一种方形排列的孔的刻蚀方法与流程

1.本发明涉及半导体器件的制作领域，尤其涉及一种方形排列的孔的刻蚀方法。


背景技术：

2.随着半导体器件集成度的提高，半导体器件的尺寸逐渐减小。在现有小尺寸的半导体器件的制作过程中，由于光刻工艺的限制，接触孔的尺寸以及接触孔之间的距离均无法达到需求值。从而导致半导体器件的配线间接触电阻和配线间漏电的规格不符合半导体器件的要求，容易导致接触不良和漏电的问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种方形排列的孔的刻蚀方法，以获得尺寸和间距均符合半导体器件要求的孔结构，从而解决接触不良和漏电的问题。
4.第一方面，本发明提供了一种方形排列的孔的刻蚀方法，该方形排列的孔的刻蚀方法包括：
5.提供半导体衬底，所述半导体衬底上具有待刻蚀层；
6.在所述待刻蚀层上形成双层掩膜材料层；
7.采用两次光刻工艺对所述双层掩膜材料层进行处理，获得交错分布的第一图案结构和第二图案结构；
8.在所述第一图案结构、所述第二图案结构的侧壁上形成侧墙；
9.去除所述第一图案和所述第二图案；
10.以所述侧墙为掩膜，对所述待刻蚀层进行刻蚀，形成方形排列的孔。
11.与现有技术相比，本发明提供方形排列的孔的刻蚀方法中，利用两次光刻工艺，形成交错分布的第一图案结构和第二图案结构。由于第一图案结构与第二图案结构交错分布，即第二次光刻形成的第二图案结构的部分区域形成在第一次光刻形成的第一图案结构的间隙内。在此基础上，在第一图案结构和第二图案结构的侧壁上形成侧墙，去除第一衬底上的第一图案结构和第二图案结构后，以侧墙为掩膜，对待刻蚀层进行刻蚀，形成方形排列的孔。由于最终获得的方形排列的孔，是以两次光刻形成的交错分布的第一图案结构和第二图案结构的侧壁上形成的侧墙为掩膜得到的，因此，本发明制作的方形排列的孔相对仅使用一次光刻工艺制作的孔，减小了方形排列的孔中相邻孔之间的间距，解决了由于光刻工艺的限制孔的尺寸以及相邻孔之间的距离均无法达到需求值的问题。进而解决了半导体器件由于孔的尺寸以及孔之间的距离均无法达到需求值所导致的接触不良和漏电的问题。
附图说明
12.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中，当图n表示方形排列的孔的刻蚀方法中某个阶段的结构俯视图时，图na表示沿图n中的a-a方
向进行剖面后得到的剖视图，图nb表示沿图n中的b-b方向进行剖面后得到的剖视图，图nc表示沿图n中的c-c方向进行剖面后得到的剖视图；
13.图1至图13示出了用于形成方形排列的孔的刻蚀方法的实施例中的各个阶段获得的结构俯视图；
14.图3a至图6a示出了沿图3至图6中的剖面线a-a’的剖视图；
15.图7b至图8b示出了沿图7至图8中的剖面线b-b’的剖视图；以及
16.图13c示出了沿图13的剖面线c-c’的剖视图。
具体实施方式
17.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
18.在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
19.在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
20.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
21.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
22.在半导体器件中，接触孔被广泛应用到导电结构与导电结构之间的电连接。随着半导体器件集成度的提高，半导体器件的尺寸逐渐减小。在现有小尺寸的半导体器件的制作过程中，由于光刻工艺的限制，接触孔的尺寸以及接触孔之间的距离均无法达到需求值，从而导致半导体器件的配线间接触电阻和配线间漏电的规格不符合半导体器件的要求，容易导致接触不良和漏电的问题。
23.基于此，本发明实施例提供一种方形排列的孔的刻蚀方法。
24.图1至图13示出了用于形成方形排列的孔的刻蚀方法的实施例中的各个阶段获得
的结构俯视图；图3a至图6a示出了沿图3至图6中的剖面线a-a’的剖视图；图7b至图8b示出了沿图7至图8中的剖面线b-b’的剖视图；以及图13c示出了沿图13的剖面线c-c’的剖视图。
25.参照图1，待刻蚀层20可以形成在半导体衬底10上。半导体衬底10可以是硅衬底、氧化硅衬底、氮化硅衬底、碳衬底、氮化钨衬底、氮化钛衬底中的任意一种。
26.参照图2，上述待刻蚀层20上形成有双层掩膜层。具体的，该双层掩膜材料层包括底部掩膜材料层30和顶部掩膜材料层40。作为一种可能的实现方式，底部掩膜材料层30和顶部掩膜材料层40具有相同的叠层结构。该叠层结构可以为自下而上层叠在一起的碳材料层、氮氧化硅材料层、氧化物掩膜材料层。
27.形成双层掩膜材料层之后，本发明实施例中的方形排列的孔的刻蚀方法还包括：利用光刻工艺在顶部掩膜材料层上形成第一光刻图案。
28.示例性的，参考图3、图3a、图4和图4a，利用光刻工艺在顶部掩膜材料层上形成第一光刻图案包括：在顶部掩膜材料层40上沉积第一光刻图案材料层501。其中，该第一光刻图案材料层501可以为碳材料层与氮氧化硅材料层的叠层结构。在第一光刻图案材料层501上利用光刻工艺形成具有第一光刻图案的第一光刻胶图案502。以第一光刻胶图案502为掩膜，刻蚀第一光刻图案材料层501至顶部掩膜材料层中的氧化物材料层403露出，去除第一光刻胶图案502，得到第一光刻图案503。
29.具体的，在第一光刻图案材料层501上利用光刻工艺形成具有第一光刻图案的第一光刻胶图案502包括：在第一光刻图案材料层501上涂覆光刻胶，然后利用曝光、显影等工艺对该光刻胶进行处理，从而在第一光刻图案材料层501上形成第一光刻胶图案502。
30.其中，上述刻蚀可以采用刻蚀选择比较高的刻蚀液对第一光刻图案材料层进行刻蚀，该刻蚀液对第一光刻图案材料层的刻蚀速率远高于对第一光刻胶图案材料的刻蚀速率。通过控制刻蚀时间，将刻蚀停止在顶部掩膜材料层露出。在将第一光刻图案材料层刻蚀至顶部掩膜材料层时，刻蚀液基本不会对第一光刻胶图案产生刻蚀作用。此时，在顶部掩膜材料层上形成了与第一光刻胶图案相同的图案，去除该图案顶部的第一光刻胶图案，得到第一光刻图案503。
31.参照图5和图5a，以上述第一光刻图案为掩膜，对所述顶部掩膜材料层中的氧化物材料层进行刻蚀，得到顶部掩膜图案504。
32.为了利用第二次光刻工艺形成第二光刻图案，可以在顶部掩膜材料层中的氮氧化硅材料层上利用光刻工艺形成第二光刻图案。
33.示例性的，在顶部掩膜材料层中的氮氧化硅材料层上利用光刻工艺形成第二光刻图案包括：环绕顶部掩膜图案，在顶部掩膜材料层中的氮氧化硅材料层上形成第二光刻图案材料层。
34.参照图6和图6a，为了简化平坦化工艺，可以将第二光刻图案材料层601的顶部与顶部掩膜图案504的顶部齐平。具体的，该第二光刻图案材料层601可以为碳材料层与氮氧化硅材料层的叠层结构。
35.之后，参照图7和图7b，在第二光刻图案材料层上利用光刻工艺形成具有第二光刻图案的第二光刻胶图案602。可以理解，此处的第二光刻胶图案602的形成方式与第一光刻胶图案的形成方式相同。最后，可以以上述第二光刻胶图案602为第二光刻图案。
36.参照图8和图8b。以上述顶部掩膜图案和第二光刻图案为掩膜，对所述顶部掩膜材
料以及所述底部掩膜层的进行刻蚀，获得交错分布的第一图案结构701和第二图案结构702。
37.作为一种具体的示例，上述形成第一图案结构701和第二图案结构702的过程具体可以为：以第二光刻图案为掩膜，对第二光刻图案材料层和顶部掩膜层中的氧化物材料层进行刻蚀，再以顶部掩膜图案和第二光刻图案为掩膜，继续进行刻蚀，直至待刻蚀层20露出，得到底部掩膜图案。保留底部掩膜图案中的碳材料层和氮氧化硅材料层，得到第一图案结构701和第二图案结构702。参照图8，该第一图案结构701和第二图案结构702交错分布在待刻蚀层20上。
38.参照图8b，该第一图案结构701包括多个第一柱体；每四个第一柱体形成一个第一正方形图案703。该第二图案结构702包括多个第二柱体，每四个第二柱体形成一个第二正方形图案704；每个第一正方形图案703的中心形成有一个第二柱体，每个第二正方形图案704的中心形成有一个第一柱体。以上结构，利用了两次光刻工艺形成第一图案结构701和第二图案结构702，改善了光刻工艺的限制，减小了第一柱体与相邻的第二柱体之间的间距。同样的，也减小了第二柱体与相邻的第一柱体之间的间距，可以使后续形成的孔的尺寸得到改善。
39.示例性的，为了减小工艺制作难度，第一柱体和第二柱体的横截面的形状包括圆形、正方形、长方向或者菱形。
40.示例性的，第一图案结构中的每个第一柱体包括自下而上层叠在一起的碳层和氮氧化硅层。第二图案结构中的每个第二柱体包括自下而上层叠在一起的碳层和氮氧化硅层。上述碳材料层为非晶碳层或利用旋涂方式形成的碳质有机膜。
41.图9示出了一种在第一图案结构和第二图案结构上沉积侧墙材料层后的结构剖面图，图10示出了另一种在第一图案结构和第二图案结构上沉积侧墙材料层后的结构剖面图。参照图9和图10，在第一图案结构701、第二图案结构702上沉积侧墙材料层801。侧墙材料层的厚度可以根据第一柱体与相邻的第一柱体之间的距离、第二柱体与相邻的第二柱体之间的距离以及需求的蜂窝状的孔的参数确定。例如，当第一柱体与相邻的第一柱体之间的距离较大，而需求的蜂窝状的孔的直径较小，孔与孔之间的距离相对较大时，可以设定侧墙材料层的厚度大于第一柱体与相邻的所述第二柱体间距的一半。
42.参照图9和图10，本发明实施例中，在第一图案结构701、第二图案结构702以及待刻蚀层20上形成侧墙材料层801的过程可以为：在第一图案结构701的上表面和侧壁上、第二结构图案702的上表面和侧壁上以及待刻蚀层20上沉积侧墙材料，形成侧墙材料层801。
43.示例性的，沉积侧墙材料的方法可以为cvd(chemical vapor deposition，化学气相沉积)，或ald(atomic layer deposition，原子沉积法)。
44.示例性的，侧墙材料包括硅材料、氧化硅材料、氮化硅材料、氮化钛材料和氮化钨材料中的一种或多种。
45.图11示出了一种以图9中的结构形成侧墙后的剖面图。图12示出了一种以图10中的结构形成侧墙后的剖面图。
46.形成侧墙的过程可以包括：采用各向异性的刻蚀方法刻蚀侧墙材料层，以在第一图案结构、所述第二图案结构的侧壁上形成侧墙802。
47.作为一种示例，在各向异性的刻蚀方法中，可以采用等离子体对第一图案结构、第
二图案结构以及侧墙材料进行处理，以保留第一图案结构侧壁和第二图案结构侧壁的侧墙材料层，获得侧墙。其中，该等离子体中的刻蚀气体对第一图案结构和第二图案结构的选择比均高于对待刻蚀材料层的选择比。示例性的，等离子体包括氧气、氮气、氢气中的一种或多种。
48.作为另一种示例，可以采用湿法刻蚀的方式对第一图案结构、第二图案结构以及侧墙材料进行处理，以保留第一图案结构侧壁和第二图案结构侧壁的侧墙材料层，获得侧墙。其中，湿法刻蚀时可以采用选择刻蚀比较高的刻蚀液对第一图案结构和第二图案结构进行去除，保留第一图案结构侧壁和第二图案结构侧壁的侧墙材料层，得到侧墙802。
49.参照图13和图13a，在得到侧墙802之后，以侧墙802为掩膜对待刻蚀层20刻蚀至衬底露出，去除侧墙后，在待刻蚀层20中形成方形排列的孔803。示例性的，待刻蚀层20可以为多个支撑层和氧化物层交叠形成的叠层结构。
50.本发明提供的蜂窝状的孔的刻蚀方法中，利用两次光刻工艺，形成交错分布的第一图案结构和第二图案结构。由于第一图案结构与第二图案结构交错分布，即第二次光刻形成的第二图案结构的部分区域形成在第一次光刻形成的第一图案结构的间隙内。在此基础上，在第一图案结构和第二图案结构的侧壁上形成侧墙，去除第一衬底上的第一图案结构和第二图案结构后，以侧墙为掩膜，对待刻蚀层进行刻蚀，形成方形排列的孔。由于最终获得的方形排列的孔，是以两次光刻形成的交错分布的第一图案结构和第二图案结构的侧壁上形成的侧墙为掩膜得到的，因此，本发明制作的方形排列的孔相对仅使用一次光刻工艺制作的孔，减小了接触结构中相邻孔之间的间距，解决了由于光刻工艺的限制，接触孔的尺寸以及接触孔之间的距离均无法达到需求值的问题。进而解决了半导体器件由于接触孔的尺寸以及接触孔之间的距离均无法达到需求值所导致的接触不良和漏电的问题。
51.在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
52.以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。