CN2772027Y - 多层半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型揭示一种多层半导体装置，包括：一介电绝缘层于半导体基板上，该介电绝缘层具有上改良表面部分以及较低部分，上改良表面部分的每一单位体积具有比覆盖层更多的硅氧键；一含铜金属内连线于该介电绝缘层中；以及一覆盖层于该含铜金属内连线以及该上改良表面部分上。本实用新型可降低金属线间的漏电流，以及增加依时介电层崩溃测试以及改善铜电子迁移阻抗。

Description

多层半导体装置
技术领域
本实用新型是有关于一种多层半导体装置及其形成方法，其包括形成铜金属内连线以及一覆盖层以改善与下方介电层的黏着性，借以降低金属线间的漏电流，以及增加依时介电层崩溃测试(time dependent dielectric breakdown，TDDB)以及改善铜电子迁移阻抗。
背景技术
铜金属化已被广泛地用于改良半导体集成电路的制作，包括利用具有深次微米(sub-quarter)线宽与高深宽比的半导体结构以及较大的结构(例如：连结焊垫)。铜金属及其合金具有较其它金属(例如：铝金属)低的电阻以及较佳的电子迁移阻抗。而该些特性对于达成装置可靠度、提高电流密度以及增加信号程序化速度十分重要。虽然借此可克服有关形成铜金属半导体结构的制程上的几点困难，但仍存在有其它问题特别是关于铜金属内连线的金属线间的漏电流区域、铜金属透过低介电值的介电绝缘层的电子迁移的趋势增加，以及低介电值的介电绝缘层的介电崩溃。
铜易形成氧化物(例如：氧化铜或二氧化铜)的倾向是影响铜金属化的一大问题，而氧化程度则视铜金属所暴露的氧化环境(包括：潮湿环境)而定。根据已知技术制程，后续进行铜的化学机械研磨步骤，而该露出的铜金属则利用沉积一覆盖层于其上以保护之，而该覆盖层亦作为蚀刻停止层以形成一覆盖于其上表面的铜金属内连线。例如为形成该装置的下一表面，一般会于化学机械研磨步骤后沉积一金属氮化层于露出的铜金属上以作为蚀刻停止层，来形成包含有介层孔或双镶嵌结构于介电绝缘层中的金属内连线结构。该覆盖的蚀刻停止层亦具有避免铜进一步氧化以减少铜电子迁移的功能。
由于某些原因，因此避免铜电子迁移以及避免交叉内连线漏电流的两项目的仍未被完全解决，该原因例如：以多孔二氧化硅为主的低介电常数介电绝缘层具有不易有效黏着上层(例如：蚀刻停止层)的内连线结构，因而使集成电路双镶嵌结构(例如：铜金属内连线)的漏电流以及铜离子电子迁移有增加的倾向。一般相信，依时介电层崩溃(time dependent dielectric breakdown，TDDB)是由于所累积的电荷造成沿附着力差的材料界面产生低漏电流，例如覆盖于上层的蚀刻停止层对下层的层间金属介电层不良的附着力。承上述可知，半导体装置的电子功效以及装置可靠度的关系是依存而无法兼顾的。
因此，业界亟需新的半导体集成电路制作方法以改善金属内连线结构的电子功效，包括改善上层覆盖层附着力的方法。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种形成铜金属内连线覆盖层以改善金属内连线结构的电子功效的方法，其中包括改善附着力的方法，此外更包括克服其它习知技术的缺点。
为达上述及其它目的以及为符合本实用新型的目的，本实用新型提供一种多层半导体装置，包括具有改良式层间黏着的铜金属内连线。
本实用新型提供一种多层半导体装置，包括：一介电绝缘层于半导体基板上，该介电绝缘层具有上改良表面部分以及较低部分，上改良表面部分的每一单位体积具有比覆盖层更多的硅氧键；一含铜金属内连线于该介电绝缘层中；以及一覆盖层于该含铜金属内连线以及该上改良表面部分上。
本实用新型所述的多层半导体装置，该上改良表面部分的每一单位体积具有比该较低部分更多的硅氧键。
本实用新型所述的多层半导体装置，该上改良表面部分是择自由二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅，以及碳氧化硅所组成的族群。
本实用新型所述的多层半导体装置，该上改良表面部分主要是由二氧化硅形式的前驱物组成，其是择自由有机硅烷以及有机硅氧烷前驱物所组成的族群。
本实用新型所述的多层半导体装置，该覆盖层是择自由二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅以及碳氧化硅所组成的族群。
本实用新型所述的多层半导体装置，该上改良表面部分以及覆盖层具有相同的原子成分。
本实用新型所述的多层半导体装置，该上改良表面部分的厚度大体为10～500。
本实用新型所述的多层半导体装置，该覆盖层的厚度大体为50～1000。
本实用新型所述的多层半导体装置，该介电绝缘层是由有机硅烷以及有机硅氧烷前驱物之一形成，且该介电常数小于4.0。
本实用新型另提供一种多层半导体装置，包括：一介电绝缘层于半导体基板上，该介电绝缘层中具有含铜金属内连线；一黏着层于介电绝缘层上；覆盖层于黏着层上，其中黏着层具有每一单位体积比该介电绝缘层以及该覆盖层其中之一更多的硅氧键。
本实用新型所述的多层半导体装置，该黏着层是择自由二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅，以及碳氧化硅所组成的族群。
本实用新型所述的多层半导体装置，该黏着层主要是由二氧化硅形成的前驱物组成，其是择自由有机硅烷以及有机硅氧烷前驱物所组成的族群。
本实用新型所述的多层半导体装置，该覆盖层是择自由二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅，以及碳氧化硅所组成的族群。
本实用新型所述的多层半导体装置，该黏着层以及覆盖层具有相同原子的成分。
本实用新型所述的多层半导体装置，该黏着层的厚度大体为10～500。
本实用新型所述的多层半导体装置，该覆盖层的厚度大体为50～1000。
本实用新型所述的多层半导体装置，该介电绝缘层是由有机硅烷以及有机硅氧烷前驱物之一形成，且该介电常数小于4.0。
本实用新型可降低金属线间的漏电流，以及增加依时介电层崩溃测试以及改善铜电子迁移阻抗。
附图说明
图1A～1E是绘示出根据本实用新型多层半导体装置的各阶段步骤实施例的剖面图；
图2是绘示出根据本实用新型实施例于提供电场于具有铜内线的集成电路与已知技术对照的Weibull分布的失败率对依时介电层崩溃测试；
图3是绘示出本实用新型实施例的制作流程图。
具体实施方式
为让本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：
虽然本实用新型是以形成铜金属内连线结构(例如：沟槽线或介层孔)为例，然而此方法亦可广泛地应用于形成铜双镶嵌结构以及较厚与较宽的结构(例如：连接焊垫以及金属线沟槽)。本实用新型特别有利于形成铜双镶嵌结构，例如线宽/尺寸小于约0.25微米的介层孔以及沟槽线，而较佳为小于0.13微米。此外，该方法以使用以二氧化硅为主的低介电绝缘层结构较佳，该结构具有一内连线多孔结构且其介电常数小于3.0甚至包括小于2.5，例如2.2～3.0。由此可知本实用新型适用于形成其它具有铜表面露出的结构，而该铜表面会接着沉积上一氮化或碳化层。此外，在此所指的“铜”是指铜金属及其合金。
请参照图1A～1E，其是显示本实用新型一实施例的部分多层半导体装置的铜内连线制作各步骤的剖面图。
请参照图1A，利用已知的传统微电子集成电路制作步骤形成一金属层间介电层(IMD)10，接着沉积第一蚀刻停止层12于介电绝缘层10上，而蚀刻停止层12可为例如：氮化硅(如：SiN，Si3N4)、氮氧化硅(如：SiON)、碳化硅(如：SiC)或碳氧化硅(如：SiOC)，而以利用传统化学气相沉积制程所形成的300～700的氮化硅或碳化硅层较佳，该沉积制程，例如包括：低压化学气相沉积制程(LPCVD)、等离子增进化学气相沉积制程(PECVD)或高密度等离子气相沉积制程(HDP-CVD)。而在此所使用的形成蚀刻停止层12方式可同样推及至后续的蚀刻停止(覆盖)层24形成，而蚀刻停止(覆盖)层24包括形成于其下方的黏着层22。其中，介电层10包括一铜金属填充导电区，例如一介层孔(未显示)以电性连接半导体装置中的多层内连线。
同样请参照第1A，形成一介电绝缘(例如：层间介电层)层14于蚀刻停止层12上，其中较佳实施例结构的介电绝缘层包括以二氧化硅为主的低介电常数材料，其中又以掺杂碳或有机硅烷玻璃(OSG)较佳。层间介电层14的较佳介电常数低于3.0，而以低于2.5较佳。在此所使用的层间介电层其孔洞体积部分约占该介电绝缘层的整体体积的20～60％。介电绝缘层在不同厚度区域的介电常数有可能会不一样。在此形成层间介电层14可利用已知方式，例如：使用有机硅烷及/或有机硅氧烷经等离子增进化学气相沉积制程来形成。
此外，形成相同于蚀刻停止层12的第二蚀刻停止层(未显示)于第一层间介电层(例如：14)上(未显示)，以形成第一层介电层(例如：14)的相同方式沉积第二层间介电层(未显示)，其中形成沟槽线开口于一或多个介层孔开口上，以利用已知步骤形成双镶嵌结构。于典型的铜镶嵌制作实施例中，层间介电层14的厚度约为3000～8000。
同样请参照图1A，于层间介电层14上形成一定厚度的底部抗反射覆盖(BRAC)层16(例如：氮氧化硅层)。其厚度应符合后续微影曝光制程奇数倍的四分之一波长来减少层间介电层14表面的光反射。
请参照图1B，借由传统微影图案化以及反应性离子蚀刻(RIE)制程形成内连线(例如：沟槽)开口18A、18B。其中内连线开口18A、18B可与其下层的导电区，例如介层孔或沟槽(未显示)形成连接。接着利用全面性沉积制程(例如：物理气相沉积及/或化学气相沉积制程)形成阻障层20以连接内连线开口18A、18B，而较佳阻障层包括至少一阻障金属层、氮化阻障金属层或金属硅化氮化阻障金属层，例如：钛(Ti)、钽(Ta)、氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、钛/氮化钛(Ti/TiN)、钽/氮化钽(Ta/TaN)、氮化硅钛(TiSiN)以及钽化硅钛(TaSiN)，而较佳为氮化钽(TaN)。此外典型的阻障层20厚度约100～300。
请参照图1C，进行传统电化学沉积(ECD)制程以全面性地沉积铜金属层来填充该内连线开口，例如：18A、18B，接着平坦化内连线填充铜18C、18D。其中沉积铜金属层会于进行电化学沉积制程前先以传统制程(例如：物理气相沉积制程)沉积一铜晶种层(未显示)。接着利用传统化学机械研磨制程(CMP)移除内连线开口表面上方的铜金属部分，其中包括移除阻障层(例如：20)以及底部抗反射层16以露出层间介电层14。接着该露出的层间介电层可选择性地进行氧化物抛光步骤，此乃化学机械研磨制程的一部分。
请参照图1D，全面性地沉积一厚度约50～500的黏着层22于制程表面上，该表面包括铜内连线18C、18D以及层间介电层14的表面。黏着层22可为与后续沉积于其上的覆盖(蚀刻停止)层24相同或不同材料，例如，包括：氧化硅、氮化硅(例如：SiN)、氮氧化硅(例如：SiON)、碳化硅(例如：SiC)或碳氧化硅(例如：SiOC)，并以化学气相沉积制程(例如：等离子增进化学气相沉积或低压化学气相沉积)沉积而成。例如黏着层22以氧化硅形成，则较佳的黏着层是以有机硅烷或有机硅氧烷前驱物等低介电常数氧化硅为主的材料形成，例如该黏着层材料可与层间介电层14相同并以旋涂步骤沉积，然而较佳的沉积方式是化学气相沉积，例如：等离子增进化学气相沉积(PECVD)或低压化学气相沉积(LPCVD)。
接着以等离子及/或电子束处理黏着层22，此乃本实用新型的重点部分。于一实施例中，进行一含氢气等离子源气体的等离子处理，其可为不含氧气的等离子源气体，例如：氢气、氨气或两者的混合，其中又以氢气较佳。于另一实施例中，等离子源气体主要是由包含等离子气体源的氦气或含氢气的氦气所组成以促进等离子形成。典型的等离子处理条件包括压力约0.5～10托，具有无线电频率或直流偏压约0～900瓦的等离子功率50～200瓦。该等离子源气体的较佳气体供应流速约100～2500sccm。而该等离子处理的较佳制程时间约100秒。
该等离子处理步骤以在传统等离子增进化学气相沉积或高密度等离子化学气相沉积装备(反应腔)中进行为较佳，而较佳为具有一去偶合偏压源以调整晶圆的偏压功率，包括提供零偏压功率。然而，该等离子处理步骤亦可于任意干等离子反应腔中进行，其中包括一桶式等离子蚀刻、平行板式反应器、下流式反应器(downstream etcher)以及高密度等离子反应器包括电子粒子回旋加速共振反应器以及磁电管反应器。该等离子处理的压力与所使用的反应器非常有关，而较佳是于1～10托下的等离子增进化学气相沉积反应器中进行，其中又以2～8托尤佳。该黏着层的等离子处理会于0～400℃下进行，而以325～375℃下尤佳。
于另一实施中，是以电子束(E-beam)处理黏着层22，例如将电子束通过一光栅，以控制电子束接触最上面的黏着层，其中该晶圆具有含电子束的顶层黏着层。较佳的电子束以加速电压至1000～8000电子伏特提供，而其加速方式是利用于制程表面的电子流产生每平方公分约50～500微库仑的电荷。
请参照图1E，接着沉积并处理黏着(第一覆盖)层22，并于其上沉积厚度约300～1000的第二覆盖层24(例如：蚀刻停止层)。其中较佳的覆盖层24是以氧化硅、氮化硅(例如：SiN)、氮氧化硅(例如：SiON)、碳化硅(例如：SiC)、碳氧化硅(例如：SiOC)形成，其亦可利用与黏着层22相同或不同的材料并利用化学气相沉积步骤(例如：等离子增进化学气相沉积或低压化学气相沉积)形成。
本实用新型的优点在于发现利用等离子处理或电子束处理以形成并处理黏着层22可用以改善黏着层对下层的层间介电层14以及露出的铜金属内连线的附着力，此外另可改善上层覆盖层24对黏着层22的附着力。此乃由于等离子处理或电子束处理过程中将硅烷的硅-碳键断键形成硅-氧键来增加该黏着层的每单位体积硅氧键数，借此以改善层间(例如：黏着层/层间介电层)结合附着力，而该硅烷的硅-碳键的来源包括：形成层间介电层14中由有机硅烷或有机硅烷前驱物所剩余的有机取代基(例如：硅烷的硅-碳键)，或黏着层中剩余的有机取代基的硅烷的硅-碳键。例如至少部分或完整的黏着处理层22具有比未处理的黏着层、其上层的覆盖层或其下层的层间介电层多的硅氧键。
例如，黏着层22在进行等离子处理或电子束处理后，可与其下层的层间介电层14及/或与后续沉积于其上层的覆盖层24形成强的结合。根据较佳实施例进行等离子或电子束处理以避免露出的铜内连线的损害，包括减少铜金属表面氧化以及增加黏着层对层间介电层的结合强度，其可借由量测层间介电层/黏着层界面的XPS硅氧键结能量得证。此外，金属线间的漏电流已显示降低(例如：铜金属内连线18C、18D间)而依时介电层崩溃测试(timedependent dielectric breakdown，TDDB)的失败率亦较已知形成覆盖(蚀刻停止)层的制作步骤降低。
例如，代表漏电流贡献的量测数据，一般是量测形成于介电绝缘层的铜内连线的电流电压，根据较佳实施例形成部分的多层半导体装置已显示，无论是何种形式的黏着层以及覆盖层的结合皆可减低金属线间的漏电流约1～3数量级。
请参照图2，以Weibull分布侧图显示层间介电层的依时介电层崩溃测试(TDDB)代表数据，其中是比对根据本实用新型实施例形成的具有覆盖层的铜金属内连线的层间介电层以及根据较佳实施例形成不具有层间黏着层处理的覆盖层。该垂直轴是累积失败百分比(cumulative failure percent)而水平轴是依时介电层崩溃测试，此图具有以D代表的不连续部分，借以将大幅改善的结果显示于同一张图上。该典型的条件包括温度约125℃以及提供电场2MV/cm。其中线条A1、A2以及A3代表根据已知的技术方法形成的具覆盖层的层间介电层的失败率，而线条B1、B2以及B3同样代表覆盖层其是根据本实用新型较佳实施例形成，更包括第一形成的黏着层及其等离子或电子束处理。由此图可知根据较佳实施例，当该形成的覆盖层具有处理的黏着层时，该依时介电层崩溃测试的结果改善了数个数量级。
请参照图3，其是显示本实用新型实施例的制作流程图。于制程301中，提供一具有顶层层间介电层的制程晶圆，该层间介电层具有表面露出的铜金属内连线。于制程303中，根据较佳实施例形成黏着层(覆盖层的第一部分)于层间介电层以及铜金属内连线上。于制程305中，根据较佳实施例利用等离子或电子束处理之一来处理黏着层。于制程307中，根据较佳实例沉积覆盖层的剩余部分。
以上所述仅为本实用新型较佳实施例，然其并非用以限定本实用新型的范围，任何熟悉本项技术的人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，可在此基础上做进一步的改进和变化，因此本实用新型的保护范围当以本申请的权利要求书所界定的范围为准。
附图中符号的简单说明如下：
10～介电层
12～蚀刻停止层
14～层间介电层
16～反射层
18A～内连线开口
18B～内连线开口
18C～铜内连线
18D～铜内连线
20～阻障层
22～黏着层
24～覆盖层
A1～线条
A2～线条
A3～线条
B1～线条
B2～线条
B3～线条
D～不连续部分
301～提供一具有层间介电层的制程晶圆，该层间介电层具有表面露出的铜金属内连线
303～形成覆盖层的黏着部分
305～以等离子或电子束处理黏着层
307～形成覆盖层的剩余部分

Claims (17)

1、一种多层半导体装置，其特征在于所述多层半导体装置包括：
一介电绝缘层于一半导体基板上，该介电绝缘层具有一上改良表面部分以及一较低部分，该上改良表面部分的每一单位体积具有比该覆盖层更多的硅氧键；
一含铜金属内连线于该介电绝缘层中；以及
一覆盖层于该含铜金属内连线以及该上改良表面部分上。
2、根据权利要求1所述的多层半导体装置，其特征在于：该上改良表面部分的每一单位体积具有比该较低部分更多的硅氧键。
3、根据权利要求1所述的多层半导体装置，其特征在于：该上改良表面部分是择自由二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅，以及碳氧化硅所组成的族群。
4、根据权利要求1所述的多层半导体装置，其特征在于：该上改良表面部分主要是由二氧化硅形式的前驱物组成，其是择自由有机硅烷以及有机硅氧烷前驱物所组成的族群。
5、根据权利要求1所述的多层半导体装置，其特征在于：该覆盖层是择自由二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅以及碳氧化硅所组成的族群。
6、根据权利要求1所述的多层半导体装置，其特征在于：该上改良表面部分以及覆盖层具有相同的原子成分。
7、根据权利要求1所述的多层半导体装置，其特征在于：该上改良表面部分的厚度10～500。
8、根据权利要求1所述的多层半导体装置，其特征在于：该覆盖层的厚度50～1000。
9、根据权利要求1所述的多层半导体装置，其特征在于：该介电绝缘层是由有机硅烷以及有机硅氧烷前驱物之一形成，且该介电常数小于4.0。
10、一种多层半导体装置，其特征在于所述多层半导体装置包括：
一介电绝缘层于一半导体基板上，该介电绝缘层中包括一含铜金属内连线；
一黏着层于该介电绝缘层上；
一覆盖层于该黏着层上；以及
其中该黏着层具有每一单位体积比该介电绝缘层以及该覆盖层其中之一更多的硅氧键。
11、根据权利要求10所述的多层半导体装置，其特征在于：该黏着层是择自由二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅，以及碳氧化硅所组成的族群。
12、根据权利要求10所述的多层半导体装置，其特征在于：该黏着层主要是由二氧化硅形成的前驱物组成，其是择自由有机硅烷以及有机硅氧烷前驱物所组成的族群。
13、根据权利要求10所述的多层半导体装置，其特征在于：该覆盖层是择自由二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅，以及碳氧化硅所组成的族群。
14、根据权利要求10所述的多层半导体装置，其特征在于：该黏着层以及覆盖层具有相同原子的成分。
15、根据权利要求10所述的多层半导体装置，其特征在于：该黏着层的厚度10～500。
16、根据权利要求10所述的多层半导体装置，其特征在于：该覆盖层的厚度50～1000。
17、根据权利要求10所述的多层半导体装置，其特征在于：该介电绝缘层是由有机硅烷以及有机硅氧烷前驱物之一形成，且该介电常数小于4.0。
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