CN102314076B

CN102314076B - 复合掩模及其制作方法

Info

Publication number: CN102314076B
Application number: CN 201010223474
Authority: CN
Inventors: 何其旸
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2010-07-02
Filing date: 2010-07-02
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2030-07-02
Also published as: CN102314076A

Abstract

本发明提供一种复合掩模及其制作方法，其中所述制作方法包括：提供半导体衬底，在所述半导体衬底表面形成具有第一条形图案的第一掩模层；在所述第一掩模层以及半导体衬底的表面形成第二掩模层，所述第二掩模层具有第二条形图案，所述第二条形图案垂直于所述第一条形图案，所述第二掩模层与第一掩模层的材质不相同；以第二掩模层为掩模刻蚀所述第一掩模层直至露出半导体衬底；采用等离子刻蚀工艺对第二掩模层进行外形修正，减小所述第二掩模层的宽度，露出底部的第一掩模层。与现有技术相比，本发明形成的复合掩模避免了光学邻近效应产生的图形畸变，适合用于制作小特征尺寸的狗骨状互连结构。

Description

复合掩模及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体制造工艺，尤其涉及一种复合掩模及其制作方法。

背景技术

在半导体的互连结构中，随着工艺尺寸的日益降低，线宽也逐步减小，在有源区中制作接触孔时，对准也显得越发困难。因此现有一种互连结构，称之为狗骨状互连(dog bone)。

图1为狗骨状互连结构的俯视示意图，如图1所示，所述狗骨状互连具体指：在较细的有源连线10(例如金属互连线、栅线等)上设置方块状的接触区20用于制作接触孔。所述方块状接触区20的宽度大于有源连线10的宽度，面积较大，因此更易于制作接触孔时进行对准。

为制作上述狗骨状互连结构，需要先形成相应的掩模，所述掩模的图形与所述狗骨形状相同。常规的半导体工艺中，掩模的制作步骤包括：在半导体衬底表面形成掩模层以及光刻胶，将光刻胶曝光图形化，以光刻胶为掩模刻蚀掩模层，将所述图形转移至掩模层上。

现有的掩模制作工艺存在如下问题：随着半导体工艺特征尺寸的微缩，在进入45nm工艺后，光刻中存在的光学邻近效应也越来越严重。再如图1所示，有源连线10之间的间距缩小，会导致位于不同有源连线10上的相邻接触区20距离过近。按照上述狗骨状图形所曝光形成的光刻胶图形将如图2所示。在图2中，相邻的接触区20图形由于距离过近，产生严重的光学邻近效应，而发生图形的畸变。接触区20图形的形状不再是严格的方块状而呈椭圆状，其宽度与有源线10图形的宽度基本一致。按照上述光刻胶图形制作的掩模将无法形成所需的狗骨状互连结构。

因此，对于较小特征尺寸的半导体工艺，需要开发一种工艺流程简单，成本低廉的掩模制造方法，解决光学邻近效应所产生的图形畸变问题。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种复合掩模及其制作方法，用于作为刻蚀形成狗骨状互连结构的掩模，能够避免光学邻近效应所产生的图形畸变问题。

本发明提供的复合掩模制作方法，包括：

提供半导体衬底，在所述半导体衬底表面形成具有第一条形图案的第一掩模层；

在所述第一掩模层以及半导体衬底的表面形成第二掩模层，所述第二掩模层具有第二条形图案，所述第二条形图案垂直于所述第一条形图案，所述第二掩模层与第一掩模层的材质不相同；

以第二掩模层为掩模刻蚀所述第一掩模层直至露出半导体衬底；

采用等离子刻蚀工艺对第二掩模层进行外形修正，减小所述第二掩模层的宽度，露出底部的第一掩模层。

可选的，所述第一条形图案至少包括两条相互平行的线条图形。所述第一掩模层为硬掩模。所述形成第一掩模层的方法包括：在半导体衬底形成第一掩模层；在第一掩模层的表面形成图形化的光刻胶，所述光刻胶图形为线条图形；以所述光刻胶为掩模，采用等离子刻蚀工艺形成第一掩模层，并去除所述光刻胶。

可选的，所述第二条形图案至少包括两条相互平行的线条图形。所述第二掩模层为光刻胶。所述形成条形的第二掩模层的方法包括：在第一掩模层以及半导体衬底的表面旋涂光刻胶，对所述光刻胶曝光图形化，形成垂直于第一条形图案的第二条形图案。

所述复合掩模用于刻蚀形成互连结构，所述外形修正将第二掩模层的线条图形宽度减小至互连结构中有源连线的宽度。

基于上述制作方法，本发明所提供的复合掩模，形成于半导体衬底表面，包括：

位于半导体衬底表面的具有方块状图案的第一掩模层；位于第一掩模层部分表面且延伸至半导体衬底表面的具有条形图案的第二掩模层；所述第一掩模层中方块状图案关于第二掩模层的条形图案中心线对称。

可选的，所述第二掩模层的条形图案至少包括两条相互平行的线条图形，而位于所述各线条图形的第二掩模层底部，至少包括两个方块状图案的第一掩模层。所述第一掩模层为硬掩模。所述第二掩模层为光刻胶。所述复合掩模用于刻蚀形成互连结构，所述线条图形宽度等于互连结构中有源连线的宽度。

本发明在半导体衬底表面分别制作两种相互垂直并且叠加的条形掩模，并去除位于底部的第一掩模层暴露在外的部分，进而采用等离子刻蚀对位于顶部的第二掩模层进行外形修正，最终形成狗骨状的复合掩模结构。上述方法避免了传统掩模制作工艺中，在对光刻胶曝光进行图形转移时，因光学邻近效应而产生的图形畸变问题。因此本发明所述复合掩模更适合用于制作小特征尺寸的狗骨状互连结构。

附图说明

通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其他目的、特征和优势将更加清晰。附图中与现有技术相同的部件使用了相同的附图标记。附图并未按比例绘制，重点在于示出本发明的主旨。在附图中为清楚起见，放大了层和区域的尺寸。

图1是狗骨状互连结构的示意图；

图2是现有掩模制作工艺发生光学邻近效应时的图形畸变示意图；

图3是本发明所述复合掩模的制作方法流程示意图；

图4至图8是本发明实施例的复合掩模制作方法的俯视结构示意图；

图4a至图8a是本发明实施例的复合掩模制作方法的剖面结构示意图；

图9是应用本发明所述复合掩模刻蚀形成狗骨状栅线的示意图；

图9a是图9中沿B-B’线的剖面示意图。

具体实施方式

在现有的掩模制作工艺中，光刻胶曝光进行图形转移时，狗骨状图形中邻近区域间受到光学邻近效应的影响，容易产生图形畸变，使得形成狗骨状图形趋于条形，难以实现所需效果。为避免上述邻近区域间的光学邻近效应，本发明采用分次掩模制作，在半导体衬底上形成两种相互垂直并且叠加的条形掩模，并去除位于底部的条形掩模暴露在外的部分，进而采用等离子刻蚀对位于顶部的条形掩模进行外形修正，最终形成狗骨状的复合掩模结构。如图3所示，本发明所述复合掩模的制作方法基本步骤包括：

S101、提供半导体衬底，在所述半导体衬底表面形成具有第一条形图案的第一掩模层；

其中，所述半导体衬底并不局限于硅衬底，还包括已经形成的半导体器件或半导体结构；例如在制作多晶硅栅线时，掩模的底部半导体衬底便包括待刻蚀的多晶硅层以及起刻蚀停止作用的垫氧化层。所述第一条形图案可以为多条相互平行的线条图案，且各线条图形之间可以为等间距的。上述第一掩模层可以为硬掩模，可以采用常规的硬掩模图案化工艺。例如在硬掩模层上形成曝光图形化的光刻胶，以光刻胶为掩模对硬掩模层进行刻蚀，完成图形的转移，然后去除该光刻胶，形成上述条形图案的第一掩模层。此外在本步骤中，由于仅需形成线条图形，因此所采用的光刻胶图形即使存在光学邻近效应，也并不会影响图形的效果。第一掩模层的各线条图形边缘是平整的。

S102、在所述第一掩模层以及半导体衬底的表面形成第二掩模层，所述第二掩模层具有垂直于第一条形图案的第二条形图案；

其中，所述第二条形图案也可以包括多条相互平行的线条图形，且各线条图形之间可以为等间距的，这样第二掩模层与第一掩模层便交叉形成了井字形结构。所述第二掩模层与第一掩模层应当存在材质差异，以便后续采用不同选择刻蚀比的等离子刻蚀工艺进行分别的刻蚀。第二掩模层可以采用光刻胶，可以采用常规的曝光图形化工艺，与前述理由相同，本步骤中仅需形成线条图形，因此所述曝光图形化过程中即使存在光学邻近效应，也不会影响图形的效果。第二掩模的各线条图形边缘也应当是平整的。

S103、以第二掩模层为掩模刻蚀所述第一掩模层直至露出半导体衬底；

其中经过该步骤的刻蚀后，原先具有第一条形图案的第一掩模层仅保留了位于第二掩模层底部的部分，且该部分的投影为方形，因此所述第一掩模层将被分割成方块状图案。

S104、采用等离子刻蚀工艺对第二掩模层进行外形修正，减小所述第二掩模层的宽度，露出底部的第一掩模层。

其中所述等离子刻蚀工艺所采用的刻蚀气体，应当对第二掩模层具有更大的选择刻蚀比，使得所述等离子刻蚀工艺在对第二掩模层进行外形修正时，仅仅会减薄第二掩模层的宽度以及厚度，而对第一掩模层不产生影响。经过外形修正后，位于第二掩模层底部的方块状图案的第一掩模层将被曝露出。俯视半导体衬底的顶部，第一掩模层以及第二掩模层将构成狗骨状的掩模图形。以第一掩模层以及第二掩模层所组成的复合掩模为掩模，刻蚀底部的半导体衬底，便能够得到所需的小特征尺寸狗骨状互连图形。

经过上述对本发明复合掩模的制作方法的描述可知，本发明所述复合掩模并不会受到光学邻近效应的影响，能够形成小尺寸的狗骨状的掩模图形。

下面结合具体的实施例，对本发明所述复合掩模的制作方法以及优点，进行详细的介绍。图4至图8是本发明实施例的复合掩模制作方法的俯视结构示意图。

首先如图4以及图4a所示，其中图4a为图4中沿A-A’线的剖面示意图，在半导体衬底100的表面依次形成第一掩模层101、底部抗反射层102、图形化的第一光刻胶层103。

具体的，所述第一掩模层101可以为硬掩模，本实施例中，所述第一掩模层101采用二氧化硅，通过化学气相沉积工艺沉积，厚度为200～400

然后采用旋涂形成所述底部抗反射层102以及第一光刻胶层103，所述底部抗反射层102的厚度为450～800所述第一光刻胶层103的厚度为1100～2000

再对第一光刻胶层103曝光图形化，形成相互平行的线条状光刻胶图形。

如图5以及图5a所示，其中图5a为图5中沿A-A’线的剖面示意图，以图形化的第一光刻胶层103为掩模，依次刻蚀底部抗反射层102、第一掩模层101，直至露出半导体衬底100。

具体的，上述刻蚀工艺可以采用常规的硬掩模等离子刻蚀工艺，本实施例中，所述刻蚀第一掩模层101采用的刻蚀气体为CF₄以及He。

在上述刻蚀完成后，还应当包括灰化第一光刻胶层103，并清洗去除第一光刻胶层103以及底部抗反射层102的步骤。

如图6以及图6a所示，其中图6a为图6中沿B-B’线的剖面示意图，在条形的第一掩模层101以及半导体衬底100表面形成图形化的第二掩模层104。

具体的，所述第二掩模层104材质可以为光刻胶，可以采用旋涂工艺形成于所述第一掩模层101以及半导体衬底100的表面，然后通过曝光图形化形成具有相互平行的线条图形的第二掩模层104。本实施例中，所述第二掩模层102的厚度为1100～2000

且在第二掩模层104的表面还旋涂有厚度为450～800的顶部抗反射层(图中未示出)，所述顶部抗反射层可以一直保留，并用于以后续形成的复合掩模为掩模刻蚀半导体衬底。所述第二掩模层104与第一掩模层101相垂直。在图形化后，从半导体衬底顶部视角，所述第二掩模层104与第一掩模层101构成井字形状。

如图7以及图7a所示，其中图7a为图7中沿B-B’线的剖面示意图，以所述第二掩模层104为掩模，刻蚀第一掩模层101，直至露出半导体衬底100。

具体的，所述刻蚀工艺可以采用与前述图形化第一掩模层101相同的等离子刻蚀工艺。经过上述刻蚀后，第一掩模层101仅保留位于第二掩模层104底部的重叠部分，由于第一掩模层101与第二掩模层104均为线条图形且相互垂直，因此上述重叠部分的投影为方形。最终形成第一掩模层101被分割成方块状图案。

如图8以及图8a所示，其中图8a为图8中沿B-B’线的剖面示意图，采用等离子刻蚀工艺对第二掩模层104进行外形修正，减小第二掩模层104的宽度，露出底部第一掩模层101。

具体的，所述等离子刻蚀工艺仅对第二掩模层104进行外形修正，而对第一掩模层101并无影响，即所使用的刻蚀气体对第二掩模层104应当具有更大的选择刻蚀比，而对第一掩模层101不具备蚀刻性(蚀刻能力过小而可忽略)。本实施例中，第一掩模层101的材质为二氧化硅，而第二掩模层104为光刻胶，对光刻胶外形修正(PR Triming)所采用的等离子刻蚀工艺中，刻蚀气体可以为HBr、CH₂F₂以及O₂。经过上述外形修正后，第二掩模层104中各线条图形的两个相对侧边均被减薄，且减薄的尺寸相同，即第二掩模层104的宽度减小，而露出底部的第一掩模层101。此外经过外形修正后，所述第二掩模层104各线条图形的宽度尺寸取决于所需刻蚀图形的宽度，例如本发明所述复合掩模用于刻蚀形成互连结构时，上述第二掩模层104中各线条图形的宽度应当等于互连结构中有源连线的宽度。从半导体衬底顶部视角，第一掩模层101与第二掩模层104将构成狗骨状图形，且第一掩模层101中方块状图案关于第二掩模层104的条形图案中心线对称。

经过上述工艺后，所述第一掩模层101与第二掩模层104便构成了复合掩模结构。以下以刻蚀多晶硅栅线为例，介绍本发明所述复合掩模的使用。进一步如图9以及图9a所示，其中图9a为图9中沿B-B’线的剖面示意图，所述半导体衬底100包括硅衬底110，硅衬底110表面的垫氧层120以及多晶硅层130，以所述复合掩模为掩模，刻蚀所述多晶硅层130，直至露出垫氧层120。，便能够得到所需的狗骨状的栅线图形。

具体的，上述以复合掩模为掩模刻蚀半导体衬底100时，可以采用等离子刻蚀工艺，且使用的刻蚀气体应当对光刻胶材质的第二掩模层104以及二氧化硅材质的第一掩模层101不会产生较大影响。

基于上述制作方法，本发明所提供的复合掩模包括：

进一步的，所述条形图案可以至少包括两条相互平行的线条图形，而位于所述各线条图形的第二掩模层底部，至少包括两个方块状图案第一掩模层。

由于位于不同线条图形的第二掩模层底部，且相邻的方块状图案的第一掩模层，可能由同一线条图形的第一掩模层刻蚀而成。因此本发明形成的复合掩模中，位于不同线条图形的第二掩模层底部，方块状图案的第一掩模层的分布趋势(数量、间隔等)基本相同。

所述第一掩模层与第二掩模层的材质并不同。第一掩模层由于位于第二掩模层的底部，起到一定的支撑作用，通常采用硬掩模，例如二氧化硅、氮化硅等材质，而第二掩模层可以直接使用光刻胶，以简化制造工艺。例如在图9以及图9a所示实施例中，用于制作多晶硅栅线时，第一掩模层所在区域将刻蚀形成方块状的栅极接触区，而其余第二掩模层所在区域则刻蚀形成栅线。其中，由第一掩模层的图形转移得到的接触区图形，边缘较为清晰平整，并不存在传统光刻胶掩模所存在的图形畸变问题。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种复合掩模的制作方法，其特征在于，包括：

在所述第一掩模层以及半导体衬底的表面形成第二掩模层，所述第二掩模层具有垂直于第一条形图案的第二条形图案，所述第二掩模层与第一掩模层的材质不相同；

采用等离子刻蚀工艺对第二掩模层进行外形修正，减小所述第二掩模层的宽度，露出底部的第一掩模层，所述等离子刻蚀工艺中使用的刻蚀气体对第二掩模层具有更大的选择刻蚀比，而对第一掩模层不具备刻蚀性。

2.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述第一条形图案至少包括两条相互平行的线条图形。

3.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述第一掩模层为硬掩模。

4.如权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述形成第一掩模层的方法包括：

在半导体衬底形成第一掩模层；

在第一掩模层的表面形成图形化的光刻胶，所述光刻胶图形为线条图形；

以所述光刻胶为掩模，采用等离子刻蚀工艺形成第一掩模层，并去除所述光刻胶。

5.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述第二条形图案至少包括两条相互平行的线条图形。

6.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述第二掩模层为光刻胶。

7.如权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述形成第二掩模层的方法包括：

在第一掩模层以及半导体衬底的表面旋涂光刻胶；

对所述光刻胶曝光图形化，形成垂直于第一条形图案的第二条形图案。

8.如权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述复合掩模用于刻蚀形成互连结构，所述外形修正将所述线条图形宽度减小至互连结构中有源连线的宽度。

9.一种根据权利要求1所述的复合掩模的制作方法制得的复合掩模，形成于半导体衬底表面，其特征在于，包括：

位于半导体衬底表面的具有方块状图案的第一掩模层；

位于第一掩模层部分表面且延伸至半导体衬底表面的具有条形图案的第二掩模层；

所述第一掩模层中方块状图案关于第二掩模层的条形图案中心线对称。

10.如权利要求9所述的复合掩模，其特征在于，所述条形图案至少包括两条相互平行的线条图形。

11.如权利要求10所述的复合掩模，其特征在于，位于所述各线条图形的第二掩模层底部，至少包括两个方块状图案第一掩模层。

12.如权利要求9所述的复合掩模，其特征在于，所述第一掩模层为硬掩模。

13.如权利要求9所述的复合掩模，其特征在于，所述第二掩模层为光刻胶。

14.如权利要求10所述的复合掩模，其特征在于，所述复合掩模用于刻蚀形成互连结构，所述线条图形的宽度等于互连结构中有源连线的宽度。