半导体装置的形成方法与流程

本发明实施例关于半导体装置的形成方法。

背景技术：

半导体集成电路(ic)产业已快速成长一段时日。ic设计与材料的技术进展，使每一代的ic均比前一代的ic具有更小且更复杂的电路。在ic进化中，功能密度(如单位芯片所具有的内连线装置数目)越来越大，而几何尺寸(如工艺所能形成的最小构件或线路)则越来越小。

上述尺寸缩小的工艺的好处在于增加产能并降低相关成本。尺寸缩小也增加ic工艺的复杂性。为了实现这些进展，需要发展ic工艺。虽然制作ic装置的现有方法一般已适用于其发展目的，但无法完全符合所有需求。举例来说，目前亟需改良膜层的图案化方法，以形成关键尺寸较小的结构。

技术实现要素：

本发明一实施例提供的半导体装置的形成方法，包括：形成第一图案化硬掩模于材料层上，且第一图案化硬掩模定义开口；形成直接自组装层于开口中，且直接自组装层具有第一部分与第二部分；移除直接自组装层的第一部分；沿着直接自组装层的第二部分的侧壁形成间隔物；以及移除直接自组装层的第二部分，其中间隔物形成第二图案化硬掩模于材料层上。

附图说明

图1为一些实施例中，制作半导体装置的方法的流程图。

图2、图3、图4a、图4b、图4c、图5、图6、图7、图8、图9a、与图9b为一些实施例中，半导体装置的剖视图。

其中，附图标记说明如下：

p间距

s空间宽度

w1第一宽度

w2第二宽度

w3第三宽度

100方法

102、104、106、108、110、112、114、116步骤

200半导体装置

210基板

220材料层

310第一图案化硬掩模

316空间

410直接自组装层

412第一聚合物嵌段

414第二聚合物嵌段

510间隔物

515第二空间

520第二图案化硬掩模

610材料结构

具体实施方式

下述内容提供的不同实施例可实施本发明的不同结构。特定构件与排列的实施例是用以简化本发明而非局限本发明。举例来说，形成第一构件于第二构件上的叙述包含两者直接接触，或两者之间隔有其他额外构件而非直接接触。此外，本发明的多种例子中可重复标号，但这些重复仅用以简化与清楚说明，不代表不同实施例及/或设置之间具有相同标号的单元之间具有相同的对应关系。

此外，空间性的相对用语如“下方”、“其下”、“较下方”、“上方”、“较上方”、或类似用语可用于简化说明某一元件与另一元件在附图中的相对关系。空间性的相对用语可延伸至以其他方向使用的元件，而非局限于附图中的方向。元件也可转动90°或其他角度，因此方向性用语仅用以说明附图中的方向。

图1为一些实施例中，制作一或多个半导体装置的方法100的流程图。方法100将搭配图2、图3、图4a、图4b、图4c、图5、图6、图7、图8、图9a、与图9b所示的半导体装置200说明如下。

如图1与图2所示，方法100的步骤102形成材料层220于基板210上。基板210包含硅。在其他或额外实施例中，基板210可包含其他半导体元素如锗。基板210还可包含半导体化合物如碳化硅、砷化镓、砷化铟、或磷化铟。基板210可包含半导体合金如硅锗、碳化硅锗、磷化镓砷、或磷化镓铟。在一实施例中，基板210包含磊晶层。举例来说，基板210可具有磊晶层于半导体基体上。此外，基板210可包含绝缘层上半导体基板。举例来说，基板210可包含埋置氧化物层，其形成工艺可为注入氧隔离或其他合适工艺如晶片接合与研磨。

基板210还可包含多种p型掺杂区及/或n型掺杂区，其注入工艺可为离子注入及/或扩散。这些掺杂区包含n型井、p型井、轻掺杂区、与多种通道掺杂轮廓，设置以形成多种集成电路装置如互补式金氧半场效晶体管、影像感测器、及/或发光二极管。基板210还可包含其他功能结构如电阻或电容，形成于基板之中或之上。

基板210还可包含多种隔离区。隔离区分隔基板210中的多种装置区。隔离区包含不同工艺技术形成的不同结构。举例来说，隔离区可包含浅沟槽隔离区。浅沟槽隔离区的形成方法可包含蚀刻沟槽于基板210中，并将绝缘材料如氧化硅、氮化硅、及/或氮氧化硅填满沟槽。填满的沟槽可具有多层结构如热氧化物衬垫层与填满沟槽的氮化硅。接着可进行化学机械研磨以回研磨多余的绝缘材料，并平坦化隔离结构的上表面。

基板210还可包含多个层间介电层如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、低介电常数介电物、碳化硅、及/或其他合适层状物。层间介电层的沉积方法可为热氧化、化学气相沉积、原子层沉积、物理气相沉积、热氧化、上述的组合、或其他合适技术。

基板210可包含介电层与电极层组成的闸极堆迭。介电层可包含界面层与高介电常数介电层，其沉积方法可为合适技术如化学气相沉积、原子层沉积、物理气相沉积、热氧化、上述的组合、及/或其他合适技术。界面层可包含氧化物、hfsio、或氮氧化物，而hk介电层可包含lao、alo、zro、tio、ta2o5、y2o3、srtio3(sto)、batio3(bto)、bazro、hfzro、hflao、hfsio、lasio、alsio、hftao、hftio、(ba,sr)tio3(bst)、al2o3、si3n4、氮氧化物(sion)、及/或其他合适材料。电极层可包含单层或多层结构，比如具有功函数以增进装置效能的金属层(功函数金属层)、衬垫层、湿润层、粘着层、与金属导电层(如金属、金属合金、或金属硅化物)的多种组合。金属闸极电极可包含ti、ag、al、tialn、tac、tacn、tasin、mn、zr、tin、tan、ru、mo、al、wn、cu、w、任何合适材料、及/或上述的组合。

基板210还可包含源极/漏极结构，其可包含锗(ge)、硅(si)、砷化镓(gaas)、砷化铝镓(algaas)、硅锗(sige)、磷化镓砷(gaasp)、镓锑(gasb)、铟锑(insb)、砷化铟镓(ingaas)、砷化铟(inas)、或其他合适材料。源极/漏极结构的形成方法可为磊晶成长工艺如化学气相沉积技术(如气相磊晶及/或超高真空化学气相沉积)、分子束磊晶、及/或其他合适工艺。

基板210还可包含与基板210中的ild层整合的导电结构以形成内连线结构，其设置以耦接多种p型掺杂区与n型掺杂区至其他功能结构(如闸极)，即形成功能集成电路。在一例中，基板210可包含部分的内连线结构，且内连线结构包含多层内连线结构及与多层内连线结构整合的层间介电层于基板210上，以提供电性线路耦接基板210中的多种装置至输入/输出电源与信号。内连线结构包含多种金属线路、接点、与通孔结构(或通孔插塞)。这些金属线路提供水平的电性线路。接点提供硅基板与金属线路之间的垂直连接，而通孔结构提供不同金属层中的金属线路之间的垂直连接。

材料层220可包含介电层如氧化硅、氮化硅、氮氧化物、碳化硅、及/或其他介电层。材料层还可包含半导体层如锗、硅、砷化镓、砷化铝镓、砷磷化硅锗镓、镓锑、铟锑、砷化铟镓、砷化铟、及/或其他合适的半导体材料。材料层220还可包含导电层如多晶硅、氧化钛、氮化钛、氧化钽、氮化钽、钛、铝、氮化钛铝、碳化钽、碳氮化钽、氮化钽硅、锰、锆、钌、钼、铜、钨、氮化钨、及/或任何合适的导电材料。材料层220的沉积方法可为化学气相沉积、原子层沉积、物理气相沉积、及/或其他合适方法。

如图1与图3所示，方法100的步骤104形成第一图案案化的硬掩模如第一图案化硬掩模310于材料层220上。第一图案化硬掩模310具有多个开口或空间316露出材料层220。每一空间316沿着x方向具有预定的空间宽度s，且x方向垂直于第一图案化硬掩模310的高度方向(如图3所示的z方向)。第一图案化硬掩模310又称作引导硬掩模，因其可引导用于嵌段共聚物层的组装工艺的结构，如下述内容。

第一图案化硬掩模310的形成方法可包含沉积、图案化、蚀刻、及/或上述的组合。在一些实施例中，第一图案化硬掩模310的形成方法可包含沉积硬掩模材料层、形成光致抗蚀剂图案并以光致抗蚀剂图案作为蚀刻掩模以蚀刻硬掩模材料层，以形成第一图案化硬掩模310。光致抗蚀剂图案包含对射线束敏感的光致抗蚀剂材料，且其形成方法为光刻工艺。在一例中，光刻工艺包含涂布光致抗蚀剂层于硬掩模材料层上、依据ic布局对光致抗蚀剂层进行光刻曝光工艺、显影曝光后的光致抗蚀剂层以形成光致抗蚀剂图案。蚀刻工艺包含湿蚀刻、干蚀刻、及/或上述的组合。硬掩模材料层可包含氧化硅、氮化硅、氮氧化物、碳化硅、氧化钛、氮化钛、氧化钽、氮化钽、及/或任何合适材料。硬掩模材料层可包含多层结构。硬掩模材料层的沉积方法可为合适技术如化学气相沉积、原子层沉积、物理气相沉积、旋转涂布、及/或其他合适技术。

如图1与图4a所示，方法100的步骤106形成高规则的周期性聚合物纳米结构(比如第一聚合物嵌段(纳米结构)412与第二聚合物嵌段(纳米结构)414于第一图案化硬掩模310定义的空间316中。在此实施例中，直接自组装层410沉积于多个空间316中。如前所述，第一图案化硬掩模310作为引导结构，其可用于直接自组装层410的自组装工艺。

如图4b与图4c所示的一实施例中，直接自组装层410包含嵌段共聚物。嵌段共聚物为包含至少两个不同链段的长链分子，且这些链段在特定条件(比如暴露至升高的温度)下可组装成高规则结构。直接自组装层410包含下述之一或多个：聚苯乙烯-嵌段-聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙二醇-嵌段-聚异戊二烯、聚乙二醇-嵌段-聚丁二烯、聚乙二醇-嵌段-聚苯乙烯、聚乙二醇-嵌段-聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙二醇-嵌段-聚乙基乙烯、聚苯乙烯-嵌段-聚乙烯基吡啶、聚苯乙烯-嵌段-聚异戊二烯、聚苯乙烯-嵌段-聚丁二烯、聚苯乙烯-嵌段-聚二茂铁二甲基硅烷、聚丁二烯-嵌段-聚乙烯基吡啶、以及聚异戊二烯-嵌段-聚甲基丙烯酸甲酯。直接自组装层410的沉积方法可为旋转涂怖、喷涂、浸涂、及/或其他合适沉积法，如图4b所示。在一实施例中，直接自组装层410包含双嵌段共聚物聚苯乙烯-嵌段-聚甲基丙烯酸甲酯，且其沉积方法为旋转涂布。

此外，在沉积直接自组装层410之前，可沉积中和层于多个空间316中的材料层220上，通过调整空间316中露出的材料层220的表面条件，以增强形成直接自组装层410。中和层包含的材料其表面能，介于嵌段共聚物中两个组成的表面能之间。举例来说，中和层包含氧化硅或旋转涂布玻璃。中和层的沉积方法可为原子层沉积、化学气相沉积、或旋转涂布。

在沉积直接自组装层410之后，对直接自组装层410施加升温回火，以形成高规则性周期性聚合物结构于空间316中，如图4c所示。在一实施例中，直接自组装层410具有两种聚合物单元，其经升温回火后形成两个高规则性自组装聚合物纳米结构(聚合物嵌段)，层状型态中的第一聚合物嵌段412与第二聚合物嵌段414沿着y方向。上述y方向垂直于x方向。第一聚合物嵌段412与第二聚合物嵌段414，沿着x方向呈重复的周期性图案且彼此对准。第一聚合物嵌段412与第二聚合物嵌段414分别具有第一宽度w1与第二宽度w2，其取决于直接自组装层410的材料特性如聚合物链的回转半径、分子量、与界面张力。在一实施例中，聚苯乙烯-嵌段-聚甲基丙烯酸甲酯的直接自组装层410经回火后，形成聚合物嵌段如第一聚合物嵌段412(如聚甲基丙烯酸甲酯)与第二聚合物嵌段414(如聚苯乙烯)，且上述嵌段沿着x方向排列成周期性的重复图案于个别的空间316中。第一宽度w1与第二宽度w2为约30nm。在另一实施例中，第一宽度w1与第二宽度w2小于20nm。

如图1与图5所示，方法100的步骤108移除预定性态的聚合物纳米结构(如第一聚合物嵌段412)。在此实施例中，选择性分解第一聚合物嵌段412。选择性分解的步骤包含干蚀刻、湿蚀刻、或上述的组合。在一例中，聚甲基丙烯酸甲酯的第一聚合物嵌段412其分解方法为氧等离子体蚀刻。

如图1与图6所示，方法100的步骤110移除第一图案化硬掩模310。在此实施例中，第一图案化硬掩模310的移除方法为选择性蚀刻工艺。蚀刻工艺可包含选择性湿蚀刻、选择性干蚀刻、及/或上述的组合。在一例中，选择性湿蚀刻溶液可包含hno3、nh4oh、koh、hf、hcl、naoh、h3po4、tmah、及/或其他合适的选择性湿蚀刻溶液、及/或上述的组合。在其他实施例中，选择性干蚀刻工艺可采用含氯气体(如cl2、chcl3、ccl4、及/或bcl3)、含溴气体(如hbr及/或chbr3)、含碘气体、含氟气体(如cf4、sf6、ch2f2、chf3、及/或c2f6)、及/或其他合适气体及/或等离子体、及/或上述的组合。

值得注意的是，在移除第一图案化硬掩模310后，预定型态的聚合物纳米结构如第二聚合物嵌段414将保留于材料层220上，以作为后续工艺的芯(具有第二宽度w2)。在此实施例中，第二聚合物嵌段414(芯)其第二宽度w2由直接自组装层410的材料性质定义，而非由光刻工艺定义。

如图1与图7所示，方法100的步骤112沿着第二聚合物嵌段414形成间隔物510。间隔物510的形成方法可为沉积间隔物材料层于第二聚合物嵌段414上，接着非等向蚀刻间隔物材料层。间隔物材料层可包含氧化硅、氮化硅、氮氧化物、碳化硅、氧化钛、氮化钛、氧化钽、氮化钽、及/或任何合适材料。在此实施例中，间隔物材料层包含的材料不同于第二聚合物嵌段414与材料层220，以达后续蚀刻所需的蚀刻选择性。间隔物材料层的沉积方法可为化学气相沉积、原子层沉积、物理气相沉积、及/或其他合适技术。在一实施例中，间隔物材料层的沉积方法为原子层沉积，以顺应性覆盖膜于第二聚合物嵌段414上。通过控制间隔物材料层的厚度，间隔物510的第三宽度w3可小于约10nm。此外，通过间隔物工艺，可让不同区域的间隔物510具有相对一致的第三宽度w3，即使不同区域的图案密度不同。

如图1与图8所示，方法100的步骤114选择性分解(或移除)保留的其他型态的聚合物纳米结构(如第二聚合物嵌段414)，以保留两相邻之间隔物510之间的第二空间515。如此一来，第二空间515的宽度即第二聚合物嵌段414其第二宽度w2。选择性分解包含回火、干蚀刻、湿蚀刻、及/或任何其他合适工艺。在一实施例中，聚苯乙烯的第二聚合物嵌段414的分解步骤为回火工艺，其温度高于步骤106中形成聚合物嵌段的回火温度。在一例中，分解回火温度为约350℃，而形成回火温度为约250℃。在另一实施例中，聚苯乙烯的第二聚合物嵌段414其分解方法为采用溶液如硫酸与双氧水的湿蚀刻。

如此一来，以第二空间515分隔的间隔物510构成第二图案化硬掩模520。第二图案化硬掩模520之间距p等于间隔物510的第三宽度w3加上第二间隔物515的第二宽度w2，如图8所示。值得注意的是，间距p的尺寸来自于间隔物510与第二聚合物嵌段414之间的差异。换言之，间距p的尺寸来自于非光刻工艺。经由非光刻工艺所形成的微小尺寸，可具有更小的关键尺寸。关键尺寸缩小光刻工艺的挑战，也是技术世代或节点的限制条件。如此一来，本发明实施例提供形成小关键尺寸的方法，即形成第二图案化硬掩模520以达较宽松的光刻工艺。

如图1与图9a所示，方法100的步骤116以第二图案化硬掩模520作为蚀刻掩模，蚀刻材料层220。如此一来，在第二空间515延伸至材料层220时，间隔物510将转移至材料层220中的材料结构610。在一些实施例中，蚀刻工艺可包含非等向蚀刻如等离子体非等向蚀刻。综上所述，材料结构610具有垂直轮廓。如此一来，材料结构610具有宽度w3，且与另一材料结构610之间隔有第二宽度w2。换言之，第二图案化硬掩模520之间距p转移至材料层220。非等向蚀刻可采用含氯气体(如cl2、chcl3、ccl4、及/或bcl3)、含溴气体(如hbr及/或chbr3)、含碘气体、含氟气体(如cf4、sf6、ch2f2、chf3、及/或c2f6)、及/或其他合适气体及/或等离子体、及/或上述的组合。

在蚀刻材料层220后，可采用适当蚀刻工艺移除第二图案化硬掩模520，如图9b所示。如此一来，图案化的材料层220具有间距p(等同第二宽度w2+第三宽度w3)。

在方法100之前、之中、与之后可进行额外步骤，且其他实施例中的上述某些步骤可省略或置换为其他步骤。

半导体装置200可进行额外互补式金氧半或金氧半技术工艺，以形成本技术领域已知的多种结构与区域。举例来说，后续工艺可形成多层内连线，其包含垂直内连线如常用通孔或接点，以及水平内连线如金属线路。多种内连线结构可采用多种导电材料如铜、钨、及/或硅化物，可提供电性线路以耦接基板210中的多种装置至输入/输出电源与信号。

综上所述，本发明实施例提供图案化硬掩模的形成方法。此方法并非采用光刻工艺，而是形成引导硬掩模，以及形成嵌段共聚物于引导硬掩模及侧壁间隔物上，以定义图案化硬掩模的目标间距。此方法也将图案化硬掩模的间距转移至材料层。此方法为强大、弹性、及拟非光刻的方法，可用以图案化材料层并使其具有较小间距。

本发明提供许多不同实施例以形成半导体装置，其与现有方式相较具有一或多种改良。在一实施例中，半导体装置的形成方法包括形成第一图案化硬掩模于材料层上。第一图案化硬掩模定义开口。此方法还包含形成直接自组装层于开口中，且直接自组装层具有第一部分与第二部分；移除直接自组装层的第一部分；沿着直接自组装层的第二部分的侧壁形成间隔物；以及移除直接自组装层的第二部分。间隔物形成第二图案化硬掩模于材料层上。

在一实施例中，上述方法形成直接自组装层于第一图案化硬掩模上，且直接自组装层具有第一部分与第二部分的步骤包括：沉积嵌段共聚物层于第一图案化硬掩模上；以及在第一温度回火嵌段共聚物层。

在一实施例中，嵌段共聚物层为下述之一或多个：聚苯乙烯-嵌段-聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙二醇-嵌段-聚异戊二烯、聚乙二醇-嵌段-聚丁二烯、聚乙二醇-嵌段-聚苯乙烯、聚乙二醇-嵌段-聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙二醇-嵌段-聚乙基乙烯、聚苯乙烯-嵌段-聚乙烯基吡啶、聚苯乙烯-嵌段-聚异戊二烯、聚苯乙烯-嵌段-聚丁二烯、聚苯乙烯-嵌段-聚二茂铁二甲基硅烷、聚丁二烯-嵌段-聚乙烯基吡啶、以及聚异戊二烯-嵌段-聚甲基丙烯酸甲酯。

在一实施例中，上述方法的第一部分包含聚甲基丙烯酸甲酯嵌段，而第二部分包含聚苯乙烯嵌段。

在一实施例中，上述方法移除直接自组装层的第一部分的步骤包含以氧等离子体蚀刻工艺分解聚甲基丙烯酸甲酯嵌段。

在一实施例中，上述方法移除直接自组装层的第二部分的步骤包含以第二温度回火聚苯乙烯嵌段，且第二温度高于第一温度。

在一实施例中，上述方法更包含在移除直接自组装层的第一部分之后，移除第一图案化硬掩模。

在一实施例中，上述方法更包含经由第二图案化硬掩模蚀刻材料层。

在一实施例中，上述方法的材料层的间距尺寸由间隔物的宽度与直接自组装层的第二部分的宽度所定义。

在另一实施例中，半导体装置的形成方法包含形成图案化硬掩模于材料层上。图案化硬掩模具有多个开口。此方法还包含沉积嵌段共聚物层于开口中、在第一温度回火嵌段共聚物层以形成第一聚合物嵌段与第二聚合物嵌段于开口中、移除第一聚合物嵌段、沿着第二聚合物嵌段的侧壁形成间隔物、以及移除第二聚合物嵌段。间隔物形成第二图案化硬掩模于材料层上。

在一实施例中，上述方法的嵌段共聚物层为下述之一或多个：聚苯乙烯-嵌段-聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙二醇-嵌段-聚异戊二烯、聚乙二醇-嵌段-聚丁二烯、聚乙二醇-嵌段-聚苯乙烯、聚乙二醇-嵌段-聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙二醇-嵌段-聚乙基乙烯、聚苯乙烯-嵌段-聚乙烯基吡啶、聚苯乙烯-嵌段-聚异戊二烯、聚苯乙烯-嵌段-聚丁二烯、聚苯乙烯-嵌段-聚二茂铁二甲基硅烷、聚丁二烯-嵌段-聚乙烯基吡啶、以及聚异戊二烯-嵌段-聚甲基丙烯酸甲酯。

在一实施例中，上述方法的第一聚合物嵌段包含聚甲基丙烯酸甲酯嵌段，而第二聚合物嵌段包含聚苯乙烯嵌段。

在一实施例中，上述方法移除第一聚合物嵌段的步骤包含以氧等离子体蚀刻工艺分解聚甲基丙烯酸甲酯嵌段。

在一实施例中，上述方法移除第二聚合物签段的步骤包含以第二温度回火分解聚苯乙烯嵌段，且第二温度高于第一温度。

在一实施例中，上述方法更包含在移除嵌段共聚物层的第一聚合物嵌段后，移除第一图案化硬掩模。

在一实施例中，上述方法更包含经第二图案化硬掩模蚀刻材料层。

在一实施例中，上述方法的材料层其间距尺寸由间隔物的宽度与第二聚合物嵌段的宽度所定义。

在又一实施例中，半导体装置的形成方法包括形成图案化硬掩模于材料层上。图案化硬掩模具有开口。此方法还包含形成第一纳米结构与第二纳米结构于开口中。第一纳米结构与第二纳米结构的材料不同。此方法还包含移除第一纳米结构、移除图案化硬掩模、沿着第二纳米结构的侧壁形成间隔物、移除第二纳米结构、以及以间隔物作为蚀刻掩模并蚀刻材料层。

在一实施例中，上述方法形成第一纳米结构与第二纳米结构于开口中的步骤，包括形成直接自组装层于开口中。

在一实施例中，上述方法形成层于开口中的步骤包括沉积嵌段共聚物于开口中，以及回火嵌段共聚物层。

上述实施例的特征有利于本领域技术人员理解本发明。本领域技术人员应理解可采用本发明作基础，设计并变化其他工艺与结构以完成上述实施例的相同目的及/或相同优点。本领域技术人员应理解，这些等效置换并未脱离本发明精神与范畴，并可在未脱离本发明的精神与范畴的前提下进行改变、替换、或更动。