专利名称：在半导体器件中形成接触孔的方法
技术领域：
本发明的示例性实施例涉及用于制造半导体器件的技术，更具体而言涉及用于形成半导体器件的接触孔的方法。
背景技术：
在半导体器件的开发过程中，图案缩小(pattern shrinkage)在增加产品合格率方面占据着核心因素。根据图案缩小，使用30nm以下工艺在半导体器件中形成接触孔的工艺被认为是其中一种困难的工艺。因此，需要开发一种使用30nm以下设计规则形成具有直径及间隔的接触孔的图案化技术。为此，引入了一种双图案化技术(DPT)。图IA至图IE是说明在半导体器件中形成接触孔的现有方法的立体图，且图2是说明根据现有技术制造的半导体器件的接触孔的平面图。参见图1A，在形成有某种结构的衬底11之上顺序地形成刻蚀目标层12、第一硬掩模层13和第二硬掩模层14。此处，为了保证第一硬掩模层13与第二硬掩模层14之间的刻蚀选择性，第一硬掩模层13和第二硬掩模层14可以由异质的材料形成。例如，第一硬掩模层13可以由诸如非晶碳层(amorphous carbon layer, ACL)的有机材料形成，而第二硬掩模层14可以由诸如氧化物层的无机材料形成。随后，在第二硬掩模层14之上形成第一光致抗蚀剂层图案15。第一光致抗蚀剂层图案15是线/间隔型，且第一光致抗蚀剂层图案15的线(L)与间隔(S)之比为1 1。参见图1B，使用第一光致抗蚀剂层图案15作为刻蚀阻挡层来刻蚀第二硬掩模层 14，以便形成沿第一方向延伸的线/间隔型的第一硬掩模图案14A。随后，去除第一光致抗蚀剂层图案15。参见图1C，在包括第一硬掩模图案14A的衬底结构之上形成沿着与第一方向垂直的第二方向延伸的线/间隔型的第二光致抗蚀剂层图案16。此处，第一光致抗蚀剂层图案 15的线(L)与间隔⑶之比与第二光致抗蚀剂层图案16的线(L)与间隔⑶之比相同。参见图ID和图1E，使用第一硬掩模图案14A和第二光致抗蚀剂层图案16作为刻蚀阻挡层来刻蚀第一硬掩模层13，以便形成第二硬掩模图案13A。结果，在第一硬掩模图案 14A和第二硬掩模图案13A未覆盖的区域中形成了限定接触孔的面积的开口部分17。随后，在去除第二光致抗蚀剂层图案16之后，使用第一硬掩模图案14A和第二硬掩模图案13A作为刻蚀阻挡层来刻蚀刻蚀目标层12，以便形成多个接触孔18。随后，当去除第一硬掩模图案14A和第二硬掩模图案13A时，可看到在刻蚀目标层 12中形成了多个接触孔18 (参见图IE和图2)。
如图2的虚线所示，接触孔18要具有对称的圆形形状，且相邻的接触孔18之间的间隔在第一方向和第二方向上要是均勻的。然而，根据现有技术，由于第一硬掩模层13和第二硬掩模层14由异质材料形成， 因此存在接触孔18不对称地形成的问题。另外，由于接触孔18被形成为不对称的形状，因此相邻接触孔18之间的间隔在第一方向和第二方向上不均勻。这是因为有机材料与无机材料的刻蚀特性彼此不同。尽管第一光致抗蚀剂层图案15和第二光致抗蚀剂层图案16被形成为具有相同的线(L)与间隔( 之比，但使用第一光致抗蚀剂层图案15和第二光致抗蚀剂层图案16作为刻蚀阻挡层而形成的第一硬掩模图案14A和第二硬掩模图案13A可能不具有相同的线(L)与间隔(S)之比。另外，由于第一硬掩模层13和第二硬掩模层14由异质材料形成，因此要采用不同的刻蚀条件例如刻蚀设备、刻蚀方法和刻蚀气体来形成第一硬掩模图案14A和第二硬掩模图案13A。因此，工艺变得复杂且产品合格率变差。另外，由于半导体器件是基于无机材料而形成的，因此由有机材料形成的第一硬掩模层13对无机材料的黏着力弱。因此，在第一硬掩模层13的上部和下部形成黏着层(未图示)。此外，由于有机材料具有比无机材料差的抗刻蚀性，因此还要形成辅助层(未图示) 以补充第一硬掩模层13的抗刻蚀性。结果，由于硬掩模层的总厚度(或高度)增加，因此接触孔18的不对称形成可能变得更加明显且工艺可能变得更加复杂。另外，有机材料在高温下可能变形或受损，形成在第一硬掩模层13之上的第二硬掩模层14要由可在低温下形成的无机材料形成。因此，在选择可用于形成第二硬掩模层14 的无机材料方面存在限制。
发明内容
本发明的一个实施例涉及一种用于使用半导体器件的30nm以下设计规则来形成对称的接触孔的方法。根据本发明的一个实施例，一种在半导体器件中形成接触孔的方法包括以下步骤在刻蚀目标层之上形成硬掩模层；通过初次刻蚀工艺刻蚀硬掩模层的一部分，在硬掩模层中形成第一线图案；通过二次刻蚀工艺刻蚀包括第一线图案的硬掩模层，形成与第一线图案相交叉的第二线图案；以及使用包括第一线图案和第二线图案的硬掩模层作为刻蚀阻挡层来对刻蚀目标层进行刻蚀。根据本发明的另一个实施例，一种在半导体器件中形成接触孔的方法包括在刻蚀目标层之上形成硬掩模层；通过初次刻蚀工艺刻蚀硬掩模层的一部分，在硬掩模层中形成第一线图案；在包括第一线图案的硬掩模层之上形成平坦化层；选择性地刻蚀平坦化层而形成图案；使用第一线图案和该图案作为刻蚀阻挡层并经由二次刻蚀工艺来刻蚀包括第一线图案的硬掩模层，形成与第一线图案相交叉的第二线图案；去除该图案；以及使用包括第一线图案和第二线图案的硬掩模层作为刻蚀阻挡层来对刻蚀目标层进行刻蚀。
图IA至图IE是说明在半导体器件中形成接触孔的现有方法的立体图。图2是说明根据现有技术制造的半导体器件的接触孔的平面图。
图3A至图3F是说明根据本发明的第一实施例的用于在半导体器件中形成接触孔的方法的立体图。图4A至图4E是说明根据本发明的第二实施例的用于在半导体器件中形成接触孔的方法的立体图。图5A至图5E是说明根据本发明的第三实施例的用于在半导体器件中形成接触孔的方法的立体图。
具体实施例方式下文将参照附图更加详细地描述本发明的示例性实施例。然而，本发明可以用不同的方式来实施并且不应被理解为限于本文所提出的实施例。确切地说，提供这些实施例使得本说明书将是清楚且完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。在本说明书中，相同的附图标记在本发明的各个附图和实施例中表示相同的部分。附图并非按比例绘制，且在一些实例中，为了清晰地图示实施例的特征，可能对比例进行了夸大处理。当提及第一层在第二层“上”或在衬底“上”时，其不仅涉及第一层直接形成在第二层上或衬底上的情况，而且还涉及在第一层与第二层之间或在第一层与衬底之间存在第三层的情况。下文将描述的本发明提供了用于使用30nm以下设计规则来形成具有直径及间隔的接触孔的方法。本发明通过使用双图案化技术(DPT)来实现适于30nm以下工艺的具有直径及间隔的接触孔。此处，由于使用DPT技术来形成接触孔，因此根据本发明的一个实施例的半导体器件使用无机材料来形成用于形成接触孔的硬掩模层。此处，无机材料包括由除了碳(C)之外的元素所形成的化合物和结构相对简单的包含碳的化合物。多数半导体器件由无机材料形成。有机材料是除了碳单质、氧化碳、金属碳酸盐、氰化物和碳化物之外的碳化合物。半导体器件中所使用的有机材料的实例包括非晶碳层(amorphous carbon layer, ACL)禾口方宠涂碳(spin on carbon，S0C)。图3A至图3F是说明根据本发明的第一实施例的用于在半导体器件中形成接触孔的方法的立体图。参见图3A，在形成有某种结构的衬底21之上形成刻蚀目标层22。根据本发明的本实施例，经由后续工艺在刻蚀目标层22中形成接触孔。根据本发明的另一个实施例，可以通过使用形成有接触孔的刻蚀目标层22作为刻蚀阻挡层并刻蚀衬底21，来在衬底21中形成接触孔。刻蚀目标层22可以是多晶硅层。随后，在刻蚀目标层22之上形成硬掩模层23。硬掩模层23用作保护刻蚀目标层 22的刻蚀阻挡层。因此，硬掩模层23由相对于刻蚀目标层22具有刻蚀选择性的无机材料形成。在本发明的本实施例中，硬掩模层23可以被形成为由无机材料形成的单层。例如， 硬掩模层23可以是氧化物层。随后，在硬掩模层23之上形成第一牺牲层M。第一牺牲层M为将在后续工艺中形成的第一光致抗蚀剂层图案25提供刻蚀余量。第一牺牲层M可以是顺序地层叠了非晶碳层和抗反射层的叠层。非晶碳层提供刻蚀余量，且当在后续工艺中形成第一光致抗蚀剂层图案25时，抗反射层防止第一光致抗蚀剂层图案25因光源的反射而变形并且提供刻蚀余量。关于抗反射层，可以使用氧氮化硅(SiON)层。
随后，在第一牺牲层对之上形成沿第一方向延伸的线/间隔型的第一光致抗蚀剂层图案25。第一光致抗蚀剂层图案25的线(L)与间隔(S)之比为1 1(L S)。参见图3B，使用第一光致抗蚀剂层图案25作为刻蚀阻挡层并刻蚀第一牺牲层24， 来形成第一牺牲层图案24A。随后，使用第一牺牲层图案24A作为刻蚀阻挡层来初次刻蚀硬掩模层23的一部分。这种刻蚀工艺称为初次刻蚀工艺，且初次刻蚀工艺是使硬掩模层23 凹陷一定厚度的部分刻蚀工艺。图3B所示的第一线图案101是线/间隔型结构，即，硬掩模层23被部分刻蚀后的突出部分。结果，在硬掩模层23中形成了沿第一方向延伸的第一线图案101。下文中，具有第一线图案101的硬掩模层23称为硬掩模图案23A。可以基于刻蚀目标层22的厚度Tl来控制经由初次刻蚀工艺形成在硬掩模图案 23A中的第一线图案101的高度(或厚度)T3。更具体而言，第一线图案101的厚度T3与刻蚀目标层22的厚度Tl成反比，所述刻蚀目标层22的厚度Tl与硬掩模图案23A的总厚度T2有关。可以在使用氟碳气体(CxFy，其中χ和y是自然数)、氟代甲烷气体(CxHyi^z，其中 x、y和ζ是自然数)或其混合气体作为刻蚀气体执行初次刻蚀工艺之后，添加从氧气(02)、 氮气(N2)、氦气(He)和氩气(Ar)中选择的至少一种来进一步执行初次刻蚀工艺，以使得第一线图案101的侧壁具有垂直轮廓。参见图3C，在去除第一光致抗蚀剂层图案25和第一牺牲层图案24A之后，执行清洗工艺以去除在初次刻蚀工艺期间产生的副产品。此处，可以经由清洗工艺来去除第一光致抗蚀剂层图案25和第一牺牲层图案24A。清洗工艺可以是干法清洗工艺或湿法清洗工艺。可以使用氮气(N2)、氧气 (O2)和氢气(H2)的混合气体来执行干法清洗工艺。可以使用氢氧化铵过氧化物混合物 (ammonium hydroxide peroxide mixture, APM)溶液或硫酸过氧化物混合物(sulfuric acid peroxide mixture, SPM)溶液来执行湿法清洗工艺。此处，APM溶液是氨水(NH4OH)、 过氧化氢(H2O2)和去离子水(H2O)的混合溶液，而SPM溶液是硫酸(H2SO4)、过氧化氢(H2O2) 和去离子水(H2O)的混合溶液。随后，在包括第一线图案101的硬掩模图案23A之上形成第二牺牲层沈。第二牺牲层26用作平坦化层并为将在后续工艺形成的第二光致抗蚀剂层图案27提供刻蚀余量。 因此，第二牺牲层沈可以被形成为顺序层叠了 SOC层和抗反射层的叠层。此处，SOC层用作平坦化层，同时提供刻蚀余量。在用于形成第二光致抗蚀剂层图案27的工艺期间，抗反射层防止第二光致抗蚀剂层图案27因光源的反射而变形，同时也提供刻蚀余量。关于抗反射层，可以使用氧氮化硅(SiON)层。SOC层是诸如非晶碳层的有机材料层。通过化学气相沉积(CVD)方法来形成非晶碳层并且非晶碳层具有比SOC层差的平坦化特性。通过旋涂法来形成SOC层并且SOC层具有相对优良的平坦化特性。当第二牺牲层沈使用SOC层作为平坦化层时，可以有效地防止在形成第二光致抗蚀剂层图案27的后续工艺期间因第一线图案101而导致的散焦效应。随后，在第二牺牲层沈之上形成沿第二方向延伸的线/间隔型的第二光致抗蚀剂层图案27，所述第二方向与第一方向交叉成直角。此处，第二光致抗蚀剂层图案27的线(L) 与间隔(S)之比为1 1(L S)。可以使用相同的掩模(或掩模板(reticle))来形成第一光致抗蚀剂层图案25和第二光致抗蚀剂层图案27。例如，第二光致抗蚀剂层图案27可以通过将第一光致抗蚀剂层图案25的掩模(或掩模板)旋转90°并使用旋转了的掩模来被形成。参见图3D和图3E，使用第二光致抗蚀剂层图案27作为刻蚀阻挡层来刻蚀第二牺牲层26，以便形成第二牺牲层图案21随后，使用第二牺牲层图案26A作为刻蚀阻挡层来刻蚀包括第一线图案101的硬掩模图案23A，以便形成沿第二方向延伸的第二线图案102。这称为二次刻蚀工艺。二次刻蚀工艺是刻蚀包括第一线图案101的硬掩模图案23A直至暴露刻蚀目标层22为止的完全刻蚀工艺。此处，形成在硬掩模图案23A的上部的第一线图案101可以通过二次刻蚀工艺而被投影至硬掩模图案23A的下部，如图3E所示(101A)。通过这种工艺，可以形成第一线图案101与第二线图案102彼此相交叉的结构。即，形成包括第一线图案IOlA和第二线图案 102的硬掩模图案23B。可以使用与用于形成第一线图案101的初次刻蚀工艺中所使用的刻蚀气体相同的刻蚀气体来执行用于形成第二线图案102的二次刻蚀工艺。这是因为包括第一线图案 IOlA和第二线图案102的硬掩模图案23A/2;3B是由有机材料层形成的单层。换言之，由于初次刻蚀工艺和二次刻蚀工艺为针对相同刻蚀目标而执行的刻蚀工艺，因此可以使用相同的刻蚀条件，例如刻蚀设备、刻蚀方法和刻蚀气体。更具体而言，使用氟碳气体(CxFy，其中χ及y为自然数)或氟代甲烷气体 (CxHyh，其中x、y及ζ为自然数)或其混合气体作为刻蚀气体来执行二次刻蚀工艺。可以通过添加从氧气(O2)、氮气(N2)、氦气(He)和氩气(Ar)中选择的至少一种来进一步执行二次刻蚀工艺，以使得第二线图案102的侧壁具有垂直轮廓。随后，在去除第二光致抗蚀剂层图案27和第二牺牲层图案26A之后，执行用于去除在二次刻蚀工艺期间产生的副产品的清洗工艺。可以通过清洗工艺去除第二光致抗蚀剂层图案27和第二牺牲层图案^A。清洗工艺可以是干法清洗工艺或湿法清洗工艺。可以使用氮气(N2)、氧气(O2)和氢气(H2)的混合气体来执行干法清洗工艺。可以使用氢氧化铵过氧化物混合物(APM)溶液或硫酸过氧化物混合物(SPM)溶液来执行湿法清洗工艺。此处，APM溶液是氨水(NH4OH)、 过氧化氢(H2O2)和去离子水(H2O)的混合溶液，且SPM溶液是硫酸(H2S04)、过氧化氢(H2O2) 和去离子水(H2O)的混合溶液。参见图3F，使用包括第一线图案IOlA和第二线图案102的硬掩模图案2 作为刻蚀阻挡层来对刻蚀目标层22进行刻蚀，以便形成多个接触孔观。用于形成接触孔观的刻蚀工艺包括使用溴化氢气(HBr)与氯气(Cl2)的混合气体作为刻蚀气体的初次刻蚀工艺和通过添加从氧气(O2)、氮气(N2)、氦气(He)和氩气(Ar)中选择的至少一种而执行的二次刻蚀工艺，以使得接触孔观的侧壁具有垂直轮廓。通过上述工艺，可以使用30nm以下工艺稳定地形成具有直径及间隔的接触孔28。 此处，由于包括第一线图案IOlA和第二线图案102的硬掩模图案2 是由无机材料层形成的单层，因此它可以防止接触孔观不对称地形成。另外，在第一和第二方向上相邻的接触孔观之间的间隔可以是均勻的。另外，减轻了硬掩模图案由诸如有机材料层与无机材料层的叠层的异质材料形成而导致的问题。此外，任何合理合适类型的材料可以用于硬掩模图案 23B0由于初次刻蚀工艺和二次刻蚀工艺的刻蚀目标材料相同，因此可以使用相同的刻蚀条件，例如刻蚀设备、刻蚀方法和刻蚀气体。因此，可以简化工艺并且可以提高半导体器件的产品合格率。图4A至图4E是描述根据本发明的第二实施例的用于在半导体器件中形成接触孔的方法的立体图。参见图4A，在形成有期望的结构的衬底41之上形成刻蚀目标层42。根据本发明的本实施例，通过后续工艺在刻蚀目标层42中形成接触孔。根据本发明的第二实施例，可以通过使用形成有接触孔的刻蚀目标层42作为刻蚀阻挡层并刻蚀衬底41来在衬底41中形成接触孔。刻蚀目标层42可以是多晶硅层。随后，在刻蚀目标层42之上形成硬掩模层45。硬掩模层45用作保护刻蚀目标层 42的刻蚀阻挡层。因此，硬掩模层45由相对于刻蚀目标层42具有刻蚀选择性的无机材料形成。在本发明的本实施例中，硬掩模层45可以被形成为顺序地层叠了第一无机材料层43 和第二无机材料层44的叠层。可以基于刻蚀目标层42的厚度Tl来控制硬掩模层45的厚度T4。硬掩模层45的厚度T4与刻蚀目标层42的厚度Tl成比例，以在用于形成接触孔的后续工艺期间提供足够的刻蚀余量。此处，也可以利用刻蚀目标层42的厚度Tl来控制构成硬掩模层45的第二无机材料层44的厚度T3。更具体而言，第二无机材料层44的厚度T3与刻蚀目标层42的厚度Tl成反比，所述刻蚀目标层42的厚度Tl与硬掩模层45的厚度T4有关。第一无机材料层43和第二无机材料层44可以由具有不同刻蚀速率的同质材料形成。第一无机材料层43和第二无机材料层44具有不同的刻蚀速率指的是一个无机材料层不受损而另一个无机材料层被图案化。第一无机材料层43的厚度T2和第二无机材料层44的厚度T3可以基于刻蚀目标层42的厚度Tl而不同(T2 Φ Τ3)。更具体而言，当第一无机材料层43厚于第二无机材料层44(Τ2 > T3)时，第一无机材料层43可以由具有比第二无机材料层44快的刻蚀速率的材料形成。此处，使用相同的刻蚀剂来比较刻蚀速率。例如，当第二无机材料层44由高密度等离子体(HDP)层形成时，第一无机材料层 44可以由硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)层形成，所述硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)层是具有与HDP层不同的刻蚀选择性的同质氧化物，但具有比HDP层快的刻蚀速率。随后，在硬掩模层45之上形成第一牺牲层46。第一牺牲层46为将在后续工艺中形成的第一光致抗蚀剂层图案47提供刻蚀余量。第一牺牲层46可以是顺序地层叠了非晶碳层和抗反射层的叠层。非晶碳层提供刻蚀余量；而当在后续工艺中形成第一光致抗蚀剂层图案47时，抗反射层防止第一光致抗蚀剂层图案47因光源的反射而变形并提供刻蚀余量。随后，在第一牺牲层46之上形成沿第一方向延伸的线/间隔型的第一光致抗蚀剂层图案47。第一光致抗蚀剂层图案47的线(L)与间隔(S)之比为1 1(L S)。随后，使用第一光致抗蚀剂层图案47作为刻蚀阻挡层来刻蚀第一牺牲层46，以便形成第一牺牲层图案46A。
参见图4B，使用第一牺牲层图案46A作为刻蚀阻挡层来刻蚀第二无机材料层44， 以便形成沿第一方向延伸的第一线图案44A。这种刻蚀工艺被称为初次刻蚀工艺，且初次刻蚀工艺是刻蚀硬掩模层45的一部分的部分刻蚀工艺，硬掩模层45的所述一部分是第二无机材料层44。在下文中，具有第一线图案44A的硬掩模层45被称为硬掩模图案45A。当第一无机材料层43和第二无机材料层44由同质氧化物材料形成时，在第一无机材料层43在形成第一线图案44A的工艺期间受到保护而免于受损的条件下，使用氧化物刻蚀气体来执行初次刻蚀。通过该条件，可以更加提高第一无机材料层43与第二无机材料层44之间的刻蚀选择性。随后，在去除了第一光致抗蚀剂层图案47和第一牺牲层图案46A之后，执行清洗工艺以去除在初次刻蚀工艺期间产生的副产品。此处，可以通过清洗工艺来去除第一光致抗蚀剂层图案47和第一牺牲层图案46A。参见图4C，在包括第一线图案44A的硬掩模图案45A之上形成第二牺牲层48。第二牺牲层48用作平坦化层并为将在后续的工艺中形成的第二光致抗蚀剂层图案49提供刻蚀余量。因此，第二牺牲层48可以被形成为顺序层叠了 SOC层和抗反射层的叠层。此处， SOC层用作平坦化层，同时提供刻蚀余量。抗反射层保护第二光致抗蚀剂层图案49使其免于变形，同时也提供刻蚀余量。随后，在第二牺牲层48之上形成沿第二方向延伸的线/间隔型的第二光致抗蚀剂层图案49，所述第二方向与第一方向交叉成直角。此处，第二光致抗蚀剂层图案49的线(L) 与间隔(S)之比为1 1(L S)。可以使用相同的掩模(或掩模板)形成第一光致抗蚀剂层图案47和第二光致抗蚀剂层图案49。例如，可以通过将第一光致抗蚀剂层图案47的掩模(或掩模板)旋转90°并使用旋转了的掩模来形成第二光致抗蚀剂层图案49。随后，使用第二光致抗蚀剂层图案49作为刻蚀阻挡层来刻蚀第二牺牲层48，以便形成第二牺牲层图案48A。参见图4D，使用第一线图案44A和第二牺牲层图案48A作为刻蚀阻挡层来刻蚀第一无机材料层43，以便形成沿第二方向延伸的第二线图案43A。这称为二次刻蚀工艺。二次刻蚀工艺是刻蚀包括第一线图案44A的硬掩模图案45A直至暴露刻蚀目标层42为止的完全刻蚀工艺。因此，形成了包括第一线图案44A和第二线图案43A的硬掩模图案45B。当第一无机材料层43和第二无机材料层44由同质材料形成时，在第一线图案44A 在用于形成第二线图案43A的工艺期间受到保护而免于受损的条件下，使用氧化物刻蚀气体来执行二次刻蚀工艺。通过使用此条件，可以更加改善第一无机材料层43与第二无机材料层44之间的刻蚀选择性。此处，尽管第一无机材料层43比第二无机材料层44厚，但由于第一无机材料层43 是由基于氧化物刻蚀气体的刻蚀速率比第二无机材料层44的刻蚀速率快的材料形成的， 因此可以保护第一线图案44A和第二线图案43A免于随着刻蚀时间增加而发生变形。刻蚀时间与刻蚀目标层的厚度成比例，且随着刻蚀时间变长，刻蚀负荷(etch load)增加且预先建立的结构和刻蚀目标层会受损和变形。随后，在去除第二光致抗蚀剂层图案49和第二牺牲层图案48A之后，执行用于去除在二次刻蚀工艺期间产生的副产品的清洗工艺。可以通过清洗工艺去除第二光致抗蚀剂层图案49和第二牺牲层图案48A。
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参见图4E，使用包括第一线图案44A和第二线图案48A的硬掩模图案45B作为刻蚀阻挡层来对刻蚀目标层42进行刻蚀，以便形成多个接触孔50。通过上述工艺，可使用30nm以下工艺稳定地形成具有直径及间隔的接触孔50。此处，由于提供第一线图案44A的第二无机材料层44和提供第二线图案43A的第一无机材料层43彼此具有刻蚀选择性，因此可以防止接触孔50不对称地形成。另外，在第一方向和第二方向上相邻的接触孔50之间的间隔可以是均勻的。另外，可以减轻硬掩模图案由诸如有机材料层与无机材料层的叠层的异质材料形成而导致的问题。另外，任何合理合适类型的材料可以用于硬掩模图案45B。由于初次刻蚀工艺和二次刻蚀工艺的刻蚀目标材料相同，因此可以使用相同的刻蚀条件，例如刻蚀设备、刻蚀方法和刻蚀气体。因此，可以简化工艺和可以增加半导体器件的产品合格率。图5A至图5E是描述根据本发明的第三实施例的用于在半导体器件中形成接触孔的方法的立体图。参见图5A，在形成有期望的结构的衬底61之上形成刻蚀目标层62。根据本发明的本实施例，通过后续工艺在刻蚀目标层62中形成接触孔。根据本发明的另一个实施例， 可以通过使用形成有接触孔的刻蚀目标层62作为刻蚀阻挡层并刻蚀衬底61，来在衬底61 中形成接触孔。刻蚀目标层62可以是多晶硅层。随后，在刻蚀目标层62之上形成硬掩模层66。硬掩模层66用作保护刻蚀目标层 62的刻蚀阻挡层。因此，硬掩模层66由相对于刻蚀目标层62具有刻蚀选择性的无机材料形成。在本发明的第三实施例中，硬掩模层66可以被形成为顺序地层叠了第一无机材料层 63、刻蚀停止层64和第二无机材料层65的叠层。可以基于刻蚀目标层62的厚度Tl来控制硬掩模层66的厚度T5。硬掩模层66的厚度T5与刻蚀目标层62的厚度Tl成比例，以在用于形成接触孔的后续工艺期间提供足够的刻蚀余量。此处，也可以通过刻蚀目标层62的厚度Tl来控制构成硬掩模层66的第二无机材料层65的厚度T4。更具体而言，第二无机材料层65的厚度T4与刻蚀目标层62的厚度Tl成反比，所述刻蚀目标层62的厚度Tl与硬掩模层66的厚度T5有关。刻蚀停止层64 被形成为具有比第一无机材料层63及第二无机材料层65薄的厚度T3，以减轻后续刻蚀工艺特别是二次刻蚀工艺期间的负荷。夹在第一无机材料层63与第二无机材料层65之间的刻蚀停止层64可以由相对于第一无机材料层63和第二无机材料层65具有刻蚀选择性的材料形成。这意味着具有刻蚀选择性的刻蚀停止层64和一个无机材料层不受损，而另一个无机材料层被图案化。此处，由于刻蚀停止层64相对于第一无机材料层63和第二无机材料层65具有刻蚀选择性，因此第一无机材料层63和第二无机材料层65可以由相同的无机材料形成。例如，第一无机材料层63和第二无机材料层65可以被形成为氧化物层。此处，刻蚀停止层64 可以被形成为氮化物层。在下文中，在本发明的本实施例中，描述了第一无机材料层63和第二无机材料层65由相同的无机材料形成的情况。与此同时，第一无机材料层63和第二无机材料层65可以由彼此具有刻蚀选择性的同质材料形成。例如，第一无机材料层63和第二无机材料层65可以分别被形成为BPSG 层和HDP层。由于BPSG层和HDP层为氧化物层，因此刻蚀停止层64可以被形成为氮化物层。另外，第一无机材料层63的厚度T2和第二无机材料层65的厚度T4可以基于刻蚀目标层62的厚度Tl而不同(T2 Φ Τ4)。更具体而言，当第一无机材料层63和第二无机材料层65由彼此具有刻蚀选择性的同质材料形成，且第一无机材料层63比第二无机材料层65 厚(Τ2 > Τ4)时，第一无机材料层63可以由具有比第二无机材料层65快的刻蚀速率的材料形成。随后，在硬掩模层66之上形成第一牺牲层67。第一牺牲层67为将在后续工艺中形成的第一光致抗蚀剂层图案68提供刻蚀余量。第一牺牲层67可以是顺序层叠了非晶碳层和抗反射层的叠层。非晶碳层提供刻蚀余量；而当在后续工艺中形成第一光致抗蚀剂层图案68时，抗反射层防止第一光致抗蚀剂层图案68因光源的反射而变形并提供刻蚀余量。随后，在第一牺牲层67之上形成沿第一方向延伸的线/间隔型的第一光致抗蚀剂层图案68。第一光致抗蚀剂层图案68的线(L)与间隔(S)之比为1 1(L S)。随后，使用第一光致抗蚀剂层图案68作为刻蚀阻挡层来刻蚀第一牺牲层67，以便形成第一牺牲层图案67A。参见图5B，使用第一牺牲层图案67A作为刻蚀阻挡层来刻蚀第二无机材料层65， 以便形成沿第一方向延伸的第一线图案65A。这种刻蚀工艺被称为初次刻蚀工艺，且初次刻蚀工艺是刻蚀硬掩模层66的一部分的部分刻蚀工艺，硬掩模层66的所述一部分是第二无机材料层65。在下文中，具有第一线图案65A的硬掩模层66被称为硬掩模图案66A。执行初次刻蚀工艺直至刻蚀停止层64暴露为止，且刻蚀停止层64可以保护第一无机材料层63在初次刻蚀工艺期间免于受损。随后，在去除第一光致抗蚀剂层图案68和第一牺牲层图案67A后，执行清洗工艺以去除在初次刻蚀工艺期间产生的副产品。此处，可以通过清洗工艺来去除第一光致抗蚀剂层图案68和第一牺牲层图案67A。参见图5C，在包括第一线图案65A的硬掩模图案66A之上形成第二牺牲层69。第二牺牲层69用作平坦化层并为将在后续工艺中形成的第二光致抗蚀剂层图案70提供刻蚀余量。因此，第二牺牲层69可以被形成为顺序层叠了 SOC层和抗反射层的叠层。此处，SOC 层用作平坦化层，同时提供刻蚀余量。在形成第二光致抗蚀剂层图案70的工艺期间，抗反射层保护第二光致抗蚀剂层图案70使其免于因光源的反射而变形，同时也提供刻蚀余量。随后，在第二牺牲层69之上形成沿第二方向延伸的线/间隔型的第二光致抗蚀剂层图案70，所述第二方向与第一方向交叉成直角。此处，第二光致抗蚀剂层图案70的线(L) 与间隔(S)的比为1 1(L S)。可以使用相同的掩模(或掩模板)来形成第一光致抗蚀剂层图案68和第二光致抗蚀剂层图案70。例如，可以通过将第一光致抗蚀剂层图案68的掩模(或掩模板)旋转90°并使用旋转了的掩模来形成第二光致抗蚀剂层图案70。随后，使用第二光致抗蚀剂层图案70作为刻蚀阻挡层来刻蚀第二牺牲层69，以便形成第二牺牲层图案69A。参见图5D，使用第一线图案65A和第二牺牲层图案69A作为刻蚀阻挡层来对刻蚀停止层64和第一无机材料层63进行刻蚀。这称为二次刻蚀工艺。二次刻蚀工艺是刻蚀包括第一线图案65A的硬掩模图案66A直至暴露刻蚀目标层62为止的完全刻蚀工艺。在二次刻蚀工艺期间，使用第一线图案65A和第二牺牲层图案69A作为刻蚀阻挡层来对刻蚀停止层64进行刻蚀，并将刻蚀停止层图案64A形成为网状图案。在二次刻蚀工艺期间，通过使用第一线图案65A、第二牺牲层图案69A和刻蚀停止层图案64A作为刻蚀阻挡层并刻蚀第一无机材料层63直至暴露刻蚀停止层62为止来形成沿第二方向延伸的第二线图案63A。因此，形成包括第一线图案65A和第二线图案63A的硬掩模图案66B。当第一无机材料层63和第二无机材料层65由相同的无机材料形成时，可以在与初次刻蚀工艺相同的刻蚀条件例如刻蚀设备、刻蚀方法和刻蚀气体下执行二次刻蚀工艺。 此处，由于相对于第一无机材料层63和第二无机材料层65具有刻蚀选择性的刻蚀停止层图案64A是无机材料层，因此可以在除了刻蚀气体之外的相同刻蚀条件下执行二次刻蚀工艺。此处，当第二无机材料层65比第一无机材料层63薄(T2 > T4)时，如果在与初次刻蚀工艺中相同的刻蚀条件下执行二次刻蚀工艺，则会全部消耗掉第一线图案65A。然而， 即使在二次刻蚀工艺期间将第一线图案65A全部去除，后续工艺也会因形成在第一线图案 65A的下部的刻蚀停止层图案64A而几乎不会受到影响。在本发明的本实施例中，为描述便利起见，图示出当二次刻蚀工艺完成时，第一线图案65A仍然保留。随后，在去除第二光致抗蚀剂层图案70和第二牺牲层图案69A之后，执行用于去除在二次刻蚀工艺期间产生的副产品的清洗工艺。可以通过清洗工艺去除第二光致抗蚀剂层图案70和第二牺牲层图案69A。参见图5E，使用包括网状的刻蚀停止层图案64A、第一线图案65A和第二线图案 63A的硬掩模图案66B作为刻蚀阻挡层来刻蚀刻蚀目标层62，以便形成多个接触孔71。通过上述工艺，可以使用30nm以下工艺稳定地形成具有直径及间隔的接触孔71。 此处，由于在提供第一线图案65A的第二无机材料层65与提供第二线图案63A的第一无机材料层63之间设置有刻蚀停止层图案64A，因此可以防止接触孔71不对称地形成。另外， 由于硬掩模图案66B全部由无机材料形成，因此可以有效地防止接触孔71不对称地形成。 另外，在第一方向和第二方向上相邻的接触孔71之间的间隔可以是均勻的。此外，可以减轻硬掩模图案由诸如有机材料层与无机材料层的叠层的异质材料形成而导致的问题。另外，任何合理合适类型的材料可以用于硬掩模图案66B。由于初次刻蚀工艺和二次刻蚀工艺的刻蚀目标材料相同，因此可以使用相同的刻蚀条件，例如刻蚀设备、刻蚀方法和刻蚀气体。因此，可以简化工艺且可以增加半导体器件的产品合格率。根据上文所描述的本发明的技术，通过将硬掩模层形成为无机材料层并通过两个刻蚀工艺使该硬掩模层包括第一线图案和第二线图案，可以稳定地形成适于30nm以下工艺的具有直径及间隔的接触孔，其中这两个刻蚀工艺是初次刻蚀工艺和二次刻蚀工艺。另外，根据上文所描述的本发明的技术，可以防止接触孔不对称地形成。另外，可以使在第一方向和第二方向上相邻的接触孔之间的间隔均勻。另外，本发明的技术使工艺简化且使产品合格率提高。虽然已经参照具体的实施例描述了本发明，但对于本领域技术人员而言将明显的是，在不脱离所附的权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种变化和修改。
权利要求
1.一种在半导体器件中形成接触孔的方法，包括以下步骤 在刻蚀目标层之上形成硬掩模层；通过初次刻蚀工艺刻蚀所述硬掩模层的一部分，而在所述硬掩模层中形成第一线图案；通过二次刻蚀工艺刻蚀包括所述第一线图案的所述硬掩模层，而形成与所述第一线图案相交叉的第二线图案；以及使用包括所述第一线图案和所述第二线图案的所述硬掩模层作为刻蚀阻挡层来刻蚀所述刻蚀目标层。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述硬掩模层被形成为具有一个无机材料层的单层或层叠了多个无机材料层的叠层。
3.如权利要求2所述的方法，其中，当所述硬掩模层被形成为所述单层时，在相同的刻蚀条件下执行所述初次刻蚀工艺和所述二次刻蚀工艺。
4.如权利要求2所述的方法，其中，当所述硬掩模层被形成为所述叠层时，所述多个无机材料层包括顺序层叠的第一无机材料层和第二无机材料层，所述第一无机材料层和所述第二无机材料层由同质的材料形成且彼此具有刻蚀选择性。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述第一无机材料层与所述第二无机材料层之中相对较厚的无机材料层是由刻蚀速率比相对较薄的无机材料层的刻蚀速率快的无机材料形成的。
6.如权利要求4所述的方法，其中，所述第一线图案是由通过所述初次刻蚀工艺刻蚀所述第二无机材料层而形成的，所述第二线图案是由通过所述二次刻蚀工艺刻蚀所述第一无机材料层而形成的。
7.如权利要求2所述的方法，其中，当所述硬掩模层是所述叠层时，所述多个无机材料层包括顺序层叠的第一无机材料层、刻蚀停止层和第二无机材料层，其中所述刻蚀停止层是由相对于所述第一无机材料层和所述第二无机材料层具有刻蚀选择性的无机材料形成。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述第一无机材料层和所述第二无机材料层是由相同的材料或由彼此具有刻蚀选择性的同质材料形成的。
9.如权利要求7所述的方法，其中，所述第一线图案是由通过所述初次刻蚀工艺刻蚀所述第二无机材料层而形成的，所述第二线图案是由通过所述二次刻蚀工艺刻蚀所述刻蚀停止层以形成网状图案之后刻蚀所述第一无机材料层而形成的。
10.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一线图案的厚度与所述刻蚀目标层的厚度成反比，所述刻蚀目标层的厚度与所述硬掩模层的总厚度有关。
11.一种形成半导体器件的方法，包括以下步骤 在刻蚀目标层之上形成硬掩模层；通过初次刻蚀工艺刻蚀所述硬掩模层的一部分，而在所述硬掩模层中形成第一线图案；在包括所述第一线图案的所述硬掩模层之上形成平坦化层； 选择性地刻蚀所述平坦化层而形成图案；使用所述第一线图案和所述图案作为刻蚀阻挡层并通过二次刻蚀工艺刻蚀包括所述第一线图案的所述硬掩模层，而形成与所述第一线图案相交叉的第二线图案；去除所述图案；以及使用包括所述第一线图案和所述第二线图案的所述硬掩模层作为刻蚀阻挡层，来刻蚀所述刻蚀目标层。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述硬掩模层被形成为具有一个无机材料层的单层或层叠了多个无机材料层的叠层。
13.如权利要求12所述的方法，其中，当所述硬掩模层被形成为所述单层时，在相同的刻蚀条件下执行所述初次刻蚀工艺和所述二次刻蚀工艺。
14.如权利要求12所述的方法，其中，当所述硬掩模层被形成为所述叠层时，所述多个无机材料层包括顺序层叠的第一无机材料层和第二无机材料层，所述第一无机材料层和所述第二无机材料层是由同质的材料形成但彼此具有刻蚀选择性。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述第一无机材料层与所述第二无机材料层之中的相对较厚的无机材料层是由刻蚀速率比相对较薄的无机材料层的刻蚀速率快的无机材料形成的。
16.如权利要求12所述的方法，其中，当所述硬掩模层为所述叠层时，所述多个无机材料层包括顺序层叠的第一无机材料层、刻蚀停止层和第二无机材料层，其中所述刻蚀停止层是由相对于所述第一无机材料层和所述第二无机材料层具有刻蚀选择性的无机材料形成的。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述第一无机材料层和所述第二无机材料层是由相同材料或由彼此具有刻蚀选择性的同质材料形成的。
18.如权利要求16所述的方法，其中，所述第一线图案是由通过所述初次刻蚀工艺来刻蚀所述第二无机材料层而形成的，所述第二线图案是由通过所述二次刻蚀工艺在刻蚀所述刻蚀停止层以形成网状图案之后刻蚀所述第一无机材料层而形成的。
19.如权利要求11所述的方法，其中，在所述初次刻蚀工艺期间被刻蚀得所述硬掩模层的厚度与所述刻蚀目标层的厚度成反比，所述刻蚀目标层的厚度与所述硬掩模层的总厚度有关。
全文摘要
本发明涉及一种用于在半导体器件中形成接触孔的方法，包括以下步骤在刻蚀目标层之上形成硬掩模层；通过经由初次刻蚀工艺刻蚀硬掩模层的一部分而在硬掩模层中形成第一线图案；通过经由二次刻蚀工艺刻蚀包括第一线图案的硬掩模层而形成与第一线图案相交叉的第二线图案；以及通过使用包括第一线图案和第二线图案的硬掩模层作为刻蚀阻挡层来对刻蚀目标层进行刻蚀。
文档编号H01L21/768GK102263057SQ201010578450
公开日2011年11月30日 申请日期2010年12月8日 优先权日2010年5月31日
发明者宣俊劦, 方钟植, 李圣权, 李相晤 申请人:海力士半导体有限公司