堆叠纳米线制造方法

摘要

本发明提供了一种堆叠围栅纳米线制造方法，包括：a)在半导体衬底上形成掩模层；b)在掩模层上形成嵌段共聚物；c)使嵌段共聚物定向自组装，形成第一区域和第二区域；d)去除第一区域保留第二区域以形成预定图案；e)根据预定图案对掩膜层进行刻蚀，以形成掩模层图案；f)根据掩模层图案，刻蚀半导体衬底以形成沟槽；g)在沟槽的底部及侧壁采用钝化性气体形成聚合物保护层；以及h)重复执行步骤f)和步骤g)，以形成堆叠围栅纳米线。本发明利用自组装技术可以获得纳米尺度的器件结构，特别是采用的制备方法与当前普遍使用的半导体制造技术相兼容，并且纳米线制备技术更为简单，且纳米线尺寸较易控制，不同层间对准性好。

权利要求

1.一种堆叠围栅纳米线制造方法，包括以下步骤：a)提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成掩模层；

b)在所述掩模层上形成嵌段共聚物；

c)使所述嵌段共聚物进行定向自组装，形成分别由所述嵌段共聚物的第一组分和第二组分构成的第一区域和第二区域；

d)选择性去除所述第一区域并保留所述第二区域以形成预定图案；

e)根据所述预定图案对所述掩模层进行刻蚀，以形成掩模层图案；

f)根据所述掩模层图案，刻蚀所述半导体衬底以形成沟槽；

g)在所述沟槽的底部及侧壁采用钝化性气体形成聚合物保护层；以及h)重复执行步骤f)和步骤g)，以形成堆叠围栅纳米线。

2.根据权利要求1所述的堆叠围栅纳米线制造方法，其中，在步骤f)中，刻蚀性气体为SF6、SF6/O2或SF6/O2/Ar。

3.根据权利要求1所述的堆叠围栅纳米线制造方法，其中，在所述步骤g)中，利用钝化性气体C4F6或C4F8在所述沟槽的底部及侧壁进行钝化处理，形成所述聚合物保护层。

4.根据权利要求1所述的堆叠围栅纳米线制造方法，其中，在步骤f)中，进一步包括：对刻蚀后的半导体衬底执行原位钝化处理。

5.根据权利要求4所述的堆叠围栅纳米线制造方法，其中，利用O2对所述刻蚀后的半导体衬底执行原位钝化处理。

6.根据权利要求1所述的堆叠围栅纳米线制造方法，进一步包括：i)对所述堆叠围栅纳米线执行圆化处理。

7.根据权利要求6所述的堆叠围栅纳米线制造方法，其中，所述圆化处理是高温热氧化和/或高温氢气退火。

8.根据权利要求1所述的堆叠围栅纳米线制造方法，其中，每次重复执行步骤f)和步骤h)时，根据技术特点或工艺要求，采用相同或不同的工艺参数。

9.根据权利要求1所述的堆叠围栅纳米线制造方法，其中，所述半导体衬底是硅基或锗基四族材料，或者是三五族非硅基材料。

10.根据权利要求9所述的堆叠围栅纳米线制造方法，其中，所述硅基或锗基四族材料是以下材料中的一种：体硅、SOI、Ge、GeOI、应变硅和GeSi。

11.根据权利要求1所述的堆叠围栅纳米线制造方法，其中，先执行步骤f)再执行步骤g)，或者先执行步骤g)再执行步骤f)。

说明书

堆叠纳米线制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及集成电路领域中的新型器件制造方法，更具体地说，涉及一种堆叠纳米线制造方法。

背景技术

[0002] 自进入22nm技术节点以来，新型器件结构的研究一直是纳米器件领域的热点。当前研发的主流趋势是多栅MOSFET，即通过增加栅的数量来提高栅控能力，使器件电流驱动能力更强，对短沟道效应抑制能力更好，是面向未来尺寸微缩最有效的解决途径。

[0003] 目前对多栅MOSFET的研究大多集中于FinFET和纳米线围栅结构，它们被普遍认为是适应特征尺寸不断减小趋势下未来CMOS器件最具潜力的解决方案。纳米线围栅器件拥有全包围的栅，这种结构被认为是多栅器件的终极形态，它卓越的栅控能力能够有效地抑制极小纳米尺寸下的短沟道效应，是面向10nm以下节点硅基器件最具潜力的解决方案。但是这种结构在工艺集成上还面临着很多挑战，例如，堆叠式纳米线的形成问题，全包围假栅电极的刻蚀问题，HK/MG带来的纳米线沟道间的薄膜生长问题，纳米线的源漏接触电阻较大等问题。

[0004] 10nm及以下节点围栅纳米线器件的制备依赖于光刻图形的形成，对器件尺寸的孜孜以求不断推动着光刻技术的持续向前发展，某种意义上可以说光刻技术是支撑先进的集成电路器件更新换代的核心制造技术之一，每一代新的集成电路的出现，总是以光刻工艺实现更小特征尺寸为主要技术标志的。目前，工业界采用的193nm光刻，并结合浸没式光刻技术、双(多)重图形曝光技术，已经将193nm光学光刻技术延伸到了32nm、20nm甚至到16/14nm节点。然而，极高的工艺开发成本、工艺复杂性及光刻本身的物理限制，制约着现有的光刻技术的进一步发展，尤其在面临更小尺寸的图形制作时存在有很大的局限性，业内急需一种能够兼顾精度与成本的解决方案。

[0005] 嵌段共聚物(Block Copolymer)自组装是一种全新的“自下而上”(Bottom-up)的加工技术，由于它是从分子水平出发进行纳米结构的构建，因此可以形成从几个纳米到数百纳米、分辨率几乎连续可调的各种各样井然有序的纳米结构。相反，传统的光刻技术无论是光学曝光、电子束曝光、纳米压印及EUVL等这些图形定义技术还是等离子体刻蚀技术，都主要是基于物理方法在大块的衬底上制作微米乃至纳米尺度的结构或器件，属于“自上而下”(Top-down)的加工方式。由于嵌段共聚物中共价键连接嵌段在化学上的不相容性而易发生自组装，利用嵌段共聚物分子的微观相分离作用，可以方便地获得长程有序的周期性结构，这些周期性结构包括球状相(Sphere phase)、柱状相(cylinder phase)、层状相(lamella phase)和双螺旋相(double-gyriod phase)等。

[0006] 利用以上嵌段共聚物的特性，使其在薄膜、孔、槽中进行定向自组装(Directed Self-assembly，DSA)，可以形成不同的纳米结构图案。定向自组装是一种潜力巨大的自下而上(Bottom up)的纳米图形加工技术。使用嵌段共聚物材料通过DSA技术能够在高度有序的二维薄膜上形成规则的纳米结构，而以传统的光学曝光技术很难在这个尺度上进行图案化加工。因此，利用DSA技术替代传统光学曝光技术进行微纳电子器件加工，具有成本低廉、图形分辨率高、边缘粗糙度低等优点，在大面积规则图案制作、通孔制作方面有其独特的优势，在近几年已经引起广泛关注。

[0007] 当前，通过构建自组装模板制备纳米结构及纳米器件已经成为当前的研究热点。关键在于先利用嵌段共聚物自组装制备模板(模板制备)，进而形成光刻图形，再用干法刻蚀技术将其转移到衬底上(模板转移)，从而可以用来制备不同尺寸可控的纳米结构阵列和纳米器件。通过改变嵌段共聚物的链长、组成、退火条件等，使其在薄膜、孔、槽中进行定向自组装，可以形成不同的图案，如球状、柱状、层状相等。

发明内容

[0008] 为了结合自组装技术，本发明提供一种堆叠围栅纳米线制造方法，包括以下步骤：a)提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成掩模层；b)在所述掩模层上形成嵌段共聚物；
c)使所述嵌段共聚物进行定向自组装，形成分别由所述嵌段共聚物的第一组分和第二组分构成的第一区域和第二区域；d)选择性去除所述第一区域并保留所述第二区域以形成预定图案；e)根据所述预定图案对所述掩模层进行刻蚀，以形成掩模层图案；f)根据所述掩模层图案，刻蚀所述半导体衬底以形成沟槽；g)在所述沟槽的底部及侧壁采用钝化性气体形成聚合物保护层；以及h)重复执行步骤f)和步骤g)，以形成堆叠围栅纳米线。

[0009] 本发明的堆叠围栅纳米线制造方法，其中，在步骤f)中，刻蚀性气体为SF6、SF6/O2或SF6/O2/Ar。

[0010] 本发明的堆叠围栅纳米线制造方法，其中，在所述步骤g)中，利用钝化性气体C4F6或C4F8在所述沟槽的底部及侧壁进行钝化处理，形成所述聚合物保护层。

[0011] 本发明的堆叠围栅纳米线制造方法，其中，在步骤f)中，可以进一步包括：对刻蚀后的半导体衬底执行原位钝化处理。

[0012] 本发明的堆叠围栅纳米线制造方法，其中，利用O2对所述刻蚀后的半导体衬底执行原位钝化处理。

[0013] 本发明的堆叠围栅纳米线制造方法，进一步包括：i)对所述堆叠围栅纳米线执行圆化处理。

[0014] 本发明的堆叠围栅纳米线制造方法，其中，所述圆化处理是高温热氧化和/或高温氢气退火。

[0015] 本发明的堆叠围栅纳米线制造方法，其中，每次重复执行步骤f)和步骤h)时，根据技术特点或工艺要求，采用相同或不同的工艺参数。

[0016] 本发明的堆叠围栅纳米线制造方法，其中，先执行步骤f)再执行步骤g)，或者先执行步骤g)再执行步骤f)。

[0017] 本发明的堆叠围栅纳米线制造方法，其中，所述半导体衬底是体硅、SOI、Ge、GeOI、应变硅、GeSi等硅基或锗基四族材料中的一种，或者是三五族非硅基材料。

[0018] 本发明的堆叠围栅纳米线制造方法，其中，所述掩模层是氧化硅、氮化硅、旋涂的非晶碳(SOC)，CVD沉积的非晶碳、硅基抗反射材料Si ARC中的一种，或者是氧化硅/氮化硅、Si ARC/SOC/氧化硅或氮化硅的复合结构。

[0019] 不同于传统的制备堆叠式围栅纳米线器件方法，本发明利用自组装技术以获得尺寸更小的器件结构，特别是采用的制备方法与当前普遍使用的半导体制造技术相兼容。

[0020] 本发明仅仅采用半导体衬底材料而不引入任何的牺牲层材料，通过多步循环干法刻蚀技术一次性得到堆叠围栅纳米线结构。

[0021] 在本发明中，通过刻蚀与钝化的循环处理，可以得到期望中的堆叠围栅纳米线结构。利用本发明形成纳米线更为简单，且纳米线尺寸较易控制，不同层间对准性更好。此外，结合其他原位修饰方法如热氧化或氢气退火等可以对刻蚀得到的纳米线进行圆化处理，从而得到期望的纳米线尺寸与形貌。

附图说明

[0022] 通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

[0023] 图1是根据本发明的实施方式制造的堆叠式围栅纳米线器件结构示意图。

[0024] 图2是根据本发明的实施方式形成自组装模板后的半导体结构示意图；

[0025] 图3是根据本发明的一实施方式定义光刻图形后的半导体结构示意图；

[0026] 图4是根据本发明的实施方式对硬掩模进行图案化后的半导体结构示意图；

[0027] 图5(a)～图5(c)是根据本发明的实施方式的重复进行刻蚀、沉积以及所形成的半导体结构示意图；

[0028] 图6是根据本发明的实施方式的执行圆化处理后的半导体结构示意图；

[0029] 图7是根据本发明的实施方式的最终形成的堆叠式纳米线示意图；

[0030] 图8是根据本发明的实施方式制定的流程图。

具体实施方式

[0031] 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。

[0032] 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。

[0033] 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”。

[0034] 根据本发明公开的实施例，提供了一种新型堆叠式围栅纳米线器件的制备方法。根据本发明的一个实施例，最终制备的假栅结构如图1所示，后文将描述沿A-A’方向上形成堆叠式纳米线器件的过程。

[0035] 下面结合附图和实施例，参照图8对本发明作进一步详细说明，其中，图8是根据本发明的方法的流程图。

[0036] 图8的步骤1将结合图2进行具体说明。如图2所示，首先提供半导体衬底100。该半导体衬底可以是体硅、SOI、应变硅、GeSi中的一种，优选为体硅衬底，也可以是其他四族材料如锗基材料，或者采用三五族材料，还可以采用其他材料。在该半导体衬底100上，采用化学气相沉积或其他方法形成一层硬掩模层200，该硬掩模层200的材料可以为单一材料如氧化硅、氮化硅、旋涂的非晶碳(SOC)，CVD沉积的非晶碳、硅基抗反射材料(Si ARC)等，也可以为多种不同材料组成的复合结构，如氧化硅/氮化硅或Si ARC/SOC/氧化硅或氮化硅等，或其他材料组合而成的复合结构。当然，也可以采用其他薄膜形成硬掩模层200。

[0037] 随后，进行图8的步骤2，利用嵌段共聚物定向自组装技术在硬掩模层200上形成嵌段共聚物层300。可以采用已有的DSA技术，例如制图外延法(Graphoepitaxy)或者表面化学图案(Surface Chemical Pattern)法，形成嵌段共聚物层300，本发明对形成嵌段共聚物的DSA技术不做具体限定。通过改变嵌段共聚物的链长、组成、退火条件等，使其在薄膜、孔、槽中进行定向自组装，可以形成不同的嵌段共聚物层图案，如球状、柱状、层状等。本发明对嵌段共聚物层的图案不做具体限定。

[0038] 根据本发明的一个实施方式，嵌段共聚物层300可以由二嵌段共聚物形成。然而，该嵌段共聚物层300也可以由多嵌段共聚物形成。该嵌段共聚物可以选自PS-b-PMMA、PS-b-PSSi、PS-b-PDMS或者PS-b-PVP等二元嵌段共聚物或其他多元共聚物，但本发明不限于此。作为一个例子，在本发明中采用二嵌段共聚物PS-b-PMMA形成嵌段共聚物层300。然而，在其他例子中，可以采用任何适当的嵌段共聚物形成嵌段共聚物层300。此处，作为一个例子，嵌段共聚物层300包括由第一组分构成PS的第一区域301和由第二组分PMMA构成的第二区域
302。由此，完成了进行图8的步骤3。

[0039] 关于图8的步骤4中的形成预定图案，将结合图3进行具体说明。具体而言，采用干法刻蚀技术，如通过O2或O2/Ar或其他刻蚀气体，通过合适的工艺参数优化，使第一区域301与第二区域302间获得合适的刻蚀选择比，从而选择性地刻蚀掉PMMA 302仅保留PS 301在硬掩模层200上，由此形成嵌段共聚物图案。

[0040] 然后，执行图8的步骤5，对硬掩模层200进行图案化。具体而言，如图4所示，采用等子体干法刻蚀技术将定义好的光刻图形即PS 301的图形，转移到硬掩模层200上以形成图案化的硬掩模层201。之后，为了保证掩模侧壁有良好的粗糙度性能，可以通过干法去胶工艺或湿法清洗工艺，去除PMMA 302。

[0041] 接下来，执行图8的步骤6，以图案化的硬掩模层201为掩模，对半导体衬底100进行刻蚀，以形成沟槽101，如图5(a)所示。此处，对硅基衬底材料进行刻蚀的刻蚀性气体可以为SF6、SF6/O2、SF6/O2/Ar或SF6与其他气体的组合，从而实现对干法刻蚀的调控。具体而言，在本实施方式中，可以通入SF6和O2的混合气体对半导体衬底100执行等离子体刻蚀。一定时间后，即可形成第一层纳米线图形。在此过程中，可以通过调节O2的比例来控制对半导体衬底的刻蚀速率。然而，在其他实施方式中，也可以采用其他刻蚀气体，例如，Ar和SF6混合气体，或者其他方式对半导体衬底100进行刻蚀。

[0042] 接下来执行图8的步骤7，如图5(b)所示进行钝化处理。关闭刻蚀性气体SF6和O2切换为通入钝化性气体如C4F8或C4F6，在凹槽的底部和侧壁上形成聚合物保护层102。在其他实施方式中，也可以通入其他气体和利用其他适合方式形成聚合物保护层。在此步骤中，还可以通过控制参数来调节聚合物保护层102沉积的数量。

[0043] 然后执行图8的步骤8，交替执行通入SF6和O2进行等离子体刻蚀和通入C4F8进行聚合物钝化的步骤。在进行等离子体刻蚀的过程中，在沟槽底部和侧壁形成有聚合物保护的钝化层。垂直入射的等离子体轰击沟槽底部的聚合物，使得垂直方向上的刻蚀持续进行，并继续刻蚀半导体衬底100，形成新的沟槽。而沟槽侧壁侧由于聚合物保护层的存在所以刻蚀率较低，从而保证了后续沟槽刻蚀的各向异性。执行通入SF6和O2进行等离子体刻蚀和通入C4F8进行聚合物沉积可以视为一个工艺循环。该工艺循环重复执行，即可形成堆叠纳米线结构。根据纳米线尺寸和形貌的具体要求，各工艺循环可以采用相同或不同的刻蚀工艺参数。另外，上述形成堆叠纳米线的工艺循环也可以先进行聚合物钝化步骤，再进行等离子体刻蚀步骤，由此上述两个步骤交替进行形成堆叠纳米线。

[0044] 可选地，在执行通入SF6和O2进行等离子体刻蚀的步骤之后，可以通入O2，对形成的半导体结构进行原位处理，然后再通入C4F8执行聚合物钝化步骤。亦即，将通入SF6和O2进行等离子体刻蚀、通入O2进行原位处理和通入C4F8进行聚合物钝化视为一个工艺循环。该工艺循环重复执行，即可形成堆叠纳米线结构。根据纳米线的刻蚀情况，各次工艺循环可以采用相同或不同的刻蚀工艺参数，而无段仅仅采用相同的工艺参数。其中，通入O2进行原位处理步骤的每次循环也可以采用不同的工艺参数。

[0045] 利用现有技术中适合的干法等离子体去除技术或湿法清洗技术，对残留在半导体结构上的光刻胶和聚合物保护层进行清除，并同时去除硬掩模层201，形成如图5(c)所示的堆叠纳米线结构。

[0046] 随后，可以利用高温原位处理技术对制造得到的堆叠纳米线结构进行圆化处理，得到更圆滑的堆叠纳米线结构。此处的高温原位处理技术可以包括高温热氧化和高温氢气退火。高温热氧化和高温氢气退火可以相结合进行，或者分别单独执行，这需要视纳米线尺寸、形貌及其性能要求而定。

[0047] 在执行高温热氧化处理的情况下，在图5(c)所示堆叠纳米线结构的表面形成氧化物层，而在堆叠纳米线结构的内部形成较为圆滑的纳米线结构103，如图6所示。随后，去除表面的氧化物，得到最终的椭圆、圆形或其他形状的堆叠纳米线103，如图7所示。去除表面氧化物的方法可以是湿法清洗，例如可以将图6中的半导体结构浸入HF基腐蚀液中，腐蚀去除表面氧化物层。

[0048] 优选地，可以对图5(c)所示的堆叠纳米线结构执行高温氢气退火，使得堆叠纳米线结构表面圆润化，得到图7中所示的椭圆、圆形或其他形状的堆叠纳米线结构。可以根据实际需要，通过调控工艺条件，形成具有不同形貌和尺寸的堆叠纳米线结构。

[0049] 另外，还可以将高温热氧化与高温退火工艺相结合，获得更好的纳米线形貌与符合要求的大小。

[0050] 根据本发明的堆叠纳米线形成方法，通过多步的刻蚀与钝化循环步骤可以制造得到期望的堆叠纳米线结构。采用本发明的方法形成堆叠纳米线更为简单，且纳米线尺寸较易控制，不同层间对准性也更好。此外，结合其他原位处理方法如热氧化或氢气退火等可以对刻蚀得到的纳米线进行圆化处理，从而得到期望的纳米线尺寸与形貌。

[0051] 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。

[0052] 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。