[发明专利]半导体元件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体元件及其制造方法，特别涉及半导体元件的导孔以及其类似结构的制造方法，该方法特别适用于制造非常窄且具有高的深宽比的导孔。 

背景技术

一般而言，半导体元件为在半导体晶圆上制造的电子元件，并用以传送或操纵电子信号。半导体晶圆为半导体材料例如硅制成的薄片，在晶圆上可以制造大量的电子元件，这些元件互相连接而形成集成电路。为了提高效率，在每一片晶圆上通常会形成许多芯片，每个芯片可包含数百万个元件。当芯片制造完成后，将芯片分割并将每个独立的芯片封装，以安装至电子设备例如移动电话、个人电脑或是MP3播放器中。 

在晶圆上制造电子元件包括一连串的工艺步骤，其中大部分或全部都已经自动化，通常这些步骤包含注入离子以赋予硅晶圆半导体特性，以及选择性地形成和除去绝缘及导电材料组成的交替层。当个别的元件或结构非常小时，开发各种特定的工艺以符合这些元件的制造需求。虽然目前可以制造非常小的元件，但是微型及节能电子设备的需求会促使生产更小且同时更有性能的元件，因此需要不断创新的制造技术。 

提供电子元件形成的晶圆表面有时称为衬底，在半导体衬底上可形成各种半导体结构。图1为典型的半导体元件10的剖面图，值得注意的是，在此所使用的名词“元件(device)”为一般的名词，指的是特定功能的元件、元件的一部分或元件的集合，换言之，在此所讨论的特定元件是通过其特色或所列举的特征以及通过上下文而定义的。名词“半导体元件”指的是应用在半导体上的元件，该名词本身并非针对特定元件或是特定性质。 

在图1的半导体元件10中，第一晶体管11和第二晶体管16形成于衬底22的表面21上，除了栅极结构12之外，第一晶体管11还包括源极区14以 及漏极区15，以定义沟道13。同样，晶体管16也包含栅极结构17以及定义沟道19的源极区18和漏极区20。在特定情况下，例如施加电荷至个别的栅极结构12和17上，可使得电流流过在个别的源极和漏极区之间定义出的沟道13和19，因此，晶体管可作为操纵电子信号的基本小开关。在图1的例子中，栅极结构12和17被隔离结构25分开，隔离结构25在沟槽24中形成，以避免两个晶体管的操作互相干扰，这种隔离结构有时称为浅沟槽隔离结构(shallow trench isolation，简称STI)，STI的形成可参照图2a至图2d。 

图2a至图2d为半导体元件30依序在各个制造过程中的剖面图，在图2a中，所形成的缓冲氧化层34直接覆盖在衬底32上方，衬底可为硅，氧化层34可为二氧化硅。光致抗蚀剂层36直接在缓冲氧化层34上形成，其中的光致抗蚀剂为可图案化的材料，当其曝光时成分会改变，可形成预定结构的图案及开口。为了产生图案，通过具有图案的光掩模将光致抗蚀剂层选择性地曝光，被曝光的部分留下或用合适的溶剂冲走(视光致抗蚀剂种类而定)，留下的结构通常用以保护位于该结构下的区域，而让未受保护的区域被蚀刻。当不再需要光致抗蚀剂层时，用溶剂将残留的光致抗蚀剂结构除去，此工艺通常称为光刻蚀刻技术。 

在此例中，先形成光致抗蚀剂结构43和44，然后在衬底32内蚀刻出凹陷38而形成隔离结构，并且在光致抗蚀剂结构和衬底之间设置氧化层34，其结构如图2b所示。当凹陷38形成之后，沉积氧化物材料40，在此例中，氧化物材料40填充凹陷38并覆盖半导体元件30周围的部分，其结构如图2c所示，氧化层40位于衬底32的凹陷38内的部分称为隔离结构39。为了完成工艺，需除去氧化层40的残留物，这例如通过化学机械研磨工艺(CMP)来达成，同时也一并除去光致抗蚀剂结构43和44，所得到的半导体元件30包含隔离结构39，其结构如图2d所示。 

可用此方式形成许多类似的结构，例如图3所示的通常称为导孔的结构。图3为典型已填充的导孔结构50的剖面图，如同上述的凹陷38，导孔50是通过在衬底55内蚀刻出凹陷54，并以填充材料53填充而形成的。值得注意的是，填充材料53可以是介电材料例如二氧化硅或是低介电常数材料，并且通常可为导电材料例如铜。在图3的例子中，导孔凹陷54以导电性填充材料53加以填充，作为从衬底55的正面51到背面52的导体。