TWI690996B

TWI690996B - 圖案化的方法

Info

Publication number: TWI690996B
Application number: TW108136242A
Authority: TW
Inventors: 王怡靜; 鄭諭濰; 黃文良; 陳建豪; 王長茂; 尤春祺
Original assignee: 聯華電子股份有限公司
Priority date: 2019-10-07
Filing date: 2019-10-07
Publication date: 2020-04-11
Also published as: TW202115790A

Abstract

一圖案化的方法。首先，形成一底部抗反射塗層於一基底上。接著，形成一光阻層以及一嵌段共聚物層由下而上堆疊於底部抗反射塗層上。接續，將光阻層的部分曝光，因而轉化為親水部分，且嵌段共聚物層轉化為預親水部分以及預疏水部分，其中預親水部分至少覆蓋光阻層的親水部分。之後，進行一退火製程，以將嵌段共聚物層的預親水部分以及預疏水部分轉化為交錯排列的親水部分以及疏水部分。而後，移除嵌段共聚物層的親水部分以及光阻層的親水部分。然後，以嵌段共聚物層以及光阻層的剩下部分作為遮罩，圖案化基底，以形成鰭狀結構於基底中。

Description

圖案化的方法

本發明係關於一種圖案化的方法，且特別係關於一種應用嵌段共聚物層圖案化的方法。

隨著半導體元件尺寸的縮小，維持小尺寸半導體元件的效能是目前業界的主要目標。為了提高半導體元件的效能，目前已逐漸發展出各種多閘極場效電晶體元件（multi-gate MOSFET）。多閘極場效電晶體元件包含以下幾項優點。首先，多閘極場效電晶體元件的製程能與傳統的邏輯元件製程整合，因此具有相當的製程相容性；其次，由於立體結構增加了閘極與基底的接觸面積，因此可增加閘極對於通道區域電荷的控制，從而降低小尺寸元件帶來的汲極引發的能帶降低(Drain Induced Barrier Lowering，DIBL)效應以及短通道效應(short channel effect)；此外，由於同樣長度的閘極具有更大的通道寬度，因此亦可增加源極與汲極間之電流量。

更進一步而言，多閘極場效電晶體元件係為將電晶體形成於鰭狀結構上，而鰭狀結構則形成於基底上。鰭狀結構一般為蝕刻基底所形成之互相平行的條狀結構，在尺寸微縮的要求下，各鰭狀結構之寬度漸窄且各鰭狀結構之間的間距縮小，並且在各種製程參數限制以及物理極限之考量下，如何能形成符合尺寸微縮要求的鰭狀結構已為現今半導體產業之一大課題。

本發明提出一圖案化的方法，其應用嵌段共聚物層縮小所形成之各圖案之間的間距並簡化製程。

本發明提供一圖案化的方法，包含下述步驟。首先，形成一底部抗反射塗層於一基底上。接著，形成一光阻層以及一嵌段共聚物層由下而上堆疊於底部抗反射塗層上。接續，將光阻層的部分曝光，因而光阻層的此些部分轉化為親水部分，且嵌段共聚物層轉化為預親水部分以及預疏水部分，其中此些預親水部分至少覆蓋光阻層的親水部分。之後，進行一退火製程，以將嵌段共聚物層的預親水部分以及預疏水部分轉化為交錯排列的親水部分以及疏水部分。而後，移除嵌段共聚物層的親水部分以及光阻層的親水部分。然後，以嵌段共聚物層以及光阻層的剩下部分作為遮罩，圖案化基底，以形成鰭狀結構於基底中。

基於上述，本發明提出一圖案化的方法，其先形成一底部抗反射塗層於一基底上；形成一光阻層以及一嵌段共聚物層由下而上堆疊於底部抗反射塗層上；光阻層的部分曝光，將曝光部分轉化為親水部分，且嵌段共聚物層因光阻層的曝光部分而轉化為預親水部分以及預疏水部分；進行一退火製程，將嵌段共聚物層的預親水部分以及預疏水部分轉化為交錯排列的親水部分以及疏水部分；移除嵌段共聚物層的親水部分以及光阻層的親水部分；以嵌段共聚物層以及光阻層的剩下部分作為遮罩，圖案化基底而形成鰭狀結構於基底中。如此一來，本發明則可藉由嵌段共聚物層圖案化基底，而縮小所形成的鰭狀結構間距，並同時簡化製程。

第1-5圖繪示本發明較佳實施例中圖案化的方法的剖面示意圖。如第1圖所示，提供一基底110。基底110例如是一矽基底、一含矽基底（例如SiC）、一三五族基底（例如GaN）、一三五族覆矽基底(例如GaN-on-silicon)、一石墨烯覆矽基底(graphene-on-silicon )、一矽覆絕緣(silicon-on-insulator，SOI)基底或一含磊晶層之基底等半導體基底。在本實施例中，先選擇性依序由下而上堆疊一氮化矽層120、一氧化層130(例如氧化矽)以及一非晶矽層140於基底110上，但本發明不以此為限。在其他實施例中，也可選擇性依序形成其他複數層於基底110上。接著，形成一底部抗反射塗層150於非晶矽層140上。底部抗反射塗層150可例如為一含矽硬遮罩底部抗反射塗層(silicon-containing hard mask bottom anti-reflection coating, SHB）或一有機介電層(organic dielectric layer, ODL)等。

形成一光阻層160以及一嵌段共聚物 (block copolymer) 層170由下而上堆疊於底部抗反射塗層150上。在一實施例中，光阻層160以及嵌段共聚物層170可由一塗佈製程或多次塗佈製程分別形成，但本發明不以此為限。在一較佳的實施例中，光阻層160以及嵌段共聚物層170由單一塗佈製程形成。由於底部抗反射塗層150為疏水性材質，光阻層160也為疏水性材質，但嵌段共聚物層170為親水性材質，因而當光阻層160以及嵌段共聚物層170由單一塗佈製程塗佈於底部抗反射塗層150上時，光阻層160以及嵌段共聚物層170會由下而上堆疊於底部抗反射塗層150上。

嵌段共聚物可由兩種或兩種以上聚合物單體共同聚合而成，依嵌段的數量而異可為雙嵌段共聚物(di-block copolymer)、三嵌段共聚物(tri-block copolymer)、或多嵌段共聚物(multi-block copolymer)等。舉例而言，PS-b-PMMA係指聚苯乙烯(polystyrene)嵌段與聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate))嵌段之共聚物。藉由選擇嵌段共聚物的單體、鍵結基團、鍊長、分子量等，可適當調整嵌段共聚物的性質。例如，本發明一實施例中，可使雙嵌段共聚物中之一嵌段含有光敏性親水基團，一旦照光，光敏性親水基會斷鍵並轉變為疏水基，藉此改變嵌段共聚物的性質。

將第1圖的光阻層160的部分曝光形成光酸，因而光阻層160的部分轉化為親水部分162，並形成一光阻層160a，如第1-2圖所示。嵌段共聚物層170也會因為光阻層160a的親水部分162，而將嵌段共聚物層170轉化為一嵌段共聚物層170a，其中嵌段共聚物層170a具有複數個預親水部分172以及複數個預疏水部分174。因材料特性，預親水部分172會依據光阻層160a的親水部分162排列於其上方，因而預親水部分172至少覆蓋光阻層160a的親水部分162。

進行一退火製程Q1，以將第2圖的嵌段共聚物層170a的預親水部分172以及預疏水部分174轉化為交錯排列的親水部分172a以及疏水部分174a，而形成一嵌段共聚物層170b，如第2-3圖所示。退火製程Q1的製程溫度較佳為50℃-60℃，以活化第2圖的嵌段共聚物層170a，將預親水部分172以及預疏水部分174轉化為交錯排列的親水部分172a以及疏水部分174a，但不影響下方光阻層160a等材料層。在另一較佳的實施例中，在進行退火製程Q1時通入一溶劑，以活化並轉化第2圖的嵌段共聚物層170a。此時退火製程Q1的製程溫度可低於50℃-60℃。例如，在進行退火製程Q1時通入甲苯，且退火製程Q1的製程溫度為30℃-40℃，即可活化並轉化第2圖的嵌段共聚物層170a。

親水部分172a至少覆蓋光阻層160a的親水部分162，且親水部分172a以及疏水部分174a的數量由嵌段共聚物層170b材質中的鍊長調整。此鍊長會直接影響各親水部分172a的間距，而親水部分172a的間距會決定後續向下蝕刻基底110形成的鰭狀結構間距。本發明以調整嵌段共聚物層170b的鍊長，並在後續製程中以嵌段共聚物層170b的部分作為遮罩蝕刻基底110形成鰭狀結構的方法，可縮小鰭狀結構的間距且簡化製程。

在本實施例中，嵌段共聚物層170b的親水部分172a規律排列，且光阻層160a的親水部分162規律排列，俾在後續製程中形成規律排列的鰭狀結構，但本發明不以此為限，視實際欲形成之圖案而定。在一較佳的實施例中，嵌段共聚物層170b的親水部分172a的間距p1為光阻層160a的親水部分162的間距p2的一半，以形成密集排列的鰭狀結構，但本發明不限於此。

之後，移除嵌段共聚物層170b的親水部分172a以及光阻層160a的親水部分162，而剩下一光阻層160b以及一嵌段共聚物層170c，如第3-4圖所示。較佳者，以顯影Q2的方法移除嵌段共聚物層170b的親水部分172a以及光阻層160a的親水部分162，但本發明不限於此。而後，進行一烘烤製程Q3，固化光阻層160a。烘烤製程Q3的製程溫度較佳為90℃-100℃，但本發明不以此為限。

以剩下的光阻層160b以及嵌段共聚物層170c作為遮罩，圖案化基底110，以形成鰭狀結構112於基底110中，如第4-5圖所示。詳細而言，可依序以嵌段共聚物層170c、光阻層160b、底部抗反射塗層150、非晶矽層140、氧化層130以及氮化矽層120作為遮罩，逐步蝕刻底部抗反射塗層150、非晶矽層140、氧化層130、氮化矽層120以及基底110如此將圖案轉移至基底110，而形成鰭狀結構112。最後可僅剩由下而上堆疊的一氮化矽層120a以及一氧化層130a於鰭狀結構112以及基底110上。隨即，移除氧化層130a以及氮化矽層120a。之後，再進行閘極（未繪示）跨設於鰭狀結構112以及基底110上等後續製程。

綜上所述，本發明提出一圖案化的方法，其先形成一底部抗反射塗層於一基底上；形成一光阻層以及一嵌段共聚物層由下而上堆疊於底部抗反射塗層上；光阻層的部分曝光，將曝光部分轉化為親水部分，且嵌段共聚物層因光阻層的曝光部分而轉化為預親水部分以及預疏水部分；進行一退火製程，將嵌段共聚物層的預親水部分以及預疏水部分轉化為交錯排列的親水部分以及疏水部分；移除嵌段共聚物層的親水部分以及光阻層的親水部分；以嵌段共聚物層以及光阻層的剩下部分作為遮罩，圖案化基底而形成鰭狀結構於基底中。如此一來，本發明則可藉由嵌段共聚物層圖案化基底，而縮小所形成的鰭狀結構間距，並同時簡化製程。

較佳者，光阻層以及嵌段共聚物層由單一塗佈製程形成。由於底部抗反射塗層及光阻層皆為疏水性材質，且嵌段共聚物層為親水性材質，因而當光阻層以及嵌段共聚物層由單一塗佈製程形成，即可自行分離而下而上堆疊於底部抗反射塗層上。再者，嵌段共聚物層的親水部分的間距由嵌段共聚物層的鍊長調整，以決定向下蝕刻所形成的鰭狀結構間距。以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

110:基底 112:鰭狀結構 120、120a:氮化矽層 130、130a:氧化層 140:非晶矽層 150:底部抗反射塗層 160、160a、160b:光阻層 162、172a:親水部分 170、170a、170b、170c:嵌段共聚物層 172:預親水部分 174:預疏水部分 174a:疏水部分 p1、p2:間距 Q1:退火製程 Q2:顯影 Q3:烘烤製程

第1圖繪示本發明較佳實施例中圖案化的方法的剖面示意圖。第2圖繪示本發明較佳實施例中圖案化的方法的剖面示意圖。第3圖繪示本發明較佳實施例中圖案化的方法的剖面示意圖。第4圖繪示本發明較佳實施例中圖案化的方法的剖面示意圖。第5圖繪示本發明較佳實施例中圖案化的方法的剖面示意圖。

110:基底

120:氮化矽層

130:氧化層

140:非晶矽層

150:底部抗反射塗層

160a:光阻層

162、172a:親水部分

170b:嵌段共聚物層

174a:疏水部分

p1、p2:間距

Q1:退火製程

Claims

一圖案化的方法，包含：形成一底部抗反射塗層於一基底上；形成一光阻層以及一嵌段共聚物層由下而上堆疊於該底部抗反射塗層上；將該光阻層的部分曝光，因而該光阻層的該些部分轉化為親水部分，且該嵌段共聚物層轉化為預親水部分以及預疏水部分，其中該些預親水部分至少覆蓋該光阻層的該些親水部分；進行一退火製程，以將該嵌段共聚物層的該些預親水部分以及該些預疏水部分轉化為交錯排列的親水部分以及疏水部分；移除該嵌段共聚物層的該些親水部分以及該光阻層的該些親水部分；以及以該嵌段共聚物層以及該光阻層的剩下部分作為遮罩，圖案化該基底，以形成鰭狀結構於該基底中。
如申請專利範圍第1項所述之圖案化的方法，其中該光阻層以及該嵌段共聚物層由多次塗佈製程形成。
如申請專利範圍第1項所述之圖案化的方法，其中該光阻層以及該嵌段共聚物層由單一塗佈製程形成。
如申請專利範圍第1項所述之圖案化的方法，更包含：依序形成複數層於該底部抗反射塗層以及該基底之間。
如申請專利範圍第4項所述之圖案化的方法，其中該些層由下而上包含堆疊的一氮化矽層、一氧化層以及一非晶矽層。
如申請專利範圍第1項所述之圖案化的方法，其中該退火製程的製程溫度為50℃-60℃。
如申請專利範圍第1項所述之圖案化的方法，其中在進行該退火製程時通入一溶劑。
如申請專利範圍第7項所述之圖案化的方法，其中該退火製程的製程溫度為30℃-40℃。
如申請專利範圍第7項所述之圖案化的方法，其中該溶劑包含甲苯。
如申請專利範圍第1項所述之圖案化的方法，其中該嵌段共聚物層的該些親水部分以及該些疏水部分的數量由該嵌段共聚物層的鍊長調整。
如申請專利範圍第10項所述之圖案化的方法，其中該嵌段共聚物層的該些親水部分規律排列，且該光阻層的該些親水部分規律排列。
如申請專利範圍第11項所述之圖案化的方法，其中該嵌段共聚物層的該些親水部分的間距為該光阻層的該些親水部分的間距的一半。
如申請專利範圍第1項所述之圖案化的方法，其中該嵌段共聚物層的該些親水部分以及該光阻層的該些親水部分以顯影的方法移除。
如申請專利範圍第13項所述之圖案化的方法，在顯影之後，更包含：進行一烘烤製程。
如申請專利範圍第14項所述之圖案化的方法，其中該烘烤製程的製程溫度為90℃-100℃。