本发明是有关于一种适用于集成电路的结构及其制造方法，特别是有关于一种多层元件的边缘结构及其制造方法。
背景技术：
多层元件结构，例如三维(3D)元件阵列(例如3D内存)的各层元件的导线皆需要电性连接，所以其接触区中各层导电层皆需露出以供电性连接，从而形成阶梯状的接触垫结构。
在现有技术中，上述阶梯结构是通过先后形成且渐次缩小的多个掩模层，以及其间交替进行的多次一层刻蚀步骤及多次掩模层削减步骤而形成在多层元件区四周。图1绘示使用6个掩模层的例子中，第一至第六掩模层10-1～10-6及多层元件区100的大小及位置关系。如图1所示，第一掩模层10-1至第六掩模层10-6的尺寸在X方向及Y方向上皆以同样的差值依序渐小，使得Y方向阶梯结构的宽度WY等于X方向阶梯结构的宽度WX。
然而，由于接触窗及第一金属层的图案仅位于X(或Y)方向阶梯区上，故Y(或X)方向阶梯区的面积被浪费掉了。
技术实现要素：
本发明提供一种多层元件的边缘结构，其不形成接触窗的方向的阶梯区的面积可以缩到很小，而可减少芯片面积的浪费。
本发明并提供一种多层元件的边缘结构的制造方法，其可用来制造本发明的多层元件区的边缘结构。
本发明的多层元件的边缘结构中，多层元件包括叠层的多层单元层。此边缘结构包括第一及第二阶梯结构。第一阶梯结构位于多层元件的须形成接触窗的第一方向，包括各单元层的第一方向的第一边缘部，这些第一边缘部的边界随层级升高而逐渐内缩，其中由最低单元层的第一边缘部的边界至最高单元层的第一边缘部的边界的仰角为第一角度。第二阶梯结构包括各单元层的第二方向的第二边缘部，这些第二边缘部的边界位置随层级升高的变化不规则，且由最低单元层的第二边缘部的边界至最高单元层的第二边缘部的边界的仰角为第二角度，其大于第一角度。
在一实施例中，第一角度介于6°与12°之间，第二角度介于20°与60°之间。
在一实施例中，所述第一方向为X方向且所述第二方向为Y方向，或者所述第一方向为Y方向且所述第二方向为X方向。
在一实施例中，每一单元层包括第一材料层及第二材料层，且这些单元层中的这些第一材料层与这些第二材料层交替叠层。可能第一材料层包括氮化硅层且第二材料层包括氧化硅层，或者第一材料层包括导体层且第二材料层包括绝缘层。
一种多层元件的边缘结构的制造方法，包括：形成包含多层单元层的叠层；多次掩模层形成步骤，其各自于所述叠层上形成一掩模层；以及于每一掩模层形成的后，交替进行多次刻蚀步骤及至少一次掩模层削减步骤，其中每一次刻蚀步骤移除该掩模层所暴露出的一层单元层。其中，在所述多层元件的将形成接触窗的第一方向上未经削减的任一掩模层的边界比经最后一次削减的前一掩模层的边界内缩，在第二方向上未经削减的任一掩模层的边界至少超出经最后一次削减的前一掩模层的边界，且在第二方向上最先形成的掩模层的边界与多层元件之间的距离小于在第一方向上最先形成的掩模层的边界与多层元件之间的距离。
在一实施例中，未经削减的任一掩模层的第二方向的边界预设为对齐未经削减的前一掩模层的第二方向的边界。
在一实施例中，每一单元层包括第一及第二材料层，且这些单元层中的这些第一材料层与这些第二材料层交替叠层。在每一单元层中第二材料层位于第一材料层之上的情况下，移除暴露出的一层单元层的方法例如包括：移除暴露出的一层第二材料层，其以下方相邻的一层第一材料层为刻蚀中止层；以及移除先前作为刻蚀中止层的一层第一材料层，其以下方相邻的一层第二材料层为刻蚀中止层。
在本发明的多层元件的边缘结构中，由于第二方向的第二阶梯结构的斜角大于上方将形成接触窗的第一方向的第一阶梯结构的斜角，故第二方向的阶梯区的宽度较窄，而得以减少芯片面积的浪费。
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，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1绘示先前技术形成多层元件的边缘结构用的掩模设计的上视图。
图2绘示本发明一实施例的多层元件的边缘结构的制造方法所用的掩模设计的上视图。
图3绘示本发明一实施例的多层元件的边缘结构中的X方向阶梯结构的剖面图，此阶梯结构所在的区域为将形成多层元件的接触窗的区域。
图4A、4B绘示本发明两实施例的Y方向阶梯结构的剖面图，其中图4A显示各个刚形成的掩模层的Y方向边界皆完全对准且各掩模层形成后进行的刻蚀或掩模削减步骤数目相同时的结果。
图5以剖面图绘示本发明一实施例的多层元件的边缘结构的制造方法中，第一掩模层形成的后的刻蚀步骤及掩模削减步骤。
图6、图7绘示上述实施例中第二掩模层刚形成的后的X/Y方向边缘区的剖面图。
【符号说明】
10-1～10-6、20-1～20-6：掩模层
100：多层元件区
102a、102b：单元层的X方向边缘部、Y方向边缘部
500：基底
502：氧化硅层的边缘部
502a、502b：氧化硅层的X方向边缘部、Y方向边缘部
504：氮化硅层的边缘部
504a、504b：氮化硅层的X方向边缘部、Y方向边缘部
506：氧化硅层-氮化硅层对(ON对)的边缘部
506a、506b：ON对的X方向边缘部、Y方向边缘部
510、512、512'：掩模层
5102：经最后一次削减的掩模层510的X方向边界
5104：经最后一次削减的掩模层510的Y方向边界
600：成品的阶梯轮廓
H：阶梯结构的高度
h1、h1'、h1”、h2、h2”、h6”：掩模层的高度
T：每一单元层的厚度
θ1、θ2：角度
WX：X方向阶梯结构的宽度
WY、W'Y：Y方向阶梯结构的宽度
w：掩模层被削减的宽度或每一个梯面的宽度
具体实施方式
以下将通过实施方式对本发明作进一步说明，但该等实施方式仅为例示说明的用，而非用以限制本发明的范围。
图2绘示本发明一实施例的多层元件的边缘结构的制造方法所用的掩模设计。前述多层元件例如为3D内存。
请参照图2，此实施例先后形成6个掩模层20-1、20-2、20-3、20-4、20-5及20-6，且多层元件的将形成接触窗的方向为X方向。其中，最先形成的掩模层20-1定义了X方向阶梯结构及Y方向阶梯结构二者的边界，掩模层20-1的X方向边界与多层元件区100之间的距离即为将形成的X方向阶梯结构的宽度WX，而掩模层20-1的Y方向边界与多层元件区100之间的距离即为将形成的Y方向阶梯结构的宽度W'Y。
又如图2所示，愈后形成的掩模层的X方向边界愈后退，以形成后续连接接触窗用的规则、梯面够宽的阶梯结构，其宽度WX和先前技术一样。然而，各个掩模层20-1、20-2、20-3、20-4、20-5及20-6的Y方向边界皆预设为对齐，其与多层元件区100之间的距离可以预设为接近最后形成的掩模层20-6的X方向边界与多层元件区100之间的距离，而远小于最先形成的掩模层20-1的X方向边界与多层元件区100之间的距离即WX。如此所得的Y方向阶梯结构的宽度W'Y将远小于X方向阶梯结构的宽度WX。
虽然以上实施例形成6个掩模层，但本发明并不限于此，掩模层的数目可随欲形成的梯级的数目增减而增减，可随每一梯级的高度增减而增减，且可随每一梯级的梯面宽度增减而增减。另外，如果Y方向阶梯结构的宽度W'Y不需要减少太多，则后形成的掩模层(例如20-5)刚形成后的Y方向边界不一定要预设为与前一掩模层(例如20-4)刚形成后的Y方向边界对齐，而只要超过前一掩模层经其最后一次掩模削减后的Y方向边界即可。此点将于稍后图解详细说明。
图3绘示本发明一实施例的多层元件的边缘结构中的X方向阶梯结构的剖面图，此X方向阶梯结构可与先前技术相同。此X方向阶梯结构包括各单元层的X方向的边缘部102a，这些X方向边缘部102a的边界随层级升高而逐渐内缩，其中由最低的单元层的X方向边缘部102a的边界至最高的单元层的X方向边缘部102a的边界的仰角为θ1。以上结构中各单元层的厚度可为相同(T)，且各梯级的梯面宽度可为相同(w)。所述多层单元层的层数N通常在16以上，例如为39、60或96。
当所述多层单元层的层数即欲形成的梯级数目为N、先后形成的掩模层的数目为M，且第i掩模层(i＝1～M)形成后进行的刻蚀步骤的次数为mi时(和mi-1次掩模削减步骤交替进行；mi≥2)，存在的关系，其中第i掩模层形成后所进行的mi次刻蚀步骤会定义出mi个梯级。通常，任一幕层形成后所进行的刻蚀步骤的次数小于等于其前一掩模层形成后所进行的刻蚀步骤的次数，亦即，第i掩模层(i＝2～M)形成后进行的刻蚀步骤的次数mi小于等于第i-1掩模层形成后进行的刻蚀步骤的次数mi-1。
另一方面，请参照图4A、4B，在各个掩模层的Y方向边界皆预设为对齐的实施例中，上方将不形成接触窗的Y方向阶梯结构的宽度W'Y会远小于先前技术的WY(＝WX)。Y方向阶梯结构包括各单元层的Y方向的边缘部102b，这些Y方向边缘部102b的边界位置随层级升高的变化不规则，且由最低单元层的Y方向边缘部102b的边界至最高单元层的Y方向边缘部102b的边界的仰角为θ2，其值大于由最低单元层的X方向边缘部102a的边界至最高单元层的X方向边缘部102a的边界的仰角θ1。
X方向阶梯结构的宽度WX为欲形成的梯级的总数N与每个梯面的宽度w的乘积(N×w)，其中w例如介于300nm至800nm之间。例如，当N＝39且w＝500nm时，WX即为19.5μm。另一方面，当所有掩模层刚形成后的Y方向边界皆对齐时，Y方向阶梯结构的宽度W'Y为定义出的梯级数目最多的掩模层(通常为最先形成的那一个)所定义出的梯级数目mmax(亦即该掩模层形成的后所进行的刻蚀步骤的次数)与每个梯面的宽度w的乘积(mmax×w)。例如，当mmax＝8且w＝500nm时，W'Y即为4μm。
当所有掩模层刚形成后的Y方向边界皆对齐且各掩模层所定义的梯级数目皆相同时，每个掩模层所定义的梯级数目即为欲形成的梯级的总数N除以掩模层的数目M(mmax＝N/M)，此时WX(N×w)与W'Y(mmax×w)的比值即为掩模层的数目M。当各掩模层所定义的梯级数目并非皆相同时，WX/W'Y≠M。在一实施例中，WX/W'Y比值介于2至16之间。
又，X方向阶梯结构及Y方向阶梯结构的高度H为每层单元层的厚度T与欲形成的梯级的总数N的乘积(H＝T×N)，其中T值例如介于40nm至80nm之间。因此，θ1为tan-1(H/WX)＝tan-1[(T×N)/(N×w)]＝tan-1(T/w)，且θ2为tan-1(H/W'Y)；在前段所述的M个掩模层刚形成后的Y方向边界皆对齐且各自定义的梯级数目皆相同，而使WX/W'Y＝M的情况下，θ2则为tan-1(M×T/w)。在一实施例中，θ1介于6°与12°之间，且θ2介于20°与60°之间。
在各个刚形成的掩模层的Y方向边界皆完全对准，各掩模形成后进行的刻蚀或掩模削减步骤数目相同，且每次掩模削减步骤削减的宽度也完全相同的情况下，每一个掩模层形成的后被逐次刻蚀的区域皆相同，故所得的Y方向阶梯结构会如图4A所示，其前几阶的梯面宽度和X方向阶梯结构相同，但最后一阶直达最高单元层。而在对准误差、各掩模层形成后进行的刻蚀或掩模削减步骤的数目的差异，以及每次掩模削减步骤削减的宽度的误差等因素存在的情况下，将会产生窄梯面且不规则的Y方向阶梯结构，如图4B所例示。
上述单元层通常包括第一材料层及第二材料层，此情况下这些单元层中的这些第一材料层与这些第二材料层交替叠层。
在一实施例中，第一第二材料之间有足够的刻蚀选择性，以使任一第一材料层可以作为其上相邻的第二材料层的刻蚀中止层，并使任一第二材料层可以作为其上相邻的第一材料层的刻蚀中止层。例如，可能第一材料为氮化硅，第二材料为氧化硅。
关于以上各掩模层的形成及其后的刻蚀步骤及掩模削减步骤，在此以第一掩模层及其后的刻蚀步骤及掩模削减步骤为例说明如下。此说明适用于X方向边缘区及Y方向边缘区两者，其差异在于X方向上未削减的第一掩模层的边界与多层元件之间的距离(即WX)大于Y方向上未削减的第一掩模层的边界与多层元件之间的距离(即W'Y)，例如图2中第一掩模层20-1的情况。
图5绘示本发明一实施例的多层元件边缘结构的制造方法中，第一掩模层形成的后的刻蚀步骤及掩模削减步骤。此实施例中虽然每一单元层包含一层氧化硅层及一层氮化硅层，但本发明不限于此；每一单元层的两种材料层亦可为其他组合，只要这两种材料之间有足够的刻蚀选择比即可。又虽然此实施例中第一掩模层被用来定义6个梯级(mi＝1＝6)，但本发明亦不限于此。
请参照图5，在形成含N+1层氧化硅层(各含边缘部502)与N层氮化硅层(各含边缘部504)交替叠层的结构之后，于叠层结构上形成第一光刻胶层510(图5a)。每一氮化硅层与其上相邻的氧化硅层合称为氧化硅层-氮化硅层对(简称ON对，含边缘部506)。未经削减的第一光刻胶层510暴露出最上层氧化硅层的边缘部502的一边缘部分，而定义岀X方向阶梯结构及Y方向阶梯结构的边界。氧化硅层(含边缘部502)厚度例如介于至之间。氮化硅层(含边缘部504)厚度例如介于至之间。
接着以第一光刻胶层510为掩模，刻蚀最上层氧化硅层的边缘部502，其以下方相邻的氮化硅层的边缘部504为刻蚀中止层(图5b)，此时第一光刻胶层510的厚度h1'会小于原本的h1。之后再以第一光刻胶层510为掩模，刻蚀之前作为刻蚀中止层的那一层氮化硅层的边缘部504，其以下方相邻的氧化硅层的边缘部502为刻蚀中止层(图5c)，如此即定义出了第一个梯级，此时第一光刻胶层510的厚度h1”会小于先前的h1'。以上先后刻蚀一层氧化硅层的边缘部502及其下方相邻的一层氮化硅层的边缘部504的操作视为一次刻蚀步骤。
接着进行一次掩模削减步骤，从第一光刻胶层510削减w的宽度，亦即使第一光刻胶层510的边界后退w的距离(图5d)，此w的宽度即为一个梯面的宽度。此掩模削减步骤也会减少第一光刻胶层510的厚度，使其厚度h2小于其先前的厚度h1”。接着以经过上述掩模削减步骤的第一光刻胶层510为掩模，如上述般刻蚀一层ON对的边缘部506(图5e)，以定义出第二个梯级，并使先前定义的第一个梯级下降一个梯级的高度。此时第一光刻胶层510的厚度h2”会小于先前的h2。
以上的2次刻蚀步骤及1次掩模削减步骤共定义了两个梯级。之后再交替进行4(＝mi＝1-2)次上述掩模削减步骤及4次上述刻蚀步骤，而定义出再4个梯级(图5f)，同时先前定义的第一第二梯级也会下降4个梯级的高度，如此即完成了6个(＝mi＝1)梯级的定义。此时第一光刻胶层510的厚度h6”已变得太薄而禁不起再一次的掩模削减步骤，故无法用来定义更多的梯级，必须去除。
请参照图6、7，接着形成第二光刻胶层512，其在X方向边缘区的轮廓如图6所示，且在Y方向边缘区的轮廓如图7所示。X方向边缘区中待定义者为氧化硅层的X方向边缘部502a及氮化硅层的X方向边缘部504a，二者合为ON对的X方向边缘部506a。Y方向边缘区中待定义者为氧化硅层的Y方向边缘部502b及氮化硅层的Y方向边缘部504b，二者合为ON对的X方向边缘部506b。
如图6所示，未经削减的第二光刻胶层512的X方向的边界比经最后一次削减的第一光刻胶层510(图5f)的X方向的边界(位置以虚线5102表示)内缩，以便定义出下一个梯级。
另一方面，如图7所示，未经削减的第二光刻胶层512的Y方向边界可以预设为对齐未经削减的第一光刻胶层510(图5b)的Y方向边界。如此一来，在第二光刻胶层512形成后进行的刻蚀步骤的数目mi＝2小于等于第一光刻胶层510形成后进行的刻蚀步骤的数目mi＝1，且每次掩模削减步骤所削减的宽度相同的情况下，后续于Y方向边缘区中只有图5所示的先前被刻蚀的区域会被刻蚀。
不过，如果欲形成的Y方向阶梯结构的宽度W'Y不需要很小，则未经削减的第二光刻胶层的Y方向边界只要超出经最后一次削减的第一光刻胶层510(图5f)的Y方向边界(位置以虚线5104表示)即可，如同虚线所示的第二光刻胶层512’的情况。
在形成第二光刻胶层512或512’之后，交替进行mi＝2次上述刻蚀步骤及mi＝2-1次上述掩模削减步骤，然后先后形成M-2个后续光刻胶层，并于其中第i光刻胶层(i＝3～M)之后交替进行mi次上述刻蚀步骤及mi-1次上述掩模削减步骤，其中，如同第二光刻胶层512或512’的情况，在X方向上未经削减的第i光刻胶层的边界比经最后一次削减的第i-1光刻胶层的边界内缩，且在Y方向上未经削减的第i光刻胶层的边界至少超出经最后一次削减的第i-1光刻胶层的边界，即可完成X方向阶梯结构及Y方向阶梯结构。由于在X方向上未经削减的第i光刻胶层的边界比经最后一次削减的第i-1光刻胶层的边界内缩，且在Y方向上未经削减的第i光刻胶层的边界至少超出经最后一次削减的第i-1光刻胶层的边界，故Y方向上有被刻蚀的部分必然少于X方向上有被刻蚀的部分，使Y方向阶梯结构的宽度W'Y必小于X方向阶梯结构的宽度WX。
X方向阶梯结构的边缘部分的轮廓如图6中虚线600所示。各个刚形成的光刻胶层的Y方向边界皆预设为对齐之情况下的Y方向阶梯结构的轮廓则可以图7中的虚线600示意性地表示。详言之，图7中虚线600所示轮廓及宽度W'Y是在各个刚形成的光刻胶层的Y方向边界皆完全对齐，各光刻胶层形成后进行的刻蚀或掩模削减步骤数目相同，且每次掩模削减步骤削减的光刻胶层宽度也完全相同的情况下，所得到的Y方向阶梯结构的轮廓及宽度，而此情形下多层元件位于标号100的区域。如果以上各项目有任一者存在差异，阶梯形状就会进一步产生其他不规则的变化。
上述方法的一个实例如下表所示，其中ON对的总层数为39，亦即有39个梯级要定义。
在以上由氧化硅层与氮化硅层交替叠层成的阶梯结构形成的后，可使用已知方法将氮化硅以一导体材料取代，例如多晶硅或钨，如此即可形成由氧化硅层与导体材料层交替叠层成的阶梯结构，以供后续形成的接触窗连接。
在本发明的多层元件的边缘结构中，由于第二方向的第二阶梯结构的斜角大于上方将形成接触窗的第一方向的第一阶梯结构的斜角，故第二方向之阶梯区的宽度较窄，而得以减少面积的浪费。再者，当未经削减的任一掩模层的第二方向的边界预设为对齐未经削减的前一掩模层的第二方向的边界时，第二方向的阶梯区的宽度可以缩到最小。
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具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视随附的权利要求范围所界定的为准。