开口结构及其制造方法以及内连线结构与流程

本发明是有关于一种开口结构及其制造方法以及内连线结构，且特别是有关于一种可用于三维半导体元件的开口结构及其制造方法以及内连线结构。

背景技术：

随着半导体元件的集成化，为了达到高密度以及高效能的目标，在有限的单位面积内，往三维空间发展已蔚为趋势。常见的三维半导体元件如非易失性存储器中的三维与非门型闪存(3D-NAND flash memory)。

以三维与非门型闪存的多层元件为例，阶梯状的多层接垫结构可使接触窗分别连接到多层元件中的不同膜层。由于最浅与最深的接触窗在深宽比(aspect ratio)具有很大的差异，因此在形成接触窗的刻蚀工艺中需要使用刻蚀终止层。

在阶梯状的多层接垫结构的层数较少时，接触窗刻蚀工艺可安全地停止在刻蚀终止层上。然而，当阶梯状的多层接垫结构的层数增加时，刻蚀终止层的厚度也需要大幅地增加，以使得用于形成接触窗的刻蚀工艺可安全地停止在刻蚀终止层上。

如此一来，由于刻蚀终止层的厚度大幅地增加，因此接触窗的空间会被压缩且使得工艺裕度(process window)减少，进而导致接触窗与接垫无法有效地连接。

技术实现要素：

本发明提供一种开口结构及其制造方法，其可有效地提升用于形成开口的刻蚀工艺的工艺裕度。

本发明提供一种内连线结构，可有效地与相对应的导体层进行连接。

本发明提出一种开口结构的制造方法，包括下列步骤：在基底上形成多层结构(multi-layer structure)，多层结构包括交替堆叠的多层导体层以及多层第一介电层，位于第一区中的导体层的高度低于位于第二区中的导 体层的高度；形成覆盖多层结构的第二介电层；于第二介电层上形成图案化掩模层；于第二区中形成第一填入层，第一填入层覆盖由图案化掩模层所暴露出的第二介电层；以第一填入层与图案化掩模层为掩模，形成暴露出第一区中的导体层的多个第一开口；移除第一填入层；形成填入第一开口中的第二填入层；以第二填入层与图案化掩模层为掩模，形成暴露出第二区中的导体层的多个第二开口。

依照本发明的一实施例所述，在上述的开口结构的制造方法中，多层结构例如是阶梯结构。

依照本发明的一实施例所述，在上述的开口结构的制造方法中，还包括在形成第二介电层之前，在多层结构上共形地形成刻蚀终止层。

依照本发明的一实施例所述，在上述的开口结构的制造方法中，还包括在形成第一填入层之前，以图案化掩模层为掩模，移除部分第二介电层，而于第二介电层中形成多个掩模开口(mask openings)。

依照本发明的一实施例所述，在上述的开口结构的制造方法中，第一填入层的形成方法包括下列步骤：形成覆盖图案化掩模层与第二介电层的第一填入材料层；于第二区中的第一填入材料层上形成图案化光刻胶层；以图案化光刻胶层为掩模，移除第一区中的第一填入材料层。

依照本发明的一实施例所述，在上述的开口结构的制造方法中，第一填入材料层的材料例如是有机介电材料。

依照本发明的一实施例所述，在上述的开口结构的制造方法中，第一填入材料层的形成方法例如是旋转涂布法。

依照本发明的一实施例所述，在上述的开口结构的制造方法中，第一开口的形成方法包括下列步骤：以第一填入层与图案化掩模层为掩模，移除第一区中由图案化掩模层所暴露出的第二介电层与第一介电层。

依照本发明的一实施例所述，在上述的开口结构的制造方法中，第二填入层的形成方法包括下列步骤：形成覆盖图案化掩模层与第二介电层且填入第一开口中的第二填入材料层；对第二填入材料层进行回刻蚀工艺，以移除第二区中的第二填入材料层，而暴露出第二区中的第二介电层。

依照本发明的一实施例所述，在上述的开口结构的制造方法中，第二填入材料层的材料例如是有机介电材料或导体材料。

依照本发明的一实施例所述，在上述的开口结构的制造方法中，第二填入材料层的形成方法例如是旋转涂布法、物理气相沉积法或化学气相沉积法。

依照本发明的一实施例所述，在上述的开口结构的制造方法中，第二填入层的上表面例如是低于第一开口的顶部。

依照本发明的一实施例所述，在上述的开口结构的制造方法中，第二开口的形成方法包括下列步骤：以第二填入层与图案化掩模层为掩模，移除第二区中由图案化掩模层所暴露出的第二介电层与第一介电层。

本发明提出一种开口结构，包括基底、多层结构及第二介电层。多层结构设置于基底上。多层结构包括交替堆叠的多层导体层以及多层第一介电层。位于第一区中的导体层的高度低于位于第二区中的导体层的高度。第二介电层覆盖多层结构，且第二介电层中具有第一开口与第二开口。第一开口暴露出第一区中的导体层中的一个，且第二开口暴露出第二区中的导体层中的一个。第一开口与第二开口的轮廓不同，且第一开口的上部宽度大于下部宽度。

依照本发明的一实施例所述，在上述的开口结构中，多层结构例如是阶梯结构。

依照本发明的一实施例所述，在上述的开口结构中，还包括刻蚀终止层。刻蚀终止层共形地设置于多层结构上。

本发明提出一种内连线结构，包括基底、多层结构、第二介电层、多层第二导体层与多层第三导体层。多层结构设置于基底上。多层结构包括交替堆叠的多层第一导体层以及多层第一介电层。位于第一区中的第一导体层的高度低于位于第二区中的第一导体层的高度。第二介电层覆盖多层结构。第二导体层与第三导体层设置于该第二介电层中。第二导体层连接至第一区中的第一导体层，且第三导体层连接至第二区中的第一导体层。第二导体层与第三导体层的轮廓不同，且第二导体层的上部宽度大于下部宽度。

依照本发明的一实施例所述，在上述的内连线结构中，多层结构例如是阶梯结构。

依照本发明的一实施例所述，在上述的内连线结构中，还包括刻蚀终 止层。刻蚀终止层共形地设置于多层结构上。

依照本发明的一实施例所述，在上述的内连线结构中，各第二导体层包括下部导体层及上部导体层。下部导体层连接于相对应的第一导体层。上部导体层设置于下部导体层上。

基于上述，在本发明所提出的开口结构及其制造方法中，由于可通过第一填入层与第二填入层来进行分区刻蚀，所以当多层结构的层数增加时，也无需增加刻蚀终止层的厚度，甚至可以不使用刻蚀终止层，因此可有效地提升用于形成开口的刻蚀工艺的工艺裕度。此外，本发明所提出的内连线结构可有效地与相对应的导体层进行连接。

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1H为本发明一实施例的内连线结构的制造流程剖面图。

图2A至图2C为本发明另一实施例的内连线结构的制造流程剖面图。

图3为本发明另一实施例的内连线结构的剖面图。

【符号说明】

100：基底

102、302：多层结构

104、124a、124b、224a、224b、226：导体层

106、110：介电层

108：刻蚀终止层

112：图案化掩模层

114：掩模开口

116、120：填入材料层

116a、120a、220a：填入层

118、122：开口

124、224：导体材料层

PR：图案化光刻胶层

R1：第一区

R2：第二区

具体实施方式

图1A至图1H为本发明一实施例的内连线结构的制造流程剖面图。

首先，请参照图1A，在基底100上形成多层结构102。多层结构102包括交替堆叠的多层导体层104以及多层介电层106。位于第一区R1中的导体层104的高度低于位于第二区R2中的导体层104的高度。在此实施例中，多层结构102是以阶梯结构为例来进行说明，但本发明并不以此为限，只要多层结构102可依照导体层104的高度来进行分区即属于本发明所保护的范围。此外，此实施例虽然是以一个第一区R1与一个第二区R2为例来进行说明，所属技术领域普通技术人员可依照多层结构102的型态、层数与工艺能力来调整第一区R1与第二区R2的数量。

多层结构102的形成方法例如是组合使用沉积工艺与图案化工艺而形成。导体层104的材料例如是掺杂多晶硅或金属等导体材料，其中金属例如是铜或钨。导体层104的形成方法例如是化学气相沉积法或物理气相沉积法。介电层106的材料例如是氧化硅。介电层106的形成方法例如是化学气相沉积法。

接着，可选择性地在多层结构102上共形地形成刻蚀终止层108。刻蚀终止层108的材料例如是氮化硅。刻蚀终止层108的形成方法例如是化学气相沉积法。在其他实施例中，当后续形成于导体层104上的介电层110与导体层104的刻蚀选择比够高时，也可以不形成刻蚀终止层108。

然后，于刻蚀终止层108上形成覆盖多层结构102的介电层110。介电层110的材料例如是氧化硅。介电层110的形成方法例如是化学气相沉积法。此外，还可选择性地对介电层110进行平坦化工艺，如化学机械研磨工艺。

接下来，于介电层110上形成图案化掩模层112。图案化掩模层112的材料例如是氮化硅、氮氧化硅、非晶硅或多晶硅。图案化掩模层112的形成方法例如是先于介电层110上形成掩模层(未绘示)，再对掩模层进行图案化而形成。

之后，可选择性地以图案化掩模层112为掩模，移除部分介电层110，而于介电层110中形成多个掩模开口114。部分介电层110的移除方法例如是干式刻蚀法。在其他实施例中，也可以不形成掩模开口114。

再者，请参照图1B，形成覆盖图案化掩模层112与介电层110的填入材料层116。此外，填入材料层116还可填入掩模开口114中。填入材料层116的材料例如是有机介电材料。填入材料层116的形成方法例如是旋转涂布法。

继之，于第二区R2中的填入材料层116上形成图案化光刻胶层PR。图案化光刻胶层PR的形成方法例如是有机光刻胶材料。图案化光刻胶层PR的形成方法例如是进行光刻工艺而形成。

随后，请参照图1C，以图案化光刻胶层PR为掩模，移除第一区R1中的填入材料层116，而于第二区R2中形成填入层116a。填入层116a覆盖由图案化掩模层112所暴露出的介电层110。第一区R1中的填入材料层116的移除方法例如是干式刻蚀法。此外，虽然填入层116a是以上述方法所形成，但本发明并不以此为限，只要是在第二区R2中形成覆盖介电层110的填入层116a即属于本发明所保护的范围。

接着，以填入层116a与图案化掩模层112为掩模，移除第一区R1中由图案化掩模层112所暴露出的介电层110、刻蚀终止层108及介电层106，使得第一区R1中的掩模开口114向下延伸而形成暴露出第一区R1中的导体层104的多个开口118。第一区R1中由图案化掩模层112所暴露出的介电层110、刻蚀终止层108及介电层106的移除方法例如是分别采用干式刻蚀法来进行移除。此外，形成开口118的过程中，可能会损耗第一区R1中的部分图案化掩模层112与第二区R2中的部分图案化光刻胶层PR。

然后，请参照图1D，移除图案化光刻胶层PR与填入层116a。图案化光刻胶层PR可在形成开口118的刻蚀工艺中同时被移除或是另外使用干式去光刻胶法进行移除。填入层116a的移除方法例如是干式刻蚀法。

接下来，形成覆盖图案化掩模层112与介电层110且填入开口118与掩模开口114中的填入材料层120。填入材料层120的材料例如是有机介电材料或导体材料，其中导体材料例如是钨或铜等金属。填入材料层120的形成方法例如是旋转涂布法、物理气相沉积法或化学气相沉积法。在此实施例中，填入材料层120的材料是以通过旋转涂布法所形成的有机介电材料为例来进行说明。

之后，请参照图1E，对填入材料层120进行回刻蚀工艺，以移除第 二区R2中的填入材料层120，而暴露出第二区R2中的介电层110，且形成填入开口118中的填入层120a。填入层120a的上表面例如是低于开口118的顶部。此外，虽然填入层120a是以上述方法所形成，但本发明并不以此为限，只要是在第一区R1中形成填入开口118中的填入层120a即属于本发明所保护的范围。

再者，请参照图1F，以填入层120a与图案化掩模层112为掩模，移除第二区R2中由图案化掩模层112所暴露出的介电层110、刻蚀终止层108及介电层106，使得第二区R2中的掩模开口114向下延伸而形成暴露出第二区R2中的导体层104的多个开口122。第二区R2中由图案化掩模层112所暴露出的介电层110、刻蚀终止层108及介电层106的移除方法例如是分别采用干式刻蚀法来进行移除。在此实施例，在进行形成开口122的刻蚀工艺之后，由于可通过填入层120a保护开口118的下部，因此开口118的上部宽度例如是大于下部宽度。此外，形成开口118的过程中，可能会损耗部分图案化掩模层112与部分填入层120a。

此时，已形成本实施例中包括开口118与开口122的开口结构。其中，开口118与开口122分别可为孔洞(hole)或沟道(trench)，例如接触窗孔(contact hole)或导线沟道(conductive line trench)。

基于上述可知，在上述实施例所提出的开口结构的制造方法中，可通过填入层116a与填入层120a来进行分区刻蚀。也就是，在形成开口118时，可使用填入层116a来遮蔽第二区R2中的介电层110，且在形成开口122时，可使用填入层120a来保护第一区R1中由开口118所暴露出的导体层104。借此，当多层结构102的层数增加时，也无需增加刻蚀终止层108的厚度，甚至可以不使用刻蚀终止层108，因此可有效地提升用于形成开口118与开口122的刻蚀工艺的工艺裕度。

继之，请参照1G，移除填入层120a。填入层120a的移除方法例如是干式刻蚀法。

随后，形成填入开口118与开口122的导体材料层124。此外，导体材料层124还可覆盖图案化掩模层112。导体材料层124的材料例如是钨或铜等金属。导体材料层124的形成方法例如是物理气相沉积法。

接着，请参照图1H，移除开口118与开口122以外的导体材料层124， 而于开口118中形成导体层124a，且于开口122中形成导体层124b。导体层124a连接至第一区R1中的导体层104，且导体层124b连接至第二区R2中的导体层104。导体层124a与导体层124b的轮廓不同，且导体层124a的上部宽度大于下部宽度。此外，导体层124b并无明显的上部与下部之分，而可具有大致上均一的宽度。开口118与开口122以外的导体材料层124的移除方法例如是化学机械研磨法或回刻蚀法。在此实施例中，在移除开口118与开口122以外的导体材料层124的过程中，可同时移除图案化掩模层114。在另一实施例中，也可以在形成导体材料层124之前就先移除图案化掩模层114。

此时，已形成本实施例中包括导体层124a与导体层124b的内连线结构。其中，导体层124a与导体层124b分别可为接触窗或导线。

基于上述可知，上述实施例所制作的内连线结构中的导体层124a与导体层124b分别可准确地与相对应的导体层104进行对准，因此可有效地与相对应的导体层104进行连接。

此外，上述实施例所介绍的开口结构与内连线结构及其的制造方法可适用于各种具有多层结构102的半导体元件，例如三维半导体元件中的三维与非门型闪存等。

图2A至图2C为本发明另一实施例的内连线结构的制造流程剖面图。

首先，请同时参照图2A与图1F，图2A与图1F的差异在于：图2A中的填入层220a与图1F中的填入层120a的材料不同。图2A中的填入层220a的材料是以导体材料(如，钨或铜等金属)为例来进行说明。除此之外，图2A与图1F中的其他构件的配置方式、材料、形成方法与功效相似，故使用相同标号表示并省略其说明。

接着，请参照图2B，形成填入开口118与开口122的导体材料层224。此外，导体材料层224还可覆盖图案化掩模层112。导体材料层224的材料例如是钨或铜等金属。导体材料层224的形成方法例如是物理气相沉积法。

接着，请参照图2C，移除开口118与开口122以外的导体材料层224，而于开口118中形成导体层224a，且于开口122中形成导体层224b。导体层224a与填入层220a形成导体层226，且填入层220a形成导体层226 之间具有接触面。导体层226连接至第一区R1中的导体层104，且导体层224b连接至第二区R2中的导体层104。导体层226与导体层224b的轮廓不同，且导体层226的上部宽度大于下部宽度。此外，导体层224b并无明显的上部与下部之分，而可具有大致上均一的宽度。在此实施例中，在移除开口118与开口122以外的导体材料层224的过程中，可同时移除图案化掩模层114。在另一实施例中，也可以在形成导体材料层224之前就先移除图案化掩模层114。

此时，已形成本实施例中包括导体层226与导体层224b的内连线结构。其中，导体层226与导体层224b分别可为接触窗或导线。

在此实施例中，经由进行两次填洞工艺(fill-in process)分别形成导体层224a与填入层220a而完成导体层226的制作。因此，导体层226具有较好的填洞能力，而可防止在导体层226中产生孔隙(void)，所以能够避免因导体层226中存在孔隙而导致电阻值提高的情况。

基于上述可知，通过上述实施例的开口结构及其制造方法，可有效地提升用于形成开口118与开口122的刻蚀工艺的工艺裕度。此外，上述实施例的内连线结构中的导体层226、224b可有效地与相对应的导体层104进行连接。

图3为本发明另一实施例的内连线结构的剖面图。

请同时参照图3与图1H，图3与图1H的差异在于：图3中的多层结构302与图1H中的多层结构102的型态不同。图3中的多层结构302是以具有一个第一区R1与两个第二区R2为例来进行说明。除此之外，图3与图1H中的其他构件的配置方式、材料、形成方法与功效相似，故使用相同标号表示并省略其说明。

以下通过图1F与图2A来说明上述实施例中的开口结构。

请同时参照图1F与图2A，开口结构包括基底100、多层结构102及介电层110。多层结构102设置于基底100上。多层结构102包括交替堆叠的多层导体层104以及多层介电层106。位于第一区R1中的导体层104的高度低于位于第二区R2中的导体层104的高度。介电层110覆盖多层结构102，且介电层110中具有多个开口118与多个开口122。各个开口118暴露出第一区R1中的导体层104中的一个，且各个开口122暴露出 第二区R2中的导体层104中的一个。开口118与开口122的轮廓不同，且开口118的上部宽度大于下部宽度。此外，开口结构还可选择性地包括刻蚀终止层108。刻蚀终止层108共形地设置于多层结构102上。除此之外，图1F与图2A中的各构件的配置方式、材料、形成方法与功效已于前文中进行详尽地说明，故于此不再赘述。

以下通过图1H与图2C来说明上述实施例中的内连线结构。

请参照图1H，内连线结构包括基底100、多层结构102、介电层110、多层导体层124a与多层导体层124b。基底100、多层结构102与介电层110的说明可参照前文，于此不再赘述。导体层124a与导体层124b设置于该介电层110中。导体层124a连接至第一区R1中的导体层104，且导体层124b连接至第二区R2中的导体层104。导体层124a与导体层124b的轮廓不同，且导体层124a的上部宽度大于下部宽度。此外，导体层124b并无明显的上部与下部之分，而可具有大致上均一的宽度。内连线结构更可选择性地包括刻蚀终止层108。刻蚀终止层108共形地设置于多层结构102上。除此之外，图1H的各构件的配置方式、材料、形成方法与功效已于前文中进行详尽地说明，故于此不再赘述。

请同时参照图2C与图1H，图2C中的内连线结构包括导体层226与导体层224b，导体层226连接至第一区R1中的导体层104，且导体层224b连接至第二区R2中的导体层104。图2C与图1H的差异在于：导体层226包括填入层220a(下部导体层)及导体层224a(上部导体层)。填入层220a连接于相对应的导体层104。导体层224a设置于填入层220a上。除此之外，图2C与图1H中的其他构件的配置方式、材料、形成方法与功效相似，故使用相同标号表示并省略其说明。

综上所述，上述实施例所提出的开口结构及其制造方法可有效地提升用于形成开口的刻蚀工艺的工艺裕度。此外，上述实施例所提出的内连线结构可有效地与相对应的导体层进行连接。

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。