半导体结构的形成方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种半导体结构的形成方法。


背景技术：

2.随着半导体技术的发展，半导体器件的尺寸持续减小。在半导体器件的制备过程中，光刻工艺是决定器件质量的重要环节。尤其在90纳米及以下的制程中，由于半导体结构的特征尺寸很小，因此，高质量的光刻工艺流程是改善器件制备的工艺窗口以及提升器件性能的关键。
3.目前，在一些半导体器件的制备过程中，通常需要采用光刻工艺刻蚀多层不同材料构成的介质层或掩膜层。在现有技术中，对于不同材料的介质层或掩膜层，通常会采用不同的刻蚀工艺进行依次刻蚀。然而，现有的刻蚀工艺的窗口较小，刻蚀后的结构形貌较差。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题是，提供一种半导体结构的形成方法，提升了刻蚀工艺中光刻图形层的完整性，改善了刻蚀工艺窗口以及刻蚀完成后的结构形貌。
5.为解决上述技术问题，本发明的技术方案提供一种半导体结构的形成方法，包括:提供衬底；在所述衬底上形成初始结构，所述初始结构包括位于衬底上的初始第一材料层以及初始掩膜结构，所述初始第一材料层的材料包括多晶硅；在所述初始结构上形成光刻图形层；以所述光刻图形层为掩膜，通过一步刻蚀工艺刻蚀所述初始第一材料层与初始掩膜结构，在所述初始结构内形成初始开口，所述一步刻蚀工艺对所述初始掩膜结构的刻蚀速率与初始第一材料层的刻蚀速率的比值范围为1～1.2，使所述初始第一材料层和初始掩膜结构成为第一材料层和掩膜结构，所述初始开口暴露出所述衬底表面。
6.可选的，所述一步刻蚀工艺采用的气体的碳氟比范围为0.7～1.3。
7.可选的，所述一步刻蚀工艺采用的气体包括主刻蚀气体和保护气体，所述主刻蚀气体包括sf6，cf4，nf3中的一种或多种组合，所述保护气体包括ch2f2，chf3，ch3f，c4f6，c4f8，c5f8中的一种或多种组合。
8.可选的，所述主刻蚀气体为sf6，所述保护气体为ch2f2。
9.可选的，所述一步刻蚀工艺的参数包括：sf6的气体流量为10sccm～30sccm；ch2f2的气体流量为15sccm～45sccm。
10.可选的，所述保护气体对于初始掩膜结构的刻蚀速率与保护气体对于光刻图形层的刻蚀速率的比值范围为1:1～2:1；所述保护气体对于初始第一材料层的刻蚀速率与保护气体对于光刻图形层的刻蚀速率的比值范围为1:1～2:1。
11.可选的，所述初始掩膜结构包括位于初始第一材料层上的初始第一掩膜层、以及位于所述初始第一掩膜层上的初始第二掩膜层。
12.可选的，所述初始第一掩膜层的材料包括氮化硅；所述初始第二掩膜层的材料包括氧化硅。
13.可选的，所述初始结构还包括：位于所述衬底与初始第一材料层之间的初始第一氧化层。
14.可选的，所述一步刻蚀工艺还同时刻蚀所述初始第一氧化层。
15.可选的，所述初始开口的底部表面低于所述衬底顶部表面。
16.可选的，所述初始开口的底部表面与所述衬底顶部表面的距离为150埃～250埃。
17.可选的，所述初始结构还包括：位于所述初始掩膜结构上的初始抗反射层。
18.可选的，在刻蚀所述初始第一材料层与初始掩膜结构之前，还包括：以所述光刻图形层为掩膜，刻蚀所述初始抗反射层，以形成抗反射层。
19.可选的，在形成初始开口后，还包括：以所述掩膜结构为掩膜，刻蚀所述衬底，以形成深沟槽。
20.可选的，所述初始掩膜结构的厚度范围为600埃～1200埃。
21.可选的，所述初始第一材料层的厚度范围为200埃～400埃
22.与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
23.本发明的技术方案提供的半导体结构的形成方法中，相比传统刻蚀工艺中依次使用不同工艺刻蚀不同材料的结构的情况，本发明的技术方案改变了刻蚀工艺的流程，采用一步刻蚀工艺刻蚀所述初始第一材料层与初始掩膜结构，所述一步刻蚀工艺可以减少光刻图形层在刻蚀过程中的损耗，从而改善了光刻图形层在刻蚀过程中的完整性，进而保护了掩膜结构的完整性，有利于改善后续工艺窗口和形成的结构形貌。在一步刻蚀工艺中，通过选择合适的刻蚀气体，使其对于初始掩膜结构的刻蚀速率与初始第一材料层的刻蚀速率的比值范围为1～1.2，由于两种不同材料有接近的刻蚀速率，因此，能够在不更换气体的情况下刻穿初始第一材料层与初始掩膜结构，相比传统工艺采用不同气体依次刻蚀的工艺流程，本发明实施例中的一步刻蚀工艺避免了由于更换刻蚀气体增加的刻蚀时间，减少了光刻图形层的损耗，从而在一步刻蚀工艺完成后，形成形貌良好的第一材料层和掩膜结构。
24.进一步，所述一步刻蚀工艺采用的气体包括主刻蚀气体和保护气体，所述保护气体对于初始掩膜结构的刻蚀速率与保护气体对于光刻图形层的刻蚀速率与范围为1:1～2:1；所述保护气体对于初始第一材料层的刻蚀速率与保护气体对于光刻图形层的刻蚀速率与范围为1:1～2:1，因此，相比传统刻蚀工艺中的刻蚀气体，本发明实施例中的保护气体增加了初始掩膜结构、光刻图形层的刻蚀选择比以及初始第一材料层、光刻图形层的刻蚀选择比，从而使光刻图形层在一步刻蚀工艺中的损耗更小。
25.进一步，所述一步刻蚀工艺能够同时刻蚀初始掩膜结构、初始第一材料层、初始第一氧化层以及衬底，形成的初始开口的底部表面低于所述衬底顶部表面，因此，所述一步刻蚀工艺完成后已经暴露出衬底，从而免去了额外打开初始第一氧化层的步骤，简化了工艺。
附图说明
26.图1至图6是本发明实施例的半导体结构的形成过程的剖面结构示意图。
具体实施方式
27.如背景技术所述，目前一些半导体器件的制备过程中，由于小尺寸结构的限制，刻蚀工艺中采用的光刻胶通常较薄，而较薄的光刻胶容易在多层介质层或掩膜层的多次刻蚀
过程中被严重损耗，从而导致刻蚀保护不完全，使工艺窗口较小，刻蚀后的结构形貌较差。
28.具体的，在一深沟槽结构的形成过程的实施例中，通常需要采用光刻工艺刻蚀多层不同材料构成的介质层或掩膜层，常见的介质层的材料包括多晶硅、氧化硅等，常见掩膜层的材料包括氮化硅、氧化硅等。在现有技术中，对于不同材料的介质层或掩膜层，通常会采用不同的刻蚀工艺进行依次刻蚀，各刻蚀工艺步骤中用到的刻蚀气体不同，因此，在各步骤中需要更换刻蚀气体，从而导致整体刻蚀工艺的进行时间较长。然而，由于小尺寸结构的限制，刻蚀工艺中采用的光刻胶通常较薄，而较薄的光刻胶容易在较长时间的多次刻蚀过程中被严重损耗，从而导致刻蚀保护不完全，掩膜层形貌不完整，进而使工艺窗口较小，刻蚀后的深沟槽结构难以达到设计预期。
29.为解决上述技术问题，本发明的技术方案提供一种半导体结构的形成方法，采用一步刻蚀工艺刻蚀所述初始第一材料层与初始掩膜结构，所述一步刻蚀工艺对于初始掩膜结构的刻蚀速率与初始第一材料层的刻蚀速率的范围为1～1.2，由于两种不同材料有接近的刻蚀速率，因此，能够在不更换气体的情况下刻穿初始第一材料层与初始掩膜结构，从而减少光刻图形层在刻蚀过程中的损耗，进而保护了形成的掩膜结构的完整性，有利于改善后续工艺窗口和结构形貌。
30.为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
31.图1至图6是本发明实施例的半导体结构的形成过程的剖面结构示意图。
32.请参考图1，提供衬底100。
33.其中，所述衬底100的材料包括硅、硅锗、碳化硅、绝缘体上硅(soi)、绝缘体上锗(goi)等。具体的，在本实施例中，所述衬底100的材料为硅。
34.请参考图2，在所述衬底100上形成初始结构106，所述初始结构106包括位于衬底100上初始第一氧化层101、位于初始第一氧化层101上的初始第一材料层102以及位于初始第一材料层102上的初始掩膜结构105，所述初始第一材料层102的材料包括多晶硅。
35.在本实施例中，所述初始掩膜结构105为后续形成的掩膜结构提供原材料。
36.在本实施例中，所述初始掩膜结构105包括位于初始第一材料层102上的初始第一掩膜层103、以及位于所述初始第一掩膜层103上的初始第二掩膜层104。
37.在本实施例中，所述初始第一掩膜层103的材料包括氮化硅；所述初始第二掩膜层104的材料包括氧化硅。
38.在本实施例中，所述初始第一氧化层101的材料包括氧化硅。
39.在本实施例中，所述初始第一氧化层101以及初始第一材料层102用作后续晶体管结构形成的原材料。
40.其中，所述初始第一材料层102的材料包括多晶硅，其用于形成浮栅结构或其他栅极结构。所述初始第一氧化层101用于形成栅极氧化层。
41.在本实施例中，所述初始第一材料层102的厚度范围为200埃～400埃。
42.在本实施例中，所述初始掩膜结构105的厚度范围为600埃～1200埃。具体的，所述初始第一掩膜层103的厚度为400埃～800埃，所述初始第二掩膜层104的厚度为200埃～500埃。
43.在本实施例中，所述初始第一氧化层101的厚度范围为50埃～150埃。
44.由此，所述初始结构106的整体厚度范围为1000埃～2000埃，整体厚度较厚。同时，所述初始结构106由多种材料构成，包括氧化硅、氮化硅以及多晶硅材料。
45.请参考图3，在所述初始掩膜结构105上形成初始抗反射层121；在所述初始抗反射层121上形成光刻图形层122。
46.在本实施例中，所述光刻图形层122的材料为光刻胶。
47.在本实施例中，所述光刻图形层122内具有图形开口(未标示)，所述图形开口定义了后续形成于所述衬底100内的深沟槽的图案。具体的，所述图形开口的宽度尺寸为0.1微米～0.2微米，所述宽度尺寸是指图形开口在平行于衬底100表面方向上的尺寸。
48.在本实施例中，所述初始抗反射层121的存在使所述光刻图形层122的形貌、结构更均匀，有利于提升后续刻蚀工艺的窗口。
49.在本实施例中，所述初始抗反射层121的厚度范围为800埃～1200埃。
50.在本实施例中，所述光刻图形层122的厚度范围为2500埃～3000埃。
51.请参考图4，以所述光刻图形层122为掩膜，刻蚀所述初始抗反射层121，以形成抗反射层131。
52.在本实施例中，所述抗反射层131暴露出部分所述初始掩膜结构105的表面，从而使后续刻蚀初始结构106的工艺更好的进行。
53.在本实施例中，刻蚀所述初始抗反射层121的工艺包括干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺。
54.请参考图5，以所述光刻图形层122为掩膜，通过一步刻蚀工艺刻蚀所述初始掩膜结构105、初始第一材料层102以及初始第一氧化层101，在所述初始结构106内形成初始开口140，所述一步刻蚀工艺对所述初始掩膜结构105的刻蚀速率与初始第一材料层102的刻蚀速率的比值范围为1～1.2，使所述初始第一材料层102、初始掩膜结构105以及初始第一氧化层101成为第一材料层112、掩膜结构115以及第一氧化层111，所述初始开口140暴露出所述衬底100表面。
55.在本实施例中，所述一步刻蚀工艺采用的气体的碳氟比范围为0.7～1.3。
56.在本实施例中，通过选择合适的刻蚀气体，将刻蚀气体的碳氟比控制在0.7～1.3之内，从而能够调整刻蚀气体对于初始结构106中各不同材料层的刻蚀选择比，使刻蚀气体对于初始结构106中不同材料层的刻蚀速率均较为接近，因此，在刻蚀过程中，能够在不更换气体的情况下刻穿初始掩膜结构105、初始第一材料层102、初始第一氧化层101直至暴露出衬底100，相比传统工艺采用不同气体依次刻蚀不同材料层的工艺流程，本发明实施例中的一步刻蚀工艺避免了由于更换刻蚀气体增加的刻蚀时间，减少了光刻图形层122的损耗，从而在一步刻蚀工艺完成后，形成形貌良好的第一材料层112、掩膜结构115和第一氧化层111，进而改善了掩膜结构115的完整性，使后续刻蚀衬底100形成的深沟槽有较好的结构形貌。
57.具体的，所述一步刻蚀工艺对所述初始掩膜结构105的刻蚀速率与初始第一材料层102的刻蚀速率的比值范围为1～1.2；所述初始第一材料层102的刻蚀速率与初始第一氧化层101的刻蚀速率的比值范围为1～1.2；所述初始第一氧化层101的刻蚀速率与衬底100的刻蚀速率的比值范围为1～1.2。
58.在本实施例中，所述一步刻蚀工艺采用的气体包括主刻蚀气体和保护气体，其中，
所述主刻蚀气体用于打开初始结构106，以形成初始开口140；所述保护气体用于保护初始开口140的侧壁形貌，同时增加了刻蚀气体对于初始结构106、光刻图形层122的刻蚀选择比。
59.在本实施例中，所述保护气体对于初始掩膜结构105的刻蚀速率与保护气体对于光刻图形层122的刻蚀速率的比值范围为1:1～2:1；所述保护气体对于初始第一材料层102的刻蚀速率与保护气体对于光刻图形层122的刻蚀速率的比值范围为1:1～2:1。因此，相比传统刻蚀工艺中刻蚀多晶硅的刻蚀气体，本发明实施例中的保护气体增加了初始掩膜结构105、光刻图形层122的刻蚀选择比以及初始第一材料层102、光刻图形层122的刻蚀选择比，从而使光刻图形层122在一步刻蚀工艺中的损耗更小。
60.具体的，在本实施例中，所述主刻蚀气体为sf6，所述保护气体为ch2f2。
61.在其他实施例中，所述主刻蚀气体还包括sf6，cf4，nf3中的一种或多种组合，所述保护气体还包括ch2f2，chf3，ch3f，c4f6，c4f8，c5f8中的一种或多种组合，因此，可以通过在上述主刻蚀气体中选择一种或多种组合，同时在上述保护气体中选择一种或多种组合，将所述主刻蚀气体与保护气体构成的刻蚀气体中的碳氟比控制在0.7～1.3之内，从而调整刻蚀气体对初始结构106中各不同材料层的刻蚀选择比，使刻蚀气体对于初始结构106中不同材料层的刻蚀速率均较为接近，进而实现一步刻蚀工艺。
62.在本实施例中，所述一步刻蚀工艺的参数包括：sf6的气体流量为10sccm～30sccm；ch2f2的气体流量为15sccm～45sccm。
63.在本实施例中，所述初始开口140的底部表面低于所述衬底100顶部表面。
64.具体的，所述刻蚀气体对于初始第一氧化层101的刻蚀速率与刻蚀气体对于衬底100的刻蚀速率相近，因此，在所述一步刻蚀工艺的进行过程中，在刻蚀初始第一氧化层101后，能够直接继续刻蚀打开衬底100。由于所述一步刻蚀工艺能够同时刻蚀初始掩膜结构105、初始第一材料层102、初始第一氧化层101以及衬底100，因此，所述一步刻蚀工艺完成后已经暴露出衬底100，从而免去了传统工艺中形成初始开口140后，需要额外刻蚀初始第一氧化层101以暴露出衬底100的步骤，简化了工艺。
65.在本实施例中，所述初始开口140的底部表面与所述衬底100顶部表面的距离为150埃～250埃。
66.此外，在形成所述初始开口140后，无需去除所述光刻图形层122，从而避免了去除光刻图形层122的工艺对衬底100表面的氧化作用，避免了额外刻蚀氧化层的步骤。
67.请参考图6，以所述掩膜结构115为掩膜，刻蚀所述初始开口140底部的衬底100，以形成深沟槽141。
68.在本实施例中，由于采用了一步刻蚀工艺刻蚀所述初始结构106，从而减少了光刻图形层122在刻蚀过程中的损耗，从而改善了光刻图形层122在刻蚀过程中的完整性，因此在形成初始开口140后，掩膜结构115的完整性较好，进而有利于改善形成深沟槽141的工艺窗口和深沟槽141的结构形貌。
69.在本实施例中，所述深沟槽141的深度范围为1500埃～2000埃，所述深沟槽141侧壁与衬底100表面的夹角范围为80度～90度，该结构形貌符合现有工艺中对于深沟槽结构的形貌要求。
70.在本实施例中，刻蚀所述衬底100以形成深沟槽141的工艺包括干法刻蚀工艺，所
述干法刻蚀工艺使用的刻蚀气体包括氯气。
71.虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。