TW201915609A - 半導體結構的形成方法 - Google Patents
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Abstract
提供半導體結構的形成方法。此方法包括在基底之上形成材料層以及在材料層之上形成光阻層。光阻層包括無機材料及輔助劑。無機材料包括多個金屬核及多個第一聯結劑，第一聯結劑鍵結至金屬核。此方法包括曝光光阻層的一部分。光阻層包括曝光區域及未曝光區域。在曝光區域中，輔助劑與第一聯結劑反應。此方法亦包括使用顯影劑移除光阻層的未曝光區域以形成圖案化光阻層。顯影劑包括酮基溶劑，其具有式(a)，其中R1是直鏈或支鏈C1-C5烷基，而R2是直鏈或支鏈C3-C9烷基。
Description
本發明實施例是關於半導體結構的形成方法，特別是有關於使用酮基溶劑的半導體結構的形成方法。
半導體裝置被使用於多種電子應用中，例如個人電腦、手機、數位相機、和其他電子設備。一般而言，經由在半導體基底之上依序沉積絕緣或介電層、導電層、和半導體材料層，及使用微影技術(lithography)圖案化多種材料層以形成電路組件及元件於其上，而製造半導體裝置。通常將多個積體電路製作在單個半導體晶圓上，而沿切割道在積體電路之間切割以將晶圓上的個別晶片分離。這些個別晶片通常分開封裝在例如是多晶片模組中，或者在其他類型的封裝結構中。
然而，這些進展增加了處理與製作積體電路的複雜性。由於部件特徵尺寸(feature size)持續縮減，製造流程持續變得更難以進行。因此，以越來越小尺寸形成可靠的半導體裝置成為挑戰。
本發明的一些實施例提供半導體結構的形成方 法，此方法包含在基底之上形成材料層；在材料層之上形成光阻層，其中光阻層包含無機材料及輔助劑，無機材料包含多個金屬核及多個第一聯結劑，第一聯結劑鍵結至金屬核；曝光光阻層的一部分，其中光阻層包含曝光區域及未曝光區域，在曝光區域中，輔助劑與第一聯結劑反應；以及使用顯影劑移除光阻層的未曝光區域以形成圖案化光阻層，其中顯影劑包含酮基溶劑，其具有式(a)： ，其中R1是直鏈或支鏈C1-C5烷基，而R2 是直鏈或支鏈C3-C9烷基。
本發明的一些實施例提供半導體結構的形成方法，此方法包含在基底之上形成材料層；在材料層之上形成底層；在底層之上形成中間層；在中間層之上形成光阻層，其中光阻層包含無機材料，無機材料具有多個金屬核及多個第一聯結劑，第一聯結劑鍵結至金屬核；在光阻層下方或上方形成修飾層，其中修飾層包含輔助劑；進行曝光製程以曝光光阻層的一部分，其中在曝光製程期間，輔助劑與第一聯結劑反應；以及使用酮基溶劑對光阻層顯影以形成圖案化光阻層，酮基溶劑具有式(a)： ，其中R1是直鏈或支鏈C1-C2烷基，而R2 是直鏈或支鏈C4-C9烷基。
本發明的一些實施例提供半導體結構的形成方法，此方法包含在基底之上形成材料層；在材料層之上形成底層；在底層之上形成中間層；在中間層之上形成光阻層，其中光阻層包含無機材料和輔助劑，無機材料包含多個第一聯結劑鍵結至多個金屬核，且輔助劑包含多個第二聯結劑；進行曝光製程以曝光光阻層的一部分，其中在曝光製程期間，第二聯結劑與第一聯結劑反應；使用酮基溶劑移除光阻層的一部份以形成圖案化光阻層，其中酮基溶劑包含3-庚酮、2-辛酮、或5-甲基-2-己酮；使用圖案化光阻層作為遮罩來移除中間層的一部份以形成圖案化中間層；以及使用圖案化中間層作為遮罩來移除底層的一部份以形成圖案化底層。
10‧‧‧光罩
12‧‧‧無機材料
14‧‧‧輔助劑
16‧‧‧化合物
102‧‧‧基底
104‧‧‧材料層
104a‧‧‧圖案化材料層
105‧‧‧摻雜區
106‧‧‧底層
106a‧‧‧圖案化底層
108‧‧‧中間層
108a‧‧‧圖案化中間層
109‧‧‧修飾層
109a‧‧‧圖案化修飾層
110‧‧‧光阻層
110a‧‧‧圖案化光阻層
120‧‧‧三層結構光阻層
122‧‧‧金屬核
124、L1‧‧‧第一聯結劑
172‧‧‧曝光製程
L2‧‧‧第二聯結劑
L3‧‧‧第三聯結劑
P1‧‧‧第一節距
T1‧‧‧第一厚度
T2‧‧‧第二厚度
藉由以下的詳細描述配合所附圖式，可以更加理解本發明實施例的內容。需強調的是，根據產業上的標準慣例，許多部件(feature)並未按照比例繪製。事實上，為了能清楚地討論，各種部件的尺寸可能被任意地增加或減少。
第1A~1D圖是根據本發明一些實施例，形成半導體結構的多個階段的剖面示意圖。
第2A圖是根據一些實施例，進行曝光製程之前的光阻層的化學結構的示意圖。
第2B圖是根據一些實施例，進行曝光製程之後的光阻層的化學結構的示意圖。
第3A~3D圖是根據本發明一些實施例，形成半導體結構 的多個階段的剖面示意圖。
第4A~4E圖是根據本發明一些實施例，形成半導體結構的多個階段的剖面示意圖。
第5A~5G圖是根據本發明一些實施例，形成半導體結構的多個階段的剖面示意圖。
第6A~6F圖是根據本發明一些實施例，形成半導體結構的多個階段的剖面示意圖。
第7A~7D圖是根據本發明一些實施例，形成半導體結構的多個階段的剖面示意圖。
以下內容提供了很多不同的實施例或範例，用於實施本發明實施例的不同部件。組件和配置的具體範例描述如下，以簡化本發明實施例。當然，這些僅僅是範例，並非用以限定本發明實施例。舉例來說，敘述中若提及第一部件形成於第二部件上或之上，可能包含第一和第二部件直接接觸的實施例，也可能包含額外的部件形成於第一和第二部件之間，使得第一和第二部件不直接接觸的實施例。另外，本發明實施例可能在許多範例中重複元件符號及/或字母。這些重複是為了簡化和清楚的目的，其本身並非代表所討論各種實施例及/或配置之間有特定的關係。
以下敘述實施例的一些變化。在各種論點和例示性實施例中，類似的元件符號用於標示類似的元件。應理解的是，可提供額外的操作步驟在本文所述的方法之前、之間、和之後，且在本文所述的方法的一些其他實施例中，可 以將一些操作步驟取代或消除。
本發明所述的先進微影製程、方法和材料可以使用於許多應用，包括鰭式場效電晶體(fin field effect transistor，FinFET)。舉例而言，可以將鰭片圖案化以在部件之間形成相對靠近的間距，而本發明上述的內容適用於此。此外，根據本發明上述內容，可以處理用於形成鰭式場效電晶體的鰭片的間隔物。
以下提供半導體結構及其形成方法的實施例。第1A~1D圖是根據本發明一些實施例，形成半導體結構的多個階段的剖面示意圖。本文所述的方法可以使用於許多應用，例如是鰭式場效電晶體(FinFET)裝置結構。
請參照第1A圖，提供基底102。基底102可以是由矽或另外的半導體材料製成。一些實施例中，基底102是晶圓。替代性地或額外地，基底102可包括其他元素半導體材料，例如是鍺(Ge)。一些實施例中，基底102是由化合物半導體或合金半導體製成，例如是碳化矽、砷化鎵、砷化銦、或磷化銦、矽鍺、碳化矽鍺、磷化鎵砷、或磷化鎵銦。一些實施例中，基底102包括磊晶層。舉例而言，基底102具有上覆在主體半導體上的磊晶層。
在基底102之上可以形成一些裝置元件。這些裝置元件包括電晶體(例如，金氧半場效電晶體(MOSFET)、互補式金氧半(CMOS)電晶體、雙極性接面電晶體(BJT)、高壓電晶體、高頻電晶體、p型通道及/或n型通道場效電晶體(PFETs/NFETs)等)、二極體、及/或其他適用的元件。可以進 行多種製程用以形成裝置元件，例如沉積、蝕刻、佈植、光微影(photolithography)、回火(annealing)、及/或其他適用的製程。
基底102可包括多種摻雜區，例如p型井或n型井。摻雜區可以摻雜p型摻雜物及/或n型摻雜物，p型摻雜物例如是硼或BF2，n型摻雜物例如是磷(P)或砷(As)。一些其他實施例中，摻雜區可以直接形成在基底102上。
基底102亦包括隔離結構(未顯示)。隔離結構用來定義並電性隔離形成在基底102中及/或基底102之上的多種裝置。一些實施例中，隔離結構包括淺溝槽隔離(STI)結構、矽局部氧化(LOCOS)結構、或另外適合的隔離結構。一些實施例中，隔離結構包括氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、氟化矽酸鹽玻璃(fluorinated silicate glass，FSG)、或另外適合的材料。
之後，根據本發明一些實施例，在基底102之上形成材料層104，且在材料層104之上形成光阻層110。一些實施例中，材料層104或光阻層110是獨立地經由沉積製程而形成，例如旋轉塗佈(spin-on coating)製程、化學氣相沉積製程(chemical vapor deposition，CVD)、物理氣相沉積(physical vapor deposition，PVD)製程、及/或其他適合的沉積製程。
接著，如第1B圖所示，根據本發明一些實施例，透過光阻層110上的光罩10，在光阻層110上進行曝光製程172以形成曝光區域和未曝光區域。
曝光製程172的照射可包括氟化氪(KrF)準分子雷 射器(excimer laser)發出的248奈米射束、氟化氬(ArF)準分子雷射器發出的193奈米射束、氟氣(F2)準分子雷射器發出的157奈米射束、或極紫外(extreme ultra-violet，EUV)光，例如是具有波長為約13.5奈米的極紫外(EUV)光。
曝光製程172之後，進行曝光後烘烤(post-exposure-baking，PEB)製程。一些實施例中，曝光後烘烤(PEB)製程包括使用微波或紅外光燈加熱製程。一些實施例中，曝光後烘烤(PEB)製程是在約70℃至約250℃的溫度範圍內進行。一些實施例中，曝光後烘烤(PEB)製程的進行時間是在約20秒至約240秒的範圍內。應注意的是，由於微波或紅外光燈加熱製程可均勻地提供熱，因而藉由使用微波或紅外光燈加熱製程在特定溫度下均勻地烘烤光阻層110。光阻層110中的化學反應可以經由均勻地提供熱而快速反應。由此，則烘烤製程的加熱時間可以減少至低於30秒。
第2A圖是根據一些實施例，進行曝光製程172之前的光阻層110的化學結構的示意圖。
一些實施例中，光阻層110包括無機材料12和輔助劑14、及溶劑。無機材料12和輔助劑14均勻地分布在溶劑中。無機材料12包括多個金屬核122和多個第一聯結劑L1 124，第一聯結劑L1 124鍵結至金屬核122。一些實施例中，第一聯結劑L1 124化學鍵結至金屬核122。化學鍵的化學鍵結可以是單鍵或共軛鍵。輔助劑14可包括光酸起始劑(photoacid generator，PAG)、消光劑(quencher，Q)、交聯劑、光鹼起始劑(photo base generator，PBG)、或上述的任意組合。一些實 施例中，輔助劑14相對於溶劑的重量比例在約0.1wt%至約10wt%的範圍內。如果輔助劑14相對於溶劑的重量比例小於0.1wt%，可能不會增加無機材料12和輔助劑14之間的交聯反應的反應速率。如果輔助劑14相對於溶劑的重量比例大於10wt%，可能會發生其他不需要的化學反應。舉例而言，如果輔助劑14的量太多，無機材料12的熔點可能會下降。一旦無機材料12的熔點下降，無機材料12相對於烘烤溫度的耐熱性將會下降，而光阻層110的效能將會退化。
一些實施例中，金屬核112由金屬所製成，例如是錫(Sn)、銦(In)、銻(Sb)、或另外適合的材料。一些實施例中，第一聯結劑124包括脂肪族或芳香族基，可以是無支鏈或支鏈、環狀或非環狀的飽和的具有氫或氧或鹵素(例如，烷基、烯烴、苯)的具有1~9個碳(C1-C9)的單元。一些實施例中，第一聯結劑124用來提供照射敏感度。一些實施例中，第一聯結劑124具有一個羥基(-OH)，第二聯結劑L2具有一個羥基(-OH)，這兩個羥基彼此反應而進行水解反應。一些其他實施例中，第一聯結劑L1 124具有一個碳-碳雙鍵(烯烴)或碳-碳三鍵(炔烴)，而第二聯結劑L2與第一聯結劑L1 124反應而進行加成反應。一些其他實施例中，第一聯結劑L1 124具有羰基(C=O)或亞胺基(C=N)，而第二聯結劑L2與第一聯結劑L1 124反應而進行加成反應。
一些實施例中，輔助劑14包括第二聯結劑L2和第三聯結劑L3，可以和金屬核122上的第一聯結劑124反應。經由輔助劑14的幫助，金屬核122的其中一者鍵結至另一個金屬 核122以形成化合物16，化合物16具有的尺寸大於各個金屬核122的尺寸。
一些特定實施例中，溶劑包括丙二醇甲醚乙酸酯(PGMEA)、丙二醇單甲醚(PGME)、1-乙氧基-2-丙醇(PGEE)、γ-丁內酯(GBL)、環己酮(CHN)、乳酸乙酯(EL)、甲醇、乙醇、丙醇、正丁醇、丙酮、二甲基甲醯胺(DMF)、異丙醇(IPA)、四氫呋喃(THF)、甲基異丁基甲醇(MIBC)、乙酸正丁酯(nBA)、2-庚酮(MAK)、或上述的任意組合。
一些實施例中，光酸起始劑(PAG)包括陽離子和陰離子。一些實施例中，陽離子包括式(I)或(II)。一些實施例中，陰離子包括式(III)、(IV)、(V)、(VI)、(VII)、(VIII)、(IX)、(X)、(XI)或(XII)。
一些實施例中，消光劑(Q)包括式(XIII)、(XIV)、(XV)、(XVI)、(XVII)、(XVIII)、(XIX)、(XX)或(XXI)。
一些實施例中，交聯劑包括式(XXII)、(XXIII)、(XXIV)、(XXV)、(XXVI)、(XXVII)、(XXVIII)、(XXIX)或(XXX)。
一些實施例中，光鹼起始劑(PBG)包括式(XXXI)、(XXXII)、(XXXIII)、(XXXIV)、(XXXV)、(XXXVI)、(XXXVII)、(XXXVIII)、或(XXXIX)、(XL)、(XLI)或(XLII)。
第2B圖是根據一些實施例，進行曝光製程172之後的光阻層110的化學結構的示意圖。需注意的是，在曝光製程172之後，輔助劑14用於幫助相鄰的金屬核122之間的交聯反應。更具體而言，輔助劑14的第二聯結劑L2和第三聯結劑L3與金屬核122上的第一聯結劑124反應，以在無機材料12和輔助劑14之間形成化學鍵。化學鍵的化學鍵結可以是單鍵或 共軛鍵。更具體而言，化學鍵是形成在輔助劑14的第二聯結劑L2與第一聯結劑L1 124之間，以及在輔助劑14的第三聯結劑L3與第一聯結劑L1 124之間。
在曝光製程172期間，鍵結至不同的金屬核122上的相鄰的第一聯結劑L1可以藉由進行交聯反應而與彼此反應。具有金屬核122和第一聯結劑L1 124的無機材料12是用來增進曝光製程172的照射吸收性。舉例而言，銦(In)或錫(Sn)基無機材料對193奈米波長的遠紫外光和13.5奈米波長的極紫外光具有良好的吸收性。進行曝光製程172之前，相鄰的第一鏈結劑L1之間存在一個距離。為了增加交聯反應的反應速率，將輔助劑14加入至光阻層110中。輔助劑14可以縮短相鄰的金屬核122之間的距離，因而基於輔助劑14的第二聯結劑L2和第三聯結劑L3的幫助，位在第一個金屬核122上的第一聯結劑L1 124的其中一者可以和位在第二個金屬核122上的第一聯結劑L1 124的其中一者反應。需注意的是，藉由添加輔助劑14而改善了相鄰的金屬核122之間的交聯反應。
在一比較例中，光阻層110包括無機材料12和溶劑，但並不包括本文前述的輔助劑14。比較例中，相鄰的金屬核122之間的交聯反應具有第一反應速率。一些實施例中，光阻層110包括前述的無機材料12和輔助劑14、及前述的溶劑，相鄰的金屬核122之間的交聯反應具有第二反應速率。藉由添加輔助劑14而使得金屬核122的其中一者鍵結至另一者。藉由輔助劑14的幫助，相鄰的金屬核122之間的交聯反應的反應速率獲得提升。由於輔助劑14的幫助，第二反應速率大於 第一反應速率。
接著，如第1C圖所示，根據本發明一些實施例，藉由進行顯影製程而將光阻層110顯影以形成圖案化光阻層110a。化合物16形成在光阻層110中。化合物16是經由將無機材料12和輔助劑14進行反應而形成。一部分的金屬核122與輔助劑14反應，但另一部分的金屬核122則存留在光阻層110中。換言之，化合物16是通過第一聯結劑L1、第二聯結劑L2和第三聯結劑L3而由無機材料12和輔助劑14所形成。
顯影製程有兩種：正型顯影(positive tone development，PTD)製程和負型顯影(negative tone development，NTD)製程。正型顯影(PTD)製程使用正型顯影劑，這通常指將光阻層的曝光部分選擇性地溶解並移除的顯影劑。負型顯影(NTD)製程使用負型顯影劑，這通常指將光阻層110的未曝光部分選擇性地溶解並移除的顯影劑。一些實施例中，正型顯影(PTD)製程顯影劑是水性鹼性顯影劑，例如是氫氧化四烷銨(tetraalkylammonium hydroxide，TMAH)。
一些實施例中，負型顯影(NTD)製程顯影劑包括酮基溶劑，具有的碳原子的總數是在5至15的範圍內。一些實施例中，酮基溶劑具有式(a)：
其中R1是直鏈或支鏈C1-C5烷基，而R2是直鏈或支鏈C3-C9 烷基。
一些實施例中，酮基溶劑不包括2-庚酮。一些實施例中，酮基溶劑不是2-庚酮。
根據本發明一些實施例，表1~6呈現顯影劑的一些實施例。如表1所示，酮基溶劑具有式(a)，其中R1是CH3，R2是直鏈或支鏈C4-C9烷基。一些實施例中，酮基溶劑具有式(a)，其中R1是CH3，R2是支鏈C5烷基。舉例而言，酮基溶劑是5-甲基-2-己酮。一些實施例中，酮基溶劑具有式(a)，其中R1是CH3，R2是直鏈C6烷基。舉例而言，酮基溶劑是2-辛酮。
如表2所示，酮基溶劑具有式(a)，其中R1是C2H5，R2是直鏈或支鏈C4-C8烷基。一些實施例中，酮基溶劑具有式(a)，其中R1是C2H5，R2是直鏈C4烷基。舉例而言，酮基溶劑是3-庚酮。
如表3所示，酮基溶劑具有式(a)，其中R1是直鏈C3H7，R2是直鏈或支鏈C3-C7烷基。
如表4所示，酮基溶劑具有式(a)，其中R1是支鏈C3H7，R2是直鏈C4-C6烷基。
如表5所示，酮基溶劑具有式(a)，其中R1是支鏈C4H9，R2是支鏈C4-C6烷基。
如表6所示，酮基溶劑具有式(a)，其中R1是支鏈C5H11，R2是直鏈C4-C5烷基。
如第1C圖所示，一些實施例中，進行負型顯影(NTD)製程，光阻層110的曝光區域存留下來，而光阻層110的 未曝光區域被酮基溶劑所移除。光阻層110的曝光區域在進行曝光製程172之後變得更加親水性，因而酮基溶劑用來移除光阻層110的未曝光區域。更進一步，由於與無機材料相比，化合物16具有較大的平均分子量，化合物16便無法輕易地被有機溶劑所溶解。因此，在光阻層110的未曝光區域被移除時，光阻層110的曝光區域仍存留。
圖案化光阻層110a的臨界尺寸(critical dimension,CD)是由負型顯影(NTD)製程的顯影劑以及曝光製程的照射能量所決定。照射劑量是用來誘發無機材料12和輔助劑14之間的交聯反應。高照射劑量將會造成高度交聯反應。因此，為了得到圖案化光阻層110a的較大臨界尺寸(CD)，應提高照射劑量。然而，較高的照射劑量可能導致較高的成本。為了降低曝光製程的成本，本發明的光阻層110的未曝光區域是經由使用較疏水性的酮基溶劑所移除。曝光區域中的化合物16變得親水性而不易被疏水性的酮基溶劑所移除。因此，可以經由使用疏水性的酮基溶劑而增大光阻層110的曝光區域的臨界尺寸(CD)。
在一比較例中，酮類溶劑是2-庚酮。相較於比較例的2-庚酮，如本發明的表1~6所述的酮基溶劑較為疏水性。因此，光阻層110的曝光區域不會因為使用疏水性酮基溶劑而被移除。本發明提供了簡單的方法，不需要增加曝光製程的照射劑量而可得到圖案化光阻層110a的較大臨界尺寸(CD)。一些實施例中，照射劑量減少約5%至約10%。
一些實施例中，顯影劑更包括水(H2O)，且水相 對於顯影劑的比例是在約0.01wt%至約3wt%的範圍內。水是用來作為無機材料12和輔助劑14之間的交聯反應的催化劑。如果交聯反應在曝光製程的期間並未進行完全，則在顯影製程中添加在顯影劑中的水可以有助於交聯反應。需注意的是，水的量並不太多，因此顯影劑的極性並未明顯地被水所影響。
一些實施例中，顯影劑更包括界面活性劑。界面活性劑是用來增加溶解度以及降低材料層104上的表面張力。一些實施例中，界面活性劑相對於顯影劑的比例是在約0.01wt%至約1wt%的範圍內。一些實施例中，界面活性劑包括以下式(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、或(g)，n表示整數。在式(b)、(c)、(d)和(e)中，R是氫或直鏈C1-C20烷基。在式(f)和(g)中，R1是氫或直鏈C1-C20烷基，R2是氫或直鏈C1-C20烷基，PO表示-CH2-CH2-O-，EO表示-CH3-CH-CH2-O-。
一些實施例中，使用酮基顯影劑移除光阻層的非曝光區域的步驟是在約15℃至約25℃的溫度範圍內操作。顯影劑的溫度在上述範圍內的優點是降低光阻層的溶解度，因而光阻層的曝光區域可以存留更多下來。
光阻層110的曝光區域具有多個突出結構。一些實施例中，第一個突出結構的右側壁表面和第二個突出結構的右側壁表面之間的距離具有第一節距P1。一些實施例中，第一節距P1是在約10奈米至約40奈米的範圍內。
之後，如第1D圖所示，使用圖案化光阻層110作為遮罩進行蝕刻製程來移除材料層104的一部分。由此，則得到圖案化材料層104a。
蝕刻製程包括多個蝕刻操作。蝕刻製程可以是乾式蝕刻製程或濕式蝕刻製程。之後，移除圖案化光阻層110a。一些實施例中，圖案化光阻層110a是由包括鹼性溶液的濕式蝕刻製程來移除，且鹼性溶液是氫氧化四烷銨(TMAH)。一些實施例中，圖案化光阻層110a是由包括HF溶液的濕式蝕刻製程來移除。
光阻層110中的輔助劑14是用來在曝光製程172期間增進光阻層110的吸收能量。在輔助劑14的幫助下，曝光製程172的照射能量可以降低到約3毫焦耳(mJ)至20毫焦耳。更進一步，光阻層110的線寬粗糙度(line width roughness，LWR)改善約3%至40%。此外，臨界尺寸均勻度(critical dimension uniformity，CDU)也改善約3%至40%。因此，改善了顯影解析度。
更進一步，使用疏水性酮基溶劑移除了光阻層110的未曝光區域，但並未移除光阻層110的曝光區域。由於酮基溶劑的使用，降低了極紫外光照射的劑量。由此，則無須增加曝光製程的照射劑量而可得到圖案化光阻層110a的較大臨界尺寸。因此改進了形成半導體裝置結構的產能。
第3A~3D圖是根據本發明一些實施例，形成半導體結構的多個階段的剖面示意圖。本文所述的方法可以使用於許多應用，例如是鰭式場效電晶體(FinFET)裝置結構。用於形成如第3A~3D圖所示的半導體裝置結構的一些製程步驟和材料，與用於形成如第1A~1D圖所示的半導體裝置結構的一些製程步驟和材料相似或相同，在此便不再重複敘述。
如第3A圖所示，在材料層104之上形成修飾層109，並在修飾層109上形成光阻層110。修飾層109包括輔助劑14。輔助劑14可包括光酸起始劑(PAG)、消光劑(Q)、交聯劑、或光鹼起始劑(PBG)。輔助劑14的材料已於本文前述，此處為了簡潔而省略不重述。光阻層110包括無機材料12和溶劑。無機材料12均勻地分布在溶劑中。無機材料12包括多個金屬核122和多個第一聯結劑L1 124，第一聯結劑L1 124鍵結至金屬核122。
光阻層110具有第一厚度T1，修飾層109具有第二厚度T2。一些實施例中，第一厚度T1大於第二厚度T2。一些實施例中，第一厚度T1相對於第二厚度T2的比例是在約5%至約20%的範圍內。
之後，如第3B圖所示，根據本發明一些實施例， 透過光阻層110上的光罩10，在光阻層110上進行曝光製程172以形成曝光區域和未曝光區域。
曝光製程172之後，輔助劑14的第二聯結劑L2和第三聯結劑L3與金屬核122上的第一聯結劑L1 124反應，而在無機材料12和輔助劑14之間形成多個化學鍵。在輔助劑14的幫助下，加速了相鄰的金屬核122之間的化學反應。在光阻層110中形成了化合物16，化合物16的尺寸大於金屬核122的其中一者的尺寸。更具體而言，與金屬核122和第一聯結劑L1 124相比，化合物16具有較大的平均分子量。
接著，如第3C圖所示，根據本發明一些實施例，經由進行顯影製程對光阻層110和修飾層109顯影，以形成圖案化光阻層110a和圖案化修飾層109a。一些實施例中，光阻層110和修飾層109的顯影是同時進行。一些實施例中，先對光阻層110圖案化，之後再對修飾層109圖案化。一些實施例中，和無機材料12相比，化合物16位於更靠近修飾層109和光阻層110之間的界面處。
一些實施例中，進行負型顯影(NTD)製程，光阻層110的曝光區域存留，而光阻層110的未曝光區域被顯影劑移除。進行曝光製程172後，光阻層110的曝光區域將會變得更加親水性，而因此使用有機溶劑來移除光阻層110的未曝光區域。
一些實施例中，負型顯影(NTD)製程顯影劑包括酮基溶劑，具有的碳原子的總數是在5至15的範圍內。一些實施例中，酮基溶劑具有式(a)：
其中R1是直鏈或支鏈C1-C5烷基，R2是直鏈或支鏈C3-C9烷基。酮基溶劑的詳細實施例如表1~6所述。一些實施例中，顯影劑包括3-庚酮、2-辛酮、5-甲基-2-己酮、或上述的任意組合。
然後，如第3D圖所示，使用圖案化光阻層110a和圖案化修飾層109a作為遮罩進行蝕刻製程，以移除材料層104的一部分。由此，則形成圖案化材料層104a。之後，移除圖案化光阻層110a。
第4A~4E圖是根據本發明一些實施例，形成半導體結構的多個階段的剖面示意圖。本文所述的方法可以使用於許多應用，例如是鰭式場效電晶體(FinFET)裝置結構。用於形成如第4A~4E圖所示的半導體裝置結構的一些製程步驟和材料，與用於形成如第1A~1D圖所示的半導體裝置結構的一些製程步驟和材料相似或相同，在此便不再重複敘述。
如第4A圖所示，在光阻層110之上形成修飾層109。修飾層109包括輔助劑14。輔助劑14可包括光酸起始劑(PAG)、消光劑(Q)、交聯劑、或光鹼起始劑(PBG)。輔助劑14的材料已於本文前述，此處為了簡潔而省略不重述。光阻層110包括無機材料12和溶劑。無機材料12均勻地分布在溶劑中。無機材料12包括多個金屬核122和多個第一聯結劑L1 124，第一聯結劑L1 124鍵結至金屬核122。
之後，如第4B圖所示，根據本發明一些實施例，透過修飾層109上的光罩10，在修飾層109和光阻層110上進行曝光製程172。
曝光製程172之後，修飾層109中的輔助劑14的第二聯結劑L2和第三聯結劑L3與光阻層110中的金屬核122上的第一聯結劑124反應，而在無機材料12和輔助劑14之間形成多個化學鍵。
接著，如第4C圖所示，根據本發明一些實施例，經由進行顯影製程對修飾層109顯影，以形成圖案化修飾層109a。此外，也移除光阻層110的一部分。一些實施例中，進行負型顯影(NTD)製程，修飾層109的曝光區域存留，而修飾層109的未曝光區域被酮基溶劑移除。酮基溶劑的詳細實施例如表1~6所述。一些實施例中，顯影劑包括3-庚酮、2-辛酮、5-甲基-2-己酮、或上述的任意組合。
然後，如第4D圖所示，根據本發明一些實施例，經由進行顯影製程對光阻層110顯影，以形成圖案化光阻層110a。和金屬核122相比，化合物16位於更靠近修飾層109和光阻層110之間的界面處。
接著，如第4E圖所示，使用圖案化光阻層110a和圖案化修飾層109a作為遮罩進行蝕刻製程，以移除材料層104的一部分。由此，則形成圖案化材料層104a。之後，移除圖案化光阻層110a和圖案化修飾層109a。
第5A~5G圖是根據本發明一些實施例，形成半導體結構的多個階段的剖面示意圖。本文所述的方法可以使用 於許多應用，例如是鰭式場效電晶體(FinFET)裝置結構。用於形成如第5A~5G圖所示的半導體裝置結構的一些製程步驟和材料，與用於形成如第1A~1D圖所示的半導體裝置結構的一些製程步驟和材料相似或相同，在此便不再重複敘述。
如第5A圖所示，在基底102之上的材料層104之上形成三層結構光阻層120。三層結構光阻層120包括底層106、中間層108和光阻層110。三層結構光阻層120是用來圖案化下方的材料層104並隨後被移除。
在材料層104之上形成底層106。底層106可以是三層結構光阻層120(也稱作三層結構光阻)的第一層。底層106可含有可被圖案化及/或具有抗反射性質的材料。一些實施例中，底層106是底部抗反射(bottom anti-reflective coating，BARC)層。一些實施例中，底層106包括碳骨架聚合物。一些實施例中，底層106是由不含矽的材料製成。一些其他實施例中，底層106包括酚醛(novolac)樹脂，例如是具有多個鍵結在一起的酚單元的化學結構。一些實施例中，底層106是由旋轉塗佈(spin-on coating)製程、化學氣相沉積製程(CVD)、物理氣相沉積(PVD)製程、及/或其他適合的沉積製程所形成。
之後，在底層106之上形成中間層108，並在中間層108之上形成光阻層110。一些實施例中，底層106、中間層108和光阻層(或頂層)110稱為三層結構光阻層120。中間層108可具有對於光微影製程提供抗反射性質及/或硬遮罩性質的組成。此外，中間層108是設計用來相對底層106和光阻層110提供蝕刻選擇性。一些實施例中，中間層108是由氮化矽、氮氧 化矽、或氧化矽所製作。一些實施例中，中間層108包括含矽無機聚合物。一些實施例中，光阻層110包括如第2A圖所示的化學結構。
接著，如第5B圖所示，根據本發明一些實施例，在光阻層110上進行曝光製程(未顯示)以形成曝光區域和未曝光區域。之後，以顯影劑對光阻層110顯影，以形成圖案化光阻層110a。一些實施例中，顯影劑是酮基溶劑。酮基溶劑的詳細實施例如表1~6所述。一些實施例中，顯影劑包括3-庚酮、2-辛酮、5-甲基-2-己酮、或上述的任意組合。曝光製程之後，化合物16形成在光阻層110中。
之後，如第5C圖所示，根據本發明一些實施例，使用圖案化光阻層110a做為遮罩來移除中間層108的一部分，以形成圖案化中間層108a。由此，則圖案化光阻層110a的圖案被轉移到中間層108。
中間層108的此部分是經由乾式蝕刻製程、濕式蝕刻製程、或上述組合所移除。一些實施例中，蝕刻製程包括使用含氟蝕刻劑的電漿蝕刻製程，例如是CF2、CF3、CF4、C2F2、C2F3、C3F4、C4F4、C4F6、C5F6、C6F6、C6F8、或上述的任意組合。
之後，如第5D圖所示，根據本發明一些實施例，移除圖案化光阻層110a。一些實施例中，圖案化光阻層110a是由濕式蝕刻製程或乾式蝕刻製程來移除。一些實施例中，圖案化光阻層110a是由包括鹼性溶液的濕式蝕刻製程來移除，且鹼性溶液是氫氧化四烷銨(TMAH)。
接著，如第5E圖所示，根據本發明一些實施例，使用圖案化中間層108a作為遮罩來移除底層106的一部分，以形成圖案化底層106a。由此，則圖案化中間層108a的圖案被轉移到底層106。
之後，如第5F圖所示，使用圖案化中間層108a和圖案化底層106a作為遮罩進行離子佈植製程，對材料層104的一部分進行摻雜。由此，則在材料層104中形成摻雜區105。摻雜區105可以摻雜p型摻雜物及/或n型摻雜物，p型摻雜物例如是硼或BF2，n型摻雜物例如是磷(P)或砷(As)。接著，移除圖案化中間層108a和圖案化底層106a。
第6A~6F圖是根據本發明一些實施例，形成半導體結構的多個階段的剖面示意圖。本文所述的方法可以使用於許多應用，例如是鰭式場效電晶體(FinFET)裝置結構。用於形成如第6A~6F圖所示的半導體裝置結構的一些製程步驟和材料，與用於形成如第5A~5G圖所示的半導體裝置結構的一些製程步驟和材料相似或相同，在此便不再重複敘述。
如第6A圖所示，在材料層104之上形成三層結構光阻層120。中間層108包括輔助劑14，輔助劑14分布在中間層108的溶劑中。輔助劑14可包括光酸起始劑(PAG)、消光劑(Q)、交聯劑、或光鹼起始劑(PBG)。光阻層110包括無機材料12和溶劑。無機材料12包括第一聯結劑L1 124，第一聯結劑L1 124鍵結至金屬核122。
接著，如第6B圖所示，根據本發明一些實施例，透過修飾層109上的光罩10，在修飾層109和光阻層110上進行 曝光製程172。
曝光製程172之後，修飾層109中的輔助劑14的第二聯結劑L2和第三聯結劑L3與光阻層110中的金屬核122上的第一聯結劑124反應，而在無機材料12和輔助劑14之間形成多個化學鍵。在輔助劑14的幫助下，提升了相鄰的金屬核122之間的化學反應的反應速率。
之後，如第6C圖所示，根據本發明一些實施例，使用顯影劑對光阻層110顯影，以形成圖案化光阻層110a。在光阻層110中形成化合物16。化合物16是經由無機材料12與輔助劑14反應而形成。一些實施例中，顯影劑是酮基溶劑。酮基溶劑的詳細實施例如表1~6所述。一些實施例中，顯影劑包括3-庚酮、2-辛酮、5-甲基-2-己酮、或上述的任意組合。
之後，如第6D圖所示，根據本發明一些實施例，使用圖案化光阻層110a作為遮罩來移除中間層108的一部分，以形成圖案化中間層108a。由此，則圖案化光阻層110a的圖案被轉移到中間層108。之後，持續對基底102進行類似於如第5D~5G圖所示的製造步驟。由此，如第6F圖所示，則在材料層104中形成摻雜區105。
第7A~7D圖是根據本發明一些實施例，形成半導體結構的多個階段的剖面示意圖。本文所述的方法可以使用於許多應用，例如是鰭式場效電晶體(FinFET)裝置結構。用於形成如第7A~7D圖所示的半導體裝置結構的一些製程步驟和材料，與用於形成如第5A~5G圖所示的半導體裝置結構的一些製程步驟和材料相似或相同，在此便不再重複敘述。
如第7A圖所示，根據本發明一些實施例，在三層結構光阻層120之上形成修飾層109。
接著，如第7B圖所示，根據本發明一些實施例，在修飾層109和光阻層110上進行曝光製程(未顯示)。之後，依序以兩個顯影劑對修飾層109和光阻層110顯影，以形成圖案化修飾層109a和圖案化光阻層110a。
之後，如第7C圖所示，根據本發明一些實施例，使用圖案化光阻層110a和圖案化修飾層109a做為遮罩來移除中間層108的一部分，以形成圖案化中間層108a。由此，則圖案化光阻層110a的圖案被轉移到中間層108。之後，持續對基底102進行類似於如第5D~5G圖所示的製造步驟。由此，如第7D圖所示，則在材料層104中形成摻雜區105。
本文提供形成半導體裝置結構的一些實施例。在基底之上形成材料層，並在材料層之上形成光阻層。光阻層包括無機材料和輔助劑，無機材料包括多個金屬核和多個第一聯結劑，第一聯結劑鍵結至金屬核。輔助劑包括第二聯結劑L2和第三聯結劑L3。在光阻層上進行曝光製程之後，輔助劑的第二聯結劑L2和第三聯結劑L3與無機材料的第一聯結劑L1反應，以形成一化合物，其具有的尺寸大於各個金屬核的尺寸。輔助劑可以加速第一聯結劑L1、第二聯結劑L2和第三聯結劑L3之間的交聯反應。此外，酮基溶劑是用來移除光阻層的未曝光區域。由於在光阻層中添加輔助劑以及使用疏水性酮基溶劑，因此可以降低曝光製程的照射能量。更進一步，改善了光阻層的線寬粗糙度(LWR)。因此，改善了線臨 界尺寸均勻度(line critical dimension uniformity，LCDU)。
一些實施例中，提供半導體結構的形成方法。此方法包括在基底之上形成材料層以及在材料層之上形成光阻層。光阻層包括無機材料及輔助劑，無機材料包括多個金屬核及多個第一聯結劑，第一聯結劑鍵結至金屬核。此方法包括曝光光阻層的一部分，且光阻層包括曝光區域及未曝光區域，而在曝光區域中，輔助劑與第一聯結劑反應。此方法亦包括使用顯影劑移除光阻層的未曝光區域以形成圖案化光阻層。顯影劑包括酮基溶劑，其具有式(a)： ，其中R1是直鏈或支鏈C1-C5烷基，R2是 直鏈或支鏈C3-C9烷基。
在一實施例中，R1是CH3，R2是直鏈或支鏈C4-C8烷基。
在一實施例中，R1是CH3，R2是支鏈C5烷基。
在一實施例中，R1是C2H5，R2是支鏈C4-C7烷基。
在一實施例中，R1是直鏈或支鏈C3H7，R2是支鏈C3-C6烷基。
在一實施例中，顯影劑包括3-庚酮、2-辛酮、5-甲基-2-己酮、或上述的任意組合。
在一實施例中，顯影劑更包括水(H2O)，且水相對於顯影劑的比例是在約0.01%至約3%的範圍內。
在一實施例中，輔助劑包括多個第二聯結劑，在曝光製程期間，第二聯結劑與第一聯結劑反應，以在輔助劑和無機材料之間形成多個化學鍵。
在一實施例中，使用顯影劑移除光阻層的非曝光區域的步驟是在約15℃至約25℃的溫度範圍內操作。
在一實施例中，金屬核包括錫(Sn)、銦(In)、銻(Sb)、或上述的任意組合。
在一實施例中，曝光光阻層的一部分的步驟包括以氟化氪(KrF)準分子雷射器(excimer laser)、氟化氬(ArF)準分子雷射器、氟氣(F2)準分子雷射器、或極紫外(EUV)光對光阻層照射。
一些實施例中，提供半導體結構的形成方法。此方法包括在基底之上形成材料層，以及在材料層之上形成底層。此方法亦包括在底層之上形成中間層，以及在中間層之上形成光阻層。光阻層包括無機材料，無機材料具有多個金屬核及多個第一聯結劑，第一聯結劑鍵結至金屬核。此方法更包括在光阻層下方或上方形成修飾層，且修飾層包括輔助劑。此方法更包括進行曝光製程以曝光光阻層的一部分，而在曝光製程期間，輔助劑與第一聯結劑反應。此方法包括使用酮基溶劑對光阻層顯影以形成圖案化光阻層，酮基溶劑具有式(a)： ，其中R1是直鏈或支鏈C1-C2烷基，而R2是 直鏈或支鏈C4-C9烷基。
在一實施例中，此方法更包括對修飾層顯影以形成圖案化修飾層，使用圖案化光阻層作為遮罩將中間層圖案化以形成圖案化中間層，移除圖案化光阻層和圖案化修飾層，以及使用圖案化中間層作為遮罩將底層圖案化以形成圖案化底層。
在一實施例中，R1是CH3，R2是直鏈或支鏈C4-C8烷基。
在一實施例中，R1是C2H5，R2是支鏈C4-C7烷基。
在一實施例中，顯影劑包括3-庚酮、2-辛酮、5-甲基-2-己酮、或上述的任意組合。
在一實施例中，此方法更包括在曝光光阻層的一部分之後，在光阻層的曝光區域中形成一種化合物，其中此化合物是由金屬核、第二聯結劑和第一聯結劑所製成，且此化合物不被酮基溶劑所移除。
一些實施例中，提供半導體結構的形成方法。此方法包括在基底之上形成材料層，以及在材料層之上形成底層。此方法包括在底層之上形成中間層，以及在中間層之上形成光阻層。光阻層包括無機材料和輔助劑，無機材料包括多個第一聯結劑鍵結至多個金屬核，輔助劑包括多個第二聯結劑。此方法亦包括進行曝光製程以曝光光阻層的一部分，而在曝光製程期間，第二聯結劑與第一聯結劑反應。此方法包括使用酮基溶劑移除光阻層的一部份以形成圖案化光阻層。酮基溶劑包括3-庚酮、2-辛酮、或5-甲基-2-己酮。此方法 包括使用圖案化光阻層作為遮罩來移除中間層的一部份以形成圖案化中間層，以及使用圖案化中間層作為遮罩來移除底層的一部份以形成圖案化底層。
在一實施例中，此方法更包括在曝光光阻層的一部分之後，在光阻層的曝光區域中形成一種化合物，其中此化合物是由金屬核、第二聯結劑和第一聯結劑所製成，且此化合物不被酮基溶劑所移除。
在一實施例中，曝光光阻層的一部分的步驟包括以氟化氪(KrF)準分子雷射器(excimer laser)、氟化氬(ArF)準分子雷射器、氟氣(F2)準分子雷射器、或極紫外(EUV)光對光阻層照射。
以上概述數個實施例之部件，以便在本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以更加理解本發明實施例的觀點。在本發明所屬技術領域中具有通常知識者應理解，他們能輕易地以本發明實施例為基礎，設計或修改其他製程和結構，以達到與在此介紹的實施例相同之目的及/或優勢。在本發明所屬技術領域中具有通常知識者也應理解，此類等效的結構並無悖離本發明的精神與範圍，且他們能在不違背本發明之精神和範圍下，做各式各樣的改變、取代和替換。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定為準。
Claims (1)
- 一種半導體結構的形成方法，包括：在一基底之上形成一材料層；在該材料層之上形成一光阻層，其中該光阻層包括一無機材料及一輔助劑，該無機材料包括多個金屬核及多個第一聯結劑，該些第一聯結劑鍵結至該些金屬核；曝光該光阻層的一部分，其中該光阻層包括一曝光區域及一未曝光區域，且在該曝光區域中，該輔助劑與該些第一聯結劑反應；以及使用一顯影劑移除該光阻層的該未曝光區域以形成一圖案化光阻層，其中該顯影劑包括一酮基溶劑，其具有式(a)：
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