TWI554848B - 為半導體裝置形成薄膜圖案的方法及其設備 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種形成薄膜圖案之方法，且更明確而言，係關於一種形成用於半導體裝置之微小薄膜圖案之方法及用於該方法之設備。
本申請案主張2008年5月15日申請之韓國專利申請案第10-2008-0045193號之優先權，該韓國專利申請案之全文以引用之方式併入本文中。
一般而言，用於諸如平板顯示裝置及太陽能電池等半導體裝置之製造製程包括重複以下步驟：薄膜沈積步驟、光阻(PR)圖案之光微影步驟及針對薄膜圖案之薄膜蝕刻步驟。光微影步驟包括以下步驟：形成PR層、曝露該PR層及顯影該曝露之PR層以形成該PR圖案。用於波長為436nm之g光線、波長為365nm之i光線或波長為248nm之氟化氪(KrF)之PR材料已用於PR層，且藉由使用光遮罩圖案化該PR層來形成該PR圖案。另外，藉由使用PR圖案作為蝕刻遮罩圖案化薄膜來形成薄膜圖案。
最近，已需要一種形成微小薄膜圖案之方法以用於高度集成之半導體裝置。然而，由於光微影步驟之限制，藉由PR圖案形成之薄膜圖案之臨界尺寸限於約60nm。因此，已提出一種使用非晶碳(a-C)及氧氮化矽(SiON)作為蝕刻遮罩形成具有小於約50nm之臨界尺寸之微小薄膜圖案的方法。
圖1A至1D為展示根據相關技術之使用非晶碳及氧氮化矽形成薄膜圖案之方法之橫截面圖。在圖1A中，在基板10上形成薄膜20，且在薄膜20上形成非晶碳層30。另外，在非晶碳層30上循序形成氧氮化矽層40及抗反射層50。在抗反射層50上形成光阻(PR)層60。接下來，在PR層60上方沈積光遮罩M，且穿過光遮罩M使該PR層60曝露於光F。
在圖1B中，藉由顯影PR層60(圖1A)而形成PR圖案60a。接下來，在使用該PR圖案60a作為蝕刻遮罩循序蝕刻抗反射層50及氧氮化矽層40之後，移除PR圖案60a及經蝕刻之抗反射層50。
在圖1C中，在非晶碳層30上形成氧氮化矽圖案40a。在圖1D中，在使用該氧氮化矽圖案40a作為蝕刻遮罩蝕刻非晶碳層30以形成非晶碳圖案30a之後，移除該氧氮化矽圖案40a。接下來，使用該非晶碳圖案30a作為蝕刻遮罩蝕刻薄膜20以形成薄膜圖案20a。
可藉由旋塗方法或電漿增強型化學氣相沈積(PECVD)方法形成非晶碳層30。然而，由於薄膜20與非晶碳圖案30a之間的蝕刻選擇率相對較低，所以需要非晶碳圖案30a具有類似於薄膜20之厚度之厚度。由於藉由旋塗方法或PECVD方法實現之非晶碳層30之蝕刻速率類似於薄膜20之蝕刻速率，所以在使用非晶碳圖案30a作為蝕刻遮罩蝕刻薄膜20之後，薄膜圖案20a可能具有諸如條痕或波形等劣化。或者，可在形成薄膜圖案20a之前除去非晶碳圖案30a。
為了解決以上問題，增加非晶碳圖案30a之厚度。然而，當非晶碳圖案30a之厚度增加時，非晶碳圖案30a之分辨率降低。圖2為展示根據相關技術之薄膜圖案之劣化的橫截面圖。在圖2中，於薄膜圖案20a之蝕刻步驟期間，與薄膜20(圖1C)相比，可能移除更多之非晶碳圖案30a。另外，薄膜圖案20a可具有不良輪廓或不良之臨界尺寸(CD)。此外，非晶碳圖案30a之厚度增加可能造成諸如與縱橫比相關之蝕刻速率(ARDE)現象、蝕刻速率降低及輪廓控制上之困難等劣化。
因此，本發明係針對一種為半導體裝置形成薄膜圖案之方法及用於該方法之設備，其大體上避免由於相關技術之限制及缺點而引起的一或多個問題。
本發明之目的為提供一種使用非晶碳圖案形成用於半導體裝置之微小薄膜圖案之方法。
一種形成薄膜圖案之方法包括：在基板上形成薄膜；在該薄膜上形成包括第一及第二碳層之非晶碳層，其中藉由旋塗方法及電漿增強型化學氣相沈積(PECVD)方法中之一者來形成該第一碳層，且藉由物理氣相沈積(PVD)方法來形成該第二碳層；在該非晶碳層上形成硬遮罩層；在該硬遮罩層上形成PR圖案；藉由使用PR圖案作為蝕刻遮罩蝕刻該硬遮罩層來形成硬遮罩圖案；藉由使用該硬遮罩圖案作為蝕刻遮罩蝕刻該非晶碳層來形成包括第一及第二碳圖案之非晶碳圖案；以及藉由使用該非晶碳圖案作為蝕刻遮罩蝕刻該薄膜來形成薄膜圖案。
在另一態樣中，一種用於形成薄膜圖案之設備包括：腔室；基板支撐單元，其位於該腔室中，該基板支撐單元在其上具有基板；以及第一、第二及第三功率供應單元，其連接至該腔室，該第一、第二及第三功率供應單元分別提供第一、第二及第三功率。
隨附圖式經包括以提供對本發明的進一步理解，且併入本說明書中並構成其一部分，隨附圖式說明本發明的實施例。
現將詳細參看隨附圖式中所說明之實施例。只要有可能，便將使用相似參考數字來指代相同或相似部分。
圖3A至3G為展示根據本發明實施例之為半導體裝置形成薄膜圖案之方法之橫截面圖。
在圖3A中，在基板100上形成薄膜120。舉例而言，可藉由沈積金屬材料、半導體材料及絕緣材料中之一者來形成薄膜120。接下來，在該薄膜120上循序形成非晶碳層130、硬遮罩層140、抗反射層150及光阻(PR)層160。非晶碳層130包括第一碳層131及位於該第一碳層131上之第二碳層133。藉由旋塗方法(旋塗方法)及電漿增強型化學氣相沈積(PECVD)方法中之一者來形成該第一碳層131。舉例而言，第一碳層131可具有約10nm至約50nm之厚度以易於在蝕刻薄膜之後除去。藉由諸如不平衡磁控管(UBM)方法等物理氣相沈積(PVD)方法來形成第二碳層133。舉例而言，第二碳層133可具有約10nm至約50nm之厚度。第二碳層133相對於薄膜120具有相對較高之蝕刻選擇率。舉例而言，第二碳層133與薄膜120之間的蝕刻選擇率可在約7:1至約20:1之範圍內。由於藉由在相對較低溫度下使用之PVD方法來形成第二碳層133，所以在形成第二碳層133的同時，第一碳層131及薄膜120可具有穩定狀態而沒有熱應力。
另外，硬遮罩層140包括氧氮化矽(SiON)，氧化矽(SiOx)及氮化矽(SiNx)中之一者。舉例而言、硬遮罩層140可具有約50nm至約200nm之厚度以用於蝕刻第一碳層131及第二碳層133。抗反射層150用於最小化隨後針對PR層160之曝露步驟中之反射。舉例而言，抗反射層150可具有約10nm至約50nm之厚度。藉由塗覆用於具有小於約193nm之波長之光的PR材料而在抗反射層150上形成PR層160。舉例而言，PR層160可對對應於波長為193nm之氟化氬(ArF)、波長為157nm之氟氣(F2
)及遠紫外線(EUV)中之一者的光起反應。
在抗反射層150上形成PR層160之後，在PR層160上方設置光遮罩M，且穿過該光遮罩M將對應於ArF、F2
及EUV中之一者的光F照射至PR層160上。
在圖3B中，在將PR層160(圖3A)曝露於光F之後，藉由顯影所曝露之PR層160而形成PR圖案160a。
在圖3C中，藉由使用該PR圖案160a作為蝕刻遮罩循序蝕刻抗反射層150(圖3B)及硬遮罩層140(圖3B)而形成抗反射圖案150a及硬遮罩圖案140a。舉例而言，可使用包括四氟化碳(CF4
)、氧氣(O2
)、六氟丁二烯(C4
F6
)及氬氣(Ar)之混合氣體的電漿來蝕刻抗反射層150。四氟化碳(CF4
)、氧氣(O2
)、六氟丁二烯(C4
F6
)及氬氣(Ar)之流動速率分別可在約10sccm至約200sccm、約1sccm至約30sccm、約1sccm至約30sccm及約200sccm至約800sccm之範圍內。另外，可使用包括二氟甲烷(CH2
F2
)、八氟環丁二烯(C4
F8
)、氧氣(O2
)及氬氣(Ar)之混合氣體的電漿來蝕刻氧氮化矽(SiON)之硬遮罩層140。二氟甲烷(CH2
F2
)、八氟環丁二烯(C4
F8
)、氧氣(O2
)及氬氣(Ar)之流動速率分別可在約5sccm至約100sccm、約5sccm至約100sccm、約5sccm至約100sccm及約200sccm至約800sccm之範圍內。
在圖3D中，在蝕刻抗反射層150(圖3B)及硬遮罩層140(圖3B)之後，移除PR圖案160a(圖3C)及抗反射圖案150a(圖3C)。舉例而言，可使用丙酮移除PR圖案160a。此外，在移除PR圖案160a之後，可藉由化學乾蝕刻器移除PR殘留物。
在圖3E中，藉由使用硬遮罩圖案140a作為蝕刻遮罩蝕刻包括第一碳層131及第二碳層133之非晶碳層130來形成包括第一碳圖案131a及第二碳圖案133a之非晶碳圖案130a。舉例而言，可使用包括氮氣(N2
)、氧氣(O2
)及氬氣(Ar)之混合氣體的電漿蝕刻包括第一碳層131及第二碳層133之非晶碳層130。氮氣(N2
)、氧氣(O2
)及氬氣(Ar)之流動速率分別可在約10sccm至約200sccm、約50sccm至約600sccm及約50sccm至約500sccm之範圍內。
在圖3F中，於形成非晶碳圖案130a之後，移除硬遮罩圖案140a。接下來，藉由使用包括第一碳圖案131a及第二碳圖案133a之非晶碳圖案130a蝕刻薄膜120來形成具有相對微小寬度之薄膜圖案120a。由於藉由PVD方法形成之第二碳圖案133a相對於薄膜120具有相對較高之蝕刻選擇率，所以在沒有諸如條痕及波形等劣化之情況下形成薄膜圖案120a。
在圖3G中，於形成薄膜圖案120a之後，移除包括第一碳圖案131a及第二碳圖案133a之非晶碳圖案130a。可使用氧氣(O2
)及包括氧氣(O2
)之混合氣體中之一者移除非晶碳圖案130a。由於易於從薄膜圖案120a移除藉由旋塗方法及PECVD方法中之一者形成之第一碳圖案131a，所以在不損害薄膜圖案120a之情況下移除非晶碳圖案130a。薄膜圖案120a可用於諸如平板顯示器(FPD)及太陽能電池等半導體裝置。
圖4A為展示根據本發明實施例之用於形成薄膜圖案之設備之視圖，且圖4B為展示根據本發明另一實施例之用於形成薄膜電晶體之設備之視圖。
在圖4A中，設備200包括腔室205以及第一、第二及第三高頻率功率供應單元220、230及240。腔室205包括基板支撐單元210，且基板100加載於該基板支撐單元210上。舉例而言，靜電夾盤可用作基板支撐單元210。在處理基板100(諸如，蝕刻基板100上之薄膜)的同時，基板支撐單元210可具有約-10℃至約80℃之溫度。
最初，腔室205可具有約1毫托至約500毫托之壓力。接下來，將包括四氟化碳(CF4
)、六氟丁二烯(C4
F6
)、八氟環丁二烯(C4
F8
)、二氟甲烷(CH2
F2
)、氧氣(O2
)、氮氣(N2
)及氬氣(Ar)中之至少一者之反應氣體注入至設備200之腔室205中。激發該反應氣體以產生電漿，且處理該基板100。
第一、第二及第三高頻率功率供應單元220、230及240連接至基板支撐單元205。第一、第二及第三高頻率功率供應單元220、230及240分別提供第一、第二及第三功率。舉例而言，產生用於控制電漿之離子能量之自偏壓的第一高頻率功率供應單元220可提供具有約400kHz至約10MHz之頻率之第一功率。另外，第二高頻率功率供應單元230可提供具有約10MHz至約30MHz之頻率之第二功率，且控制電漿之密度之第三高頻率功率供應單元240可提供具有約10MHz至約100MHz之頻率之第三功率。
在圖4B中，設備300包括腔室305、第一、第二及第三高頻率功率供應單元320、330及340以及天線350。腔室305包括基板支撐單元310及面向基板支撐單元之相對板315。基板100加載於基板支撐單元310上。舉例而言，靜電夾盤可用作基板支撐單元310。相對板315可接地。另外，天線350可形成於腔室305之鄰近於相對板315之外部頂部表面上。在處理基板100(諸如，蝕刻基板100上之薄膜)的同時，基板支撐單元310可具有約-10℃至約80℃之溫度。
最初，腔室305可具有約1毫托至約500毫托之壓力。接下來，將包括四氟化碳(CF4
)、六氟丁二烯(C4
F6
)、八氟環丁二烯(C4
F8
)、二氟甲烷(CH2
F2
)、氧氣(O2
)、氮氣(N2
)及氬氣(Ar)中之至少一者之反應氣體注入至設備300之腔室305中。激發該反應氣體以產生電漿，且處理該基板100。
第一及第二高頻率功率供應單元320及330連接至基板支撐單元310，且第三高頻率功率供應單元340連接至天線350。第一、第二及第三高頻率功率供應單元320、330及340分別提供第一、第二及第三功率。舉例而言，產生用於控制電漿之離子能量之自偏壓的第一高頻率功率供應單元320可提供具有約400kHz至約10MHz之頻率之第一功率，且第二高頻率功率供應單元330可提供具有約10MHz至約30MHz之頻率之第二功率。另外，控制電漿之密度之第三高頻率功率供應單元340可具有約10MHz至約100MHz之頻率。
在圖4A及4B之設備200及300中，第一高功率供應單元220及320之第一功率可在約100W至約2000W之範圍內，且第二高功率供應單元230及330之第二功率可在約300W至約600W之範圍內。可使用反應氣體以及設備200及300來調節諸如蝕刻速率及蝕刻選擇率等加工條件。
因此，藉由使用非晶碳圖案作為蝕刻遮罩使用相對較高之蝕刻選擇率及相對容易之消除來形成具有小於約50nm之寬度之薄膜圖案，該非晶碳圖案包括藉由旋塗方法及PECVD方法中之一者形成之第一碳圖案及藉由PVD方法形成之第二碳圖案。另外，由於減小了非晶碳圖案之厚度，所以也減小了縱橫比。因而，防止了諸如條痕及波形等劣化，且改進了薄膜圖案之蝕刻輪廓。
圖5A至5C為展示根據本發明其它實施例之形成薄膜圖案之方法的橫截面圖。圖5A至5C中之每一者展示在形成PR圖案之後的橫截面圖。用於形成薄膜圖案之其它步驟類似於圖3A至3G之步驟並加以省略。
在圖5A中，在薄膜420與非晶碳層430之間形成輔助薄膜425。藉由使用非晶碳圖案(未圖示)蝕刻輔助薄膜425而形成之輔助薄膜圖案(未圖示)用作薄膜420之蝕刻遮罩，且藉由使用輔助薄膜圖案作為蝕刻遮罩蝕刻薄膜420來形成薄膜圖案(未圖示)。輔助薄膜425可包括諸如氧氮化矽(SiON)、氧化矽(SiOx)、碳氮化矽(SiCN)等絕緣材料、諸如多晶矽(p-Si)等半導體材料以及諸如鉭(Ta)、鈦(Ti)、鉻(Cr)、氮化鉭(TaN)、氮化鈦(TiN)及氮化鉭矽(TaSiN)等導電材料中之一者。為了實現相對較高之蝕刻選擇率，當輔助薄膜425包括絕緣材料時，薄膜420可包括導電材料，且當輔助薄膜425包括導電材料時，薄膜420可包括絕緣材料。另外，輔助薄膜425可具有約100nm至約800nm之厚度。
在圖5B中，在非晶碳層530之第二碳層533與硬遮罩層540之間形成第一助黏劑層535。舉例而言，第一助黏劑層535可包括藉由沈積方法形成之氫化非晶碳、氧化矽(SiOx)及金屬材料中之一者。另外，第一助黏劑層535可具有若干奈米之厚度。第一助黏劑層535改進了硬遮罩層540與非晶碳層530之間的黏合。
在圖5C中，在非晶碳層630之第二碳層633與硬遮罩層640之間形成第二助黏劑層635。舉例而言，可藉由使用氧氣(O2
)、氮氣(N2
)、氬氣(Ar)及其混合氣體中之一者的遠端或直接電漿處理第二碳層633之頂部表面來形成第二助黏劑層635。第二助黏劑層635改進了硬遮罩層640與非晶碳層630之間的黏合。
雖然未圖示，但在另一實施例中，在形成第一碳層之後，可使用電漿處理第一碳層之頂部表面以改進非晶碳層之第一與第二碳層之間的黏合。舉例而言，該電漿可包括氮氣(N2
)與氧氣(O2
)、氧氣(O2
)與氬氣(Ar)以及氬氣(Ar)中之一者之混合氣體，且可執行電漿處理步驟持續約1秒至約10秒。由於第一碳層之頂部表面可藉由電漿稍微蝕刻進行粗糙化，所以改進了第一與第二碳層之間的黏合。藉由根據本發明實施例之方法形成之薄膜圖案可包括用於半導體元件之分離圖案及諸如柵極電極、柵極線、源極線及漏極線等金屬線中之一者。
因而，在根據本發明實施例之形成微小薄膜圖案之方法中，由於使用包括藉由旋塗方法及PECVD方法中之一者形成之第一碳層及藉由PVD方法形成之第二碳層之非晶碳層作為蝕刻遮罩來蝕刻薄膜，所以形成具有小於約50nm之寬度之薄膜圖案，其第二碳層與薄膜層之間的蝕刻選擇率相對較高且第一碳層相對容易消除。因此，由於縱橫比減小而改進了薄膜圖案之蝕刻輪廓，且減少了諸如條痕及波形等劣化。
熟習此項技術者將明白，可在不脫離本發明之精神或範疇之情況下，在本發明之形成薄膜圖案之方法中作出各種修改及變化。因此，希望本發明涵蓋對本發明之修改及變化，只要其屬於所附申請專利範圍及其等效物之範疇內。
10．．．基板
20．．．薄膜
20a．．．薄膜圖案
30．．．非晶碳層
30a．．．非晶碳圖案
40．．．氧氮化矽層
40a．．．氧氮化矽圖案
50．．．抗反射層
60．．．光阻層
60a．．．PR圖案
100．．．基板
120．．．薄膜
120a．．．薄膜圖案
130．．．非晶碳層
130a．．．非晶碳圖案
131．．．第一碳層
131a．．．第一碳圖案
133．．．第二碳層
133a．．．第二碳圖案
140．．．硬遮罩層
140a．．．硬遮罩圖案
150．．．抗反射層
150a．．．抗反射圖案
160．．．光阻層
160a．．．光阻圖案
200．．．裝置
205．．．腔室
210．．．基板支撐單元
220．．．第一高頻率功率供應單元
230．．．第二高頻率功率供應單元
240．．．第三高頻率功率供應單元
300．．．裝置
305．．．腔室
310．．．基板支撐單元
315．．．相對板
320．．．第一高頻率功率供應單元
330．．．第二高頻率功率供應單元
340．．．第三高頻率功率供應單元
350．．．天線
420．．．薄膜
425．．．輔助薄膜
430．．．非晶碳層
530．．．非晶碳層
533．．．第二碳層
540．．．硬遮罩層
535．．．第一助黏劑層
630．．．非晶碳層
633．．．第二碳層
640．．．硬遮罩層
635．．．第二助黏劑層
M．．．光遮罩
圖1A至1D為展示根據相關技術之使用非晶碳及氧氮化矽形成薄膜圖案之方法之橫截面圖；
圖2為展示根據相關技術之薄膜圖案之劣化的橫截面圖；
圖3A至3G為展示根據本發明實施例之為半導體裝置形成薄膜圖案之方法之橫截面圖；
圖4A為展示根據本發明實施例之用於形成薄膜圖案之設備的視圖；
圖4B為展示根據本發明另一實施例之用於形成薄膜電晶體之設備的視圖；及
圖5A至5C為展示根據本發明其它實施例之形成薄膜圖案之方法之橫截面圖。
100．．．基板
120．．．薄膜
130．．．非晶碳層
131．．．第一碳層
133．．．第二碳層
140．．．硬遮罩層
150．．．抗反射層
160．．．光阻層
M．．．光遮罩
Claims (14)
- 一種形成一薄膜圖案之方法，其包含：在一基板上形成一薄膜；在該薄膜上形成一包括第一及第二碳層之非晶碳層，其中藉由一旋塗(spin-on)方法及一電漿增強型化學氣相沈積(PECVD)方法中之一者來形成該第一碳層，且藉由一物理氣相沈積(PVD)方法來形成該第二碳層；在該非晶碳層上形成一硬遮罩層；在該硬遮罩層上形成一光阻(PR)圖案；藉由使用該PR圖案作為一蝕刻遮罩蝕刻該硬遮罩層來形成一硬遮罩圖案；藉由使用該硬遮罩圖案作為一蝕刻遮罩蝕刻該非晶碳層來形成一包括第一及第二碳圖案之非晶碳圖案；以及藉由使用該非晶碳圖案蝕刻該薄膜來形成一薄膜圖案，其中在形成該非晶碳圖案之後且在形成該薄膜圖案之前移除該硬遮罩圖案。
- 如請求項1之方法，其中使用不具有該硬遮罩圖案的該非晶碳圖案作為一蝕刻遮罩來蝕刻該薄膜。
- 如請求項1之方法，其中該第一及該第二碳層中之每一者具有約10nm至約50nm之厚度。
- 如請求項1之方法，進一步包含在該PR圖案與該硬遮罩層之間形成一抗反射層。
- 如請求項1之方法，其中該第二碳層與該薄膜之間之一 蝕刻選擇率在約7：1至約20：1之範圍內。
- 如請求項1之方法，其中該硬遮罩層包括氧氮化矽(SiON)、氧化矽(SiOx)及氮化矽(SiNx)中之一者。
- 如請求項1之方法，進一步包含：在該薄膜與該非晶碳層之間形成一輔助薄膜；以及藉由使用該非晶碳圖案作為一蝕刻遮罩蝕刻該輔助薄膜來形成一輔助薄膜圖案，其中使用該輔助薄膜圖案作為一蝕刻遮罩來蝕刻該薄膜。
- 如請求項7之方法，其中該輔助薄膜包括氧氮化矽(SiON)、氧化矽(SiOx)、碳氮化矽(SiCN)、多晶矽(p-Si)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、鉻(Cr)、氮化鉭(TaN)、氮化鈦(TiN)及氮化鉭矽(TaSiN)中之一者。
- 如請求項1之方法，進一步包含在該硬遮罩層與該非晶碳層之間形成一助黏劑層。
- 如請求項9之方法，其中藉由一沈積方法在該第二碳層上形成該助黏劑層，且該助黏劑層包括氫化非晶碳、氧化矽(SiOx)及一金屬材料中之一者。
- 如請求項9之方法，其中藉由使用氧氣(O2)、氮氣(N2)、氬氣(Ar)及其一混合氣體中之一者之一電漿處理該第二碳層之一頂部表面來形成該助黏劑層。
- 如請求項1之方法，其中進一步包含使用一包括氮氣/氧氣(N2/O2)、氧氣/氬氣(O2/Ar)及氬氣(Ar)中之一者之混合氣體的電漿處理該第一碳層之一頂部表面。
- 如請求項1之方法，其中形成該PR圖案包含：在該硬遮罩層上形成一PR層，該PR層對一波長為193nm之氟化氬(ArF)、一波長為157nm之氟氣(F2)及遠紫外線(EUV)中之一者起反應；穿過一光遮罩將一光照射至該PR層上；以及顯影該PR層以形成該PR圖案。
- 如請求項1之方法，其中在形成該硬遮罩圖案之後且在形成該非晶碳圖案之前移除該PR圖案。
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