TWI825748B - 具有鑲嵌結構之半導體元件的製備方法 - Google Patents

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Abstract

本申請揭露一種半導體元件的製備方法。該製備方法包括：提供一光罩，該光罩包括一不透明層，設置於一遮罩基底上並圍繞該遮罩基底上的一半透明層；在一元件堆疊上形成一預製遮罩層；使用該光罩對該預製遮罩層進行圖案化處理，以形成一圖案化遮罩層，該圖案化遮罩層包括對應於該不透明層的一遮罩區域、對應於該半透明層的一溝槽區域及對應於該通孔特徵遮罩開口的一通孔；執行一鑲嵌蝕刻製程，以在該元件堆疊中形成一通孔開口及一溝槽開口；以及在該通孔開口中形成一通孔，在該溝槽開口中形成一溝槽。該半透明層包括一通孔特徵遮罩開口以曝露該遮罩基底的一部分。該溝槽區域的厚度小於該遮罩區域的厚度。

Description

具有鑲嵌結構之半導體元件的製備方法
本申請案主張美國第17/701,938號專利申請案之優先權(即優先權日為「2022年3月23日」)，其內容以全文引用之方式併入本文中。
本揭露關於一種半導體元件的製備方法。特別是有關於一種具有鑲嵌結構之半導體元件的製備方法。
半導體元件用於各種電子應用，如個人電腦、行動電話、數位相機及其他電子裝置。半導體元件的尺寸正在不斷縮小，以滿足日益增長的計算能力的需求。然而，在縮小尺寸的過程中出現各種問題，而且這種問題在不斷增加。因此，在實現提高品質、產量、性能及可靠性以及降低複雜性方面仍然存在挑戰。
上文之「先前技術」說明僅係提供背景技術，並未承認上文之「先前技術」說明揭示本揭露之標的，不構成本揭露之先前技術，且上文之「先前技術」之任何說明均不應作為本案之任一部分。
本揭露的一個方面提供一種半導體元件的製備方法，包括 提供一光罩，該光罩包括一不透明層，設置於一遮罩基底上並圍繞該遮罩基底上的一半透明層；提供一元件堆疊，包括一基底上的一第一介電質層，及該第一介電質層上的一第二介電質層；在該元件堆疊上形成一預製遮罩層；使用該光罩對該預製遮罩層進行圖案化處理，以形成一圖案化遮罩層，該圖案化遮罩層包括對應於該不透明層的一遮罩區域、對應於該半透明層的一溝槽區域、及對應於該通孔特徵遮罩開口的一通孔；執行一鑲嵌蝕刻製程，在該第一介電質層中形成一通孔開口，在該第二介電質層中形成一溝槽開口；以及在該通孔開口中形成一通孔，在該溝槽開口中形成一溝槽，以配置該半導體元件。該半透明層包括一通孔特徵遮罩開口，以曝露該遮罩基底的一部分。該溝槽區域的厚度小於該遮罩區域的厚度。
本揭露的另一個方面提供一種半導體元件的製備方法，包括提供光一遮罩，該遮罩包括一半透明層，設置於一遮罩基底上，並包括曝露該遮罩基底一部分的一通孔特徵遮罩開口，以及一不透明層，設置於該半透明層上，並包括曝露該半透明層及該遮罩基底的該部分的一溝槽特徵遮罩開口；提供一元件堆疊，包括一基底上的一第一介電質層，及該第一介電質層上的一第二介電質層；在該元件堆疊上形成一預製遮罩層；使用該光罩對該預製遮罩層進行圖案化理，以形成一圖案化遮罩層，該圖案化遮罩層包括對應於該不透明層的一遮罩區域、對應於該半透明層的該部分的一溝槽區域以及對應於該通孔特徵遮罩開口的一通孔；執行一鑲嵌蝕刻製程以在該第一介電質層中形成一通孔開口，在該第二介電質層中形成一溝槽開口；以及在該通孔開口中形成一通孔，在該溝槽開口中形成一溝槽以配置該半導體元件。該溝槽區域的厚度小於該遮罩區域的厚度。
本揭露的另一個方面提供一種光罩的製備方法，包括提供 一遮罩基底；在該遮罩基底上形成一不透明層；對該不透明層進行圖案寫入，以在該不透明層中形成一溝槽特徵遮罩開口，並曝露該遮罩基底；在該溝槽特徵遮罩開口中形成一半透明層，以覆蓋該遮罩基底；以及對該半透明層進行圖案寫入，以形成一通孔特徵遮罩開口，以曝露該遮罩基底的一部分。
由於本揭露的半導體元件製備方法的設計，藉由採用包括半透明層的光罩，可以在單個步驟的鑲嵌蝕刻製程中形成半導體元件的通孔開口及溝槽開口。因此，可以降低製造半導體元件的製程複雜性。
上文已相當廣泛地概述本揭露之技術特徵及優點，俾使下文之本揭露詳細描述得以獲得較佳瞭解。構成本揭露之申請專利範圍標的之其它技術特徵及優點將描述於下文。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解，可相當容易地利用下文揭示之概念與特定實施例可作為修改或設計其它結構或過程而實現與本揭露相同之目的。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者亦應瞭解，這類等效建構無法脫離後附之申請專利範圍所界定之本揭露的精神和範圍。
10:製備方法
20:製備方法
100A:光罩
100B:光罩
100C:光罩
100D:光罩
100E:光罩
101:遮罩基底
101BS:底面
101LS:側面
103:不透明層
103O:溝槽特徵遮罩開口
105:半透明層
105O:通孔特徵遮罩開口
107:抗反射層
200A:半導體元件
200B:半導體元件
200C:半導體元件
200D:半導體元件
201:基底
203:第一介電質層
203O:通孔開口
205:第二介電質層
205O:溝槽開口
207:溝槽
209:通孔
211:第一蝕刻停止層
213:第二蝕刻停止層
301:第一遮罩層
303:第二遮罩層
401:預製遮罩層
403:圖案化遮罩層
403M:遮罩區域
403T:溝槽區域
403V:通孔
S1:表面區域
S11:步驟
S13:步驟
S15:步驟
S17:步驟
S2:表面區域
S21:步驟
S23:步驟
S25:步驟
S27:步驟
S29:步驟
SKA:元件堆疊
SKB:元件堆疊
SKC:元件堆疊
SKD:元件堆疊
T1:厚度
T2:厚度
T3:厚度
T4:厚度
Z:方向
參閱實施方式與申請專利範圍合併考量圖式時，可得以更全面了解本申請案之揭示內容，圖式中相同的元件符號係指相同的元件。
圖1是流程圖，例示本揭露一個實施例之使用光罩以製備半導體元件的方法。
圖2至圖10是截面圖，例示本揭露一個實施例之使用光罩以製備半導體元件的流程。
圖11至圖14是截面圖，例示本揭露另一個實施例之使用光罩以製備 半導體元件的流程。
圖15至圖18是截面圖，例示本揭露另一個實施例之使用光罩以製備半導體元件的流程。
圖19是流程圖，例示本揭露另一個實施例之使用光罩以製備半導體元件的方法。
圖20至圖29是截面圖，例示本揭露另一個實施例之使用光罩以製備半導體元件的流程。
圖30至圖34是截面圖，例示本揭露另一個實施例之光罩的製備流程。
下面的揭露內容提供許多不同的實施例，或實例，用於實現所提供主題的不同特徵。為了簡化本揭露內容，下面描述元件及安排的具體例子。當然，這些只是例子，並不意味著是限制性的。例如，在接下來的描述中，第一特徵形成在第二特徵上可以包括第一及第二特徵直接接觸形成的實施例，也可以包括第一及第二特徵之間可以形成附加特徵的實施例，因此使第一及第二特徵可以不直接接觸。此外，本揭露內容可能會在各實施例中重複參考數字及/或字母。這種重複是為了簡單明瞭，其本身並不決定所討論的各種實施例及/或配置之間的關係。
此外，空間相對用語，如"下"、"下面"、"下方"、"上"、"上面"等，為了便於描述，在此可用於描述一個元素或特徵與圖中所示的另一個(些)元素或特徵的關係。空間上的相對用語旨在包括元件在使用或操作中的不同方向，以及圖中描述的方向。該元件可以有其他方向(旋轉90度或其他方向)，這裡使用的空間相對描述詞也同樣可以相應地解釋。
應該理解的是，當一個元素或層被稱為"連接到"或"耦合到"另一個元素或層時，它可以直接連接到或耦合到另一個元素或層，或者可能存在中間的元素或層。
應該理解的是，儘管這裡可以用用語第一、第二等來描述各種元素，但這些元素不應受到這些用語的限制。除非另有說明，這些用語僅用於區分一個元素及另一個元素。因此，例如，下面討論的第一元素、第一元件或第一部分可以稱為第二元素、第二元件或第二部分，而不偏離本揭露內容的教導。
除非上下文另有說明，本文在提到方向、佈局、位置、形狀、大小、數量或其他措施時，使用的用語如"相同"、"相等"、"平面"或"共面"，不一定是指完全相同的方向、佈局、位置、形狀、大小、數量或其他措施，而是指在可能發生的、例如由於製造過程而發生的可接受的變化範圍內，包括幾乎相同的方向、佈局、位置、形狀、大小、數量或其他措施。用語"實質上"在這裡可以用來反映此含義。例如，被描述為"實質上相同"、"實質上相等"或"實質上平面"的項目可以是完全相同、相等或平面的，也可以是在可接受的變化範圍內相同、相等或平面的，例如由於製造過程而可能發生的變化。
在本揭露內容中，半導體元件一般是指利用半導體特性而能發揮作用的元件，光電元件、發光顯示元件、半導體電路及電子元件都包括在半導體元件的範疇內。
應該指出的是，在本揭露的描述中，上(或上方)對應於方向Z的箭頭方向，下(或下方)對應於方向Z的箭頭的相反方向。
應該注意的是，用語"經形成"、"被形成"及"以形成"可以 是指並包括創建、構建、圖案化、植入或沉積元素、摻雜劑或材料的任何方法。形成方法的例子可包括但不限於原子層沉積、化學氣相沉積、物理氣相沉積、濺鍍、共濺鍍、旋塗、擴散、沉積、生長、植入、微影、乾蝕刻及濕蝕刻。
應該注意的是，在本揭露內容的描述中，這裡指出的功能或步驟可能以不同於圖中指出的順序發生。例如，連續顯示的兩個數字事實上可能實質上是同時執行的，或者有時可能以相反的循序執行，這取決於所涉及的功能或步驟。
圖1是流程圖，例示本揭露一個實施例之使用光罩100A以製備半導體元件200A的製備方法10。圖2至圖10是截面圖，例示本揭露一個實施例之使用光罩100A以製備半導體元件200A的流程。
參照圖1至圖3，在步驟S11，可以提供遮罩基底101，在遮罩基底101上形成不透明層103，並且不透明層103可經圖案寫入以在不透明層103中形成溝槽特徵遮罩開口103O。
參照圖2，遮罩基底101的製作技術可以包含，例如，石英、玻璃或任何其他實質上透明的材料。例如，玻璃可以是矽酸鋁玻璃、氟化鈣或氟化鎂及鈉鈣玻璃。在一些實施例中，遮罩基底101的厚度可以在約0.125英吋與約0.25英吋之間。
參照圖2，不透明層103可以形成在遮罩基底101上。不透明層103的製作技術可以包含，例如，鉻或其他適合的材料，這些材料在微影製程的曝光過程中，對能量源的入射波長具有足夠的不透明性，這將於後面說明。在一些實施例中，不透明層103的製作技術可以包含，例如，化學氣相沉積、射頻濺鍍或其他適合的沉積製程。在一些實施例中， 不透明層103的厚度T1可以在約500埃與約1000埃之間。在一些實施例中，不透明層103的不透明度可以是100%或實質上約100%。
在一些實施例中，替代地，不透明層103的製作技術可以包含電鍍製程。詳細地說，遮罩基底101可以在遮罩基底101的底面101BS及側面101LS上塗有一覆蓋層(未示出)。然後，塗有覆蓋層的遮罩基底101可經軟烘烤，以增強遮罩基底101與覆蓋層之間的黏合力，並驅除覆蓋層中的所有溶劑。隨後，塗有覆蓋層的遮罩基底101可浸入化學鉻活化劑中執行表面活化。適當的化學鉻活化劑可以是氯化鉻及2-丙醇的鹼性溶液。然後可將塗有覆蓋層的活化遮罩基底101浸入化學鉻溶液中，以塗上不透明層103。在塗有覆蓋層的遮罩基底101上形成不透明層103後，可將覆蓋層從遮罩基底101上剝離。
參照圖2，可藉由微影製程在不透明層103上形成第一遮罩層301。第一遮罩層301可以包括溝槽特徵遮罩開口103O的圖案。在一些實施例中，第一遮罩層301可以是一光阻，如市售的光阻OCG895i或其他適合的光阻。
參照圖3，可以執行使用第一遮罩層301做為遮罩的溝槽-蝕刻製程，以去除不透明層103的一部分。在溝槽-蝕刻製程之後，可以在不透明層103中形成溝槽特徵遮罩開口103O。遮罩基底101的頂面第一部分可透過溝槽特徵遮罩開口103O曝露。在一些實施例中，在溝槽-蝕刻製程期間，不透明層103與遮罩基底101的蝕刻率比可在約100：1與約1.05：1之間、約15：1與約2：1之間，或約10：1與約2：1之間。在形成溝槽特徵遮罩開口103O後，可移除第一遮罩層301。
參照圖1及圖4至圖6，在步驟S13，可以在溝槽特徵遮罩開 口103O中形成半透明層105，並且半透明層105可經圖案寫入以形成通孔特徵遮罩開口105O，其中遮罩基底101、不透明層103及半透明層105共同配置光罩100A。
參照圖4，半透明層105可以包括，例如，矽化鉬或氮化矽。在一些實施例中，半透明層105的製作技術可以包含，例如，化學氣相沉積、濺鍍或其他適用的沉積製程。在一些實施例中，形成半透明層105後可以移除第一遮罩層301。
在一些實施例中，半透明層105的厚度T2可以與不透明層103的厚度T1實質上相同。在一些實施例中，半透明層105的厚度T2與不透明層103的厚度T1可以不同。例如，半透明層105的厚度T2可以大於或小於不透明層103的厚度T1。在一些實施例中，半透明層105的不透明度與不透明層103的不透明度之比可在約5%與約95%之間。在一些實施例中，半透明層105的不透明度與不透明層103的不透明度之比可在約45%與約75%之間。應該注意的是，在當前階段，半透明層105完全可以覆蓋遮罩基底101的頂面曝露的第一部分。
參照圖5，第二遮罩層303的製作技術可以包含微影製程，以覆蓋不透明層103及半透明層105的一部分。第二遮罩層303可包括通孔特徵遮罩開口105O的圖案。在一些實施例中，第二遮罩層303可以是一光阻，如市售的光阻OCG895i或其他適合的光阻。
參照圖6，可以執行使用第二遮罩層303做為遮罩的通孔-蝕刻製程，以去除半透明層105曝露的部分。在通孔-蝕刻製程之後，可在半透明層105中形成通孔特徵遮罩開口105O。遮罩基底101的頂面第二部分可透過通孔特徵遮罩開口105O曝露。在一些實施例中，在通孔-蝕刻製 程期間，半透明層105與遮罩基底101的蝕刻率比可在約100：1與約1.05：1之間、約15：1與約2：1之間、或約10：1與約2：1之間。在形成通孔特徵遮罩開口105O後，可去除第二遮罩層303。遮罩基底101的頂面第一部分的表面區域大於遮罩基底101的頂面第二部分的表面區域S2。
參照圖1及圖7至圖9，在步驟S15，可以提供元件堆疊SKA，可以在元件堆疊SKA上形成預製遮罩層401，預製遮罩層401可以使用光罩100A經圖案寫入以形成圖案化遮罩層403，並且可以執行鑲嵌(damascene)蝕刻製程以形成元件堆疊SKA的通孔開口203O及溝槽開口205O。
參照圖7，元件堆疊SKA可以包括基底201、第一介電質層203、及第二介電質層205。在一些實施例中，基底201可以包括完全由至少一種半導體材料、複數個元件單元(為清晰起見未顯示)、複數個介電質層(為清晰起見未顯示)及複數個導電特徵(為清晰起見未顯示)組成的塊狀半導體基底。塊狀半導體基底的製作技術可以包含，例如，元素(elementary)半導體，如矽或鍺；化合物半導體，如矽鍺、碳化矽、砷化鎵、磷化鎵、磷化銦、砷化銦、銻化銦，或其他III-V族化合物半導體或II-VI族化合物半導體；或其組合。
在一些實施例中，基底201可以包括絕緣體上的半導體結構，該結構從下到上包括處理基底、絕緣體層及最上面的半導體材料層。處理基底及最上面的半導體材料層的製作技術可以包含與上述塊狀半導體基底相同的材料。絕緣體層可以是結晶或非結晶的介電質材料，如氧化物及/或氮化物。例如，絕緣層可以是介電質氧化物，如氧化矽。在另一例示中，絕緣層可以是介電質氮化物，如氮化矽或氮化硼。在又一例示中， 絕緣體層可以包括介電質氧化物及介電質氮化物的堆疊，如按任何順序，氧化矽及氮化矽或氮化硼的堆疊。絕緣層的厚度可以在10奈米與200奈米之間。
應該注意的是，用語"關於"修改所採用的成分、組成或反應物的數量是指可能發生的數字數量的變化，例如，透過用於製造濃縮物或溶液的典型測量及液體處理程序。此外，測量程序中的疏忽錯誤、用於製造組合物或執行方法的成分的製造、來源或純度的差異等都可能產生變化。在一個方面，用語"約"是指報告數值的10%以內。在另一個方面，用語"約"是指報告數值的5%以內。然而，在另一個方面，用語"約"是指報告數值的10、9、8、7、6、5、4、3、2或1%以內。
參照圖7，複數個元件單元可以形成在塊狀半導體基底或最上層半導體材料層上。複數個元件單元的一些部分可以形成在塊狀半導體基底或最上面的半導體材料層中。複數個元件單元可以是電晶體，如互補金屬氧化物半導體電晶體、金屬氧化物半導體場效應電晶體、鰭狀場效應電晶體等，或其組合。
參照圖7，複數個介電質層可以形成在塊狀半導體基底或最上面的半導體材料層上，並覆蓋複數個元件單元。在一些實施例中，複數個介電質層的製作技術可以包含，例如，氧化矽、硼磷酸鹽玻璃、未摻雜的矽酸鹽玻璃、氟化矽酸鹽玻璃、低k(介電常數)介電質材料等，或其組合。低k介電質材料的介電常數可以小於3.0或甚至小於2.5。在一些實施例中，低k介電質材料的介電常數可以小於2.0。複數個介電質層的製作技術可以包含沉積製程，如化學氣相沉積、電漿增強化學氣相沉積或類似製程。沉積製程之後可以執行平坦化製程，以去除多餘的材料，並為後續 的製程步驟提供一個實質上平坦的表面。
參照圖7，複數個導電特徵可以包括互連層及導電通孔。互連層可以相互分離，並可以沿Z方向水平設置於複數個介電質層中。導電通孔可以沿Z方向連接相鄰的互連層，以及相鄰的元件單元及互連層。在一些實施例中，導電通孔可改善散熱，並可提供結構支撐。在一些實施例中，複數個導電特徵的製作技術可以包含，例如，鎢、鈷、鋯、鉭、鈦、鋁、釕、銅、金屬碳化物(例如碳化鉭、碳化鈦、碳化鉭鎂)、金屬氮化物(例如氮化鈦)、過渡金屬鋁化物或其組合。可以在形成複數個介電質層的期間形成複數個導電特徵。
在一些實施例中，複數個元件單元及複數個導電特徵可以共同在基底201中配置功能單元。在本揭露內容的描述中，功能單元一般是指與功能相關的電路，它已被劃分為一個獨立的單元。在一些實施例中，功能單元通常可以是高度複雜的電路，如處理器核心、記憶體控制器或加速器單元。在其他一些實施例中，功能單元的複雜性及功能可以更複雜或更不複雜。
參照圖7，在一些實施例中，第一介電質層203可以形成在基底201上，並且製作技術可以包含，例如，二氧化矽、未摻雜的矽酸鹽玻璃、氟矽酸鹽玻璃、硼磷矽酸鹽玻璃、自旋式低k介電質層、化學氣相沉積低k介電質層或其組合。在一些實施例中，第一介電質層203可以包括自平坦化材料，如自旋玻璃或自旋低k介電質材料，如SiLKTM。使用自平坦化的介電質材料可以避免執行後續平坦化步驟的需要。在一些實施例中，第一介電質層203的製作技術可以包含沉積製程，例如，化學氣相沉積、電漿增強化學氣相沉積、蒸鍍或旋塗。在一些實施例中，可以執行平 坦化製程，例如化學機械研磨，以便為後續製程步驟提供一個實質上平坦的表面。
參照圖7，在一些實施例中，第二介電質層205可以形成在第一介電質層203上，並且製作技術可以包含，例如，二氧化矽、未摻雜的矽酸鹽玻璃、氟矽酸鹽玻璃、硼磷矽酸鹽玻璃、自旋式低k介電質層、化學氣相沉積低k介電質層或其組合。在一些實施例中，第二介電質層205可以包括自平坦化材料，如自旋玻璃或自旋低k介電質材料，如SiLKTM。使用自平坦化的介電質材料可以避免執行後續平坦化步驟的需要。在一些實施例中，第二介電質層205的製作技術可以包含沉積製程，例如，化學氣相沉積、電漿增強化學氣相沉積、蒸鍍或旋塗。在一些實施例中，可以執行平坦化製程，如化學機械研磨，以便為後續製程步驟提供一個實質上平坦的表面。
在一些實施例中，第二介電質層205的厚度可以大於第一介電質層203的厚度。
參照圖7，預製遮罩層401可以藉由製作技術包含，例如，旋塗法，以形成在第二介電質層205上。可以執行軟烘烤製程，以驅除殘留在預製遮罩層401的溶劑。在一些實施例中，預製遮罩層401可以是一光阻，如市售的光阻OCG895i或其他適合的光阻。
參照圖7，光罩100A可設置於元件堆疊SKA上，並與元件堆疊SKA對齊。
參照圖8，可以使用光罩100A執行曝光製程。曝光製程可以使用一輻射源來執行。輻射源可以是，例如，紫外線輻射、深紫外線輻射(通常是193奈米或248奈米)，或極端紫外線輻射(通常是13.5奈米)。曝 光後的烘烤製程可以在曝光製程後立即執行。隨後，可以執行顯影製程。在顯影製程期間，可以向曝光及烘烤的預製遮罩層401添加水基(aqueous base)溶液，預製遮罩層401的一部分可以被溶解。在曝光製程、曝光後烘烤製程及顯影製程之後，預製遮罩層401可以變成圖案化遮罩層403。
參照圖8，圖案化遮罩層403可以包括遮罩區域403M、溝槽區域403T、及通孔403V。遮罩區域403M可以圍繞溝槽區域403T。遮罩區域403M可對應於不透明層103。也就是說，遮罩區域403M及不透明層103在俯視視角下可以完全相互重疊(未顯示)。溝槽區域403T可對應於半透明層105。也就是說，溝槽區域403T及半透明層105在俯視視角下可以完全相互重疊(未顯示)。由溝槽區域403T包圍的空間稱為通孔403V。第二介電質層205的頂面的一部分可以藉由通孔403V曝露。通孔403V可對應於通孔特徵遮罩開口105O。也就是說，通孔403V及通孔特徵遮罩開口105O在俯視視角下可以完全相互重疊(未顯示)。
在一些實施例中，遮罩區域403M的厚度T3可以大於溝槽區域403T的厚度T4。在一些實施例中，溝槽區域403T的厚度T4與遮罩區域403M的厚度T3的厚度比可在約25%與約85%之間。在一些實施例中，溝槽區域403T的厚度T4與遮罩區域403M的厚度T3的厚度比可在約45%與約65%之間。
參照圖9，鑲嵌蝕刻製程可以使用圖案化遮罩層403做為遮罩來執行。在一些實施例中，在鑲嵌蝕刻製程期間，第一介電質層203的蝕刻率與第二介電質層205的蝕刻率可以實質上相同。在一些實施例中，在鑲嵌蝕刻製程期間，第二介電質層205與基底201的蝕刻率比可在約100：1與約1.05：1之間、約15：1與約2：1之間、或約10：1與約2：1之 間。在一些實施例中，在鑲嵌蝕刻製程期間，第一介電質層203與基底201的蝕刻率比可在約100：1與約1.05：1之間、約15：1與約2：1之間、或約10：1與約2：1之間。
在鑲嵌蝕刻製程期間，溝槽區域403T下面的第一介電質層203及第二介電質層205可以由圖案化遮罩層403的溝槽區域403T暫時保護。詳細地說，在鑲嵌蝕刻製程開始時，圖案化遮罩層403的溝槽區域403T可做為蝕刻緩衝區，以保護下面的第二介電質層205。然而，圖案化遮罩層403的溝槽區域403T在鑲嵌蝕刻製程期間可能持續消耗。在圖案化遮罩層403的溝槽區域403T完全消耗後，對應於溝槽區域403T的第二介電質層205被移除。
相反，對於第一介電質層203及第二介電質層205對應於圖案化遮罩層403的通孔403V，沒有圖案化遮罩層403做為臨時蝕刻緩衝區。因此，在鑲嵌蝕刻製程開始時，對應於通孔403V的第二介電質層205被移除，而對應於溝槽區域403T的第二介電質層205仍然由圖案化遮罩層403的溝槽區域403T保護。因此，在鑲嵌蝕刻製程之後，可以同時去除對應於通孔403V的第一介電質層203及第二介電質層205，而可以只有去除對應於溝槽區域403T的第二介電質層205。對應於溝槽區域403T的第一介電質層203完好無損或略微去除。
在鑲嵌蝕刻製程之後，通孔開口203O可以形成在第一介電質層203中。基底201的一部分可以藉由通孔開口203O曝露。溝槽開口205O可以形成在第二介電質層205中。第一介電質層203的一部分及基底201的一部分可以藉由溝槽開口205O曝露。在形成通孔開口203O及溝槽開口205O後可以移除圖案化遮罩層403。
習用上，通孔開口203O及溝槽開口205O分別的製作技術可以包含使用多個蝕刻步驟。相反，在本實施例中，由於採用具有半透明層105的光罩100A，通孔開口203O及溝槽開口205O的製作技術可以包含使用單個鑲嵌蝕刻製程。
參照圖1及圖10，在步驟S17，可在通孔開口203O中形成通孔209，並在溝槽開口205O中形成溝槽207，以配置半導體元件200A。
參照圖10，可藉由沉積製程將導電材料沉積到通孔開口203O及溝槽開口205O中。導電材料可以是，例如，鎢、鈷、鋯、鉭、鈦、鋁、釕、銅、金屬碳化物(例如，碳化鉭、碳化鈦、碳化鉭鎂)、金屬氮化物(例如，氮化鈦)、過渡金屬鋁化物，或其組合。在沉積製程之後，可以執行平坦化製程，如化學機械研磨，以去除多餘的材料，為後續製程步驟提供一個實質上平坦的表面，並共形地在通孔開口203O中形成通孔209，共形地在溝槽開口205O中形成溝槽207。基底201、第一介電質層203、第二介電質層205、溝槽207及通孔209共同配置半導體元件200A。
圖11至圖14是截面圖，例示本揭露另一個實施例之使用光罩100B以製備半導體元件200B的流程。
參照圖11，元件堆疊SKB及光罩100B可以具有與圖7中所示相似的結構。圖11中與圖7中相同或相似的元素已標記為類似的參考符號，重複的描述已被省略。
參照圖11，元件堆疊SKB可以包括第一蝕刻停止層211。第一蝕刻停止層211可以形成在第一介電質層203與第二介電質層205之間。第一蝕刻停止層211的製作技術可以包含優選地具有不同於第一介電質層203及/或第二介電質層205的蝕刻選擇性的介電質材料。例如，第一 蝕刻阻止層211的製作技術可以包含氮化矽、碳化矽、氧碳化矽或類似材料，並且可以包含化學氣相沉積或電漿增強化學氣相沉積來沉積。
參照圖12，預製遮罩層401可以用類似於圖8中說明的程序經圖案寫入以形成圖案化遮罩層403，其描述在此不再重複。
參照圖13，在一些實施例中，鑲嵌蝕刻製程可以用類似於圖9所示的程序執行，其描述在此不再重複。
在一些實施例中，鑲嵌蝕刻製程可以包括多個階段，如三個階段。在鑲嵌蝕刻製程的不同階段，第一介電質層203、第二介電質層205及第一蝕刻停止層211的蝕刻率可以不同。例如，在鑲嵌蝕刻製程的第一階段期間，第二介電質層205與第一蝕刻停止層211的蝕刻率比可以在約100：1與約1.05：1之間、約15：1與約2：1之間、或者約10：1與約2：1之間。在鑲嵌蝕刻製程的第二階段期間，第一蝕刻阻止層211與第一介電質層203及/或第二介電質層205的蝕刻率比可在約100：1與約1.05：1之間、約15：1與約2：1之間、或約10：1與約2：1之間。在鑲嵌蝕刻製程的第三階段期間，第二介電質層205與第一蝕刻停止層211的蝕刻率比可在約100：1與約1.05：1之間、約15：1與約2：1之間、或約10：1與約2：1之間。
因此，在鑲嵌蝕刻製程的第一階段及第二階段期間，圖案化遮罩層403的溝槽區域403T可以存在，並可以保護對應於溝槽區域403T的第二介電質層205。在鑲嵌蝕刻製程的第三階段期間，圖案化遮罩層403的溝槽區域403T可以完全消耗，並且可以移除對應於溝槽區域403T的第二介電質層205。
參照圖14，溝槽207及通孔209可以用類似於圖10所示的程 序形成，其描述在此不再重複。基底201、第一介電質層203、第二介電質層205、溝槽207、通孔209及第一蝕刻停止層211共同配置半導體元件200B。
圖15至圖18是截面圖，例示本揭露另一個實施例之使用光罩100C以製備半導體元件200C的流程。
參照圖15，元件堆疊SKC及光罩100C可以具有與圖11中所示相似的結構。圖15中與圖11中相同或相似的元素已被標記為類似的參考符號，重複的描述已被省略。元件堆疊SKC可以包括第二蝕刻停止層213。第二蝕刻停止層213可以形成在第一介電質層203與基底201之間。在一些實施例中，第二蝕刻停止層213的製作技術可包含與第一蝕刻停止層211相同的材料。在一些實施例中，第二蝕刻停止層213的製作技術可以包含優選地具有與第一介電質層203、第二介電質層205及/或基底201不同的蝕刻選擇性的介電質材料。例如，第二蝕刻阻止層213的製作技術可以包含氮化矽、碳化矽、氧碳化矽或類似材料，並可以包含化學氣相沉積或電漿增強化學氣相沉積來沉積。
參照圖16，預製遮罩層401可以用類似於圖12中說明的程序經圖案寫入以形成圖案化遮罩層403，其描述在此不再重複。
參照圖17，在一些實施例中，鑲嵌蝕刻製程可以用類似於圖13所示的程序執行，其描述在此不再重複。
參照圖18，溝槽207及通孔209可以用類似於圖14中說明的程序來形成，在此不再重複其描述。基底201、第一介電質層203、第二介電質層205、溝槽207、通孔209、第一蝕刻停止層211及第二蝕刻停止層213共同配置半導體元件200C。
圖19是流程圖，例示本揭露另一實施例之使用光罩100D以製備半導體元件200D的製備方法20。圖20至圖29是截面圖，例示本揭露另一個實施例之使用光罩100D以製備半導體元件200D的流程。
參照圖19至圖21，在步驟S21，可以提供遮罩基底101，在遮罩基底101上形成半透明層105，在半透明層105上形成不透明層103。
參照圖20，遮罩基底101可以具有類似於圖2所示的遮罩基底101的結構，其描述在此不再重複。半透明層105可以形成在遮罩基底101上，並完全覆蓋遮罩基底101。半透明層105的厚度T2、材料、不透明度可以類似於圖4中說明的半透明層105，其描述在此不再重複。
參照圖21，不透明層103可以形成在半透明層105上。應該注意的是，在本實施例中，不透明層103可以與遮罩基底101相對，半透明層105插在其間。不透明層103的厚度T1、材料、不透明度可以與圖2中所示的不透明層103相似，在此不重複描述。
參照圖19、圖22及圖23，在步驟S23，不透明層103可經圖案寫入以形成不透明層103中的溝槽特徵遮罩開口103O。
參照圖22，可以在不透明層103上形成第一遮罩層301。第一遮罩層301可以具有類似於圖2中所示的第一遮罩層301的結構，其描述在此不再重複。
參照圖23，可以執行使用第一遮罩層301做為遮罩的溝槽-蝕刻製程以去除不透明層103的一部分。在溝槽-蝕刻製程之後，可以在不透明層103中形成溝槽特徵遮罩開口103O。半透明層105的頂面第一部分可以藉由溝槽特徵遮罩開口103O曝露。在一些實施例中，在溝槽-蝕刻製程期間，不透明層103與半透明層105的蝕刻率比可在約100：1與約 1.05：1之間、約15：1與約2：1之間、或約10：1與約2：1之間。在形成溝槽特徵遮罩開口103O後，可移除第一遮罩層301。
參照圖19、圖24及圖25，在步驟S25，半透明層105可經圖案寫入以形成通孔特徵遮罩開口105O，其中遮罩基底101、不透明層103及半透明層105共同配置光罩100D。
參照圖24，可以在不透明層103及半透明層105上形成第二遮罩層303。第二遮罩層303可以具有類似於圖5中所示的第二遮罩層303的結構，其描述在此不再重複。
參照圖25，可以用類似於圖6所示的程序來執行通孔-蝕刻製程，其描述在此不再重複。
參照圖19及圖26至圖28，在步驟S27，可以提供元件堆疊SKD，可以在元件堆疊SKD上形成預製遮罩層401，預製遮罩層401可以使用光罩100D經圖案寫入以形成圖案化遮罩層403，並且可以執行鑲嵌蝕刻製程以形成元件堆疊SKD的通孔開口203O及溝槽開口205O。
參照圖26，元件堆疊SKD及預製遮罩層401可以具有與圖7中所示類似的結構。圖26中與圖7中相同或相似的元素已被標記為類似的參考符號，重複的描述已被省略。
參照圖27，預製遮罩層401可以用類似於圖8中說明的程序經圖案寫入以形成圖案化遮罩層403，其描述在此不再重複。
參照圖28，鑲嵌蝕刻製程可以用類似於圖9所示的程序執行，其描述在此不再重複。
參照圖19及圖29，在步驟S29，可以在通孔開口203O中形成通孔209，並且可以在溝槽開口205O中形成溝槽207，以配置半導體元 件200D。
參照圖29，溝槽207及通孔209可以用類似於圖10所示的程序形成，其描述在此不再重複。基底201、第一介電質層203、第二介電質層205、溝槽207及通孔209共同配置半導體元件200D。
圖30至圖34是截面圖，例示本揭露另一實施例之光罩100E的製備流程。
參照圖30，遮罩基底101、半透明層105及不透明層103可以具有與圖21所示類似的結構。圖30中與圖21中相同或相似的元素已被標記為類似的參考符號，重複的描述已被省略。
參照圖30，在不透明層103上可以形成抗反射層107。抗反射層107可以包括含有氧、氮及碳中至少一種的鉻材料。抗反射層107的材料的例示可以是氧化鉻、氮化鉻、氮氧化鉻(chromium oxynitride)、氧碳化鉻(chromium oxycarbide)及氧化氮碳化鉻(chromium oxide nitride carbide)。在一些實施例中，抗反射層107的厚度可以是圖案寫入源的波長的四分之一。在一些實施例中，抗反射層107的厚度可在約10奈米與約100奈米之間、或約10奈米與約40奈米之間。抗反射層107可以提高圖案寫入的精度。
參照圖31，第一遮罩層301可以形成在抗反射層107上。第一遮罩層301可以具有類似於圖22中所示的第一遮罩層301的結構，其描述在此不再重複。
參照圖32，可以執行使用第一遮罩層301做為遮罩的溝槽-蝕刻製程，以去除不透明層103的一部分及抗反射層107的一部分，以形成溝槽特徵遮罩開口103O。半透明層105的頂面第一部分可以藉由遮罩開 口103O的溝槽特徵曝露。在一些實施例中，溝槽-蝕刻製程可包括多個階段，以分別及相應地蝕刻抗反射層107及不透明層103。在一些實施例中，在溝槽-蝕刻製程期間，抗反射層107與不透明層103的蝕刻率比可在約100：1與約1.05：1之間、約15：1與約2：1之間、或約10：1與約2：1之間。在一些實施例中，在溝槽-蝕刻製程期間，不透明層103與遮罩基底101的蝕刻率比可在約100：1與約1.05：1之間、約15：1與約2：1之間、或約10：1與約2：1之間。在形成溝槽特徵遮罩開口103O後，可移除第一遮罩層301。
參照圖33，藉由微影製程形成第二遮罩層303以覆蓋不透明層103、抗反射層107及半透明層105的一部分。第二遮罩層303可包括通孔特徵遮罩開口105O的圖案。在一些實施例中，第二遮罩層303可以是一光阻，如市售的光阻OCG895i或其他適合的光阻。
參照圖34，可以執行使用第二遮罩層303做為遮罩的通孔-蝕刻製程，以去除半透明層105曝露的部分。在通孔-蝕刻製程之後，可在半透明層105中形成通孔特徵遮罩開口105O。遮罩基底101的頂面第二部分可以藉由通孔特徵遮罩開口105O曝露。在一些實施例中，在通孔-蝕刻製程期間，半透明層105與遮罩基底101的蝕刻率比可在約100：1與約1.05：1之間、約15：1與約2：1之間、或約10：1與約2：1之間。在形成通孔特徵遮罩開口105O後，可以去除第二遮罩層303。遮罩基底101、不透明層103、半透明層105及抗反射層107共同配置光罩100E。
本揭露的一個方面提供一種半導體元件的製備方法，包括提供一光罩，該光罩包括一不透明層，設置於一遮罩基底上並圍繞該遮罩基底上的一半透明層；提供一元件堆疊，包括一基底上的一第一介電質 層，及該第一介電質層上的一第二介電質層；在該元件堆疊上形成一預製遮罩層；使用該光罩對該預製遮罩層進行圖案化處理，以形成一圖案化遮罩層，該圖案化遮罩層包括對應於該不透明層的一遮罩區域、對應於該半透明層的一溝槽區域、及對應於該通孔特徵遮罩開口的一通孔；執行一鑲嵌蝕刻製程，在該第一介電質層中形成一通孔開口，在該第二介電質層中形成一溝槽開口；以及在該通孔開口中形成一通孔，在該溝槽開口中形成一溝槽，以配置該半導體元件。該半透明層包括一通孔特徵遮罩開口，以曝露該遮罩基底的一部分。該溝槽區域的厚度小於該遮罩區域的厚度。
本揭露的另一個方面提供一種半導體元件的製備方法，包括提供光一遮罩，該遮罩包括一半透明層，設置於一遮罩基底上，並包括曝露該遮罩基底一部分的一通孔特徵遮罩開口，以及一不透明層，設置於該半透明層上，並包括曝露該半透明層及該遮罩基底的該部分的一溝槽特徵遮罩開口；提供一元件堆疊，包括一基底上的一第一介電質層，及該第一介電質層上的一第二介電質層；在該元件堆疊上形成一預製遮罩層；使用該光罩對該預製遮罩層進行圖案化理，以形成一圖案化遮罩層，該圖案化遮罩層包括對應於該不透明層的一遮罩區域、對應於該半透明層的該部分的一溝槽區域以及對應於該通孔特徵遮罩開口的一通孔；執行一鑲嵌蝕刻製程以在該第一介電質層中形成一通孔開口，在該第二介電質層中形成一溝槽開口；以及在該通孔開口中形成一通孔，在該溝槽開口中形成一溝槽以配置該半導體元件。該溝槽區域的厚度小於該遮罩區域的厚度。
本揭露的另一個方面提供一種光罩的製備方法，包括提供一遮罩基底；在該遮罩基底上形成一不透明層；對該不透明層進行圖案寫入，以在該不透明層中形成一溝槽特徵遮罩開口，並曝露該遮罩基底；在 該溝槽特徵遮罩開口中形成一半透明層，以覆蓋該遮罩基底；以及對該半透明層進行圖案寫入，以形成一通孔特徵遮罩開口，以曝露該遮罩基底的一部分。
由於本揭露的半導體元件製備方法的設計，藉由採用包括半透明層的光罩，可以在單個步驟的鑲嵌蝕刻製程中形成半導體元件的通孔開口及溝槽開口。因此，可以降低製造半導體元件的製程複雜性。
雖然已詳述本揭露及其優點，然而應理解可進行各種變化、取代與替代而不脫離申請專利範圍所定義之本揭露的精神與範圍。例如，可用不同的方法實施上述的許多過程，並且以其他過程或其組合替代上述的許多過程。
再者，本申請案的範圍並不受限於說明書中所述之過程、機械、製造、物質組成物、手段、方法與步驟之特定實施例。該技藝之技術人士可自本揭露的揭示內容理解可根據本揭露而使用與本文所述之對應實施例具有相同功能或是達到實質上相同結果之現存或是未來發展之過程、機械、製造、物質組成物、手段、方法、或步驟。據此，此等過程、機械、製造、物質組成物、手段、方法、或步驟係包含於本申請案之申請專利範圍內。
100A:光罩 101:遮罩基底 103:不透明層 103O:溝槽特徵遮罩開口 105:半透明層 105O:通孔特徵遮罩開口 201:基底 203:第一介電質層 205:第二介電質層 403:圖案化遮罩層 403M:遮罩區域 403T:溝槽區域 403V:通孔 SKA:元件堆疊 T3:厚度 T4:厚度 Z:方向

Claims (13)

  1. 一種半導體元件的製備方法，包括：提供一光罩，該光罩包括一不透明層，設置於一遮罩基底上並圍繞該遮罩基底上的一半透明層；其中該半透明層包括一通孔特徵遮罩開口以曝露該遮罩基底的一部分；提供一元件堆疊，包括一基底上的一第一介電質層，及該第一介電質層上的一第二介電質層；在該元件堆疊上形成一預製遮罩層；使用該光罩對該預製遮罩層進行圖案化處理，以形成一圖案化遮罩層，該圖案化遮罩層包括對應於該不透明層的一遮罩區域、對應於該半透明層的一溝槽區域及對應於該通孔特徵遮罩開口的一通孔，其中該溝槽區域的厚度小於該遮罩區域的厚度；執行一鑲嵌蝕刻製程，以在該第一介電質層中形成一通孔開口，並在該第二介電質層中形成一溝槽開口；其中該通孔開口與該溝槽開口彼此連通，且其中該第一介電質層之一上表面具有一部分，其經由該溝槽開口而曝露且與該通孔開口鄰接；以及在該通孔開口中形成一通孔，在該溝槽開口中形成一溝槽，以配置該半導體元件。
  2. 如請求項1所述的製備方法，其中該溝槽區域的厚度與該遮罩區域的厚度之比在約25%與約85%之間。
  3. 如請求項2所述的製備方法，其中該溝槽區域的厚度與該遮罩區域的厚度之比在約45%與約65%之間。
  4. 如請求項3所述的製備方法，其中提供該光罩包括：提供該遮罩基底；在該遮罩基底上形成該不透明層；對該不透明層進行圖案寫入，以在該不透明層中形成一溝槽特徵遮罩開口，並曝露該遮罩基底之一上表面之一部分；在該溝槽特徵遮罩開口中形成該半透明層，以完全覆蓋該遮罩基底之該上表面之該部分；以及對該半透明層進行圖案寫入，以形成該通孔特徵遮罩開口，以曝露該遮罩基底之上表面的該部分。
  5. 如請求項4所述的製備方法，其中該不透明層的厚度與該半透明層的厚度實質上相同。
  6. 如請求項4所述的製備方法，其中該不透明層的厚度與該半透明層的厚度不同。
  7. 如請求項5所述的製備方法，其中該不透明層包括鉻。
  8. 如請求項7所述的製備方法，其中該半透明層包括矽化鉬或氮化矽。
  9. 如請求項1所述的製備方法，其中該半透明層的不透明度與該不透明層的不透明度之比在約5%與約95%之間。
  10. 如請求項1所述的製備方法，其中該半透明層的不透明度與該不透明層的不透明度之比在約45%與約75%之間。
  11. 如請求項8所述的製備方法，其中在該鑲嵌蝕刻製程期間，對該第一介電質層的蝕刻率與對該第二介電質層的蝕刻率實質上相同。
  12. 如請求項8所述的製備方法，更包括一第一蝕刻停止層，形成在該第一介電質層與該第二介電質層之間；其中該第一蝕刻停止層包括氮化矽、碳化矽或氧碳化矽。
  13. 如請求項12所述的製備方法，更包括一第二蝕刻停止層，形成在該基底與該第一介電質層之間；其中該第二蝕刻停止層包括氮化矽、碳化矽或氧碳化矽。
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