TWI636488B - 製造半導體裝置之方法 - Google Patents

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王志謙
許峰嘉
郭景森
張浚威
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Abstract

形成第一光阻圖案及第二光阻圖案於基板上方。第一光阻圖案與第二光阻圖案分隔一間隙。化學混合物被塗佈在第一及第二光阻圖案上。化學混合物包含化學材料及混合至化學材料內的表面活性劑粒子。化學混合物填充間隙。對第一及第二光阻圖案執行烘烤製程，此烘烤製程造成間隙收縮。至少一些表面活性劑粒子配置在間隙之側壁邊界處。對第一及第二光阻圖案執行顯影製程。顯影製程移除間隙中及光阻圖案上方之化學混合物。配置在間隙的側壁邊界處之表面活性劑粒子減少顯影製程期間的毛細效應。

Description

製造半導體裝置之方法
本發明實施例是有關於一種半導體裝置之製造方法。
半導體積體電路(integrated circuit；IC)工業已經歷迅速的增長。IC材料及設計之技術進步已產生數個世代的IC，其中每一世代都具有比上一個世代更小且更複雜的電路。然而，這些進展增加了處理及製造IC的複雜性，為了實現這些進展，IC的製程及製造也需要類似的發展。在積體電路進化的過程中，隨著幾何尺寸(亦即藉由使用製程而產生之最小組件(或線路))縮小，功能密度(亦即每晶片區域中之互連裝置數目)已大幅度的提高。
日益縮小的幾何尺寸對半導體製造帶來挑戰。例如，光阻遮罩更容易受到毛細力作用的影響。此情況隨著遮罩深寬比增大及/或間距減小而加劇。結果，光阻遮罩可能塌陷，例如因為相鄰光阻遮罩之間的毛細力的拉拽所致。
因此，雖然現有的半導體製造技術大致上足以滿足其預期之目的，但此等技術並非在各方面令人完全滿 意。
本發明實施例提供一種半導體裝置之製造方法，此方法包括：在一基板上方形成一第一光阻圖案及一第二光阻圖案，第一光阻圖案與第二光阻圖案分隔一間隙；塗佈一化學混合物於第一及第二光阻圖案上，化學混合物包含一化學材料及混合在化學材料內的表面活性劑粒子，其中化學混合物充填間隙；之後，在第一及第二光阻圖案上執行一烘烤製程，烘烤製程使得間隙收縮，其中至少一些表面活性劑粒子配置在間隙之側壁邊界上；之後，在第一及第二光阻圖案上執行一顯影製程，其中顯影製程移除位在間隙中、第一及第二光阻圖案上方之化學混合物，其中配置在間隙之側壁邊界處之此等表面活性劑粒子在顯影製程期間減少一毛細效應。
根據本發明實施例的另一態樣，一種半導體裝置之製造方法包括：在一化學材料中混合表面活性劑化合物，化學材料具有熱交聯性質；在一基板上方形成一第一光阻圖案及一第二光阻圖案，第一及第二光阻圖案之間定義一溝槽；將混合有表面活性劑化合物之化學材料施加在基板上方及第一及第二光阻圖案周圍；加熱化學材料及第一及第二光阻圖案，藉此將配置在第一及第二光阻圖案上之化學材料之部分轉變為一交聯材料，其中交聯材料之側壁表面上配置有表面活性劑化合物；以及藉由施加一顯影溶液來顯影第一 及第二光阻圖案，其中顯影藉由移除化學材料之尚未轉變為交聯材料的部分而減少溝槽之一寬度，其中配置在交聯材料之此等側壁表面上之表面活性劑化合物減少第一及第二光阻圖案在顯影期間所經受的毛細力。
根據本發明實施例的又一態樣，一種半導體裝置之製造方法，包括：混合表面活性劑分子於一化學材料的整體中，化學品包含熱響應性共聚合物，當此共聚合物被烘烤，此共聚合物促進一光阻劑材料之流動；在一基板上方形成一第一光阻圖案及一第二光阻圖案，第一及第二光阻圖案藉由一溝槽分隔；將混合有此等表面活性劑分子之化學材料塗佈在第一及第二光阻圖案上方；在塗佈之後，烘烤化學材料及第一及第二光阻圖案，其中化學材料回應於烘烤而誘使第一及第二光阻圖案流向彼此，藉此減少溝槽之一橫向維度，其中化學材料在光阻圖案流動期間向第一及第二光阻圖案之側壁提供機械支撑，且其中表面活性劑分子存在於溝槽之側壁邊界上；在烘烤之後，藉由使用一顯影溶液來顯影第一及第二光阻圖案，其中顯影溶液移除化學材料，且其中藉由此等表面活性劑分子在溝槽之側壁邊界上之存在而減少溝槽內側的毛細力。
50‧‧‧容器
60‧‧‧化學材料/收縮材料
70‧‧‧表面活性劑粒子
100‧‧‧基板
110‧‧‧光阻圖案
111‧‧‧光阻圖案
120‧‧‧溝槽
130‧‧‧高度
140‧‧‧寬度
180‧‧‧烘烤製程
200‧‧‧交聯膜
201‧‧‧交聯膜
220‧‧‧側壁
221‧‧‧側壁
250‧‧‧顯影製程
300‧‧‧源極/汲極區域
310‧‧‧介電層
330‧‧‧蝕刻製程
350‧‧‧導電觸點
400‧‧‧背側照射影像感測器裝置
410‧‧‧前側
420‧‧‧背側
440‧‧‧離子植入製程
450‧‧‧輻射感測元件
480‧‧‧互連結構
490‧‧‧緩衝層
500‧‧‧載體基板
520‧‧‧薄化製程
540‧‧‧彩色濾光層
550‧‧‧微透鏡層
600‧‧‧方法
610‧‧‧步驟
620‧‧‧步驟
630‧‧‧步驟
640‧‧‧步驟
700‧‧‧方法
710‧‧‧步驟
720‧‧‧步驟
730‧‧‧步驟
740‧‧‧步驟
750‧‧‧步驟
800‧‧‧方法
810‧‧‧步驟
820‧‧‧步驟
830‧‧‧步驟
840‧‧‧步驟
850‧‧‧步驟
110/110A‧‧‧光阻圖案
110A‧‧‧光阻圖案
111/111A‧‧‧光阻圖案
111A‧‧‧光阻圖案
120A‧‧‧溝槽
120A/120B‧‧‧溝槽
120B‧‧‧溝槽
130A‧‧‧高度
130B‧‧‧高度
140A‧‧‧寬度
140A/140B‧‧‧寬度
140B‧‧‧寬度
本說明書之態樣係在閱讀以下詳細說明的同時參閱附圖以進行理解。需强調，依據工業中之標準實務，多個特徵並未按比例繪製。實際上，多個特徵之維度可任意增 大或縮小，以便使論述明晰。
第1圖繪示根據本說明書多個實施方式之混合在化學材料中的表面活性劑粒子。
第2-15圖是依據本說明書多個實施方式之半導體裝置在各製造階段的概略的局部剖面側視圖。
第16-18圖是依據本說明書多個實施方式之半導體裝置之製造方法的流程圖。
應理解，以下揭示內容提供衆多不同的實施方式或實施例，用以實現本發明實施例之不同特徵。下文中描述組件及排列之特定實施例是為了以簡化本說明書。此等組件及排列當然僅為實施例，且不意欲進行限制。此外，在下文之描述中，第一特徵形成在第二特徵上方或之上可包括其中第一特徵與第二特徵以直接接觸的方式形成之實施方式，亦可包括在第一特徵與第二特徵之間形成一額外特徵而使第一特徵與第二特徵不直接接觸之實施方式。為簡化及清楚起見，多個特徵可用不同比例任意繪製。
隨著半導體製造技術持續演變，裝置的尺寸日益地變小。當裝置的尺寸够小時，毛細力對製造產生不利的干擾。例如，光阻遮罩之形成包含使用顯影液之顯影製程。在次-微米節距等級(sub-micron pitch level)，用於顯影製程中之顯影溶液可能導致光阻圖案塌陷，此塌陷歸因於在光阻圖案上有效地「拉動」之毛細力所致。當形成光阻圖案而使其 間具有高且窄(或高深寬比)的溝槽時，此問題加劇。高且窄的溝槽意謂著光阻遮罩更易受毛細力之作用，這使得光阻圖案更有可能塌陷。因此，一些習知製造技術減小溝槽的深寬比，例如藉由降低光阻圖案的高度或增大光阻圖案的間隙。然而，所得光阻遮罩可能不能滿足進階半導體製程之需求，此製程可能需要高且窄的光阻遮罩以圖案化接觸孔或界定影像感測器之輻射感測像素。
為解决上述討論問題，本說明書包含形成光阻遮罩之方法，此方法較不易受毛細力的影響，而無須犧牲深寬比，如下文所述並參閱第1-18圖。
第1圖繪示一混合製程，其中表面活性劑粒子或表面活性劑化合物在此製程中混合至化學品內。更詳細而言，容器50包含化學材料60。在一些實施方式中，化學材料60包括「藉由化學收縮輔助之解析度增强(resolution enhancement lithography assisted by chemical shrinkage)」材料(或稱為RELACS)。RELACS材料包括可溶於水的材料(例如聚合物)，此材料具有熱交聯特性(thermal cross-linking properties)。因此，塗佈在光阻膜上之RELACS材料之一部分可在烘烤製程期間交聯至光阻膜，藉此減小相鄰光阻膜之間的間隙。餘下之未反應(例如未交聯)RELACS材料可在烘烤之後的顯影製程中被移除。作為實施例，RELACS材料之細節敘述在Laura J.Peters於1999年9月發表於「半導體國際(Semiconductor International)」，標題為「Resists Join the Sub-Lambda Revolution」之論文中，及日本專 利申請公開案第H10-73927號中，上述各文件之全部內容在此以引用之方式併入本說明書中。
在其他某些實施方式中，化學材料60包括由東京應化工業株式會社(Tokyo Ohka Kogyo Co.)開發之「增强解析度之收縮輔助膜(shrink assist film for enhanced resolution)」材料(或稱為SAFIER)。SAFIER材料包括水溶液，此水溶液包含熱響應聚合物(thermo-responsive polymers)，此等聚合物在烘烤製程期間有利於光阻劑之流動。SAFIER材料可與光阻劑發生或不發生化學反應，但在光阻劑流動之時為光阻劑側壁提供機械支撑。由SAFIER材料提供之機械支撑使光阻圖案輪廓之劣化最小化。SAFIER材料可在烘烤之後的顯影製程中被移除。作為一實施例，SAFIER材料之細節敘述在XiaoMin Yang等人所著的發表於「真空科學技術學報B(Journal of Vacuum Science & Technology B)」2004年12月第22卷第6版，標題為「Electron-beam SAFIERTM process and its application for magnetic thin-film heads」之論文中，此論文全部內容以引用之方式併入本說明書中。
根據本說明書多個態樣，表面活性劑粒子70混合在化學材料60中。表面活性劑粒子70包括減小液體之間或液體與固體之間的表面張力(或界面張力)的化合物或分子。例如，表面活性劑粒子可包括一分子，此分子具有可溶於水的端部及可溶於油的一相對端部。表面活性劑分子可積聚以形成微胞(micelles)。在一些實施方式中，表面活性劑粒 子70中之每一粒子包括氟化化合物(fluorinated compound)。在其他某些實施方式中，表面活性劑粒子70中之每一粒子包括烴化合物(hydrocarbon compound)。
如第1圖所示，表面活性劑粒子70混合在化學材料60中以使得此等粒子均勻分佈在整個化學材料60中。換言之，表面活性劑粒子70均勻地或平均地混合在化學材料60內。在其他某些實施方式中，表面活性劑粒子70仍分佈在整個化學材料60中，但此分佈可能不完全均勻。在任一情況下，藉由在化學材料60中混合表面活性劑粒子而獲得的化學混合物將在隨後之製程中施加於光阻圖案。為便於參考，此化學混合物可互換地在下文中被稱作收縮材料。
第2-15圖是根據本說明書實施方式經歷不同製造階段的半導體裝置之概略的局部剖面側視圖。請參照第2圖，提供基板100。基板100可包括摻雜有諸如磷或砷的N型摻雜劑之矽基板，或此矽基板可摻雜有諸如硼之P型摻雜劑。基板100亦可包括諸如鍺及金鋼石之其他元素的半導體。基板可選擇性地包括化合物半導體及/或合金半導體。此外，基板100可包括磊晶層(epi-layer)，基板100可經應變以實現效能增强，基板100也可包括矽上絕緣體(silicon on insulator；SOI)結構。亦理解，一或更多個層亦可在基板100上方形成，但為簡化起見，此等層並未在第2圖中具體繪示。為本說明書之目的，在下文所述之基板100可視作僅包括基板100自身，或可視作包括形成於基板100上方之一或更多個層。
光阻圖案110及111形成於基板100上方。光阻圖案110及111可藉由在基板100上方沉積(例如旋塗)光阻膜以及之後在微影製程中將此光阻膜圖案化而形成，其可包含一或更多個製程，如曝光、曝光後烘烤、顯影等(未必依此次序)。第2圖中繪示之光阻圖案110-111處於顯影後檢驗(after-developing-inspection；ADI)階段。在此階段中，光阻圖案110-111由間隙120分隔，或可稱為光阻圖案110-111定義溝槽120。間隙/溝槽120具有高度130(垂直維度)及寬度140(橫向維度)。溝槽120之深寬比可定義為高度130與寬度140之比率。
隨著半導體裝置製造技術發展，需要有更大的深寬比。提高深寬比的一個方式是藉由應用收縮材料來減小寬度140。舉例而言，請參照第3圖，收縮材料60施加到基板100上方及塗佈在光阻圖案110-111上。在第3圖繪示的實施方式中，收縮材料60包括前文論述的RELACS材料。收縮材料60之塗佈可藉由使用旋塗製程來完成。如前文所論述，表面活性劑粒子70已混合至整個收縮材料60，例如以均勻分佈的方式。因此，表面活性劑粒子70亦混合在整個塗佈之收縮材料60中(亦即塗佈在光阻圖案110-111之上及周圍)。藉此，光阻圖案110-111之側壁表面上(或附近)配置有表面活性劑粒子60。
現請參照第4圖，對收縮材料60及光阻圖案110-111執行烘烤製程(或加熱製程)180。在一些實施方式中，烘烤製程在溫度為約140℃至170℃之間的範圍執行， 製程時間為約60秒至約120秒之間的範圍。烘烤製程180在光阻圖案110-111周圍形成交聯膜(cross-linking films)200及201。回應於烘烤製程180中之熱能，塗佈在光阻圖案110-111周圍的收縮材料60(在此為RELACS材料)之部分經歷化學反應，藉此使得收縮材料60的這些部分變成交聯。因此，交聯膜200-201形成於光阻圖案110-111之上表面及側壁表面上。由於交聯性質，交聯膜200-201黏附於光阻圖案110-111之上表面及側壁表面，此舉阻止交聯膜200-201在隨後的顯影製程中被移除。換言之，當光阻圖案110-111在隨後製程中用作遮罩時，交聯膜200-201可被視為放大的光阻圖案110-111中之一部分。
根據本說明書多個態樣，至少某些表面活性劑粒子70分佈在交聯膜200-201之側壁表面上(或附近)，例如在側壁表面220-221上或附近。如上所述，表面活性劑粒子70是配置以減少側壁表面上之表面張力(例如，側壁表面220-221上之表面張力)。因而，配置在交聯膜200-201之側壁表面上的表面活性劑粒子70可減少光阻圖案110-111在隨後執行的顯影製程中所經歷的毛細力，下文中更詳細地論述。
現請參照第5圖，執行顯影製程250以移除收縮材料60中尚未交聯的部分。顯影製程250包括應用顯影溶液以沖洗收縮材料60及光阻圖案110-111。在一些實施方式中，顯影溶液包含純水或去離子水(de-ionized water；DIW)。在其他實施方式中，顯影溶液包含氫氧化四甲銨 (tetramethyl ammonium hydroxide,TMAH)。收縮材料60之移除形成溝槽(或間隙)120A於光阻圖案110-111之間。與第2圖所示的先前的溝槽120相比，縮小的溝槽120A具有增加的高度(垂直維度)130A及減小的寬度(橫向維度)140A。減小的寬度140A讓更小的裝置尺寸得以實現。例如，光阻圖案110-111可用以(作為遮罩)圖案化更小的接觸孔，以作為互連結構之部分，或此等光阻圖案可用以(作為離子植入遮罩)形成影像感測器裝置之更小的像素。
如前文所論述，配置在側壁表面220-221上或附近之表面活性劑粒子70減少側壁表面之表面張力。毛細力與表面張力有關(或為表面張力之函數)。例如，Fc(毛細力)與γ *cos2θ(表面張力)有關。因為配置在側壁上之表面活性劑粒子70之存在使側壁220-221上之表面張力減少，溝槽120A內側之毛細力亦減少。
溝槽內側之毛細力減少是有益的，因為此舉減少光阻圖案110-110塌陷之可能性。更詳細而言，隨著裝置的尺寸變小，溝槽120A變得越來越窄。因此，溝槽120A內側的毛細力之效應變得越來越明顯。毛細力有效地將光阻圖案110-111向彼此「拉動」。若毛細力強於光阻圖案110-111與基板100之黏附力，則光阻圖案110-111之一者(或兩者)可能傾倒及塌陷。光阻圖案110-111塌陷之可能性隨著溝槽120A變得更高及更窄而進一步增加。換言之，因為溝槽120A比溝槽120具有更小的寬度140A及更大的高度130A，因此溝槽120A之深寬比增大，從而使得光阻圖案 110-111更可能塌陷。
然而，側壁表面220-221上的表面活性劑粒子70之存在減少側壁上之表面張力，從而減少在顯影製程250期間光阻圖案110-111所經歷的毛細力。因此，儘管溝槽120A具有增大的深寬比，但毛細力之減少卻減少光阻圖案塌陷之可能性。此意謂著可形成比傳統的方式更高及更靠近彼此的光阻圖案110-111(亦即兩個圖案之間具有更高深寬比之溝槽)。例如，溝槽120A可形成具有高達11：1之深寬比，或高達12：1(甚至更大)的深寬比，而無光阻圖案塌陷的風險；但一般光阻圖案之間的溝槽之深寬比具有高達約8：1或9：1之深寬比，而無光阻圖案塌陷的風險。較高的深寬比(亦即更高及定位更靠近)之光阻圖案110-111在執行隨後的製造製程時是有利的，此等製程例如接觸孔之蝕刻或藉由離子植入形成像素，下文將進一步詳細論述。
第3-5圖繪示本說明書中使用RELACS材料作為收縮材料60的實施方式。第6-8圖繪示本說明書中使用SAFIER材料(前文關於第1圖之論述)用作收縮材料之另一實施方式。為清楚及一致性之理由，第3-8圖中出現的相似組件將以相同符號標記。
請參照第6圖，包含SAFIER材料之收縮材料60施加到基板100上方及塗佈在光阻圖案110-111上。此外，因為表面活性劑粒子70已經混合在整個(例如均勻分佈或均勻分佈)收縮材料60中，因此表面活性劑粒子70亦配置在光阻圖案110-111之側壁表面上(或附近)。
現請參照第7圖，對收縮材料60及光阻圖案110-111執行烘烤製程(或加熱製程)180。在一些實施方式中，烘烤製程在製程溫度為約100℃至160℃之間的範圍內執行，製程期間為約60秒至約90秒之間的範圍。SAFIER材料包含熱響應性聚合物(thermo-responsive polymers)，此等聚合物在烘烤製程180期間促進光阻劑流動。換言之，光阻圖案110及111向外橫向流動，且分別重新塑形(reshaped)為光阻圖案110A及111A。光阻圖案在流動發生之前的側壁在此以虛線繪示，在第7圖中使用橫向指向的箭頭繪示流動方向。光阻圖案之側壁220-221因此更靠近地移動向彼此，藉此減少光阻圖案之間的距離。光阻圖案110A-111A的高度亦由於橫向擴張而減少。在光阻劑流動期間，收縮材料60(亦即SAFIER材料)亦向光阻圖案110A-111A之側壁220-221提供一些機械支撑，因此允許側壁220-221維持其形狀。
在光阻劑流動形成光阻圖案110A-111A之後，至少一些表面活性劑粒子70仍分佈在光阻圖案110A-111A之側壁表面220-221上(或附近)，因為表面活性劑粒子是均質地混合在收縮材料60中。如前文所論述，表面活性劑粒子70是配置以減少側壁表面220-221上之表面張力，此舉在下文討論的顯影製程中減少光阻圖案110A-111A所經歷的毛細力。
現請參照第8圖，執行顯影製程250以移除收縮材料。顯影製程250包括應用顯影溶液以洗淨收縮材料60 及光阻圖案110-111。在一些實施方式中，顯影溶液包含去離子水(de-ionized water；DIW)。移除收縮材料60在光阻圖案110A-111A之間形成溝槽(或間隙)120B。與第2圖繪示的之前的溝槽120相比，縮小的溝槽120B具有減少的高度(垂直維度)130B及減小的寬度(橫向維度)140B。減小的寬度140B允許形成更小的裝置尺寸。例如，光阻圖案110A-111A可用以(作為遮罩)圖案化更小的接觸孔以作為互連結構之部分，或此等光阻圖案可用以(作為離子植入遮罩)形成影像感測器裝置之更小的像素。減小的高度130B可藉由首先形成更高的光阻圖案110-111而得以補償。
如前文所論述，配置在側壁表面220-221上或附近之表面活性劑粒子70減少側壁表面之表面張力。如上述述，毛細力與表面張力有關。因為側壁220-221上之表面張力由於配置在側壁上之表面活性劑粒子70之存在而減少，溝槽120B內側之毛細力亦減少。且由於前文所述的原因，溝槽120B內側之毛細力減少降低了光阻圖案110-110塌陷之可能性。此意謂著可以形成比傳統可行方式更高及更靠近彼此的光阻圖案110A-111A(亦即具有更高深寬比的溝槽，例如大於11：1)的圖案，這是有利於隨後的製造製程，例如接觸孔蝕刻或藉由離子植入形成像素，下文將更詳細地討論。
第9-11圖繪示藉由使用第5圖之光阻圖案110-111或第8圖之光阻圖案110A-111A作為遮罩來形成導電接觸點(conductive contacts)的製程。請參照第9圖，源極 /汲極區域300形成於基板100中。源極/汲極區域300是諸如MOSFET之電晶體裝置之源極或汲極。源極/汲極區域300可藉由一或多個離子植入或擴散製程而形成。介電層310形成於源極/汲極區域300上方。介電層310可包含低介電常數(low-k)的介電材料。
第5圖之光阻圖案110-111(或第8圖之光阻圖案110A-111A)藉由前文討論之與第2-5圖或第6-8圖相關連的製程而形成於介電層310上方。換言之，形成光阻圖案110-111(或110A-111A)是藉由將光阻膜圖案化成為被間隙/溝槽120A(或120B)分隔的不同光阻圖案，然後利用應用收縮材料60而減少間隙/溝槽，此收縮材料60具有混合於其中之表面活性劑粒子70。縮小的溝槽120A/120B可由於其側壁上之表面活性劑粒子而實現更高的深寬比(亦即更窄及/或更高)，在顯影製程期間，隨著收縮材料60被移除，此等表面活性劑粒子減少毛細力。為簡化起見，表面活性劑粒子70(或交聯薄膜200-201)未具體繪示在第9圖中。光阻圖案110-111(或110A-111A)現在可作為遮罩以圖案化源極/汲極區域300之接觸孔。
現請參照第10圖，執行蝕刻製程330至介電層310以使溝槽120A/120B延伸至介電層310內。換言之，介電層310被「打開」，以便曝露源極/汲極區域300之一部分。此開口亦被稱作接觸孔，因為導電觸點隨後將形成於此接觸孔中。藉由使用光阻圖案110-111(或光阻圖案110A-111A)作為蝕刻遮罩而執行蝕刻製程330。藉由本說明書之製程所 得溝槽120A(或120B)的更大深寬比允許讓這接觸孔形成的更小(例如更窄)。此外，此舉可在光阻圖案110-111(或110A-111A)無塌陷風險之情況下完成。
現請參照第11圖，例如藉由光阻劑灰化或剝離製程移除光阻圖案110-111(或110A-111A)。導電觸點350形成於接觸孔中，此舉可藉由將諸如鎢(或銅或鋁)之導電材料沉積在接觸孔中而進行。導電觸點350提供電連接性至電晶體之源極/汲極區域300。
除形成電晶體觸點(亦即形成接觸孔)之外，本說明書之製程亦可用於製造影像感測器裝置。影像感測器裝置是配置以感測諸如光之輻射的半導體影像感測器。互補金屬氧化物半導體(complementary metal oxide semiconductor；CMOS)影像感測器(CMOS image sensor；CIS)及電荷耦合裝置(charge coupled device；CCD)感測器已廣泛地使用於各種應用中，例如數位靜態相機或行動電話相機的應用。此等裝置利用包括光二極體及電晶體之基板中的像素陣列，此像素陣列可吸收照射向基板的輻射及將感測到的輻射轉化為電信號。影像感測器裝置更包括額外電路系統及輸入/輸出，其配備在像素格(grid of pixels)附近用以為像素提供操作環境以及支援外部與像素的通信。
影像感測器裝置可為前側照射(frontside illumination,FSI)影像感測器或背側照射(backside illumination,BSI)影像感測器。在第12圖中繪 示的實施方式中，使用背側照射影像感測器裝置，但應理解，本說明書之態樣亦可適合於前側照射影像感測器。
請參照第12圖，背側照射影像感測器裝置400包括基板100，此基板亦可被視作裝置基板。裝置基板100具有前側(亦被稱作前表面)410及背側(亦被稱作背表面)420。對於諸如影像感測器裝置400之BSI影像感測器裝置而言，輻射從背側420射入(在下文討論的基板薄化製程之後)及穿過背表面420進入殘餘基板。在一些實施方式中，基板初始厚度處於約100微米至約3000微米之範圍中，例如在約500微米與約1000微米之間。
第5圖之光阻圖案110-111(或第8圖之光阻圖案110A-111A)藉由前文與第2-5圖或第6-8圖相關的討論之製程而形成於基板100上方。換言之，形成光阻圖案110-111(或110A-111A)是藉由將光阻膜圖案化而成為被間隙/溝槽120A(或120B)分隔的不同光阻圖案，然後利用應用收縮材料60而縮小間隙/溝槽，此收縮材料60具有混合於其中之表面活性劑粒子70。縮小的溝槽120A/120B由於其側壁上之表面活性劑粒子而可實現更高的深寬比(亦即更窄及/或更高)，在顯影製程期間，隨著收縮材料60被移除，此等表面活性劑粒子減少毛細力。為簡化起見，表面活性劑粒子70(或交聯薄膜200-201)不在第12圖中具體繪示。
光阻圖案110-111(或110A-111A)可在離子植入製程440中用作遮罩，此製程經執行以在基板100前側410內植入摻雜劑離子。光阻遮罩阻止離子被植入進入配置 在光阻遮罩下方之基板100區域內。離子經由溝槽120A(或120B)被植入進入基板內。植入離子具有與基板100相反類型之導電性，且形成影像感測器裝置400之輻射感測元件450，例如作為像素之一部分以偵測從背側420射向基板之光。在一些實施方式中，輻射感測元件450是光二極體之一部分。儘管在第12圖中繪示單個輻射感測元件450，但應理解，以類似方式形成複數個輻射感測元件，此等輻射感測元件可被稱作像素陣列。
如前文所述，形成溝槽120A(或120B)以具有比習知製程中之溝槽更大的深寬比。此外，此更大深寬比可在光阻圖案110-111(或110A-111A)無塌陷風險之情況下獲得。溝槽120A(或120B)之更小寬度140A(或140B)允許輻射感測元件450之寬度(橫向維度)與習知的輻射感測元件相比亦更小，因為輻射感測元件450之寬度與溝槽120A(或120B)之寬度直接相關。輻射感測元件450之更小寬度允許更大數目的像素擠壓在相同尺寸的封裝上，以用於影像感測器裝置400，或允許影像感測器裝置400小於習知的影像感測器裝置，上述兩個情況皆被視作改良。此外，更高的光阻圖案110-111(或110A-111A)允許光阻遮罩在阻斷摻雜劑離子植入至錯誤的基板100區域內時更為有效。換言之，由於光阻遮罩高度增加，因此光阻遮罩更為有效。
儘管第12圖中之實施方式直接使用光阻圖案110-111(或110A-111A)作為離子植入遮罩，但應理解，在替代的實施方式中，光阻遮罩可用以圖案化其下方之層以先 形成硬質遮罩，然後在離子植入製程440中使用硬質遮罩作為離子植入遮罩。
執行額外製程以完成影像感測器裝置400之製造。請參照第13圖，光阻遮罩被移除。互連結構480形成於裝置基板100之前側410上方。互連結構480包括複數個圖案化介電層及導電層，此等介電層及導電層在影像感測器裝置400之多個摻雜特徵、電路系統及輸入/輸出之間提供互連(例如布線)。互連結構480包括層間介電質(interlayer dielectric；ILD)及多層互連(multilayer interconnect；MLI)結構。MLI結構包括觸點、通孔及金屬線路。MLI結構可包括諸如鋁、鋁/矽/銅合金、鈦、氮化鈦、鎢、多晶矽、金屬矽化物，或上述各者之組合的導電材料，此結構被稱作鋁互連裝置。互連裝置元件可藉由包括物理氣相沉積(physical vapor deposition；PVD)(或濺射)、化學氣相沉積(chemical vapor deposition；CVD)、原子層沉積(atomic layer deposition；ALD)或上述各者之組合之製程形成。用以形成鋁互連裝置的其他製造技術可包括光微影處理及蝕刻，以圖案化導電材料而用於垂直連接(例如通孔/觸點)及水平連接(例如導電線路)。
又請參照第13圖，緩衝層490形成於互連裝置結構480上。在此實施方式中，緩衝層490包括諸如氧化矽之介電材料。或者，緩衝層490可在可選擇性地包括氮化矽。緩衝層490藉由CVD、PVD或其他適用技術而形成。緩衝層490藉由CMP製程經平坦化而形成平滑表面。
之後，載體基板500與裝置基板100經由緩衝層490而黏接，以執行裝置基板100之背側420之處理。此實施方式中之載體基板500類似於基板100並包括矽材料。或者，載體基板500可包括玻璃基板或另一適合材料。載體基板500可藉由分子力(被稱為直接黏接或光學熔融黏接之技術)或藉由此項技術中之其他已知黏接技術(如金屬擴散或陽極結合)黏接至裝置基板100。
緩衝層490在裝置基板100與載體基板500之間提供電性絕緣。載體基板500為形成於裝置基板100前側410上之多個特徵提供了保護，例如輻射感測元件450。載體基板500亦為裝置基板100的背側420之處理提供機械强度及支撑，如下文所討論。在黏接之後，裝置基板100及載體基板500可選選擇性地經退火以增强黏接强度。
請參照第14圖，在黏接載體基板500之後，執行薄化製程520以從背側420薄化裝置基板100。薄化製程520可包括機械研磨製程及化學薄化製程。在機械研磨製程期間，可先從裝置基板100上移除大量的基板材料。之後，化學薄化製程可向裝置基板100背側420施加蝕刻化學品以進一步將裝置基板100薄化至數微米之數量級的厚度。在一些實施方式中，被薄化的基板100之厚度為大於約1微米但小於約5微米。亦應理解，本說明書中揭示的特定厚度僅為實施例，且可依據影像感測器裝置400的應用類型及設計要求而實施其他厚度。
現請參照第15圖，彩色濾光層540可形成於基 板100的背側420上。彩色濾光層540可包含複數個濾色器，此等濾色器經定位以使得入射輻射導向此等濾色器上並穿過此等濾色器。濾色器可包括基於染料(dye-based)(或基於顏料(dye-based))之聚合物或樹脂以過濾入射輻射之特定波長帶，其對應於色譜(例如紅、綠，及藍)。之後，包含複數個微透鏡之微透鏡層550形成於彩色濾光層540上方。微透鏡引導及聚焦入射輻射前往裝置基板100中之特定輻射感測區域，如輻射感測元件450。微透鏡可以被定位成各種配置方式並具有各種形狀，取決於微透鏡之材料折射率及與感測器表面之距離。在形成彩色濾光層540或微透鏡層550之前，裝置基板100也可進行非必要的雷射退火製程。
應理解，上述製造製程之順序並非意欲限制。在本說明書中所示實施方式以外的其他實施方式中，一些層或裝置可根據不同的製程順序而形成。此外，可形成某些其他的層，但為簡化起見，並未在本說明書中繪示。例如，在彩色濾光層540及/或微透鏡層550形成之前，可在基板100背側420上方形成抗反射塗層(anti-reflection coating；ARC)。
亦應應理解，以上的討論大部分是關於影像感測器裝置400之像素陣列區域。除像素區域之外，影像感測器裝置400亦包括周邊區域、黏合襯墊區域，及切割線區域。周邊區域可包括需要保持光學暗色(optically dark)的裝置。此等裝置可包括數位裝置，例如特殊應用積體電路(application-specific integrated circuit；ASIC)裝置或 晶片上系統(system on chip；SOC)裝置，或用以為影像感測器裝置400形成光强度基線的基準像素。保留黏接襯墊區域用於黏接襯墊之形成，以便可形成影像感測器裝置400與外部裝置之間的電連接。切割線區域包括將一個半導體晶粒與相鄰的半導體晶粒隔開的區域。在封裝晶粒及作為積體電路晶片出售晶粒之前，將在稍後的製造製程中貫穿切斷切割線區域，以分隔相鄰晶粒。為簡化起見，影像感測器裝置400之此等其他區域之細節並未在本說明書中繪示或描述。
上述論述亦係關於BSI影像感測器裝置。然而，設想本說明書之多個態樣亦可應用於前側照射(FSI)影像感測器裝置。例如，FSI影像感測器裝置亦可使用類似於本說明書中論述的像素210之像素，以偵測光，但光從前側射入(並進入基板)，而非背側。FSI影像感測器裝置不涉及晶圓背側薄化製程，且將改為在前側上形成濾色器及微透鏡。互連結構以一種不阻礙或妨礙從前側射入的入射光之路徑的方式實施。可見，依據本說明書形成之光阻圖案(具有較高深寬比溝槽)亦可用以形成FSI影像感測器裝置之輻射感測元件。
第16圖是根據本說明書實施方式繪示製造半導體裝置之方法600的流程圖。方法600包括在基板上方形成第一光阻圖案及第二光阻圖案的步驟610。第一光阻圖案藉由間隙與第二光阻圖案分隔。
方法600包括在第一及第二光阻圖案上塗佈化學混合物之步驟620。化學混合物包含化學材料及混合至化 學材料內的表面活性劑粒子。化學混合物充填間隙。
方法600包括在第一及第二光阻圖案上執行烘烤製程之步驟630。烘烤製程使得間隙收縮。至少一些表面活性劑粒子配置在間隙之側壁邊界處。
方法600包括在第一及第二光阻圖案上執行顯影製程之步驟640。顯影製程移除間隙中及光阻圖案上方之化學混合物。配置在間隙的側壁邊界處之表面活性劑粒子減少顯影製程期間的毛細效應。
在一些實施方式中，化學材料具有熱交聯性質，以使得步驟630之烘烤製程導致化學混合物之一部分變得與第一及第二光阻圖案之側壁交聯。化學混合物之交聯部分定義間隙之側壁邊界。
在一些實施方式中，化學材料包含熱響應性共聚物，此等共聚物促進第一及第二光阻圖案在步驟630之烘烤製程期間之流動。第一及第二光阻圖案之流動導致間隙收縮。
應理解，可在方法600之步驟610-640之前、期間，及之後可執行額外步驟。例如，方法600可在塗佈之前包括一步驟：以均勻分佈方式在化學材料中混合表面活性劑粒子。在一些實施方式中，方法600在混合之前包括一步驟：獲得氟化表面活性劑以作為表面活性劑粒子。在一些實施方式中，方法600在混合之前包括一步驟：獲得烴表面活性劑以作為表面活性劑粒子。在一些實施方式中，方法600在執行顯影製程之後包括一步驟：形成接觸孔，其中接觸孔 之形成是藉由將第一及第二光阻圖案用作遮罩來執行的。在一些實施方式中，方法600在執行顯影製程之後包括一步驟：形成影像感測器裝置之感光像素，其中感光像素之形成是藉由將第一及第二光阻圖案用作遮罩來執行的。
第17圖是根據本說明書實施方式繪示製造半導體裝置之方法700的流程圖。方法700包括在化學材料中混合表面活性劑化合物之步驟710，此化學材料具有熱交聯性質。
方法700包括在基板上方形成第一光阻圖案及第二光阻圖案之步驟720，此第一及第二光阻圖案定義此兩個圖案之間的溝槽。
方法700包括在基板上方及第一及第二光阻圖案周圍施加混合有表面活性劑化合物的化學材料之步驟730。
方法700包括加熱化學材料及光阻圖案之步驟740，藉此將配置在第一及第二光阻圖案上之化學材料之部分轉變為交聯材料。交聯材料之側壁表面上配置有表面活性劑化合物。
方法700包括藉由應用顯影溶液來顯影第一及第二光阻圖案的步驟750。顯影藉由移除尚未轉換至交聯材料的化學材料部分而減少溝槽寬度。交聯材料之側壁表面上配置的表面活性劑化合物減少第一及第二光阻圖案在顯影期間經受的毛細力。
在一些實施方式中，混合包括：在化學材料中 均勻地混合表面活性劑化合物。
應理解，可在方法700之步驟710-750之前、期間，及之後可執行額外步驟。例如，在一些實施方式中，方法700可在混合之前包括一步驟：獲得氟化表面活性劑以作為表面活性劑化合物。在一些實施方式中，方法700在混合之前可包括一步驟：獲得烴表面活性劑以作為表面活性劑化合物。在一些實施方式中，方法700可在顯影之後包括一步驟：藉由蝕刻製程形成接觸孔，在此製程中第一及第二光阻圖案作為蝕刻遮罩。在一些實施方式中，方法700可在顯影之後包括一步驟：藉由離子植入製程形成影像感測器裝置之輻射感測區域，在此製程中第一及第二光阻圖案作為植入遮罩。
第18圖是根據本說明書實施方式繪示製造半導體裝置之方法800的流程圖。方法800包括在整個化學材料中混合表面活性劑分子的步驟810。化學品包含熱響應性共聚合物，此共聚合物可促進光阻劑材料之流動，以回應於被烘烤。
方法800包括在基板上方形成第一光阻圖案及第二光阻圖案的步驟820。第一及第二光阻圖案由溝槽分隔。
方法800包括在第一及第二光阻圖案上方塗佈混合有表面活性劑分子的化學材料之步驟830。
方法800包括烘烤化學材料及光阻圖案之步驟840。化學材料回應於烘烤而誘發第一及第二光阻圖案流向 彼此，藉此減少溝槽之橫向維度。在流動期間，化學材料向第一及第二光阻圖案之側壁提供機械支撑。表面活性劑分子存在於溝槽側壁邊界上。
方法800包括藉由使用顯影溶液來顯影第一及第二光阻圖案的步驟850。顯影溶液移除化學材料。藉由表面活性劑分子在溝槽側壁邊界上之存在而減少溝槽內側的毛細力。
在一些實施方式中，步驟810中之混合包括在化學材料內混合氟化表面活性劑分子。在一些實施方式中，步驟820中之混合包括在化學材料內混合烴表面活性劑分子。在一些實施方式中，混合包括：在化學材料中均勻地混合表面活性劑分子。
應理解，可在方法800之步驟810-850之前、期間，及之可執行額外的步驟。例如，在一些實施方式中，方法800包括至少部分地藉由蝕刻製程形成接觸孔之步驟，此第一及第二光阻圖案作為蝕刻製程之遮罩。在其他某些實施方式中，方法800在顯影之後包括一步驟：藉由離子植入製程形成影像感測器裝置之輻射感測區域，此第一及第二光阻圖案作為離子植入製程中之植入遮罩。
基於上述討論，可見，本說明書提供優於習知半導體製造之優點。然而，應理解，其他實施方式可提供額外優點，而本說明書中並非必然揭示全部的優點，因此對全部的實施方式而言，沒有特定的優點是必須的。一個優點是光阻圖案可在圖案之間形成有較高深寬比的溝槽，而無光阻 圖案塌陷之風險。例如，如上述論述，化學收縮材料(或RELACS或SAFIER)允許光阻圖案有效橫向「收縮」，此減少溝槽之橫向維度或寬度。在此製程中，用以移除收縮材料之顯影溶液在溝槽內側產生毛細力，此等毛細力可在光阻圖案上拉動。習知如若光阻圖案過高及/或如若光阻圖案位置過於靠近彼此，則毛細力可導致光阻圖案塌陷。為避免此問題，習知光阻圖案形成方法藉由減少光阻圖案高度或增大光阻圖案之間的空間來限制溝槽深寬比，在裝置尺寸日益減小的先進半導體製造中，此等方法中無一是合乎需要的。
相較而言，本說明書藉由在化學收縮材料中混合表面活性劑粒子而克服了此問題，以使得一些表面活性劑粒子在顯影製程期間配置在溝槽側壁表面之上。表面活性劑粒子減少表面張力，此表面張力與毛細力相關。因而，光阻圖案經受的毛細力效應亦因為此等表面活性劑粒子之存在而減少，此舉減小光阻圖案塌陷之風險。因此，與習知可能情況相比，本說明書可形成具有更大高度及/或更近間隔的光阻圖案，而沒有光阻圖案塌陷問題之風險。此等光阻圖案可在隨後的例如接觸孔形成或像素離子植入的製程中作為遮罩以獲得更佳的結果，例如更小裝置尺寸或更大裝置圖案密度。其他優點可包括更低成本、增大產率，及與現有製程流程的相容。
本說明書之一個態樣涉及製造半導體裝置之方法。第一光阻圖案及第二光阻圖案在基板上方形成。第一光阻圖案藉由間隙與第二光阻圖案分隔。化學混合物被塗佈在 第一及第二光阻圖案上。化學混合物包含化學材料及混合至化學材料內的表面活性劑粒子。化學混合物充填間隙。在第一及第二光阻圖案上執行烘烤製程，此烘烤製程導致間隙收縮。至少一些表面活性劑粒子配置在間隙之側壁邊界處。在第一及第二光阻圖案上執行顯影製程。顯影製程移除間隙中及光阻圖案上方之化學混合物。配置在間隙的側壁邊界處之表面活性劑粒子減少顯影製程期間的毛細效應。
本說明書之一個態樣涉及製造半導體裝置之方法。表面活性劑化合物混合在具有熱交聯性質的化學材料中。第一光阻圖案及第二光阻圖案在基板上方形成。第一及第二光阻圖案定義圖案之間的溝槽。其中混合有表面活性劑化合物之化學材料施加在基板上方及第一及第二光阻圖案周圍。加熱化學材料及光阻圖案，藉此將化學材料中配置在第一及第二光阻圖案上之部分轉換為交聯材料。交聯材料之側壁表面上配置有表面活性劑化合物。第一及第二光阻圖案藉由應用顯影溶液而顯影。顯影藉由移除尚未轉換至交聯材料的化學材料部分而減少溝槽寬度。交聯材料之側壁表面上配置的表面活性劑化合物減少第一及第二光阻圖案在顯影期間經受的毛細力。
本說明書之一個態樣涉及製造半導體裝置之方法。表面活性劑分子混合在整個化學材料中。化學品包含熱響應性共聚合物，此共聚合物促進光阻劑材料回應於烘烤之流動。第一光阻圖案及第二光阻圖案在基板上方形成。第一及第二光阻圖案由溝槽分隔。其中混合有表面活性劑分子之 化學材料塗佈在第一及第二光阻圖案上方。在塗佈之後，烘烤化學材料及光阻圖案。化學材料回應於烘烤而誘發第一及第二光阻圖案流向彼此，藉此減少溝槽之橫向維度。在流動期間，化學材料向第一及第二光阻圖案之側壁提供機械支撑。表面活性劑分子存在於溝槽側壁邊界上。在烘烤之後，藉由使用顯影溶液而顯影第一及第二光阻圖案。顯影溶液移除化學材料。藉由表面活性劑分子在溝槽側壁邊界上之存在而減少溝槽內側的毛細力。
前述內容已概括數個實施方式之特徵，以便彼等熟習此項技術者可更佳地理解下文中之詳細說明。彼等熟習此項技術者應瞭解，本說明書可易於用作設計或修正其他製程及結構之基礎，以實現與本說明書介紹之實施方式相同的目的及/或達到與其相同的優點。彼等熟習此項技術者亦應瞭解，此種同等構造不脫離本說明書之精神及範疇，及可在不脫離本說明書精神及範疇之情況下在本說明書中進行多種變更、取代及更動。

Claims (10)

  1. 一種製造一半導體裝置之方法，該方法包括：在一基板上方形成一第一光阻圖案及一第二光阻圖案，該第一光阻圖案藉由一間隙與該第二光阻圖案分隔；塗佈一化學混合物於該第一及該第二光阻圖案上，該化學混合物包含一化學材料及混合在該化學材料內的表面活性劑粒子，其中該化學混合物充填該間隙，該間隙具有一溝槽，該溝槽具有至少8：1之深寬比；之後，在該第一及該第二光阻圖案上執行一烘烤製程，該烘烤製程使得該間隙收縮，其中至少一些表面活性劑粒子配置在該間隙之側壁邊界上；以及之後，在該第一及該第二光阻圖案上執行一顯影製程，其中該顯影製程移除位在該間隙中及該第一及該第二光阻圖案上方之該化學混合物，其中配置在該間隙之該側壁邊界處之該等表面活性劑粒子在該顯影製程期間減少一毛細效應。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該化學材料具有熱交聯性質，以讓該烘烤製程導致該化學混合物之一部分變得與該第一及該第二光阻圖案之側壁交聯，且其中該化學混合物之該等交聯部分定義該間隙之該側壁邊界。
  3. 如請求項1所述之方法，其中該化學材料包含熱響應性共聚物，該共聚物促進該第一及該第二光阻圖案在該烘烤製程期間之流動，其中該第一及該第二光阻圖案之該流動導致該間隙收縮。
  4. 如請求項1所述之方法，在該塗佈之前進一步包括：獲得一氟化表面活性劑或一烴表面活性劑以作為該等表面活性劑粒子；及以一均勻分佈方式混合該等表面活性劑粒子於該化學材料中。
  5. 如請求項1所述之方法，在執行該顯影製程之後進一步包括：形成一影像感測器裝置之一感光像素，其中該感光像素之形成是藉由使用該第一及該第二光阻圖案作為一遮罩來執行。
  6. 一種製造一半導體裝置之方法，該方法包括：在一化學材料中混合表面活性劑化合物，該化學材料具有熱交聯性質；在一基板上方形成一第一光阻圖案及一第二光阻圖案，該第一及該第二光阻圖案之間定義一溝槽，其中該溝槽具有至少8：1之深寬比；將混合有該表面活性劑化合物之該化學材料施加在該基板上方及該第一及該第二光阻圖案周圍；加熱該化學材料及該第一及該第二光阻圖案，藉此將配置在該第一及該第二光阻圖案上之該化學材料之部分轉變為一交聯材料，其中該交聯材料之側壁表面上配置有該表面活性劑化合物；及藉由施加一顯影溶液來顯影該第一及該第二光阻圖案，其中該顯影藉由移除該化學材料之尚未轉變為該交聯 材料的部分而減少該溝槽之一寬度，其中配置在該交聯材料之該等側壁表面上之該表面活性劑化合物減少該第一及該第二光阻圖案在該顯影期間所經受的毛細力。
  7. 如請求項6所述之方法，在該顯影之後進一步包括：藉由一蝕刻製程形成一接觸孔，在該製程中該第一及該第二光阻圖案作為一蝕刻遮罩。
  8. 如請求項6所述之方法，在該顯影之後進一步包括：藉由一離子植入製程形成一影像感測器裝置之一輻射感測區域，在該製程中該第一及該第二光阻圖案作為一植入遮罩。
  9. 一種製造一半導體裝置之方法，該方法包括：混合表面活性劑分子於一化學材料的整體中，該化學材料包含熱響應性共聚合物，當該等共聚合物被烘烤，該等共聚合物促進一光阻劑材料之流動；在一基板上方形成一第一光阻圖案及一第二光阻圖案，該第一及該第二光阻圖案藉由一溝槽分隔，其中該溝槽的高與該溝槽的寬的比值至少為8：1；將混合有該等表面活性劑分子之該化學材料塗佈在該第一及該第二光阻圖案上方；在該塗佈之後，烘烤該化學材料及該第一及該第二光阻圖案，其中該化學材料回應於該烘烤而誘使該第一及該第二光阻圖案流向彼此，藉此減少該溝槽之一橫向維度，其中該化學材料在該流動期間向該第一及該第二光阻圖案 之側壁提供機械支撑，且其中表面活性劑分子存在於該溝槽之側壁邊界上；及在該烘烤之後，藉由使用一顯影溶液來顯影該第一及該第二光阻圖案，其中該顯影溶液移除該化學材料，且其中藉由該等表面活性劑分子在該溝槽之該側壁邊界上之存在而減少該溝槽內側的毛細力。
  10. 如請求項9所述之方法，在該顯影之後進一步包括：至少部分地藉由一蝕刻製程形成一接觸孔，該第一及該第二光阻圖案作為該蝕刻製程之一遮罩。
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