TW201839525A - 用於形成半導體裝置的系統 - Google Patents
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Abstract
半水相濕式清潔系統與方法可用於移除含碳的矽材(如電漿殘留物)或含氮的矽材(如電漿殘留物)。半水相濕式清潔系統包含羥基末端有機化合物、二醇、與氟離子予體材料。上述系統設置以在乾蝕刻後的濕式清潔時，保護氧化矽與非晶矽。濕式清潔系統設置以選擇性地移除含碳電漿殘留物或含氮電漿殘留物。調整濕式清潔系統的pH值，即可改變含碳電漿殘餘物或含氮電漿殘餘物的移除步驟其選擇性。如此一來，四乙氧基矽烷的凹陷可小於約3nm。此外，濕式清潔系統可回收以供後續使用。
Description
本發明實施例關於半導體裝置的形成方法，更特別關於其清潔系統。
隨著半導體裝置的尺寸縮小，可採用多種製程技術如光微影以形成更小尺寸的裝置。然而隨著製程容忍度越來越小，這些裝置的製程將超過光微影的理論極限。當半導體裝置持續縮小，裝置單元之間所需的空間將低於習知光罩與光微影技術所能達到的間距。
本發明一實施例提供之用於形成半導體裝置的系統，包括：至少部份水相系統，設置以移除含碳的矽殘留物與含氮的矽殘留物中至少一者，且至少部份水相系統包括：羥基末端有機材料；以及氟離子予體材料。
A-A‧‧‧線段
LA、LB、LC‧‧‧線路圖案
W1、W2、W3、W4、W5、W6、W7‧‧‧寬度
20‧‧‧蝕刻停止層
22‧‧‧半導體裝置層
22’‧‧‧圖案化半導體裝置層
24‧‧‧抗反射塗層
26、28、31‧‧‧硬遮罩層
30、32‧‧‧芯層
30’、32’‧‧‧芯
34、44、54‧‧‧底層
36、46、56‧‧‧中間層
38、48、58‧‧‧頂光阻層
40、50、60‧‧‧三層光阻
52、52‧‧‧間隔物
62‧‧‧溝槽
66‧‧‧導電材料
100、200‧‧‧半導體裝置
1600‧‧‧方法
1610、1620、1630、1640‧‧‧步驟
第1A、1B、2A、2B、3A、3B、4A、4B、5A、5B、6A、6B、7A、7B、8A、8B、9、與10圖係一實施例中，圖案化半導體裝置的中間階段之上視圖與剖視圖。
第11A、11B、12A、12B、13A、13B、14A、14B、15A、與15B圖係另一實施例中，圖案化半導體裝置的中間階段之上 視圖與剖視圖。
第16圖係一實施例中，用以清潔含碳或含氮的矽殘留物之濕式清潔方法的示意圖。
下述內容將搭配圖式說明實施例。圖式和描述中儘可能採用相同標記表示相同或相似的部分。在圖式中，為了清楚和方便說明，可能誇大形狀、尺寸、與厚度。下述內容所指的特定單元，將形成本發明的方法與系統之一部份，或更直接地與本發明的方法與系統共同操作。應理解的是，可採用本技術領域中具有通常知識者所知的多種形式，作為未特別繪示或描述的單元。藉由本發明所教示的內容，本技術領域中具有通常知識者自可採用許多替換或改良。
下述內容所述的「一個實施例」或「一實施例」是指所述實施方案所描述的特定特徵、結構、或特性包含於本發明的至少一實施例中。因此，本說明書各處出現的「在一個實施例中」或「在一實施例中」未必指相同實施例。此外，特定特徵、結構、或特性可在一個或一個以上的實施例中，以任何合適的方式組合以衍生替代的、相連的、或連續的實施例。應理解的是，圖式僅用於說明而不必依比例繪示。
隨著積體電路裝置的尺寸縮小，將光微影光罩的圖案轉移至晶圓時將面臨光學鄰近效應的較大挑戰。當兩個分開的結構靠近的距離，達到用以圖案成像的電磁波波長的等級時，光學鄰近效應可能使相鄰的結構之間短接。雙重圖案化技術可用以改善結構定義，以解決上述問題。此技術之一為雙圖 案化雙蝕刻。
在雙圖案化雙蝕刻的製程中，密集間隔結構將分開至兩個或更多的微影光罩中，其中多個微影光罩用於曝光相同光阻或兩個不同光阻，使密集間隔結構的圖案得以轉移至相同的層狀物中。每一雙圖案化的微影光罩中結構之間的距離，比單一圖案化光罩中結構之間的距離長，且可大於曝光圖案所用的電磁波射線波長。在採用兩個微影光罩時，複合成像的解析度可有效加倍。如此一來，多重圖案化的微影光罩中的結構距離，通常大於啟動光學臨近效應的臨界距離，因此實質上降低相關效應的問題。
實施例將說明選擇性移除含碳與含氮的矽殘留物之方法與系統，且上述殘留物來自於製作多重圖案化半導體時的乾蝕刻製程。藉由將多個圖案轉移至半導體裝置層上的多個硬遮罩層，可圖案化半導體裝置層以形成代表性的半導體裝置。至少一圖案包含側壁對準的間隔物，其順應性地沉積於芯上。
第1A至10圖係一實施例中，圖案化半導體裝置100的中間階段之上視圖與剖視圖。第1A與1B圖分別為半導體裝置100於製程之中間階段的上視圖與剖視圖。第1B圖係沿著第1A圖中線段A-A的剖視圖。第2B至8B圖與第11B至15B圖分別為沿著第2A至8A與11A至15A圖中相同線段A-A的剖視圖，不過後續圖式並未標示線段A-A。
如第1A與1B圖所示，半導體裝置100包含視情況存在的蝕刻停止層20、半導體裝置層22、抗反射塗層24、硬遮罩 層26與28、芯層30與32、以及硬遮罩層26與28和芯層30與32上的三層光阻40。在一些實施例中，硬遮罩層26可包含氮化鈦，硬遮罩層28可包含四乙氧基矽烷、芯層30可包含非晶矽，而芯層32可包含氮化矽。在一實施例中，硬遮罩層26為氧化鈦。在另一實施例中，硬遮罩層28為碳氧化矽。在另一實施例中，芯層30為氮氧化鋁。在另一實施例中，芯層32為氮氧化矽。
半導體裝置層22為需圖案化的層狀物。在一些實施例中，半導體裝置層22為金屬化層，其將用於金屬線路且其組成為銅、鋁、類似物、或上述之組合。在其他實施例中，半導體裝置層22可為介電層，比如低介電常數介電層、聚合物層、或類似物。在其他實施例中，半導體裝置層22為基板，且其組成可為半導體材料如矽、鍺、鑽石、或類似物。上述組成可取代為或搭配化合物材料，比如矽鍺、碳化矽、砷化鎵、砷化銦、磷化銦、碳化矽鍺、磷砷化鎵、磷化鎵銦、上述之組合、或類似物。在半導體裝置層22為基板的實施例中，可省略蝕刻停止層20。在半導體裝置層22不是基板的實施例中，基板(未圖示)可位於視情況存在的蝕刻停止層20下。位於視情況存在的蝕刻停止層20下的基板(未圖示)，其組成可與用於半導體裝置層22的前述材料類似。
基板(未圖示)可位於視情況存在的蝕刻停止層20下。在其他實施例中，半導體裝置層22即基板。上述基板可包含主動與被動裝置(未圖示)。本技術領域中具有通常知識者應理解，多種裝置如電晶體、電容、電阻、上述之組合、或類似物，可用以提供半導體裝置100所用之設計的結構性或功能性 特徵。主動與被動裝置的形成方法可為任何合適方法，比如本技術中已知或之後衍生的方法。
抗反射塗層24可形成於半導體裝置層22上。抗反射塗層24可避免或減少後續光微影製程中的射線自下方的層狀物反射並干擾曝光。這些干擾可能會增加光微影製程的關鍵尺寸。在一實施例中，抗反射塗層24包含無氮的抗反射塗層，其組成可為富矽的氧化物、碳氧化矽、類似物、或上述之組合。在一些實施例中，抗反射塗層24的形成方法可為化學氣相沉積、電漿增強化學氣相沉積、類似方法、或上述之組合。
硬遮罩層26與28以及芯層30與32形成於抗反射塗層24上。在一實施例中，硬遮罩層26包含金屬硬遮罩層，而硬遮罩層28及芯層30與32包含介電硬遮罩層。在後續製程步驟中，採用多種光微影與蝕刻技術將圖案轉移至硬遮罩層26。硬遮罩層26接著可作為蝕刻下方的抗反射塗層24與半導體裝置層22的圖案化遮罩。在代表性的實施例中，硬遮罩層26可包含遮罩材料如氮化鈦、氧化鈦、類似物、或上述之組合。硬遮罩層26的形成製程可為化學氣相沉積、物理氣相沉積、原子層沉積、類似製程、或上述之組合。在一實施例中，硬遮罩層26的厚度可介於約100Å至約500Å之間。
硬遮罩層28可沉積於硬遮罩層26上。硬遮罩層28可作為硬遮罩層26的遮罩圖案。在後續製程步驟中，以多個圖案(見第8A與8B圖)圖案化硬遮罩層28，接著將圖案化的硬遮罩層28之圖案轉移至硬遮罩層26。硬遮罩層28可包含遮罩材料，比如四乙氧基矽烷、碳氧化矽、類似物、或上述之組合。硬遮 罩層28的形成製程可為化學氣相沉積、原子層沉積、類似製程、或上述之組合。在一實施例中，硬遮罩層28的厚度可介於約100Å至約1000Å之間。
芯層30形成於硬遮罩層28上。芯層30可用於形成芯30’(見第5B圖)。芯層30可包含遮罩材料如非晶矽，或任何可圖案化及選擇性移除的其他材料。芯層30的形成製程可為化學氣相沉積、原子層沉積、類似製程、或上述之組合。在一實施例中，芯層30的厚度可介於約100Å至約1000Å之間。
芯層32形成於芯層30上。芯層32可用於形成芯32’(見第2B圖)。芯層32可包含遮罩材料如氮化矽、氮氧化矽、類似物、或上述之組合，或任何可圖案化且選擇性移除的其他材料。芯層32的形成製程可為化學氣相沉積、原子層沉積、類似製程、或上述之組合。在一實施例中，芯層32的厚度介於約100Å至約1000Å之間。
三層光阻40形成於芯層32上。三層光阻40包含頂光阻層38、中間層36、與底層34。由於先進半導體製程以達光微影製程的限制，因此需要更薄的頂光阻層以達更小的製程容忍度。然而薄的頂光阻層不足以承受目標層(如芯層32)的蝕刻步驟。三層光阻可提供較薄的頂光阻層38。中間層36可包含抗反射材料(如背側抗反射塗層)以利進行使頂光阻層38成像的曝光與聚焦。由於中間層36的存在，薄的頂光阻層38僅用於圖案化中間層36。底層34可包含硬遮罩材料如氮化物(比如氮氧化矽)。在另一實施例中，可採用其他順序的層狀物排列，比如硬遮罩層位於背側抗反射塗層上，而光阻層位於硬遮罩層上。
中間層36用於圖案化底層34。在一些實施例中，中間層36的蝕刻選擇性高於底層34。在一些實施例中，底層34可比中間層36厚超過十倍。如此一來，三層光阻40可在穩健地圖案化下方的層狀物(如芯層32)時，仍提供較薄的頂光阻層38。
頂光阻層38的圖案化方法可採用任何合適的光微影技術。舉例來說，光罩(未圖示)可位於頂光阻層38上，接著可曝光至電磁射線束(如紫外線或準分子雷射，比如氟化氪準分子雷射(248nm的射線束)或氟化氬準分子雷射(193nm的射線束))。頂光阻層38的曝光方法可採用浸潤式微影系統，以增加解析度並縮小可達的最小間距。可進行烘烤或硬化步驟以硬化頂光阻層38，並以顯影劑移除頂光阻層38的曝光部份或未曝光部份(端視採用的光阻為正型或負型)。如此一來，如第1A與1B圖所示的圖案可形成於頂光阻層38中，此圖案包含兩個開口於頂光阻層38中，且每一開口具有寬度W1。兩個開口之間隔有寬度W2。寬度W1、寬度W2、與後續圖式中的寬度，係應用於半導體裝置層22的圖案之所需空間或寬度(見第9圖)。在一實施例中，寬度W1為所須空間的約五倍，而寬度W2為所需空間的約3倍。在代表性的實施例中，所需空間與寬度可為約16nm。在此例中，形成的間距可為32nm(見第8A與8B圖)，寬度W1可為約80nm，且寬度W2可為約48nm。
第1A與1B圖中的頂光阻層38具有兩個開口，但可具有更多或更少的開口，端視間隔物52(見第8B圖)所需的數目而定。此外，雖然第8A與8B圖中間隔物52的寬度與空間實質上相同，但其他替代的、相連的、或連續的實施例之間隔物52 的寬度與空間不同。
如第2A與2B圖所示，圖案化芯層32以形成開口及芯32’。在顯影與圖案化頂光阻層38之後，將圖案轉移至中間層36與底層34。舉例來說，轉移圖案的方法可為一或多道選擇性蝕刻製程。在選擇性蝕刻之後，可移除頂光阻層38與中間層36，且移除方法可為修整製程如非等向電漿蝕刻製程。在一些實施例中，修整製程亦移除底層34的一部份，可達較穩定的深寬比以用於後續的蝕刻步驟。在代表性的實施例中，可採用底層34作為圖案化遮罩，並蝕刻芯層32以形成芯32’。在此實施例中，可移除底層34的保留部份，且移除方法可為濕式清潔製程。
在另一實施例中，可省略修整製程，並採用三層光阻40之頂光阻層38、中間層36、與底層34圖案化芯層32，以形成芯32’。在一些實施例中，可採用蝕刻製程氣體(如氧、二氧化碳、碳氫氟化合物、氬、氮、氫、類似物、或上述之組合)的乾蝕刻製程，以圖案化芯層32。如第2A與2B圖所示，芯32’具有寬度W2。
在形成芯32’之後，形成間隔物層(未圖示)於芯32’及芯層30上。在一實施例中，間隔物層順應性地沉積於芯32’與芯層30上，因此芯層30的上表面上與芯32’的側壁上之間隔物層具有實質上相同的厚度。在一些實施例中，間隔物層包括含金屬的間隔物層，其組成可為氮化鈦、氧化鈦、類似物、或上述之組合。間隔物層的材料與芯層30之間具有高蝕刻選擇性，因此後續在間隔物層上進行的蝕刻步驟不會攻擊芯層30。 間隔物層的沉積製程可為原子層沉積、化學氣相沉積、物理氣相沉積、類似製程、或上述之組合，但亦可為任何可行製程，使間隔物層的厚度介於約50Å至約250Å之間。此外，間隔物層的厚度可決定最後形成於半導體裝置層22中的結構厚度。
在形成間隔物層於芯32’上之後，可蝕刻間隔物層以露出芯32’並形成間隔物42。在一實施例中，間隔物42可包含氧化鈦。在另一實施例中，間隔物42為氮化鈦。可非等向蝕刻間隔物層的頂部，以露出下方的芯32’與芯層30，並形成間隔物42。間隔物42沿著芯層32的開口中的芯32’其側壁形成。在一實施例中，用於蝕刻間隔物層的頂物之蝕刻劑，可包含氯、氧、碳氫氟化合物、氮、氫、類似物、上述之組合、或適於移除間隔物之上表面的任何蝕刻劑。在一實施例中，間隔物42的寬度W5屬於所需間距的級數，而相鄰間隔物42之間的寬度W3的級數約為所需間距的三倍。在一些實施例中，寬度W2與W3可實質上相同。
在形成間隔物42之後，形成三層光阻50於間隔物42與芯32’上，如第3A與3B圖所示。三層光阻50可與三層光阻40實質上相同，且可包含較薄的頂光阻層48、中間層46(如背側抗反射塗層)、與底層44(如硬遮罩材料)。
舉例來說，頂光阻層48的圖案化方法可採用浸潤式微影系統，其包含電磁射線束(如氟化氪準分子雷射的248nm光束或氟化氬準分子雷射的193nm光束)以曝光頂光阻層48的部份，並顯影曝光/未曝光的部份(取決於採用的光阻為正型或負型)。如此一來，可形成第3A與3B圖所示的圖案於頂光阻層 48中。上述圖案包含頂光阻層48中的三個開口，且開口之間隔有寬度W4之頂光阻層48的部份。在代表性的實施例中，寬度W4為所需間距的約三至五倍，比如所需間距的四倍。頂光阻層48的圖案用以遮罩間隔物42之間芯層30的露出部份，因此後續蝕刻製程可移除上方的芯32’。如此一來，寬度W4可大於或等於芯層30的露出部份其寬度W3，且寬度W4可小於寬度W3加上圍繞芯層30的露出部份之間隔物42其寬度。在一些實施例中，形成於頂光阻層48中的開口亦具有寬度W4。第3A與3B圖所示的圖案僅用以舉例說明，且可依半導體裝置100的特別設計形成不同圖案。
如第4A與4B圖所示，移除頂光阻層48的開口(見第3A與3B圖)中露出之上方的芯32’。經由頂光阻層48圖案化三層光阻50的中間層46與底層44，以露出芯32’的上表面。在一實施例中，可採用蝕刻製程氣體(如氧、二氧化碳、碳氫氟化合物、氬、氮、氫、類似物、上述之組合、或任何其他可移除芯30’的合適蝕刻劑)的乾蝕刻製程，圖案化露出的芯30’而不損傷間隔物42。
如第5A與5B圖所示，經間隔物42圖案化芯層30以形成芯30’。在一些實施例中，芯層30的圖案化方法可為採用蝕刻製程氣體(如氧、二氧化碳、碳氫氟化合物、氬、氮、氫、類似物、或上述之組合)的蝕刻製程。如第5A與5B圖所示，芯30’具有寬度W5，且相鄰的芯30’之間隔有寬度W3。當芯層30包含非晶矽時，乾蝕刻製程可採用二氧化碳、碳氫氟化合物、或氮氣以形成芯30’，而含碳的矽殘留物(來自二氧化碳或碳氫 氟化合物的電漿製程)與含氮的矽殘留物(來自氮氣電漿製程)可能形成於芯30’或硬遮罩層28的表面部份之上或之中。依據代表性的實施例，可清除這些殘留物。
當芯層30包含非晶矽時，乾蝕刻製程可採用二氧化碳、碳氫氟化合物、或氮氣以形成芯30’，而含碳的矽殘留物(來自二氧化碳或碳氫氟化合物的電漿製程)與含氮的矽殘留物(來自氮氣電漿製程)可能形成於芯30’或硬遮罩層28的表面部份之上或之中。後續製程一般將移除或清潔這些殘留物。然而習知的移除/清潔方法，不適於選擇性地移除或清潔乾蝕刻所產生的殘留材料。此外，習知清潔系統通常產生聚合的殘留物，其將阻礙回收清潔系統以供後續使用。
在代表性的實施例中，一或多種羥基末端化合物可用於與含碳矽材(如碳化矽)或含氮矽材(如氮化矽)結合，接著以氟離子去除碳化矽或氮化矽。在代表性的實施例中，羥基末端化合物適於結合至矽或氧化矽的配位位點(比如芯30的矽或氧化矽)。舉例來說，代表性實施例中的羥基末端化合物可用於保護不需移除的材料其部份或基團，比如非晶矽、氧化矽、或類似物。如此一來，以氟離子移除碳化矽或氮化矽的製程比習知方法更具選擇性。因此碳化矽或氮化矽的移除速率大於非晶矽、氧化矽、或類似物的移除速率。
水相稀氫氟酸的濃度低於約1M時，其解離通常如下式所示：HF←→H++F-：Ka為約6.85E-04 HF+F-←→HF- 2：K1為約5.0 其中速率常數R如下所示：R=A[HF]+B[HF- 2]+C蝕刻氧化矽的步驟通常如下所示：SiO2+6HF←→H2SiF6+2H2O
由於HF- 2為用於氧化矽的蝕刻劑，依據勒夏特列原理可減少HF的解離以抑制形成HF- 2。經比較可知，若稀氫氟酸水相溶液含有乙醇，則主要形成HF與HF- 2。在濃氫氟酸溶液中，主要形成HF與較高級數的聚同源共軛種類如(HF)nF-。
下表為不同氫氟酸溶液中，氟成份的比例：
HF←→H++F-：K=6.85E-4
HF+F-←→HF- 2：K=3.963
2HF←→H2F2：K=2.7
在代表性的實施例中，經由氫鍵與矽位點的羥基部分配位的HF- 2，可用以進行末端的矽位點的氧化物蝕刻。之後，脫水反應可保留氟原子，以取代脫水時置換的羥基部分與溶液中的氟離子。
在另一代表性的實施例中，經由氫鍵與矽位點的羥基部分配位的H2F2，可用以進行末端的矽位點的氧化物蝕刻。之後，脫水反應可保留氟原子，以取代脫水時置換的羥基 部分與溶液中的氫氟酸。
在代表性的實施例中，氟離子在非晶矽結構如芯層30的表面攻擊Si-OC鍵結以形成H2SiF6，接著可採用水移除H2SiF6。溶劑的羥基可保護鍵結在四乙氧基矽烷表面上的Si-OH鍵結。
在多種實施例中，代表性的羥基末端化合物可包含一或多個下述化合物：醇、二醇、醛、羧酸、多種醇、多種二醇、多種醛、多種羧酸、1-(2-羥基乙基)-2-吡咯烷酮、2-(羥基甲氧基)乙醇、乙二醇、丙二醇、二乙二醇、上述之組合、或類似物。代表性的組合可包含1-(2-羥基乙基)-2-吡咯烷酮與2-(羥基甲氧基)乙醇。另一代表性的組合可包含1-(2-羥基乙基)-2-吡咯烷酮與二乙二醇。另一代表性的組合可包含2-(羥基甲氧基)乙醇與二乙二醇。在另一實施例中，羥基末端化合物可作為代表性的濕式清潔系統的二醇成份、羥基末端成份、或同時作為羥基末端成份與二醇成份(如二乙二醇)。在一些實施例中，濕式清潔系統的二醇成份亦可作為濕式清潔系統的羥基末端成份，或者濕式清潔系統的羥基末端成份亦可作為濕式清潔系統的二醇成份。
在其他代表性的實施例中，氟離子予體材料可包含一或多個AF或AHF2，其中A指的是氨、胺、或其他陽離子。氟離子予體材料設置為建立下述平衡式：
藉由調整清潔系統的pH值，可改變產生F-與HF- 2的相對解離速 率。如此一來，可調整含碳或含氮的矽殘留物之移除或清潔步驟，使其能最小化地移除非晶矽、氧化矽、或類似物。舉例來說，代表性的半水相清潔系統之pH值可介於約4.5至約5.5之間。舉例來說，在pH值為5.3時，單乙醇胺可緩衝氟化物比例，其清潔時間介於約60秒至約600秒之間，且清潔溫度可介於約30℃至約70℃之間。以單乙醇胺緩衝的可能機制如下式：NH2(CH2)2OH+H2O→(NH3)+OH(CH2)2OH-
(NH3)+OH(CH2)2OH-→(NH3)+(CH2)2OH+OH-
第1表的資料為採用不同水含量的代表性半水相清潔系統。清潔系統的樣品包含約5wt%至約30wt%的羥基末端化合物(如1-(2-羥基乙基)-2-吡咯烷酮)、約2wt%至約15wt%的二醇化合物(如二乙二醇)、約0.2wt%至約0.5wt%的氟離子予體材料(如氟化銨與氟化氫銨的組合物)、與約25wt%至約60wt%的水。在代表性的實施例中，氟化銨與氟化氫銨的重量比介於約0.5至約10之間。
在代表性的實施例中，經含碳電漿蝕刻後，接著以半水相清潔系統清潔後的非晶矽材料，其對應X光光電子能譜分析的元素含量資料為1.3%的碳、62.8%的氧、0.4%的氟、與35.5%的矽。在乾蝕刻之後，但在半水相清潔系統的清潔步驟之前，非晶矽材料的X光光電子能譜為8.2%的碳、59.6%的氧、1.2%的氟、與31.0%的矽。綜上所述，半水相清潔系統可減少約6.3倍的碳量。
在代表性的實施例中，經含碳電漿蝕刻後，接著以半水相清潔系統清潔後的四乙氧基矽烷材料，其對應X光光電子能譜分析的元素含量資料為1.5%的碳、64.9%的氧、0.9%的氟、與32.7%的矽。在乾蝕刻之後，但在半水相清潔系統的清潔步驟之前，四乙氧基矽烷材料的X光光電子能譜為4.7%的碳、62.2%的氧、1.5%的氟、與31.6%的矽。綜上所述，半水相清潔系統可減少約3.1倍的碳量。
在代表性的實施例中，若先物理氣相沉積非晶矽芯於四乙氧基矽烷層上。以含碳電漿乾蝕刻芯，接著以半水相清潔系統清潔約240秒，則四乙氧基矽烷凹陷/損失的量測值為約2.66nm。綜上所述，多種代表性的實施例可讓四乙氧基矽烷凹陷/損失低於約3nm。此外，晶圓級關鍵尺寸的一致性可改善 約8倍。
在代表性的實施例中，此處所述的水相或半水相的濕式蝕刻系統，適於提供合適條件以控制或調整化學穩定度。舉例來說，代表性的實施例中的緩衝劑(如單乙醇胺)可用於設定或限制所需pH值的偏離值。在另一代表性的實施例中，此處所述的水相或半水相系統可改善濕潤性或可溶性。在其他代表性的實施例中，此處所述的系統與方法可改善濕式清潔系統的回收，以供後續使用。在其他代表性實施例中，此處所述的系統與方法通常用於改善製作半導體裝置時的製程容忍度。此處所述之用以移除含碳或含氮的矽殘留物之濕式清潔系統與方法，可用於半導體裝置製程的任何所需間距(比如20nm、16nm、10nm、7nm、5nm、次5nm、或類似間距)。
如第6A與6B圖所示，沿著芯30’的側壁形成間隔物52。在一實施例中，間隔物52可包含氧化鈦。在另一實施例中，間隔物52為氮化鈦。在形成芯30’之後，形成間隔物層(未圖示)於芯30’與硬遮罩層28上。間隔物層與前述之間隔物層類似，不過這些間隔物層不必相同或類似。最後形成於半導體裝置層22中的結構厚度，取決於間隔物層的厚度選擇。
在形成間隔物層於芯30’上之後，可蝕刻間隔物層以露出芯30’並形成間隔物52。間隔物層的蝕刻製程可與前述間隔物層的蝕刻製程類似，不過兩種間隔物層的蝕刻製程不必相同或類似。在一實施例中，間隔物52具有寬度W6。在一實施例中，寬度W6屬於所須間距的級數，且相鄰的間隔物52之間的寬度W7亦屬於所需間距的級數。在一些實施例中，寬度W5、 W6、與W7可實質上相同。
形成第二組的間隔物52於第一組的間隔物42之圖案的側壁上，可達四重圖案化以縮小間距。上述間隔物42用於形成芯30’。舉例來說，可採用代表性製程如間距為128nm的微影及兩個厚16nm的間隔物層，以達間距為32nm的內連線。如此一來，本發明實施例的製程可採用193nm的浸潤式微影達到32nm的間距，其比新式方法如極紫外線微影或類似製程具有更低成本及更高產量。
在第7A圖中，已省略底層54與中間層56以簡化圖式。如第7A與7B圖所示，三層光阻60形成於間隔物52與芯30’上。三層光阻60可與三層光阻40實質上相同，且可包含較薄的頂光阻層58、中間層56(如背側抗反射塗層)、與底層54(如硬遮罩材料)。
舉例來說，頂光阻層58的圖案化方法可採用浸潤式微影系統，其包含電磁射線束(如氟化氪準分子雷射的248nm光束或氟化氬準分子雷射的193nm光束)以曝光頂光阻層58的部份，並顯影曝光/未曝光的部份(取決於採用的光阻為正型或負型)。如此一來，圖案(如第7A與7B圖所示的圖案)可形成於頂光阻層58中，比如頂光阻層58之中間部份內的開口。在一實施例中，頂光阻層58中的開口側壁可實質上對準間隔物52的側壁52A(見第6A與7A圖)。頂光阻層58的圖案用於遮罩芯30’的部份，因此後續蝕刻可移除芯30’的其他部份。第7A與7B圖所示的圖案僅用以舉例，且可依半導體裝置100的特殊設計形成不同圖案。
如第8A與8B圖所示，移除頂光阻層58的開口(見第7A與7B圖)中芯30’的露出部份。經由頂光阻層58可圖案化三層光阻60的中間層56與底層54，以露出芯30’其上表面的部份。在代表性的實施例中，可採用蝕刻製程氣體(如氧、二氧化碳、碳氫氟化合物、氬、氮、氫、類似物、上述之組合、或任何其他可移除芯30’的合適蝕刻劑)的乾蝕刻製程，圖案化露出的芯30’而不損傷間隔物52與硬遮罩層28。
在移除芯30’的部份後，保留間隔物52於硬遮罩層28的表面上。間隔物52各自具有寬度W6，且隔有寬度W5或W7。在代表性的實施例中，寬度W5、W6、與W7可實質上相同。在代表性的實施例中，寬度W5、W6、與W7可為約16nm，因此間隔物52的間距可為約32nm。
如第8A與8B圖所示，以間隔物52定義圖案的製程包含多個微影製程的組合。採用三層光阻40與間隔物42的微影步驟可形成線路圖案LA，如第1A至2B圖所示。採用三層光阻50與間隔物52的微影步驟可形成線路圖案LB，如第3A至4B圖所示。採用三層光阻60與間隔物52的微影步驟可形成線路圖案LC，如第7A至8B圖所示。
如第9圖所示，間隔物52可用於圖案化硬遮罩層28、硬遮罩層26、抗反射塗層24、與半導體裝置層22。在代表性的實施例中，可採用蝕刻製程氣體(如氧、二氧化碳、碳氫氟化合物、氬、氮、氫、類似物、或上述之組合)的乾蝕刻製程，或任何其他合適的蝕刻劑系統，以圖案化硬遮罩層28。接著可採用圖案化的硬遮罩層28作為圖案化硬遮罩層26的遮 罩。在代表性的實施例中，可採用蝕刻劑氣體如氯、氧、碳氫氟化合物、氮、氫、類似物、或上述之組合的蝕刻製程，以圖案化硬遮罩層26。
圖案化抗反射塗層24的製程，可採用圖案化的硬遮罩層28作為遮罩。抗反射塗層24的圖案化方法，可採用蝕刻劑如八氟環丁烷、氮、氧、氬、類似物、或上述之組合的蝕刻製程。圖案化的硬遮罩層28可用以將代表性的圖案，轉移至半導體裝置層22。舉例來說，可採用蝕刻製程搭配圖案化的硬遮罩層28，形成圖案化半導體裝置層22’。在一實施例中，圖案化半導體裝置層22’的上側部份具有多個溝槽62形成其中。接著可移除間隔物52、硬遮罩層26、與抗反射塗層24，如第9圖所示。導電材料可填入多個溝槽62，以形成多個導電線路(見第10圖)。
如第10圖所示，形成導電材料66於圖案化半導體裝置層22’上，以填入多個溝槽62。導電材料66可包含阻障層、晶種層、襯墊物、多個層狀物、或上述之組合。充填材料如銅、銅合金、鋁、鋁合金、類似物、或上述之組合形成於層狀物/襯墊物上的方法，可為電化學電鍍或其他沉積方法。化學機械研磨製程或蝕刻製程可用於移除圖案化半導體裝置層22’上的多餘導電材料66，以形成多個導電材料66的線路於圖案化半導體裝置層22’中，如第10圖所示。導電材料66的線路可設置為具有實質上相同的間距與空間，如第8A與8B圖所示的間隔物52。
藉由形成兩組寬度實質上相同的間隔物(比如間隔 物42與52)，可達四重圖案化以縮小間距。舉例來說，代表性的製程可適當地設置以採用間距為128nm的微影，搭配兩個厚16nm的間隔物層，以達間距為32nm的內連線。如此一來，代表性的實施例可採用193nm的浸潤式微影以達32nm的間距，其與較新式的微影方法如極紫外線微影或類似物相較，具有較低成本與較高產量。
第11A至15B圖係另一代表性的實施例中，圖案化半導體裝置200的中間階段之上視圖與剖視圖。半導體裝置200的圖案化方法與半導體裝置100的圖案化方法類似，除了半導體裝置200包含另一硬遮罩層31於芯層30及芯層32之間。額外的硬遮罩層31可讓硬遮罩層與芯層的材料具有額外選擇。
如第11A與11B圖所示，形成硬遮罩層26、28、與31以及芯層30與32於抗反射塗層24上。在代表性的實施例中，硬遮罩層26包含金屬硬遮罩層，而硬遮罩層28與31及芯層30與32包含介電硬遮罩層。在後續製程步驟中，採用多種光微影與蝕刻技術將圖案轉移至硬遮罩層26上。接著可採用硬遮罩層26作為蝕刻下方的抗反射塗層24與半導體裝置層22的圖案化遮罩，硬遮罩層26可包含遮罩材料如氮化鈦、氧化鈦、類似物、或上述之組合。硬遮罩層26的形成製程可為化學氣相沉積、物理氣相沉積、原子層沉積、類似製程、或上述之組合。在代表性的實施例中，硬遮罩層26的厚度可介於約100Å至約500Å之間。
硬遮罩層28可沉積於硬遮罩層26上。硬遮罩層28可作為用於硬遮罩層26的遮罩圖案。在後續製程步驟中，以多 個圖案圖案化硬遮罩層28，再將圖案化的硬遮罩層28之圖案轉移至硬遮罩層26。硬遮罩層28可包含遮罩材料，比如四乙氧基矽烷、碳氧化矽、類似物、或上述之組合。硬遮罩層28的形成製程可為化學氣相沉積、原子層沉積、類似製程、或上述之組合。在代表性的實施例中，硬遮罩層28的厚度可介於約100Å至約1000Å之間。芯層30形成於硬遮罩層28上。芯層30可為遮罩材料，比如非晶矽、金屬膜如氮氧化鋁、類似物、上述之組合、或可圖案化或選擇性移除的任何其他材料。芯層30的形成製程可為化學氣相沉積、原子層沉積、類似製程、或上述之組合。在代表性的實施例中，硬遮罩層30的厚度可介於約100Å至約1000Å之間。硬遮罩層31形成於芯層30上。硬遮罩層31的形成製程與材料可與前述的硬遮罩層28類似，不過硬遮罩層28與31不必相同或類似。芯層32形成於硬遮罩層31上。芯層32的形成製程與材料可與前述的芯層30類似，不過芯層30與32不必相同或類似。
如第12A與12B圖所示，圖案化芯層32以形成開口及芯32’於硬遮罩層31的表面上。第12A與12B圖所示的結構之製程，與前述第2A與2B圖所示的製程類似。在此不重述上述製程的細節以簡化說明。
如第13A與13B圖所示，形成三層光阻50於芯32’及硬遮罩層31上。用以形成第13A與13B圖所示的結構之製程，與前述第3A與3B圖所示的製程類似。在此不重述上述製程的細節以簡化說明。
如第14A與14B圖所示，移除頂光阻層48的開口(見 第13A與13B圖)中露出的芯32’。用以形成第14A與14B圖所示的結構之製程，與前述第4A與4B圖所示的製程類似。在此不重述上述製程的細節以簡化說明。
如第15A與15B圖所示，以間隔物42圖案化硬遮罩層31與芯層，以形成芯30’。間隔物42作為圖案化硬遮罩層31的遮罩，而圖案化的硬遮罩層31作為圖案化芯層30的遮罩。在代表性的實施例中，可採用蝕刻製程氣體(如氧、二氧化碳、碳氫氟化物、氬、氮、氫、類似物、或上述之組合)的乾蝕刻製程，或任何其他合適的蝕刻劑系統，以圖案化硬遮罩層31。用以形成第15A與15B圖中的結構之其餘製程步驟，與前述第5A與5B圖所示的製程類似。在此不重述上述製程的細節以簡化說明。
第15A與15B圖所示之半導體裝置200的中間結構，可進行後續製程如前述第6A至10圖所示的製程。在此不重述上述製程的細節以簡化說明。
在一實施例中，系統包括至少部份水相系統，其設置以移除含碳的矽殘留物與含氮的矽殘留物中至少一者，且至少部份水相系統包括羥基末端有機材料；第一二醇；以及氟離子予體材料。羥基末端有機材料可包含第一二醇、第二二醇、與醇中至少一者。醇可包含1-(2-羥基乙基)-2-吡咯烷酮、2-(羥基甲氧基)乙醇、與二乙二醇中至少一者，且第一二醇或第二二醇可包含乙二醇、丙二醇、與二乙二醇中至少一者。至少部份水相系統可包含約5wt%至約30wt%的羥基末端有機材料。第一二醇可包含二乙二醇。至少部份水相系統可包含約 2wt%至約5wt%的第一二醇。氟離子予體材料可包含氟化銨與氟化氫銨中至少一者。至少部份水相系統可包含約0.2wt%至約0.5wt%的氟離子予體材料。羥基末端有機材料可包含1-(2-羥基乙基)-2-吡咯烷酮、2-(羥基甲氧基)乙醇、與二乙二醇中至少一者。第一二醇可包含二乙二醇。氟離子予體材料可包含氟化銨與氟化氫銨。至少部份水相系統可包含約5wt%至約30wt%的羥基末端有機材料、約2wt%至約15wt%的第一二醇；約0.2wt%至約0.5wt%的氟離子予體材料；以及約54.5wt%至約92.8wt%的水。
在第16圖所示的另一實施例中，方法1600包含下述步驟：視情況進行的預處理步驟1610；蝕刻半導體裝置層的步驟1620，其中蝕刻產生含碳的矽殘留物與含氮的矽殘留物中至少一者；在步驟1620後進行步驟1630，以清潔系統清潔半導體裝置層以至少部份地移除含碳的矽殘留物與含氮的矽殘留物中至少一者，且清潔系統包含水、羥基末端有機材料、第一二醇、與氟離子予體材料；以及視情況進行後處理的步驟1640(比如定義間隔物後，以稀氫氟酸濕式清潔定義的間隔物)。進行蝕刻的電漿可包括二氧化碳、碳氫氟化合物、與氮氣中至少一者。羥基末端有機材料可包括1-(2-羥基乙基)-2-吡咯烷酮、2-(羥基甲氧基)乙醇、或二乙二醇。第一二醇可包括二乙二醇。第一二醇可包含羥基末端有機材料。氟離子予體材料可包含氟化銨與氟化氫銨。清潔系統可包括約5wt%至約30wt%的羥基末端有機材料(如1-(2-羥基乙基)-2-吡咯烷酮)；約2wt%至約15wt%的第一二醇(如乙二醇)；約0.2wt%至約0.5wt%的氟離子 予體材料；以及約54.5wt%至約92.8wt%的水。清潔步驟可包括至少部份地移除含碳的矽殘留物與含氮的矽殘留物中至少一者，且上述殘留物來自於含矽結構。清潔步驟對至少部份地移除之含碳的矽殘留物與含氮的矽殘留物，以及對形成含矽結構的材料之間可具有選擇性。清潔步驟對至少部份地移除之含碳的矽殘留物與含氮的矽殘留物，以及對非晶矽與氧化矽中至少一者之間具有選擇性。
在另一實施例中，方法包括下述步驟：以電漿乾蝕刻半導體結構，且半導體結構包括非晶矽與氧化矽中至少一者；電漿包括二氧化碳、碳氫氟化合物、與氮氣中至少一者，其中乾蝕刻製程產生含碳的矽殘留物與含氮的矽殘留物中至少一者；且在乾蝕刻半導體結構之後，以至少部份水相系統減少含碳的矽殘留物與含氮的矽殘留物中至少一者的濃度。至少部份水相系統包括：羥基末端有機材料、第一二醇、與氟離子予體材料。至少部份水相系統之組成可為約5wt%至約30wt%的羥基末端有機材料(如1-(2-羥基乙基)-2-吡咯烷酮或2-(羥基甲氧基)乙醇)；約2wt%至約15wt%的第一二醇(如1-(2-羥基乙基)-2-吡咯烷酮、2-(羥基甲氧基)乙醇、或二乙二醇)；約0.2wt%至約0.5wt%的氟化銨與氟化氫銨的組合；以及約54.5wt%至約92.8wt%的水。
在又一實施例中，在芯蝕刻後的第一濕式清潔之後，在蝕刻間隔物後可採用稀氫氟酸溶液(比如以去離子水稀釋至約1：2000)進行第二濕式清潔(如視情況進行後處理的步驟1640)。步驟1640可在約50℃的溫度下歷時約120秒。此外，代 表性的實施例在蝕刻間隔物並以稀氫氟酸進行第二濕式清潔後，其提供的四乙氧基矽烷凹陷/損失可小於約3nm。
在另一實施例中，用於形成半導體裝置的系統包含至少部份水相系統，其設置以移除含碳的矽殘留物與含氮的矽殘留物中至少一者。至少部份水相系統包含羥基末端有機材料與氟離子予體材料。至少部份水相系統更包含二醇或醇。
在一實施例中，用於形成半導體裝置的系統，包括：至少部份水相系統，設置以移除含碳的矽殘留物與含氮的矽殘留物中至少一者，且至少部份水相系統包括：羥基末端有機材料；以及氟離子予體材料。在一實施例中，上述系統的至少部份水相系統更包含二醇或醇。在一實施例中，上述系統的醇包括1-(2-羥基乙基)-2-吡咯烷酮，且二醇包括乙二醇、丙二醇、與二乙二醇中至少一者。在一實施例中，上述系統的至少部份水相系統包括約5wt%至約30wt%的羥基末端有機材料。在一實施例中，上述系統的二醇包括二乙二醇。在一實施例中，上述系統的至少部份水相系統包括約2wt%至約5wt%的二醇。在一實施例中，上述系統的氟離子予體材料包括氟化銨與氟化氫銨中至少一者。在一實施例中，上述系統的至少部份水相系統包括約0.2wt%至約0.5wt%的氟離子予體材料。在一實施例中，上述系統的羥基末端有機材料包括1-(2-羥基乙基)-2-吡咯烷酮；二醇包括二乙二醇；以及氟離子予體材料包括氟化銨與氟化氫銨。在一實施例中，上述系統的至少部份水相系統包括約5wt%至約30wt%的羥基末端有機材料；約2wt%至約15wt%的二醇；約0.2wt%至約0.5wt%的氟離子予體材料；以及約54.5wt% 至約92.8wt%的水。
在一實施例中，用於形成半導體裝置的方法包括：蝕刻半導體裝置層，其中蝕刻步驟產生含碳的矽殘留物與含氮的矽殘留物中至少一者；以及在蝕刻半導體裝置層之後，採用清潔系統清潔半導體裝置層以至少部份地移除含碳的矽殘留物與含氮的矽殘留物中至少一者，且清潔系統包括：水、羥基末端有機材料、二醇、與氟離子予體材料。在一實施例中，上述方法之蝕刻採用的電漿包含二氧化碳、碳氫氟化合物、與氮氣中至少一者。在一實施例中，上述方法之清潔步驟包括的羥基末端有機材料含有1-(2-羥基乙基)-2-吡咯烷酮，且二醇包含二乙二醇。在一實施例中，上述方法之清潔步驟包括的氟離子予體材料含有氟化銨與氟化氫銨。在一實施例中，上述方法之清潔步驟包括的清潔系統含有約5wt%至約30wt%的1-(2-羥基乙基)-2-吡咯烷酮、約2wt%至約15wt%的二乙二醇；約0.2wt%至約0.5wt%的氟離子予體材料；以及約54.5wt%至約92.8wt%的水。在一實施例中，上述方法的清潔步驟包括至少部份地移除含碳的矽殘留物與含氮的矽殘留物中至少一者，且上述殘留物來自含矽結構。在一些實施例中，上述方法之清潔步驟對至少部份地移除之含碳的矽殘留物與含氮的矽殘留物，以及對形成含矽結構的材料之間具有選擇性。在一些實施例中，上述方法之清潔步驟對至少部份地移除之含碳的矽殘留物與含氮的矽殘留物，以及對非晶矽與氧化矽中至少一者之間具有選擇性。
在一實施例中，用於形成半導體裝置的方法包 括：以電漿乾蝕刻半導體結構，半導體結構包括非晶矽與氧化矽中至少一者，且電漿包括二氧化碳、碳氫氟化合物、與氮氣中至少一者，其中乾蝕刻產生含碳的矽材與含氮的矽材中至少一者；以及在乾蝕刻半導體結構之後，以至少部份水相系統降低含碳的矽材與含氮的矽材中至少一者的濃度，且部份水相系統包括：羥基末端有機材料、二醇、與氟離子予體材料。在一實施例中，上述方法降低含碳的矽材與含氮的矽材中至少一者的濃度之部份水相系統之組成為：約5wt%至約30wt%的1-(2-羥基乙基)-2-吡咯烷酮；約2wt%至約15wt%的二乙二醇；約0.2wt%至約0.5wt%的氟化銨與氟化氫銨的組合物；以及約54.5wt%至約92.8wt%的水。
空間性的相對用語如「下方」、「其下」、「較下方」、「上方」、「較上方」、或類似用語可用於簡化說明某一元件與另一元件在圖示中的相對關係。空間性的相對用語可延伸至以其他方向使用之元件，而非侷限於圖示方向。元件亦可轉動90°或其他角度，因此方向性用語僅用以說明圖示中的方向。
此處所述的用語「包括」、「包括著」、「包含」、「包含著」、「具有」、「擁有」或其任何上下文變形都以非排他的方式包括。舉例來說，包括所列單元的製程、產品、物件、或設備不必僅限於這些單元，而可包括未明確列出或這些製程、產品、物件、或設備本身固有的其他單元。此外，除非明確地描述為相反，否則「或」是指包括的或而不是排他的或。除非另外明確說明，否則此處所述的用語「或」通常表示「及 /或」。舉例來說，條件A或B滿足以下任何一者：A為真(或存在)且B為假(或不存在)、A為假(或不存在)且B為真(或存在)、以及A和B都為真(或存在)。除非上下文以其他方式明確地指出，否則如此處所述的用語「一」或「一個」(及以「一」或「一」為前置基礎的「上述」)同時包括單個或多個。
應理解的是，圖示的一或多個單元亦可採用更分離或更密集的方式實現，甚至在特定應用與實施例中移除單元或使單元不可操作。此外除了特別說明，圖式中的任何箭頭只應視作代表性的而非限制性的。
此處提供的例子或說明，無論如何都不應侷限、限制、或限定於相關用語所定義的範圍。而且，這些例子或說明應視作特定實施例的描述，且僅用於舉例說明。本技術領域中具有通常知識者應理解，任何用語或這些例子或說明所用的用語，將包含由說明書其他處所得或未得的其他實施例，且這些實施例都包括在用語的範圍內。這些非限制性例子和說明的語言包括但不限於「舉例來說」、「例如」、「如」、「等等」、「或類似物」、「在代表性的實施例中」、「在一實施例中」、「在另一實施例中」、或「在一些實施例中」。整篇說明書中提及「一個實施例」、「一實施例」、「代表性的實施例」、「特別實施例」、「特定的實施例」、或上下文中類似的用語，表示實施例所描述的特別特徵、結構、或特性可包括在本發明的至少一實施例中，但不必存在於所有實施例中。因此整篇說明書多處出現的句子如「在一個實施例中」、「在一實施例中」、「在特定實施例中」、或類似句子，不需為相同實施例。此外， 任何特定實施例的特定特徵、結構、性質、或特性可經由任何合適的方式與一或多個實施例結合。
代表性實施例已描述了益處、其他優點、與問題的解決方案。然而益處、優點、問題的解決方案，或可達上述益處、優點、或解決方案的任何構件，都不應解釋成關鍵的、必需的、或必要的結構或構件。
雖然詳細描述實施例及其優點，但應理解在不背離申請專利範圍定義的內容其精神與範圍的情況下，對本發明可作出各種變化、取代、與修改。此外，本發明範疇並不限於本發明所述之任何特定製程、機器、製作的物件、材料組成、方式、方法、與步驟的特定實施例。本技術領域中具有通常知識者自本發明可輕易理解，依據本發明可利用現有的或之後開發的多種工藝、機器、製作的物件、材料組成、方式、方法、或步驟，以實施與對應實施例實質上相同的功能或達到與對應實施例實質上類似的結果。綜上所述，申請專利範圍旨在包含這些製程、機器、製作的物件、材料組成、方式、方法、或步驟。
Claims (1)
- 一種用於形成半導體裝置的系統，包括：一至少部份水相系統，設置以移除含碳的矽殘留物與含氮的矽殘留物中至少一者，且該至少部份水相系統包括：一羥基末端有機材料；以及一氟離子予體材料。
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