半导体元件及其制造方法与流程

本发明是有关于一种半导体技术，且特别是关于一种半导体元件及其制造方法。

背景技术：

刻蚀为相当重要的工艺模块，且刻蚀主要采取湿法刻蚀与干法刻蚀二种形式。干法刻蚀是将反应室内的反应气体离子化或解离以产生等离子体，并使具有反应性的离子向晶圆加速，通过离子与晶圆表面的欲刻蚀材料间的化学反应以驱使刻蚀反应进行。

目前，为了提高生产机台的晶圆产能，利用高功率等离子体以增加刻蚀的速度是必须的。然而，当利用高功率等离子体刻蚀法以形成介层窗开口或接触窗开口时，开口底部的金属层容易因高功率等离子体而溅击至开口的侧壁上，如此一来将导致开口的侧壁上产生残留物(如金属聚合物)。上述残留物在后续的工艺中不容易去除，进而导致半导体元件的不正常导通，因而产生短路的现象。

技术实现要素：

本发明提供一种半导体元件及其制造方法，其在定义开口的步骤中可避免于开口的侧壁上产生残留物。

本发明提供一种半导体元件的制造方法。首先，于阻障层(barrier layer)上形成介电层。接着，于介电层中形成第一开口。第一开口裸露出部分阻障层。继而，于第一开口的底部的阻障层上形成保护层。保护层的中央部分的厚度大于边缘部分的厚度。然后，以保护层为掩模，移除部分阻障层，以形成第二开口。第二开口具有至少一个次开口，所述次开口位于邻近第二开口的侧壁的阻障层中。

在本发明一实施例中，上述第二开口的底部具有W型的剖面形状。

在本发明一实施例中，形成上述第一开口以及第二开口的方法各自包括进行等离子体刻蚀法。

在本发明一实施例中，形成上述第一开口所使用的刻蚀气体包括氮气，且氮气的流量随着第一开口的深度增加而增加。

在本发明一实施例中，形成上述第二开口所使用的刻蚀气体包括六氟化硫(SF₆)、三氟化氮(NF₃)、氩气(Ar)、氟烃气体(C_xF_y)及氮气，其中x、y均大于零。

在本发明一实施例中，于上述介电层中形成第一开口的同时，于第一开口的底部的阻障层上形成保护层。

在本发明一实施例中，上述方法还包括：在介电层中形成第一开口之前，于介电层中形成一浅开口；以及进行非等向性刻蚀工艺以加深浅开口，进而于介电层中形成第一开口，其中形成浅开口所使用的气体不包含氮气。

本发明另提供一种半导体元件，其包括阻障层以及介电层。介电层位于阻障层上。介电层中具有一开口，所述开口裸露出部分阻障层，其中开口具有至少一个次开口，所述次开口位于邻近开口的侧壁的阻障层中。

在本发明一实施例中，上述开口的底部具有W型的剖面形状。

在本发明一实施例中，上述开口的中间底部的阻障层的厚度大于次开口的底部的阻障层的厚度且小于介电层下方的阻障层的厚度。

基于上述，在本发明的方法中，在进行一刻蚀工艺以形成U型开口的同时，于U型开口底部的阻障层上形成保护层，再以保护层为掩模，继续进行上述刻蚀工艺，并调整氮气的流量，以形成W型开口。并且，上述保护层可用于避免阻障层因使用高无线射频功率的等离子体而溅击至开口的侧壁上，防止于开口的侧壁上产生残留物，进而使元件的效能提升。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。

附图说明

图1A至图1G为依照本发明的一实施例所绘示的半导体元件的制造方法的剖面示意图。

图2为依照本发明的一实例的半导体元件的透射式电子显微镜(TEM)的照片。

【符号说明】

10：基底

12：阻障层

14：介电层

15：浅开口

16：图案化掩模层

17、19：开口

19a：次开口

20：沉积物

22、24：保护层

26：导体层

D、D1：深度

h1、h2、h3、h4、h5、h6、h7、h8：厚度

S1、S2：刻蚀工艺

具体实施方式

图1A至图1G为依照本发明的一实施例所绘示的半导体元件的制造方法的剖面示意图。

请参照图1A，首先，提供基底10。基底10的材料可包括半导体材料、绝缘体材料、导体材料或上述材料的任意组合。基底10的材料例如是选自于由Si、Ge、SiGe、GaP、GaAs、SiC、SiGeC、InAs与InP所构成的群组中的至少一种材料。在一实施例中，基底10的材料例如是硅或硅化锗。此外，基底10可为单层结构。或者，基底10也可以为包括导体层、介电层、栅极结构等的多层结构。

接着，于基底10上形成阻障层(barrier layer)12。阻障层12的材料包括钛、氮化钛、钽、氮化钽、钨、氮化钨或其组合。在一实施例中，阻障层12的材料例如是钛和氮化钛的组合。在另一实施例中，阻障层12的材料例如是钽和氮化钽的组合。阻障层12的形成方法例如是进行化学气相沉积法或物理气相沉积法。阻障层12的厚度例如是介于至之间。

然后，于阻障层12上形成介电层14。介电层14的材料包括氧化物、氮化物、氮氧化物或其组合。在一实施例中，介电层14的材料例如是氧化硅。在另一实施例中，介电层14也可以是介电常数低于4的介电材料 层。形成介电层14的方法例如是进行热氧化法或化学气相沉积法。介电层14的厚度例如是介于至之间。之后，于介电层14上形成图案化掩模层16。图案化掩模层16的材料例如是光刻胶。

接着，请参照图1B，以图案化掩模层16为掩模，进行刻蚀工艺S1，移除部分介电层14，以于介电层14中形成浅开口15。刻蚀工艺S1包括非等向性刻蚀工艺，例如是干法刻蚀法。干法刻蚀法可以是等离子体刻蚀法。在此实施例中，刻蚀工艺S1例如是具有高无线射频功率(radio frequency power，RF power)的等离子体刻蚀法。高无线射频功率的等离子体刻蚀法的能量例如是介于1000瓦至5000瓦之间。刻蚀工艺S1所使用的刻蚀气体包括六氟化硫(SF₆)、三氟化氮(NF₃)、氩气(Ar)及氟烃气体(C_xF_y)，其中x、y均大于零，例如x是介于1-5之间的整数，y是介于4-8之间的整数。氟烃气体可包括氟烷类、氟烯类或氟炔类气体。在一实施例中，刻蚀工艺S1所使用的刻蚀气体中不含氮气。

值得一提的是，于介电层14中形成浅开口15的同时，于浅开口15的底部的介电层14上形成沉积物20。沉积物20例如是经由刻蚀工艺S1所使用的上述刻蚀气体反应而得到的聚合物残留物。

浅开口15的深度D例如是介电层14的厚度h1的约1/2至4/5。更具体地说，浅开口15并未贯穿介电层14，且浅开口15的深度D与浅开口15下方的介电层的厚度h2的总和实质上等于介电层14的厚度h1。在一实施例中，介电层14的厚度h1例如是介至之间，且浅开口15的深度D例如是介于至之间。然而，上述数值范围仅为举例说明，并不用以限定本发明。

然后，请参照图1C，以图案化掩模层16为掩模，进行刻蚀工艺S2，以使浅开口15加深，进而于介电层14中形成开口17，且开口17裸露出部分阻障层12。并且，于开口17的底部的阻障层12上形成保护层22。刻蚀工艺S2包括非等向性刻蚀工艺，例如是干法刻蚀法。干法刻蚀法可以是等离子体刻蚀法。刻蚀工艺S2所使用的刻蚀气体与刻蚀工艺S1所使用的刻蚀气体不同。刻蚀工艺S2所使用的刻蚀气体中包含有氮气；而刻蚀工艺S1所使用的刻蚀气体不包含有氮气。在一实施例中，刻蚀工艺S2例如是具有高无线射频功率的等离子体刻蚀法，其能量例如是介于1000 瓦至5000瓦之间。刻蚀工艺S2所使用的刻蚀气体包括六氟化硫(SF₆)、三氟化氮(NF₃)、氩气(Ar)、氟烃气体(C_xF_y)及氮气，其中x、y均大于零，例如x是介于1-5之间的整数，y是介于4-8之间的整数。此外，氮气与氟烃气体的流量比例如是约1∶6至1∶4。

在一实施例中，形成开口17所使用的氮气的流量随着开口17的深度增加而增加。举例而言，刻蚀工艺S2一开始所使用的氮气的流量例如是介于0sccm至50sccm之间。之后，随着开口17的深度增加，再将氮气的流量调整至介于50sccm至300sccm之间。然而，本发明并不以此为限。本发明所属技术领域中普通技术人员可依所需自行调整氮气的流量。

在一实施例中，当进行刻蚀工艺S2时，在介电层14中形成开口17的同时，于开口17的底部的阻障层12上形成保护层22。换句话说，保护层22与开口17为同时形成。在此实施例中，保护层22例如是经由刻蚀工艺S2所使用的上述刻蚀气体反应而得的聚合物残留物。保护层22的材料包括含碳、氟以及氮的聚合物。在一实施例中，保护层22的材料例如是C_xF_yN_z聚合物，其中x、y、z均大于零。保护层22的厚度可为均匀或不均匀。在一实施例中，保护层22的中央部分的厚度h3例如是大于保护层22的边缘部分的厚度h4。在另一实施例中，保护层22例如是覆盖部分阻障层12，以裸露出邻近开口17的侧壁的部分阻障层12。或者，保护层22的边缘部分可具有极薄的厚度，以利后续刻蚀工艺移除此极薄的边缘部分以及位于其下方的部分阻障层12。

之后，请参照图1D与图1E，以保护层22和图案化掩模层16为掩模，移除部分阻障层12，以在介电层14中形成开口19，且开口19贯穿介电层14。具体来说，保护层22会在形成开口19的步骤中逐渐消耗，同时在保护层22至少一侧的阻障层12中形成至少一个次开口19a，如图1D所示。在一实施例中，次开口19a可环绕保护层22而设置。当保护层22消耗殆尽时，开口19的中间底部的部分阻障层12也会被移除且次开口19a也会加深，如图1E所示。在一实施例中，图1E的步骤中，保护层24也会同时形成在开口19的中间底部的阻障层12上。保护层24与保护层22的材料相似。具体来说，保护层24与保护层22的主成分(例如C、F和N)相同，但元素间比例不同。在一实施例中，开口19的底部具有W型 的剖面形状。开口19可具有至少一个次开口19a。次开口19a例如是位于邻近开口19的侧壁的部分阻障层12中。次开口19a的深度D1例如是介于阻障层12的厚度的约1/3至2/3之间。在此实施例中，开口19的中间底部的阻障层12的厚度h5例如是大于次开口19a的底部的阻障层12的厚度h6。此外，位于介电层14下方的阻障层12的厚度h7例如是大于开口19的中间底部的阻障层12的厚度h5。

在本发明的实施例中，刻蚀工艺S2例如是包括形成开口17以及开口19的步骤。具体地说，在上述制造方法中，当氮气的流量随着开口17的深度增加至裸露出阻障层12时，此时再以保护层22为掩模，移除保护层22的至少一侧的部分阻障层12，以形成具有至少一个次开口19a的开口19。形成开口19所使用的氮气的流量例如是介于50sccm至300sccm之间。并且，通过调整氮气的流量，可形成剖面为W型的开口19。

值得注意的是，在上述刻蚀工艺S2中，保护层22/24可用于避免阻障层12因使用高无线射频功率的等离子体而溅击至开口17/19的侧壁上，进而防止于开口17/19的侧壁上产生残留物。

其后，请参照图1F，移除保护层24和图案化掩模层16。移除保护层24和图案化掩模层16的方法包括进行湿法刻蚀法。

接着，请参照图1G，于开口19中形成导体层26。导体层26的材料包括金属、金属合金、掺杂多晶硅或其组合。金属例如是钨。金属合金例如是铝硅合金。导体层26的形成方法例如是进行化学气相沉积法。此外，在形成导体层26之前可以先在开口19的侧壁与底部形成另一层阻障层(未绘示)。另一层阻障层的材料例如是包括钛、氮化钛、钽、氮化钽、钨、氮化钨或其组合。在一实施例中，另一层阻障层的材料例如是钛和氮化钛的组合。在另一实施例中，另一层阻障层的材料例如是钽和氮化钽的组合。另一层阻障层的形成方法例如是进行化学气相沉积法或物理气相沉积法。另一层阻障层的厚度例如是介于至之间。至此，完成半导体元件100的制作。

以下，将利用图1F针对本发明的半导体元件结构进行说明。如图1F所示，本发明的半导体元件包括基底10、阻障层12以及介电层14。阻障层12位于基底10上，介电层14位于阻障层12上。介电层14中具有开 口19，且开口19裸露出部分阻障层12。开口19具有至少一个次开口19a，且至少一个次开口19a位于邻近开口19的侧壁的阻障层12中。在一实施例中，当开口19为介层窗开口或接触窗开口时，一个次开口19a沿着开口19的底部周围配置于阻障层12中。在另一实施例中，当开口19为沟道形式的开口时，两个次开口19a沿着开口19的底部的相对侧分别配置于阻障层12中。但是不管是上述何种情况，开口19的底部均具有W型的剖面形状。

开口19的中间底部的阻障层12的厚度h5例如是大于次开口19a底部的阻障层12的厚度h6。此外，介电层14下方的阻障层12的厚度h7大于邻近开口19的中间底部的阻障层12的厚度h5。也就是，h7＞h5＞h6。在一实施例中，h7介于50nm至100nm之间；h6介于15nm至75nm之间；以及h5介于25nm至100nm之间。

本发明实施例的的半导体元件的制造方法可应用于动态随机存取存储器(DRAM)、与非门闪存(NAND flash)、NOR型闪存(NOR-flash)等，但本发明并不以此为限。

图2为依照本发明的一实例的半导体元件的透射式电子显微镜的照片。

如图2所示，开口的中间底部的阻障层的厚度h8大于次开口底部的阻障层的厚度h9。

综上所述，在本发明的方法中，在进行一刻蚀工艺以形成U型开口(如开口17)的同时，于U型开口底部的阻障层上形成保护层，再以保护层为掩模，继续进行上述刻蚀工艺，并调整氮气的流量，以形成W型开口(如开口19)。并且，上述保护层可用于避免阻障层因使用高无线射频功率的等离子体而溅击至开口的侧壁上，防止于开口的侧壁上产生残留物，进而使元件的效能提升。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作部分的更改与修饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。