TWI638225B - 光罩及半導體裝置的形成方法 - Google Patents

Abstract

光罩的形成方法包含提供第一圖案，其中第一圖案包含第一透光區和第一遮光區，將第一圖案轉換成第二圖案，其中第二圖案包含第二透光區和第二遮光區，第二透光區位於第一透光區的範圍內，且第二透光區的面積小於第一透光區的面積，第二遮光區包含第一遮光區的所有範圍，且第二遮光區的面積大於第一遮光區的面積，以及將第二圖案形成於光罩基底上，以形成光罩，其中光罩係在材料層的離子植入製程中使用。

Description

光罩及半導體裝置的形成方法

本發明是關於半導體製造技術，特別是關於光罩的佈局圖案的形成方法及半導體裝置的形成方法。

在半導體製造過程中，微影(photolithography)製程是將積體電路佈局圖案轉移至半導體晶片上的重要步驟。一般而言會先依據積體電路佈局設計出光罩佈局圖案，再將光罩佈局圖案形成於光罩上。然後，在微影製程中將光罩上的圖案等比例轉移到半導體晶片表面的光阻材料層上。

此外，過去數十年間半導體裝置與製造技術的進步使得電路越來越小也越來越複雜，在微影製程中，如何縮小關鍵尺寸(critical dimension)以及提高製程裕度(process window)是目前需努力的方向。

根據一些實施例，提供光罩的形成方法，光罩係在材料層的離子植入製程中使用。光罩的形成方法包含提供第一圖案，其中第一圖案包含第一透光區和第一遮光區。光罩的形成方法也包含將第一圖案轉換成第二圖案，其中第二圖案包含第二透光區和第二遮光區，第二透光區位於第一透光區的範圍內，且第二透光區的面積小於第一透光區的面積，第二遮光 區包含第一遮光區的所有範圍，且第二遮光區的面積大於第一遮光區的面積。光罩的形成方法更包含將第二圖案形成於光罩基底上，以形成光罩。

根據一些實施例，提供半導體裝置的形成方法。半導體裝置的形成方法包含提供使用上述之光罩的形成方法所形成的光罩，光罩具有遮光圖案和遮光圖案以外的透光區，其中遮光圖案對應於第二圖案的第二遮光區，透光區對應於第二圖案的第二透光區，遮光圖案環繞透光區，且遮光圖案延伸至光罩之邊緣。半導體裝置的形成方法也包含在半導體基底上形成材料層，以及在材料層上形成遮罩層。半導體裝置的形成方法更包含在遮罩層上形成光阻層，以及利用上述光罩對光阻層進行曝光，並且對曝光後的光阻層進行顯影，以形成圖案化光阻。此外，半導體裝置的形成方法包含利用圖案化光阻對遮罩層進行圖案化製程，以形成圖案化遮罩，以及利用圖案化遮罩對材料層進行離子植入製程。

100、300‧‧‧第一圖案

101、301‧‧‧圖案設置區

111、311‧‧‧第一透光區

121、122、123、321‧‧‧第一遮光區

131、431‧‧‧第二透光區

132、432‧‧‧第三透光區

133、433‧‧‧第四透光區

434‧‧‧第五透光區

341‧‧‧預設第二遮光區

141、441‧‧‧第二遮光區

200、400‧‧‧第二圖案

331、332、333、334、335、336、337、338、339‧‧‧子透 光區

500‧‧‧光罩

501‧‧‧半導體基底

503‧‧‧材料層

505‧‧‧遮罩層

505’‧‧‧圖案化遮罩

507‧‧‧光阻層

507’‧‧‧圖案化光阻

510‧‧‧離子植入製程

600‧‧‧半導體裝置

A1、A2、A3‧‧‧第一區

B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9‧‧‧第二區

C‧‧‧中心點

d1‧‧‧第一距離

d2‧‧‧第二距離

d3‧‧‧第三距離

d4‧‧‧第四距離

d5‧‧‧間距

L1‧‧‧第一長度

L2‧‧‧第二長度

W1‧‧‧第一寬度

W2‧‧‧第二寬度

X‧‧‧水平方向

Y‧‧‧垂直方向

藉由以下的詳述配合所附圖式，我們能更加理解本發明實施例的觀點。值得注意的是，根據工業上的標準慣例，一些部件(feature)可能沒有按照比例繪製。事實上，為了能清楚地討論，不同部件的尺寸可能被增加或減少。

第1A-1C圖是根據本發明的一些實施例，顯示形成光罩的佈局圖案之方法中各個階段的上視圖；第2A-2C圖是根據本發明的另一些實施例，顯示形成光罩的佈局圖案之方法中各個階段的上視圖； 第3A-3D圖是根據本發明的一些實施例，顯示形成半導體裝置之各個階段的剖面示意圖，其中第3A-3D圖中所繪示的半導體裝置的剖面係對應於第2C圖的光罩之上視圖中線3-3的位置。

根據一些實施例，如第1A圖所示，在光罩的圖案設置區101內標記出第一區A1、A2、A3和第二區B1、B2、B3。第一區A1、A2、A3和第二區B1、B2、B3係分別對應至後續製程中半導體裝置之目標元件(例如：主動區、閘極、接觸孔洞或前述之組合)所在的位置，且每一個第一區A1、A2、A3和每一個第二區B1、B2、B3皆為獨立的區域，彼此並不相連。

在本實施例中，第一區A1、A2、A3為後續製程中，預期使用光罩對半導體裝置的材料層實施製程處理的區域，而第二區B1、B2、B3為後續製程中，預期對半導體裝置的材料層不實施製程處理的區域。此外，圖案設置區101內除了第一區A1、A2、A3和第二區B1、B2、B3以外的區域為對前述之材料層可選擇性實施製程處理的區域。在一些實施例中，前述製程處理可例如為離子植入製程。

接著，如第1B圖所示，在圖案設置區101內產生第一圖案100，第一圖案100包含第一透光區111和複數個第一遮光區121、122、123。一些實施例中，這些第一遮光區121、122、123彼此隔開，且第一透光區111環繞每一個第一遮光區121、122、123。此外，第一圖案100為通過光罩佈局之設計 規範驗證(design rule check，DRC)的圖案設計。

值得注意的是，第一遮光區121、122、123分別對應至第一區A1、A2、A3的位置，且至少分別包含第一區A1、A2、A3的全部範圍。此外，第一透光區111完全覆蓋第二區B1、B2、B3和圖案設置區101內除了第一區A1、A2、A3和第二區B1、B2、B3以外的區域。

根據一些實施例，如第1C圖所示，將第一圖案100轉換成第二圖案200。第二圖案200包含第二透光區131、第三透光區132、第四透光區133和第二遮光區141。一些實施例中，第二透光區131、第三透光區132、第四透光區133彼此隔開，第二遮光區141環繞第二透光區131、第三透光區132和第四透光區133，且第二遮光區141延伸至第二圖案200的邊緣。此外，由於第二圖案200係自第一圖案100轉換而成，第二圖案200同樣為通過光罩佈局之設計規範驗證(DRC)的圖案設計。

值得注意的是，第二透光區131對應至第二區B1的位置，且至少完全覆蓋第二區B1，第三透光區132對應至第二區B2的位置，且至少完全覆蓋第二區B2，以及第四透光區133對應至第二區B3的位置，且至少完全覆蓋第二區B3。此外，第二遮光區141包含第一區A1、A2、A3的全部範圍以及圖案設置區101內除了第一區A1、A2、A3和第二區B1、B2、B3以外的區域的一部分。

參見第1B和1C圖，第1C圖中的第二透光區131、第三透光區132和第四透光區133係位於第1B圖中的第一透 光區111的範圍內，且第二透光區131、第三透光區132和第四透光區133的面積總和小於第一透光區111的面積。另一方面，第二遮光區141包含第一遮光區121、122、123的所有範圍，且第二遮光區141的面積大於第一遮光區121、122、123的面積總和。

當使用以第1B圖中第一圖案100所形成的光罩對半導體裝置的材料層進行製程處理時，將使半導體裝置之目標元件區與其上方藉由第一圖案100所形成的圖案化遮罩之間的距離太近。當使用第1C圖中第二圖案200所形成之光罩對半導體裝置的材料層進行製程處理時，則可以使得半導體裝置之目標元件區與其上方藉由第二圖案200所形成的圖案化遮罩之間的距離較遠。

舉例而言，參見第1B圖，第一圖案100的第一遮光區123與第一區A3的範圍完全一致，在水平方向X上第一區A3的中心點C與第一透光區111之間有第一距離d1，而在垂直方向Y上第一區A3的中心點C與第一透光區111之間有第一距離d2。另外，參見第1C圖，第二圖案200的第二遮光區141包含第一區A3的範圍，在水平方向X上第一區A3的中心點C與第四透光區133之間有第三距離d3，而在垂直方向Y上第一區A3的中心點C與第三透光區132之間有第四距離d4。在此實施例中，以第二圖案200與第一圖案100相比，第三距離d3大於第一距離d1，且第四距離d4大於第二距離d2。

由於第二圖案200中的第三距離d3和第四距離d4 大於第一圖案100中的第一距離d1和第二距離d2，當使用第二圖案200所形成之光罩對半導體裝置的材料層進行製程處理時，可以使得半導體裝置之目標元件區(例如A3)與其上方藉由第二圖案200所形成的圖案化遮罩之間的距離較遠，如此可避免圖案化遮罩影響目標元件區內的目標元件。

舉例而言，在半導體裝置的製程中，由例如高分子材料形成的圖案化遮罩的一部分容易在形成圖案化遮罩的圖案化製程(例如黃光製程)中掉入半導體裝置的接觸孔洞，使得接觸孔洞內後續形成的接觸(contact)的導電性變差，如此將使半導體裝置的阻值提高，不利於元件效能。當使用第二圖案200形成的光罩時，可以使得半導體裝置中已形成的接觸孔洞的區域與其上方藉由第二圖案200所形成的圖案化遮罩之間的距離較遠，避免形成圖案化遮罩的高分子材料或其他遮罩材料掉落至接觸孔洞內，進而避免半導體裝置的阻值提高。

另外，當半導體裝置之目標元件區(例如接觸孔洞)與其上方藉由第一圖案100所形成的圖案化遮罩之間的距離太近時，圖案化遮罩的一部份容易擋住接觸孔洞，使得後續經由接觸孔洞對半導體裝置位於接觸孔洞下方的區域實施離子植入製程的劑量不足。當使用第二圖案200形成的光罩對半導體裝置實施離子植入製程時，可克服前述圖案化遮罩擋住接觸孔洞造成離子植入劑量不足的問題。

再參見第1C圖，將第二圖案200形成光罩，此光罩可用於半導體裝置的製造，例如在半導體裝置之材料層的離子植入製程中使用。

根據另一些實施例，如第2A圖所示，在光罩的圖案設置區301內標記出第一區A1、A2、A3和第二區B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9。第一區A1-A3和第二區B1-B9係分別對應至後續製程中半導體裝置之目標元件(例如：主動區、閘極、接觸孔洞或前述之組合)所在的位置，且每一個第一區A1-A3和每一個第二區B1-B9皆為獨立的區域，彼此並不相連。

在本實施例中，第一區A1-A3為後續製程中，預期使用光罩對半導體裝置的材料層實施製程處理的區域，而第二區B1-B9為後續製程中，預期對半導體裝置的材料層不實施製程處理的區域。此外，圖案設置區301內除了第一區A1-A3和第二區B1-B9以外的區域為對前述之材料層可選擇性實施製程處理的區域。在一些實施例中，前述製程處理例如為離子植入製程。

參見第2A圖，提供通過光罩佈局之設計規範驗證(DRC)的第一圖案300。第一圖案300包含第一透光區311和第一遮光區321，且第一透光區311環繞第一遮光區321。一些實施例中，第一遮光區321至少包含複數個第一區A1-A3的全部範圍，且第一透光區311至少完全覆蓋複數個第二區B1-B9。

接續前述，如第2B圖所示，對第一圖案300進行轉換。首先，對應於每一個第二區B1-B9的位置，從第一透光區311劃分出複數個子透光區331、332、333、334、335、336、337、338、339，而子透光區331-339以外的區域即為預設第 二遮光區341。一些實施例中，子透光區331-339的數量等於第二區B1-B9的數量，且子透光區331-339分別完全覆蓋第二區B1-B9的範圍。

舉例而言，第二區B1在垂直方向Y上具有第一長度L1，且在水平方向X上具有第一寬度W1。覆蓋第二區B1的子透光區331在垂直方向Y上具有第二長度L2，且在水平方向X上具有第二寬度W2。值得注意的是，第二長度L2與第一長度L1的比值，以及第二寬度W2與第一寬度W1的比值至少為1.2，可視實際應用進行調整。

參見第2B圖，每一個子透光區331-339與相鄰的子透光區331-339之間有一距離，將子透光區331-339之間的距離小於曝光機之最小曝光間距(例如380nm)的兩個相鄰的子透光區331-339合併。在本實施例中，第2B圖的子透光區334和335之間有距離d5，且距離d5小於曝光機的最小曝光間距，因此將子透光區334和335合併成同一個透光區。

參見第2B和2C圖，將子透光區331和332合併為第二透光區431，將子透光區334、335和336合併為第四透光區433，以及將子透光區337、338和339合併為第五透光區434。

此外，由於第2B圖中的子透光區333與相鄰的其他子透光區331、332、334-339之間的距離皆大於曝光機的最小曝光間距，因此子透光區333無需與其他子透光區合併，子透光區333可單獨形成第2C圖中的第三透光區432。在本實施例中，由於子透光區333的面積太小，為了避免因面積太小 使得後續製程中不易形成相應的圖案化光阻和圖案化遮罩，可在子透光區333與最鄰近的第一區A3距離足夠的情況下，將子透光區333的面積向外適度地擴張，以產生第三透光區432。

如第2C圖所示，將子透光區331-339進行整合轉換後，完成光罩的第二圖案400。第二圖案400包含第二透光區431、第三透光區432、第四透光區433、第五透光區434和第二遮光區441。第二遮光區441為圖案設置區301中第二透光區431、第三透光區432、第四透光區433、第五透光區434以外的區域。此外，由於第二圖案400係自第一圖案300轉換而成，第二圖案400同樣為通過光罩佈局之設計規範驗證(DRC)的圖案設計。

一些實施例中，將第2C圖的第二圖案400形成於光罩基底上，以形成光罩，且第二遮光區441延伸至光罩的邊緣。

以下提供使用第二圖案400形成之光罩製造半導體裝置的方法，參見第3A圖，在半導體基底501上依序形成材料層503、遮罩層505和光阻層507。

一些實施例中，同時參見第2C圖，材料層503由第一區A1-A3、第二區B1-B9和第三區(即第一區A1-A3和第二區B1-B9以外的區域)組成。一些實施例中，第一區A1-A3為實施離子植入區，第二區B1-B9為不實施離子植入區，第三區為選擇性實施離子植入區。值得注意的是，材料層的第一區A1-A3和第二區B1-B9為半導體裝置600之目標元件(例如：主動區、閘極、接觸孔洞或前述之組合)所在的位置，且第一 區A1-A3和第二區B1-B9分別對應至不同的目標元件。

一些實施例中，材料層503的第一區A1-A3和第三區的位置對應於光罩的第二圖案400的第二遮光區441的位置，材料層503之第二區B1-B2的位置對應於光罩的第二圖案400的第二透光區431的位置，材料層503之第二區B3的位置對應於第三透光區432的位置，材料層503之第二區B4-B6的位置對應於第四透光區433的位置，以及材料層503之第二區B7-B9的位置對應於第五透光區434的位置。

由於第3A圖顯示之剖面示意圖係對應於第2C圖的光罩之上視圖中線3-3的位置，第3A圖中的材料層503內僅顯示一個實施離子植入區的第一區A2和一個不實施離子植入區的第二區B2。

接著，如第3A-3B圖所示，利用第二圖案400形成的光罩500對光阻層507進行曝光，並且對曝光後的光阻層507進行顯影，以形成第3B圖的圖案化光阻507’。隨後，如第3B-3C圖所示，利用圖案化光阻507’對遮罩層505進行圖案化製程(例如蝕刻製程)，以形成第3C圖的圖案化遮罩505’。

參見第3B和3C圖，由於第二圖案200的第二遮光區441係延伸至光罩500的邊緣，當光阻層507為負型光阻時，藉由此光罩500所形成的圖案化光阻507’和圖案化遮罩505’並未延伸至材料層503的邊緣。反之，當光阻層507為正型光阻時，可將光罩500中遮光圖案(例如第二遮光區441)和透光區(例如第二透光區431)的位置進行對調(例如將第二遮光區441改為透光區，將第二透光區431、第三透光區433和第 四透光區433改為遮光區)，如此，藉由此圖案對調後的光罩在正型光阻的光阻層507中形成的圖案化光阻507’和後續所形成的圖案化遮罩505’也未延伸至材料層503的邊緣。

接續前述，如第3D圖所示，利用圖案化遮罩505’對材料層503進行離子植入製程510，將離子植入材料層503的第一區(例如第一區A2)以及第三區(即材料層503內第一區A1-A3和第二區B1-B9以外的區域)內。在實施離子植入製程510之後，移除圖案化遮罩505’，完成包含半導體基底501和材料層503的半導體裝置600。

在使用負型光阻為光阻層，且使用第二圖案400形成光罩的佈局圖案的實施例中，圖案化遮罩505’覆蓋材料層503之第二區B2，而材料層之第一區A2和第三區並未被圖案化遮罩505’覆蓋。一些實施例中，相較於材料層503的第一區A2，圖案化遮罩505’更靠近材料層503的第二區B2。

本發明的一些實施例藉由將通過光罩佈局之設計規範驗證(DRC)的第一圖案轉換為另一也通過光罩佈局之設計規範驗證(DRC)第二圖案，使得半導體裝置之目標元件區與其上方藉由第二圖案形成的圖案化遮罩之間的距離較遠，如此可避免圖案化遮罩影響已經形成的目標元件。此外，相較於第一圖案中透光區與目標元件區的距離，由於第二圖案中的透光區與目標元件區之間的距離較遠，由第二圖案形成的光罩能在微影製程中具有較高的製程裕度(process window)，且產生階差(step height)較小的光阻層。再者，相較於由第一圖案形成的光罩，由第二圖案形成的光罩可不必使用高解析度的曝光機， 進而降低製程成本，也可藉由降低通過光罩的光通量，以避免透鏡加熱效應(lens heating effect)的發生。

以上概述數個實施例，以便在本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以更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該理解，他們能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該理解到，此類等效的製程和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之下，做各式各樣的改變、取代和替換。

Claims (14)

1. 一種光罩的形成方法，該光罩係在一材料層的離子植入製程中使用，包括：提供一第一圖案，其中該第一圖案包括一第一透光區和一第一遮光區；將該第一圖案轉換成一第二圖案，其中該第二圖案包括一第二透光區和一第二遮光區，該第二透光區位於該第一透光區的範圍內，且該第二透光區的面積小於該第一透光區的面積，該第二遮光區包含該第一遮光區的所有範圍，且該第二遮光區的面積大於該第一遮光區的面積；以及將該第二圖案形成於一光罩基底上，以形成一光罩。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光罩的形成方法，其中該第一透光區環繞該第一遮光區，且該第二遮光區環繞該第二透光區。
3. 如申請專利範圍第1項所述之光罩的形成方法，其中該第二圖案包括一第三透光區，該第三透光區位於該第一透光區的範圍內，且該第三透光區與該第二透光區不相連。
4. 如申請專利範圍第3項所述之光罩的形成方法，其中該第二透光區與該第三透光區之面積總和小於該第一透光區之面積，且其中該材料層由一第一區、一第二區和一第三區組成，該第一區為實施離子植入區，該第二區為不實施離子植入區，以及該第三區為選擇性實施離子植入區。
5. 如申請專利範圍第4項所述之光罩的形成方法，其中該第一區為一半導體裝置之一主動區、一閘極、一接觸孔洞或前 述之組合所在的位置，且該第二區為該半導體裝置之另一主動區、另一閘極、另一接觸孔洞或前述之組合所在的位置。
6. 如申請專利範圍第4項所述之光罩的形成方法，其中該第一遮光區對應於該第一區之位置，該第一透光區對應於該第二區和該第三區之位置，且其中該第二遮光區對應於該第一區和該第三區之位置，該第二透光區對應於該第二區之位置。
7. 如申請專利範圍第4項所述之光罩的形成方法，其中將該第一圖案轉換成該第二圖案的步驟更包括：對應於該材料層的該第二區的位置，該第一透光區劃分出複數個子透光區；以及將彼此間的間距小於一最小曝光間距的兩個相鄰的該些子透光區合併為該第二圖案的該第二透光區。
8. 一種半導體裝置的形成方法，包括：提供使用申請專利範圍第1項所述之光罩的形成方法所形成的一光罩，該光罩具有一遮光圖案和該遮光圖案以外的一透光區，其中該遮光圖案對應於申請專利範圍第1項中第二圖案的第二遮光區，該透光區對應於申請專利範圍第1項中第二圖案的第二透光區，該遮光圖案環繞該透光區，且該遮光圖案延伸至該光罩之邊緣；在一半導體基底上形成一材料層；在該材料層上形成一遮罩層；在該遮罩層上形成一光阻層； 利用該光罩對該光阻層進行曝光，並且對一曝光後的光阻層進行顯影，以形成一圖案化光阻；利用該圖案化光阻對該遮罩層進行圖案化製程，以形成一圖案化遮罩；以及利用該圖案化遮罩對該材料層進行離子植入製程。
9. 如申請專利範圍第8項所述之半導體裝置的形成方法，其中該光罩更包括另一透光區，該透光區和該另一透光區皆由該遮光圖案所環繞，且該透光區和該另一透光區彼此不相連。
10. 如申請專利範圍第8項所述之半導體裝置的形成方法，其中該材料層由一第一區、一第二區和一第三區組成，該第一區為實施離子植入區，該第二區為不實施離子植入區，以及該第三區為選擇性實施離子植入區。
11. 如申請專利範圍第10項所述之半導體裝置的形成方法，其中該第一區為一半導體裝置之一主動區、一閘極、一接觸孔洞或前述之組合所在的位置，且該第二區為該半導體裝置之另一主動區、另一閘極、另一接觸孔洞或前述之組合所在的位置。
12. 如申請專利範圍第10項所述之半導體裝置的形成方法，其中該遮光圖案對應於該第一區和該第三區的位置，且該透光區對應於該第二區的位置。
13. 如申請專利範圍第10項所述之半導體裝置的形成方法，其中該光阻層為負型光阻，且該圖案化遮罩覆蓋該第二區並暴露出該第一區和部分該第三區。
14. 如申請專利範圍第10項所述之半導體裝置的形成方法，其中該光阻層為負型光阻，且覆蓋該第二區的該圖案化遮罩之面積至少為該第二區之面積的1.2倍。