CN1208819C - 双重金属镶嵌结构的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种双重金属镶嵌结构的制造方法，在具有双重金属镶嵌开口的半导体结构上形成阻障层与一层晶种层且覆盖此双重金属镶嵌开口；然后在晶种层上形成一层保护层且填满此双重金属镶嵌开口；并以晶种层为蚀刻终止层对保护层进行回蚀；接着去除暴露出的铜晶种层，再完全去除保护层；最后在双重金属镶嵌开口中形成一金属层并填满该双重金属镶嵌开口。

Description

双重金属镶嵌结构的制造方法

技术领域

本发明是有关于一种制造金属内连线(Interconnects)的方法，且特别是有关于一种双重金属镶嵌(Dual Damascene)结构的制造方法。

背景技术

在半导体工业的发展中，元件运算速度的提高一直是发展的要点，同时也是消费者选择时的重要指标。随着集成电路工艺的快速发展，目前影响速度的因素中以导线本身的电阻值及层间介电层的寄生电容大小为决定性的关键。其中，减少导线阻值的影响，可以选用低阻值的金属材料；而改善层间介电层的寄生电容，则可以采用低介电常数的材料，作为多层金属连线间的绝缘层。

典型的金属内连线工艺，是在介电层中形成金属插塞，再在基底上形成与金属插塞连接的铝金属导线。而双重金属镶嵌的技术，是一种具有高可靠度及低成本的金属线制造技术，其所使用的金属内连线的材料，并不受金属蚀刻的限制。因此该技术已广泛应用于铜导线的制作，以此来降低导线本身的电阻值，进而提高集成电路元件的速度及品质。而随着元件高度集成化之后，以低介电常数的介电层制作双重金属镶嵌结构，已逐渐成为半导体工业的金属内连线工艺所采用的一种方式。

公知的双重金属镶嵌工艺，大多是在基底上形成介电层，然后在介电层内形成一双重金属镶嵌开口，再将金属铜填入此双重金属镶嵌开口，最后以化学机械研磨进行平坦化处理。上述方法在后段步骤中，会利用到化学机械研磨工艺，但是众所周知化学机械研磨工艺会产生包括表面刻痕(scratch)、剥落(rip off)、残留颗粒(particleresidue)、铜区凹陷(dishing)、侵蚀(erosion)的去除、防止铜表面的氧化层和对化学机械研磨后的清洗过程中铜扩散的控制等问题，而且化学机械研磨工艺所造成的缺陷，也会导致合格率损失及可靠性的问题。

发明内容

因此，本发明提供一种双重金属镶嵌结构的制造方法，可以避免半导体化学机械研磨的使用。

本发明提出一种双重金属镶嵌结构的制造方法。此方法是在一具有一双重金属镶嵌开口的半导体结构上形成一层阻障层(BarrierLayer)，且覆盖此双重金属镶嵌开口；再在阻障层上形成一层晶种层(Seed-layer)，且覆盖此阻障层表面；再在该晶种层上形成一层保护层(Sacrificial Layer)，且填满此双重金属镶嵌开口；并以晶种层为蚀刻终止层对保护层进行回蚀(etch-back)；接着去除暴露出的晶种层，再完全去除保护层，最后在双重金属镶嵌开口中形成一金属层并填满此双重金属镶嵌开口，以形成双重金属镶嵌结构。由于使用蚀刻及填充的方式制得双重金属镶嵌结构，所以不需使用化学机械研磨法，而避免其所引发的缺陷。

本发明是利用保护层以制造半导体后段步骤的双重金属镶嵌以避免半导体化学机械研磨的使用，此方法也可用于后段步骤(BackEnd of Line，BEOL)内连线的制作。由于一般以铜作为内连线材料的方法，都需要利用化学机械研磨工艺做平坦化的处理，因此无法避免地会遇到化学机械研磨所产生的问题，例如表面刻痕、剥落、残留颗粒、铜区凹陷、侵蚀、铜表面产生氧化层和对化学机械研磨后的清洗过程中铜离子的扩散等问题。所以本发明避免化学机械研磨的使用，可以防止上述各种问题的产生，因此可确保双重金属镶嵌不会因为使用化学机械研磨工艺而遇到各项从化学机械研磨而来的问题，进而增加合格率、达到所要求的可靠度。

为使本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明：

附图说明

图1A至图1G是本发明较佳实施例的一种制造双重金属镶嵌结构的制造流程剖面示意图。

附图标记说明：

100：基底

102a、102b：低介电常数介电层

104：蚀刻终止层

106：罩幕层

108：双重金属镶嵌开口

110：阻障层

112：晶种层

114、114a：保护层

116：金属层

具体实施方式

图1A至图1G是本发明较佳实施例的一种双重金属镶嵌(DualDamascene)结构的制造流程剖面示意图，此方法可以用于后段步骤(Back End of Line，BEOL)内连线的制作。

请参照图1A，提供一基底100，并在基底100上依次形成一层低介电常数介电层102a、一层蚀刻终止层104、一层低介电常数介电层102b与一层罩幕层106，以作为一半导体结构，其中罩幕层106的材质可以是氮化硅、碳化硅、氮化硼。然后，在基底100上形成一个双重金属镶嵌开口108。典型的双重金属镶嵌开口108的制造方法，可以是先在罩幕层106上先形成一层光阻层(图上未绘)，然后定义此光阻层并进行蚀刻，以在低介电常数介电层102a、102b内形成一介层窗。在去除上述光阻层之后，接着再在罩幕层106上形成另一层光阻层(图上未绘)，然后定义此光阻层并蚀刻至蚀刻终止层104以形成一沟道，此沟道位于介层窗上方，即可形成双重金属镶嵌开口108。

接着，请参照图1B。在双重金属镶嵌开口108的表面与罩幕层106之上沉积一层阻障层(Barrier Layer)110，再沉积一层晶种层(Seed-layer)112，以覆盖阻障层110的表面。晶种层112的形成方法可以是化学气相沉积法(Physical Vapor Deposition，PVD)或物理气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，CVD)，其材质可以是铜。

然后，请参照图1C，形成一层保护层(Sacrificial Layer)114以覆盖晶种层112表面，且填满双重金属镶嵌开口108。保护层114的材质需具有较佳沟填能力(Gapfill)，例如是硼磷硅玻璃(BoronPhosphorus Silica Glass，BPSG)。

随后，请参照图1D，以晶种层112作为蚀刻终止层，利用回蚀(etch-back)的方法去除双重金属镶嵌开口108以外多余的保护层114。进行回蚀之后，晶种层112会暴露出来，且在双重金属镶嵌开口108中有保护层114a。

接着，请参照图1E，去除双重金属镶嵌开口108以外的部分晶种层112，其中去除晶种层112的方法可以是湿式蚀刻，且所使用的蚀刻溶液是酸性溶液例如硫酸溶液。因为双重金属镶嵌开口108以外的晶种层112被去除后，会使后续利用电镀(Plating)形成金属层的步骤变得具有选择性，因此能达到不需要化学机械研磨工艺的目的。

然后，请参照图1F，去除双重金属镶嵌开口108内的保护层114a，以暴露出双重金属镶嵌开口108表面的铜晶种层112。其中去除保护层114a的方法，可以是等向性干式蚀刻，利用氟化氢气体(Vapor HF)作为蚀刻气体。因为利用等向性干式蚀刻去除保护层114a具有蚀刻速率快与蚀刻选择比高的优点，所以工艺时间较短，且铜晶种层112不易被侵蚀。

最后，请参照图1G，在双重金属镶嵌开口108中形成一金属层116并填满该双重金属镶嵌开口108，形成金属层116的方法可以是电镀，且其材质可以是铜。

本发明因为利用填满于双重金属镶嵌开口的保护层，并使用蚀刻及填充的方式制得双重金属镶嵌结构，以避免半导体后段的双重金属镶嵌步骤中使用化学机械研磨法，而且此方法也可用于后段工序内连线的制作。这是因为一般以铜作为内连线材料的方法，需要利用化学机械研磨工艺做平坦化的处理，因此无法避免地会遭遇化学机械研磨所产生的，例如表面刻痕、剥落、残留颗粒、铜区凹陷、侵蚀、铜表面产生氧化层和对化学机械研磨后的清洗过程中铜离子的扩散等问题。所以本发明避免化学机械研磨的使用，可以防止上述各种问题的产生，因此可确保双重金属镶嵌不会因为使用化学机械研磨工艺而遭遇各项从化学机械研磨而来的问题，进而提高合格率、达到所要求的可靠度。

虽然本发明已以一较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉该技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，所作的少许更动与润饰，均未脱离本发明的保护范围，而本发明的保护范围应当以权利要求书所限定的为准。

Claims (9)

1.一种双重金属镶嵌结构的制造方法，其特征在于：该方法包括：

提供一半导体结构；

在该半导体结构上形成一双重金属镶嵌开口；

在该半导体结构上形成一阻障层且覆盖该双重金属镶嵌开口；

在该半导体结构上形成一晶种层且覆盖该阻障层上；

在该晶种层上形成一保护层，以覆盖填满该双重金属镶嵌开口；

利用回蚀并以该晶种层作为蚀刻终止层，去除部分该保护层，以裸露出该晶种层；

去除该双重金属镶嵌开口以外的部分该晶种层；

完全去除该保护层；

利用电镀法在该晶种层上形成一金属层，以填满该双重金属镶嵌开口，形成该双重金属镶嵌结构。

2.根据权利要求1所述的双重金属镶嵌结构的制造方法，其特征在于：该保护层的材质包括硼磷硅玻璃。

3.根据权利要求1或2所述的双重金属镶嵌结构的制造方法，其特征在于：完全去除该保护层的方法包括等向性干式蚀刻法。

4.根据权利要求3所述的双重金属镶嵌结构的制造方法，其特征在于：完全去除该保护层的方法包括利用氟化氢气体作为反应气体。

5.根据权利要求1所述的双重金属镶嵌结构的制造方法，其特征在于：形成该晶种层的方法包括物理气相沉积法与化学气相沉积法其中之一。

6.根据权利要求1所述的双重金属镶嵌结构的制造方法，其特征在于：去除该双重金属镶嵌开口以外的部分该晶种层的方法包括一湿式蚀刻法。

7根据权利要求6所述的双重金属镶嵌结构的制造方法，其特征在于：该湿式蚀刻法所使用的溶液包括酸性溶液。

8根据权利要求1所述的双重金属镶嵌结构的制造方法，其特征在于：该晶种层包括铜晶种层。

9根据权利要求1所述的双重金属镶嵌结构的制造方法，其特征在于：该金属层的材质包括铜。

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