TW202013058A - 半導體裝置的製造方法 - Google Patents

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傑斯明 哈克
湯姆 鍾
忠健 滕
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台灣積體電路製造股份有限公司
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Abstract

藉由使用兩個交替相移遮罩和一個曝光後烘烤，將光阻膜圖案化成具有改善的臨界尺寸均勻性且沒有相位邊緣的島狀物陣列。使用具有線寬/間距（L/S）圖案的第一交替相移遮罩將光阻層曝光，其中穿過不透明線的每一側上的交替透光區的光是180°相移的。此後，以具有線寬/間距圖案的第二交替相移遮罩進行第二曝光，第二曝光中的不透明線與第一曝光中的不透明線的縱向尺寸正交對齊，並且具有交替的0°和180°透光區。然後，使用曝光後烘烤和隨後的顯影製程來形成島狀物陣列。雙重曝光方法能夠實現比傳統微影更小的島狀物，並且使用相對簡單的交替相移遮罩設計，此設計在製造中比其他光學增強技術更容易實現。

Description

半導體裝置的製造方法
本發明實施例係關於一種改善包括島狀物陣列的光阻圖案的臨界尺寸均勻性的方法，且特別關於將光阻膜曝光的順序，其利用具有平行不透明水平線的第一交替相移遮罩（alternating phase shift mask，AltPSM），其中平行不透明水平線被交替透光（clear）0°和180°相區隔開，然後利用具有平行不透明垂直線的第二交替相移遮罩曝光，其中平行不透明垂直線具有透光交替0°和180°相區，最後進行曝光後烘烤並將光阻膜顯影以形成大致上圓形或橢圓形的島狀物，這些島狀物隨後藉由蝕刻製程穿過下方膜層的堆疊轉移，藉此形成例如用於半導體或硬磁碟驅動機（hard disk drive，HDD）應用的磁穿隧接面（magnetic tunnel junctions，MTJs）的裝置。
半導體和硬磁碟驅動機應用中的記憶體裝置的製造需要使用微影製程來定義基底中的圖案。利用穿過具有不透明和透明區的遮罩（光罩（reticle））的輻射將基底上的光阻層圖案化曝光。在將曝光的光阻層顯影以在光阻層中形成圖案之後，將圖案蝕刻轉移至基底中。常見的遮罩是二元遮罩，其由不透明材料（例如鉻）上覆透明基底（通常為石英）組成。來自例如248奈米（nm）或193 nm準分子雷射（excimer laser）光源的光穿過遮罩上未被鉻阻擋的區域，並在光阻層上呈現空間影像（aerial image）。包括複數個透鏡的光學縮減系統（optical reduction system）用於在照射於光阻表面上的空間影像中將遮罩圖案的尺寸以例如5：1倍的因子縮減。空間影像具有高密度和低密度（暗區域），高密度對應於穿過透明遮罩區的光，低密度中光被不透明區阻擋，藉此在光阻中產生「曝光」和「未曝光」區。少量輻射確實到達「未曝光」區，特別是由於繞射光而到達「曝光」區的邊界處。此條件限制了在光阻膜中形成或分辨的最小部件尺寸。由於需要持續縮減部件尺寸以在每單位面積上構建較高密度的裝置，已經開發了許多增強分辨率技術。
可以在光阻膜中印刷的最小部件尺寸定義為R =kλ/NA，其中R是最小分辨率，k是微影製程的常數，λ是曝光波長，NA是曝光設備中投影光學（projection optics）的數值孔徑（numerical aperture）。在過去20年期間，經由改善的製程控制的較低的k、較低的λ和較高的NA的組合使得技術節點穩定地從180 nm減少到45 nm及以下。應注意的是，也可以藉由改良遮罩或微影製程來降低k，包含使用遞減型遮罩（attenuated masks）、離軸照明（off-axis illumination，OAI）、光學鄰近校正（optical proximity correction，OPC）及其他方法來改善空間影像中的亮區和暗區之間的對比度。第1圖描繪用於印刷島狀物陣列的傳統二元遮罩3，其中鉻區60被透光石英區61隔開。然而，由於空間影像中的對比度不佳，製程寬容度（process latitude）和分辨率受到限制，特別對於小於250 nm的光阻部件尺寸。節距（pitch）p定義為線寬（linewidth）s和鄰近空間v的總和。
商業光阻液通常由聚合物、澆鑄溶劑（casting solvent）和多種添加劑組成，其中添加劑包含塗覆於晶圓上且在加熱板上烘烤以大致上除去所有溶劑並留下光阻膜的光敏材料。光敏組件在暴露於光時發生反應並產生酸，其造成正型光阻中的去保護（deprotection）機制，去保護機制中聚合物變得可溶於顯影劑而未曝光區保持不溶，或引發負型光阻中的交聯機制，交聯機制中聚合物交聯以使得曝光區不溶於顯影劑而未曝光區可溶。
交替相移遮罩（AltPSM）背後的基礎概念是修改二元光罩，使交替透光區將造成光相移180°。由於原相光（regular phase light）的強度和反相光（reversed phase light）的強度在標稱（nominally）暗區域中相互抵消，因此相較於非相移（non-phase shifted）遮罩和遞減型相移遮罩，影像對比度得到改善。然而，交替相移遮罩存在許多問題。當佈局係由用於製造磁穿隧接面的島型部件組成時，來自180°異相（out of phase）的相鄰區域的光將破壞性干涉並導致相位邊緣（phase edges），相位邊緣是正型光阻中的島狀部件之間的不希望的連接。如第2圖所示，相位邊緣71通常顯示為在基底8上圖案化的光阻中的島狀物70之間的線性部分，基底8具有傳統交替相移遮罩。在此，相位邊緣垂直對齊（y軸方向），但也可以依據遮罩設計顯示為水平線性部分。
為了避免相位邊緣問題，一種方法是使用負型光阻。然而，負型光阻具有缺點，包含顯影期間膨脹、階梯覆蓋不佳、有毒的剝離劑需求以及對環境氧的敏感性。另一種可能的校正措施是在遮罩中引入碎的（grated）相移部件，例如0°到60°、60°到120°以及120°到180°。此方法需要在光罩製造中採用額外的步驟以及複雜的遮罩設計，而且不適用於非常緊（小）的節距。或者，可以使用第二遮罩將光阻曝光，使得在顯影製程中除去相位邊緣。此選項需要複雜的佈局設計，通常不實用。
現有的技術不能在製造環境中實現具有小於約300 nm的小節距，以及具有小於3 nm的可接受的臨界尺寸均勻性伴隨的合適製程寬裕度（process window）（曝光寬容度和聚焦深度（depth of focus））的具有交替相移遮罩的印刷島狀部件的解決方案。因此，需要新的微影製程以達到進一步實現依賴島狀物的半導體和磁記錄裝置所需的高密度圖案的進展，此島狀物隨後例如蝕刻轉移穿過下方膜層的堆疊以形成磁穿隧接面陣列。
本發明實施例的一個目的係提供一種方法，此方法包含使用交替相移遮罩技術來印刷島狀光阻圖案，此島狀光阻圖案具有小於100 nm的臨界尺寸且對於以磁穿隧接面為主的半導體和磁性裝置具有改善的臨界尺寸均勻性。
本發明實施例的第二目的係提供一種用於實現第一目的之方法，此方法是基於易於製造且適於製造環境的交替相移遮罩設計。
根據一實施例，藉由最初在形成於晶圓上的基底上沉積磁穿隧接面堆疊的膜層來實現這些目的，其中磁穿隧接面堆疊的膜層包括參考層、自由層以及在參考層與自由層之間的隧道位障（tunnel barrier）。參考層具有優選地在垂直於平面方向上的固定磁化，而自由層具有相對於參考層在平行和反平行方向之間自由旋轉的磁化。可以存在作為磁穿隧接面堆疊中的最底層的種子層（seed layer）以及作為最頂層的蓋層。底部抗反射塗層（bottom antireflective coating，BARC）或介電抗反射塗層（dielectric antireflective coating，DARC）沉積於蓋層上，並且在隨後的光阻圖案化步驟期間用於改善臨界尺寸均勻性。在進行曝光後烘烤與圖案顯影以形成行和列的島狀物陣列之前，在底部抗反射塗層/介電抗反射塗層上塗覆優選為正型的光阻層並將光阻層圖案化曝光兩次。
關鍵部件是光阻層先經由具有複數個不透明和交替透明（透光）區的第一交替相移遮罩進行圖案化曝光，每一區具有在垂直方向（即y軸方向）上對齊的線形。交替透光區使曝光期間的光相移180°。第一交替相移遮罩上的0°和180°透光區分別具有寬度w1和w2，而每個不透明區具有寬度w3。在一些實施例中，寬度w1等於寬度w2。此外，可以根據需要的節距改變寬度w3，即（w1+w3）或（w2+w3）。通常而言，藉由蝕刻遮罩前側上的鉻線之間的溝槽，交替透光區是180°異相。因此，對應於0°透光區的第一組溝槽具有進入石英遮罩的第一深度t1，而對應於180°透光區的第二組溝槽具有第二深度t2，其中第一深度t1不等於第二深度t2。在晶圓位於曝光設備中的晶圓平台（wafer stage）上的同時進行第一圖案曝光，曝光設備可以具有193 nm或248 nm準分子雷射光源或具有13.5 nm波長的極紫外光源。
此後，晶圓留在晶圓平台上，並經由具有複數個不透明和交替透明（透光）區的第二交替相移遮罩進行第二圖案化曝光，每一區具有在水平方向（即x軸方向）上對齊的線形，水平方向與垂直方向正交。再次地，交替透光區使曝光期間的光相移180°。第二交替相移遮罩上的0°和180°透光區分別具有寬度w4和w5，而每個不透明區具有寬度w6。在一些實施例中，寬度w4等於寬度w5。如果需要圓形島狀物，則寬度w1等於寬度w4。然而，如果要列印橢圓形島狀物，則寬度w1大於或小於寬度w4，這取決於所得的橢圓形中所需的長軸方向。第二交替相移遮罩中對應於0°透光區的第三組溝槽具有進入石英遮罩的第三深度t3，而對應於180°透光區的第四組溝槽具有第四深度t4，其中第三深度t3不等於第四深度t4。
在接下來的步驟中，將晶圓在加熱板上進行曝光後烘烤以驅動化學反應完成，這是由光阻層的曝光區中光產生酸（photogenerated acid）的釋放所引起。接著，以例如0.26 N四甲基氫氧化銨（tetramethylammonium hydroxide，TMAH）的鹼性水溶液將晶圓顯影以洗去曝光區，然後以去離子水沖洗（rinsed）並乾燥以在底部抗反射塗層/介電抗反射塗層頂表面上提供島狀物的圖案。
然後藉由複數個離子束蝕刻（ion beam etch，IBE）或反應性離子蝕刻（reactive ion etch，RIE）製程將光阻遮罩層中的島狀物圖案連續地穿過底部抗反射塗層/介電抗反射塗層和磁穿隧接面堆疊轉移以產生複數個島狀物（磁穿隧接面單元），每個島狀物都具有從蓋層頂表面延伸至基底的側壁。在離子束蝕刻或反應性離子蝕刻製程期間移除光阻和底部抗反射塗層/介電抗反射塗層。在一些實施例中，一或多個反應性離子蝕刻步驟可以與一或多個離子束蝕刻步驟一起用於島狀物的蝕刻轉移穿過底部抗反射塗層/介電抗反射塗層和穿過磁穿隧接面堆疊。在替代實施例中，磁穿隧接面堆疊以另一膜層堆層取代，前述另一膜層堆層被圖案化成具有島狀物的主動裝置。
本發明實施例是一種在基底上的正型光阻層中印刷島狀物陣列的方法，其具有包含兩個交替相移遮罩的製程以提供沒有相位邊緣的島狀物，並且相較於包含交替相移遮罩的現有微影方法改善了臨界尺寸。所得到的光阻圖案可以形成於磁穿隧接面膜層堆疊上，或形成於隨後圖案化成用於半導體或硬磁碟驅動機應用的裝置的其他膜層堆疊上。可以經由磁穿隧接面堆疊蝕刻轉移光阻圖案，以產生用於磁阻式隨機存取記憶體（magnetic random access memory，MRAM）或自旋轉移矩磁阻式隨機存取記憶體（spin transfer MRAM，STT-MRAM）應用的磁穿隧接面單元陣列。在圖式中，每一層佈局在（x，y）平面中，並且每一層的厚度在z軸方向上。
根據第3圖描繪的本發明實施例中的第一實施例，光阻層40塗覆於底部抗反射塗層或介電抗反射塗層39上，而底部抗反射塗層或介電抗反射塗層39形成於基底50上。基底設置於由矽或類似的材料形成的晶圓上，此晶圓通常具有6吋（6”）、8”或12”的直徑。當晶圓保持在晶圓夾盤（wafer chuck）上並在旋轉盤（spin bowl）中旋轉時，可以將光阻液塗佈到底部抗反射塗層或介電抗反射塗層/基底堆疊上。然後，將晶圓移動到另一工作站（station），此工作站可以是加熱板，其中進行所謂的施加後烘烤（post-apply bake，PAB）以從光阻層大致上移除所有澆鑄溶劑。接著，將晶圓移動到曝光設備並保持在例如晶圓平台的工件（未繪示）上。
一旦完成第一交替相移遮罩對晶圓的已知對準製程，使用來自準分子雷射的光穿過第一交替相移遮罩1a將光阻層曝光，此準分子雷射包含但不限於曝光設備中的193 nm或248 nm準分子光源，或來自波長接近13.5 nm的極紫外光（extreme ultraviolent，EUV）光源，並照射（impinges）第一交替相移遮罩後側10b1。在一些實施例中，如發明所屬技術領域中具有通常知識者所理解的，曝光可以發生在浸潤式微影系統（immersion lithography system）中。此外，可以在第一曝光之前，在光阻的頂表面上形成頂塗層（topcoat）（未繪示）作為保護措施，以防止水或空氣傳播的化學物質在曝光和影像顯影之間進入光阻。結果，由光產生酸引起的去保護機制沒有被破壞，並且能夠在曝光後烘烤期間繼續完成。頂塗層是水溶性的並且在光阻圖案的顯影期間被移除。
第一交替相移遮罩係由石英基底10和多個不透明部件11a形成，每個不透明部件11a具有寬度w3和厚度d，其形成在面向光阻膜（又稱為光阻層）40的第一交替相移遮罩的側面10s上。僅繪示出交替相移遮罩1a的一部分以簡化圖式。應理解的是，交替相移遮罩可以具有數百萬個由鉻或類似的材料形成的不透明部件（即線）。
在第一交替相移遮罩中的透光區在每個不透明部件11a的兩側上180°相移。透光區中的一個包括具有寬度w1和後側20b的溝槽20，以及在溝槽後側20b和遮罩後側10b1之間的寬度w1的石英基底10的一部分20c。第二透光區包括具有寬度w2和後側21b的溝槽21，以及在溝槽後側21b和遮罩後側10b1之間的寬度w2的石英基底的一部分21c。根據一實施例，寬度w1等於寬度w2。在一實施例中，第一透光區是0°透光區，其中溝槽20具有深度（又稱為第一深度）t1，且第二透光區是180°透光區，其中溝槽21具有深度（又稱為第二深度）t2，其中深度t2大於深度t1。然而，在替代實施例中，第一透光區可以是180°透光區，而第二透光區是0°透光區。在遮罩製造期間，藉由使用鉻部件（又稱為不透明部件）11a作為蝕刻遮罩蝕刻入交替相移遮罩（又稱為第一交替相移遮罩）1a來形成溝槽。在第一曝光期間，尺寸（又稱為寬度）w1、w2和w3在y軸方向上對準。
參照第4圖，繪示第一交替相移遮罩1a的上視示意圖。再次地，從實際的遮罩顯著減少線狀物的數量以簡化圖式。在例示性實施例中，不透明區（又稱為不透明部件）11a是線狀物，並且分別包括溝槽20、21的交替0°和180°透光區也是沿x軸方向具有縱向尺寸的線狀物。雖然繪示出不透明區的寬度w3大於透光區的寬度w1和w2，但是在替代實施例中，寬度w3可以等於或小於寬度w1和w2。鉻線和透光區（間距）形成具有節距（w1+w3）或（w2+w3）的重複線寬/間距（line/space，L/S）圖案。舉例來說，在寬度w1等於寬度w2等於寬度w3的一實施例中，線寬和間距形成1：1線寬/間距圖案。應理解的是，照射在第3圖中的光阻層40上的空間影像中的光（未繪示）具有1：1線寬/間距圖案，但藉由光學縮減因子N縮減線寬/間距圖案，此光學縮減因子N是大於1的整數，舉例來說，例如5或10。因此，對於N為5的5：1光學縮減系統，光阻層中未曝光區的寬度會是1/5×w3，且曝光區的寬度會是1/5×w1（和1/5 w2）。
參照第5圖，在本發明實施例的第二曝光步驟期間，基底50和晶圓（未繪示）繼續保持在與第3圖中使用的相同曝光設備中相同的晶圓平台上。在這種情況下，移除第一交替相移遮罩並在前述從第3圖曝光的光阻層上方對齊第二交替相移遮罩1b。在第二曝光期間，第二交替相移遮罩上的鉻線11b與第一曝光中鉻線11a的位置正交對齊。此後，以光2進行第二曝光。
第二交替相移遮罩1b由石英基底10和不透明部件11b形成，每個不透明部件11b具有寬度w6和厚度d，其形成於第二交替相移遮罩面向光阻膜40的側面10s上。在第二交替相移遮罩中的透光區在每個不透明部件11b的兩側上180°相移。透光區中的一個包括具有寬度w4和後側31b的溝槽30，以及在溝槽後側30b和遮罩後側10b2之間的寬度w4的石英基底10的一部分30c。第二透光區包括具有寬度w5的溝槽31和後側31b，以及在溝槽後側31b和遮罩後側10b2之間的寬度w5的石英基底的一部分31c。根據一實施例，寬度w4等於寬度w5。在一實施例中，第一透光區是0°透光區，其中溝槽30具有深度（又稱為第三深度）t3，且第二透光區是180°透光區，其中溝槽31具有深度（又稱為第四深度）t4，其中深度t4大於深度t3。然而，在替代實施例中，第一透光區可以是180°透光區，而第二透光區是0°透光區。在遮罩製造期間，藉由使用鉻部件11b作為蝕刻遮罩蝕刻入交替相移遮罩（又稱為第二交替相移遮罩）1b中來形成溝槽。尺寸（又稱為寬度）w4、w5和w6在第二曝光期間沿x軸方向排列。
第6圖描繪在第二曝光期間從光阻表面40t的視角看第二交替相移遮罩1b的一部分的示意圖。在例示性實施例中，不透明區11b是線狀物，並且分別包括溝槽30、31的交替0°和180°透光區也是沿y軸方向具有縱向尺寸的線狀物。雖然繪示出不透明區的寬度w6大於透光區的寬度w4和w5，但是在替代實施例中，寬度w6可以等於或小於寬度w4和w5。鉻線和透光區（間距）具有節距為（w4+w6）或（w5+w6）的重複線寬/間距（L/S）圖案。藉由光學縮減因子N縮減第二交替相移遮罩中的線寬/間距圖案，此光學縮減因子N是大於1的整數，在照射光阻的空間影像中例如為5或10。因此，對於5：1光學縮減系統，光阻層中未曝光區的寬度會是1/5×w6，而曝光區的寬度會是1/5×w4（和1/5 w5）。
在第二曝光之後，將具有基底50和在上方的光阻層40的晶圓移動到加熱板，其中在90℃至150℃的溫度下以1至2分鐘進行曝光後烘烤（post exposure bake，PEB），但取決於光阻組成，其他曝光後烘烤的溫度和時間可以是合適的。應注意的是，曝光設備優選地連接到晶圓軌道（track），其中晶圓從一個工作站移動到另一工作站以完成特定步驟。因此，光阻塗層、施加後烘烤（PAB）、曝光後烘烤步驟優選地在分別連接到晶圓軌道的獨立工作站完成。此外，至少有一個顯影工作站連接到晶圓軌道。顯影工作站通常包含旋轉盤內的晶圓夾盤。在曝光後烘烤步驟之後，將晶圓移動到顯影工作站，在旋轉晶圓的同時將水性鹼溶液塗佈到光阻膜上。在經過一定量的時間之後，將去離子水溶液塗佈到光阻上，同時晶圓繼續在旋轉盤中旋轉。最後，在停止塗佈水之後旋轉晶圓數秒，以在光阻層中留下圖案，此圖案現在具有大致上乾燥的表面。
第7圖是在顯影工作站處的影像顯影步驟之後的光阻層的上視示意圖。所得到的光阻島狀物40i中的每一個在x軸方向上具有寬度w6’，且在y軸方向上具有長度w3’，其中寬度w6’在第二交替相移遮罩中接近1/N×w6，且其中長度w3’在第一交替相移遮罩中接近1/N×w3。根據長度w3’等於寬度w6’的一實施例，當大致上等量的曝光劑量用於第一和第二圖案曝光時，形成大致上圓形的島狀物40i。在長度w3’不等於寬度w6’的其他實施例中，產生橢圓形，其中長軸在x軸方向上（寬度w6’大於長度w3’），或其中長軸在y軸方向上（當長度w3’大於寬度w6’時）。本發明實施例還包含一實施例，其中第一和第二曝光的相對劑量可以是用於調節島狀物的另一技術。舉例來說，當長度w3’等於寬度w6’時，第一圖案化曝光可以包括與第二圖案化曝光不同的劑量，藉此在隨後的曝光後烘烤和顯影步驟之後產生橢圓形。因此，如果第一圖案化曝光使用的劑量高於第二圖案化曝光，則相對於x軸方向，光阻在y軸方向上有效地「過度曝光」，這表示所得到的光阻島狀物會具有長度w3’小於寬度w6’。在顯影步驟之後，島狀物之間的開口露出底部抗反射塗層或介電抗反射塗層39。
參照第8圖，在第7圖中的平面44-44處截取光阻島狀物40i和下方的膜層堆疊的剖面示意圖。僅繪示一個島狀物以提供放大示意圖。每個光阻島狀物40i在y軸方向上具有側壁40s和長度w3’。在此實施例中，基底50可以是磁穿隧接面堆疊的膜層，舉例來說，其具有形成於底電極5上的最底部種子層51。在種子層上依序形成參考層52、隧道位障53、自由層54、磁非等向性（Hk）增強層55和蓋層（硬遮罩）56。然而，本發明實施例不限於第8圖所示的底部自旋閥（spin valve）配置，且可以在磁穿隧接面堆疊50中使用其他磁穿隧接面配置。磁穿隧接面層的組成可以在相關的美國專利公告號8,865,008中找到，在此不再描述。在替代實施例中，磁穿隧接面堆疊50可以用一或多層膜層取代，所述一或多層膜層隨後使用島狀物40i作為蝕刻遮罩來圖案化以形成半導體或硬磁碟驅動機應用中的裝置。
在第9圖中，在進行第一蝕刻的同時，第7～8圖中的光阻島狀物40i作為蝕刻遮罩，第一蝕刻可以是離子束蝕刻（IBE）或反應性離子蝕刻（RIE），以將形狀（又稱為島狀物）40i轉移穿過底部抗反射塗層或介電抗反射塗層39，藉此產生底部抗反射塗層/介電抗反射塗層側壁39s，其與側壁40s共面。
此後，在第10圖中，進行一或多個離子束蝕刻或反應性離子蝕刻步驟，或離子束蝕刻和反應性離子蝕刻步驟的組合，以將具有長度w3’和寬度w6’的島狀物轉移穿過磁穿隧接面堆疊（又稱為基底）50並停止在底電極的頂表面5t上，藉此產生磁穿隧接面單元50a。磁穿隧接面單元50a與複數個其他磁穿隧接面單元同時形成，但僅描繪一個單元以簡化圖式。通常而言，在磁穿隧接面蝕刻期間蝕刻掉光阻島狀物40i和底部抗反射塗層/介電抗反射塗層39以留下側壁80，並且磁穿隧接面硬遮罩56上的頂表面56t的長度大致上等於w3’和寬度w6’。取決於磁穿隧接面蝕刻製程的性質，磁穿隧接面側壁角度α可以從70°至90°。
參照第11圖，藉由物理氣相沉積（physical vapor deposition，PVD）方法或類似的方法沉積封裝層75，其可以包含具有厚度d1的第一子層75a和具有厚度d2的第二子層75b，以填充磁穿隧接面單元50a與未繪示的相鄰磁穿隧接面單元之間的開口。根據例示性實施例，第一子層順應性地（conformally）沉積於底電極頂表面5t上和磁穿隧接面側壁80上。例如化學機械研磨（chemical mechanical polish，CMP）製程的平坦化方法用於形成磁穿隧接面硬遮罩頂表面56t，其與封裝層的頂表面75t共平面。此後，使用的一系列傳統步驟以在磁穿隧接面單元50a和封裝層上形成頂電極和上方的膜層（未繪示），以完成磁阻式隨機存取記憶體或自旋轉移矩磁阻式隨機存取記憶體裝置的製造。
相較於二元和遞減型相移遮罩，在此揭示的微影次序包含兩個交替相移遮罩，能夠實現島狀部件的較小分辨率限制和改善的臨界尺寸均勻性。另外，相較於現有交替相移遮罩技術中使用的較複雜的設計，此交替相移遮罩製造簡化以避免相位邊緣問題。此外，兩個交替相移遮罩上的線寬/間距設計比現有製造流程容易製造，現有製造流程使用第一交替相移遮罩以形成島狀物，然後需要具有複雜設計的第二交替相移遮罩來清除相位邊緣。雖然負型光阻的曝光經由交替相移遮罩在概念上避免了相位邊緣問題，但此技術引入了目前沒有合適解決方案的新問題。由於不需要新的設備或材料，因此可以在現有的產線中容易地實施本發明實施例的製程順序。
根據一些實施例，半導體裝置的製造方法包含：(a)提供正型的光阻層於基底上；(b)經由第一交替相移遮罩進行光阻層的第一圖案化曝光，此第一交替相移遮罩包含第一組平行不透明線，此第一組平行不透明線各自具有第三寬度且在第一透明基底上相對於光阻層沿著第一方向對齊，其中第一組平行不透明線各自具有第一透光區和第二透光區，第一透光區在第一組平行不透明線的一側具有第一寬度，第二透光區在第一組平行不透明線的第二側具有第二寬度，使得在第一圖案化曝光期間穿過第一和第二透光區的光相移180°，且第一和第二透光區在第一透明基底上交替；(c)在第一圖案化曝光之後，經由第二交替相移遮罩進行光阻層的第二圖案化曝光而不移除基底，其中第二交替相移遮罩包含第二組平行不透明線，第二組平行不透明線沿著第二方向對齊，第二方向與第一方向正交，且第二組平行不透明線形成於第二透明基底上，且其中第二組平行不透明線各自具有第六寬度且具有第三透光區和第四透光區，第三透光區在第二組平行不透明線的一側具有第四寬度，第四透光區在第二組平行不透明線的第二側具有第五寬度，使得穿過第三和第四透光區的光相移180°，且第三和第四透光區在第二透明基底上交替；(d)在第二圖案化曝光之後，對基底進行光阻層的曝光後烘烤製程；以及(e)對基底上的光阻層施加顯影液以移除複數個第一和第二圖案化曝光區，且藉此形成島狀物陣列，此島狀物陣列係光阻層的未曝光區。
在一些實施例中，第一和第二圖案化曝光以包含193 nm或248 nm準分子雷射或包含具有曝光波長約13.5 nm的極紫外光源的曝光設備完成。
在一些實施例中，第一和第二圖案化曝光包含浸潤式微影技術。
在一些實施例中，第一和第二透光區各自包含複數個第一和第二溝槽於透明基底中，且其中第一溝槽具有第一厚度且第二溝槽具有第二厚度，其中第二厚度不等於第一厚度。
在一些實施例中，第三寬度等於第六寬度，使得複數個圓形島狀物形成於光阻層中，或第三寬度不等於第六寬度，使得複數個橢圓形島狀物形成於光阻層中。
在一些實施例中，第三寬度等於第六寬度，且相對於對第一和第二圖案化曝光的一個應用的曝光劑量，對第一和第二圖案化曝光的另一個應用較高曝光劑量，藉此在曝光後烘烤和顯影液的應用之後形成橢圓形島狀物。
在一些實施例中，基底具有底部抗反射塗層或介電抗反射塗層作為最頂層。
在一些實施例中，此方法更包含在第一圖案化曝光的進行之前，在光阻層上形成頂塗層。
在一些實施例中，第一寬度等於第二寬度，且第四寬度等於第五寬度。
在一些實施例中，所述島狀物各自具有在第一方向的橫向尺寸以及在第二方向的縱向尺寸，其中橫向尺寸為1/N×第三寬度，且縱向尺寸為1/N×第六寬度，其中N係大於1的整數的光學縮減因子。
在一些實施例中，第一和第二組不透明線係由鉻形成，且第一和第二透明基底係石英材料。
根據一些實施例，半導體裝置的製造方法包含：(a)提供磁穿隧接面堆疊於基底上以及底部抗反射塗層或介電抗反射塗層於磁穿隧堆疊的頂表面上；(b)在底部抗反射塗層或介電抗反射塗層上塗佈正型的光阻層；(c) 經由第一交替相移遮罩進行光阻層的第一圖案化曝光，此第一交替相移遮罩包含第一組平行不透明線，此第一組平行不透明線各自具有第三寬度且在第一透明基底上相對於光阻層沿著第一方向對齊，其中第一組平行不透明線各自具有第一透光區和第二透光區，第一透光區在第一組平行不透明線的一側具有第一寬度，第二透光區在第一組平行不透明線的第二側具有第二寬度，使得在第一圖案化曝光期間穿過第一和第二透光區的光相移180°，且第一和第二透光區在第一透明基底上交替；(d)在第一圖案化曝光之後，經由第二交替相移遮罩進行光阻層的第二圖案化曝光而不移除基底，其中第二交替相移遮罩包含第二組平行不透明線，此第二組平行不透明線沿著第二方向對齊，第二方向與第一方向正交，且第二組平行不透明線形成於第二透明基底上，且其中第二組平行不透明線各自具有第六寬度且具有第三透光區和第四透光區，第三透光區在第二組平行不透明線的一側具有第四寬度，第四透光區在第二組平行不透明線的第二側具有第五寬度，使得穿過第三和第四透光區的光相移180°，且第三和第四透光區在第二透明基底上交替；(e)在第二圖案化曝光之後，對基底進行光阻層的曝光後烘烤製程；(f)對基底上的光阻層施加顯影液以移除複數個第一和第二圖案化曝光區，且藉此形成島狀物陣列於光阻層的未曝光區中；以及(g)以複數個蝕刻步驟經由底部抗反射塗層或介電抗反射塗層且接著經由磁穿隧接面堆疊的膜層轉移島狀物。
在一些實施例中，第一和第二圖案化曝光以包含193 nm或248 nm準分子雷射或包含具有曝光波長約13.5 nm的極紫外光源的曝光設備完成。
在一些實施例中，第一和第二圖案化曝光包含浸潤式微影技術。
在一些實施例中，第一和第二透光區各自包含複數個第一和第二溝槽於透明基底中，且其中第一溝槽具有第一厚度且第二溝槽具有第二厚度，其中第二厚度不等於第一厚度。
在一些實施例中，用於第一圖案化曝光的曝光劑量大致上等於用於第二圖案化曝光的曝光劑量，且第三寬度等於第六寬度，使得複數個圓形島狀物形成於光阻層中，或第三寬度不等於第六寬度，使得複數個橢圓形島狀物形成於光阻層中。
在一些實施例中，基底係磁性隨機存取記憶體或自旋轉移磁性隨機存取記憶體的底電極。
在一些實施例中，此方法更包含在第一圖案化曝光的進行之前，在光阻層上形成頂塗層。
在一些實施例中，第一寬度等於第二寬度，且第四寬度等於第五寬度。
在一些實施例中，所述島狀物各自具有在第一方向的橫向尺寸以及在第二方向的縱向尺寸，其中橫向尺寸為1/N×第三寬度，且縱向尺寸為1/N×第六寬度，且其中N係大於1的整數的光學縮減因子。
在一些實施例中，第一和第二組不透明線係由鉻形成，且第一和第二透明基底係石英材料。
雖然已經參考優選實施例具體繪示和描述本發明實施例，但是發明所屬技術領域中具有通常知識者應理解的是，在不脫離本發明實施例的精神和範圍的情況下，可以在形式和細節上進行各種改變。
1a:第一交替相移遮罩 1b:第二交替相移遮罩 2:光 3:傳統二元遮罩 5:底電極 5t、56t、75t:頂表面 8:基底 10:石英基底 10b1、10b2、20b、21b、30b、31b:後側 10s:側面 11a、11b:不透明部件 20、21、30、31:溝槽 20c、21c、30c、31c:部分 39:底部抗反射塗層或介電抗反射塗層 39s、40s、80:側壁 40:光阻層 40i、70:島狀物 40t:光阻表面 44-44:平面 50:基底（磁穿隧接面堆疊） 50a:磁穿隧接面單元 51:種子層 52:參考層 53:隧道位障 54:自由層 55:磁非等向性增強層 56:蓋層（硬遮罩） 60:鉻區 61:透光石英區 71:相位邊緣 75:封裝層 75a:第一子層 75b:第二子層 d、d1、d2:厚度 p:節距 s:線寬 t1:第一深度 t2:第二深度 t3:第三深度 t4:第四深度 v:鄰近空間 w1、w2、w3、w4、w5、w6、w6’:寬度 w3’:長度 α:角度
第1圖是用於在光阻層中印刷複數個島狀部件的傳統遮罩設計的上視示意圖。 第2圖是根據傳統方法使用單一交替相移遮罩（AltPSM）在光阻層中印刷的島狀物陣列的上視示意圖，其具有在島狀物之間產生相位邊緣的不希望的結果。 第3圖是根據本發明實施例中的一實施例的第一交替相移遮罩的剖面示意圖，以及第4圖是根據本發明實施例中的一實施例的第一交替相移遮罩的上視示意圖，其中遮罩上的交替透光區使光相移180°並且是在不透明線的每一側上形成有寬度w1和w2的線狀物（溝槽）。 第5圖是本發明實施例的第二交替相移遮罩的剖面示意圖，第6圖是本發明實施例的第二交替相移遮罩的上視示意圖，其中遮罩上的交替0°和180°透光區是線狀物，其與第一交替相移遮罩中的線狀物具有正交取向，並且在不透明線的每一側上形成寬度w3和w4。 第7圖是根據本發明實施例中的一實施例之在光阻層中印刷的島狀物陣列的上視示意圖，其作為分別經由第一和第二交替相移遮罩進行第一和第二圖案化曝光，然後進行曝光後烘烤和顯影的結果。 第8圖是第7圖中的光阻島狀物之一的剖面示意圖，其形成在底部抗反射塗層或介電抗反射塗層頂表面上，並且在磁穿隧接面堆層膜層之上。 第9圖是在蝕刻步驟之後的第8圖的中間結構的剖面示意圖，此蝕刻步驟係用於轉移島狀物穿過底部抗反射塗層/介電抗反射塗層。 第10圖是在進行包括複數個離子束蝕刻及/或反應性離子蝕刻步驟的蝕刻製程以經由磁穿隧接面膜層堆疊轉移第9圖中的島狀圖案以形成具有側壁的磁穿隧接面單元之後的剖面示意圖。 第11圖是在沉積封裝層於第10圖中的磁穿隧接面單元以將磁穿隧接面單元與相鄰的島狀物陣列中的磁穿隧接面單元電性隔離之後的剖面示意圖。
5:底電極
5t、56t、75t:頂表面
50a:磁穿隧接面單元
51:種子層
52:參考層
53:隧道位障
54:自由層
55:磁非等向性增強層
56:蓋層(硬遮罩)
75:封裝層
75a:第一子層
75b:第二子層
80:側壁
d1、d2:厚度

Claims (1)

  1. 一種半導體裝置的製造方法，包括： (a)提供一正型的光阻層於一基底上； (b)經由一第一交替相移遮罩進行該光阻層的一第一圖案化曝光，該第一交替相移遮罩包括一第一組平行不透明線，該第一組平行不透明線各自具有一第三寬度且在一第一透明基底上相對於該光阻層沿著一第一方向對齊，其中該第一組平行不透明線各自具有一第一透光區和一第二透光區，該第一透光區在該第一組平行不透明線的一側具有一第一寬度，該第二透光區在該第一組平行不透明線的一第二側具有一第二寬度，使得在該第一圖案化曝光期間穿過該第一和第二透光區的光相移180°，且該第一和第二透光區在該第一透明基底上交替； (c)在該第一圖案化曝光之後，經由一第二交替相移遮罩進行該光阻層的一第二圖案化曝光而不移除該基底，其中該第二交替相移遮罩包括一第二組平行不透明線，該第二組平行不透明線沿著一第二方向對齊，該第二方向與該第一方向正交，且該第二組平行不透明線形成於一第二透明基底上，且其中該第二組平行不透明線各自具有一第六寬度且具有一第三透光區和一第四透光區，該第三透光區在該第二組平行不透明線的一側具有一第四寬度，該第四透光區在該第二組平行不透明線的一第二側具有一第五寬度，使得穿過該第三和第四透光區的光相移180°，且該第三和第四透光區在該第二透明基底上交替； (d)在該第二圖案化曝光之後，對該基底進行該光阻層的一曝光後烘烤製程；以及 (e)對該基底上的光阻層施加一顯影液以移除複數個第一和第二圖案化曝光區，且藉此形成一島狀物陣列，該島狀物陣列係該光阻層的未曝光區。
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