圖案化方法與流程

2023-05-06 11:30:06

本發明涉及一種製造方法，且特別是涉及一種圖案化方法。

背景技術：

隨著半導體元件正以更高的集成度為目標而朝向微型化的元件發展，必須縮小半導體元件尺寸以增進其集成度。為了縮小半導體元件的尺寸，減小線寬、減小線距與提高圖案轉移的精確度是必需解決的課題。通過改進光刻製作工藝為其中一種解決上述課題的手段，通過現有浸潤式光刻(Immersion Lithography)，可得到較小的線寬或線距，但欲得到更小的線寬或線距需使用具有極紫外光(EUV,Extreme Ultraviolet)的曝光技術。然而，上述曝光技術卻無法用於大量生產而且需要高昂的設備成本。

自對準雙重圖案化(SADP,Self-Aligned Double Patterning)為另一種解決上述課題的手段。通過在掩模圖案的側壁上形成第一間隙壁，移除掩模圖案並在第一間隙壁側壁形成第二間隙壁，最後將第一間隙壁移除，以第二間隙壁作為掩模進行圖案化製作工藝的技術。通過自對準雙重圖案化，可以使所得到的線寬或線距縮小至一般的光刻蝕刻製作工藝的線寬或線距的一半。

然而，傳統的自對準雙重圖案化製作工藝中，由於第一間隙壁左右兩邊不對稱，導致後續形成第二間隙壁時，其形狀受第一間隙壁的形狀影響，使第二間隙壁左右兩邊不對稱的情況更嚴重。而在後續以第二間隙壁作為掩模進行圖案化製作工藝時，無法精確地將圖案轉移至待圖案化的材料層。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種圖案化方法，可精確地將圖案轉移至待圖案化的材料層。

為達上述目的，本發明提供一種圖案化方法，包括下列步驟。提供材料層。在材料層上形成多個掩模結構，掩模結構由材料層起依序包括第一掩模層與第一光致抗蝕劑層。在材料層上共形地形成覆蓋掩模結構的第二掩模 層。至少於掩模結構之間的第二掩模層上形成第一犧牲層。移除部分第二掩模層而暴露出第一光致抗蝕劑層，以於相鄰的掩模結構之間形成第一U型掩模層。移除第一光致抗蝕劑層與第一犧牲層。在第一掩模層與第一U型掩模層上共形地形成第三掩模層，其中第三掩模層具有第一表面與第二表面，第一表面高於第二表面。至少於第三掩模層的第二表面上形成第二犧牲層。移除部分第三掩模層而暴露出第一U型掩模層的突出部，以於第一U型掩模層的突出部之間形成第二U型掩模層。以第二U型掩模層的突出部為掩模，對材料層進行圖案化。

依照本發明的一實施例所述，在上述的圖案化方法中，對材料層進行圖案化方法包括下列步驟。以第二U型掩模層的突出部為掩模，移除第一U型掩模層的突出部與第二犧牲層。移除位於第二U型掩模層的突出部之間的第二U型掩模層、未被第二U型掩模層的突出部覆蓋的第一掩模層、第一U型掩模層與材料層。

依照本發明的一實施例所述，在上述的圖案化方法中，在材料層上形成掩模結構的步驟包括下列步驟。在材料層上依序形成第一掩模材料層與第一光致抗蝕劑層。以第一光致抗蝕劑層為掩模移除部分第一掩模材料層。

依照本發明的一實施例所述，在上述的圖案化方法中，第一掩模層與第二掩模層的材料可為相同材料。

照發明的一實施例所述，在上述的圖案化方法中，第三掩模層的材料例如是不同於第一掩模層的材料與第二掩模層的材料。

依照本發明的一實施例所述，在上述的圖案化方法中，第一U型掩模層的突出部與第二U型掩模層的突出部的形狀包括矩形。

依照本發明的一實施例所述，在上述的圖案化方法中，第一掩模層、第二掩模層與第三掩模層的形成方法分別包括化學氣相沉積法或原子層沉積法。

依照本發明的一實施例所述，在上述的圖案化方法中，第一犧牲層與第二犧牲層的形成方法分別包括旋轉塗布法。

依照本發明的一實施例所述，在上述的圖案化方法中，移除部分第二掩模層與移除部分第三掩模層的方法分別包括乾式蝕刻法。

依照本發明的一實施例所述，在上述的圖案化方法中，移除第一光致抗蝕劑層、第一犧牲層與第二犧牲層的方法分別包括溼式蝕刻法、乾式蝕刻法 或等離子體清洗法。

基於上述，本發明的圖案化方法中，通過使用U型掩模層的突出部作為掩模，可精確地將所需的圖案轉移至待圖案化的材料層。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附的附圖作詳細說明如下。

附圖說明

圖1A到圖1H為本發明的一實施例所繪示的一種對材料層進行圖案化的剖面示意圖；

圖2A到圖2K為本發明的另一實施例所繪示的一種對材料層進行圖案化的剖面示意圖。

符號說明

110、210：材料層

111、211：掩模結構

112、116、130、212、216、230：掩模層

114、214：光致抗蝕劑層

118、136、218、236：犧牲層

120、140、220、240：U型掩模層

122、142、222、242：突出部

132、134、232、234、235：表面

124、144、224、244：底部

213：預保留區域

219、237、239、246：圖案化光致抗蝕劑層

具體實施方式

圖1A到圖1H為依照本發明的一實施例所繪示的一種對材料層進行圖案化的剖面示意圖。

請參照圖1A，首先，提供材料層110。材料層110例如是基底或位於基底上的材料層。材料層110例如是矽基底、多晶矽、金屬或金屬矽化物等。材料層110的形成方法例如是化學氣相沉積法。

在材料層110上形成多個掩模結構111，掩模結構111由材料層110起 依序包括掩模層112與光致抗蝕劑層114。形成掩模結構111的方法例如是先於材料層110上依序形成掩模材料層(未繪示)與光致抗蝕劑層114，再以光致抗蝕劑層114為掩模移除部分掩模材料層而形成。光致抗蝕劑層114的形成方法例如是進行光刻製作工藝而形成。掩模材料層的形成方法例如是化學氣相沉積法或原子層沉積法，掩模材料層的材料例如是氮化矽或氧化矽。在此實施例中，掩模材料層的材料例如是氮化矽。

請參照圖1B，在材料層110上共形地形成覆蓋掩模結構111的掩模層116。掩模層116的形成方法例如是化學氣相沉積法或原子層沉積法，掩模層116的材料例如是氮化矽或氧化矽，其中掩模層116的材料與掩模層112的材料可為相同材料。在此實施例中，掩模層116的材料例如是氮化矽。在使用原子層沉積法形成掩模層116時，可在常溫或室溫進行製作工藝，所以能確保在形成覆蓋於其上的掩模層116的過程中，掩模結構111中的光致抗蝕劑114不易因高溫產生分解或形變，使掩模層116能維持所需的形狀，而有助於後續形成的U型掩模層120(請參照圖1C)與U型掩模層140(請參照圖1F)也維持所需的形狀，使得在以U型掩模層140的突出部142為掩模進行圖案化時，可精確地將所需的圖案轉移至待圖案化的材料層110。

接著，至少於掩模結構111之間的掩模層116上形成犧牲層118。在此實施例中，犧牲層118是以完全覆蓋掩模層116為例來進行說明。犧牲層118的形成方法例如是旋轉塗布法(Spin Coating)，犧牲層118的材料例如可採用底部抗反射層(BARC,Bottom Anti-Reflective Coating)的材料，如有機材料。

請參照圖1C，移除部分掩模層116而暴露出光致抗蝕劑層114，以於相鄰的掩模結構111之間形成U型掩模層120。U型掩模層120例如是具有2個突出部122與1個底部124。在移除部分掩模層116的過程中，同時會移除至少一部分的犧牲層118。在此實施例中，是以在掩模結構111之間的掩模層116上殘留有犧牲層118為例來進行說明。因此，可通過犧牲層118來保護U型掩模層120的突出部122的下部與U型掩模層120的底部124。在移除部分掩模層116而形成U型掩模層120的過程中，雖然U型掩模層120的突出部122的上部可能有少量的損耗，但突出部122的形狀基本上可維持所需的形狀，例如是近似於矩形，而有助於後續形成的U型掩模層140(請參照圖1F)也維持所需的形狀，使得在以U型掩模層140的突出部142為掩模進行圖案化時，可精確地將所需的圖案轉移至待圖案化的材料層110。移 除部分掩模層116的方法例如是乾式蝕刻法。

請參照圖1D，移除光致抗蝕劑層114與犧牲層118。移除光致抗蝕劑層114與犧牲層118的方法例如是溼式蝕刻法、乾式蝕刻法或等離子體清洗法。在此實施例中，光致抗蝕劑層114與犧牲層118是以同時移除為例來進行說明，但本發明並不以此為限。在其他實施中，可先移除犧牲層118再移除光致抗蝕劑層114，也可先移除光致抗蝕劑層114再移除犧牲層118。於此技術領域具有通常知識者可依照製作工藝需求來決定移除光致抗蝕劑層114與犧牲層118的先後順序。

接著，在掩模層112與U型掩模層120上共形地形成掩模層130，其中掩模層130具有表面132與表面134，表面132高於表面134。掩模層130的形成方法例如是化學氣相沉積法或原子層沉積法，掩模層130的材料例如是氮化矽或氧化矽。掩模層130的材料例如是不同於掩模層112的材料與掩模層116的材料。在此實施例中，掩模層130的材料例如是氧化矽。

請參照圖1E，至少於掩模層130的表面134上形成犧牲層136。在此實施例中，犧牲層136是以完全覆蓋掩模層130為例來進行說明。犧牲層136的形成方法例如是旋轉塗布法，犧牲層136的材料例如可採用底部抗反射層的材料，如有機材料。

請參照圖1F，移除部分掩模層130而暴露出U型掩模層120的突出部122，以於U型掩模層120的突出部122之間形成U型掩模層140。U型掩模層140例如是具有2個突出部142與1個底部144。在移除部分部分掩模層130的過程中，同時會移除至少一部分的犧牲層136。在此實施例中，是以在掩模層130的表面134上殘留有犧牲層136為例來進行說明。因此，可通過犧牲層136來保護U型掩模層140的突出部142的下部與U型掩模層140的底部144。在移除部分掩模層130而形成U型掩模層140的過程中，雖然U型掩模層140的突出部142的上部可能有少量的損耗，但突出部142的形狀基本上可維持所需的形狀，例如是近似於矩形，由此在以U型掩模層140的突出部142為掩模進行圖案化時，可精確地將所需的圖案轉移至待圖案化的材料層110。移除部分掩模層130的方法例如是乾式蝕刻法。

請參照圖1G，以U型掩模層140的突出部142為掩模，移除U型掩模層120的突出部122與犧牲層136。移除U型掩模層120的突出部122的方法例如是乾式蝕刻法。移除犧牲層136的方法例如是溼式蝕刻法、乾式蝕刻 法或等離子體清洗法。在此實施例中，U型掩模層120的突出部122與犧牲層136是以同時移除為例來進行說明，但本發明並不以此為限。在其他實施中，可先移除U型掩模層120的突出部122再移除犧牲層136，也可先移除犧牲層136再移除U型掩模層120的突出部122。於此技術領域具有通常知識者可依照製作工藝需求來決定移除U型掩模層120的突出部122與犧牲層136的先後順序。

請參照圖1H，以U型掩模層140的突出部142為掩模，移除位於U型掩模層140的突出部142之間的U型掩模層140(亦即，圖1G中U型掩模層140的底部144)、未被U型掩模層140的突出部142覆蓋的掩模層112、U型掩模層120與材料層110。移除位於U型掩模層140的突出部142之間的U型掩模層140、未被U型掩模層140的突出部142覆蓋的掩模層112、U型掩模層120與材料層110的方法例如是乾式蝕刻法。

此外，在移除未被U型掩模層140的突出部142覆蓋的掩模層112、U型掩模層120與材料層110的過程中，經圖案化的掩模層112與U型掩模層120也可作為硬掩模(Hard Mask)，而將圖案轉移至材料層110。依據後續製作工藝的需求，可保留部分位於經圖案化材料層110上的掩模層112與U型掩模層120(如圖1H所示)，或完全移除掩模層112與U型掩模層120。

由圖1G與圖1H可知，可通過U型掩模層140的突出部142為掩模，對材料層110進行圖案化。然而，對材料層110進行圖案化的方法並不限於圖1G與圖1H的方式，只要是以U型掩模層140的突出部142為掩模來對材料層110進行圖案化即屬於本發明所保護的範圍。

在本實施例中，掩模結構111的寬度可設定為3F，掩模結構111之間的距離可設定為5F，掩模層112、掩模層116、掩模層130的厚度可設定為F，而使得轉移至材料層110上的圖案的特徵尺寸(Feature Size)為F。當然，本發明的精神不局限於此，可依據最後線寬或線距的需求，調整上述實施例的參數，例如各掩模結構的寬度、各掩模結構之間的距離、掩模層的厚度。

基於上述實施例可知，在上述圖案化方法中，通過使用U型掩模層140的突出部142作為掩模，可精確地將所需的圖案轉移至待圖案化的材料層110。

圖2A到圖2K為依照本發明的另一實施例所繪示的一種對材料層進行圖案化的剖面示意圖。

請參照圖2A，提供材料層210。材料層210例如是基底或設置於基底上的材料層。材料層210的材料例如是矽基底、多晶矽、金屬或金屬矽化物。材料層210的形成方法例如是化學氣相沉積法。

然後，在材料層210上形成多個掩模結構211，掩模結構211由材料層210起依序包括掩模層212與光致抗蝕劑層214。材料層210中虛線框起的預保留區域213為經圖案化製作工藝後需保留下來的較大區域的材料層210。形成多個掩模結構211的方法例如是先於材料層210上依序形成掩模材料層(未繪示)與光致抗蝕劑層214，再以光致抗蝕劑層214為掩模移除部分掩模材料層而形成。光致抗蝕劑層214的形成方法例如是進行光刻製作工藝而形成。掩模材料層的形成方法例如是化學氣相沉積法或原子層沉積法，掩模材料層的材料例如是氮化矽或氧化矽。在此實施例中，掩模材料層的材料例如是氮化矽。

請參照圖2B，在材料層210上共形地形成覆蓋掩模結構211的掩模層216。掩模層216的形成方法例如是化學氣相沉積法或原子層沉積法，掩模層216的材料例如是氮化矽或氧化矽，其中掩模層216的材料與掩模層212的可為相同材料。在此實施例中，掩模層216的材料例如是氮化矽。在使用原子層沉積法形成掩模層216時，可在常溫或室溫進行製作工藝，所以能確保在形成覆蓋於其上的掩模層216的製作工藝中，掩模結構211中的光致抗蝕劑214不易因高溫產生分解或形變，使掩模層216能維持所需的形狀，而有助於後續形成的U型掩模層220(請參照圖2C)與U型掩模層240(請參照圖2F)也維持所需的形狀，使得在以U型掩模層240的突出部242為掩模進行圖案化時，可精確地將所需的圖案轉移至材料層210。

接著，至少於掩模結構211之間的掩模層216上形成犧牲層218。在此實施例中，犧牲層218是以完全覆蓋掩模層216為例來進行說明。犧牲層218的形成方法例如是旋轉塗布法，犧牲層218的材料例如可採用底部抗反射層的材料，如有機材料。

然後，在犧牲層218上形成圖案化光致抗蝕劑層219，其中圖案化光致抗蝕劑層219至少覆蓋預保留區域213中的掩模結構211。圖案化光致抗蝕劑層219的形成方法例如是進行光刻製作工藝而形成。

請參照圖2C，以圖案化光致抗蝕劑層219為掩模，移除部分掩模層216而暴露出光致抗蝕劑層214，以於未被圖案化光致抗蝕劑層219覆蓋的相鄰 的掩模結構211之間形成U型掩模層220。U型掩模層220例如是具有2個突出部222與1個底部224。在移除部分掩模層216的過程中，同時會移除至少一部分的犧牲層218。在此實施例中，是以在掩模結構211之間的掩模層216上殘留有犧牲層218以及保留圖案化光致抗蝕劑層219下方的犧牲層218、掩模結構211與掩模層216為例來進行說明。因此，可通過犧牲層218來保護U型掩模層220的突出部222的下部與U型掩模層220的底部224。在移除部分掩模層216而形成U型掩模層220的過程中，雖然U型掩模層220的突出部222的上部可能有少量的損耗，但突出部222的形狀基本上可維持所需的形狀，例如是近似於矩形，而有助於後續形成的U型掩模層240(請參照圖2F)也維持所需求的形狀，使得在以U型掩模層240的突出部242為掩模進行圖案化時，可精確地將所需的圖案轉移至待圖案化的材料層210。移除部分掩模層216的方法例如是乾式蝕刻法。

請參照圖2D，移除圖案化光致抗蝕劑層219、所暴露出的光致抗蝕劑層214與犧牲層218。其中，預保留區域213中的光致抗蝕劑層214受其上方掩模層216的保護而未經移除。移除圖案化光致抗蝕劑層219、所暴露出的光致抗蝕劑層214與犧牲層218的方法例如是溼式蝕刻法、乾式蝕刻法或等離子體清洗法。在此實施例中，圖案化光致抗蝕劑層219、所暴露出的光致抗蝕劑層214與犧牲層218是以同時移除為例來進行說明，但本發明並不以此為限。於此技術領域具有通常知識者可依照製作工藝需求來決定移除圖案化光致抗蝕劑層219、所暴露出的光致抗蝕劑層214與犧牲層218的先後順序。

接著，在掩模層212、掩模層216與U型掩模層220上共形地形成掩模層230，其中掩模層230具有表面232、表面234與表面235，表面235高於表面232，且表面232高於表面234。掩模層230的形成方法例如是化學氣相沉積法或原子層沉積法，掩模層230的材料例如是氮化矽或氧化矽。掩模層230的材料例如是不同於掩模層212的材料與掩模層216的材料。在此實施例中，掩模層230的材料例如是氧化矽。

請參照圖2E，至少於掩模層230的表面234上形成犧牲層236。在此實施例中，犧牲層236是以完全覆蓋掩模層230為例來進行說明。犧牲層236的形成方法例如是旋轉塗布法，犧牲層236的材料例如可採用底部抗反射層的材料，如有機材料。

接著，在犧牲層236上形成圖案化光致抗蝕劑層237，其中圖案化光致抗蝕劑層237至少覆蓋預保留區域213中的掩模層230的表面232上方的犧牲層236。圖案化光致抗蝕劑層237的形成方法例如是進行光刻製作工藝而形成。

請參照圖2F，以圖案化光致抗蝕劑層237為掩模，移除部分掩模層230而暴露出U型掩模層220的突出部222，以於U型掩模層220的突出部222之間形成U型掩模層240。U型掩模層240例如是具有2個突出部242與1個底部244。在移除部分掩模層230的過程中，同時會移除一部分的犧牲層236。在此實施例中，是以在掩模層230的表面234上殘留有犧牲層236以及保留圖案化光致抗蝕劑層237下的犧牲層236、掩模層230、掩模層216與掩模結構211為例來進行說明。因此，可通過犧牲層236來保護U型掩模層240的突出部242的下部與U型掩模層240的底部244。在移除部分掩模層230而形成U型掩模層240的過程中，雖然U型掩模層240的突出部242的上部可能有少量的損耗，但突出部242的形狀基本上可維持所需的形狀，例如是近似於矩形，由此在以U型掩模層240的突出部242為掩模進行圖案化時，可精確地將所需的圖案轉移至待圖案化的材料層210。移除部分掩模層230的方法例如是乾式蝕刻法。

請參照圖2G，以U型掩模層240的突出部242為掩模，移除暴露出的U型掩模層220的突出部222、圖案化光致抗蝕劑層237與犧牲層236。移除U型掩模層220的突出部222的方法例如是乾式蝕刻法。移除圖案化光致抗蝕劑層237與犧牲層236的方法例如分別是溼式蝕刻法、乾式蝕刻法或等離子體清洗法。在此實施例中，暴露出的U型掩模層220的突出部222、圖案化光致抗蝕劑層237與犧牲層236是以同時移除為例來進行說明，但本發明並不以此為限。於此技術領域具有通常知識者可依照製作工藝需求來決定移除暴露出的U型掩模層220的突出部222、圖案化光致抗蝕劑層237與犧牲層236的先後順序。

請參照圖2H，在掩模層230上形成圖案化光致抗蝕劑層239，其中圖案化光致抗蝕劑層239至少覆蓋預保留區域213中的掩模層230的表面234。圖案化光致抗蝕劑層239的形成方法例如是進行光刻製作工藝而形成。

請參照圖2I，在預保留區域213以外的區域中，以U型掩模層240的突出部242為掩模，移除位於U型掩模層240的突出部242之間的U型掩 模層240(亦即圖2H中U型掩模層240中底部244)、未被U型掩模層240的突出部242覆蓋的掩模層212、掩模層216、U型掩模層220與材料層210。同時，由於在預保留區域213中的材料層210上具有掩模結構211、掩模層216、掩模層230與圖案化光致抗蝕劑239作為掩模，因此部分掩模層212與掩模層216未被移除而保留下來。移除位於U型掩模層240的突出部242之間的U型掩模層240、未被U型掩模層240的突出部242覆蓋的掩模層212、掩模層216、U型掩模層220與材料層210的方法例如是乾式蝕刻法。

此外，在移除未被U型掩模層240的突出部242覆蓋的掩模層212、掩模層216、U型掩模層220與材料層210的過程中，經圖案化的掩模層212、掩模層216與U型掩模層220也可作為硬掩模(Hard Mask)，而將圖案轉移至材料層110。依據後續製作工藝的需求，可保留部分位於經圖案化材料層210上的掩模層212、掩模層216與U型掩模層220(如圖2I所示)，或完全移除掩模層212、掩模層216與U型掩模層220。

由圖2H與圖2I可知，可通過U型掩模層240的突出部242為掩模，對材料層210進行圖案化。然而，對材料層210進行圖案化的方法並不限於圖2H與圖2I的方式，只要是以U型掩模層240的突出部242為掩模來對材料層210進行圖案化即屬於本發明所保護的範圍。

在本實施例中，掩模結構211的寬度可設定為3F，掩模結構211之間的距離可設定為5F，掩模層212、掩模層216、掩模層230的厚度例如是F，而使得轉移至材料層210上的圖案的特徵尺寸為F。當然，本發明的精神不局限於此，可依據最後線寬與線距的需求，調整上述實施例的參數，例如各掩模結構的寬度、各掩模結構之間的距離、掩模層的厚度、圖案化光致抗蝕劑層的寬度。

預保留區域213的寬度可通過後續的光刻、蝕刻製作工藝再進行調整。請參照圖2J，在材料層210上形成圖案化光致抗蝕劑層246。圖案化光致抗蝕劑層246的形成方法例如是進行光刻製作工藝而形成。接著，請參照圖2K，以圖案化光致抗蝕劑層246為掩模，移除部分掩模層212、216、220與部分材料層210。移除部分材料層210的方法例如是乾式蝕刻法。接著，移除圖案化光致抗蝕劑層246。移除圖案化光致抗蝕劑層246的方法例如是溼式蝕刻法、乾式蝕刻法或等離子體清洗法。通過此方法即可調整預保留區域213的寬度以及移除不需要的部分材料層210的部分。

基於上述實施例可知，在上述圖案化方法中，通過使用U型掩模層240的突出部242作為掩模，可精確地將所需的圖案轉移至待圖案化的材料層210。

雖然結合以上實施例公開了本發明，然而其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍應當以附上的權利要求所界定的為準。