专利名称：在半导体基板上形成凹陷阵列元件结构的方法
技术领域：
本发明涉及ー种在半导体基板上形成凹陷阵列元件结构的方法，且特别涉及ー种利用金属间隙壁以在半导体基板上形成凹陷阵列元件结构的方法。
背景技术：
由于结构简单，动态随机存储器(Dynamic Random Access Memories, DRAM)在单位晶片面积内可提供的存储单元数量高于其它种类的存储体，例如静态随机存取存储器(Static Random Access Memories, SRAM)。DRAM由多个存储单兀构成，姆个存储单兀包含ー个电容器及一晶体管，电容器用以储存数据，晶体管则耦合于电容器，用以控制/管理电容器的充电/放电。在读取操作时，在确认字元线后开启晶体管，致能的晶体管可容许ー感测放大器经由位元线读取电容器的电压。在写入操作时，在确认字元线后，写入的数据预备于字元线上。 为了满足较高储存容量的需求，必须将DRAM的存储单元的尺寸縮小，其可通过数种方式达成第一种方式通过先进エ艺技术缩小DRAM的存储单元的最小尺寸；另ー种方式则通过设计具有较小特征尺寸的存储单元。例如，许多市场上DRAM晶片的存储单元尺寸为4F2，其中F代表蚀刻エ艺的最小关键尺寸(Critical Dimension，CD)。參考图I至图9，显示现有4F2存储体単元的凹陷阵列元件结构的制备方法。如图
I所示，提供一基材I。请注意，图I为该基材I的俯视图。该基材I包含一半导体基板12、一第一材料14及一中间材料13。该半导体基板12具有多个第一凹陷121及多个中间凹陷122。也即，所述多个第一凹陷121及所述多个中间凹陷122在的前エ艺已形成于该半导体基板12上。所述多个中间凹陷122与所述多个第一凹陷121平行，且每一中间凹陷122位于ニ个第一凹陷121之间。该第一材料14位于所述多个第一凹陷121内，且该中间材料13位于所述多个中间凹陷122内。也即，该第一材料14及该中间材料13在之前エ艺皆已形成。该半导体基板12为ー硅基板，且该第一材料14为氧化物。该中间材料13包含ー衬层132及一中央氧化物131。通常，该衬层132包含ー衬氧化物层及ー衬氮化物层。參考图2及图3，形成一第一覆盖层21于该基材I上以覆盖该半导体基板12、所述多个第一凹陷121及所述多个中间凹陷122。接着，形成一第二覆盖层22于该第一覆盖层21上。接着，形成一第三覆盖层23于该第二覆盖层22上。接着，形成一光阻层24于该第三覆盖层23上。要注意的是，图3为图2中沿着线3-3的剖视图。该第一覆盖层21为多晶硅，该第二覆盖层22为碳，且该第三覆盖层23为氮氧化硅。接着，图案化该光阻层24以形成多个光阻层开ロ 241以曝露部分该第三覆盖层23。參考图4，根据所述多个光阻层开ロ 241蚀刻该第三覆盖层23、该第二覆盖层22、该第一覆盖层21及该基材I以形成多个第二凹陷31。所述多个第二凹陷31与所述多个第一凹陷121相交。通常，以俯视观，所述多个第二凹陷31垂直于所述多个第一凹陷121。接着，移除该光阻层24、该第三覆盖层23及该第二覆盖层22，而保留该第一覆盖层21。
參考图5及图6，形成一第二材料32于所述多个第二凹陷31内。要注意的是，图6为图5中沿着线6-6的剖视图。该第二材料32包含ー衬层322及一中央氧化物321。通常，该衬层322包含ー衬氧化物层及ー衬氮化物层。參考图7及图8，移除该第一覆盖层21，使得该第二材料32突出于该基材I。接着，形成多个间隙壁33于突出的第二材料32的侧壁。所述多个间隙壁33为氧化物或氮化物。參考图9，根据所述多个间隙壁33间的间隙蚀刻该基材I以形成多个第三凹陷34。所述多个第三凹陷34与所述多个第一凹陷121相交且与所述多个第二凹陷31平行。接着，移除突出的第二材料32及所述多个间隙壁33。最后，形成一第三材料(图中未示)于所述多个第三凹陷34内。该第三材料为氧化物。上述现有方法的缺点如下所述。由于该基材I包含一半导体基板12 (其材质为硅)及一第一材料14(其材质为氧化物)，因此图9的蚀刻步骤必须为ー非选择性蚀刻 (Non-selective Etching)エ艺。然而，当特征尺寸缩小至20nm或更小时,要得到足够的选择比(Selectivity)是很困难的。再者，所述多个间隙壁33 (图8)的材质为氧化物或氮化物。所述多个间隙壁33必须很高才能抵抗蚀刻气体。
发明内容
本发明的目的在于为克服上述现有技术中的缺点而提供ー种在半导体基板上形成凹陷阵列元件结构的方法。为实现上述目的，本发明提供ー种在半导体基板上形成凹陷阵列元件结构的方法，其包括以下步骤提供一基材，该基材包含一半导体基板及一第一材料，该半导体基板具有多个第一凹陷，该第一材料位于所述多个第一凹陷内，且该第一材料与该半导体基板不同；形成多个第二凹陷于该半导体基板上，其中所述多个第二凹陷与所述多个第一凹陷相交；形成一第二材料于所述多个第二凹陷内，其中该第二材料突出于该基材；形成一金属层于该突出的第二材料及该基材上，其中该金属层包括一第一部分及一第二部分，该第一部分覆盖该突出的第二材料，且该第二部分覆盖该基材；移除该金属层的第二部分以形成多个金属层开ロ而曝露该基材；以及根据所述多个金属层开ロ蚀刻该基材以形成多个第三凹陷，其中所述多个第三凹陷与所述多个第一凹陷相交且与所述多个第二凹陷平行。在本发明中，该金属层可以克服蚀刻エ艺中非选择性(Non-selectivity)的问题，且该金属层的第一部分不需要很高即可抵抗蚀刻气体。再者，该第一部分的厚度可以在蚀刻过程中提供额外的遮罩。在一实施例中，该金属层的第二部分利用以下步骤移除供应ー蚀刻气体及ー氧气至该金属层，其中该氧气的浓度随着高度而递减，且该氧气的浓度在该金属层的第二部分的上表面为零。在一实施例中，该金属层的第二部分利用以下步骤移除覆盖一高分子聚合物层于该金属层的第一部分上，其中该高分子聚合物层未覆盖到该金属层的第二部分；以及供应ー蚀刻气体至该金属层以蚀刻该金属层的第二部分。在一实施例中，该金属层的第二部分利用以下步骤移除形成ー硅氧化物层于该金属层的第一部分上，其中该硅氧化物层未覆盖到该金属层的第二部分；以及供应ー蚀刻气体至该金属层以蚀刻该金属层的第二部分。在一实施例中，该金属层的第二部分利用以下步骤移除形成一光阻层于该金属层上以覆盖该金属层的第一部分及第二部分；供应ー第一蚀刻气体及ー氧气至该光阻层，其中该第一蚀刻气体用以剥除该光阻层以逐渐地曝露该金属层的第一部分，且该曝露的第一部分被该氧气氧化；当该第一部分全部被氧化时停止供应该第一蚀刻气体及该氧气；以及供应ー第二蚀刻气体以蚀刻该金属层的第二部分。该第一蚀刻气体为氮气，且该第二蚀刻气体为六氟化硫气体或三氟化氮气体。上文已相当广泛地概述本发明的技术特征，以使下文的本发明详细描述得以获得较佳了解。构成本发明的权利要求的其它技术特征将描述于下文。本发明所属技术领域中具有通常知识者应了解，可相当容易地利用下文掲示的概念与特定实施例可作为修改或设计其它结构或エ艺而实现与本发明相同的目的。本发明所属技术领域中具有通常知识者也应了解，这类等效建构无法脱离后附的权利要求所界定的本发明的精神和范围。
图I至图9所示为现有4F2存储体単元的凹陷阵列元件结构的制备方法；以及图10至图26所示为本发明一实施例的4F2存储体单元的凹陷阵列元件结构的制备方法。其中，附图标记说明如下1、4 :基材12 :半导体基板13:中间材料14 :第一材料21 :第一覆盖层22 :第二覆盖层23 :第三覆盖层24 :光阻层31,61 :第二凹陷32、62 :第二材料33:间隙壁42:半导体基板43:中间材料44 :第一材料51 :第一覆盖层52 :第二覆盖层53 :第三覆盖层54 :光阻层63:金属层64:第三凹陷65 :第三材料70 :蚀刻气体71 :高分子聚合物层72 :硅氧化物层73 :光阻层74 :第一蚀刻气体75:第二蚀刻气体121 :第一凹陷122:中间凹陷131 :中央氧化物132、322、432 :衬层241:光阻层开ロ321:中央氧化物421 :第一凹陷422:中间凹陷431 :中央氧化物541:光阻层开ロ621 :中央氧化物622 :衬层631 :第一部分632:第二部分633:金属层开ロ
具体实施例方式參考图10至图26，显示本发明ー实施例的4F2存储体单元的凹陷阵列元件结构的制备方法。如图10所示，提供一基材4。请注意，图10为该基材4的俯视图。该基材4包含一半导体基板42、一第一材料44及一中间材料43。该半导体基板42具有多个第一凹陷421及多个中间凹陷422。也即，所述多个第一凹陷421及所述多个中间凹陷422在的前エ艺已形成于该半导体基板42上。所述多个中间凹陷422与所述多个第一凹陷421平行，且每一中间凹陷422位于ニ个第一凹陷421之间。该第一材料44位于所述多个第一凹陷421内，且该中间材料43位于所述多个中间凹陷422内。也即，该第一材料44及该中间材料43在之前エ艺皆已形成。该半导体基板42为ー硅基板，且该第一材料44为氧化物。该中间材料43包含ー衬层432及一中央氧化物431。在本实施例中，该衬层432包含ー衬氧化物层及ー衬氮化物层。接着，形成多个第二凹陷61 (图13)于该半导体基板42上，且ー第二材料62 (图 14及图15)位于所述多个第二凹陷61内。在本实施例中，所述多个第二凹陷61及该第二材料62由以下步骤所形成。參考图11及图12，形成一第一覆盖层51于该基材4上以覆盖该半导体基板42、所述多个第一凹陷421及所述多个中间凹陷422。接着，形成一第二覆盖层52于该第一覆盖层51上。接着，形成一第三覆盖层53于该第二覆盖层52上。接着，形成一光阻层54于该第三覆盖层53上。要注意的是，图12为图11中沿着线12-12的剖视图。该第一覆盖层51为多晶硅，该第二覆盖层52为碳，且该第三覆盖层53为氮氧化硅。接着，图案化该光阻层54以形成多个光阻层开ロ 541以曝露部分该第三覆盖层53。參考图13，根据所述多个光阻层开ロ 541蚀刻该第三覆盖层53、该第二覆盖层52、该第一覆盖层51及该基材4以形成所述多个第二凹陷61。所述多个第二凹陷61与所述多个第一凹陷421相交。在本实施例中，以俯视观，所述多个第二凹陷61垂直于所述多个第ー凹陷421。接着，移除该光阻层54、该第三覆盖层53及该第二覆盖层52，而保留该第一覆
盖层51 o參考图14及图15，形成一第二材料62于所述多个第二凹陷61内。要注意的是，图15为图14中沿着线15-15的剖视图。该第二材料62包含ー衬层622及一中央氧化物621。在本实施例中，该衬层622包含ー衬氧化物层及ー衬氮化物层。參考图16及图17，移除该第一覆盖层51，使得该第二材料62突出于该基材4。要注意的是，图17为图16中沿着线17-17的剖视图。參考图18,形成一金属层63于该突出的第二材料62及该基材4上。该金属层63包括一第一部分631及一第二部分632。该第一部分631覆盖该突出的第二材料62,且该第二部分632覆盖该基材4。參考图19，移除该金属层63的第二部分632以形成多个金属层开ロ 633而曝露该基材4。參考图20，根据所述多个金属层开ロ 633蚀刻该基材4以形成多个第三凹陷64。所述多个第三凹陷64与所述多个第一凹陷421相交且与所述多个第二凹陷61平行。在本实施例中，以俯视观，所述多个第三凹陷64垂直于所述多个第一凹陷421。
请再參考图19，该金属层63的第二部分632可以利用以下四种方式移除，然而本发明并不局限于此。第一种方式如下所述。參考图21,同时供应一蚀刻气体70及ー氧气至该金属层63。该氧气的浓度随着该第一部分631的高度而递减,且该氧气的浓度在该金属层63的第二部分632的上表面为零。在本方式中，该蚀刻气体70为六氟化硫(SF6)气体或三氟化氮(NF3)气体。因此，该第一部分631会被氧化而不会被该蚀刻气体70所蚀刻，且该第二部分632不会被氧化而会被该蚀刻气体70所蚀刻。第二种方式如下所述。參考图22，覆盖一高分子聚合物层71于该金属层63的第一部分631上，其中该高分子聚合物层71未覆盖到该金属层63的第二部分632。该高分子聚合物层71用以在蚀刻过程中保护该第一部分631。接着，供应ー蚀刻气体(例如六氟化硫(SF6)气体或三氟化氮(NF3)气体)至该金属层63以蚀刻该金属层63的第二部分632。第三种方式如下所述。參考图23,形成ー娃氧化物层72于该金属层63的第一部 分631的侧壁上,其中该娃氧化物层72未覆盖到该金属层63的第二部分632。在本方式中，该硅氧化物层72由四氯化硅(SiCl4)气体及氧气反应而成。该硅氧化物层72用以在蚀刻过程中保护该第一部分631。接着，供应ー蚀刻气体(例如六氟化硫(SF6)气体或三氟化氮(NF3)气体)至该金属层63以蚀刻该金属层63的第二部分632。第四种方式如下所述。參考图24，形成一光阻层73于该金属层63上以覆盖该金属层63的第一部分631及第二部分632。接着，供应ー第一蚀刻气体74及ー氧气至该光阻层73。该第一蚀刻气体74用以剥除该光阻层73以逐渐地曝露该金属层63的第一部分631,且该曝露的第一部分631被该氧气氧化。在本方式中，该第一蚀刻气体74为氮气。接着，当该第一部分631全部被氧化时停止供应该第一蚀刻气体74及该氧气。參考图25，接着，供应ー第二蚀刻气体75至该金属层63以蚀刻该金属层63的第二部分632。在本方式中，该第二蚀刻气体75为六氟化硫(SF6)气体或三氟化氮(NF3)气体。因此，氧化的该第一部分631不会被该第二蚀刻气体75所蚀刻，且该第二部分632会被该第二蚀刻气体75所蚀刻。參考图26，本发明的方法还包括一形成一第三材料65于所述多个第三凹陷64内的步骤。在本实施例中，移除突出的第二材料62及该金属层63。接着，形成一第三材料65于所述多个第三凹陷64内。该第三材料65为氧化物。在本发明中，该金属层63可以克服图20的蚀刻エ艺中非选择性(Non-selectivity)的问题,且该金属层63的第一部分631不需要很高即可抵抗蚀刻气体。再者，该第一部分631的厚度可以在蚀刻过程中提供额外的遮罩。本发明的技术内容及技术特点已掲示如上，然而本发明所属技术领域中具有通常知识者应了解，在不背离后附权利要求所界定的本发明精神和范围内，本发明的教示及揭示可作种种的替换及修饰。例如，上文掲示的许多エ艺可以不同的方法实施或以其它エ艺予以取代，或者采用上述ニ种方式的组合。此外，本案的权利范围并不局限于上文掲示的特定实施例的エ艺、机台、制造、物质的成份、装置、方法或步骤。本发明所属技术领域中具有通常知识者应了解，基于本发明教示及掲示エ艺、机台、制造、物质的成份、装置、方法或步骤，无论现在已存在或日后开发者，其与本案实施例掲示者以实质相同的方式执行实质相同的功能，而达到实质相同的结果，也可使用于本发明。因此，以下的权利要求用以涵盖用以此类エ艺、机台、制造、物质的
成份、装置、方法或步骤。
权利要求
1.ー种在半导体基板上形成凹陷阵列元件结构的方法，其特征在于，包括以下步骤 提供一基材，该基材包含一半导体基板及一第一材料，该半导体基板具有多个第一凹陷，该第一材料位于所述多个第一凹陷内，且该第一材料与该半导体基板不同； 形成多个第二凹陷于该半导体基板上，其中所述多个第二凹陷与所述多个第一凹陷相交； 形成一第二材料于所述多个第二凹陷内，其中该第二材料突出于该基材； 形成一金属层于该突出的第二材料及该基材上，其中该金属层包括一第一部分及一第二部分，该第一部分覆盖该突出的第二材料，且该第二部分覆盖该基材； 移除该金属层的第二部分以形成多个金属层开ロ而曝露该基材；以及根据所述多个金属层开ロ蚀刻该基材以形成多个第三凹陷，其中所述多个第三凹陷与所述多个第一凹陷相交且与所述多个第二凹陷平行。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在干，该半导体基板的材质为硅，且该第一材料为氧化物。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，该基材还包括一中间材料，该半导体基板还具有多个中间凹陷，所述多个中间凹陷与所述多个第一凹陷平行，每一中间凹陷位于ニ个第一凹陷之间，该中间材料位于所述多个中间凹陷内，所述多个中间材料与该半导体基板不同。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在干，该中间材料包含ー衬氧化物层、一衬氮化物层及一中央氧化物。
5.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述多个第二凹陷及该第二材料由以下步骤所形成 形成一第一覆盖层于该基材上以覆盖该半导体基板及所述多个第一凹陷； 形成一第二覆盖层于该第一覆盖层上； 形成一第三覆盖层于该第二覆盖层上； 形成一光阻层于该第三覆盖层上； 图案化该光阻层以形成多个光阻层开ロ ； 根据所述多个光阻层开ロ蚀刻该第三覆盖层、该第二覆盖层及该第一覆盖层以形成所述多个第二凹陷； 移除该光阻层、该第三覆盖层及该第二覆盖层； 形成该第二材料于所述多个第二凹陷内；以及 移除该第一覆盖层，使得该第二材料突出于该基材。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，该第一覆盖层为多晶硅，该第二覆盖层为碳，且该第三覆盖层为氮氧化硅。
7.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，该第二材料包含ー衬氧化物层、一衬氮化物层及一中央氧化物。
8.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，该金属层的第二部分利用以下步骤移除 供应ー蚀刻气体及ー氧气至该金属层，其中该氧气的浓度随着高度而递减，且该氧气的浓度在该金属层的第二部分的上表面为零。
9.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，该金属层的第二部分利用以下步骤移除覆盖一高分子聚合物层于该金属层的第一部分上，其中该高分子聚合物层未覆盖到该金属层的第二部分；以及 供应ー蚀刻气体至该金属层以蚀刻该金属层的第二部分。
10.根据权利要求I所述的方法，其特征在干，该金属层的第二部分利用以下步骤移除 形成ー硅氧化物层于该金属层的第一部分上，其中该硅氧化物层未覆盖到该金属层的第二部分；以及 供应ー蚀刻气体至该金属层以蚀刻该金属层的第二部分。
11.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，该金属层的第二部分利用以下步骤移除 形成一光阻层于该金属层上以覆盖该金属层的第一部分及第二部分； 供应ー第一蚀刻气体及ー氧气至该光阻层，其中该第一蚀刻气体用以剥除该光阻层以逐渐地曝露该金属层的第一部分，且该曝露的第一部分被该氧气氧化； 当该第一部分全部被氧化时停止供应该第一蚀刻气体及该氧气；以及 供应ー第二蚀刻气体以蚀刻该金属层的第二部分。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，该第一蚀刻气体为氮气，且该第二蚀刻气体为六氟化硫气体或三氟化氮气体。
13.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，还包括一形成一第三材料于所述多个第三凹陷内的步骤。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，该第三材料为氧化物。
全文摘要
本发明公开了一种在半导体基板上形成凹陷阵列元件结构的方法，包括以下步骤提供一包含半导体基板及第一材料的基材；形成多个第二凹陷于该半导体基板上；形成一第二材料于所述多个第二凹陷内；形成一金属层于该第二材料及该基材上，其中该金属层包括一第一部分及一第二部分；移除该第二部分以形成多个金属层开口；以及根据所述多个金属层开口蚀刻该基材以形成多个第三凹陷。由此，该金属层可以克服蚀刻工艺中非选择性的问题。
文档编号H01L21/311GK102800582SQ20111026650
公开日2012年11月28日 申请日期2011年9月9日 优先权日2011年5月23日
发明者吴常明, 陈逸男, 刘献文 申请人:南亚科技股份有限公司