間隔層雙曝光刻蝕方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及半導體【技術(shù)領(lǐng)域】，公開了間隔層雙曝光刻蝕方法，在有機材料層、半導體基底進行刻蝕前，采用含CF4、Ar、Xe等易形成正離子氣體的刻蝕氣體對間隔層進行刻蝕，實現(xiàn)對間隔層形貌的修正，在減薄間隔層厚度的同時，將其形貌修正為對稱或近似對稱的結(jié)構(gòu)，從而避免間隔層引起的刻蝕速率不均勻以及過刻等問題。同時，通過刻對間隔層減薄，也在一定程度上減小了間隔層和有機材料層之間的應力，從而改善刻蝕結(jié)構(gòu)的線邊緣粗糙度，提高半導體基底的刻蝕質(zhì)量。
【專利說明】間隔層雙曝光刻蝕方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導體【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及間隔層雙曝光技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，半導體工藝節(jié)點逐漸進入65nm、45nm時代，并向 著更為先進的22nm以及16nm進發(fā)。然而，隨著半導體工藝節(jié)點的不斷向前推進，在半導體 器件制備前端工藝（FE0L)和后端工藝（BE0L)中的特征尺寸（Critical Dimension，CD)需 求變得越來越苛刻。其中，65nm工藝中的器件特征尺寸已開始大大小于主流平板印刷的尺 寸，在半導體器件制備過程中，越來越多特征尺寸小于65nm、甚至小于45nm、32nm的半導體 結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)，光刻開始成為半導體技術(shù)發(fā)展的瓶頸。
[0003] 為了解決該問題，國內(nèi)外學者及相關(guān)企業(yè)均在光刻技術(shù)上做了大量研究，包括浸 沒式、極紫外光刻等在內(nèi)的新一代光刻技術(shù)越來越多的出現(xiàn)在人們的視野中。然而，無論在 考慮目前工藝節(jié)點下的技術(shù)難題還是未來技術(shù)時，通常有一點是肯定的：當前的解決方案 在實在不能再用之前始終都是最好的。因此，對于半導體技術(shù)而言，盡可能的延長干法光刻 的使用時間，是業(yè)內(nèi)普遍期待并共同努力的目標。
[0004] 為了更好地解決新一代工藝節(jié)點中光刻所存在的瓶頸問題，短期內(nèi)32nm以下 節(jié)點半導體技術(shù)中，雙曝光技術(shù)成為最為可能的解決方案之一。雙曝光技術(shù)可應用于光 刻-刻蝕-光刻-刻蝕（1^七11〇-6^11-1^11〇-6^11，1^1^)的雙重圖形技術(shù)、光刻-光刻-刻 蝕（Litholitho-etch，LLE)的雙重圖形技術(shù)、自對準雙圖形化技術(shù)（Self-aligned double patterning, SADPP)、間隔層雙曝光技術(shù)（Spacer double patterning, SDP)等不同的制造 工藝。
[0005] 圖1為現(xiàn)有技術(shù)中間隔層雙曝光技術(shù)（Spacer double patterning, SDP)步驟流 程圖，圖2a?圖2f為現(xiàn)有技術(shù)中間隔層雙曝光技術(shù)各步驟剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0006] 如圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)中，間隔層雙曝光技術(shù)（Spacer double patterning, SDP) 流程包括：
[0007] 步驟1 :提供待刻蝕基底100,如圖2a所示，該待刻蝕基底100自上而下依次包括 光阻材料層105、硬掩膜層104、有機材料層103、待刻蝕介質(zhì)層102、半導體襯底101 ;
[0008] 步驟2 :對光阻材料層105曝光，形成圖形化窗口，如圖2b所示；
[0009] 步驟3 :CVD沉積間隔層材料并回刻，形成覆蓋圖形化的光阻材料105側(cè)壁的間隔 層106,如圖2c所示；
[0010] 步驟4 :去除光阻材料，形成如圖2d所示的結(jié)構(gòu)；
[0011] 步驟5 :如圖2e所示，以間隔層106為掩膜，刻蝕硬掩膜層104、有機材料層103至 暴露出待刻蝕介質(zhì)層102表面；
[0012] 步驟6 :刻蝕待刻蝕介質(zhì)層102至暴露出半導體襯底101表面，移除作為掩膜的間 隔層106、硬掩膜層104及有機材料層103,即得到如圖2f所示的刻蝕結(jié)構(gòu)。
[0013] 在該刻蝕過程中，如圖2d所示，由于進行CVD沉積的待刻蝕基底100表面具有圖 形化的光阻材料105,因此，回刻后所形成的、位于圖形化的光阻材料105旁側(cè)的間隔層106 遠離光阻材料105的一側(cè)邊緣161a并非垂直結(jié)構(gòu)，而與垂直方向呈一定夾角（一般為銳角， 或進一步小于45度角)，或頂部呈弧形，而與光阻材料層105相鄰接的一側(cè)邊緣161b則為垂 直結(jié)構(gòu)，即：作為刻蝕掩膜的間隔層106為明顯的非對稱結(jié)構(gòu)，因此，等離子體刻蝕過程中， 在間隔層106結(jié)構(gòu)不對稱性的影響下，間隔層106兩側(cè)具有不同的等離子化氣體分布和反 應過程中的聚合物分布，從而使間隔層106兩側(cè)的有機材料層103、待刻蝕介質(zhì)層102具有 不同的刻蝕速率，間隔層106垂直邊緣161b -側(cè)區(qū)域的刻蝕速率小于非垂直邊緣161a - 側(cè)區(qū)域的刻蝕速率，在有機材料層103、待刻蝕介質(zhì)層102實際刻蝕過程中分別出現(xiàn)如圖3、 圖4所示的中間過程，刻蝕結(jié)構(gòu)的均一性無法得到保障。同時，刻蝕速率的不均勻還會造成 在刻蝕完成時，不同刻蝕區(qū)域具有不同的過刻率，從而影響刻蝕邊緣的質(zhì)量。
[0014] 除此之外，如圖5所示，間隔層106和有機材料103之間的應力會造成半導體基底 101上待刻蝕區(qū)域110線邊緣的扭曲，從而影響刻蝕結(jié)構(gòu)線邊緣粗糙度。
[0015] 與普通大尺寸半導體器件相比，刻蝕結(jié)構(gòu)側(cè)壁及線邊緣質(zhì)量對于特征尺寸較小的 半導體結(jié)構(gòu)性能的影響更為顯著，如何在有效采用間隔層雙曝光技術(shù)實現(xiàn)小尺寸刻蝕工藝 的同時，進一步保障刻蝕質(zhì)量，改善刻蝕結(jié)構(gòu)的線邊緣粗糙度，成為新一代半導體工藝下制 備高質(zhì)量、小特征尺寸半導體結(jié)構(gòu)急需解決的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種間隔層雙曝光刻蝕方法，能夠在有效采 用間隔層雙曝光技術(shù)實現(xiàn)小尺寸刻蝕工藝的同時，避免由于間隔層形狀不對稱所引起的刻 蝕速率不均勻以及較為嚴重的的過刻率，進一步保障刻蝕質(zhì)量，改善刻蝕結(jié)構(gòu)的線邊緣粗 糙度。
[0017] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種間隔層雙曝光刻蝕方法，其步驟包括：
[0018] 提供半導體基底，所述半導體基底表面自下而上依次覆蓋有機材料層、硬掩膜層 和圖形化的光阻材料層，所述硬掩膜層具有一原始厚度Di ;
[0019] 沉積間隔層材料并進行回刻，形成覆蓋所述圖形化的光阻材料層側(cè)壁的間隔層， 所述間隔層包括與光阻材料層相鄰接的第一側(cè)壁和與之相對的第二側(cè)壁，所述第一側(cè)壁為 垂直結(jié)構(gòu)，第二側(cè)壁為弧狀輪廓或與垂直方向呈銳角的非垂直結(jié)構(gòu)；
[0020] 移除所述圖形化的光阻材料層；
[0021] 以所述間隔層為掩膜，刻蝕所述硬掩膜層；
[0022] 刻蝕所述間隔層至第一側(cè)壁部分或全部為弧狀輪廓或與垂直方向呈銳角的非垂 直結(jié)構(gòu)；
[0023] 刻蝕有機材料層至暴露出半導體基底表面；
[0024] 對半導體基底進行等離子體刻蝕。
[0025] 進一步地，所述間隔層刻蝕過程中，刻蝕氣體包括聚合物調(diào)整氣體，所述聚合物調(diào) 整氣體為CF 4、Ar、Xe中任意一種或幾種的混合氣體；進一步地，刻蝕氣體還包括碳氟化合物 氣體，所述碳氟化合物氣體為C 4F8、C4F6、CH2F 2、CH3F中任意一種或幾種的混合氣體。
[0026] 作為可選的技術(shù)方案，所述間隔層刻蝕過程中，刻蝕氣體總流量為lOOsccm? lOOOsccm ;進一步地，刻蝕氣體總流量為300sccm?500sccm。
[0027] 作為可選的技術(shù)方案，所述間隔層刻蝕過程中，等離子體刻蝕腔室的腔體壓力為 20mT?200mT ;進一步地，等離子體刻蝕腔室的腔體壓力為50mT?150mT。
[0028] 作為可選的技術(shù)方案，所述間隔層刻蝕過程中，射頻總功率為400W?1200W，其 中：源功率為300W?1000W，偏執(zhí)功率為100W?700W，所述間隔層刻蝕的時間為12s? 30s。
[0029] 作為可選的技術(shù)方案，所述碳氟化合物氣體為C4F8，所述碳氟化合物氣體和聚合物 調(diào)整氣體的氣體流量比為2:1?1:3。
[0030] 作為可選的技術(shù)方案，所述碳氟化合物氣體為C4F6、CH 2F2、CH3F中任意一種或幾種 的混合氣體，所述碳氟化合物氣體和聚合物調(diào)整氣體的氣體流量比為1:1?1:5。
[0031] 作為可選的技術(shù)方案，所述半導體基底進行等離子體刻蝕的介質(zhì)層為硅、鍺硅、 鍺、二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中任意一種或幾種的疊層結(jié)構(gòu)。
[0032] 作為可選的技術(shù)方案，刻蝕所述硬掩膜層的步驟中，刻蝕后的硬掩膜層厚度Di'不 超過其原始厚度Di的10%;進一步地，刻蝕所述硬掩膜層的步驟中，刻蝕至暴露出所述有機 材料層表面，即：刻蝕后的硬掩膜層厚度〇/ =0。
[0033] 作為可選的技術(shù)方案，所述間隔層刻蝕前，間隔層厚度為90nm?180nm ;所述間隔 層刻蝕后，間隔層厚度為50nm?90nm，且其第一側(cè)壁和第二側(cè)壁呈對稱結(jié)構(gòu)。
[0034] 本發(fā)明的優(yōu)點在于，所提供的間隔層雙曝光刻蝕方法中，在有機材料層、半導體基 底進行刻蝕前，采用含CF4、Ar、Xe等易形成正離子氣體的刻蝕氣體對間隔層進行刻蝕，實現(xiàn) 對間隔層形貌的修正。由于未刻蝕的間隔層第一側(cè)壁、第二側(cè)壁為非對稱結(jié)構(gòu)，CF4等聚合 物調(diào)整氣體的引入，將使較多的聚合物沉積在呈弧狀或非垂直結(jié)構(gòu)的第二側(cè)壁，而在垂直 的第一側(cè)壁聚合物沉積較少，在等離子體刻蝕過程中，由于聚合物的保護作用，第二側(cè)壁反 應速率很慢甚至停止，而第一側(cè)壁則具有較高的反應速率，隨著等離子體刻蝕的進行，在減 薄間隔層厚度的同時，對其形貌進行修正，第一側(cè)壁由垂直結(jié)構(gòu)逐漸被修正部分或全部為 弧狀輪廓或與垂直方向呈銳角的非垂直結(jié)構(gòu)，間隔層形狀呈對稱結(jié)構(gòu)，或近似對稱的結(jié)構(gòu)， 從而避免間隔層引起的刻蝕速率不均勻以及過刻等問題。同時，通過刻對間隔層減薄，也在 一定程度上減小了間隔層和有機材料層之間的應力，從而改善刻蝕結(jié)構(gòu)的線邊緣粗糙度， 提高半導體基底的刻蝕質(zhì)量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0035] 圖1為現(xiàn)有技術(shù)間隔層雙曝光技術(shù)步驟流程圖；
[0036] 圖2a?圖2f為現(xiàn)有技術(shù)間隔層雙曝光技術(shù)各步驟結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037] 圖3為現(xiàn)有技術(shù)間隔層雙曝光技術(shù)有機材料層刻蝕中間過程結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038] 圖4為現(xiàn)有技術(shù)間隔層雙曝光技術(shù)待刻蝕介質(zhì)層刻蝕中間過程結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039] 圖5為現(xiàn)有技術(shù)間隔層雙曝光技術(shù)刻蝕結(jié)構(gòu)線邊緣扭曲示意圖；
[0040] 圖6為本發(fā)明間隔層雙曝光刻蝕方法步驟流程圖；
[0041] 圖7為本發(fā)明【具體實施方式】半導體基底結(jié)構(gòu)示意圖；
[0042] 圖8為本發(fā)明【具體實施方式】半導體基底表面形成機材料層、硬掩膜層和圖形化光 阻材料層結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043] 圖9為本發(fā)明【具體實施方式】間隔層結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044] 圖10為本發(fā)明【具體實施方式】移除光阻材料層后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0045] 圖11a、圖lib為本發(fā)明兩個實施例硬掩膜層刻蝕結(jié)構(gòu)示意圖；
[0046] 圖12a?圖12g為本發(fā)明【具體實施方式】間隔層刻蝕結(jié)構(gòu)示意圖；
[0047] 圖13為本發(fā)明【具體實施方式】間隔層刻蝕后結(jié)構(gòu)示意圖；
[0048] 圖14為本發(fā)明【具體實施方式】刻蝕有機材料層結(jié)構(gòu)示意圖。
[0049] 圖15為本發(fā)明【具體實施方式】間隔層雙曝光刻蝕結(jié)構(gòu)線邊緣示意圖。

【具體實施方式】
[0050] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施 方式作進一步地詳細描述。
[0051] 本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功 效。本發(fā)明還可以通過另外不同的【具體實施方式】加以實施或應用，本說明書中的各項細節(jié) 也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。
[0052] 圖6為本發(fā)明提供的間隔層雙曝光刻蝕方法步驟流程圖。
[0053] 如圖6所示，本【具體實施方式】提供的間隔層雙曝光刻蝕方法包括以下步驟：
[0054] 步驟S1 :提供半導體基底700,所述半導體基底700表面自下而上依次覆蓋有機材 料層810、硬掩膜層820和圖形化的光阻材料層830。
[0055] 圖7為本【具體實施方式】提供的半導體基底結(jié)構(gòu)示意圖。
[0056] 作為可選的實施方式，如圖7a、圖7b所示，所述半導體基底700可以為原始或外延 的半導體材料晶圓710,如單晶硅/鍺硅/鍺或其他公知的III-V族半導體材料晶圓710a、 帶有絕緣埋層711的單晶硅/鍺硅/應變硅/鍺/或其他公知的III-V族半導體材料晶圓 710b (SOI/SGOI/sSOI/GOI晶圓）等，且所述原始或外延的半導體材料晶圓710表面或待刻 蝕區(qū)域還可以包括半導體摻雜的阱區(qū)或有源區(qū)。
[0057] 作為又一可選實施方式，所述半導體基底700可以包括形成于所述半導體材料晶 圓710表面的各種半導體結(jié)構(gòu)。作為一具體實施例，所述半導體基底700可以包括形成于 所述半導體材料晶圓710表面的介電層或介質(zhì)層720,如圖7c所不，該表面介質(zhì)層720可以 為用于形成多晶硅柵的柵氧化層720a和多晶硅柵層720b。此外，如圖7d、圖7e所示，所述 半導體基底700還可以包括形成于所述半導體材料晶圓710表面的半導體器件730等半導 體結(jié)構(gòu)，以及覆蓋材料晶圓710或半導體器件730表面的單層或多層的層間介質(zhì)層740,需 進行圖形化刻蝕的單層或多層層間介質(zhì)層740介質(zhì)材料可以為二氧化硅、氮氧化硅、氮化 硅等常見的層間介質(zhì)層材料。作為另一具體實施例，如圖7f所示，所述半導體基底700還 可以包括在半導體材料晶圓710表面形成溝槽并在溝槽內(nèi)填充介質(zhì)材料750形成的待刻蝕 結(jié)構(gòu)。
[0058] 圖8為本【具體實施方式】提供的半導體基底表面形成機材料層、硬掩膜層和圖形化 光阻材料層結(jié)構(gòu)示意圖。
[0059] 該步驟中，如圖8所示，半導體基底100表面覆蓋有有機材料層810,有機材料層 810介質(zhì)材料為無定形碳或光刻膠，作為最佳實施例，有機材料層810為無定形碳層，該無 定形碳層為化學氣相沉積碳膜，以spl、sp2、sp3鍵合狀態(tài)的碳構(gòu)成，使得該膜具有熱解碳、 石墨碳和類金剛石碳的混合物特性。無定形碳形成的有機材料層810為非光敏性材料，可 以通過等離子體刻蝕以高保真的重現(xiàn)半導體結(jié)構(gòu)表面覆蓋的圖形化掩膜上的圖形。較佳 的，該有機材料層810厚度為

【權(quán)利要求】
1. 一種間隔層雙曝光刻蝕方法，包括步驟： 提供半導體基底，所述半導體基底表面自下而上依次覆蓋有機材料層、硬掩膜層和圖 形化的光阻材料層，所述硬掩膜層具有一原始厚度； 沉積間隔層材料并進行回刻，形成覆蓋所述圖形化的光阻材料層側(cè)壁的間隔層，所述 間隔層包括與光阻材料層相鄰接的第一側(cè)壁和與之相對的第二側(cè)壁，所述第一側(cè)壁為垂直 結(jié)構(gòu)，第二側(cè)壁為弧狀輪廓或與垂直方向呈銳角的非垂直結(jié)構(gòu)； 移除所述圖形化的光阻材料層； 以所述間隔層為掩膜，刻蝕所述硬掩膜層； 刻蝕有機材料層至暴露出半導體基底表面； 對半導體基底進行等離子體刻蝕； 其特征在于： 且所述刻蝕硬掩膜層步驟之后、刻蝕有機材料層的步驟之前還包括步驟： 間隔層刻蝕，刻蝕所述間隔層至第一側(cè)壁部分或全部為弧狀輪廓或與垂直方向呈銳角 的非垂直結(jié)構(gòu)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的間隔層雙曝光刻蝕方法，其特征在于，所述間隔層刻蝕過程 中，刻蝕氣體包括聚合物調(diào)整氣體，所述聚合物調(diào)整氣體為CF 4、Ar、Xe中任意一種或幾種的 混合氣體。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的間隔層雙曝光刻蝕方法，其特征在于，所述間隔層刻蝕過程 中，等離子體刻蝕腔室的腔體壓力為20mT?200mT。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的間隔層雙曝光刻蝕方法，其特征在于，所述間隔層刻蝕過程 中，等離子體刻蝕腔室的腔體壓力為50mT?150mT。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的間隔層雙曝光刻蝕方法，其特征在于，所述間隔層刻蝕過程 中，射頻總功率為400W?1200W，其中：源功率為300W?1000W，偏執(zhí)功率為100W?700W。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的間隔層雙曝光刻蝕方法，其特征在于，所述間隔層刻蝕的時 間為12s?30s。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的間隔層雙曝光刻蝕方法，其特征在于，所述間隔層刻蝕過程 中，刻蝕氣體還包括碳氟化合物氣體，所述碳氟化合物氣體為C 4F8、C4F6、CH2F 2、CH3F中任意 一種或幾種的混合氣體。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的間隔層雙曝光刻蝕方法，其特征在于，所述間隔層刻蝕過程 中，刻蝕氣體總流量為lOOsccm?lOOOsccm。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的間隔層雙曝光刻蝕方法，其特征在于，所述間隔層刻蝕過程 中，刻蝕氣體總流量為300sccm?500sccm。
10. 根據(jù)權(quán)利要7所述的間隔層雙曝光刻蝕方法，其特征在于，所述碳氟化合物氣體為 C4F8，所述碳氟化合物氣體和聚合物調(diào)整氣體的氣體流量比為2:1?1:3。
11. 根據(jù)權(quán)利要7所述的間隔層雙曝光刻蝕方法，其特征在于，所述碳氟化合物氣體為 C4F6、CH2F2、CH3F中任意一種或幾種的混合氣體，所述碳氟化合物氣體和聚合物調(diào)整氣體的 氣體流量比為1:1?1:5。
12. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的間隔層雙曝光刻蝕方法，其特征在于，所述半導體基底進行 等離子體刻蝕的介質(zhì)層為硅、鍺硅、鍺、二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中任意一種或幾種的疊 層結(jié)構(gòu)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求2?12中任意一項所述的間隔層雙曝光刻蝕方法，其特征在于，間隔 層刻蝕后，所述間隔層第一側(cè)壁和第二側(cè)壁呈對稱結(jié)構(gòu)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的間隔層雙曝光刻蝕方法，其特征在于，刻蝕所述硬掩膜層 的步驟中，刻蝕后的硬掩膜層厚度不超過其原始厚度的10%。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的間隔層雙曝光刻蝕方法，其特征在于，刻蝕所述硬掩膜層 的步驟中，刻蝕至暴露出所述有機材料層表面，刻蝕后的硬掩膜層厚度=0。
16. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的間隔層雙曝光刻蝕方法，其特征在于，所述間隔層刻蝕前， 間隔層厚度為90nm?180nm ;所述間隔層刻蝕后，間隔層厚度為50nm?90nm。
【文檔編號】H01L21/311GK104299899SQ201310302894
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月18日
【發(fā)明者】王兆祥, 杜若昕 申請人:中微半導體設(shè)備(上海)有限公司