TWI733013B - 半導體製造方法 - Google Patents

Abstract

一種半導體製造方法包括提供結構基板，該結構基板具有第一元件區域以及第二元件區域在該第一元件區域的周圍區域。第一元件區域有第一元件密度的第一元件結構，第二元件區域有小於第一元件密度的第二元件密度的第二元件結構。多晶矽層形成於該第一元件區域與該第二元件區域上。氮化物層形成於該多晶矽層上。研磨停止層形成在該第二元件區域的該氮化物層上，覆蓋過該第二元件結構。氧化層形成在該氮化物層與該研磨停止層上方。進行研磨製程於在該第一元件區域與該第二元件區域的該氧化層，在該第二元件區域停止於該研磨停止層，且在該第一元件區域停止於該氮化物層。

Description

半導體製造方法

本發明是有關於半導體製造技術，更是關於半導體製造方法。

半導體製造技術是將電路所需要的電子元件以及連接導線製造在晶圓上而構成積體電路，其中電晶體元件是電路的主要部分，而且一般會涉及到大數量的電晶體。例如記憶裝置需要大數量的記憶胞。每一個記憶胞都至少包含一個電晶體。這些元件會在規劃的元件區域內密集製造在一起。

在這些元件的外圍一般會有隔離區域或元間稀疏的高電壓元件區域。隔離區域主要是絕緣材料的隔離結構。絕緣材料一般例如是介電材料。也就是，在隔離區域的元件密度會明顯小於元件區域。

在半導體製造過程中，一般會需要進行研磨，以對製造的工作面得到平坦化，以利於後續的製造。然而在研磨過程中，由於在元件密度較小的區域，其以較軟的絕緣材料為主，因此較容易被磨除，造成此區域的過度磨除而下陷。如果以此研磨後的表面繼續進行後續的其他製程，例如回蝕刻的製程，則此隔離區 域包括高電壓元件區域被研磨制程造成下陷，因此相對於密集元件的區域，會被過度蝕刻，可以能造成元件結構的損壞，或是降低其設計所預期的性能。

如何防止研磨製程，在相對低元件密度區域造成過度研磨而下陷的問題，是半導體製造技術所需要考量的。

本發明是關於半導體製造方法，其中在低元件密度區域，在經過研磨製程後，可以有效防止在低元件密度的表面下陷，而提供較佳的平坦度，其有利於後續製程可以以此平坦面繼續製造半導體元件。

於一實施例，本發明提供一種半導體製造方法。此方法包括提供結構基板，其中該結構基板具有第一元件區域以及第二元件區域在該第一元件區域的周圍區域，該第一元件區域有第一元件密度的第一元件結構，該第二元件區域有小於第一元件密度的第二元件密度的第二元件結構。形成多晶矽層於該第一元件區域與該第二元件區域上。形成氮化物層於該多晶矽層上。形成研磨停止層在該第二元件區域的該氮化物層上，覆蓋過該第二元件結構。形成氧化層在該氮化物層與該研磨停止層上方。進行研磨製程於在該第一元件區域與該第二元件區域的該氧化層，在該第二元件區域停止於該研磨停止層，且在該第一元件區域停止於該氮化物層。

於一實施例，於前述的半導體製造方法中，該第一元件 區域是低電壓元件區域，該第二元件區域是高電壓元件區域。

於一實施例，於前述的半導體製造方法中，該第一元件結構是低電壓閘極結構，該第二元件結構是高電壓閘極結構。

於一實施例，於前述的半導體製造方法中，該研磨停止層的材料是SiCN。

於一實施例，於前述的半導體製造方法中，形成研磨停止層的該步驟包括形成初步研磨停止層在該氮化物層上，以及定義該初步研磨停止層，以移除該初步研磨停止層的一部分，如此該初步研磨停止層的存留部分構成該研磨停止層。

於一實施例，於前述的半導體製造方法中，該初步研磨停止層是藉由沉積停止材料於該氮化物層所形成。

於一實施例，於前述的半導體製造方法中，該初步研磨停止層是藉由對該氮化物層進行碳電漿處理所形成。

於一實施例，本發明提供一種半導體製造方法。此方法包括提供結構基板，其中該結構基板具有第一元件區域以及第二元件區域在該第一元件區域的周圍區域，該第一元件區域有第一元件密度的第一元件結構，該第二元件區域有小於第一元件密度的第二元件密度的第二元件結構。形成多晶矽層於該第一元件區域與該第二元件區域上。形成氮化物層於該多晶矽層上。形成氧化層在該第一元件區域與該第二元件區域的該氮化物層上。形成研磨停止層在該第二元件區域的該氧化層上，覆蓋過該第二元件結構的周圍區域。進行研磨製程於在該第一元件區域與該第二元 件區域的該氧化層，在該第二元件區域停止於在該第二元件結構的該周圍區域的該研磨停止層，且在該第一元件區域停止於該氮化物層。

於一實施例，於前述的半導體製造方法中，該第一元件區域是低電壓元件區域，該第二元件區域是高電壓元件區域。

於一實施例，於前述的半導體製造方法中，該第一元件結構是低電壓閘極結構，該第二元件結構是高電壓閘極結構。

於一實施例，於前述的半導體製造方法中，該研磨停止層的材料是氮化物。

於一實施例，於前述的半導體製造方法中，形成研磨停止層的該步驟包括形成初步研磨停止層在該氧化物層上，以及定義該初步研磨停止層，以移除該初步研磨停止層的一部分，如此該初步研磨停止層的存留部分構成在該第二元間區域的該研磨停止層。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

50、70:第一元件區域

60、80:第二元件區域

100、200:結構基板

102、202:第一元件結構

104、204:第二元件結構

106:多晶矽層

108:氮化物層

110:氧化層

112、114:凹陷

206:多晶矽層

208:氮化物層

210:碳氮化矽層

210’:研磨停止層

212:光阻層

214:氧化層

216:研磨停止層

218:光阻層

圖1A到圖1C是依照本發明所考慮的一般研磨製程的剖面結構示意圖。

圖2A到圖2F是依照本發明一實施例，研磨製程的剖面結構 示意圖。

圖3A到圖3C是依照本發明一實施例，研磨製程的剖面結構示意圖。

圖4A到圖4C是依照本發明一實施例，研磨製程的剖面結構示意圖。

積體電路在半導體的製造上，其元件的佈局會包含第一元件區域以及第二元件區域。半導體元件會密集形成於第一元件區域，這些半導體元件一般包含一些低電壓元件，有很大的數量。第二元件區域例如會形成較少數量元件，其例如是高電壓元件以及隔離結構等等。因此，在第二元件區域的元件密度會小於第一元件區域的元件密度。

就元件密度而言在第一元件區域以及第二元件區域的不同差異，其經過研磨製程後，在第二元件區域會產生凹陷。本發明對此現象做進一步研究，以及因應提出改善的技術。以下舉一些實施例來說明，但是本發明不限於所舉的一些實施例。

本發明先描述一些問題的觀察與調查。圖1A到圖1C是依照本發明所考慮的一般研磨製程的剖面結構示意圖。參閱圖1A，在結構基板100上會包含第一元件區域50以及第二元件區域60。第一元件區域50是元件主要區域，第二元件區域60在第一元件區域50的周邊。第一元件區域50有第一元件結構102，其構成第一元件密度。第二元件區域60有第二元件結構104，其構成 第二元件密度。第二元件密度小於第一元件密度。第一元件結構102例如是電晶體的閘極結構。第二元件結構104例如是高電壓電晶體的閘極結構。

以雙閘極的矽-氧化物-氮化物-氧化物-矽(SONOS)記憶體的結構為例，第一元件結構102例如是記憶閘極的結構。由於雙閘極架構的設計，其還需要選擇閘極結構在記憶閘極旁邊一起運作。如此，多晶矽層106會形成於第一元件區域50以及第二元件區域60，覆蓋第一元件結構102與第二元件結構104。接著氮化物層108也在第一元件區域50以及第二元件區域60形成於多晶矽層106上。接著，氧化層110也是在第一元件區域50以及第二元件區域60形成於氮化物層108上。此時，第一元件區域50以及第二元件區域60由於元件結構的個體分佈，其工作的表面會是不平坦的狀態。

參閱圖1B，研磨製程在第一元件區域50以及第二元件區域60對氧化層110進行研磨。在第一元件區域50，研磨製程會停止在氮化物層108上。此氮化物層108在功用上當作研磨停止層。然而，在第二元件區域60，由於元件密度較低因此會過度研磨，產生凹陷112。探究原因，其在第二元件區域60的元件密度較低，因此氮化物層108承受較大的研磨程度，而在第二元件區域60的氮化物層108強度不足以停止研磨製程。

圖1C，接續的製程例如還需要進行無選擇比的回蝕刻，將第一元件結構102的上部移除，得到所要的閘極結構。其例如 是雙閘極SONOS記憶體結構，需要利用多晶矽層106於更後續形成選擇閘極結構。然而本發明不限於此。

由於在研磨製程在第二元件區域60過度蝕刻產生凹陷112。此凹陷112仍會存在於回蝕刻製程，導致在第二元件區域60仍存在凹陷114。此凹陷114例如是200埃的程度，可能會損壞第二元件結構104。

本發明至少觀察到有上述在第二元件區域60的凹陷現象。本發明提出可以有效減少凹陷現象的技術。

圖2A到圖2F是依照本發明一實施例，研磨製程的剖面結構示意圖。參閱圖2A，在結構基板200上會包含第一元件區域70以及第二元件區域80。第二元件區域80位於第一元件區域70的周邊。結構基板200是以晶圓為基礎，其上面以形成有一些結構。例如，第一元件區域70有第一元件結構202，其構成第一元件密度。第二元件區域80有第二元件結構204，其構成第二元件密度。第二元件密度小於第一元件密度。第一元件結構202例如是電晶體的閘極結構。第二元件結構204例如是高電壓電晶體的閘極結構。

以雙閘極的SONOS記憶體的結構為例，第一元件結構202例如是記憶閘極的結構，其還需要選擇閘極結構在記憶閘極旁邊一起運作。多晶矽層206會形成於第一元件區域70以及第二元件區域80，覆蓋第一元件結構202與第二元件結構204。接著氮化物層208也在第一元件區域70以及第二元件區域80形成於多 晶矽層206上。

參閱圖2B，於一實施例，接著在氮化物層208形成初始的碳氮化矽(SiCN)層210。此碳氮化矽層210例如可以在第一元件區域70以及第二元件區域80利用沉積製成形成。碳氮化矽層210可以增強在第二元件區域80在後續研磨製程的抗磨效果，但是在第一區域70，由於第一元件密度較大，而不需要保留。因此，對碳氮化矽層210進行定義，包括形成光阻層212是在第二元件結構204的上方。

參閱圖2C，以光阻層212為蝕刻罩幕，移除碳氮化矽層210被暴露的部分，而保留在第二元件結構204上方被光阻層212覆蓋的部分，當作研磨停止層210’的作用。

參閱圖2D，氧化層214形成在第一元件區域70以及第二元件區域80，覆蓋氮化物層208以及在第二元件區域80研磨停止層210’。

參閱圖2E，研磨製程在第一元件區域70以及第二元件區域80對氧化層214進行研磨。在第一元件區域70，研磨製程其會停止在氮化物層208上。此氮化物層208在功用上與可以當作第一元件區域70的研磨停止層。然而，在第二元件區域80，研磨製程會停止在SiCN材料的研磨停止層210’，而有效防止在第二元件區域80如圖1B所描述由於較低的元件密度所產生的過度研磨。

參閱圖2F，於一實施例，例如雙閘極記憶體的結構所需要的後續製程，例如需要進行無選擇比的回蝕刻製程，移除第一 元件結構202的一部分，完成記憶功能的閘極結構。另外多晶矽層206可以在後續製程，完成選擇閘極結構。

就整體機制，本發明在圖2E的研磨過程中提供在第一元件區域70與第二元件區域80較佳的平坦度，其中第二元件區域80可以減少過度研磨而凹陷現象。在後續移除厚度的製程中，不會造成第二元件區域80的凹陷，而影響第二元件區域80的預定結構，例如損壞第二元件結構204。

然而，本發明不限於圖2E後面的圖2F的後續製造流程。也就是本發明在圖2E降低在第二元件區域80被研磨產生凹陷的機率。而後續的製程都可以在此較佳平坦面上繼續加工製造，以得到較佳的製造品質。

關於研磨停止層210’的形成，其也不限於前面所舉的實施例。以下在舉一些實施例來說明。圖3A到圖3C是依照本發明一實施例，研磨製程的剖面結構示意圖。參閱圖3A，其結構與圖2A的結構相似，但是增加氮化物層208的厚度。

參閱圖3B，由於氮化物層208的厚度加大，可就由施行碳電漿處理製程，將氮化物層208的上表層部分直接轉換成SiCN材料的碳氮化矽層210，而不是圖2B的沉積方式形成碳氮化矽層210。參閱3C，與圖2C相同，對碳氮化矽層210利用光阻層212為蝕刻罩幕，對碳氮化矽層210移除暴露部分，而形成研磨停止層210’。

本發明再舉一實施例，也可以達到前述研磨停止層210’ 的效果。圖4A到圖4C是依照本發明一實施例，研磨製程的剖面結構示意圖。

參閱圖4A，此方法提供結構基板200，其中結構基板200具有第一元件區域70以及第二元件區域80。第二元件區域80在第一元件區域70的周圍區域。第一元件區70域有第一元件結構202，具有第一元件密度。第二元件區域80有第二元件結構204，其具有小於第一元件密度的第二元件密度。多晶矽層206形成於第一元件區域70與第二元件區域80上。氮化物層208形成於該多晶矽層上。氧化層212在第一元件區域70與第二元件區域80，形成於氮化物層208上。

初始的研磨停止層216先形成在氧化層214上，至少會覆蓋第二元件區域80。於一實施例，初始的研磨停止層216例如是氮化物層，沉積在第一元件區域70與第二元件區域80的氧化層214上。此初始的研磨停止層216會被後續進一步被定義，預計覆蓋在第二元件結構204的周圍區域。定義製程包括先形成光阻層218在第二元件區域80的研磨停止層216上，其是覆蓋在第二元件結構204的周圍區域。

參閱圖4B，接著以光阻層218為蝕刻罩幕，移除研磨停止層216被暴露的部分。在移除光阻層218後，研磨停止層216所存留的部分是覆蓋在第二元件結構204的周圍區域。由於氧化層212在第二元件結構204的上方會凸出，因此研磨停止層216的高度較低，於一實施例，其例如可以接近第二元件結構204的 高度。

參閱圖4C，研磨製程在第一元件區域70以及第二元件區域80對氧化層214進行研磨。在第一元件區域70，研磨製程其會停止在氮化物層208上。此氮化物層208在功用上與可以當作第一元件區域70的研磨停止層。然而，在第二元件區域80，研磨製程會停止在研磨停止層216，而有效防止在第二元件區域80如圖1B所描述由於較低的元件密度所產生的過度研磨。

本發明提出在第二元件區域80形成研磨停止層，其可以在第二元件結構204的上方，或是第二元件結構204的周圍。如此增強第二元件區域80抗研磨的能力，可以達到較佳的平坦度，在後續製程可以有效減少在第二元件區域80可能厚度不足所產生的問題。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

70‧‧‧第一元件區域

80‧‧‧第二元件區域

200‧‧‧結構基板

202‧‧‧第一元件結構

204‧‧‧第二元件結構

206‧‧‧多晶矽層

208‧‧‧氮化物層

210’‧‧‧研磨停止層

214‧‧‧氧化層

Claims (12)

1. 一種半導體製造方法包括：提供結構基板，其中該結構基板具有第一元件區域以及第二元件區域在該第一元件區域的周圍區域，該第一元件區域有第一元件密度的第一元件結構，該第二元件區域有小於第一元件密度的第二元件密度的第二元件結構；形成多晶矽層於該第一元件區域與該第二元件區域上；形成氮化物層於該多晶矽層上；形成研磨停止層，在該第二元件區域的該氮化物層上，覆蓋過該第二元件結構；形成氧化層，在該氮化物層與該研磨停止層上方；以及進行研磨製程，於在該第一元件區域與該第二元件區域的該氧化層，在該第二元件區域停止於該研磨停止層，且在該第一元件區域停止於該氮化物層。
2. 如申請專利範圍第1項所述的半導體製造方法，其中該第一元件區域是低電壓元件區域，該第二元件區域是高電壓元件區域。
3. 如申請專利範圍第2項所述的半導體製造方法，其中該第一元件結構是低電壓閘極結構，該第二元件結構是高電壓閘極結構。
4. 如申請專利範圍第1項所述的半導體製造方法，其中該研磨停止層的材料是SiCN。
5. 如申請專利範圍第1項所述的半導體製造方法，其中形成研磨停止層的該步驟包括：形成初步研磨停止層，在該氮化物層上；以及定義該初步研磨停止層，以移除該初步研磨停止層的一部分，如此該初步研磨停止層的存留部分構成該研磨停止層。
6. 如申請專利範圍第5項所述的半導體製造方法，其中該初步研磨停止層是藉由沉積停止材料於該氮化物層所形成。
7. 如申請專利範圍第5項所述的半導體製造方法，其中該初步研磨停止層是藉由對該氮化物層進行碳電漿處理所形成。
8. 一種半導體製造方法，包括：提供結構基板，其中該結構基板具有第一元件區域以及第二元件區域在該第一元件區域的周圍區域，該第一元件區域有第一元件密度的第一元件結構，該第二元件區域有小於第一元件密度的第二元件密度的第二元件結構；形成多晶矽層於該第一元件區域與該第二元件區域上；形成氮化物層於該多晶矽層上；形成氧化層，在該第一元件區域與該第二元件區域的該氮化物層上；形成研磨停止層，在該第二元件區域的該氧化層上，覆蓋在該第二元件結構的周圍區域；以及 進行研磨製程，於在該第一元件區域與該第二元件區域的該氧化層，在該第二元件區域停止於在該第二元件結構的該周圍區域的該研磨停止層，且在該第一元件區域停止於該氮化物層。
9. 如申請專利範圍第8項所述的半導體製造方法，其中該第一元件區域是低電壓元件區域，該第二元件區域是高電壓元件區域。
10. 如申請專利範圍第9項所述的半導體製造方法，其中該第一元件結構是低電壓閘極結構，該第二元件結構是高電壓閘極結構。
11. 如申請專利範圍第8項所述的半導體製造方法，其中該研磨停止層的材料是氮化物。
12. 如申請專利範圍第8項所述的半導體製造方法，其中形成研磨停止層的該步驟包括：形成初步研磨停止層，在該氧化物層上；以及定義該初步研磨停止層，以移除該初步研磨停止層的一部分，如此該初步研磨停止層在該第二元間區域的存留部分構成該研磨停止層。

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