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：

在半导体制造工艺中，通常利用光刻工艺，将掩膜图形转移到衬底上。随着半导体器件尺寸的不断减小，光刻关键尺寸逐渐接近甚至超出了光刻的物理极限，由此给光刻技术提出了更加严峻的挑战。

目前，在形成较小线段或者较小尺寸图形的工艺中，采用形成掩膜层，然后刻蚀，再形成掩膜层，然后再刻蚀，依次进行。但是，形成的图形尺寸会有变化，而且图形的形状不规整，影响半导体器件的性能。

因此，亟需一种在形成尺寸较小且结构规整图形的半导体器件的形成方法。

技术实现要素：

本发明实施例公开了一种半导体器件的形成方法，采用两步工艺，先逐步形成凸起的图形，然后将凸起的图形转移至凹槽中，形成最终的凹槽图形。

本发明公开了一种半导体器件的形成方法，包括：提供基底和形成于所述基底上方分立的第一牺牲结构；形成覆盖第一牺牲结构侧壁的侧墙；在侧墙之间形成过渡材料层；除去侧墙以形成第一凹槽；刻蚀部分过渡材料层，以形成第二凹槽和被第二凹槽隔开的第二牺牲结构；在第一凹槽和第二凹槽内形成介质层；和以介质层为掩膜刻蚀第一牺牲结构和第二牺牲结构，以形成凹槽图形。

根据本发明的一个方面，形成第一凹槽后，过渡材料层和第一牺牲结构被第一凹槽隔开。

根据本发明的一个方面，每个第二牺牲结构形成于相邻第一牺牲结构之间。

根据本发明的一个方面，还包括提供位于基底和第一牺牲结构之间的刻蚀停止层。

根据本发明的一个方面，在刻蚀形成所述凹槽图形后，还包括继续执行刻蚀工艺刻蚀所述刻蚀停止层和所述基底，以在所述基底中形成目标图形。

根据本发明的一个方面，在形成凹槽图形的刻蚀工艺中，刻蚀工艺对第一牺牲结构和第二牺牲结构与对刻蚀停止层具有一定的刻蚀速率比γ，10≤γ≤15。

根据本发明的一个方面，形成的侧墙的工艺步骤包括：形成覆盖第一牺牲结构侧壁和顶部、以及覆盖相邻第一牺牲结构之间的刻蚀停止层顶部表面的侧墙材料层；和回刻侧墙材料层，仅保留形成于第一牺牲结构侧壁的侧墙材料层，即侧墙。

根据本发明的一个方面，形成侧墙材料层的工艺包括原子层沉积工艺。

根据本发明的一个方面，形成过渡材料层的工艺步骤包括：形成填充在侧墙之间、覆盖侧墙顶部和第一牺牲结构顶部的过渡材料；和除去位于侧墙顶部和第一牺牲结构顶部的过渡材料，仅保留形成于侧墙之间的过渡材料，即过渡材料层。

根据本发明的一个方面，形成过渡材料的工艺包括流体化学气相沉积工艺。

根据本发明的一个方面，在形成过渡材料后，除去部分过渡材料之前，还包括对过渡材料进行退火工艺处理。

根据本发明的一个方面，退火工艺的条件包括：退火温度范围为400℃～500℃，退火时间范围为2h～4h。

根据本发明的一个方面，除去位于侧墙顶部和第一牺牲结构顶部的过渡材料的工艺包括干法刻蚀工艺、湿法刻蚀工艺或化学机械平坦化工艺。

根据本发明的一个方面，形成第二牺牲结构和第二凹槽的工艺步骤包括：形成填充第一凹槽的中间材料层；在中间材料层、第一牺牲结构和过渡材料层的顶部形成掩膜层；和以掩膜层为掩膜刻蚀部分过渡材料层，以形成第二牺牲结构和第二凹槽。

根据本发明的一个方面，在形成第二牺牲结构后，还包括除去中间材料层，除去中间材料层后，第一牺牲结构和第二牺牲结构被第一凹槽隔开。

与现有的技术方案相比，本发明的技术方案具备以下优点：

在本发明的技术方案中，形成覆盖各第一牺牲结构侧壁的侧墙；在侧墙之间形成过渡材料层；除去侧墙以形成第一凹槽。除去位于第一牺牲结构侧壁的侧墙，形成第一凹槽，将目标凹槽图形的一部分保留在凸起的第一牺牲结构图形中。其次，刻蚀部分过渡材料层，以形成第二凹槽和被第二凹槽隔开的第二牺牲结构。形成第二牺牲结构，能够在相邻第一牺牲结构之间再一次形成尺寸更小的凸起图形结构，且第一牺牲结构和第二牺牲结构之间的距离较近，形成了比较规整的密集图形。同时，目标凹槽图形全部呈现在凸起的图形中。另外，在第一凹槽和第二凹槽内形成介质层，和以介质层为掩膜刻蚀第一牺牲结构和第二牺牲结构，以形成凹槽图形。这一步工艺能够将凸起的图形转移到凹槽中，形成最终的目标凹槽图形。形成凸起图形的两步工艺能够将原本需要形成的目标凹槽图形先逐步由凸起的牺牲结构图形代替，原本为凸起的区域先用凹槽代替，最终在经过转变后，实现图形的精确转移。

进一步的，形成过渡材料的工艺包括流体化学气相沉积工艺。利用，流体化学气相沉积工艺能够保证过渡材料是结构比较致密，内部不出现空隙，能保证形成的结构比较规整。

附图说明

图1a-图6b是根据本发明的一个实施例半导体器件形成方法的结构示意图。

具体实施方式

如前所述，现有技术在形成具有较小尺寸的图形时，存在着图形结构不规整、尺寸不精确、图形形状易改变等问题。

经研究发现，造成上述问题的原因为：在多次形成掩膜和刻蚀的过程中，掩膜层图形易出现对不准的情况，最终带来图形结构的变化。

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，利用两步工艺，先用凸起图形代替原本需要形成凹槽的图形，进而保证图形结构的精确转移。

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。

在本发明的实施例的每个附图中，b图为半导体器件形成过程中结构的俯视图，a图为b图的结构沿着a-a’方向的剖面线截得的纵截面结构的示意图。下文中不再详细叙述。

请参考图1a和图1b，在基底100上形成刻蚀停止层110和分立的第一牺牲结构121。

基底100作为形成半导体器件的基础。

在本发明实施例中，基底100可以为半导体衬底。基底100的材料为以下所提到的材料中的至少一种：多晶硅、绝缘体上硅(soi)、绝缘体上层叠硅(ssoi)、绝缘体上层叠锗化硅(s-sigeoi)及绝缘体上锗化硅(sigeoi)等。在本发明实施例中，基底100的材料为多晶硅。且基底100内还可以包含有其他结构，如：金属插塞、金属连接层、介电层等结构，或者包含有这些结构组成的其他半导体器件，在这里并不做具体限制。

在本发明的另一实施例中，基底100还可以是金属材料层，如铜层、铝层、钨层等，在这里并不做具体限制。

本发明实施例还包括形成刻蚀停止层110。刻蚀停止层110用于使得后续的刻蚀停止在此处，避免过度刻蚀而破坏基底100的结构。因此，刻蚀停止层110形成于基底100顶部表面。

形成刻蚀停止层110的材料包括tin、tan中的一种或两种组合。具体的，在本发明实施例中，刻蚀停止层110的材料为tin。在本发明的另一个实施例中，刻蚀停止层110的材料为tin和tan的组合。

分立的第一牺牲结构121是具有特定的凸起(在这里，凸起是相对凹槽而言的)图形结构，后续需要将这些图形准确地转移到基底100中。在本发明的实施例中，分立的第一牺牲结构121形成于刻蚀停止层110上方。明显的，形成第一牺牲结构121的工艺为常规的刻蚀工艺，即在要形成第一牺牲结构121的材料层上形成掩膜层，再对掩膜层进行图形化，然后再刻蚀形成。

事实上，目标凹槽图形将会更加的密集。所以可以先选择距离相对较远的目标图形的位置，作为形成第一牺牲结构121的区域，后边再经过第二步工艺形成位于第一牺牲结构121之间的第二牺牲结构(在下文中，为了便于叙述，将第一牺牲结构和第二牺牲结构统称为牺牲结构)，使得整体的图形更加密集规整。

第一牺牲结构121的材料包括传统的多晶si或sio2等。具体的，在本发明实施例中，第一牺牲结构121的材料为sio2。

请参考图2a和图2b，在第一牺牲结构121侧壁形成侧墙130，并在侧墙130之间形成过渡材料层122。

形成侧墙130是为后续转移图形做准备。在本发明实施例中，侧墙130形成于第一牺牲结构121的侧壁。

在本发明实施例中，形成侧墙130的工艺步骤包括：先形成覆盖分立的第一牺牲结构121侧壁和其顶部、以及覆盖相邻第一牺牲结构121之间刻蚀停止层110顶部表面的侧墙材料层(未示出)，然后回刻除去位于第一牺牲结构121顶部和位于相邻第一牺牲结构121之间刻蚀停止层110顶部表面的侧墙材料层，仅保留形成于第一牺牲结构121侧壁的侧墙材料层，也即侧墙130。

在本发明实施例中，形成侧墙材料层的工艺包括原子层沉积工艺(ald)。ald工艺形成侧墙130的结构比较致密、尺寸准确，能够实现后续图形精确转移。

在本发明的其他实施例中，还可以直接将侧墙130形成在第一牺牲结构121的侧壁，在这里并不作具体限制。

形成侧墙材料层的材料包括sinx、sion中的一种或多种组合。具体的，在本发明实施例中，侧墙材料层的材料为sin。在本发明的另一个实施例中，侧墙材料层的材料为sin和sion组合。显然，侧墙130的材料和侧墙材料层的材料是相同的。

需要说明的是，请参考图2b，在本发明实施例中，侧墙130形成于图2b中第一牺牲结构121的上下两侧壁。在本发明的其他实施例中，侧墙130还可以形成于第一牺牲结构121的左右两侧壁，或者形成于第一牺牲结构121四周的侧壁，在这里并不做具体限制。

形成过渡材料层122是为后续形成尺寸更加精细的图形做准备。

过渡材料层122形成于侧墙130之间。形成过渡材料层122的工艺步骤包括：先形成填充侧墙130之间、且同时覆盖侧墙130顶部和第一牺牲结构121顶部的过渡材料(未示出)，然后除去位于侧墙130顶部和第一牺牲结构121顶部的过渡材料，仅保留形成于侧墙130之间的过渡材料，即过渡材料层122。

具体的，在本发明实施例中，形成过渡材料的工艺为流体化学气相沉积工艺(flowablechemicalvapordeposition，fcvd)。fcvd工艺能够较好地将过渡材料填充在侧墙130之间，减少其内部空隙的产生，提高最终形成过渡材料层122的强度，保证尺寸的准确。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，还可以用其他工艺形成过渡材料，如旋涂工艺、其他的沉积工艺或者生长工艺等，在这里并不做具体限制。

在本发明实施例中，由于用fcvd工艺形成过渡材料，因此在后续除去部分过渡材料前，还包括对形成的过渡材料进行退火工艺处理。退火工艺的条件包括：退火温度范围为400℃～500℃(温度为大于等于400℃，小于等于500℃，即范围包括端点数值，下文的范围表述与此处的意义相同)，退火时间范围为2h～4h。具体的，在本发明实施例中，退火的温度为400℃，退火时间为4h。在本发明的另一个实施例中，退火温度为500℃，退火时间为2h。在本发明的又一个实施例中，退火温度为440℃，退火时间为3h。

进行退火工艺处理后，除去位于侧墙130顶部和第一牺牲结构121顶部的过渡材料的工艺包括干法刻蚀工艺、湿法刻蚀工艺或化学机械平坦化工艺(cmp)。具体的，在本发明实施例中，利用cmp工艺研磨除去位于侧墙130顶部和第一牺牲结构121顶部的过渡材料。cmp工艺能够更好地控制研磨的终点。

在本发明实施例中，过渡材料的材料包括多晶硅或sio2。具体的，在本发明实施例中，过渡材料的材料为sio2。明显的，在本发明实施例中，过渡材料的材料和第一牺牲结构121的材料相同，相同的材料便于同步进行后续的刻蚀工艺。在本发明的其他实施例中，过渡材料的材料和第一牺牲结构121的材料也可以不相同，在这里并不做具体限制。

请参考图3a和3b，除去侧墙130，形成第一凹槽141。

除去侧墙130，以形成特定的图形结构。在本发明实施例中，形成第一凹槽141后，第一牺牲结构121所凸起的图形形状实际上代表了目标凹槽图形的部分图形形状。

形成第一凹槽141后，第一牺牲结构121和过渡材料层122被第一凹槽141隔开。

请参考图4a-图4c，形成第二牺牲结构122a和第二凹槽142。

如前所述，形成第二牺牲结构122a是为了形成尺寸更小，更加密集的凸起图形结构。在本发明实施例中，第二牺牲结构122a形成于相邻第一牺牲结构121之间，且明显的，第二牺牲结构122a与第一牺牲结构121之间的距离比较近，整体图形更加密集。同时，第一牺牲结构121和第二牺牲结构122a被第一凹槽141或第二凹槽142隔开。具体的，在本发明实施例中，在形成第二牺牲结构122a之后，第一牺牲结构121和第二牺牲结构122a被第一凹槽141隔开。

如图4c所示，在本发明的其他实施例中，第一牺牲结构121和第二牺牲结构122a之间还可以包括第一凹槽141和第二凹槽142，即，第一牺牲结构121和第二牺牲结构122a被第一凹槽141和第二凹槽142隔开，在这里并不做具体限制。至此，第一牺牲结构121和第二牺牲结构122a所凸起的图形形状代表了最终需要形成的目标凹槽图形的形状。

在本发明实施例中，形成第二牺牲结构122a和第二凹槽142的工艺步骤包括：先形成填充在第一凹槽141的中间材料层(未示出)，然后在中间材料层和过渡材料层的顶部形成掩膜层(未示出)，以掩膜层为掩膜刻蚀部分过渡材料层，以形成第二牺牲结构122a和第二凹槽142，第二牺牲结构122a被第二凹槽142隔开。

且在形成第二牺牲结构122a后，还包括除去中间材料层，在除去中间材料层后，第一牺牲结构121和第二牺牲结构122a被所述第一凹槽141隔开。即在本发明实施例中，形成第二牺牲结构122a后，牺牲结构凸起的图形形状代表了最终需要形成的目标凹槽图形的结构，这一步工艺将不需要形成目标凹槽图形的区域全部去除，以凹槽的区域代替。

如前所述，在刻蚀形成第二牺牲结构122a时，选择以目标凹槽图形中除去第一牺牲结构121所在位置的区域作为形成第二牺牲结构122a的区域。两步工艺中每一步工艺形成相邻图形线之间的距离相对较大，图形较稀疏，但是进行两步工艺后，整体形成的凸起图形结构更加密集。

明显的，第二牺牲结构122a和过渡材料层的材料相同，即在本发明实施例中，第二牺牲结构122a、过渡材料层和第一牺牲结构121的材料均为sio2。

请参考图4b，在本发明实施例中，只是刻蚀除去部分过渡材料层而形成第二牺牲结构122a。在本发明的其他实施例中，还可以同时刻蚀部分第一牺牲结构121或者同时刻蚀部分中间材料层，以形成第二牺牲结构122a，在这里并不作具体限制。

在一种半导体器件的形成方法中，直接形成掩膜层，然后刻蚀形成不同的凹槽图形，然后再次形成掩膜，刻蚀形成不同小尺寸的凹槽图形，依次类推，形成精密的图形。但是，在多次形成凹槽图形的过程中，掩膜层位置不容易控制，易造成图形的错位，进而带来形状变形或者尺寸的偏差的问题，最终影响形成凹槽图形的精确性。

利用本发明实施例的工艺，分两步形成牺牲结构的凸起图形：第一步以形成侧墙的方式辅助图形的形成。第二步保留需要的第一牺牲结构图形，除去大部分不需要的区域，将最终需要形成目标凹槽图形的区域先逐步由牺牲结构的凸起图形代替，而将原本需要保持凸起的区域由凹槽代替。两步的图形转移工艺，能够将图形变得精细、尺寸更小、结构更加密集规整。

请参考图5a-图6b，在第一凹槽和第二凹槽内形成介质层150。

介质层150是为了形成目标凹槽图形。

在本发明实施例中，形成介质层150后，还包括以介质层150为掩膜刻蚀第一牺牲结构121和第二牺牲结构122a，以形成凹槽140，以使第一牺牲结构121和第二牺牲结构122a凸起的图形转移到凹槽140中，以形成最终的目标凹槽图形。

在形成凹槽140的过程中，需要将刻蚀工艺停止在刻蚀停止层110上。因此，在本发明的实施例中，在形成凹槽140的刻蚀工艺中，刻蚀工艺对第一牺牲结构121和第二牺牲结构122a和对刻蚀停止层110具有一定的刻蚀速率比γ。在这里，10≤γ≤15。具体的，在本发明实施例中，γ＝12，即刻蚀过渡材料层的速率为刻蚀刻蚀停止层110速率的12倍。在本发明的另一个实施例中，γ＝14。

综上所述，本发明实施例公开的半导体器件的形成方法，采用两步工艺先逐步形成凸起的图形，然后再刻蚀凸起以形成凹槽，进而实现密集图形的精确转移，使得形成图形尺寸更加规整和准确。

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。