自对准图形化方法及半导体器件与流程

1.本发明涉及集成电路制造技术领域，特别涉及一种自对准图形化方法及半导体器件。


背景技术：

2.在半导体制造领域，光刻胶材料用于将掩膜图形转移到一层或多层的材料层中，例如将掩膜图形转移到金属层、介质层或半导体衬底中。但随着芯片集成度的不断提高，半导体工艺的特征尺寸不断缩小，芯片制造工艺由平面工艺转到立体finfet(fin-field-effect-transistor，鳍式场效应晶体管)工艺，利用光刻工艺在材料层中形成小特征尺寸的掩膜图形变得越来越困难。
3.为了提高半导体器件的集成度，业界已提出了多种双重图形工艺，例如：自对准双重图形(self-aligned quadruple patterning，saqp)工艺和自对准四次图形(self-aligned double patterning，saqp)工艺。在自对准图形传递过程中，侧墙刻蚀工艺起着承上启下的作用，侧墙的形貌很大程度上决定传递到下面的图形的质量，影响下层图形形貌，以及影响着良率的高低。
4.现有的自对准四次图形工艺具体请参考图1～图4所示。首先，如图1所示，在衬底10上形成第二停止层11、第二芯轴层12、第一停止层13、第一芯轴层14与光刻胶层15。接着，如图2所示，图形化所述光刻胶层，以图形化的所述光刻胶层为掩膜刻蚀所述第一芯轴层14，形成多个第一芯轴16。接着，如图3所示，采用原子层沉积法形成第一侧墙17，所述第一侧墙17覆盖所述第一芯轴16的侧壁及顶部。然后如图4所示，去除第一芯轴16，剩下所述第一侧墙17。之后，将所述第一侧墙17的图形向下传递得到第二芯轴，原子层沉积形成第二侧墙，然后去除第二芯轴，剩下第二侧墙的图形，向下继续传递得到最后的图形结构。
5.在刻蚀形成芯轴和去除芯轴时，都需要有足够的过刻蚀量，是为了避免残留结构的存在，但是这样会造成底部停止层高度在侧墙内外的差异。请参考图2与图5所示，在形成第一芯轴16的过程中，对所述第一芯轴层14进行过刻蚀，至刻蚀部分高度的所述第一停止层13，此时所述第一停止层13具有高度差h1。请参考图4与图6所示，在去除所述第一侧墙16之间的所述第一芯轴16时，也会进行过刻蚀，导致所述第一停止层13被刻蚀部分高度h2，因此，在去除所述第一芯轴16之后，所述第一停止层13在所述第一侧墙17内外会具有h1+h2的高度差。并且第一停止层13高度差异形成后，后续会逐渐累积，最终导致图形质量不高，缺陷的发生概率增加，从而造成良率的损失。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种自对准图形化方法及半导体器件，在形成侧墙之后，在去除芯轴之前，形成覆盖停止层的保护层，在去除芯轴时保护层对停止层起到了保护作用，从而减小侧墙内外的停止层的高度差异，减小了缺陷的发生。
7.为解决上述技术问题，本发明提供一种自对准图形化方法，包括以下步骤：
8.提供一衬底，在所述衬底上依次形成停止层与芯轴层；
9.刻蚀所述芯轴层以形成多个芯轴；
10.形成侧墙，所述侧墙覆盖所述芯轴的侧壁；
11.形成保护层，所述保护层覆盖所述停止层，并至少暴露出所述芯轴的顶部；以及
12.依次去除所述芯轴与所述保护层。
13.可选的，刻蚀所述芯轴层以形成芯轴的步骤包括：
14.形成光刻胶层，所述光刻胶层覆盖所述芯轴层；
15.形成图形化的光刻胶层；
16.以图形化的所述光刻胶层为掩膜，刻蚀所述芯轴层以形成多个芯轴；以及
17.去除图形化的所述光刻胶层。
18.可选的，在刻蚀所述芯轴层以形成所述芯轴的过程中，对所述芯轴层进行过刻蚀，至刻蚀部分高度的所述停止层，被刻蚀去除的所述停止层的高度为h。
19.可选的，去除所述芯轴的过程中，对所述芯轴进行过刻蚀，至刻蚀部分高度的所述停止层，被刻蚀去除的所述停止层的高度为h。
20.可选的，对所述芯轴进行过刻蚀的刻蚀时间为h/v，其中v代表所述停止层的刻蚀速率。
21.可选的，采用原子层沉积法形成所述侧墙。
22.可选的，形成侧墙，所述侧墙覆盖所述芯轴的侧壁的步骤包括：
23.形成侧墙材料层，所述侧墙材料层覆盖所述芯轴的侧壁及顶部；
24.刻蚀所述侧墙材料层，至暴露出所述芯轴的顶部，以形成所述侧墙。
25.可选的，形成保护层，所述保护层覆盖所述停止层，并至少暴露出所述芯轴的顶部的步骤包括：
26.形成保护材料层，所述保护材料层覆盖所述停止层、所述侧墙与所述芯轴；
27.刻蚀部分高度的所述保护材料层，暴露出所述芯轴的顶部，以形成所述保护层；所述保护层的上表面高于所述停止层的上表面，并低于所述侧墙的顶部。
28.可选的，所述保护层的材质包含光刻胶。
29.相应的，本发明还提供一种半导体器件，包含采用如上所述的自对准图形化方法制作而成的结构。
30.综上所述，本发明提供的一种自对准图形化方法及半导体器件具有以下优点：
31.1、在形成覆盖芯轴侧壁的侧墙之后，先形成保护层，保护层覆盖停止层并至少暴露出芯轴的顶部，之后再去除芯轴，保护层能够在去除芯轴的过程中保护停止层，避免停止层受到损失高度降低，从而减小停止层在侧墙内外的高度差异，减小工艺过程中缺陷的发生率，提高图形传递的质量，提高产品良率。
32.2、在刻蚀芯轴层以形成芯轴的过程中，对所述芯轴层进行过刻蚀，至刻蚀部分高度的停止层，被刻蚀去除的停止层的高度为h，然后在去除所述芯轴的过程中，对所述芯轴进行过刻蚀，使得所述芯轴底部的所述停止层被刻蚀部分高度h，从而保证侧墙内外的所述停止层的高度一致，进一步减小工艺过程中缺陷的发生率，提高图形传递的质量，提高产品良率。
附图说明
33.本领域的普通技术人员应当理解，提供的附图用于更好地理解本发明，而不对本发明的范围构成任何限定。
34.图1-4是一自对准四次图形化方法的各步骤结构示意图；
35.图5-6是第一停止层的高度差示意图；
36.图7是本发明一实施例提供的自对准图形化方法的流程图；
37.图8-15是本发明一实施例提供的自对准图形化方法的各步骤结构示意图；
38.图16-17是停止层的高度差示意图。
39.图1至图6中：
40.10-衬底；11-第二停止层；12-第二芯轴层；13-第一停止层；14-第一芯轴层；15-光刻胶层；16-第一芯轴；17-第一侧墙。
41.图7至图14中：
42.100-衬底；110-停止层；120-芯轴层；130-光刻胶层；140-芯轴；150-侧墙材料层；160-侧墙；170-保护材料层；180-保护层。
具体实施方式
43.为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
44.如在本发明中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，术语“若干”通常是以包括“至少一个”的含义而进行使用的，术语“至少两个”通常是以包括“两个或两个以上”的含义而进行使用的，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者至少两个该特征，除非内容另外明确指出外。
45.图7是本发明一实施例提供的自对准图形化方法的流程图。
46.如图7所示，所述自对准图形化方法包括以下步骤：
47.s1：提供一衬底，在所述衬底上依次形成停止层与芯轴层；
48.s2：刻蚀所述芯轴层以形成多个芯轴；
49.s3：形成侧墙，所述侧墙覆盖所述芯轴的侧壁；
50.s4：形成保护层，所述保护层覆盖所述停止层，并至少暴露出所述芯轴的顶部；
51.s5：依次去除所述芯轴与所述保护层。
52.图8-15是本发明一实施例提供的自对准图形化方法的各步骤结构示意图，接下来，将结合图7与图8～图15对本发明一实施例所提供的自对准图形化方法进行详细说明。
53.在步骤s1中，请参照图8所示，提供一衬底100，在所述衬底100上依次形成停止层110与芯轴层120。
54.所述衬底10的材质可以为硅、锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟等，所述衬底10还可以为绝缘体上的硅衬底或者绝缘体上的锗衬底等其他类型的衬底。所述停止层110的
材质可以是氧化硅、氮化硅以及氮氧化硅中的其中一种，所述芯轴层120的材质可以是多晶硅、无定形硅以及无定形碳中的其中一种。
55.在所述衬底100与所述停止层110之间还可以形成有停止层(未图示)与芯轴层(未图示)，即可以在所述衬底100上依次形成停止层、芯轴层、停止层与芯轴层，由于对每一层的芯轴层所进行的工艺步骤比较类似，本实施例中仅示出了一层停止层110与一层芯轴层120。
56.在步骤s2中，请参照图8与图9所示，刻蚀所述芯轴层120以形成多个芯轴140。
57.具体的，首先，形成光刻胶层130，所述光刻胶层130覆盖所述芯轴层120。所述光刻胶层130可以是正性光刻胶，也可以是负性光刻胶。接着，对所述光刻胶层130进行曝光与显影，形成图形化的光刻胶层。之后，以图形化的所述光刻胶层为掩膜，对所述芯轴层120进行刻蚀以形成多个芯轴140。最后，去除图形化的所述光刻胶层，例如可以采用湿法刻蚀去除图形化的所述光刻胶层，也可以采用灰化工艺去除图形化的所述光刻胶层。
58.在对所述芯轴层120进行刻蚀的过程中，为了保证不需要形成所述芯轴140的区域内的所述芯轴层120被完全刻蚀，会对所述芯轴层120进行过刻蚀，至刻蚀部分高度的所述停止层110，被刻蚀去除的所述停止层110的高度为h。请参考图16所示，在形成所述芯轴140之后，所述停止层110具有高度差h，即位于所述芯轴140底部的所述停止层110的高度高于其余区域内的所述停止层110的高度，且高度差为h。
59.在步骤s3中，请参照图10与图11所示，形成侧墙160，所述侧墙160覆盖所述芯轴140的侧壁。
60.具体的，首先，请参考图10所示，形成侧墙材料层150，所述侧墙材料层150覆盖所述芯轴140的侧壁及顶部，并覆盖所述停止层110。所述侧墙材料层150的材质可以是氮化硅、氧化硅或本领域技术人员已知的任意合适的材料，所述侧墙材料层150优选采用原子层沉积法形成，当然，在其他实施例中也可以采用物理气相沉积、化学气相沉积等方法形成。
61.接着，请参考图11所示，刻蚀所述侧墙材料层150，至暴露出所述芯轴140的顶部，以形成所述侧墙160，此时所述停止层110上的所述侧墙材料层150也被刻蚀去除。具体的，所述侧墙材料层150相对于所述芯轴140与所述停止层110具有较高的刻蚀选择比，即对所述侧墙材料层150的刻蚀速率大于对所述芯轴140与对所述停止层110的刻蚀速率，在刻蚀所述侧墙材料层150的过程中不会破坏所述芯轴140与所述停止层110。可以根据终点检测刻蚀控制刻蚀时间。
62.在步骤s4中，请参照图12与图13所示，形成保护层180，所述保护层180覆盖所述停止层110，并至少暴露出所述芯轴140的顶部。
63.在本实施例中，所述保护层180覆盖所述停止层110，暴露出所述芯轴140与所述侧墙160的顶部，并包围所述侧墙160的部分侧壁。即所述保护层180的上表面高于所述停止层110的上表面，且低于所述芯轴140与所述侧墙160的顶部，所述保护层180的上表面可以位于所述停止层110的上表面与所述侧墙160的顶部之间的任意区域。
64.具体的，首先，请参考图12所示，形成保护材料层170，所述保护材料层170覆盖所述停止层110、所述侧墙160与所述芯轴140。所述保护材料层170的材质优选为光刻胶，即直接在图11所示的结构上涂覆光刻胶层，所述光刻胶层覆盖所述停止层110、所述侧墙160与所述芯轴140。
65.接着，请参考图13所示，刻蚀部分高度的所述保护材料层170，暴露出所述芯轴140的顶部，以形成所述保护层180。对所述保护材料层170进行回刻以形成保护层180，所述保护层180的作用在于在下一刻蚀步骤中对所述停止层110进行保护，因此所述保护层180的上表面介于所述侧墙160顶端与所述停止层110的上表面之间即可，即所述保护层180覆盖所述停止层110并包围部分高度的所述侧墙160。在该刻蚀步骤中，所述保护材料层170相对于所述侧墙160、所述芯轴140具有较高的刻蚀选择比，即对所述保护材料层170的刻蚀速率大于对所述侧墙160以及对所述芯轴140的刻蚀速率，在刻蚀所述保护材料层170的过程中不会破坏所述侧墙160与所述芯轴140。
66.在步骤s5中，请参照图14与图15所示，依次去除所述芯轴140与所述保护层180。
67.首先，请参照图14所示，去除所述芯轴140。刻蚀去除所述芯轴140的过程中，由于所述保护层180的保护，该刻蚀过程不会对未被所述芯轴140覆盖的所述停止层110造成损失。
68.将一个所述芯轴140的相对两个侧壁上的两个侧墙160作为一组侧墙，所述芯轴140去除之后，该组侧墙之间的区域称为侧墙内，该组侧墙之外的区域称为侧墙外。在步骤s2中，对所述芯轴层120过刻蚀导致侧墙外的所述停止层110具有高度损失h，即侧墙内的所述停止层110的高度比侧墙外的所述停止层110的高度高h(请参考图16)。在该步骤中，由于所述保护层180的保护，侧墙外的所述停止层110的高度不会造成损失，为了保证侧墙内外的所述停止层110的高度保持一致，对所述芯轴140进行过刻蚀，至侧墙内的所述停止层110被刻蚀部分高度，被刻蚀去除的所述停止层的高度为h，这样可以保证侧墙内外的所述停止层110的高度一致，请参考图14与图17所示。
69.对所述芯轴140进行过刻蚀，所述过刻蚀的刻蚀时间为h/v，其中，v代表所述停止层的刻蚀速率110。
70.接着，请参考图15所示，去除所述保护层180。对所述保护层180进行刻蚀，在所述保护层180的材质为光刻胶的情况下，可以采用采用湿法刻蚀去除，也可以采用灰化工艺去除，不会对所述停止层110造成影响。
71.形成如图15所示的结构之后，还可以包括：以所述侧墙160为掩膜对所述停止层110进行刻蚀。在所述衬底100与所述停止层110之后还形成有一层停止层与一层芯轴层的情况下，将侧墙160的图形转移至所述芯轴层中，可以采用同样的工艺步骤得到另一侧墙，而不会造成侧墙内外所述停止层的高度差，最后可以将该侧墙的图形传递至衬底中，或者在衬底与停止层之间还设置待刻蚀材料层，将侧墙的图形传递至刻蚀材料层，得到最后的图形结构。
72.本发明所提供的自对准图形化方法中，在形成覆盖所述芯轴140侧壁的侧墙160之后，先形成保护层180，保护层180覆盖停止层110并至少暴露出所述芯轴140的顶部，之后再去除芯轴140，保护层180能够在去除芯轴140的过程中保护停止层110，避免停止层110受到损失高度降低，从而减小停止层110在侧墙内外的高度差异，减小工艺过程中缺陷的发生率，提高图形传递的质量，提高产品良率。
73.进一步的，在刻蚀芯轴层120以形成芯轴140的过程中，对所述芯轴层120进行过刻蚀，至刻蚀部分高度的停止层110，被刻蚀去除的所述停止层110的高度为h，然后在去除所述芯轴140的过程中，对所述芯轴140进行过刻蚀，使得所述芯轴底部的所述停止层110被刻
蚀部分高度h，从而保证侧墙内外的所述停止层110的高度一致，进一步减小工艺过程中缺陷的发生率，提高图形传递的质量，提高产品良率。
74.相应的，本发明还提供一种半导体器件，包含如上所述的自对准图形化方法制作而成的结构。
75.综上所述，本发明提供的一种自对准图形化方法及半导体器件，在形成覆盖所述芯轴侧壁的侧墙之后，先形成保护层，保护层覆盖停止层并至少暴露出芯轴的顶部，之后再去除芯轴，保护层能够在去除芯轴的过程中保护停止层，避免停止层受到损失高度降低，从而减小停止层在侧墙内外的高度差异，减小工艺过程中缺陷的发生率，提高图形传递的质量，提高产品良率。
76.进一步的，在刻蚀芯轴层以形成芯轴的过程中，对所述芯轴层进行过刻蚀，至刻蚀部分高度的停止层，被刻蚀去除的停止层的高度为h，然后在去除所述芯轴的过程中，对所述芯轴进行过刻蚀，使得所述芯轴底部的所述停止层被刻蚀部分高度h，从而保证侧墙内外的所述停止层的高度一致，进一步减小工艺过程中缺陷的发生率，提高图形传递的质量，提高产品良率。
77.上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。