專利名稱：形成金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)于一種形成金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的方法，特別有關(guān)于一種在鑲嵌開口蝕刻后，使用特殊電漿處理而形成金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)以避免介電層剝離的方法。
背景技術(shù)：
由于具有高導電度，鋁(Al)和鋁合金已成為集成電路(IC)發(fā)展中的重要導電材料。然而，隨著半導體集成度的快速增加，鋁和鋁合金的導電度已不再能滿足半導體裝置的速度需求。因此，由于銅(Cu)有較低電阻值和較佳的可靠度，銅(Cu)已漸漸地取代鋁而成為適用的導電材料。此外，銅比鋁對于電致遷移(electromigration)有較佳的抵抗性，因此，在設(shè)計準則0.13μm以上的組件中，銅已經(jīng)用于深次微米ULSI金屬化和內(nèi)聯(lián)機上。
由于銅無法使用干蝕刻法進行圖案化，通常是使用鑲嵌(dama scene)技術(shù)來形成銅內(nèi)聯(lián)機。圖1a至圖1d顯示依據(jù)傳統(tǒng)方法形成銅鑲嵌結(jié)構(gòu)的制程剖面示意圖。請參閱圖1a，在一第一銅層100上形成一覆蓋層200(如氮化硅)。接著，形成一金屬間介電層(IMD)300，其依序包括一第一介電層320，一蝕刻停止層340(例如氮氧化硅(SiON))，以及一第二介電層360。覆蓋層200通常是用于避免第一銅層100擴散到其上的IMD 300。
接著，請參閱圖1b，在第二介電層360上形成一第一光阻掩膜(未顯示)，進行非等向性蝕刻，而形成通過第二介電層360、蝕刻停止層340、和第一介電層320的一介層洞410。接著，在第二介電層360上形成一第二光阻掩膜(未顯示)，進行非等向性蝕刻，而在第二介電層360中形成一溝槽420，停止于蝕刻停止層340。至此，介層洞410和溝槽420構(gòu)成了一雙鑲嵌開口400。
接著，參閱圖1c，以電鍍法(electrodeposition)或無電沉積法(electroless deposition)來沉積銅以填入雙鑲嵌開口400中，形成一第二銅層500。接著，進行化學機械研磨法(CMP)以使第二銅層500平坦化。
通常，在進行非等向性蝕刻而形成介層洞410和溝槽420之后，很難避免會有雜質(zhì)(如氟、氯、碳、氧等)殘留在第一銅層100上。氟和氯會攻擊第一銅層100和覆蓋層200之間的界面，氧會氧化第一銅層100而形成氧化銅。再者，由于光阻和蝕刻制程中產(chǎn)生的殘余碳、氟、氯、或氧，而會使覆蓋層200形成氣泡。結(jié)果，在基板經(jīng)過重復熱循環(huán)之后，金屬間介電層(IMD)300會剝離(簡稱“peeling via”(剝離介層洞))，如圖1d所示。Peeling via不僅會降低良率，也會降低可靠度。再者，會產(chǎn)生嚴重的電致遷移(EM；electromigration)和應(yīng)力遷移(SM；stress migration)問題。
有許多方法嘗試去減緩peeling via問題，例如不使用CF4的光剝除(photo stripping without CF4)，微調(diào)介層洞/溝槽蝕刻配方(fine tuningvia/trench etching recipes)，改良的設(shè)計準則等。然而，peeling via問題仍未能解決。
Subramanian等人在美國專利6,465,889號中揭露一種雙鑲嵌技術(shù)。在銅在線形成碳化硅以同時作為覆蓋層和底部抗反射涂層(BARC；bottomanti-reflective coating)。于是，可改善在其上形成的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的尺寸準確度。
Zhao等人在美國專利6,071,809號中揭露另一雙鑲嵌技術(shù)。覆蓋層是氮化硅，并且使用一對CMP硬掩膜二氧化硅層和氮化硅層。二氧化硅層可在雙鑲嵌制程中保護在下的氮化硅層，但接下來在CMP時被犧牲，使得氮化硅層作為CMP硬掩膜。以此方式，可避免low-k物質(zhì)的剝離。
Chooi等人在美國專利6,436,824號中揭露作為銅的覆蓋層(保護層)的新穎低介電常數(shù)物質(zhì)。此新穎低介電常數(shù)物質(zhì)可為一碳摻雜的氮化硅層，可由一取代的氨前驅(qū)物(substituted ammonia precursor)和一取代的有機硅烷(substituted organosilane)在電漿輔助(plasma-enhanced)化學沉積反應(yīng)室中反應(yīng)而得。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的為解決上述問題而提供一種形成金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的方法。在鑲嵌開口蝕刻之后，本發(fā)明進行特殊的電漿處理以除去殘留雜質(zhì)。于是，可解決由于殘留雜質(zhì)所造成的金屬間介電層(IMD)的剝離。再者，本發(fā)明可通過應(yīng)力遷移和電致遷移測試，并可改善良率和可靠度。
為達成本發(fā)明的目的，本發(fā)明形成金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的方法包括以下步驟。首先，在一基板上形成一介電層。接著，蝕刻介電層而形成一鑲嵌開口。接著，進行電漿處理以除去在介電層上的殘余雜質(zhì)。接著，將金屬填入鑲嵌開口內(nèi)。
依據(jù)本發(fā)明，在介電層形成之前，可在基板上形成一第一金屬層。于是，電漿處理是在第一金屬層的表面上進行。此時，電漿處理可用作除去在第一金屬層上的雜質(zhì)，并且修補在第一金屬層和介電層之間的鍵結(jié)。
依據(jù)本發(fā)明，在第一金屬層形成之后，介電層形成之前，可在第一金屬層上形成一覆蓋層。于是，電漿處理可作為修補第一金屬層和覆蓋層之間的鍵結(jié)。
電漿處理可使用含氫電漿、含氮電漿、含氧電漿、或其混合物。
依據(jù)本發(fā)明第一較佳具體實施例，鑲嵌開口的蝕刻是使用含氟電漿或含氯電漿來進行，且電漿處理是使用含氫電漿。例如，可使用氫氣(H2)電漿、氨氣(NH3)電漿、H2/NH3電漿、或H2/N2電漿。含氫電漿的氫鍵被解離而形成離子化(ionized)的氫原子。這些離子化的氫原子可使不需要的氧化銅去氧化(deoxidize)，并且與自由的氟或氯反應(yīng)。因此，可避免由于殘余氟或氯所造成的介電層剝離現(xiàn)象。
依據(jù)本發(fā)明第二較佳具體實施例，覆蓋層是氮化物，且電漿處理使用含氮電漿。例如，可使用氮氣(N2)電漿、氨氣(NH3)電漿、H2/NH3電漿、或H2/N2電漿。含氮電漿可修補第一金屬層和覆蓋層(氮化物)之間的鍵結(jié)。于是，第一金屬層和覆蓋層有良好的附著性，因而可避免介電層的剝離。
依據(jù)本發(fā)明第三較佳具體實施例，鑲嵌開口蝕刻所用的光阻掩膜含有碳，且電漿處理使用含氧電漿，例如N2O電漿或氧氣(O2)電漿。含氧電漿可與殘余的碳反應(yīng)，于是可避免由于殘余碳所造成的氣泡形成。


圖1a至圖1d顯示依據(jù)傳統(tǒng)方法形成銅鑲嵌結(jié)構(gòu)的制程剖面圖。
圖2顯示依據(jù)本發(fā)明形成金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的流程圖。
圖3a至圖3c為依據(jù)本發(fā)明較佳具體實施例形成金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的制程剖面圖。
圖4a和圖4b分別為用作電致遷移(EM)和應(yīng)力遷移(SM)的測試構(gòu)造的俯視圖和側(cè)視圖。
圖5顯示本發(fā)明和比較實施例的測試構(gòu)造的EM測試結(jié)果。
圖6顯示比較實施例的測試構(gòu)造的SM測試結(jié)果。
符號說明100～第一銅層，200～覆蓋層，300～金屬間介電層(IMD)，320～第一介電層，340～蝕刻停止層，360～第二介電層，400～雙鑲嵌開口，410～介層洞，420～溝槽，500～第二銅層，10～第一金屬層，20～覆蓋層，30～介電層，32～第一介電層，34～蝕刻停止層，36～第二介電層，
40～鑲嵌開口，41～介層洞，42～溝槽，52～阻障層，54～第二金屬層，61～金屬線(第一層)，611、612～插塞，621、622～金屬墊(第二層)，631、632～金屬墊(第三層)，633、634～插塞，64～金屬線(第四層)。
具體實施例方式
圖2為本發(fā)明形成金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的流程圖。圖3a至3c圖為依據(jù)本發(fā)明較佳實施例的形成金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的制程剖面示意圖。
以下舉雙鑲嵌制程為例來作說明。然而，單鑲嵌制程亦涵蓋在本發(fā)明的范圍內(nèi)。請參閱圖2和圖3a，首先，在一第一金屬層10上形成一覆蓋層20(步驟S21)。此覆蓋層20是用來避免第一金屬層10擴散入稍后步驟中會形成的金屬間介電層(IMD)中。此覆蓋層20可為氮化物或碳化硅(SiC)。氮化物覆蓋層的具體例子包括氮化硅、氮化鈦(TiN)、氮化鎢(WN)、氮化硅鈦(TiSiN)、和氮化硅鎢(WSiN)。
接著，仍參閱圖2和圖3a，在覆蓋層20上形成一介電層(金屬間介電層；IMD)30(步驟S22)。此介電層可包括依序形成的三層，例如，一第一介電層32、一蝕刻停止層34、和一第二介電層36。第一和第二介電層32和36可為化學氣相沉積法(chemical vapor deposition；CVD)而形成的氧化硅或氮化硅?；蛘撸谝缓偷诙殡妼?2和36可為低介電常數(shù)物質(zhì)(k＝3.9或以下)，例如，有機聚合物物質(zhì)，如FLARE，PAE-2，和SILK，非有機物質(zhì)，如FSG(氟化硅酸鹽玻璃；fluorosilicate glass)和HSQ(hydrogen silsesquioxane)、黑鉆石(black diamond)、或高黑鉆石(high black diamond；HBD)。蝕刻停止層34可為氮化硅或氮氧化硅(SiON)。
接著，請參閱圖2和圖3b，蝕刻介電層30而形成一鑲嵌開口40(步驟S23)。例如，可進行via-first技術(shù)。首先，在第二介電層36上形成一第一光阻掩膜(未顯示)，進行第一非等向性蝕刻，而形成延伸入第二介電層36、蝕刻停止層34、和第一介電層32中的一介層洞41。接著，在第二介電層36上形成一第二光阻掩膜(未顯示)，進行第二非等向性蝕刻，而在第二介電層36中形成一溝槽42，停止于蝕刻停止層34。至此，介層洞41和溝槽42構(gòu)成了雙鑲嵌開口40。
接著，仍參閱圖2和圖3b，進行本發(fā)明特殊的電漿處理(步驟S24)。此特殊的電漿處理可除去在介電層30上的殘余雜質(zhì)。例如，可使用含氫電漿、含氮電漿、含氧電漿、或其混合物來進行電漿處理。電漿處理所用電漿的流速可為20sccm至30sccm。
上述用來形成介層洞41的第一非等向性蝕刻以及用來形成溝槽42的第二非等向性蝕刻，可使用含氟電漿或含氯電漿來進行。例如，可使用CF4-。如現(xiàn)有技術(shù)中所述，在介層洞和溝槽蝕刻之后，氟或氯雜質(zhì)會有殘留，而會攻擊第一金屬層10和覆蓋層20之間的界面。結(jié)果，在基板經(jīng)過重復熱循環(huán)之后，介電層30會剝離。為了避免介電層剝離，本發(fā)明可使用含氫電漿來進行電漿處理。含氫電漿可為氫氣(H2)電漿或氨氣(NH3)電漿。
含氫電漿的氫鍵會被解離而形成離子化的氫原子。在電漿和高溫(約400℃)的反應(yīng)室條件下，這些離子化氫原子可使不需要的氧化銅去氧化(deoxidize)，并且與自由的氟或氯反應(yīng)。因此，可避免由于殘余氟或氯所造成的介電層剝離現(xiàn)象。
此外，當覆蓋層20是氮化物時，在鑲嵌開口40蝕刻后，本發(fā)明的電漿處理可使用含氮電漿，例如氮氣(N2)電漿或氨氣(NH3)電漿。含氮電漿可修復第一金屬層10(如Cu)和覆蓋層20(氮化物)之間的鍵結(jié)。于是，第一金屬層10和覆蓋層20具有良好的附著性，而可解決介電層30剝離的問題。
此外，光阻掩膜通常含有碳。在鑲嵌開口40蝕刻之后(步驟S23)，覆蓋層20會由于光阻和蝕刻制程中所殘余的碳、氟、氯、或氧而形成氣泡。在鑲嵌開口40蝕刻之后，本發(fā)明使用含氧電漿，例如N2O電漿或氧氣(O2)電漿來進行電漿處理。含氧電漿可與殘余的碳反應(yīng)，因而避免氣泡的形成。
接著，請參閱圖2和圖3c，將金屬填入鑲嵌開口40中而形成一第二金屬層54(步驟S25)。在第二金屬層54形成之前，可先形成一阻障層52(如Ta或TaN)以作為鑲嵌開口40的襯墊。接著可在阻障層52上形成一晶種層(未顯示)，然后形成金屬層54。金屬層54可為銅或銅合金，可由無電沉積(electroless deposition)或電鍍法(electrodeposition)而形成。接著，進行化學機械研磨(chemical mechanical polishing；CMP)以使金屬層54平坦化。晶種層可為銅或銅與其它元素的合金，其它元素例如鎂、鋁、鋅、鋯(zirconium)、錫(tin)、鎳(nickel)、鈀(palladium)、金、或銀。
實施例依據(jù)本發(fā)明上述制程，在蝕刻介電層而形成鑲嵌開口之后，使用H2/NH3電漿進行電漿處理。然后，將銅填入鑲嵌開口中以完成金屬化，得到如圖4a和4b圖所示的測試構(gòu)造。銅線被SiN覆蓋層(未顯示)所覆蓋。
圖4a和4b圖是為了分析電致遷移(EM)和應(yīng)力遷移(SM)所作的測試構(gòu)造，分別為俯視圖和側(cè)視圖。此測試構(gòu)造包括四層金屬。符號61表示一金屬線(第一層)，符號621和622表示金屬墊(第二層)，其中金屬墊621藉由插塞611而連接金屬線61，金屬墊622藉由插塞612而連接金屬線61。符號631和632表示金屬墊(第三層)，符號64表示一金屬線(第四層)，其中金屬墊631藉由插塞633而連接金屬線64，金屬墊632藉由插塞634而連接金屬線64。金屬線61和64的寬度(w)是3.5μm，長度(l)是55μm。插塞(或介層洞)611、612、633、和634的直徑為0.5μm。
比較實施例進行和實施例相同的步驟，但是在蝕刻介電層而形成鑲嵌開口之后，填入銅之前，并不進行電漿處理。
EM測試將本發(fā)明實施例以及比較實施例所得的測試構(gòu)造分別在5mega A/cm2的固定電流下、溫度450℃下施加應(yīng)力，以測試EM。結(jié)果如圖5和表1所示?？煽闯鼋逵蒆2/NH3電漿處理，本發(fā)明測試構(gòu)造的TTF(time to failure)(t50)可由13秒增加到59秒。
表1

SM測試將本發(fā)明實施例以及比較實施例所得的測試構(gòu)造分別儲存于溫度100℃-300℃的真空烘箱中三星期，以測試SM。比較實施例的測試構(gòu)造無法通過SM測試，如圖6所示。然而，本發(fā)明的測試構(gòu)造可通過SM測試而沒有任何失敗。
綜上所述，在蝕刻以形成鑲嵌開口之后，金屬填入開口之前，本發(fā)明使用含氫電漿、含氮電漿、含氧電漿、或其混合物進行電漿處理。于是，可除去殘余雜質(zhì)，而且可消除由于殘留雜質(zhì)所造成的介電層剝離。再者，進行本發(fā)明的電漿處理所得到的測試構(gòu)造可通過電致遷移(EM)測試和應(yīng)力遷移(SM)測試。
雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可作些許的更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍當視所附的權(quán)利要求范圍所界定者為準。
權(quán)利要求
1.一種形成金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的方法，其包括以下步驟在一基板上形成一介電層；蝕刻該介電層而形成一鑲嵌開口；進行電漿處理以除去在介電層上的殘余雜質(zhì)；以及將金屬填入該鑲嵌開口內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的形成金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的方法，其中該電漿處理是使用含氫電漿、含氮電漿、含氧電漿、或其混合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的形成金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的方法，其中該含氫電漿為氫氣電漿或氨氣電漿。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的形成金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的方法，其中該含氮電漿為氮氣電漿或氨氣電漿。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的形成金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的方法，其中該含氧電漿為N2O電漿或氧氣電漿。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的形成金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的方法，在介電層形成之前，更包括在該基板上形成一第一金屬層的步驟。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的形成金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的方法，其中該電漿處理除去在第一金屬層上的殘余雜質(zhì)。
8.一種形成金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的方法，其包括以下步驟在一第一金屬層上形成一覆蓋層；在該覆蓋層上形成一介電層；以含氟電漿或含氯電漿來蝕刻該介電層，而形成一鑲嵌開口；使用含氫電漿來進行電漿處理；以及將金屬填入該鑲嵌開口內(nèi)。
9.一種形成金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的方法，其包括以下步驟在一第一金屬層上形成一覆蓋層，其中該覆蓋層為氮化物層；在該覆蓋層上形成一介電層；蝕刻該介電層而形成一鑲嵌開口；使用含氮電漿來進行電漿處理；以及將金屬填入該鑲嵌開口內(nèi)。
10.一種形成金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的方法，其包括以下步驟在一第一金屬層上形成一覆蓋層；在該覆蓋層上形成一介電層；在該介電層上形成一光阻圖案，其中該光阻圖案含有碳；以該光阻圖案為掩膜來蝕刻該介電層，而形成一鑲嵌開口；使用含氧電漿來進行電漿處理；以及將金屬填入該鑲嵌開口內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種形成金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的方法，其包括以下步驟。首先，在一基板上形成一介電層。接著，蝕刻介電層而形成一鑲嵌開口。接著，進行電漿處理以除去在介電層上的殘余雜質(zhì)。接著，將金屬填入鑲嵌開口內(nèi)。藉由在鑲嵌開口蝕刻之后所進行的電漿處理，可避免由于殘余雜質(zhì)所造成的介電層剝離現(xiàn)象。
文檔編號H01L21/306GK1595636SQ20041007841
公開日2005年3月16日 申請日期2004年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月12日
發(fā)明者王明璁, 蘇迪希, 楊佳明, 蔡慶銘 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司