通過使用正型光刻膠進行二次圖案化而制造高密度柱結構的方法

專利名稱：通過使用正型光刻膠進行二次圖案化而制造高密度柱結構的方法
技術領域：
本發明一般涉及制作半導體器件的方法，并且更具體地涉及制作半導體柱結構的 方法。
背景技術：
由半導體材料制成的器件被用于產生電學部件和系統中的存儲器電路。因為數據 和指令集被存儲于其中，所以存儲器電路是這種器件的基礎。最大化這種電路上單位面積 內的存儲器元件的數目將最小化它們的成本并且因此其在這種電路的設計中是主要動因。隨著在半導體晶片上形成的結構的尺寸減小，當前可用來制造這些器件的工具達 到它們的極限。例如，當前可用的193納米的浸入工具將不能制造間距小于約80nm(即半 間距小于約40nm)的結構。為了制造比通過當前可用工具制作的特征更小的特征，必須使 用更加復雜的工藝。這種工藝之一是二次曝光/二次圖案化技術。另一種是使用側壁間隔 件(spacer)，該側壁間隔件被形成在樣板圖案上并且隨后樣板圖案被移除。然后側壁間隔 件在一個或多個底層膜(underlying film)的蝕刻期間被用作掩模。對于簡單的一維規則線_間隙圖案，這兩種技術均具有將光刻產生的間距一分為 二的效果。以此方式，給定光刻工具的分辨能力被擴展。然而，對于規則間隔柱的二維圖案，二次圖案化方案將間距擴展到其萬倍。側壁間 隔件方法在此不能使用，因為這種方法將產生規則間隔的圓柱環形而不是實心柱。

發明內容
一種制作半導體器件的方法包括在下層之上形成第一光刻膠層；將第一光刻膠 層圖案化為第一光刻膠圖案，其中第一光刻膠圖案包括位于下層之上的多個間隔開的第一 光刻膠特征；以及使用第一光刻膠圖案作為掩模蝕刻下層以形成多個第一間隔開的特征。 該方法進一步包括移除第一光刻膠圖案；在多個第一間隔開的特征之上形成第二光刻膠 層；以及將第二光刻膠層圖案化為第二光刻膠圖案，其中第二光刻膠圖案包括覆蓋多個第 一間隔開的特征的邊緣部分的多個第二光刻膠特征。該方法還包括使用第二光刻膠圖案作 為掩模蝕刻多個第一間隔開的特征的暴露部分，從而多個第一間隔開的特征的多個間隔開 的邊緣部分保持不變，并且該方法還包括移除第二光刻膠圖案。一種非易失性存儲器器件包括在第一方向上延伸的多個多個字線、在第二方向上 延伸的多個位線以及多個柱狀非易失性存儲器單元，這些柱狀非易失性存儲器單元具有不 規則的橢圓截面形狀并且位于字線和位線之間。多個字線包括一組第一字線和一組第二字線。每個第一字線位于兩個第二字線之間，并且第一方向與第二方向相差約60度。每個第 一字線電接觸的存儲器單元的數量是每個第二字線電接觸的存儲器單元的數量的二倍。


圖1是非易失性存儲器單元的透視圖。圖2是圖1的存儲器單元陣列的透視圖。圖3A至3D是圖示說明通過消減方法形成導軌的工藝步驟的截面側視圖。圖4A至4D是圖示說明通過鑲嵌方法形成導軌的工藝步驟的截面側視圖。圖5是在柱狀結構形成之前的器件層的截面側視圖。圖6B、7A、7B、8A、8B、9A、9B、9C、10、11A* 12A是根據本發明的實施例制作器件陣 列的工藝步驟的截面側視圖并且圖6A、8C、9D、11B和12B是頂視圖。圖13、14、15、16和17是根據本發明的可替代實施例制作器件的工藝步驟的頂視圖。
具體實施例方式本發明人認識到，如果第一光刻膠圖案被用作掩模來圖案化多個第一間隔開的特 征，且隨后在這些第一間隔開的特征上形成第二光刻膠圖案，使得第二光刻膠圖案僅覆蓋 第一間隔開的特征的邊緣部分，則可以通過二次圖案化方法來形成高密度柱陣列。然后使 用第二光刻膠圖案作為掩模來圖案化第一間隔開的特征，以留下多個第一間隔開的特征的 多個間隔開的邊緣部分。二次圖案化的邊緣部分在尺寸上比第一間隔開的特征更小并且可 包括密集柱陣列或者被用作掩模層來圖案化密集底部柱陣列。例如，一個或更多個器件層首先被形成在基底上。可使用任何適當的基底，例如半 導體晶片(包括硅晶片或復合半導體晶片)或金屬基底、玻璃基底、陶瓷基底或塑料基底。 該基底可被一個或更多個絕緣層和/或一個或更多個器件(例如可形成在基底上或基底中 的驅動器電路)覆蓋。器件層可包括半導體器件的半導體層、形成電極的一個或更多個導 電層和/或用于隔離器件的半導體部分或導電部分的絕緣層。然后第一光刻膠或者直接形成在(多個)器件層之上或者形成在位于(多個)器 件層上的一個或更多個掩模層之上。如在此所用，(多個)器件層和/或掩模層將被稱為 “下層”。第一光刻膠層優選為正型光刻膠層。然后第一抗蝕劑層被光刻圖案化為第一光刻膠圖案。可使用任何適當的光刻方 法，例如浸入或非浸入光刻。第一光刻膠圖案包括位于下層之上的多個間隔開的第一光刻 膠特征。第一光刻膠特征可以具有任何形狀，例如當從上方觀察時為多邊形(正方形、三角 形、矩形等等)、橢圓形、圓形或不規則形狀。然后，使用第一光刻膠圖案作為掩模來蝕刻下 層，以形成具有與第一光刻膠圖案大致相同形狀的多個第一間隔開的特征。例如，第一間隔 開的特征可以包括位于(多個)器件層之上的掩模特征，或者它們可包括直接形成在(多 個)器件層中的特征。然后第一光刻膠圖案被移除。然后，第二光刻膠層形成在多個第一間隔開的特征之上。第二光刻膠層優選為正 型光刻膠層。第二光刻膠層使用任何適當的光刻方法被圖案化為第二光刻膠圖案。第二光 刻膠圖案包括多個第二光刻膠特征。第二光刻膠特征可具有與第一光刻膠特征相同或不同的形狀。第二光刻膠特征可具有任何形狀，例如當從上方觀察時為多邊形(正方形、三角 形、矩形等等)、橢圓形、圓形或不規則形狀。第二光刻膠特征可具有小于、等于或大于第一 光刻膠特征的尺寸。第二光刻膠特征覆蓋多個第一間隔開的特征的邊緣部分。如在此所用，“邊緣部 分”意味著每個第二光刻膠特征覆蓋底部第一間隔開的特征的一個或更多個邊緣的至少一 部分，同時使得第一間隔開的特征的至少一部分保持暴露。因此，每個第二光刻膠特征可覆 蓋下層第一間隔開的特征的一個完整邊緣或者兩個或更多個完整邊緣。可替代地，每個第 二光刻膠特征可覆蓋下層第一間隔開的特征的一個或更多個邊緣的一部分。因此，如在此 所用，術語“邊緣部分”包括每個第一間隔開的特征的一部分，當從頂部觀察該特征時，所述 部分從該特征的一端延伸但未到達該特征的相對端。因此，當從頂部觀察時，每個間隔開的 特征的至少一部分保持暴露。然后，使用第二光刻膠作為掩模來圖案化(例如，蝕刻)多個第一間隔開的特征的 暴露部分。在圖案化步驟之后，多個第一間隔開的特征的多個間隔開的邊緣部分保持不變。 然后，第二光刻膠圖案被移除。多個間隔開的邊緣部分可包括位于(多個)器件層之上的多個間隔開的邊緣掩模 特征。每個邊緣掩模特征具有比每個對應的第一間隔開的掩模特征更小的尺寸。然后，邊 緣掩模特征被用作掩模來圖案化(例如，蝕刻)下層(多個)器件層，以在(多個)器件層 中形成柱狀器件。可替代地，多個間隔開的邊緣部分可包括位于(多個)器件層中的多個 間隔開的邊緣特征(即，邊緣部分自身包括柱狀器件)。邊緣部分可具有任何適當的形狀， 例如當從上方觀察時為多邊形(包括正方形、三角形、矩形等等)、橢圓形、圓形或不規則形 狀。例如，如以下更詳細說明的，柱狀器件可具有圓柱形狀。然而，如果要形成矩形或 三角形器件，也可使用例如矩形或三角形等其他形狀。上述特征和柱狀器件可以具有任何 期望的尺寸。如果特征是掩模特征，則它們應該具有足夠的高度或厚度以起到蝕刻掩模的 作用。掩模特征可包括硬掩模材料，例如絕緣材料(例如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅和/或 無定形碳(也被稱作“先進圖案化膜(advanced patterning film) ”或者“APF”))、半導體 材料(例如多晶硅)或者導電材料(例如鎢)，或者其組合(例如由氮化硅、氮化鈦或其他 硬掩模材料覆蓋的鎢)。也可使用其他材料。可使用各向同性蝕刻或各向異性蝕刻來蝕刻掩模特征和器件層。邊緣掩模特征可 被保留在完成的器件中或者在蝕刻器件層之后被移除。例如，如果這些特征包括導電材料 (例如鎢)，則這些特征可被保留為上電極的一部分。可形成任何適當的器件。如下面更詳細說明的，這些器件可具有大致圓柱狀和/ 或大致方柱狀，這依賴于特征的形狀。也可形成非柱狀器件。這些器件可包括二極管、晶體 管、電阻器、反熔絲電介質、熔絲、電阻率切換材料、電容器等等。可形成邏輯塊、易失性存儲 器或非易失性存儲器器件或陣列。在一個實施例中，柱狀器件包括多個非易失性存儲器單 元，其中每個單元包括柱狀二極管轉向元件和電阻率切換元件(即存儲元件)。例如，可以 形成由Petti等人在2007年12月17日提交的美國申請序列號12/000，758中描述的柱狀 結構，該美國申請通過引用整體合并于此。在優選的非限定性實施例中，形成包括多個二極管(包含非易失性存儲器單元)的多個柱狀器件。參考圖1,授予Herner等人的題為“High-Density Three-Dimensional Memory Cell”的美國專利6，952，030 (在下文被記錄為“，030專利”并且通過引用整體合 并于此)公開了一種示例性非易失性存儲器單元，該非易失性存儲器單元可通過本發明的 實施例的方法形成。存儲器單元20包括垂直取向的圓柱形柱狀結型二極管。術語“結型二極管”在 此用來指代具有非歐姆傳導特性的半導體器件，其具有兩個終端電極，并且由一個電極是 P-型且另一電極是η-型的半導體材料制成。示例包括具有彼此接觸的P-型半導體材料和 η-型半導體材料的ρ-η 二極管和η-ρ 二極管(例如Zener 二極管)，以及p-i-n 二極管(其 中本征(無摻雜)半導體材料被插入到P-型半導體材料和η-型半導體材料之間)。在其 他實施例中，可以使用包括金屬-絕緣體1-絕緣體2-金屬(m-il-i2-m)隧穿二極管的層。 在其他實施例中并且更一般地，可使用任何非線性傳導器件。二極管22和電阻率切換元件M被插入到頂部導體或電極沈和底部導體或電極 觀之間。垂直取向的結型二極管22包括第一導電類型(例如η-型)的重摻雜區域30、未 摻雜半導體材料或輕摻雜半導體材料的中間區域32 (將被稱為本征區域)以及第二傳導類 型(例如P-型)的重摻雜半導體區域34以形成p-i-n 二極管。很據需要，可以反轉ρ-型 和η-型的位置。結型二極管22的半導體材料一般是硅、鍺或者硅和/或鍺的合金。也可 使用其他半導體材料。結型二極管22和元件M被串聯設置在底部導體觀和頂部導體沈 之間，該底部導體和頂部導體可由金屬或任何其他導體形成，例如鎢和/或TiN。元件M可 位于二極管22的上方或者下方。存儲器單元可包括一次性可編程的(OTP)或者可重寫的非易失性存儲器單元。例 如，每個二極管22可作為存儲器單元的轉向元件，并且元件M包括作為電阻率切換材料 (即，其存儲數據)的另一種材料或層，其在導體之間串聯地配備有二極管。具體地，元件 24可包括反熔絲電介質、熔絲、多晶硅存儲器效應材料、金屬氧化物或可切換復雜金屬氧化 物(例如，鎳氧化物或鈦氧化物、鈣鈦礦材料等等)、碳電阻率切換材料(例如碳納米管、微 晶碳、無定形碳、石墨或石墨的單原子層)、相變材料、導電橋元件或者可切換聚合物。可響 應于在電極或導體之間提供的正向和/或反向偏壓而升高或降低元件M的電阻率切換材 料的電阻率。簡言之，單元20進行如下操作。當元件M是反熔絲電介質時，在初始狀態，當讀 取電壓被施加到頂部導體26和底部導體觀之間時，由于反熔絲電介質M阻礙電流流動， 所以非常小的電流流過結型二極管22。在頂部導體沈和底部導體觀之間施加編程電壓將 導致反熔絲材料的電介質擊穿，從而永久地形成穿過反熔絲M的傳導路徑。如果二極管半 導體材料初始時被形成在高電阻率狀態下，則二極管22的半導體材料也可被改變，從而將 其改變至低電阻率狀態。編程之后，一旦施加讀取電壓，則更大的讀取電流在頂部導體沈 和底部導體觀之間流動。以此方式，已編程單元可區別于未編程單元。可替代地，不是使 用反熔絲電介質作為元件M，而是提供另一種電阻率切換材料，例如碳材料。這種材料的電 阻率響應于施加的偏壓而改變，而不是形成穿過反熔絲的傳導鏈路。在可替代實施例中，可省略元件M。替代地，二極管22的多晶半導體材料形成在 相對高的電阻率狀態下，這也傾向于阻礙電流流動，如由Herner等人在2004年9月四日 提交的序列號為 10/955，549 且題為 “Nonvolatile Memory Cell Without a DielectricAntifuse Having High-and Low-Impedance Mates” 的美國專利申請(下文被記錄為 “，549申請”)以及由Herner等人在2005年6月8日提交的序列號為11/148，530且題 % "Nonvolatile Memory Cell Operating by Increasing Order in Polycrystalline Semiconductor Material”的美國專利申請(下文被記錄為“，530申請”)所描述的，這些 專利申請通過引用并入本文。編程電壓的應用降低了二極管的電阻率狀態。因此，在該實 施例中二極管用作電阻率切換材料。參考圖2，其顯示了與圖1的單元20相似的存儲器單元20的第一存儲器級36的 一部分。可以以在一個頂上堆疊另一個的方式形成二、三、四或更多個這種存儲器級(例如 八級)，以形成單片三維存儲器陣列，優選形成在例如單晶硅片的基底上，并且如在’ 030專 利以及，549和，530申請中描述的。二極管柱22優選具有小于IOOnm的間距(例如78nm 或更小的間距)并且具有IOOnm或更小的直徑(例如50nm或更小，例如32nm)。底部電極或導體觀可通過消減方法或鑲嵌方法來形成。在消減方法中，導電層或 導電膜被圖案化為間隔開的電極，并且隨后電極之間的間隙被絕緣材料填充。在鑲嵌方法 中，槽被形成在絕緣材料中，導電層或導電膜被形成在槽中以及絕緣層之上，并且隨后導電 層或導電膜被平坦化以留下槽中間隔開的電極。圖3A-圖3D描述了形成導軌形電極或導體觀的消減方法。如圖3A所示，一個或 更多個導電層40 (例如W層和/或TiN層)被沉積在基底上，并且光刻膠層42被旋涂于其 上。如圖:3B所示，光刻膠層42隨后被光刻圖案化成期望的形式。如圖3C所示，蝕刻步驟 移除了沒有被已蝕刻的光刻膠層42保護的(多個)傳導層40的部分。如圖3D所示，蝕刻 之后，光刻膠層42被剝離，從而留下后面的導體或電極導軌40。導軌40之間的縫隙由絕緣 材料44 (例如氧化硅、氮化硅或者其他絕緣材料)填充。根據需要，可移除絕緣材料44的 任何過填充(overfill)，例如通過化學-機械拋光(CMP)，以在絕緣層44的平坦化表面中 暴露出導軌40的上表面。圖4A至圖4D描述形成電極或導體觀的鑲嵌方法的示例。首先，光刻膠層48被 旋涂到沉積的絕緣層50 (例如氧化硅層)上。如圖4B所示，光刻膠層48被圖案化。然后 蝕刻步驟在絕緣層50中形成槽或者溝52。在圖4C中，去除光刻膠層48之后，一個或更多 個導電層46 (例如W層和/或TiN層)被沉積以填充槽或者溝52。所述一個或更多個導電 層46例如通過CMP或者回蝕與絕緣層的上表面平坦化，以留下在槽內的導軌形導體，如圖 4D所示。圖5顯示根據本發明的一個實施例制造半導體器件的初始階段，該半導體器件例 如為柱狀非易失性存儲器單元陣列。該陣列包含多個器件層120，所述器件層包括通過以上 分別相對圖3或圖4描述的消減方法或鑲嵌方法形成的底部電極。電極對應于圖1和圖2 所示的導軌形導體觀。電極可包括任何適當的導電材料，例如鎢、鋁及其合金等等。電極可 通過絕緣材料(例如氧化硅)而彼此分離。可選的粘接層可被形成在電極之上。該粘接層 可包括氮化鈦或氮化鎢。圖1所示的電阻率切換元件M和二極管22被形成在電極之上。 該二極管包括一個或更多個半導體層。例如，這些半導體層可包括下部η-型層、中間本征 層和上部P-型層。P-型層可通過將P-型摻雜劑離子注入到本征層的上部分中或者通過在 本征層上沉積P-型摻雜的半導體層而形成。半導體層可以是多晶、無定形晶體或單晶，并 且可具有在大約1000人和3000纟之間的厚度，例如在大約1800人和之間。可選的上部粘接層(例如TiN層)可在半導體層之上形成。該粘接層可具有在大約100人和300人
之間的厚度，例如在大約150A和200A之間。在其他實施例中，二極管是包含多個層的隧
穿二極管，其包括金屬-絕緣體1-絕緣體2-金屬(m-il-i2-m)隧穿二極管。在其他實施 例中并且更一般地，可使用任何非線性傳導器件。至少一個掩模層140被形成在器件層120之上。例如，如圖5所示，掩模層140包 括位于器件層120之上的硬掩模層142 (例如鎢或氧化硅層)、位于該硬掩模層之上的無定 形碳先進圖案化膜(APF)、位于該無定形碳膜之上的抗反射涂層146(例如氮氧化硅層和/ 或有機底部抗反射涂層(BARC))以及位于該抗反射層之上的蓋層148(例如氧化硅層)。蓋 層148相對較薄，例如厚度為200埃至400埃，例如大約300埃。可以使用其他掩模層組合。 根據需要，可選的蝕刻停止層可被形成在器件層120和掩模層140之間。第一光刻膠層被形成在掩模層140之上。第一光刻膠被圖案化為具有間隔開的第 一光刻膠特征150的第一光刻膠圖案，如圖5、圖6A和圖6B所示。圖6B是圖6A的頂視圖 中沿線A-A的側截面圖。在本發明的第一可選實施例中，第一光刻膠特征的尺寸被增加，使得相鄰的第一 光刻膠特征150之間的距離被減小。可通過回流工藝或者通過化學收縮輔助的分辨率增強 光刻(“RELACS”)工藝增加光刻膠特征150的尺寸。在回流工藝中，光刻膠特征150被退 火，從而它們向側邊流動以增加它們的尺寸。如果使用回流工藝，特征150的拐角可變得圓 化，從而當從頂部觀察時，所述特征可具有大體上橢圓或者大體上圓形的形狀。在RELACS 工藝中，液體涂層被提供到特征150上并且然后與特征150交聯以增加特征的尺寸。這 種涂層的示例由三菱化工(Mitsubishi Chemicals)特許的AZ電子材料(AZ Electronic Materials)公司出售。特征150增加尺寸的部分被顯示在圖7A中。可替代地，為了增加特 征150的尺寸，側壁間隔件152可被形成在特征150上。側壁間隔件可以通過在特征之上 涂覆材料層來形成，其中在該層的選擇性各向異性間隔件蝕刻之后不會出現特征的塌陷。例如，每個圖案150可具有邊長為2F的正方形形狀(當從上方觀察時)(其中F 是最小特征尺寸(例如，在0. 18微米半導體工藝中為0. 18微米以及在0. 25微米半導體工 藝中為0. 25微米))。相鄰圖案150可被分離2F的距離。在特征150的尺寸被增加以添加 部分152之后，相鄰的第一光刻膠特征150/152之間的距離從大約2F減小到大約1F，同時 每個特征150/152的邊長從2F增加到3F，如圖7A所示。在本發明的第二可選實施例中，圖7A的尺寸增加步驟被省略。替代地，如圖7B 所示，在光刻膠層暴露和圖案化步驟期間形成在特征之間具有較小間隔的較大光刻膠特征 150。例如，替代使用回流或RELACS以形成具有邊長為3F和相鄰特征之間的距離為IF的 光刻膠特征150/152，第一光刻膠層被簡單地圖案化以形成具有邊長為3F并且距離為IF的 特征150。當然，可使用其他邊長和距離。然后，圖6B或圖7A或圖7B中顯示的光刻膠特征150 (或150/15 被用作掩模以 蝕刻至少一個掩模層140，例如至少蝕刻蓋層148以形成第一間隔開的掩模特征154，如圖 8A和圖8B所示。圖8A描述使用圖7A的特征150/152作為掩模來蝕刻掩模特征154。圖 8B描述使用圖7B的特征150作為掩模來蝕刻掩模特征154。可選擇地，一個或更多個層 142-146也可被蝕刻并且被包括作為第一掩模特征154的一部分。第一光刻膠特征150或 150/152在形成掩模特征IM之后被移除，如圖8C中的頂視圖所示。
優選地，每個第一間隔開的特征154的長度或寬度大于相鄰第一間隔開的特征 巧4之間的間隔。例如，每個第一間隔開的特征154的寬度是大約3F，并且相鄰第一間隔開 的特征之間的間隔是大約1F，如圖8C所示。在第三可選實施例中，填充劑材料層160被形成在多個第一間隔開的特征巧4之 上以及多個第一間隔開的特征1 之間的間隙中。填充劑材料層160可以是與特征的材料 相比被優先蝕刻的任何材料層。例如，如果特征巧4包括鎢，則層160可包括氧化硅。可替 代地，如果特征1 包括氧化硅，則層160可包括氮化硅。然后，填充劑材料層160通過化 學機械拋光(CMP)或其他平坦化方法被平坦化，以暴露出多個第一間隔開的特征154的上 表面，如圖9A所示。可替代地，填充劑材料160可被省略，如圖9B所示。然后，第二光刻膠層162被形成在多個第一間隔開的特征巧4之上。如果填充劑 材料160存在，則第二光刻膠層162被形成在多個第一間隔開的特征巧4之上以及填充劑 材料160之上，如圖9A所示。如果填充劑材料160被省略，則第二光刻膠層162被簡單地 形成在多個第一間隔開的特征巧4之上并且填充相鄰第一間隔開的特征巧4之間的間隙， 如圖9B所示。第二光刻膠層被圖案化為包括多個第二光刻膠特征170的第二光刻膠圖案，如圖 9C和圖9D所示。圖9C是圖9D的頂視圖中沿線A-A的側向截面圖。第二光刻膠層被圖案 化，使得多個第二光刻膠特征170覆蓋多個第一間隔開的特征154的邊緣部分并且至少覆 蓋填充劑材料160的一部分(如果材料160存在)。換言之，第二光刻膠特征170僅覆蓋填 充劑材料160的一部分，如圖9D所示。如圖9C和圖9D所示，第二光刻膠特征170可覆蓋多個第一間隔開的特征154的 邊緣特征156。例如，如圖9D所示，正方形特征170覆蓋正方形掩模特征154的拐角部分 156。也可使用其他形狀的特征IM和170以及邊緣部分156。可使用不同方法來形成覆蓋 邊緣部分156的特征170。在第四可選實施例中，第二光刻膠特征170的尺寸可被增加，使得相鄰第二光刻 膠特征170之間的距離在形成特征170之后被減小。可通過回流工藝或RELACS工藝來增 加特征170的尺寸，如以上關于圖7A所述。特征170的增加尺寸的部分172被顯示在圖9C 中。在特征170的尺寸被增加以添加部分172之后，相鄰第一光刻膠特征170/172之間的 距離從大約2F減小至大約1F，同時每個特征170/172的邊長從2F增加至3F。可選地，在 該實施例中，初始第二光刻膠特征170沒有相對第一間隔開的特征154(例如掩模特征154) 的邊緣部分156延伸出適當的量。然而，增加第二光刻膠特征170的尺寸的步驟形成延伸 超出多個第一間隔開的特征154的邊緣部分156的側部172，如圖9C所示。在本發明的第五可選實施例中，尺寸增加步驟被省略。替代地，在光刻膠層暴露和 圖案化步驟期間形成特征之間具有較小間隔的較大光刻膠特征170，這類似于圖7B所示的 用于第一光刻膠特征150的工藝。例如，替代使用回流或RELACS以形成具有邊長為3F和 相鄰特征之間距離為IF的光刻膠特征170/172，第二光刻膠層被簡單地圖案化以形成具有 邊長為3F并且距離為IF的特征170，如圖9D所示。當然，可使用其他邊長和距離。然后，使用光刻膠特征170(或170/17 作為掩模來圖案化(例如，蝕刻)多個第 一間隔開的特征154的暴露部分。在圖案化步驟之后，多個第一間隔開的特征154的多個 間隔開的邊緣部分156保持不變，如圖10所示。然后，第二光刻膠圖案(即，特征170和170/172)被移除。如果填充劑材料160存在，則在光刻膠特征170或170/172被移除之后也可選擇 性地移除該填充劑材料，留下多個間隔開的邊緣部分156，如圖IlA和圖IlB所示。圖IlA 是沿圖1IB中的線A-A的側向截面圖。邊緣掩模部分156可包括掩模邊緣特征，例如具有IF尺寸并被分開IF距離的正 方形形狀，如圖IlB所示。然后，掩模邊緣特征156被用作掩模來蝕刻下層器件層120(如 圖12A和12B所示)和/或來蝕刻額外的掩模層142-146。優選地，邊緣掩模特征156包 括蓋層148的部分。根據需要，特征156也可包括APF 144和抗反射層146。層148或層 144/146/148中的邊緣特征156的圖案可被轉移至硬掩模層142。然后，在任何一個或更多 個層144、146或148被移除之前或之后使用層142中的圖案作為掩模將該圖案轉移至器件 層120，如圖12A和圖12B所示。如圖12A和12B所示，柱狀器件180由導軌形底部電極觀 上的器件層120形成。柱狀器件180可包括例如存儲器單元，該存儲器單元包括圖1所示 的二極管轉向元件22和存儲器儲存元件對。雖然示出了正方形柱狀器件180，但是這些柱 可具有其他形狀，例如從上方觀察時為其他多邊形、橢圓形、不規則形狀或者圓形形狀。硬掩模層142的掩模特征156可被保留在最終器件180中或者在形成柱狀器件之 后被移除。例如，如果層142是導電的，則它的特征156可與柱狀器件180的上部分保持接 觸。然后，圖1所示的上部導體或電極26被形成為與層142的特征接觸。例如，4G0人-5GG人 的鎢特征可保留在器件中。可替代地，硬掩模層142的掩模特征可在形成圖1所示的上部 導體或電極26之前被移除。上部導體或電極沈可通過以上關于圖3或圖4描述的消減工 藝或鑲嵌工藝被形成在器件180上。絕緣填充劑材料(例如氧化硅等等)可在形成上部電 極26之前被形成在柱之間。在第二和第五可選實施例中，3F和IF標準僅是示例性的并且可使用其他標準。光 刻膠特征在形狀尺寸上優選大于2F并且在相鄰特征之間的間隔或距離上優選小于2F，從 而在光刻膠或蝕刻層的過程中實現的偏差小于期望F的一半。在光刻膠蝕刻中的偏差量 主要由材料和處理工具確定。隨著工藝級別達到越來越小的幾何尺寸，偏差變為F的較大 部分。對于30nm特征尺寸，可使用具有總偏差為9nm的大約2. 7F的特征尺寸和特征之間 1. 3F的間隔來實現在光刻膠圖案下(多個)掩模層中的大約3F的特征尺寸和IF的間隔。 對于更小幾何尺寸，例如15nm，掩模圖案的尺寸將為2. 4F，其具有相同的總偏差9nm并且在 (多個)掩模層中給出最終3F的形狀。光刻形狀和總偏差的其他組合可被用于實現硬掩模 中的期望形狀和間隔。最優選擇取決于具體的光刻工具和處理設備以及材料選擇，并且這 種最優化在本領域是眾所周知的。在上述實施例中，多個第一間隔開的掩模特征154中的每一個均具有正方形或矩 形形狀。這些特征1 被設置為網格結構。多個間隔開的邊緣掩模特征156包括多個第一 間隔開的掩模特征154的拐角部分。因此，在這些方法中，第一光刻膠特征150和第二光刻 膠部分170都包括被設置為棋盤式網格的正方形或矩形特征。第二光刻膠特征170相對相 鄰的第一光刻膠特征150對角地偏移，從而它們各自在基底之上的位置在形成邊緣掩模特 征156的拐角區域中重疊。例如，特征156可具有長寬均為IF的正方形形狀并且被間隔開 IF的距離。也可使用其他形狀、尺寸和距離。在正方形形狀上的拐角圓化可使得最終器件 柱180成為在兩個對角上圓化的IFX IF的特征，從而其具有包括帶有兩個突出邊緣的不規則橢圓形的“足球”或“橄欖球”形狀。如果兩個光刻膠特征150、170被回流圓化并且因此 特征156的四個拐角中的兩個由于圓形特征150、170的位置重疊而被圓化，如圖14所示， 可能發生這種情形。下面描述使用圓形或橢圓形特征代替正方形或矩形特征的可替代實施例。圖13描述了當從上方觀察時具有圓形形狀的多個第一特征254。第一特征被設置 在想象的等邊三角形的頂點處，使得三個相鄰特征2M形成想象的等邊三角形255，其中兩 個等邊三角形共享一個公共邊緣，其組成圖案的最小重復單元。較大圖案可被視為重復的 六邊形圖案，其中六個特征254中的一個在每個六邊形的頂點處并且七分之一的特征在每 個六邊形的中間處。每個圓形特征2M可具有大約3F的直徑并且以大約IF的距離與六個相鄰圓形圖 案分離(允許光刻的中的變化和公差)。相鄰特征邪4的中心之間的距離是大約4F。因此， 想象的等邊三角形255可具有尺寸為大約4F的側邊，如圖13所示。如之前的實施例所述，這種特征2M可通過以下步驟形成首先形成具有直徑為 2F的第一光刻膠特征，然后通過RELACS、回流或側壁間隔件工藝增加第一光刻膠特征的直 徑至3F。可替代地，具有3F直徑的光刻膠特征可通過初始圖案化來形成。然后，這些第一 光刻膠特征被用作掩模以圖案化(多個)下層，從而在(多個)下層中形成特征254。然后，包括第二光刻膠特征270的第二光刻膠圖案被形成在第一特征邪4之上，如 圖14和圖15所示。圖15是圖14顯示的一個第一特征254的放大圖。第二圖案可以如圖 15所示沿三角形的垂直等分線被移動大約2. 3F(0. 8F+0. 7F+0. 8F)。邊緣特征256被形成在 每個第一特征2M和三個相鄰第二光刻膠特征270的三個重疊處。密度是每4. 6F2 一個邊 緣特征256。每個不規則橢圓形邊緣部分256的短直徑是大約0. 7F。也可使用其他尺寸。在圖14和圖15中顯示的設置給出了稍微不致密的柱體設置，但允許圖案化接近 光刻極限。邊緣特征256可包括被用來圖案化(多個)下層器件層以形成柱體的邊緣掩模 特征，或者邊緣特征256可包括如相對之前的實施例描述的器件柱。由該實施例的方法形 成的柱體由于邊緣特征的形狀可具有不規則的橢圓形(例如，“足球”或“橄欖球”)。總之，在以上描述的實施例中，多個第一間隔開的特征254中的每一個均具有圓 形形狀。多個第一間隔開的特征邪4被設置為六邊形結構，其中每個第一間隔開的特征254 被六個等距離最近的相鄰第一間隔開的特征254圍繞。多個第二光刻膠特征270被設置在 多個第一間隔開的特征2M之上，從而三個第二光刻膠特征270形成覆蓋每個第一間隔開 的特征2M的三個邊緣部分256的等邊三角形255。因此，多個間隔開的邊緣部分256包括 多個第一間隔開的特征254的不規則橢圓形邊緣部分。圖16和圖17顯示陣列線的優選設置，例如圖16所示的字線28和圖17中所示的 位線沈。應該注意字線和位線的相對取向可被反轉。此外，雖然字線被顯示為位于柱狀器 件下方并且位線位于柱狀器件上方，但是字線和位線的位置可被反轉。雖然陣列線的間隙 比先前實施例的陣列線的正交設置更緊湊，但是通過使得字線平行于三角形255的一邊取 向并且使得位線平行于三角形255的另一邊取向，相鄰柱的間隙被放寬。例如，字線觀可 沿著三角形的“水平”邊設置(或者如果基底旋轉90度，則為三角形的“垂直”邊)，并且位 線沈相對字線方向以大約60度的角度延伸(或者反之亦然)。當然，位線和字線均可沿著 圖16和圖17中顯示的三角形255的兩個“斜”邊(而不是沿著“水平”邊)延伸。
與偶數陣列線相比較，奇數陣列線具有兩倍的單元(例如圖1所示的存儲器單元 柱22)。因此，多個字線觀包括一組第一字線和一組第二字線。各第一字線(例如圖16所 示的字線WLl和WL3)位于兩個第二字線(例如字線札2和札4)之間。各第一字線(WL1， WL3)電接觸的柱狀器件的數量是各第二字線(WL2，WL4)電接觸的柱狀器件的數量的兩倍。 這同樣適用于在圖17所示的位線沈。通過在支持邏輯中預先計算期望的陣列線選擇來調 整陣列線上數量變化的單元的單元地址解碼。可使用本領域二進制解碼電路中的任何已知 方法。已經描述了第一存儲器級的形成。額外的存儲器級可被形成在該第一存儲器級之 上以形成單片三維存儲器陣列。在一些實施例中，在存儲器級之間可共享導體；即，頂部導 體將用作下一存儲器級的底部導體。在其他實施例中，中間級電介質(未示出)被形成在 第一存儲器級之上，其表面被平坦化，并且第二存儲器級的結構開始在該平坦化的中間級 電介質上，沒有共享的導體。單片三維存儲器陣列是這樣一種裝置，其中多層存儲器級被形成在單一基底例如 晶片上，而沒有介入的基底。形成一個存儲器級的層被直接沉積或者生長在已有的一個或 更多個級的層之上。相反，堆疊存儲器是通過在分離的基底上形成存儲器級并且使存儲器 級在彼此頂上粘接來構建的,如在Leedy的題為"Hiree dimensional structure memory" 的美國專利5，915，167中所述。基底可在鍵合之前被減薄或從存儲器級上去除，但是由于 存儲器級一開始被形成在分離的基底上，所以這種存儲器不是真正的單片三維存儲器陣 列。形成在基底上的單片三維存儲器陣列至少包括形成在基底以上第一高度的第一 存儲器級和形成在不同于第一高度的第二高度的第二存儲器級。三個、四個、八個或者實際 上任何數量的存儲器級均可以這種多級陣列的形式被形成在基底之上。在整個說明書中，一個層被描述在另一層的“之上”或者“之下”。應理解這些術語 描述了層和元件相對基底的位置，其中層和元件形成在該基底上，且在大多數實施例中該 基底為單晶硅晶片基底；當一個特征離晶片基底更遠時，其位于另一特征之上，并且當它離 晶片基底更近時，其位于另一特征之下。雖然很明顯晶片或管芯可在任何方向上旋轉，但是 特征在晶片或管芯上的相對取向將不會改變。此外，附圖并不意欲按比例顯示而僅是代表 各個層和加工過的層。已經以說明性的方式描述了本發明。應該理解已經使用的術語本質上是描述性文 字而并非限定。鑒于以上教導，本發明的很多修改和變化是可能的。因此，在隨附權利要求的范圍 內，可以以不同于具體描述的方式來實踐本發明。
權利要求
1.一種制作半導體器件的方法，其包括 在下層之上形成第一光刻膠層；將所述第一光刻膠層圖案化為第一光刻膠圖案，其中所述第一光刻膠圖案包括位于所 述下層之上的多個間隔開的第一光刻膠特征；使用所述第一光刻膠圖案作為掩模蝕刻所述下層以形成多個第一間隔開的特征； 移除所述第一光刻膠圖案；在所述多個第一間隔開的特征之上形成第二光刻膠層；將所述第二光刻膠層圖案化為第二光刻膠圖案，其中所述第二光刻膠圖案包括覆蓋所 述多個第一間隔開的特征的邊緣部分的多個第二光刻膠特征；使用所述第二光刻膠圖案作為掩模蝕刻所述多個第一間隔開的特征的暴露部分，從而 所述多個第一間隔開的特征的多個間隔開的邊緣部分保持不變；以及 移除所述第二光刻膠圖案。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述下層包括位于器件層之上的至少一個掩模層； 所述多個第一間隔開的特征包括多個間隔開的掩模特征； 所述多個間隔開的邊緣部分特征包括多個間隔開的邊緣掩模特征；并且 每個邊緣掩模特征具有比每個對應的掩模特征更小的尺寸。
3.如權利要求2所述的方法，其進一步包括使用所述多個邊緣掩模特征作為掩模來蝕 刻所述器件層，以形成多個柱狀器件。
4.如權利要求3所述的方法，其中所述多個柱狀器件包括多個非易失性存儲器單元， 每個單元包括柱狀二極管轉向元件和電阻率切換元件。
5.如權利要求3所述的方法，其中所述至少一個掩模層包括位于所述器件層之上的硬 掩模層、位于所述硬掩模層之上的無定形碳圖案化膜、位于所述無定形碳圖案化膜之上的 抗反射層以及位于所述抗反射層之上的蓋層。
6.如權利要求1所述的方法，其進一步包括在蝕刻所述下層的步驟之前增加所述第一光刻膠特征的尺寸，從而相鄰的第一光刻膠 特征之間的距離被減小；以及在蝕刻所述第一多個間隔開的特征的所述暴露部分的步驟之前增加所述第二光刻膠 特征的尺寸，從而相鄰的第二光刻膠特征之間的距離被減小。
7.如權利要求6所述的方法，其中增加所述第一和第二光刻膠特征的尺寸的步驟包括 通過回流工藝或化學收縮輔助的分辨率增強光刻即RELACS工藝增加所述第一和第二光刻 膠特征的尺寸。
8.如權利要求6所述的方法，其中相鄰的第一光刻膠特征之間的所述距離從大約2F被減小至大約IF ；并且 相鄰的第二光刻膠特征之間的所述距離從大約2F被減小至大約1F。
9.如權利要求6所述的方法，其中增加所述第二光刻膠特征的尺寸的步驟包括在所述 多個第一間隔開的特征的所述邊緣部分之上延伸所述第二光刻膠特征。
10.如權利要求1所述的方法，其中形成所述第二光刻膠層的步驟包括在所述多個第 一間隔開的特征之上形成所述第二光刻膠層并且使用所述第二光刻膠層填充相鄰的第一間隔開的特征之間的間隙。
11.如權利要求1所述的方法，其進一步包括在所述多個第一間隔開的特征之上和所述多個第一間隔開的特征之間的間隙中形成 填充劑材料；平坦化所述填充劑材料以暴露所述多個第一間隔開的特征的上表面；以及 在移除所述第二光刻膠圖案的步驟之后選擇性地移除所述填充劑材料。
12.如權利要求11所述的方法，其中形成所述第二光刻膠層的步驟包括在所述多個第一間隔開的特征之上和所述填充劑 材料之上形成所述第二光刻膠層；并且圖案化所述第二光刻膠層的步驟包括形成多個第二光刻膠特征，所述多個第二光刻膠 特征覆蓋所述多個第一間隔開的特征的邊緣部分并且覆蓋所述填充劑材料的至少一部分。
13.如權利要求1所述的方法，其中每個第一間隔開的特征的寬度大于相鄰的第一間 隔開的特征之間的間隙。
14.如權利要求13所述的方法，其中每個第一間隔開的特征的寬度是大約3F并且相鄰 的第一間隔開的特征之間的間隙是大約1F。
15.如權利要求1所述的方法，其中所述多個第一間隔開的特征中的每一個具有正方形或矩形形狀；所述多個第一間隔開的特征被布置成網格結構；并且所述多個間隔開的邊緣部分包括所述多個第一間隔開的特征的拐角部分。
16.如權利要求1所述的方法，其中所述多個第一間隔開的特征的每一個均具有圓形形狀；所述多個第一間隔開的特征被布置成為六邊形結構，其中每個第一間隔開的特征由六 個等距離最近相鄰的第一間隔開的特征圍繞；所述多個第二光刻膠特征被布置在所述多個第一間隔開的特征之上，從而三個第二光 刻膠特征形成覆蓋每個第一間隔開的特征的三個邊緣部分的等邊三角形；并且所述多個間隔開的邊緣部分包括所述多個第一間隔開的特征的不規則橢圓形邊緣部分。
17.如權利要求16所述的方法，其中所述多個第一間隔開的特征的每一個具有大約3F的直徑； 相鄰第一間隔開的特征的中心之間的距離是大約4F ； 相鄰第一間隔開的特征被分開大約IF的距離；并且 每個不規則橢圓形邊緣部分的最小直徑是大約0. 7F。
18.如權利要求16所述的方法，其進一步包括 在所述下層之下形成多個字線；使用所述多個邊緣特征作為掩模蝕刻所述下層，以形成具有不規則橢圓截面形狀的多 個柱狀器件；以及在所述多個柱狀器件之上形成多個位線。
19.如權利要求18所述的方法，其中 所述多個字線在第一方向上延伸；所述多個位線在第二方向上延伸； 所述第一方向與所述第二方向相差大約60度； 所述多個字線包括一組第一字線和一組第二字線； 每個第一字線位于兩個第二字線之間；每個第一字線電接觸的柱狀器件的數量是每個第二字線電接觸的柱狀器件的數量的二倍。
20.如權利要求1所述的方法，其中所述第一光刻膠層包括正型第一光刻膠層并且所 述第二光刻膠層包括正型第二光刻膠層。
21.一種非易失性存儲器器件，其包括 在第一方向上延伸的多個字線；在第二方向上延伸的多個位線；多個柱狀非易失性存儲器單元，其具有不規則橢圓截面形狀并且位于所述字線和所述 位線之間； 其中所述多個字線包括一組第一字線和一組第二字線； 每個第一字線位于兩個第二字線之間； 所述第一方向與所述第二方向相差大約60度；每個第一字線電接觸的存儲器單元的數量是每個第二字線電接觸的存儲器單元的數量的二倍。
全文摘要
一種制作半導體器件的方法，其包括在下層之上形成第一光刻膠層，將第一光刻膠層圖案化為第一光刻膠圖案，其中第一光刻膠圖案包括位于下層之上的多個間隔開的第一光刻膠特征，以及使用第一光刻膠圖案作為掩模蝕刻下層以形成多個第一間隔開的特征。該方法還包括移除第一光刻膠圖案，在多個第一間隔開的特征之上形成第二光刻膠層，并且將第二光刻膠層圖案化為第二光刻膠圖案，其中第二光刻膠圖案包括覆蓋多個第一間隔開的特征的邊緣部分的多個第二光刻膠特征。該方法還包括使用第二光刻膠圖案作為掩模蝕刻多個第一間隔開的特征的暴露部分，從而多個第一間隔開的特征的多個間隔開的邊緣部分保持不變，并且該方法還包括移除第二光刻膠圖案。
文檔編號H01L27/102GK102077346SQ200980125068
公開日2011年5月25日 申請日期2009年6月25日 優先權日2008年6月30日
發明者R·E·舒爾雷恩, S·雷迪根 申請人:桑迪士克3D公司