一种制作半导体元件的方法与流程

本发明涉及一种制作半导体元件的方法，尤其是涉及一种利用两次侧壁图案转移(sidewall image transfer,SIT)技术于基底上形成鳍状结构的方法。

背景技术：

随着半导体元件尺寸的缩小，维持小尺寸半导体元件的效能是目前业界的主要目标。然而，随着场效晶体管(field effect transistors,FETs)元件尺寸持续地缩小，平面式(planar)场效晶体管元件的发展已面临制作工艺上的极限。非平面(non-planar)式场效晶体管元件，例如鳍状场效晶体管(fin field effect transistor,Fin FET)元件，具有立体结构可增加与栅极之间接触面积，进而提升栅极对于通道区域的控制，俨然已取代平面式场效晶体管成为目前的主流发展趋势。

现有鳍状场效晶体管的制作工艺是先将鳍状结构形成于基底上，再将栅极形成于鳍状结构上。鳍状结构一般为蚀刻基底所形成的条状鳍片，但在尺寸微缩的要求下，各鳍片宽度渐窄，而鳍片之间的间距也渐缩小。因此，其制作工艺也面临许多限制与挑战，例如现有掩模及光刻蚀刻技术受限于微小尺寸的限制，无法准确定义鳍状结构的位置而造成鳍片倒塌，或是无法准确控制蚀刻时间而导致过度蚀刻等问题，连带影响鳍状结构的作用效能。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明公开一种制作半导体元件的方法。首先提供一基底，该基底上具有一第一区域以及一第二区域，然后形成一材料层于基底上，形成多个第一轴心体于第一区域及第二区域的材料层上，形成多个第一间隙壁于第一轴心体旁，形成一硬掩模于第一区域，修整第二区域的第一间隙壁，去除第一轴心体，利用第一间隙壁去除部分材料层以形成多个第二轴心体，形成多个第二间隙壁于第二轴心体旁，去除第二轴心体以及利用第二间隙壁去除部分基底以形成多个鳍状结构。

本发明另一实施例公开一种制作半导体元件的方法。首先提供一基底，该基底上具有一第一区域以及一第二区域，然后形成一材料层于基底上，形成多个第一轴心体于第一区域及第二区域的材料层上，形成多个第一间隙壁于第一轴心体旁，形成一硬掩模于第一区域，去除第二区域的第一轴心体，利用第一区域的第一轴心体及第一间隙壁与第二区域的第一间隙壁去除部分材料层以形成多个第二轴心体，形成多个第二间隙壁于第二轴心体旁，去除第二轴心体，以及利用第二间隙壁去除部分基底以形成多个鳍状结构。

附图说明

图1至图9为本发明第一实施例制作一半导体元件的方法示意图；

图10至图15为本发明第二实施例制作一半导体元件的方法示意图。

主要元件符号说明

12 基底 14 第一区域

16 第二区域 18 衬垫氧化层

20 衬垫氮化层 22 氧化层

24 材料层 26 氮化硅层

28 氧化层 30 材料层

32 第一轴心体 34 间隙壁

36 硬掩模 38 第二轴心体

40 间隙壁 42 鳍状结构

52 基底 54 第一区域

56 第二区域 58 衬垫氧化层

60 衬垫氮化层 62 氧化层

64 材料层 66 氮化硅层

68 氧化层 72 第一轴心体

74 间隙壁 76 硬掩模

78 第二轴心体 80 间隙壁

82 鳍状结构

具体实施方式

请参照图1至图9，图1至图9为本发明第一实施例制作一半导体元件 的方法示意图。如图1所示，首先提供一基底12，例如一硅基底，且基底上定义有一第一区域14与一第二区域16。然后依序形成一衬垫氧化层18、一衬垫氮化层20以及一氧化层22于基底12上。接着再依序形成一材料层24于氧化层22上、一氮化硅层26于材料层24上、一氧化层28于氮化硅层26上以及另一材料层30于氧化层28上。在本实施例中，材料层30与材料层24优选包含相同材料，例如两者均包含非晶硅，但不局限于此。

如图2所示，接着对材料层30进行一图案转移制作工艺，例如可先形成一图案化光致抗蚀剂(图未示)于材料层30上，并利用蚀刻去除部分未被图案化光致抗蚀剂所覆盖的材料层30，以形成多个图案化材料层或多个第一轴心体32于第一区域14与第二区域16。值得注意的是，由于第一区域14优选于后续制作工艺中用来制作较大线宽或间距的半导体元件，第二区域16则用来形成具有较小线宽或间距的半导体元件，因此本实施例优选于图案化材料层时调整光掩模图案的大小，以于第一区域14与第二区域16上分别形成不同宽度的第一轴心体32，且形成于第二区域16上的各第一轴心体32的线宽优选为此图案转移制作工艺的临界尺寸。以本实施例为例，第一区域14各第一轴心体32的宽度均优选大于第二区域16各第一轴心体32的宽度。

然后如图3所示，形成多个间隙壁34于各第一轴心体32旁。在本实施例中，形成间隙壁34的方式可先全面性覆盖一遮盖层(图未示)于氧化层28及所有第一轴心体32上，然后以回蚀刻(etching back)去除部分遮盖层，以于各第一轴心体32旁形成一间隙壁34。其中遮盖层或间隙壁34优选与下面的氧化层28由不同材料所构成，例如氮化硅，但不局限于此。

如图4所示，随后形成一硬掩模36于第一区域14上并覆盖第一轴心体32与部分氧化层28。在本实施例中，硬掩模36可为一图案化光致抗蚀剂，但不局限于此。

如图5所示，接着利用覆盖于第一区域14的硬掩模36为掩模进行一修整(trimming)步骤，例如利用蚀刻方式去除或削薄第二区域16的部分间隙壁34。

然后如图6所示，先去除第一区域14的硬掩模36，再利用蚀刻去除第一区域14与第二区域16的各第一轴心体32，使氧化层28上仅留下间隙壁34。

如图7所示，接着将各间隙壁34的图案转移至材料层24中，例如一同 利用第一区域14与第二区域16的间隙壁34为掩模进行一蚀刻制作工艺，去除部分未被间隙壁34所遮蔽的氧化层28、氮化硅层26以及材料层24，以于氧化硅层22上形成多个由图案化材料层24所构成的第二轴心体38。之后再去除第二轴心体38上的间隙壁34、氧化层28以及氮化硅层26。需注意的是，由于第二区域16的间隙壁34已于图5被修整过，因此将间隙壁34的图案转移至材料层24后所形成第一区域14各第二轴心体38宽度均大于第二区域16各第二轴心体38的宽度。

然后如图8所示，再形成多个间隙壁40于第二轴心体38旁，其中形成间隙壁40的方式可比照图3中形成间隙壁34的手段，在此不另加赘述。

最后如图9所示，先去除第一区域14与第二区域16上的第二轴心体38，然后再一同利用第一区域14与第二区域16的间隙壁40为掩模去除部分未被间隙壁40所遮蔽的氧化层22、衬垫氮化层20、衬垫氧化层18以及部分基底12，最后再搭配鳍状结构切割制作工艺，以于基底12上形成多个鳍状结构42。之后可再依据制作工艺需求去除各鳍状结构42上的间隙壁40、氧化层22、衬垫氮化层20以及衬垫氧化层18，并进行后续鳍状结构晶体管或半导体元件制作工艺，例如再于各鳍状结构间形成浅沟隔离(图未示)，并形成栅极结构以及源极/漏极区域等于鳍状结构上。至此即完成本发明第一实施例的半导体元件的制作。

请继续参照图10至图15，图10至图15为本发明第二实施例制作一半导体元件的方法示意图。如图10所示，首先进行前述图1至图3的制作工艺，例如先依序形成一衬垫氧化层58、一衬垫氮化层60、一氧化层62、一材料层64、一氮化硅层66、一氧化层68以及另一材料层(图未示)于基底52上，图案化材料层以形成多个第一轴心体72以及形成多个间隙壁74于第一轴心体72侧壁。如同前述实施例，第一区域54各第一轴心体72的宽度均优选大于第二区域56各第一轴心体72的宽度，且形成于第二区域56上的各第一轴心体72的线宽优选为此图案转移制作工艺的临界尺寸。

然后如图11所示，先形成一硬掩模76于第一区域54，再利用硬掩模76进行一蚀刻制作工艺去除第二区域56的第一轴心体72。在本实施例中，硬掩模76可为一图案化光致抗蚀剂，但不局限于此。此外，在去除第二区域56的第一轴心体72之前或之后，可选择性进行类似图5所示的步骤，亦即利用覆盖于第一区域54的硬掩模76为掩模进行一修整(trimming)步骤， 例如利用蚀刻方式去除或削薄第二区域56的部分间隙壁74。

随后如图12所示，先去除硬掩模76，并同时利用第一区域54的第一轴心体72与间隙壁74以及第二区域56的间隙壁74为掩模进行一蚀刻制作工艺，去除部分未被第一轴心体72与间隙壁74所遮蔽的氧化层68、氮化硅层66以及材料层64，以于氧化硅层62上形成多个由图案化材料层64所构成的第二轴心体78。之后再去除第二轴心体78上的第一轴心体72、间隙壁74、氧化层68以及氮化硅层66。

需注意的是，由于第一区域54的第二轴心体78是由图11中第一区域54的第一轴心体72与间隙壁74图案转移而成，因此图12中第一区域54各第二轴心体78的宽度优选等于图11中第一区域54第一轴心体72与周围间隙壁74的宽度总和。另外由于第二区域56的第二轴心体78是由图11中第二区域56的间隙壁74图案转移而成，因此图12中第二区域56各第二轴心体78的宽度优选等于图11中第二区域56间隙壁74的宽度。

接着如图13所示，再形成多个间隙壁80于第二轴心体78旁，其中形成间隙壁80的方式可比照类似图3中形成间隙壁34的手段，在此不另加赘述。

然后如图14所示，去除第一区域54与第二区域56的第二轴心体78并暴露出底下的氧化层62。

随后如图15所示，同时利用第一区域54的间隙壁80以及第二区域56的间隙壁80为掩模去除部分未被间隙壁80所遮蔽的氧化层62、衬垫氮化层60、衬垫氧化层58以及基底52，以于基底52上形成多个鳍状结构82，并再去除间隙壁80。之后可再依据制作工艺需求去除各鳍状结构82上的氧化层62、衬垫氮化层60以及衬垫氧化层58，并进行后续晶体管或半导体元件制作工艺，例如再于各鳍状结构间形成浅沟隔离(图未示)，并形成栅极结构以及源极/漏极区域等于鳍状结构82上。至此即完成本发明第二实施例的半导体元件的制作。

综上所述，本发明主要公开一种利用两次侧壁图案转移技术于基底上制作鳍状结构的方法，其中本发明第一实施例主要先于基底上的第一区域与第二区域分别形成不同大小的第一轴心体，形成间隙壁于第一轴心体侧壁，修整第二区域的间隙壁，将间隙壁的图案转移至下面的材料层以形成第二轴心体，形成间隙壁于第二轴心体侧壁，再于去除第二轴心体后将第二轴心体旁 的间隙壁图案转移至基底以形成鳍状结构。依据本发明第一实施例，基底上第一区域的鳍状结构之间均为相同间距，第二区域的鳍状结构之间均为相同间距，且第一区域鳍状结构之间的间距均大于第二区域鳍状结构之间的间距。

本发明第二实施例也是先于基底上的第一区域与第二区域分别形成不同大小的第一轴心体并形成间隙壁于第一轴心体侧壁，然后去除第二区域的第一轴心体，并同时将第一区域的第一轴心体与间隙壁以及第二区域的间隙壁图案转移至下面的材料层形成第二轴心体。接着形成间隙壁于第二轴心体旁，去除第二轴心体，并将第二轴心体旁的间隙壁图案转移至基底以形成鳍状结构。依据本发明第二实施例，基底上第一区域的鳍状结构之间优选具有不同间距，第二区域的鳍状结构之间则为相同间距，且第一区域鳍状结构之间的间距均大于第二区域鳍状结构之间的间距。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，都应属本发明的涵盖范围。