專利名稱：微細(xì)結(jié)構(gòu)的光刻方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件制造領(lǐng)域，特別是涉及一種微細(xì)結(jié)構(gòu)的混合光刻方法。
背景技術(shù)：
極大規(guī)模集成電路發(fā)展多年，電路尺寸的不斷縮小，對エ藝技木，尤其是光刻技術(shù)的挑戰(zhàn)也越來越大?；谛实目剂?，目前大規(guī)模生產(chǎn)所采用的光刻技術(shù)主要是基于不同光源范圍的紫外i線(I-LINE，水銀弧光燈作為光源，發(fā)出射線為波長為365nm的i線，處于紫外波段)和深紫外(DUV，通常采用準(zhǔn)分子激光器為光源，例如MSnm波長的KrF準(zhǔn)分子激光，193nm的ArF準(zhǔn)分子激光)的光刻技木，最近幾年開發(fā)的浸沒式193光刻技術(shù)更是將光學(xué)光刻技術(shù)推向了一新的水平。但是由于光學(xué)技術(shù)的局限，這類光刻技術(shù)在22nm及以上的典型電路尺寸器件的實(shí)現(xiàn)上有很大的優(yōu)越性，而對于22nm以下的技術(shù)代，由于光源波長已大于所需精細(xì)器件結(jié)構(gòu)的特征尺寸，在曝光期間會發(fā)生衍射使得分辨率下降、線條結(jié)構(gòu)變形，因此現(xiàn)有的光學(xué)光刻技術(shù)很難滿足微細(xì)圖形的制作要求。X射線光刻也是被考慮的精細(xì)光刻技術(shù)之一，其所用射線波長通常為2 40埃，因此衍射對于分辨率的影響只有當(dāng)線寬小于20埃時才明顯，也即X射線光刻適用于22nm以下的精細(xì)結(jié)構(gòu)光刻。但是同步加速器的小型化、提高X射線光刻膠靈敏度等問題制約了 X 射線光刻技術(shù)的發(fā)展。經(jīng)過了多年發(fā)展的電子束(E-BEAM)光刻技術(shù)在制作超細(xì)圖形方面的優(yōu)越性，使電子束光刻技術(shù)成為未來新光刻技術(shù)的最佳候選者之一。適用于大規(guī)模制造精細(xì)結(jié)構(gòu)的電子束光刻技術(shù)通常是高斯掃描系統(tǒng)，分辨率可達(dá)到幾納米，但是由于需要對精細(xì)線條結(jié)構(gòu) (例如22nm以下寬度的柵結(jié)構(gòu))以及非精細(xì)的結(jié)構(gòu)(例如面積較大的接觸區(qū)、源漏區(qū)或布局走線區(qū))都進(jìn)行掃描，其主要問題是效率低；目前正在開發(fā)的多束電子束曝光又存在數(shù)據(jù)量巨大的問題，短期內(nèi)難以用于大規(guī)模制造。有鑒于此，需要一種高效的光刻技木，避免在光刻期間將時間耗費(fèi)在非精細(xì)結(jié)構(gòu)上，以便大幅提高光刻效率、節(jié)省時間從而降低成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提高光刻效率。為此，本發(fā)明提供了一種微細(xì)結(jié)構(gòu)的光刻方法，包括在襯底上形成結(jié)構(gòu)材料層和第一硬掩模材料層；進(jìn)行第一光刻，形成第一硬掩模圖形；在第一硬掩模圖形上形成第二硬掩模材料層；進(jìn)行第二光刻，形成第二硬掩模圖形。其中，第一硬掩模材料層與第二硬掩模材料層材質(zhì)不同，選自氮化硅和ニ氧化硅兩者之一。第一硬掩模圖形和第二硬掩模圖形寬度不同。第一光刻和第二光刻的光源不同，選自i線水銀弧光燈和電子束曝光系統(tǒng)兩者之一。第二硬掩模材料層厚度大于第一硬掩模材料層厚度。依照本發(fā)明的微細(xì)結(jié)構(gòu)的光刻方法，將傳統(tǒng)光學(xué)光刻技術(shù)和電子束光刻技術(shù)結(jié)合起來使用，利用電子束曝光來實(shí)現(xiàn)微細(xì)圖形的制作，利用光學(xué)光刻來完成其他圖形，這樣可以既有效解決微細(xì)圖形的制作問題，又不損失效率。此發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是エ藝簡単，低成本，高光刻效率。本發(fā)明所述目的，以及在此未列出的其他目的，在本申請獨(dú)立權(quán)利要求的范圍內(nèi)得以滿足。本發(fā)明的實(shí)施例限定在獨(dú)立權(quán)利要求中，具體特征限定在其從屬權(quán)利要求中。


以下參照附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案，其中圖1為依照本發(fā)明的沉積柵材料層和第一掩模層的步驟剖面圖；圖2為依照本發(fā)明的形成常規(guī)柵結(jié)構(gòu)掩模的步驟剖面圖；圖3為依照本發(fā)明的沉積第二掩模層的步驟剖面圖；圖4為依照本發(fā)明的平坦化第二掩模層的步驟剖面圖；圖5為依照本發(fā)明的形成納米柵結(jié)構(gòu)掩模的步驟剖面圖；以及圖6為依照本發(fā)明的形成最終柵結(jié)構(gòu)的步驟剖面圖。圖形的符號說明1 襯底2結(jié)構(gòu)材料層21常規(guī)結(jié)構(gòu)層22納米結(jié)構(gòu)層3第一硬掩模材料層31第一硬掩模圖形4第二硬掩模材料層41第二硬掩模圖形
具體實(shí)施例方式以下參照附圖并結(jié)合示意性的實(shí)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 ニ”、“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。首先，如圖1所示，在襯底1上依次形成結(jié)構(gòu)材料層2和第一硬掩模材料層3。其中，襯底1可為體硅、絕緣體上硅(SOI)、SiC、SiGe、藍(lán)寶石等等常用的半導(dǎo)體材料襯底，村底1中可具有淺溝槽隔離STI以隔離絕緣各相鄰的半導(dǎo)體器件，也可具有埋氧層或摻雜埋層以控制之后形成的器件的電學(xué)特性。結(jié)構(gòu)材料層2可為ー層或多層結(jié)構(gòu)，其用途可為形成柵極、源漏接觸或布局走線等等。當(dāng)其用于形成柵極材料時，材質(zhì)可為常用的多晶硅，也可為與高k材料一起使用的金屬柵極材料，例如Ti、Ta等難熔金屬及其氮化物以及這些材料的組合。襯底1與作為柵極材料層的結(jié)構(gòu)材料層2之間還可具有柵極介質(zhì)層(未示出)， 可為氧化物，例如低k材料的ニ氧化硅、氮氧化硅，或高k材料的氧化鉿、氧化鋁等等。第一硬掩模材料層3材質(zhì)為氮化物，例如氮化硅、氮氧化硅等等。形成結(jié)構(gòu)材料層2和第一掩模層3的方法可以是物理氣相沉積PVD (包括蒸發(fā)和濺射)，也可以是化學(xué)氣相沉積CVD (包括常壓CVD、低壓CVD、等離子CVD等等)。在本發(fā)明的一個示意性實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)材料層2為多晶硅，第一硬掩模材料層3為氮化硅，出于薄膜均勻性、純度和エ藝成本的考慮，通常采用低壓CVD(LPCVD)來沉積形成。沉積多晶硅結(jié)構(gòu)材料層2時可以在原料氣中導(dǎo)入摻雜氣以完成原位摻雜，也可以沉積完成之后擴(kuò)散或離子注入來摻雜，摻雜是為了調(diào)整柵極電阻率和薄膜的晶粒結(jié)構(gòu)。其次，如圖2所示，形成常規(guī)柵結(jié)構(gòu)。在第一硬掩模材料層3上旋轉(zhuǎn)涂敷第一光刻膠(未示出)并在一定溫度下進(jìn)行烘烤以固化光刻膠提高附著性，第一光刻膠例如為正膠。 此外，可先PVD沉積TiN或氮硅化物來作為底層抗反射涂層(BARC，未示出)然后再涂敷第一光刻膠，或是在涂敷第一光刻膠之后在其頂部噴涂頂部抗反射涂層(TAR，未示出)，這樣可以降低駐波效應(yīng)，避免線寬增加。使用第一掩模板對第一光刻膠進(jìn)行第一曝光，第一曝光的光源采用i線光源也即365nm波長的水銀弧光燈，未被第一掩模板覆蓋的正膠型的光刻膠的部分發(fā)生水解，再使用堿性溶液進(jìn)行顯影，被第一掩模板覆蓋的部分保留下來，隨后高溫處理以便堅(jiān)膜，使得留下的第一光刻膠部分構(gòu)成第一掩模圖形，可以用作后續(xù)刻蝕的掩摸。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，形成用于常規(guī)柵結(jié)構(gòu)的第一光刻膠的第一掩模圖形之后，進(jìn)行第一刻蝕直至多晶硅的結(jié)構(gòu)材料層2，但不直接刻蝕暴露襯底1。此時，結(jié)構(gòu)材料層 2保持完整，其上方的第一硬掩模材料層3被部分刻蝕，僅留下第一硬掩模圖形31。對于較大尺寸(微米量級)的常規(guī)器件使用反應(yīng)離子刻蝕(Rffi)或電感耦合等離子體刻蝕(ICP) 等干法刻蝕以便提高刻蝕精度和避免出現(xiàn)橫向刻蝕。RIE的原料氣可以是氟基氣體，例如 SF6和CF4、CHF3等碳氟基氣體及其組合，還可包括氧氣以用于修復(fù)膜層缺陷。隨后使用丙酮和芳香族的有機(jī)溶劑或者使用硫酸和雙氧水的無機(jī)溶劑來去除第一光刻膠，在襯底上留下完整的結(jié)構(gòu)材料層2以及其上的第一硬掩模圖形31。值得注意的是，該第一硬掩模圖形31 是用于形成常規(guī)柵結(jié)構(gòu)的掩模圖形，也即，第一硬掩模圖形31的寬度Dl較所需的精細(xì)圖形的線條尺寸要大，通常在微米量級，具體地，例如大于22nm。隨后，如圖3所示，形成常規(guī)柵結(jié)構(gòu)之后，形成第二硬掩模材料層4以完全覆蓋第一硬掩模圖形31。第二硬掩模材料層4優(yōu)選與第一硬掩模材料層3相比有較高的刻蝕選擇比的材料，當(dāng)?shù)谝挥惭谀２牧蠈?為氮化硅時，第二硬掩模材料層4優(yōu)選為氧化硅，特別是 ニ氧化硅。形成ニ氧化硅的第二硬掩模材料層4的方法可以為熱分解沉積法、濺射法、真空蒸發(fā)法、CVD法以及熱氧化法，由于熱氧化法制備的ニ氧化硅具有很高的重復(fù)性和化學(xué)穩(wěn)定性、能夠降低硅表面懸掛鍵從而使表面態(tài)密度減小且能很好控制界面陷阱和固定電荷，因此優(yōu)選使用熱氧化法制備第二硬掩模材料層4。第二硬掩模材料層4的沉積厚度大于第一硬掩模材料層3以及第一硬掩模圖形31的厚度，以便完全覆蓋后者。接著，如圖4所示，平坦化第二硬掩模材料層4，直至露出第一硬掩模圖形31。平坦化的方法為本領(lǐng)域公知，除了為通常的化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)之外，還可以在ニ氧化硅上涂敷旋涂玻璃(SOG)之后熱回流以提高平整度隨后再刻蝕。然后，如圖5所示，形成納米柵結(jié)構(gòu)。與形成常規(guī)柵結(jié)構(gòu)的步驟類似地，在第二硬掩模材料層4上形成第二光刻膠和抗反射涂層(未示出)。使用第二掩模板和電子束曝光系統(tǒng)對第二光刻膠進(jìn)行第二曝光，形成用于納米柵結(jié)構(gòu)的第二掩模圖形。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，形成用于納米柵結(jié)構(gòu)的第二掩模圖形之后，進(jìn)行第二刻蝕直至多晶硅的結(jié)構(gòu)材料層2，但不直接刻蝕暴露襯底1。使用反應(yīng)離子刻蝕(Rffi)或電感耦合等離子體刻蝕(ICP)等干法刻蝕以便提高刻蝕精度和避免出現(xiàn)橫向刻蝕。隨后使用丙酮和芳香族的有機(jī)溶劑或者使用硫酸和雙氧水的無機(jī)溶劑來去除第二光刻膠，在結(jié)構(gòu)材料層2上留下第二硬掩模圖形41。值得注意的是，該第二硬掩模圖形41是用于形成納米柵結(jié)構(gòu)的掩模圖形，也即，第二硬掩模圖形41的寬度D2即為所需的精細(xì)圖形的線條尺寸，D2 小于常規(guī)柵結(jié)構(gòu)的寬度Dl。D2通常在納米量級，具體地，例如小于或等于22nm。在本發(fā)明的另ー實(shí)施例中，第二刻蝕可以不停留在結(jié)構(gòu)材料層2上，而是直接刻蝕露出襯底1。最后，如圖6所示，形成最終柵極結(jié)構(gòu)。采用RIE/ICP對多晶硅的結(jié)構(gòu)材料層2進(jìn)行刻蝕，直至露出襯底1。隨后去除第一和第二硬掩模圖形，虛線所示代表去除的部分。對于氮化硅的第一硬掩模圖形31，可采用熱磷酸濕法刻蝕去除，去除之后在31下方留下常規(guī)寬度的結(jié)構(gòu)層21 ；對于ニ氧化硅的第二硬掩模圖形41，可采用氫氟酸濕法刻蝕去除，去除之后在41下方留下納米寬度的精細(xì)的結(jié)構(gòu)層22。值得注意的是，以上的電子束和光學(xué)曝光混合使用的光刻方法中，ー個實(shí)施例是先進(jìn)行圖2所示的i線光刻然后進(jìn)行圖5所示的電子束光刻，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知曉可以依據(jù)光刻流程便利的需要而合理調(diào)整第一和第二光刻的先后順序，例如先進(jìn)行圖5所示的電子束光刻以得到精細(xì)圖形，然后再進(jìn)行圖2所示的i線光刻以得到常規(guī)的較大尺寸的圖形。當(dāng)先進(jìn)行電子束光刻再進(jìn)行i線光刻吋，第一硬掩模圖形寬度Dl小于第二硬掩模圖形寬度D2。依照本發(fā)明的微細(xì)結(jié)構(gòu)的光刻方法，將傳統(tǒng)光學(xué)光刻技術(shù)和電子束光刻技術(shù)結(jié)合起來使用，利用電子束曝光來實(shí)現(xiàn)微細(xì)圖形的制作，利用光學(xué)光刻來完成其他圖形，這樣可以既有效解決微細(xì)圖形的制作問題，又不損失效率。此發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是エ藝簡単，低成本，高光刻效率。盡管已參照ー個或多個示例性實(shí)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(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳實(shí)施方式而公開的特定實(shí)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(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種光刻方法，包括在襯底上形成結(jié)構(gòu)材料層和第一硬掩模材料層；進(jìn)行第一曝光和第一刻蝕，形成第一硬掩模圖形；在所述第一硬掩模圖形上形成第二硬掩模材料層；進(jìn)行第二曝光和第二刻蝕，形成第二硬掩模圖形。
2.如權(quán)利要求1所述的光刻方法，其中，所述第一硬掩模材料層和所述第二硬掩模材料層的材質(zhì)不同。
3.如權(quán)利要求2所述的光刻方法，其中，所述第一硬掩模材料層和所述第二硬掩模材料層的材質(zhì)選自氮化硅和ニ氧化硅兩者之一。
4.如權(quán)利要求1所述的光刻方法，其中，所述第一硬掩模圖形和所述第二硬掩模圖形寬度不同。
5.如權(quán)利要求1所述的光刻方法，其中，所述第一曝光和所述第二曝光的光源不同。
6.如權(quán)利要求5所述的光刻方法，其中，所述第一曝光和所述第二曝光的光源選自i線水銀弧光燈和電子束曝光系統(tǒng)兩者之一。
7.如權(quán)利要求1所述光刻方法，其中，所述第二硬掩模材料層厚度大于所述第一硬掩模材料層厚度。
8.如權(quán)利要求1所述的光刻方法，其中，在形成所述第二硬掩模圖形之后，對結(jié)構(gòu)材料層進(jìn)行第三刻蝕以形成最終結(jié)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求1或8所述的光刻方法，其中，所述第一刻蝕、第二刻蝕或第三刻蝕是 RIE刻蝕或ICP刻蝕。
10.如權(quán)利要求1所述的光刻方法，其中，在形成所述第二硬掩模材料層之后對所述第 ニ硬掩模材料層進(jìn)行平坦化直至露出所述第一硬掩模圖形。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種微細(xì)結(jié)構(gòu)的光刻方法，包括在襯底上形成結(jié)構(gòu)材料層和第一硬掩模材料層；進(jìn)行第一光刻，形成第一硬掩模圖形；在第一硬掩模圖形上形成第二硬掩模材料層；進(jìn)行第二光刻，形成第二硬掩模圖形。其中。第一光刻和第二光刻的光源不同，選自i線水銀弧光燈和電子束曝光系統(tǒng)兩者之一。依照本發(fā)明的微細(xì)結(jié)構(gòu)的光刻方法，將傳統(tǒng)光學(xué)光刻技術(shù)和電子束光刻技術(shù)結(jié)合起來使用，利用電子束曝光來實(shí)現(xiàn)微細(xì)圖形的制作，利用光學(xué)光刻來完成其他圖形，這樣可以既有效解決微細(xì)圖形的制作問題，又不損失效率。
文檔編號G03F1/20GK102591139SQ20111000647
公開日2012年7月18日 申請日期2011年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月13日
發(fā)明者王紅麗, 閆江 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所