半导体元件及其制备方法与流程

1.本技术案主张2020年11月16日申请的美国正式申请案第17/099,215号的优先权及益处，该美国正式申请案的内容以全文引用的方式并入本文中。
2.本公开是关于一种半导体元件以及该半导体元件的制备方法。特别是有关于一种具有一碳硬遮罩的半导体元件以及具有该碳硬遮罩的该半导体元件的制备方法。


背景技术：

3.半导体元件是使用在不同的电子应用，例如个人电脑、手机、数码相机，或其他电子设备。半导体元件的尺寸是逐渐地变小，以符合计算能力所逐渐增加的需求。然而，在尺寸变小的制程期间，是增加不同的问题，且如此的问题在数量与复杂度上持续增加。因此，仍然持续着在达到改善品质、良率、效能与可靠度以及降低复杂度方面的挑战。
4.上文的「先前技术」说明仅是提供背景技术，并未承认上文的「先前技术」说明揭示本公开的标的，不构成本公开的先前技术，且上文的「先前技术」的任何说明均不应作为本案的任一部分。


技术实现要素：

5.本公开的一实施例提供一种半导体元件，包含：一基底；多个导电层，位在该基底上；一碳硬遮罩层，位在所述导电层上；一隔离层，包括一下部以及一上部；以及一导电通孔，沿着该隔离层的该上部与该碳硬遮罩层设置，并位在一相邻对导电层的其中一个上。该下部沿着该碳硬遮罩层设置并位在该相邻对的导电层之间，以及该上部位在该下部上并位在该碳硬遮罩层上。
6.在一些实施例中，该碳硬遮罩层的一厚度介于大约80nm到大约500nm之间。
7.在一些实施例中，该隔离层包含一低介电常数的介电材料。
8.在一些实施例中，该碳硬遮罩层包含一碳膜。
9.在一些实施例中，该半导体元件还包括一粘着层，位在该碳硬遮罩层与所述导电层之间。
10.本公开的另一实施例提供一种半导体元件的制备方法，包括：提供一基底；形成一层导电材料在该基底上；形成一碳硬遮罩层在该层导电材料上；沿着该碳硬遮罩层与该层导电材料形成一导电层沟槽，并将该层导电材料转换成多个导电层；形成一隔离层以充填该导电层沟槽且位在该碳硬遮罩层上；以及形成一导电通孔以电性耦接到所述导电层。
11.在一些实施例中，该隔离层包含一低介电常数(low-k)的介电材料。
12.在一些实施例中，该碳硬遮罩层包含一碳膜。
13.在一些实施例中，形成该碳硬遮罩层的该步骤的一制程温度，是介于大约100℃到大约700℃之间。
14.在一些实施例中，形成该碳硬遮罩层的该步骤的一制程压力，是介于大约1torr到大约20torr之间。
15.在一些实施例中，形成该导电层沟槽的该步骤包括：形成一第一硬遮罩层在该碳硬遮罩层上；图案化该第一硬遮罩层以形成一第一沟槽；执行一碳硬遮罩蚀刻制程以形成一第二沟槽，该第二沟槽沿着该碳硬遮罩层设置并从该第一沟槽延伸；以及执行一导电层蚀刻制程以将该第二沟槽延伸到该层导电材料，进而形成该导电层沟槽。
16.在一些实施例中，该第一硬遮罩层包含氮化硼、氮化硅硼(silicon boron nitride)、氮化磷硼(phosphorus boron nitride)、氮化硼碳硅(boron carbon silicon nitride)、硅、硅锗、四乙氧基硅烷(tetraethyl orthosilicate)、氮化硅、氮氧化硅、氧化氮化硅、碳化硅或其组合。
17.在一些实施例中，形成该第一硬遮罩层的该步骤的一制程压力，是介于大约2torr到大约10torr之间。
18.在一些实施例中，该碳硬遮罩蚀刻制程的多个蚀刻剂气体(etchant gases)包括一氧气以及一含硅气体。
19.在一些实施例中，该含硅气体包括四氟化硅(silicon tetrafluoride)、四氯化硅(silicon tetrachloride)、硅烷(silane)或其组合。
20.在一些实施例中，该氧气的一流量是介于大约20sccm到大约60sccm之间。
21.在一些实施例中，该含硅气体的一流量是介于大约10sccm到大约30sccm之间。
22.在一些实施例中，该碳硬遮罩蚀刻制程的一制程持续时间(duration)是介于大约70秒到大约110秒之间。
23.在一些实施例中，依据所述蚀刻剂气体的总体积，所述蚀刻剂气体是由大约50％到95％的氧气体积以及大约50％到5％的含硅气体体积所组成。
24.在一些实施例中，该导电层蚀刻制程的一制程温度是介于大约200℃到大约550℃之间。
25.由于本公开该半导体元件的设计，该碳硬遮罩层可当作一碳源以使用多个薄的聚合物膜钝化所述导电层，借此避免所述导电层的腐蚀(corrosion)。因此，可改善该半导体元件的良率/效能。此外，该碳硬遮罩层的极好的蚀刻选择性是有益于在所述导电层形成期间形成微细蚀刻轮廓。再者，该碳硬遮罩层可维持来提供所述导电层之间的电性隔离功能。因此，可降低该半导体元件的制造复杂度。
26.上文已相当广泛地概述本公开的技术特征及优点，而使下文的本公开详细描述得以获得较佳了解。构成本公开的权利要求标的的其它技术特征及优点将描述于下文。本公开所属技术领域中具有通常知识者应了解，可相当容易地利用下文揭示的概念与特定实施例可作为修改或设计其它结构或制程而实现与本公开相同的目的。本公开所属技术领域中具有通常知识者亦应了解，这类等效建构无法脱离后附的权利要求所界定的本公开的精神和范围。
附图说明
27.参阅实施方式与权利要求合并考量图式时，可得以更全面了解本技术案的揭示内容，图式中相同的元件符号是指相同的元件。
28.图1例示本公开一实施例的一半导体元件的剖视示意图。
29.图2例示本公开另一实施例的一半导体元件的剖视示意图。
30.图3例示本公开一实施例的一半导体元件的制备方法的流程示意图。
31.图4到图12例示本公开一实施例的制备该半导体元件的一流程的剖视示意图。
32.其中，附图标记说明如下：
33.1a：半导体元件
34.1b：半导体元件
35.10：制备方法
36.101：基底
37.103：导电层
38.105：碳硬遮罩层
39.107：隔离层
40.107-1：下部
41.107-3：上部
42.109：导电通孔
43.111：粘着层
44.301：导电材料
45.303：第一硬遮罩层
46.305：第一遮罩层
47.307：第二硬遮罩层
48.309：第二遮罩层
49.501：第一沟槽
50.503：第二沟槽
51.505：导电层沟槽
52.507：第一开孔
53.s11：步骤
54.s13：步骤
55.s15：步骤
56.s17：步骤
57.z：方向
具体实施方式
58.以下描述了组件和配置的具体范例，以简化本公开的实施例。当然，这些实施例仅用以例示，并非意图限制本公开的范围。举例而言，在叙述中第一部件形成于第二部件之上，可能包含形成第一和第二部件直接接触的实施例，也可能包含额外的部件形成于第一和第二部件之间，使得第一和第二部件不会直接接触的实施例。另外，本公开的实施例可能在许多范例中重复参照标号及/或字母。这些重复的目的是为了简化和清楚，除非内文中特别说明，其本身并非代表各种实施例及/或所讨论的配置之间有特定的关系。
59.此外，为易于说明，本文中可能使用例如「之下(beneath)」、「下面(below)」、「下部的(lower)」、「上方(above)」、「上部的(upper)」等空间相对关系用语来阐述图中所示的一个元件或特征与另一(其他)元件或特征的关系。所述空间相对关系用语旨在除图中所绘示
的取向外亦囊括元件在使用或操作中的不同取向。所述装置可具有其他取向(旋转90度或处于其他取向)且本文中所用的空间相对关系描述语可同样相应地进行解释。
60.应当理解，当形成一个部件在另一个部件之上(on)、与另一个部件相连(connected to)、及/或与另一个部件耦合(coupled to)，其可能包含形成这些部件直接接触的实施例，并且也可能包含形成额外的部件介于这些部件之间，使得这些部件不会直接接触的实施例。
61.应当理解，尽管这里可以使用术语第一，第二，第三等来描述各种元件、部件、区域、层或区段(sections)，但是这些元件、部件、区域、层或区段不受这些术语的限制。相反，这些术语仅用于将一个元件、组件、区域、层或区段与另一个区域、层或区段所区分开。因此，在不脱离本发明进步性构思的教导的情况下，下列所讨论的第一元件、组件、区域、层或区段可以被称为第二元件、组件、区域、层或区段。
62.除非内容中另有所指，否则当代表定向(orientation)、布局(layout)、位置(location)、形状(shapes)、尺寸(sizes)、数量(amounts)，或其他量测(measures)时，则如在本文中所使用的例如「同样的(same)」、「相等的(equal)」、「平坦的(planar)」，或是「共面的(coplanar)」等术语(terms)并非必要意指一精确地完全相同的定向、布局、位置、形状、尺寸、数量，或其他量测，但其意指在可接受的差异内，是包含差不多完全相同的定向、布局、位置、形状、尺寸、数量，或其他量测，而举例来说，所述可接受的差异是可因为制造流程(manufacturing processes)而发生。术语「大致地(substantially)」是可被使用在本文中，以表现出此意思。举例来说，如大致地相同的(substantially the same)、大致地相等的(substantially equal)，或是大致地平坦的(substantially planar)，是为精确地相同的、相等的，或是平坦的，或者是其是可为在可接受的差异内的相同的、相等的，或是平坦的，而举例来说，所述可接受的差异是可因为制造流程而发生。
63.在本公开中，一半导体元件通常意指可通过利用半导体特性(semiconductor characteristics)运行的一元件，而一光电元件(electro-optic device)、一发光显示元件(light-emitting display device)、一半导体线路(semiconductor circuit)以及一电子元件(electronic device)，是均包括在半导体元件的范畴中。
64.应当理解，在本公开的描述中，上方(above)(或之上(up))是对应z方向箭头的该方向，而下方(below)(或之下(down))是对应z方向箭头的相对方向。
65.图1例示本公开一实施例的一半导体元件1a的剖视示意图。
66.请参考图1，半导体元件1a可包括一基底101、多个导电层103、一碳硬遮罩层105、一隔离层107以及一导电通孔109。
67.请参考图1，基底101可包括一块状(bulk)半导体基底，其是包含至少一半导体材料。举例来说，该块状半导体基底可包含一元素半导体、一化合物半导体、一非半导体材料、其他适合的材料或其组合；该元素半导体是例如硅或锗；该化合物半导体是例如硅锗、碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟、锑化铟或其他iii-v族化合物半导体或ii-vi族化合物半导体；该非半导体材料是例如钠钙玻璃(soda-lime glass)、熔硅石(fused silica)、熔融石英(fused quartz)、氟化钙(calcium fluoride)。
68.在一些实施例中，基底101可包括一绝缘体上覆半导体结构，其从下到上是由一处置基底(handle substrate)、一绝缘体层(insulator layer)以及一最上面半导体材料层
所组成。该处置基底与该最上面半导体材料层是包含与前述块状半导体基底相同的材料。该绝缘体层可为一单晶(crystalline)或非单晶(non-crystalline)介电材料，例如氧化物及/或氮化物。举例来说，绝缘体层可为一介电氧化物，例如氧化硅。举另外的例子，绝缘体层可为一介电氮化物，例如氮化硅或氮化硼。再举另一个例子，绝缘体层可包括一介电氧化物与一介电氮化物的一堆叠，例如氧化硅以及氮化硅或氮化硼以任何顺序的一堆叠。绝缘体层可具有一厚度，是介于大约10nm到大约200nm之间。
69.在一些实施例中，基底101可包括多个介电质、多个隔离层或多个导电特征，而所述介电质、所述隔离层或所述导电特征是设置在该块状半导体基底或该最上面半导体材料层上。举例来说，所述介电质或所述隔离层可包含氧化硅、硼磷硅酸盐玻璃(borophosphosilicate glass)、未掺杂的硅酸盐玻璃(undoped silicate glass)、氟化硅酸盐玻璃(fluorinated silicate glass)、低介电常数(low-k)介电材料、类似物或其组合。每一介电质或每一隔离层可具有一厚度，是介于大约0.5微米(micrometer)到大约3.0微米之间。所述低介电常数的介电材料可具有一介电常数，是小于3.0或甚至小于2.5。所述导电特征可为多个导电线、多个导电通孔、多个导电接触点或类似物。
70.在一些实施例中，多个装置元件(图未示)可设置在基底101中。举例来说，所述装置元件可为双极接面晶体管(bipolar junction transistors)、金属氧化物半导体场效晶体管(metal-oxide-semiconductor field effect transistors)、二极管、系统大型集成(system large-scale integration)、快闪存储器、动态随机存取存储器、静态随机存取存储器、电子可抹除可编程只读存储器(electrically erasable and programmable read only memory)、影像感测器、微机电系统、主动元件或被动元件。所述装置元件可通过多个隔离结构而与邻近的多个装置元件绝缘，所述隔离结构是例如浅沟隔离(shallow trench isolation)。
71.应当理解，术语「大约(about)」修饰成分(ingredient)、部件的一数量(quantity)，或是本公开的反应物(reactant)，其是表示可发生的数值数量上的变异(variation)，举例来说，其是经由典型的测量以及液体处理程序(liquid handling procedures)，而该液体处理程序用于制造浓缩(concentrates)或溶液(solutions)。再者，变异的发生可源自于应用在制造组成成分(compositions)或实施所述方法或其类似方式在测量程序中的非故意错误(inadvertent error)、在制造中的差异(differences)、来源(source)、或成分的纯度(purity)。在一方面，术语「大约(about)」意指报告数值的10％以内。在另一方面，术语「大约(about)」意指报告数值的5％以内。在再另一方面，术语「大约(about)」意指报告数值的10、9、8、7、6、5、4、3、2或1％以内。
72.请参考图1，所述导电层103可设置在基底101上。在一些实施例中，举例来说，所述导电层103可包含钨、铝、钛、铜、氮化钛或其组合。在一些实施例中，所述导电层103可具有一厚度，是介于大约500nm到大约1200nm。在一些实施例中，所述导电层103的厚度可介于大约850nm到大约1050nm之间。在一些实施例中，所述导电层103可为半导体元件1a的后段制程(back end of line)的多个导电线。所述导电层103可电性耦接到位在基底101中的所述装置元件。
73.请参考图1，碳硬遮罩层105可设置在所述导电层103上。在一些实施例中，碳硬遮罩层105可具有一厚度，是介于大约80nm到大约500nm之间。在一些实施例中，碳硬遮罩层
105的厚度可介于大约100nm到大约200nm之间。
74.在一些实施例中，举例来说，碳硬遮罩层105可包含一碳膜。在文中所使用的术语「碳膜(carbon film)」，是描述主要是大量的碳材料，碳膜的结构主要是由多个碳原子所界定，或是碳膜的物理及化学特性是由其碳含量所控制。术语「碳膜(carbon film)」是指排除为简单混合物或包含碳的化合物的材料，举例来说，其材料是为介电材料，例如掺碳的氮氧化硅、掺碳的氧化硅，或是掺碳的多晶硅。
75.或者是，在一些实施例中，碳硬遮罩层105可由碳及氢所组成。在一些实施例中，碳硬遮罩层105可由碳、氢及氧所组成。在一些实施例中，碳硬遮罩层105可由碳、氢及氟所组成。或者是，在一些实施例中，碳硬遮罩层105可包含在商业中标识为apf(产品型号，由amat公司制造)的材料、在商业中标识为silk(产品型号，由dow chemical公司制造)的材料、在商业中标识为ncp(产品型号，由asm公司制造)的材料、在商业中标识为ahm(产品型号，由novellous公司制造)的材料，或是类似此等材料。
76.请参考图1，隔离层107可包括一下部107-1以及一上部107-3。下部107-1可沿着碳硬遮罩层105设置，以及位在相邻导电层103之间，并位在基底101上。上部107-3可设置在下部107-1上，并位在碳硬遮罩层105上。
77.在一些实施例中，举例来说，隔离层107可包含氧化硅、硼磷硅酸盐玻璃、未掺杂的硅酸盐玻璃、氟化硅酸盐玻璃、低介电常数的介电材料、类似物或其组合。低介电常数的介电材料可具有一介电常数，是小于3.0或甚至小于2.5。在一些实施例中，未掺杂的硅酸盐玻璃可表示成化学式为sio
x
。该x可介于1.4到2.1之间。
78.在一些实施例中，隔离层107可为多孔的(porous)，并可由一能量可移除材料所形成。在一些实施例中，多孔隔离层107可包括一骨架(skeleton)以及多个空的空间，该多个空的空间设置在该骨架之间。该多个空的空间可相互连接，并可由空气所填满。举例来说，该骨架可包含低介电质材料或是甲基硅倍半氧烷(methylsilsesquioxane)。多孔隔离层107可具有一孔隙率(porosity)，是介于25％到50％之间。举例来说，多孔隔离层107的介电常数可显著地低于包含氧化硅的一层。因此，多孔隔离层107可显著地降低设置在其中的多个导电元件的寄生电容。意即，多孔隔离层107可显著地减轻由半导体元件1a所产生的多个电子信号之间或是施加到半导体元件1a的多个电子信号之间的一干扰效应(interference effect)。
79.能量可移除材料可包括一材料，例如一热可分解材料、一光可分解材料、一电子束可分解材料或其组合。举例来说，能量可移除材料可包括一基础材料以及一可分解成孔剂(progen)材料，而该可分解成孔剂材料暴露于一能量源时是被牺牲地移除。
80.请参考图1，导电通孔109可沿着隔离层107的上部107-3设置、沿着碳硬遮罩层105设置，并位在所述导电层103上。导电通孔109可电性连接到所述导电层103。举例来说，导电通孔109包含多晶硅、多晶锗(polycrystalline germanium)、多晶硅锗、钨、钴、锆、钽、钛、铝、钌、铜、金属碳化物(例如碳化钽，碳化钛、碳化钽镁(tantalum magnesium carbide))、金属氮化物(例如氮化钛)、过渡金属铝化物或其组合。
81.图2例示本公开另一实施例的一半导体元件1b的剖视示意图。
82.请参考图2，半导体元件1b可具有类似于如图1所示的结构。在图2中类似于或相同于图1的元件，是已经以类似元件编号标示，并已经省略其重复的描述。
83.请参考图2，半导体元件1b可包括多个粘着层111，设置在所述导电层103与碳硬遮罩层105之间。在一些实施例中，所述粘着层111可具有一厚度，介于大约2nm到大约100nm之间。在一些实施例中，所述粘着层111的厚度可介于大约5nm到大约30nm之间。
84.在一些实施例中，所述粘着层111可为多个掺氮的碳层。所述掺氮的碳层可具有一氮掺杂浓度，是依据所述粘着层111的总成分，其重量百分比是从1％到10％。在一些实施例中，所述掺氮的碳层可具有一氮掺杂浓度，其重量百分比是接近5％。在一些实施例中，所述粘着层111可包含选自下列群组的一材料：氧化硅、氮氧化硅、氮化硅。
85.在一些实施例中，所述粘着层111的制作技术包含使用多个前驱物的一沉积制程，所述前驱物是包括原位(in-situ)氮掺杂的c2h4或c3h6。该掺杂浓度可介于大约1％到大约10％，或者是，在一些实施例中，该掺杂浓度是大约为5％。所述粘着层111可改善碳硬遮罩层105与相邻各层之间的粘性。结果，可减少或避免例如碳硬遮罩层分离(detachments)的缺陷。此外，制作技术包含前述的沉积的所述粘着层111，是可持续地整合进入传统的制造流程(process flow)，而无需使用额外的设备。
86.应当理解，此处所指出的功能或是步骤是可出现一顺序，是不同于图式中所指出的顺序。举例来说，依据所包含的各功能或各步骤，连续显示的两个图式实际上是可以大致地同时执行，或者是有时可以相反的顺序执行。
87.应当理解，「正在形成(forming)」、「已经形成(formed)」以及「形成(form)」的术语，可表示并包括任何产生(creating)、构建(building)、图案化(patterning)、植入(implanting)或沉积(depositing)一元件(element)、一掺杂物(dopant)或一材料的方法。形成方法的例子可包括原子层沉积(atomic layer deposition)、化学气相沉积(chemical vapor deposition)、物理气相沉积(physical vapor deposition)、喷溅(sputtering)、旋转涂布(spin coating)、扩散(diffusing)、沉积(depositing)、生长(growing)、植入(implantation)、微影(photolithography)、干蚀刻以及湿蚀刻，但并不以此为限。
88.图3例示本公开一实施例的半导体元件1a的制备方法10的流程示意图。图4到图12例示本公开一实施例的制备半导体元件1a的一流程的剖视示意图。
89.请参考图3及图4，在步骤s11，可提供一基底101，一层导电材料301可形成在基底101上，以及一碳硬遮罩层105可形成在该层导电材料301上。
90.请参考图4，该层导电材料301可通过一沉积制程而形成在基底101上，该沉积制程是例如化学气相沉积、物理气相沉积、喷溅或类似制程。举例来说，导电材料301可为钨、铝、钛、铜、氮化钛或其组合。
91.请参考图4，碳硬遮罩层105可形成在该层导电材料301上。在一些实施例中，碳硬遮罩层105可制作技术可包含一高密度等离子体化学气相沉积制程。可以使用感应耦合射频(rf)功率来产生该高密度等离子体，该感应耦合射频是在大约500瓦(watts)到大约4000瓦之间的一范围内。该碳源可为甲烷(methane)、乙烷(ethane)、乙炔(ethyne)、苯(benzene)或其组合。该碳源的流量可介于大约50sccm(标准立方公分/每分钟，standard cubic centimeters per minute)到大约150sccm。该碳源可提供碳的聚合，以形成多个碳-碳链(carbon-carbon chains)。一惰性气体可用来当作载体气体，该惰性气体是例如氩、氖或氦，以载运该氮源。该载体气体的流量可介于大约10sccm到大约150sccm之间。该高密度等离子体化学气相沉积的制程压力可介于大约5millitorr到大约20millitorr之间。该高
密度等离子体化学气相沉积的制程温度可介于大约240℃到大约340℃之间。
92.在一些实施例中，在高密度等离子体化学气相沉积制程期间，碳硬遮罩层105的制作技术可包含增加一氟源来掺杂氟。举例来说，该氟源可为八氟环丁烷(octafluorocyclobutane)、四氟甲烷(tetrafluoromethane)、六氟乙烷(hexafluoroethane)、八氟丙烷(octafluoropropane)、三氟甲烷(trifluoromethane)、六氟苯(hexafluorobenzene)或其组合。该氟源的流量可介于稍微大于0到大约150sccm之间。对于碳硬遮罩层105的掺杂程度(doping level)与热稳定度而言，该氟源对该碳源的流量比是重要的。对于一未偏置的制程情况(unbiased process situation)而言，该氟源对该碳源的流量比可介于大约0.2到大约2之间。对于一偏置的制程情况(biased process situation)而言，该氟源对该碳源的流量比可介于大约0.7到大约1.3之间。
93.在一些实施例中，在该高密度等离子体化学气相沉积制程之后，可执行一退火(annealing)制程，以强化碳硬遮罩层105的热稳定性。该退火制程可在真空中实施，或是在由氩或氮所组成的一惰性环境中实施，且在接近30分钟的一温度下实施，该温度是介于大约300℃到大约450℃之间。
94.可良好的控制由该高密度等离子体化学气相沉积制程所制的碳硬遮罩层105的厚度与均匀度。举例来说，碳硬遮罩层105的标准差(standard deviation)是可小于4％。此外，由该高密度等离子体化学气相沉积制程所制的碳硬遮罩层105在温度升高达到接近400℃时可为热稳定。热稳定性是意指在当暴露于介于大约200℃到大约400℃之间的温度的蚀刻环境下，碳硬遮罩层105将不会经历重量损失(weight loss)、变形(deformation)或化学反应。在高温的碳硬遮罩层105的热稳定性将允许其使用于当作多个蚀刻操作用的一遮罩，所述蚀刻操作是在高于200℃的温度下执行。再者，通过调整氟的掺杂程度(doping level)以调整碳硬遮罩层105的抗蚀刻性(etch resistance property)。碳硬遮罩层105的抗蚀刻性可随着氟的掺杂程度的提高而降低。
95.或者是，在一些实施例中，碳硬遮罩层105可为一碳膜。该碳膜的制作技术可包含以一制程进行沉积，该制程包括引入一处理气体混合物进入到一处理腔室，该处理气体混合物是由一或多个碳氢化合物(hydrocarbon compounds)所构成。该碳氢化合物具有一化学式为c
xhy
，其中x的范围是在2到4之间，y的范围是在2到10之间。举例来说，所述碳氢化合物可为丙烯(propylene，c3h6)、丙炔(propyne，c3h4)、丙烷(propane，c3h8)、丁烷(butane，c4h
10
)、丁烯(butylenes，c4h8)、丁二烯(butadiene，c4h6)或乙炔(acetylene，c2h2)或其组合。
96.在一些实施例中，该碳膜是通过维持在介于大约100℃到大约700℃之间的一基底温度而可从该处理气体混合物所沉积；在一些实施例中，该基底温度是介于大约350℃到大约550℃之间。在一些实施例中，该碳膜是通过维持在介于大约1torr到大约20torr之间的一腔室温度而可从该处理气体混合物所沉积。在一些实施例中，该碳膜是通过分别引入该碳氢化合物气体以及惰性气体或多个反应气体而可从该处理气体混合物所沉积，而该碳氢化合物气体以及该惰性气体或所述反应气体的引入是在介于大约50sccm到大约200sccm的一流量所执行。
97.在一些实施例中，该处理气体混合物还可包括一惰性气体，例如氩。然而，亦可使用例如氮的其他惰性气体(inert gases)或是例如氦的其他钝气(noble gases)。所述惰性
气体可使用于控制该碳膜的密度与沉积率。此外，不同的气体可加入到该处理气体混合物中，以修改该碳膜的一些特性。所述气体可为多个反应气体，例如氢、氨、氢与氮的混合物，或其组合。氢或氨的加入可使用于控制该碳膜的氢的比率，进而控制层的各特性，例如蚀刻选择性、抗化学机械研磨特性以及反射率(reflectivity)。在一些实施例中，所述反应气体与所述惰性气体的混合物可加入到该处理气体混合物中，以沉积该碳膜。
98.该碳膜可包含碳及氢原子，其是可为一可调整的碳∶氢比，其范围是介于大约10％的氢到大约60％的氢。控制该碳膜的氢比是可调整个别的抗蚀刻性以及抗化学机械研磨特性。当氢含量减少时，是提升该碳膜的抗蚀刻性以及蚀刻选择性。当执行一蚀刻制程以将预定图案转换到所述下层上时，该碳膜的移除的减少率可使该碳膜适合于当作一遮罩层。
99.请参考图3以及图5到图8所示，在步骤s13，一导电层沟槽505可沿着碳硬遮罩层105与该层导电材料301所形成，以及该层导电材料301可通过导电层沟槽505而转换成所述导电层103。
100.请参考图5，一第一硬遮罩层303可形成在碳硬遮罩层105上。一第一遮罩层305可形成在第一硬遮罩层303上。第一硬遮罩层303可具有一厚度，是介于大约30nm到大约50nm之间。第一遮罩层305可为一光阻层，是具有导电层沟槽505的一图案。
101.在一些实施例中，举例来说，第一硬遮罩层303可包含硅、硅锗、四乙氧基硅烷、氮化硅、氮氧化硅、氧化氮化硅、碳化硅、类似物或其组合。第一硬遮罩层303的制作技术可包含一沉积制程，例如化学气相沉积、等离子体加强化学气相沉积、原子层沉积或类似制程。形成第一硬遮罩层303的制程温度可小于400℃。应当理解，在本公开中，氮氧化硅表示一物质(substance)，其是包含硅、氮以及氧，且在其中的氧的一比率是大于氮的一比率。氧化氮化硅是表示一物质，其是包含硅、氧以及氮，且在其中的氮的一比率是大于氧的一比率。
102.或者是，在一些实施例中，举例来说，第一硬遮罩层303可包含氮化硼、氮化硅硼、氮化磷硼、氮化硼碳硅或类似物。第一硬遮罩层303的制作技术可包含一成膜制程(film formation process)以及一处理制程(treatment process)。在一些实施例中，在该成膜制程中，可为硼基前驱物的多个第一前驱物而可引入在垫氧化物上，以形成一硼基层。接下来，在该处理制程中，可引入可为氮基前驱物的多个第二前驱物，以与该硼基层进行反应，并将该硼基层转换成第一硬遮罩层303。
103.在一些实施例中，举例来说，所述第一前驱物可为乙硼烷(diborane)、硼氮炔(borazine)或是硼氮炔的烷基取代衍生物(alkyl-substituted derivative)。在一些实施例中，所述第一前驱物可在介于大约5sccm到大约50slm(标准公升/每分钟，standard liter per minute)的一流量下而引入；在一些实施例中，该流量是介于大约10sccm到大约1slm之间。在一些实施例中，所述第一前驱物可通过稀释气体(dilution gas)而引入，该稀释气体是例如氮、氢、氩或其组合。该稀释气体可在介于大约5sccm到大约50slm之间的一流量下而引入；在一些实施例中，该流量是介于大约1slm到大约10slm之间。
104.在一些实施例中，可无须等离子体的辅助即可执行该成膜制程。在此情况下，该成膜制程的一基底温度可介于大约100℃到大约1000℃之间。举例来说，该成膜制程的该基底温度可介于大约300℃到大约500℃之间。该成膜制程的一制程压力可介于大约10mtorr到大约760torr之间。举例来说，该成膜制程的该制程压力可介于大约2torr到大约10torr之间。
105.在一些实施例中，该成膜制程可在等离子体存在下进行。在此情况下，该成膜制程的一基底温度可介于大约100℃到大约1000℃之间。举例来说，该成膜制程的该基底温度可介于大约300℃到大约500℃之间。该成膜制程的一制程温度可介于大约10mtorr到大约760torr。举例来说，该成膜制程的该制程温度可介于大约2torr到大约10torr。等离子体可通过介于2w到5000w之间的一射频功率(rf power)所产生。举例来说，该射频功率介于30w到1000w之间。
106.在一些实施例中，举例来说，所述第二前驱物可为氨水(ammonia)或联氨(hydrazine)。在一些实施例中，所述第二前驱物可以一流量引入，该流量是介于大约5sccm到大约50slm之间；在一些实施例中，是介于大约10sccm到大约1slm之间。
107.在一些实施例中，多个氧基前驱物可在该处理制程中与所述第二前驱物一起引入。举例来说，所述氧基前驱物可为氧、一氧化氮(nitric oxide)、一氧化二氮(nitrous oxide)、二氧化碳或水。
108.在一些实施例中，多个硅基前驱物可在该处理制程中与所述第二前驱物一起引入。举例来说，所述硅基前驱物可为硅烷(silane)、三甲硅烷基胺(trisilylamine)、三甲基硅烷(trimethylsilane)以及硅氮烷(silazanes)(例如六甲基环三硅氮烷(hexamethylcyclotrisilazane))。
109.在一些实施例中，多个磷基前驱物可在处理制程中与所述第二前驱物一起引入。举例来说，所述磷基前驱物可为磷化氢(phosphine)。
110.在一些实施例中，所述氧基前驱物、所述硅基前驱物或所述磷基前驱物可在该处理制程中与所述第二前驱物一起引入。
111.在一些实施例中，该处理制程可用一等离子体制程、一紫外线固化(uv cure)制程、一热退火(thermal anneal)制程或其组合的一辅助所执行。
112.当该处理以等离子体制程为辅助而执行时，该等离子体制程的等离子体是可通过射频功率所产生。在一些实施例中，在介于大约100khz直到大约1mhz之间的一单一低频率下，射频功率可介于大约2w到大约5000w之间。在一些实施例中，在大于约13.6mhz的一单一高频率下，射频功率可介于大约30w到大约1000w之间。在此情况下，该处理制程的一基底温度可介于大约20℃到大约1000℃之间。该处理制程的一制程压力可介于大约10mtorr到大约760torr之间。
113.当该处理以紫外线固化制程为辅助所执行时，在此情况下，该处理制程的一基底温度可介于大约20℃到大约1000℃之间。该处理制程的一制程温度可介于大约10mtorr到大约760torr之间。该紫外线固化可通过任何紫外线源所提供，例如汞微波弧灯(mercury microwave arc)、脉冲式氙闪光灯(pulsed xenon flash lamps)或高效率uv发光二极管阵列(high-efficiency uv light emitting diode arrays)。紫外线源可具有一波长，是介于大约170nm到大约400nm之间。紫外线源可提供一光子能量(photon energy)，是介于大约0.5ev到大约10ev之间；在一些实施例中，是介于大约1ev到大约6ev之间。该紫外线固化制程的辅助可从第一硬遮罩层303移除氢。当氢可扩散进入半导体元件1a的其他区域以及可能降低半导体元件1a的可靠度时，氢通过该紫外线固化制程的辅助的移除是可改善半导体元件1a的可靠度。此外，该紫外线固化制程可增加第一硬遮罩层303的密度。
114.当该处理以热退火制程为辅助所执行时，在此状况下，该处理制程的一基底温度
可介于大约20℃到大约1000℃之间。该处理制程的一制程压力可介于大约10mtorr到大约760torr之间。
115.请参考图6，可执行一硬遮罩蚀刻制程，以形成一第一沟槽501，而第一沟槽501是沿着第一硬遮罩层303设置。导电层沟槽505在第一硬遮罩层305中的图案，是经由第一沟槽501而转换成第一硬遮罩层303。碳硬遮罩层105的一部份可经由第一沟槽501而暴露。在一些实施例中，硬遮罩蚀刻制程可通过使用三氟甲烷(trifluoromethane)当作一等离子体源的含氟等离子体所进行。在第一沟槽501形成之后，是可移除第一遮罩层305。
116.在硬遮罩蚀刻期间，第一硬遮罩层303的蚀刻率可大于碳硬遮罩层105的蚀刻率。举例来说，第一硬遮罩层303对碳硬遮罩层105的蚀刻率比可介于大约20∶1到大约2∶1之间。举另一个例子来说，第一硬遮罩层303对碳硬遮罩层105的蚀刻率比可介于大约10∶1到大约3∶1之间。再举另一个例子来说，第一硬遮罩层303对碳硬遮罩层105的蚀刻率比可介于大约5∶1到大约3∶1之间。
117.请参考图7，可执行一碳硬遮罩蚀刻制程以形成一第二沟槽503，而第二沟槽503是沿着第一硬遮罩层303与碳硬遮罩层105设置。第二沟槽503可从第一沟槽501延伸。导电层沟槽505的图案是可经由第二沟槽503而转换成碳硬遮罩层105。该层导电材料301的一部分可经由第二沟槽503而暴露。在一些实施例中，举例来说，该碳硬遮罩蚀刻制程的多个蚀刻气体可为含氧气体，例如一氧气与一氮气的一混合物。
118.在一些实施例中，该碳硬遮罩蚀刻制程可为一非等向性等离子体蚀刻制程。该非等向性等离子体蚀刻制程可通过使用一电感耦合型等离子体(inductively coupled plasma)技术或使用一双频电容耦合型等离子体(dual frequency capacitively coupled plasma)技术或其他适合的技术的等离子体蚀刻设备所执行。在一些实施例中，该非等向性等离子体蚀刻制程的多个蚀刻气体是可为一氧气与一含硅气体的一混合物。该含硅气体可为四氟化硅、四氯化硅、硅烷、sicl
xfy
(其中x+y＝4)或其组合。取决于所述蚀刻气体在一给定制程温度与制程压力的总体积，该非等向性等离子体蚀刻制程的所述蚀刻气体可分别包括大约50％到95％的氧气体积以及对应大约50％到5％的含硅气体体积。
119.当使用如上所述的第一硬遮罩层303当作一蚀刻遮罩以蚀刻碳硬遮罩层105时，通过使用氧气与含硅气体的混合物，是可能调整第一硬遮罩层303相对于碳硬遮罩层105的蚀刻选择性，也借此相对于在第二沟槽503的上部处的尺寸，是有效地降低在第二沟槽503的底部处的尺寸。换言之，第二沟槽503在碳硬遮罩层105中的各侧壁是呈锥形，其是可有益于接下来的充填(filling)制程。
120.在一些实施例中，当氧气与含硅气体的混合物使用来当作一等离子体以蚀刻碳硬遮罩层105时，一含硅材料是从该含硅气体中解离，举例来说，如si
xfy
的多个自由基与多个离子是从例如四氟化硅中解离，并沉积在第一硬遮罩层303的各上表面上以形成一聚合残留物(polymer residue)层，而该聚合残留物层是由硅、氟化物及氧等成分所组成，以便钝化第一硬遮罩层303的所述上表面，并调整第一硬遮罩层303相对于碳硬遮罩层105的蚀刻选择性。
121.此外，当蚀刻碳硬遮罩层105以形成第二沟槽503在其中时，例如si
xfy
的所述自由基与所述离子亦形成由硅、氟化物及氧等成分所组成的聚合残留物层在碳硬遮罩层105的暴露的各侧壁上，因此亦形成一钝化层在那些侧壁上。该钝化层是当作一蚀刻遮罩，直到用
于形成第二沟槽503的蚀刻制程终止为止，以使在第二沟槽503的底部处的尺寸小于在第二沟槽503的上部处的尺寸。
122.总而言之，形成在第一硬遮罩层303的所述上表面以及碳硬遮罩层105的所述暴露侧壁上的聚合残留物层是当作在该非等向性等离子体蚀刻制程中的多个蚀刻遮罩。因此，直接进入第二沟槽503中的所述离子，是无法到达碳硬遮罩层105未被残留物层所覆盖及其下的部分。因此，在第二沟槽503的底部处的尺寸小于在第二沟槽503的上部处的尺寸。
123.或者是，在一些实施例中，该非等向性等离子体蚀刻制程的所述蚀刻气体可包括氧气、含硅气体以及选自一氮气以及一惰性气体的至少一气体。在一些实施例中，该非等向性等离子体蚀刻制程的所述蚀刻气体可包括大约20％到95％的氧气体积(基于所述蚀刻气体的总体积)、大约50％到5％的含硅气体体积(基于所述蚀刻气体的总体积的)、大约0％到100％的氮气体积(相对于所述蚀刻气体中的氧气体积)，以及大约0％到50％的惰性气体体积(相对于所述蚀刻气体中的氧气体积)。应当理解，在所述蚀刻制程中的氮气的含量与惰性气体的含量是不会同时为零。相对于碳硬遮罩层105，在所述蚀刻气体中的氮气的存在是提供比未稀释的氧气更低的蚀刻率，但氮气是用于在碳硬遮罩层105蚀刻期间提升碳硬遮罩层105的所述暴露侧壁的钝化。此是改善非等向性蚀刻特性，并缩减第二沟槽503的底部尺寸。在所述蚀刻气体中的惰性气体的存在是改善所述蚀刻气体的非等向性干蚀刻特性，且亦稳定等离子体环境(plasma atmosphere)。该惰性气体可选自一群组，该群组是由氩、氦、氖及氪(krypton)所组成。
124.举例来说，该非等向性等离子体蚀刻制程的所述蚀刻气体可为氧气、四氟化硅、氮气以及氩气的一混合物。氧气的一流量可介于大约20sccm到大约60sccm之间，举例来说，氧气的流量是为40sccm。四氟化硅的流量可介于大约10sccm到大约30sccm之间，举例来说，四氟化硅的流量是为20sccm。氮气的流量可介于大约10sccm到大约30sccm之间，举例来说，氮气的流量是为20sccm。氩气的流量可介于大约10sccm到大约30sccm之间，举例来说，氩气的流量是为20sccm。该非等向性等离子体蚀刻制程的所述蚀刻气体可包括一体积浓度，该体积浓度是为40％的氧气、20％的四氟化硅、20％的氮气以及20％的氩气。而制程持续时间可介于70秒到大约110秒之间，举例来说，制程持续时间是为90秒。
125.或者是，在一些实施例中，该非等向性等离子体蚀刻制程的所述蚀刻气体还可包括一碳-氟系列(carbon-fluorine-series)的气体，例如四氟化碳(carbon tetrafluoride)、六氟乙烷(hexafluoroethane)、全氟丙烷(perflutren)、八氟环丁烷(octafluorocyclobutane)、六氟环丁烯(hexafluorocyclobutene)、八氟环戊烯(octafluorocyclopentene)或类似物。该碳氟系列气体可加入到所述蚀刻气体中，以提升碳硬遮罩层105的蚀刻率。举例来说，取决于所述蚀刻气体的总体积，所述蚀刻气体可包括0％到10％的碳-氟系列气体体积。
126.在第二沟槽503形成之后，是可移除第一硬遮罩层303。
127.请参考图8，可执行一导电层蚀刻制程以形成导电层沟槽505，而导电层沟槽505沿着第二沟槽503与该层导电材料301设置。导电层沟槽505可从第二沟槽503延伸。导电层沟槽505的图案可从碳硬遮罩层105转换到该层导电材料301，且将该层导电层301转换成所述导电层103。基底101的一部分可经由导电层沟槽505而暴露。在一些实施例中，该导电层蚀刻制程的制程温度可介于大约200℃到大约550℃之间。在一些实施例中，该导电层蚀刻制
程的制程温度可介于大约300℃到大约450℃之间。在一些实施例中，该导电层蚀刻制程的所述蚀刻气体可为氯气与三氯化硼(boron trichloride)气体的一混合物。
128.在该导电层蚀刻制程期间，所述导电层103的蚀刻率可大于碳硬遮罩层105的蚀刻率以及基底101的蚀刻率。举例来说，所述导电层103对碳硬遮罩层105的蚀刻率比可介于大约20∶1到大约3∶1之间。举另一个例子来说，所述导电层103对碳硬遮罩层105的蚀刻率比可介于大约10∶1到大约3∶1之间。再举另一个例子来说，所述导电层103对碳硬遮罩层105的蚀刻率比可介于大约5∶1到大约3∶1之间。
129.举例来说，所述导电层103对基底101的蚀刻率比可介于大约20：1到大约3∶1之间。举另一个例子来说，所述导电层103对基底101的蚀刻率比可介于大约10∶1到大约3∶1之间。再举另一个例子来说，所述导电层103对基底101的蚀刻率比可介于大约5∶1到大约3∶1之间。
130.请参考图3及图9，在步骤s15，一隔离层107可形成在导电层沟槽505中以及在碳硬遮罩层105的所述上表面上。
131.请参考图9，隔离层107的制作技术可包含一沉积，例如一化学气相沉积或等离子体加强化学气相沉积。隔离层107可包括一下部107-1以及一上部107-3。可形成下部107-1以完全填满导电层沟槽505。上部107-3可形成在下部107-1上以及在碳硬遮罩层105的所述上表面上。可对上部107-3执行一平坦化制程，例如化学机械研磨，以提供一大致平坦表面给接下来的处理步骤。应当理解，在本公开中，并未移除碳硬遮罩层105，以降低半导体元件1a的制造复杂度。碳硬遮罩层105与隔离层107可一起提供对所述导电层103的电性绝缘。
132.在一些实施例中，隔离层107可包含能量可移除材料。该能量可移除材料可包括一材料，例如一热可分解材料、一光可分解材料、一电子束可分解材料或其组合。举例来说，该能量可移除材料包括一基础材料以及一可分解成孔剂材料，而该可分解成孔剂材料暴露于一能量源时是被牺牲地移除。可施加一能量处理以移除可分解成孔剂材料，并提供孔隙率给隔离层107。能量源可包括热、光或其组合。当热被使用来当成能量源时，该能量处理的一温度可介于大约800℃到大约900℃之间。当光被使用来当成能量源时，可施加一紫外光线。
133.请参考图3及图10到图12，在步骤s17，可形成一导电通孔109以电性耦接到所述导电层103。
134.请参考图10，一第二硬遮罩层307可形成在隔离层107的上部107-3上。第二硬遮罩层307可具有一厚度，是介于大约30nm到大约50nm之间。在一些实施例中，第二硬遮罩层307可包含相同于第一硬遮罩层303的材料。在一些实施例中，举例来说，第二硬遮罩层307可包含硅、硅锗、四乙氧基硅烷、氮化硅、氮氧化硅、氧化氮化硅、碳化硅、氮化硼、氮化硅硼、氮化磷硼、氮化硼碳硅或一碳膜。第二硬遮罩层307的制作技术可包含类似于如图5所示的第一硬遮罩层303的一程序。
135.请参考图10，一第二遮罩层309可形成在第二硬遮罩层307上。第二遮罩层309可为一光阻层，是具有导电通孔109的一图案。
136.请参考图11，可执行一通孔蚀刻制程以形成一第一开孔507，而第一开孔507是沿着第二硬遮罩层307、隔离层107的上部107-3以及碳硬遮罩层105设置。导电通孔109的图案是由第一开孔507所承接。所述导电层103的一部分可经由第一开孔507而暴露。
137.该通孔蚀刻制程可在任何适合的等离子体处理设备中进行，举例来说，该等离子
体处理设备是为一反应性离子蚀刻设备。该反应性离子蚀刻设备可包含在一真空腔室中的一阳极与阴极。该阴极通常呈现用于支撑在该腔室中的一半导体晶圆的一基座(pedestal)形式，同时该阳极通常形成该腔室的各墙壁与顶部。为了加工一晶圆，一等离子体源气体是被打入到真空腔室中，且该阳极与阴极是被一单一正弦频率源所驱动，以激发该等离子体源气体成为一等离子体。随着其他频率的偶尔使用，该单一频率通常为13.56mhz，虽然通常使用100khz到2.45ghz之间的频率。该射频功率激发该等离子体源气体，产生一等离子体在该腔室中，且接近半导体元件被加工处。较佳者，通过反应性离子蚀刻设备的通孔蚀刻制程中的蚀刻化学性质，是取决于包含有多个氮离子与多个氟离子的一等离子体源气体。举例来说，可使用三氟化氮(nitrogen trifluoride)气体。举另一个例子来说，可使用(a)含有多个氮离子的一气体种类以及(b)包含多个氟离子的一气体种类的一混合物。再举例来说，是可使用含有一氮气以及一或多个碳-氟系列气体的一混合物的一等离子体源气体。举例来说，该碳-氟系列气体可为四氟化碳、六氟乙烷或是八氟环丁烷。
138.在一些实施例中，等离子体处理设备亦可为一磁性加强反应性离子蚀刻设备。如此的一设备通常是提供有一或多个磁铁或磁性线圈，其是磁性地控制等离子体，以促进一更均匀的通孔蚀刻制程。
139.请参考图12，在第一开孔507形成之后，可移除第二遮罩层309与第二硬遮罩层307。一导电材料可通过一沉积制程而沉积进入第一开孔507中，而该导电材料是例如多晶硅、多晶锗、多晶硅锗、钨、钴、锆、钽、钛、铝、钌、铜、金属碳化物(例如碳化钽、碳化钛、碳化钛镁)、金属氮化物(例如氮化钛)、过渡金属铝化物或其组合。在沉积制程之后，可执行一平坦化制程，例如化学机械研磨，以移除多余材料，提供一大致平坦表面给接下来的处理步骤，且共形地形成导电通孔109在第一开孔507中。
140.本公开的一实施例提供一种半导体元件，具有一基底；多个导电层，位在该基底上；一碳硬遮罩层，位在所述导电层上；一隔离层，包括一下部以及一上部；以及一导电通孔，沿着该隔离层的该上部与该碳硬遮罩层设置，并位在一相邻对导电层的其中一个上。该下部沿着该碳硬遮罩层设置并位在该相邻对的导电层之间，以及该上部位在该下部上并位在该碳硬遮罩层上。
141.本公开的另一实施例提供一种半导体元件的制备方法，包括提供一基底；形成一层导电材料在该基底上；形成一碳硬遮罩层在该层导电材料上；沿着该碳硬遮罩层与该层导电材料形成一导电层沟槽，并将该层导电材料转换成多个导电层；形成一隔离层以充填该导电层沟槽且位在该碳硬遮罩层上；以及形成一导电通孔以电性耦接到所述导电层。
142.由于本公开的半导体元件的设计，碳硬遮罩层105可当作一碳源，该碳源是使用多个薄的聚合物膜而用于钝化所述导电层103，借此避免所述导电层103的腐蚀。因此，可改善半导体元件1a的良率/效能。此外，碳硬遮罩层105的极好的蚀刻选择性是有益于在所述导电层103形成期间形成微细蚀刻轮廓。再者，碳硬遮罩层105可维持来提供所述导电层103之间的电性隔离功能。因此，可降低半导体元件1a的制造复杂度。
143.虽然已详述本公开及其优点，然而应理解可进行各种变化、取代与替代而不脱离权利要求所定义的本公开的精神与范围。例如，可用不同的方法实施上述的许多制程，并且以其他制程或其组合替代上述的许多制程。
144.再者，本技术案的范围并不受限于说明书中所述的制程、机械、制造、物质组成物、
手段、方法与步骤的特定实施例。该技艺的技术人士可自本公开的揭示内容理解可根据本公开而使用与本文所述的对应实施例具有相同功能或是达到实质上相同结果的现存或是未来发展的制程、机械、制造、物质组成物、手段、方法、或步骤。据此，此等制程、机械、制造、物质组成物、手段、方法、或步骤是包含于本技术案的权利要求内。