TW202347423A - 具有氟捕捉層之半導體元件結構的製備方法 - Google Patents
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Abstract
本揭露提供一種具有氟捕捉層之半導體元件結構的製備方法。該製備方法包括：在一半導體基板上方形成一第一介電層；在該第一介電層內形成一第一導電通孔結構；該製備方法也包括：形成位於該第一介電層上方且覆蓋第一導電通孔結構的一第二介電層；在該第二介電層上方形成一氟捕捉層；且該製備方法還包括：在該氟捕捉層上方形成一第三介電層；以及在該第三介電層、該氟捕捉層及該第二介電層內形成一第二導電通孔結構。
Description
本申請案主張美國第17/746,021及17/746,737號專利申請案之優先權（即優先權日為「2022年5月17日」），其內容以全文引用之方式併入本文中。
本揭露係有關於一種半導體元件結構的製備方法，特別是關於一種具有氟捕捉層之半導體元件結構的製備方法。
對於許多現代化的應用來說，半導體元件是不可或缺的。隨著電子技術的進步，半導體元件的尺寸變得越來越小，同時提供了更多的功能且包含更多的積體電路。由於半導體元件的小型化，提供不同功能的各種類型和尺寸的半導體元件被集成並封裝於單一模組中。再者，實施了許多製造操作以集成各種類型的半導體元件。
然而，半導體元件的製造和集成涉及許多複雜的步驟和操作，半導體元件內的集成變得越來越複雜。半導體元件的製造和集成的複雜性增加可能會造成缺陷。因此，需要不斷地改進半導體元件的製造過程以解決這些問題。
上文之「先前技術」說明僅係提供背景技術，並未承認上文之「先前技術」說明揭示本揭露之標的，不構成本揭露之先前技術，且上文之「先前技術」之任何說明均不應作為本案之「先前技術」的任一部分，不構成本揭露之先前技術。
在本揭露的一實施例中，提供一種半導體元件結構，該半導體元件結構包括：一第一介電層，設置於一半導體基板上方；一第二介電層，設置於該第一介電層上方；該半導體元件結構也包括：一氟捕捉層，設置於該第二介電層上方；一第三介電層，設置於該氟捕捉層上方；且該半導體元件結構還包括：一導電通孔結構，貫穿該第三介電層、該氟捕捉層及該第二介電層以接觸該第一介電層。
在一實施例中，該導電通孔結構直接接觸該氟捕捉層。在一實施例中，該第三介電層透過該氟捕捉層與該第二介電層隔開。在一實施例中，該氟捕捉層包含鈣（Ca）。在一實施例中，該氟捕捉層包含CaSiO
2、CaF
2或其組合。
在一實施例中，該導電通孔結構包括：一導電層，設置於該第一介電層上方；一內阻障層，環繞該導電層；以及一外阻障層，環繞該內阻障層。在一實施例中，該內阻障層的一部分夾設於該導電層與該第一介電層之間，且該內阻障層的該部分具有與該外阻障層的一底表面大致上齊平的一底表面。在一實施例中，該半導體元件結構更包括：另一導電通孔結構，貫穿該第一介電層以接觸該半導體基板。在一實施例中，該半導體元件結構更包括：一蝕刻停止層，設置於該導電通孔結構與該第一介電層之間。
在本揭露的另一實施例中，提供一種半導體元件結構，該半導體元件結構包括：一第一介電層，設置於一半導體基板上方；一第一導電通孔結構，設置於該半導體基板上方且被該第一介電層環繞；該半導體元件結構也包括：一第二介電層，設置於該第一介電層上方且覆蓋該第一導電通孔結構；一氟捕捉層，設置於該第二介電層上方；且該半導體元件結構還包括：一第二導電通孔結構，設置於該第一介電層上方且被該第二介電層及該氟捕捉層環繞。
在一實施例中，該氟捕捉層包含CaSiO
2、CaF
2或其組合。在一實施例中，該半導體元件結構更包括：一第三介電層，設置於該氟捕捉層上方且環繞該第二導電通孔結構。在一實施例中，該第一導電通孔結構包括一導電層及將該導電層與該第一介電層隔開的一阻障層。在一實施例中，該第一導電通孔結構的該導電層包含Cu，且該第一導電通孔結構的該阻障層包含TaN。
在一實施例中，該第二導電通孔結構包括：一導電層；一內阻障層，環繞該導電層；以及一外阻障層，將該內阻障層與該第二介電層及該氟捕捉層隔開。在一實施例中，該第二導電通孔結構的該導電層包含Cu，該第二導電通孔結構的該內阻障層包含CuBS，且該第二導電通孔結構的該外阻障層包含TaN。在一實施例中，該半導體元件結構更包括：一蝕刻停止層，設置於該第一導電通孔結構與該第二導電通孔結構之間，其中該第二導電通孔結構的該內阻障層直接接觸該蝕刻停止層。
在本揭露的又另一實施例中，提供一種半導體元件結構的製備方法，該製備方法包括：在一半導體基板上方形成一第一介電層；在該第一介電層內形成一第一導電通孔結構；該製備方法也包括：形成位於該第一介電層上方且覆蓋第一導電通孔結構的一第二介電層；在該第二介電層上方形成一氟捕捉層；且該製備方法還包括：在該氟捕捉層上方形成一第三介電層；以及在該第三介電層、該氟捕捉層及該第二介電層內形成一第二導電通孔結構。
在一實施例中，形成該第一導電通孔結構的步驟包括：進行一第一蝕刻製程以形成貫穿該第一介電層的一第一開口；形成內襯該第一開口的一底表面及複數側壁的一阻障層；以及在該第一開口內及該阻障層上方形成一導電層。在一實施例中，形成該第二導電通孔結構的步驟包括：進行一第二蝕刻製程以形成貫穿該第三介電層、該氟捕捉層及該第二介電層的一第二開口；形成內襯該第二開口的一底表面及複數側壁的一外阻障層；另外，形成該第二導電通孔結構的步驟包括：在該第二開口內及該外阻障層上方形成一內阻障層；以及在該第二開口內及該內阻障層上方形成一導電層。
在一實施例中，形成該第二導電通孔結構的步驟更包括：在形成該內阻障層之前，局部地去除該外阻障層；以及形成該內阻障層，使得該內阻障層的一底表面與該外阻障層的一底表面大致上齊平。在一實施例中，該第二蝕刻製程包含使用包括一含氟氣體的一蝕刻劑的一乾式蝕刻製程。在一實施例中，該氟捕捉層包含CaSiO
2，且該含氟氣體與該氟捕捉層反應以將至少一部分的該氟捕捉層轉變成CaF
2。
在一實施例中，在形成該外阻障層之前該氟捕捉層具有一第一氟含量，在局部地去除該外阻障層之後該氟捕捉層具有一第二氟含量，且該第二氟含量大於該第一氟含量。在一實施例中，該製備方法更包括：在形成該第二介電層之前，在該第一介電層上方形成一蝕刻停止層，覆蓋該第一導電通孔結構，其中該第二導電通孔結構形成於該蝕刻停止層上方且與該蝕刻停止層直接接觸。
本揭露提供半導體元件結構及其製備方法的實施例。 在一些實施例中，半導體元件結構包含位於兩介電層之間的一氟捕捉層以及貫穿氟捕捉層及兩介電層的一導電通孔結構。在為導電通孔結構提供開口的製程步驟期間，可使用含氟氣體作為蝕刻劑，且含氟氣體可與氟捕捉層反應以將至少一部分的氟捕捉層轉變成氟化物。氟捕捉層的使用能夠減少氟污染半導體元件結構中的導電部件，使得導電部件的電性特性不會受到影響，結果，能夠提升半導體元件結構的性能、可靠度及良率。
上文已相當廣泛地概述本揭露之特徵及技術優點，俾使下文之本揭露詳細描述得以獲得較佳瞭解。構成本揭露之申請專利範圍標的之其他特徵和優點將描述於下文。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解，可相當容易地利用下文揭示之概念與特定實施例作為修改或設計其他結構或製程而實現與本揭露相同之目的。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者亦應瞭解，這類等效建構無法脫離後附之申請專利範圍所界定之本揭露的精神和範圍。
以下揭露的內容提供許多不同的實施例或範例，用於實施所提供標的的不同特徵。構件和排列的具體範例描述如下以簡化本揭露，而這些當然僅為範例，並非意圖加以限制。在以下描述中，在第二特徵上方或上形成第一特徵可包含第一特徵和第二特徵被形成為直接接觸的這種實施例，也可包含在第一特徵和第二特徵之間形成額外的特徵使得第一特徵和第二特徵可不直接接觸的這種實施例。另外，在本揭露的各種範例中可能會使用重複的參考符號及/或用字，重複的目的在於簡化與清楚說明，並非用以限定所討論的各種實施例及/或配置之間的關係。
再者，空間相對用語例如「在…之下」、「在…下方」、「下」、「在…上方」、「上」等，是用以方便描述一構件或特徵與其他構件或特徵在圖式中的相對關係。這些空間相對用語旨在涵蓋除了圖式中所示之方位以外，元件在使用或操作時的不同方位。裝置可被另外定位（例如旋轉90度或其他方位），而本文所使用的空間相對敘述亦可相對應地進行解釋。
圖1是剖面示意圖，例示本揭露各種實施例的半導體元件結構100A。如圖1所示，根據一些實施例，半導體元件結構100A包含一第一介電層103及設置於一半導體基板101上方的一導電通孔結構127（也稱為第一導電通孔結構）。在一些實施例中，導電通孔結構127被第一介電層103環繞。在一些實施例中，導電通孔結構127貫穿第一介電層103以接觸半導體基板101。
再者，導電通孔結構127包含一阻障層123及一導電層125。在一些實施例中，導電層125被阻障層123環繞。在一些實施例中，導電層125透過阻障層123與第一介電層103及半導體基板101隔開。
此外，根據一些實施例，半導體元件結構100A包含設置於第一介電層103上方的一第二介電層131、設置於第二介電層131上方的一氟捕捉層133及設置於氟捕捉層133上方的一第三介電層135。在一些實施例中，第二介電層131與第三介電層135透過氟捕捉層133彼此隔開。
在一些實施例中，半導體元件結構100A包含設置於第一介電層103上方且被第二介電層131、氟捕捉層133及第三介電層135環繞的一導電通孔結構159（也稱為第二導電通孔結構）。在一些實施例中，導電通孔結構159貫穿第三介電層135、氟捕捉層133及第二介電層131以接觸第一介電層103。在一些實施例中，導電通孔結構159直接接觸第三介電層135、氟捕捉層133及第二介電層131。
再者，導電通孔結構159包含一外阻障層153、一內阻障層155及一導電層157。在一些實施例中，導電層157被內阻障層155環繞，且內阻障層155被外阻障層153環繞。在一些實施例中，內阻障層155位於導電層157下方的一部分155P夾設於導電層157與第一介電層103之間。在一些實施例中，內阻障層155的一底表面155B與外阻障層153的一底表面153B大致上齊平。在本揭露的上下文中，「大致上」的用語意指較佳為至少90％，更較佳為95％，甚至更較佳為98 %，最佳為99%。
在一些實施例中，氟捕捉層133包含鈣（Ca），例如CaSiO
2。在一些實施例中，在形成導電通孔結構159之前，進行蝕刻製程以形成貫穿第三介電層135、氟捕捉層133及第二介電層131的一開口（例如，圖14所示之開口150）。在一些實施例中，蝕刻製程包含使用包括含氟氣體的蝕刻劑之乾式蝕刻製程，且含氟氣體可與氟捕捉層133反應以將至少一部分的氟捕捉層133轉變成CaF
2，進而減少或防止氟污染半導體元件結構100A中的導電部件（例如，導電通孔結構127及導電通孔結構159)。因此，導電部件的電性特性不會受到影響。
圖2是剖面示意圖，例示本揭露各種實施例的半導體元件結構100B，半導體元件結構100B類似於半導體元件結構100A。然而，根據一些實施例，在半導體元件結構100B中，一蝕刻停止層129設置於導電通孔結構127與導電通孔結構159之間。
在一些實施例中，蝕刻停止層129連續地延伸於第一介電層103與第二介電層131之間。在一些實施例中，導電通孔結構159的外阻障層153及內阻障層155直接接觸蝕刻停止層129。在一些實施例中，在用於形成開口（例如，圖14中所示的開口150）的蝕刻製程期間，蝕刻停止層129的蝕刻速率比第二介電層131的蝕刻速率慢。
圖3是流程圖，例示本揭露各種實施例的半導體元件結構100A的製備方法10，且製備方法10包含步驟S11、步驟S13、步驟S15、步驟S17、步驟S19、步驟S21、步驟S23及步驟S25。圖3的步驟S11至步驟S25結合下圖例如圖5至圖18詳細說明。
圖4是流程圖，例示本揭露各種實施例的半導體元件結構100B的製備方法30，且製備方法30包含步驟S31、步驟S33、步驟S35、步驟S37、步驟S39、步驟S41、步驟S43、步驟S45及步驟S47。圖4的步驟S31至步驟S47結合下圖例如圖19及圖20詳細說明，且其中一些步驟與圖3中的步驟相同。
圖5至圖18是剖面示意圖，例示根據一些實施例形成半導體元件結構100A的中間階段。如圖5所示，提供一半導體基板101。半導體基板101可為半導體晶圓，例如矽晶圓。
或者半導體基板101可替代性地或附加地包含元素半導體材料、化合物半導體材料及/或合金半導體材料。元素半導體材料的範例可包含但不限於結晶矽、多晶矽、非晶矽、鍺及/或金剛石。化合物半導體材料的範例可包含但不限於碳化矽、砷化鎵、磷化鎵、磷化銦、砷化銦及/或銻化銦。合金半導體材料的範例可包含但不限於SiGe、GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP及/或GaInAsP。
在一些實施例中，半導體基板101包含一磊晶層。例如，半導體基板101具有覆蓋於塊狀半導體上的磊晶層。在一些實施例中，半導體基板101為絕緣體上半導體基板，其可包含一基板、基板上方的一埋入氧化層及埋入氧化層上方的一半導體層，例如絕緣體上矽（SOI）基板、絕緣體上矽鍺（SGOI）基板或絕緣體上鍺（GOI）基板。可以使用氧離子佈植分離法（SIMOX）、晶圓接合及/或其他適用的方法來製造絕緣體上半導體基板。
根據一些實施例，如圖5所示，在半導體基板101上方形成一第一介電層103。對應的步驟例示於圖3所示之製備方法10中的步驟S11。在一些實施例中，第一介電層103由氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、低k介電材料或其他適合的材料所構成。可藉由沉積製程例如化學氣相沉積（CVD）製程、物理氣相沉積（PVD）製程、原子層沉積形成（ALD）製程、旋塗製程或另一種適合的方法形成第一介電層103。
然後，繼續參照圖5，在第一介電層103上方形成具有一開口110的一圖案化遮罩105。在一些實施例中，第一介電層103從開口110局部地露出。在一些實施例中，第一介電層103及圖案化遮罩105包含不同的材料，因此在後續的蝕刻製程中蝕刻選擇性有所不同。
之後，根據一些實施例，使用圖案化遮罩105作為遮罩，在第一介電層103上進行蝕刻製程（也稱為第一蝕刻製程），使得第一介電層103內形成一第一開口120，如圖6所示。在一些實施例中，第一開口120貫穿第一介電層103，使得半導體基板101局部地露出。對應的步驟例示於圖3所示之製備方法10中的步驟S13。蝕刻製程可為濕式蝕刻製程、乾式蝕刻製程及其組合。
在一些實施例中，第一開口120具有漸縮的寬度，使得第一開口120的寬度從第一介電層103的一頂表面到半導體基板101露出的部分逐漸縮小。在形成第一開口120之後，可去除圖案化遮罩105。在一些實施例中，藉由剝離製程、灰化製程、蝕刻製程或其他適合的製程去除圖案化遮罩105。
接著，根據一些實施例，形成內襯第一開口120且位於第一介電層103上方的一阻障層123，如圖7所示。在一些實施例中，阻障層123形成為覆蓋第一開口120的側壁120S及底表面120B。在一些實施例中，阻障層123包含氮化鉭（TaN）。然而，也可使用任何其他適合的材料，例如鈦（Ti）、氮化鈦（TiN）、鉭（Ta）、鈷鎢（CoW）。再者，可藉由沉積製程例如CVD製程、PVD製程、ALD製程、金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）製程、濺鍍製程、電鍍製程或其他適合的製程形成阻障層123。
然後，根據一些實施例，在阻障層123上方形成一導電層125，其填充第一開口120的剩餘部分，如圖8所示。 在一些實施例中，導電層125包含銅（Cu）。 然而，可使用任何其他適合的材料，例如鋁（Al）、鎢（W）、鈦（Ti）、鉭（Ta）、金（Au）、銀（Ag）。 用於形成導電層125的一些製程與用於形成阻障層123的製程相似或相同，此處不再贅述。
之後，根據一些實施例，在阻障層123及導電層125上進行平坦化製程直到露出第一介電層103，如圖10所示。在進行平坦化製程之後，阻障層123及導電層125的剩餘部分形成一導電通孔結構127。平坦化製程可包含化學機械研磨（CMP）製程。對應的步驟例示於圖3所示之製備方法10中的步驟S15。
接著，根據一些實施例，在第一介電層103上方形成一第二介電層131，其覆蓋導電通孔結構127，如圖10所示。對應的步驟例示於圖3所示之製備方法10中的步驟S17。用於形成第二介電層131的一些材料及製程類似或相同於用於形成第一介電層103的一些材料和製程，此處不再贅述其細節。在本實施例中，第一介電層103及第二介電層131包含不同的材料，因此在後續的蝕刻製程中蝕刻選擇性會有所不同。
接著，根據一些實施例，在第二介電層131上形成一氟捕捉層133，如圖11所示。對應的步驟例示於圖3所示之製備方法10中的步驟S19。在一些實施例中，氟捕捉層133包含鈣（Ca）。在一些實施例中，氟捕捉層133包含CaSiO
2。在一些實施例中，藉由沉積製程例如CVD製程、PVD製程、ALD製程、旋塗製程或其他適合的方法形成氟捕捉層133。
之後，根據一些實施例，在氟捕捉層133上方形成一第三介電層135，如圖12所示。對應的步驟例示於圖3所示之製備方法10中的步驟S21。用於形成第三介電層135的一些材料及製程類似或相同於用於形成第一介電層103的一些材料和製程，此處不再贅述其細節。
接著，根據一些實施例，在第三介電層上方形成具有一開口140的一圖案化遮罩137，如圖13所示。在一些實施例中，第三介電層135從開口140局部地露出。在一些實施例中，第一介電層103及圖案化遮罩137包含不同的材料，因此在後續的蝕刻製程中蝕刻選擇性有所不同。
然後，根據一些實施例，使用圖案化遮罩137作為遮罩，在第二介電層131、氟捕捉層133及第三介電層135上進行蝕刻製程（也稱為第二蝕刻製程），以形成一第二開口150，如圖14所示。在一些實施例中，第二開口150貫穿第三介電層135、氟捕捉層133及第二介電層131，使得第一介電層103局部地露出。對應的步驟例示於圖3所示之製備方法10中的步驟S23。
在一些實施例中，用於形成開口150的蝕刻製程包含使用包括含氟氣體的蝕刻劑之乾式蝕刻製程。例如，可使用以CHF
3或BF
3作為蝕刻劑之乾式蝕刻製程。在一些實施例中，含氟氣體與氟捕捉層133反應以將至少一部分氟捕捉層133轉變成CaF
2。在一些實施例中，在用於形成開口150的蝕刻製程之後，氟捕捉層133包含CaSiO
2、CaF
2或其組合。
在一些實施例中，第二開口150具有漸縮的寬度，使得第二開口150的寬度從第三介電層135的一頂表面到第一介電層103露出的部分逐漸縮小。在形成第二開口150之後，可去除圖案化遮罩137。在一些實施例中，藉由剝離製程、灰化製程、蝕刻製程或其他適合的製程去除圖案化遮罩137。
之後，根據一些實施例，形成內襯第二開口150且位於第三介電層135上方的一外阻障層153，如圖15所示。在一些實施例中，外阻障層153形成為覆蓋第二開口150的側壁150S及底表面150B。在一些實施例中，外阻障層153包含氮化鉭（TaN）。然而，也可使用任何其他適合的材料，例如鈦（Ti）、氮化鈦（TiN）、鉭（Ta）、鈷鎢（CoW）。用於形成外阻障層153的一些製程與用於形成之前所形成的導電通孔結構127的阻障層123的製程相似或相同，此處不再贅述其細節。
接著，進行異向性蝕刻製程以去除外阻障層153的水平部分，留下外阻障層153的垂直部分。在一些實施例中，在進行異向性蝕刻製程之後，第二開口150的側壁150S維持被外阻障層153所覆蓋，而第一介電層103則從第二開口150的底表面150B露出。此外，根據一些實施例，第三介電層135在異向性蝕刻製程之後露出。
此外，在一些實施例中，異向性蝕刻製程包含使用包括含氟氣體的蝕刻劑之乾式蝕刻製程。例如，可使用以CHF
3或BF
3作為蝕刻劑之乾式蝕刻製程。在一些實施例中，含氟氣體與包含CaSiO
2的氟捕捉層133反應以將至少一部分氟捕捉層133轉變成CaF
2。
在一些實施例中，在對外阻障層153進行異向性蝕刻製程之後，氟捕捉層133的氟含量增加。換言之，根據一些實施例，在形成外阻障層153之前氟捕捉層133具有第一氟含量，且在局部地去除外阻障層153之後氟捕捉層133具有第二氟含量，第二氟含量大於第一氟含量。
然後，根據一些實施例，在外阻障層153上方形成一內阻障層155，如圖17所示。在一些實施例中，內阻障層155形成為內襯第二開口150且延伸至第三介電層135上方。再者，根據一些實施例，內阻障層155的一部分155P形成為覆蓋第二開口的底表面150B（參照圖16），且直接接觸第一介電層103。在一些實施例中，內阻障層155的底表面155B與外阻障層153的底表面153B大致上齊平。
在一些實施例中，內阻障層155包含CuBS（Endura CuBS，銅阻障/晶種）。然而，也可使用任何其他適合的材料，例如鈦（Ti）、氮化鈦（TiN）、鉭（Ta）、鈷鎢（CoW）。用於形成內阻障層155的一些製程與用於形成之前所形成的導電通孔結構127的阻障層123的製程相似或相同，此處不再贅述其細節。
之後，根據一些實施例，在內阻障層155上方形成一導電層157，其填充第二開口150的一剩餘部分，如圖18所示。在一些實施例中，導電層157透過外阻障層153及內阻障層155與第一介電層103、第二介電層131、氟捕捉層133及第三介電層135隔開。在一些實施例中，導電層157包含銅（Cu）。然而，可使用任何其他適合的材料，例如鋁（Al）、鎢（W）、鈦（Ti）、鉭（Ta）、金（Au）、銀（Ag）。用於形成導電層157的一些製程與用於形成之前所形成的導電通孔結構127的阻障層123的製程相似或相同，此處不再贅述其細節。
接著，根據一些實施例，在內阻障層155及導電層157上進行平坦化製程，直到露出第三介電層135，如圖1所示。在進行平坦化製程之後，外阻障層153、內阻障層155及導電層157形成一導電通孔結構159，進而得到半導體元件結構100A。對應的步驟例示於圖3所示之製備方法10中的步驟S25。平坦化製程可包含CMP製程。
如以上所述，在形成導電通孔結構159的期間所進行的一次或多次蝕刻製程包含使用含氟氣體的乾式蝕刻。由於氟捕捉層133包含鈣（Ca），例如CaSiO
2，因此含氟氣體可與氟捕捉層133反應以將至少一部分的氟捕捉層133轉變成CaF
2，進而減少或防止氟污染半導體元件結構100A中的導電通孔結構127及導電通孔結構159，使得導電通孔結構127及導電通孔結構159的電性特性不會受到影響，結果，能夠提升半導體元件結構的性能、可靠度及良率。
圖19及圖20是剖面示意圖，例示根據一些實施例形成圖2中的半導體元件結構100B的中間階段。需注意的是，用於形成圖19所示之結構前的半導體元件結構100B的操作大致上相同於用於形成圖5至圖9所示之半導體元件結構100A的操作（圖4所示之製備方法30中的步驟S31、步驟S33及步驟S35相同於圖3所示之製備方法10中的步驟S11、步驟S13及步驟S15），相關的詳細說明可參照前述段落，此處不再討論。
根據一些實施例，在導電通孔結構127形成於第一介電層103中之後，在第一介電層103上方形成一蝕刻停止層129，其覆蓋導電通孔結構127，如圖19所示。對應的步驟例示於圖4所示之製備方法30中的步驟S37。在一些實施例中，蝕刻停止層129由氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、碳化矽、氮化碳或其組合所構成。可藉由沉積製程例如CVD製程、電漿增強CVD（PECVD）製程、旋塗製程或另一適合的方法形成蝕刻停止層129。
然後，根據一些實施例，在蝕刻停止層129上方依序形成一第二介電層131、一氟捕捉層133及一第三介電層135，如圖20所示。對應的步驟例示於圖4所示之製備方法30中的步驟S39、步驟S41及步驟S43。圖4所示之製備方法30中的步驟S39、步驟S41及步驟S43相同於圖3所示之製備方法10中的步驟S17、步驟S19及步驟S21，此處不再贅述其細節。
在一些實施例中，蝕刻停止層129的材料經選擇為在後續的蝕刻製程中相較於第二介電層131具有高蝕刻選擇性。例如，第二介電層131可為二氧化矽（SiO2），而蝕刻停止層129可為氮化矽、碳化矽、氧氮化矽或碳氮化矽，其均具有比SiO2高的蝕刻選擇性。
根據一些實施例，在形成第三介電層135之後，進行蝕刻製程以形成貫穿第三介電層135、氟捕捉層133及第二介電層131的一第二開口（未繪示），且在第二開口中形成包含一外阻障層153、一內阻障層155及一導電層157的一導電通孔結構159，如圖2所示。對應的步驟例示於圖4所示之製備方法30中的步驟S45及步驟S47。
圖4所示之製備方法30中的步驟S45及步驟S47相同於圖3所示之製備方法10中的步驟S23及步驟S25，此處不再贅述其細節。此外，根據一些實施例，進行用於形成第二開口的蝕刻製程直到露出蝕刻停止層129，使得後續形成的導電通孔結構159形成於蝕刻停止層129上方且與蝕刻停止層129直接接觸。
在形成導電通孔結構159之後，得到半導體元件結構100B。在一些實施例中，導電通孔結構159透過蝕刻停止層129與第一介電層103隔開。在一些實施例中，內阻障層155位於導電層157下方的部分155P夾設於導電層157與蝕刻停止層129之間。在一些實施例中，在形成導電通孔結構159的製程期間，導電通孔結構127受到蝕刻停止層129的保護，其允許在用於形成導電通孔結構159的開口之蝕刻製程期間的錯位容忍度增加。
在形成半導體元件結構100B的製程步驟中，在形成導電通孔結構159的期間所進行的一次或多次蝕刻製程包含使用含氟氣體的乾式蝕刻。由於氟捕捉層133包含鈣（Ca），例如CaSiO
2，因此含氟氣體可與氟捕捉層133反應以將至少一部分的氟捕捉層133轉變成CaF
2，進而減少或防止氟污染半導體元件結構100B中的導電通孔結構127及導電通孔結構159，使得導電通孔結構127及導電通孔結構159的電性特性例如導電性能夠一致。
本揭露提供了半導體元件結構（例如半導體元件結構100A及半導體元件結構100B）及其製備方法的實施例。 在一些實施例中，半導體元件結構包含位於兩介電層（例如，第二介電層131及第三介電層135）之間的一氟捕捉層（例如，氟捕捉層133）以及貫穿氟捕捉層及兩介電層的一導電通孔結構（例如，導電通孔結構159）。
在用於形成導電通孔結構的製程步驟期間，可使用含氟氣體作為蝕刻劑。例如，可在形成用於導電通孔結構159的開口150的過程中（參照圖14）使用含氟氣體，且也可在局部地去除導電通孔結構159中的外阻障層153的過程中（參照圖16）使用含氟氣體。在這些情況下，含氟氣體可與氟捕捉層133反應以將至少一部分的氟捕捉層轉變成氟化物（例如，CaF
2）。氟捕捉層的使用能夠減少氟污染半導體元件結構中的導電部件（例如，導電通孔結構127及導電通孔結構159），使得導電部件的電性特性不會受到影響，結果，能夠提升半導體元件結構的性能、可靠度及良率。
在本揭露的一實施例中，提供一種半導體元件結構，該半導體元件結構包括：一第一介電層，設置於一半導體基板上方；一第二介電層，設置於該第一介電層上方；該半導體元件結構也包括：一氟捕捉層，設置於該第二介電層上方；一第三介電層，設置於該氟捕捉層上方；且該半導體元件結構還包括：一導電通孔結構，貫穿該第三介電層、該氟捕捉層及該第二介電層以接觸該第一介電層。
在本揭露的另一實施例中，提供一種半導體元件結構，該半導體元件結構包括：一第一介電層，設置於一半導體基板上方；一第一導電通孔結構，設置於該半導體基板上方且被該第一介電層環繞；該半導體元件結構也包括：一第二介電層，設置於該第一介電層上方且覆蓋該第一導電通孔結構；一氟捕捉層，設置於該第二介電層上方；且該半導體元件結構還包括：一第二導電通孔結構，設置於該第一介電層上方且被該第二介電層及該氟捕捉層環繞。
在本揭露的又另一實施例中，提供一種半導體元件結構的製備方法，該製備方法包括：在一半導體基板上方形成一第一介電層；在該第一介電層內形成一第一導電通孔結構；該製備方法也包括在該第一介電層上方形成一第二介電層，覆蓋該第一導電通孔結構；在該第二介電層上方形成一氟捕捉層；且該製備方法還包括：在該氟捕捉層上方形成一第三介電層；以及在該第三介電層、該氟捕捉層及該第二介電層內形成一第二導電通孔結構。
本揭露的實施例具有一些優點特徵。藉由在第二介電層與第三介電層之間形成氟捕捉層，能夠減少或防止在蝕刻製程期間由於使用含氟氣體而對半導體元件結構中的導電部件所造成的氟污染，進而使得導電部件的電性特性不會受到影響，結果，能夠提升半導體元件結構的性能、可靠度及良率。
雖然已詳述本揭露及其優點，然而應理解可進行各種變化、取代與替代而不脫離申請專利範圍所定義之本揭露的精神與範圍。例如，上述討論的許多製程可用不同的方法實施且以其他製程或其組合加以替代。
再者，本申請案的範圍並不受限於說明書中所述之製程、機械、製造、物質組成物、手段、方法與步驟之特定實施例。所屬技術領域中具有通常知識者可自本揭露的揭示內容理解，可根據本揭露而使用與本文所述之對應實施例具有相同功能或是達到實質上相同結果之現存或是未來發展之製程、機械、製造、物質組成物、手段、方法、或步驟。據此，此等製程、機械、製造、物質組成物、手段、方法、或步驟係包含於本申請案之申請專利範圍內。
10:製備方法
30:製備方法
100A:半導體元件結構
100B:半導體元件結構
101:半導體基板
103:第一介電層
105:圖案化遮罩
110:開口
120:第一開口
120B:底表面
120S:側壁
123:阻障層
125:導電層
127:導電通孔結構
129:蝕刻停止層
131:第二介電層
133:氟捕捉層
135:第三介電層
137:圖案化遮罩
140:開口
150:開口/第二開口
150B:底表面
150S:側壁
153:外阻障層
153B:底表面
155:內阻障層
155B:底表面
155P:部分
157:導電層
159:導電通孔結構
本揭露的實施方式可從下列的詳細描述並結合參閱附圖得到最佳的理解。需要注意的是，根據在業界的標準實務做法，各種特徵不一定是依照比例繪製。事實上，為了便於清楚討論，各種特徵的尺寸可任意放大或縮小。
圖1是剖面示意圖，例示本揭露各種實施例的半導體元件結構。
圖2是剖面示意圖，例示本揭露各種實施例的半導體元件結構。
圖3是流程圖，例示本揭露各種實施例的半導體元件結構的製備方法。
圖4是流程圖，例示本揭露各種實施例的半導體元件結構的製備方法。
圖5是剖面示意圖，例示本揭露各種實施例在形成半導體元件結構的期間在一半導體基板上方依序形成一第一介電層及一圖案化遮罩的中間階段。
圖6是剖面示意圖，例示本揭露各種實施例在形成半導體元件結構的期間使用圖案化遮罩作為遮罩蝕刻第一介電層以形成一第一開口的中間階段。
圖7是剖面示意圖，例示本揭露各種實施例在形成半導體元件結構的期間形成內襯第一開口且覆蓋第一介電層的一阻障層的中間階段。
圖8是剖面示意圖，例示本揭露各種實施例在形成半導體元件結構的期間形成位於第一開口內且覆蓋阻障層的一導電層的中間階段。
圖9是剖面示意圖，例示本揭露各種實施例在形成半導體元件結構的期間形成進行平坦化製程以在第一開口內形成一導電通孔結構的中間階段。
圖10是剖面示意圖，例示本揭露各種實施例在形成半導體元件結構的期間在第一介電層上方形成一第二介電層的中間階段。
圖11是剖面示意圖，例示本揭露各種實施例在形成半導體元件結構的期間在第二介電層上方形成一氟捕捉層的中間階段。
圖12是剖面示意圖，例示本揭露各種實施例在形成半導體元件結構的期間在氟捕捉層上方形成一第三介電層的中間階段。
圖13是剖面示意圖，例示本揭露各種實施例在形成半導體元件結構的期間在第三介電層上方形成一圖案化遮罩的中間階段。
圖14是剖面示意圖，例示本揭露各種實施例在形成半導體元件結構的期間使用圖案化遮罩作為遮罩進行蝕刻製程以形成一第二開口的中間階段。
圖15是剖面示意圖，例示本揭露各種實施例在形成半導體元件結構的期間形成內襯第二開口且覆蓋第三介電層的一外阻障層的中間階段。
圖16是剖面示意圖，例示本揭露各種實施例在形成半導體元件結構的期間局部地去除外阻障層的中間階段。
圖17是剖面示意圖，例示本揭露各種實施例在形成半導體元件結構的期間形成位於第二開口內且覆蓋外阻障層及第三介電層的一內阻障層的中間階段。
圖18是剖面示意圖，例示本揭露各種實施例在形成半導體元件結構的期間形成位於第二開口內且覆蓋外阻障層的一導電層的中間階段。
圖19是剖面示意圖，例示本揭露各種實施例在形成半導體元件結構的期間在第一介電層上方形成一蝕刻停止層的中間階段。
圖20是剖面示意圖，例示本揭露各種實施例在形成半導體元件結構的期間在蝕刻停止層上方依序形成一第二介電層、一氟捕捉層及一第三介電層的中間階段。
100A:半導體元件結構
101:半導體基板
103:第一介電層
123:阻障層
125:導電層
127:導電通孔結構
131:第二介電層
133:氟捕捉層
135:第三介電層
153:外阻障層
153B:底表面
155:內阻障層
155B:底表面
155P:部分
157:導電層
159:導電通孔結構
Claims (17)
- 一種半導體元件結構的製備方法，包括： 在一半導體基板上方形成一第一介電層； 在該第一介電層上方形成一第二介電層； 在該第二介電層上方形成一氟捕捉層； 在該氟捕捉層上方形成一第三介電層；以及 形成一導電通孔結構，貫穿該第三介電層、該氟捕捉層及該第二介電層以接觸該第一介電層。
- 如請求項1所述之製備方法，其中該導電通孔結構形成為直接接觸該氟捕捉層。
- 如請求項1所述之製備方法，其中該第三介電層透過該氟捕捉層與該第二介電層隔開。
- 如請求項1所述之製備方法，其中該氟捕捉層包含鈣（Ca）。
- 如請求項4所述之製備方法，其中該氟捕捉層包含CaSiO 2、CaF 2或其組合。
- 如請求項1所述之製備方法，其中形成該導電通孔結構的步驟包括： 在該第一介電層上方形成一導電層； 形成環繞該導電層的一內阻障層；以及 形成環繞該內阻障層的一外阻障層。
- 如請求項6所述之製備方法，其中該內阻障層的一部分夾設於該導電層與該第一介電層之間，且該內阻障層的該部分具有與該外阻障層的一底表面大致上齊平的一底表面。
- 如請求項1所述之製備方法，更包括： 形成另一導電通孔結構，貫穿該第一介電層以接觸該半導體基板。
- 如請求項1所述之製備方法，更包括： 在該導電通孔結構與該第一介電層之間形成一蝕刻停止層。
- 一種半導體元件結構的製備方法，包括： 在一半導體基板上方形成一第一介電層； 在該第一介電層內形成一第一導電通孔結構； 在該第一介電層上方形成一第二介電層，覆蓋該第一導電通孔結構； 在該第二介電層上方形成一氟捕捉層； 在該氟捕捉層上方形成一第三介電層；以及 在該第三介電層、該氟捕捉層及該第二介電層內形成一第二導電通孔結構。
- 如請求項10所述之製備方法，其中形成該第一導電通孔結構的步驟包括： 進行一第一蝕刻製程以形成貫穿該第一介電層的一第一開口； 形成內襯該第一開口的一底表面及複數側壁的一阻障層；以及 在該第一開口內及該阻障層上方形成一導電層。
- 如請求項10所述之製備方法，其中形成該第二導電通孔結構的步驟包括： 進行一第二蝕刻製程以形成貫穿該第三介電層、該氟捕捉層及該第二介電層的一第二開口； 形成內襯該第二開口的一底表面及複數側壁的一外阻障層； 在該第二開口內及該外阻障層上方形成一內阻障層；以及 在該第二開口內及該內阻障層上方形成一導電層。
- 如請求項12所述之製備方法，其中形成該第二導電通孔結構的步驟更包括： 在形成該內阻障層之前，局部地去除該外阻障層；以及 形成該內阻障層，使得該內阻障層的一底表面與該外阻障層的一底表面大致上齊平。
- 如請求項12所述之製備方法，其中該第二蝕刻製程包含使用包括一含氟氣體的一蝕刻劑的一乾式蝕刻製程。
- 如請請求項14所述之製備方法，其中該氟捕捉層包含CaSiO 2，且該含氟氣體與該氟捕捉層反應以將至少一部分的該氟捕捉層轉變成CaF 2。
- 如請求項12所述之製備方法，其中在形成該外阻障層之前該氟捕捉層具有一第一氟含量，在局部地去除該外阻障層之後該氟捕捉層具有一第二氟含量，且該第二氟含量大於該第一氟含量。
- 如請求項10所述之製備方法，更包括： 在形成該第二介電層之前，在該第一介電層上方形成一蝕刻停止層，覆蓋該第一導電通孔結構，其中該第二導電通孔結構形成於該蝕刻停止層上方且與該蝕刻停止層直接接觸。
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