半导体器件的形成方法与流程

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种半导体器件的形成方法。

背景技术：

随着半导体器件体积的缩小，半导体结构的尺寸变得更小。此时，需要与小尺寸结构相适应的其他结构。通常，利用光刻胶对材料进行刻蚀，进而得到小尺寸的器件和结构。但是利用光刻胶刻蚀得到的结构，其尺寸并不能达到预期目标，即发生尺寸的偏大或者偏小，而且形成结构的侧壁粗糙度比较大。更重要的是，利用光刻胶不能获得较小尺寸的沟槽或结构线段。

因此，亟须一种能够形成较小尺寸沟槽或者结构线段的半导体器件的形成方法。

技术实现要素：

本发明的实施例公开了一种半导体器件的形成方法，形成多层掩膜材料层，最终得到尺寸较小但是长度不同的掩膜线段结构。

本发明公开了一种半导体器件的形成方法，包括：提供半导体衬底，在半导体衬底上形成有刻蚀停止层，在刻蚀停止层上方形成有第一掩膜结构，第一掩膜结构包括多个间隔分布的第一子掩膜结构，相邻第一子掩膜结构之间包括第一凹槽；形成充满第一凹槽的第二掩膜结构；刻蚀部分第二掩膜结构，以形成连接孔，连接孔的内壁包括与之相邻的两个第一子掩膜结构的部分侧壁；和填充连接孔，以形成第三掩膜结构。

根据本发明的一个方面，形成充满第一凹槽的第二掩膜结构的工艺步骤包括：形成充满第一凹槽并覆盖第一子掩膜结构的第二掩膜材料层；和采用机械平坦化工艺研磨第二掩膜材料层，形成第二掩膜结构，第二掩膜结构的顶部与第一掩膜结构的顶部平齐。

根据本发明的一个方面，形成第二掩膜材料层的工艺为旋涂工艺。

根据本发明的一个方面，形成填充连接孔的第三掩膜结构的工艺步骤包括：形成填充连接孔以及覆盖第一掩膜结构和第二掩膜结构的第三掩膜层；和除去部分第三掩膜层，直至暴露第一掩膜结构和第二掩膜结构的顶部，保留在连接孔内的第三掩膜层为第三掩膜结构。

根据本发明的一个方面，除去部分第三掩膜层的工艺包括：等离子体干法刻蚀。

根据本发明的一个方面，等离子体干法刻蚀的工艺参数包括：气压范围为2mtorr～200mtorr，功率范围为100w～1000w，离子束电压范围为0v～200v，cf4的流量范围为10sccm～200sccm，o2的流量范围为0sccm～50sccm，n2的流量范围为0sccm～200sccm，he的流量范围为0sccm～500sccm。

根据本发明的一个方面，等离子体干法刻蚀对第三掩膜层相对于第二掩膜结构的刻蚀选择比大于等于5。

根据本发明的一个方面，第一掩膜结构与第三掩膜结构的材料包括tiox。

根据本发明的一个方面，第二掩膜结构的材料包括zrox。

根据本发明的一个方面，连接孔贯穿第二掩膜结构，连接孔的底部为刻蚀停止层的表面。

根据本发明的一个方面，在暴露第一掩膜结构和第二掩膜结构的顶部后，还包括：利用等离子体刻蚀工艺刻蚀余下的第二掩膜结构，直至暴露刻蚀停止层。

根据本发明的一个方面，刻蚀余下的第二掩膜结构的工艺参数包括：气压范围为2mtorr～200mtorr，功率范围为100w～1000w，离子束电压范围为0v～200v，bcl3的流量范围为10sccm～200sccm，o2的流量范围为0sccm～50sccm，n2的流量范围为0sccm～200sccm，ar的流量范围为0sccm～500sccm。

根据本发明的一个方面，刻蚀余下的第二掩膜结构相对于刻蚀停止层的刻蚀选择比大于等于7。

根据本发明的一个方面，刻蚀停止层的材料包括tin。

根据本发明的一个方面，暴露刻蚀停止层后，第一凹槽被第三掩膜结构截分成长度不同的第一子凹槽。

根据本发明的一个方面，第一子凹槽的长度小于等于20nm。

根据本发明的一个方面，形成第一掩膜结构的工艺过程包括：在半导体衬底上依次形成刻蚀停止层、第一掩膜层、牺牲层与光阻层；并以光阻层为掩膜刻蚀牺牲层，以形成分立牺牲层；形成覆盖分立牺牲层侧壁的第一侧墙，并除去分立牺牲层；以第一侧墙为掩膜刻蚀第一掩膜层，以形成第一分立掩膜结构，相邻第一分立掩膜结构之间包括第二凹槽；形成覆盖第一分立掩膜结构侧壁的第二侧墙；和形成充满余下第二凹槽的介质层，并刻蚀除去第二侧墙，以形成第一掩膜结构，第一掩膜结构包括介质层与第一分立掩膜结构。

根据本发明的一个方面，介质层的材料包括tiox。

与现有技术相比，本发明的技术方案具备以下优点：

在本发明技术方案中，刻蚀部分第二掩膜结构，以形成连接孔，连接孔的内壁包括与之相邻的两个第一子掩膜结构的部分侧壁。在第二掩膜结构中形成连接孔，进而将第二掩膜结构截分成长度不同的线段，从而获得了尺寸规整且长度较短掩膜线段结构。

进一步的，采用机械平坦化工艺研磨第二掩膜材料层，形成第二掩膜结构，第二掩膜结构的顶部与第一掩膜结构的顶部平齐。第二掩膜结构的顶部与第一掩膜结构的顶部平齐便于后续在其表面刻蚀形成连接孔。同时，利用机械化平坦工艺，更容易使得最终两者的顶部表面平齐。

附图说明

图1-图11b是根据本发明一个实施例的半导体器件的形成方法的结构示意图。

具体实施方式

如前所述，现有的工艺形成的掩膜结构线段尺寸比较大，而且结构表面比较粗糙。

经研究发现，造成上述问题的原因：利用掩膜直接刻蚀形成特定结构的图案，这种刻蚀工艺的过程难以控制，容易出现过度刻蚀，而且光刻的线宽不能够很窄，因此得到的线段尺寸比较大。

为了解决该问题，本发明提供了一种半导体器件的形成方法，多次形成掩膜层，并且利用打孔的方式，将现有的掩膜结构截分，进而得到尺寸较小的掩膜结构线段。同时掩膜结构线段的表面比较光滑，结规整。

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应理解，除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不应被理解为对本发明范围的限制。

此外，应当理解，为了便于描述，附图中所示出的各个部件的尺寸并不必然按照实际的比例关系绘制，例如某些层的厚度或宽度可以相对于其他层有所夸大。

以下对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，在任何意义上都不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和装置可能不作详细讨论，但在适用这些技术、方法和装置情况下，这些技术、方法和装置应当被视为本说明书的一部分。

应注意，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义或说明，则在随后的附图的说明中将不需要对其进行进一步讨论。

请参考图1，在半导体衬底100上依次形成刻蚀停止层110、第一掩膜层120、牺牲层140与光阻层160。

半导体衬底100作为半导体器件形成的基础。半导体衬底100的材料为多晶硅。

刻蚀停止层110用于使得后续的刻蚀停止在这一位置，避免刻蚀过度，破坏半导体衬底100的结构。刻蚀停止层110的材料包括tin、tan等。具体的，在本发明实施例中，刻蚀停止层110的材料为tin。在本发明实施例的刻蚀条件下，tin比较难以被刻蚀，能够很好地保护半导体衬底100。

第一掩膜层120用于后续形成第一分立掩膜结构，得到特定的掩膜图案。第一掩膜层120的材料包括tiox、有机物材料等。在本发明的实施例中，第一掩膜层120的材料为tiox。在这里，x的数值不作具体限制，x＝1、2或3等。具体到本发明实施例，x＝2。相比有机物材料，tiox形成的掩膜层图案更加规整。

形成第一掩膜层120的工艺通常包括：等离子体化学气相沉积工艺、低压化学气相沉积工艺、大气压化学气相沉积工艺或旋涂工艺。具体的，在本发明实施例中，形成第一掩膜层120工艺为旋涂工艺。

牺牲层140用于实现掩膜图案的转移过渡。牺牲层140材料包括：无定型碳、无定型硅或聚合物基体材料(nfc)。

需要说明的是，在本发明实施例中，在形成牺牲层140之前还包括在第一掩膜层120表面形成刻蚀阻挡层130。刻蚀阻挡层130能在后续刻蚀工艺中起到保护第一掩膜层120不被刻蚀的作用。在同等刻蚀条件下，待刻蚀材料被刻蚀的速率应大于刻蚀阻挡层130被刻蚀的速率。刻蚀阻挡层130通常选用的材料包括氧化物或氮化物。具体的，在本发明实施例中，刻蚀阻挡层130选用的材料为sio2。

光阻层160用于将图案从光阻层160上转移到牺牲层140中。在本发明实施例中，在光阻层160与牺牲层140之间还形成有抗反射层150。抗反射层150能够避免光的分散，从而刻蚀到其他部位而影响图案的尺寸，进而精确地将图案从光阻层160转移到牺牲层140中。

请参考图2，以光阻层为掩膜刻蚀牺牲层，形成分立牺牲层141。

刻蚀牺牲层后，将光阻层中的图案转化为分立牺牲层141中的图案。

刻蚀牺牲层的工艺包括：干法刻蚀工艺和/或湿法刻蚀工艺。具体的，在本发明实施例中，刻蚀牺牲层的工艺为干法刻蚀工艺。干法刻蚀工艺最终停止在刻蚀阻挡层130表面。

请参考图3，在分立牺牲层141的侧壁形成第一侧墙171。

形成第一侧墙171的作用是为了后续刻蚀除去分立牺牲层141后，形成尺寸更小的图案。因此，在选择第一侧墙171的材料时，要满足在同等刻蚀条件下，刻蚀第一侧墙171的速率小于刻蚀分立牺牲层141的速率，保证在刻蚀除去分立牺牲层141时，第一侧墙171不会被刻蚀损耗。第一侧墙171的材料通常包括氧化硅、氮化硅和氮氧化硅。具体的，在本发明实施例中，第一侧墙171的材料为氮化硅。

在本发明实施例中，形成的第一侧墙171是覆盖分立牺牲层141侧壁。形成第一侧墙171的方法有多种。例如，可直接在分立牺牲层141的侧壁形成第一侧墙171，或者可采用包括如下工艺步骤的方法形成：首先形成覆盖分立牺牲层141顶端、侧壁以及刻蚀阻挡层130表面的第一侧墙材料层(未标出)。刻蚀除去刻蚀阻挡层130表面以及分立牺牲层141顶端的第一侧墙材料层，保留分立牺牲层141侧壁的第一侧墙材料层，即为第一侧墙171。具体的，在本发明实施例中，采用上述后者的工艺步骤形成第一侧墙171。也就是说，刻蚀除去刻蚀阻挡层130表面以及分立牺牲层141顶端的第一侧墙材料层，仅保留分立牺牲层141侧壁的第一侧墙材料层，即第一侧墙171。

请参考图4，除去分立牺牲层，并以第一侧墙为掩膜刻蚀第一掩膜层，以形成第一分立掩膜结构121。

形成第一分立掩膜结构121后，将第一侧墙171中的图案转移到第一分立掩膜结构121中。刻蚀第一掩膜层的工艺包括干法刻蚀工艺和/或湿法刻蚀工艺。具体的，在本发明实施例中，刻蚀第一掩膜层的工艺为干法刻蚀工艺。

形成第一分立掩膜结构121后，相邻第一分立掩膜结构121之间包括第二凹槽122。第二凹槽122用于后续在内部形成其他材料层。

请参考图5，形成覆盖第一分立掩膜结构121侧壁的第二侧墙172。

形成第二侧墙172的目的在于后续改变掩膜层的图案结构。具体的，在本发明实施例中，第二侧墙172的材料为经过ald工艺形成的tin，ald工艺保证了tin的结构更加致密，缺陷少，力学性能相对较好，不容易被刻蚀损耗。

在本发明实施例中，第二侧墙172是直接覆盖在第一分立掩膜结构121的侧壁。形成第二侧墙172后，仍有余下部分第二凹槽122没有被填充，如图5所示。

请参考图6，填充余下的第二凹槽，以形成介质层结构180。

填充余下的第二凹槽是为了后续改变图案结构做准备。在本发明实施例中，填充余下第二凹槽的介质层结构180的材料为tiox。明显的，介质层结构180的材料与第一分立掩膜结构121的材料一样。两者材料的相同为后续刻蚀条件的选择提供便利。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，介质层结构180的材料与第一分立掩膜结构121的材料还可以不同。在这里并不做具体限制。

形成介质层结构180的方法的种类与前文中形成第一侧墙的种类一致，即包括：介质层结构180直接形成在余下的第二凹槽内部。或者形成充满余下的第二凹槽并且覆盖第二侧墙172与第一分立掩膜结构121的介质层，然后除去第二侧墙172与第一分立掩膜结构121顶部的介质层，剩下充满在第二凹槽内部的介质层结构180。具体的，在本发明实施例中，采用后者的方案形成介质层结构180。

请参考图7a与图7b，刻蚀除去第二侧墙。

在图7a中，刻蚀除去第二侧墙后，余下了第一分立掩膜结构121与介质层结构180，进而实现掩膜结构图案的改变。由于在本发明实施例中，第一分立掩膜结构121与介质层180的材料完全相同，因此，将图7a中第一分立掩膜结构121与介质层180统称为第一掩膜结构，并转换在图7b中，即第一掩膜结构182。

如图7b所示，形成的第一掩膜结构182包括多个间隔分布的第一子掩膜结构183，且相邻第一子掩膜结构183之间包括第一凹槽184。经过多次的图案转移，第一掩膜结构182中第一凹槽184的图案更加精细，尺寸更小。

请参考图8a和图8b，形成充满第一凹槽的第二掩膜结构181。

形成第二掩膜结构181的工艺步骤包括：形成充满第一凹槽并覆盖第一掩膜结构182的第二掩膜材料层(未示出)，然后再采用机械平坦化工艺研磨第二掩膜材料层，以形成第二掩膜结构181，第二掩膜结构181的顶部与第一子掩膜结构183的顶部平齐，这样便于后续形成连接孔。

在本发明的实施例中，第二掩膜结构181的材料为zrox。在这里，x＝1、2、3或其他数值。具体的，在本发明实施例中，x＝2，即第二掩膜结构181的材料为zro2。

形成第二掩膜结构181的工艺包括：旋涂工艺、原子层沉积工艺(ald)、化学气相沉积工艺等。具体的，在本发明实施例中，形成第二掩膜结构181的工艺为旋涂工艺。

图8b为图8a的俯视图。明显的，第二掩膜结构181充满所有的第一凹槽。且第二掩膜结构181与第一子掩膜结构183的顶部表面均暴露出来。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，暴露第二掩膜结构181与第一子掩膜结构183顶部的工艺还包括干法刻蚀和/或湿法刻蚀，在这里并不做具体限制。

请参考图9，刻蚀部分第二掩膜结构181，以形成连接孔190。

图9与图8b一样，为所形成结构的俯视图。形成连接孔190为了后续在其内部形成第三掩膜结构。在俯视图中，连接孔190的形状为方形或者圆形。具体的，在本发明实施例中，连接孔190的形状为方形。

在本发明实施例中，连接孔190的部分内壁包括了与之相邻的两个第一子掩膜结构183的部分侧壁。即，在刻蚀形成连接孔190时，要对与连接孔190对应位置相邻两侧的第一子掩膜结构183进行部分刻蚀。这样能够保证连接孔190将其所在的第二掩膜结构181截断，进而截分成长度不同的掩膜线段结构。其线段的长度方向如图9中所示。而且，在本发明实施例中，同一个第二掩膜结构181上可以包括多个连接孔190。

形成连接孔190后，第二掩膜结构181被截分成掩膜线段结构的长度尺寸小于等于20nm。具体的，在本发明实施例中，掩膜线段结构长度尺寸小于等于10nm。具体长度可根据实际工艺进行选择。

形成连接孔190的工艺包括等离子体干法刻蚀工艺。等离子体干法刻蚀工艺的过程容易控制，而且刻蚀的方向性比较好。

连接孔190的底部可以暴露刻蚀停止层的表面，也可以不暴露，在这里并不做具体限制。具体的，在本发明实施例中，连接孔190暴露刻蚀停止层表面。

需要说明的是，在本发明实施例中，为了精确地形成连接孔190，在刻蚀部分第二掩膜结构181时，先在第二掩膜结构181和第一子掩膜结构183的顶部形成抗反射层(未标出)与光刻胶层(未标出)，使得形成连接孔190的尺寸更加准确规整。

请参考图10a-图10c，填充连接孔以形成第三掩膜结构192。

图10a与图9一样，为所形成结构的俯视图，形成的第三掩膜结构192要充满连接孔191。因此，在本发明实施例中，形成第三掩膜结构192的工艺步骤包括：形成充满连接孔191，以及覆盖第二掩膜结构和第一子掩膜结构的第三掩膜层191。图11a中，方形的虚线框为连接孔190的位置。

在本发明的实施例中，形成第三掩膜层191的材料为tiox。具体的，在本发明实施例中，x＝2。即第三掩膜层191与第一子掩膜结构的材料相同。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，第三掩膜层191的材料与第一子掩膜结构的材料也可以不相同，在这里并不做具体限制。

在图10b为图10a沿着a-a’的截面结构示意图。第三掩膜层191也充满连接孔190。

请参考图10c，除去部分第三掩膜层191，保留连接孔190内部的第三掩膜结构192。

除去部分第三掩膜层直至暴露第二掩膜结构181和第一子掩膜结构183的顶部，是为了保留连接孔190内部的第三掩膜结构192。

除去部分第三掩膜层的工艺包括干法刻蚀和/或湿法刻蚀。在本发明实施例中，采用等离子体干法刻蚀工艺除去部分第三掩膜层。等离子体干法刻蚀工艺的参数包括：气压范围为2mtorr～200mtorr(在这里，气压范围是大于等于2mtorr，小于等于200mtorr，即范围包括端点数值，下文的范围表述于此处的意义相同)，功率范围为100w～1000w，离子束电压范围为0v～200v，cf4的流量范围为10sccm～200sccm，o2的流量范围为0sccm～50sccm，n2的流量范围为0sccm～200sccm，he的流量范围为0sccm～500sccm。具体的，在本发明实施例中，等离子体干法刻蚀工艺的参数为：气压为120mtorr，功率为500w，离子束电压为200v，cf4的流量为100sccm，o2的流量为50sccm，n2的流量为100sccm，he的流量为200sccm。

由于在等离子体刻蚀后，要保留第二掩膜结构181，所以刻蚀第三掩膜层的速率大于刻蚀第二掩膜结构181的速率，因此等离子体干法刻蚀对第三掩膜层相对于第二掩膜结构181的刻蚀选择比大于等于5。具体的，在本发明实施例中，等离子体干法刻蚀对第三掩膜层相对于第二掩膜结构181的刻蚀选择比等于7。

在本发明实施例中，刻蚀除去部分第三掩膜层后，保留在连接孔内的第三掩膜层为第三掩膜结构192。此时，第三掩膜结构192、第二掩膜结构181和第一子掩膜结构183的顶部表面平齐。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，去除部分第三掩膜层的工艺还包括机械平坦化工艺或者湿法刻蚀工艺，在这里并不做具体限制，只要满足第三掩膜结构192、第二掩膜结构181和第一子掩膜结构183的顶部表面平齐的条件即可。

请参考图11a和图11b，刻蚀除去第二掩膜结构。

在本发明实施例中，形成第三掩膜结构192，即暴露第一掩膜结构和第二掩膜结构183的顶部后，利用等离子体刻蚀工艺刻蚀余下的第二掩膜结构，直至暴露刻蚀停止层110。刻蚀余下的第二掩膜结构的工艺参数包括：气压范围为2mtorr～200mtorr，功率范围为100w～1000w，离子束电压范围为0v～200v，bcl3的流量范围为10sccm～200sccm，o2的流量范围为0sccm～50sccm，n2的流量范围为0sccm～200sccm，ar的流量范围为0sccm～500sccm。具体的，在本发明实施例中，刻蚀余下的第二掩膜结构的工艺参数包括：气压为100mtorr，功率为500w，离子束电压为100v，bcl3的流量为100sccm，o2的流量为50sccm，n2的流量为100sccm，ar的流量为200sccm。

由于除去第二掩膜结构的刻蚀工艺要停止在刻蚀停止层110上，所以刻蚀第二掩膜结构相对于刻蚀停止层110的刻蚀选择比大于等于7。具体的，在本发明实施例中，刻蚀第二掩膜结构相对于刻蚀停止层110的刻蚀选择比为10。

图11b为图11a的俯视图。明显的，第三掩膜结构192将第一凹槽截分成长度不同的第一子凹槽193，进而得到不同尺寸长度的掩膜线段结构。

如前所述，第二掩膜结构被连接孔截分成掩膜线段结构的长度尺寸小于等于20nm。因此，第一子凹槽193的长度尺寸也小于等于20nm。具体的，在本发明实施例中，第一子凹槽193的长度尺寸小于的关于10nm。具体的长度可根据实际工艺进行选择。

综上所述，通过三次形成掩膜结构，形成了长度尺寸不同的凹槽线段，进而得到小尺寸的线段。与利用掩膜层直接刻蚀出的凹槽线段相比，这种工艺形成的凹槽侧壁粗糙度好。

至此，已经详细描述了本发明。为了避免遮蔽本发明的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。

虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。