CN109860030B

CN109860030B - 自对准双重图形化的方法

Info

Publication number: CN109860030B
Application number: CN201910249302.5A
Authority: CN
Inventors: 郭晓波
Original assignee: Shanghai Huali Integrated Circuit Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Shanghai Huali Integrated Circuit Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2021-08-10
Anticipated expiration: 2039-03-29
Also published as: CN109860030A

Abstract

本发明公开了一种自对准双重图形化的方法，其中，在硅片上生长待刻蚀层；在待刻蚀层表面依次形成抗反射层和光刻胶，对光刻胶曝光显影形成光刻胶图形；用烷基化试剂进行烷基化处理，在光刻胶图形的顶部、侧面及抗反射层表面形成烷基化层；回刻烷基化层，露出光刻胶图形的顶部表面及抗反射层表面，形成烷基化层侧墙；去除光刻胶图形及部分抗反射层，保留烷基化层侧墙及其底部的抗反射层；以烷基化层侧墙为掩膜，刻蚀待刻蚀层形成目标图形。本发明省去了淀积牺牲层及形成牺牲层图形的步骤，以烷基化层侧墙作为刻蚀待刻蚀层的掩膜来获得更好且对称的目标图形形貌，通过调节烷基化反应条件精确控制目标图形尺寸，使整个工艺更可控，产品可靠性更高。

Description

自对准双重图形化的方法

技术领域

本发明涉及微电子及半导体集成电路制造领域，尤其与半导体制造工艺的双重图形工艺有关，具体属于一种自对准双重图形化的方法。

背景技术

在半导体制造领域中，光刻胶材料用于将掩膜图形转印到一层或多层的材料层中，例如，将掩膜图形转印到金属层、介质层或半导体衬底上。随着半导体制造工艺的技术节点不断向前发展，半导体器件的集成度越来越高，半导体工艺的特征尺寸也越来越小，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。

对于28纳米以下的技术节点，采用深紫外光(DUV，即波长在300nm以下的光)光刻工艺的单次图形技术已无法满足器件要求，而必须使用极紫外光(EUV，波长为10-14nm)光刻工艺或双重图形(Double Patterning)技术。而作为双重图形技术的一种，自对准双重图形化(Self-Aligned Double Patterning,SADP)技术只使用一次光刻工艺，相比于传统的双重图形技术，可以少使用一次光刻工艺，具有一定的成本优势，因此自对准双重图形化技术正逐渐被业界所采用。

图1至图7是现有的采用自对准双重图形化技术对半导体结构进行刻蚀的器件剖面结构示意图，具体包括以下步骤：

步骤1，如图1所示，在硅片100表面形成待刻蚀层110，在所述待刻蚀层110表面形成牺牲层120；

步骤2，如图2所示，在步骤1所述的硅片的所述牺牲层上旋涂抗反射层130，在所述抗反射层130上旋涂光刻胶，对所述光刻胶进行曝光显影，形成光刻胶图形141；

步骤3，如图3所示，以所述光刻胶图形141为掩膜，对所述抗反射层130以及所述牺牲层120进行刻蚀，形成牺牲层图形121；

步骤4，如图4所示，淀积刻蚀掩膜层150，使所述刻蚀掩膜层150完全覆盖所述牺牲层图形121的顶部和侧面以及所述待刻蚀层110的表面；

步骤5，如图5所示，对所述刻蚀掩膜层150进行回刻(Etch Back)，直至露出所述牺牲层图形121的顶部表面以及所述待刻蚀层110的表面，同时在所述牺牲层图形121的侧壁表面形成刻蚀掩膜层侧墙(Spacer)151；

步骤6，如图6所示，去除所述牺牲层图形121；

步骤7，如图7所示，以所述刻蚀掩膜层侧墙151为掩膜，对所述待刻蚀层110进行刻蚀，形成最终所需的目标图形111。

由上述自对准双重图形化工艺流程可知，虽然整个过程只使用了一次光刻工艺，但是却需要多次薄膜淀积工艺和刻蚀工艺，因此工艺流程比较复杂。另外，上述工艺还存在一个缺点，如图7所示，刻蚀掩膜层侧墙151的形貌是不易控制的“匕首形”，这种不对称且尺寸不可控的形貌容易在被刻蚀后转移到目标图形111，最终导致使目标图形111的形貌也变得不对称且尺寸不可控，进而影响最终器件的性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种自对准双重图形化的方法，可以解决传统工艺过程复杂、目标图形形貌不对称且尺寸不可控的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供的自对准双重图形化的方法，包括：

步骤1，在硅片上生长待刻蚀层；

步骤2，在所述待刻蚀层表面形成抗反射层，在所述抗反射层表面形成光刻胶，对所述光刻胶进行曝光显影形成光刻胶图形；

步骤3，用烷基化试剂进行烷基化处理，在所述光刻胶图形的顶部、侧面以及所述抗反射层的表面形成烷基化层；

步骤4，回刻所述烷基化层，露出所述光刻胶图形的顶部表面以及所述抗反射层的表面，形成烷基化层侧墙；

步骤5，去除所述光刻胶图形以及部分抗反射层，保留所述烷基化层侧墙及烷基化层侧墙底部的抗反射层；

步骤6，以烷基化层侧墙为掩膜，刻蚀待刻蚀层，形成目标图形。

其中，在步骤2中，在所述待刻蚀层表面旋涂抗反射层并进行烘烤，所述抗反射层经过烘烤后在其表面形成羟基和羧酸基成分。

其中，在步骤2中，所述光刻胶曝光显影后在所述光刻胶图形表面形成羟基和羧酸基成分。

其中，在步骤3中，所述烷基化试剂为六甲基二硅氮烷或者四甲基二硅氮烷或者二甲基甲硅烷二甲胺或者N,N-二乙氨基三甲基硅烷。

优选的，所述烷基化试剂为六甲基二硅氮烷。

其中，所述烷基化处理是将所述光刻胶图形暴露在液态或气态的烷基化试剂中进行化学反应。

进一步的，所述烷基化处理的反应温度为50℃～150℃，反应时间为30秒～300秒。

其中，对所述烷基化层进行以氟基气体为刻蚀气体的等离子体干法刻蚀。

进一步的，氟基气体流量为50scc/min～2000scc/min，源射频功率为100瓦～1500瓦，气体压力为20毫托～2000毫托。

其中，在步骤5中，采用以氧气为刻蚀气体的等离子体干法刻蚀去除所述光刻胶图形以及部分抗反射层。

进一步的，氧气流量为50scc/min～2000scc/min，源射频功率为100瓦～1500瓦，气体压力为20毫托～2000毫托。

其中，在步骤6中，所述目标图形的尺寸取决于所述烷基化处理的反应条件。

其中，所述所述待刻蚀层的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氮化钛、氮化钽、金属其中的至少一种。

其中，在步骤6中，根据待刻蚀层的材料和刻蚀选择比确定所述待刻蚀层的刻蚀方法。

与传统的自对准双重图形化方法相比，本发明的有益之处在于：

第一，本发明省去了淀积牺牲层以及形成牺牲层图形两个步骤，简化了工艺流程，节省了成本；

第二，本发明使用烷基化层侧墙作为对待刻蚀层进行刻蚀时的掩膜层，这样能获得更好且对称的目标图形形貌；

第三，本发明通过调节烷基化处理过程的反应条件可以对目标图形的尺寸进行精确控制，从而使整个工艺更加可控，提高了产品的可靠性。

附图说明

图1至图7为现有技术的自对准双重图形化工艺的剖面结构示意图；

图8为本发明的自对准双重图形化的方法的流程示意图；

图9至图14为本发明的自对准双重图形化工艺的剖面结构示意图；

图15a、图15b为本发明中烷基化处理的化学反应方程式。

具体实施方式

由于目前传统的自对准双重图形化方法中以刻蚀掩膜层侧墙作为掩膜对待刻蚀层进行刻蚀，而“匕首形”的刻蚀掩膜层侧墙的形貌不对称且尺寸不易控制，这就导致目标图形的形貌不对称且尺寸不可控。为此，本发明提出了一种自对准双重图形化的方法，在所述待刻蚀层表面形成抗反射层和光刻胶，对光刻胶进行曝光显影形成光刻胶图形，用烷基化试剂进行烷基化处理，形成烷基化层，回刻烷基化层形成在刻蚀待刻蚀层时作为掩膜的烷基化层侧墙。由于光刻胶图形形成后进行烷基化处理，从而在光刻胶图形的顶部、侧面以及抗反射层的表面形成烷基化层，因此生成的烷基化层具有较好的“保型”特性，有利于后续获得更对称的烷基化层侧墙图形，进而获得更好且对称的目标图形形貌，且目标图形的尺寸可以得到精确控制。

下面结合附图通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可以由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明亦可通过其它不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，本领域技术人员在不背离本发明的精神下可以进行各种类似推广和替换。

本发明实施例的自对准双重图形化的方法，如图8所示，具体包括如下步骤：

步骤1，在硅片上生长待刻蚀层；

具体地，参考图9至图14，为本发明实施例的自对准双重图形的形成过程的器件剖面示意图。

参考图9，提供硅片100，在硅片100表面形成待刻蚀层110，所述待刻蚀层110用于形成最终的目标图形。

所述待刻蚀层110可以是介质层，也可以是非介质层，具体地，待刻蚀层110可以为氧化硅层、氮化硅层、氮氧化硅层、氮化钛层、氮化钽层、金属层中的一种或两种甚至多种组合。

参考图10，在所述待刻蚀层110表面形成抗反射层130，在所述抗反射层130表面形成光刻胶140，对所述光刻胶140进行曝光显影形成光刻胶图形141。

为了防止曝光的光线通过光刻胶140后在光刻胶140与衬底之间的界面发生反射，使得光刻胶140不能均匀曝光，需要在所述光刻胶140底部先形成抗反射层130(BARC)，再在所述抗反射层130表面形成光刻胶140。

形成所述抗反射层130的具体工艺包括：采用旋涂工艺在所述待刻蚀层110表面形成抗反射层，再进行高温烘烤，抗反射层130经过高温烘烤以后能在其表面形成羟基(OH)和羧酸基(COOH)成分。光刻胶140曝光显影后能在光刻胶图形141表面形成羟基(OH)和羧酸基(COOH)成分。

参考图11，用烷基化试剂进行烷基化处理，在光刻胶图形141的顶部、侧面以及抗反射层130的表面形成烷基化层160。

所述烷基化试剂可以为六甲基二硅氮烷或四甲基二硅氮烷或二甲基甲硅烷二甲胺或N,N-二乙氨基三甲基硅烷。优选地，所述烷基化试剂是六甲基二硅氮烷(HMDS)。

所述硅烷基化处理是将图10中的光刻胶图形141暴露于液态或气态的烷基化试剂中，进行化学反应，其反应温度为50℃～150℃，反应时间为30秒～300秒，反应方程式如图15a、图15b所示。

具体地，作为烷基化试剂的六甲基二硅氮烷和光刻胶图形141及抗反射层130表面的羟基(OH)和羧酸基(COOH)成分发生反应，从而在光刻胶图形141的顶部、侧面以及抗反射层130的表面形成烷基化层160。由于所述烷基化反应发生在光刻胶图形141及抗反射层130的表面，因此生成的烷基化层160的形貌与光刻胶图形141及抗反射层130的形貌基本一致，具有比较好的“保型”特征，这有利于后续获得更对称的烷基化侧墙161。而在传统的自对准双重图形化的方法中，如图4所示，因为刻蚀掩膜层150是采用淀积工艺形成的，所以其形貌受其底部牺牲层图形121的影响较小，“保型”特征较差，导致在后续步骤所形成的刻蚀掩膜层侧墙151的形貌是“匕首形”且不易控制。

参考图12，回刻烷基化层160，露出光刻胶图形141的顶部表面以及抗反射层130的表面，同时在光刻胶图形141的侧面形成烷基化层侧墙161。

因为烷基化层160富含硅原子，所以对烷基化层160进行的回刻主要是以氟基气体为刻蚀气体的等离子体干法刻蚀。所述氟基干法刻蚀方法对光刻胶图形141以及抗反射层130都具有较高的刻蚀选择比，而且所述刻蚀选择比可以根据工艺需求，通过调节烷基化反应的反应时间和反应温度来进行调节。

具体地，所述氟基干法刻蚀方法中，氟基气体流量为50scc/min～2000scc/min(标准状态的立方厘米/分钟)，源射频功率为100瓦～1500瓦，气体压力为20毫托～2000毫托。由于回刻之前的烷基化层160具有很好的“保型”特征，因此回刻之后形成的烷基化层侧墙161就具有比较好的形貌。

参考图13，去除光刻胶图形141以及部分抗反射层130，保留烷基化层侧墙161及烷基化层侧墙161底部的抗反射层131。

去除光刻胶图形141的方法是以氧气为刻蚀气体的等离子体干法刻蚀，其氧气流量为50scc/min～2000scc/min(标准状态的立方厘米/分钟)，源射频功率为100瓦～1500瓦，气体压力为20毫托～2000毫托。

由于光刻胶图形141和抗反射层130都是含碳、氢、氧的有机物，因此二者都可以被以氧气为刻蚀气体的等离子体干法刻蚀去除。而烷基化层侧墙161富含硅原子，所述的氧气干法刻蚀对其基本没有刻蚀能力，因此烷基化层侧墙161的形貌基本不会受到影响，仍能保持图12所示的形貌。

参考图14，以烷基化层侧墙161为掩膜，刻蚀待刻蚀层110，形成最终所需的自对准双重图形目标图形112。

根据待刻蚀层110的材料，再结合刻蚀选择比，可以选择不同的刻蚀方法，例如干法刻蚀或湿法刻蚀。

由于烷基化层侧墙161的形貌较好且对称，故最终形成的目标图形112也能获得较好的且对称的形貌。目标图形112的尺寸取决于烷基化层侧墙161的尺寸，烷基化层侧墙161的尺寸又取决于图11中所形成的烷基化层160的厚度，烷基化层160的厚度又取决于烷基化处理的反应条件，因此，目标图形112的尺寸就取决于步骤3的烷基化反应的条件，换句话说，目标图形112的尺寸可以通过调节步骤3的烷基化反应的条件而精确控制。

综上所述，与传统的自对准双重图形化方法相比，本发明省去了淀积牺牲层以及形成牺牲层图形两个步骤，简化了工艺流程，节省了成本。而且，本发明使用烷基化层侧墙作为对待刻蚀层进行刻蚀时的掩膜层，这样能获得更好且对称的目标图形形貌。最后，本发明通过调节烷基化处理过程的反应条件可以对目标图形的尺寸进行精确控制，从而使整个工艺更加可控，提高了产品的可靠性。

以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，该实施例仅仅是本发明的较佳实施例，本发明并不局限于上述实施方式。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员做出的等效置换和改进，均应视为在本发明所保护的技术范畴内。

Claims

1.一种自对准双重图形化的方法，其特征在于，包括：

步骤1，在硅片上生长待刻蚀层；

步骤2，在所述待刻蚀层表面形成抗反射层，在所述抗反射层表面形成光刻胶，对所述光刻胶进行曝光显影形成光刻胶图形；所述抗反射层经过高温烘烤在其表面形成羟基和羧酸基成分，所述光刻胶曝光显影后在所述光刻胶图形表面形成羟基和羧酸基成分；

步骤3，用烷基化试剂进行烷基化处理，在所述光刻胶图形的顶部、侧面以及所述抗反射层的表面形成烷基化层，所述烷基化层具有“保型”特性，所述烷基化处理是将所述光刻胶图形暴露在液态或气态的烷基化试剂中进行化学反应；

2.根据权利要求1所述的自对准双重图形化的方法，其特征在于，在步骤3中，所述烷基化试剂为六甲基二硅氮烷或者四甲基二硅氮烷或者二甲基甲硅烷二甲胺或者N,N-二乙氨基三甲基硅烷。

3.根据权利要求2所述的自对准双重图形化的方法，其特征在于，所述烷基化试剂为六甲基二硅氮烷。

4.根据权利要求1所述的自对准双重图形化的方法，其特征在于，所述烷基化处理的反应温度为50℃～150℃，反应时间为30秒～300秒。

5.根据权利要求1所述的自对准双重图形化的方法，其特征在于，在步骤4中，对所述烷基化层进行以氟基气体为刻蚀气体的等离子体干法刻蚀。

6.根据权利要求5所述的自对准双重图形化的方法，其特征在于，氟基气体流量为50scc/min～2000 scc/min，源射频功率为100瓦～1500瓦，气体压力为20毫托～2000毫托。

7.根据权利要求1所述的自对准双重图形化的方法，其特征在于，在步骤5中，采用以氧气为刻蚀气体的等离子体干法刻蚀去除所述光刻胶图形以及部分抗反射层。

8.根据权利要求7所述的自对准双重图形化的方法，其特征在于，氧气流量为50 scc/min～2000 scc/min，源射频功率为100瓦～1500瓦，气体压力为20毫托～2000毫托。

9.根据权利要求1所述的自对准双重图形化的方法，其特征在于，在步骤6中，所述目标图形的尺寸取决于所述烷基化处理的反应条件。

10.根据权利要求1所述的自对准双重图形化的方法，其特征在于，所述待刻蚀层的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氮化钛、氮化钽、金属其中的至少一种。

11.根据权利要求1所述的自对准双重图形化的方法，其特征在于，在步骤6中，根据待刻蚀层的材料和刻蚀选择比确定所述待刻蚀层的刻蚀方法。