用以形成多层式光罩的方法与流程
本揭露是关于用以形成多层式光罩的方法。
背景技术：
集成电路的制造包含多个光刻微影制程。当集成电路的尺寸遍地愈来愈小时，用于控制集成电路的关键尺寸(criticaldimension)的规定也逐渐收紧。关键尺寸是晶圆中晶体管的栅极电极的最小宽度。关键尺寸可在形成金属层的过程中做为参考。
在控制关键尺寸的制程中，在晶圆上形成多层式光罩。多层式光罩包含底层、位于底层上的中间层以及位于中间层上的光阻。光阻使用光刻微影光罩曝光，光刻微影光罩具有不透明图案以及透明图案。接着，经由显影而图案化光阻。经图案化的光阻用以作为中间层的蚀刻遮罩。经图案化的中间层接着用以作为蚀刻底层时的蚀刻遮罩。经图案化的底层用以作为蚀刻下方层体时的蚀刻遮罩。
技术实现要素：
本揭露的部分实施方式提供一种方法。该方法包含在目标结构上，形成碳涂层；化学处理碳涂层的上部分；在碳涂层上，形成牺牲层；在牺牲层上进行化学机械研磨制程，直到抵达碳涂层，其中碳涂层的化学处理的上部分对化学机械研磨制程的阻抗高于牺牲层对化学机械研磨制程的阻抗；在化学机械研磨制程后，在碳涂层上形成图案化光阻层；以及以图案化光阻层作为遮罩，蚀刻该目标结构。
附图说明
从以下详细叙述并搭配附图检阅，可理解本揭露的态样。应注意到，多种特征并未以产业上实务标准的比例绘制。事实上，为了清楚讨论，多种特征的尺寸可以任意地增加或减少。
图1a以及图1b为根据本揭露的部分实施方式用于形成半导体装置的方法的流程图；
图2a至图2u描述部分实施方式中形成半导体装置的各个步骤；
图3表示根据本揭露的部分实施方式用于制作多层式光罩的方法中的化学处理的制程；
图4展示根据本揭露的部分实施方式用于制作多层式光罩的方法中的研磨制程中的经处理与未经处理的碳涂材料的移除速率；
图5展示根据本揭露的部分实施方式用于制作多层式光罩的方法中的蚀刻制程中的经处理与未经处理的碳涂材料的蚀刻速率；
图6a至图6e描述部分实施方式中形成半导体装置的各个步骤的剖面图。
具体实施方式
以下本揭露将提供许多个不同的实施方式或实施例以实现所提供的专利标的的不同特征。许多元件与设置将以特定实施例在以下说明，以简化本揭露。当然这些实施例仅用以示例而不应用以限制本揭露。举例而言，叙述“第一特征形成于第二特征上”包含多种实施方式，其中涵盖第一特征与第二特征直接接触，以及额外的特征形成于第一特征与第二特征之间而使两者不直接接触。此外，于各式各样的实施例中，本揭露可能会重复标号以及/或标注字母。此重复是为了简化并清楚说明，而非意图表明这些讨论的各种实施方式以及/或配置之间的关系。
更甚者，空间相对的词汇，例如“下层的”、“低于”、“下方”、“之下”、“上层的”、“上方”等相关词汇，于此用以简单描述元件或特征与另一元件或特征的关系，如图所示。在使用或操作时，除了图中所绘示的转向之外，这些空间相对的词汇涵盖装置的不同的转向。或者，这些装置可旋转(旋转90度或其他角度)，且在此使用的空间相对的描述语可作对应的解读。
以下多个实施方式将以关于一具体情况的方式进行描述，该具体情况即为用于半导体结构的多层式光罩以及其形成方法。尤其，在此会描述多层式光罩的底层的平坦化方法。在此描述的实施方式并不限于平坦化多层式光罩的底层，也可用于平坦化半导体结构的其他层体。
图1a以及图1b为根据本揭露的部分实施方式用于形成半导体装置的方法100的流程图，其中包含多层式光罩的制作。图2a至图2u描述部分实施方式中形成半导体装置的各个步骤。应了解到，在该方法之前、之中以及之后，可以实施其他步骤，且在该方法的其他实施方式中，所提到的步骤可以被取代或取消。半导体结构以及其形成方法100参照各个附图一同说明。
参照图1a，方法100开始于方格102，其中在基板上形成鳍状结构。参照图2a，于方格102的部分实施方式中，半导体鳍状结构212a以及212b形成于基板210上。于部分实施方式中，基板210可以是半导体基板，例如块状半导体、绝缘上半导体(semiconductor-on-insulator；soi)基板或其相似物。基板210可包含晶圆，例如硅晶圆。绝缘上半导体基板包含一层半导体材料形成于绝缘层上。绝缘层可例如为埋氧化物层、硅氧化物层或其相似物。绝缘层可提供于基板上，例如为硅或玻璃基板上。也可以采用其他基板，例如多层或渐变基板。于部分实施方式中，基板210的半导体材料可包含硅；锗；化合物半导体包含碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟以及/或锑化铟；合金半导体包含sige、gaasp、alinas、algaas、gainas、gainp以及/或gainasp；或其组合。
于部分实施方式中，半导体鳍状结构212a以及212b包含硅且可经由例如使用光刻微影以及蚀刻技术而图案化与蚀刻基板210而形成，而使半导体鳍状结构212a以及212b突出于基板210。举例而言，在基板210上沉积一层光阻材料(未绘示)。该层光阻材料被以特定图案(图2a所示的半导体鳍状结构212a以及212b)照射(曝光)，并经显影而移除部分的光阻材料。剩余的光阻材料保护其下的材料免于后续的制程步骤，例如蚀刻步骤。应注意到，其他遮罩(例如氧化物遮罩或氮化硅遮罩)也可用于此蚀刻步骤。
隔离介电质220填满半导体鳍状结构212a以及212b之间的沟槽而作为浅沟槽隔离区(shallowtrenchisolation；sti)。隔离介电质220可包含任何适当的介电材料，例如氧化硅、氮化硅、类似的材料或其组合。形成隔离介电质220的方法可包含在基板210上沉积介电材料以覆盖半导体鳍状结构212a以及212b、选择性地进行化学机械研磨(chemicalmechanicalpolish；cmp)以移除沟槽外面的额外的介电材料、且接着针对介电材料进行回蚀制程直到露出半导体鳍状结构212a以及212b的上部分。隔离介电质220的沉积可可使用高密度电浆化学气象沉积(highdensityplasmachemicalvapordeposition；hdp-cvd)、流动式化学气相沉积(flowablecvd；fcvd)(例如在远距电浆系统中以化学气相沉积为基底的材料沉积，且后固化以使其转为另一材料，例如氧化物)、其相似物或其组合。可使用由任何适当制程形成的其他绝缘材料。
应了解到，以上描述的制程是半导体鳍状结构212a以及212b以及浅沟槽隔离区结构的形成的部分范例。在其他实施方式中，可以在基板210的上表面上形成介电层；可在介电层中蚀刻沟槽；可在沟槽中磊晶成长同质磊晶结构；可凹陷介电层，而使同质磊晶结构突出于介电层，而形成鳍状结构。在其他实施方式中，可以用异质磊晶结构作为鳍状结构。举例而言，可凹陷半导体鳍状结构212a以及212b，并在凹陷的半导体鳍状结构212a以及212b的位置磊晶成长一材料，该材料不同于凹陷的半导体鳍状结构212a以及212b。在更详细的实施方式中，可以在基板210的上表面上形成介电层；可在介电层中蚀刻沟槽；可使用不同于基板210的材料，在沟槽中磊晶成长异质磊晶结构；可凹陷介电层，而使异质磊晶结构突出于介电层，而形成鳍状结构。在部分实施方式中，在磊晶成长同质磊晶结构或异质磊晶结构时，成长的材料可以在成长过程中被原位掺杂(insitudoped)，而不事先植入鳍状结构，但原位掺杂以及植入掺杂可一起使用。在部分实施方式中，半导体鳍状结构212a以及/或212b可包含硅锗、碳化硅、纯或实质纯锗、三五族化合物半导体、二六族化合物半导体或其他相似材料。举例而言，可用于形成三五族化合物半导体的适当材料包含但不限于inas、alas、gaas、inp、gan、ingaas、inalas、gasb、alsb、alp、gap以及其他相似材料。
再回到图1a，方法100来到方格104，其中在基板上形成栅极介电层以及虚设栅极电极层。参照图2b，于方格104的部分实施方式中，栅极介电层230以及虚设栅极电极层240先后形成于半导体鳍状结构212a、212b以及隔离介电质220上。于部分实施方式中，栅极介电层230是由高介电(high-k)的介电材料形成，例如金属氧化物、过度金属氧化物或其他相似材料。高介电(high-k)的介电材料的例子包含但不限于氧化铪(hfo2)、氧化硅铪(hfsio)、氧化钽铪(hftao)、氧化钛铪(hftio)、氧化锆铪(hfzro)、氧化锆、氧化钛、氧化铝、二氧化铪—氧化铝(hfo2—al2o3)合金或其他适当介电材料。于部分实施方式中，栅极介电层230包含氧化层。栅极介电层230可由沉积制程而形成，例如化学气相沉积(chemicalvapordeposition；cvd)、物理气相沉积(physicalvapordeposition；pvd)、原子层沉积(atomiclayerdeposition；ald)、电浆增强化学气相沉积(plasmaenhancedcvd；pecvd)或其他适当技术。
在形成栅极介电层230后，在栅极介电层230上形成虚设栅极电极层240。于部分实施方式中，虚设栅极电极层240可包含多晶硅(poly-si)、多晶硅锗((poly-sige)、金属氮化物、金属硅化物、金属氧化物或金属。于部分实施方式中，虚设栅极电极层240包含含金属材料，例如tin、tan、tac、co、ru、al、其组合或其多个层体。虚设栅极电极层240可通过化学气相沉积(cvd)、物理气相沉积(pvd)、溅镀或用于沉积导电材料的其他适当技术。
参照图1a，方法来到方格106，其中虚设栅极电极层被图案化。参考图2c，在方格106的实施方式中，图2b所示的虚设栅极电极层240经图案化而形成环绕半导体鳍状结构212a的虚设栅极电极242a、以及环绕半导体鳍状结构212b的虚设栅极电极242b。此图案化制程可包含在虚设栅极电极层240的部分上形成图案化遮罩，以该图案化遮罩作为蚀刻遮罩，蚀刻虚设栅极电极层240的其他部分。在蚀刻制程之后，栅极电极层240的受到图案化遮罩覆盖的部分留下而形成虚设栅极电极242a与242b。图案化光罩可通过一系列的步骤而形成，包含沉积、光刻微影图案化以及蚀刻制程。图案化遮罩可以是硬式光罩，用于保护其下的虚设栅极电极层240，以免后续蚀刻制程。在蚀刻之后，移除图案化光罩。虚设栅极电极242a与242b具有实质平行的长轴，其实质垂直于半导体鳍状结构212a与212b的长轴。于部分实施方式中，相邻的两个虚设栅极电极242a由第一间距sp1分隔开来，相邻的两个虚设栅极电极242b由第二间距sp2分隔开来，且虚设栅极电极242a以第三间距sp3与虚设栅极电极242b分隔开来。第三间距sp3大于第一与第二间距sp1以及sp2，而负面地影响后续形成的碳涂(spin-oncarbon；soc)层的表面的平整度，其将于后续详细地讨论。
再回到图1a，方法100接着来到方格108，在虚设栅极电极的相对侧壁上，形成栅极间隔物。参照图2d，在方格108的实施方式中，在虚设栅极电极242a与242b的每个侧壁上，形成栅极间隔物250。在部分实施方式中，栅极间隔物250是多层式间隔物且包含内间隔层252以及外间隔层254。内间隔层252与外间隔层254可包含不同材料。于部分实施方式中，内间隔层252与外间隔层254可包含氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、碳氮化硅、碳氮氧化硅、碳氧化硅、多孔介电材料、氢掺杂的碳氧化硅(sioc:h)、低介电(low-k)的介电材料或其他适当材料。形成栅极间隔物250的方法包含利用例如化学气相沉积、物理气相沉积或原子层沉积，在图2c的结构上毯覆地形成内间隔层252与外间隔层254，接着，进行蚀刻制程(例如非等向性蚀刻)以移除内间隔层252与外间隔层254的水平部分。内间隔层252与外间隔层254位于虚设栅极电极242a与242b的侧壁上的剩余部分可作为栅极间隔物250。于部分实施方式中，此蚀刻制程也移除了在内间隔层252与外间隔层254的水平部分下方的栅极介电层230的部分(请见图2c)，在蚀刻制程后，栅极介电层230的部分剩余于各个虚设栅极电极242a与242b下方。于本文中，此栅极介电层230的剩余部分可作为栅极介电层232。于部分实施方式中，如果栅极介电层232并未在间隔物层蚀刻制程后分隔开来，可在间隔物层蚀刻制程后，对栅极介电层230进行一或多个蚀刻制程，而形成分隔的栅极介电层232。
参照图1a，方法接着来到方格110，在基板210上形成磊晶结构。参照图2e，在方格110的部分实施方式中，磊晶源极/漏极结构260a与260b形成于各个鳍状结构212a与212b上。详细而言，局部移除(或局部凹陷)半导体鳍状结构212a与212b未受到虚设栅极电极242a、242b以及栅极间隔物250覆盖的部分，以在各个半导体鳍状结构212a与212b中形成凹槽212r1与212r2，且在半导体鳍状结构212a与212b的凹槽212r1与212r2中分别磊晶成长磊晶源极/漏极结构260a与260b。凹槽212r1与212r2的形成可包含干蚀刻制程、湿蚀刻制程或干蚀刻制程与湿蚀刻制程的组合。此蚀刻制程可包含反应式离子蚀刻(reactiveionetch；rie)，其使用虚设栅极电极242a、242b以及栅极间隔物250作为光罩。于部分实施方式中，在蚀刻制程后，可使用氢氟酸(hf)或其他适当溶液进行预清洁制程，以清洁凹槽212r1与212r2。
磊晶源极/漏极结构260a与260b可使用一或多个磊晶制程而形成，例如硅特征、硅锗特征、磷酸硅(sip)特征、碳化硅(sic)特征以及/或其他能以结晶状态形成的适当特征。于部分实施方式中，磊晶源极/漏极结构260a与260b的晶格常数不同于半导体鳍状结构212a与212b的晶格常数，而使半导体鳍状结构212a与212b内的通道区经由磊晶源极/漏极结构260a与260b而被拉伸或压缩，以改善半导体装置的载子迁移率并增进装置效能。
详细而言，当拉伸应力施加于通道区时，电子迁移率增加且空穴迁移率减少，且当压缩应力施加于通道区时，电子迁移率减少且空穴迁移率增加。因此，能提供通道区拉伸应力的应力源(stressor)，有益于n型晶体管，且能提供通道区压缩应力的应力源，也有益于p型晶体管。举例而言，于部分实施方式中，当源极/漏极结构260a与/或260b用于形成n型晶体管时，源极/漏极结构260a与/或260b可作为应力源，包含例如sip、sic或sicp，其能用对通道产生拉伸应力；于部分实施方式中，当源极/漏极结构260a与/或260b用于形成p型晶体管时，源极/漏极结构260a与/或260b可作为应力源，包含例如sige，其能用对通道产生压缩应力。
磊晶制程包含化学气相沉积技术(例如气相磊晶法(vapor-phaseepitaxy；vpe)法以及/或超高真空气相沉积法(ultra-highvacuumcvd；uhv-cvd))、分子束磊晶法以及/或其他适当制程。此磊晶制程可使用气体以及/或液体前驱物，其与半导体鳍状结构212a与212b的成分(例如硅、硅锗、磷酸硅或相似材料)互相作用。磊晶源极/漏极结构260a与260b可以是原位掺杂的。此掺杂物质包含p型掺杂物，例如硼或氟化硼(bf2)；n型掺杂物，例如磷或砷；以及/或其他适当掺杂物包含其组合。如果磊晶源极/漏极结构260a与/或260b并非原位掺杂的，则可通过第二植入制程(例如接面植入制程(junctionimplantprocess))来掺杂磊晶源极/漏极结构260a与/或260b。可进以一或多个退火制程以激化磊晶源极/漏极结构260a与/或260b。退火制程可包含快速热退火(rapidthermalannealing；rta)制程及/或镭射退火制程(laserannealingprocesses)。
参照图1a，方法接着来到方格112，在基板上形成多层式光罩的底层。参照图2f，在方格112的部分实施方式中，多层式光罩390(参照图2k)的底层320可包含使用旋转式涂布(spin-oncoating)法形成的富含碳的材料。在此实施方式中，底层320也可被称为碳涂(spin-oncarbon；soc)层320。在部分实施方式中，底层320的富含碳的材料具有羟基(–oh)且具有不低于50％的碳原子浓度，这有利于在后续化学处理中在底层320中产生交联(crosslinks)，进而改善后续的化学机械研磨制程中的化学机械研磨阻抗，其将会于后续详细介绍。举例而言，碳原子浓度的范围在大约50％至大约70％之间。如果底层320的碳原子浓度小于大约50％，在后续化学处理中底层320中产生的交联可能不足以达到理想的化学机械研磨阻抗。如果碳原子浓度大于大约70％，底层320中的氧原子浓度可能太低而无法产生足够的交联。底层320可由具有羟基(–oh)的有机材料形成，其中有机材料例如为有机聚合物(例如丙烯酸酯(acrylate)、甲基丙烯酸甲酯(methacrylate)、聚酯(polyester)、酚醛(novolac)、聚酰亚胺(polyimide)或其他适当材料)。
于部分实施方式中，在旋转式涂布法后，可在大约摄氏150度至大约摄氏600度的温度范围内，大约30分钟至大约1小时的期间内，在退火气体环境中，对底层320进行退火。如果退火温度低于大约摄氏150度以及/或如果退火期间小于大约30分钟，所造成的底层320可能会太具流动性而难以支撑多层式光罩(例如图2k的多层式光罩390)的光阻。如果退火温度高于大约摄氏600度以及/或如果退火期间大于大约1小时，底层320中可能会发生不必要的热解(例如裂解)，而使底层320脱气，且裂解的底层320可能会剥落而造成多层式光罩中的缺陷。退火气体可包含空气、氮气、氧气、氢气、氮/氢气、氮/氧气、氢/氧气、其组合或其他相似物。于部分实施方式中，底层320可使用单一退火制程进行退火。于其他实施方式中，底层320可使用多个退火制程进行退火。
由于第三间距sp3以及第一与第二间距sp1、sp2(请见图2c)的差异，底层320具有非平整上表面s1。详细而言，底层320包含位于虚设栅极电极242a上的升部322、位于虚设栅极电极242b上的升部324以及位于升部322以及324之间的凹部326。升部324的顶部与凹部326的顶部以距离d1分隔开来。于部分实施方式中，由于虚设栅极电极242b的数量大于虚设栅极电极242a的数量，升部324的顶部高于升部322的顶部。
在部分实施方式中，底层320的厚度(例如凹部326的厚度)可在大约
参照图1a，方法接着来到方格114，对底层320进行化学处理。参照图2g，在方格114的部分实施方式中，化学处理可以包含施加催化剂400至底层320的上表面s1上，进而在底层320中引发交联，而硬化底层320的至少表层。催化剂400的ph值小于大约7，以提供底层320质子(h+)，其有益于交联的产生。如果催化剂400的ph值高于大约7，底层320中可能不会发生交联。在化学处理后，底层320的表层转变为经处理的碳涂部分320a，且位于经处理的碳涂部分320a下的底层320的下部分(也被称为下层)可保留未经处理的而被称为未经处理的碳涂部分320b。化学处理可能不会影响底层320的表面型态。举例而言，在化学处理后，上表面s1的表面型态维持实质未变的。
图3表示根据本揭露的部分实施方式化学处理的转化机制。在化学处理的初始，底层320(参考图2g)提供分子r1–oh，r1–oh是底层320的多个分子的其中一个。于部分实施方式中，r1可以是有机聚合物，例如丙烯酸酯(acrylate)、甲基丙烯酸甲酯(methacrylate)、聚酯(polyester)、酚醛(novolac)、聚酰亚胺(polyimide)或其他适当材料。
其后，通过将催化剂400涂于底层320上，质子(h+)被加至底层320(参照图2f)的r1–oh，进而引发质子化过程(protonationprocess)。举例而言，r1-oh的羟基之一被催化而质子化成为oh2+。经由此质子化过程，r1–oh转变为r1–oh2+。于部分实施方式中，催化剂400可以是气态的或液态的。催化剂400可以是布忍斯特酸(
其次，在r1–oh2+以及底层320(参照图2f)的另一分子r2–oh之间，发生分子间亲核取代(intermolecularnucleophilicsubstitution)。应注意到，r1’–c即为图3的r1。举例而言，底层320的另一分子r2–oh的羟基攻击底层320的r1’–c–oh2+的碳原子，而使r1’–c–oh2+的oh2+作为良好的离去基团而可离开碳原子。经由此机制，两个分子产生交联，而失去水(h2o)且形成具有质子(h+)的复合物r1’–c–o–r2。
于部分实施方式中，r2可以是任何有机聚合物，例如丙烯酸酯(acrylate)、甲基丙烯酸甲酯(methacrylate)、聚酯(polyester)、酚醛(novolac)、聚酰亚胺(polyimide)或其他适当材料。于部分实施方式中，r1可以与r2相同。于部分实施方式中，r1可以不同于r2。换句话说，底层320可由单一种分子或至少两种分子所组成。于部分实施方式中，底层320的分子(例如r1–oh与r2–oh)可以是具有羟基(–oh)的适当分子，例如醇(例如一级醇、二级醇或三级醇)、羧酸或其他适当分子。
其后，质子(h+)会离开复合物r1’–c–o–r2，且作为催化剂400，以加至底层320的r1–oh。交联的复合物r1–o–r2具有c–o–c连结，其以一个氧原子连接两个碳原子。详细而言，经处理的碳涂部分320a(如图2g所示)包含具有c–o–c连结的交联复合物r1–o–r2，而未经处理的碳涂部分320b包含具有羟基(–oh)的聚合物，例如r1–oh与r2–oh。在经处理的碳涂部分320a中的交联可增加后续化学机械研磨制程中的阻抗。换句话说，经处理的碳涂部分320a对后续化学机械研磨制程的阻抗高于未经处理的碳涂部分320b对后续化学机械研磨制程的阻抗。于部分实施方式中，可以在酸性环境中，选择性地使用二氧化锰，以加速质子(h+)与水(h2o)的离开。
化学处理的时间长度在大约10分钟至大约2小时的范围之间。如果该时间长度小于大约10分钟，经处理的碳涂部分320a可能会太薄而无法在后续化学机械研磨制程中做为化学机械研磨停止层。如果该时间长度大于大约2小时，可能会不必要地延长生产时间。化学处理可在温度范围大约摄氏20度至大约摄氏150度的范围内进行。如果化学处理在高于摄氏150度的温度下进行，催化剂400可能会被蒸发。如果化学处理在低于20度的温度下进行，为了使经处理的碳涂部分320a具有适当厚度以作为化学机械研磨停止层，化学处理的时间长度可能会被延长，而导致生产时间不必要地延长。于部分实施方式中，可以对底层320进行二个或更多的化学处理。于部分实施方式中，在化学处理后，可使用去离子水清除残留的催化剂400。在清洗制程后，可进行旋转干燥制程(spindryprocess)，以移除去离子水。
于此，图2g中的虚线表示经处理的碳涂部分320a与未经处理的碳涂部分320b的交界。在部分实施方式中，经处理的碳涂部分320a与未经处理的碳涂部分320b可能不会有明显的介面于其中，因为催化剂400所施加的质子可能会在底层320中缓慢扩散。作为扩散的结果，底层320中的交联(例如交联复合物r1–o–r2对所有分子的比例)可能会随位置变化。举例而言，经处理的碳涂部分320a邻近上表面s1的上部分比经处理的碳涂部分320a的下部分具有较高程度的交联。换句话说，经处理的碳涂部分320a中的交联复合物r1–o–r2的百分比比例可随其与上表面s1距离的增加而降低。也可以说，经处理的碳涂部分320a中的交联程度可随其与未经处理的碳涂部分320b的距离的增加而增加。由于化学机械研磨阻抗与碳涂材料中的交联正相关，经处理的碳涂部分320a的上部分相较于经处理的碳涂部分320a的下部分可具有较高的化学机械研磨阻抗。
在部分实施方式中，催化剂400施加于底层320的整个上表面s1。于部分其他实施方式中，催化剂400施加于底层320的上表面s1的部分区域，期将于后续参照图6a至图6e详细介绍。
参照图1a，方法100来到方格116，在底层上形成牺牲层。参照图2h，在方格116的部分实施方式中，牺牲层330形成于底层320的不平整上表面s1上，且牺牲层330的上表面s2可以具有与底层320的不平整上表面s1实质相同的表面形貌。牺牲层330可包含富含碳的材料、其他介电材料半导体材料或其组合。在牺牲层330包含富含碳的材料的部分实施方式中，牺牲层330可以使用旋转式涂布法形成，且被称为碳涂层330。牺牲层330可由有机聚合物组成，例如丙烯酸酯(acrylate)、甲基丙烯酸甲酯(methacrylate)、聚酯(polyester)、酚醛(novolac)、聚酰亚胺(polyimide)或其他适当材料。在部分实施方式中，牺牲层330的碳原子浓度的范围在大约50％至大约99.9％之间。如果碳涂层330的碳原子浓度小于大约50％，碳涂层330与经处理的碳涂部分320a的化学机械研磨的阻抗差异可能会太小，而难以经处理的碳涂部分320a阻挡后续的化学机械研磨。
在部分实施方式中，碳涂层330的厚度(例如上表面s1至上表面s2的垂直距离)在大约
在部分实施方式中，于旋转式涂布法后，对碳涂层330进行退火。可在大约摄氏150度至大约摄氏600度的温度范围内，大约30分钟至大约1小时的期间内，在退火气体环境下，进行此退火制程。如果退火温度低于大约摄氏150度以及/或如果退火期间小于大约30分钟，碳涂层330可能会太具流动性而难以进行后续的化学机械研磨，其会降低研磨的均匀度。如果退火温度高于大约摄氏600度以及/或如果退火期间大于大约1小时，碳涂层330可能会脱气，碳涂层330中可能会发生不必要的热解(例如裂解)。退火气体可包含空气、氮气、氧气、氢气、氮/氢气、氮/氧气、氢/氧气、其组合或其他相似物。于部分实施方式中，碳涂层330可使用单一退火制程进行退火。于其他实施方式中，碳涂层330可使用多个退火制程进行退火。
在其他部分实施方式中，牺牲层330可由不同于碳涂材料的材料所形成。举例而言，牺牲层330包含sio2、hfo2、zro2、la2o3、al2o3、tio2、ta2o5、sin、sic、sion、alon、sioc、sicn、sionc、si、sige、ge、sip、gaas、inp、相似物或其组合，且可使用化学气相沉积(cvd)、电浆增强化学气相沉积(pecvd)、原子层沉积(ald)、相似方法或其组合而形成。
再回到图1a，方法100来到方格118，平坦化牺牲层330。参照图2i，在方格118的部分实施方式中，平坦化牺牲层330直到抵达经处理的碳涂部分320a。在部分实施方式中，可以使用化学机械研磨制程来平坦化牺牲层330。详细而言，化学机械研磨使用研磨液(slurry)中的反应物与牺牲层330的不平整上表面s2(参照图2h)进行化学反应，而产生容易研磨的层体。此研磨液可包含部分主动研磨成分，例如研磨颗粒。举例而言，研磨颗粒由氧化钛、氧化硅或氧化铈组成。在研磨片下，研磨液中的研磨颗粒提供磨损作用，牺牲层330随磨损作用逐渐被移除。
于此，通过前述的化学处理，使研磨终点更加分明。详细而言，因为经处理的碳涂部分320a比未经处理的碳涂层330具有较高的交联程度，而使经处理的碳涂部分320a与未经处理的碳涂层330之间有化学机械研磨选择性。如此一来，经处理的碳涂部分320a可做为化学机械研磨制程中的化学机械研磨停止层。详细而言，经处理的碳涂部分320a对化学机械研磨制程的阻抗高于未经处理的碳涂层330对化学机械研磨制程的阻抗。换句话说，经处理的碳涂材料对研磨液的阻抗高于未经处理的碳涂材料对研磨液的阻抗。举例而言，图4展示化学机械研磨制程的经处理的碳涂材料(例如经处理的碳涂部分320a)与未经处理的碳涂材料(例如未经处理的碳涂层330或未经处理的碳涂部分320b)的移除速率。经处理的碳涂材料的移除速率可低于大约
在化学机械研磨制程之后，可以使用去离子水清除化学机械研磨制程的残余物，例如基板210上的研磨液以及研磨颗粒。在清洗之后，可选择性地对基板210进行一或多个退火制程，进而硬化碳涂层320以及330。可在大约摄氏150度至大约摄氏600度的温度范围，大约30分钟至大约1小时的期间内，在环境气体例如为空气、氮气、氧气、氢气、氮/氢气、氮/氧气或氢/氧气之下，进行此退火制程。如果退火温度低于大约摄氏150度以及/或如果退火期间小于大约30分钟，所造成的碳涂层320与330可能会太具流动性而难以进行后续的蚀刻制程。如果退火温度高于大约摄氏600度以及/或如果退火期间大于大约1小时，碳涂层320以及/或330中可能会发生不必要的热解(例如裂解)，碳涂层320与330可能会脱气，且裂解的碳涂层320与330可能会剥落而造成多层式光罩(参照图2k所述的多层式光罩390)中的缺陷。
参照图1a，方法100接着来到方格120，对底层与牺牲层进行非选择性回蚀(etchback)制程。参照图2j，在方格120的部分实施方式中，牺牲层330与底层320被非选择性地回蚀。此非选择性回蚀制程使未经处理的碳涂层330与经处理的碳涂部分320a被移除，而在基板210上留下未经处理的碳涂部分320b。在本文中，“选择性蚀刻”表示两个层体的蚀刻速率的差异小于其中一个蚀刻速率的百分之十。于部分实施方式中，两个层体(例如经处理的碳涂材料与未经处理的碳涂材料)的蚀刻速率的比值可在大约0.25至大约4的范围内。如此一来，保留的未经处理的碳涂部分320b的上表面s5相较于底层320的不平整上表面s1(参照图2e)具有更好的平整度，进而改善后续形成于保留的未经处理的碳涂部分320b上的光阻层的平整度，其将于后续详细介绍。
于部分实施方式中，非选择性回蚀制程包含电浆蚀刻制程，其使用具有含硫气体与含氧气体的蚀刻剂。举例而言，含硫气体可为so2，含氧气体可为o2。详细而言，含氧气体与含硫气体的气体体积比可在大约2至大约5的范围内。如果此含氧气体与含硫气体的气体体积比大于大约5，经处理的碳涂材料与未经处理的碳涂材料的蚀刻速率可能会太高而难以掌控，也会增加无益的侧向蚀刻。如果含氧气体与含硫气体的气体体积比小于大约2，经处理的碳涂材料与未经处理的碳涂材料的蚀刻速率可能会太低，进而导致蚀刻时间不必要地延长。
图5展示根据本揭露的部分实施方式中的非选择性的蚀刻制程中经处理与未经处理的碳涂材料的蚀刻速率。如图5所示，经处理的碳涂材料(例如经处理的碳涂部分320a)的蚀刻速率可与未经处理的碳涂材料(例如未经处理的碳涂部分320b以及未经处理的碳涂层330)的蚀刻速率实质相同。举例而言，经处理的碳涂材料与未经处理的碳涂材料的蚀刻速率比在大约0.9至大约1.1的范围之间。如果该经处理的碳涂材料与未经处理的碳涂材料的蚀刻速率大于大约1.1或小于大约0.9，保留的未经处理的碳涂部分320b的上表面s5可能会有不令人满意的平整度，而使后续形成于上表面s5上的光阻层不均匀，进而导致后续微影制程中的微影问题(例如曝光可能会因为光阻层不均匀而失焦)。
参照图1b，方法100接着来到方格122，在未经处理的碳涂部分上形成一或多个中间层以及顶层，以形成多层式光罩。参照图2k，在方格122的部分实施方式中，在未经处理的碳涂部分320b上，依序形成第一中间层340、选择性的第二中间层350以及顶层360，以形成多层式光罩390。在部分实施方式中，第一中间层340可包含无机含硅材料，例如碳氧化系(sioc)或相似物。于部分实施方式中，第一中间层340可使用旋转涂布法、化学气相沉积(cvd)、电浆增强化学气相沉积(pecvd)、原子层沉积(ald)、相似方法或其组合而形成。于部分实施方式中，第一中间层340可作为无机硬式光罩层。于其他实施方式中，第一中间层340可作为无机底部抗反射镀膜(bottomanti-reflectivecoating；barc)层。
于第一中间层340上，选择性地形成第二中间层350。于部分实施方式中，第二中间层350可作为有机底部抗反射镀膜(barc)层。于部分实施方式中，第二中间层350可具有适当有机材料且可经由旋转涂布方法或相似方法形成。第二中间层350基于其材料以及波长而形成至适当厚度，该适当厚度足以提供足够的抗反射品质。于其他实施方式中，可以省略第二中间层350。
在第二中间层350上，形成顶层360。于部分实施方式中，顶层360包含光阻材料，且可经由旋转涂布方法或相似方法形成。因此，顶层360在本文中可以被称为光阻层。于部分实施方式中，未经处理的碳涂部分320b、第一中间层340、第二中间层350以及顶层360合称为多层式光罩390。如图2k所示，由于第一中间层340、第二中间层350以及顶光阻层360堆叠于未经处理的碳涂部分320b的平坦上表面s5上，顶光阻层360的上表面s6可具有良好的平整度，因而可解决光刻微影的问题(例如因光阻层不均匀而造成曝光光线的失焦)。
参照图1b，方法100接着来到方格124，图案化顶层。参照图2l，在方格124的部分实施方式中，照射(曝光)并显影顶层360，进而在顶层360造成开口o1。顶层360的开口o1位于一或多个虚设栅极电极(例如虚设栅极电极242b)之上，而使多层式光罩390可作为以下栅极切断制程(gatecutprocess)的蚀刻遮罩。
光阻层(例如顶层360)的平整度对于光刻微影的结果有许多影响。举例而言，用于照射光阻层的曝光机具有聚焦预算(focusbudget)，聚焦预算是在光刻微影制程中涵盖曝光机聚焦变异(focusvariation)的景深(depthoffocus；dof)的最小值。光阻层的平整度不好会导致聚焦变异恶化，进而对聚焦预算造成负面影响。更甚者，使用光刻微影技术形成的各种图案的关键尺寸(cd)在晶圆各处是期望为均匀的，关键尺寸的均匀度至少有赖于光阻层的平整度。而且，关键尺寸的均匀度与光阻层的平整度是正相关的。换句话说，光阻层的平整度不良会导致关键尺寸的均匀度降低。举例而言，如果光阻层是不均匀的，显影后检测(afterdevelopmentinspection；adi)的结果会显示图案化光阻层中关键尺寸均匀度不良。然而，图1a与图1b的方格112-122会使光阻层360有良好的平整度，因而可以改善聚焦预算以及/或关键尺寸均匀度。
参照图1b，方法100接着来到方格126，图案化中间层以及未经处理的碳涂部分。参照图2m与图2n，在方格126的部分实施方式中，进行一图案化制程，而将顶光阻层360中的开口o1转移至下方的中间层350、340以及未经处理的碳涂部分320b，而在未经处理的碳涂部分320b中形成开口o2，露出将被蚀刻的一或多个虚设栅极电极242b。于部分实施方式中，此图案化制程包含一或多个蚀刻制程，其使用顶光阻层360作为蚀刻遮罩。此一或多个蚀刻制程可包含非等向性湿蚀刻制程、非等向性干蚀刻制程或其组合。于部分实施方式中，未经处理的碳涂部分320b经由蚀刻剂而被蚀刻，该蚀刻剂实质上相同于图2j所示的非选择性回蚀中所使用的蚀刻剂。举例而言，该蚀刻制程包含电浆蚀刻制程，其使用具有含硫气体与含氧气体的蚀刻剂。举例而言，含硫气体可为so2，含氧气体可为o2。详细而言，含氧气体与含硫气体的气体体积比可在大约2至大约5的范围内。如果此含氧气体与含硫气体的气体体积比大于大约5，未经处理的碳涂材料的蚀刻速率可能会太高而难以掌控，也会增加无益的侧向蚀刻。如果含氧气体与含硫气体的气体体积比小于大约2，未经处理的碳涂材料的蚀刻速率可能会太低，进而导致蚀刻时间不必要地延长。
参照图1b，方法100接着来到方格128，对未经处理的碳涂部分所露出的虚设栅极电极，进行栅极切断制程(gatecutprocess)。参照图2o与图2p，在方格128的部分实施方式中，使用未经处理的碳涂部分320b作为蚀刻遮罩，蚀刻开口o2所露出的虚设栅极电极242b。如此一来，未经处理的碳涂部分320b所露出的各虚设栅极电极242b被分开(切开)成多个虚设栅极电极242c(请见图2p的上视图)，因此此蚀刻制程可被称为栅极切断制程。于部分实施方式中，开口o2下的栅极间隙物250、半导体鳍状结构212b以及磊晶源极/漏极结构260b也被蚀刻。此蚀刻包含一或多个非等向性湿蚀刻制程、非等向性干蚀刻制程或其组合。中间层340与350可能在蚀刻制程中耗损。
再回到图1b，方法100接着来到方格130，移除未经处理的碳涂部分。在方格130的部分实施方式中，经由一蚀刻制程，移除保留的未经处理的碳涂部分320b。所造成的结构如图2q所示。举例而言，该蚀刻制程包含电浆蚀刻制程，其使用具有含硫气体(例如so2)与含氧气体(例如o2)的蚀刻剂。
再回到图1b，方法100接着来到方格132，在基板上形成接触蚀刻停止层(contactetchstoplayer；cesl)以及层间介电层。参照图2r与图2s，在方格132的部分实施方式中，在基板210上形成接触蚀刻停止层270以及层间介电层280。接触蚀刻停止层270以及层间介电层280的形成包含在基板210上依序沉积接触蚀刻停止层270以及层间介电层280，接着对层间介电层280进行化学机械研磨制程直到抵达虚设栅极电极242a与242b。接触蚀刻停止层270包含氮化硅、氮氧化硅或其他适当材料，且可通过例如电浆化学气相沉积法、低压化学气相沉积法、原子层沉积法或其他适当技术而沉积。层间介电层280的材料不同于接触蚀刻停止层270的材料。于部分实施方式中，层间介电层280可包含氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、四乙氧基硅烷(tetraethoxysilane；teos)、磷硅酸盐玻璃(phosphosilicateglass；psg)、硼磷硅玻璃(borophosphosilicateglass；bpsg)、低介电(low-k)的介电材料以及/或其他适当介电材料。低介电(low-k)的介电材料的例子包含但不限于氟硅玻璃(fluorinatedsilicaglass；fsg)、掺碳氧化硅、氟化非晶碳(amorphousfluorinatedcarbon)、帕里纶(parylene)、苯并环丁烯(bis-benzocyclobutenes；bcb)或聚酰亚胺(polyimide)。层间介电层280可采用例如化学气相沉积法、原子层沉积法、旋涂式玻璃(spin-on-glass；sog)或其他适当技术而沉积。
再回到图1b，方法100接着来到方格134，以取代栅极电极分别取代虚设栅极电极。参照图2t与图2u，在方格134的部分实施方式中，使用「后栅极(gate-last)」或取代栅极制程，以取代栅极电极290(也称为金属栅极电极)取代虚设栅极电极242a、242b以及242c(如图2r与图2s所示)。举例而言，移除虚设栅极电极242a、242b以及242c而在间隔物250之间形成栅极沟槽，在栅极沟槽中形成取代栅极电极290。取代栅极电极290的形成可包含在栅极沟槽中毯覆地沉积一或多个功函数金属层292，在功函数金属层292上沉积填充金属294，以及以化学机械研磨制程移除在栅极沟槽之外的一或多个功函数金属层以及填充金属的额外部分，而使一或多个功函数金属层292以及填充金属294剩余的部分可作为取代栅极电极290。
功函数金属层292可包含一或多个n型功函数金属(n型金属)，以形成n型晶体管。此n型功函数金属可范例性地包含但不限于钛铝(tial)、氮化钛铝(tialn)、碳氮化钽(tacn)、铪(hf)、锆(zr)、钛(ti)、钽(ta)、铝(al)、金属碳化物(例如碳化铪(hfc)、碳化锆(zrc)、碳化钛(tic)、碳化铝(alc))、铝化物以及/或其他适当材料。在其他实施方式中，功函数金属层292可包含一或多个p型功函数金属(p型金属)，以形成p型晶体管。此p型功函数金属可范例性地包含但不限于氮化钛(tin)、氮化钨(wn)、钨(w)、钌(ru)、钯(pd)、铂(pt)、钴(co)、镍(ni)、导电氧化物以及/或其他适当材料。于部分实施方式中，由原子层沉积制程，形成功函数金属层。填充金属294可范例性地包含但不限于钨、铝、铜、镍、钴、钛、钽、氮化钛、氮化钽、硅化镍、硅化钴、tac、tasin,tacn、tial、tialn或其他适当材料。于部分实施方式中，由原子层沉积制程，形成填充金属。
图6a至图6e描述部分实施方式中形成半导体装置的各个步骤的剖面图。第图6a至图6e的步骤可在前述图2f的步骤后进行。参照图6a，在底层320的升部322与凹部326上形成图案化遮罩pm，且露出底层320的升部324。于部分实施方式中，图案化遮罩pm可由适当的光阻材料经由适当微影制程而图案化。光阻材料可通过旋转涂布法或类似方法而形成。
接着，参照图6b，施加催化剂400至升部324上，而使底层320的升部324的表层被化学处理，而于此后称为经处理的碳涂部分320a。底层320被图案化遮罩pm覆盖的另一部分保持未经处理的，而于此后称为未经处理的碳涂部分320b。化学处理的详细叙述如前述图1a的方法100的方格114所讨论，在此为简明起见省略。
参照图6c，在底层320上形成牺牲层330。于本实施方式中，牺牲层330可接触未经处理的碳涂部分320b以及经处理的碳涂部分320a。形成牺牲层330的详细叙述如前述图1a的方法100的方格116所讨论，在此为简明起见省略。
参照图6d，使用例如化学机械研磨制程，平坦化牺牲层330直到抵达经处理的碳涂部分320a。因为经处理的碳涂部分320a比未经处理的碳涂层330具有较高的交联程度，经处理的碳涂部分320a与未经处理的碳涂层330之间有化学机械研磨选择性。如此一来，经处理的碳涂部分320a可做为平坦化制程中的化学机械研磨停止层。平坦化制程的详细叙述如前述图1a的方法100的方格118所讨论，在此为简明起见省略。
参照图6e，牺牲层330与底层320(参照图6d)被非选择性地回蚀。此非选择性回蚀制程使未经处理的碳涂层330与经处理的碳涂部分320a被移除，而在基板210上留下未经处理的碳涂部分320b。此非选择性回蚀制程使保留的未经处理的碳涂部分320b的上表面相较于底层320的不平整上表面(参照图6d)具有更好的平整度，进而改善后续形成于保留的未经处理的碳涂部分320b上的多层式光罩的光阻层的平整度。此非选择性回蚀制程的详细叙述如前述图1a的方法100的方格120所讨论，在此为简明起见省略。在选择性回蚀制程后，进行图1b中的方法100的方格122至134。
从以上讨论，可以看到本案有多个优点。应了解到，其他实施方式可提供额外的功效、并非所有的优点皆被揭露于此、且所有实施方式并不限于一特定的优点。本案优点之一是：改善光阻的平整度，进而改善聚焦预算以及/或图案化光阻层中的关键尺寸均匀度。另一优点是因为对碳涂层进行的化学机械研磨可在露出碳涂层的经处理表层时停止，进而可以防止化学机械研磨对于碳涂层下方的结构(例如栅极电极、间隔物以及/或鳍状结构)造成损害。
根据本揭露的部分实施方式，提供一种方法。该方法包含在一目标结构上，形成一碳涂层；化学处理该碳涂层的一上部分；在该碳涂层上，形成牺牲层；在该牺牲层上进行一化学机械研磨制程，直到抵达该碳涂层，其中该碳涂层的经化学处理的该上部分对该化学机械研磨制程的阻抗高于该牺牲层对该化学机械研磨制程的阻抗；在该化学机械研磨制程后，在该碳涂层上形成一图案化光阻层；以及以该图案化光阻层作为一遮罩，蚀刻该目标结构。
于部分实施方式中，化学处理该碳涂层的上部分包含将催化剂涂于碳涂层的上部分上。
于部分实施方式中，催化剂的ph值小于大约7。
于部分实施方式中，牺牲层包含碳涂材料。
于部分实施方式中，化学处理碳涂层的上部分使碳涂层的下部分对化学机械研磨制程的阻抗低于碳涂层的经化学处理的上部分对该化学机械研磨制程的阻抗。
于部分实施方式中，化学处理碳涂层的上部分使碳涂层的经化学处理的上部分包含具有c–o–c连结的复合物。
于部分实施方式中，形成牺牲层包含在碳涂层上沉积介电材料。
于部分实施方式中，形成牺牲层包含在碳涂层上沉积半导体材料。
于部分实施方式中，该方法更包含在化学机械研磨制程后进行蚀刻步骤，以蚀刻碳涂层的经化学处理的上部分以及牺牲层。
于部分实施方式中，碳涂层的经化学处理的上部分在该蚀刻制程中具有第一蚀刻速率，碳涂层的下部分在该蚀刻制程中具有第二蚀刻速率，第一蚀刻速率比第二蚀刻速率的比值在范围大约0.9至大约1.1之间。
于部分实施方式中，碳涂层的经化学处理的上部分在该蚀刻制程中具有第一蚀刻速率，牺牲层在该蚀刻制程中具有第二蚀刻速率，第一蚀刻速率比第二蚀刻速率的比值在范围大约0.9至大约1.1之间。
于部分实施方式中，目标结构具有第一虚设栅极结构，且蚀刻目标结构使得有第一虚设栅极结构分成复数个第二虚设栅极结构。
于部分实施方式中，该方法更包含以复数个金属栅极结构取代第二虚设栅极结构。
根据本揭露的部分实施方式，提供一种方法。该方法包含在一目标结构上，形成一碳涂层；化学处理该碳涂层的一上部分；在该碳涂层的经化学处理的该上部分上，形成牺牲层；研磨该牺牲层直到露出该碳涂层的经化学处理的该上部分；以及非选择性蚀刻碳涂层与牺牲层。
于部分实施方式中，非选择性蚀刻碳涂层以及牺牲层包含蚀刻碳涂层的下部分。
于部分实施方式中，在非选择性蚀刻碳涂层以及牺牲层后的碳涂层的上表面相较于在形成牺牲层之前的碳涂层的上表面更为平整。
于部分实施方式中，化学处理碳涂层的上部分使得碳涂层的经化学处理的上部分相较于碳涂层的下部分具有较高程度的交联。
根据本揭露的部分实施方式，提供一种方法。该方法包含在一目标结构上，形成一碳涂层；化学处理该碳涂层的一上部分，而使该碳涂层的上部分相较于该碳涂层的下部分具有更高的交联程度；在该碳涂层上，形成牺牲层；研磨该牺牲层直到抵达该碳涂层；在研磨该牺牲层后，在碳涂层上形成图案化光阻层；以及以该图案化光阻层作为一遮罩，蚀刻该目标结构。
于部分实施方式中，在碳涂层的经化学处理的上部分中，从碳涂层的经化学处理的上部分的底部至碳涂层的经化学处理的上部分的上表面，交联程度逐渐增加。
于部分实施方式中，牺牲层包含碳涂材料，其交联程度低于碳涂层的交联程度。
以上概述多个实施方式的特征，该技术领域具有通常知识者可较佳地了解本揭露的多个态样。该技术领域具有通常知识者应了解，可将本揭露作为设计或修饰其他制程或结构的基础，以实行实施方式中提到的相同的目的以及/或达到相同的好处。该技术领域具有通常知识者也应了解，这些相等的结构并未超出本揭露的精神与范围，且可以进行各种改变、替换、转化，在此，本揭露精神与范围涵盖这些改变、替换、转化。
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