TWI449085B - 半導體元件的製程方法 - Google Patents

Description

半導體元件的製程方法

本發明是有關於一種積體電路的製程方法，且特別是有關於一種半導體元件的製程方法。

離子植入製程是一種經常使用於半導體元件製程中用來形成各種摻雜區的方法。典型的離子植入製程是透過具有開口圖案的單一層的光阻層來做為植入罩幕。然而，隨著元件不斷地小型化，對於高低起伏落差較大的表面來說，所欲形成的開口圖案的高寬比(aspect ratio)過高，製程的裕度空間(process window)非常小，時有曝光製程的景深不足，以致顯影之後有光阻層破裂或殘留，所形成的開口圖案無法得到所需的輪廓，而導致所形成的摻雜區輪廓或位置不正確，甚至有無法形成開口圖案的情形。

本發明提供一種半導體元件的製程方法，可以形成具有所需輪廓的離子植入罩幕，以將離子植入於正確的區域以形成摻雜區。

本發明提出一種半導體元件的製程方法，包括在高低起伏表面上形成平坦層。接著，在平坦層上形成硬罩幕層，然後，在硬罩幕層上形成光阻層。硬罩幕層與平坦層之材質不同，且與光阻層之材質不同。之後，對光阻層進行曝光顯影製程，使光阻層圖案化，形成第一開口，裸露出硬罩幕層。然後，蝕刻移除第一開口所裸露的硬罩幕層與其下方的平坦層，以形成第二開口。繼之，以硬罩幕層與平坦層做為植入罩幕，進行離子植入製程，以於第二開口底部的高低起伏表面其下方的基底中形成摻雜區。然後，移除硬罩幕層，再移除平坦層，裸露出高低起伏表面。

依照本發明一實施例所述，上述平坦層與上述光阻層之材質相同。

依照本發明一實施例所述，上述平坦層與上述光阻層之材質不相同。

依照本發明一實施例所述，上述平坦層與上述光阻層之材質各自包括有機材料、無機材料或聚合物材料。

依照本發明一實施例所述，上述平坦層與上述光阻層之材質各自包括感光材料。

依照本發明一實施例所述，上述平坦層之材質包括不感光材料。

依照本發明一實施例所述，上述硬罩幕層之材質包括不感光材料。

依照本發明一實施例所述，上述硬罩幕層對上述平坦層的蝕刻選擇比為6至10。

依照本發明一實施例所述，上述平坦層與上述光阻層之材質包括富碳型光阻；上述硬罩幕層之材質包括富矽型光阻。

依照本發明一實施例所述，上述平坦層、上述硬罩幕層以及上述光阻層之厚度分別為500nm至550nm、25nm至35nm與150nm至200 nm。

依照本發明一實施例所述，上述半導體元件的製程方法更包括在進行上述離子植入製程之後，在移除上述硬罩幕層之前，於上述第二開口之中填入保護層，且在移除上述硬罩幕層之後，移除上述保護層。

依照本發明一實施例所述，上述保護層之材質包括有機材料、無機材料或聚合物材料。

依照本發明一實施例所述，上述保護層之材質包括感光材料。

依照本發明一實施例所述，上述保護層之材質包括富碳型光阻。

依照本發明一實施例所述，上述保護層之材質包括不感光材料。

依照本發明一實施例所述，上述保護層與上述平坦層之材質相同。

依照本發明一實施例所述，上述保護層與上述平坦層之材質不相同。

依照本發明一實施例所述，上述半導體元件的製程方法更包括在移除上述平坦層的同時，移除上述保護層。

依照本發明一實施例所述，上述保護層的形成方法包括形成保護材料層，填入於上述第二開口中並且覆蓋於在上述硬罩幕層上，之後，移除上述硬罩幕層上的保護材料層，使上述硬罩幕層裸露出來。

依照本發明一實施例所述，上述基底上具有多個堆疊結構，且上述平坦層覆蓋上述些堆疊結構且填入於上述些堆疊結構之間的空間，上述第二開口使上述些空間其中之一裸露出來。

依照本發明一實施例所述，上述平坦層的厚度為500nm至550nm。

基於上述，本發明之半導體元件的製程方法可以形成具有所需輪廓的離子植入罩幕可以將離子植入正確的區域來形成摻雜區。

為讓本發明之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。

圖1至4是依據本發明一實施例所繪示之一種半導體元件的製程方法的剖面示意圖。

請參照圖1，提供一個具有高低起伏表面100。在一實施例中，高低起伏表面100的高低落差例如是100nm至200nm。在另一實施例中，高低起伏表面100的高低落差例如是100nm至500nm。此外，在一實施例中，構成高低起伏表面100包括基底10以及堆疊結構12。基底10之材質例如是半導體，例如是矽，或是化合物半導體。堆疊結構12的高度例如是150nm至300nm。堆疊結構12例如是包括閘介電層14、閘極導體層16以及頂蓋層18，但並不以此為限。閘介電層14之材質例如是氧化矽。閘極導體層16之材質例如是摻雜多晶矽、金屬矽化物或其組合。閘極導體層16例如是做為非揮發性記憶元件的控制閘。頂蓋層18之材質為絕緣材料，例如是氮化矽或是氧化矽。在另一實施例中，除了基底10以及堆疊結構12之外，構成高低起伏表面100還包括介電層20。介電層20位於堆疊結構12的側壁上。介電層20例如是氮化矽、氧化矽或是氧化矽/氮化矽/氧化矽堆疊層。介電層20例如是做為非揮發性記憶元件中控制閘與浮置閘之間的閘間介電層。此外，在又一實施例中，除了基底10、堆疊結構12以及介電層20之外，構成高低起伏表面100還包括介電層22。介電層22覆蓋在堆疊結構12上以及堆疊結構12之間的空間的基底10表面上。介電層22之材質例如是氧化矽，或是其他的介電材料。介電層的厚度例如是30nm至100nm。為方便起見，本發明是以基底10上具有堆疊結構12、介電層20以及介電層22做為實施例來舉例說明高低起伏表面100，但並不以此為限。

請參照圖1與圖3，為在基底10中形成摻雜區36(如圖3所示)，本發明實施例係先製作植入罩幕。植入罩幕的的製程係在高低起伏表面100上依序形成平坦層24、硬罩幕層26以及光阻層28。平坦層24覆蓋介電層22的表面且填滿堆疊結構12之間的空間。平坦層24可以是感光材料或是不感光材料。平坦層24的材料可以是有機材料、無機材料或聚合物材料。平坦層24之材料例如是富碳型光阻。平坦層24的厚度例如是500nm至550nm。所述的厚度是指堆疊結構12之間之介電層22以上的厚度。平坦層24可以旋塗的方式形成，或其他任何已知的方式來形成。

硬罩幕層26之材質與平坦層24不同，且與光阻層28不同。硬罩幕層26對平坦層24的蝕刻選擇比為6以上，例如是6至10。硬罩幕層26之材質例如是富矽型光阻或氮化矽，但並不以此為限。硬罩幕層26的厚度例如是25nm至35nm。硬罩幕層26可以旋塗的方式形成，或其他任何已知的方式來形成。

光阻層28之材質可與平坦層24之材質相同或相異。光阻層28之材質例如是富碳型光阻，但並不以此為限。光阻層28可以旋塗的方式形成，或其他任何已知的方式來形成。光阻層28在後續將形成開口30圖案(請參照圖2)，此光阻層28的開口30圖案將再轉移至硬罩幕層26，因此，光阻層28厚度，僅需足以將其開口30圖案完整轉移至硬罩幕層26即可。光阻層28的厚度例如是150nm至200nm。平坦層24、硬罩幕層26以及光阻層28之厚度分別為500nm至550nm、25nm至35nm與150nm至200nm。

之後，請參照圖2，對光阻層28進行曝光顯影製程，使光阻層28圖案化，形成第一開口30，裸露出硬罩幕層26。由於光阻層28是位於具有平坦的表面的平坦層24上方，而且光阻層28的厚度相當薄，在進行曝光時有足夠的景深，因此，非常易於控制，且可以使得所形成之第一開口30具有所需的輪廓。

然後，請參照圖3，蝕刻移除第一開口30所裸露的硬罩幕層26與其下方的平坦層24，以形成第二開口32，裸露出堆疊結構12之間的空間上的介電層22。第二開口32的高寬比例如是10至20。蝕刻的方法可以採用非等向性蝕刻法，例如是乾式蝕刻法，所使用的蝕刻氣體例如是HBr。在一實施例中，光阻層28與平坦層24之材質相同，在硬罩幕層26蝕刻之後，在進行蝕刻平坦層24的過程中，光阻層28會被消耗殆盡，而裸露出硬罩幕層26。由於硬罩幕層26對平坦層24的蝕刻選擇比為6至10，因此在蝕刻平坦層24的過程中硬罩幕層26可做為硬罩幕。由於硬罩幕層26以及平坦層24是藉由蝕刻選擇比的差異以蝕刻的方式圖案化，因此，可將欲移除的硬罩幕層26以及平坦層24完全移除，製程易於控制，使得所形成的第二開口32具有所需的輪廓，不會如同使用曝光製程圖案化，在高深寬比的情形時，會受限於曝光時景深不足。

繼之，請繼續參照圖3，以硬罩幕層26與平坦層24做為植入罩幕，進行離子植入製程34，以於第二開口32底部的基底10中形成摻雜區36。摻雜區36例如是源極區或是汲極區。由於做為植入罩幕的硬罩幕層26與平坦層24中的第二開口32的輪廓非常良好，因此，離子植入製程34可以將離子植入正確的區域而形成具有所需輪廓的摻雜區36。

然後，請參照圖4，移除硬罩幕層26，再移除平坦層24，使堆疊結構12上的介電層22以及堆疊結構12側壁上的介電層20裸露出來。移除硬罩幕層26的方法例如是以乾蝕刻方法，利用HBr做為蝕刻氣體(蝕刻溶液)。在一實施例中，硬罩幕層26的材質為富矽光阻層，平坦層24的材質為富碳光阻層，由於硬罩幕層26的厚度非常薄，易於移除，不會有富矽光阻層過厚所衍生的殘留問題。平坦層24的材質為富碳光阻層，相較於富矽光阻層，非常易於移除，其可以利用任何已知的方法，例如是以氧氣電漿(O₂ plasma)，或以有機溶劑移除，但並不以此為限。

上述實施例，係在基底10中形成摻雜區36之後，隨即移除硬罩幕層26。然而，在另一實施例中，請參照圖3A與3B，亦可以在基底10中形成摻雜區36之後，移除硬罩幕層26之前，先形成保護材料層38，覆蓋硬罩幕層26並填入第二開口32之中然後，再移除硬罩幕層26上方所裸露的保護材料層38，留下第二開口32中的保護層38a，並使上述硬罩幕層26裸露出來。之後，再移除硬罩幕層26。保護層38a之材質包括有機材料、無機材料或聚合物材料。保護層38a之材質可以是感光材料或是不感光材料。保護層38a之材質例如是富碳型光阻。在移除硬罩幕層26的過程中，介電層22被保護層38a所覆蓋，不會裸露出來，因此，保護層38a可以避免介電層22暴露於蝕刻環境中，故可防止介電層22損傷的問題。此外，在一實施例中，保護層38a之材質與上述平坦層24相同，在移除上述平坦層24時，保護層38a可以同時被移除，以簡化製程步驟。

綜上所述，本發明利用平坦層、硬罩幕層以及光阻層所組成的三層結構來形成離子植入製程所需的罩幕。光阻層的圖案是透過曝光顯影製程來形成；而硬罩幕層以及平坦層則是以蝕刻的方式來圖案化。由於光阻層是位於具有平坦的表面的平坦層上方，而且光阻層的厚度相當薄，在進行曝光時有足夠的景深，因此，非常易於控制所形成之第一開口的輪廓。再者，由於硬罩幕層對平坦層具有高的蝕刻選擇比，因此在蝕刻平坦層的過程中，硬罩幕層可做為蝕刻硬罩幕。此外，雖然，平坦層需要足夠的厚度來提供平坦的表面，但是，由於做為植入罩幕的硬罩幕層以及平坦層是以蝕刻的方式圖案化，因此，易於控制所形成的第二開口的輪廓，使得離子植入製程可以將離子植入正確的區域而形成具有所需輪廓之摻雜區。另外，在基底中形成摻雜區之後，移除硬罩幕層之前，先在第二開口中形成保護層，可以避免高低起伏表面在後續移除硬罩幕層的過程中遭到損傷。另一方面，保護層的材質可以選用與平坦層相同的材料，以在移除上述平坦層的同時被移除，以節省製程的步驟。

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，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10．．．基底

12．．．堆疊結構

14．．．閘介電層

16．．．閘極導體層

18．．．頂蓋層

20．．．介電層

22．．．介電層

24．．．平坦層

26．．．硬罩幕層

28．．．光阻層

30．．．第一開口

32．．．第二開口

34．．．離子植入製程

36．．．摻雜區

38．．．保護材料層

38a．．．保護層

100．．．高低起伏表面

圖1至4是依據本發明一實施例所繪示之一種半導體元件的製程方法的剖面示意圖。

10．．．基底

12．．．堆疊結構

14．．．閘介電層

16．．．閘極導體層

18．．．頂蓋層

20．．．介電層

22．．．介電層

24．．．平坦層

26．．．硬罩幕層

28．．．光阻層

30．．．第一開口

100．．．高低起伏表面

Claims (18)

1. 一種半導體元件的製程方法，包括：在一高低起伏表面上形成一平坦層；在該平坦層上形成一硬罩幕層；在該硬罩幕層上形成一光阻層，其中該硬罩幕層與該平坦層之材質不同，且與該光阻層之材質不同；對該光阻層進行一曝光顯影製程，使該光阻層圖案化，形成一第一開口，裸露出該硬罩幕層；蝕刻移除該第一開口所裸露的該硬罩幕層與其下方的該平坦層，以形成一第二開口；以該硬罩幕層與該平坦層做為植入罩幕，進行一離子植入製程，以於該第二開口底部的該高低起伏表面下方的一基底中形成一摻雜區；移除該硬罩幕層；以及移除該平坦層，裸露出該高低起伏表面。
2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件的製程方法，其中該平坦層與該光阻層之材質相同或不同。
3. 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件的製程方法，其中該平坦層與該光阻層之材質各自包括有機材料、無機材料或聚合物材料。
4. 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件的製程方法，其中該平坦層與該光阻層之材質各自包括感光材料。
5. 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件的製程方法，其中該平坦層之材質包括不感光材料。
6. 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件的製程方法，其中該硬罩幕層之材質包括不感光材料。
7. 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件的製程方法，其中該硬罩幕層對該平坦層的蝕刻選擇比為6至10。
8. 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件的製程方法，其中該平坦層與該光阻層之材質包括富碳型光阻；該硬罩幕層之材質包括富矽型光阻。
9. 如申請專利範圍第8項所述之半導體元件的製程方法，其中該平坦層、該硬罩幕層以及該光阻層之厚度分別為500nm至550nm、25nm至35nm與150nm至200nm。
10. 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件的製程方法，其中更包括：在進行該離子植入製程之後，在移除該硬罩幕層之前，於該第二開口之中填入一保護層；以及在移除該硬罩幕層之後，移除該保護層。
11. 如申請專利範圍第10項所述之半導體元件的製程方法，其中該保護層之材質包括有機材料、無機材料或聚合物材料。
12. 如申請專利範圍第10項所述之半導體元件的製程方法，其中該保護層之材質包括感光材料。
13. 如申請專利範圍第12項所述之半導體元件的製程方法，其中該保護層之材質包括富碳型光阻。
14. 如申請專利範圍第10項所述之半導體元件的製程方法，其中該保護層之材質包括不感光材料。
15. 如申請專利範圍第10項所述之半導體元件的製程方法，其中該保護層與該平坦層之材質相同或不同。
16. 如申請專利範圍第10項所述之半導體元件的製程方法，更包括在移除該平坦層的同時，移除該保護層。
17. 如申請專利範圍第10項所述之半導體元件的製程方法，其中該保護層的形成方法包括：形成一保護材料層，填入於該第二開口中並且覆蓋於在該硬罩幕層上；以及移除該硬罩幕層上的保護材料層，使該硬罩幕層裸露出來。
18. 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件的製程方法，其中該基底上具有多個堆疊結構，且該平坦層覆蓋該些堆疊結構且填入於該些堆疊結構之間的空間，該第二開口使該些空間其中之一裸露出來。