TWI768699B - 修整半導體結構的方法 - Google Patents

Abstract

一種修整半導體結構的方法，首先提供基材，基材包括第一區以及第二區，第一區以及第二區分別包含第一堆疊結構以及第二堆疊結構，並且第一堆疊結構以及第二堆疊結構的頂部具有圖案化硬遮罩。形成圖案化光阻，覆蓋第一堆疊結構與第二堆疊結構，圖案化光阻包含開口暴露出第二堆疊結構。移除圖案化光阻以及圖案化硬遮罩，其中第二堆疊結構頂部的部分圖案化硬遮罩未被移除而轉換為硬遮罩殘留。於基材上形成光阻完全覆蓋第一堆疊結構與第二堆疊結構。移除光阻以及第二堆疊結構頂部的硬遮罩殘留。

Description

修整半導體結構的方法

本發明大致上關於一種半導體結構與一種修整半導體結構的方法。特別是，本發明係針對經由一種修整半導體結構的方法來得到的一種半導體結構，使得半導體結構中位於高圖案密度區(high pattern density region)中的圖案化硬遮罩能夠被盡可能的移除。

硬遮罩是一種常用於半導體製程中的材料層。圖案化的硬遮罩通常用於蝕刻步驟，例如濕蝕刻。圖案化硬遮罩一方面可以協助將光罩上所定義的圖案轉移至其下方的材料層，例如多晶矽層，另一方面還可以保護位於其下方的材料層的特定部分，防止蝕刻步驟對此下方的材料層的特定部分造成損傷。在蝕刻步驟完成後，再經由習知的硬遮罩去除方法，剝除用過的硬遮罩，同時暴露出位於其下方的材料層。

儘管採用了習知的硬遮罩去除方法來剝除用過的硬遮罩，但在某些狀況下剝除過程可能並不理想。例如，當基材上同時存在有具有較高圖案密度的布局圖案與具有較低圖案密度的布局圖案時，儘管傳統的硬遮罩去除方法可以有效地剝光具有較低圖案密度的布局圖案上的用過的硬遮罩，但是具有較高圖案密度的布局圖案上的用過的硬遮罩，仍然傾向於存在局部的硬遮罩殘留，例如用過的硬遮罩的氧化物殘留。不同圖案密度之間的光阻負荷目前還難以消 除。但是，如果一旦增加去除時間，則反而會造成位於硬遮罩下方的材料層的損壞。

因此，仍然需要一種新穎的半導體製程，來解決目前習知半導體製程所不能克服的問題。

有鑑於此，本發明提出一種新穎的半導體製程。這種新穎的半導體製程，既可以有效地剝光具有較高圖案密度的布局圖案上的用過的硬遮罩來改善硬遮罩殘留的問題，還可以避免其它的材料層因為過度蝕刻所造成的損傷。本發明也據此提出一種新穎的半導體結構。

本發明提出一種修整半導體結構的方法。首先，提供基材。基材包括第一區、第二區、第一堆疊結構、第二堆疊結構與圖案化硬遮罩。第一區以及第二區分別包含第一堆疊結構以及第二堆疊結構，第一堆疊結構與第二堆疊結構的頂部具有圖案化硬遮罩。其次，形成圖案化光阻覆蓋第一堆疊結構與第二堆疊結構。圖案化光阻包含開口而暴露出第二堆疊結構。移除圖案化光阻以及圖案化硬遮罩，第二堆疊結構頂部的部分圖案化硬遮罩未被移除而轉換為硬遮罩殘留。依序於基材上形成氧化矽層以及氮化矽層來覆蓋第一堆疊結構以及第二堆疊結構。移除部分氮化矽層，以分別於第一堆疊結構以及第二堆疊結構的側壁形成第一側壁子以及第二側壁子。然後，於基材上形成光阻來完全覆蓋第一堆疊結構、第二堆疊結構、第一側壁子、第二側壁子、以及氧化矽層。繼續，移除光阻以及第一堆疊結構與第二堆疊結構頂部的氧化矽層以及硬遮罩殘留。

在本發明的一實施方式中，第一區的布局圖案密度低於該第二區的 布局圖案密度。

在本發明的另一實施方式中，移除圖案化硬遮罩包含完全移除覆蓋第一堆疊結構的圖案化硬遮罩。

在本發明的另一實施方式中，第一堆疊結構的寬度小於第二堆疊結構的寬度。

在本發明的另一實施方式中，第一堆疊結構的寬度小於臨界尺寸。

在本發明的另一實施方式中，第二堆疊結構的寬度大於臨界尺寸。

在本發明的另一實施方式中，臨界尺寸不大於250奈米。

在本發明的另一實施方式中，臨界尺寸不小於150奈米。

在本發明的另一實施方式中，移除圖案化硬遮罩的步驟以及移除第一堆疊結構與第二堆疊結構頂部的氧化矽層以及硬遮罩殘留的步驟包含乾蝕刻製程。

在本發明的另一實施方式中，第一堆疊結構以及第二堆疊結構分別包含閘極絕緣層以及閘極材料層。

在本發明的另一實施方式中，移除第一堆疊結構與第二堆疊結構頂部的氧化矽層以及硬遮罩殘留時，會一併移除第一堆疊結構的部分閘極材料層。

在本發明的另一實施方式中，移除第一堆疊結構與第二堆疊結構頂部的氧化矽層以及硬遮罩殘留之後，第一堆疊結構的高度會低於第二堆疊結構的高度，並且兩者的高度差大於等於5奈米。

100:基材

101:第一區

102:第二區

110:第一堆疊結構

110A:第一初始閘極結構

111:閘極絕緣層

112:閘極材料層

112S:偏位側壁組

113:氧化矽層

114:第一側壁子

120:第二堆疊結構

120A:第二初始閘極結構

121:閘極絕緣層

122:閘極材料層

122S:偏位側壁組

124:第二側壁子

130:圖案化硬遮罩

131:硬遮罩殘留

140:光阻

141:開口

150:一整片光阻

161:第一修整閘極結構

162:第二修整閘極結構

H1:第一閘極高度

H2:第二閘極高度

W1:第一閘極寬度

W2:第二閘極寬度

圖1至圖7繪示依據本發明一種修整半導體結構的方法的一種例示性實施程序。

本發明可以提供一種新穎的修整半導體結構的方法，來有效地剝光具有較高圖案密度的布局圖案上的硬遮罩，來改善硬遮罩殘留的問題。此外，這種新穎的修整半導體結構的方法還可以附帶地避免其它的材料層，因為過度蝕刻所造成的損傷。本發明也據此新穎的修整半導體結構的方法而提出一種新穎的半導體結構。這種新穎的半導體結構具有多種結構上的特徵，產生解決目前習知半導體製程所不能克服的問題的功效。

圖1至圖7繪示依據本發明一種修整半導體結構的方法的一種例示性實施程序。首先請參考圖1，本發明一種修整半導體結構的方法一開始提供基材100。基材100可以至少包括第一區101與第二區102，並且分別具有不同的布局圖案密度。例如，第一區101具有較低圖案密度的布局圖案，而第二區102具有較高圖案密度的布局圖案，所以第一區101的布局圖案密度係低於第二區102的布局圖案密度。舉例來說，第二區的布局圖案密度(即閘極所佔面積)大於等於40%，亦或閘極線寬(W)與閘極間距(P)的比例大於等於0.4(W/P

0.4)。基材100還可以包括第一堆疊結構110、第二堆疊結構120與圖案化硬遮罩130。第一堆疊結構110與第二堆疊結構120可以分別由複數個材料層堆疊而成。

在本發明的一實施方式中，第一區101可以包含第一堆疊結構110。第一堆疊結構110可以由不同的複數個材料層堆疊而成。第一堆疊結構110可以包括第一材料層堆疊，第一材料層堆疊例如可以包含位於基材100中的閘極通道上方的閘極絕緣層111，位於閘極絕緣層111上方的閘極材料層112以及位於閘極材料層112兩側的偏位側壁組112S(offset oxide)，但本發明不以此為限。閘極絕緣層111舉例而言，可以包含矽氧化物，但本發明不以此為限，所以閘極絕緣層111也可以稱作閘極氧化物層。閘極材料層112舉例而言，可以包含矽，例如多晶 矽，但本發明不以此為限。偏位側壁組112S舉例而言，可以包含矽氧化物，但本發明不以此為限。第一堆疊結構110可以具有第一堆疊高度，第一堆疊高度可以視情況需要來調整，例如可以是40奈米~70奈米(nm)，但本發明不以此為限。第一堆疊結構110，還可以具有小於一臨界尺寸(critical dimension)的第一堆疊寬度。

在本發明的一實施方式中，第二區102可以包含第二堆疊結構120。第二堆疊結構120可以由不同的複數個材料層堆疊而成。第二堆疊結構120可以包括第二材料層堆疊，第二材料層堆疊例如可以包含位於基材100中的閘極通道上方的閘極絕緣層121，位於閘極絕緣層121上方的閘極材料層122及位於閘極材料層122兩側的偏位側壁組122S，但本發明不以此為限。閘極絕緣層121舉例而言，可以包含矽氧化物，但本發明不以此為限，所以閘極絕緣層121也可以稱作閘極氧化物層。閘極材料層122舉例而言，可以包含矽，例如多晶矽，但本發明不以此為限。偏位側壁組122S舉例而言，可以包含矽氧化物，但本發明不以此為限。第二堆疊結構120可以具有第二堆疊高度，第二堆疊高度可以視情況需要來調整，例如可以是40奈米~70奈米，但本發明不以此為限。第二堆疊結構120，還可以具有大於前述臨界尺寸之第二堆疊寬度。例如，第一堆疊結構110的寬度可以小於第二堆疊結構120的寬度。

在本發明的一實施方式中，前述的臨界尺寸可以依據半導體製程的規格而定。例如，前述的臨界尺寸可以依據曝光光源KrF(248nm)或是ArF(193nm)而定，但本發明不以此為限。例如，使用KrF為曝光光源，前述的臨界尺寸即可以配合此條件為不大於250奈米。或是，前述的臨界尺寸即可以配合為不小於150奈米，但本發明不以此為限。

在本發明的一實施方式中，第一區101與第二區102可以分別為不同的功能區。例如，第一區101可以是非邏輯區，第二區102可以是邏輯區。或是 在本發明的另一實施方式中，第一區101可以是邏輯區，第二區102可以是非邏輯區。舉例而言，非邏輯區可以包含靜態隨機存取記憶體(static random access memory,SRAM)，所以第一區101可以是靜態隨機存取記憶體區，但本發明不以此為限。舉例而言，邏輯區可以包含核心(core)，所以第二區102可以是核心區，但本發明不以此為限。

第一堆疊結構110與第二堆疊結構120上還可以有圖案化硬遮罩130，來分別覆蓋第一堆疊結構110與第二堆疊結構120。換句話說，第一堆疊結構110與第二堆疊結構120可以分別增加了圖案化硬遮罩130為各別堆疊結構的最頂層。圖案化硬遮罩130的材料，可以是不同於閘極材料層的材料。例如，圖案化硬遮罩130可以包含矽氧化物、矽氮化物、或是氮氧化矽，但本發明不以此為限。圖案化硬遮罩130可以在先前的步驟中用來協助形成第一堆疊結構110與第二堆疊結構120。可以使用習知的圖案化轉移程序來形成圖案化硬遮罩130。習知的圖案化轉移程序，為本領域一般技藝人士之通常知識，故不多加贅述。

其次，要去除圖案化硬遮罩130。可以使用光阻140來輔助去除圖案化硬遮罩130，並使用分段的方式來去除圖案化硬遮罩130。例如請參考圖2，可以先使用光阻來覆蓋第一堆疊結構110與第二堆疊結構120。在本發明的一實施方式中，光阻例如可以是一種圖案化光阻140。圖案化光阻140還可以有開口141，開口141可以選擇性地暴露出基材100上的一些部分，例如，圖案化光阻140的開口141可以選擇性地暴露出第二堆疊結構120，同時圖案化光阻140還可以覆蓋第一堆疊結構110。換句話說，圖案化光阻140的開口141可以選擇性地暴露出較高圖案密度的區域，例如第二區102，圖案化光阻140還可以選擇性地覆蓋具有較低圖案密度的區域，例如在第一區101可以沒有開口141。

接著，可以在有圖案化光阻140遮住部分的堆疊結構的存在下，移除圖案化硬遮罩130。可以使用第一次蝕刻法，來移除圖案化硬遮罩130。第一次 蝕刻法可以使用乾蝕刻法，乾蝕刻法的配方可以配合圖案化硬遮罩130使用的材料，例如溫度20℃~250℃、蝕刻氣體以及流量：四氟化碳(CF₄)5sccm~100sccm、氧氣(O₂)50sccm~300sccm，但本發明不以此為限。習知的乾蝕刻法，為本領域一般技藝人士之通常知識，故不多加贅述。移除圖案化硬遮罩130的過程，還可能一併移除部分的圖案化光阻140。例如，可以使用乾蝕刻法，來移除圖案化光阻140，又一併移除圖案化硬遮罩130，直到部分的圖案化硬遮罩130被剝光為止。當部分的圖案化硬遮罩130被剝光時還可以進一步移除剩餘的圖案化光阻140，例如可以使用習知的光阻灰化法來完全移除剩餘的圖案化光阻140。習知的光阻灰化法，為本領域一般技藝人士之通常知識，故不多加贅述。

在本發明的一實施方式中，可能是較低圖案密度的布局圖案上的圖案化硬遮罩130先被剝光時，同時較高圖案密度的布局圖案上的圖案化硬遮罩130還未被剝除。在本發明的另一實施方式中，請參考圖3，可能是覆蓋第一區101中第一堆疊結構110的圖案化硬遮罩130被完全移除，而第二區102中的圖案化硬遮罩130還未被完全剝除。換句話說，可能是第二區102中的較高圖案密度的布局圖案上的圖案化硬遮罩130還未被完全移除，於是覆蓋第二堆疊結構120的圖案化硬遮罩130轉換為硬遮罩殘留131。硬遮罩殘留131的厚度可以視情況而定。例如，硬遮罩殘留131的厚度可以不超過20奈米，但本發明不以此為限。在本發明的另一實施方式中，移除圖案化硬遮罩130前的第一堆疊高度，可以大於移除圖案化硬遮罩130後的第一堆疊高度。

在第一次蝕刻法將部分圖案化硬遮罩130轉換為硬遮罩殘留131後，還可以進行一些視情況需要的習知的半導體製程，例如汲極輕摻雜製程(Lightly Doped Drain,LDD)、閘極製程、或是側壁子製程，但本發明不以此為限。之後，本發明製程將第一堆疊結構110轉換為第一初始閘極結構110A，並一併轉換第二堆疊結構120為第二初始閘極結構120A。請參考第4圖，上述轉換步驟包含於基 材100上依序形成一氧化矽層113以及一氮化矽層(未顯示)覆蓋第一堆疊結構110與第二堆疊結構120，接著進行一蝕刻製程移除部分該氮化矽層，以分別形成第一初始閘極結構110A的第一側壁子114以及第二初始閘極結構120A的第二側壁子124。在本發明的一實施方式中，第一初始閘極結構110A上沒有硬遮罩殘留，但是第二初始閘極結構120A上有硬遮罩殘留131。

在得到第一初始閘極結構110A與第二初始閘極結構120A後還可以再進行一修整製程，來移除硬遮罩殘留131。圖5繪示依據本發明一種修整半導體結構的方法的一種例示性示意圖。請參考圖5，例如，可以先形成一整片光阻150來一起覆蓋第一初始閘極結構110A、第二初始閘極結構120A、第一側壁子114、第二側壁子124，並一併覆蓋氧化矽層113。在本發明的一實施方式中，一整片光阻150是沒有經過圖案化的程序的。也就是說一整片光阻150沒有類似圖案化光阻140的開口141，所以一整片光阻150可以完整地覆蓋第一初始閘極結構110A與第二初始閘極結構120A。

接著在一整片光阻的存在下，進行另一次蝕刻法，例如使用第二次蝕刻法，來進行修整製程。圖6繪示依據本發明一種修整半導體結構的方法的一種例示性示意圖。請參考圖6，修整製程可以先移除部分的一整片光阻150、再移除硬遮罩殘留131，修整製程也可以移除部分閘極材料層112以及122。例如，第二次蝕刻法可以完全移除覆蓋第二初始閘極結構120A上的硬遮罩殘留131。第二次蝕刻法可以與第一次蝕刻法相同或是不同。例如，第二次蝕刻法可以使用乾蝕刻法，乾蝕刻法可以使用，例如溫度20℃~250℃、蝕刻氣體以及流量：四氟化碳5sccm~100sccm、氧氣50sccm~300sccm，但本發明不以此為限。

在本發明的一實施方式中，由於一整片光阻150會覆蓋第二初始閘極結構120A，所以第二次蝕刻法可以一開始先移除部分的一整片光阻150，同時降低一整片光阻150的高度。等到一整片光阻150的高度因為蝕刻損失而慢慢下 降，開始暴露出硬遮罩殘留131時，第二次蝕刻法可以同時再一起移除硬遮罩殘留131與來進行修整製程。在本發明的一實施方式中，由於第二初始閘極結構120A的頂面覆蓋有硬遮罩殘留131，但是第一初始閘極結構110A的頂面可以沒有硬遮罩殘留131，所以等到硬遮罩殘留131因為蝕刻而慢慢耗損並逐漸剝光而開始暴露出第二初始閘極結構120A的頂面時，第一初始閘極結構110A也可能會受到修整製程的影響而使得降低高度。

圖7繪示依據本發明一種修整半導體結構的方法的一種例示性示意圖。請參考圖7，在完成修整製程後，再剝除剩餘的一整片光阻150以及基材100表面上的氧化矽層113，使得基材100暴露出來，而得到第一修整閘極結構161與第二修整閘極結構162。修整製程可以將第一初始閘極結構110A轉換為第一修整閘極結構161，並將第二初始閘極結構120A轉換為第二修整閘極結構162。前述的修整製程可以同時修整第一初始閘極結構110A與第二初始閘極結構120A。第一修整閘極結構161例如可以包含位於基材100中的閘極通道上方的閘極絕緣層111、位於閘極絕緣層111上方的閘極材料層112、位於閘極材料層112兩側的偏位側壁組112S、位於偏位側壁組112S兩側的第一側壁子114、以及位於偏位側壁組112s與第一側壁子114之間的氧化矽層113，但本發明不以此為限。第二修整閘極結構162例如可以包含位於基材100中的閘極通道上方的閘極絕緣層121、位於閘極絕緣層121上方的閘極材料層122、位於閘極材料層122兩側的偏位側壁組122S、偏位側壁組122S兩側的第二側壁子124、以及位於偏位側壁組122s與第二側壁子124之間的氧化矽層113，但本發明不以此為限。

在本發明的一實施方式中，第一修整閘極結構161可以具有第一閘極高度H1，第二修整閘極結構162可以具有第二閘極高度H2。在本發明的另一實施方式中，第一修整閘極結構161可以具有第一閘極寬度W1，第二修整閘極結構162可以具有第二閘極寬度W2，第一閘極寬度W1可以小於第二閘極寬度W2。 或是，第一閘極寬度W1可以小於一臨界尺寸，而第二閘極寬度W2可以大於一臨界尺寸。臨界尺寸可以依據半導體製程的規格而定。例如，可以依據曝光光源KrF(248nm)或是ArF(193nm)而定，但本發明不以此為限。如果使用KrF為曝光光源，臨界尺寸即可以不大於250奈米。或是，臨界尺寸即可以不小於150奈米，但本發明不以此為限。在本發明的又一實施方式中，第一修整閘極結構161的形狀可以不對應於第二修整閘極結構162的形狀。

在本發明的一實施方式中，在修整製程之前，第二堆疊高度可能接近第一堆疊高度。在本發明的另一實施方式中，在修整製程之前第二堆疊高度可能實質上與第一堆疊高度相同。在修整製程移除原來的第二堆疊結構120頂部的硬遮罩殘留131之後，第一堆疊結構的高度可能會低於第二堆疊結構的高度。例如，請參考圖7，第一閘極高度H1可能因為第二次蝕刻法而實質上低於第二閘極高度H2，也就是H2

H1，例如H2-H1

5奈米，但本發明不以此為限。或是，在本發明的又一實施方式中，(H2-H1)/H2

0.25。在本發明的又一種實施方式中，第二次蝕刻法可以使得第二堆疊高度大於第二閘極高度H2。或是，第二次蝕刻法可以使得蝕刻後的第一堆疊結構110的高度與蝕刻後的第二堆疊結構120高度的高度差大於等於5奈米。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100:基材

101:第一區

102:第二區

111:閘極絕緣層

112:閘極材料層

112S:偏位側壁組

113:氧化矽層

114:第一側壁子

121:閘極絕緣層

122:閘極材料層

122S:偏位側壁組

124:第二側壁子

161:第一修整閘極結構

162:第二修整閘極結構

H1:第一閘極高度

H2:第二閘極高度

W1:第一閘極寬度

W2:第二閘極寬度

Claims (10)

1. 一種修整半導體結構的方法，包括：提供一基材，該基材包括一第一區以及一第二區；形成一圖案化硬遮罩，並且利用該圖案化硬遮罩於該第一區以及該第二區分別形成一第一堆疊結構以及一第二堆疊結構；形成一圖案化光阻，覆蓋該第一堆疊結構與該第二堆疊結構，其中該圖案化光阻包含一開口暴露出該第二堆疊結構頂部的該圖案化硬遮罩；移除該圖案化光阻以及該圖案化硬遮罩，其中該第二堆疊結構頂部的部分該圖案化硬遮罩未被移除而轉換為厚度較薄的硬遮罩殘留；依序於該基材上形成一氧化矽層以及一氮化矽層覆蓋該第一堆疊結構以及該第二堆疊結構；移除部分該氮化矽層，以分別於該第一堆疊結構以及該第二堆疊結構的側壁形成第一側壁子以及第二側壁子；於該基材上形成一光阻完全覆蓋該第一堆疊結構、該第二堆疊結構、該第一側壁子、該第二側壁子、以及該氧化矽層；以及移除該光阻以及該第二堆疊結構頂部的該硬遮罩殘留。
2. 如請求項1所述之修整半導體結構的方法，其中該第一區的布局圖案密度低於該第二區的布局圖案密度。
3. 如請求項1所述之修整半導體結構的方法，其中移除該圖案化硬遮罩包含完全移除該第一堆疊結構的該圖案化硬遮罩。
4. 如請求項1所述之修整半導體結構的方法，其中該第一堆疊結構的 寬度小於該第二堆疊結構的寬度，並且該第一堆疊結構的寬度小於一臨界尺寸，該第二堆疊結構的寬度大於該臨界尺寸。
5. 如請求項4所述之修整半導體結構的方法，其中該臨界尺寸不大於250奈米。
6. 如請求項4所述之修整半導體結構的方法，其中該臨界尺寸不小於150奈米。
7. 如請求項1所述之修整半導體結構的方法，其中移除該圖案化硬遮罩的步驟以及移除該硬遮罩殘留的步驟包含一乾蝕刻製程。
8. 如請求項1所述之修整半導體結構的方法，其中該第一堆疊結構以及該第二堆疊結構分別包含一閘極絕緣層以及一閘極材料層。
9. 如請求項8所述之修整半導體結構的方法，其中移除該第二堆疊結構頂部的該硬遮罩殘留時，會一併移除該第一堆疊結構的部分該閘極材料層。
10. 如請求項9所述之修整半導體結構的方法，其中移除該第二堆疊結構頂部的該硬遮罩殘留之後，該第一堆疊結構的高度會低於該第二堆疊結構的高度，並且兩者的高度差大於等於5奈米。

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