CN117795647A - 形成图案的方法 - Google Patents

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Abstract

一种形成亚分辨率特征的方法，该方法包括：通过掩模将形成在衬底上方的光致抗蚀剂层暴露于具有365nm或更长的第一波长的第一紫外光(UV)辐射，该掩模被配置成以第一临界尺寸形成特征，该光致抗蚀剂层包括暴露于该第一UV辐射的第一部分和在用该第一UV辐射暴露之后未暴露于该第一UV辐射的第二部分；将该第一部分和该第二部分暴露于第二UV辐射；以及在将光致抗蚀剂层暴露于该第二UV辐射之后使该光致抗蚀剂层显影以形成具有小于该第一临界尺寸的第二临界尺寸的亚分辨率特征。

Description

形成图案的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2021年8月16日提交的美国临时申请号63/233,559和于2021年11月4日提交的美国非临时申请号17/519,292的优先权，这些申请特此通过援引并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及一种处理衬底的方法，并且在具体实施例中，涉及一种形成图案的方法。
背景技术
通常，如集成电路(IC)等半导体装置是通过在半导体衬底之上依次沉积和图案化介电材料层、导电材料层和半导体材料层以形成集成在整体结构中的电子部件和互连元件(例如，晶体管、电阻器、电容器、金属线、触点和通孔)的网络来制造的。在每个连续的技术节点上，通过将部件堆积密度大约加倍来缩小最小特征尺寸以降低成本。
光刻是半导体制造中常见的图案化方法。光刻工艺可以通过将包含辐射敏感材料的光致抗蚀剂涂层暴露于光化辐射的图案以限定浮雕图案来开始。例如，在正性光致抗蚀剂的情况下，可以通过显影步骤使用显影溶剂来溶解并去除光致抗蚀剂的辐照部分，形成光致抗蚀剂的浮雕图案。然后可以将浮雕图案转移至光致抗蚀剂下方的目标层或在目标层上方形成的下层硬掩模层。可能需要关于光刻技术的创新来满足在纳米级特征下图案化的成本和质量要求。
发明内容
根据本发明的实施例，一种形成亚分辨率特征的方法包括：通过掩模将形成在衬底上方的光致抗蚀剂层暴露于具有365nm或更长的第一波长的第一紫外光(UV)辐射，该掩模被配置成以第一临界尺寸形成特征，该光致抗蚀剂层包括暴露于第一UV辐射的第一部分和在用第一UV辐射暴露之后未暴露于第一UV辐射的第二部分；将第一部分和第二部分暴露于第二UV辐射；以及在将光致抗蚀剂层暴露于第二UV辐射之后使光致抗蚀剂层显影以形成具有小于第一临界尺寸的第二临界尺寸的亚分辨率特征。
根据本发明的实施例，一种形成亚分辨率特征的方法包括：通过第一掩模将形成在衬底上方的光致抗蚀剂层暴露于具有365nm或更长的第一波长的第一紫外光(UV)辐射，该掩模被配置成以第一临界尺寸形成特征，该光致抗蚀剂层包括暴露于第一UV辐射的第一部分和在用第一UV辐射暴露之后未暴露于第一UV辐射的第二部分；在将光致抗蚀剂层暴露于第一UV辐射之后使光致抗蚀剂层显影以去除第一部分；在光致抗蚀剂层上方沉积树脂；以及将第二部分暴露于具有第二波长的第二UV辐射；在将光致抗蚀剂层暴露于第二UV辐射之后使光致抗蚀剂层显影以形成具有小于第一临界尺寸的第二临界尺寸的亚分辨率特征，该亚分辨率特征包括在光致抗蚀剂层与树脂之间的沟槽。
根据本发明的实施例，一种光刻工具包括：腔室的尺寸和配置被设置为接收晶圆用于处理；晶圆保持器用于保持200mm晶圆；第一紫外光(UV)辐射源，其配置成发射具有365nm的第一波长的第一UV辐射，该第一UV辐射源被配置成基于该第一UV辐射形成具有第一临界尺寸的第一特征，该第一临界尺寸大于第一光学分辨率极限；第二UV辐射源，其配置成发射具有第二波长的第二UV辐射，该第二UV辐射源被配置成基于该第二UV辐射形成具有第二临界尺寸的第二特征，该第二临界尺寸大于第二光学分辨率极限；其中光刻工具包括通过第一掩模用第一UV辐射暴露在晶圆上方形成的光致抗蚀剂层的指令，该第一掩模被配置成以第一临界尺寸形成第一特征，该光致抗蚀剂层包括暴露于第一UV辐射的第一部分和未暴露于第一UV辐射的第二部分；以及将第二部分暴露于第二UV辐射以限定具有小于第一光学分辨率极限的临界尺寸的亚分辨率特征。
附图说明
为了更完整地理解本发明和其优点，现在将参照以下结合附图给出的描述，在这些附图中：
图1示出了根据实施例的示例处理工具，其包括用于二次暴露的光刻工具和图像投影系统。
图2A-2R示出了根据各种实施例的包括间隔物图案化的形成亚分辨率特征的方法的不同阶段的衬底，其中图2A示出了包含光致抗蚀剂层的来料衬底的截面视图，图2B示出了图2A的顶视图，图2C示出了在第一次暴露于第一紫外(UV)辐射之后衬底的截面视图，图2D示出了图2C的顶视图，图2E示出了在开始第二次暴露于第二紫外(UV)辐射之后衬底的截面视图，图2F示出了图2E的顶视图，图2G示出了完成第二UV暴露之后衬底的截面视图，图2H示出了图2G的顶视图，图2I示出了显影之后衬底的截面视图，图2J示出了图2I的顶视图，图2K示出了沉积间隔物材料之后衬底的截面视图，图2L示出了图2K的顶视图，图2M示出了进行间隔物回蚀刻之后衬底的截面视图，图2N示出了图2M的顶视图，图2O示出了进行拉蚀刻(pull etch)之后衬底的截面视图，图2P示出了图2O的顶视图，图2Q示出了进行图案转移蚀刻之后衬底的截面视图，并且图2R示出了图2Q的顶视图，
图3A-3J示出了根据替代性实施例的包括反间隔物图案化的形成亚分辨率特征的方法的不同阶段的衬底，其中图3A示出了在第一次暴露于第一UV辐射、随后显影以去除光致抗蚀剂的辐照部分之后衬底的截面视图，图3B示出了图3A的顶视图，图3C示出了沉积树脂之后衬底的截面视图，图3D示出了图3C的顶视图，图3E示出了在第二次暴露于第二UV辐射以产生酸并且形成酸反应层之后衬底的截面视图，图3F示出了图3E的顶视图，图3G示出了在显影以去除酸反应层之后衬底的截面视图，图3H示出了图3G的顶视图，图3I示出了在进行图案转移蚀刻之后衬底的截面视图，并且图3J示出了图3I的顶视图，
图4A-4H示出了根据又另一个实施例的包括反间隔物图案化的形成亚分辨率特征的方法的不同阶段的衬底，其中图4A示出了在第一次暴露于第一UV辐射、显影以去除光致抗蚀剂的辐照部分并且第二次暴露于第二UV辐射之后衬底的截面视图，图4B示出了图4A的顶视图，图4C示出了沉积树脂之后衬底的截面视图，图4D示出了图4C的顶视图，图4E示出了在显影以去除树脂的顶部部分和吸收第二UV辐射的光致抗蚀剂的部分之后衬底的截面视图，图4F示出了图4E的顶视图，图4G示出了在进行图案转移蚀刻之后衬底的截面视图，并且图4H示出了图4G的顶视图，并且
图5A和5B示出了根据各种实施例的亚分辨率特征的方法的工艺流程图，其中图5A示出了实施例的工艺流程(例如，图2A-2J)，并且图5B示出了替代性实施例的工艺流程(例如，图3A-3H和图4A-4F)。
具体实施方式
本申请涉及一种将亚分辨率特征图案化的系统和方法，更具体地涉及一种使用紫外(UV)辐射的二次暴露来缩小特征尺寸的光刻技术。在使用二次暴露的情况下，实施例方法可以有利地使用具有365nm或更高的初级紫外线照射的光刻工具来实现小于光学分辨率的图案化特征。
通常，可制造工艺的最小特征尺寸可能受到光学分辨率的限制，这取决于光刻系统。先进光刻设备的发展不断提高光学分辨率。例如，深紫外(DUV)193nm浸没式光刻系统可以打印小至约40nm的特征尺寸。然而，此类浸没式光刻系统在200mm晶圆工具上不可用，或者用此类设备改造200mm晶圆流是昂贵的。在另一方面，许多波长较长的旧设备仍在各种应用中使用，包括200mm晶圆应用，并且长期以来一直需要使用此类旧设备来生产只有高端设备才能实现的小特征，例如，小于200nm的特征。如下文所讨论的，本文所讨论的各种实施例能够形成此类特征，而不依赖于昂贵的光刻技术如DUV和浸入水中。
各种实施例描述了基于对第一紫外(UV)辐射的主要基于掩模版的暴露和对第二UV辐射的二次暴露的方法。在某些实施例中，第一UV辐射可以具有长于193nm的波长，例如365nm(i线)或更长，有利地使得能够使用i线光刻工具等(例如，g线和h线)。图像投影系统可用于第二暴露，以通过缩小由基于第一掩模版的UV暴露所限定的特征尺寸来形成亚分辨率特征。亚分辨率特征，例如小于200nm的临界尺寸(CD)，可以用于由200mm晶圆制造的许多芯片中。此外，通过将该二次暴露方法与其他图案化技术如间隔物图案化和反间隔物图案化组合，可以实现甚至更小的特征。在此类实施例中，实施例方法还可以通过缩小特征的高度来有利地控制特征的纵横比。
下面首先在图1中示出示例处理。然后参考图2A-2R描述了形成与间隔物图案化结合的亚分辨率特征的二次暴露方法的工艺。接下来参考图3A-3J描述了与使用酸扩散的反间隔物图案化结合的替代性实施例方法。然后参考图4A-4H描述了与反间隔物图案化结合的另一个实施例。所有附图仅出于说明目的，并非按比例绘制。
图1示出了根据实施例的示例处理工具10，其包括用于第二UV暴露的光刻工具11和图像投影系统12。
在图1所示的示例实施例中，用于第一UV暴露的光刻工具11和用于第二UV暴露的图像投影系统12都包含在处理腔室100中，使得能够连续进行实施例方法，而无需将衬底110从一个处理腔室转移至另一个处理腔室。在其他实施例中，本披露的方法中使用的两种UV暴露可以在处理工具的不同腔室中或在不同的处理工具中单独进行。
在图1中，处理腔室100的尺寸可以被设置为用于接收衬底110。在各种实施例中，衬底110可以包含半导体衬底。在某些实施例中，衬底110可以是200mm硅晶圆，并且处理腔室100的尺寸可以被相应地设置以容纳图像投影系统12。衬底110可以是硅晶圆或绝缘体上硅(SOI)晶圆。在某些实施例中，衬底110可以包括锗晶圆、硅锗晶圆、碳化硅晶圆、砷化镓晶圆、氮化镓晶圆和其他化合物半导体。在其他实施例中，衬底110包括异质层，比如硅上硅锗、硅上氮化镓、硅上硅碳、以及硅上硅或SOI衬底的层。衬底110可以是具有任何类型的涂层的反射或非反射硅晶圆。
半导体结构可能已经经历了例如常规工艺之后的多个处理步骤。例如，半导体结构可以包括衬底110，在该衬底中形成各种装置区域。在此阶段，衬底110可以包括诸如浅沟槽隔离(STI)区域等隔离区域以及在其中形成的其他区域。
衬底110可以由衬底保持器122保持。衬底保持器122可以进一步耦合到衬底对准系统124，该衬底对准系统被配置成将图像对准到衬底110上的可工作区域上。
光刻工具11可以是没有如深紫外(DUV)193nm浸没式光刻的特征的常规光刻工具。在各种实施例中，光刻工具11可以是被配置成制造200mm硅晶圆的常规i线光刻工具。光刻工具11可以包括第一紫外(UV)光源102，其被配置成照射具有365nm的第一波长的第一UV辐射104。在各种实施例中，UV光源102可以包括基于气体的激光源，如高压汞蒸气灯或固态激光源，如GaN激光器。在一个或多个实施例中，第一波长可以大于365nm，例如405nm(h线)或436nm(g线)。可以使用可选的反射器106根据光源102和衬底110的位置来对准第一UV辐射104的方向。可以通过第一镜片系统108和光掩模112(第一UV暴露)照射第一UV辐射104。可以使用掩模版作为光掩模112。第一镜片系统108可以是聚光镜片系统，该聚光镜片系统被配置成在第一UV暴露期间按比例缩小光掩模112的图案。因此，光掩模112和衬底110可以不必处于相同的比例。在某些实施例中，光掩模112可以包括具有6英寸正方形形状的熔融石英板。仅举例描述了光刻工具11的上述配置，并且可以结合图像投影系统使用其他系统来进行本披露的各种实施例方法。
仍然参考图1，图像投影系统12包括光源114，其可以位于处理腔室100内、邻近或远离处理腔室100。光源114可以被配置成产生具有第二波长的第二UV辐射116。可以选择第二波长，使得第二UV辐射116可以对该方法中使用的光致抗蚀剂材料具有光刻效果。因此，第二波长可以比第一波长更短或更长。可替代地，第一波长和第二波长可以相同。在此种实施例中，强度和/或暴露时间可以不同以允许第二UV辐射116形成亚分辨率特征。
在某些实施例中，光源114可以包含准分子激光器，如在193nm下的氟化氩(ArF)激光器、在248nm下的氟化氪(KrF)激光器、在308和459nm下的氯化氙(XeCl)激光器、在353和459nm下的氟化氙(XeF)激光器、或在325-442nm下的氦镉(HeCd)激光器，或固态激光器，如Nd-YAG 266nm激光器。在一些实施例中，第二波长可以是248、266、或405nm，并且与极紫外(EUV)激光源相比，这些波长的光源可以是在经济上有利的。
激光束可以是准直的高强度光束，以更高效地加热和处理。光源特征可以根据正在处理的特定衬底进行定制。在一个或多个实施例中，第二UV辐射116可以是暴露整个晶圆的全面辐射图案。可替代地，可以在整个衬底110上扫描第二UV辐射116。第二UV辐射116可以例如由图像投影系统12在空间上控制，以实现特征尺寸的微调，从而维持整个晶圆的变化。在某些实施例中，第二UV暴露可以是基于像素的，其中待处理的衬底110的区域被网格分成多个单元并且针对每个单元单独选择第二UV暴露的条件。基于像素的第二UV暴露可以使用包含数字光处理(DLP)芯片、光栅光阀(GLV)、或其他光阀技术的光投影装置118来进行。第二镜片系统120可用于在衬底110上产生具有最小像差的衬底110大小的图像。在各种实施例中，例如，图像投影系统12可以具有约1-2mm的空间分辨率。
图2A-2R示出了根据各种实施例的形成亚分辨率特征的方法的不同阶段的衬底。
在图2A和2B中，衬底110可以包含在衬底110上方形成的中间层210。中间层210可以是在光刻之后的后续处理中的图案转移的目标。在各种实施例中，中间层210可以包含硅、氮氧化硅、有机材料、非有机材料、或无定形碳。在某些实施例中，还可以选择中间层210以具有减反射特性，如通过使用硅底减反射涂层(Si-BARC)。在一个或多个实施例中，中间层210可以是包含硬掩模的掩模层。硬掩模可以包含氮化硅、二氧化硅(SiO2)、或氮化钛。此外，中间层210可以是堆叠的硬掩模，其包括例如使用两种不同材料的两个或更多个层。硬掩模的第一层可以包括基于金属的层如氮化钛、钛、氮化钽、钽、基于钨的化合物、基于钌的化合物、或基于铝的化合物，并且硬掩模的第二层可以包含介电层如二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、无定形硅、或多晶硅。中间层210可以使用沉积技术诸如气相沉积(包括化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)和原子层沉积(ALD))以及其他等离子体工艺诸如等离子体增强CVD(PECVD)、溅射和其他工艺沉积。
可以例如使用涂覆工艺或旋涂工艺在中间层210上方沉积光致抗蚀剂220的层。在各种实施例中，光致抗蚀剂220可以包含光敏有机材料，并且可以通过例如常规旋涂技术由溶液施加。在一些实施例中，光致抗蚀剂220可以包括正性抗蚀剂或可替代地负性抗蚀剂。在某些实施例中，光致抗蚀剂220的溶液可以由配备在处理工具中的分配器分配。光致抗蚀剂220可以均匀地覆盖衬底110的整个上表面(图2B)。
图2C和2D示出了在第一暴露于第一紫外(UV)辐射104之后的衬底110。
在图2C和2D中，响应于第一UV暴露，暴露于第一UV辐射104的部分(第一反应部分230)发生光化学反应。在各种实施例中，作为第一UV暴露的结果，第一反应部分230可以溶解在显影溶剂中，并且可以在后面的步骤中被去除。如图2C和2D中所示，光致抗蚀剂220的未暴露于第一UV辐射104的部分保持完整并且未反应。在某些实施例中，可以通过热处理衬底110来进行暴露后烘烤，例如，在一些实施例中可以进行软烘烤。在一个或多个实施例中，暴露后烘烤可以在80℃-140℃下进行。
图2E和2F示出了在开始第二暴露于第二紫外(UV)辐射之后的衬底110。
在图2E和2F中，使用图像投影系统(例如，图1中的图像投影系统12)照射第二UV辐射116(第二UV暴露)。第二UV暴露可以光化学地修改光致抗蚀剂220的在第一UV暴露期间未暴露的部分，形成第二反应部分240。在化学上，第二反应部分240类似于第一反应部分230，尤其是当不进行暴露后烘烤时，然而为了解释，它们被示出为不同的区域。
在各种实施例中，照射的材料(例如，光致抗蚀剂220)的吸收系数在第二UV暴露中可以比在第一UV暴露中更大。换言之，第二UV辐射116进入光致抗蚀剂220的穿透深度小于第一UV辐射104。通过适当地选择波长和暴露条件，第二UV暴露在光致抗蚀剂220的未反应部分的顶部和侧壁处形成第二反应部分240的层。换言之，第二UV暴露被微调以留下光致抗蚀剂220的一些部分未反应。第二反应部分240的层可以通过增加第二UV暴露的剂量来进一步扩展，如以下参考图2G和2H所述。剂量可以通过增加光强度、暴露时间、或两者来增加。
图2G和2H示出了完成第二UV暴露之后的衬底110。
在图2G和2H中，衬底110暴露于比图2E更大剂量的第二UV暴露。因此，与图2E相比，第二反应部分240更大并且光致抗蚀剂220的未反应部分更小。因此，如上所述施加第二UV暴露可以用于缩小由光致抗蚀剂220的未反应部分限定的特征尺寸(例如，比较图2C和图2G)。
类似于第一反应部分230，第二反应部分240可以溶解在显影溶剂中，并且可以在后面的步骤中被去除。如以下针对不同实施例进一步详细描述的，第一反应部分230和第二反应部分240可以在单个显影步骤中一起被去除(例如，图2I和2J)。可替代地，在某些实施例中，可以进行多于一个显影步骤以分别去除它们(例如，图3A-3H和图4A-4F)，从而实现各种图案化技术，如间隔物/反间隔物图案化。
在各种实施例中，第二UV暴露可以作为整片暴露(即，没有图案的全面辐射)来进行。这可用于实现在整个衬底110上特征的均匀收缩。在其他实施例中，第二UV暴露可以通过使用如上所述的图像投影系统的空间控制投影来进行。尽管附图仅示出了单组特征(例如，光致抗蚀剂220)，但可以通过空间控制投影在第二UV暴露的不同条件(例如，不同剂量)下处理衬底110上不同位置处的不同特征。这可以用于在第一UV暴露期间微调由扫描仪、步进机、或其他基于掩模版的暴露系统(例如，i线光刻工具)产生的临界尺寸(CD)。例如，当可以在整个衬底110上扫描第二UV辐射116时，可以改变剂量以考虑变化，如晶圆变化。将这种空间光投影与光刻暴露组合还可以显著改善整个衬底表面的CD均匀性(CDU)。换言之，第二UV暴露(例如，基于像素的)与第一UV暴露(例如，基于光刻掩模版的暴露)组合可以校正否则将不可接受或导致缺陷的特征尺寸。
因此，本披露的实施例可以有利地提供放宽对光刻工具(例如，图1中的光刻工具11)的要求的各种益处。例如，通过第二UV暴露进行CD校正的能力可以允许光致抗蚀剂层(例如，图2A中的光致抗蚀剂220)的初始膜厚度/表面粗糙度的更大变化，并且可以在单个步骤中施加光致抗蚀剂。在常规方法中，可能需要将多种化学品施加至衬底以在膜厚度/表面粗糙度的可接受变化范围内形成光致抗蚀剂膜，这可能需要光刻工具具有更大的化学品储存和分配能力。实施例方法可以允许使用具有低化学品储存和分配能力的光刻工具。此外，由于实施例方法可以减轻对膜厚度均匀性的要求，因此可以仅需要单一化学品。
在第二UV辐射116之后进行暴露后烘烤。在一些实施例中，暴露后烘烤对于第一UV辐射104和第二UV辐射116可以是共同的。
图2I和2J示出了显影之后的衬底110。
在图2I和2J中，通过使用显影溶液的常规显影方法处理衬底110以去除第一反应部分230和第二反应部分240。因此，光致抗蚀剂220和中间层210的未反应部分被暴露(图2J)。可以使用显影溶液进行光致抗蚀剂的显影。在各种实施例中，显影溶液可以包含不含金属铁(MIF)的显影剂，例如四甲基氢氧化铵(TMAH)的水溶液。在其他实施例中，显影溶液可以包含含有金属离子的显影剂，例如氢氧化钠(NaOH)或氢氧化钾(KOH)的水溶液。在各种实施例中，由于二次UV暴露，光致抗蚀剂220的未反应部分的特征尺寸在此阶段可以小于常规i线光刻工具的光学分辨率(例如，亚微米)。例如，在某些实施例中，光致抗蚀剂220的未反应部分的临界尺寸(CD)和高度可以是200nm或更小。在一个实施例中，二次暴露可以将特征尺寸(例如，图2C至图2I中的光致抗蚀剂220)在CD上缩小40％且在高度上缩小80％。光致抗蚀剂220的这些收缩的特征尺寸可以用作半导体制造的后续蚀刻工艺步骤的浮雕图案。实施例方法使得常规光刻工具能够形成亚分辨率特征，而不依赖更昂贵的光刻工具，如典型地仅可用于300mm晶片厂的深紫外(DUV)和/或浸没式光刻。
此外，可以通过利用亚分辨率特征作为后续间隔物或反间隔物图案化的心轴的实施例方法来实现甚至更小的特征，例如小于100nm。例如，间隔物图案化可用于形成窄线特征，并且反间隔物图案化可用于形成窄沟槽特征。在下文中，参考图2K-2R、3A-3J和4A-4H描述了包括间隔物/反间隔物图案化的实施例。
图2K和2L示出了沉积间隔物材料之后的衬底110。
在图2K和2L中，间隔物250可以沉积在衬底110上方。在各种实施例中，可以使用共形沉积工艺如原子层沉积(ALD)或在半导体装置制造内使用的任何其他共形沉积技术来沉积间隔物250。间隔物250可以包含氧化硅、氮化硅、氮化钛、氧化钛或本领域已知的任何其他类型的氧化物或绝缘材料。在一个或多个实施例中，间隔物250的厚度在5nm与10nm之间。
图2M和2N示出了进行间隔物回蚀刻之后的衬底110。
在图2M和2N中，间隔物250通过各向异性蚀刻工艺(如反应性离子蚀刻(RIE))蚀刻。在间隔物回蚀刻中，可从包括心轴(例如，剩余的光致抗蚀剂220)的底表面和顶表面的基本上水平的表面选择性地去除间隔物250，从而形成粘附至心轴的接近垂直的边缘的侧壁间隔物。在各种实施例中，可以定时间隔物回蚀刻以暴露光致抗蚀剂220、中间层210、或两者的顶表面。可替代地，间隔物回蚀刻可以在可以沉积在中间层210上方的可选的下方蚀刻停止层处停止。
图2O和2P示出了在拉蚀刻以去除剩余的光致抗蚀剂220之后的衬底110。
在图2O和2P中，则通过拉蚀刻去除剩余的光致抗蚀剂220。在各种实施例中，拉蚀刻可以通过常规湿法蚀刻工艺来进行。可替代地，拉蚀刻可以通过各向异性等离子体蚀刻工艺(如反应性离子蚀刻(RIE))来进行。在某些实施例中，间隔物回蚀刻(例如，图2M和2N)和拉蚀刻(例如，图2O和2P)可以在单个等离子体蚀刻腔室中进行。随着心轴被去除，无支撑间隔物被留下，其可以在后续步骤中用作蚀刻/硬掩模以蚀刻下面的层(例如，中间层210)。
通过将间隔物图案化技术应用于由实施例方法实现的亚分辨率特征(例如，光致抗蚀剂220)，可以获得具有更小间距和线宽的特征(例如，具有小于200nm的临界尺寸(CD)的窄线特征)。此外，基于第二UV暴露以收缩特征的实施例方法可以提供高度控制的另一个益处。如图2M和2O中所示，间隔物250的高度可以主要取决于光致抗蚀剂220的高度。在常规i线光刻方法中，光致抗蚀剂220可以具有200nm至900nm的高度。如果在如此厚的光致抗蚀剂上形成间隔物，则所得间隔物的纵横比非常高，这将可能导致线摆动和图案塌陷，并且因此不能用于图案化中间层210。相比之下，通过使用本文所述的实施例减小光致抗蚀剂220的高度，由于较低的纵横比，可以避免这种图案塌陷。换言之，根据实施例方法施加第二UV暴露以收缩特征(例如，光致抗蚀剂220)的高度可以通过减小所得间隔物(例如，间隔物250)的纵横比来克服该问题。在某些实施例中，可以获得在20nm与150nm之间的间隔物250的高度。此外，可以用实施例方法获得5或更小的纵横比(高度与线宽的比率)。
图2Q和2R示出了进行图案转移蚀刻之后的衬底110。
在图2Q和2R中，中间层210通过各向异性蚀刻工艺(如反应性离子蚀刻(RIE))用间隔物作为蚀刻掩模来蚀刻。各向异性蚀刻工艺将间隔物图案转移至中间层210。在各种实施例中，中间层210中的转移图案可以形成为多重图案化工艺的一部分，该多重图案化工艺如自对准双重图案化(SADP)、自对准四重图案化(SAQP)或现有技术中已知的任何其他多重图案化技术。在各种实施例中，转移图案可用于形成接触孔、金属线、栅极线、隔离区以及在半导体制造中可用的其他特征。
图3A-3J示出了根据替代性实施例的包括反间隔物图案化的形成亚分辨率特征的方法的不同阶段的衬底。在该实施例方法中，外涂层材料和溶解度改变剂可用于通过第二暴露于第二UV辐射来产生窄沟槽特征。
图3A和3B示出了在第一暴露于第一UV辐射、随后显影以去除光致抗蚀剂220的照射部分之后的衬底110。
在图3A和3B中，通过第一UV暴露(例如，图2C)图案化在衬底110(例如，图2A)上的中间层210上方形成的光致抗蚀剂220。与先前的实施例不同，代替第二UV暴露，可以在第一UV暴露和暴露后烘烤之后进行显影步骤以去除第一反应部分(例如，图2C中的第一反应部分230)。在各种实施例中，暴露后烘烤可以通过将衬底110加热至在80C与140C之间的温度来进行。显影步骤可以通过如先前参考图2I所描述的常规显影方法来进行。因此，在中间层210上方形成光致抗蚀剂220的图案(例如，线)。
在图3A和3B中进一步示出，光致抗蚀剂220可以包含用于反间隔物图案化的溶解度改变剂305。溶解度改变剂305可以包含光酸产生剂，如温度活化的产生剂或温度酸产生剂(TAG)。光酸产生剂可以是温度活化的，因为将溶解度改变剂305加热到高于阈值温度导致将在光致抗蚀剂220内产生光酸。
图3C和3D示出了沉积树脂310之后的衬底110。
在图3C和3D中，树脂310作为外涂层材料沉积在衬底110上方。在各种实施例中，树脂310可以使用涂覆工艺或旋涂工艺沉积。尽管没有具体说明，除了侧壁之外，但树脂310的层还可以覆盖光致抗蚀剂220的顶表面。在各种实施例中，树脂310可以包含第二光致抗蚀剂。树脂310可以具有与光致抗蚀剂220相同的组成或与光致抗蚀剂220不同的组成。在一些实施例中，树脂310可以包含化学放大的光致抗蚀剂。化学放大的光致抗蚀剂可以是酸催化或碱催化的材料。在某些实施例中，树脂310可以包括底部减反射涂层(BARC)材料，其被改性以适合于由酸或碱扩散引起的溶解度变化。
图3E和3F示出了在第二暴露于第二UV辐射116以产生酸并且形成酸反应层320之后的衬底110。
在图3E和3F中，第二UV暴露可以使用第二UV辐射116使用如上所述的图像投影系统来进行。在某些实施例中，可以可选地使用第二光掩模315，如图3E中所示。第二光掩模315可以具有用于形成可以形成接触孔的亚分辨率特征的孔或方形开口。然而，根据各种实施例，可以在不使用第二光掩模315的情况下形成亚分辨率特征，如金属线或栅极线。响应于第二UV暴露，溶解度改变剂305可以在光致抗蚀剂220中产生光酸，并且光酸通过光致抗蚀剂220与树脂310之间的界面横向扩散到树脂310中。因此，酸反应层320可以由光致抗蚀剂220的侧壁上的树脂310形成。当光酸扩散到树脂310中时，其可引起溶解度的变化，其中酸反应层320在一种或多种显影溶剂中的溶解度高于树脂310和光致抗蚀剂220。在一个或多个实施例中，其中树脂310的层覆盖光致抗蚀剂220的顶表面，酸反应层320可以进一步包括在光致抗蚀剂220的顶表面上方形成的横向部分。
酸反应层320的厚度可以取决于所产生的光酸的扩散率。因此，光酸产生剂的分子量可以基于在特定温度下光酸的期望扩散率来选择。还可以控制工艺温度以获得酸反应层320的期望厚度。在某些实施例中，还可以使用交联剂来防止光酸改变光致抗蚀剂220的溶解度。
图3G和3H示出了在显影以去除酸反应层320之后的衬底110。
在图3G和3H中，通过如先前参考图2I所描述的常规显影方法，用第二显影溶剂处理衬底110。第二显影溶剂可以具有与第一显影溶剂类似的组成，但在一些实施例中，可以具有不同的组成。显影之后，选择性地去除酸反应层320，在光致抗蚀剂220的侧壁与树脂310之间形成窄沟槽330作为反间隔物图案。可以选择第二显影溶剂以对光致抗蚀剂220和树脂310具有选择性。
图3I和3J示出了进行图案转移蚀刻之后的衬底110。
在图3I和3J中，中间层210通过各向异性蚀刻工艺(如反应性离子蚀刻(RIE))蚀刻。各向异性蚀刻工艺将反间隔物图案(沟槽330)转移至中间层210。在各种实施例中，转移图案可用于形成接触孔、通孔、金属线、栅极线、隔离区以及在半导体制造中可用的其他特征。
图4A-4H示出了根据又另一个实施例的包括反间隔物图案化的形成亚分辨率特征的方法的不同阶段的衬底。
图4A和4B示出了在第一暴露于第一UV辐射、显影以去除光致抗蚀剂220的照射部分以及第二暴露于第二UV辐射116之后的衬底110。
在图4A和4B中，通过几个工艺步骤处理衬底110。通过第一UV暴露(例如，图2C)图案化在衬底110(例如，图2A)上的中间层210上方形成的光致抗蚀剂220。接下来，类似于反间隔物图案化的先前实施例(例如，图3A)，在第一UV暴露之后进行显影步骤以去除第一反应部分。此外，进行第二UV暴露以形成第二反应部分240。第二反应部分240的形成类似于间隔物图案化的先前实施例(例如，图2E)。然而，在该实施例方法中，显影步骤在第二UV暴露之前进行，并且因此第一反应部分已经被去除(例如，图2E中的第一反应部分230)。因此，在中间层210上方形成第二反应部分240的图案，其中光致抗蚀剂220的未反应部分嵌入第二反应部分240内。
图4C和4D示出了沉积树脂310之后的衬底110。
在图4C和4D中，树脂310作为外涂层材料沉积在衬底110上方。树脂310可以使用涂覆工艺或旋涂工艺沉积。在各种实施例中，如图4C和4D中所示，可以沉积树脂310以覆盖第二反应部分240的顶表面。在沉积工艺期间，可以微调树脂310相对于第二反应部分240的高度，使得树脂310的顶部部分可以足够薄以通过随后的显影步骤去除，并且可以暴露掩埋的第二反应部分240。
图4E和4F示出了在显影以去除树脂310的顶部部分和第二反应部分240之后的衬底110。
在图4E和4F中，通过如先前参考图2I所描述的常规显影方法，用第三显影溶剂处理衬底110。第三显影溶剂可以具有与第一显影溶剂类似的组成，但在一些实施例中，可以具有不同的组成。显影之后，选择性地去除第二反应部分240，在光致抗蚀剂220的侧壁与树脂310之间形成窄沟槽330作为反间隔物图案。可以选择第三显影溶剂以对光致抗蚀剂220和树脂310具有选择性。
图4G和4H示出了进行图案转移蚀刻之后的衬底110。
在图4I和4J中，中间层210通过各向异性蚀刻工艺(如反应性离子蚀刻(RIE))蚀刻。各向异性蚀刻工艺将反间隔物图案(沟槽330)转移至中间层210。在各种实施例中，转移图案可用于形成接触孔、通孔、金属线、栅极线、隔离区以及在半导体制造中可用的其他特征。
图5A和5B示出了根据各种实施例的亚分辨率特征的方法的工艺流程图。以下是根据上面已经参照图2A-2J、图3A-3H和图4A-4F描述的实施例的示例工艺流程，并且因此将不再重复细节。
在图5A中，示出了实施例工艺流程50。首先，将在衬底上方形成的光致抗蚀剂层(例如，图2A中的光致抗蚀剂220)通过掩模暴露于具有365nm或更长的第一波长的第一紫外光(UV)辐射(框510)(例如，图2C)以形成第一临界尺寸的特征。然后将光致抗蚀剂暴露于具有小于第一波长的第二波长的第二UV辐射(框520)(例如，图2E和2G)，从而收缩第一临界尺寸。接下来，使光致抗蚀剂显影以形成具有小于第一临界尺寸的第二临界尺寸的亚分辨率特征(框530)(例如，图2I)。所形成的子特征可以进一步用作间隔物图案化的心轴，如已经参考图2K-2R描述的。
在图5B中，示出了包括反间隔物图案化的替代性实施例工艺流程51(例如，图3A-3H和图4A-4F)。首先，将在衬底上方形成的光致抗蚀剂层(例如，图2A中的光致抗蚀剂220)通过掩模暴露于具有365nm或更长的第一波长的第一紫外光(UV)辐射(框510)(例如，图2C)以形成第一临界尺寸的特征。与图5A中的先前实施例不同，然后使光致抗蚀剂显影以去除暴露于第一UV辐射的光致抗蚀剂的部分(框540)(例如，图3A)。在一个实施例中，将树脂(例如，图3C中的树脂310)沉积在光致抗蚀剂上方(框550)(例如，图3C)，随后将光致抗蚀剂暴露于具有第二波长的第二UV辐射(框520)(例如，图3E)。接下来，使光致抗蚀剂再次显影以形成亚分辨率特征(框530)(例如，图3G)。亚分辨率特征是沟槽(例如，图3G中的沟槽330)。可替代地，可以交换树脂沉积和第二UV暴露的顺序(例如，图4A-4F)。在显影(框540)之后，可以将光致抗蚀剂暴露于第二UV辐射(框520)以收缩第一临界尺寸(例如，图4A)。然后在光致抗蚀剂上方沉积树脂(例如，图4C中的树脂310)(框550)(例如，图4C)。接下来，使光致抗蚀剂再次显影以形成亚分辨率特征(框530)(例如，图4E)。
本申请的实施例可以应用于使用常规光刻工具、特别是200mm晶圆设备形成亚分辨率特征，其中i线、g线、或h线工具可以以低成本修改，以在没有更昂贵的技术的情况下形成无法实现的特征。例如，使用本申请的实施例，可以制造具有隔离的短栅极长度晶体管(例如小于40nm)的应用。上述实施例的示例应用可以包括用于硬盘驱动器市场的读/写头，其中特征被印刷并且然后被化学修整成目标CD。
这里总结了本发明的示例实施例。从说明书的整体以及本文提出的权利要求中也可以理解其他实施例。
实例1.一种形成亚分辨率特征的方法，该方法包括：通过掩模将形成在衬底上方的光致抗蚀剂层暴露于具有365nm或更长的第一波长的第一紫外光(UV)辐射，该掩模被配置成以第一临界尺寸形成特征，该光致抗蚀剂层包括暴露于第一UV辐射的第一部分和在用第一UV辐射暴露之后未暴露于第一UV辐射的第二部分；将第一部分和第二部分暴露于第二UV辐射；以及在将光致抗蚀剂层暴露于第二UV辐射之后使光致抗蚀剂层显影以形成具有小于第一临界尺寸的第二临界尺寸的亚分辨率特征。
实例2.如实例1所述的方法，该方法进一步包括间隔物图案化，其包括：在该亚分辨率特征上方沉积间隔物材料的层；进行间隔物回蚀刻以去除该间隔物材料的横向部分；进行拉蚀刻以去除该亚分辨率特征并且形成间隔物图案；以及使用该间隔物图案作为蚀刻掩模来进行图案转移蚀刻。
实例3.如实例1或2之一所述的方法，其进一步包括在显影之前，通过热处理该衬底来进行暴露后烘烤。
实例4.如实例1至3之一所述的方法，其进一步包括选择将该第一部分和该第二部分暴露于该第二UV辐射的条件，以形成具有小于该特征的第一高度的高度的亚分辨率特征。
实例5.如实例1至4之一所述的方法，其进一步包括选择将该第一部分和该第二部分暴露于该第二UV辐射的条件，以形成具有在200nm与360nm之间的宽度、在20nm与900nm之间的高度、或在3与100之间的高宽比的该亚分辨率特征。
实例6.如实例1至5之一所述的方法，其中将该第一部分和该第二部分暴露于该第二UV辐射使用具有可独立寻址的投影点的阵列的基于像素的投影系统来进行。
实例7.如实例1至6之一所述的方法，其中该第一波长是365nm并且该第二波长是266nm。
实例8.一种形成亚分辨率特征的方法，该方法包括：通过第一掩模将形成在衬底上方的光致抗蚀剂层暴露于具有365nm或更长的第一波长的第一紫外光(UV)辐射，该掩模被配置成以第一临界尺寸形成特征，该光致抗蚀剂层包括暴露于第一UV辐射的第一部分和在用第一UV辐射暴露之后未暴露于第一UV辐射的第二部分；在将该光致抗蚀剂层暴露于该第一UV辐射之后使该光致抗蚀剂层显影以去除该第一部分；在该光致抗蚀剂层上方沉积树脂；以及将该第二部分暴露于具有第二波长的第二UV辐射；在将该光致抗蚀剂层暴露于该第二UV辐射之后使该光致抗蚀剂层显影以形成具有小于该第一临界尺寸的第二临界尺寸的亚分辨率特征，该亚分辨率特征包括在该光致抗蚀剂层与该树脂之间的沟槽。
实例9.如实例8所述的方法，其中在将该第二部分暴露于该第二UV辐射之前沉积该树脂，该第二UV辐射引发光化学反应，在该第二部分内产生酸，该酸横向扩散到该树脂中以在该树脂的侧壁上形成酸反应层。
实例10.如实例9所述的方法，其中在将该光致抗蚀剂层暴露于该第二UV辐射之后使该光致抗蚀剂层显影去除该酸反应层，并且其中该酸反应层的宽度确定该第二临界尺寸。
实例11.如实例8至10之一所述的方法，其进一步包括在将该第二部分暴露于该第二UV辐射之前将第二掩模插入该第二UV辐射的光学路径中。
实例12.如实例8所述的方法，其中在将该第二部分暴露于该第二UV辐射之后将该树脂沉积在该光致抗蚀剂层上方，其中暴露该第二部分包括通过转化该第二部分的一部分来形成暴露于该第二UV辐射的第三部分，剩余的第二部分形成不暴露于该第二UV辐射的第四部分。
实例13.如实例12所述的方法，其中该第三部分覆盖该第四部分的侧壁。
实例14.如实例12至13之一所述的方法，其中使该光致抗蚀剂层显影包括去除该树脂的顶部部分以暴露该第三部分，以及去除该第三部分。
实例15.如实例8至14之一所述的方法，其进一步包括使用该亚分辨率特征作为反间隔物来进行图案转移蚀刻。
实例16.一种光刻工具，其包括：腔室的尺寸和配置被设置为接收晶圆用于处理；晶圆保持器用于保持200mm晶圆；第一紫外光(UV)辐射源，其配置成发射具有365nm的第一波长的第一UV辐射，该第一UV辐射源被配置成基于该第一UV辐射形成具有第一临界尺寸的第一特征，该第一临界尺寸大于第一光学分辨率极限；第二UV辐射源，其配置成发射具有第二波长的第二UV辐射，该第二UV辐射源被配置成基于该第二UV辐射形成具有第二临界尺寸的第二特征，该第二临界尺寸大于第二光学分辨率极限；其中光刻工具包括通过第一掩模用第一UV辐射暴露在晶圆上方形成的光致抗蚀剂层的指令，该第一掩模被配置成以第一临界尺寸形成第一特征，该光致抗蚀剂层包括暴露于第一UV辐射的第一部分和未暴露于第一UV辐射的第二部分；以及将该第二部分暴露于该第二UV辐射以限定具有小于该第一光学分辨率极限的临界尺寸的亚分辨率特征。
实例17.如实例16所述的光刻工具，其进一步包括图像投影系统，该图像投影系统被配置成将该第二部分暴露于该第二UV辐射。
实例18.如实例16或17之一所述的光刻工具，其中该图像投影系统包括数字光处理(DLP)装置或光栅光阀(GLV)装置。
实例19.如实例16至18之一所述的光刻工具，其中该图像投影系统被配置成通过改变该第二UV辐射的光强度或光频率以在空间上控制该第二UV辐射。
实例20.如实例16至19之一所述的光刻工具，其中该亚分辨率特征的临界尺寸小于该第二光学分辨率极限。
实例21.如实例16至20之一所述的光刻工具，其进一步包括在将该第二部分暴露于该第二UV辐射之前插入第二掩模的指令。
尽管已参照说明性实施例描述了本发明，但此描述并非旨在以限制性意义来解释。参考描述，说明性实施例以及本发明的其他实施例的各种修改和组合对于本领域技术人员将是明显的。因此，所附权利要求旨在涵盖任何这样的修改或实施例。

Claims (21)

1.一种形成亚分辨率特征的方法，该方法包括：
通过掩模将形成在衬底上方的光致抗蚀剂层暴露于具有365nm或更长的第一波长的第一紫外光(UV)辐射，该掩模被配置成以第一临界尺寸形成特征，该光致抗蚀剂层包含暴露于该第一UV辐射的第一部分和在用该第一UV辐射暴露之后未暴露于该第一UV辐射的第二部分；
将该第一部分和该第二部分暴露于第二UV辐射；以及
在将该光致抗蚀剂层暴露于该第二UV辐射之后使该光致抗蚀剂层显影以形成具有小于该第一临界尺寸的第二临界尺寸的亚分辨率特征。
2.如权利要求1所述的方法，其进一步包括间隔物图案化，该间隔物图案化包括：
在该亚分辨率特征上方沉积间隔物材料的层；
进行间隔物回蚀刻以去除该间隔物材料的横向部分；
进行拉蚀刻以去除该亚分辨率特征并且形成间隔物图案；以及
使用该间隔物图案作为蚀刻掩模来进行图案转移蚀刻。
3.如权利要求1所述的方法，其进一步包括，在显影之前，通过热处理该衬底来进行暴露后烘烤。
4.如权利要求1所述的方法，其进一步包括选择用于将该第一部分和该第二部分暴露于该第二UV辐射的条件，以形成具有小于该特征的第一高度的高度的亚分辨率特征。
5.如权利要求1所述的方法，其进一步包括选择将该第一部分和该第二部分暴露于该第二UV辐射的条件，以形成具有在200nm与360nm之间的宽度、在20nm与900nm之间的高度、或在3与100之间的高宽比的该亚分辨率特征。
6.如权利要求1所述的方法，其中，将该第一部分和该第二部分暴露于该第二UV辐射使用具有可独立寻址的投影点的阵列的基于像素的投影系统来进行。
7.如权利要求1所述的方法，其中，该第一波长是365nm并且该第二波长是266nm。
8.一种形成亚分辨率特征的方法，该方法包括：
通过第一掩模将形成在衬底上方的光致抗蚀剂层暴露于具有365nm或更长的第一波长的第一紫外光(UV)辐射，该第一掩模被配置成以第一临界尺寸形成特征，该光致抗蚀剂层包含暴露于该第一UV辐射的第一部分和在用该第一UV辐射暴露之后未暴露于该第一UV辐射的第二部分；
在将该光致抗蚀剂层暴露于该第一UV辐射之后使该光致抗蚀剂层显影以去除该第一部分；
在该光致抗蚀剂层上方沉积树脂；以及
将该第二部分暴露于具有第二波长的第二UV辐射；
在将该光致抗蚀剂层暴露于该第二UV辐射之后使该光致抗蚀剂层显影以形成具有小于该第一临界尺寸的第二临界尺寸的亚分辨率特征，该亚分辨率特征包括在该光致抗蚀剂层与该树脂之间的沟槽。
9.如权利要求8所述的方法，其中，将该第二部分暴露于该第二UV辐射之前沉积该树脂，该第二UV辐射引发光化学反应，在该第二部分内产生酸，该酸横向扩散到该树脂中以在该树脂的侧壁上形成酸反应层。
10.如权利要求9所述的方法，其中，在将该光致抗蚀剂层暴露于该第二UV辐射之后使该光致抗蚀剂层显影去除该酸反应层，并且其中该酸反应层的宽度确定该第二临界尺寸。
11.如权利要求9所述的方法，其进一步包括，在将该第二部分暴露于该第二UV辐射之前将第二掩模插入该第二UV辐射的光学路径中。
12.如权利要求8所述的方法，其中，在将该第二部分暴露于该第二UV辐射之后将该树脂沉积在该光致抗蚀剂层上方，其中暴露该第二部分包括通过转化该第二部分的一部分来形成暴露于该第二UV辐射的第三部分，剩余的第二部分形成不暴露于该第二UV辐射的第四部分。
13.如权利要求12所述的方法，其中，该第三部分覆盖该第四部分的侧壁。
14.如权利要求12所述的方法，其中，使该光致抗蚀剂层显影包括去除该树脂的顶部部分以暴露该第三部分，以及去除该第三部分。
15.如权利要求8所述的方法，进一步包括使用该亚分辨率特征作为反间隔物来进行图案转移蚀刻。
16.一种光刻工具，其包括：
腔室的尺寸和配置被设置为接收晶圆用于处理；
晶圆保持器用于保持200mm晶圆；
第一紫外光(UV)辐射源，其配置成发射具有365nm的第一波长的第一UV辐射，该第一UV辐射源被配置成基于该第一UV辐射形成具有第一临界尺寸的第一特征，该第一临界尺寸大于第一光学分辨率极限；
第二UV辐射源，其配置成发射具有第二波长的第二UV辐射，该第二UV辐射源被配置成基于该第二UV辐射形成具有第二临界尺寸的第二特征，该第二临界尺寸大于第二光学分辨率极限；
其中该光刻工具包括以下指令：
通过第一掩模用该第一UV辐射暴露在该晶圆上方形成的光致抗蚀剂层，该第一掩模被配置成以该第一临界尺寸形成该第一特征，该光致抗蚀剂层包含暴露于该第一UV辐射的第一部分和未暴露于该第一UV辐射的第二部分；以及
将该第二部分暴露于该第二UV辐射以限定具有小于该第一光学分辨率极限的临界尺寸的亚分辨率特征。
17.如权利要求16所述的光刻工具，其进一步包括图像投影系统，该图像投影系统被配置成将该第二部分暴露于该第二UV辐射。
18.如权利要求17所述的光刻工具，其中，该图像投影系统包括数字光处理(DLP)装置或光栅光阀(GLV)装置。
19.如权利要求17所述的光刻工具，其中，该图像投影系统被配置成通过改变该第二UV辐射的光强度或光频率以在空间上控制该第二UV辐射。
20.如权利要求16所述的光刻工具，其中，该亚分辨率特征的临界尺寸小于该第二光学分辨率极限。
21.如权利要求16所述的光刻工具，其进一步包括在将该第二部分暴露于该第二UV辐射之前插入第二掩模的指令。
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