阅读说明：本技术 芯轴图形的形成方法 (Method for forming mandrel pattern ) 是由 许鹏凯 乔夫龙 任佳 于 2019-11-29 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种芯轴图形的形成方法,包括:提供一衬底,在所述衬底上方依次形成芯轴图形层、过渡层以及图形化的旋涂介质层,所述过渡层的硬度大于所述旋涂介质层的硬度；以图形化的旋涂介质层为掩膜,进行过渡层刻蚀,以形成图形化的过渡层；去除所述图形化的旋涂介质层,并以图形化的过渡层为掩膜,进行芯轴图形层刻蚀,以形成芯轴图形。通过在所述芯轴图形层和图形化的旋涂介质层中间增加过渡层,改变了芯轴图形刻蚀工艺中的膜层结构,既可以降低图形化的旋涂介质层中的有机介电质层的厚度,同时解决了芯轴图形层刻蚀过程中的掩模层厚度不够的问题。(The invention provides a method for forming a mandrel graph, which comprises the steps of providing a substrate, and sequentially forming a mandrel graph layer, a transition layer and a graphical spin-on dielectric layer above the substrate, wherein the hardness of the transition layer is greater than that of the spin-on dielectric layer; taking the patterned spin-coating dielectric layer as a mask, and etching the transition layer to form a patterned transition layer; and removing the patterned spin-coating dielectric layer, and etching the mandrel pattern layer by taking the patterned transition layer as a mask to form a mandrel pattern. By adding the transition layer between the mandrel graph layer and the graphical spin-on dielectric layer, the film structure in the mandrel graph etching process is changed, the thickness of the organic dielectric layer in the graphical spin-on dielectric layer can be reduced, and the problem that the thickness of the mask layer is insufficient in the etching process of the mandrel graph layer is solved.)

芯轴图形的形成方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种芯轴图形的形成方法。

背景技术

随着器件尺寸的减小，半导体制造中的关键尺寸也不断减小，甚至超出光刻工艺的极限。在这种条件下，为了获得能够满足关键尺寸要求的结构，需要采用自对准双重成像技术(Self-aligned Double Patterning,SADP)。这种工艺首先形成芯轴(Core)图形，通过在芯轴图形的两侧形成侧墙，进而通过侧墙的尺寸来定义后续图形的尺寸。

在芯轴图形刻蚀工艺中，旋涂介质层得到广泛应用，所述旋涂介质层包括有机介电质层(ODL)和含硅抗反射层(Si-ARC)。然而，由于有机介电质层的材质较软，容易在芯轴图形(Core)刻蚀过程中，受等离子体的轰击作用而发生倒塌，从而使得后续工艺中产生字线桥接故障或是损坏的问题。为解决这一问题，可以降低有机介电质层的厚度。但这种方案会降低工艺窗口，造成有机介电质层对下部膜层保护不够的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种芯轴图形的形成方法，以避免芯轴图形刻蚀工艺中出现图形化失败的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种芯轴图形的形成方法，包括:

提供一衬底，在所述衬底上方依次形成芯轴图形层、过渡层以及图形化的旋涂介质层，所述过渡层的硬度大于所述旋涂介质层的硬度；

以图形化的旋涂介质层为掩膜，进行过渡层刻蚀，以形成图形化的过渡层；

去除所述旋涂介质层，并以图形化的过渡层为掩膜，进行芯轴图形层刻蚀，以形成芯轴图形。

可选的，在所述的芯轴图形的形成方法中，所述芯轴图形层的材料包括氧化硅、非晶硅、多晶硅和单晶硅中的至少一种。

可选的，在所述的芯轴图形的形成方法中，所述图形化的旋涂介质层的形成方法包括：

在所述芯轴图形层上形成所述过渡层后，通过旋涂工艺在所述过渡层上依次覆盖有机介电质层、含硅抗反射层和光刻胶层，其中有机介电质层和含硅抗反射层共同构成旋涂介质层；

通过光刻工艺对所述光刻胶层进行光刻，以形成图形化的光刻胶层；

以所述图形化的光刻胶层为掩膜，刻蚀所述含硅抗放射层，继而以之为掩模层刻蚀有机介电质层至所述过渡层的表面，形成所述图形化的旋涂介质层。

可选的，在以上所述的芯轴图形的形成方法中，所述过渡层的厚度与所述芯轴图形层的厚度成正比。

可选的，在以上所述的芯轴图形的形成方法中，所述过渡层的厚度与在进行芯轴图形层刻蚀时所述过渡层相对所述芯轴图形层的刻蚀选择比成反比。

可选的，在所述的芯轴图形的形成方法中，在以图形化的过渡层为掩膜，进行芯轴图形层刻蚀之前，还包括采用灰化工艺，将所述过渡层顶部剩余的所述图形化的旋涂介质层除去。

可选的，在所述的芯轴图形的形成方法中，在形成所述芯轴图形之后，还包括：除去所述图形化的过渡层。

可选的，在所述的芯轴图形的形成方法中，进行芯轴图形层刻蚀之后且在除去所述图形化的过渡层之前，以所述图形化的过渡层为掩膜，修正所述芯轴图形的形貌直至满足工艺要求。

综上所述，本发明提供了一种芯轴图形的形成方法，包括:提供一衬底，在所述衬底上方依次形成芯轴图形层、过渡层以及图形化的旋涂介质层，所述过渡层的硬度大于所述旋涂介质层的硬度；以图形化的旋涂介质层为掩膜，进行过渡层刻蚀，以形成图形化的过渡层；去除所述旋涂介质层，继而以图形化的过渡层为掩膜，进行芯轴图形层刻蚀，以形成芯轴图形。通过在所述芯轴图形层和旋涂介质层中间增加硬度相对较大的过渡层，改变了芯轴图形刻蚀工艺中的膜层结构，因此，可以在过渡层刻蚀完成之后，将有机介电质层移除，继而以硬度较大的过渡层作为掩模层进行下层的芯轴图形层的刻蚀，使得在最终形成的芯轴图形结构不变的情况下，既降低了有机介电质层的厚度，减少由于有机介电质层坍塌而带来的图形化失败的问题，进而为后续的刻蚀工艺提供了更大的工艺窗口，解决了字线桥接故障以及损坏的工艺问题，同时也解决了芯轴图形层刻蚀时的掩模层厚度不够的问题。

附图说明

图1～图7为一种自对准双重成像工艺中各步骤中的半导体结构示意图；

图8～图13为一种芯轴图形的形成方法中各步骤中的半导体结构示意图；

图14a～图14d为一种芯轴图形的形成方法中芯轴图形层图形化失败的过程图；

图15a为一种芯轴图形的形成方法中有机介电质层坍塌的切片图；

图15b为一种芯轴图形的形成方法中芯轴图形层图形化失败的切片图；

图16～图23为本发明一实施例中芯轴图形的形成方法中各步骤中的半导体结构示意图；

图1～图15b中：

01-图形化的光刻胶层，02-含硅抗反射层，03-有机介电质层，04-芯轴图形层，05-半导体材料层，06-第一氧化层，07-硅基底，08-侧墙，09-第二图形化的光刻胶层，0201-图形化的含硅抗反射层，0301-图形化的有机介电质层，0401-图形化的芯轴图形层，0402-修正后的图形化的芯轴图形层，0501-图形化的半导体材料层；

图16～图23中：

10-图形化的光刻胶层，20-含硅抗反射层，30-有机介电质层，40-芯轴图形层，50-衬底，60-过渡层，201-图形化的含硅抗反射层，301-图形化的有机介电质层，401-图形化的芯轴图形层，402-修正后的图形化的芯轴图形层，601-图形化的过渡层。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的芯轴图形的形成方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明的目的。

随着器件尺寸的减小，半导体制造中的关键尺寸也不断减小，甚至超出光刻工艺的极限。在这种条件下，为了获得能够满足关键尺寸要求的结构，需要采用自对准双重成像技术。这种工艺首先形成芯轴图形，通过在芯轴的两侧形成侧墙，进而通过侧墙的尺寸来定义后续图形的尺寸。如图1～7所示，所述自对准双重成像工艺包括：

首先，提供一半导体结构，如图1所示，所述半导体结构包括衬底，以及在衬底上依次形成的芯轴图形层04、旋涂介质层以及光刻胶层，所述衬底可以包括硅基底07、第一氧化层06以及位于其上的半导电材料层05，所述半导体材料层05可以从下至上依次包括浮栅多晶硅层、ONO层(氧化硅层-氮化硅层-氧化硅层)、控制栅多晶硅层、过渡层、第二氧化层以及无定型硅层。所述旋涂介质层包括有机介电质层03以及位于其上的含硅抗反射层(Si-ARC)02。所述芯轴图形层04的材料可以为氧化硅、非晶硅、多晶硅或者单晶硅中的至少一种，针对此处半导体材料层05顶部为无定形硅层的情况，优先考虑使用氧化硅。

通过光刻工艺对所述光刻胶层进行光刻，形成图形化的光刻胶层01，而光刻胶层的图形化是根据工艺要求进行设定的，一般仅在储存单元区域有剩余光刻胶材料。

以图形化的光刻胶层01为掩膜，进行旋涂介质层刻蚀，即刻蚀含硅抗反射02以及位于其下的有机介电质层03，最终形成图形化的有机介电质层0301，以图形化的有机介电质层0301为掩膜进行芯轴图形层04的刻蚀，形成图形化的芯轴图形层0401，即形成芯轴图形(参阅图2)。由于受光刻工艺的限制，形成的芯轴图形的关键尺寸较大，需要通过修正使其关键尺寸减小。即在对图形化的有机介电质层0301膜层进行灰化工艺之后，采用湿法刻蚀的方法对所述芯轴图形的尺寸进行修正，使其满足工艺要求。修正后的图形化的芯轴图形层0402的结构示意图如图3所示。

在修正后的图形化的芯轴图形层0402的周围进行侧墙结构沉积，并通过侧墙结构的刻蚀形成如图4所示的侧墙08。最后，直接移除图形化的芯轴图形层，并通过光刻以及进一步刻蚀形成最终的目标图形(参阅图5～7)，即先在侧墙08以及半导体材料层05上方形成光刻胶层，然后进行光刻形成第二图形化的光刻胶层09。一般该步骤仅在非储存单元区域有剩余光刻胶材料，再进一步通过刻蚀形成图形化的半导体材料层0501，即形成目标图形。

在上述自对准双重成像工艺过程中，芯轴图形层的刻蚀结果对整个工艺来说具有很大影响。比如，刻蚀过程中的图形化失败等问题会导致整个工艺完成后发生字线桥接故障或者损坏的问题。因此，芯轴图形的形成工艺对刻蚀过程的要求较高。而所述芯轴图形的形成方法如图8～13所示，包括：

首先提供一衬底05，所述衬底上依次形成芯轴图形层04、有机介电质层03、含硅抗反射层02以及光刻胶层，且通过光刻工艺对所述光刻胶层进行光刻形成图形化的光刻胶层01，参阅图8。

以图形化的光刻胶层01为掩膜进行含硅抗反射层(Si-ARC)02的刻蚀，形成图形化的含硅抗反射层0201(参阅图9)，继而以图形化的含硅抗反射层0201为掩模版进行有机介电质层03的刻蚀形成图形化的有机介电质层0301(参阅图10)，最终以图形化的有机介电质层0301为掩模进行下层的芯轴图形层04的刻蚀形成图形化的芯轴图形层0401，即芯轴图形(如图11～13)。

所述芯轴图形层04的刻蚀一般进一步分为三步骤：贯穿刻蚀、主刻蚀以及过刻蚀。其中所述贯穿刻蚀可以用于除去芯轴图形层04表面在之前的刻蚀中所形成的聚合物，而主刻蚀主要是除去大部分不需要的刻蚀材料，形成图形化的芯轴图形层0401(参阅图12)。所述过刻蚀主要用于对芯轴图形的形貌进行修正，获得满足工艺要求的尺寸，即获得修正后的图形化的芯轴图形层0402，参阅图13。

为保证以上工艺中能够对芯轴图形层04形成较好的保护，所述芯轴图形层04上方需要有足够厚度的有机介电质层03作为阻挡层。然而，较厚的有机介电质层03由于其本身较软，且图形的关键尺寸较小，容易在等离子体的轰击下发生倒塌的现象，参阅图14a～14d以及切片图形15a和15b。在主刻蚀的过程中出现有机介电质层的倒塌现象，进而使得氧化硅层在刻蚀后发生图形化失败的问题。而减薄有机介电质层厚度有助于解决这一问题，但有可能会出现刻蚀过程中有机介电质层对芯轴图形层保护不够的问题。

为解决以上问题，本发明提供了一种芯轴图形的形成方法，通过在有机介电质层与芯轴图形层之间增加一层过渡层，改善芯轴图形形成过程中的膜层结构，充分利用刻蚀选择比，既避免了由于有机介电质层较厚而导致的有机介电质层倒塌的情况，同时避免了有机介电质层减薄而带来的有机介电质层对下部膜层保护不够的问题。

所述芯轴图形的形成方法，如图16～图23所示，包括:

提供一衬底50，在所述衬底50上方依次形成有芯轴图形层40、过渡层60以及图形化的旋涂介质层；

以图形化的旋涂介质层为掩膜，进行过渡层60刻蚀，形成图形化的过渡层601；

去除所述旋涂介质层，并以图形化的过渡层601为掩膜，进行芯轴图形层40的刻蚀，以形成芯轴图形。

首先提供一衬底50，在所述衬底上方依次形成有芯轴图形层40、过渡层60以及图形化的旋涂介质层。其中，所述衬底50可以为常规硅衬底或包含半导电材料层的其它衬底，例如包含无定形硅层的半导体材料层的衬底，所述芯轴图形层40的材料可以包括氧化硅、非晶硅、多晶硅和单晶硅中的至少一种，此处优选为氧化硅。

所述图形化的旋涂介质层是由旋涂介质层刻蚀形成的，具体过程为：

首先所述芯轴图形层上形成所述过渡层后，通过旋涂工艺在所述过渡层上依次覆盖有机介电质层30、含硅抗反射层20和光刻胶层，其中有机介电质层30和含硅抗反射层20共同构成旋涂介质层；

通过光刻工艺对所述光刻胶层进行光刻，以形成图形化的光刻胶层10(参阅图16)；

以所述图形化的光刻胶层10为掩膜，刻蚀所述含硅抗放射层20，继而以之为掩模层刻蚀有机介电质层30至所述过渡层60的表面，形成所述图形化的旋涂介质层。即先以图形化的光刻胶层10为掩膜，先对所述含硅抗反射层20进行刻蚀，将含硅抗反射层20完全打开，形成图形化的含硅抗反射层201，如图17所示。然后，以图形化的含硅抗反射层201为掩膜对有机介电质层30进行刻蚀，形成图形化的有机介电质层301，刻蚀停止在过渡层60的表面上。其中，所述刻蚀为干法刻蚀，刻蚀过程对图形化的含硅抗反射层201具有非常高的选择比，因此在有机介电质层30刻蚀过后图形化的含硅抗反射层201仍有剩余，如图18所示。

在形成图形化的有机介电质层301之后，以图形化的有机介电质层301为掩模版进行过渡层60的刻蚀，形成图形化的过渡层601，同时在刻蚀过程中也需要将图形化的有机介电质层301顶部的图形化的含硅抗反射层201完全刻蚀掉，如图19所示。其中，所述过渡层60的硬度大于所述旋涂介质层的硬度，更具体的是指所述过渡层60的硬度大于所述有机介电质层30的硬度，所述过渡层60优选为氮化硅。所述过渡层60的刻蚀为干法刻蚀。

所述过渡层60通过原子层沉积或者化学气相沉积等方法形成于所述有机介电质层30和芯轴图形层40之间，所述的过渡层60的厚度根据芯轴图形层40的厚度以及进行芯轴图形层40刻蚀时所述过渡层相对所述芯轴图形层的刻蚀选择比而定。所述过渡层60的厚度与所述芯轴图形层40的厚度成正比，与进行芯轴图形层40刻蚀时所述过渡层相对所述芯轴图形层的刻蚀选择比成反比。所述过渡层60相对所述芯轴图形层40的刻蚀选择比为所述过渡层60和芯轴图形层40的刻蚀速率比。后续刻蚀工艺中以图形化的过渡层601作为掩模层进行芯轴图形层40刻蚀，而过渡层60和芯轴图形层40能够获得很高的刻蚀选择比，因此较薄的过渡层60能够在后续芯轴图形层40刻蚀步骤提供足够的保护，获得较好的图形，由于此处的过渡层60厚度较薄，因此所采用的有机介电质层30厚度可以大大降低，避免了过渡层60刻蚀中有机介电质层30倒塌的情况。

待过渡层60刻蚀之后形成图形化的过渡层601，然后在刻蚀腔体中进行灰化过程除去图形化的过渡层601顶部剩余的图形化的有机介电质层301，参阅图20。所述灰化过程为高温通氧过程，所述温度大于50℃。

以图形化的过渡层601作为掩模进行芯轴图形层40的刻蚀，最终将刻蚀过程停在下方的刻蚀停止层上，即停止在衬底50上，形成的图形化的芯轴图形层401，如图21所示。然后，以所述图形化的过渡层601为掩膜，修正所述芯轴图形的形貌直至所述芯轴图形满足工艺要求，所述修正的方法可以为过刻蚀，即通过过刻蚀的方法形成修正后的图形化的芯轴图形层402，如图22所示。可以理解的是，本领域技术人员根据所掌握的普通常识结合本申请公开的内容容易知晓如何实现以上刻蚀，此处不再赘述。

最后，去除所述修正后的图形化的芯轴图形层402顶部剩余的图形化的过渡层601，即可获得与原工艺相同的结构。去除的方法优选为湿法刻蚀工艺，其中，所述湿法刻蚀工艺中采用的刻蚀试剂优选为所述过渡层相对所述芯轴图形层的刻蚀选择比高的试剂，例如磷酸溶液。移除所述修正后的图形化的芯轴图形层402顶部剩余的过渡层之后，最终形成的芯轴图形如图23所示。湿法刻蚀工艺中可以提供较高的过渡层和芯轴图形层的刻蚀选择比的刻蚀溶液，从而在几乎不损伤芯轴图形的情况下，将剩余的氮化硅完全移除。

本发明提供了一种芯轴图形的形成方法。在有机介电质层与芯轴图形层之间增加过渡层，利用过渡层相对芯轴图形层能够获得的较高选择比对芯轴图形层进行刻蚀，从而获得满足工艺要求的图形。而有机介电质层仅需在过渡层刻蚀中能够提供足够的保护即可，即在过渡层刻蚀完成之后，可以将有机介电质层移除。所述芯轴图形的形成方法充分利用了刻蚀工艺中芯轴图形层相对过渡层较高的刻蚀选择比以及湿法刻蚀工艺中过渡层相对芯轴图形层较高的选择比，在不改变芯轴图形最终结构的情况下，降低了芯轴图形刻蚀工艺中的有机介电质层的厚度，进而充分削弱了芯轴图形刻蚀工艺中由于有机介电质层的坍塌而带来的图形化失败的问题，为后续的工艺提供了更大的工艺窗口，解决了字线桥接故障以及损坏的工艺问题。

最后所应说明的是，以上实施例仅为本发明较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。