專利名稱：雙鑲嵌金屬內(nèi)連線結(jié)構(gòu)及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路制作領(lǐng)域，尤指一種雙鑲嵌金屬內(nèi)連線結(jié)構(gòu)及其制作方法。


圖1即顯示上述習(xí)知步驟所形成的雙鑲嵌內(nèi)連線結(jié)構(gòu)20剖面。如圖1所示，習(xí)知雙鑲嵌內(nèi)連線結(jié)構(gòu)20，其包括一介質(zhì)窗(via)22以及一導(dǎo)線溝渠(trench line)23，嵌入形成于一介電層11中。介質(zhì)窗22與位于下方介電層12的導(dǎo)電層或下層導(dǎo)線14相通。銅金屬電鍍于雙鑲嵌內(nèi)連線結(jié)構(gòu)20中，構(gòu)成一上層銅導(dǎo)線24以及一插塞22a，并且上層銅導(dǎo)線24即經(jīng)由插塞22a與下層導(dǎo)線14電連接。為了避免銅金屬向外擴(kuò)散造成漏電流，一般會有阻障層(barrier layer)25設(shè)于介質(zhì)窗22以及導(dǎo)線溝渠23表面，其材質(zhì)可為鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)、或氮化鎢(WN)等金屬或合金。
然而，隨著元件尺寸微小化，許多問題也伴隨產(chǎn)生，首先，習(xí)知采行物理氣相沉積(physical vapor deposition，PVD)法形成的金屬阻障層，如PVD-TaN，無法提供較佳的平坦均勻覆蓋(conformal coverage)，以致于在面對高寬比(aspect ratio)大于2比1時，使得導(dǎo)線溝渠或介質(zhì)窗的填入不均，因而在后續(xù)的銅金屬填入步驟中產(chǎn)生孔洞缺陷，影響元件的可靠度。
其次，習(xí)知雙鑲嵌內(nèi)連線結(jié)構(gòu)也必須面對介質(zhì)窗打開失效(via openfailure)的問題。此問題通常發(fā)生在當(dāng)介質(zhì)窗壁上的阻障層破裂，或介質(zhì)窗內(nèi)的插塞底部與下層導(dǎo)線由于外力而產(chǎn)生間距。前者通常導(dǎo)致銅金屬向介電層擴(kuò)散，產(chǎn)生漏電流，后者則導(dǎo)致上下層金屬導(dǎo)線的斷路。介質(zhì)窗打開失效的問題，在使用高熱擴(kuò)散數(shù)(coefficient of thermal expansion，CTE)的介電層時，例如SiLKTM、聚合物有機(jī)材質(zhì)、或多孔材質(zhì)，更顯得嚴(yán)重而不可輕忽。
本發(fā)明提供一種雙鑲嵌結(jié)構(gòu)，包含有一底層，其內(nèi)包含有一導(dǎo)電層；一第一介電層，設(shè)于該底層上；一蝕刻停止層，設(shè)于該第一介電層上；一介質(zhì)窗開口，設(shè)于該第一介電層及蝕刻停止層中，以暴露出部份該導(dǎo)電層；一第二介電層，設(shè)于該蝕刻停止層上；一溝渠線形成于該介質(zhì)窗開口上的該第二介電層中；一介電阻障層，覆蓋該介質(zhì)窗開口的側(cè)壁；以及一金屬阻障層，覆蓋該溝渠線的內(nèi)壁、該介電阻障層及該介質(zhì)窗開口的底部。
本發(fā)明同時提供一種制作銅雙鑲嵌內(nèi)連線的方法，可以改善介質(zhì)窗的可靠度，該方法包含有下列步驟
提供一基底，其內(nèi)形成有一導(dǎo)電層；于該基底及該導(dǎo)電層上形成一第一介電層；于該第一介電層上沉積一蝕刻停止層；于該第一介電層及蝕刻停止層中形成一介質(zhì)窗開口，暴露出部份該導(dǎo)電層；于該蝕刻停止層上、該介質(zhì)窗開口的側(cè)壁、底部上，沉積一第二介電層；于該第二介電層上沉積一第三介電層，且該第三介電層填滿該介質(zhì)窗開口；于該第三介電層上形成一硬遮罩層；于該硬遮罩層上形成一光阻層，且該光阻層具有一線圖案，暴露出部份位于該介質(zhì)窗開口上方的該硬遮罩層；經(jīng)由該線圖案蝕刻該硬遮罩層、該第三介電層、該第二介電層，并于該介質(zhì)窗開口的側(cè)壁上形成一介電阻障層側(cè)壁子，并形成導(dǎo)線溝渠位于該介質(zhì)窗開口上方的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)；以及于該介電阻障層側(cè)壁子上、該介質(zhì)窗開口的底部、以及該導(dǎo)線溝渠的內(nèi)壁上形成一金屬阻障層。
本發(fā)明的特征在于利用一覆蓋于介質(zhì)窗開口側(cè)壁上的介電阻障層增加介質(zhì)窗抵擋應(yīng)力的能力，以避免介質(zhì)窗開口失效的情事發(fā)生。此外，本發(fā)明采以介電阻障層配合一金屬阻障層，可有效改善CMP過程中的均勻度變化不均的情形。
圖示的簡單說明圖1顯示習(xí)知步驟所形成的雙鑲嵌內(nèi)連線結(jié)構(gòu)剖面；圖2至圖5為依據(jù)本發(fā)明第一較佳實(shí)施例制作雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的剖面示意圖；圖6至圖9為依據(jù)本發(fā)明第二較佳實(shí)施例制作雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。
圖示的符號說明11 介電層 12介電層14 下層導(dǎo)線 20雙鑲嵌內(nèi)連線結(jié)構(gòu)22 介質(zhì)窗 22a插塞23 導(dǎo)線溝渠 24上層銅導(dǎo)線25 阻障層 100半導(dǎo)體基底102 底層 104金屬導(dǎo)線106 阻障層 108上蓋層110 介電層 112蝕刻停止層120 介質(zhì)窗開口 150堆疊層132 介電阻障層 134低介電常數(shù)介電層136 硬遮罩層 138第二光阻層140 介電阻障側(cè)壁子 160導(dǎo)線溝渠170 金屬阻障層 180銅金屬200 基底 202底層204 蓋層 206第一介電層208 蝕刻停止層 210第二介電層
212 第一硬遮罩層 214 第二硬遮罩層250 介電堆疊層260 介電阻障層270 金屬阻障層301、302、303 雙鑲嵌凹槽請參閱圖2至圖5，圖2至圖5為依據(jù)本發(fā)明第一較佳實(shí)施例制作雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。首先如圖2所示，提供一半導(dǎo)體基底(semiconductorsubstrate)100包含有一底層(base layer)102以及一金屬導(dǎo)線104。為簡化說明，在底層102下方的其它元件在此省略。金屬導(dǎo)線104以鑲嵌制程嵌入形成于底層102中，并通過一阻障層106與底層102隔開。包括有一上蓋層108、一介電層110以及一蝕刻停止層112的堆疊層150，接著沉積于底層102以及金屬導(dǎo)線104上。依據(jù)本發(fā)明的第一較佳實(shí)施例，上蓋層108由氮化硅所構(gòu)成。介電層150可以有機(jī)或無機(jī)的低介電常數(shù)材質(zhì)所構(gòu)成。在此，低介電常數(shù)材質(zhì)泛指介電常數(shù)低于3.2的材質(zhì)，例如SiLKTM、FlareTM、HSQ、PAE-II以及Parylene。介質(zhì)窗開口120隨后被定義于堆疊層150中。介質(zhì)窗開口120可以下列步驟完成首先于堆疊層150上形成一第一光阻層(未顯示)，暴露出欲于下方堆疊層150中形成介質(zhì)窗的區(qū)域；接著向下蝕刻暴露出來的堆疊層150區(qū)域，直到暴露出部份的下方金屬導(dǎo)線104。最后再去除第一光阻層。
請參閱圖3，接著進(jìn)行一等離子加強(qiáng)氣相沉積(plasma enhancedchemical vapor deposition，PECVD)制程，將一均厚(conformal)介電阻障層132沉積于上述蝕刻后的結(jié)構(gòu)上，亦即介質(zhì)窗開口120的側(cè)壁以及底部(該底部暴露部份的下方金屬導(dǎo)線104)，以及蝕刻停止層112上。依據(jù)本發(fā)明的第一較佳實(shí)施例，介電阻障層132為氮化硅所構(gòu)成，其厚度建議在50至300埃(angstrom)之間，但實(shí)際厚度可視介質(zhì)窗開口120的口徑而定。舉一介質(zhì)窗開口120的口徑為0.2微米為例，其介電阻障層132的厚度約為80至120埃左右，較佳為100埃左右。接著，于介電阻障層132表面上利用有機(jī)聚合物旋轉(zhuǎn)涂布或其他方法形成一低介電常數(shù)介電層134，并填滿介質(zhì)窗開口120。隨后于介電層134上形成一硬遮罩(hard mask)層136。依據(jù)本發(fā)明的第一較佳實(shí)施例，硬遮罩層136由氮化硅所構(gòu)成。
請參閱圖4，接著再于硬遮罩層136上形成一第二光阻層138。第二光阻層138經(jīng)過黃光制程的定義，以暴露出下方欲形成導(dǎo)線溝渠的區(qū)域。接著以第二光阻層138為蝕刻遮罩，依序向下蝕刻硬遮罩層136、介電層134以及介電阻障層132，以形成一導(dǎo)線溝渠160，其用以在后續(xù)制程中容納一銅金屬導(dǎo)線。位于介質(zhì)窗開口120內(nèi)的介電層134以及介質(zhì)窗開口120底部的介電阻障層132亦同時被蝕刻掉，藉以暴露出介質(zhì)窗開口120底部的下層導(dǎo)線104。此時，介質(zhì)窗開口120側(cè)壁上即形成介電阻障側(cè)壁子(dielectric barrierspacer)140。最后再去除第二光阻層138。
請參閱圖5，接著利用物理氣相沉積(PVD)法或其他方式，于硬遮罩層136、介電阻障側(cè)壁子140、以及導(dǎo)線溝渠160與介質(zhì)窗開口120的內(nèi)壁上沉積一金屬阻障層170。金屬阻障層170可以為鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)、或氮化鎢(WN)等金屬或合金。以常使用的Ta/TaN合金阻障層為例，其中Ta金屬層可以物理氣相沉積或化學(xué)氣相沉積等方法形成，其厚度一般為1至20奈米(nanometer)。TaN金屬層可以等離子氮化法、習(xí)知的物理氣相沉積或化學(xué)氣相沉積等方法形成，其厚度約為1至100奈米。
銅金屬180接著被填入導(dǎo)線溝渠160以及介質(zhì)窗開口120中。一般，銅金屬180的填入先形成種子層(seed layer)或晶種層(未顯示)，再以無電極銅沉積(electroless copper deposition，ECD)或電鍍技術(shù)完成銅金屬的填入。最后，多余的銅金屬再以化學(xué)機(jī)械研磨(chemical mechanicalpolishing，CMP)技術(shù)移除。
請參閱圖6至圖9，圖6至圖9為依據(jù)本發(fā)明第二較佳實(shí)施例制作雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。首先如圖6所示，提供一基底200，其上具有雙鑲嵌凹槽301、302以及303形成于介電堆疊層250中。介電堆疊層250包括一第一介電層206、一蝕刻停止層208、一第二介電層210、一第一硬遮罩層212以及第二硬遮罩層214。每一雙鑲嵌凹槽301、302以及303可包括一導(dǎo)線溝渠以及一介質(zhì)窗開口，并暴露出下方部份的蓋層204。蓋層204沉積于嵌于底層202中的復(fù)數(shù)個下層銅導(dǎo)線M1、M2及M3表面上。依據(jù)本發(fā)明的第二較佳實(shí)施例，雙鑲嵌凹槽301、302以及303同時形成，而其制法為習(xí)知技藝，在此不多贅述。
仍然請參閱圖6，在形成雙鑲嵌凹槽301、302以及303之后，第二硬遮罩層214往往會損耗至某個足以影響到后續(xù)銅金屬CMP均勻度(uniformity)的程度，此為對硬遮罩層控制不良所引起。為了消除后續(xù)CMP均勻度變異問題，在本發(fā)明第二較佳實(shí)施例中，采沉積一均厚介電阻障層260于雙鑲嵌凹槽301、302以及303內(nèi)壁以及介電堆疊層250上的方式。介電阻障層260相對于第二硬遮罩層214需具有高的蝕刻選擇性。在本發(fā)明第二較佳實(shí)施例中，第一硬遮罩層212為氮化硅所構(gòu)成，第二硬遮罩層214為氧化硅所構(gòu)成。介電阻障層260由氮化硅所構(gòu)成，而由PECVD法所沉積的氮化硅所構(gòu)成的介電阻障層260較佳。
請參閱圖7，接著進(jìn)行一非等向性(anisotropical)回蝕刻制程，蝕刻介電阻障層260，于雙鑲嵌凹槽301、302以及303側(cè)壁上形成阻障側(cè)壁子(barrier spacer)260a。下方的下層金屬導(dǎo)線亦可通過進(jìn)一步蝕刻蓋層204而部份暴露出來。第二硬遮罩層214即在蝕刻蓋層204時，同時被蝕刻移除掉。除此之外，移除第二硬遮罩層214尚有其它方式，例如，以稀釋的氫氟酸(HF)容易洗去。
請參閱圖8，接著利用物理氣相沉積(PVD)法或其他方式，于第一硬遮罩層212、介電阻障側(cè)壁子206a、以及雙鑲嵌凹槽301、302以及303的內(nèi)壁上沉積一金屬阻障層270。金屬阻障層270可以為鈦、氮化鈦、氮化鉭、或氮化鎢等金屬或合金。以常使用的Ta/TaN合金阻障層為例，其中Ta金屬層可以物理氣相沉積或化學(xué)氣相沉積等方法形成，其厚度一般為1至20奈米(nanometer)。TaN金屬層可以等離子氮化法、習(xí)知的物理氣相沉積或化學(xué)氣相沉積等方法形成，其厚度約為1至100奈米。
如圖9所示，銅金屬180接著被填入溝渠301、302及303中。一般，銅金屬180的填入先形成種子層或晶種層(未顯示)，再以無電極銅沉積(electroless copper deposition，ECD)或電鍍技術(shù)完成銅金屬的填入。最后，溝渠301、302及303外的多余的銅金屬再以化學(xué)機(jī)械研磨(chemicalmechanical polishing，CMP)技術(shù)移除。
相較于習(xí)知技藝，本發(fā)明雙鑲嵌金屬內(nèi)連線結(jié)構(gòu)由于結(jié)合一介電材質(zhì)阻障層，因此具有較佳的韌性，可有效抵擋由于金屬導(dǎo)線本身或由具有高熱擴(kuò)散數(shù)的導(dǎo)線層間介電層所產(chǎn)生的應(yīng)力。此外，采本發(fā)明結(jié)構(gòu)，則只需要很薄的金屬阻障層，因此使得后續(xù)銅金屬的填入更加容易而有制程上的寬裕。此外，本發(fā)明雙鑲嵌金屬內(nèi)連線結(jié)構(gòu)亦可解決習(xí)知CMP均勻度不佳的問題。以上種種優(yōu)點(diǎn)均顯示本發(fā)明已完全符合專利法所規(guī)定的產(chǎn)業(yè)利用性、新穎性及進(jìn)步性等法定要件，爰依專利法提出申請，敬請?jiān)敳椴①n準(zhǔn)本案專利。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所作的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明專利的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種雙鑲嵌結(jié)構(gòu)，其特征是包含有一底層，其內(nèi)包含有一導(dǎo)電層；一第一介電層，設(shè)于該底層上；一蝕刻停止層，設(shè)于該第一介電層上；一介質(zhì)窗開口，設(shè)于該第一介電層及蝕刻停止層中，以暴露出部份該導(dǎo)電層；一第二介電層，設(shè)于該蝕刻停止層上；一溝渠線形成于該介質(zhì)窗開口上的該第二介電層中；一介電阻障層，覆蓋該介質(zhì)窗開口的側(cè)壁；以及一金屬阻障層，覆蓋該溝渠線的內(nèi)壁、該介電阻障層及該介質(zhì)窗開口的底部。
2.如權(quán)利要求1所述的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)，其特征是該介電阻障層由氮化硅構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求2所述的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)，其特征是該介電阻障層的厚度小于300埃(angstrom)。
4.如權(quán)利要求1所述的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)，其特征是該金屬阻障層由Ta/TaN構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求1所述的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)，其特征是另包含有一銅晶種層，覆于該金屬阻障層上。
6.如權(quán)利要求1所述的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)，其特征是另包含有一銅金屬層填入該溝渠線以及該介質(zhì)窗開口中。
7.一種制作銅雙鑲嵌內(nèi)連線的方法，可以改善介質(zhì)窗的可靠度，其特征是該方法包含有下列步驟提供一基底，其內(nèi)形成有一導(dǎo)電層；于該基底及該導(dǎo)電層上形成一第一介電層；于該第一介電層上沉積一蝕刻停止層；于該第一介電層及蝕刻停止層中形成一介質(zhì)窗開口，暴露出部份該導(dǎo)電層；于該蝕刻停止層上、該介質(zhì)窗開口的側(cè)壁、底部上，沉積一第二介電層；于該第二介電層上沉積一第三介電層，且該第三介電層填滿該介質(zhì)窗開口；于該第三介電層上形成一硬遮罩層；于該硬遮罩層上形成一光阻層，且該光阻層具有一線圖案，暴露出部份位于該介質(zhì)窗開口上方的該硬遮罩層；經(jīng)由該線圖案蝕刻該硬遮罩層、該第三介電層、該第二介電層，并于該介質(zhì)窗開口的側(cè)壁上形成一介電阻障層側(cè)壁子，并形成導(dǎo)線溝渠位于該介質(zhì)窗開口上方的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)；以及于該介電阻障層側(cè)壁子上、該介質(zhì)窗開口的底部、以及該導(dǎo)線溝渠的內(nèi)壁上形成一金屬阻障層。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征是該第一及第二介電層皆具有一介電常數(shù)小于3.2。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征是該介電阻障層側(cè)壁子的厚度小于300埃(angstrom)。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征是該第二介電層由氮化硅構(gòu)成。
11.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征是該金屬阻障層由Ta/TaN構(gòu)成。
12.一種制作雙鑲嵌內(nèi)連線結(jié)構(gòu)的方法，可以改善介質(zhì)窗的可靠度，其特征是該方法包含有下列步驟提供一基底；于該基底上形成一導(dǎo)電層；于該導(dǎo)電層上形成一蓋層；于該基底上的一堆疊介電層中，形成一雙鑲嵌開口，暴露出部份該導(dǎo)電層上的該蓋層，其中該雙鑲嵌開口包括一溝渠以及一介質(zhì)窗開口；于該雙鑲嵌開口內(nèi)壁以及該堆疊介電層上沉積一非金屬阻障層；回蝕刻該非金屬阻障層，以于該溝渠以及該介質(zhì)窗開口側(cè)壁上形成一非金屬阻障側(cè)壁子，同時經(jīng)由該介質(zhì)窗開口蝕刻該蓋層以暴露出該導(dǎo)電層；以及于該非金屬阻障側(cè)壁子上及該雙鑲嵌開口內(nèi)壁上形成一金屬阻障層。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征是該堆疊介電層包含有一第一介電層、一蝕刻停止層設(shè)于該第一介電層上、一第二介電層設(shè)于該蝕刻停止層上、一第一硬遮罩層設(shè)于該第二介電層上、以及一第二遮罩層設(shè)于該第一硬遮罩層上。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征是該第一硬遮罩層由氮化硅構(gòu)成，該第二硬遮罩層由氧化硅構(gòu)成。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征是該第二硬遮罩層于蝕刻該蓋層時被移除。
16.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征是該非金屬阻障側(cè)壁子的厚度小于300埃。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征是該非金屬阻障側(cè)壁子由氮化硅構(gòu)成。
18.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征是該非金屬阻障層由等離子加強(qiáng)氣相沉積法形成。
19.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征是該金屬阻障層由Ta/TaN構(gòu)成。
全文摘要
一種雙鑲嵌金屬內(nèi)連線結(jié)構(gòu)及其制作方法，該雙鑲嵌結(jié)構(gòu)包含有一底層，其內(nèi)包含有一導(dǎo)電層；一第一介電層，設(shè)于該底層上；一蝕刻停止層，設(shè)于該第一介電層上；一介質(zhì)窗開口，設(shè)于該第一介電層及蝕刻停止層中，以暴露出部份該導(dǎo)電層；一第二介電層，設(shè)于該蝕刻停止層上；一溝渠線形成于該介質(zhì)窗開口上的該第二介電層中；一介電阻障層，覆蓋該介質(zhì)窗開口的側(cè)壁；以及一金屬阻障層，覆蓋該溝渠線的內(nèi)壁、該介電阻障層及該介質(zhì)窗開口的底部；本發(fā)明以一介電阻障層保護(hù)介質(zhì)窗側(cè)壁，更結(jié)合一金屬阻障層，將其整合于雙鑲嵌制程中，可有效改善介質(zhì)窗的可靠度問題、銅金屬填入能力亦大幅地提升，還可有效地改善化學(xué)機(jī)械研磨制程過程中的均勻度。
文檔編號H01L21/768GK1434509SQ02155290
公開日2003年8月6日 申請日期2002年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月22日
發(fā)明者剡友圣 申請人:聯(lián)華電子股份有限公司