CN111458975A - 一种实现10nm及以下分辨力的超分辨光刻工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现10nm及以下分辨力的超分辨光刻工艺方法，包括：步骤S1：首先制备包含牺牲材料层、硬掩模层、超衍射材料层、感光层在内的多层结构，并通过超分辨光刻工艺获得80nm‑44nm周期的初始光刻胶图形；步骤S2：其次以步骤S1获得80nm‑44nm周期的初始光刻胶图形作为掩模，采用高保真度的等离子体刻蚀工艺实现初始光刻胶图形的纵向深度放大，形成高深宽比的“核”图形；步骤S3：接着再使用四重自对准工艺，通过两次重复保形生长‑刻蚀步骤，将“核”图形的初始分辨力提高四倍；步骤S4：经过清洗和检测，得到10nm及以下分辨力的图形结构。本方法加工效率高，受加工系统的影响小。大大降低的掩模制造的难度。本方法可实现任意纳米图形结构的加工。
Description
技术领域
本发明涉及纳米制造技术领域，具体涉及一种实现10nm及以下分辨力的超分辨光刻工艺方法，特别是用于FinFET器件的栅极、深紫外超构表面器件的加工。
背景技术
高效率、低成本地制造高分辨、高精度的图形结构是微纳米加工与半导体制造的核心任务。高分辨结构制造在微纳米加工领域一直发挥着关键性的作用。特别是亚10nm分辨力的结构加工工艺，在集成电路制造、新型器件开发、纳米尺度的基础研究等领域发挥着极为关键的作用。
目前能实现亚10nm分辨力的结构加工的方法主要有：电子束直写、氦离子束直写、纳米压印技术、极紫外干涉曝光。电子束直写经过几十年的发展已经取得了大量的进展并展现出极高的灵活性以及分辨率，但由于电子的散射、二次电子的形成加上显影过程中的限制因素，实现亚10nm分辨力的结构制造仍然是难题。氦离子束直写也展现了极高的分辨力，但它的应用面临束流小、效率低、系统稳定性差等问题。纳米压印技术展现了高分辨与低成本的优势，但面临模板制作困难、无法在集成电路制造中精密套刻、压模使用寿命短等问题。极紫外的干涉曝光只能制作规则图形，无法在集成电路中大规模应用。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服上述现有技术的不足，提出一种实现10nm及以下分辨力的超分辨光刻工艺方法。
本发明的技术解决方案：一种实现10nm及以下分辨力的超分辨光刻工艺方法，步骤如下：
步骤(1)首先制备包含牺牲材料层、硬掩模层、超衍射材料层、感光层在内的多层结构，并通过超分辨光刻工艺获得80nm-44nm周期的初始光刻胶图形；
步骤(2)其次以步骤(1)获得80nm-44nm周期的初始光刻胶图形作为掩模，采用高保真度的等离子体刻蚀工艺实现初始光刻胶图形的纵向深度放大，形成高深宽比的“核”图形；
步骤(3)接着再使用四重自对准工艺，通过两次重复保形生长-刻蚀步骤，将“核”图形的初始分辨力提高四倍；
步骤(4)经过清洗和检测，得到10nm及以下分辨力的图形结构；
进一步地，所述步骤(1)中牺牲材料层为30nm-100nm厚度的紫外光刻胶或a-C或高刻蚀速率的无机化合物。
进一步地，所述步骤(1)中硬掩模层为5nm-20nm厚度的氧化硅或氮化硅或氧化铝或氧化钛。
进一步地，所述步骤(1)中衍射材料层为15nm-60nm厚度的低损耗银薄膜或铝薄膜。
进一步地，所述步骤(1)中超分辨光刻工艺采用的曝光光源为G线(436nm中心波长)或I线(365nm中心波长)紫外光源。
进一步地，所述步骤(1)中80nm-44nm周期的初始光刻胶图形的占空比为1:3。
进一步地，所述步骤(2)中高保真度的等离子体刻蚀工艺为反应离子刻蚀工艺或电感耦合等离子体刻蚀工艺或气体辅助离子束刻蚀工艺。
进一步地，所述步骤(2)中高深宽比为2.5-9。
进一步地，所述步骤(3)中保形生长为低温等离子体增强原子层沉积或低温热原子层沉积。
进一步地，所述步骤(3)中刻蚀为反应离子刻蚀或电感耦合等离子体刻蚀。
进一步地，所述步骤(4)中清洗为等离子体清洗。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)相比于电子束直写技术，本方法克服了电子束直写实现亚10nm密集图形结构加工面临的邻近效应问题，实现高质量、高精度的结构制造。
(2)相比于氦离子束直写技术，本方法加工效率高，工艺稳定，受加工系统的影响小。
(3)相比于纳米压印技术，本方法克服了纳米压印面临的高精度压模制造问题，大大降低的掩模制造的难度。
(4)相比于极紫外干涉曝光技术，本方法可实现任意图形结构的加工，不仅限于周期结构图形。
附图说明
图1为实现10nm及以下分辨力的超分辨光刻工艺流程示意图。
图2为实现10nm及以下分辨力的超分辨光刻工艺的初始结构剖面示意图。图中1表示紫外照明光源，2表示掩模基底，3表示纳米掩模图形，4表层耦合传输银层，5表示感光层，6表示底部反射银层，7表示第一层硬掩模层，8表示第一层牺牲材料层，9表示第二层硬掩模层，10表示第二层牺牲材料层，11表示基底。
图3为超分辨光刻完成后去除表层耦合传输银层镜后的结构剖面示意图。
图4为显影工艺完成后得到的结构剖面示意图，图中12表示占空比为1:3，周期为80nm-44nm的初始感光层图形。
图5为将图形结构刻蚀传递到第一层硬掩模层后的剖面示意图，图中13表示刻蚀后得到的第一层硬掩模图形结构。
图6为将图形结构进一步刻蚀传递到第一层牺牲材料层后的剖面示意图，图中14表示刻蚀后在第一层牺牲材料层上形成的图形结构。
图7为经过第一次保形生长后得到的剖面结构示意图，图中15表示第一次保形生长形成的材料层。
图8为将顶部和底部保形生长形成的材料层刻蚀后得到的剖面结构示意图，图中15表示保形生长形成的材料层。
图9为刻蚀去除第一层牺牲层图形后得到的剖面结构示意图。
图10为将图9中图形刻蚀传递到第二层牺牲材料层后的剖面结构示意图，图中16表示刻蚀后在第二层牺牲材料层上形成的图形结构。
图11为去除起刻蚀掩蔽作用的保形生长材料层后的剖面结构示意图。
图12为经过图形结构宽度修整后得到的剖面结构示意图。
图13为经过第二次保形生长后得到的剖面结构示意图，图中17表示第二次保形生长形成的材料层。
图14为将顶部和底部保形生长形成的材料层刻蚀后得到的剖面结构示意图。
图15为刻蚀去除第二层牺牲层图形后得到的剖面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例对领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。
实施例1：制作7nm线宽分辨力、70nm深度的密集光栅图形，其具体的制作过程如下：
(1)选择厚度为0.35mm厚度的硅片作为衬底；清洗完成并干燥后，通过旋涂方式在其表面上制备厚度为70nm的第二层牺牲层，材料为经稀释后的AR-P3170，旋转转速为4000rpm/min；接着放入120℃烘箱中烘烤4小时；完成后再采用电子束蒸发沉积厚度为8nm的第二层SiO2硬掩模；再一次通过旋涂方式制备厚度为70nm的第一层牺牲层，材料为经稀释后的AR-P3170，旋转转速为4000rpm/min；接着放入120℃烘箱中再次烘烤4小时；完成后再采用电子束蒸发沉积厚度为8nm的第一层SiO2硬掩模；接着通过热蒸发在表面沉积一层厚度为50nm的底部反射银层；再在底部反射银层旋涂一层厚度为30nm的稀释AR-P3170作为感光层；在100℃热板上烘烤5min；最后采用热蒸发在表面沉积一层厚度为18nm的表层耦合传输银层；利用制作好的28nm半周期的密集光栅图形掩模，通过超分辨光刻装备曝光，曝光剂量约为25mJ；曝光结束后，先去除表层耦合传输银层，然后浸入1:1稀释的AR300-35中显影20秒，得到初始光刻胶图形。
(2)以初始光刻胶图形为掩蔽层，采用气体辅助离子束刻蚀将图形首先传递到第一层SiO2硬掩模层上，刻蚀气体为Ar2和CHF3混合气体；再通过低腔压的反应离子刻蚀将图形传递到第一层牺牲层上，腔压为0.2Pa，刻蚀气体为O2，形成“核”图形。
(3)接着在“核”图形表面采用低温原子层沉积工艺保形生长一层14nm厚度的SiO2，生长温度为100℃；再采用电感耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀图形顶部和底部SiO2层，留下侧壁SiO2层，刻蚀气体为CHF3；接着采用反应离子刻蚀将包夹在侧壁SiO2层中间的“核”图形去除，刻蚀气体为O2，形成第一次倍频后的图形；采用电感耦合等离子体刻蚀工艺将第一次倍频后的图形传递到第二层掩模层上，刻蚀气体同样为CHF3；通过反应离子刻蚀将图形进一步传递到第二层牺牲层上，刻蚀气体为O2；再通过反应离子刻蚀将图形的占空比修整为1:3，刻蚀气体为O2，腔压为0.1Pa；采用低温原子层沉积工艺保形生长一层7nm厚度的SiO2，生长温度为100℃；再采用电感耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀图形顶部和底部SiO2层，留下侧壁SiO2层，刻蚀气体为CHF3。
(4)最后采用反应离子刻蚀将第二次形成的“核”图形去除，刻蚀气体为O2，得到经过第二次倍频后的7nm分辨力图形。
实施例2：制作10nm线宽分辨力、50nm深度的环状图形，其具体的制作过程如下：
(1)选择厚度为0.21mm厚度的石英片作为衬底；清洗完成并干燥后，通过旋涂方式在其表面上制备厚度为50nm的第二层牺牲层，材料为经稀释后的AR-P3170，旋转转速为4000rpm/min；接着放入120℃烘箱中烘烤4小时；完成后再采用电子束蒸发沉积厚度为10nm的第二层SiO2硬掩模；再一次通过旋涂方式制备厚度为50nm的第一层牺牲层，材料为经稀释后的AR-P3170，旋转转速为4000rpm/min；接着放入120℃烘箱中再次烘烤4小时；完成后再采用电子束蒸发沉积厚度为10nm的第一层SiO2硬掩模；接着通过热蒸发在表面沉积一层厚度为50nm的底部反射银层；再在底部反射银层旋涂一层厚度为30nm的稀释AR-P3170作为感光层；在100℃热板上烘烤5min；最后采用热蒸发在表面沉积一层厚度为18nm的表层耦合传输银层；利用制作好的40nm的环状图形掩模，通过超分辨光刻装备曝光，曝光剂量约为25mJ；曝光结束后，先去除表层耦合传输银层，然后浸入1:1稀释的AR300-35中显影20秒，得到初始光刻胶图形。
(2)以初始光刻胶图形为掩蔽层，采用气体辅助离子束刻蚀将图形首先传递到第一层SiO2硬掩模层上，刻蚀气体为Ar2和CHF3混合气体；再通过低腔压的反应离子刻蚀将图形传递到第一层牺牲层上，腔压为0.2Pa，刻蚀气体为O2，形成“核”图形。
(3)接着在“核”图形表面采用低温原子层沉积工艺保形生长一层20nm厚度的SiO2，生长温度为100℃；再采用电感耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀图形顶部和底部SiO2层，留下侧壁SiO2层，刻蚀气体为CHF3；接着采用反应离子刻蚀将包夹在侧壁SiO2层中间的“核”图形去除，刻蚀气体为O2，形成第一次倍频后的图形；采用电感耦合等离子体刻蚀工艺将第一次倍频后的图形传递到第二层掩模层上，刻蚀气体同样为CHF3；通过反应离子刻蚀将图形进一步传递到第二层牺牲层上，刻蚀气体为O2；再通过反应离子刻蚀将图形的占空比修整为1:3，刻蚀气体为O2，腔压为0.1Pa；采用低温原子层沉积工艺保形生长一层10nm厚度的SiO2，生长温度为100℃；再采用电感耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀图形顶部和底部SiO2层，留下侧壁SiO2层，刻蚀气体为CHF3。
(4)最后采用反应离子刻蚀将第二次形成的“核”图形去除，刻蚀气体为O2，得到经过第二次倍频后的10nm分辨力的环状图形。
Claims (10)
1.一种实现10nm及以下分辨力的超分辨光刻工艺方法，其特征在于，步骤如下：
步骤(1)、制备包含牺牲材料层、硬掩模层、超衍射材料层、感光层在内的多层结构，并通过超分辨光刻工艺获得80nm-44nm周期的初始光刻胶图形；
步骤(2)、以步骤(1)获得80nm-44nm周期的初始光刻胶图形作为掩模，采用高保真度的等离子体刻蚀工艺实现初始光刻胶图形的纵向深度放大，形成高深宽比的“核”图形；
步骤(3)、再使用四重自对准工艺，通过两次重复保形生长-刻蚀步骤，将“核”图形的初始分辨力提高四倍；
步骤(4)、经过清洗和检测，得到10nm及以下分辨力的图形结构。
2.根据权利要求1所述的一种实现10nm及以下分辨力的超分辨光刻工艺方法，其特征在于：所述步骤(1)中牺牲材料层为30nm-100nm厚度的紫外光刻胶或a-C或高刻蚀速率的无机化合物。
3.根据权利要求1所述的一种实现10nm及以下分辨力的超分辨光刻工艺方法，其特征在于：所述步骤(1)中硬掩模层为5nm-20nm厚度的氧化硅或氮化硅或氧化铝或氧化钛。
4.根据权利要求1所述的一种实现10nm及以下分辨力的超分辨光刻工艺方法，其特征在于：所述步骤(1)中衍射材料层为15nm-60nm厚度的低损耗银薄膜或铝薄膜。
5.根据权利要求1所述的一种实现10nm及以下分辨力的超分辨光刻工艺方法，其特征在于：所述步骤(1)中超分辨光刻工艺采用的曝光光源为G线(即436nm中心波长)或I线(即365nm中心波长)紫外光源。
6.根据权利要求1所述的一种实现10nm及以下分辨力的超分辨光刻工艺方法，其特征在于：所述步骤(1)中80nm-44nm周期的初始光刻胶图形的占空比为1:3。
7.根据权利要求1所述的一种实现10nm及以下分辨力的超分辨光刻工艺方法，其特征在于：所述步骤(2)中高保真度的等离子体刻蚀工艺为反应离子刻蚀工艺或电感耦合等离子体刻蚀工艺或气体辅助离子束刻蚀工艺。
8.根据权利要求1所述的一种实现10nm及以下分辨力的超分辨光刻工艺方法，其特征在于：所述步骤(2)中高深宽比为2.5-9。
9.根据权利要求1所述的一种实现10nm及以下分辨力的超分辨光刻工艺方法，其特征在于：所述步骤(3)中保形生长为低温等离子体增强原子层沉积或低温热原子层沉积。
10.根据权利要求1所述的一种实现10nm及以下分辨力的超分辨光刻工艺方法，其特征在于：所述步骤(3)中刻蚀为反应离子刻蚀或电感耦合等离子体刻蚀，所述步骤(4)中清洗为等离子体清洗。
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2020
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