TWI633596B - 形成溝渠的方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供了一種形成溝渠的方法，首先在一基底上形成一中柱層，中柱層包含一停止層以及一犧牲層。後續，在中柱層的至少一側面上形成一側壁子，接著在基底上形成一物質層覆蓋在側壁子以及中柱層上。進行一移除步驟，以移除部分的物質層、部分的側壁子以及犧牲層。最後，移除側壁子，以在餘留的物質層以及中柱層中形成至少一第一溝渠。

Description

形成溝渠的方法
本發明是關於一種形成溝渠的方法，特別來說，是一種以反側壁形狀移轉(reverse sidewall image transfer,reverse STI)形成溝渠的方法。
近年來，隨著各種消費性電子產品不斷的朝小型化發展，半導體元件設計的尺寸亦不斷縮小，以符合高積集度、高效能和低耗電之潮流以及產品需求。
在半導體製程上，為了將積體電路(integrated circuits)的圖案順利地轉移到半導體晶片上，必須先將電路圖案設計於一光罩佈局圖上，之後依據光罩佈局圖所輸出的光罩圖案(photomask pattern)來製作一光罩，並且將光罩上的圖案以一定的比例轉移到該半導體晶片上，也就是俗稱的微影技術(lithography)。
隨著半導體電路的積體層次的快速增加，微影技術所要求的線寬也從原先的65柰米(nm)演進到45柰米，甚至是更小的32柰米，使得半導體元件間的距離日益縮短。然而，由於光學接近效應(optical proximity effect,OPE)的影響，上述元件的距離在曝光製程中已面臨到其極限。因此，各廠商都致力於研發能夠形成微小半導體結構的方法。
本發明於是提供一種在半導體基底上形成溝渠的方法，具有微小之溝渠，並可以精確調控溝渠形成之寬度。
根據本發明之一實施例，本發明之形成溝渠的方法，首先在一基底上形成一中柱層，中柱層包含一停止層以及一犧牲層。後續，在中柱層的至少一側面上形成一側壁子，接著在基底上形成一物質層覆蓋在側壁子以及中柱層上。進行一移除步驟，以移除部分的物質層、部分的側壁子以及犧牲層。最後，移除側壁子，以在餘留的物質層以及中柱層中形成至少一第一溝渠。
本發明所提供之形成溝渠之方法，由於具有多層的中柱層結構，可以精確調整最終所欲形成溝渠之寬度，且較佳使用化學機械研磨製程，可以增加製程的可靠性，以提升產品的良率。
300‧‧‧基底
302‧‧‧襯墊層
302’‧‧‧圖案化襯墊層
304‧‧‧遮罩層
304’‧‧‧圖案化遮罩層
306‧‧‧支撐層
308‧‧‧停止層
310‧‧‧犧牲層
312‧‧‧中柱層
313‧‧‧側壁子材料層
314,314’‧‧‧側壁子
316,316’‧‧‧材料層
318‧‧‧第一溝渠
320‧‧‧第二溝渠
322‧‧‧第三溝渠
W,W’‧‧‧寬度
T1‧‧‧第一厚度
T2‧‧‧第二厚度
T3‧‧‧第三厚度
第1圖至第10圖所繪示為本發明一種形成溝渠的方法的步驟示意圖。
為使熟習本發明所屬技術領域之一般技藝者能更進一步了解本發明，下文特列舉本發明之數個較佳實施例，並配合所附圖式，詳細說明本發明的構成內容及所欲達成之功效。
請參考第1圖至第10圖，所繪示為本發明一種形成溝渠的方法的步驟示意圖。如第1圖所示，首先提供一基底300，其係用來在其上形成所需之元件或電路，較佳具有含矽材質，例如是矽、單晶矽(single crystal silicon)、單晶矽鍺(single crystal silicon germanium)、非晶矽(amorphous silicon) 或是上述的組合。於另一實施例中，基底300也可以包含其他半導體材質，例如是鍺或III/V族的複合半導體材料，如鍺砷等。於另一實施例中，基底300也可以包含其他介電材料，例如是矽覆絕緣基底(silicon on insulator,SOI)。於另一實施例中，基底300也可以為一層或多層的介電層(dielectric layer)並具有一個或多個微電子元件設置於其中，例如是互補式金氧半導體(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)或是感光電晶體(photo-diode)等，也可以設置有金屬內連線系統(metal interconnection system)。於本發明另一實施例中，基底300也可包含有其他的遮罩層(圖未示)或材料層(圖未示)，以搭配其他半導體製程，例如後續可繼續進行雙側壁形狀移轉(dual sidewall image transfer,dual SIT)製程。接著在基底300上依序形成襯墊層(liner)302以及一遮罩層304。遮罩層304可以包含任何適合作為後續蝕刻製程的遮罩材料，例如是氮化矽(SiN)、氮氧化矽(SiON)、碳化矽(SiC)或由應用材料公司提供之進階圖案化薄膜(advanced pattern film,APF)，但並不以此為限。襯墊層302用來提供遮罩層304與基底300之緩衝或增加附著，於一實施例中，襯墊層302例如是氧化矽。而於另一實施例中，襯墊層302亦可以省略。
如第2圖所示，在遮罩層304上形成至少一中柱層312。於一實施例中，中柱層312包含一犧牲層310、一停止層308以及一支撐層306；犧牲層306的材料例如是多晶矽(poly-silicon)或非晶矽(amorphous silicon)；停止層308的材料例如是氮化矽(SiN)、氮氧化矽(SiON)、氮化鈦(TiN)或氮化鉭(TaN)，或是上述的組合；支撐層306的材料可以和犧牲層310相同也可以不同。而於本發明之一實施例中，支撐層306也可以省略。形成中柱層312的方法例如依序在基底300上全面形成一支撐材料層(圖未示)、一停止材料層(圖未示)以及一犧牲材料層(圖未示)，經微影暨蝕刻步驟(photo-etching-process)後，即可形成所述中柱層312，其具有大體上垂直切齊之側壁。於一實施例 中，支撐層306具有一第一厚度T1，停止層308具有一第二厚度T2、犧牲層310具有一第三厚度T3。
接著，如第3圖所示，形成一側壁子材料層313，其共形地(conformally)覆蓋在中柱層312上，較佳覆蓋在中柱層312之側壁以及頂面上。於一實施例中，側壁子材料層313的材料例如是，氧化矽、氮化矽、高溫氧化矽層(high temperature oxide,HTO)或包含六氯二矽烷(hexachlorodisilane,Si2Cl6)形成的氮化矽(HCD-SiN)，但並不以此為限。
後續，如第4圖所示，進行一非等向性(anisotropically)蝕刻步驟，使側壁子物質層313僅形成在中柱層312之側壁上。於一實施例中，側壁子314具有弧度(curved)之剖面，其寬度由上而下漸增。但於另一實施例中，仍有可能有一預定厚度之側壁子314餘留在中柱層312之頂面上。於本發明另一實施例中，也有可能省略此非等向性蝕刻步驟，使位在中柱層312側壁的側壁子314具有均勻厚度。
如第5圖所示，在基底300上全面形成一物質層316。較佳者，物質層316會填入各個中柱層312之間的空間，並進一步覆蓋在側壁子314及中柱層312上。物質層316的材料和中柱層312中的停止層308不同，兩者之間會在一移除步驟中會具有移除速率之差異。於一實施例中，物質層316例如是氧化矽、氮化矽或如光阻(photoresist)之有機材料(organic material)等。
如6圖所示，進行一移除步驟，移除部分的物質層316、部分的側壁子314並完全移除犧牲層310。於一實施例中，移除步驟會停止在中柱層312之停止層308中，較佳不會移除停止層308或僅移除極小部分之停止層308。更精確來說，係指停止層308在移除步驟中被移除的速率，遠小於 物質層316、側壁子314和犧牲層310被移除的速率。於一實施例中，此移除步驟是一化學機械研磨(chemical mechanical polishing,CMP)步驟，停止層308和物質層316、側壁子314、犧牲層310具有研磨選擇比，且進行完化學機械研磨步驟後，剩下之物質層316'的頂面、側壁子314'與停止層308之頂面三者齊平。其中，側壁子314'之頂面具有一寬度W，底面具有一寬度W’，寬度W小於寬度W’。而於本發明前述之省略非等性向蝕刻步驟之實施例中，請參考第7圖，所形成的側壁子314’之頂面寬度W會等於底面寬度W’。
如第8圖所示，完全移除側壁子314'，使中柱層312(包含停止層308，或是停止層308以及支撐層306)與物質層316’之間形成至少一第一溝渠318。第一溝渠318較佳會暴露出下方之遮罩層304。考量到此移除步驟的準確度，選用之側壁子314'的材料，較佳會和停止層308與物質層318’之間具有移除選擇比，也和下方遮罩層304具有移除選擇比。所形成的第一溝渠318會對應側壁子314'之大小與輪廓，例如第一溝渠318之開口具有寬度W，底部具有寬度W’。於本實施例中，寬度W小於寬度W’。於如第7圖的實施例中，兩者也可能相等。
如第9圖所示，以物質層316'和停止層308為遮罩，圖案化遮罩層304以及襯墊層302，使得所形成之圖案化遮罩層304'及圖案化襯墊層302’具有至少一第二溝渠320，該第二溝渠320會對應對一第一溝渠318。於本發明較佳實施例中，第二溝渠320同樣具有寬度W。然後，完全移除中柱層312以及材料層316’。
最後，如第10圖所示，以圖案化遮罩層304'為遮罩，圖案化基底300，以在基底300中形成至少一第三溝渠322。第三溝渠322具有寬度W。此第三溝渠322即可作為各種半導體元件之一部分，例如在後續步驟中填入 絕緣材料即可作為淺溝渠隔離(shallow trench isolation)，或是填入金屬材料而成為金屬內連線系統(metal interconnection system)之一部分。本領域具有通常知識者亦可了解，所形成之第三溝渠322亦可視不同設計與製程，可再次與其他特殊半導體製程結合，例如在第三溝渠322之側壁形成側壁子，再對基底300(或基底300中的其他材料層)進行蝕刻，而形成更小之溝渠。或者把第三溝渠322填入一材料層(圖未示)後，移除材料層以外之基底300，使材料層作為其他半導體元件之部分。
本發明之其中一個特徵在於使用多層的中柱層312結構，例如具有支撐層306、停止層308以及犧牲層310，停止層308與犧牲層310乃不同材質。在如第6圖的移除步驟中，較佳使用化學機械研磨製程，相較於習知回蝕刻的方式，可以得到一致性平坦之表面，更能掌握殘留側壁子314'之寬度W，使後續第一溝渠318、第二溝渠320、第三溝渠322也具有寬度W。此外，藉由控制中柱層312中各層的厚度分配(支撐層306之第一厚度T1、停止層308之第二厚度T2、犧牲層310之第三厚度T3)，以及側壁子314沈積厚度及/或由下而上漸縮之輪廓，可以精確控制第6圖中殘留側壁子314'之寬度W。當第一厚度T1加第二厚度T2佔全部中柱層312之厚度越大時，寬度W越小；反之，當第一厚度T1加第二厚度T2佔全部中柱層312之厚度越小時，寬度W越大。換言之，中柱層312中停止層308頂面之高度(T1+T2)佔全部中柱層312之厚度(T1+T2+T3)的比例，大體上等於第6圖中殘留之側壁子314’頂面寬度W與底面寬度W’之比例。於本發明之一實施例中，第一厚度T1與第二厚度T2加第三厚度T3相同(T1=T2+T3)；於另一實施例中，第一厚度T1與第三厚度T3相同(T1=T3)。若在省略支撐層306之實施例中，則第二厚度T2等於第三厚度(T3)。
此外，於本發明另一實施例中，也可省略在基底300上之遮罩層 304與襯墊層302。故在第6圖之步驟中，可直接以物質層316'和停止層308為遮罩，圖案化基底300，而形成第三溝渠322。
綜上所述，本發明所提供之形成溝渠之方法，由於具有多層的中柱層結構，可以精確調整最終所欲形成溝渠之寬度，且較佳使用化學機械研磨製程，可以增加製程的可靠性，以提升產品的良率。
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。

Claims (20)

  1. 一種形成溝渠的方法，包含：在一基底上形成一中柱層(mandrel)，該中柱層包含一停止層以及一犧牲層；在該中柱層的至少一側面上形成一側壁子；在該基底上形成一物質層在該側壁子以及該中柱層上；進行一移除步驟，以移除部分的該物質層、部分的該側壁子以及該犧牲層；以及完全移除該側壁子，以在剩餘的該物質層以及該中柱層中形成至少一第一溝渠。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的形成溝渠的方法，其中該移除步驟為化學機械研磨(chemical mechanical polish,CMP)步驟。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的形成溝渠的方法，其中該移除步驟停止在該停止層。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的形成溝渠的方法，其中該移除步驟結束後，該停止層的一頂面、該側壁子的一頂面、該物質層的一頂面，三者齊平。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的形成溝渠的方法，其中該停止層與該物質層、該側壁子有化學機械研磨選擇比。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的形成溝渠的方法，其中該停止層包含氮化矽(SiN)、氮氧化矽(SiON)、氮化鈦(TiN)或氮化鉭(TaN)。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的形成溝渠的方法，其中該中柱層還包含一支撐層設置在該基底以及該停止層之間。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的形成溝渠的方法，其中該支撐層的一厚度加上該停止層的一厚度大體上等於該犧牲層的一厚度。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的形成溝渠的方法，其中該支撐層的一厚度大體上等於該犧牲層的一厚度。
  10. 如申請專利範圍第7項所述的形成溝渠的方法，其中該支撐層包含多晶矽(poly-silicon)或非晶矽(amorphous silicon)。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的形成溝渠的方法，其中該犧牲層包含多晶矽或非晶矽。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的形成溝渠的方法，其中該第一溝渠具有一頂面寬度以及一底面寬度，該頂面寬度小於該底面寬度。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的形成溝渠的方法，其中該第一溝渠具有一頂面寬度以及一底面寬度，該頂面寬度等於該底面寬度。
  14. 如申請專利範圍第1項所述的形成溝渠的方法，其中該側壁子與該物質層、該停止層具有蝕刻選擇比。
  15. 如申請專利範圍第1項所述的形成溝渠的方法，其中該側壁子包含氧化矽、氮化矽、高溫氧化矽層(high temperature oxide,HTO)或具有六氯二矽烷(hexachlorodisilane,Si2Cl6)的氮化矽(HCD-SiN)。
  16. 如申請專利範圍第1項所述的形成溝渠的方法，其中該物質層包含氧化矽、氮化矽或有機材料。
  17. 如申請專利範圍第1項所述的形成溝渠的方法，還包含：形成一遮罩層於該基底上，該中柱層位在該遮罩層上；以及形成該第一溝渠後，圖案化該遮罩層以形成一圖案化遮罩層，其具有至少一第二溝渠對應於該第一溝渠。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的形成溝渠的方法，還包含：形成該第二溝渠後，完全移除該中柱層以及該物質層；以及以該圖案化遮罩層為遮罩，圖案化該基底以形成至少一第三溝渠。
  19. 如申請專利範圍第16項所述的形成溝渠的方法，其中該側壁子與該遮罩層具有一蝕刻選擇比。
  20. 如申請專利範圍第16項所述的形成溝渠的方法，其中該遮罩層包含氮化矽、氮氧化矽、碳化矽或進階圖案化薄膜(advanced pattern film,APF)。
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