專利名稱：硬掩模層與半導(dǎo)體元件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體工藝，且特別是涉及一種硬掩模層與半導(dǎo)體元件的制造方法。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體的工藝中，元件的尺寸不斷地微縮，使蝕刻選擇性與均勻度將變得更為重要。隨著元件的尺寸愈來愈小，光致抗蝕劑圖形及蝕刻圖形的深寬比(aspect ratio)不斷增加，使得光刻工藝的困難度也持續(xù)提高，造成元件尺寸的控制更加困難。
為了解決此問題，一般的半導(dǎo)體工藝大都是使用介電層的材料來取代光致抗蝕劑，以作為硬掩模(hard mask)。在前段工藝(front end of line，F(xiàn)EOL)中，用來定義隔離結(jié)構(gòu)或門極結(jié)構(gòu)(gate structure)的硬掩模材料包括氧化硅、氮化硅或氮氧化硅等。與光致抗蝕劑相比，硬掩模具有較強(qiáng)的抗蝕刻能力，因此能夠在蝕刻工藝中更精確地的完成各階段的圖案化工藝(patterning)。然而，硬掩模的抗蝕刻能力必須繼續(xù)提高，使硬掩模的厚度可以降低，以使進(jìn)行圖案化工藝后的產(chǎn)品具有均一的質(zhì)量，從而增加工藝裕度及產(chǎn)品的成品率。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種硬掩模層的制造方法，以提供具有高抗蝕刻能力的硬掩模。
本發(fā)明的再一目的是提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制造方法，以在前段工藝中增加硬掩模的抗蝕刻能力，從而增加工藝裕度及產(chǎn)品的成品率。
為達(dá)上述或是其它目的，本發(fā)明提出一種硬掩模層的制造方法。首先于基底上形成掩模層，然后于掩模層上形成圖案化光致抗蝕劑層。圖案化光致抗蝕劑層具有多個開口，這些開口暴露部分掩模層。移除部分掩模層，以暴露開口下方的部分基底。進(jìn)行第一氧等離子體處理工藝，以移除部分圖案化光致抗蝕劑層，并增加掩模層的抗蝕刻性。接著，進(jìn)行第二氧等離子體處理工藝，以移除殘留的圖案化光致抗蝕劑層。
在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述的第一氧等離子體處理工藝?yán)缡桥R場進(jìn)行的。
在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述的第一氧等離子體處理工藝的反應(yīng)室的氣體壓力例如是80～120毫托。
在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述的第一氧等離子體處理工藝的氧氣流量例如是900～1100立方厘米/每分鐘。
在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述的第一氧等離子體處理工藝的功率例如是1800～2200瓦。
在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述的第一氧等離子體處理工藝的時間例如是25～35秒。
在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述的掩模層的材料例如是氮化硅或氧化硅。
在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述的第二氧等離子體處理工藝?yán)缡窃诨一瘷C(jī)中進(jìn)行灰化工藝。
由于本發(fā)明在去除圖案化光致抗蝕劑層之前，先利用第一氧等離子體處理工藝來增加掩模層的抗蝕刻能力，因此可以降低掩模層的厚度，且利用此掩模層來對其他材料進(jìn)行圖案化工藝(pattering)可以精確地控制材料的臨界尺寸(critical dimension)。此外，第一氧等離子體處理工藝是臨場(in-situ)進(jìn)行的，只要在同一蝕刻機(jī)器，增加第一氧等離子體處理工藝的步驟就可以達(dá)到增加掩模層的抗蝕刻能力的目的，因此本發(fā)明的硬掩模層的制造方法也較為簡單。
為達(dá)上述或是其它目的，本發(fā)明再提出一種半導(dǎo)體元件的制造方法。首先于材料層上形成一層掩模層，然后，于掩模層上形成一層圖案化光致抗蝕劑層。圖案化光致抗蝕劑層具有多個開口，且這些開口暴露部分掩模層。之后，移除部分掩模層，以暴露開口下方的部分材料層。進(jìn)行抗蝕刻處理，以增加掩模層的抗蝕刻性。之后，先移除圖案化光致抗蝕劑層，再移除部分材料層。
在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述的抗蝕刻處理例如是臨場進(jìn)行的。
在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述的抗蝕刻處理例如是氧氣等離子體工藝。此外，抗蝕刻處理的反應(yīng)室的氣體壓力例如是80～120毫托。抗蝕刻處理的氧氣流量例如是900～1100立方厘米/每分鐘，功率例如是1800～2200瓦，處理的時間例如是25～35秒。
在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述的掩模層的材料例如是氮化硅或氧化硅。
在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述的移除圖案化光致抗蝕劑層例如是在灰化機(jī)中進(jìn)行灰化工藝。
在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述的移除部分材料層的步驟使材料層中形成溝槽，且此溝槽形成之后還包括于溝槽中形成介電層。然后移除掩模層，以形成淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述的材料層例如是硅基底、導(dǎo)體材料及介電材料，且移除部分材料層的步驟使材料層成為柵極結(jié)構(gòu)。
由于本發(fā)明利用抗蝕刻處理來增加掩模層的抗蝕刻能力，因此在蝕刻材料層之后，掩模層的殘留量(hard mask remaining)較高，使蝕刻之后的材料層圖案更為精確。此外，因?yàn)樵黾恿搜谀拥目刮g刻能力，所以能夠以較薄的掩模層來蝕刻材料層，換言之，掩模層具有較小的深寬比(aspect ratio)，使蝕刻材料層的工藝裕度(process window)更高。
為讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，以下配合附圖以及優(yōu)選實(shí)施例，以更詳細(xì)地說明本發(fā)明。


圖1A至圖1C是本發(fā)明一實(shí)施例的一種硬掩模層的制造方法流程剖面圖；圖2是上述的硬掩模層的制造方法步驟流程圖；圖3A至圖3D是本發(fā)明一實(shí)施例的一種半導(dǎo)體元件的制造方法流程剖面圖；圖3E是本發(fā)明一實(shí)施例的圖3D的后續(xù)工藝剖面圖；圖3F是本發(fā)明一實(shí)施例的圖3D的后續(xù)工藝剖面圖。
簡單符號說明100基底102、302掩模層104、304圖案化光致抗蝕劑層106、306開口
108第一等離子體處理工藝110、310高分子材料層112第二等離子體處理工藝200～208步驟300材料層308抗蝕刻處理312硬掩模314溝槽316淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)318硅基底320介電材料322導(dǎo)體材料324柵極結(jié)構(gòu)具體實(shí)施方式
第一實(shí)施例圖1A至圖1C是本發(fā)明一實(shí)施例的一種硬掩模層的制造方法流程剖面圖。圖2是上述的硬掩模層的制造方法步驟流程圖。
請同時參照圖1A及圖2，本發(fā)明的硬掩模的制造方法是依序進(jìn)行步驟200至步驟208。首先進(jìn)行步驟200于基底100上形成一層掩模層102?；?00例如是硅基的(silicon-based)基底。掩模層102的材料例如是氮化硅或氧化硅，且掩模層102的形成方法例如是化學(xué)氣相沉積法。然后，進(jìn)行步驟202于掩模層102上形成一層圖案化光致抗蝕劑層104，圖案化光致抗蝕劑層104具有多個開口106。這些開口106暴露部分掩模層102。圖案化光致抗蝕劑層104的形成方法例如是半導(dǎo)體業(yè)界所常用的光學(xué)光刻工藝。
然后，請同時參照圖1B及圖2，進(jìn)行步驟204移除部分掩模層102，以暴露這些開口106下方的部分基底100。移除部分掩模層102的方法例如是各向同性各向異性蝕刻工藝。接著，進(jìn)行步驟206進(jìn)行第一氧等離子體處理工藝108，移除部分圖案化光致抗蝕劑層104，并增加掩模層102的抗蝕刻性。第一氧等離子體處理工藝108例如是臨場進(jìn)行的，換言之，步驟206與步驟204是在同一個蝕刻反應(yīng)室(etching chamber)或蝕刻機(jī)器進(jìn)行。當(dāng)然，第一氧等離子體處理工藝108也可以是非臨場進(jìn)行的。
此外，第一氧等離子體處理工藝108例如是氧氣等離子體工藝。第一氧等離子體處理工藝108的參數(shù)范圍包括氣體壓力例如是80～120毫托的反應(yīng)室氣體壓力、氧氣流量例如是900～1100立方厘米/每分鐘、功率例如是1800～2200瓦；時間例如是25～35秒。
在一優(yōu)選實(shí)施例中，第一氧等離子體處理工藝108的參數(shù)值例如是100毫托的反應(yīng)室氣體壓力、1000立方厘米/每分鐘的氧氣流量、2000瓦的功率、30秒的時間。另一方面，第一氧等離子體處理工藝108的反應(yīng)室兩電極距離例如是40毫米，且晶片背部冷卻系統(tǒng)例如是以10托的晶背氣體壓力，在晶片中心與晶片進(jìn)行熱交換；并以20托的晶背氣體壓力，在晶片邊緣與晶片進(jìn)行熱交換。
接著，請同時參照圖1B、1C與圖2，首先，值得一提的是，在步驟206中，第一氧等離子體處理工藝108會移除大部分的圖案化光致抗蝕劑層104，使圖1B的結(jié)構(gòu)在經(jīng)過步驟206之后，掩模層102上會殘留一層高分子材料層110。高分子材料層110使掩模層102具有更好的抗蝕刻能力。隨后，進(jìn)行步驟208進(jìn)行第二氧等離子體處理工藝112，以移除殘留的圖案化光致抗蝕劑層104。第二氧等離子體處理工藝112例如是在灰化機(jī)(asher)中進(jìn)行灰化(ashing)工藝。
本發(fā)明在去除圖案化光致抗蝕劑層之前，先進(jìn)行第一氧等離子體處理工藝，再進(jìn)行第二氧等離子體處理工藝，使光致抗蝕劑在完全去除之前，增加掩模層的抗蝕刻能力。因此，可以增加后續(xù)蝕刻工藝的工藝裕度，并準(zhǔn)確地控制臨界尺寸。
第二實(shí)施例圖3A至圖3D是本發(fā)明一實(shí)施例的一種半導(dǎo)體元件的制造方法流程剖面圖。
請參照圖3A，首先，于材料層300上形成一層掩模層302。材料層300例如是硅基的(silicon-based)材料層。掩模層302的材料例如是氮化硅或氧化硅，且掩模層302的形成方法例如是化學(xué)氣相沉積法。然后，于掩模層302上形成一層圖案化光致抗蝕劑層304，圖案化光致抗蝕劑層304具有多個開口306。這些開口306暴露部分掩模層302。圖案化光致抗蝕劑層304的形成方法例如是半導(dǎo)體業(yè)界所常用的光學(xué)光刻工藝。
然后，請參照圖3B，移除部分掩模層302，以暴露這些開口306下方的部分材料層300。移除部分掩模層302的方法例如是各向同性各向異性蝕刻工藝。接著，進(jìn)行抗蝕刻處理308，以移除部分圖案化光致抗蝕劑層304，并增加掩模層302的抗蝕刻性。抗蝕刻處理308例如是臨場進(jìn)行的，換言之，抗蝕刻處理308與上述的各向同性各向異性蝕刻工藝是在同一個蝕刻反應(yīng)室或蝕刻機(jī)器進(jìn)行。由于蝕刻反應(yīng)室的內(nèi)壁通常具有含碳成分的副產(chǎn)物，且這些副產(chǎn)物會與抗蝕刻處理308的氧氣產(chǎn)生反應(yīng)而被清除，因此以臨場的方式進(jìn)行抗蝕刻處理308可以清潔蝕刻反應(yīng)室。當(dāng)然，抗蝕刻處理308也可以是非臨場進(jìn)行的。此外，抗蝕刻處理308例如是氧氣等離子體工藝。另外，抗蝕刻處理308的參數(shù)范圍包括反應(yīng)室氣體壓力例如是80～120毫托；氧氣流量例如是900～1100立方厘米/每分鐘、功率例如是1800～2200瓦；時間例如是25～35秒。在一優(yōu)選實(shí)施例中，抗蝕刻處理308的參數(shù)值分別為100毫托的反應(yīng)室氣體壓力、1000立方厘米/每分鐘的氧氣流量、2000瓦的功率、30秒的時間。另一方面，抗蝕刻處理308的反應(yīng)室兩電極距離例如是40毫米，且晶片背部冷卻系統(tǒng)例如是以10托的晶背氣體壓力，在晶片中心與晶片進(jìn)行熱交換；并以20托的晶背氣體壓力，在晶片邊緣與晶片進(jìn)行熱交換。
繼之，請同時參照圖3C，值得一提的是，抗蝕刻處理308會移除大部分的圖案化光致抗蝕劑層304，使圖3B的結(jié)構(gòu)在經(jīng)過抗蝕刻處理308之后，掩模層302上會殘留一層高分子材料層3 10。高分子材料層310與掩模層302構(gòu)成一層硬掩模312，硬掩模312可以用來作為蝕刻材料層300的掩模。由于形成有高分子材料層310，因此硬掩模312的抗蝕刻能力高于掩模層302的抗蝕刻能力。因?yàn)楝F(xiàn)有技術(shù)僅使用一層掩模層作為硬掩模，所以本發(fā)明可以增加現(xiàn)有技術(shù)中材料層對硬掩模的蝕刻選擇性(etching selectivity)。隨后，移除圖案化光致抗蝕劑層304。移除圖案化光致抗蝕劑層304的方法例如是在灰化機(jī)中進(jìn)行灰化工藝。之后，請同時參照圖3D，移除部分材料層300。移除部分材料層300的方法例如是各向同性各向異性蝕刻工藝。
上述的制造方法可以應(yīng)用在多種半導(dǎo)體前段工藝中，以對材料層進(jìn)行圖案化(patterning)。以下利用多個實(shí)施例來說明這些應(yīng)用方式。
圖3E是本發(fā)明一實(shí)施例的圖3D的后續(xù)工藝剖面圖。請參照圖3E，在移除部分材料層300之后，在硬掩模312之間的材料層300中形成溝槽314。之后，在溝槽314之中形成淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)316。淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)316的形成方法例如是在材料層300上形成一介電層(未繪示)，覆蓋材料層300、溝槽314及硬掩模312。此介電層例如是以高密度等離子體(HDP)化學(xué)氣相沉積法所形成的氧化硅。接著，依序進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨工藝及回蝕刻工藝，而形成之。
圖3F是本發(fā)明一實(shí)施例的圖3D的后續(xù)工藝剖面圖。請同時參照圖3D與圖3F，在本實(shí)施例中，材料層300由下而上例如是由硅基底318、介電材料320與導(dǎo)體材料322所構(gòu)成。介電材料320例如是以熱氧化法所例成的氧化硅，而導(dǎo)體材料322例如是以臨場摻雜的化學(xué)氣相沉積法所形成的摻雜多晶硅。在移除部分材料層300之后，會在硬掩模312之間的材料層300中形成溝槽314，并在硬掩模312以下形成柵極結(jié)構(gòu)324。其中，柵極結(jié)構(gòu)324是由介電材料320與導(dǎo)體材料322構(gòu)成。
由上述可知，本發(fā)明至少具有下列優(yōu)點(diǎn)1.由于利用抗蝕刻處理來增加掩模層的抗蝕刻能力，因此在透過硬掩模來蝕刻基底后，硬掩模的殘留量可以大幅增加，使蝕刻之后的材料層圖案更為精確。
2.由于增加了掩模層的抗蝕刻能力，因此能夠以較薄的掩模層來蝕刻材料層，換言之，硬掩模具有較小的深寬比，使蝕刻材料層的工藝裕度更高。
3.由于蝕刻反應(yīng)室的內(nèi)壁通常具有含碳成分的副產(chǎn)物，且這些副產(chǎn)物會與抗蝕刻處理的氧氣產(chǎn)生反應(yīng)而被清除，因此以臨場的方式進(jìn)行抗蝕刻處理具有清潔蝕刻反應(yīng)室的效果。
雖然本發(fā)明以優(yōu)選實(shí)施例揭露如上，然而其并非用以限定本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可作些許的更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以后附的權(quán)利要求所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種硬掩模層的制造方法，包括于基底上形成掩模層；于該掩模層上形成圖案化光致抗蝕劑層，該圖案化光致抗蝕劑層具有多個開口，該些開口暴露部分該掩模層；移除部分該掩模層，以暴露該些開口下方的部分該基底；進(jìn)行第一氧等離子體處理工藝，以移除部分該圖案化光致抗蝕劑層，并增加該掩模層的抗蝕刻性；以及進(jìn)行第二氧等離子體處理工藝，以移除殘留的該圖案化光致抗蝕劑層。
2.如權(quán)利要求1所述的硬掩模層的制造方法，其中該第一氧等離子體處理工藝是臨場進(jìn)行的。
3.如權(quán)利要求1所述的硬掩模層的制造方法，其中該第一氧等離子體處理工藝的反應(yīng)室的氣體壓力是80～120毫托。
4.如權(quán)利要求1所述的硬掩模層的制造方法，其中該第一氧等離子體處理工藝的氧氣流量是900～1100立方厘米/每分鐘。
5.如權(quán)利要求1所述的硬掩模層的制造方法，其中該第一氧等離子體處理工藝的功率是1800～2200瓦。
6.如權(quán)利要求1所述的硬掩模層的制造方法，其中該第一氧等離子體處理工藝的時間是25～35秒。
7.如權(quán)利要求1所述的硬掩模層的制造方法，其中該掩模層的材料包括氮化硅或氧化硅。
8.如權(quán)利要求1所述的硬掩模層的制造方法，其中該第二氧等離子體處理工藝是在灰化機(jī)中進(jìn)行灰化工藝。
9.一種半導(dǎo)體元件的制造方法，包括于材料層上形成掩模層；于該掩模層上形成圖案化光致抗蝕劑層，該圖案化光致抗蝕劑層具有多個開口，該些開口暴露部分該掩模層；移除部分該掩模層，以暴露該些開口下方的部分該材料層；進(jìn)行抗蝕刻處理，以增加該掩模層的抗蝕刻性；移除該圖案化光致抗蝕劑層；以及移除部分該材料層。
10.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體元件的制造方法，其中該抗蝕刻處理是臨場進(jìn)行的。
11.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體元件的制造方法，其中該抗蝕刻處理是氧氣等離子體工藝。
12.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體元件的制造方法，其中該抗蝕刻處理的反應(yīng)室的氣體壓力是80～120毫托。
13.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體元件的制造方法，其中該抗蝕刻處理的氧氣流量是900～1100立方厘米/每分鐘。
14.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體元件的制造方法，其中該抗蝕刻處理的功率是1800～2200瓦。
15.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體元件的制造方法，其中該抗蝕刻處理的時間是25～35秒。
16.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體元件的制造方法，其中該掩模層的材料包括氮化硅或氧化硅。
17.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體元件的制造方法，其中上述的移除該圖案化光致抗蝕劑層是在灰化機(jī)中進(jìn)行灰化工藝。
18.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體元件的制造方法，其中上述的移除部分該材料層的步驟使該材料層中形成溝槽，且該溝槽形成之后還包括于該溝槽中形成介電層；以及移除該掩模層，以形成淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)。
19.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體元件的制造方法，其中該材料層為硅基底、導(dǎo)體材料、介電材料。
20.如權(quán)利要求19所述的半導(dǎo)體元件的制造方法，其中移除部分該材料層的步驟使該材料層成為柵極結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種硬掩模層的制造方法，包括于基底上形成一層掩模層；于掩模層上形成一層圖案化光致抗蝕劑層；圖案化光致抗蝕劑層具有多個開口，且這些開口暴露部分掩模層；之后，移除部分掩模層，以暴露開口底部的部分基底；進(jìn)行第一氧等離子體處理工藝，以增加掩模層的抗蝕刻性；之后，進(jìn)行第二氧等離子體處理工藝，以移除殘留的圖案化光致抗蝕劑層。
文檔編號G03F7/42GK101064245SQ20061007488
公開日2007年10月31日 申請日期2006年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月25日
發(fā)明者陳志銘, 陳英村, 黃德浩, 邱達(dá)燕, 劉慶冀 申請人:力晶半導(dǎo)體股份有限公司