精細(xì)線條制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種精細(xì)線條制備方法，包括：在襯底上形成結(jié)構(gòu)材料層和硬掩模層；在硬掩模層上形成電子束光刻膠，執(zhí)行電子束曝光形成電子束光刻膠圖形；以電子束光刻膠圖形為掩模，刻蝕形成硬掩模圖形；以硬掩模圖形為掩模，刻蝕結(jié)構(gòu)材料層，形成所需要的精細(xì)線條。依照本發(fā)明的方法，采用材質(zhì)不同的多層硬掩模層并且合理調(diào)整刻蝕反應(yīng)條件，防止了電子束光刻膠側(cè)壁粗糙度傳遞到下層的結(jié)構(gòu)材料層，有效降低了線條的粗糙度，提高了工藝的穩(wěn)定性，降低了器件性能的波動變化。
【專利說明】精細(xì)線條制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路制造領(lǐng)域，更具體地，涉及一種電子束光刻以及精細(xì)線條制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著超大規(guī)模集成電路特征尺寸逐漸縮小，在半導(dǎo)體器件的制造方法中，進(jìn)入22nm技術(shù)代后，普通的光學(xué)曝光的技術(shù)極限也已經(jīng)到來。目前，45nm工藝節(jié)點之后，普遍采用il93nm浸入式光刻技術(shù)結(jié)合雙曝光雙刻蝕技術(shù)以制備更小的線條。22nm以下節(jié)點的精細(xì)圖形通常需要采用電子束或EUV進(jìn)行曝光和光刻。
[0003]關(guān)于EUV光刻技術(shù)，目前還處于研發(fā)階段，尚有若干關(guān)鍵技術(shù)需要攻克及改進(jìn)，還無法應(yīng)用于大規(guī)模集成電路制造當(dāng)中。相比之下，電子束曝光技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，比較成熟，并且電子束曝光具有很高的精度，分辨率可以達(dá)到幾個納米，寫出超精細(xì)圖形的線條來，但效率較低，因而掃描精度和掃描效率的矛盾成為電子束光刻的主要矛盾。解決這個問題的關(guān)鍵技術(shù)就是解決電子束光刻系統(tǒng)和目前生產(chǎn)效率較高的光學(xué)光刻系統(tǒng)的匹配和混合光刻技術(shù)問題。一種可行的辦法是大部分工藝由投影光刻機曝光或接觸式曝光，超精細(xì)圖形和套刻精度要求特別高的圖形層采用電子束直寫曝光。
[0004]另一方面，采用傳統(tǒng)光學(xué)曝光技術(shù)制備例如多晶硅柵電極的精細(xì)線條是復(fù)雜的，為了獲得22nm級的線條往往需要多層硬掩模,還可能結(jié)合trimming (微縮)工藝(對PR或者對硬掩模)，增加了工藝復(fù)雜度。因此，如何能高效、低成本地制備精細(xì)線條，成為目前業(yè)界研究的熱點之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于獨立于光刻膠之外，結(jié)合一種新的硬掩模技術(shù)，采用一步刻蝕技術(shù)，大大降低了工藝復(fù)雜性。
[0006]實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，是通過提供一種精細(xì)線條制備方法，包括:在襯底上形成結(jié)構(gòu)材料層和硬掩模層；在硬掩模層上形成電子束光刻膠，執(zhí)行電子束曝光形成電子束光刻膠圖形；以電子束光刻膠圖形為掩模，刻蝕形成硬掩模圖形；以硬掩模圖形為掩模，刻蝕結(jié)構(gòu)材料層，形成所需要的精細(xì)線條。
[0007]其中，硬掩模層包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅及其組合。
[0008]其中，硬掩模層為氧化娃一氮化娃一氧化娃的疊層結(jié)構(gòu)。
[0009]其中，硬掩模層和/或結(jié)構(gòu)材料層的刻蝕采用等離子體干法刻蝕技術(shù)。
[0010]其中，采用碳氟基氣體刻蝕硬掩模層，碳氟基氣體包括CF4、CHF3> CH3F, CH2F2及其組合。
[0011]其中，刻蝕結(jié)構(gòu)材料層時，先執(zhí)行Cl2、HBr的主刻蝕，然后執(zhí)行HBr與O2的過刻蝕。
[0012]其中，在主刻蝕步驟增加輔助性的刻蝕氣體，輔助性的刻蝕氣體包括CHF3、CH3F,CH2F2及其組合。[0013]其中，刻蝕硬掩模和/或結(jié)構(gòu)材料層之后還包括干法去膠和/或濕法腐蝕清洗。
[0014]其中，結(jié)構(gòu)材料層為假柵電極層、金屬柵電極層、局部互連層中的一種。
[0015]依照本發(fā)明的方法，采用材質(zhì)不同的多層硬掩模層并且合理調(diào)整刻蝕反應(yīng)條件，防止了電子束光刻膠側(cè)壁粗糙度傳遞到下層的結(jié)構(gòu)材料層，有效降低了線條的粗糙度，提高了工藝的穩(wěn)定性，降低了器件性能的波動變化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]以下參照附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案，其中:
[0017]圖1為電子束光刻版圖的示意圖；
[0018]圖2至圖5為依照本發(fā)明的方法各步驟的剖面示意圖；以及
[0019]圖6為依照本發(fā)明的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0020]以下參照附圖并結(jié)合示意性的實施例來詳細(xì)說明本發(fā)明技術(shù)方案的特征及其技術(shù)效果。需要指出的是，類似的附圖標(biāo)記表示類似的結(jié)構(gòu)，本申請中所用的術(shù)語“第一”、“第二”、“上”、“下”、“厚”、“薄”等等可用于修飾各種器件結(jié)構(gòu)。這些修飾除非特別說明并非暗示所修飾器件結(jié)構(gòu)的空間、次序或?qū)蛹夑P(guān)系。
[0021]參考附圖1，顯示了電子束光刻版圖的示意圖，用于小線寬圖形，如柵電極層、局部互連層等。在本發(fā)明中，精細(xì)圖形FP被定義為超出了普通光學(xué)曝光的能力范圍，需要采用電子束曝光的圖形，可以制備`圖形尺寸小于22nm以下節(jié)點的線條。
[0022]參考圖2，提供襯底1，在襯底I上依次形成結(jié)構(gòu)材料層(由柵極絕緣層2、柵極導(dǎo)電層3構(gòu)成)、以及硬掩膜層4，并涂覆光刻膠。襯底I依照器件用途需要而合理選擇，可包括單晶體硅(Si)、S01、單晶體鍺(Ge)、GeO1、應(yīng)變硅(Strained Si)、鍺硅(SiGe)，或是化合物半導(dǎo)體材料，例如氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、銻化銦(InSb)，以及碳基半導(dǎo)體例如石墨烯、SiC、碳納管等等。出于與CMOS工藝兼容的考慮，襯底I優(yōu)選地為體Si或者SOI。在襯底I上通過LPCVD、PECVD、HDPCVD、RTO、化學(xué)氧化、MBE、ALD等方法沉積形成柵極絕緣層2，其材質(zhì)可以是氧化硅、氮氧化硅、高k材料，其中高k材料包括但不限于鉿基氧化物(例如HfO2、HfSiON、HfLaON)、金屬氧化物(主要為副族和鑭系金屬元素氧化物，例如 Al2O3>Ta2O5,TiO2,ZnO,ZrO2,CeO2,Y2O3>La2O3)、鈣鈦礦相氧化物(例如 PbZrxTi1^xO3(PZT)、BaxSr1^xTiO3 (BST))。在柵極絕緣層 2 上通過 PECVD、HDPCVD, MOCVD, MBE、ALD、蒸發(fā)、濺射等沉積方法形成柵極導(dǎo)電層3。在前柵工藝中，柵極導(dǎo)電層3為摻雜多晶硅、金屬及其氮化物，其中所述金屬包括Al、Cu、T1、Ta、W、Mo及其組合。在后柵工藝中，柵極導(dǎo)電層3可以是假柵極，包括多晶硅、非晶硅、微晶硅、非晶碳、非晶鍺等及其組合。在柵極導(dǎo)電層3上通過LPCVD, PECVD, HDPCVD等方法沉積硬掩模層4，其可以是單層也可以是多層的層疊結(jié)構(gòu)，其材質(zhì)可以包括氧化娃、氮化娃、氮氧化娃及其組合。在本發(fā)明一個實施例中，硬掩模層4是ONO的多層結(jié)構(gòu)，也即包括氧化硅的底層、氮化硅的中層以及氧化硅的頂層(圖中并未顯示該ONO的分層結(jié)構(gòu))。
[0023]參考圖3，形成電子束光刻膠圖形。在硬掩膜層4上涂覆光刻膠5，為適應(yīng)于電子束直寫技術(shù)的光刻膠，例如PMMA、環(huán)氧618、C0P、7520、HSQ等等。柵極導(dǎo)電層3為要最終進(jìn)行圖形化的層。將柵極層3進(jìn)行拆分，提取出電子束直寫曝光的圖形FP，并制作相應(yīng)光刻版。具體地，采用對應(yīng)于圖1中圖形FP的鏤空金屬板，采用電子束直寫技術(shù)進(jìn)行曝光，在異丙酮等顯影液中顯影，最后得出例如在22nm節(jié)點或以下的超精細(xì)圖形，也即圖中所示的光刻膠圖形5P。
[0024]參照圖4，以光刻膠圖案5P為掩模，刻蝕硬掩模層4形成硬掩模圖案4P。優(yōu)選地，刻蝕停止在ONO結(jié)構(gòu)的硬掩模層4的氮化硅材質(zhì)的中層上，也即僅刻蝕去除了氧化硅材質(zhì)的頂層。優(yōu)選地，采用各向異性的刻蝕方法，例如等離子體刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕的干法刻蝕，以便得到垂直的線條?？涛g氣體可以是碳氟基氣體，并且還可以包括惰性氣體以及氧化性氣體以調(diào)節(jié)刻蝕速率。上述干法刻蝕設(shè)備可以是CCP或ICP或TCP設(shè)備。形成圖形后，借助干法和/或濕法去膠工藝去除光刻膠圖案5P。其中，根據(jù)采用的刻蝕氣體及其比例將形成不同的刻蝕形貌。如當(dāng)采用CF4這種聚合物較少的刻蝕氣體，將形成比較陡直的刻蝕形貌，但缺點是對光刻膠(PR)的選擇比較低，需要額外粗確地控制對PR的損失；當(dāng)采用0匕與CHF3、CH3F, CH2F2的組合時，能夠?qū)R獲得極高的選擇比，但是得到的形貌較為傾斜。
[0025]參照圖5，以硬掩模圖案4P為掩模，刻蝕結(jié)構(gòu)材料層3/2，形成由結(jié)構(gòu)材料層構(gòu)成的精細(xì)線條3P。具體地，采用等離子體刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕(RIE)等干法刻蝕技術(shù)，可以先執(zhí)行Cl2、HBr的主刻蝕，然后執(zhí)行HBr與O2的過刻蝕，亦可視應(yīng)用在主刻蝕步驟增加輔助性的刻蝕氣體，如可以增加CHF3、CH3F或者CH2F2形成更多聚合物，起到保護側(cè)壁的作用。其中，干法刻蝕設(shè)備可以是ICP、TCP、CCP設(shè)備。隨后，優(yōu)選地，采用干法刻蝕和/或濕法腐蝕工藝去除刻蝕過程中產(chǎn)生的聚合物及其顆粒，干法刻蝕例如采用氟基等離子體刻蝕，濕法腐蝕例如SPM (例如硫酸:雙氧水=4: I)/APM (例如氨水:雙氧水:去離子水=I: I: 5或者0.5:1: 5)濕法清洗。
[0026]以上以刻蝕柵極線條為例說明了本發(fā)明的一個實施例，然而實際上本發(fā)明的混合光刻方法可以應(yīng)用于各種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，層2和3可以是任何的結(jié)構(gòu)材料層，例如假柵極堆疊結(jié)構(gòu)、局部互連結(jié)構(gòu)、頂部焊墊結(jié)構(gòu)等等。
[0027]依照本發(fā)明的方法，采用材質(zhì)不同的多層硬掩模層并且合理調(diào)整刻蝕反應(yīng)條件，防止了電子束光刻膠側(cè)壁粗糙度傳遞到下層的結(jié)構(gòu)材料層，有效降低了線條的粗糙度，提高了工藝的穩(wěn)定性，降低了器件性能的波動變化。
[0028]盡管已參照一個或多個示例性實施例說明本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以知曉無需脫離本發(fā)明范圍而對形成器件結(jié)構(gòu)的方法做出各種合適的改變和等價方式。此外，由所公開的教導(dǎo)可做出許多可能適于特定情形或材料的修改而不脫離本發(fā)明范圍。因此，本發(fā)明的目的不在于限定在作為用于實現(xiàn)本發(fā)明的最佳實施方式而公開的特定實施例，而所公開的器件結(jié)構(gòu)及其制造方法將包括落入本發(fā)明范圍內(nèi)的所有實施例。
【權(quán)利要求】
1.一種精細(xì)線條制備方法，包括: 在襯底上形成結(jié)構(gòu)材料層和硬掩模層； 在硬掩模層上形成電子束光刻膠，執(zhí)行電子束曝光形成電子束光刻膠圖形； 以電子束光刻膠圖形為掩模，刻蝕形成硬掩模圖形； 以硬掩模圖形為掩模，刻蝕結(jié)構(gòu)材料層，形成所需要的精細(xì)線條。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，硬掩模層包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅及其組合。
3.如權(quán)利要求2所述的方法,其中,硬掩模層為氧化娃一氮化娃一氧化娃的疊層結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，硬掩模層和/或結(jié)構(gòu)材料層的刻蝕采用等離子體干法刻蝕技術(shù)。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，采用碳氟基氣體刻蝕硬掩模層，碳氟基氣體包括CF4, CHF3> CH3F, CH2F2 及其組合。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，刻蝕結(jié)構(gòu)材料層時，先執(zhí)行Cl2、HBr的主刻蝕，然后執(zhí)行HBr與O2的過刻蝕。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，在主刻蝕步驟增加輔助性的刻蝕氣體，輔助性的刻蝕氣體包括CHF3、CH3F, CH2F2及其組合。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，刻蝕硬掩模和/或結(jié)構(gòu)材料層之后還包括干法去膠和/或濕法腐蝕清洗。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，結(jié)構(gòu)材料層為假柵電極層、金屬柵電極層、局部互連層中的一種。
【文檔編號】H01L21/033GK103779190SQ201210395105
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2012年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月17日
【發(fā)明者】孟令款, 李春龍, 賀曉彬 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所