半导体结构及其制造方法与流程

1.本技术有关于半导体结构以及制造半导体结构的方法。


背景技术：

2.在用于导电互连器的先通孔制造流程(via-first sequence)中，有可能会非预期地形成围绕已形成通孔的围栏。围栏可能会导致导电材料沉积不良，进而导致最终所形成的结构整体的电气性能降低。
3.因此，如何提供一种解决方案来改善因围栏形成而导致的电气性能降低问题，是业界人士正在努力的。


技术实现要素：

4.本技术的一态样有关于一种制造半导体结构的方法。
5.根据本技术的一实施方式，一种制造半导体结构的方法包括以下流程。提供第一氧化层于半导体集成电路上，其中半导体集成电路的导电层从第一氧化层的顶面暴露。形成蚀刻停止层于第一氧化层的顶面上。形成第二氧化层于蚀刻停止层上。形成延伸穿过第二氧化层与蚀刻停止层的通孔，以暴露导电层，且第二氧化层的一部分形成围栏并从通孔的边缘凸出。提供酸的流体于导电层上，以于导电层的顶面上形成保护层，其中保护层包括酸与导电层的材料的化合物。通过湿蚀刻移除围栏，其中保护层具有相较于围栏更高的抗蚀刻能力。
6.在本技术一或多个实施方式中，其中酸为柠檬酸。
7.在一些实施方式中，柠檬酸的流体具有范围介于2至4的ph值。
8.在本技术一或多个实施方式中，导电层的材料为铜。
9.在本技术一或多个实施方式中，湿蚀刻为氢氟酸蚀刻。
10.在本技术一或多个实施方式中，制造半导体结构的方法进一步包括以下流程。形成从第二氧化层的顶部凹陷的沟槽。沟槽对准通孔，沟槽的宽度大于通孔的宽度，并且围栏于沟槽的底部并围绕通孔以形成环。
11.在一些实施方式中，在通过氢氟酸蚀刻移除围栏后，增加沟槽的宽度增加至预定的特征尺寸。
12.在一些实施方式中，形成从第二氧化层的顶部凹陷的沟槽进一步包括以下流程。形成光阻层于第二氧化层的顶部，其中光阻层具有相应沟槽的宽度的开口。填充抗反射涂层至通孔内。根据光阻层的开口蚀刻第二氧化层，以形成沟槽。
13.在一些实施方式中，在通孔中的抗反射涂层是位于蚀刻停止层上，并且形成延伸穿过第二氧化层与蚀刻停止层的通孔进一步包括以下流程。移除填充于通孔内的抗反射涂层。延伸通孔进入第二氧化层内、穿过蚀刻停止层并抵达导电层。
14.在本技术一或多个实施方式中，制造半导体结构的方法进一步包括以下流程。填充导电材料至通孔。
15.本技术的一态样有关于一种半导体结构。
16.根据本技术的一实施方式，一种半导体结构包括半导体集成电路、第一氧化层、蚀刻停止层、第二氧化层、通孔以及保护层。半导体集成电路具有导电层。第一氧化层位于半导体集成电路上。半导体集成电路的导电层从第一氧化层的顶面暴露。蚀刻停止层位于第一氧化层的顶面并覆盖导电层。第二氧化层位于蚀刻停止层上。通孔延伸穿过第二氧化层与蚀刻停止层，以暴露导电层。通孔填充导电材料。保护层位于导电层与导电材料之间。保护层位于导电材料的底部。保护层包括酸与导电层的材料的化合物，并且保护层具有抵抗氢氟酸蚀刻的能力。
17.在本技术一或多个实施方式中，导电层的材料包括铜。
18.在本技术一或多个实施方式中，酸包括柠檬酸。
19.在一些实施方式中，柠檬酸具有范围介于2到4之间的ph值。
20.在本技术一或多个实施方式中，半导体结构进一步包括沟槽。沟槽从第二氧化层的顶部凹陷。沟槽对准通孔。沟槽的宽度大于通孔的宽度。通孔位于沟槽内。
21.综上所述，形成的半导体结构能够具有保护层，保护层包括酸与金属的化合物，并具有抵抗氢氟酸蚀刻的能力。因此，在蚀刻之后，可能影响到半导体结构整体电性的围栏能够被移除，并且半导体集成电路的导电层能够在蚀刻之后被保留下来。
22.应当理解，上述一般性描述与以下详细描述都仅是示例，旨在对所要求保护的揭露内容提供进一步解释。
附图说明
23.本技术的优点与附图，应由接下来列举的实施方式，并参考附图，以获得更好的理解。这些附图的说明仅仅是列举的实施方式，因此不该认为是限制了个别实施方式，或是限制了权利要求书的范围。
24.图1根据本技术的一实施方式绘示制造半导体结构的方法的流程图；以及
25.图2至图9根据本技术的一实施方式绘示在制造半导体结构的方法期间的多个剖面示意图。
具体实施方式
26.下文列举实施例配合所附附图进行详细说明，但所提供的实施例并非用以限制本技术所涵盖的范围，而结构运作的描述非用以限制其执行的顺序，任何由元件重新组合的结构，所产生具有均等功效的装置，都为本技术所涵盖的范围。另外，附图仅以说明为目的，并未依照原尺寸作图。为便于理解，下述说明中相同元件或相似元件将以相同的符号标示来说明。
27.另外，在全篇说明书与权利要求书所使用的用词(terms)，除有特别注明外，通常具有每个用词使用在此领域中、在此揭露的内容中与特殊内容中的平常意义。某些用以描述本技术的用词，将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本技术的描述上额外的引导。
28.在本文中，“第一”、“第二”等等用语仅是用于区别具有相同技术术语的元件或操作方法，而非旨在表示顺序或限制本技术。
29.此外，“包含”、“包括”、“提供”等相似的用语，在本文中都是开放式的限制，意指包含但不限于。
30.进一步地，在本文中，除非文中对于冠词有所特别限定，否则“一”与“该”可泛指单一个或多个。将进一步理解的是，本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”及相似词汇，指明其所记载的特征、区域、整数、步骤、操作、元件与/或组件，但不排除其所述或额外的其一个或多个其它特征、区域、整数、步骤、操作、元件、组件，与/或其中的群组。
31.请参照图1。图1根据本技术的一实施方式绘示制造半导体结构的方法100的流程图。同时进一步参照图2至图9。图2至图9根据本技术的一实施方式绘示在制造半导体结构的方法100期间的多个剖面示意图。
32.同时参照图1与图2。在流程110中，提供半导体集成电路210。如图2所示，半导体集成电路210包括种子层(seed layer)212与导电层214，种子层212与导电层214连接至半导体集成电路210的其他电子元件，详细请见后续说明。在一些实施方式中，半导体集成电路210包括内存与/或芯片。为简单说明起见，附图中未绘示半导体集成电路210中相连种子层212与导电层214，一些半导体集成电路210位于种子层212或导电层214的电子元件也为了简单说明的目的而于图上被省略。
33.在图2中，第一氧化层220形成于半导体集成电路210上，半导体集成电路210的导电层214设置在第一氧化层220的开口225中。在一些实施方式中，第一氧化层220是作为介电层，而导电层214延伸穿过第一氧化层220以用作电性互连器，导电层214作为电性互连器可将半导体集成电路210内其他的电子元件连接至半导体集成电路210以外的其他结构。
34.如图2所示，半导体集成电路210的种子层212与导电层214是位于第一氧化层220的开口225内。
35.在一些实施方式中，可以在形成种子层212与导电层214之前，在半导体集成电路210上形成第一氧化层220。随后，形成穿过第一氧化层220并对准对准第一氧化层220下方半导体集成电路210内电子元件的开口，半导体集成电路210内的电子元件例如是内存或是芯片。在开口225形成之后，可以在开口225中沉积半导体集成电路210的种子层212，随后便能够通过种子层在开口225中填充半导体集成电路210的导电层214。
36.在一些实施方式中，导电层214材料包括金属。在一些实施方式中，导电层214材料包括铜。
37.在执行流程110之后，半导体集成电路210的导电层214从第一氧化层220暴露。如图2所示，种子层212暴露的顶面、导电层214暴露的顶面以及第一氧化层220的顶部彼此是共平面的，换言之，三者可统称为一个沿第一方向d1延伸的表面。在一些实施方式中，在形成半导体集成电路210的导电层214之后，可以通过对暴露的种子层212、暴露的导电层214与第一氧化层220顶部执行平坦化工艺，从而使得种子层212暴露的顶面、导电层214暴露的顶面以及第一氧化层220的顶部三者是共平面的。
38.参照图1，方法100进行到流程120。同时参照图2，在流程120中，于第一氧化层220上形成蚀刻停止层(etch stop layer)230。蚀刻停止层230覆盖半导体集成电路210的暴露的导电层214。在一些实施方式中，对于先通孔制造流程(via-first sequence)，蚀刻停止层230能够用于保护半导体集成电路210的导电层214，避免导电层214于后续执行蚀刻工艺期间损坏。
39.请参照图1，方法100进入至流程130。同时参照图2，在流程130中，第二氧化层240形成于蚀刻停止层230上。在一些实施方式中，第二氧化层240也能够用以作为介电层。
40.接着，在流程140，形成穿过第二氧化层240并延伸至蚀刻停止层230的通孔250(请见图4)。
41.图3与图4绘示于形成通孔250的示例流程中的示意性截面图。应留意到，图3与图4所绘示的示例并不旨在限制本技术。
42.如图3所示，屏蔽层410形成于第二氧化层240上。屏蔽层410经图案化(patterned)后，具有与半导体集成电路210的导电层214对齐的开口415。开口415具有沿方向d1延伸的宽度w1。
43.在第二氧化层240上形成具有开口415的屏蔽层410之后，通过各向异性蚀刻(anisotropic etching)工艺根据屏蔽层410来蚀刻第二氧化层240，以形成延伸至蚀刻停止层230的通孔250。如图4所示，在本实施方式中，通孔250沿垂直于第一方向d1的第二方向d2延伸，并且由于通孔250是基于具有开口415的屏蔽层410来形成，通孔250也具有沿第一方向d1延伸的宽度w1。蚀刻停止层230用于保护导电层214与第二氧化层240下方的第一氧化层220。在一些实施方式中，蚀刻停止层230的材料包括氮化物。在一些实施例中，蚀刻停止层230包括sin、sicn或块状(block)的sin-sicn-sin化合物。
44.现在请同时参照图1与图5。在流程150中，于通孔250中填充底部抗反射涂层(bottom anti-reflective coating，简称barc)430，并且在第二氧化层240上形成光阻(photo-resist)层420。形成的光阻层420被图案化，以具有开口425，开口425对准通孔250与半导体集成电路210的导电层214。如图5所示，在方向d2上，开口425具有宽度w2。
45.光阻层420用于第二氧化层240的光刻(photolithography)。barc 430形成于通孔250内，以避免通孔250损害，并同时可以避免执行光刻时通孔250内的反射。在一些实施方式中，是通过沉积工艺于通孔250内形成barc 430，并且barc 430用于通过抵抗光刻的光反射，从而保护通孔250免受光刻光的蚀刻。在本实施方式中，barc 430的材料也可以是光阻材料。光阻材料例如是光阻层420的材料，当后续对光阻层420执行光刻时，barc 430的光阻材料也可被对光阻层420的光刻光所蚀刻。
46.参照图1，在流程160中，借由光刻工艺并基于光阻层420的开口425，在第二氧化层240的顶部上形成沟槽260。如图6所示，所形成的沟槽260与通孔250对齐，并且于第二方向d2上具有宽度w2。借由在先前的流程于通孔250内填充barc 430，通孔250能够保持沿第二方向d2延伸而不偏移。进一步地，在图6中，barc 430也被去除，并且借由光刻工艺，通孔250是借由光刻工艺穿过蚀刻停止层230而延伸至抵达半导体集成电路210的导电层214。
47.如图6所示，在本实施方式中，所形成的沟槽260自第二氧化层240的顶部凹陷。沟槽260包括底部262与侧壁266。通孔250从沟槽260的底部262延伸。然而，由于在光刻工艺期间将barc 430配置在通孔250中，因此在沟槽260的底部262上留下了围栏264。在图6的截面视图中，围栏264凸出于沟槽260的底部262，并且围栏264是位于通孔250的边缘。具体而而，围栏264的形状为围绕通孔250的环。环形的围栏264需要被去除，以避免影响到后续金属沉积在沟槽260与通孔250中。
48.为了移除第二氧化层240的一部分的围栏264，可以使用用于去除氧化物的蚀刻剂。然而，通孔250与暴露的导电层214也可能会被用于去除氧化物围栏264的蚀刻剂损坏。
49.现在参照图1与图7。在流程170中，在由通孔250暴露的导电层214上方提供酸253的流体。酸253用于与暴露的导电层214的顶部反应。
50.本实施方式中，酸253选用柠檬酸(化学式：c6h8o7)液，柠檬酸液的ph值的范围在2到4之间。在一些实施方式中，柠檬酸液体具有范围在3到4之间的ph值。如前所述，在本实施方式中，导电层214的材料为铜。在这种情况下，ph值范围在2到4之间的柠檬酸液体与暴露的导电层214的顶部铜材料反应，形成柠檬酸与铜的化合物，作为保护层300。相较于氧化物的围栏264，由ph值范围在2到4之间的柠檬酸与铜的化合物形成的保护层300具有抵抗用于去除氧化物围栏264的氧化物蚀刻工艺的能力，以在移除氧化物的围栏264，能够保护到保护层300下方的结构，例如半导体集成电路210的导电层214。
51.具体而言，在本实施方式中，可以使用氢氟酸(hydrofluoric acid)来去除氧化物的围栏264。然而，由于通孔250暴露出导电层214，氢氟酸也可能会移除到通孔250暴露的金属导电层214。通过在导电层214的顶部形成保护层300，保护层300下方的导电层214可以被保留下来。
52.在本实施方式中，导电层214上的保护层300由铜与ph值范围介于2至4之间的柠檬酸的化合物形成。ph值范围在2到4之间的柠檬酸与范围的化合物是铜和柠檬酸的错合物(complex)。相比由铜与柠檬酸的错合物形成的保护层300，氢氟酸更容易蚀刻氧化物的围栏264。如此，在导电层214上由铜和柠檬酸的形成的保护层300被氢氟酸去除之前，能够将氧化物的围栏264给完全移除。
53.参照图1与图8。在流程180中，移除沟槽260的底部262上的氧化物围栏264。在本实施方式中，使用氢氟酸蚀刻来移除氧化物围栏264，从而使沟槽260的底部262能够平坦。
54.在一些实施方式中，酸253不是柠檬酸，例如柠檬酸以外的其他酸，但仍可与铜反应以形成错合物。在一些实施方式中，导电层214的材料不是铜，例如铜以外的金属材料，但仍可与ph值在预定范围内的柠檬酸反应，使得导电层214的材料与柠檬酸仍能够形成错合物，来抵抗氧化物的蚀刻。在一些实施方式中，酸253可以包括与导电层214的材料反应以形成有机错合物的其他种类的酸。与由酸253与导电层214的材料形成的有机错合物形成的保护层300相比，氢氟酸蚀刻会更容易蚀刻掉氧化物的围栏264。换言之，保护层300具有抵抗氢氟酸蚀刻的能力，并且保护层300比围栏264具有更好的抗氢氟酸蚀刻能力。
55.进一步地，参照图7与图8，在移除沟槽260的底部262上的氧化物围栏264之后，沟槽260的宽度w2增加至大于宽度w2的宽度w3。由于氢氟酸具有很强的蚀刻氧化物的能力，当移除氧化物围栏264时，沟槽260的侧壁266部分也会被移除。
56.在一些实施方式中，也可以采用氢氟酸蚀刻以外的其他湿式蚀刻，来移除围栏264，并借由选择保护层300的材料来抵抗湿式蚀刻，而保护层300可以通过酸253与导电层214的材料的反应来形成。
57.沟槽260的宽度w3与最终形成结构的临界尺寸(critical dimension，例如为长度)有关。为了将沟槽260的宽度w3调整至所需临界尺寸，在流程150中，光阻层420(如图5所示)的开口425的宽度w2可设计为小于期望临界尺寸，使得后续于流程160中形成宽度w2小于期望的临界尺寸的沟槽260。随后，当方法100进行到流程170与流程180，当去除氧化物的围栏264时，沟槽260的宽度w2为也能增加到预设所预期的宽度w3，这是所期望的临界尺寸。
58.如图8所示，凹槽216形成于导电层214的顶部。在一些实施方式中，凹槽216包括由
酸253和导电层214的材料形成的保护层300。在一些实施方式中，由于导电层214受到由酸253与导电层214反应所形成材料的保护层300来保护，从导电层214顶部凹陷的深度h能够减少，对应保留下更多的导电层214。在本实施方式中，从导电层214顶部凹陷的深度h等于或小于18nm。
59.现在请参照图1与图9。在流程190中，填充导电材料280至凹槽216、通孔250与沟槽260中，以形成半导体结构200。在本实施方式中，半导体结构200包括半导体集成电路210、第一氧化层220、蚀刻停止层230、第二氧化层240、通孔250、沟槽260以及导电材料280。
60.第一氧化层220暴露半导体集成电路210的导电层214。蚀刻停止层230形成在半导体集成电路210上。第二氧化层240形成在蚀刻停止层230上。沟槽260从第二氧化层240的顶部凹陷。沟槽260具有宽度w3，这是经设计所预期的临界尺寸。通孔250从沟槽260的底部262穿过第二氧化层240与蚀刻停止层230，而延伸至导电层214。凹槽216位于导电层214的顶部，并且包括由酸与导电层214反应所产生材料所形成的保护层300。
61.在本实施方式中，保护层300的材料可以是由导电层214的铜材料与ph值范围在2至4之间的柠檬酸反应所形成的化合物。在一些实施方式中，凹槽216的深度h距离导电层214的顶部等于或小于18nm。
62.综上所述，所形成的半导体结构具有保护层，保护层包含酸与金属的化合物，而具有抵抗氢氟酸蚀刻的能力。进一步地，在执行蚀刻工艺之后，可以移除影响整体电气性能的围栏，并且可以保留下半导体集成电路的导电层。如此，可以减少从半导体集成电路的导电层顶部形成的不希望有的凹陷。
63.虽然本技术已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本技术，本领域技术人员，在不脱离本技术的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本技术的保护范围当视后附的权利要求书所界定者为准。
64.对本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本公开的范围或精神的情况下，可以对本技术的实施例的结构进行各种修改和变化。鉴于前述，本技术旨在涵盖本发明的修改和变化，只要它们落入所附的保护范围内。
65.【符号说明】
66.100:方法
67.110～190:流程
68.200:半导体结构
69.210:半导体集成电路
70.212:种子层
71.214:导电层
72.220:第一氧化层
73.225:开口
74.230:蚀刻停止层
75.240:第二氧化层
76.250:通孔
77.253:酸
78.260:沟槽
79.262:底部
80.264:围栏
81.266:侧壁
82.280:导电材料
83.300:保护层
84.410:屏蔽层
85.415:开口
86.420:光阻层
87.425:开口
88.430:底部抗反射涂层(barc)
89.d1:方向
90.d2:方向
91.h:深度
92.w1:宽度
93.w2:宽度
94.w3:宽度。