專利名稱：兩次曝光一條線路間距分離方法
技術領域：
本發明一般而言涉及高集成密度集成電路的制造，更具體而言，涉及簡化用于光 刻形成彼此緊密鄰近的離散特征的間距(pitch)分離方法。
背景技術：
對更高性能、提高的功能性和更低成本的數字開關電路的追求導致更高集成密度 的集成電路，在其中以更小的尺寸、更鄰近地形成更多的電路元件，從而在給定尺寸的芯片 上可包括更多這樣的元件以實現提高的功能性，同時增加通過給定序列的工藝形成且與電 容減小的更短連接互連的電路元件的數量以實現更快的信號傳播和降低的對噪聲的易感 性。結果，還將以可接受的制造產率光刻形成電路元件和互連的特征的能力的極限來設計 具有目前可得到的最高性能的集成電路。因此，按比例縮小到更小的尺寸受到實現更短波 長或更高數值孔徑曝光系統的能力的限制。輻射(例如，可見光，紫外光、χ射線等等)的可被用于曝光光刻抗蝕劑上的圖形 的特性以及光刻抗蝕劑的特性引起諸如在掩模孔邊緣處的衍射、抗蝕劑中的輻射的反射和 散射的一些效應，并且，由于抗蝕劑曝光是累積性的，因此傾向于降低被曝光圖形對曝光掩 模的保真度。這些效應合稱為光學鄰近效應，其有時被用于改善較大的圖形，但不可避免地 使所制造的小的、緊密間隔的特征變形。通常，光學鄰近效應僅僅被部分地補償。雖然不被認為是與本發明有關的現有技術，為了在可能的程度上避免光學鄰近效 應，已開發了所謂的間距分離方法，其實質上分開將要在多個光刻掩模之間制造的特征以 暴露同樣多次施加的光刻抗蝕劑而以覆蓋曝光來曝光在芯片上的被稱為硬掩模的材料層， 然后使用原位硬掩模來形成緊密鄰近的特征。間距分離方法由此允許在每個光刻掩模上 形成間隔較小和較大的特征，由此有可能提供用于避免或至少降低光學鄰近效應的最好技 術。然而，間距分離方法因其本質而對光刻曝光序列的定位極其苛刻，定位的不精確度(稱 為覆蓋誤差)必須被保持為極小的距離，通常在數納米內。此外，必須在曝光序列的每次曝 光之后進行蝕刻步驟，通常為反應離子蝕刻(RIE)，以將抗蝕劑圖形轉移到硬掩模中，還要 進行另一蝕刻步驟(通常也為RIE)，以將硬掩模圖形轉移到希望的層或襯底中。因此，間距 分離方法通常被稱為兩次曝光兩次蝕刻方法，但曝光和蝕刻工藝的次數可以超過兩次。術 語多步構圖也被使用，并且該術語的描述更準確。蝕刻工藝在處理窗口相對小的情況下是復雜且苛刻的(例如，可能需要處于苛刻 濃度的一序列蝕刻劑以及專用于特定蝕刻劑和蝕刻條件的反應腔溫度，并且在間距分離方 法中必須執行蝕刻工藝以提供特別一致的結果。在通常局限于施加、曝光和顯影抗蝕劑中 的圖形的當前半導體生產線的光刻線路(track)內不能適應這樣的附加復雜性。多步構圖 由此需要顯著的附加復雜性和成本以在當前可用的設備中執行，同時，由于成本以及不同 器件設計所需的間距分離曝光的不同次數，生產線的適應性不可行。
發明內容
因此，本發明的一個目的是提供一種兩次曝光一條線路(double exposure, track only,DET0)間距分離方法，其不需要將反應離子蝕刻(RIE)用于每一個間距分離掩模/曝 光來產生具有希望的圖形的硬掩模，由此可以完全在當前半導體生產線的光刻線路內執行 該DETO間距分離方法。為了實現本發明的這些和其他目的，提供了一種用于在酸敏材料層中蝕刻圖形以 形成集成電路的方法，所述方法包括以下步驟形成酸敏材料層；在所述酸敏材料層上形 成并構圖抗蝕劑層；在所述構圖的光致抗蝕劑層上以及被所述光致抗蝕劑暴露的所述酸敏 材料的區域上施加酸性上覆層(overcoat)；活化所述酸敏材料的所述區域；以及顯影所述 酸敏材料的所述活化的區域，以將所述抗蝕劑中的圖形轉移到所述酸敏硬掩模材料，并在 必要時重復以上步驟，從而構造這樣的硬掩模圖形，該硬掩模圖形不會被光刻曝光而蝕刻 下伏的材料，從而產生根據本發明的集成電路。
通過參考附圖對本發明的優選實施例的以下詳細描述，將更好地理解上述和其他 目的、方面和優點。圖1示例出通過根據本發明提供了改進的兩次曝光兩次蝕刻方法的各曝光和蝕 刻工藝而產生的概略的半導體結構的序列截面圖；圖2示例出通過根據本發明的兩次曝光一條光刻線路方法的各曝光和蝕刻工藝 而產生的概略的半導體結構的序列截面圖；以及圖3是示例出本發明的實施所需的主要工藝的流程圖。
具體實施例方式現在參考附圖，更具體地，參考圖1，其示出了通過用于降低或避免光學鄰近效應 的兩次曝光兩次蝕刻方法的各抗蝕劑曝光和蝕刻工藝而產生的概略的半導體結構的序列 截面圖。雖然本發明提供了優于兩次曝光兩次蝕刻方法的改進，但這樣的方法和具體地圖1 的示例不被認為是關于本發明的現有技術。提供圖1是為了便于理解和了解本發明，因此 圖1被標為“相關技術”。如上所暗示的，半導體生產線通常被組織成工藝群組，通過在工藝群組之間不同 的設備來執行這些工藝群組。該設備通常需要用于給定的工藝組的設置，并且在各工藝之 間存儲晶片，需要進行該設備已設置好的特定處理的所有晶片都要在為另一工藝而進行另 一設置之前被處理。一個這樣的工藝群組被稱為光刻線路，其中的工藝通常受限于抗蝕劑 的施加、對抗蝕劑的各種處理(例如干燥或烘烤)、抗蝕劑的曝光、以及曝光后的抗蝕劑的 顯影，以形成圖形。通常，該工藝形成這樣的圖形，該圖形確定將要通過優選與根據抗蝕劑 圖形產生的結構自對準的工藝或者在該制造工藝的稍后階段形成的器件的位置和基本尺 寸，以形成過孔或孔來制造到否則將完成的器件以及其間的布線的電接觸。該光刻線路通 常不包括更加復雜且具有小的工藝參數窗口的蝕刻和材料沉積工藝。由于多步構圖需要在 每次抗蝕劑曝光時都蝕刻硬掩模，因而容易理解，在工藝群組之間移動晶片以及相關的存 儲都會極大地延遲需要多步構圖的芯片的完成，潛在地使苛刻的覆蓋精度折衷。
該概略的半導體結構包括襯底或層10 (例如，以及未示出的其他層和其下的襯 底)和有機襯層(underlayer) 12 (有時稱為有機平面化層)，希望在該有機襯層12中形成 緊密分隔的開口。還可以在襯底或層10上形成諸如晶體管柵極或導體/連接的附加結構 14，所述附加結構14延伸到層12中。應理解，光學鄰近效應通常包括由于在抗蝕劑中的衍射效應或者輻射反射或散射 的效應而導致的過量或異常的曝光引起的經曝光的圖形的某種擴展。因此，通常通過所謂 的明場技術和抗蝕劑來曝光和構圖小于其間的間隔的極細小特征，在所述明場技術和抗蝕 劑中，特征不被照射，從而經曝光的形狀的擴展傾向于減小所需特征的尺寸。出于同樣原 因，使用明場技術和抗蝕劑，通常使光學鄰近效應更容易控制且較不嚴重。相反地，與通常 用于形成對具有在最小光刻可分辨尺寸下限定的結構的諸如晶體管的器件的接觸的情況 一樣地，使用所謂的暗場技術和抗蝕劑通過對特征的照射來最好地形成大于其間的間隔的 特征。本發明可以與明場或暗場技術一起使用，但在其中光學鄰近效應特別明顯且難以控 制的暗場多步處理構圖的情況下特別有利。在圖1的截面(a)中，施加了包括有機襯層18、硬掩模19和薄(用以減少抗蝕劑 內的反射和散射且用以降低在抗蝕劑層過厚時發生的抗蝕劑塌陷的可能性)光致抗蝕劑/ 浸沒式頂涂層20的三層抗蝕劑疊層16，并且已通過曝光和顯影構圖對光致抗蝕劑進行了 構圖，從而使光致抗蝕劑20開口而暴露硬掩模抗反射涂層(ARC) 19，例如硅ARC或SiARC。 (此前和此后使用的術語光致抗蝕劑應被理解為可通過光刻曝光和顯影構圖的任何材料， 不論用于進行曝光的能量(例如，X射線)或粒子(例如，電子)的類型如何。)然后，通過 常規的蝕刻工藝，例如，反應離子蝕刻(RIE)，將光致抗蝕劑20中的圖形轉移到硬掩模19， 并進而轉移到0PL，從而產生在截面(b)中所示的結構。更具體而言，硬掩模材料相對于OPL 材料的蝕刻選擇性極高(例如，10-20)；允許OPL用作蝕刻停止層，隨后使用不同的反應劑 進行另一 RIE工藝以蝕刻硬掩模。然后剝離光致抗蝕劑，產生在截面(c)中所示的結構。然后，為了實現如上所述的間距分離，在構圖后的硬掩模之上施加第二光致抗蝕 劑層20’，并對其進行曝光和顯影，產生在截面(d)中所示的結構，并且再次執行如上所述 的常規蝕刻，從而將光致抗蝕劑圖形轉移到硬掩模19，如截面(e)中所示。然后剝離剩余 的光致抗蝕劑，留下通過第二光刻掩模(以及第一光刻掩模)構圖的硬掩模，其中有機襯 層19在其合適的位置，如截面(f)中所示。如果由于給定的器件設計所需的硬掩模圖形中 的開口的近似而希望或必要的，可以執行用于在構圖后的硬掩模之上施加和構圖光致抗蝕 劑、蝕刻硬掩模、以及去除剩余的光致抗蝕劑的一個或多個附加的序列。此時，如果需要少 于在硬掩模中形成的所有特征并通過附加蝕刻以增大特征或通過對材料的各向異性沉積 和各向同性蝕刻來減小特征尺寸而調節孔徑尺寸(多數在其他結構上形成側壁分隔物的 情況下)，則可以通過封閉(block-out)掩蔽而實現對硬掩模圖形的某些細化。也可以在施 加和構圖任何序列的另外的光致抗蝕劑之前，利用或不利用封閉掩蔽，對硬掩模孔徑進行 這樣的細化處理；可能允許省略某些封閉掩蔽工藝。當完成了硬掩模構圖時，再次執行適宜的常規蝕刻，以將通過間距分離處理而由 此獲得的硬掩模圖形轉移到器件層12，如截面(g)中所示，并可選地去除硬掩模，如截面 (h)中所示。應注意，由于硬掩模19和0PL18相對于彼此可選擇性地蝕刻并且硬掩模圖形 實際上由類似地構圖的硬掩模ARC層和OPL層構成，因此可以將各種各樣的蝕刻劑和工藝參數用于將圖形轉移到下伏的(underlying)材料且可以將蝕刻自由地設計為適合于該下 伏的材料。應注意，由于光刻曝光掩模的邊緣將在不與光刻曝光掩模中的圖形對應的區域中 產生會部分地曝光光致抗蝕劑的某種衍射，因此僅僅通過對單個光致抗蝕劑層的多次曝光并 不能實現間距分離，對于極小且緊密分隔的特征尤其如此。對于極小且緊密分隔的特征，由于 上述原因，通常將光致抗蝕劑形成為極薄；要求較少的曝光，同時所需特征(以及可能地，利 用衍射增加或減小特定區域的曝光的所謂的輔助特征)的鄰近實質上確保了衍射圖形將覆 蓋(overlap)所需圖形，引起附加的且經常為累積性的曝光；使得將要在光致抗蝕劑中顯影 的圖形變形。因此，必須在使用不同的間距分離光刻掩模的每一光刻曝光之后進行至少一次 蝕刻工藝以將圖形轉移到硬掩模，并在構圖后的硬掩模之上施加和構圖新的光致抗蝕劑層以 漸增地顯影所需的硬掩模圖形。可能需要附加的蝕刻工藝來調節硬掩模圖形，以放大或縮小 如上所述的圖形特征。需要附加的蝕刻工藝以將硬掩模圖形轉移到器件層12。由此可見，雖然間距分離方法可以降低或避免鄰近效應，但如果采用常規蝕刻工 藝，則間距分離方法變得非常復雜，且增加所需的蝕刻工藝的數目并由此增加在光刻線路 和用于蝕刻的反應器皿以及直到適當設定的反應器皿可用之前的存儲之間來回切換的次 數，同時各蝕刻工藝本身也帶來顯著的復雜性。在半導體生產線的當前設計的光刻線路內 不能適應這樣的附加復雜性。由于需要在光刻線路之外執行這樣的繁多的時刻工藝，由此 產生了附加的總體工藝復雜性和對制造產率的某種折衷。通過使用諸如硅氧烷或氧化鈦的酸敏硬掩模材料來完全在光刻線路內執行這樣 的蝕刻，本發明提供了對該復雜性的解決方案。其他合適的材料包括如授權給Flaim等 人的美國專利6，303，270中所述的鈦聚合物以及鈦、硅、鋁、鋯和鉿的共聚物，通過參考將 該專利全部并入這里。然后在酸敏硬掩模材料層和顯影后的抗蝕劑圖形之上施加酸性上 覆層。適宜的酸性上覆層材料是商業可得的，例如從JSR Micro, Inc. ,1280 N. Mathilda Ave.，Sunnyvale, California 94089-1213 可得的 TCX041、NFC700 或 NFC 445。優選使用 旋涂工藝施加酸性上覆層以顯影均勻的層，在足以活化酸敏硬掩模材料的100°C到150°C 下持續約60到120秒或者其他溫度和時間條件下(取決于酸敏硬掩模材料和酸性上覆層 材料)烘烤該酸性上覆層，以顯影其中酸性上覆層接觸酸敏硬掩模材料的位置且然后顯影 上覆層，該顯影優選在含水四甲基氫氧化銨(TMAH)中進行30至60秒以去除在酸敏硬掩模 材料已被活化的區域中的上覆層和酸敏硬掩模材料。適宜的顯影劑為0. 26N的TMAH，但還 可以使用其他濃度(例如，從0. 12N的TMAH到0. 4N的TMAH)。因此，可以通過半導體生產 線的光刻線路中通常的涂覆、烘烤和顯影工藝執行在間距分離工藝中的所有硬掩模構圖所 需的蝕刻。具體而言，參考圖2和3，下面將描述通過本發明執行的間距分離方法。圖2的截 面(a)與圖1的截面(a)相同，其中，施加了包括有機襯層18、如上所述的諸如硅氧烷或氧 化鈦的酸敏材料的硬掩模19和光致抗蝕劑20的三層抗蝕劑疊層，并且已通過第一間距分 離光刻掩模曝光和顯影而在抗蝕劑層20中形成圖形，如圖3的步驟305、306、307、308和 310所示。然后，為了執行對酸敏硬掩模材料的蝕刻，在步驟315中施加TCX041或NFC700 的酸性上覆層22 (優選通過旋涂工藝)，并在步驟320中對其進行烘烤，如上所述，以通過在 抗蝕劑中的構圖后的孔徑來活化與酸性上覆層接觸的酸敏硬掩模材料的區域23，如圖2的截面(b)中的陰影所示。然后在步驟325中在含水TMAH中對組件顯影30到60秒，以去除 上覆層22并蝕刻掉酸敏硬掩模材料的活化區域，在有機襯層18上停止，并在剝離剩余的光 致抗蝕劑層20之后留下孔徑24，如圖2的截面(c)中所示。根據本發明的間距分離方法繼續在步驟335中施加另一層光致抗蝕劑層26，如圖 2的截面(d)中所示。注意，步驟335到360與步驟305到330相同，但省略了對有機襯層 的施加和對酸敏硬掩模材料的施加步驟306和307，因為這些層保留在已執行的步驟未蝕 刻的區域中的適當位置。相應地，在步驟340中與前面一樣地對新施加的光致抗蝕劑層26 進行曝光和顯影，并酸性上覆層28被施加(步驟345)和烘烤(步驟350)，以活化區域25 中的酸敏硬掩模材料，這也與前面一樣。然后在步驟355中顯影上覆層以及酸敏硬掩模材 料的活化區域25，以蝕刻掉硬掩模的區域25，再次在有機襯層18上停止，并剝離剩余的光 致抗蝕劑。雖然在抗蝕劑剝離期間會發生對有機襯層的某些表面蝕刻，但不需要且通常不 去除有機襯層18。如果需要尚未在硬掩模19中形成的附加特征，則在必要時將利用又一光刻曝光 掩模重復由虛線370表示的工藝循環以及步驟335-360，直到完成了所需的硬掩模圖形。然 后通過常規蝕刻(例如，根據常規生產線組織和操作的光刻線路之外的RIE)而將硬掩模圖 形轉移到層12以及半導體器件設計所需的以常規方式完成的器件。如上所述，在執行步驟345或其重復之前可以執行附加的工藝以調節或細化在硬 掩模中產生的圖形。另一方面，根據本發明的間距分離方法增加了蝕刻的便利性，從而可以 經濟地執行更多的間距分離掩蔽和曝光；潛在地減少對圖形的這種調節/細化的需求，并 且，在任何情況下，可以與蝕刻工藝380之前的工藝或者其附帶工藝一樣地在光刻線路之 外執行對硬掩模圖形的調節/細化。由此可見，本發明的基本原理是通過可完全在常規半導體生產線的光刻線路內執 行的使用特定酸敏硬掩模材料且使用酸性上覆層的間距分離方法來執行對所需的硬掩模 的蝕刻。在光刻線路內以這樣的方式執行蝕刻提供了用于降低或避免必須在極其緊密地形 成精細特征的情況下的光學鄰近效應中所涉及的許多蝕刻工藝的簡化和可能的自動化。本 發明還避免了通過從用于繁多的蝕刻工藝的每一工藝的光刻線路移除和返回到該光刻線 路而引起的制造產率的折衷，并且，與先前的間距分離方法相比提高了生產線的吞吐量。雖然關于單個優選實施例描述了本發明，但本領域技術人員將理解，可以利用在 所附權利要求的精神和范圍內的修改實施本發明。
權利要求
1.一種用于在酸敏材料層中蝕刻圖形的方法，所述方法包括以下步驟 形成酸敏材料層；在所述酸敏材料層上形成并構圖抗蝕劑層；在所述構圖的光致抗蝕劑層上以及被所述光致抗蝕劑暴露的所述酸敏材料的區域上 施加酸性上覆層；活化所述酸敏材料的所述區域；以及顯影所述酸敏材料的所述活化的區域，以將所述抗蝕劑中的圖形轉移到所述酸敏材料。
2.根據權利要求1的方法，還包括以下步驟 在所述酸敏材料層上形成并構圖另一抗蝕劑層；在所述構圖的光致抗蝕劑層上以及被所述光致抗蝕劑暴露的所述酸敏材料的區域上 施加酸性上覆層；活化所述酸敏材料的所述區域；以及顯影所述酸敏材料的所述活化的區域，以將所述抗蝕劑中的圖形轉移到所述酸敏材料。
3.根據權利要求2的方法，還包括以下步驟 將在所述酸敏材料中顯影的圖形轉移到下伏的材料層。
4.根據權利要求2的方法，其中所述酸敏材料被形成在有機平面化層上。
5.根據權利要求2的方法，還包括以下步驟 調節在所述抗蝕劑中的構圖的特征的尺寸。
6.根據權利要求2的方法，還包括以下步驟 調節在所述酸敏材料中的構圖的特征的尺寸。
7.根據權利要求1的方法，還包括以下步驟 將在所述酸敏材料中顯影的圖形轉移到下伏的材料層。
8.根據權利要求1的方法，其中所述酸敏材料被形成在有機平面化層上。
9.根據權利要求1的方法，還包括以下步驟 調節在所述抗蝕劑中的構圖的特征的尺寸。
10.根據權利要求1的方法，還包括以下步驟 調節在所述酸敏材料中的構圖的特征的尺寸。
11.一種用于半導體制造的間距分離方法，所述方法包括以下步驟 形成酸敏材料層；使用光刻間距分離曝光掩模在所述酸敏材料層上形成并構圖光致抗蝕劑層； 在所述構圖的光致抗蝕劑層上以及被所述光致抗蝕劑暴露的所述酸敏材料的區域上 施加酸性上覆層；活化所述酸敏材料的所述區域； 顯影所述酸敏材料的活化的區域；使用另一光刻間距分離曝光掩模在所述酸敏材料層上形成并構圖另一光致抗蝕劑層；在所述另一構圖的光致抗蝕劑層上以及被所述光致抗蝕劑暴露的所述酸敏材料的區域上施加酸性上覆層；活化所述酸敏材料的所述區域；以及 顯影所述酸敏材料的活化的區域。
12.根據權利要求11的方法，還包括以下步驟 將在所述酸敏材料中顯影的圖形轉移到下伏的材料層。
13.根據權利要求11的方法，其中所述酸敏材料被形成在有機平面化層上。
14.根據權利要求11的方法，還包括以下步驟 調節在所述抗蝕劑中的構圖的特征的尺寸。
15.根據權利要求11的方法，還包括以下步驟 調節在所述酸敏材料中的構圖的特征的尺寸。
16.一種集成電路，其具有被這樣的距離彼此分隔的結構，所述距離小于所述結構的橫 向尺寸，所述集成電路通過包括以下步驟的方法形成形成酸敏材料層；使用光刻間距分離曝光掩模在所述酸敏材料層上形成并構圖光致抗蝕劑層； 在所述構圖的光致抗蝕劑層上以及被所述光致抗蝕劑暴露的所述酸敏材料的區域上 施加酸性上覆層；活化所述酸敏材料的所述區域； 顯影所述酸敏材料的活化的區域；使用另一光刻間距分離曝光掩模在所述酸敏材料層上形成并構圖另一光致抗蝕劑層；在所述另一構圖的光致抗蝕劑層上以及被所述光致抗蝕劑暴露的所述酸敏材料的區 域上施加酸性上覆層；活化所述酸敏材料的所述區域；以及 顯影所述酸敏材料的活化的區域。
全文摘要
本發明涉及兩次曝光一條線路間距分離方法。一種集成電路被形成為具有這樣的結構，該結構緊密鄰近且彼此間的間隔比該結構的橫向尺寸更小，例如用于制造到以通過暗場分離間距技術實現的最小光刻可分辨尺寸形成的電子元件的接觸。通過使用酸敏硬掩模材料和經由抗蝕劑中的構圖的孔徑而接觸硬掩模的區域的酸性上覆層，完全在光刻線路內執行對硬掩模的蝕刻，從而支持用于分離間距方法的可接受的覆蓋精度和工藝效率以及吞吐量，該分離間距方法需要為多個依次施加并構圖的抗蝕劑層中的每一個進行對硬掩模的蝕刻。硬掩模的接觸區域被活化，以通過烘烤酸性上覆層而進行顯影。
文檔編號H01L27/00GK102005382SQ20101026939
公開日2011年4月6日 申請日期2010年8月31日 優先權日2009年9月1日
發明者M·E·科爾伯恩, S·D·伯恩斯, S·霍姆斯 申請人:國際商業機器公司