半导体装置的形成方法与流程

本公开实施例涉及一种半导体装置的形成方法，且特别涉及一种平坦化薄膜的方法。

背景技术：

半导体集成电路产业经历快速成长。集成电路设计与材料的科技发展生产了数世代的集成电路，其中每个世代具备比上个世代更小及更复杂的电路。在集成电路发展的进程中，功能密度(即每一芯片面积上的内连线元件数目)逐渐增加，而几何尺寸(即最小可由制造过程创造的零件(或线))则缩小。

通常上述尺寸缩小的工艺可通过增加生产效率及降低相关成本而提供效益，但尺寸的微缩化亦增加了集成电路工艺及制造的困难度。为了实现这些进展，需要在集成电路工艺及制造上有同样的发展。虽然现有的制造集成电路元件的方法对于原目的来说已经足够，其并非在各个面向皆令人满意。举例来说，平坦化膜层(planarizingafilmlayer)仍需被改善。

技术实现要素：

一种半导体装置的形成方法，包括:形成可流动材料(flowable-material,fm)层于基板之上，基板具第一区域及第二区域，其中第一区域中可流动材料层的顶表面高于第二区域中可流动材料层的顶表面；形成多个沟槽于第一区域中可流动材料层；以及执行退火工艺以回流可流动材料层，其中多个沟槽被可流动材料层填充。

附图说明

以下将配合所附附图详述本公开实施例。应注意的是，依据在业界的标准做法，各种特征并未按照比例绘制且仅用以说明例示。事实上，可能任意地放大或缩小元件的尺寸，以清楚地表现出本公开实施例的特征。

图1根据一些实施例绘示出制造一半导体元件的范例方法的流程图。

图2、图3、图4a、图4b、图5a、图5b、图5c、图5d、图6a、及图6b根据一些实施例绘示出一范例半导体元件的剖面图。

附图标记说明：

100～方法

102、104、106、108～步骤

200～元件

210～基板

212～第一区域

214～第二区域

220～特征

310～可流动材料层、光致抗蚀剂层

410～光源

420～辐射束、光束

430～光掩模

435～开口

440～光致抗蚀剂层

445～光致抗蚀剂开口

510～沟槽

hd1、hd2～高度差

具体实施方式

以下公开许多不同的实施方法或是例子来实行本公开实施例的不同特征，以下描述具体的元件及其排列的实施例以阐述本公开实施例。当然这些实施例仅用以例示，且不该以此限定本公开实施例的范围。例如，在说明书中提到第一特征形成于第二特征之上，其包括第一特征与第二特征是直接接触的实施例，另外也包括于第一特征与第二特征之间另外有其他特征的实施例，亦即，第一特征与第二特征并非直接接触。此外，在不同实施例中可能使用重复的标号或标示，这些重复仅为了简单清楚地叙述本公开实施例，不代表所讨论的不同实施例及/或结构之间有特定的关系。

此外，其中可能用到与空间相关用词，例如“在…下方”、“下方”、“较低的”、“上方”、“较高的”及类似的用词，这些空间相关用词是为了便于描述图示中一个(些)元件或特征与另一个(些)元件或特征之间的关系，这些空间相关用词包括使用中或操作中的装置的不同方位，以及附图中所描述的方位。当装置被转向不同方位时(旋转90度或其他方位)，则其中所使用的空间相关形容词也将依转向后的方位来解释。

根据一些实施例，图1为方法100制造单一或多个半导体元件的流程图。方法100于后详述，参照如图2、图3、图4a、图4b、图5a、图5b、图5c、图5d、图6a、及图6b所示的半导体元件200。

如图1及图2所示，方法100始于步骤102，提供基板210，其具多个特征220突出于基板210上。基板210包括硅(silicon)。基板210可替换或附加包括其他元素半导体，如锗(germanium)。基板210亦可包括化合物半导体，如：碳化硅(siliconcarbide)、砷化镓(galliumarsenic)、砷化铟(indiumarsenide)、及磷化铟(indiumphosphide)。基板210可包括合金半导体，如：硅锗(silicongermanium)、碳硅锗(silicongermaniumcarbide)、砷磷化镓(galliumarsenicphosphide)、铟磷化镓(galliumindiumphosphide)。在一实施例中，基板210包括外延(epitaxial)层。例如，基板210可具一外延层覆盖于体半导体(bulksemiconductor)上。此外，基板210可包括绝缘层覆半导体(semiconductor-on-insulator,soi)结构。例如，基板210可包括如以注氧隔离(separationbyimplantedoxygen,simox)工艺或其他合适技术，例如晶片接合及研磨，形成的埋氧(buriedoxide,box)层。

基板210亦可包括各种p型掺杂区域及/或n型掺杂区域，以例如离子注入及/或扩散的工艺形成。此掺杂区域包括：n型井区(n-well)、p型井区(p-well)、轻掺杂区(lightdopedregion,ldd)、及各种通道掺杂轮廓(channeldopingprofile)被配置以形成各种集成电路元件，例如互补式金属氧化物半导体晶体管(complementarymetal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor,cmosfet)、影像感测器、及/或发光二极管(lightemittingdiode,led)。基板210更可包括其他功能元件，例如电阻或电容形成于基板中或上。

基板210亦可包括各种隔离区域。隔离区域分隔基板210中各种元件区域。隔离区域包括以不同工艺技术形成的不同结构。举例来说，隔离区域可包括浅沟槽绝缘(shallowtrenchisolation,sti)区域。形成浅沟槽绝缘可包括蚀刻一沟槽于基板210中，并以绝缘材料，例如：氧化硅(siliconoxide)、氮化硅(siliconnitride)、及/或氮氧化硅(siliconoxynitride)填充此沟槽。被填充的沟槽可具多层结构，例如热氧化衬层(thermaloxideliner)及氮化硅填充于沟槽。可执行化学机械研磨(chemicalmechanicalpolishing,cmp)以研磨掉多余的绝缘材料，及平坦化隔离元件的上表面。

基板210亦可包括多层层间介电(inter-leveldielectric,ild)层，例如：氧化硅(siliconoxide)、氮化硅(siliconnitride)、氮氧化硅(siliconoxynitride)、低介电常数(low-k)介电质、碳化硅(siliconcarbide)、及/或其他合适膜层。层间介电层可由热氧化化学气相沉积(chemicalvapordeposition,cvd)、原子层沉积工艺(atomiclayerdeposition，ald)、物理气相沉积工艺(physicalvapordeposition，pvd)、热氧化、或前述的组合、或其它合适技术沉积。

特征220可包括以介电层及电极层形成的栅极堆叠(gatestack)。介电层可包括界面层(interfaciallayer,il)及高介电常数(high-k,hk)介电层，以合适技术沉积，例如：化学气相沉积(chemicalvapordeposition,cvd)、原子层沉积工艺(atomiclayerdeposition，ald)、物理气相沉积工艺(physicalvapordeposition，pvd)、热氧化、或前述的组合、或其余合适技术。界面层可包括：氧化物、硅氧化铪(hfsio)、及氮氧化物(oxynitrides)。高介电常数介电层可包括：氧化镧(lao)、氧化铝(alo)、氧化锆(zro)、氧化钛(tio)、五氧化二钽(ta2o5)、氧化钇(y2o3)、钛酸锶(srtio3；sto)、钛酸钡(batio3；bto)、锆氧化钡(bazro)、锆氧化铪(hfzro)、镧氧化铪(hflao)、硅氧化铪(hfsio)、硅氧化镧(lasio)、硅氧化铝(alsio)、钽氧化铪(hftao)、钛氧化铪(hftio)、钛酸锶钡((ba,sr)tio3,bst)、氧化铝(al2o3)、氮化硅(si3n4)、氮氧化硅(siliconoxynitride)，及/或其他合适材料。电极层可包括单层或替换为多层结构，例如各种具功函数以增强元件效能的金属层组合(功函数金属层、衬层、湿润层、附着层、金属导电层、金属合金、或金属硅化物)。金属栅极(metalgate,mg)电极可包括：钛(ti)、银(ag)、铝(al)、铝氮化钛(tialn)、碳化钽(tac)、碳氮化钽(tacn)、硅氮化钽(tasin)、锰(mn)、锆(zr)、氮化钛(tin)、氮化钽(tan)、钌(ru)、钼(mo)、氮化钨(wn)、铜(cu)、钨(w)、任意合适材料及/或前述的组合。

特征220亦可包括源极/漏极(source/drain,s/d)特征，包含：锗(ge)、硅(si)、砷化镓(gaas)、镓砷化铝(algaas)、硅锗(sige)、砷磷化镓(gaasp)、锑化镓(gasb)、锑化铟(insb)、镓砷化铟(ingaas)、砷化铟(inas)、或其他合适材料。源极/漏极特征220可由外延成长工艺形成，例如化学气相沉积技术(例如：气相外延(vapor-phaseepitaxy,vpe)及/或超高真空化学气相沉积(ultra-highvacuumcvd,uhv-cvd))、分子束外延(molecularbeamepitaxy)、及/或其他合适工艺。

特征220亦可包括导电特征，其与基板210中的层间介电层整合以形成内连线结构，以耦合各种p型及n型掺杂区域，及其他功能性特征(如：栅极电极)，以得到功能性集成电路。在一例子中，特征220可包括内连线结构的一部分，该内连线结构包括多层内连线(multi-layerinterconnect,mli)结构，于基板210之上的层间介电层与多层内连线结构整合，提供电子路由(routing)以耦合基板210中的各种元件至输入/输出电源及信号。内连线结构包括：各种金属线、接点(contact)、及导孔(via)特征(或导孔插塞(plug))。金属线提供水平电子路由。接点提供于硅基板和金属线之间的垂直连接，导孔特征提供不同金属层的金属线之间的垂直连接。

在本实施例中，基板210具第一区域212及第二区域214。在第一区域212中，特征220总面积与基板210总面积的第一面积比a1大体上不同于在第二区域214中，特征220总面积与基板210总面积的第二面积比a2。在本实施例中，第一面积比a1大于第二面积比a2。第一面积比a1随不同的第一区域212而改变，第二面积比a2随不同的第二区域214而改变。在一实施例中，第一面积比a1比第二面积比a2大了30％。在一例子中，第一面积比a1于一个第一区域212为约40％，于另一个第一区域212为约100％，而第二面积比a2为零(或无特征220形成于第二区域214中)。

如图1及图3所示，方法100进行至步骤104，形成可流动材料(flowable-material,fm)层310于基板210之上，包括特征220之上。可流动材料层310中包括一具流动本质的材料，填充于每一特征220之间的空间。可流动材料层310可包括：光致抗蚀剂、聚酰亚胺(polyimide)、旋涂式玻璃(spin-on-glass,sog)、旋涂式聚合物(spin-on-polymer,sop)、或前述的组合、及/或其他合适材料。在一些实施例中，可流动材料层310不同于多个特征220及基板210，以于后续蚀刻实现蚀刻选择性。在一实施例中，可流动材料层310包括光致抗蚀剂层。可流动材料层310可由旋转涂布(spin-oncoating)、化学气相沉积、及/或其他合适技术形成。通常可流动材料层的形成工艺为经常使用于元件制造中，单纯的低成本沉积工艺(如：旋转涂布)。

一般而言，可流动材料层310沉积后的表面形貌受下方材料层的表面形貌所影响(或作用)。在本实施例中，由于第一面积比a1与第二面积比a2不同，通常可流动材料层310在形成于基板210上特征220之上时表面形貌不平坦(或表面形貌凹凸不平)。如此一来，可流动材料层310于第一区域212的上表面比于第二区域214高。有时可称之为涂层负载效应(coatingloadingeffect)。第一高度差hd1定义为可流动材料层310于第一区域212表面的最高点与可流动材料层310于第二区域214的最低点的高度差。可流动材料层310凹凸不平的表面形貌可导致后续工艺中负面的影响，例如于微影工艺中景深(depth-of-field)不佳、蚀刻工艺中形成纤梁(stringer)、沉积工艺中阶梯覆盖(step-coverage)不佳，而所有这些负面影响最终可能会降低元件200的良率。本公开实施例提供一种用以降低hd1及改善可流动材料层310的平坦度的方法。

如图1、图4a及图4b所示，方法100进行至步骤106，形成多个沟槽510于可流动材料层310中。在本实施例中，如图4a所示，可流动材料层310为光致抗蚀剂层，通过光掩模(photomask)(掩模(mask)或倍缩光掩模(reticle))430暴露于来自光源410的辐射束420。光源410可为各种光源，包括深紫外光(deepultra-violet,duv)光源。在一例中，光源410可为极紫外光(extremeultraviolet,euv)光源。在一些例子中，其他光源410，如：电子束(electronbeam,e-beam)描写。或者，曝光工艺可利用其他辐射束，例如：离子束、x射线、及其他适当的曝光能源。此外，在曝光工艺前，执行预烘烤光致抗蚀剂层310以固化并干燥光致抗蚀剂层310。

光掩模430具多个开口435。光掩模430乃根据各别的第一面积比a1及第二面积比a2来设计，以使得开口435的宽度随不同的开口而改变，亦随不同的区域而改变。此外，开口435的总数目可随不同的区域而改变。换言之，开口435的总数目随不同的区域可不同。

在本实施例中，光掩模430于第一区域212中具多个开口435，但在第二区域214中无开口。于曝光时，光束420通过开口435抵达可流动材料层310，亦改变露出的光致抗蚀剂层310的溶解度，例如：当光致抗蚀剂层310为正型光致抗蚀剂剂(positivetonephotoresist)时，溶解度增加。此外，光致抗蚀剂层310可经受曝光后烘烤(post-exposurebake,peb)。之后，显影(developing)溶液可用以移除光致抗蚀剂层310露出的部分，以形成多个沟槽510。如此，可形成多个沟槽510，且其随着不同的第一区域212而具各种宽度及各种总数目。部分特征220可于各别沟槽510中露出。

如图5a、图5b、图5c及图5d所示，在可流动材料层310并非光致抗蚀剂层的情况下，如图5a所示，光致抗蚀剂层440以旋转涂布形成于可流动材料层310之上。如图5b所示，光致抗蚀剂层440通过具多个开口435的光掩模(掩模或倍缩光掩模)430，暴露于来自光源410的辐射束420。如图5c所示，光致抗蚀剂层440以显影溶液显影，移除露出的光致抗蚀剂层440，以形成光致抗蚀剂开口445。如图5d所示，接着通过光致抗蚀剂开口445蚀刻可流动材料层310，以形成沟槽510。如前所述，挑选蚀刻工艺以选择性蚀刻可流动材料层310，但不蚀刻所露出的特征220及基板210。如此一来，特征220的一部分可能露出于各别沟槽510中。蚀刻工艺可包括选择性湿蚀刻、选择性干蚀刻、及/或前述的组合。举例来说，选择性湿蚀刻溶液可包括硝酸(hno3)、氨水(nh4oh)、氢氧化钾(koh)、氟化氢(hf)、盐酸(hcl)、氢氧化钠(naoh)、磷酸(h3po4)、四甲基氢氧化铵(tmah)、及/或其他合适的选择性湿蚀刻溶液、及/或前述的组合。此外，选择性干蚀刻工艺可使用含氯气体(例如：氯气(cl2)、氯仿(chcl3)、四氯化碳(ccl4)、三氯化硼(bcl3))、含溴气体(例如：溴化氢(hbr)及/或三溴甲烷(chbr3))、含碘气体、含氟气体(例如：四氟化碳(cf4)、六氟化硫(sf6)、二氟甲烷(ch2f2)、三氟甲烷(chf3)、及/或六氟乙烷(c2f6))、及/或其他合适气体、及/或等离子体、及/或前述的组合。形成沟槽510之后，光致抗蚀剂层440以湿式去除(wetstripping)及/或等离子体灰化(plasmaashing)移除。

如图1、图6a及图6b所示，方法100进行至步骤108，退火工艺回流余留的可流动材料层310(具沟槽510于第一区域212中)。于退火工艺中，余留的可流动材料层310回流，而使得邻近各别沟槽510的余留的可流动材料层310填充于沟槽510中，并导致第一区域212中，余留的可流动材料层310厚度降低。因此，于回流之后，余留的可流动材料层310具较平坦的表面形貌，如此使得第二高度差hd2远小于第一高度差hd1，此处定义hd2为余留的可流动材料层310在回流之后，于第一区域212的最高点与第二区域214的最低点的高度差。在一实施例中，第二高度差hd2约为第一高度差hd1的10％至60％。如前所述，通过选择光掩模430的开口435的宽度及数目，可降低hd2并达成余留的可流动材料层310平坦化。

退火工艺可包括：快速热退火(rapidthermalannealing,rta)、激光退火(laseranneal)、炉管退火(furnaceanneal)、及/或闪光灯退火(flashlampanneal)。退火工艺可在氧化环境中进行，为蒸气环境及氧气环境的组合，或于惰性气体环境下。举例来说，于温度范围约从250℃至约400℃的烘箱真空环境中，对光致抗蚀剂层310执行退火工艺。

于方法100之前，之中，之后可提供额外的步骤，在其他实施例中，前述有些步骤可替换或删除。

根据以上，本公开实施例提供方法以减少涂层负载效应，此方法使用形成多个沟槽于可流动材料层中，并回流可流动材料层以填充多个沟槽，以增加可流动材料层的平坦度。此方法亦使用调变各沟槽的宽度，及沟槽总局部数目以达成要求中可流动材料层平坦化。此方法展现一可行的、弹性的、低成本的可流动材料层平坦化方法。

当前的发明实施例提供许多制造半导体元件的不同实施例，提供一个或多个改进现有方法的方式。在一实施例中，制造半导体元件的方式包括形成可流动材料层于基板之上。该基板具第一区域及第二区域。第一区域中，可流动材料层的上表面高于第二区域中，可流动材料层的上表面。此方法亦包含形成多个沟槽于第一区域中的可流动材料层，并执行退火工艺以回流可流动材料层，其中多个沟槽被可流动材料层填充。

在另一个实施例中，一方法包括：提供一基板具有多个特征突出于该基板，并形成光致抗蚀剂层于该基板之上，包括于多个特征之上。基板第一区域光致抗蚀剂层的上表面高于基板第二区域光致抗蚀剂层的上表面。此方法亦包括形成多个沟槽于第一区域光致抗蚀剂层中，并回流该光致抗蚀剂层以填充多个沟槽。

在又另一个实施例中，一方法包括形成可流动材料层于基板第一区域及基板第二区域中。第一区域中，可流动材料层的上表面高于第二区域中，可流动材料层的上表面。此方法亦包括形成图案化的光致抗蚀剂层于可流动材料层之上。通过图案化光致抗蚀剂层，于第一区域中形成多个沟槽，并执行退火工艺以回流可流动材料层于多个沟槽中。

上述内容概述许多实施例的特征，因此任何本领域技术人员，可更加理解本公开实施例的各面向。任何本领域技术人员，可能无困难地以本公开实施例为基础，设计或修改其他工艺及结构，以达到与本公开实施例实施例相同的目的及/或得到相同的优点。任何本领域技术人员也应了解，在不脱离本公开实施例的精神和范围内做不同改变、代替及修改，如此等效的创造并没有超出本公开实施例的精神及范围。