CN1428838A

CN1428838A - 使用氧化线层作为介电阻挡层的双镶嵌制程

Info

Publication number: CN1428838A
Application number: CN 01144733
Authority: CN
Inventors: 李世达; 徐震球
Original assignee: Silicon Integrated Systems Corp
Current assignee: Silicon Integrated Systems Corp
Priority date: 2001-12-24
Filing date: 2001-12-24
Publication date: 2003-07-09
Anticipated expiration: 2021-12-24
Also published as: CN1207771C

Abstract

一种使用氧化线层作为介电阻挡层的双镶嵌制程，双镶嵌开口是由一孔洞以及一渠沟所构成，孔洞暴露一金属导线且被一低介电常数的第一介电层所包围，渠沟位于孔洞上方且被一低介电常数的第二介电层所包围；形成一氧化线层覆盖第一介电层以及第二介电层的侧壁；然后，形成一金属阻障层覆盖双镶嵌开口的侧壁与底部；接着，形成一导电层填满双镶嵌开口；最后，去除渠沟区域以外的导电层，残留于双镶嵌开口内的导电层成为一双镶嵌结构。具有增加ILD层与金属阻障层之间的附着性的功效。

Description

使用氧化线层作为介电阻挡层的双镶嵌制程

技术领域

本发明是关于一种双镶嵌(dual damascene)制程，特别有关于一种使用氧化线层作为介电阻挡层的双镶嵌制程，可增加内层介电层(inter-leveldielectric，ILD)与金属阻障层之间的附着性。

背景技术

在半导体制程中，为了配合组件的线宽设计缩小至0.25μm以下所需增加的内连线需求，会将金属层制作成多层形式，以供作为多重金属内连线，例如：在内层介电层(inter-level dielectric，ILD)内镶埋形成一种双镶嵌结构的内连线。传统的双镶嵌制程具有制程简单、临界尺寸(critical dimension，CD)易控制等优点，而且为了有效降低材料成本，导电层/ILD层的材质已经由铝金属/氧化硅的组合改善为铜金属/低介电常数(low-K)材料的组合。不过在进行铜制程时，铜原子很容易扩散至相邻的低介电常数ILD层中，甚至会迁移至硅基底中，进而影响到制作于硅基底上的所有组件的电性表现。为了解决这个问题，当前技术是于铜金属以及ILD层之间制作一金属阻障层，其可选用Ta/TaN、Ti/TiN或W/WN材质，用以防止铜金属与低介电常数的ILD层之间产生交互作用，并可增加铜金属与低介电常数的ILD层之间的附着性。

图1-图3是传统使用金属阻障层的双镶嵌技术的剖面示意图。如图1所示，于一半导体基底10包含有一金属导线12、一介电分隔层14、一具有低介电常数的第一ILD层16、一蚀刻停止层18、一具有低介电常数的第二ILD层20、一硬光罩层22以及一双镶嵌开口25。双镶嵌开口25是由一孔洞23以及一渠沟24所连通构成，其中孔洞23贯通蚀刻停止层18、第一ILD层16与介电分隔层14，以使金属导线12的预定表面曝露出来，而渠沟24位于孔洞23上方，且贯通硬光罩层22与第二ILD层20。

如图2所示，先于基底10的整个表面上沉积一均匀的金属阻障层26，以覆盖住双镶嵌开口25的底部与侧壁，再于金属阻障层26上沉积一铜金属层28，直至铜金属层28填满双镶嵌开口25至一预定高度。

最后，如图3所示，利用化学机械研磨(CMP)方法，并以硬光罩层22作为研磨停止层，将渠沟24区域以外的铜金属层28去除，再将曝露的金属阻障层26去除，则残留在双镶嵌开口25内的铜金属层28成为一双镶嵌结构。其主要缺陷在于：

在传统方法中，无法改善第一ILD层16以及第一ILD层20的出气(outgassing)问题，这不但会降低ILD层与金属阻障层26之间的附着性，还会影响双镶嵌结构的可靠度与硬度。

发明内容

针对上述缺陷，本发明人积极研究和实践，创造出本发明的技术方案。

本发明的目的是提供一种使用氧化线层作为介电阻挡层的双镶嵌制程，通过使用氧化线层作为介电阻挡层，达到增加ILD层与金属阻障层之间的附着性的目的。

本发明的目的是这样实现的：一种使用氧化线层作为介电阻挡层的双镶嵌制程，其特征是：它至少包括下列步骤：

(1)提供一半导体基底，其包含有至少一双镶嵌开口，该双镶嵌开口是由一孔洞以及一渠沟所构成，该孔洞曝露一金属导线且被一低介电常数的第一介电层所包围，该渠沟位于该孔洞上方且被一低介电常数的第二介电层所包围；

(2)形成一氧化线层覆盖该第一介电层以及该第二介电层的侧壁；

(3)形成一金属阻障层覆盖该双镶嵌开口的侧壁与底部；

(4)形成一导电层，以填满该双镶嵌开口；

(5)去除该渠沟区域以外的导电层，则残留于该双镶嵌开口内的导电层成为一双镶嵌结构。

该氧化线层设置于该第一介电层与该金属阻障层之间，以及该第二介电层与该金属阻障层之间。形成该氧化线层的方法为氧化制程。该进行氧化制程之后，另包含有一金属还原步骤，以去除形成于该金属导线表面的线氧化层。在形成该金属阻障层之前，另包含有一除气步骤。去除该导电层的方法为化学机械研磨制程。它还包含有另一步骤：形成一保护层，以覆盖该双镶嵌结构的顶部。该保护层是SiN或SiC。该半导体基底的表面上另包含有一介电分隔层，其位于该第一介电层的底部。该半导体基底的表面上另包含有一蚀刻停止层，其位于该第一介电层的顶部。该蚀刻停止层是选自下列任一种材质所构成：SiO₂、SiC、SiN、SRO或SiON。该半导体基底的表面上另包含有一抗反射涂层，其位于该蚀刻停止层与该第二介电层之间。该半导体基底的表面上另包含有一硬光罩层，其定义形成于该第二介电层的表面上。该硬光罩层是由氮化硅所构成。该金属导线是由铜金属所构成。该第一介电层是由旋涂高分子所构成。该第一介电层是由化学气相沉积制程所构成。该第一介电层是由旋涂高分子所构成。该第二介电层是由化学气相沉积制程所构成。该金属阻障层选自下列任一种材质所构成：Ti、Ta、TiN或TaN。该导电层是由铜金属所构成。

下面结合较佳实施例和附图进一步说明。

附图说明

图1-图3是传统双镶嵌制程的剖面示意图。

图4-图10是本发明的双镶嵌制程的剖面示意图。

具体实施方式

参阅图4-图10所示，本发明的使用氧化线层作为介电阻挡层的双镶嵌制程，包括如下步骤：

如图4所示，一半导体基底30包含有多数个金属导线32、一介电分隔层34、一具有低介电常数的第一ILD层361、一蚀刻停止层38、一抗反射涂层40、一具有低介电常数的第二ILD层362、一硬光罩层42、一光阻层44以及多数个双镶嵌开口50。每一个双镶嵌开口50是由一孔洞46以及一渠沟48所连通构成，其中孔洞46贯通蚀刻停止层38、第一ILD层361以及介电分隔层34，以使金属导线32的预定表面区域曝露出来；渠沟48则位于孔洞46上方，贯通硬光罩层42、第二ILD层362以及抗反射涂层40。

在较佳实施例中，第一ILD层361的材质可为经由旋涂制程制作的旋涂高分子(SOP)，如FLARE、SILK、Parylene、PAE-11或聚酰亚胺，或是经由化学气相沉积制程(CVD)制作的低介电常数材料，如：black diamond、Coral、Aurora、GreenDot或其它介电材质。相同地，第一ILD层362的材质可选用SOP或是CVD制作的低介电常数材料。

金属导线32是由铜金属所构成。介电分隔层34可选用氮化硅或碳化硅，用来防止金属导线32的氧化现象，并可防止金属导线32内的原子/离子扩散至第一ILD层361内。蚀刻停止层38可选用以下任一种材质：SiO₂、SiC、SiN、SRO或SiON，是用来作为蚀刻渠沟48的蚀刻停止点以及蚀刻孔洞46的硬光罩。抗反射涂层40的设置可增加孔洞46的图案准确度。硬光罩层42是由氮化硅所构成，光阻层44则是用来定义渠沟48的图形。

此外，双镶嵌开口50的制作方法属于设计选择，可经由各种可行的方法达成，在此便不加详述。

如图5-图6所示，将光阻层44剥除之后，进行氧化制程，于第一ILD层361与第一ILD层362的侧壁上形成一氧化线层52，再进行湿式清洗步骤。如此一来，氧化线层52可供作为一介电阻障层，能够增加ILD层以及后续制作的金属阻障层之间的附着性。不过，由于氧化线层52也会形成于金属导线32的曝露表面上，将影响金属导线32与后续制作的导电层之间的接触电阻值，因此必须在额外进行一道铜还原步骤，以去除掉金属导线32表面上的氧化线层52。

除此之外，还要进行一道除气(degas)步骤，可移除第一ILD层361与第二ILD层362的所排出的气体。

如图7所示，在基底30的整个表面上均匀地沉积一金属阻障层54，其材质可选用Ti、Ta、TiN、TaN或W/WN，其目的之一是用来隔绝ILD层以及后续制作的导电层之间的交互作用，其目的之二是用来增加ILD层以及后续制作的导电层之间的附着性。

然后，如图8所示，可利用PVD、CVD、电镀或其它技术沉积一铜金属的导电层56，直至填满所有的双镶嵌开口50。

接着，如图9所示，利用蚀刻或研磨技术(如：CMP制程)将渠沟48区域以外的导电层56与金属阻障层54去除，直至使导电层56与硬光罩层42的高度切齐。如此一来，存留在双镶嵌开口50内的导电层56成为一双镶嵌结构56’。

最后，如图10所示，于基底30表面上沉积一保护层58，其材质可选用SiN或SiC，以覆盖住双镶嵌结构56’的顶部，用来防止双镶嵌结构56’的氧化现象，并防止双镶嵌结构56’的原子/离子扩散至后续制作的介电层中。此外，依据制程需要，可重复上述的双镶嵌制程制作其它双镶嵌结构。

相较于传统技术，本发明的方法提供氧化线层52作为介电阻障层，可以增加ILD层361、362以及金属阻障层54之间的附着性，并可以减缓ILD层361、362的出气现象所产生的影响，还可以提升双镶嵌结构56’的热可靠度与硬度。此外，氧化线层52的制作只需利用一般的氧化制程，因此具有节约制程成本的功效。

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，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，所作些许的更动与润饰，都属于本发明的保护范围之内。

Claims

1、一种使用氧化线层作为介电阻挡层的双镶嵌制程，其特征是：它至少包括下列步骤：

(3)形成一金属阻障层覆盖该双镶嵌开口的侧壁与底部；

(4)形成一导电层，以填满该双镶嵌开口；

2、根据权利要求1所述的使用氧化线层作为介电阻挡层的双镶嵌制程，其特征是：该氧化线层设置于该第一介电层与该金属阻障层之间，以及该第二介电层与该金属阻障层之间。

3、根据权利要求2所述的使用氧化线层作为介电阻挡层的双镶嵌制程，其特征是：形成该氧化线层的方法为氧化制程。

4、根据权利要求3所述的使用氧化线层作为介电阻挡层的双镶嵌制程，其特征是：该进行氧化制程之后，另包含有一金属还原步骤，以去除形成于该金属导线表面的线氧化层。

5、根据权利要求1所述的使用氧化线层作为介电阻挡层的双镶嵌制程，其特征是：在形成该金属阻障层之前，另包含有一除气步骤。

6、根据权利要求1所述的使用氧化线层作为介电阻挡层的双镶嵌制程，其特征是：去除该导电层的方法为化学机械研磨制程。

7、根据权利要求1所述的使用氧化线层作为介电阻挡层的双镶嵌制程，其特征是：它还包含有另一步骤：形成一保护层，以覆盖该双镶嵌结构的顶部。

8、根据权利要求7所述的使用氧化线层作为介电阻挡层的双镶嵌制程，其特征是：该保护层是SiN或SiC。

9、根据权利要求1所述的使用氧化线层作为介电阻挡层的双镶嵌制程，其特征是：该半导体基底的表面上另包含有一介电分隔层，其位于该第一介电层的底部。

10、根据权利要求1所述的使用氧化线层作为介电阻挡层的双镶嵌制程，其特征是：该半导体基底的表面上另包含有一蚀刻停止层，其位于该第一介电层的顶部。

11、根据权利要求10所述的使用氧化线层作为介电阻挡层的双镶嵌制程，其特征是：该蚀刻停止层是选自下列任一种材质所构成：SiO₂、SiC、SiN、SRO或SiON。

12、根据权利要求10所述的使用氧化线层作为介电阻挡层的双镶嵌制程，其特征是：该半导体基底的表面上另包含有一抗反射涂层，其位于该蚀刻停止层与该第二介电层之间。

13、根据权利要求1所述的使用氧化线层作为介电阻挡层的双镶嵌制程，其特征是：该半导体基底的表面上另包含有一硬光罩层，其定义形成于该第二介电层的表面上。

14、根据权利要求13所述的使用氧化线层作为介电阻挡层的双镶嵌制程，其特征是：该硬光罩层是由氮化硅所构成。

15、根据权利要求1所述的使用氧化线层作为介电阻挡层的双镶嵌制程，其特征是：该金属导线是由铜金属所构成。

16、根据权利要求1所述的使用氧化线层作为介电阻挡层的双镶嵌制程，其特征是：该第一介电层是由旋涂高分子所构成。

17、根据权利要求1所述的使用氧化线层作为介电阻挡层的双镶嵌制程，其特征是：该第一介电层是由化学气相沉积制程所构成。

18、根据权利要求1所述的使用氧化线层作为介电阻挡层的双镶嵌制程，其特征是：该第一介电层是由旋涂高分子所构成。

19、根据权利要求1所述的使用氧化线层作为介电阻挡层的双镶嵌制程，其特征是：该第二介电层是由化学气相沉积制程所构成。

20、根据权利要求1所述的使用氧化线层作为介电阻挡层的双镶嵌制程，其特征是：该金属阻障层选自下列任一种材质所构成：Ti、Ta、TiN或TaN。

21、根据权利要求1所述的使用氧化线层作为介电阻挡层的双镶嵌制程，其特征是：该导电层是由铜金属所构成。