專利名稱：使用陰影心軸和偏軸曝光印制亞光刻圖像的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及半導體器件的制造，特別涉及在具有亞光刻尺寸的半導體器件上形成結(jié)構(gòu)。
半導體微芯片已變?yōu)槊咳丈畹囊徊糠?。半導體微芯片可用在任何地方，從玩具到車庫開門器，特別是在計算機中。半導體工業(yè)不斷地增加芯片的工作速度。增加芯片操作速度的一種方式是減小邏輯芯片中電路元件的尺寸。減小邏輯元件的尺寸使每個元件更快地操作，電信號以更短的時間穿越電路元件。
芯片的元件使用稱為光刻的工藝形成。通過將適當?shù)牟牧虾头Q為光致抗蝕劑或僅僅為“抗蝕劑”的光敏化學物質(zhì)放置在半導體晶片的表面上，然后用波長仔細選擇的光選擇性地曝光半導體晶片的部分表面進行常規(guī)的光刻。各種化學工藝將材料添加在某處或從某處除去，取決于該處是否暴露到特定波長的光。通過在光源和晶片的表面之間放置掩模露出或不露出特定的區(qū)域。掩模使光穿過某點并在某點阻擋光，由此將圖形印在晶片的表面上。
常規(guī)的光刻受到穿過掩模的光的衍射效應限制。由于光波長的性質(zhì)，使用掩模制成的任何圖像由于衍射效應多少有些模糊。對于大圖像由衍射效應造成的所述模糊不明顯。然而，隨著圖像尺寸的縮小，所述模糊變得越來越明顯，直到圖像自身由于模糊而消失。由此，使用掩模的常規(guī)光刻僅對某個下限以上適用。目前已接近了這些極限。由衍射造成的所述模糊是使微芯片上的電路進一步小型化的極大障礙。雖然已開發(fā)出的圖像增強技術在某種程度上克服了使圖像失真的衍射效應，但仍存在常規(guī)光刻不起作用的圖像尺寸。要在某種程度上超越傳統(tǒng)光刻的下限使邏輯電路元件的尺寸減小，由此增加所得半導體芯片的操作速度。
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術的局限，形成較小的元件用于半導體邏輯電路中。本發(fā)明提供一種在半導體襯底上限定和形成結(jié)構(gòu)的新方法，通過使用稱做陰影心軸(shadow mandrel)層的材料層投射出(cast)陰影。在陰影心軸層腐蝕出溝槽。至少溝槽的一側(cè)用于在溝槽的底部投射出陰影。保形地淀積的光致抗蝕劑用于捕獲陰影的圖像。陰影的圖像用于限定和形成結(jié)構(gòu)。由此在晶片的表面上產(chǎn)生圖像，不會產(chǎn)生常規(guī)光刻遇到的衍射效應。這樣可減小器件的尺寸和增加芯片的操作速度。


圖1為根據(jù)優(yōu)選實施例的方法；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例處理中的半導體晶片的剖面圖；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例處理中的半導體晶片的剖面圖；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例處理中的半導體晶片的剖面圖；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例處理中的半導體晶片的剖面圖；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例處理中的半導體晶片的剖面圖；圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例處理中的半導體晶片的剖面圖；圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例處理中的半導體晶片的剖面圖；圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的第二示例性實施例的方法；圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的第二示例性實施例處理中的半導體晶片的剖面圖；圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的第二示例性實施例處理中的半導體晶片的剖面圖；圖12示出了根據(jù)本發(fā)明的第二示例性實施例處理中的半導體晶片的剖面圖；圖13示出了根據(jù)本發(fā)明的第二示例性實施例處理中的半導體晶片的剖面圖；圖14示出了根據(jù)本發(fā)明的第二示例性實施例處理中的半導體晶片的剖面圖；圖15示出了根據(jù)第三示例性實施例處理中的半導體晶片的俯視圖；圖16示出了根據(jù)第三示例性實施例處理中的半導體晶片的透視圖；圖17示出了根據(jù)第三示例性實施例處理中的半導體晶片的俯視圖；圖18示出了根據(jù)第三示例性實施例處理中的半導體晶片的俯視圖。
根據(jù)本發(fā)明，稱為陰影光刻的新工藝用于在半導體襯底上限定和形成結(jié)構(gòu)。限定和形成的結(jié)構(gòu)可以為形成半導體電路需要的任何結(jié)構(gòu)。雖然在優(yōu)選實施例中示出的例子為限定和形成柵，但應該明白本發(fā)明適用于形成半導體晶片上的任何結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，稱做陰影心軸層的材料層投射出限定結(jié)構(gòu)的陰影。要投射出陰影，要在陰影心軸中腐蝕出溝槽。在包括溝槽的晶片的表面上淀積保形淀積的光致抗蝕劑。然后以至少溝槽的一側(cè)在溝槽的底部中投射出陰影的角度露出光致抗蝕劑。優(yōu)選使用離子注入進行曝光，但也可以使用其它的方法，例如光學、紫外線、深紫外線、X射線、或電子束曝光。顯影光致抗蝕劑，陰影的圖像用于限定和形成結(jié)構(gòu)。根據(jù)優(yōu)選的實施例，限定的結(jié)構(gòu)為柵。然而，本領域的技術人員能理解本發(fā)明可以限定半導體襯底上本發(fā)明需要的任何結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)在參考圖1，示出了優(yōu)選實施例的方法100。優(yōu)選實施例中的示例性方法100特別適合形成邏輯柵。方法100介紹了根據(jù)優(yōu)選實施例限定和形成結(jié)構(gòu)需要的步驟。方法100的第一步驟102從襯底開始，通常為平面的晶片，在晶片的表面上淀積或生長合適的結(jié)構(gòu)材料。由于根據(jù)優(yōu)選實施例限定的結(jié)構(gòu)為柵，因此結(jié)構(gòu)材料包括柵導體和介質(zhì)，例如二氧化硅和多晶硅。結(jié)構(gòu)材料還包括適合于形成柵的任何其它材料。當然，如果限定的結(jié)構(gòu)不是柵，應該使用適合該結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)材料。在一些條件下，襯底自身適當?shù)匕ńY(jié)構(gòu)材料。例如，可以使用陰影光刻限定和形成的一個結(jié)構(gòu)是接觸孔?？梢愿鶕?jù)這里介紹的本發(fā)明，例如通過應用圖像增強技術印制狹長圖像形成溝槽，然后使用陰影光刻減小形成接觸孔的最終圖像尺寸來完成。下一步驟104是在晶片的表面上淀積存儲層和陰影心軸。存儲層以后將作為硬掩模并保持限定結(jié)構(gòu)中使用的陰影圖像進行圖像的反轉(zhuǎn)。陰影心軸將用做陰影投射層投射出限定結(jié)構(gòu)的陰影。根據(jù)優(yōu)選實施例，存儲層為氮化物的薄層，陰影心軸層為四乙氧基硅烷(“TEOS”)的厚層。陰影心軸的厚度為確定根據(jù)本發(fā)明得到的特征尺寸的一個因素。本領域技術人員應理解可以使用其它的材料，并且可以根據(jù)本發(fā)明的具體應用和要限定和形成的結(jié)構(gòu)改變存儲層和陰影心軸的尺寸。
圖2示出了方法100的步驟104之后的平面晶片202。柵氧化層204已生長在晶片202的表面上。柵多晶硅206已淀積在柵氧化物204上。存儲層包括已淀積在柵多晶硅206上的氮化物層208。在氮化物層208上是陰影心軸層，包括TEOS 210的厚層。TEOS層210以后將用于投射出限定柵的陰影。柵多晶硅206和柵氧化層204可以用任何適合的材料代替。如果要限定和形成的結(jié)構(gòu)不是柵，那么可以使用適合該結(jié)構(gòu)的材料代替柵多晶硅206和柵氧化層204。類似地，任何適合的硬掩模材料可以代替氮化物208。為了達到某些目的，例如結(jié)合第二實施例公開的，可以一起省略氮化層。TEOS層210可以用任何合適的材料代替。
再參考圖1，方法100的下一步驟106是使用任何合適的光刻工藝在陰影心軸中腐蝕出溝槽。步驟106包括將光致抗蝕劑施加在陰影心軸的表面上，掩蔽和曝光光致抗蝕劑構(gòu)圖溝槽，顯影光致抗蝕劑并腐蝕出溝槽。優(yōu)選溝槽為使用光刻工藝可以得到的最小特征尺寸。所得溝槽的一側(cè)用于在下面的存儲層上投射出陰影來限定出結(jié)構(gòu)。方法100的下一步驟108是在包括溝槽底部和側(cè)壁的晶片表面上淀積保形的光致抗蝕劑層。使用的曝光類型在一定程度上將確定使用的光致抗蝕劑的類型，這是由于光致抗蝕劑必須響應于使用的曝光。在優(yōu)選實施例中，使用化學汽相淀積(CVD)淀積光致抗蝕劑，使抗蝕劑粘附到溝槽的側(cè)壁和底部。
合適的抗蝕劑的一個例子是Microelectronic Engineering，30卷，1996，275-78頁中介紹的等離子體聚合聚硅烷抗蝕劑。所述抗蝕劑有幾個獨特的性質(zhì)。第一，它可以顯影為正和負型抗蝕劑。第二，可以使用化學汽相淀積工藝保形地淀積抗蝕劑。第三，它可以通過兩種類型的曝光激活，氧離子注入或存在氧時用紫外線照射。在任何一種曝光中，硅-硅鍵斷裂，氧與激活的硅原子反應。所述反應的結(jié)果是二氧化硅形成在曝光的區(qū)域中。所述抗蝕劑可以使用緩沖的氫氟酸(HF)或氟等離子體顯影為正型抗蝕劑。所述抗蝕劑可以使用氯等離子體顯影為負型抗蝕劑。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，以負型和正型方式使用聚硅烷抗蝕劑。在第一實施例中，用氧離子注入抗蝕劑，然后用氯或溴顯影劑顯影，僅除去沒有被氧注入的部分抗蝕劑。在第二實施例中，用氧注入抗蝕劑，然后用以氫氟酸為基礎或氟等離子體顯影劑顯影，僅除去用氧注入的那部分抗蝕劑。
可以用做對注入敏感的抗蝕劑的另一材料是多晶硅?？梢允褂萌魏纬Ｒ?guī)的技術保形地淀積多晶硅。用適當?shù)呐鹱⑷氲亩嗑Ч柙跉溲趸?異丙醇顯影劑中不可溶，同時未注入的區(qū)域?qū)︼@影劑保持可溶。
根據(jù)優(yōu)選的實施例，光致抗蝕劑顯影為負型抗蝕劑。本領域的技術人員應理解根據(jù)本發(fā)明可以使用其它類型的抗蝕劑。
方法100的下一步驟110是以不垂直的角度曝光晶片，由此在溝槽中投射出陰影。在優(yōu)選實施例中，所述曝光包括使用適當?shù)淖⑷胙b置注入氧離子。這些裝置通常使用電場將離子朝晶片的表面加速，使它們注入到晶片內(nèi)。然而如前所述，曝光可以包括除離子注入之外的其它方法，例如光學、紫外線、深紫外線、X射線、或電子束曝光。
根據(jù)優(yōu)選實施例的步驟110的曝光顯示在圖3中。溝槽312已在TEOS 210中腐蝕出。溝槽312有底部313、第一側(cè)壁315和第二側(cè)壁317。溝槽312有寬度325和深度327。聚硅烷光致抗蝕劑的保形層314已淀積在晶片202的表面上。然后以不垂直的角度318進行氧離子注入316曝光晶片202。因此溝槽312的第一側(cè)壁315在溝槽312的底部313投射出陰影319。這導致在溝槽312的底部存在部分未曝光的光致抗蝕劑。在優(yōu)選實施例中使用的聚硅烷光致抗蝕劑層314將顯影為負型光致抗蝕劑，所以顯影時將除去未曝光的部分。僅由曝光的角度318和溝槽312的深度327決定所述陰影319的尺寸。如果陰影319的尺寸表示為“s”，溝槽312的深度327表示為“d”，曝光角度318表示為“φ”，那么陰影319的尺寸由以下方程給出s＝d tan(90-φ)適當?shù)钠毓饨嵌?18約70℃。當然，也可以使用其它的角度。適當?shù)纳疃?27約3,000埃?？梢院芫_地控制TEOS 210的厚度和溝槽312的對應深度327，僅約百分之一到二的偏差。類似地，可以很精確地確定曝光的角度318。由此，可以精確地控制陰影319的尺寸。由于使用離子注入，陰影319的圖像不會受到傳統(tǒng)光刻的衍射效應影響。陰影319在它的第一邊緣321與邊緣312的第一側(cè)壁315自對準。如上所述，由曝光角度318和溝槽312的深度327確定陰影319的第二邊緣323。
當使用多晶硅抗蝕劑時，優(yōu)選注入硼使曝光的多晶硅在顯影劑中不可溶。優(yōu)選使用離子注入裝置，將硼朝晶片的表面加速，使它注入到多晶硅抗蝕劑內(nèi)，進行所述注入。通常優(yōu)選10KeV下的1×1015-1×1018離子/cm3的BF2注入使多晶硅抗蝕劑在顯影液中不可溶。
再參考圖1，方法100的下一步驟112是顯影光致抗蝕劑。除去未曝光的部分光致抗蝕劑。在優(yōu)選的實施例中，可以使用如氯腐蝕等的任何適當?shù)母g進行所述步驟112。在下一步驟114中，腐蝕未顯影的光致抗蝕劑和下面的存儲層，在投射出陰影的存儲層中形成凹槽。在優(yōu)選的實施例中，用第二干法腐蝕完成步驟114。所述凹槽用于形成結(jié)構(gòu)。
步驟114的結(jié)果顯示在圖4中。將投射出陰影319的未曝光的光致抗蝕劑部分314和氮化物層208已除去，產(chǎn)生與陰影心軸的邊緣自對準的凹槽418。由此，氮化物層208作為存儲層，保留陰影319限定的結(jié)構(gòu)，用于使圖像反轉(zhuǎn)的目的。
再參考圖1，方法100的下一步驟116是從晶片的表面除去剩余的陰影心軸部分。在優(yōu)選實施例中，使用氫氟酸(HF)浸泡。方法的下一步驟118是在晶片的表面上淀積圖像反轉(zhuǎn)層，完全地填充存儲層中腐蝕出的凹槽。在優(yōu)選實施例中，圖像反轉(zhuǎn)層為TEOS的薄層。當然，除TEOS以外的材料也可以用做圖像反轉(zhuǎn)層。相對于掩模層圖像反轉(zhuǎn)層使用的材料優(yōu)選有良好的拋光比例和良好的腐蝕比例。例如，三或四對一的腐蝕比例是可接受的。圖像反轉(zhuǎn)層也可以選擇為在除去存儲層期間不被腐蝕的材料和對于結(jié)構(gòu)材料的隨后腐蝕為良好的硬掩模。填充凹槽的部分圖像反轉(zhuǎn)層以后將用做形成結(jié)構(gòu)的硬掩模。
完成步驟118之后過填充的晶片顯示在圖5中。TEOS 520的薄層已淀積在晶片的表面上，填充了小凹槽418。
再參考圖1，方法100的下一步驟120是除去圖像反轉(zhuǎn)層的過量部分。通過平面化圖像反轉(zhuǎn)層僅留下凹槽中的部分圖像反轉(zhuǎn)層來完成。由此凹槽中的圖像反轉(zhuǎn)層保留的陰影圖像用于限定以后腐蝕步驟中的結(jié)構(gòu)，圖像反轉(zhuǎn)層的其余部分作為硬掩模。
步驟120的結(jié)果顯示在圖6中。TEOS 520的薄層已平面化，僅在凹槽418中留下小部分的TEOS 622。氮化層208在凹槽418的每一側(cè)上延伸。小部分的TEOS 622緊接在柵多晶硅206上。所述小部分的TEOS 622用于掩蔽在腐蝕步驟中將形成柵的部分下柵多晶硅206和柵氧化物204。
再參考圖1，方法100的下一步驟122是從晶片的表面上除去存儲層的剩余部分。使用對剩余的存儲層有選擇性的合適腐蝕完成。步驟122曝光除圖像反轉(zhuǎn)層的其余部分覆蓋的部分以外的結(jié)構(gòu)材料。
步驟122的結(jié)果顯示在圖7中。小部分的TEOS 622覆蓋在部分柵多晶硅206上。柵多晶硅206的其余部分現(xiàn)在位于晶片202的表面上。
再參考圖1，方法100的下一步驟124是使用圖像反轉(zhuǎn)層的其余部分作為掩模并腐蝕結(jié)構(gòu)材料形成結(jié)構(gòu)。
步驟124的結(jié)果顯示在圖8中。已形成了多晶硅疊層823，包括覆蓋多晶硅柵826的小部分TEOS 622和柵氧化物824。TEOS 622已除去。
由于使用陰影光刻代替常規(guī)的光刻限定柵，所以它的尺寸顯著小于使用常規(guī)光刻得到的尺寸。例如，如果使用的溝槽為最小特征尺寸，并且曝光的角度不垂直于晶片的表面，那么在溝槽的底部投射出并用于限定結(jié)構(gòu)的陰影將小于用常規(guī)的光刻工藝得到的最小特征尺寸。由于較小的柵有較快的開關時間，根據(jù)本發(fā)明形成的邏輯電路比使用常規(guī)光刻形成的柵操作更快。
現(xiàn)在參考圖9，示出了根據(jù)第二示例性實施例的方法。第二示例性實施例使用與優(yōu)選實施例相同的硅烷化學汽相淀積光致抗蝕劑。然而，在第二示例性實施例中，光致抗蝕劑顯影為正型抗蝕劑。方法900的第一步驟902包括提供襯底，通常為平面的晶片，在晶片的表面上淀積或生長結(jié)構(gòu)材料。結(jié)構(gòu)材料包括適合于形成柵使用的任何材料。當然，如果要限定的結(jié)構(gòu)不是柵，那么應使用適合該結(jié)構(gòu)的材料。由于第二示例性實施例限定的結(jié)構(gòu)為柵，因此結(jié)構(gòu)材料包括柵氧化層和多晶硅柵層。在一些情況中，襯底自身適當?shù)匕ńY(jié)構(gòu)材料。方法900的下一步驟904是淀積陰影心軸層。根據(jù)第二示例性實施例，陰影心軸包括多晶硅的厚層。對于優(yōu)選的實施例，本領域技術人員應理解可以使用多種材料。第二示例性實施例與優(yōu)選實施例的不同之處還在于不使用存儲層。在第二示例性實施例中，不需要存儲層，是由于將光致抗蝕劑顯影為正型抗蝕劑消除了使限定結(jié)構(gòu)使用的陰影圖像反轉(zhuǎn)的需要。
圖10示出了步驟904的結(jié)果。柵氧化物1004已生長在晶片1002的表面上。柵多晶硅1006已淀積在柵氧化物1004上。由多晶硅1010厚層組成的陰影心軸已淀積在柵多晶硅1006上。
再參考圖9，方法900的下一步驟906是使用任何適當?shù)墓饪坦に囋陉幱靶妮S中產(chǎn)生溝槽。步驟906包括將光致抗蝕劑施加在陰影心軸的表面上，掩蔽和曝光光致抗蝕劑以構(gòu)圖溝槽，顯影光致抗蝕劑以及腐蝕溝槽。優(yōu)選溝槽為使用的光刻工藝可以得到的最小特征尺寸。方法900的下一步驟908是在包括溝槽底部和側(cè)壁的晶片表面上淀積光致抗蝕劑的保形層。對于優(yōu)選實施例，使用硅烷CVD光致抗蝕劑，是由于它可以滿意地粘附到溝槽的側(cè)壁上。與優(yōu)選的實施例不同，根據(jù)第二示例性實施例方法的900顯影為正型抗蝕劑?？梢允褂靡詺浞釣榛A的顯影劑或氟等離子體完成所述顯影。本領域的技術人員應理解根據(jù)本發(fā)明可以使用其它的光致抗蝕劑。方法900的下一步驟910是以不垂直的角度離子注入晶片，由此在溝槽中投射出陰影。對于優(yōu)選實施例，優(yōu)選通過將氧離子注入到抗蝕劑內(nèi)進行工藝。然而，可以使用其它類型的曝光。
圖11示出了曝光的步驟910。已在多晶硅1010的厚層中腐蝕出溝槽1112。溝槽1112有底部1113、第一側(cè)壁1115以及第二側(cè)壁1117。溝槽1112有寬度1125和深度1127。硅烷光致抗蝕劑1114的保形層已淀積在晶片1002的表面上。然后使用氧的離子注入1116以角度1118曝光晶片1002。溝槽1112的第一側(cè)壁1115由此在溝槽1112的底部1113投射出陰影1119。由于在第二示例性實施例中硅烷光致抗蝕劑顯影為正型抗蝕劑，顯影之后，光致抗蝕劑1114從投射出陰影1119之外的部分除去。陰影1119的尺寸僅由曝光的角度1118和溝槽1112的深度11427確定。對于優(yōu)選的實施例，如果陰影1119的尺寸表示為“s”，溝槽1112的深度1127表示為“d”，曝光角度1118表示為“φ”，那么陰影1119的尺寸由以下方程給出
s＝dtan(90-φ)可以很精確地控制多晶硅1010的厚度和溝槽1112的對應深度1127，僅約百分之一到二的偏差。類似地，可以很精確地確定曝光的角度1118。由此，可以精確地控制陰影1119的尺寸。由于使用離子注入，陰影1119的圖像不會受到傳統(tǒng)光刻的衍射效應的影響。陰影1119在它的第一邊緣1121與溝槽1112的第一側(cè)壁1115自對準。如上所述，僅由曝光角度1118和溝槽1112的深度1127確定陰影1119的第二邊緣1123。
再參考圖9，方法900的下一步驟912是顯影光致抗蝕劑。根據(jù)第二示例性實施例，如上所述，光致抗蝕劑顯影為正型抗蝕劑。顯影除去曝光的光致抗蝕劑，僅在要投射出陰影的部分留下光致抗蝕劑。步驟912的結(jié)果顯示在圖12中。由陰影1119覆蓋的光致抗蝕劑的其余部分1218保留在晶片的表面上。
再參考圖9，方法900的下一步驟914是使用HF除去陰影心軸的其余部分。沿溝槽側(cè)壁向上延伸的光致抗蝕劑的其余部分很堅硬足以在除去陰影心軸之后保持垂直。所述光致抗蝕劑的向上部分將在隨后的步驟中除去。下一步驟915是將其余的光致抗蝕劑轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸?，由此在隨后的腐蝕步驟中與下面的多晶硅區(qū)分開。轉(zhuǎn)變其余的光致抗蝕劑的一種方式是使用二次離子注入或其它合適的曝光方法進行曝光。如果暴露到氧的氣氛時間足夠長，其余的光致抗蝕劑也將轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸?。可以通過升高氣氛溫度來減少使用氧氣氛進行所述轉(zhuǎn)變需要的時間。方法900的下一步驟916是使用顯影的光致抗蝕劑作為掩模腐蝕結(jié)構(gòu)的材料。合適的腐蝕包括氯或溴干法腐蝕。
步驟916的結(jié)果顯示在圖13中。其余的光致抗蝕劑1218在柵多晶硅1006和柵氧化物1004的腐蝕中作為掩模。因此，僅留下柵多晶硅1006的一小部分1332。類似地，僅留下柵氧化物1004的一小部分1330。其余的柵多晶硅1332和柵氧化物1320形成多晶硅疊層1323。由于使用陰影光刻代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光刻確定多晶硅疊層1323的尺寸，因此多晶硅疊層1323的尺寸顯著小于使用常規(guī)光刻方法得到的尺寸。
再參考圖9，方法900的下一步驟918是可選地除去其余的光致抗蝕劑。使用稀釋的HF或HF蒸汽除去其余的光致抗蝕劑。如果要限定和形成的結(jié)構(gòu)是柵，那么使用HF對柵材料的損傷最小。還可以使用反應離子腐蝕(RIE)。如果存在損傷，那么RIE對源和漏注入的損傷最小。其余的光致抗蝕劑仍留在原位。
步驟920的完成顯示在圖4中。在圖14中，包括柵多晶硅1332和柵氧化物1320的多晶硅疊層1323留在晶片1002的表面上。
到此為止，現(xiàn)已使用長度僅在一個方向內(nèi)延伸的溝槽介紹了本發(fā)明。然而，本發(fā)明也可以使用在多于一個方向內(nèi)延伸的溝槽。如圖15和16所示。溝槽1506沿兩個軸延伸，包括“L”形。當然，溝槽的實際形狀可以根據(jù)用戶的要求改變。保形淀積光致抗蝕劑之后，使用離子注入1510或任何適當?shù)钠毓庋b置以陰影1508在溝槽1506底部投射出角度曝光晶片1504的表面1520。應該注意在介紹的前一實施例中，以不垂直的角度對晶片的表面進行曝光，同時仍垂直于溝槽的長度。在所述第三示例性實施例中，與晶片的表面和溝槽的兩個軸都不垂直的角度曝光。陰影1508沿溝槽1506的每一個臂延伸。陰影的長度為離子注入角度1512的函數(shù)。以此方式，本發(fā)明可用于限定在多于一個方向內(nèi)延伸的結(jié)構(gòu)。
使用陰影光刻的另一種方式是選擇性地僅變窄具體段的現(xiàn)有布線級。在柵導體級，例如，選擇性地使用陰影光刻技術使亞光刻器件制造在芯片的某些部分中，同時較大的器件可以用做其它的結(jié)構(gòu)，例如延伸的布線圖形，當以較大的尺寸構(gòu)圖它們時，提供了較高的電導率。此時，亞光刻器件提供了高性能的晶體管，同時較大的結(jié)構(gòu)提供了低電阻布線以及寬柵極。通過使用阻擋掩模保護一些形狀免受離子注入束影響可以選擇性地使用陰影技術。在所述阻擋掩模步驟中由抗蝕劑覆蓋的這些襯底圖形不會因離子注入操作改變。
如果角度使部分結(jié)構(gòu)不希望地被離子注入束曝光，也需要將所述阻擋掩模技術應用在連接它們傾斜的位置處的亞光刻器件。從圖17可以看出，在具有X和Y結(jié)構(gòu)方向的芯片設計中，相對于離子注入束，可能發(fā)生兩種可能類型的角度。角落(corner)1600和1602被離子注入束二等分，同時角落1604和1606顯示為與離子注入正交。這兩種類型的角落與投射出陰影很不同。兩等分的角落顯示出連續(xù)的陰影光刻圖像，不需要任何附加的處理來保持所述連續(xù)的形狀。然而，正交的角落投射出不連續(xù)地環(huán)繞角落的陰影光刻圖像。它們由空隙1620和1622分離。如果芯片設計要求連續(xù)的布線環(huán)繞這些角落，那么可以使用阻擋掩?？刮g劑形狀1630和1632保護這些角落免受離子注入束影響。所述掩模和所得連續(xù)的陰影圖像1708顯示在圖18中。
根據(jù)以上介紹的本發(fā)明，稱為陰影光刻的新工藝用于在半導體襯底上限定和形成結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明，陰影心軸層淀積在晶片的表面上。在陰影心軸層中至少腐蝕出一個溝槽。光致抗蝕劑淀積在包括溝槽底部和側(cè)壁的晶片表面上。然后以溝槽的至少一個側(cè)壁在溝槽的底部投射出陰影的角度曝光晶片。所述陰影用于限定結(jié)構(gòu)。
這里借助優(yōu)選實施例、第二示例性實施例和第三示例性實施例公開了本發(fā)明。本領域的技術人員應理解可以對這里公開的實施例進行多種改變而不脫離本發(fā)明的范圍。例如，用于光致抗蝕劑或陰影心軸、存儲層、圖像反轉(zhuǎn)層、或結(jié)構(gòu)材料的實際材料和物質(zhì)可以改變。類似地，選擇層、溝槽的尺寸、和這里公開的曝光的角度都可以改變，而不脫離本發(fā)明的范圍。使用的曝光的類型也不一定是這里介紹的離子注入曝光，但可以包括光學、紫外線、深紫外線、X射線、或電子束曝光。
權利要求
1.一種在襯底上限定結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟a.在襯底上淀積陰影心軸層；b.在陰影心軸層中腐蝕出溝槽，溝槽具有側(cè)壁和底部；c.在陰影心軸層和溝槽上淀積光致抗蝕劑層；d.以曝光溝槽底部第一部分的光致抗蝕劑和使溝槽底部第二部分的光致抗蝕劑由溝槽側(cè)壁阻擋并且不曝光的角度曝光光致抗蝕劑層；e.顯影光致抗蝕劑層；以及f.使用顯影的光致抗蝕劑層限定結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權利要求1的方法，其中光致抗蝕劑層為正型光刻膠。
3.根據(jù)權利要求1的方法，其中顯影光致抗蝕劑層的步驟包括從溝槽底部的第一部分除去曝光的光致抗蝕劑，其中使用顯影的光致抗蝕劑層限定結(jié)構(gòu)的步驟還包括使用未曝光的第二部分的其余光致抗蝕劑限定結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權利要求3的方法，其中使用未曝光的第二部分的其余光致抗蝕劑的步驟包括使用其余的光致抗蝕劑作為硬掩模，同時腐蝕下面的襯底，由此不腐蝕其余光致抗蝕劑下面的襯底。
5.根據(jù)權利要求4的方法，其中襯底為柵導體。
6.根據(jù)權利要求1的方法，其中光致抗蝕劑層為負型光刻膠。
7.根據(jù)權利要求1的方法，其中顯影光致抗蝕劑層的步驟包括除去溝槽底部的第二部分未曝光的光致抗蝕劑，使用顯影的光致抗蝕劑限定結(jié)構(gòu)的步驟包括使用除去的光致抗蝕劑的第一部分限定結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權利要求7的方法，其中使用除去的光致抗蝕劑層的第一部分限定結(jié)構(gòu)的步驟包括腐蝕襯底由此除去的光致抗蝕劑第一部分下面的襯底被腐蝕。
9.根據(jù)權利要求8的方法，其中襯底包括存儲層。
10.根據(jù)權利要求1的方法，其中使用化學汽相淀積淀積光致抗蝕劑層。
11.根據(jù)權利要求1的方法，其中光致抗蝕劑層包括硅烷光致抗蝕劑。
12.根據(jù)權利要求11的方法，其中曝光光致抗蝕劑的步驟包括將氧離子注入到光致抗蝕劑內(nèi)。
13.根據(jù)權利要求12的方法，其中顯影光致抗蝕劑層的步驟包括使用氯顯影劑將聚硅烷顯影為負光致抗蝕劑。
14.根據(jù)權利要求12的方法，其中顯影光致抗蝕劑層的步驟包括使用氫氟酸顯影劑將聚硅烷顯影為正型光致抗蝕劑。
15.根據(jù)權利要求12的方法，其中顯影光致抗蝕劑層的步驟包括使用氟等離子體顯影劑將聚硅烷顯影為正型光致抗蝕劑，以顯影光致抗蝕劑層。
16.根據(jù)權利要求1的方法，其中淀積光致抗蝕劑層的步驟包括化學汽相淀積硅烷光致抗蝕劑。
17.根據(jù)權利要求1的方法，其中光致抗蝕劑層包括多晶硅。
18.根據(jù)權利要求14的方法，其中曝光光致抗蝕劑的步驟包括將硼離子注入到光致抗蝕劑內(nèi)。
19.根據(jù)權利要求18的方法，其中顯影光致抗蝕劑層的步驟包括使用氫氧化鉀顯影劑將多晶硅顯影為負型光致抗蝕劑。
20.根據(jù)權利要求1的方法，其中溝槽沿兩個軸延伸，其中曝光光致抗蝕劑的步驟還包括相對于溝槽的兩個軸以不垂直的角度曝光光致抗蝕劑，由此溝槽底部未曝光的第二部分沿兩個軸延伸。
21.根據(jù)權利要求20的方法，其中曝光光致抗蝕劑層的步驟包括將離子注入到光致抗蝕劑內(nèi)。
22.根據(jù)權利要求21的方法，還包括采用阻擋掩?？刮g劑圖案防止溝槽底部的第三部分被曝光。
23.根據(jù)權利要求1的方法，其中所限定的結(jié)構(gòu)為柵。
24.根據(jù)權利要求1的方法，其中結(jié)構(gòu)限定為接觸孔。
25.一種在半導體晶片上形成結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟a.在半導體晶片的表面上淀積結(jié)構(gòu)材料層；b.在結(jié)構(gòu)材料層上淀積陰影心軸層；c.穿過陰影心軸層腐蝕出具有底部和側(cè)面的溝槽；d.在陰影心軸上施加保形的光致抗蝕劑層；e.使用離子注入曝光光致抗蝕劑層，使至少溝槽的一側(cè)在溝槽的底部投射出陰影，陰影投射在溝槽底部的第一部分中，由此第一部分中的光致抗蝕劑未曝光，同時其余的光致抗蝕劑被曝光；f.顯影光致抗蝕劑，僅留下溝槽底部第一部分中未曝光的光致抗蝕劑，并除去曝光的光致抗蝕劑；g.除去陰影心軸層；以及h.除了投射出陰影的第一部分以外，從晶片的表面除去結(jié)構(gòu)材料。
26.根據(jù)權利要求25的方法，其中在陰影心軸層中腐蝕出溝槽的步驟包括在陰影心軸層上施加光致抗蝕劑層，通過掩模曝光光致抗蝕劑構(gòu)圖溝槽，顯影光致抗蝕劑露出部分陰影心軸層，并腐蝕陰影心軸層的曝光部分形成溝槽。
27.根據(jù)權利要求26的方法，其中溝槽為最小的光刻特征尺寸。
28.根據(jù)權利要求25的方法，其中陰影心軸層包括TEOS的厚層。
29.根據(jù)權利要求25的方法，其中結(jié)構(gòu)材料包括柵導體。
30.根據(jù)權利要求25的方法，其中結(jié)構(gòu)材料還包括柵介質(zhì)層。
31.根據(jù)權利要求25的方法，其中使用化學汽相淀積淀積光致抗蝕劑。
32.根據(jù)權利要求25的方法，其中光致抗蝕劑層包括硅烷光致抗蝕劑。
33.根據(jù)權利要求28的方法，其中使用離子注入曝光光致抗蝕劑的步驟包括注入氧。
34.根據(jù)權利要求33的方法，其中顯影光致抗蝕劑的步驟包括使用氫氟酸顯影劑顯影聚硅烷。
35.根據(jù)權利要求33的方法，其中顯影光致抗蝕劑的步驟包括使用氟等離子體顯影劑顯影聚硅烷。
36.根據(jù)權利要求25的方法，其中除了投射出陰影的第一部分之外從晶片的表面除去結(jié)構(gòu)材料的步驟包括腐蝕結(jié)構(gòu)材料，同時使用第一部分中的其余的光致抗蝕劑作為硬掩模防止光致抗蝕劑的第一部分下面的結(jié)構(gòu)材料被腐蝕。
37.根據(jù)權利要求25的方法，其中溝槽沿兩個軸延伸，并具有多個角落，其中曝光光致抗蝕劑的步驟還包括曝光光致抗蝕劑，通過曝光使溝槽的至少一個角落二等分，并且溝槽的至少一個角落基本上垂直于曝光。
38.根據(jù)權利要求37的方法，還包括在曝光光致抗蝕劑層的步驟期間，用阻擋掩?？刮g劑圖案在正交角落阻擋溝槽的底部形成連續(xù)的陰影圖像。
39.一種在半導體晶片上形成結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟在半導體晶片的表面上淀積結(jié)構(gòu)材料層；在結(jié)構(gòu)材料層上淀積存儲層；在存儲層上淀積陰影心軸層；通過陰影心軸層腐蝕出具有底部和側(cè)面的溝槽；在陰影心軸層和溝槽上施加保形的光致抗蝕劑層；使用離子注入曝光光致抗蝕劑層，使至少溝槽的一側(cè)在光致抗蝕劑的第一部分上的溝槽的底部投射出陰影，由此第一部分光致抗蝕劑未曝光，同時第二部分的光致抗蝕劑被曝光；顯影光致抗蝕劑，除去未曝光的第一部分光致抗蝕劑；腐蝕光致抗蝕劑的第一部分下的存儲層，由此在存儲層中形成凹槽，對應與光致抗蝕劑的未曝光的第一部分；除去陰影心軸層；在存儲層上淀積圖像反轉(zhuǎn)層，由此填充凹槽；除去圖像反轉(zhuǎn)層的過量部分，由此僅在凹槽中留下圖像反轉(zhuǎn)層的第一部分；除去存儲層；以及除了圖像反轉(zhuǎn)層的剩余的第一部分下面的層之外，除去結(jié)構(gòu)材料層形成結(jié)構(gòu)。
40.根據(jù)權利要求39的方法，其中存儲層包括氮化物層；陰影心軸層包括TEOS的厚層；以及圖像反轉(zhuǎn)層包括TEOS的薄層。
41.根據(jù)權利要求39的方法，其中存儲層包括氮化物層；陰影心軸層包括多晶硅的厚層；以及圖像反轉(zhuǎn)層包括TEOS的薄層。
42.根據(jù)權利要求39的方法，其中結(jié)構(gòu)材料包括多晶硅層和二氧化硅層。
43.根據(jù)權利要求34的方法，其中光致抗蝕劑的保形層包括聚硅烷光致抗蝕劑。
44.根據(jù)權利要求34的方法，其中使用注入曝光光致抗蝕劑層的步驟包括注入氧。
45.根據(jù)權利要求35的方法，其中顯影光致抗蝕劑層的步驟包括使用氯顯影劑。
46.根據(jù)權利要求30的方法，其中光致抗蝕劑層包括多晶硅。
47.根據(jù)權利要求37的方法，其中使用離子注入曝光光致抗蝕劑層的步驟包括注入硼。
48.根據(jù)權利要求38的方法，其中顯影光致抗蝕劑層的步驟包括使用氫氧化鉀顯影劑。
49.根據(jù)權利要求39的方法，其中溝槽沿兩個軸延伸，并具有多個角落，其中曝光光致抗蝕劑的步驟還包括曝光光致抗蝕劑，通過曝光使溝槽的至少一個角落二等分，并且溝槽的至少一個角落基本上垂直于曝光。
50.根據(jù)權利要求49的方法，還包括在曝光光致抗蝕劑層的步驟期間，用阻擋掩?？刮g劑圖案在正交角落阻擋溝槽的底部形成連續(xù)的陰影圖像。
全文摘要
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術的局限,能形成邏輯電路中使用的較小部件。本發(fā)明提供了一種在通過使用稱做陰影心軸層的材料層產(chǎn)生陰影,在半導體襯底上限定和形成結(jié)構(gòu)的新方法。在陰影心軸層中腐蝕出溝槽。溝槽的至少一側(cè)用于在溝槽的底部投射陰影心軸層。保形淀積的光致抗蝕劑用于捕獲陰影的圖像。陰影的圖像用于限定和形成結(jié)構(gòu)。這能夠在晶片的表面上形成圖像,不會產(chǎn)生常規(guī)光刻中遇到的衍射效應。這樣能夠減小器件的尺寸并增加芯片的工作速度。
文檔編號G03F7/00GK1253311SQ99121520
公開日2000年5月17日 申請日期1999年10月14日 優(yōu)先權日1998年10月30日
發(fā)明者古川俊治, M·C·哈利, S·J·霍爾梅斯, D·V·霍拉克, P·A·拉比多西 申請人:國際商業(yè)機器公司