半导体结构及其形成方法与流程

1.本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种半导体结构及其形成方法。


背景技术：

2.随着对高容量的半导体存储装置需求的日益增加，半导体存储装置的集成密度受到人们的关注，为了增加半导体存储装置的集成密度，现有技术中采用了许多不同的方法，自对准多重图案技术是一种在半导体器件制备过程中得到广泛的接受和应用的解决途径。
3.随着半导体技术节点的进一步降低，为满足更小尺寸的图案要求，现有技术引入了自组装图形化材料作为形成图案的材料，自组装图形化材料通常包括两种或多种相互不溶的不同聚合物嵌段组分。在适当条件下，所述两种或多种相互不溶的聚合物嵌段组分会分离为纳米级的两种或多种不同的相，并由此形成隔离的纳米尺寸的结构单元的有序图形，形成需要形成的半导体结构的图案。
4.然而，现有的采用自组装图形化材料作为图案形成的半导体结构性能有待改善。


技术实现要素：

5.本发明解决的技术问题是提供一种半导体结构及其形成方法，以改善半导体结构的性能。
6.为解决上述技术问题，本发明技术方案提供一种半导体结构的形成方法，包括：提供待刻蚀层；在所述待刻蚀层上形成前驱体层；对所述前驱体层进行退火处理，使所述前驱体层形成若干相互分立的初始第一掩膜层和第二掩膜层，所述第二掩膜层位于相邻的初始第一掩膜层之间；对所述初始第一掩膜层进行改性处理，形成第一掩膜层；刻蚀去除所述第二掩膜层，所述刻蚀去除第二掩膜层的工艺对第一掩膜层材料的刻蚀速率小于对初始第一掩膜层材料的刻蚀速率。
7.可选的，所述前驱体层的材料包括嵌段聚合物，所述嵌段聚合物包括氯甲基苯乙烯聚甲基丙烯酸甲酯。
8.可选的，所述初始第一掩膜层的材料包括有机聚合物，所述有机聚合物包括聚氯甲基苯乙烯；所述第二掩膜层的材料包括有机聚合物，所述有机聚合物包括聚甲基丙烯酸甲酯。
9.可选的，对所述初始第一掩膜层进行改性处理的工艺包括气体烘烤工艺；所述气体烘烤工艺的参数包括：气体包括含硅有机物气体，所述含硅有机物气体包括六甲基二硅胺烷，烘烤温度范围为100摄氏度～150摄氏度，烘烤时间为1分钟～5分钟。
10.可选的，在所述待刻蚀层上形成前驱体层之前，还包括：在所述待刻蚀层上形成若干第一牺牲层，所述若干第一牺牲层在待刻蚀层表面平行排列；在所述待刻蚀层上形成第二牺牲层，所述第二牺牲层位于所述第一牺牲层之间，且所述第二牺牲层的顶部表面低于或齐平于所述第一牺牲层顶部表面。
11.可选的，所述第一牺牲层的形成方法包括：在所述待刻蚀层上形成第一牺牲材料
层；在所述第一牺牲材料层上形成图形化层；以所述图形化层为掩膜刻蚀所述第一牺牲材料层，在所述待刻蚀层上形成所述第一牺牲层。
12.可选的，刻蚀所述第一牺牲材料层的工艺包括干法刻蚀工艺；所述干法刻蚀工艺的气体包括氧气、甲烷和氢气的混合气体。
13.可选的，形成所述第二牺牲层的工艺包括刷接工艺。
14.可选的，所述第二掩膜层位于所述第二牺牲层上，所述初始第一掩膜层位于所述第一牺牲层和第二牺牲层上。
15.可选的，所述第一牺牲层的材料与所述第二牺牲层的材料不同。
16.可选的，所述第一牺牲层的材料包括聚苯乙烯的衍生物，所述聚苯乙烯的衍生物包括聚苯乙烯或聚氯甲基苯乙烯。
17.可选的，所述第二牺牲层的材料包括有机聚合物，所述有机聚合物包括端基羟基化聚苯乙烯聚甲基丙烯酸甲酯。
18.可选的，对所述前驱体层进行退火处理的温度范围为150摄氏度～250摄氏度；对所述前驱体层进行退火处理的时间为1分钟～5分钟。
19.可选的，所述初始第一掩膜层在沿待刻蚀层表面排列方向上具有第一尺寸，所述第一尺寸的范围为：10纳米～30纳米；所述第二掩膜层在沿待刻蚀层表面排列方向上具有第二尺寸，所述第二尺寸的范围为：10纳米～30纳米。
20.可选的，去除所述第二掩膜层之后，以所述第一掩膜层为掩膜刻蚀所述待刻蚀层。
21.可选的，去除所述第二掩膜层的工艺包括干法刻蚀工艺；所述干法刻蚀工艺的参数包括：气体为氧气、氩气或二氧化碳气体的等离子体，气体流速为1毫升/分钟～3毫升/分钟，气压为5帕～10帕，能量密度为5瓦/平方厘米～20瓦/平方厘米。
22.可选的，所述待刻蚀层包括基底和位于基底上的导向材料层。
23.可选的，所述导向材料层的材料包括硬掩膜材料，所述硬掩膜材料包括氧化硅或氮化硅。
24.相应的，本发明技术方案还提供一种采用上述任一项方法形成的半导体结构。
25.与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
26.本发明技术方案中的半导体结构形成方法，对所述初始第一掩膜层进行改性处理，使得形成的第一掩膜层与所述第二掩膜层有较大的刻蚀选择比，后续在去除所述第二掩膜层时，所述去除第二掩膜层的工艺对所述第一掩膜层的损伤较小，使得所述第一掩膜层具有良好的形貌，使得在后续的工艺中，所述第一掩膜层的图形能稳定传递，使得所述半导体结构的尺寸精准度提高，有利于半导体结构性能的提升。
27.进一步，所述第一牺牲层的材料包括聚苯乙烯的衍生物，所述聚苯乙烯的衍生物包括聚苯乙烯或聚氯甲基苯乙烯，而所述初始第一掩膜层的材料包括聚氯甲基苯乙烯，使得在对所述前驱体层进行退火处理使所述前驱体层形成相连接的初始第一掩膜层和第二掩膜层时，所述第一牺牲层对所述初始第一掩膜层起到导向作用，从而所述初始第一掩膜层能够形成在所述第一牺牲层上，使得所述初始第一掩膜层的位置自对准，所述初始第一掩膜层和第二掩膜层能够在设定的位置周期性排列，后续形成的第一掩膜层的位置也能自对准，从而提升了所述第一掩膜层位置的精准度，提升了所述半导体结构的尺寸精准度。
28.进一步，对所述初始第一掩膜层进行改性处理的工艺包括气体烘烤工艺，在高温
的作用下，所述含硅有机物气体对所述初始第一掩膜层的材料结构进行了改善，使得所形成的第一掩膜层与所述第二掩膜层有较大的刻蚀选择比，从而在去除所述第二掩膜层时，所述去除第二掩膜层的工艺对所述第一掩膜层的损伤较小。
29.进一步，所述初始第一掩膜层的材料包括氯甲基苯乙烯，对所述初始第一掩膜层进行改性处理的气体包括六甲基二硅胺烷，所述六甲基二硅胺烷与所述氯甲基苯乙烯能够发生反应形成聚甲基苯乙烯六甲基二硅烷，所述聚甲基苯乙烯六甲基二硅烷在去除所述第二掩膜层的工艺中不易被刻蚀，从而所述第一掩膜层能够保持较好的形貌。
附图说明
30.图1至图3是一实施例中半导体结构形成过程的剖面结构示意图；
31.图4至图12是本发明实施例中半导体结构形成过程的剖面结构示意图。
具体实施方式
32.如背景技术所述，现有的采用自组织材料作为图案形成的半导体结构性能有待改善。现结合具体的实施例进行分析说明。
33.图1至图3是一实施例中半导体结构形成过程的剖面结构示意图。
34.请参考图1，提供基底100，所述基底100上具有导向层101，所述导向层101上具有第一牺牲材料层102，所述第一牺牲材料层102上具有图形化层103。
35.请参考图2，以所述图形化层103为掩膜刻蚀所述第一牺牲材料层102，在所述导向层101上形成第一牺牲层104；在所述导向层101上形成第二牺牲层105，所述第二牺牲层105暴露出所述第一牺牲层104顶部表面；在所述第一牺牲层104和第二牺牲层105上形成掩膜材料层(未图示)；对所述掩膜材料层进行退火处理，使所述掩膜材料层形成相连接的初始第一掩膜层106和第二掩膜层107，所述初始第一掩膜层106和第二掩膜层107沿所述第一牺牲层104在基底100表面的排列方向交替排列。
36.请参考图3，去除所述第二掩膜层107，在所述导向层101上形成第一掩膜层108。
37.在上述半导体结构的形成方法中，所述掩膜材料层的材料包括嵌段共聚物，所述嵌段共聚物在退火处理后会相分离，形成交替排列且相连接的初始第一掩膜层106和第二掩膜层107，所述初始第一掩膜层106和第二掩膜层107的材料不同，所述初始第一掩膜层106的材料包括苯乙烯，所述第二掩膜层107的材料包括甲基苯烯酸甲酯。后续需去除所述第二掩膜层107，以形成的第一掩膜层108为掩膜刻蚀所述导向层101和基底100。然而在去除所述第二掩膜层107的过程中，所采用的干法刻蚀工艺对所述初始第一掩膜层106和第二掩膜层107的选择刻蚀比较小，从而在去除所述第二掩膜层107时，对所述初始第一掩膜层106的损伤较大，导致形成的第一掩膜层108形貌较差，使得后续形成的半导体结构形貌也较差；且由于所述初始第一掩膜层106损失量较大，在以所述第一掩膜层108为掩膜刻蚀所述导向层101和基底100时，所述第一掩膜层108在刻蚀完成之前就已被消耗，无法完成掩膜层的功能，使得形成的半导体结构的性能受到影响。
38.为了解决上述问题，本发明技术方案提供一种半导体结构及其形成方法，通过对所述初始第一掩膜层进行改性处理，使得形成的第一掩膜层与所述第二掩膜层有较大的刻蚀选择比，后续在去除所述第二掩膜层时，所述去除第二掩膜层的工艺对所述第一掩膜层
的损伤较小，使得所述第一掩膜层具有良好的形貌，使得在后续的工艺中，所述第一掩膜层的图形能稳定传递，使得所述半导体结构的尺寸精准度提高，有利于半导体结构性能的提升。
39.为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
40.图4至图12是本发明实施例中半导体结构形成过程的剖面结构示意图。
41.请参考图4，提供待刻蚀层。
42.所述待刻蚀层包括基底200和位于基底200上的导向材料层201。
43.所述导向材料层201用于将后续形成的图形传递到所述基底200，同时也保护所述基底200，避免在形成图形的过程中所述基底200受到损伤。所述导向材料层201的材料包括硬掩膜材料，所述硬掩膜材料包括氧化硅或氮化硅。所述基底200的材料包括硅、硅锗、锗、绝缘体上硅或者绝缘体上锗。
44.在本实施例中，所述导向材料层201的材料包括氧化硅；所述基底200的材料包括硅。
45.接下来，在所述待刻蚀层上形成若干第一牺牲层，所述若干第一牺牲层在待刻蚀层表面平行排列。具体形成过程请参考图5和图6。
46.请参考图5，在所述待刻蚀层上形成第一牺牲材料层202；在所述第一牺牲材料层202上形成图形化层203，所述图形化层203暴露出部分所述第一牺牲材料层202表面。
47.所述第一牺牲材料层202为后续形成的第一牺牲层提供材料层。所述第一牺牲材料层202的材料包括聚苯乙烯的衍生物，所述聚苯乙烯的衍生物包括聚苯乙烯或聚氯甲基苯乙烯；形成所述第一牺牲材料层202的工艺包括旋涂工艺或喷涂工艺。
48.在本实施例中，所述第一牺牲材料层202的材料包括氯甲基苯乙烯，形成所述第一牺牲材料层202的工艺包括旋涂工艺；所述图形化层203的材料包括光刻胶。
49.请参考图6，以所述图形化层203为掩膜刻蚀所述第一牺牲材料层202，在所述待刻蚀层上形成第一牺牲层204。
50.所述第一牺牲层204用于为后续形成的所述初始第一掩膜层提供位置导向，从而使得所述初始第一掩膜层的位置自对准，后续形成的第一掩膜层的位置也能自对准，从而提升了所述第一掩膜层位置的精准度，进而提升了所述半导体结构的尺寸精准度。
51.所述第一牺牲层204的材料包括聚苯乙烯的衍生物，所述聚苯乙烯的衍生物与后续形成的初始第一掩膜层的材料成分相似，使得后续在对所述前驱体层进行退火处理使所述前驱体层形成相连接的初始第一掩膜层和第二掩膜层时，所述第一牺牲层204对所述初始第一掩膜层起到导向作用，从而所述初始第一掩膜层能够形成在所述第一牺牲层204上，使得所述初始第一掩膜层的位置自对准，所述初始第一掩膜层和第二掩膜层能够在设定的位置周期性排列，后续形成的第一掩膜层的位置也能自对准，从而提升了所述第一掩膜层位置的精准度，提升了所述半导体结构的尺寸精准度。
52.刻蚀所述第一牺牲材料层202的工艺包括干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺。
53.在本实施例中，刻蚀所述第一牺牲材料层202的工艺包括干法刻蚀工艺，所述干法刻蚀工艺的气体包括氧气、甲烷和氢气的混合气体。
54.形成第一牺牲层204之后，去除所述图形化层203。
55.在本实施例中，去除所述图形化层203的工艺包括灰化工艺。
56.请参考图7，在所述待刻蚀层上形成第二牺牲层205，所述第二牺牲层205位于所述第一牺牲层204之间。
57.所述第二牺牲层205的顶部表面低于或齐平于所述第一牺牲层204顶部表面。在本实施例中，所述第二牺牲层205的顶部表面齐平于所述第一牺牲层204顶部表面，从而后续在所述第一牺牲层204和第二牺牲层205上形成的前驱体层均匀性较好，在对所述前驱体层进行退火形成的初始第一掩膜层和第二掩膜层形貌和位置精度较好。
58.所述第二牺牲层205与所述第一牺牲层204共同为后续形成的初始第一掩膜层和第二掩膜层提供结构支持，使得所述初始第一掩膜层和第二掩膜层能够形成在所述第二牺牲层205与所述第一牺牲层204上；同时后续在去除第二掩膜层后以所形成的第一掩膜层为掩膜继续刻蚀时，所述第二牺牲层205与所述第一牺牲层204能够将图形精确传递。
59.所述第二牺牲层205的材料与所述第一牺牲层204的材料不同。所述第二牺牲层205的材料包括有机聚合物。
60.在本实施例中，形成所述第二牺牲层205的工艺包括刷接工艺。所述有机聚合物包括端基羟基化聚苯乙烯聚甲基丙烯酸甲酯。
61.所述第二牺牲层205的材料包括端基羟基化聚苯乙烯聚甲基丙烯酸甲酯，后续在所述第二牺牲层205和第一牺牲层204上形成初始第一掩膜层和第二掩膜层时，所述端基羟基化聚苯乙烯聚甲基丙烯酸甲酯对所述初始第一掩膜层和第二掩膜层的形成位置起到导向作用，从而使得所述初始第一掩膜层和第二掩膜层能够在所述第二牺牲层205和第一牺牲层204上周期性重复排列，从而得到设定的图形。
62.请参考图8，在所述第一牺牲层204和第二牺牲层205上形成前驱体层206。
63.所述前驱体层206为后续退火形成初始第一掩膜层和第二掩膜层提供材料层。所述前驱体层206的材料包括嵌段聚合物，形成所述前驱体层206的工艺包括喷涂工艺或旋涂工艺。
64.在本实施例中，形成所述前驱体层206的工艺包括旋涂工艺，所述旋涂工艺能够形成厚度均匀、且厚度较厚的前驱体层206。所述嵌段聚合物包括氯甲基苯乙烯聚甲基丙烯酸甲酯。
65.所述前驱体层206的材料包括氯甲基苯乙烯聚甲基丙烯酸甲酯，所述氯甲基苯乙烯聚甲基丙烯酸甲酯经过退火处理能够形成相互分立且周期性重复排列的聚氯甲基苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯，从而形成设定的图形层，以满足小尺寸器件需要形成尺寸较小的图形层的需求，提升了尺寸的精准度。
66.请参考图9，对所述前驱体层206进行退火处理，使所述前驱体层206形成若干相互分立的初始第一掩膜层207和第二掩膜层208，所述第二掩膜层208位于相邻的初始第一掩膜层207之间。
67.对所述前驱体层206进行退火处理的温度范围为150摄氏度～250摄氏度；对所述前驱体层进行退火处理的时间为1分钟～5分钟。
68.在150摄氏度～250摄氏度的温度范围内，所述前驱体层206材料的分子链有效运动状态比较活跃，能够快速且完全形成相互分立的初始第一掩膜层207和第二掩膜层208，以达到图形化的目的。若所述反应温度低于150摄氏度，则所述前驱体层206材料的分子链
有效运动状态不活跃，不能形成分立较好的初始第一掩膜层207和第二掩膜层208；若所述反应温度高于250摄氏度，则所述前驱体层206的材料会发生分解，不利于形成相互分立的初始第一掩膜层207和第二掩膜层208。
69.所述前驱体层206的材料包括氯甲基苯乙烯聚甲基丙烯酸甲酯，对所述前驱体层206进行退火处理后，所述氯甲基苯乙烯聚甲基丙烯酸甲酯的分子链进行有序排列，所形成的初始第一掩膜层207的材料包括聚氯甲基苯乙烯，所形成的第二掩膜层208的材料包括聚甲基丙烯酸甲酯。
70.所述第二掩膜层208位于所述第二牺牲层205上，所述初始第一掩膜层207位于所述第一牺牲层204和第二牺牲层205上。所述初始第一掩膜层207的材料和所述第一牺牲层204的材料成分相似，从而所述初始第一掩膜层207能够形成在所述第一牺牲层204上，从而能够使得所述初始第一掩膜层207的位置能够自对准。
71.所述初始第一掩膜层207在沿待刻蚀层表面排列方向上具有第一尺寸，所述第一尺寸的范围为：10纳米～30纳米；所述第二掩膜层208在沿待刻蚀层表面排列方向上具有第二尺寸，所述第二尺寸的范围为：10纳米～30纳米。
72.请参考图10，对所述初始第一掩膜层207进行改性处理，形成第一掩膜层209。
73.在本实施例中，对所述初始第一掩膜层207进行改性处理的工艺包括气体烘烤工艺。在高温的作用下，所述气体对所述初始第一掩膜层207的材料结构进行了改善，使得所形成的第一掩膜层209与所述第二掩膜层208有较大的刻蚀选择比，从而在去除所述第二掩膜层208时，所述去除第二掩膜层208的工艺对所述第一掩膜层209的损伤较小。
74.所述气体烘烤工艺的参数包括：气体包括含硅有机物气体，所述含硅有机物气体包括六甲基二硅胺烷，烘烤温度范围为100摄氏度～150摄氏度，烘烤时间为1分钟～5分钟。
75.所述第一掩膜层209的材料包括聚甲基苯乙烯六甲基二硅烷。
76.所述初始第一掩膜层207的材料包括氯甲基苯乙烯，对所述初始第一掩膜层207进行改性处理的气体包括六甲基二硅胺烷，所述六甲基二硅胺烷与所述氯甲基苯乙烯能够反应生成甲基苯乙烯六甲基二硅胺烷的聚合物，从而后续在去除刻蚀所述第二掩膜层时，所述甲基苯乙烯六甲基二硅胺烷的聚合物不易被所述刻蚀工艺刻蚀，从而使得所形成的第一掩膜层209与所述第二掩膜层208有较大的刻蚀选择比，从而在去除所述第二掩膜层208时，所述去除第二掩膜层208的工艺对所述第一掩膜层209的损伤较小，从而所述第一掩膜层209能够保持较好的形貌，有利于提升图形的尺寸精准度。
77.请参考图11，刻蚀去除所述第二掩膜层208。
78.去除所述第二掩膜层208的工艺包括干法刻蚀工艺；所述干法刻蚀工艺的参数包括：气体为氧气、氩气或二氧化碳气体的等离子体，气体流速为1毫升/分钟～3毫升/分钟，气压为5帕～10帕，能量密度为5瓦/平方厘米～20瓦/平方厘米。
79.所述氧气、氩气或二氧化碳气体的等离子体对所述聚甲基苯乙烯六甲基二硅烷的刻蚀选择比较大，从而所述初始第一掩膜层207经改性处理形成第一掩膜层209之后，所述去除所述第二掩膜层208的刻蚀工艺对第一掩膜层209材料的刻蚀速率小于对所述初始第一掩膜层207材料的刻蚀速率，从而使得所述第一掩膜层209与所述第二掩膜层208有较大的刻蚀选择比，从而去除所述第二掩膜层208的工艺对所述第一掩膜层209的损伤较小，使得所述第一掩膜层209具有良好的形貌，使得在后续的工艺中，所述第一掩膜层209的图形
能稳定传递，使得所述半导体结构的尺寸精准度提高，有利于半导体结构性能的提升。
80.请参考图12，去除所述第二掩膜层208之后，以所述第一掩膜层209为掩膜刻蚀所述第二牺牲层205和所述待刻蚀层，形成导向层210和半导体结构211。
81.以所述第一掩膜层209为掩膜刻蚀所述第二牺牲层205和所述待刻蚀层的工艺包括干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺。所述半导体结构211包括鳍部、栅极结构或者其他需要采用图形层为掩膜刻蚀形成的半导体结构。
82.在本实施例中，以所述第一掩膜层209为掩膜刻蚀所述第二牺牲层205和所述待刻蚀层的工艺包括干法刻蚀工艺。所述半导体结构211包括鳍部。
83.形成导向层210和半导体结构211之后，去除所述第一掩膜层209和所述第二牺牲层205。
84.至此，以所述第一掩膜层209为掩膜形成的半导体结构211，具有良好的形貌和尺寸精准度，从而所述半导体结构211的性能得到提升。
85.相应的，请继续参考图12，本发明实施例还提供一种采用上述方法形成的半导体结构。
86.虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。