CN112563121B - 图形转移方法 - Google Patents

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Abstract

上述图形转移方法，包括在已形成目标层的衬底表面依次形成掩膜层和光刻胶层，通过光刻等工艺制程，将图形从光罩依次转移到光刻胶层、掩膜层，并最终形成目标层图形。在本发明中，使用与碳源气体同时通入氮源气体或硼源气体中至少一种的技术方案，形成作为掩膜层的掺杂碳薄膜，所述掩膜层不仅折射率可调，而且还表现出优异的稳定性和抗腐蚀性。使用前述掩膜层实现了无需抗反射涂层的图形转移方法，该图形转移方法具有工艺简单、操作性强和制造速度快的优势，大大简化了传统图形转移方法的工艺制程。

Description

图形转移方法
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，特别是涉及一种图形转移方法。
背景技术
随着半导体器件的尺寸不断缩小，光刻技术的特征尺寸逐渐接近甚至超过了光学光刻的物理极限，带给半导体制造技术尤其是光刻技术更加严峻的挑战。图形转移方法是在不改变现有光刻基础设备的前提下，一种有效提高光刻分辨率的技术。
图形转移方法使用掩膜层进行图形转移，以便制作半导体元件。技术人员通常先将图形从光刻胶层转移至掩膜层，再将图形从掩膜层转移至衬底表面。在光刻过程中，穿过光刻胶层的光线会被掩膜层反射，所反射的光线再次被光刻胶层上层反射，重新进入光刻胶层内部形成干涉，造成光刻胶层所形成图形与设计产生很大差异。
为了解决这一问题，技术人员通常在光刻胶层和掩膜层之间涂布抗反射层，减少反射回光刻胶层的光线，从而避免光刻胶图形的变化。但是增加抗反射层会导致沉积、蚀刻等工艺制程的复杂化，大大增加了半导体器件制造的时间成本和经济成本。因此，亟需提出一种新的图形转移方法。
发明内容
基于此，有必要针对现有的图形转移方法工艺制程复杂的问题，提供一种图形转移方法。
为了实现本发明的目的，本发明采用如下技术方案：
一种图形转移方法，包括：
提供一衬底，所述衬底上形成有目标层，在所述目标层上形成掩膜层；
在所述掩膜层上形成光刻胶层，使用光刻工艺图案化所述光刻胶层，形成光刻胶图形；
使用所述光刻胶图形图案化所述掩膜层，形成掩膜图形；
使用所述掩膜图形图案化所述目标层，形成目标层图形；
其中，所述掩膜层包括掺杂氮元素或硼元素中的至少一种的掺杂碳薄膜。
下面进一步对技术方案进行说明：
在其中一个实施例中，所述目标层为介电层或导电层。
在其中一个实施例中，所述掩膜层的厚度为50nm～700nm。
在其中一个实施例中，所述氮元素或硼元素占所述掺杂碳薄膜的5wt％～20wt％。
在其中一个实施例中，所述氮元素占所述掺杂碳薄膜的2wt％～10wt％，所述硼元素占所述掺杂碳薄膜的2wt％～10wt％。
在其中一个实施例中，在所述目标层上形成所述掩膜层的步骤，包括：
将所述衬底放入处理腔室；
设定工艺参数；
向所述处理腔室通入反应气体以形成所述掩膜层，所述反应气体包括碳源反应气体和掺杂反应气体，所述掺杂反应气体包括氮源气体或硼源气体中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述碳源反应气体和所述掺杂反应气体的流量之比为2：1至100：1。
在其中一个实施例中，所述碳源反应气体的流量为100标准毫升/分钟～10000标准毫升/分钟，所述掺杂反应气体的流量不大于5000标准毫升/分钟。
在其中一个实施例中，使用光刻工艺图案化所述光刻胶层的步骤，包括以下工艺参数：
烘烤温度为70℃～110℃；烘烤时间为10min～30min；曝光量为20mJ/cm2-30mJ/cm2。
在其中一个实施例中，使用所述光刻胶图形图案化所述掩膜层，形成掩膜图形的步骤，包括：使用干法蚀刻所述掩膜层以形成所述掩膜图形。
上述图形转移方法，包括在已形成目标层的衬底表面依次形成掩膜层和光刻胶层，并通过光刻等工艺制程，将图形从光罩依次转移到光刻胶层、掩膜层，最终形成目标层图形。在本发明中，使用与碳源气体同时通入氮源气体或硼源气体中至少一种的技术方案，形成作为掩膜层的掺杂碳薄膜，所述掩膜层不仅折射率可调，而且还表现出优异的稳定性和抗腐蚀性。使用前述掩膜层实现了无需抗反射涂层的图形转移方法，该图形转移方法具有工艺简单、操作性强和制造速度快的优势，大大简化了传统图形转移方法的工艺制程。
附图说明
图1为本发明一实施例中图形转移方法的流程图；
图2为本发明一实施例中形成掩膜层的流程图；
图3为本发明一实施例中形成并图案化光刻胶层的流程图；
图4为本发明一实施例中S130步骤后的器件结构示意图；
图5为本发明一实施例中S240步骤后的器件结构示意图；
图6为本发明一实施例中S300步骤后的器件结构示意图；
图7为本发明一实施例中S400步骤后的器件结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的可选的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体地实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
图1是本发明一实施例中图形转移方法的流程图，图4～图7是经过每个步骤处理后的器件结构示意图，所述图形转移方法包括以下步骤：
S100：提供一衬底110，所述衬底110上形成有目标层120，在所述目标层120上形成掩膜层130；
S200：在所述掩膜层130上形成光刻胶层140，使用光刻工艺图案化所述光刻胶层140，形成光刻胶图形；
S300：使用所述光刻胶图形图案化所述掩膜层130，形成掩膜图形；
S400：使用所述掩膜图形图案化所述目标层120，形成目标层120图形。
在一个实施例中，所述目标层120为介电层，所述介电层包括但不限于抗氧化层、低介电常数介质层或氧化硅层。在另一个实施例中，所述目标层120为导电层，所述导电层的材料包括但不限于钨、氮化钛或铝。本发明的掺杂碳薄膜作为掩膜层130，能够适配不同的目标层120和相应的蚀刻方法，具有良好的稳定性。
步骤S100中，在所述目标层120上形成掩膜层130，如图2所示，步骤S100还包括以下步骤：
S110：将所述衬底110放入处理腔室；
S120：设定工艺参数；
S130：向所述处理腔室通入反应气体以形成所述掩膜层130，所述反应气体包括碳源反应气体和掺杂反应气体，所述掺杂反应气体包括氮源气体或硼源气体中的至少一种。
步骤S110中，将所述衬底110放入处理腔室后，还需要对处理腔室进行抽真空。所述抽真空是指通过分子泵、机械泵等组件将处理腔室内的气体抽出，使处理腔室内的压强小于10托。通过抽真空可以去除处理腔室内的杂质气体，保证沉积的掺杂碳薄膜中不含有非掺杂元素；抽真空同时可以去除处理腔室内的固体杂质颗粒，避免固体杂质颗粒沉积在目标层120上，一方面可以改善所述掩膜层130的均匀度，另一方面也可以防止固体杂质颗粒贯穿器件的多个功能层，导致器件发生短路或断路现象。
步骤S130中，依据设定的工艺参数向所述处理腔室通入反应气体气体。进一步地，向处理腔室内先通入设定量的反应气体后，再开始沉积掩膜层130。通过先向处理腔室内通入用于沉积掺杂碳薄膜的气体，保证沉积工艺开始时，处理腔室内已经具有气体比例和压强稳定的气体。因为通入气体的气阀刚刚开启时，气流输出速度不够稳定，会导致处理腔室内不同气体的比例不是期望比例，如果此时就开始沉积，掺杂碳薄膜内的各元素比例也非设定的比例，那么沉积得到的并不是所需要折射率的掺杂碳薄膜。如图4所示为S130步骤后的器件结构示意图。
为了形成掺杂碳薄膜，需要向处理腔室内通入碳源气体。所述碳源气体用于形成所述掺杂碳薄膜的主体部分，所述碳源气体可以为任一包含碳元素的气体。可选地，所述碳源气体为乙炔，使用乙炔形成的掺杂碳薄膜具有较高碳氢比，高碳氢比可以提高薄膜的耐腐蚀性和选择比，高选择比可以提高蚀刻质量，因此对关键尺寸较小的器件结构更加重要。
在一实施例中，除了碳源气体以外，还需要向处理腔室内通入惰性气体。所述惰性气体包括但不仅限于氦气、氖气、氩气等气体，所述惰性气体用于将其他沉积原料气体带入处理腔室，并保护处理腔室内的器件不受外界气体的影响。
为了形成掺杂碳薄膜，还需要向处理腔室内通入氮源气体和硼源气体中的至少一种。
在一实施例中，所述掺杂碳薄膜包括碳元素和氮元素，则还需要向处理腔室内通入氮源气体。可选地，所述氮源气体为氨气，氮源气体用于降低所述掺杂碳薄膜的折射率。
在本实施例中，乙炔气体的体积流量为100标准毫升/分钟～10000标准毫升/分钟，氨气的体积流量为0标准毫升/分钟～5000标准毫升/分钟。气相沉积的设备参数包括：射频频率为13.56Hz，射频功率为650W～850W，偏置电压为550V～1500V；环境参数包括：温度为300℃～550℃，压强为10托；沉积时间为5s～100s。基于以上工艺制程参数，可以形成氮元素占比5wt％～20wt％的掺杂碳薄膜，在该重量比下，所述掺杂碳薄膜具有较好的折射率光学特性和薄膜结构稳定性。
在一实施例中，所述掺杂碳薄膜包括碳元素和硼元素，则还需要向处理腔室内通入硼源气体。可选地，所述硼源气体为乙硼烷，硼源气体用于提高所述掺杂碳薄膜的折射率。
在本实施例中，乙炔气体的体积流量为100标准毫升/分钟～10000标准毫升/分钟，乙硼烷的体积流量为0标准毫升/分钟～5000标准毫升/分钟。气相沉积的设备参数包括：射频频率为13.56Hz，射频功率为650W～850W，偏置电压为550V～1500V；环境参数包括：温度为300℃～550℃，压强为10托；沉积时间为5s～100s。基于以上工艺制程参数，可以形成硼元素占比5wt％～20wt％的掺杂碳薄膜，在该重量比下，所述掺杂碳薄膜具有较好的折射率光学特性和薄膜结构稳定性。
在一实施例中，所述掺杂碳薄膜包括碳元素、氮元素和硼元素，则需要向处理腔室内通入碳源气体和硼源气体。可选地，所述氮源气体为氨气，所述硼源气体为乙硼烷，通过共掺氮源气体和硼源气体不仅可以改变掺杂碳薄膜的折射率，还可以降低外部环境对掺杂碳薄膜冲击的影响，使掺杂碳薄膜的折射率更稳定。
在本实施例中，乙炔气体的体积流量为100标准毫升/分钟～10000标准毫升/分钟，氨气的体积流量为0标准毫升/分钟～5000标准毫升/分钟，乙硼烷的积流量为0标准毫升/分钟～5000标准毫升/分钟。气相沉积的设备参数包括：射频频率为13.56Hz，射频功率为650W～850W，偏置电压为550V～1500V；环境参数包括：温度为300℃～550℃，压强为10托；沉积时间为5s～100s。基于以上工艺制程参数，可以形成碳元素占比2wt％～10wt％、硼元素占比2wt％～10wt％的掺杂碳薄膜，在该重量比下，所述掺杂碳薄膜具有较好的折射率光学特性和薄膜结构稳定性。
在前述形成掩膜层130的各实施例中，通过掺杂氮元素或硼元素中的至少一种，不仅可以调整掺杂碳薄膜的折射率，还可以改善掺杂碳薄膜的结构稳定性.更进一步地，通过改变不同元素的掺杂比例，可以调节掩膜层的蚀刻选择比，从而改善后续步骤中目标层图形的稳定性。
在一个实施例中，所述掩膜层130的厚度为50nm～700nm。如果所述掩膜层130的厚度小于50nm，掩膜层130的强度和稳定性不足，在蚀刻过程中存在破裂的风险，进而影响目标层图形的转移质量；如果所述掩膜层130的厚度大于700nm，沉积、蚀刻和去除所述掩膜层130所需要的时间过长，而且形成的目标层图形质量与掩膜层130的厚度为700nm时相近。可选地，所述掩膜层130的厚度为50nm～100nm，适用于厚度小、容易被蚀刻的目标层；可选地，所述掩膜层130的厚度为100nm～300nm；可选地，所述掩膜层130的厚度为300nm～500nm；可选地，所述掩膜层130的厚度为500nm～700nm，适用于厚度大、不容易被蚀刻的目标层。进一步的，为了实现零反射的掩膜层130，所述掩膜层130的厚度d、折射率n和曝光光波长λ需要同时满足nd＝λ/4，在折射率达到调节极限时，可以通过改变掩膜层130的厚度来满足这一条件，从而优化工艺制程。
步骤S200中，在所述掩膜层130上形成光刻胶层140，使用光刻工艺图案化所述光刻胶层140，形成光刻胶图形，如图3所示该步骤还包括以下步骤：
S210：在掺杂碳薄膜表面涂布光刻胶层140；
S220：烘烤所述光刻胶层140；
S230：曝光所述光刻胶层140；
S240：显影所述光刻胶层140。
步骤S210中，所述涂布方法包括旋涂、刮涂和打印中的一种，通过选择恰当的涂布方法，使光刻胶层140具有合适的厚度和良好的均匀性。进一步地，所述光刻胶层140的厚度为0.5um～2um，若光刻胶层140过薄，无法抵抗后续步骤中对掺杂碳薄膜的蚀刻过程；若光刻胶层140过厚，为了使光刻胶需曝光的区域被完全曝光，需要延长曝光时间或使用更高功率的曝光设备。可选地，所述光刻胶层140的材料为正性光刻胶或负性光刻胶中的一种。
步骤S220中，使用70℃～110℃的温度烘烤所述光刻胶层14010min～30min。该步骤用于去除所述光刻胶层140中的溶剂，提高光刻胶层140的硬度，从而避免在曝光过程中光刻胶层140发生形变，导致曝光图形的偏差。若烘烤温度过低或烘烤时间过短，无法有效去除光刻胶层140中的溶剂；若烘烤温度过高或烘烤时间过长，会导致光刻胶中的材料发生热交联反应或热分解反应，影响曝光和显影的结果。
步骤S230中，曝光所述光刻胶层140，曝光量为20mJ/cm2～30mJ/cm2，选择适当的曝光量，使需曝光区域的光刻胶层140被完全曝光，且不会对光掩膜遮挡区域的光刻胶层140造成影响。在前述沉积掺杂碳薄膜的步骤中，由于使用氮元素和硼元素中的至少一种对掺杂碳薄膜进行掺杂，获得了设定折射率的掺杂碳薄膜，所以在该曝光步骤中，掺杂碳薄膜不会产生传统技术中掩膜层130的反射现象，在省略抗反射涂层的前提下，所述光刻胶层140仍能获得很好的曝光效果。
步骤S240中，显影所述光刻胶层140，如图5所示为S240步骤后的器件结构示意图。进一步地，显影液采用喷淋方式涂布至所述光刻胶层140，使用喷淋方式显影光刻胶层140，可以提高显影均匀性，且使用的显影液较少。需要说明的是，也可以使用显影液完全浸没衬底110的方式进行显影工艺制程。可选地，在显影后使用溶液或去离子水冲洗所述衬底110，去除衬底110上残留的显影液，防止残留的显影液对器件产生腐蚀，所述溶液为甲醇、乙醇等易挥发醇类溶液中的一种。
步骤S300中，使用所述光刻胶图形图案化所述掩膜层130，形成掩膜图形，如图6所示为S300步骤后的器件结构示意图。
进一步地，使用干法蚀刻工艺制程蚀刻所述掺杂碳薄膜，所述干法蚀刻工艺的工艺参数包括：蚀刻设备参数：射频频率为13.56Hz，射频功率为400W～1000W，偏置电压为550V～1500V；蚀刻环境参数：温度为150℃～450℃，压强为10托；蚀刻时间参数：时间为15s～150s。通过选择合适的工艺参数，使所述掺杂碳薄膜蚀刻后的图形与显影后的光刻胶层140的图形相近，取得更好的蚀刻效果。
进一步地，使用等离子体干法蚀刻的工艺制程去除剩余的光刻胶层140。与湿法去胶相比，使用等离子体干法蚀刻既不会对已形成的掺杂碳薄膜和目标层120造成损伤，又可以完全去除剩余的光刻胶层140，是一种准确、高效的去除光刻胶层140的方法。
步骤S400中，使用所述掩膜图形图案化所述目标层120，形成目标层图形。如图7所示为S400步骤后的器件结构示意图。进一步地，选择所述目标层120相应的蚀刻方法进行蚀刻，由于在前述步骤中使用乙炔气体沉积所述掺杂碳薄膜，提高了掺杂碳薄膜的稳定性，所以在蚀刻过程中，所述掺杂碳薄膜可以应对不同的蚀刻方法。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种图形转移方法，包括：
提供衬底，所述衬底上形成有目标层，在所述目标层上形成掩膜层；
在所述掩膜层上形成光刻胶层，使用光刻工艺图案化所述光刻胶层，形成光刻胶图形；
使用所述光刻胶图形图案化所述掩膜层，形成掩膜图形；
使用所述掩膜图形图案化所述目标层，形成目标层图形；
其中，所述掩膜层包括掺杂氮元素和硼元素的掺杂碳薄膜；所述氮元素占所述掺杂碳薄膜的2wt％～10wt％，所述硼元素占所述掺杂碳薄膜的2wt％～10wt％；
所述氮元素的掺杂比例用于降低所述掺杂碳薄膜的折射率；
所述硼元素的掺杂比例用于提高所述掺杂碳薄膜的折射率；
所述掩膜层的厚度为50nm～700nm。
2.根据权利要求1所述的一种图形转移方法，其特征在于，所述目标层为介电层或导电层。
3.根据权利要求1所述的一种图形转移方法，其特征在于，在所述目标层上形成所述掩膜层的步骤，包括：
将所述衬底放入处理腔室；
设定工艺参数；
向所述处理腔室通入反应气体以形成所述掩膜层，所述反应气体包括碳源反应气体和掺杂反应气体，所述掺杂反应气体包括氮源气体和硼源气体。
4.根据权利要求3所述的图形转移方法，其特征在于，所述碳源反应气体和所述掺杂反应气体的流量之比为2：1至100：1。
5.根据权利要求4所述的一种图形转移方法，其特征在于，所述碳源反应气体的流量为100标准毫升/分钟～10000标准毫升/分钟，所述掺杂反应气体的流量不大于5000标准毫升/分钟。
6.根据权利要求3所述的图形转移方法，其特征在于，所述氮源气体包括氨气。
7.根据权利要求3所述的图形转移方法，其特征在于，所述硼源气体包括乙硼烷。
8.根据权利要求3所述的图形转移方法，其特征在于，在所述目标层上形成所述掩膜层的步骤，还包括：
向所述处理腔室通入惰性气体。
9.根据权利要求1所述的图形转移方法，其特征在于，使用光刻工艺图案化所述光刻胶层的步骤，包括以下工艺参数：
烘烤温度为70℃～110℃；烘烤时间为10min～30min；曝光量为20mJ/cm2～30mJ/cm2。
10.根据权利要求1所述的一种图形转移方法，其特征在于，使用所述光刻胶图形图案化所述掩膜层，形成掩膜图形的步骤，包括：使用干法蚀刻所述掩膜层以形成所述掩膜图形。
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