金属硬掩模开口刻蚀方法

金属硬掩模开口刻蚀方法
【专利摘要】本发明提供一种金属硬掩模开口刻蚀方法，至少包括以下步骤：1）提供一基板，在所述基板表面自下向上依次形成金属硬掩模层、抗反射层及光阻层；2）进行光刻和显影，在所述光阻层中形成光刻图形以得到图案化光阻层；所述图案化光阻层包括凸起部分和凹陷部分，所述凹陷部分底部到达所述抗反射层表面；3）在所述图案化光阻层外表面沉积一隔离层，并对所述隔离层进行刻蚀，以在所述凸起部分的侧壁上形成预设厚度的侧墙；4）以所述图案化光阻层及所述侧墙为掩模，对所述抗反射层及金属硬掩模层进行刻蚀直至露出所述基板。本发明的金属硬掩膜开口刻蚀方法工艺简单，扩大了光刻工艺窗口，并可以改善光刻图形的线宽粗糙度。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明属于半导体制造领域，涉及一种刻蚀方法，特别是涉及一种金属硬掩模开 口刻蚀方法。 金属硬掩模开口刻蚀方法

【背景技术】
[0002] 在半导体器件制造工艺中，利用光刻过程将印在光掩膜上的图形结构转移到衬底 的表面上。在光刻过程中，首先将光阻旋转涂布在衬底上，然后对其进行软烘干，使之成为 固态薄膜。接着，对涂布有光阻的晶片进行光刻和显影，于是在光阻中形成期望的三维图 形。基于该三维图形，可以对衬底进行蚀刻，使得光阻上的图形深入到衬底中。在完成衬底 蚀刻之后，已经不再需要光阻作保护层，可以将其除去。
[0003] 随着半导体制造技术的飞速发展，半导体器件为了达到更快的运算速度、更大的 资料存储量以及更多的功能，半导体芯片向更高集成度方向发展；而半导体芯片的集成度 越高，贝 1J半导体器件的特征尺寸（⑶，Critical Dimension)越小。为了实现微小的⑶，必须 使光掩模版上更加精细的图像聚焦在半导体衬底的光刻胶上，并且必须增强光学分辨率， 以制造接近光掩模版工艺中光学分辨率极限的半导体器件。分辨率增强技术包括利用短 波长光源、相移掩模方法和利用轴外照射（0ΑΙ，Off-Axis Illumination)的方法。理论上 讲，在利用0ΑΙ的情况下，分辨率大约比利用传统照射时的分辨率高约1. 5倍，并且能够增 强聚焦深度（D0F，cbpth of focus)。通过0ΑΙ技术，由光学系统印制在半导体衬底上⑶ 的最小空间周期可以被进一步缩短，但是会产生光学邻近效应（0ΡΕ，Optical Proximity Effect)，即曝光光线穿过掩模版并投射到硅片表面的光刻胶上时，在光刻胶表面所形成的 图案相较于掩模版图会出现变形和偏差。随着集成电路设计的高速发展，掩模版图的尺寸 日益缩小，光学邻近效应越来越明显。
[0004] 为了消除光学邻近效应的影响，曝光图形需要经过光学邻近校正（0PC，Optical Proximity Correction)处理，即实际的光刻掩膜版上的曝光图形与所希望得到的光刻图 形并不相同，通过调整图案的形状，可减小曝光所获得的光刻图形的偏差，进而提高芯片生 产的成品率。此外随着特征尺寸进入90nm范围，曝光图形的线宽甚至只有光波长的1/3,除 上述必要的光学邻近校正处理以外，通常还需要在曝光图形的周围辅以设置亚尺寸的辅助 图形，即亚分辨率辅助图形技术（SRAF，Sub-resolution assistant feature)。这些辅助 图形仅设置于光刻掩膜版上，在实际曝光后其图形并不会转移至半导体器件，仅仅起到增 加邻近曝光图形的聚焦深度，提高曝光精确度的作用。
[0005] 但是亚分辨率辅助图形并不是任何时候都能起到增加邻近曝光图形聚焦深度的 作用，例如当曝光图形的间隙宽度处于某些特定周期范围时，亚分辨率辅助图形的作用就 很小。上述特定周期被称为禁止光学空间周期（Forbidden Pitch)，禁止光学空间周期是光 学邻近校正中必须要面对并解决的问题之一。它主要出现在1. 1?1. 4倍（曝光波长/数 值孔径）的范围内，在此范围内曝光图形对比度明显削弱，该效应会导致曝光图形的聚焦 深度明显小于其他空间周期，进而导致工艺窗口的缩小。
[0006] -般来说，工艺窗口是指在将特征尺寸（CD)、光刻胶损失以及侧壁角保持在规定 值的前提下时，所对应的焦深和曝光能量的允许范围，也可以说是当焦深和曝光能量发生 改变时工艺的响应能力。通常，工艺窗口越大，焦深可调节的范围越大，工艺可实现的范围 越宽，也就越容易实现。在实际应用中，通常采用聚焦-曝光图上的矩形或椭圆形来表示工 艺窗口，其横轴跨度表示焦深的允许范围，其纵轴跨度表示曝光能量的允许范围。
[0007] 在先进CMOS技术的铜/低k互连结构制作中，基于金属硬掩模的双嵌套干刻蚀工 艺因其对低k介质的低伤害性而被广泛采用，但是由于临界光刻工艺窗口的限制，禁止光 学周期是个严重的问题。对于一定的节距（pitch)，其中节距为互连线（line)间距，节距等 于线宽（line)与间隙宽度（space)之和，当间隙宽度小于一定值时，其可操作的工艺窗口 小于临界光刻工艺窗口，难以在现有工艺下实现。


【发明内容】

[0008] 鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种金属硬掩模开口刻蚀 方法，用于解决现有技术中由于临界工艺光刻窗口的限制难以得到小尺寸间隙（space)的 问题。
[0009] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种金属硬掩模开口刻蚀方法，所 述方法至少包括以下步骤：
[0010] 1)提供一基板，在所述基板表面自下向上依次形成金属硬掩模层、抗反射层及光 阻层；
[0011] 2)进行光刻和显影，在所述光阻层中形成光刻图形以得到图案化光阻层；所述图 案化光阻层包括凸起部分和凹陷部分，所述凹陷部分底部到达所述抗反射层表面；
[0012] 3)在所述图案化光阻层外表面沉积一隔离层，并对所述隔离层进行刻蚀，以在所 述凸起部分的侧壁上形成预设厚度的侧墙；
[0013] 4)以所述图案化光阻层及所述侧墙为掩模，对所述抗反射层及金属硬掩模层进行 刻蚀直至露出所述基板。
[0014] 可选地，于所述步骤3)之前还包括利用修复气体对所述图案化光阻层进行处理的 步骤。
[0015] 可选地，所述修复气体选自HBr、CF4、He及02中的至少一种。
[0016] 可选地，所述金属硬掩模层为TiN层、BN层、A1N层或ΡΕ0Χ层中的一层或由其中几 层形成的叠层结构。
[0017] 可选地，所述抗反射层为Si-arc层、LT0层、无定形硅层或0DL层中的一层或由其 中几层形成的层叠结构。
[0018] 可选地，所述隔离层通过原子层沉积法形成。
[0019] 可选地，所述侧墙的厚度范围是2~10 nm。
[0020] 可选地，于所述步骤3)中，在所述凸起部分的侧壁上形成预设厚度的侧墙之后，所 述凹陷部分的最小宽度范围是36~49 nm。
[0021] 可选地，所述隔离层的材料为氧化物或氮化物。
[0022] 如上所述，本发明的金属硬掩模开口刻蚀方法，具有以下有益效果：通过在光阻图 案凸起部分的侧壁形成预设厚度的侧墙，减小光阻图案的间隙宽度，然后以图案化光阻层 和侧墙为掩模进行刻蚀，在金属硬掩模中形成间隙宽度较小的开口。本发明的金属硬掩膜 开口刻蚀方法工艺简单，在光刻时可以利用现有的掩模版在光阻层中形成具有较大间隙宽 度的光刻图形，从而扩大了光刻工艺窗口，不用考虑禁止光学周期，并且在形成侧墙之前利 用修复气体对图案化光阻层进行处理，可以改善光刻图形的线宽粗糙度（LWR)。

【专利附图】

【附图说明】
[0023] 图1显示为本发明的金属硬掩模开口刻蚀方法在基板上形成金属硬掩膜层、抗反 射层及光阻层的示意图。
[0024] 图2显示为本发明的金属硬掩模开口刻蚀方法在光阻层中形成光刻图形的示意 图。
[0025] 图3显示为本发明的金属硬掩模开口刻蚀方法在图案化光阻层外表面沉积隔离 层的不意图。
[0026] 图4显示为本发明的金属硬掩模开口刻蚀方法对隔离层进行刻蚀以在凸起部分 的侧壁上形成预设厚度侧墙的示意图。
[0027] 图5显示为本发明的金属硬掩模开口刻蚀方法对抗反射层及金属硬掩模层进行 刻蚀的示意图。
[0028] 图6显示为本发明的金属硬掩模开口刻蚀方法得到的具有较小间隙宽度的开口 的金属硬掩模层的示意图。
[0029] 元件标号说明
[0030] 1 基板 2 金属硬掩模层 21 TiN 层 22 PEOX 层 3 抗反射层 31 ODL 层 32 Si-arc 层 4 光阻层 5 图案化光阻层 51 凸起部分 52 凹陷部分 6 隔离层 7 侧墙 dj 间隙宽度 d2 侧墙厚度 d3 凹陷部分的最小宽度

【具体实施方式】
[0031] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书 所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实 施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离 本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0032] 请参阅图1至图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明 本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数 目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其 组件布局型态也可能更为复杂。
[0033] 本发明提供一种金属硬掩模开口刻蚀方法，所述方法至少包括以下步骤：
[0034] 步骤1 )，请参阅图1，提供一基板1，在所述基板1表面自下向上依次形成金属硬掩 模层2、抗反射层3及光阻层4;
[0035] 具体的，所述基板1可以为常规的半导体衬底如Si、Ge、S0I等，也可以为包括用于 互连线的金属层、层间介质层、帽层等其中一层或几层形成的叠层结构。所述层间介质层的 材料可以为低k或超低k材料，所述帽层的材料可以为氮掺杂的碳化硅（NDC)、Si0 2、SiON、 氧掺杂的碳化硅（0DC)等。
[0036] 具体的，所述金属硬掩模层2为TiN层、BN层、A1N层或ΡΕ0Χ层中的一层或由其中 几层形成的叠层结构。本实施例中，所述金属硬掩模层2自下而上依次为TiN层21及PEOX 层22。其中PE0X指的是等离子体增强（Plasma Enhanced)的氧化物。基于金属硬掩模的 双嵌套干刻蚀工艺对低k介质的伤害性较小。
[0037] 具体的，所述抗反射层3为Si-arc层、LT0层、无定形硅层或0DL层中的一层或由 其中几层形成的层叠结构。其中LT0指的是低温氧化物，0DL指的是有机绝缘层。本实施 例中，所述抗反射层3自下而上依次为0DL层31及Si-arc层32。其中，0DL层31作为底 部抗反射层，其主要成分是C、Η和0,所述Si-arc层32是基于Si的抗反射层。光阻层下 的抗反射层可以减少曝光过程中光在光阻的下表面的反射，以使曝光的大部分能量都被光 阻吸收。0DL层31与Si-arc层32相结合可以增加光刻过程中的曝光景深（D0F)，实现光 阻的均匀曝光，优化光刻作用。
[0038] 步骤2)，请参阅图2,进行光刻和显影，在所述光阻层4中形成光刻图形以得到图 案化光阻层5 ;所述图案化光阻层包括凸起部分51和凹陷部分52,所述凹陷部分52底部到 达所述抗反射层3表面；
[0039] 本实施例中，所述光刻图形以平行排列的条形结构为例进行说明，图2为光刻和 显影之后的结构的剖面图。其中，图案化光阻层5中所述凸起部分51为条形结构，凹陷部 分52为条形结构之间的间隙，图2所示视角为条形结构短边部分，因此，节距（pitch)等于 条形结构短边长加上条形结构之间的间隙宽度（屯）。所述间隙宽度屯相对于最终要实现的 金属硬掩模开口宽度要宽，可以扩大光刻工艺窗口，更容易实现。
[0040] 在另一实施例中，还可以在光刻显影之后，利用修复气体对所述图案化光阻层5 进行处理。所述修复气体选自HBr、CF 4、He及02中的至少一种，本发明中优选为HBr，具 体的，采用HBr等离子体对条形结构表面进行修复，从而可以调节光刻图形的整体节距 (through-pitch),改善图形的线宽粗糙度（LWR)。
[0041] 需要指出的是，上述实施例只是以条形结构为例，在其它实施例中，所述光刻图形 并不限于条形结构，可以根据需要做适当的调整。
[0042] 步骤3)，请参阅图3及图4,首先请参阅图3,如图所示，在所述图案化光阻层5外 表面沉积一隔离层6,再请参阅图4,如图所示，对所述隔离层6进行刻蚀，以在所述凸起部 分的侧壁上形成预设厚度的侧墙7 ;
[0043] 具体的，所述隔离层6的材料为氧化物或氮化物，所述隔离层6通过原子层沉积法 形成。沉积隔离层6后，对所述隔离层6进行刻蚀，由于不同方向上的刻蚀速率不一样，通 过调整工艺参数，可以去除所述图案化光阻层5中凸起部分51上表面及凹陷部分52下表 面的隔离层，并在所述凸起部分51的侧壁上形成预设厚度的侧墙7。
[0044] 具体的，所述侧墙7的厚度范围是2~10 nm，请参阅图4,其中示出了侧墙厚度d2。 图4中还示出了在所述凸起部分51的侧壁上形成预设厚度的侧墙7之后，所述凹陷部分的 最小宽度d 3，即所述条形结构之间的间隙宽度由屯减小到d3，其中，d3的取值范围是36~49 nm〇
[0045] 本发明的金属硬掩模开口刻蚀方法可以大大增加光刻工艺窗口，以节距（pitch) 为160 nm时的情况为例，若要实现的间隙（space)宽度为45 nm，光刻时需要的曝光景深 (D0F)只有0. 04,很难实现，而通过本发明的金属硬掩模开口刻蚀方法，可以在光刻时先形 成间隙较大的光刻图形，如光刻图形间隙宽度为51 nm，此时光刻需要的曝光景深大于或等 于0. 08,易于实现，光刻显影完毕后，然后在图案化光阻层的凸起部分的侧壁形成厚度为2 nm的侧墙，就可以实现45 nm的间隙宽度。对于取值为150 nm、140 nm、135 nm、130 nm、120 nm、110 nm、90 nm、80 nm、70 nm、64 nm等的节距，同样的间隙宽度所需的光刻工艺窗口有可 能不一样，因此(13的取值范围是并不限于36~49 nm，也可以取更小的数值，如为2(T36 nm， 甚至小于20 nm。
[0046] 步骤4)，请参阅图5,如图所示，以所述图案化光阻层5及所述侧墙7为掩模，对所 述抗反射层3及金属硬掩模层2进行刻蚀直至露出所述基板1。
[0047] 具体的，可采用多部刻蚀法首先刻蚀掉Si-arc层，接着刻蚀掉0DL层，再刻蚀掉 ΡΕ0Χ层，最后刻蚀掉TiN层，可采用干法或湿法刻蚀。
[0048] 刻蚀完毕后，除去光阻材料及抗反射层，请参阅图6,显示为本发明的金属硬掩模 开口刻蚀方法得到的具有较小间隙宽度开口的金属硬掩模层的示意图。可以采用此具有较 小间隙宽度开口的金属硬掩模层为掩模对其下的衬底1进行刻蚀，得到小尺寸的沟槽或过 孔等。
[0049] 综上所述，本发明的金属硬掩模开口刻蚀方法通过在图案化光阻层的凸起部分的 侧壁形成预设厚度的侧墙，从而达到减小凹陷部分的最小宽度的目的，然后以图案化光阻 层和侧墙为掩模对抗反射层及金属硬掩模层进行刻蚀，得到具有较小间隙宽度开口的金属 硬掩模层。本发明的金属硬掩模开口刻蚀方法避免了禁止光学空间周期的问题，扩大了光 刻工艺窗口，工艺简单并可以改善线宽粗糙度。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种 缺点而具高度产业利用价值。
[0050] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟 悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因 此，举凡所属【技术领域】中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完 成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
【权利要求】
1. 一种金属硬掩模开口刻蚀方法，其特征在于，至少包括以下步骤： 1) 提供一基板，在所述基板表面自下向上依次形成金属硬掩模层、抗反射层及光阻 层； 2) 进行光刻和显影，在所述光阻层中形成光刻图形以得到图案化光阻层；所述图案化 光阻层包括凸起部分和凹陷部分，所述凹陷部分底部到达所述抗反射层表面； 3) 在所述图案化光阻层外表面沉积一隔离层，并对所述隔离层进行刻蚀，以在所述凸 起部分的侧壁上形成预设厚度的侧墙； 4) 以所述图案化光阻层及所述侧墙为掩模，对所述抗反射层及金属硬掩模层进行刻蚀 直至露出所述基板。
2. 根据权利要求1所述的金属硬掩模开口刻蚀方法，其特征在于：于所述步骤3)之前 还包括利用修复气体对所述图案化光阻层进行处理的步骤。
3. 根据权利要求2所述的金属硬掩模开口刻蚀方法，其特征在于：所述修复气体选自 HBr、CF4、He及02中的至少一种。
4. 根据权利要求1所述的金属硬掩模开口刻蚀方法，其特征在于：所述金属硬掩模层 为TiN层、BN层、A1N层或PEOX层中的一层或由其中几层形成的叠层结构。
5. 根据权利要求1所述的金属硬掩模开口刻蚀方法，其特征在于：所述抗反射层为 Si-arc层、LTO层、无定形娃层或ODL层中的一层或由其中几层形成的层叠结构。
6. 根据权利要求1所述的金属硬掩模开口刻蚀方法，其特征在于：所述隔离层通过原 子层沉积法形成。
7. 根据权利要求1所述的金属硬掩模开口刻蚀方法，其特征在于：所述侧墙的厚度范 围是2 10 nm。
8. 根据权利要求1所述的金属硬掩模开口刻蚀方法，其特征在于：于所述步骤3)中，在 所述凸起部分的侧壁上形成预设厚度的侧墙之后，所述凹陷部分的最小宽度范围是36~49 nm〇
9. 根据权利要求1所述的金属硬掩模开口刻蚀方法，其特征在于：所述隔离层的材料 为氧化物或氮化物。
【文档编号】H01L21/033GK104157556SQ201310180042
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2013年5月15日 优先权日:2013年5月15日
【发明者】张海洋, 张城龙 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司