CN114975087A - 半导体元件的制造方法 - Google Patents

Abstract

提供一种形成半导体元件的方法。提供形成半导体元件的方法。方法包含在目标层之上涂覆光阻膜；进行微影制程以将光阻膜图案化成光阻层；对光阻层进行方向性离子轰击制程，使得光阻层中的碳原子浓度增加；使用光阻层为刻蚀遮罩，刻蚀目标层。透过此方法可以减少图案角落变圆的现象，使得修改后的光阻图案具有更为锐利的角落。

Description

半导体元件的制造方法

技术领域

本揭露有关于一种半导体元件的制造方法。

背景技术

半导体集成电路系统(IC)产业已经历快速的成长。在集成电路材料及设计方面的技术进步已产生数世代集成电路，其中每一代均比前一代具有更小、更为复杂的电路。在IC演进的过程中，已总体上增加功能密度(即，每个晶片面积的互连接元件的数量)，而降低几何大小(即，使用生产制程可创建的最小组件(或线路))。此种按规模缩小的制程总体上可通过增加生产效率及减低关联的成本而提供效益。然而，这些按规模缩小亦已增加IC处理及制造的复杂性。

发明内容

一种半导体元件的制造方法，包括以下步骤：在目标层上涂覆光阻膜；进行微影制程以将光阻膜图案化成光阻层；对光阻层进行方向性离子轰击制程，使得光阻层中的碳原子浓度增加；及使用光阻层作为蚀刻遮罩，蚀刻目标层。

一种半导体元件的制造方法，包括以下步骤：在目标层上涂覆光阻膜；进行微影制程以将光阻膜图案化成光阻层，其中光阻层具有开口，且光阻层的开口至少具有第一侧壁、与第一侧壁不平行的第二侧壁、及连接第一侧壁与第二侧壁的第一角落；沿着第一方向对光阻层的第一角落进行第一方向性离子轰击制程，其中第一方向不垂直于光抗蚀剂的第一侧壁及第二侧壁二者；及在完成第一方向性离子轰击制程之后，使用光阻层为图案化遮罩，图案化目标层。

一种半导体元件的制造方法，包括以下步骤：在半导体基材中的有源区之上形成虚设栅极结构；在虚设栅极结构的相对侧形成源极/漏极特征；蚀刻虚设栅极结构以在源极/漏极特征之间形成栅极沟槽；将第一工作功能金属层沉积至栅极沟槽中，及在第一工作功能金属层之上沉积第二工作功能金属层；在第二工作功能金属层之上形成涂层，及在涂层之上形成图案化光阻层；对图案化光阻层进行方向性离子轰击制程，其中方向性离子轰击制程锐化图案化光阻层中的开口的第一角落；使用具有锐化角落的光阻层以作为图案化遮罩，图案化涂层；进行蚀刻制程以去除通过图案化涂层所暴露出的第二工作功能金属层的第一部分，同时保留图案化涂层之下的第二工作功能金属层的第二部分；在完成蚀刻制程之后，去除图案化涂层；及采用栅极金属填充栅极沟槽。

附图说明

当与随附图示一起阅读时，可由以下实施方式最佳地理解本揭露内容的态样。注意到根据此产业中的标准实务，各种特征并未按比例绘制。实际上，为论述的清楚性，可任意增加或减少各种特征的尺寸。

图1为根据本揭露内容的一些实施例，在制造半导体元件的方法的各种阶段的流程图；图2至9B例示根据本揭露内容的一些实施例，用于制造半导体元件的方法的各种阶段。

图10为根据本揭露内容的一些实施例，光阻材料中的聚合物树脂的化学结构；

图11为根据本揭露内容的一些实施例，光阻材料中的光酸生成剂的化学结构；

图12为根据本揭露内容的一些实施例，例示不同光阻材料的X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)光谱的曲线图；

图13为根据本揭露内容的一些实施例，不同光阻材料的XPS的碳深度轮廓；

图14至18例示根据本揭露内容的一些实施例，用于制造半导体元件的方法的各种阶段的光阻材料的俯视图；

图19A及19B为根据本揭露内容的一些实施例，在各种阶段制造半导体元件的方法的流程图；

图20A至33B例示根据本揭露内容的一些实施例，在用于制造半导体元件的方法的各种阶段；

图34A至43C例示根据本揭露内容的一些实施例，在用于制造半导体元件的方法的各种阶段；

图44A至44D例示根据本揭露内容的一些实施例的半导体制造设备；

图45A至47例示根据本揭露内容的一些实施例，在方向性处理期间的范例阴影作用。

【符号说明】

ALG:酸不稳定基团

A1,A1’,A2,A2’:角度

B-B,C-C:线

BL,BL’:BARC层’

BLO:开口

BU1:分支单元

BD1,BD1’,BD2,BD2’,X～Z:方向

C1～C4:圆形角落

C1’～C4’:锐化角落

CD:临界尺寸

DB1,DB2:虚线方块

DG:虚设栅极结构

EtE:端对端距离

IA:入射角度

IL:界面层

L1:光图案

LD1,LD2:轻掺杂区

GA:影线方块

GT:栅极沟槽

OD,OD1,OD2:有源区

ODS,S1,S2,S2’:距离

OVX,OVY:重叠误差

DB1/DB2与

RB,RB1,RB1’,RB2,RB2’:光束

RM:遮罩模版

RG,RG1,RG2:替换栅极结构

RG_P1,RG_P2:分离的栅极结构

RGT:CMP沟槽

R1,R2:区

SD:延伸方向

SLth:阔值

SO1:狭缝开口

SP1:光阻层的部分

SP2:狭缝开口的下部分

TS,TS’:目标侧壁

T1,T2:晶体管元件

PB1:聚合物基干链

PR:光阻层

PR’:光阻层

PRO:毗邻开口

PR1:聚合物树脂

PS1:敏化剂

W:晶圆

WP,WP’:定位

W_BD1,W_BD2:宽度

X1:距离GSS的一半减去重叠误差OVX

Y1:距离ODS减去重叠误差OVY的一半

100,300:方法

102～112,302～326:步骤

210,410:基材

220,220’:目标层

230:硬质遮罩层

230C:锐利的角落

230’:硬质遮罩层

240:光阻层

240SC:圆形侧壁

240S1:第一侧壁

240S2:第二侧壁’

240S1’,240S2’,240SC’:侧壁

240O:开口

240’:光阻层

240”:改性光阻层

242～246:部分

410R:凹陷

410T:顶部表面

420:隔离结构

430:栅极介电

440:虚设栅电极

450:栅极间隔件

460:介电层

472,474:源极/漏极特征

480:CESL层

490:ILD层

500:高k值介电层

510:第一工作功能金属层

512,514,522,524:工作功能金属层的一部分

520,520’:第二工作功能金属层

530:填充金属

540:介电结构

900:半导体制造工具

902:离子源

904:离子选择磁体

906:离子选择孔

908:光束弯曲磁体

910:过滤器

912:晶圆平台

具体实施方式

以下揭露内容提供用于实行所提供的标的的不同特征的许多不同的实施例或范例。后文描述组件及布置的特定范例以简化本揭露内容。当然，这些仅为范例且未意图具限制性。举例而言，在后文的描述中，在第二特征之上或上的第一特征的形成可包含其中以直接接触方式形成第一特征及第二特征的实施例，且亦可包含其中在第一特征与第二特征间形成额外特征，使得第一特征及第二特征可不直接接触的实施例。此外，在各种范例中，本揭露内容可能重复元件符号及/或字母。此重复是出于简单及清楚的目的，且重复本身并不规范所论述的各种实施例及/或配置间的关系。

进一步地，为便于描述，本文中可使用诸如“在...之下”、“在...下方”、“较低”、“在...上方”、“较高”、及类似者的空间相对术语，以描述图示中所例示的一个元件或特征与另一元件(等)或特征(等)的关系。除图示中所描绘的定向之外，空间相对术语亦意图涵盖元件在使用或操作中的不同定向。设备能以其他方式定向(旋转90度或以其他定向)，且本文中使用的空间相对描述语可同样以相应的方式解释。如本文中所使用，“大约”、“约”、“近似”、或“大致上”应通常意指给定值或范围的百分之20之内、或百分之10之内、或百分之5之内。在本文中给定的数值为近似值，意指若没有明确地说明，则可推断出术语“大约”、“约”、“近似”、或“大致上”。

在较小的制程节点中，图案角落变圆落已变得更为突出的问题。图案角落变圆为在光微影(例如，光阻图案)及蚀刻制程(例如，硬质遮罩图案)期间目标图案中的直角变得圆的现象。举例而言，光微影可能使用采用低通滤波器的光学系统，从而产生模糊的光图案，这继而可能获致光阻图案中的圆形角落。在使用光阻作为蚀刻遮罩的蚀刻制程之后，图案将转移，并获致硬质遮罩图案中的圆形角落。此问题直接影响半导体制造期间的制程窗口及临界尺寸(critical dimension,CD)变化控制。因此，已提出各种方法以减少图案角落变圆。在一些情况下，可调整微影制程中的光图案以超过在显影之后检查(after-development inspection,ADI)中观察到的光阻图案，以供补偿硬质遮罩敞开检查(after-hard-mask open inspection,AMI)中观察到的硬质遮罩图案中的角落变圆或在蚀刻之后检查(after-etch inspection,AEI)中观察到的其他下层图案，但是此种对光图案的调整可能会降低光微影窗口的品质。

在一些实施例中，在微影制程之后进行方向性处理以修改光阻图案，从而减少图案角落变圆而不降低微影窗口的品质。方向性处理亦可使光阻图案硬化，继而改善光阻图案及下层的层之间的蚀刻选择性。方向性处理亦可推动光阻图案的边缘，使得修改后的光阻图案具有更为锐利的角落。在一些实施例中，通过方向性离子轰击制程，采用合适的离子物种(例如，Ar、Si、等)、合适的能量、合适的剂量、及适用于硬化光阻图案并推动其边缘的入射角度，实现方向性处理。

图1为根据本揭露内容的一些实施例，在制造半导体元件的方法100的各种阶段的流程图。图2至图9B例示根据本揭露内容的一些实施例，用于制造半导体元件的方法的各种阶段。方法100可包含步骤102至步骤112。进行包含步骤102至步骤106的微影制程PL以形成其中具有开口的图案化光阻层。举例而言，在步骤102，在目标层之上涂覆光阻层。在步骤104处，采用光图案对光阻层进行曝光。在步骤106处，显影，且接着烘烤光阻层。在步骤108处，进行方向性处理，以硬化微影制程PL之后与开口毗邻的部分光阻层。在步骤110处，在方向性处理之后使用光阻层作为遮罩蚀刻硬质遮罩层。在步骤112处，在蚀刻硬质遮罩层之后使用硬质遮罩层作为遮罩蚀刻目标层。应当了解，可在图1所示的步骤102至步骤112之前、期间、及之后提供额外步骤，且对于该方法的额外实施例而言，可替换或消除后文所描述的一些步骤。可互换操作/制程的顺序。

参照图1及图2，方法100开始于步骤102处，其中在目标层220之上涂覆光阻层240。在一些实施例中，目标层220可为在基材210之上沉积的一层或更多层的导电材料及/或介电材料。在一些实施例中，在目标层220之上沉积硬质遮罩层230，接着在硬质遮罩层230之上涂覆光阻层240。在一些实施例中，硬质遮罩层230亦为目标层，此乃由于其通过使用光阻层240作为图案化遮罩所被图案化。

在一些实施例中，基材210可由合适的元素的半导体制成，诸如硅、钻石、或锗；由合适的合金或化合物半导体制成，诸如IV族化合物半导体(硅锗(SiGe)、碳化硅(SiC)、碳化硅锗(SiGeC)、GeSn、SiSn、SiGeSn)、III-V族化合物半导体(例如，砷化镓(GaAs)、砷化铟镓(InGaAs)、砷化铟(InAs)、磷化铟(InP)、锑化铟(InSb)、磷化砷化镓(GaAsP)、或磷化镓铟(GaInP))、或类似物。进一步地，基材210可包含磊晶层(epi-layer)，此磊晶层可为针对性能增强的应变磊晶层，及/或可包含绝缘体上硅(silicon-on-insulator,SOI)结构。

在一些实施例中，目标层220包含介电材料，诸如氧化硅、氮化硅、SiON、SiOC、SiOCN、SiCN、铝基的介电材料、低k值材料、有机材料、或被使用于半导体元件制造的任何其他介电材料。介电目标层220可充作，举例而言，集成电路(integrated circuit,IC)结构中的层间介电(interlayer dielectric,ILD)层或金属间介电(intermetal dielectric,IMD)层。在其他实施例中，目标层220包含导电材料，诸如多晶硅及金属材料。在一些实施例中，金属材料包含W、Cu、Ti、Ta、Ag、Al、AlCu、TiAl、TiN、TaN、TiAlN、TiAlC、TaC、TaCN、TaSiN、Mo、Mn、Co、Pd、Ni、Re、Ir、Ru、Pt、及/或Zr、或其合金(例如，硅化物)。导电目标层220可用于形成，举例而言，金属栅极、金属线路、或金属通孔。可通过物理气相沉积(physical vapordeposition,PVD)、化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)、或原子层沉积(atomic layer deposition,ALD)形成目标层220，但可利用任何可接受的制程。在一些替代实施例中，目标层220可为基材210的一部分。

在硬质遮罩层230可能包含介电材料，诸如氧化硅、氮化硅、SiON、SiOC、SiOCN、SiCN、铝基的介电材料、低k值材料、有机材料、或使用于半导体元件制造的任何其他介电材料。在一些实施例中，硬质遮罩层230包含与目标层220的材料不同的材料，从而具有与目标层220的蚀刻选择性不同的蚀刻选择性。

在一些实施例中，在硬质遮罩层230之上旋涂覆光阻层240。在一些实施例中，在涂覆光阻层240之前，在硬质遮罩层230上形成底部抗反射涂层(bottom antireflectivecoating,BARC)层。

在一些实施例中，光阻层240包含聚合物树脂、光活性化合物(photoactivecompound,PAC)、及溶剂。在一些实施例中，聚合物树脂包含含有一个或更多个在与酸、碱、或由PAC所生成的自由基混合时分解(例如，酸不稳定基团)或以其他方式反应的基团的烃结构。在一些实施例中，烃结构包含形成聚合物树脂的骨基干的重复单元。该重复单元可包含丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、巴豆酸酯、乙烯基酯、马来酸二酯、富马酸二酯、衣康酸二酯、(甲基)丙烯腈、(甲基)丙烯酰胺、苯乙烯、乙烯基醚、这些的组合、或类似物。聚合物树脂的范例性结构如图10中所例示。

PAC为光活性组分，诸如光酸生成剂(PAG)、光碱生成剂、自由基生成剂、或类似物。PAC可为正作用的或负作用的。在其中PAC为光酸生成剂的一些实施例中，PACs包含卤化三嗪、鎓盐、重氮盐、芳香族重氮盐、鏻盐、锍盐、碘鎓盐、酰亚胺磺酸盐、肟磺酸盐、重氮二砜、二砜、邻硝基芐基磺酸盐、磺酸脂、卤化磺酰基二甲酰亚胺、α-氰氧基胺磺酸盐、酰亚胺磺酸盐、生酮重氮酯、磺酰基重氮酯、1,2-二(芳基磺酰基)肼、硝基芐基酯、及s-三嗪衍生物、这些的组合、或类似物。在一些实施例中，通过调整PAC的量(浓度)、选择特定类型的PAC、及/或增加耦合至基础结构的光活性单元的数量，将光阻的敏感度调整至前文所述的范围。PAC的范例性PAG结构如图11中所例示。

在一些实施例中，溶剂为选自下列中的一种或更多种，丙二醇甲醚醋酸盐(PGMEA)、丙二醇单甲醚(PGME)、1-乙氧基-2-丙醇(PGEE)、γ-丁内酯(GBL)、环己酮(CHN)、乳酸乙酯(EL)、甲醇、乙醇、丙醇、正丁醇、丙酮、二甲基甲酰胺(DMF)、异丙醇(IPA)、四氢呋喃(THF)、甲基异丁基甲醇(MIBC)、乙酸正丁酯(nBA)、及2-庚酮(MAK)。

光阻层240可为正光阻或负光阻。对于正性光阻，被曝光至光的光阻部分变为可溶于光阻显影剂，而光阻未曝光的部分维持不溶于光阻显影剂。对于负性光阻，被曝光至光的光阻部分变为不溶于光阻显影剂，而光阻未曝光的部分被光阻显影剂溶解。

参考图1及图3。方法100前进至步骤104，其中采用光图案L1曝光光阻层240(参照图2)。可使用遮罩模版RM来为光提供图案，从而生成光图案L1。在一些实施例中，在曝光于光图案L1之前，使光阻层240(参照图2)经受预烘烤制程以减少溶剂。

参考图1、图4A及图4B。图4B为图4A的半导体元件的俯视图。方法100前进至步骤106，曝光之后，使曝光的光阻层240(参照图3)经受曝光后烘烤(post exposure baking,PEB)制程，且接着经受显影制程，从而形成图案化光阻层240’。在一些实施例中，图案化光阻层240’可具有贯穿其中的开口240O。在一些实施例中，在进行曝光的光阻层240(参照图3)的显影之后进行后烘烤制程。在一些实施例中，可运用预烘烤及/或后烘烤制程以最大化光阻的曝光部分相对于光阻的未曝光部分的化学性质的改变。

包含步骤102至步骤106的光微影制程PL形成图案化光阻层240’，以便通过图案化光阻层240’(例如，通过开口240O)暴露硬质遮罩层230的一些区。在一些实施例中，在显影制程之后，进行显影后检查(after-development inspection,ADI)以检查图案化光阻层240’的轮廓，如图4B中所图示。

在一些情况下，由于光微影可能使用具有低通滤波器的光学系统，所以光图案L1(参照图3)可能会模糊，使得在后烘烤制程之后所得的图案化光阻层240’可能具有圆形角落。举例而言，如图4B中所图示，图案化光阻层240’的开口240O在后烘烤制程之后具有圆形角落C1。可在ADI步骤中观察到此圆形角落C1。在一些情况下，由于图案化光阻层240’的圆形角落C1，后续的蚀刻制程可能会获致下层硬质遮罩层230及目标层220中的圆形角落。

参考图1及图5A及图5B。图5B为图5A的半导体元件的俯视图。方法100前进至步骤108，在此步骤中进行方向性处理以修改光阻层240’，从而将光阻层240’的圆形角落重新成形以具有更锐利且较不圆的轮廓，继而将减少硬质遮罩层230及目标层220在后续蚀刻制程中的圆形角落。方向性处理可为，使用具有合适的物种(例如，Ar、Si、等)的光束RB的方向性离子轰击制程。在一些实施例中，光束RB可包括离子(例如，Ar+)及/或中性原子(例如，Ar)，其中当从顶部查看时沿着方向BD1所例示的箭头代表离子及/或原子的方向，如图5B中所例示。

在本揭露内容的一些实施例中，光束RB在开口240O的圆形角落C1处入射至圆形侧壁240SC上。举例而言，如图5B中所例示，开口240O具有沿着X方向延伸的第一侧壁240S1、沿着垂直于X方向的Y方向延伸的第二侧壁240S2、及连接第一侧壁240S1与第二侧壁240S2的圆形侧壁240SC。光束RB的方向BD1相对于方向X及Y倾斜。换言之，当从上方查看时，方向BD1可与方向X及Y相交。举例而言，光束RB的方向BD1与方向X之间的角度A1在自约40度至约50度的范围内。举例而言，角度A1约为45度。若光束RB的方向BD1与方向X之间的角度A1小于约40度或大于约50度，则由于阴影作用，光束RB可能无法有效地击中在角茖C1处的侧壁240SC，这继而将无法有效地将角落变圆轮廓减少成更锐利且较不圆的轮廓。

在一些实施例中，光束RB可具有带状并且称作带状光束。图5C为例示光束RB如何撞击具有多个晶片(例如，多个基材210)的晶圆W的俯视图。举例而言，带状光束RB在BD1方向上的宽度W_BD1可小于带状光束RB在与BD1方向正交的方向BD2上的宽度W_BD2。在一些实施例中，带状光束RB在BD1方向上的宽度W_BD1可等于或大于晶圆W的直径，使得带状光束RB可入射在晶圆W中的晶片的行/列上(例如，多个基材210)。在一些替代实施例中，带状光束RB在方向BD1上的宽度W_BD1可小于晶圆W的直径。

在一些实施例中，采用范围自约0.6keV至约40keV的离子轰击能量进行方向性离子轰击制程。若离子轰击能量小于约0.6keV，则可能不会生成带状光束RB。若离子轰击能量大于约40keV，则带状光束RB可能损坏下层的层(例如，硬质遮罩层230)，并在后续蚀刻制程中获致不符合需求的结果。在一些实施例中，采用范围自约6E14/cm²至约10E15/cm²的剂量进行方向性离子轰击制程。若剂量小于约6E14/cm²，则可能不会生成带状光束RB。若剂量大于约10E15/cm²，则带状光束RB可能损坏下层的层(例如，硬质遮罩层230)，并在后续蚀刻制程中在目标层220中获致不符合需求的图案。在一些实施例中，以相对于法线方向(例如，图5A中的方向Z)在约0度至约80度，举例而言，约0度至约60度的范围内的倾斜角进行方向性离子轰击制程。在一些实施例中，倾斜角度大于0度且小于或等于80度。

参考图6A及图6B，其例示在轰击期间的期中阶段。图6B为图6A的半导体元件的俯视图。在一些实施例中，方向性轰击处理可轰击光阻层240’的暴露表面，这继而将硬化光阻层240’。举例而言，可硬化光阻层240’接近开口240O中暴露的部分242的部分244。举例而言，方向性轰击处理可增加光阻层240’的部分244中的碳-碳键(即，C-C键)的数量，从而硬化光阻层240'的部分244。举例而言，在轰击制程之后的光阻层240’的部分244中的C-C键的最终数量大于在轰击制程之前的光阻层240’中的C-C键的原始数量(例如，图4A及图4B中的光阻层240’)。在一些实施例中，归因于阴影作用，经过方向性轰击处理之后，光阻层240’远离光阻层240(例如，远离开口240O，且远离光阻层240’的顶部表面)的暴露表面的部分246可保持大致上不变。亦即，光阻层240’的部分246可不受方向性轰击处理的轰击，且大致上不会被方向性轰击处理改变。举例而言，在方向性轰击处理之后，光阻层240'的部分246中的C-C键的数量小于光阻层240'的部分244中的C-C键的数量。这是归因于方向性轰击导致部分246中的C-C键的数量没有或忽略不计的增加，但是导致部分244中的C-C键的数量显著增加。

轰击可去除毗邻光阻层240’的暴露表面的光阻层240’的部分。此外，在一些实施例中，方向性轰击处理亦可喷溅掉毗邻光阻层240’的暴露表面的光阻层240’的部分。举例而言，可在方向性轰击处理期间通过压缩及溅镀光阻层240’，去除光阻层240’毗邻开口240O的部分242及光阻层240’的顶部表面。

通过压缩及溅镀光阻层240’，将光阻层240’中的开口240O的边缘推动远离开口240O的中心。举例而言，将侧壁240S1、240S2、及240SC推动远离开口240O的中心以变成侧壁240S1’、240S2’、及240SC’。在一些实施例中，归因于阴影作用，尽管控制光束RB的方向BD1使得光束RB可有效地击中圆形侧壁240SC/240SC’，但圆形侧壁240SC与240SC’之间的距离差值大于X向侧壁240S1与240S1’(即，沿X方向线性延伸的侧壁)之间的距离差异，且圆形侧壁240SC与240SC’之间的距离差异亦大于Y方向侧壁240S2与240S2’(即，沿Y方向线性延伸的侧壁)之间的距离差异。因而，锐化角落C1’以具有比原始角落C1更锐利且较不圆的轮廓。

图7A及图7B图示方向性处理之后的结果。图7B为图7A的半导体元件的俯视图。在方向性处理之后，将其余的光阻层240’(参照图6A及6B)称作改性光阻层240”。改性光阻层240”可具有暴露于开口240O的硬化部分244及未暴露于开口240O的非硬化部分246。硬化部分244可改善后续蚀刻制程中的蚀刻选择性。此外，如以上所例示，通过去除光阻层240’的部分242(参照图6A及图6B)，从顶部观看，方向性处理可向外推动光阻层240’中的开口240o的边缘(参照图6A及图6B)，使得改性光阻层240’可具有更锐利及较不圆的角落C1’。在一些实施例中，在方向性处理之后，进行合适的检查方法以检查光阻层240”的俯视轮廓，如图7B中所图示。

参考图1及图8A及图8B。图8B为图8A的半导体元件的俯视图。方法100前进至步骤110，其中在方向性处理之后使用光阻层240”(参照图7A及图7B)作为蚀刻遮罩蚀刻硬质遮罩层230(参照图7A及图7B)。在本实施例中，由于改性光阻层240”的硬化部分244具有改善的改性蚀刻选择性，因此蚀刻制程不会降低图案的品质。举例而言，在蚀刻制程中，硬质遮罩层230可继承改性光阻层240”的图案而没有或可忽略不计的图案变形。蚀刻制程可去除通过光阻层240”(参照图7A及图7B)暴露的硬质遮罩层230(参照图7A及图7B)的部分，且可将通过光阻层240”(参照图7A及图7B)覆盖的硬质遮罩层230(参照图7A及图7B)的其余部分称作硬质遮罩层230’。举例而言，硬质遮罩层230’具有继承光阻层240”的开口240O的图案的开口230O(参照图7A及图7B)。在一些实施例中，由于光阻层240”具有锐利的角落C1’(参照图7A及图7B)，所以硬质遮罩层230’亦可具有比光阻开口中的原始角落更锐利且较不圆的锐利的角落230C。举例而言，在一些实施例中，硬质遮罩层230’的角落230C比光阻层240’的原始角落C1更锐利且较不圆(参照图4A及图4B)。在图案化硬质遮罩层230(参照图7A及图7B)以形成硬质遮罩层230’之后，可通过合适的灰化或剥离方法去除光阻层240”(参照图7A及图7B)。在一些实施例中，在图案化硬质遮罩层230(参照图7A及图7B)以形成硬质遮罩层230’并剥离光阻层240”(参照图7A及图7B)之后，进行硬质遮罩后敞开检查(after-hard-mask open inspection,AMI)以检查图案化硬质遮罩层230的俯视轮廓，如图8B中所图示。

参考图1及图9A。方法100前进至步骤112，其中通过使用硬质遮罩层230’(参照图8A及图8B)作为蚀刻遮罩的蚀刻制程，图案化目标层220(参照图8A及图8B)。蚀刻制程可去除通过硬质遮罩层230’(参照图8A及图8B)暴露的部分目标层220(参照图8A及图8B)，及可将目标层220的其余部分(参考图8A)被硬质遮罩层230’(参照图8A及图8B)覆盖的目标层220’(参照图8A及图8B)称作目标层220’。举例而言，目标层220’具有继承硬质遮罩层230’的开口230O的轮廓的开口220O(参照图8A及图8B)。在一些实施例中，由于硬质遮罩层230”具有锐利的角落230C(参照图8A及图8B)，所以目标层220’亦可具有比光阻开口中的原始角落更锐利且较不圆的锐利的角落220C。举例而言，在一些实施例中，目标层220”的角落220C比光阻层240’的原始角落C1(参照图4A及图4B)更锐利且较不圆。在图案化目标层220(参照图8A及图8B)以形成目标层220’之后，可通过合适的蚀刻方法去除硬质遮罩层230’(参照图8A及图8B)。在图案化目标层220(参照图8A及图8B)以形成目标层220’并去除硬质遮罩层230’(参照图8A及图8B)之后，进行蚀刻后检查(after-etch inspection,AEI)以检查图案化目标层220’的俯视轮廓，如图9B中所图示。

图10为根据本揭露内容的一些实施例，光阻材料(如，图2中的光阻层240)中的聚合物树脂PRI的化学结构。在一些实施例中，聚合物树脂PR1包含聚合物骨干PB1及键合至聚合物骨干PB1的酸不稳定基团ALG。举例而言，在本文中，分支单元BU1将酸不稳定基团ALG键合至聚合物骨干PB1，并且分支单元BU1具有C-O双键。在一些实施例中，聚合物树脂PR1可进一步包含与键合至聚合物基干PB1的敏化剂PS1以增强光阻的敏感度。举例而言，敏化剂PS1可为聚羟基苯乙烯(PHS)基团。其他种类的聚合物树脂可适用于本揭露内容的一些实施例。

图11为根据本揭露内容的一些实施例，光阻材料中的光酸生成剂(photoacidgenerator,PAG)的化学结构。在一些实施例中，暴露于辐射之后，PAG可能会变成酸。在后曝光烘烤(post-exposure bake,PEB)制程期间，酸可启始聚合物树脂的ALG的离开。ALG的离开可产生用于启始后续的ALG从聚合物树脂中酸的离开。对于正光阻，当ALG离开光阻的聚合物树脂时，聚合物树脂的分支单元将改变为羧基团，其增加聚合物树脂对阳刻显影剂的溶解度；因此，而允许抗蚀剂的照射区域被显影剂去除，而未照射区域保持不溶并变为后续制程的遮罩元素。在本实施例中，例示的PAG包含三个键合至硫的苯基环。其他种类的PAG可适用于本揭露内容的一些实施例。

可进行X射线光电子能谱(x-ray photoelectron spectroscopy,XPS)以获得关于已方向性地处理或尚未方向性处理的光阻材料的化学资讯。通过XPS量测的光阻中的范例组成包含Ar、C、O、F、S、N、及Si的原子浓度，如以下表1中所显示出。表1中列出的原子浓度值仅用于例示性目的，而非限制性。

表1

在条件#1中，并未使光阻材料经受方向性轰击处理。在条件#2中，通过具有合适离子轰击能量及合适剂量的Ar光束轰击光阻材料。举例而言，离子轰击能量在约0.6keV至约40keV的范围内，且剂量在约6E14至约10E15的范围内。在条件#3中，通过Ar光束轰击光阻材料被，其离子轰击能量与条件#2相同，且剂量大于条件#2。在表1中，XPS的结果显示为条件#2/3的光阻材料与条件#1的光阻材料中Ar、C、O、F、S、N、Si的原子百分比(％)。

在条件#1中，如表所显示出，光阻材料中的氩原子浓度即，Ar原子浓度)低于XPS检测的极限。在一些实施例中，在光阻材料内，碳原子浓度(即，C原子浓度)大于氧原子浓度(即，O原子浓度)，O原子浓度大于氟原子浓度(即F，原子浓度)，F原子浓度大于硫原子浓度(即，S原子浓度)。在一些范例中，光阻材料中的氮原子浓度(即，N原子浓度)及硅原子浓度(即，Si原子浓度)低于XPS检测极限。

使条件#2与条件#1相比较，可观察到方向性轰击致使光阻中O原子浓度的降低。这表示方向性轰击处理可能会断裂CO双键(参照图10)以在光阻中形成其他单键(例如，C-C键)，从而从光阻材料中释放氧气，这继而又会降低光阻中的O原子浓度。此外，C原子浓度增加，如以下表1所显示出，图12中的XPS光谱表示C-C键的数量增加，且因此据信由于方向性处理，C-O双键断裂成C-C键。

使条件#3与条件#2相比较，可观察到在方向性处理中更大的剂量会进一步致使C原子浓度的增加及O原子浓度的降低。

在条件#1、#2、及#3中，光阻材料中的Ar原子浓度低于XPS检测极限。亦即，方向性处理可在光阻材料中不保留或可忽略不计的Ar原子。因而，光束中的氩气不会与光阻材料发生化学反应。换言之，光阻材料对方向性轰击中使用的氩气为化学惰性的。举例而言，被使用于方向性轰击的氩气可被中和，且因而在方向性轰击之后不会保留在光阻材料中。

图12例示出根据本揭露内容的一些实施例，不同光阻材料相对于碳1s(称作第一壳层的s轨道)光谱的XPS光谱的曲线图。在图12中，在横轴上图示键合能量(eV)，在纵轴上图示强度(计数)。参照表1所例示，在条件#1中，并未使光阻材料经受方向性轰击处理。参照以下表1中所例示，在条件#2中，通过具有合适离子轰击能量及合适剂量的Ar光束轰击光阻材料。在条件#4中，通过Si光束以与条件#2相同的离子轰击能量及剂量二者轰击光阻材料。

在条件#1中，如曲线图显示出，光阻材料在键合能量P1处具有峰值强度。使条件#2或条件#4与条件#1相比较，可观察到方向性轰击致使在键合能量P1处的峰值强度增加。键合能量P1可对应至C-C键及C-H键。

图13为根据本揭露内容的一些实施例，通过不同光阻材料的喷溅XPS的碳深度分布。在图13中，在横轴上图示深度分布(nm)，在纵轴上图示C原子浓度(％)。在条件#1中，并未使光阻材料经受方向性轰击处理。在条件#Ar1及#Ar2中，通过Ar光束轰击光阻材料，其中条件#Ar2的离子轰击能量大于条件#Ar1的离子轰击能量。在#Si1、#Si2、及#Si3条件中，通过Si光束的轰击光阻材料，其中条件#Si3的离子轰击能量大于条件#Si2的离子轰击能量，且条件#Si2的离子轰击能量大于条件#Si1的离子轰击能量。在一些范例中，条件#Si1的离子轰击能量与条件#Ar1的离子轰击能量相同，且条件#Si2的离子轰击能量与条件#Ar2的离子轰击能量相同。在一些范例中，条件#Si3的离子轰击能量与图12中条件#4的离子轰击能量相同。

在范例中，光阻材料具有厚度T。注意到，在深度零至深度T/2(即，光阻材料厚度T的一半)之间量测的结果更为可靠。在大于深度T/2的深度处量测的结果可能会受到其他因素的干扰(例如，来自下层基材的讯号)，并可能较不可靠。

图13中的这些条件为通过喷溅XPS所量测，以获得C及O的原子浓度(％)，具有可靠的光阻材料深度(例如，在图13中的深度零至深度T/2之间)。XPS的结果在以下表2中。在表2中，XPS的结果显示为条件#Ar1/Ar2/Si1/Si2/Si3与条件#1的光阻材料中C及O的原子浓度(％)的比值。表2中列出的原子浓度值仅用于例示性目的，而非限制性。

	C	O
			条件#1	100％	100％
条件#Ar1	113％	81％
			条件#Ar2	113％	84％
条件#Si1	107％	88％
			条件#Si2	107％	87％
条件#Si3	109％	85％

表2

在条件#1中，如曲线图及表显示出，光阻材料具有低C原子浓度。使条件#Ar1、#Ar2、#Si1、#Si2、及#Si3，与条件#1相比较，C原子浓度从条件#Ar1增加至条件#Si3，O原子浓度从条件#Ar1降低至条件#Si3。此曲线图显示出，通过方向性轰击处理，光阻层中的C-O键数量降低，而光阻层中的C-C键数量增加。此外，采用较强的离子轰击能量，C原子浓度增加更多，O原子浓度降低更多。这表示通过增加离子轰击能量，更多的C-C键及更少的C-O键保留在光阻材料中，这继而会使光阻材料变得更硬，更能抵抗后续的蚀刻制程。

图14至图18例示根据本揭露内容的一些实施例，用于制造半导体元件的方法的各种阶段的光阻材料的俯视图。本实施例的细节类似于图1至图9B中所例示般，除了方向性处理包括沿着方向BD1的第一方向性处理、沿着与方向BD1相反的方向BD1’的第二方向性处理、沿着与第一方向正交的方向BD2的第三方向处理、及沿着与BD2方向相反的方向BD2’的第四方向性处理。

参考图14。在图1中的微影制程PL之后，光阻层240’具有暴露下层的硬质遮罩层230的开口240O，其中开口240O可包含角落C1至C4，其中角落C1与角落C2对角相对，角落C3与角落C4对角相对。举例而言，如先前所例示，光阻层240具有沿着X方向延伸的第一线性侧壁240S1、沿着垂直于X方向的Y方向延伸的第二线性侧壁240S2、及在角落C1至C4处将相应第一侧壁240S1连接至相应第二侧壁240S2的圆形侧壁240SC。在本实施例中，对角落C1进行第一方向性处理。第一方向性处理可包含使用具有合适的物种(例如，Ar、Si、等)的光束RB1的方向性离子轰击制程。在一些实施例中，光束RB1可包括离子(例如，Ar+)及/或中性原子(例如，Ar)，其中当从上方观看时通过沿着方向BD1所例示的箭头代表离子及/或原子的方向。在一些实施例中，光束RB的方向BD1与方向X之间的角度A1在自约40度至约50度的范围内。举例而言，方向BD1相对于方向X倾斜约45度。通过此配置，在一些实施例中，控制光束RB1以入射至在开口240O的角落C1处的圆形侧壁240SC上，而由于阴影作用光束RB1不会击中开口240O的角落C2至C4。在一些实施例中，如先前所例示，光束RB1可具有带状并且称作带状光束。举例而言，在图14中，带状光束RB1在BD1方向上的宽度可小于带状光束RB1在方向BD2上的宽度。

参考图15。在对角落C1进行第一方向性处理之后，可对相对于角落C1的第二角落C2进行第二方向性处理。第二方向性处理可包含使用具有合适的物种(例如，Ar、Si、等)的光束RB1＇的方向性离子轰击制程。在一些实施例中，光束RB1可包括离子(例如，Ar+)及/或中性原子(例如，Ar)，其中当从上方观看时通过沿着方向BD1所例示的箭头代表离子及/或原子的方向。在一些实施例中，光束RB的方向BD1与方向X之间的角度A1在自约220度至约230度的范围内。举例而言，方向BD1’相对于方向X倾斜约225度。通过此配置，在一些实施例中，控制光束RB1’以入射至在开口240O的角落C2处的圆形侧壁240SC上，而由于阴影作用光束RB1不会击中开口240O的角落C1及C3至C4。在一些实施例中，如先前所例示，光束RB1可具有带状并且称作带状光束。举例而言，在图15中，带状光束RB1在BD1方向上的宽度可小于带状光束RB1在方向BD2上的宽度。

参考图16。在对角落C1进行第二方向性处理之后，可对角落C1进行第三方向性处理。第三方向性处理可包含使用具有合适的物种(例如，Ar、Si、等)的光束RB2的方向性离子轰击制程。在一些实施例中，光束RB2可包括离子(例如，Ar+)及/或中性原子(例如，Ar)，其中当从上方观看时通过沿着方向BD2所例示的箭头代表离子及/或原子的方向。在一些实施例中，光束RB的方向BD2与方向X之间的角度A2在自约310度至约320度的范围内。举例而言，方向BD2’相对于方向X倾斜约315度。通过此配置，在一些实施例中，控制光束RB1’以入射至在开口240O的角落C3处的圆形侧壁240SC上，而由于阴影作用光束RB1不会击中开口240O的角落C1至C2及C3至C4。在一些实施例中，如先前所例示，光束RB2可具有带状并且称作带状光束。举例而言，在图16中，带状光束RB2’在BD1方向上的宽度可小于带状光束RB2’在BD1/BD’方向上的宽度。

参考图17。在对角落C3进行第三方向性处理之后，可对角落C4进行第四方向性处理。第四方向性处理可包含使用具有合适的物种(例如，Ar、Si、等)的光束RB2’方向性离子轰击制程。在一些实施例中，光束RB2可包括离子(例如，Ar+)及/或中性原子(例如，Ar)，其中当从上方观看时通过沿着方向BD2所例示的箭头代表离子及/或原子的方向。在一些实施例中，光束RB的方向BD2与方向X之间的角度A2在自约130度至约140度的范围内。举例而言，方向BD2’相对于方向X倾斜约135度。通过此配置，在一些实施例中，控制光束RB1’以入射至在开口240O的角落C4处的圆形侧壁240SC上，而由于阴影作用光束RB1不会击中开口240O的角落C1至C3及C3至C4。在一些实施例中，如先前所例示，光束RB2可具有带状并且称作带状光束。举例而言，在图17中，带状光束RB2’在BD1方向上的宽度可小于带状光束RB2’在BD1/BD’方向上的宽度。

图18图示在第一至第四方向性处理之后的结果。在一些实施例中，第一至第四方向性处理可至少部分地硬化光阻，使得光阻层240’可具有接近并围绕开口240O的硬化部分244及远离开口240O的未硬化部分246。在一些实施例中，第一至第四方向性处理可将光阻层240’的开口240O的边缘推远离开口240O的中心，使得光阻层240’可具有更为锐利的角落C1’至C4’。本实施例的其他细节类似于图1至图9B实施例中所提及者，且在本文中将不再赘述。

图19A及图19B为根据本揭露内容的一些实施例，在各种阶段制造半导体元件的方法的流程图。图20A至图33B例示根据本揭露内容的一些实施例，在用于制造半导体元件的方法的各种阶段处。方法300可包含步骤302至步骤326。在步骤302处，在基材中形成隔离结构以界定有源区。在步骤304处，在有源区之上形成虚设栅极结构。步骤306处，在虚设栅极结构的相对侧上形成源极/漏极特征。在步骤308处，在源极/漏极特征之上沉积层间介电层。在步骤310处，去除虚设栅极结构以保留栅极沟槽。在步骤312处，将高k值介电层沉积至栅极沟槽中。在步骤314处，在高k值介电层之上沉积第一工作功能金属层。在步骤316处，在第一工作功能金属层之上沉积第二工作功能金属层。在步骤318处，进行微影制程以在第二工作功能金属层之上形成光阻。在步骤320处，进行方向性处理以硬化光阻的部分。在步骤322处，使用光阻作为遮蔽，蚀刻第二工作功能金属层。在步骤324处，采用金属填充栅极沟槽。在步骤326处，进行平坦化制程以去除栅极沟槽外部的多余材料。应当了解，可在图19A及图19B所示的步骤302至步骤326之前、期间、及之后提供额外步骤，且对于该方法的额外实施例而言，可替换或消除后文所描述的一些步骤。可互换操作/制程的顺序。

参考图19A、图20A、及图20B。图20B为沿着图20A中的线B-B所截取的截面视图。方法300在步骤302处开始，其中在基材410中形成隔离结构420以界定有源区OD。基材410可为半导体基材，诸如块状半导体材、绝缘体上半导体(SOI)基材、或类似者。基材410可为晶圆，诸如硅晶圆。通常而言，SOI基材包括在绝缘体层上所形成的半导体材料的层。绝缘体层可为，举例而言，埋入的氧化物(buried oxide,BOX)层、氧化硅层、或类似者。将绝缘体层提供至(为硅或玻璃基材的)基材上。亦可使用其他基材，诸如多层或梯度基材。在一些实施例中，基材410的半导体材料可包含硅；锗；包含碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟、及/或锑化铟的化合物半导体，；包含SiGe、GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP、及/或GaInAsP的合金半导体；或其等的组合。

在一些实施例中，可使用浅沟槽隔离(shallow trench isolation,STI)制程，举例而言，包括蚀刻沟槽及用填充介电材料填充沟槽的步骤，形成隔离结构420。填充介电材料，举例而言，可为氧化硅。隔离结构420可沿着方向X延伸，从而将沿着相同方向X延伸的有源区OD彼此间隔开。可进行离子植入以在有源区OD中形成阱区。在一些实施例中，有源区OD可包含有源区OD1及OD2，且有源区OD1及OD2中的阱区可具有不同的导电类型。举例而言，有源区OD1中的阱区为p型阱区，而在有源区OD1之上形成n型晶体管。举例而言，有源区OD2中的阱区为n型阱区，而在有源区OD2之上形成p型晶体管。

在一些实施例中，隔离结构420具有不低于有源区OD的顶部表面的顶部表面，这继而允许在有源区OD之上形成平面晶体管。在一些实施例中，使隔离结构420进一步凹陷(例如，通过回蚀制程)而落至低于有源区OD的顶部表面，使得有源区OD突出凹陷的隔离结构420的顶部表面上方以形成似鳍状结构(例如，半导体鳍状结构)，这继而允许在有源区OD之上形成鳍状结构类型场效应晶体管(fin-type field effect transistors,FinFET)。

参考图19A、图21A、及图21B。图21B为沿着图21A中的线B-B所截取的截面视图。方法300前进至步骤304，其中在有源区OD1及OD2之上形成虚设栅极结构DG。每个虚设栅极结构DG可包含栅极介电430及在栅极介电430之上的虚设栅电极440。虚设栅极结构DG的形成包含在有源区OD1及OD2之上形成栅极介电层，在栅极介电层之上沉积虚设栅极电极层，及将栅极介电层及虚设虚设栅极电极层图案化成栅极介电层430及虚设闸栅电极440。

在一些实施例中，栅极介电层可由合适的介电材料形成，诸如氧化硅、氧氮化硅、氮化硅、氧化物、含氮氧化物、氧化铝、氧化镧、氧化铪、氧化锆、氧氮化铪、其等的组合、及/或类似物。在栅极介电层包含氧化物的一些实施例的情况中，可通过热氧化制程、CVD、其他合适的沉积方法、或类似物形成栅极介电层。在一些实施例中，虚设栅极电极层可包含多晶硅(poly-Si)、多晶体硅锗(poly-SiGe)、金属氮化物、金属硅化物、金属氧化物、或金属。可通过CVD、物理气相沉积(physical vapor deposition,PVD)、溅镀沉积、或其他适用于沉积导电材料的技术，沉积虚设栅极电极层。

进行一个或更多个蚀刻制程以将栅极介电层及虚设栅极电极层图案化成栅极介电质430及虚设栅极电极440，将它们统称作栅极结构DG。栅极结构DG具有大致上平行的纵轴，纵轴大致上垂直于有源区OD的纵轴。举例而言，栅极结构DG沿着(大致上垂直于有源区OD所沿着延伸的方向X的)方向Y延伸。在一些实施例中，可将通过栅极结构DG覆盖的有源区OD的部分称作有源区OD的通道区，其将充作晶体管通道。在一些实施例中，栅极结构DG将使用“栅极最终”或替换栅极制程，采用由替换栅极结构所替换，因此可将栅极结构DG称作虚设栅极结构。

在一些实施例中，在蚀刻制程之前，在部分虚设栅极电极层之上形成图案化遮罩。图案化遮罩可为硬质遮罩，用于保护下层的虚设栅极电极层及栅极介电层免受后续蚀刻制程的影响。可通过包含沉积、光微影图案化、及蚀刻制程的一系列操作形成图案化遮罩。光微影图案化制程可包含光阻层涂布(例如，旋涂涂覆)、软烘烤、遮罩对准、曝光、后曝光烘烤、光阻层显影、漂洗、干燥(例如，硬烘烤)、及/或其他适用制程。蚀刻制程可包含干式蚀刻、湿式蚀刻、及/或其他蚀刻方法(例如，反应离子蚀刻)。在蚀刻之后可去除图案化的遮罩。

在图21B中，在形成虚设栅极结构DG之后，在虚设栅极结构DG的相对侧壁上形成栅极间隔件450。在一些实施例中，栅极间隔件450可包含氧化硅、氮化硅、氧氮化硅、碳化硅、碳氮化硅、氧碳氮化硅、氧碳化硅、多孔介电材料、掺氢氧碳化硅(SiOC:H)、低k值介电材料、或其他合适的介电材料。栅极间隔件450可包含由不同介电材料制成的单一层或多层结构。形成栅极间隔件450的方法包含使用，举例而言，CVD、PVD、或ALD在基材410上覆盖形成介电层，且接着进行蚀刻制程，诸如各向异性蚀刻以去除介电层的水平部分。虚设栅极结构DG侧壁上的介电层的其余部分可充作栅极间隔件450。在一些实施例中，可将栅极间隔件450使用于偏移随后所形成的掺杂区，诸如源极/漏极区。可将栅极间隔件450进一步使用于设计或修改源极/漏极区轮廓。

参考第19A及22图。方法300前进至步骤306，其中在虚设栅极结构DG的相对侧上形成源极/漏极特征472及474。可使用一种或更多种磊晶术或磊晶术(epi)制程形成源极/漏极特征472及474，使得能以晶体状态磊晶术成长Si特征、SiGe特征、磷酸硅(SiP)特征、碳化硅(SiC)特征、及/或其他合适的特征。在一些实施例中，取决于元件要求，源极/漏极特征472及474的材料可彼此不同。举例而言，在有源区OD1之上待形成n型晶体管的一些实施例的情况中，在有源区OD1中形成SiP源极/漏极特征472。举例而言，在有源区OD2之上待形成p型晶体管的一些实施例的情况中，在有源区OD2中形成SiGe源极/漏极特征474。

磊晶术制程包含CVD沉积技术(例如，气相磊晶术(vapor-phase epitaxy,VPE)及/或极高真空CVD(ultra-high vacuum CVD,UHV-CVD))、分子束磊晶术及/或其他合适制程。磊晶术制程可使用气态及/或液态前驱物，其与半导体基材410的组成(例如，硅、硅锗、硅磷酸盐、或类似物)相互作用。可原位掺杂磊晶源极/漏极特征472及474。掺杂物种包含p型掺杂剂，诸如硼或BF2；n型掺杂剂，诸如磷或砷；及/或其他包含其等的组合的合适的掺杂剂。若磊晶源极/漏极特征472及474并未原位掺杂，则进行第二植入制程(即，接面植入制程)以掺杂磊晶源极/漏极特征472及474。可进行一个或更多个退火制程以活化磊晶源极/漏极特征472及474。退火制程包含快速热退火(rapid thermal annealing,RTA)及/或雷射退火制程。

在一些实施例中，在形成源极/漏极特征472及474之前，进行多个次植入制程对有源区OD1及OD2被栅极结构DG露出的部分进行掺杂，从而在有源区OD1及OD2中形成轻掺杂区LD1及LD2。有源区OD1及OD2中的轻掺杂区LD1及LD2可以具有不同的导电类型。举例而言，在有源区OD1之上待形成n型晶体管的一些实施例的情况中，在有源区OD1中形成n型轻掺杂区LD1。举例而言，在有源区OD2之上待形成p型晶体管的一些实施例的情况中，在有源区OD2中形成p型轻掺杂区LD2。

在形成轻掺杂区LD1及LD2之后，可在基材410之上形成介电层460，并蚀刻介电层460以暴露有源区OD1及OD2的部分。在本实施例中，可通过合适的蚀刻制程使有源区OD1及OD2的暴露部分凹陷，且然后在有源区OD1及OD2的凹陷部分之上形成源极/漏极特征472及474。举例而言，凹陷制程在有源区OD1及OD2中形成凹陷410R，并在有源区OD1及OD2中的凹陷410R中分别形成源极/漏极特征472及474。介电层460可包含与栅极间隔件450的材料不同的材料，使得在蚀刻制程期间在介电层460与栅极间隔件450之间显示出蚀刻选择性。举例而言，蚀刻介电层以暴露部分有源区OD1及OD2可大致上不损坏栅极间隔件450。介电层460可包含氧化硅、氮化硅、氧氮化硅、碳化硅、碳氮化硅、氧氮化硅、氧碳化硅、多孔介电材料、掺氢氧碳化硅(SiOC:H)、低k值介电材料、或其他合适的介电材料。在一些实施例中，亦可将介电层460称作间隔件。

参考图19A及图23。方法300前进至步骤308，在图22中所图示的结构之上沉积层间介电(interlayer dielectric,ILD)层490。ILD层490可覆盖源极/漏极特征472及474。之后，可备选地进行化学机械抛光(chemical mechanical polish,CMP)制程以去除ILD层490的多余材料以暴露虚设栅极结构DG。CMP制程可将OLD层490的顶部表面与栅极结构DG，及栅极间隔件450的顶部表面一起平坦化。在一些实施例中，ILD层490可包含氧化硅、氮化硅、氧氮化硅、四乙氧基硅烷(TEOS)氧化物、磷硅酸盐玻璃(PSG)、硼硅酸盐玻璃(BPSG)、低k值介电材料、及/或其他合适介电材料。低k值介电材料的范例包含，但不限于，氟化二氧化硅玻璃(FSG)、碳掺杂氧化硅、非晶氟化碳、聚对二笨甲、双苯并环丁烯(BCB)、或聚酰亚胺。可使用，举例而言，CVD、ALD、旋涂玻璃(spin-on-glass,SOG)、或其他合适的技术，形成ILD层490。

在一些实施例中，在沉积ILD层490之前，可备选地在图22中所图示的结构上覆盖形成接触蚀刻停止层(contact etch stop layer,CESL)480，且接着在CESL层480之上沉积ILD层490。亦即，在磊晶源极/漏极特征472/474与ILD层490之间存在CESL 480。CESL 480可包含不同于ILD层490的材料。CESL480可包含氮化硅、氧氮化硅或其他适合的材料。可使用，举例而言，电浆增强CVD、低压力CVD、ALD、或其他合适的技术来形成CESL 480。

参考图19A、24A、及24B。图24B为沿着图24A中的线B-B所截取的截面视图。方法300前进至步骤310，其中去除虚设栅极结构DG(参照图23)的至少一部分以在栅极间隔件450之间保留栅极沟槽GT。在本实施例中，去除栅极结构DG(参照图23)的栅极电极440及栅极介电430二者以在栅极间隔件450之间保留栅极沟槽GT。虚设栅极结构DG(参照图23)的去除可包含一种或更多种蚀刻制程，诸如干式蚀刻、湿式蚀刻、或其等的组合。栅极沟槽GT可暴露基材410的部分。在一些其他实施例中，去除栅极结构DG的栅极电极440(参照图23)以在栅极间隔件450之间保留栅极沟槽GT，且栅极介电430保留在栅极间隔件450之间。

参考图19A及图25。方法300前进至步骤312，其中将高k值介电层500沉积至栅极沟槽GT中。高k值介电层500可包含，举例而言，高k值介电材料，诸如金属氧化物、金属氮化物、金属硅酸盐、过渡金属氧化物、过渡金属氮化物、过渡金属硅酸盐、金属的氧氮化物、金属铝酸盐、硅酸锆、铝酸锆、或其等的组合。在一些实施例中，栅极介电层可包含氧化铪(HfO1₂)、氧化铪硅(HfSiO)、氧氮化铪硅(HfSiON)、氧化铪钽(HfTaO)、氧化铪钛(HfTiO)、氧化铪锆(HfZrO₂)、氧化镧(LaO)、氧化锆(ZrO)、氧化钛(TiO)、氧化钽(Ta₂O₅)、氧化钇(Y₂O₃)、氧化锶钛(SrTiO₃、STO)、氧化钡钛(BaTiO₃、BTO)、氧化钡锆(BaZrO)、氧化铪镧(HfLaO)、氧化镧硅(LaSiO)、氧化铝硅(AlSiO)、氧化铝(Al₂O₃)、氮化硅(Si₃N₄)、氧氮化物(SiON)、及其等的组合。在一些实施例中，在沉积高k值介电层500之前，可通过热氧化制程在基材410的暴露部分之上形成一个氧化硅层(例如，界面层IL)。

参考图19A及图26。方法300前进至步骤314，其中将第一工作功能金属层510沉积至栅极沟槽GT中及高k值介电层500之上。第一工作功能金属层510包含工作功能金属，以为导电金属提供合适的工作功能。在一些实施例中，第一工作功能金属层510可包含一种或更多种n型工作功能金属(N-metal)。n型工作功能金属可范例性地包含，但不限于铝化钛(TiAl)、氮化铝钛(TiAlN)、碳氮化钽(TaCN)、铪(Hf)、锆(Zr)、钛(Ti)、钽(Ta)、铝(Al)、金属碳化物(例如，碳化铪(HfC)、碳化锆(ZrC)、碳化钛(TiC)、碳化铝(AlC)、铝化物、及/或其他合适的材料。在替代实施例中，第一工作功能金属层510可包含一种或更多种p型工作功能金属(P-金属)。p型工作功能金属可范例性地包含，但不限于氮化钛(TiN)、氮化钨(WN)、钨(W)、钌(Ru)、钯(Pd)、铂(Pt)、钴(Co)、镍(Ni)、导电金属氧化物、及/或其他合适材料。在一些实施例中，通过ALD制程形成第一工作功能金属层510。

参考图19B及图27。方法300前进至步骤316，其中将第二工作功能金属层520沉积至栅极沟槽GT中并在第一工作功能金属层510之上。第二工作功能金属层520包含工作功能金属，以为导电金属提供合适的工作功能。在一些实施例中，第二工作功能金属层520的工作功能金属不同于第一工作功能金属层510的工作功能金属。在一些实施例中，第二工作功能金属层520可包含一种或更多种p型工作功能金属(P-金属)。p型工作功能金属可范例性地包含，但不限于氮化钛(TiN)、氮化钨(WN)、钨(W)、钌(Ru)、钯(Pd)、铂(Pt)、钴(Co)、镍(Ni)、导电金属氧化物、及/或其他合适材料。在一些替代实施例中，第二工作功能金属层520可包含一种或更多种n型工作功能金属(N-metal)。n型工作功能金属可范例性地包含，但不限于铝化钛(TiAl)、氮化铝钛(TiAlN)、碳氮化钽(TaCN)、铪(Hf)、锆(Zr)、钛(Ti)、钽(Ta)、铝(Al)、金属碳化物(例如，碳化铪(HfC)、碳化锆(ZrC)、碳化钛(TiC)、碳化铝(AlC)、铝化物、及/或其他合适的材料。在一些实施例中，通过ALD制程形成第二工作功能金属层520。

参考图19B、及图28A至图28B。图28B为沿着图28A中的线B-B所截取的截面视图。方法300前进至步骤318，其中进行光微影制程以在第二工作功能金属层520之上形成光阻层PR。光阻层PR可覆盖第二工作功能金属层520的一部分524，并在第二工作功能金属层520的一部分522之上具有开口PRO。光微影制程的细节可类似于上方图1至图9B的实施例中所图示者，且在本文中不再赘述。

在一些实施例中，在形成光阻层PR之前，在第二工作功能金属层520之上形成底部抗反射涂层(bottom anti-reflection coating,BARC)层BL。可由氮化物材料、有机材料、氧化物材料、类似物、或其等的组合形成BARC层BL。可使用合适的技术诸如CVD、类似制程、或其等的组合形成BARC层BL。将BARC层BL使用于在图案化制程期间增强至下层(例如，第二工作功能金属层520)的图案转移。

参考图19B及图29。方法300前进至步骤320，其中对光阻层PR进行方向性处理。如先前所例示，方向性处理可使用光束RB轰击光阻层PR的暴露表面，从而压缩光阻层PR，继而硬化光阻层PR。在一些实施例中，方向性处理亦可喷溅掉毗邻开口PRO的一部分光阻层PR。通过压缩及喷溅光阻层PR，可在方向性处理期间去除毗邻开口PRO及光阻层PR的顶部表面的部分光阻层PR。方向性处理之后，将光阻层PR的其余部分称作光阻层PR’。由于处理的光阻层PR’中的C-C键数量大于原始光阻层PR中的数量，所以处理的光阻层PR’比光阻层更能抗后续蚀刻制程(例如，蚀刻BARC层BL)。此外，可将光阻层PR’中的开口PRO的边缘推动远离离开口PRO的中心。

参考图30。使用光阻层PR’作为蚀刻遮罩，蚀刻BARC层BL(参照图29)。在一些实施例中，蚀刻制程包含使用合适气体蚀刻剂的干式蚀刻制程。光阻层PR’(参照图29)可比BARC层BL(参照图29)对气体蚀刻剂具有更高的蚀刻阻抗性。以此方式，蚀刻制程以比蚀刻光阻层PR’更快的蚀刻速率而蚀刻BARC层BL。干式蚀刻制程可去除被光阻层PR’(参照图29)露出的部分BARC层BL(参照图29)，而保留并未去除被光阻层PR’参照图29)覆盖的部分BARC层BL参照图29)。在下文中可将BARC层BL的其余部分(参照图29)称作BARC层BL’。在本实施例中，BARC层BL’可具有暴露第二工作功能金属层520的部分522并覆盖第二工作功能金属层520的部分524的开口BLO。在蚀刻BARC层BL(参照图29)之后，可通过合适的灰化或剥离制程去除其余的光阻层PR’(参照图29)。在一些实施例中，在图案化BARC层期间，可能会完全消耗光阻层PR’。在这些实施例中，可省略光阻层灰化或剥离制程。

参考图19B及图31。方法300前进至步骤322，其中使用BARC层BL’(参照图30)作为蚀刻遮罩蚀刻第二工作功能金属层520。在一些实施例中，蚀刻制程包含湿式蚀刻制程、干式蚀刻制程、或其等的组合。BARC层BL’(参照图30)可比第二工作功能金属层520对蚀刻制程的蚀刻剂具有更高的蚀刻阻抗性。蚀刻制程可去除第二工作功能金属层520的被BARC层BL’露出的部分522(参照图30)，而未去除而第二工作功能金属520被BARC层BL覆盖的部分524(参照图30)。在下文中可将第二工作功能金属层520(参照图30)的其余部分524称作第二工作功能金属层520’。在本实施例中，第二工作功能金属层520’可具有开口520O，而暴露区R2之上的第一工作功能金属层510的部分512，且第二工作功能金属层520’可覆盖第一工作功能金属层510的部分514。在一些实施例中，第一工作功能金属层510可比第二工作功能金属层520对蚀刻制程的蚀刻剂具有更高的蚀刻抗阻性。亦即，蚀刻制程以比蚀刻第一金属层510更快的蚀刻率而蚀刻第二工作功能金属层520。因而，在蚀刻制程中第一工作功能金属层510可没有或可忽略不计的损失。在蚀刻第二工作功能金属层520之后，通过合适的蚀刻制程去除BARC层BL’(参照图30)。

参考图19B及图32。方法300前进至步骤324，其中采用填充金属530填充栅极沟槽GT。填充金属530可包含，举例而言，钨、铝、铜、镍、钴、钛、钽氮化钛、氮化钽、硅化镍、硅化钴、TaC、TaSiN、TaCN、TiAl、TiAlN、或其他合适的材料。在一些实施例中，通过ALD、CVD、类似制程、或其等的组合形成填充金属530。

参考图19B、图33A、及图33B。图33B为沿着图33A中的线B-B所截取的截面视图。方法300前进至步骤326，其中进行平坦化制程(例如，CMP)以去除栅极沟槽GT外部的多余材料(例如，第一及第二工作功能金属层510、520、及填充金属530)。在图33B中，在左侧栅极沟槽GT中，可将栅极介电层的其余部分(例如层IL及500)、第一第二工作功能金属层510的部分514、第二工作功能金属层520’，且填充金属530称作替换栅极结构RG1。在右侧栅极沟槽GT中，可将栅极介电层的其余部分(例如，层IL及500)、第一第二工作功能金属层510的部分512及栅极沟槽GT中的填充金属530称作替换栅极结构RG2。

通过设计具有不同工作功能金属层的替换栅极结构RG1及RG2，可一体地形成具有不同阈值电压的晶体管元件T1及T2。在本实施例中，具有替换栅极结构RG2的晶体管T2的阈值电压大于具有替换栅极结构RG1的晶体管T1的阈值电压。在一些实施例中，晶体管T2的阈值电压与晶体管T1的阈值电压的比值约为3:2。举例而言，晶体管T2的阈值电压约为1.5V，晶体管T1的阈值电压约为1V。

图34A至图43C例示根据本揭露内容的一些实施例，在用于制造半导体元件的方法的各种阶段。本实施例类似于图20A至33B的实施例，除了有源区OD例示成半导体鳍状结构。在本实施例中可适用图19A及图19B中所图示的步骤。应当了解，可在图34A至图43C所示的步骤之前、期间、及之后提供额外步骤，且对于该方法的额外实施例而言，可替换或消除后文所描述的一些步骤。可互换操作/制程的顺序。

参考图34A至图34C。图34B为沿着图34A中的线B-B所截取的截面视图。图34C为沿着图34A中的线C-C所截取的截面视图。在基材410中形成隔离结构420以界定有源区OD。在一些实施例中，可使用前文所述的浅沟槽隔离(shallow,trench isolation,STI)制程形成隔离结构420。在本实施例中，隔离结构420进一步凹陷(例如，通过回蚀制程)至低于有源区OD的顶部表面，使得有源区OD突出凹陷的隔离结构420的顶部表面上方以形成似鳍状结构(例如，半导体鳍状结构412)。举例而言，半导体鳍状结构412从基材410的顶部表面410T突出。隔离结构420可将有源区OF(例如，半导体鳍状结构412)彼此间隔。在一些实施例中，可进行离子植入以在有源区OD中形成阱区，且有源区OD1及OD2中的阱区可具有不同的导电类型。举例而言，有源区OD1中的阱区为p型阱区，而在有源区OD1之上形成n型晶体管。举例而言，有源区OD2中的阱区为n型阱区，而在有源区OD2之上形成p型晶体管。

参考图35A至图35C。图35B为沿着图35A中的线B-B所截取的截面视图。图35C为沿着图35A中的线C-C所截取的截面视图。在半导体鳍状结构412之上形成虚设栅极结构DG。栅极结构DG具有大致上平行的纵轴，纵轴大致上垂直于半导体鳍状结构412的纵轴。举例而言，栅极结构DG沿着垂直于半导体鳍状结构412所沿着的方向X大致上方向Y延伸。每个虚设栅极结构DG可包含栅极介电430及在栅极介电430之上的虚设栅电极440。在形成虚设栅极结构DG之后，在虚设栅极结构DG的相对侧壁上形成栅极间隔件450。

参考图36。在虚设栅极结构DG的相对侧上形成源极/漏极特征470。磊晶术制程包含CVD沉积技术(例如，气相磊晶术(VPE)及/或极高真空CVD(UHV-CVD))、分子束磊晶术及/或其他合适制程。磊晶术制程可使用气态及/或液态前驱物，其与半导体基材410的组成(例如，硅、硅锗、硅磷酸盐、或类似物)相互作用。可原位掺杂磊晶源极/漏极特征470。掺杂物种包含p型掺杂剂，诸如硼或BF2；n型掺杂剂，诸如磷或砷；及/或其他包含其等的组合的合适的掺杂剂。若磊晶源极/漏极特征470并未原位掺杂，则进行第二植入制程(即，接面植入制程)以掺杂磊晶源极/漏极特征472及474。可进行一个或更多个退火制程以活化磊晶源极/漏极特征470。退火制程包含快速热退火(rapid thermal annealing,RTA)及/或雷射退火制程。

随后，沉积ILD层490以覆盖源极/漏极特征470，接着为平坦化制程(例如，CMP制程)。可备选地进行CMP制程以去除ILD层490的多余材料以暴露虚设栅极结构DG。CMP制程可将OLD层490的顶部表面与栅极结构DG，及栅极间隔件450的顶部表面一起平坦化。

参考图37A至图37C。图37B为沿着图37A中的线B-B所截取的截面视图。图37C为沿着图37A中的线C-C所截取的截面视图。去除虚设栅极结构DG(参照图23)以在栅极间隔件450之间保留栅极沟槽GT。

参考图38A至图38B。图38A为沿着与图37B相同切割面所截取的截面视图。图38B为沿着与图37C相同切割面所截取的截面视图。在图37B至37C的结构之上沉积高k值介电层500、第一工作功能金属层510、及第二工作功能金属层520。第一工作功能金属层510及第二工作功能金属层520可包含工作功能金属以为导电金属提供合适的工作功能。在一些实施例中，第二工作功能金属层520的工作功能金属不同于第一工作功能金属层510的工作功能金属。在一些实施例中，在沉积这些层之前，可通过热氧化制程在基材410的暴露部分之上形成一个氧化硅层(例如，界面层IL)。

参考图39A至图39C。图39B为沿着图39A中的线B-B所截取的截面视图。图39C为沿着图39A中的线B-B所截取的截面视图。通过光微影制程在第二工作功能金属520之上形成光阻层PR。光阻层PR可覆盖第二工作功能金属层520的一部分524，并具有开口PRO以暴露第二工作功能金属层520的一部分522。在一些实施例中，在形成光阻层PR之前，在第二工作功能金属层520之上形成底部抗反射涂层(BARC)层BL。BARC层BL可填充栅极沟槽GT并提供用于涂覆光阻层PR的平面顶部表面。

在图39A中，断线DL可表示区R1与R2之间的边界，其中在区R1之上待形成的元件具有与将在区R2之上待形成的元件不同的阈值电压。在本实施例中，在区R1之上待形成的元件可包含第二工作功能金属层520，而在区R2之上待形成的元件可不包含第二工作功能金属层520。光阻层PR的开口PRO可暴露区R2，使得区R2之上的第二工作功能金属层520可通过后续蚀刻制程去除，而区R1之上的第二工作功能金属层520在该蚀刻制程期间保持大致上完整。

图39D为图39A的部分的放大视图。在图39A及39D中，将虚线框DB1及DB2描绘为用于在考虑重叠误差的情况下，表示待形成的元件的栅极结构的区(例如，图39D中的影线方块GA)。图39D中的影线方块GA可表示待形成的元件的栅极结构区。举例而言，重叠误差OVX在沿着X方向的虚线方块DB1/DB2与影线方块GA的侧壁之间，重叠误差OVY在沿着Y方向的虚线方块DB1/DB2与影线方块GA的侧壁之间。OVX及OVY可能为若干纳米。在一些实施例中，重叠误差OVX及OVY大致上相同。在图中，虚线方块DB1在区R1内，且虚线方块DB2在区R2内。在所描绘的实施例中，栅极结构的每个区(由虚线方块DB1/DB2所表示)与两个有源区OD1/OD2重叠，从而扩大有效面积。在一些其他实施例中，栅极结构的每个区(由虚线方块DB1/DB2表示)可与一个有源区OD1/OD2或两个以上有源区OD1/OD2重叠。

如先前所例示，光微影可能使用具有低通滤波器的光学系统，光图案可能会模糊，使得光阻层PR的开口PRO在后烘烤制程之后可能具有变圆角落。在图39A及39D中，距离S2在虚线方块DB2及接近对应虚线方块DB2的角落处的光阻层PR的侧壁之间。在图39A中，距离S1在虚线方块DB1及接近对应虚线方块DB1的角落处的光阻层PR的侧壁之间。为了清楚例示，兹表示区R1及R2之上的栅极沟槽GT之间可具有距离GSS，且区R1及R2之上的有源区OD(例如，半导体鳍状结构412)之间具有距离ODS。

考虑到重叠误差(例如，由虚线方块DB1/DB2表示)及光阻层PR的变圆角落，随着元件大小的缩小(例如，距离GSS及/或距离ODS降低)，距离S1及S2可能会收缩，使得光阻层PR的开口PRO无法全部暴露虚线区块DB2，且光阻层PR无法全部覆盖虚线区块DB1，继而致使栅极结构在光阻层开口PRO的角落具有不符合需求的工作功能金属组成。

在本揭露内容的一些实施例中，参照图40A至图40C，进行方向性处理以修改光阻层PR，从而硬化光阻层PR并扩大距离S2，继而防止在角落处的栅极结构具有不符合需求的工作功能金属组成。参考图40A至图40C。图40B为沿着图40A中的线B-B所截取的截面视图。图40C为沿着图40A中的线B-B所截取的截面视图。如先前所例示，方向性处理可使用光束RB轰击光阻层PR的暴露表面，从而压缩光阻层PR，继而硬化光阻层PR。在一些实施例中，方向性处理亦可喷溅掉毗邻开口PRO的一部分光阻层PR。通过压缩及喷溅光阻层PR，可在方向性处理期间去除毗邻开口PRO及光阻层PR的顶部表面的部分光阻层PR。如先前所例示，方向性处理可包含沿着四个不同方向BD1、BD1’、BD2、BD2’的四个离子轰击制程，使得光束RB可击中光阻层开口PRO的四个角落(例如，角落C1至C4)。在方向性处理期间，离子沿着并未垂直于有源区OD的纵向及栅极沟槽GT的纵向的方向移动。方向性处理之后，将光阻层PR的其余部分称作光阻层PR’。由于改性的光阻层PR’中的C-C键数量大于原始光阻层PR中的数量，所以改性的光阻层PR’比光阻层更能抗后续蚀刻制程(例如，蚀刻BARC层BL)。此外，可将光阻层开口PRO的边缘推动远离光阻层开口PRO的中心。

图40D为图40A的部分的放大视图。在一些实施例中，光阻层PR/PR’的角落侧壁PRS可为弯曲的并在角落C1至C4处具有曲率半径(亦称作R)，其中从上方观看，具有此曲率的整个圆在从上面观看，可被解读为将2π转为长度为2πR。在一些实施例中，通过方向性处理，减少光阻层PR的角落侧壁PRS的曲率半径(即，R)。亦即，改性光阻层PR’的角落侧壁PRS的曲率半径(即，R)小于原始光阻层PR在角落处的曲率半径(即，R)。在一些实施例中，改性光阻层PR’的角落侧壁PRS的曲率半径(即，R)可小于X12+Y12的平方根，其中X1等于距离GSS的一半减去重叠误差OVX，且Y1等于距离ODS减去重叠误差OVY的一半。亦即，改性光阻层PR’的侧壁PRS的曲率半径(即，R)小于(GSS/2-OVX)2+(ODS/2-OVY)2的平方根。举例而言，在一些实施例中，角落处改性光阻层PR’的侧壁PRS的曲率半径(即，R)小于自约15纳米至约30纳米范围内的值，诸如约20纳米。

通过在角落处设计具有曲率半径(即，R)的改性光阻层PR’的侧壁PRS，虚线方块DB2与在接近对应虚线方块DB2角落处的光阻层开口PRO的侧壁之间的距离从S2(图39D)增加到至S2’(图40D)。因而，可将改性光阻层PR’的角落侧壁PRS推动远离虚线方块DB2，这允许从虚线方块DB2完全去除目标工作功能金属层。

在一些实施例中，方向性处理可降低虚线方块DB1与对应接近虚线方块DB1角落处的光阻层开口PRO的侧壁之间的距离S1(参照图39A)。在一些实施例中，可在光微影制程期间调整光阻层开口PRO的定位及大小，以补偿方向性处理所得的距离S1的降低。

参考图41A至图41B。图41A为沿着与图40B相同切割面所截取的截面视图。图41B为沿着与图40C相同切割面所截取的截面视图。通过光阻层PR’蚀刻第二功功能金属层520，从而暴露下层的第一工作功能金属层510。在一些实施例中，使用光阻层PR’作为蚀刻遮罩进行第一蚀刻制程以蚀刻BARC层BL(参照图30)，且接着进行第二蚀刻制程以蚀刻第二工作功能金属层520。如前文所述，由于光阻层PR’中C-C键的数量增加，第一蚀刻制程可在光阻层PR’与BARC层BL之间显示出改善的蚀刻选择性，且因而防止第一刻蚀制程使待转移至第二工作功能金属层520的图案的角落变圆。

参考图42A至图42C。图42B为沿着图42A中的线B-B所截取的截面视图。图42C为沿着图42A中的线B-B所截取的截面视图。采用填充金属530填充栅极沟槽GT，且接着进行CMP制程以去除栅极沟槽GT外部的多余材料(例如，第一及第二工作功能金属层510、520及填充金属530)。可将栅极沟槽GT中的第一第二工作功能金属层510、第二工作功能金属层520’、及填充金属530的其余部分称作替换栅极结构RG。

在一些实施例中，可将区R1之上的替换栅极结构RG的一部分称作栅极结构RG1，且可将区R2之上的替换栅极结构RG的一部分称作栅极结构RG2。栅极结构RG1可包含栅极介电层的其余部分(例如，层IL及500)、第一第二工作功能金属层510、第二工作功能金属层520’、及填充金属530。栅极结构RG2可包含栅极介电层的其余部分(例如，层IL及500)、第一第二工作功能金属层510、及填充金属530。

参考图43A至图43C。图43B为沿着图43A中的线B-B所截取的截面视图。图43C为沿着图43A中的线B-B所截取的截面视图。形成介电结构540以将替换栅极结构RG分离(或称作“切割”)为多个部分。举例而言，替换栅极结构RG中的一个通过介电结构540被分为分离的栅极结构RG_P1及RG_P2，其中栅极结构RG_P1及RG_P2分别位于有源区OD1及OD2之上。介电结构540可包含一种或更多种介电材料，诸如氮化硅、氧化硅、氧氮化硅、掺氟硅酸盐玻璃(FSG)、低k值介电材料、及/或其他合适的绝缘材料。在一些实施例中，与替换栅极结构RG_P1/RG_P2物理接触的介电结构540的一部分包含不与替换栅极结构RG_P1/RG_P2的金属材料反应的介电材料。举例而言，在一些实施例中，介电结构540的那部分包含氮化硅。介电结构540的形成包含蚀刻单一连续栅极结构RG以形成切割金属栅极(cut metal gate,CMG)沟槽RGT，其将单一连续栅极结构RG断裂成单独的替换栅极结构RG_P1/RG_P2，并采用合适的介电材料填充CMP沟槽RGT。可进行CMP制程以去除高于替换栅极结构RG_P1/RG_P2的顶部表面的部分介电材料，且其余的介电材料形成介电结构540。本实施例的其他细节类似于第20A至33B图中所例示者，因而在本文中不再赘述。

图44A至图44D例示根据本揭露内容的一些实施例的半导体制造工具900。参照图44A，半导体制造工具900包含离子源902、离子选择磁体904、离子选择孔906、光束弯曲磁体908、及过滤器910，它们在离子生产中从上游至下游方向布置。在一些实施例中，离子源902提供合适的气体物种(例如，Ar、Si等)以生成最初离子束RB。磁体904及908可加速及净化光束并将离子束RB重新成形成带状离子束RB。举例而言，可通过提取电极并聚焦在位于离子选择磁体904下游的离子选择孔906处形成离子束RB。离子选择磁体904可为90°质量分析磁体。且接着通过下游的光束流弯曲磁体908引导及成形离子束RB，且接着击中晶圆W的主表面。在一些实施例中，过滤器910可中和离子束RB中的离子，使得击中在晶圆W表面上的光束RB可包含中性原子(例如，Ar)。这使得使用光束RB的处理更为与物理轰击处理相似(可能不会在光阻层材料中保留原子)，而非化学处理(可能将原子植入至光阻层材料中)。

参照图44A及图44B，可控制光束RB以绕垂直于晶圆W的主表面(若晶圆为圆形的则为圆形表面)的方向Z的入射角度IA入射至晶圆W上，该主表面持续地与XY平面平行(参照图14至图17)。如前文所述，取决于半导体制造工具900的据限，入射角度IA可在从约0度至约80度的范围内，举例而言，约0度至约60度。

半导体制造工具900可进一步包含能上下移动晶圆W并沿着顺时针或逆时针方向旋转晶圆W的晶圆平台912。如图44A及图44C中所图示，晶圆平台912可以平移运动在定位WP与WP’之间移动晶圆W。通过晶圆平台912的移动，晶圆W的晶片(例如，前文所述的基材410)可相对于带状光束RB上下扫描。此外，晶圆W可绕垂直于晶圆W的主表面的Z方向旋转，该主表面持续地平行于X-Y平面，使得当从上方查看时可相对于方向X改变光束方向。

如图44B及图44D中所图示，具有相对于方向Z的入射角度IA的光束方向在晶圆W的表面上可具有矢量分量(表示成方向BD)(例如，XY平面上的XY矢量分量)，且XY矢量分量(在图44D中表示成方向BD)可具有相对于方向X的角度AG。可通过晶圆平台912的旋转控制调整角度AG。通过晶圆平台912的旋转控制，带状光束RB可沿着各种方向(例如，图14至图17中的方向BD1、BD1’、BD2、BD2’)入射至晶圆W的表面上。

图45A至图47例示根据本揭露内容的一些实施例，在方向性处理期间的范例阴影作用。图45A至图45C图示根据本揭露内容的一些实施例的方向性处理。参照图45A，通过光微影制程在层L1之上形成具有多个狭缝开口SO1的光阻层PR。层L1可为硬质遮罩层、BARC层、或其他合适的层。在一些实施例中，狭缝开口SO1具有沿着SD方向延伸的细长状轮廓，其中狭缝开口SO1沿着SD方向的长度大于狭缝开口SO1沿着与SD方向正交的方向的宽度。

参照图45B，对光阻层PR进行方向性处理。方向性处理可为，使用具有合适的物种(例如，Ar、Si等)的光束RB进行的方向性离子轰击制程。当从上方观看时，控制光束RB以沿着狭缝开口SO1的延伸方向SD入射至狭缝开口SO1的目标侧壁TS上。如先前所例示，方向性离子轰击制程可喷溅掉部分光阻层PR(例如，光阻层PR的部分SP1)，并将目标侧壁TS推动远离狭缝开口SO1的中心。结果如图45C中所图示。在图45C中，图45C中的箭头表示在方向性离子轰击制程之前狭缝开口SO1的目标侧壁TS的定位之间的偏移(参照图45B)与在方向性离子轰击制程之后的狭缝开口SO1的对应侧壁(称作侧壁TS’)的定位。可将由箭头表示的偏移在随后图46B中称作推动量。如图45C中所图示，通过方向性离子轰击制程，狭缝开口SO1沿着方向SD的长度增加。

图46A及图46B图示方向性处理期间的范例阴影作用。图46A为根据本揭露内容的一些实施例，光阻层PR的俯视图。参照图46A，沿着方向SD，每个狭缝开口SO1具有狭缝长度SL，并将沿着方向SD的两个狭缝开口SO1之间的距离称作端对端距离EtE。图46B为根据本揭露内容的一些实施例，例示在具有不同狭缝长度度SL的狭缝开口SO1上通过方向性处理的推动量的曲线图。在图46B中，在横轴图示狭缝长度SL，在纵轴上图示推动量。如上述，推动量表示在方向性离子轰击制程之前及之后狭缝开口SO1的侧壁的定位与定位之间的偏移。在图46B中，若对具有等于或大于阈值SL_th的狭缝长度SL的狭缝开口SO1进行方向性处理，则推动量可保持大致上相同。在图46B中，若对具有小于阈值SL_th的狭缝长度SL的狭缝开口SO1进行方向性处理，则推动量会降低，从而获致较长的端对端距离EtE。这是归因于由狭缝开口SO1的大小减小所得的阴影作用。

参考图47，在一些实施例中，在方向性处理(参照图45B)期间，若狭缝长度SL(参照图46A)不够长，则接近目标侧壁TS的狭缝开口SO1的下部分SP2可被来自光束RB的光阻层PR的其他部分遮蔽。结果为，光束RB不会轰击狭缝开口SO1的下部分SP2。这可能为图46B中实验结果的一个根本原因，其中带有小的狭缝开口SO1的狭缝长度SL的推动量将小于带有大的狭缝开口SO1狭缝长度SL的推动量。

基于前文的论述，本揭露内容提供优点。应当了解，其他实施例可提供额外的优点，且在本文中不必然揭露所有优点，且对于所有实施例均不需要特定的优点。一个优点为方向性处理硬化光阻层，从而改善光阻层与下层的层之间的蚀刻选择性。另一个优点为方向性处理锐化光阻层中开口的角落，从而减少光阻层中的角落变圆。通过硬化光阻层并减少光阻层中的角落变圆，可减少使用改性光阻层作为蚀刻遮罩蚀刻的下层的层(例如，硬质遮罩层、BARC层等)中的图案角落变圆。因而，在AEI期间，下层的层的角落可能更锐利且较不圆。另一优点为可减少图案角落变圆而不降低光微影窗口的品质。

根据本揭露内容的一些实施例，提供用于形成半导体元件的方法。方法包含在目标层之上涂覆光阻膜；进行微影制程以将光阻膜图案化成光阻层；对光阻层进行方向性离子轰击制程，使得光阻层中的碳原子浓度增加；使用光阻层为刻蚀遮罩，刻蚀目标层。

根据本揭露内容的一些实施例，提供用于形成半导体元件的方法。此方法包含在目标层上涂覆光阻膜；进行微影制程以将光阻膜图案化成光阻层；其中光阻层具有开口，且光阻层的开口至少具有第一侧壁、与第一侧壁不平行的第二侧壁、及连接第一侧壁与第二侧壁的第一角落；沿着第一方向对光阻层的第一角落进行第一方向性离子轰击制程，其中第一方向不垂直于光阻的第一侧壁及第二侧壁二者，在完成第一方向性离子轰击制程之后，使用光阻层为图案化遮罩，图案化目标层。

根据本揭露内容的一些实施例，提供用于形成半导体元件的方法。此方法包含在半导体基材中的有源区之上形成虚设栅极结构；在虚设栅极结构的相对侧形成源极/漏极特征；蚀刻虚设栅极结构以在源极/漏极特征之间形成栅极沟槽；将第一工作功能金属层沉积至栅极沟槽中，及在第一工作功能金属层之上沉积第二工作功能金属层；在第二工作功能金属层之上形成涂层，及在涂层之上形成图案化光阻层；对图案化光阻层进行方向性离子轰击制程，方向性离子轰击制程锐化图案化光阻层中的开口的第一角落；使用具有锐化角落的光阻层以作为图案化遮罩，图案化涂层；进行蚀刻制程以去除通过图案化涂层所暴露出的第二工作功能金属层的第一部分，同时保留图案化涂层之下的第二工作功能金属层的第二部分；在完成蚀刻制程之后，去除图案化涂层；及采用栅极金属填充栅极沟槽。

上述概述数种实施例的特征，以便熟悉此项技艺者可更了解本揭露内容的态样。熟悉此项技艺者应当理解，熟悉此项技艺者可轻易地使用本揭露内容作为设计或修改其他制程及结构的基础，以实现本文中所介绍的实施例的相同目的及/或达成相同优点。熟悉此项技艺者亦应当认知，此均等构造不脱离本揭露内容的精神及范围，且在不脱离本揭露内容的精神及范围的情况下，熟悉此项技艺者可在本文中进行各种改变、替换、及变更。

Claims (10)

1.一种半导体元件的制造方法，其特征在于，包括：

在一目标层上涂覆一光阻膜；

进行一微影制程以将该光阻膜图案化成一光阻层；

对该光阻层进行一方向性离子轰击制程，使得该光阻层中的一碳原子浓度增加；及

使用该光阻层作为一蚀刻遮罩蚀刻该目标层。

2.根据权利要求1所述的半导体元件的制造方法，其特征在于，进行该微影制程，使得该光阻层具有一开口，且该方向性离子轰击制程锐化该开口的一角落。

3.根据权利要求1所述的半导体元件的制造方法，其特征在于，该光阻膜图案化的执行是使得该光阻层具有一开口，且该方向性离子轰击制程扩大该开口的一大小。

4.一种半导体元件的制造方法，其特征在于，包括：

在一目标层上涂覆一光阻膜；

进行一微影制程以将该光阻膜图案化成一光阻层，其中该光阻层具有一开口，且该光阻层的该开口至少具有一第一侧壁、与该第一侧壁不平行的一第二侧壁、及连接该第一侧壁与该第二侧壁的一第一角落；

沿着一第一方向对该光阻层的该第一角落进行一第一方向性离子轰击制程，其中该第一方向不垂直于该光阻的该些第一侧壁及该些第二侧壁；及

在完成该第一方向性离子轰击制程之后，使用该光阻层为一图案化遮罩图案化该目标层。

5.根据权利要求4所述的半导体元件的制造方法，其特征在于，进一步包括：

在该第一方向性离子轰击制程完成之后，沿着与该第一方向相反的一第二方向对该光阻层的该开口的一第二角落进行一第二方向性离子轰击制程。

6.一种半导体元件的制造方法，其特征在于，包括：

在一半导体基材中的一有源区之上形成一虚设栅极结构；

在该虚设栅极结构的相对侧形成源极/漏极特征；

蚀刻该虚设栅极结构以在该些源极/漏极特征之间形成一栅极沟槽；

将一第一工作功能金属层沉积至该栅极沟槽中，及在该第一工作功能金属层之上沉积一第二工作功能金属层；

在该第二工作功能金属层之上形成一涂层，及在该涂层之上形成一图案化光阻层；

对该图案化光阻层进行一方向性离子轰击制程，其中该方向性离子轰击制程锐化该图案化光阻层中的一开口的一第一角落；

使用具有该锐化角落的该光阻层作为一图案化遮罩图案化该涂层；

进行一蚀刻制程以去除通过该图案化涂层所暴露出的该第二工作功能金属层的一第一部分，同时保留该图案化涂层之下的该第二工作功能金属层的一第二部分；

在该蚀刻制程完成之后，去除该图案化涂层；及

采用一栅极金属填充该栅极沟槽。

7.根据权利要求6所述的半导体元件的制造方法，其特征在于，该方向性离子轰击制程使用离子，该些离子沿着非垂直于该有源区的一纵轴方向及该栅极沟槽的一纵轴方向的一方向移动。

8.根据权利要求6所述的半导体元件的制造方法，其特征在于，在该蚀刻制程完成之后，该第一工作功能金属层被暴露。

9.根据权利要求6所述的半导体元件的制造方法，其特征在于，填充该栅极沟槽的执行是使得该栅极金属接触该第二工作功能金属层的该第二部分与该第一工作功能金属层。

10.根据权利要求6所述的半导体元件的制造方法，其特征在于，进行该方向性离子轰击制程的步骤包括：

将一氩束引导至该光阻层中该开口的一第一角落。

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