CN1259710C

CN1259710C - 在低介电材料层与内连线间形成阻障层的方法

Info

Publication number: CN1259710C
Application number: CN02131620.1A
Authority: CN
Inventors: 李世达; 徐震球
Original assignee: United Microelectronics Corp
Current assignee: United Microelectronics Corp
Priority date: 2002-09-11
Filing date: 2002-09-11
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2022-09-11
Also published as: CN1482665A

Abstract

一种在低介电材料层与内连线间形成阻障层的方法。首先，提供一基底，其覆盖有一绝缘层，且绝缘层具有一金属内连线；接着，在金属内连线及介电层上方形成一封盖层；然后，通过一反应气体对封盖层实施一等离子体处理，其中所使用的反应气体选自二氧化碳、氨气、二氧化氮、硅烷、三甲基硅烷或四甲基硅烷的至少一种。最后，在封盖层上形成一低介电材料层，具有增加低介电常数材料层与封盖层之间的附着力的功效。

Description

在低介电材料层与内连线间形成阻障层的方法

技术领域

本发明是有关于一种半导体元件的制造方法，特别是有关于一种在低介电材料层与内连线间形成阻障层的方法。

背景技术

随着集成电路持续缩小化的发展，具有低电阻常数和高电子迁移阻抗的铜金属，已逐渐被应用来作为金属内连线的材质，取代以往的铝金属制程技术。由于铜的电阻比铝低，在一固定的线宽下会有较高的信号传输速度。

虽然铜的物理性质对于应用在元件上具有很大的优势，但是铜具有一些铝所没有的缺点必需克服。例如，铜膜在制造过程中非常容易受到氧化。此外，铜很容易扩散到相邻的材料(包括介电质)，所以当使用铜作为金属内连线时，需要以阻障材料将铜导线封住。

传统上，一般都会在沉积铜金属之后，沉积一金属阻障材料，一般称为封盖层(sealing layer)、覆盖层(cap layer)或包覆层(encapsulationlayer)。虽然其它材质亦可使用，但通常是以氮化硅来作为此封盖层。

图1是传统双镶嵌式导线剖面图。在半导体基底100上覆盖有一绝缘层102，且具有多数沟槽。铜金属层104沉积于绝缘层102上并填入于沟槽中。多余的铜金属层104通常通过化学机械研磨法(chemicalmechanical polishing)研磨到绝缘层102表面，以将其去除。之后，一封盖层106沉积于铜金属层104及绝缘层102上。一具有双镶嵌(dualdama scene)结构的低介电常数(low k)材料层108接着形成于此封盖层106上。

同样地，一铜金属层110沉积于低介电常数材料层108并填入双镶嵌构造中。此处，双镶嵌构造中的铜金属层110经由去除部分的封盖层106以电性连接于铜内连线104，如图1所示。多余的铜金属层110同样通过化学机械研磨法(chemical mechanical polishing)研磨至低介电常数材料层108，以将其去除。

此封盖层106通常为氮化硅(SiN)，以作为一金属阻障层，而防止铜金属层104及110中的铜原子扩散至绝缘层102及低介电常数材料层108。另外，此封盖层106亦可作为双镶嵌制程中的蚀刻终止层。其主要缺陷在于：

由于位于低介电常数材料层及铜内连线之间的封盖层具有可靠度的问题，例如铜导线间的电子迁移(electronic migration，EM)及依时性介电崩溃电压(time dependent dielectric breakdown，TDDB)。举例而言，在封盖层沉积于铜表面之后，接着介电层会沉积于封盖层上方。此沉积介电层的制程会产生应力，而损害到封盖层。再者，在双镶嵌制程后续的化学机械研磨制程中，低介电常数材料层及封盖层之间不佳的附着力，将造成介电层的剥离，导致水气的进入及铜原子的扩散。

发明内容

本发明的主要目的在于：提供一种在低介电材料层与内连线间形成阻障层的方法，其通过对封盖层实施一等离子体处理，达到增加低介电常数材料层与封盖层之间的附着力的目的。

本发明的另一目的在于：提供一种在低介电材料层与内连线间形成阻障层的方法，其通过在低介电常数材料层与封盖层之间形成一附着层，以防止在形成低介电材料层期间对封盖层造成损害，达到避免在后续的化学机械研磨制程中造成低介电材料层的剥离的目的。

本发明的目的是这样实现的：一种在低介电材料层与内连线间形成阻障层的方法。首先，提供一基底，其覆盖有一绝缘层，且绝缘层具有一金属内连线；接着，在金属内连线及介电层上方形成一封盖层；然后，通过一反应气体对封盖层实施一等离子体处理，其中所使用的反应气体选自二氧化碳、氨气、二氧化氮、硅烷、三甲基硅烷(3MS)或四甲基硅烷(4MS)的至少一种；最后，在封盖层上形成一低介电材料层；再者，此封盖层是由氮化硅、碳化硅、碳氢化硅、碳氧化硅或碳氮化硅的一种所构成。

本发明还提供另一种在低介电材料层与内连线间形成阻障层的方法。首先，提供一基底，其覆盖有一绝缘层且绝缘层具有一金属内连线；接着，在金属内连线及介电层上方形成一封盖层；之后，在封盖层上形成一附着层；最后，在附着层上形成一低介电材料层。此封盖层是选自氮化硅、碳化硅、碳氢化硅、碳氧化硅或碳氮化硅的一种所构成。再者，通过化学气相沉积法形成此附着层，且使用二氧化碳、氨气、二氧化氮、硅烷、三甲基硅烷(3MS)或四甲基硅烷(4MS)的至少一种作为反应气体，或通过涂覆一硅酸盐溶液形成此附着层。

下面结合较佳实施例配合附图详细说明。

附图说明

图1是传统双镶嵌式导线的剖面示意图。

图2-图5是本发明实施例1的在低介电材料层与内连线间形成阻障层的剖面示意图。

图6-图9是本发明实施例2的在低介电材料层与内连线间形成阻障层的剖面示意图。

具体实施方式

实施例1

参阅图2-图5所示，本发明实施例1的在低介电材料层与内连线间形成阻障层的方法。

首先，参阅图2所示，提供一基底200，此基底200包含有一半导体晶圆以及形成于晶圆中的主动及被动元件，此处，为简化图示，仅绘示出一平整基底200及一绝缘层202，例如氧化硅层或有机硅玻璃(organanosilicate，OSG)绝缘层202沉积于此基底200上，此绝缘层202中，形成有制作内连线的构槽。接着，一金属层204，例如铜金属，是沉积于绝缘层202上，并填入沟槽中。多余的铜金属层204是通过化学机械研磨法研磨至绝缘层202表面，以在绝缘层202中形成铜内连线204。

接下来，参阅图3所示，一封盖层206a接着形成于铜内连线204及绝缘层202上。在本实施例中，此封盖层206a是氮化硅层，其亦可由碳化硅(SiC)、碳氢化硅(SiCH)、碳氧化硅(SiCO)或碳氮化硅(SiCN)的一种所构成。之后，对封盖层206a实施一等离子体处理，其中，所使用的反应气体为二氧化碳(CO₂)、氨气(NH₃)、二氧化氮(NO₂)、硅烷(SiH₄)、三甲基硅烷(trimethylsilane，3MS)或四甲基硅烷(tetramethylsilane，4MS)的至少一种，以形成具有表面活化的封盖层206a。本实施例所通入的反应气体中，二氧化碳、氨气、二氧化氮、硅烷、三甲基硅烷(3MS)及四甲基硅烷(4MS)的流速分别为500-1500sccm、1500-3500sccm、500-1500sccm、500-1500sccm、500-2500sccm及500-2500sccm的范围。

接下来，参阅图4所示，一低介电(low k)材料层208，例如SILK、FLARE、及PAII，形成于封盖层206a上，其中，此低介电材料层208具有一双镶嵌构造。随后，铜金属层210是沉积于低介电材料层208上，并填入双镶嵌构造中，此处，双镶嵌构造中的铜金属层210经由去除部分的封盖层206a，以电性连接于铜内连线204。

接下来，参阅图5所示，多余的铜金属层210是通过化学机械研磨法研磨至低介电材料层208表面，以在低介电材料层208中形成铜内连

如前所述，封盖层206a是作为一金属阻障层，而防止铜金属层204及210中的铜原子扩散至绝缘层202及低介电常数材料层208，且可作为双镶嵌制程中的蚀刻终止层。由于具有表面活化的封盖层206a与低介电材料层208作用，而改善低介电常数材料层208与封盖层206a之间的附着力。因此，根据本发明的方法，可防止介电常数材料层208在后续的化学机械研磨制程中剥离。亦即，可排除因封盖层与低介电材料层之间不佳的附着性，造成可靠度降低的问题。

实施例2

参阅图6-图9所示，本发明实施例2的在低介电材料层与内连线间形成阻障层的方法。

首先，参阅图6所示，提供一基底200。接着，一绝缘层202，例如氧化硅层或有机硅玻璃(organanosilicate，OSG)绝缘层202沉积于此基底200上，此绝缘层202中，形成有制作内连线的构槽。然后，一金属层204，例如铜金属，是沉积于绝缘层202上并填入沟槽中，多余的铜金属层204是通过化学机械研磨法研磨至绝缘层202表面，以在绝缘层202中形成铜内连线204。

接下来，参阅图7所示，一封盖层206接着形成于铜内连线204及绝缘层202上，在本实施例中，此封盖层206是氮化硅层，其亦可由碳化硅(SiC)、碳氢化硅(SiCH)、碳氧化硅(SiCO)或碳氮化硅(SiCN)的一种所构成。之后，一附着层207是形成于封盖层上。在本实施例中，有两种形成此附着层207的方法。一种是通过使用化学气相沉积法(chemicalvapor deposition)以形成附着层207，其中所使用的反应气体为二氧化碳、氨气、二氧化氮、硅烷、三甲基硅烷(3MS)或四甲基硅烷(4MS)的至少一种；另一种是在封盖层206上涂覆一硅酸盐溶液(作为附着促进剂)，以形成附着层207，其中，通过使用化学气相沉积法形成的附着层207，厚度在100-200埃的范围。另外，通过涂覆硅酸盐溶液形成的附着层207，厚度在1000-2000埃的范围。

接下来，参阅图8所示，一低介电(low k)材料层208，例如SILK、FLARE、及PAII，形成于附着层207上，其中，此低介电材料层208具有一双镶嵌构造。随后，铜金属层210是沉积于低介电材料层208上，并填入双镶嵌构造中，此处，双镶嵌构造中的铜金属层210经由去除部分的附着层207及其下方的封盖层206，以电性连接于铜内连线204。

接下来，参阅图9所示，多余的铜金属层210是通过化学机械研磨法研磨至低介电材料层208表面，以在低介电材料层208中形成铜内连线210。

在本实施例中，附着层207及其下方的封盖层206是构成一复合式阻障层，且可增加其与低介电材料层208之间的附着力。亦即，本实施例具有与第一实施例相同的优点。另外，附着层207亦可作为一保护层，以防止在沉积低介电材料层208期间，产生的应力损害到封盖层206。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，所作更动与润饰，都属于本发明的保护范围之内。

Claims

1、一种在低介电材料层与内连线间形成阻障层的方法，其特征是：它至少包括下列步骤：

(1)提供一基底，该基底覆盖有绝缘层，且该绝缘层具有金属内连线；

(2)在该金属内连线及该绝缘层上方形成一封盖层；

(3)在该封盖层上形成附着层，该附着层是通过化学气相沉积法形成，或是通过涂覆硅酸盐溶液形成，其使用的反应气体选自二氧化碳、氨气、二氧化氮、硅烷、三甲基硅烷或四甲基硅烷的至少一种；

(4)在该附着层上形成低介电材料层。

2、根据权利要求1所述的在低介电材料层与内连线间形成阻障层的方法，其特征是：该步骤(1)的绝缘层是选自氧化硅或有机硅玻璃的一种所构成。

3、根据权利要求1所述的在低介电材料层与内连线间形成阻障层的方法，其特征是：该步骤(2)的封盖层是选自氮化硅、碳化硅、碳氢化硅、碳氧化硅或碳氮化硅的一种所构成。

4、根据权利要求1所述的在低介电材料层与内连线间形成阻障层的方法，其特征是：该步骤(1)的金属内连线是铜内连线。

5、根据权利要求1所述的在低介电材料层与内连线间形成阻障层的方法，其特征是：该附着层的厚度在100-200埃的范围。

6、根据权利要求1所述的在低介电材料层与内连线间形成阻障层的方法，其特征是：该附着层的厚度在1000-2000埃的范围。