TW200529360A - Copper dual damascene and fabrication method thereof - Google Patents

Description

200529360 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 可降低電阻與改善 本發明係有關於一種半導體元件，特別是關於一種 可靠度的銅鑲嵌結構及其製作方法。 【先前技術】

在積體電路的製作過程中’鑲谈結構往往需要—厚度均勾的障壁層， 以形成足__餘力’並使其形成的電阻值能在符合積體電=二的 鮮内。而-鑲喪開口，例如一雙鑲嵌開口，則會藉由—連串的1既飾 刻製程形成於金屬間介電（inter_metal dielectric)層上，^後旦於 鑲嵌開口内形成障壁層與填入金屬。 曰 ^ 於 隨著積體電路元件尺寸的不斷下降，為降低職延遲與功率的損失， 低介電常數U⑽-k)材料的需求也日益增加，而其可_的各種解=方案 之-則是在介電絕緣層，亦即前述之金介電層中加人—些孔隙或擦質。、 將多孔性低介電常數材料與銅同時使用時，將會發生—些問題 來說，在銅鑲喪製程中進行金屬（銅）填入時，銅可能會擴散到金屬間ϋ 層’而造成金屬間介電層的介電常數改變與降低t阻。在習知技術中，夕 會利用不同的阻障材料來和多孔性低介電常數㈣及銅—触用，例如二 使用耐火金屬（refractory metal)或耐火金屬氮化物（ref咖 眠tal nitride)來形成—堅__層，以翻降低銅鑲嵌結構電 目的。 、 當元件的特徵尺寸低於Q . 25微米，甚至Q . 17微米時，要如何進行产 壁層的沉積’使其具有賴的覆蓋能力就成了—大挑戰，在習知技術中二 多藉由各種物理氣相沉積（PVD)製程來達献夠的階梯覆蓋能力，然而， 2物理氣相沉積製程本質上是―種驗製程，因此想要藉由物理氣相冗 積製程來於-個小開Π中沉積〜_材料自齡有許多製程上的限制，舉 〇503-A30855TWF(5.0) 5 200529360 m 例來說，物理氣相沉積製程通常在開口的底部具有較高的階梯m 咖壁料_覆蓋__差，赠，躲—雙==力」， f早壁層的覆蓋往往會在角落處變薄，例如在雙鎮嵌結構的二 落以及在導孔/溝槽（trench)間的過渡部分，此外，覆蓋 因此’在半導體製程技術需要一種可以在降低電阻的同時盖产辟 鑲嵌結_作方法’以改善積體電路的電縣= ，又 【發明内容】 本^月的目的之一在於提供一種可以在降低電阻的同時盖 2能力均勻度_鑲嵌結難作方法，以改4積體電路縣 罪度，並克服習知技術中的缺點。 表見及了 為達上述雜他目的，本發社找主要储供-種製作細山㈣ 捉牛¥體晶片，其包含有一上介電絕缓；、一丁人雨 層、分隔上介電絕緣層與下介電絕緣層之非金屬 二絶緣 二一導電區域位於下介電絕緣層之下方，再於半導體晶片、上虫==鎮: 溝槽線晶，延伸超過上介電絕緣層，且部 接著於雙鑲嵌開口上毯覆式沉積—障壁層，細該雙鑲讀， 電絲刻處理，以去除障壁層之底部，而露 丁 ^距 填入雙鑲嵌開口，以形成一大致平坦之表面。之導紅域，取後將鋼 導體，rr=—實施例，該方法包括下耻要步驟，錢提供-半 ι曰曰片有-上介電絕緣層…下介電絕緣層、—分隔上介電絕 0503-A30855TWF(5.0) 6 200529360 緣層舆下介電絕緣層之複合 電絕緣層之下方，胁半導體日⑽顺止層，以及—導顏域位於下介 絕緣層與下介電絕緣層之厚度鑲卿’延伸超過上介電 超過上介電絕緣層，^部二⑽口越有—上溝槽線部份，延伸 口上毯覆式沉積-障壁層停止層，接著於雙顧開 以去除障壁層之底部，而露訂㈣行-遠距電雜刻處理， 以形成-大致平坦之表面。之¥«域，攻後將銅填入雙做開口， 為=明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明_，下文特 牛出車乂U關’她合_圖式，作詳細說明如下： ' 【實施方式】 ^ ^ 制卜本㈣細—雙職結構為·本發明之鑲 作方法，然而本發不限於此，而可顧於各種鑲嵌結構 作，此外，堆疊的複數金屬層間介電層（綱或 :與本發明之敍7止層-起被用來改善障壁層的覆蓋能力、銅電 以及改善可减與電性表現。雖然本發明之方法對於特徵尺寸小於 〇.二微米’深加aspect rati。）大於s ··丄的銅鑲嵌結構具有較顯著 之功效，但本發明仍可應用於較大尺寸的銅鑲嵌結構。 鎮嵌結構係泛指各種填入-介電絕緣層内開口中的金屬，例如單鎮私 結構或雙鑲嵌結構。此外，賴本發.方法係_细銅來實施，並= 銅有特別之功效，但是填人鑲嵌開Π的金勒可包含有其他軸的金屬， 例如鎢、鋁或銅合金。本發明之方法對於銅鑲嵌結構特徵，例如線寬/半护 小於〇.25微米的導孔及溝槽線（trench line)具有特別之功效見尤其= o.m^ux下，例如G·!3微米或更小。此外，本㈣之方騎於使用= 氧化矽為主、具有電連線孔洞結構及介電常數小於3的低介電常數絕緣材 料有特別之功效，尤其是介電常數小於2.5，例如2.2到3的低介電= 〇503-A30855TWF(5.O) 7 200529360 絕緣材料。此外，在下列說明中，所述之銅皆泛指銅或銅合金。

明參考第1A至1F圖，第1A至1F圖為一系列之剖面示意圖，用來說 明本發明一實施例中製作雙鑲嵌結構的方法，本發明所使用的半導體晶片 包含有一多層結構，但為說明方便起見，在第1A1 1F圖中僅顯示了與本 發明相關之部分，其他部分應為熟悉相關技藝者所熟知，故予以省略。如 第1A圖所示，首先藉由一習知微電子積體電路製程，於一介電絕緣層u ^形成-導域11，舉例來說，可為_導電金屬_線結構，例如銅鎮 嵌結構，接著再於其上沉積-第-蝴停止層12A。在本發明之一實施例 中’第-侧停止層12A係藉由-f知化學氣概積製賴形成，例如可 為低壓化學氣相沉積（LPCVD)或是電漿增強型化學氣相沉積（pEcvD)，其 包含有氮石夕化合物（SiN或叫队）、魏氮化合物（si⑽或碳石夕化合物 (sic)中之至少一者，並以氮石夕化合物較佳，而厚度則大抵為3⑻至_ 埃0 接著在第-侧停止層12A上形成—第一介電絕緣層i4A，作為_下 介電絕緣層或金屬層間介電（IMD)層，在本發明之_實施例中，第—介電 絕緣層i4A係由以氧化石夕為主的低介電常數絕緣材料所構成，並包含二一 多孔性結構，例如電連線制結構，絲作方法為_—有機魏先趨物 (organ。-silane precursor)，例如 田甘 u/ T 基石夕燒 (tet議ethylsilane)、三曱基魏（trimethylsiiane)或環四石夕氧 烧（cycl〇-tetra-siloxane)來進行一電漿增強型化學氣相沉積製程， 此外’亦可使用氟树璃（FSG)作為第—介電絕緣層地，而盆厚 特別限制，但以能於其巾形成-雙職結射的導孔部分者較2=如二、 為1000至2700埃。 彳°可 接著會於第-介電絕緣層⑽上沉積一第二綱停止層咖 明之-實施例中，第二侧停止層12B係為—複合式_停止層$ 有至少兩種不同的材料層，例如複合式蝕刻停止層之下半部可:人有匕: 0503-A30855TWF(5.0) 8 200529360 -矽化合物（SlN或Si3N4)、矽氧氮化合物（SiON)構成的_最下層 (1⑽ermost layer)，以作為—#刻停止層，而其上半部則包含有由^ 石夕^合物（sic)構成的一最上層（upperm〇st，以作為—非金屬A 阻障層，再本發明之_較佳實施例中，最下層（侧停止層）之厚度大抵為 至400埃，最上層（非金屬阻障層）之厚度大抵為1〇〇至3〇〇埃。其 中’並以包含有由氮魏合物構成的最下層以及由射化合物構成的最上 層之第二侧停止層㈣較佳。而其製作方法可為一般習知之化學氣相沉 積製程，例如低壓化學氣相沉積或是電製增強型化學氣相沉積。複合式2 春帛二_停止層12Β除了能增加對銅遷移的抵抗能力外，更可藉由=習 知技術來進仃蝕刻終點（etchingendp〇int)的侧，例如可藉由對钮刻 電漿成分的光學侧來判斷钱刻終點，而能在後續製程中，精確控制對複 合式之第二侧停止層咖之侧深度，而能對第二賴停止層咖進行 部份钱刻’此部份之詳細内容將於後續說明中予以進一步解釋。 接著會於第二_停止層12B再沉積—第二介電絕緣層_，作為— 上介電絕緣層’其可由與前述第—介電絕緣層14A相同之材質所構成，並 糾目同之製程方式來製作。第二介電絕緣層㈣之厚度則以能包含有一雙 鑲喪結構中的溝槽線（trenchline)部份者較佳。之後可再選擇性地於第 矂二介電絕緣層14B上形成—抗反射層16，其可由有機或無機材料所構成， 並以氮氧矽化合物較佳。 如第1B圖所示，接著可藉由習知之黃光圖案化製程以及乾侧製程來 於半導體晶片上形成-雙鑲嵌開口 18，在本發明之一實施例中，所形成的 雙鑲喪開口 18會使下方之導電區域η露出，例如可藉由一習知黃光圖案 化製程以及反應性離子_(reactive ion etch)製程於半導體晶片表 面形成-導孔開口（via opening)部分1SA，其半徑大抵為〇 . Μ微米以 下，並以0. η微米以下較佳，值得注意的是在本發明之一較佳實施例中， 可再進行-習知的反應性離子侧製程來對半導體晶片進行姓刻，以於半 0503-A30855TWF(5.0) 9 200529360 ^Z^Wa(trench openin9)^isB j 、’D曰㈣之设合式第二侧停止層12B(例如 層）來控制蝕刻終點，#篦一黏办丨广La 廿 /MC稷口 可將f u▲ 層12B僅触鱗部分厚度，例如 H騎止層i2B中的最上賴«，但未貫穿整個第二侧停止 如第1C _示，接著會於雙職開口 18上形成—障壁層裏，在本 中，障壁層2似係藉由—物理氣相沉積製程毯覆式沉積於 日日片上’其可包含有耐火金屬、耐火金屬氮化物及耐火金屬氮石夕化 :财之-者’例如可為選自由组（Ta)、鈦（Ti)、鶴（W)、氮她（酬、 见化鈦（酬、氮化鶴（_與石夕氮化㈣说奶所構成之族群中之任一者 或其組合，例如可為Ta/篇、TaN或以灿，並以由離子金屬電裝製程 所形成之Ta/TaN複合層較佳，其厚度則以1〇〇至35〇埃者較佳。 如第圖卿，接著會進行—遠距電雜刻處理（r_te etch treatment)，藉由至少一種惰氣仙把卿）電漿來源（如氮、 乱或風等）來_部份之障壁層2QA，在本發明之—實施财，係藉由遠距 電衆侧處理來去除覆蓋於導關口部分皿底部細處的障壁層施， 以使其下的導電區域U露出，如前所述，導電區域U可為可為一導電金 屬電連線結構，例如銅鑲舰構。值得注意的是_在障壁層織剛形成 時，會具有習知技術中側壁及底部厚度不均之問題，但由於遠距電漿侧 處理：對底部部分產生較大_刻速率，因此經過遠距錢侧處理後， 可使，壁層2GA之側壁及底部具有—均勻之厚度，在本發明之—實施例 中’障壁層2〇A在經過遠距電雜刻處理後，其厚度大抵為5〇至π。埃。 本發明之特點之-即在於藉由此遠距電漿侧處理，使障壁層贏在 侧壁與角落部分23 (例如位於溝姻σ部分勘與導孔開日部分取間的 過渡部分）具有-均勻之厚度H並可藉由降低障麵裏的厚度， 來增加整個鑲欲開口 18内側壁（含角落23)的厚度均句性，以降低障壁層 0503-A30855TWF(5.0) 10 200529360 2〇A所造成之電阻值’但其厚度仍需足以轉—定的抵抗力，來避免後續 形成之銅擴散«移至週圍之第-介電、絕緣層皿與第二介電絕緣層㈣ 内。 明參考第2圖，第2圖為本發明一實施例中所使用的一遠距電漿蝕刻 系統之不意圖。如第2圖所示，遠距電漿來源34主要包含有一容室 (chamber) ’其經由一氣體管線3沾連結到至少一電漿氣體來源％，遠 距«來源34係位於整個反應室38之上游（upstream)位置，並藉由一 ，管（conduit)遵將來自遠距電漿來源％的流體經由氣體擴散分散歧 官（gas diffusion distribution manif〇ld)3〇 送到反應室 ％， 因此遠距«來源34處產生的賴可經蛾體擴散分散歧管3q反應室 38，而直接向下&擊位於晶片台座（waferpedestal)32B上的製程晶片 (Pr〇CeSS.Wafer)32A。晶片台座32B可電連接到一直流電源或一射頻 偏麼（RFb!aS)來源（未顯示）。此外，遠距電雜刻系統另包含有一氣體 幫浦接口（gas pumping port)36，用以將反應室38内之壓力維持在一 需要的操作壓力上’例如i至1QQ mTQrr。遠距賴侧系統亦可再包含 有-射頻產生器以及-電極（未顯示），以及一變流裝置（defiect〇r)，以 使氣體能以螺旋（spiral·)的方式流動4本發明之—實施例中，遠距電漿 侧系統係以至5咖瓦的射頻功率進行操作，並具有丄至1〇〇 _ 之頻率。遠距電漿侧系統並可選擇性的包含有—微波腔室（Μ⑽研e cavity) ’其連接到一微波產生器，而以i5〇〇至25〇〇瓦的功率進行操 作，並具有1至5 GHz的頻率。 如第1E圖所不’接著會—亍_習知的銅沉積製程，來將銅填入鎮彼開 I8内並开少成銅層22 ’舉例來說，可於鎮嵌開口 Μ内先沉積一銅種 晶層，之後再藉由-電化學_製程敗D)，來形成銅層a，其中由於障 壁層2〇已利用遠距電雜刻進行預先處理，而具有一均勾之厚度，因此可 提升銅種晶層之可靠度。 0503-A30855TWF(5.0) 11 200529360 如弟IF圖所示，接著合推# 製程，來去除高於出鑲#曰一坦化製程，例如—化學機械研磨咖) 18的，二 的部分銅層22，並去除高於出絲開口 :夫刀/^ /丄反射層16，以完成銅雙職結構之製作。 干音Γ = 33^第3圖係為本發明—實施例中製作銅鑲舰構之流程 有二金屬電賴Γ禮步驟3Q1中，先提供—半導體晶片，其上包含 晶片上形成-第-侧停麵3Q3，於轉體 上形成第一金屬層間介電層(曰第—而介中接7於第一侧停止層 I、巴、、水層）’接者進行步驟307，於第 一"電、、色緣層上形成一複合式蝕刻停止声， 、 侧停止層上蝴二編㈣輸 _時，細複合__作_刻終點’ 一物理氣相^之獲合式钱刻停止層，接下來在步驟313中，則藉由 乳相>儿積1程’毯覆式沉積—障壁層於鑲嵌開口上，再 口Lt下方的金屬連線結構部份露出，最後進行步驟317，於鑲嵌開 内填入銅，並進行-平坦化製程，以完成職結構的製作。 ==發明已以數錄佳實施例揭露如上，然其並非用以限定杯 ^何㈣此技藝者’在不脫離本發明之精神和範圍内，當可作任音^ 動與潤飾，因此本發明之紐範圍當視_之中請專·圍所界定者為 【圖式簡單說明】 ^ 1A至1F圖為本發明一實施例中製作雙鑲嵌結構之剖面示意圖 第2圖為本發明—實施例中—遠距《侧系統之示意圖。 第3圖係為本發明_實施例中製作鋼鑲嵌結構之流程示意圖。 〇503-A3O855TWF(5.O) 12 200529360

【主要元件符號說明】 10〜介電絕緣層； 12A〜第一蝕刻停止層； 14A〜第一介電絕緣層； 16〜抗反射層； 18A〜導孔開口； 20A〜障壁層； 22〜銅； 30〜氣體擴散分散歧管； 32B〜晶片台座； 34A〜導管； 36A〜氣體管線； 11〜導電區域； 12B〜第二蝕刻停止層； 14B〜第二介電絕緣層； 18〜雙鑲嵌開口； 18B〜溝槽開口； 20B〜底部； 23〜角落； 32A〜反應晶片， 34〜遠距電漿來源； 36〜電漿氣體來源； 3 8〜反應室； 301、303、305、307、309、3U、313、315、317〜步驟

13 0503-A30855TWF(5.0)

Claims (1)

1. 200529360 十、申請專利範圍·· 1· 一種製作鋼鑲嵌結 阻，其包括下列步驟：#々方法，可用來改善銅的遷移阻力及降低電 提供一半導體晶片，复 分隔該上介電絕緣層应訂入:二上介電絕緣層…下介電絕緣層、-位於該下介緣層之非金輕«，以及-導電區域 於該半導體晶片上形成一雙鑲嵌開口； … 開卩上毯覆式沉積(blanket deposit) 一障壁層 對該雙鑲嵌開口進行—電漿伽i處理(plasma 以去除該障壁層之底部，並露出下方之導電區域 將銅填入該雙鑲嵌開 etch treatment)， 以及 ，以形成一大致平坦之表面。 2 其中該上介 •如申明專她㈣！顿述之製翻職結構的方法， 電絕緣層與該下介電絕緣層之間包含有-侧停止層。 3立如申凊專利範圍第工項所述之製作銅鎮後結構的方法，其中該非金 屬阻障層係選自由魏氧切與魏切所構成之族群。 ，4 ·如I專利細第！顿述之製作銅鑲後結構的方法，其中該障壁 層係選自由鈕（Ta)、鈦（Ti)、鶴㈤、氮化组（TaN)、氮化鈦（TiN)、氮 化鎢（WN)與矽氮化鈕（TaSiN)所構成之族群。 5 ·如申明專利範圍第1項所述之製作銅鑲嵌結構的方法，其中該障壁 層由鈦/氮化鈦複合層所構成。 6 ·如申明專利範圍第1項所述之製作銅鑲嵌結構的方法，其中該障壁 層係藉由一物理氣相沉積（PVD)製程毯覆式沉積於該雙鑲嵌開口上。 7·如申請專利範圍第6項所述之製作銅鑲嵌結構的方法，其中該物理 氣相沉積製程包含有一離子金屬電漿（IMP)製程。 8·如申請專利範圍第1項所述之製作銅鑲嵌結構的方法，其中該電漿 蝕刻處理包含有將一遠距電漿產生裝置設置於一蝕刻反應室上。 〇503-A30855TWF(5.0) 14 200529360 9.如申請專娜@第！顿述之製仙職結翻方法， 似愤理包含錢供選自紅外線或微波_之_能量來源。 ^如中請專利範圍第2項所述之製作銅鑲嵌 電區域包含有銅。 "忘 填入1項所述之製作銅镶嵌結構的方法，其中將銅 異入。亥又鑲敗開口包含有下列步驟： 沉積一銅種子層； 進行-電化學沉積_以賴填人該簡嵌開口；以及 進行一化學機械研磨（CMp)製程 古 除 將回度起過该雙鑲嵌開口的銅移 工2 · 一種製作銅鑲嵌結構的方法，可用夹 包括下列步驟·· 了用末改善鋼的遷移阻力及電阻，其 ^提供-半導體晶片，其包含有—上介電絕緣層、—下介電絶八 隔该上介電絕緣層與該下介電、絕緣層之非金屬阻障層 、、:曰: 一導電區域位於該下介電絕緣層之下方； ~ J停止層，以及 於該半導體晶片上形成-雙鑲嵌開口， 下介電絕緣層之厚度，該雙鑲嵌開口具有 電絕緣層與該 介電絕緣層之厚度； 、 溝匕線部份，延伸超過該上 於該雙鑲嵌開口上毯覆式沉積一障壁層； 對該雙鑲篏開口進行一電㈣虫刻處理， 出下方之導電區域；以及 y、^早壁層之底部，並露 將銅填入該雙鑲嵌開口，以形成一大致平坦之夺 13 ·如申請專利範圍第12項所述之製作銅二 刻停止層顧自姐切層錢氧切所構成之:、〕_方法，其中祕 係選自由碳化矽與碳氧化矽所構成 麵群，而該非金屬阻障層 -申請專利範圍第12二： 〜、、、"構的方法，其中該蝕 °503-A30855TWP(5.0) 15 200529360 刻停止層由氮氧化石夕所構成，而該非金屬阻障層係由碳化 髮軸12顿粒軸繼構响，其中該障 仿々自由组（Ta)、鈦（Ti)、鎮㈤、氮倾（TaN)、氮 氮化鎢⑽）與石夕氮化纽（TasiN)所構成之族群。 ·、（） 16.如申請專利範圍第12項所述之製作銅鑲嵌結構的方法，其中該障 壁層由鈦/氮化鈦複合層所構成。 17.如中請翻朗第12項所述之製作銅鑲絲構的方法，其中該障 壁層係藉由—物理氣相沉積製程毯覆狀積於該雙鑲嵌開口上。

   /8 .如f請專利範圍第17項所述之製作銅鑲嵌結構的方法，其中該物 理氣相沉積製程包含有-離子金屬電漿製程。 19.如申請專利範圍帛12項所述之製作鋼鑲嵌結構的方法，其中該電 衆飯刻處理係為-遠距賴侧顏，而包含有將—遠距魏產生裝置設 置於一钱刻反應室上。 。2 〇 ·如中請專利範圍第12項所述之製作銅鑲嵌結構的方法，其中該遠 距電装侧處理包含有提供選自紅外《微波中的-能量來源。 21 ·如申請專利範圍第12項所述之製作銅鑲嵌結構的方法，其中該導 電區域包含有銅。 、 =2·如申請專利範圍帛12項所述之製作銅鎮嵌結構的方法，其中將銅 填入该雙鑲嵌開口包含有下列步驟·· 沉積一銅種子層； 進行一電化學沉積製程以將銅填入該雙鑲嵌開口；以及 進行一化學機械研磨製程，以將高度超過該雙鑲嵌開口的銅移除。 23 · —種銅鑲嵌結構，其包含有·· 一半導體晶片，其包含有一上介電絕緣層、一下介電絕緣層、一分隔 邊上介電絕緣層與該下介電絕緣層之非金屬阻障層，以及一導電區域位於 該下介電絕緣層之下方； 16 〇503-A3〇855TWF(5.0) 200529360 . —麵嵌開σ設於該半導體；表面，該雙鑲m Π包含有-溝 口以及-導孔開口’該溝槽開口係位於該上介電絕緣層内，而該導孔^口 係位於下介電絕緣層内，並露出該導電區域； i 一厚度均勻之障壁層設機雙朗巧，職於該上介電絕緣層、 違非金屬轉層以及該下介電絕緣層，並露出該導電區域，·以及 電f設於該雙鑲嵌開口内之該障壁層上，並鄰接至該導電區域。 .凊專利乾圍第23項所述之鋼鑲後 换 與該下介電_之間題含有-w止層。 H緣層 化石夕與碳氧切所構紅鱗奴树’轉非金屬轉選自由碳 26 ·如申請專利筋圍笙 由叙㈣、鈦㈣^ ;^之銅_構，射該_係選自 與石夕氮化艇（TasiN}所構成之=群、一（TaN)、氮化鈦（TlN)、氮化鎢（则 27·如申請專利範圍第 ^ 氮化鈦複合層所構成。 、、’〔之銅鑲肷結構，其中該障壁層由鈦/ 2 8 ·如申請專利範 有銅。 員所述之銅鑲甘欠結構，其中該導電區域包含 〇503-A30855TWF(5.〇) 17