本發(fā)明涉及一種形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，且特別是涉及一種利用間隙壁自對準(zhǔn)四重圖案法(spacer self-aligned quartic-patterning,SAQP)轉(zhuǎn)移圖案以形成鰭狀結(jié)構(gòu)的方法。

背景技術(shù)：

隨著場效晶體管(field effect transistors,FETs)元件尺寸持續(xù)地縮小，現(xiàn)有平面式(planar)場效晶體管元件的發(fā)展已面臨制作工藝上的極限。為了克服制作工藝限制，以非平面(non-planar)的場效晶體管元件，例如鰭狀場效晶體管(fin field effect transistor,Fin FET)元件來取代平面晶體管元件已成為目前的主流發(fā)展趨勢。由于鰭狀場效晶體管元件的立體結(jié)構(gòu)可增加?xùn)艠O與鰭狀結(jié)構(gòu)的接觸面積，因此，可進(jìn)一步增加?xùn)艠O對于載流子通道區(qū)域的控制，從而降低小尺寸元件面臨的漏極引發(fā)能帶降低(drain induced barrier lowering,DIBL)效應(yīng)，并可以抑制短通道效應(yīng)(short channel effect,SCE)。

鰭狀場效晶體管元件是將柵極形成于基底的一鰭狀結(jié)構(gòu)上，而該鰭狀結(jié)構(gòu)一般為蝕刻基底所形成的互相平行的條狀結(jié)構(gòu)。然而，在尺寸微縮的要求下，各鰭狀結(jié)構(gòu)的寬度漸窄且各鰭狀結(jié)構(gòu)之間的間距縮小，并且在各種制作工藝參數(shù)限制以及物理極限的考慮下，如何能形成符合尺寸微縮要求的鰭狀結(jié)構(gòu)已為現(xiàn)今半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的一大課題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一目的在于提供一種形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，其是形成包含有多個襯墊層的布局，選擇地移除部分的襯墊層，再進(jìn)一步將該布局轉(zhuǎn)移至下方目標(biāo)層中，以形成鰭狀結(jié)構(gòu)。由此，可形成精密的鰭狀結(jié)構(gòu)布局，并能使布局相對密集且具寬度均勻的鰭狀結(jié)構(gòu)。

為達(dá)上述目的，本發(fā)明的一實(shí)施例提供一種形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，其包含以下步驟。首先，在一目標(biāo)層上形成多個軸心體。接著，在該些軸心體 的兩側(cè)形成緊鄰該些軸心體的多個第一襯墊層。之后，在該些第一襯墊層的兩側(cè)形成緊鄰該些第一襯墊層的多個第二襯墊層。并且，在該些第二襯墊層的兩側(cè)形成緊鄰該些第二襯墊層的多個第三襯墊層。后續(xù)，同時移除該些軸心體以及該些第二襯墊層。

本發(fā)明的形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，是通過形成具有矩形狀圖案的襯墊層，再利用該些襯墊層與軸心體之間的蝕刻選擇比，移除該軸心體與部分的襯墊層，并通過剩余的襯墊層作為蝕刻掩模來形成鰭狀結(jié)構(gòu)。由此，本發(fā)明可更有利于形成尺寸或間距較小的鰭狀結(jié)構(gòu)，來構(gòu)成精密的鰭狀結(jié)構(gòu)布局。

附圖說明

圖1至圖4為本發(fā)明第一實(shí)施例中形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法的步驟剖面示意圖；

圖5至圖8為本發(fā)明第二實(shí)施例中形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法的步驟剖面示意圖；

圖9至圖10為本發(fā)明第三實(shí)施例中形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法的步驟剖面示意圖；

圖11至圖13為本發(fā)明其他實(shí)施例中形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法的步驟剖面示意圖。

主要元件符號說明

300 半導(dǎo)體層

301 掩模層

302、303、305、306、307、308 軸心體

311 第一間隙壁

312、315 第一襯墊層

313 第一材料層

321 第二間隙壁

322、325、327 第二襯墊層

323 第二材料層

331 第三間隙壁

332、335、337 第三襯墊層

333 第三材料層

P1、2、P3、P4 間距

具體實(shí)施方式

為使熟悉本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的一般技術(shù)者能更進(jìn)一步了解本發(fā)明，下文特列舉本發(fā)明的數(shù)個優(yōu)選實(shí)施例，并配合所附的附圖，詳細(xì)說明本發(fā)明的構(gòu)成內(nèi)容及所欲達(dá)成的功效。

請參照圖1至圖4，所繪示者為本發(fā)明第一實(shí)施例中形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法的步驟示意圖。首先，提供一目標(biāo)層，其可以是如圖1所示的一半導(dǎo)體層300，例如是一硅層(silicon layer)、一外延硅層(epitaxial silicon layer)、硅鍺半導(dǎo)體層(silicon germanium layer)、碳化硅層(silicon carbide layer)或硅覆絕緣(silicon on insulation,SOI)層，但不以此為限。在另一實(shí)施例中，該目標(biāo)層也可選擇是一導(dǎo)電層，例如是一鋁層(aluminum layer,Al layer)、銅層(copper layer,Cu layer)或鎢層(tungsten layer,W layer)；或是一非導(dǎo)電層，如介電層(dielectric layer)等，但不以此為限。

接著，如圖1所示，在半導(dǎo)體層300(即目標(biāo)層)上形成多個圖案化的軸心體(mandrel)303。在本實(shí)施例中，軸心體303的制作工藝可整合一般現(xiàn)有的半導(dǎo)體制作工藝，例如可進(jìn)行一標(biāo)準(zhǔn)柵極制作工藝，以在半導(dǎo)體層300上形成多個柵極圖案作為該些軸心體303。由此，軸心體303的材質(zhì)可包含多晶硅(polysilicon)，或是其他與下方半導(dǎo)體層300或掩模層等具蝕刻選擇比的合適材料，如氧化硅、氮化硅等。然而，本領(lǐng)域的通常知識者應(yīng)了解，軸心體303的形成方式并不限于前述的制作工藝，也可能包含其他步驟。

具體來說，各軸心體303之間優(yōu)選是相互分隔，使任兩相鄰的軸心體303間具有一間距(pitch)P1，其中，間距P1至少大于軸心體303的寬度，但不以此為限。此外，在一實(shí)施例中，在形成軸心體303之前，還可先在半導(dǎo)體層300上選擇性地形成具有單層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)的一掩模層301，如圖1所示。掩模層301例如是包含氧化硅(silicon oxide)、氮化硅(silicon nitride)或氮氧化硅(silicon oxynitride)等，但不以此為限。而在另一實(shí)施例中，還可依據(jù)實(shí)際元件需求先選擇性進(jìn)行一蝕刻制作工藝，移除各軸心體303的一部分，形成具有較小寬度的軸心體(未繪示)，但并不以此為限。

然后，如圖2所示依序形成環(huán)繞各軸心體303的多個第一間隙壁311、多個第二間隙壁321及多個第三間隙壁331。該些間隙壁311、321、331的 形成方式例如是先全面性地在半導(dǎo)體層300上形成一第一側(cè)壁材料層(未繪示)，覆蓋各軸心體303，并且進(jìn)行一回蝕刻制作工藝，移除一部分的該第一側(cè)壁材料層，暴露出部分的掩模層301或是部分的半導(dǎo)體層300(省略掩模層301時)，以形成緊鄰各軸心體303的第一間隙壁311。后續(xù)，則可選擇重復(fù)進(jìn)行前述步驟，依序形成環(huán)繞第一間隙壁311的多個第二間隙壁321以及多個第三間隙壁331。

需特別說明的是，因等向蝕刻的關(guān)系，在蝕刻第一側(cè)壁材料層、第二側(cè)壁材料層及第三側(cè)壁材料層的垂直部位時，僅會略移除掉其尖角部位，而形成如圖2所示具有一圓弧側(cè)壁的第一間隙壁311、第二間隙壁321以及第三間隙壁331。此外，第一間隙壁311、第二間隙壁321以及第三間隙壁331優(yōu)選是由與軸心體303具有蝕刻選擇比的材料制成，并且第一間隙壁311與第二間隙壁321，以及第二間隙壁321與第三間隙壁331之間優(yōu)選也具有蝕刻選擇比。舉例來說，第一間隙壁311與第三間隙壁331可選擇都包含一氧化物，如氧化硅，軸心體303及第二間隙壁321則可選擇都包含一氮化物，如氮化硅等。由此，即可利用其蝕刻選擇比的差異，在后續(xù)制作工藝中選擇同時移除軸心體303及第二間隙壁321，或者是同時移除第一間隙壁311與第三間隙壁331，但不以此為限。

或者，在一實(shí)施例中，可選擇使第一間隙壁311、第二間隙壁321、第三間隙壁331及軸心體303具有相同或不同的厚度。舉例來說，第二間隙壁321可具有近似于各軸心體303厚度的一厚度，并且使第一間隙壁311及第三間隙壁331具有相對較小的厚度，如圖2所示。由此，在后續(xù)制作工藝中選擇同時移除軸心體303及第二間隙壁321的實(shí)施例中，即可使保留下的各第一間隙壁311及各第三間隙壁331間具有相同的間距，例如是如圖4所示。然而，該些間隙壁311、321、331的形成方式及特征并不以前述為限，在其他實(shí)施例中，也可選擇由其他制作工藝形成，例如是整合前述的柵極制作工藝，或者是選擇包含其他材質(zhì)。

后續(xù)，進(jìn)行一平坦化制作工藝，例如是一化學(xué)機(jī)械拋光(chemical mechanical polish,CMP)制作工藝、回蝕刻(etching back)制作工藝或兩者的組合，移除第三間隙壁331、第二間隙壁321、第一間隙壁311以及軸心體303中較呈圓弧狀的上半部，形成如圖3所示的第三襯墊層332、第二襯墊層322、第一襯墊層312以及軸心體302。該平坦化制作工藝?yán)缡窍刃? 成一平坦層(未繪示)，全面覆蓋第三間隙壁331、第二間隙壁321、第一間隙壁311以及軸心體303，利用化學(xué)機(jī)械拋光制作工藝移除一部分的第三間隙壁331、一部分的第二間隙壁321、一部分的第一間隙壁311以及一部分的軸心體303，最后再完全地移除剩余的該平坦層。也就是說，僅保留第三間隙壁331、第二間隙壁321、第一間隙壁311以及軸心體303中較呈矩形狀的下半部作為第三襯墊層332、第二襯墊層322、第一襯墊層312以及軸心體302，并在后續(xù)制作工藝中，將該些襯墊層312、322、332及軸心體302作為掩模層來蝕刻下方的半導(dǎo)體層300。

之后，則可如圖4所示，利用該些襯墊層332、322、312以及軸心體302之間蝕刻選擇比的差異，選擇性地移除第二襯墊層322以及軸心體302。也就是說，僅利用第三襯墊層332以及第一襯墊層312作為蝕刻掩模來進(jìn)行后續(xù)的圖案轉(zhuǎn)移制作工藝，進(jìn)而在半導(dǎo)體層300中形成一鰭狀結(jié)構(gòu)(未繪示)。例如，進(jìn)行至少一干蝕刻、濕蝕刻或依序進(jìn)行干蝕刻及濕蝕刻制作工藝等，將第三襯墊層332及第一襯墊層312的圖案直接轉(zhuǎn)移至下方的半導(dǎo)體層300中，形成跟第三襯墊層332及第一襯墊層312具有相同布局圖案的鰭狀結(jié)構(gòu)。或者，當(dāng)形成有掩模層301時也可選擇先將圖案轉(zhuǎn)移至下方的掩模層301，隨后則移除第三襯墊層332及第一襯墊層312，再利用圖案化后的掩模層301為蝕刻掩模來形成該鰭狀結(jié)構(gòu)。在一實(shí)施例中，還可另進(jìn)行一鰭狀結(jié)構(gòu)切割(fin-cut)制作工藝，去除一部分的第三襯墊層332及第一襯墊層312、一部分的掩模層301或一部分的半導(dǎo)體層300，形成后續(xù)制作工藝中所需的鰭狀結(jié)構(gòu)布局，但并不以此為限。

由此，即完成本發(fā)明第一實(shí)施例中形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法。在本實(shí)施例中，是先形成具有圓弧側(cè)壁的多個間隙壁來環(huán)繞各軸心體，再通過平坦化制作工藝移除該些間隙壁的一部分，以形成彼此鄰接且大體上呈現(xiàn)矩形狀的多個襯墊層與軸心體。之后，可利用該些襯墊層與軸心體之間的蝕刻選擇比，移除該軸心體與部分的襯墊層，并通過剩余襯墊層的圖案直接形成鰭狀結(jié)構(gòu)。由此，可形成布局相對密集且寬度均勻的鰭狀結(jié)構(gòu)，并且各鰭狀結(jié)構(gòu)的寬度與間距可達(dá)到例如10納米甚至更小，進(jìn)而能形成更精密的鰭狀結(jié)構(gòu)布局。在本實(shí)施例中，該鰭狀結(jié)構(gòu)因是形成于包含半導(dǎo)體層的目標(biāo)層內(nèi)，而可進(jìn)一步用于形成一非平面的場效晶體管元件，但不以此為限。然而，在目標(biāo)層包含導(dǎo)電層或是導(dǎo)電層的其他實(shí)施例中，該鰭狀結(jié)構(gòu)也可用于形成導(dǎo)線或 插塞結(jié)構(gòu)等。

此外，本領(lǐng)域者應(yīng)可輕易了解，本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)也可能以其他方式形成，并不限于前述的制作步驟。因此，下文將進(jìn)一步針對本發(fā)明半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成方法的其他實(shí)施例或變化型進(jìn)行說明。且為簡化說明，以下說明主要針對各實(shí)施例不同之處進(jìn)行詳述，而不再對相同之處作重復(fù)贅述。此外，本發(fā)明的各實(shí)施例中相同的元件是以相同的標(biāo)號進(jìn)行標(biāo)示，以利于各實(shí)施例間互相對照。

請參照圖5至圖8所示，其繪示本發(fā)明第二實(shí)施例中形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法的步驟示意圖。本實(shí)施例的形成方法大體上和前述第一實(shí)施例相同，其差異處在于本實(shí)施例是直接形成包含有多個矩形狀襯墊層的布局，再通過轉(zhuǎn)移該布局來形成該鰭狀結(jié)構(gòu)。

如圖5所示，本實(shí)施例是先選擇性進(jìn)行一蝕刻制作工藝，形成具有較小寬度的軸心體305。接著，形成環(huán)繞各軸心體305的多個第一襯墊層315。具體來說，第一襯墊層315的形成方式例如是先全面性地在半導(dǎo)體層300上形成一第一材料層313，覆蓋各軸心體305。隨后，進(jìn)行一平坦化制作工藝，例如是化學(xué)機(jī)械拋光制作工藝、回蝕刻制作工藝或是兩者的組合，移除一部分的第一材料層313，暴露出部分的掩模層301以及軸心體305的頂面，形成具有矩形狀圖案的第一襯墊層315，如圖6所示。

舉例來說，在一實(shí)施例中，可先選擇進(jìn)行一回蝕刻制作工藝，移除位于各軸心體305頂面以及掩模層301上的第一材料層313。此時，第一材料層313緊鄰各軸心體305的垂直部位會同時被蝕刻而其頂部略呈現(xiàn)圓弧狀(未繪示)。之后，繼續(xù)進(jìn)行一化學(xué)機(jī)械拋光制作工藝，移除第一材料層313中呈現(xiàn)圓弧狀的該頂部(未繪示)，進(jìn)而形成具有規(guī)則性狀的第一襯墊層315。然而，第一襯墊層315形成方法并不以前述為限，也可選擇包含其他步驟，其應(yīng)為本領(lǐng)域者所熟知，容不再贅述。

后續(xù)，則可選擇重復(fù)進(jìn)行前述步驟，分別形成環(huán)繞各第一襯墊層315并都呈矩形狀的多個第二襯墊層325以及多個第三襯墊層335，如圖7所示。值得特別說明的是，該些襯墊層315、312、335優(yōu)選是由與軸心體305具有蝕刻選擇比的材料制成。舉例來說，第一襯墊層315及第三襯墊層335例如是包含氧化物，如氧化硅；第二襯墊層325及軸心體則可包含氮化物，如氮化硅，但不以此為限。在另一實(shí)施例中，該些襯墊層312、335也可選擇由 其他制作工藝形成，或包含其他材質(zhì)。

而后，則可如圖8所示，利用該些襯墊層315、325、335以及軸心體305之間蝕刻選擇比的差異，同時移除第二襯墊層325以及軸心體305。也就是說，僅利用第三襯墊層335以及第一襯墊層315作為蝕刻掩模來進(jìn)行圖案轉(zhuǎn)移制作工藝，以進(jìn)而在半導(dǎo)體層300中形成一鰭狀結(jié)構(gòu)(未繪示)。例如，進(jìn)行至少一干蝕刻、濕蝕刻或依序進(jìn)行干蝕刻及濕蝕刻制作工藝等，將第一襯墊層315及第三襯墊層335的圖案直接轉(zhuǎn)移至下方的半導(dǎo)體層300中，形成跟第一襯墊層315及第三襯墊層335具有相同布局圖案的鰭狀結(jié)構(gòu)?；蛘?，當(dāng)形成有掩模層301時，也可選擇先將圖案轉(zhuǎn)移至下方的掩模層301，隨后則移除第一襯墊層315及第三襯墊層335。之后，則可利用圖案化的掩模層301(未繪示)為蝕刻掩模來形成該鰭狀結(jié)構(gòu)，但并不以此為限。在一實(shí)施例中，還可另進(jìn)行一鰭狀結(jié)構(gòu)切割(fin-cut)制作工藝，去除一部分的第一襯墊層315及第三襯墊層335、一部分的掩模層301或一部分的半導(dǎo)體層300，形成后續(xù)制作工藝中所需的鰭狀結(jié)構(gòu)布局，但并不以此為限。

由此，即完成本發(fā)明第二實(shí)施例中形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法。在本實(shí)施例中，是直接形成具有矩形狀圖案的襯墊層，再利用該些襯墊層與軸心體之間的蝕刻選擇比，移除該軸心體與部分的襯墊層，并通過剩余的襯墊層作為蝕刻掩模來形成鰭狀結(jié)構(gòu)。由此，相較于前述實(shí)施例，本實(shí)施例可形成具有規(guī)則圖案的蝕刻掩模，更有利于形成尺寸或間距較小的鰭狀結(jié)構(gòu)，以形成精密的鰭狀結(jié)構(gòu)布局。此外，本領(lǐng)域者應(yīng)可輕易了解，該些襯墊層的形成方法并不限于前述的制作步驟，也可能以其他方式形成。

請參照圖9及圖10所示，其繪示本發(fā)明第三實(shí)施例中形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法的步驟示意圖。本實(shí)施例的形成方法大體上和前述第二實(shí)施例相同，其差異處在于本實(shí)施例的同時進(jìn)行第二材料層323及第三材料層333的平坦化制作工藝。也就是說，在形成如圖6所示第一襯墊層315后，依序形成全面覆蓋半導(dǎo)體層300的第二材料層323以及第三材料層333。而后，即可如前所述進(jìn)行一平坦化制作工藝，例如是一化學(xué)機(jī)械拋光制作工藝、回蝕刻制作工藝或是兩者的組合，同時移除一部分的第二材料層323以及一部分的第三材料層333，以暴露出部分的掩模層301以及軸心體305的頂面。

值得注意的是，在本實(shí)施例的第二材料層323及第三材料層333是彼此相互堆疊，因此，第三材料層333的垂直部分會直接位于第二材料層323的 一部分之上，如圖9所示。在此情況下，當(dāng)后續(xù)進(jìn)行該平坦化制作工藝時，該部分的第二材料層323會受到第三材料層333遮蔽而不會被蝕刻，因而可形成呈現(xiàn)「L」型的第二襯墊層(未繪示)以及呈矩形狀的第三襯墊層337。并且，第三襯墊層337會位于該第二襯墊層「L」型狀的水平部分上(未繪示)，而不直接接觸下方的掩模層301或半導(dǎo)體層300。

后續(xù)，當(dāng)選擇移除該第二襯墊層以及軸心體305時，位于第三襯墊層337下方的該第二襯墊層同樣會受到第三襯墊層337的遮蔽，而無法被移除，因而可在第三襯墊層337下方形成如圖10所示的第二襯墊層327。也就是說，第三襯墊層337是位于第二襯墊層327之上，而不直接接觸下方的掩模層301或半導(dǎo)體層300。因此，在本實(shí)施例中，是通過轉(zhuǎn)移第一襯墊層315、第二襯墊層327及第三襯墊層337的圖案，而于半導(dǎo)體層300中形成鰭狀結(jié)構(gòu)(未繪示)。除前述差異外，本實(shí)施例各元件的詳細(xì)組成及形成方法都可比照前述第二實(shí)施例，在此不另加贅述。

此外，前述實(shí)施例雖都是以形成具有相同間距P1及相同寬度的軸心體305、303為實(shí)施樣態(tài)進(jìn)行說明，但本領(lǐng)域通常知識者應(yīng)可了解本發(fā)明并不限于此，在其他實(shí)施例中，也可選擇形成具有不同間距或是不同寬度的軸心體，或者也可選擇形成具有不同寬度的襯墊層，以依據(jù)實(shí)際元件需求形成具有更多元化的鰭狀結(jié)構(gòu)布局。

舉例來說，請參照圖11至圖13所示，形成具有不同間距P1、P2、P3、P4的軸心體306、307、308，其中，間距P2、P3、P4都小于間距P1，且間距P1、P2、P3、P4至少都大于軸心體306、307、308的寬度，但不以此為限。后續(xù)，則可如前述制作工藝，依序形成環(huán)繞軸心體306、307、308的第一襯墊層315、第二襯墊層325以及第三襯墊層335。

值得說明的是，在一實(shí)施例中，因間距P2小于間距P1，因此，在形成第一襯墊層315時，分別環(huán)繞兩相鄰軸心體306的第一襯墊層315會相互合并，形成如圖11所示的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。也就是說，因兩相鄰軸心體306的間距P2較小，在形成環(huán)繞軸心體306的第一襯墊層315后，會使得兩相鄰的第一襯墊層315沒有任何的空隙，而形成寬度較大的第一襯墊層315a，如圖11所示。據(jù)此，在后續(xù)制作工藝中，當(dāng)?shù)诙r墊層325以及軸心體306被移除之后，即可利用第一襯墊層315、315a以及第三襯墊層335作為蝕刻掩模來形成具有不同尺寸的鰭狀結(jié)構(gòu)(未繪示)。

或者，在其他實(shí)施例中，形成具有其他間距P3、P4小于間距P1的軸心體307、308。由此，在形成第二襯墊層325或第三襯墊層335時，分別環(huán)繞兩相鄰軸心體307的第二襯墊層325或第三襯墊層335會相互合并，形成如圖12或圖13所示的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。也就是說，因兩相鄰軸心體307、308的間距P3、P4較小，在形成環(huán)繞各軸心體307的第二襯墊層325或第三襯墊層335后，會使得兩相鄰的第二襯墊層325或第三襯墊層335之間沒有任何的空隙，而形成寬度較大的第二襯墊層325a或第三襯墊層335a，如圖12或圖13所示。在后續(xù)制作工藝中，當(dāng)?shù)诙r墊層325、325a以及軸心體307、308被移除之后，即可利用第一襯墊層315以及第三襯墊層335、335a作為蝕刻掩模來形成具有不同間距或不同尺寸的鰭狀結(jié)構(gòu)(未繪示)。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，凡依本發(fā)明權(quán)利要求所做的均等變化與修飾，都應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。