形成柵極圖案的方法以及半導體裝置的製作方法

2023-04-29 20:20:01

專利名稱：形成柵極圖案的方法以及半導體裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及形成柵極圖案的方法以及具有所述柵極圖案的半導體裝置。本發明尤其涉及形成交錯排列的柵極圖案的方法以及具有所述柵極圖案的半導體裝置。
背景技術：
為了使得半導體裝置的密度、尤其是柵極的密度最大化，通常需要形成交錯排列的柵極圖案。例如，這種柵極圖案包含沿第一方向相互平行的多個柵極條，各柵極條被間隙斷開。並且，所述間隙位於沿基本垂直於第一方向的第二方向相互平行的多個條帶區中，但是，各條帶區中的間隙並不是連續的，即，各條帶區中存在跨過柵極條而相鄰的間隙。 在目前的半導體製造エ藝中，為了形成交錯排列的柵極圖案，普遍採用雙重構圖(,double patterning)技木。圖IA IB示出常規的雙重構圖技術中形成的修整槽(trimming slot)和利用修整槽得到的柵極圖案。參見圖1A，在線蝕刻後獲得的多個相互平行的柵極條上設置具有修整槽的掩摸。修整槽的位置對應於將柵極條斷開的間隙的位置。由於要形成交錯排列的柵極圖案，因此修整槽的位置是交錯排列的。然後，參見圖1B，在對柵極條進行修整槽蝕刻後，形成了交錯排列的柵極圖案。圖2A 2D具體地示出採用常規的雙重構圖技術來形成交錯排列的柵極圖案的一種方法。首先，如圖2A所示，通過第一光刻處理，形成具有相互平行且連續延伸的多個開ロ的抗蝕劑(resist)圖案210。接著，如圖2B所示，以所述抗蝕劑圖案210為掩模進行第ー蝕刻處理，從而在襯底250上形成多個相互平行且連續延伸的柵極材料條260。然後，如圖2C所示，通過第二光刻處理，形成具有修整槽的抗蝕劑圖案220。最後，如圖2D所示，以所述抗蝕劑圖案220為掩模進行第二蝕刻處理，以在襯底250上的柵極材料條260中形成交錯排列的間隙，從而形成交錯排列的柵極圖案。圖3A 3E具體地示出採用常規的雙重構圖技術來形成交錯排列的柵極圖案的另ー種方法。這種方法在柵極材料層上額外地形成硬掩模層。在利用類似的方法形成交錯排列的硬掩模圖案之後，將所述硬掩模圖案轉移到下面的柵極材料層，從而形成交錯排列的柵極圖案。首先，如圖3A所示，通過第一光刻處理，形成具有相互平行且連續延伸的多個開ロ的抗蝕劑圖案310。接著，如圖3B所示，以所述抗蝕劑圖案310為掩模進行第一蝕刻處理，從而在襯底350上的柵極材料層360上形成多個相互平行且連續延伸的硬掩模條370。然後，如圖3C所示，通過第二光刻處理，形成具有修整槽的抗蝕劑圖案320。接下來，如圖3D所示，以所述抗蝕劑圖案320為掩模進行第二蝕刻處理，以在襯底350上的柵極材料層360上的硬掩模條370中形成交錯排列的間隙，從而形成交錯排列的硬掩模圖案。最後，如圖3E所示，以所述硬掩模圖案為掩模進行第三蝕刻處理，從而形成交錯排列的柵極圖案。在利用上述任ー種方法形成柵極圖案(例如，多晶矽柵極圖案)後，可以進ー步將柵極的材料替換為金屬，從而形成交錯排列的金屬柵極圖案。本發明的發明人對以上形成交錯排列的柵極圖案的方法進行了深入研究，發現存在以下的問題。第一，在深亞微米的領域內，需要對修整槽的尺寸、尤其是修整槽的縱向尺寸Hl(參見圖2C和圖3C，其對應於將柵極條斷開的間隙的長度)進行嚴格控制，這導致修整槽的光刻エ藝窗ロ很小。第二，在深亞微米的領域內，由於修整槽光刻的エ藝限制(margin)，導致所得到的修整槽的角部顯著地變圓，即所得到的修整槽並不是所希望的長方形(參見圖1A)。並且，在進行修整槽蝕刻以後，所得到的柵極的角部相應地是尖鋭的，而不是所希望的直角(參見圖1B)。這樣，無法精確地控制柵極圖案的形狀和尺寸，從而對半導體裝置的性能造成不利影響。並且，如果要採用金屬柵極結構，則當將柵極的材料替換為金屬時，柵極的尖鋭的 角部導致難以填充金屬，這也會對半導體裝置的性能造成不利影響。

發明內容
鑑於以上問題提出本發明。本發明的ー個方面的目的是，提供ー種形成柵極圖案的方法以及具有所述柵極圖案的半導體裝置，其中，形成所述柵極圖案的方法相比於現有技術的方法能夠具有較大的光刻エ藝窗ロ。本發明的另ー個方面的目的是，提供ー種形成柵極圖案的方法以及具有所述柵極圖案的半導體裝置，其中，形成所述柵極圖案的方法相比於現有技術的方法能夠較好地控制柵極圖案的形狀和尺寸。本發明的再ー個方面的目的是，提供ー種形成柵極圖案的方法以及具有所述柵極圖案的半導體裝置，其中，形成所述柵極圖案的方法能夠很好地應用於先進半導體エ藝。根據本發明的第一方面，提供ー種形成柵極圖案的方法，所述柵極圖案包含沿第一方向相互平行的多個柵極條，各柵極條被間隙斷開，所述間隙位於沿基本垂直於第一方向的第二方向相互平行的多個條帶區中，各條帶區中存在跨過所述柵極條而相鄰的所述間隙。其特徵在於，所述方法包括以下步驟提供在襯底上的沿第一方向相互平行且連續延伸的多個疊層結構，所述疊層結構由柵極材料條和其上的蝕刻阻擋條構成；在包含所述疊層結構的所述襯底上形成第二抗蝕劑層；對第二抗蝕劑層進行第二光刻處理以選擇性地留下多個第二抗蝕劑區，各第二抗蝕劑區各自位於跨過所述柵極條而相鄰的將形成的所述間隙之間；以第二抗蝕劑區為掩模，通過第二蝕刻處理，選擇性地去除所述疊層結構中的蝕刻阻擋條；在經第二蝕刻處理後的所述襯底上形成第三抗蝕劑層；對第三抗蝕劑層進行第三光刻處理，以形成沿第二方向相互平行且連續延伸的多個開ロ ；以及以經第三光刻處理後的第三抗蝕劑層為掩摸，通過第三蝕刻處理，形成所述間隙，從而形成所述柵極圖案。優選地，提供所述疊層結構的步驟進一歩包括以下步驟在襯底上的柵極材料層上依次形成蝕刻阻擋層和第一抗蝕劑層；對第一抗蝕劑層進行第一光刻處理，以形成沿第一方向相互平行且連續延伸的多個開ロ；以及以經第一光刻處理後的第一抗蝕劑層為掩模，通過第一蝕刻處理，將所述蝕刻阻擋層和所述柵極材料層形成為所述疊層結構。優選地，所述形成柵極圖案的方法進ー步包括以下步驟在形成所述柵極圖案之後，將所述柵極條的材料替 換為金屬。優選地，第一光刻處理是線/間隔類型的光刻處理，線與間隔之比在I : 5至5 I的範圍內，並且節距在20nm至200nm的範圍內；以及第三光刻處理是線/間隔類型的光刻處理，線與間隔之比在I : 5至5 : I的範圍內，並且節距在20nm至2000nm的範圍內。優選地，通過第二光刻處理獲得的所述第二抗蝕劑區的形狀是正方形、長方形、圓形和橢圓形之中的任ー種。優選地，第一蝕刻處理、第二蝕刻處理和第三蝕刻處理是幹蝕刻處理。優選地，第一蝕刻處理中蝕刻阻擋層對柵極材料層的蝕刻選擇比在I : 10至I 200的範圍內；第二蝕刻處理中柵極材料條對蝕刻阻擋條的蝕刻選擇比在I : 10至I 50的範圍內；以及第三蝕刻處理中蝕刻阻擋條對柵極材料條的蝕刻選擇比在I : 10至I 200的範圍內。優選地，所述柵極材料條和所述蝕刻阻擋條的材料分別為多晶矽和矽氧化物。優選地，所述跨過所述柵極條而相鄰的所述間隙之間的柵極條數量為I至5。根據本發明的第二方面，提供ー種形成柵極圖案的方法，所述柵極圖案包含沿第一方向相互平行的多個柵極條，各柵極條被間隙斷開，所述間隙位於沿基本垂直於第一方向的第二方向相互平行的多個條帶區中，各條帶區中存在跨過所述柵極條而相鄰的所述間隙。其特徵在於，所述方法包括以下步驟提供在襯底上的柵極材料層上的沿第一方向相互平行且連續延伸的多個疊層結構，所述疊層結構由硬掩模條和其上的蝕刻阻擋條構成；在包含所述疊層結構的所述襯底上形成第二抗蝕劑層；對第二抗蝕劑層進行第二光刻處理以選擇性地留下多個第二抗蝕劑區，各第二抗蝕劑區各自位於跨過所述柵極條而相鄰的將形成的所述間隙之間；以第二抗蝕劑區為掩模，通過第二蝕刻處理，選擇性地去除所述疊層結構中的蝕刻阻擋條；在經第二蝕刻處理後的所述襯底上形成第三抗蝕劑層；對第三抗蝕劑層進行第三光刻處理，以形成沿第二方向相互平行且連續延伸的多個開ロ ；以經第三光刻處理後的第三抗蝕劑層為掩模，通過第三蝕刻處理，在所述硬掩模條中形成間隙；以及以經第三蝕刻處理後的所述硬掩模條為掩模，通過第四蝕刻處理，形成所述柵極圖案。優選地，提供所述疊層結構的步驟進一歩包括以下步驟在襯底上的柵極材料層上依次形成硬掩模層、蝕刻阻擋層和第一抗蝕劑層；對第一抗蝕劑層進行第一光刻處理，以形成沿第一方向相互平行且連續延伸的多個開ロ ；以及以經第一光刻處理後的第一抗蝕劑層為掩模，通過第一蝕刻處理，將所述蝕刻阻擋層和所述硬掩模層形成為所述疊層結構。優選地，所述形成柵極圖案的方法進ー步包括以下步驟在形成所述柵極圖案之後，將所述柵極條的材料替換為金屬。優選地，第一光刻處理是線/間隔類型的光刻處理，線與間隔之比在I : 5至5 I的範圍內，並且節距在20nm至200nm的範圍內；以及第三光刻處理是線/間隔類型的光刻處理，線與間隔之比在I : 5至5 : I的範圍內，並且節距在20nm至2000nm的範圍內。優選地，通過第二光刻處理獲得的所述第二抗蝕劑區的形狀是正方形、長方形、 圓形和橢圓形之中的任ー種。優選地，第一蝕刻處理、第二蝕刻處理、第三蝕刻處理和第四蝕刻處理是幹蝕刻處理。優選地，第一蝕刻處理中硬掩模層對蝕刻阻擋層的蝕刻選擇比與柵極材料層對硬掩模層的蝕刻選擇比都在I : 10至I : 50的範圍內；第二蝕刻處理中硬掩模條對蝕刻阻擋條的蝕刻選擇比在I : 2至I : 50的範圍內；第三蝕刻處理中蝕刻阻擋條對硬掩模條的蝕刻選擇比在I : 50至I : 200的範圍內；以及第四蝕刻處理中硬掩模條對柵極材料層的蝕刻選擇比在I : 10至I : 200的範圍內。優選地，所述柵極材料層、所述硬掩模條和所述蝕刻阻擋條的材料分別為多晶矽、矽氧化物和矽氮化物。優選地，所述跨過所述柵極條而相鄰的所述間隙之間的柵極條數量為I至5。根據本發明的第三方面，提供一種半導體裝置，所述半導體裝置具有柵極圖案，所述柵極圖案包含沿第一方向相互平行的多個柵極條，各柵極條被間隙斷開，所述間隙位於沿基本垂直於第一方向的第二方向相互平行的多個條帶區中，各條帶區中存在跨過所述柵極條而相鄰的所述間隙。其特徵在幹，在所述跨過所述柵極條而相鄰的所述間隙之間，在所 述柵極條上形成有蝕刻阻擋條。根據本發明的上述各個方面，由於引入了蝕刻阻擋層並事先在將形成間隙的位置之間選擇性地留下蝕刻阻擋層，使得可以將同一條帶區中的多個不連續的間隙作為ー個連續延伸的間隙來一體地形成，從而將柵極修整圖案從光刻較難實現的槽狀變為光刻較易實現的線/間隔形狀。相比於現有技術的方法，雖然本發明的方法需要額外的光刻和蝕刻步驟(由於需要三次光刻步驟，因此可被稱為三重構圖技木)，但是其能夠具有較大的光刻エ藝窗ロ，井能夠較好地控制柵極圖案的形狀和尺寸。本發明能夠很好地應用於先進半導體エ藝。


被包含於說明書中並構成其一部分的附圖示出本發明的實施例，並與描述一起用於解釋本發明的原理。要注意的是，在附圖中，為了便於描述，各個部分的尺寸可能並不是按照實際的比例關係繪製的。圖IA IB示出常規的雙重構圖技術中形成的修整槽和利用修整槽得到的柵極圖案。其中，圖IA示出在多個相互平行的柵極條上設置的具有修整槽的掩模；圖IB示出修整槽蝕刻後得到的交錯排列的柵極圖案。圖2A 2D示出採用常規的雙重構圖技術來形成交錯排列的柵極圖案的ー種方法。其中，圖2A示出第一光刻處理後的具有相互平行的多個開ロ的抗蝕劑圖案；圖28示出第一蝕刻處理後的相互平行的多個柵極條；圖2C示出第二光刻處理後的具有修整槽的抗蝕劑圖案；圖2D示出第二蝕刻處理後的交錯排列的柵極圖案。圖3A 3E示出採用常規的雙重構圖技術來形成交錯排列的柵極圖案的另ー種方法。其中，圖3A示出第一光刻處理後的具有相互平行的多個開ロ的抗蝕劑圖案；圖3B示出第一蝕刻處理後的相互平行的多個硬掩模條；圖3C示出第二光刻處理後的具有修整槽的抗蝕劑圖案；圖3D示出第二蝕刻處理後的交錯排列的硬掩模圖案；圖3E示出第三蝕刻處理後的交錯排列的柵極圖案。圖4示意性地示出根據本發明第一實施例的形成柵極圖案的方法的流程圖。圖5A 51是示意性地示出根據本發明第一實施例的形成柵極圖案的方法中的各步驟的平面圖和截面圖。其中，圖5A是示出第一光刻處理後的具有相互平行的多個開ロ的抗蝕劑圖案的平面圖；圖5B和圖5C分別是示出第一蝕刻處理後的相互平行的多個由柵極材料條和蝕刻阻擋條構成的疊層結構的平面圖和截面圖(沿圖5B中的虛線切取)；圖 是示出第二光刻處理後的抗蝕劑圖案的平面圖；圖5E和圖5F分別是示出第二蝕刻處理後的所述多個疊層結構的平面圖和截面圖(沿圖5E中的虛線切取)；圖56是示出第三光刻處理後的具有相互平行的多個開ロ的抗蝕劑圖案的平面圖；圖5H和圖51分別是示出第三蝕刻處理後的交錯排列的柵極圖案的平面圖和截面圖(沿圖5H中的虛線切取)。圖6示意性地示出根據本發明第二實施例的形成柵極圖案的方法的流程圖。圖7A 7K是示意性地示出根據本發明第二實施例的形成柵極圖案的方法中的各步驟的平面圖和截面圖。其中，圖7A是示出第一光刻處理後的具有相互平行的多個開ロ的抗蝕劑圖案的平面圖；圖7B和圖7C分別是示出第一蝕刻處理後的相互平行的多個由硬掩模條和蝕刻阻擋條構成的疊層結構的平面圖和截面圖(沿圖7B中的虛線切取)；圖7D是示出第二光刻處理後的抗蝕劑圖案的平面圖；圖7E和圖7F分別是示出第二蝕刻處理後的 所述多個疊層結構的平面圖和截面圖(沿圖7E中的虛線切取)；圖76是示出第三光刻處理後的具有相互平行的多個開ロ的抗蝕劑圖案的平面圖；圖7H和圖71分別是示出第三蝕刻處理後的交錯排列的硬掩模圖案的平面圖和截面圖(沿圖7H中的虛線切取)；圖7了和圖7K分別是示出第四蝕刻處理後的交錯排列的柵極圖案的平面圖和截面圖(沿圖7J中的虛線切取)。從參照附圖對示例性實施例的以下詳細描述，本發明的目的、特徵和優點將變得明顯。
具體實施例方式下面參照附圖詳細描述本發明的示例性實施例。應注意，以下的描述在本質上僅是解釋性的。除非另外特別說明，否則，在實施例中闡述的部件和步驟並不限制本發明的範圍。另外，本領域技術人員已知的技術、方法和裝置可能不被詳細討論，但在適當的情況下意在成為說明書的一部分。第一實施例在本發明的第一實施例中，為了形成交錯排列的柵極圖案，在襯底上的柵極材料層上形成有蝕刻阻擋層並事先在將形成間隙的位置之間選擇性地留下蝕刻阻擋層，使得可以將同一條帶區中的多個不連續的間隙作為ー個連續延伸的間隙來一體地形成，從而將柵極修整圖案從光刻較難實現的槽狀變為光刻較易實現的線/間隔形狀。這使得本發明的第一實施例的方法能夠具有較大的光刻エ藝窗ロ，井能夠較好地控制柵極圖案的形狀和尺寸。圖4示意性地示出根據本發明第一實施例的形成柵極圖案的方法的流程圖。圖5A 51是示意性地示出根據本發明第一實施例的形成柵極圖案的方法中的各步驟的平面圖和截面圖。下面參照圖4以及圖5A 51詳細描述本發明的第一實施例。首先，提供在襯底上的沿第一方向相互平行且連續延伸的多個疊層結構，所述疊層結構由柵極材料條和其上的蝕刻阻擋條構成。這例如可以通過圖4中的步驟410 430獲得。
具體而言，在圖4的步驟410中，在襯底上的柵極材料層上依次形成蝕刻阻擋層和第一抗蝕劑層。襯底例如可以由矽製成，其上面可以具有很薄的柵氧化層(圖中未示出)。柵極材料層例如可以由多晶矽製成，其厚度為loo A 1000人。蝕刻阻擋層例如可以由矽氧化物製成，其厚度為50 A 1000人。在圖4的步驟420中，對第一抗蝕劑層進行第一光刻處理，以形成具有沿第一方向相互平行且連續延伸的多個開ロ的抗蝕劑圖案510 (參見圖5A)。第一光刻處理是線/間隔類型的光刻處理，例如，線與間隔之比在I : 5至5 I的範圍內，並且節距(即，一條線與一條間隔所組成的最小重複單元的寬度)在20nm至200nm的範圍內。第一光刻處理可以採用諸如幹法光刻、浸沒光刻、超紫外線(EUV，Extreme Ultra-Violet)光刻或電子束光刻等的光刻技術。在圖4的步驟430中，以抗蝕劑圖案510為掩模，通過第一蝕刻處理，形成在襯底上的沿第一方向相互平行且連續延伸的多個疊層結構，所述疊層結構由柵極材料條560和其上的蝕刻阻擋條580構成(參見圖5B 5C)。第一蝕刻處理例如是標準的高蝕刻選擇 比的幹蝕刻處理，蝕刻阻擋層對柵極材料層的蝕刻選擇比例如在I : 10至I : 200的範圍內。順便提及的是，在第一蝕刻處理後，可以在同一個蝕刻室中將抗蝕劑圖案510灰化棹。所述灰化例如可以採用基於O2氣體的標準エ藝。這同樣可以適用於以下的蝕刻步驟。順便提及的是，可以使用填平劑(例如BARC等)將第一蝕刻處理後形成的圖案的中間填平，在下一次蝕刻後將填平劑灰化去掉，並在再下一次光刻前重新將圖案的中間填平(圖中未示出)。接著，在圖4的步驟440中，在包含疊層結構的襯底上形成第二抗蝕劑層。在圖4的步驟450中，對第二抗蝕劑層進行第二光刻處理以選擇性地留下多個第ニ抗蝕劑區520，各第二抗蝕劑區520各自位於跨過柵極條而相鄰的將形成的間隙之間(參見圖OT)。這裡的條帶區指的是如上所述的將柵極條斷開的間隙所位於的區域。第二光刻處理可以採用諸如幹法光刻、浸沒光刻、EUV光刻或電子束光刻等的光刻技術。另外，對第二抗蝕劑區520的形狀沒有特別的限制，其例如可以是正方形、長方形、圓形和橢圓形之中的任ー種。圖中示出的第二抗蝕劑區520的形狀為圓形。相對而言，第二抗蝕劑區520的沿第一方向(平行於柵極條的方向)的尺寸H2不是關鍵的，例如可以為IOnm 500nm，基本上只要不覆蓋將形成間隙的區域即可；而其沿第二方向(基本上垂直於柵極條的方向)的尺寸W2是關鍵的，例如為線/間隔類型的第一光刻處理中的間隔的寬度的1/10 15/10 (例如，在蝕刻期間，可對第二抗蝕劑區520進行修整以使其關鍵尺寸縮小，從而使得第二抗蝕劑區520不覆蓋將形成間隙的區域)。另外，對第二抗蝕劑區520的大小沒有特別的限制，只要第二抗蝕劑區520與各柵極材料條560或蝕刻阻擋條580重疊的部分的在第一方向上的最小長度範圍至少包括第二方向同一條直線上的將形成的間隙的在第一方向上的長度範圍即可(即只要第二抗蝕劑區520能夠覆蓋各條帶區中不需要在柵極材料條560中形成間隙的位置處即可)。另外，對第二抗蝕劑區520所跨過的柵極條數量沒有特別的限制，其例如可以為I至5，這主要取決於所希望的柵極圖案。圖中示出的第二抗蝕劑區520所跨過的柵極條數量為2。
在圖4的步驟460中，以第二抗蝕劑區520為掩模，通過第二蝕刻處理，選擇性地去除疊層結構中的蝕刻阻擋條580 (參見圖5E 5F)。通過第二蝕刻處理，在柵極條中將形成間隙的位置之間選擇性地留下蝕刻阻擋條580，並在包括柵極條中將形成間隙的位置的區域選擇性地去除蝕刻阻擋條580，以露出其下的柵極材料條560。第二蝕刻處理例如是標準的高蝕刻選擇比的幹蝕刻處理，柵極材料條560對蝕刻阻擋條580的蝕刻選擇比例如在I : 10至I : 50的範圍內。在圖4的步驟470中，在經第二蝕刻處理後的襯底上形成第三抗蝕劑層。在圖4的步驟480中，對第三抗蝕劑層進行第三光刻處理，以形成具有沿第二方向相互平行且連續延伸的多個開ロ的抗蝕劑圖案530 (參見圖5G)。要注意的是，抗蝕劑圖案530在露出將形成間隙的位置處的柵極材料條560的同時,也露出了在第二方向的同一直線上將不形成間隙的位置處的柵極材料條560上的蝕刻阻擋條580。但是，由於將不形成間隙的位置處的柵極材料條560上存在第二蝕刻處理後留下的蝕刻阻擋條580，因此在下述的第三蝕刻處理中，能夠僅在需要形成間隙的位置處將柵極材料條560蝕刻棹。第三光刻 處理是線/間隔類型的光刻處理，例如，線與間隔之比在I : 5至5 I的範圍內，並且節距在20nm至2000nm的範圍內。第三光刻處理可以採用諸如幹法光刻、浸沒光刻、EUV光刻或電子束光刻等的光刻技木。在圖4的步驟490中，以抗蝕劑圖案530為掩模，通過第三蝕刻處理，在柵極材料條560中形成間隙，從而形成交錯排列的柵極圖案(參見圖5H 51)。第三蝕刻處理例如是標準的高蝕刻選擇比的幹蝕刻處理，蝕刻阻擋條580對柵極材料條560的蝕刻選擇比例如在I : 10至I : 200的範圍內。根據本發明的第一實施例的方法，可以形成ー種具有柵極圖案的半導體裝置。如圖5H 51所示，所述柵極圖案包含沿第一方向相互平行的多個柵極條，各柵極條被間隙斷開。所述間隙位於沿基本垂直於第一方向的第二方向相互平行的多個條帶區中，各條帶區中存在跨過所述柵極條而相鄰的所述間隙。其中，在所述跨過所述柵極條而相鄰的所述間隙之間，在所述柵極條上形成有蝕刻阻擋條。在根據本發明的第一實施例的方法獲得交錯排列的柵極圖案之後，可選地，可以去除柵極條上留下的蝕刻阻擋條580。另外，可選地，可以進ー步將柵極條的材料替換為金屬，以形成交錯排列的金屬柵極圖案。從以上可以看出，在本發明的第一實施例的三重構圖技術中，由於引入了蝕刻阻擋層並事先在將形成間隙的位置之間選擇性地留下蝕刻阻擋層，使得可以將同一條帶區中的多個不連續的間隙作為ー個連續延伸的間隙來一體地形成，從而將柵極修整圖案從光刻較難實現的槽狀變為光刻較易實現的線/間隔形狀。這使得本發明的第一實施例的方法能夠具有較大的光刻エ藝窗ロ，井能夠較好地控制柵極圖案的形狀和尺寸。在現有的雙重構圖技術中，參見圖2C和圖3C，由於修整槽的尺寸(尤其是Hl)很小，需要對其進行嚴格控制，導致修整槽的光刻エ藝窗ロ很小。另外，圖2C和圖3C中的尺寸Wl範圍內的修整槽的形狀很關鍵。例如，當由於修整槽光刻的エ藝限制使得該形狀不是所希望的長方形(例如角部明顯變圓)時，會影響所得到的柵極圖案的形狀和尺寸，從而影響半導體裝置的性能。並且，如果要將柵極的材料進ー步替換為金屬，則難以進行金屬的填充。本發明的發明人研究發現，這種通過一次光刻形成修整槽從而對柵極條進行修整的エ藝難以應用於先進半導體エ藝。相比之下，在本發明的第一實施例的三重構圖技術中，通過採用蝕刻阻擋層並採用兩次光刻來對柵極條進行修整，使得本發明的第一實施例的エ藝能夠具有較大的光刻エ藝窗ロ(參見圖中的H2)。另外，圖中的尺寸W2範圍內的第二抗蝕劑區520的形狀並不是關鍵的，因為第二抗蝕劑區520隻要能夠覆蓋下面的蝕刻阻擋條580和柵極材料條560從而保護它們不會被蝕刻掉即可，尺寸W2範圍內的第二抗蝕劑區520的形狀並不會影響所得到的柵極圖案的形狀和尺寸。並且，在其中的一次光刻處理(參見圖5G)中，由於採用的是光刻較易實現的線/間隔類型，因此能夠相對容易地進行光刻處理，並且能夠較好地控制柵極圖案的形狀和尺寸(例如，所得到的柵極的角部不是尖鋭的，而基本上是所希望的直角)，從而減小或基本上消除了對半導體裝置的性能的不利影響。並且，如果要將柵極的材料進ー步替換為金屬，則金屬的填充也變得相對容易。通過這裡的教導，本領域技術人員很容易明白本發明的第一實施例的三重構圖技術能夠很好地應用於先進半導體エ藝。
第二實施例本發明的第二實施例與第一實施例的不同之處在於在第二實施例中，在襯底上的柵極材料層上額外地形成硬掩模層，然後在硬掩模層上形成蝕刻阻擋層；並且，利用類似於第一實施例的方法先在硬掩模層中形成交錯排列的圖案後，再將所述圖案轉移到下面的柵極材料層。圖6示意性地示出根據本發明第二實施例的形成柵極圖案的方法的流程圖。圖7A 7K是示意性地示出根據本發明第二實施例的形成柵極圖案的方法中的各步驟的平面圖和截面圖。下面參照圖6以及圖7A 7K詳細描述本發明的第二實施例。首先，提供在襯底上的柵極材料層上的沿第一方向相互平行且連續延伸的多個疊層結構，所述疊層結構由硬掩模條和其上的蝕刻阻擋條構成。這例如可以通過圖6中的步驟610 630獲得。具體而言，在圖6的步驟610中，在襯底上的柵極材料層上依次形成硬掩模層、蝕刻阻擋層和第一抗蝕劑層。襯底例如可以由矽製成，其上面可以具有很薄的柵氧化層(圖中未示出)。柵極材料層例如可以由多晶矽製成，其厚度為100人 1000人。硬掩模層例如可以由矽氧化物製成，其厚度為50 A 1000人。蝕刻阻擋層例如可以由矽氮化物製成，其厚度為50人 1000人。在圖6的步驟620中，對第一抗蝕劑層進行第一光刻處理，以形成具有沿第一方向相互平行且連續延伸的多個開ロ的抗蝕劑圖案710(參見圖7A)。第一光刻處理是線/間隔類型的光刻處理，例如，線與間隔之比在I : 5至5 I的範圍內，並且節距在20nm至200nm的範圍內。第一光刻處理可以米用諸如幹法光刻、浸沒光刻、EUV光刻或電子束光刻等的光刻技術。在圖6的步驟630中，以抗蝕劑圖案710為掩模，通過第一蝕刻處理，形成在襯底750上的柵極材料層760上的沿第一方向相互平行且連續延伸的多個疊層結構，所述疊層結構由硬掩模條770和其上的蝕刻阻擋條780構成(參見圖7B 7C)。第一蝕刻處理例如是標準的高蝕刻選擇比的幹蝕刻處理，硬掩模層對蝕刻阻擋層的蝕刻選擇比以及柵極材料層對硬掩模層的蝕刻選擇比例如在I : 10至I : 50的範圍內。
順便提及的是，在第一蝕刻處理後，可以在同一個蝕刻室中將抗蝕劑圖案710灰化棹。所述灰化例如可以採用基於O2氣體的標準エ藝。這同樣可以適用於以下的蝕刻步驟。順便提及的是，可以使用填平劑(例如BARC等)將第一蝕刻處理後形成的圖案的中間填平，在下一次蝕刻後將填平劑灰化去掉，並在再下一次光刻前重新將圖案的中間填平(圖中未示出)。接著，在圖6的步驟640中，在包含疊層結構的襯底上形成第二抗蝕劑層。在圖6的步驟650中，對第二抗蝕劑層進行第二光刻處理以選擇性地留下多個第ニ抗蝕劑區720，各第二抗蝕劑區720各自位於跨過柵極條而相鄰的將形成的間隙之間(參見圖7D)。這裡的條帶區指的是如上所述的將柵極條斷開的間隙所位於的區域。第二光刻處理可以採用諸如幹法光刻、浸沒光刻、EUV光刻或電子束光刻等的光刻技術。另外，對第二抗 蝕劑區720的形狀沒有特別的限制，其例如可以是正方形、長方形、圓形和橢圓形之中的任ー種。圖7D中示出的第二抗蝕劑區720的形狀為圓形。相對而言，第二抗蝕劑區720的沿第一方向(平行於柵極條的方向)的尺寸H2不是關鍵的，例如可以為IOnm 500nm，基本上只要不覆蓋將形成間隙的區域即可；而其沿第二方向(基本上垂直於柵極條的方向)的尺寸W2是關鍵的，例如為線/間隔類型的第一光刻處理中的間隔的寬度的1/10 15/10 (例如，在蝕刻期間，可對第二抗蝕劑區720進行修整以使其關鍵尺寸縮小，從而使得第二抗蝕劑區720不覆蓋將形成間隙的區域)。另外，對第二抗蝕劑區720的大小沒有特別的限制，只要第二抗蝕劑區720與各硬掩模條770或蝕刻阻擋條780重疊的部分的在第一方向上的最小長度範圍至少包括第二方向同一條直線上的將形成的間隙的在第一方向上的長度範圍即可(即只要第二抗蝕劑區720能夠覆蓋各條帶區中不需要在硬掩模條770中形成間隙的位置處即可)。另外，對第二抗蝕劑區720所跨過的柵極條數量沒有特別的限制，其例如可以為I至5，這主要取決於所希望的柵極圖案。圖7D中示出的第二抗蝕劑區720所跨過的柵極條數量為2。在圖6的步驟660中，以第二抗蝕劑區720為掩模，通過第二蝕刻處理，選擇性地去除疊層結構中的蝕刻阻擋條780 (參見圖7E 7F)。通過第二蝕刻處理，在硬掩模條中將形成間隙的位置之間選擇性地留下蝕刻阻擋條780，並在包括硬掩模條中將形成間隙的位置的區域選擇性地去除蝕刻阻擋條780，以露出其下的硬掩模條770。第二蝕刻處理例如是標準的幹蝕刻處理，硬掩模條770對蝕刻阻擋條780的蝕刻選擇比例如在I : 2至I : 50的範圍內。在圖6的步驟670中，在經第二蝕刻處理後的襯底上形成第三抗蝕劑層。在圖6的步驟680中，對第三抗蝕劑層進行第三光刻處理，以形成具有沿第二方向相互平行且連續延伸的多個開ロ的抗蝕劑圖案730 (參見圖7G)。要注意的是，抗蝕劑圖案730在露出將形成間隙的位置處的硬掩模條770的同時，也露出了在第二方向的同一直線上將不形成間隙的位置處的硬掩模條770上的蝕刻阻擋條780。但是，由於將不形成間隙的位置處的硬掩模條770上存在第二蝕刻處理後留下的蝕刻阻擋條780，因此在下述的第三蝕刻處理中，能夠僅在需要形成間隙的位置處將硬掩模條770蝕刻棹。第三光刻處理是線/間隔類型的光刻處理，例如，線與間隔之比在I : 5至5 : I的範圍內，並且節距在20nm至2000nm的範圍內。第三光刻處理可以採用諸如幹法光刻、浸沒光刻、EUV光刻或電子束光刻等的光刻技木。在圖6的步驟690中，以抗蝕劑圖案730為掩模，通過第三蝕刻處理，在硬掩模條770中形成間隙，從而形成交錯排列的硬掩模圖案(參見圖7H 71)。第三蝕刻處理例如是標準的幹蝕刻處理，蝕刻阻擋條780對硬掩模條770的蝕刻選擇比例如在I : 50至I : 200的範圍內。在圖6的步驟695中，以硬掩模圖案為掩模，通過第四蝕刻處理，將交錯排列的硬掩模圖案轉移到下面的柵極材料層，從而形成交錯排列的柵極圖案(參見圖7J 7K)。第四蝕刻處理例如是標準的高蝕刻選擇比的幹蝕刻處理，硬掩模條770對柵極材料層760的蝕刻選擇比例如在I : 10至I : 200的範圍內。對於蝕刻阻擋條780沒有蝕刻選擇比的要求，因為蝕刻阻擋條780可以被全部消耗棹。根據本發明的第二實施例的方法，可以形成ー種具有柵極圖案的半導體裝置。如圖7J 7K所示，所述柵極圖案包含沿第一方向相互平行的多個柵極條，各柵極條被間隙斷開。所述間隙位於沿基本垂直於第一方向的第二方向相互平行的多個條帶區中，各條帶區 中存在跨過所述柵極條而相鄰的所述間隙。其中，在所述跨過所述柵極條而相鄰的所述間隙之間，在所述柵極條上形成有蝕刻阻擋條。在根據本發明的第二實施例的方法獲得交錯排列的柵極圖案之後，可選地，可以去除柵極條上留下的硬掩模條770和蝕刻阻擋條780。另外，可選地，可以進ー步將柵極條的材料替換為金屬，以形成交錯排列的金屬柵極圖案。通過以上的教導，本領域技術人員很容易明白本發明的第二實施例可以實現第一實施例的所有的有益技術效果。類似地，本發明的第二實施例的形成柵極圖案的方法相比於現有技術的方法能夠具有較大的光刻エ藝窗ロ，能夠較好地控制柵極圖案的形狀和尺寸，從而能夠很好地應用於先進半導體エ藝。雖然已參照示例性實施例描述了本發明，但應理解，本發明不限於所公開的示例性實施例。對於本領域技術人員顯然的是，可以在不背離本發明的範圍和精神的條件下修改以上的示例性實施例。所附的權利要求的範圍應被賦予最寬的解釋，以包含所有這樣的修改以及等同的結構和功能。
權利要求
1.ー種形成柵極圖案的方法，所述柵極圖案包含沿第一方向相互平行的多個柵極條，各柵極條被間隙斷開，所述間隙位於沿基本垂直於第一方向的第二方向相互平行的多個條帶區中，各條帶區中存在跨過所述柵極條而相鄰的所述間隙，其特徵在於，所述方法包括以下步驟 提供在襯底上的沿第一方向相互平行且連續延伸的多個疊層結構，所述疊層結構由柵極材料條和其上的蝕刻阻擋條構成； 在包含所述疊層結構的所述襯底上形成第二抗蝕劑層； 對第二抗蝕劑層進行第二光刻處理以選擇性地留下多個第二抗蝕劑區，各第二抗蝕劑區各自位於跨過所述柵極條而相鄰的將形成的所述間隙之間； 以第二抗蝕劑區為掩模，通過第二蝕刻處理，選擇性地去除所述疊層結構中的蝕刻阻擋條； 在經第二蝕刻處理後的所述襯底上形成第三抗蝕劑層； 對第三抗蝕劑層進行第三光刻處理，以形成沿第二方向相互平行且連續延伸的多個開ロ ；以及 以經第三光刻處理後的第三抗蝕劑層為掩模，通過第三蝕刻處理，形成所述間隙，從而形成所述柵極圖案。
2.如權利要求I所述的形成柵極圖案的方法，其特徵在於，提供所述疊層結構的步驟進ー步包括以下步驟 在襯底上的柵極材料層上依次形成蝕刻阻擋層和第一抗蝕劑層； 對第一抗蝕劑層進行第一光刻處理，以形成沿第一方向相互平行且連續延伸的多個開ロ ；以及 以經第一光刻處理後的第一抗蝕劑層為掩模，通過第一蝕刻處理，將所述蝕刻阻擋層和所述柵極材料層形成為所述疊層結構。
3.如權利要求I所述的形成柵極圖案的方法，其特徵在幹，進ー步包括以下步驟 在形成所述柵極圖案之後，將所述柵極條的材料替換為金屬。
4.如權利要求2所述的形成柵極圖案的方法，其特徵在幹， 第一光刻處理是線/間隔類型的光刻處理，線與間隔之比在I : 5至5 : I的範圍內，並且節距在20nm至200nm的範圍內；以及 第三光刻處理是線/間隔類型的光刻處理，線與間隔之比在I : 5至5 : I的範圍內，並且節距在20nm至2000nm的範圍內。
5.如權利要求I所述的形成柵極圖案的方法，其特徵在幹， 通過第二光刻處理獲得的所述第二抗蝕劑區的形狀是正方形、長方形、圓形和橢圓形之中的任ー種。
6.如權利要求2所述的形成柵極圖案的方法，其特徵在幹， 第一蝕刻處理、第二蝕刻處理和第三蝕刻處理是幹蝕刻處理。
7.如權利要求6所述的形成柵極圖案的方法，其特徵在幹， 第一蝕刻處理中蝕刻阻擋層對柵極材料層的蝕刻選擇比在I : 10至I : 200的範圍內； 第二蝕刻處理中柵極材料條對蝕刻阻擋條的蝕刻選擇比在I : 10至I : 50的範圍內；以及 第三蝕刻處理中蝕刻阻擋條對柵極材料條的蝕刻選擇比在I : 10至I : 200的範圍內。
8.如權利要求I所述的形成柵極圖案的方法，其特徵在幹， 所述柵極材料條和所述蝕刻阻擋條的材料分別為多晶矽和矽氧化物。
9.如權利要求I所述的形成柵極圖案的方法，其特徵在幹， 所述跨過所述柵極條而相鄰的所述間隙之間的柵極條數量為I至5。
10.ー種形成柵極圖案的方法，所述柵極圖案包含沿第一方向相互平行的多個柵極條，各柵極條被間隙斷開，所述間隙位於沿基本垂直於第一方向的第二方向相互平行的多個條帶區中，各條帶區中存在跨過所述柵極條而相鄰的所述間隙，其特徵在於，所述方法包括以下步驟 提供在襯底上的柵極材料層上的沿第一方向相互平行且連續延伸的多個疊層結構，所述疊層結構由硬掩模條和其上的蝕刻阻擋條構成； 在包含所述疊層結構的所述襯底上形成第二抗蝕劑層； 對第二抗蝕劑層進行第二光刻處理以選擇性地留下多個第二抗蝕劑區，各第二抗蝕劑區各自位於跨過所述柵極條而相鄰的將形成的所述間隙之間； 以第二抗蝕劑區為掩模，通過第二蝕刻處理，選擇性地去除所述疊層結構中的蝕刻阻擋條； 在經第二蝕刻處理後的所述襯底上形成第三抗蝕劑層； 對第三抗蝕劑層進行第三光刻處理，以形成沿第二方向相互平行且連續延伸的多個開Π ； 以經第三光刻處理後的第三抗蝕劑層為掩模，通過第三蝕刻處理，在所述硬掩模條中形成間隙；以及 以經第三蝕刻處理後的所述硬掩模條為掩模，通過第四蝕刻處理，形成所述柵極圖案。
11.如權利要求10所述的形成柵極圖案的方法，其特徵在於，提供所述疊層結構的步驟進一歩包括以下步驟 在襯底上的柵極材料層上依次形成硬掩模層、蝕刻阻擋層和第一抗蝕劑層； 對第一抗蝕劑層進行第一光刻處理，以形成沿第一方向相互平行且連續延伸的多個開ロ ；以及 以經第一光刻處理後的第一抗蝕劑層為掩模，通過第一蝕刻處理，將所述蝕刻阻擋層和所述硬掩模層形成為所述疊層結構。
12.如權利要求10所述的形成柵極圖案的方法，其特徵在幹，進ー步包括以下步驟 在形成所述柵極圖案之後，將所述柵極條的材料替換為金屬。
13.如權利要求11所述的形成柵極圖案的方法，其特徵在幹， 第一光刻處理是線/間隔類型的光刻處理，線與間隔之比在I : 5至5 : I的範圍內，並且節距在20nm至200nm的範圍內；以及 第三光刻處理是線/間隔類型的光刻處理，線與間隔之比在I : 5至5 : I的範圍內，並且節距在20nm至2000nm的範圍內。
14.如權利要求10所述的形成柵極圖案的方法，其特徵在幹，通過第二光刻處理獲得的所述第二抗蝕劑區的形狀是正方形、長方形、圓形和橢圓形之中的任ー種。
15.如權利要求11所述的形成柵極圖案的方法，其特徵在幹， 第一蝕刻處理、第二蝕刻處理、第三蝕刻處理和第四蝕刻處理是幹蝕刻處理。
16.如權利要求15所述的形成柵極圖案的方法，其特徵在幹， 第一蝕刻處理中硬掩模層對蝕刻阻擋層的蝕刻選擇比與柵極材料層對硬掩模層的蝕刻選擇比都在I : 10至I : 50的範圍內； 第二蝕刻處理中硬掩模條對蝕刻阻擋條的蝕刻選擇比在I : 2至I : 50的範圍內； 第三蝕刻處理中蝕刻阻擋條對硬掩模條的蝕刻選擇比在I : 50至I : 200的範圍內；以及 第四蝕刻處理中硬掩模條對柵極材料層的蝕刻選擇比在I : 10至I : 200的範圍內。
17.如權利要求10所述的形成柵極圖案的方法，其特徵在幹， 所述柵極材料層、所述硬掩模條和所述蝕刻阻擋條的材料分別為多晶矽、矽氧化物和矽氮化物。
18.如權利要求10所述的形成柵極圖案的方法，其特徵在幹， 所述跨過所述柵極條而相鄰的所述間隙之間的柵極條數量為I至5。
19.一種半導體裝置，所述半導體裝置具有柵極圖案，所述柵極圖案包含沿第一方向相互平行的多個柵極條，各柵極條被間隙斷開，所述間隙位於沿基本垂直於第一方向的第二方向相互平行的多個條帶區中，各條帶區中存在跨過所述柵極條而相鄰的所述間隙，其特徵在幹， 在所述跨過所述柵極條而相鄰的所述間隙之間，在所述柵極條上形成有蝕刻阻擋條。
全文摘要
本發明涉及形成柵極圖案的方法及半導體裝置。柵極圖案包含多個沿第一方向相互平行的、被間隙斷開的柵極條，間隙位於沿基本垂直於第一方向的第二方向相互平行的多個條帶區中，各條帶區中存在跨過柵極條而相鄰的間隙。該方法包括提供多個沿第一方向相互平行且連續延伸的、由柵極材料條和其上的蝕刻阻擋條構成的疊層結構；通過第二光刻處理，在跨過柵極條而相鄰的將形成的間隙之間留下第二抗蝕劑區；通過第二蝕刻處理，選擇性去除蝕刻阻擋條；通過第三光刻處理，形成具有沿第二方向相互平行且連續延伸的多個開口的第三抗蝕劑層；通過第三蝕刻處理，形成柵極圖案。本方法能具有較大的光刻工藝窗口，並能較好控制柵極圖案的形狀和尺寸等。
文檔編號G03F7/00GK102683191SQ20111006441
公開日2012年9月19日 申請日期2011年3月17日 優先權日2011年3月17日
發明者何其暘, 張翼英 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司