如果光刻胶牺牲材料中的功能团为胺基功能团或硫醇基功能团，所述硅烷化层204中还包括氮元素或硫元素。由于形成的硅烷化层204中除了具有氧元素和硅元素还包括其他元素，比如碳元素和氢元素等，使得硅烷化层204中大部分氧元素和硅元素没有交联在一起，硅元素与硅元素之间的间隔仍较大，形成的硅烷化层的致密性和硬度仍较低，若直接以硅烷化层在后续形成双图形侧墙，该双图形侧墙容易变形，并且相对于待刻蚀材料的选择比较低。
参考图6，对所述硅烷化层204(参考图5)进行氧化处理31，将硅烷化层204转化为氧化硅层205。
所述氧化处理31为含氧等离子体氧化处理，氧等离子体具有较高的活性，在进行氧化处理时，容易氧化硅烷化层204中的碳元素和氢元素等。
进行含氧等离子体氧化处理时，去除硅烷化层204中的碳元素和氢元素，硅烷化层204中的碳元素与氧等离子体中的氧元素结合生成CO或CO2、硅烷化层204中的氢元素和氧等离子体中的氧元素结合生成H2O，硅烷化层204中剩余的硅元素与氧等离子体中的氧元素反应交联形成氧化硅层205。氧化处理31后形成的氧化硅层205相对于硅烷化层204致密性和硬度更高，因而不容易发生变形，并且后续在去除未被硅烷化的光刻胶牺牲层时，氧化硅层205相对于未被硅烷化的光刻胶牺牲层203的刻蚀速率更低，使得形成的氧化硅侧墙可以保持较好的形貌。
在本发明的其他实施例中，当硅烷化层204中还包括氮元素或硫元素时，进行含氧等离子体氧化处理时，同时去除所述氮元素或硫元素，含氧等离子体氧化处理过程中，氮元素与氧等离子体中的氧元素结合生成氮氧化合物，或这硫元素氧等离子体中的氧元素结合生成硫氧化合物。
为了使得光刻胶牺牲层203侧壁上硅烷化层更好的转化为氧化硅层，氧化处理31时所述氧等离子以第一角度入射对硅烷化层204进行氧化处理。在一实施例中，所述氧等离子体入射的第一角度为30～80度。需要说明的是，所述第一角度为等离子入射方向与基底200的法线的夹角。
所述氧化处理31时，采用的气体为O2或O3。
参考图7，去除顶部的氧化硅层205(参考图6)，暴露出未被硅烷化的光刻胶牺牲层203的顶部表面，未被硅烷化的光刻胶牺牲层203两侧侧壁表面的氧化硅层作为氧化硅侧墙206。
去除顶部的氧化硅层205采用各向异性的干法刻蚀工艺。
所述各向异性的干法刻蚀工艺采用的气体为含碳氟的气体。
所述含碳氟的气体为CF4、C2F6、C3F8、C4F8、C5F8中的一种或几种。
参考图8，去除未被硅烷化的光刻胶牺牲层203(参考图7)，在氧化硅侧墙206之间形成开口207。
去除未被硅烷化的光刻胶牺牲层203采用湿法刻蚀工艺或干法刻蚀工艺。
在一实施例中，所述湿法刻蚀工艺采用的刻蚀溶液为硫酸溶液。
在一实施例中，所述干法刻蚀工艺为等离子灰化工艺，所述等离子灰化工艺采用的气体为O2或O3。
本实施例中，去除未被硅烷化的光刻胶牺牲层203(参考图7)，在氧化硅侧墙206之间形成开口207，所述开口207的底部暴露出底部抗反射涂层202。
在本发明的其他实施例中，所述开口的底部可以直接暴露出待刻蚀层的表面。
在去除未被硅烷化的光刻胶牺牲层203时，也会同时去除未被硅烷化的光刻胶牺牲层203两侧的部分底部抗反射涂层202。
参考图9和图10，以所述氧化硅侧墙206为掩膜刻蚀所述待刻蚀层201(参考图8)，形成刻蚀图形208。
在形成刻蚀图形208时，以氧化硅侧墙206为掩膜，先刻蚀所述底部抗反射涂层202(参考图8)，然后刻蚀所述待刻蚀层201(参考图9)。
刻蚀所述底部抗反射涂层202采用各向异性的干法刻蚀工艺，比如等离子刻蚀工艺，等离子刻蚀工艺采用的气体为氧气。
刻蚀所述待刻蚀层201采用各向异性的干法刻蚀工艺，根据待刻蚀层201材料的种类选择刻蚀气体，比如，在一实施例中，所述待刻蚀层201的材料为氮化硅时，采用的刻蚀气体可以为CHF3和O2，在一实施例中，所述待刻蚀层201的材料为多晶硅时，采用的刻蚀气体可以为HBr、Cl2、SF6中的一种或几种。
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。

Claims (20)

1.一种半导体结构的形成方法，其特征在于，包括：
提供基底，在所述基底上形成待刻蚀层；
在所述待刻蚀层上形成若干分立的光刻胶牺牲层；
对所述光刻胶牺牲层进行硅烷化处理，将光刻胶牺牲层的侧壁和顶部部分光刻胶材料转化为硅烷化层；
对所述硅烷化层进行氧化处理，将硅烷化层转化为氧化硅层；
去除顶部的氧化硅层，暴露出未被硅烷化的光刻胶牺牲层的顶部表面，未被硅烷化的光刻胶牺牲层两侧侧壁表面的氧化硅层作为氧化硅侧墙；
去除未被硅烷化的光刻胶牺牲层，在氧化硅侧墙之间形成开口；
以所述氧化硅侧墙为掩膜刻蚀所述待刻蚀层，形成刻蚀图形。
2.如权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述光刻胶牺牲层材料中包括羟基功能团、羧酸基功能团、胺基功能团或硫醇基功能团。
3.如权利要求2所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，进行硅烷化处理时，部分光刻胶牺牲层材料中的功能团中的氢元素被硅烷基替代，形成硅烷化层。
4.如权利要求3所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述硅烷化处理采用的反应物为六甲基二硅氮烷、四甲基二硅氮烷、双二甲氨基甲基硅烷、二甲基硅基二甲胺、二甲基硅基二乙胺、三甲基硅烷基二甲胺、三甲基硅烷基二乙胺或二甲氨基五甲基二硅烷。
5.如权利要求3所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述光刻胶材料中还包含树脂，树脂中具有功能团，在进行硅烷化处理时，20～80％的所述功能团被硅烷基替代。
6.如权利要求3所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，进行硅烷化处理时，所述反应物以气体的形式供入反应腔室，硅烷化处理的温度为100～160摄氏度，时间为30-600秒。
7.如权利要求3所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述硅烷化层中包括氧元素、硅元素、碳元素和氢元素。
8.如权利要求7所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述氧化处理为含氧等离子体氧化处理。
9.如权利要求8所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述氧化处理时，去除硅烷化层中的碳元素和氢元素，硅烷化层中的硅元素与氧等离子体中的氧元素反应交联形成氧化硅层。
10.如权利要求8所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述氧等离子以第一角度入射对硅烷化层进行氧化处理。
11.如权利要求10所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述氧等离子体入射的第一角度为30～80度。
12.如权利要求8所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述氧化处理时，采用的气体为O2或O3。
13.如权利要求7所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，其特征在于，所述硅烷化层中还包括氮元素或硫元素，所述所述氧化处理时，去除硅烷化层中的氮元素或硫元素。
14.如权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，去除顶部的氧化硅层采用各向异性的干法刻蚀工艺。
15.如权利要求14所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述各向异性的干法刻蚀工艺采用的气体为含碳氟的气体。
16.如权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，去除未被硅烷化的光刻胶牺牲层采用湿法刻蚀工艺或干法刻蚀工艺。
17.如权利要求16所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述湿法刻蚀工艺采用的刻蚀溶液为硫酸溶液。
18.如权利要求16所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述干法刻蚀工艺为等离子灰化工艺，所述等离子灰化工艺采用的气体为O2或O3。
19.如权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述光刻胶牺牲层的形成过程为：采用旋涂工艺在所述待刻蚀层上形成光刻胶层；对所述光刻胶层进行曝光和显影，在待刻蚀层上形成光刻胶牺牲层。
20.如权利要求19所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，在形成光刻胶层之前，在所述待刻蚀层上形成底部抗反射涂层。
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