TW201244006A - Process for damascene structure with reduced low-k damage - Google Patents

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Description

201244006 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明的實施例大體上關於半導體處理技術，並且更 詳細地說是關於用以製造鑲嵌結構而不損壞此結構中的 低-k介電材料的改善方法。 【先前技術】 積體電路已經發展成能在單一晶片上包括數百萬個部 件（例如電晶體、電容器與電阻器）的複雜元件。對於更 大的電路密度的需求係需要積體電路部件的尺寸的減小 (例如次微米尺寸）以及製造元件的各種材料的利用以達 到更快速且更佳的電性效能（諸如被用在金屬線而具有 更问導電率的材料、被用作成絕緣材料的具有更低電容 率（低-k)介電常數的材料等卜對於積體電路製造，具有 低電：的金屬内連線(諸如銅與鋁内連線)在積體電路元 件上提供介於積體電路部件之間的導電路徑。大體上， 金屬内連線藉由介電塊絕緣材料而彼此電性地分隔。在 次微米尺寸，雷& 耗5係潛在地發生在相鄰的金屬内連 、”良之間電合輪合會造成干擾（⑽“驗）與/或電阻電容 (RC)延遲且會劣化積體電路的總效能。 一種用以形成用於積體電路部件的垂直與水平内連線 的方法是藉由鑲嵌或雙鑲 .^ ^ 芰碾嵌方法。通常，鑲嵌結構具有 "電塊絕緣層與導電金 、屬層（诸如低介電常數材料與導 201244006 盥、s 1)被堆嗳在彼此的頂部上。垂直内連線（即介層洞〕 7平内連線（即溝槽）被蝕刻到介電塊絕緣層内，並且 曰電金屬層後續地被填充到介層洞與/或溝槽内且被平 (諸如藉由化學機械平坦化製程（CMP))，因此導電金 ^材料僅殘留在介層洞與/或溝槽中。在鑲嵌方式中，可 =需要相當複雜的介電膜堆疊，其中該介電膜堆疊包括 巧系列的硬罩幕、低_k介電質與蝕刻終止層等。為了獲 :此類堆疊’在以導電金屬材料來填充介層洞與溝槽之 前通常需要介層洞/溝槽微影、圖案化與濕式清潔。 而鑲肷結構的低_k材料在後續的處理步驟期間（諸 如银刻、濕式清潔、預金屬清潔A CMP等）容易遭受各 種才貝=。此類損壞會嚴重地增加低_k材料的介電常數， 而使付所產生的介電膜堆疊的總介電常數增加。 斤、&要種製造鑲嵌結構的製程，此製程對於介 電膜堆疊中的低切料具有零或最小的損壞。 【發明内容】 在一個實施例中，-種用以形成半導體結構的方法包 含以下步驟：沉積犧牲介電材料在介電基部層上方；形 成鑲嵌特徵結構到該犧牲介電材料與該介電基部層内； 以導電材料來填充該鎮嵌特徵結構；移除經填充的鑲喪 特徵結構之間的溝槽區域中的犧牲介電材料；及以低氺 介電材料來填充該等溝槽區域。在一個態樣中，該方法 201244006 更包含選擇性地沉積鈍化層在該導電材料的頂表面上， 其中該鈍化層由鈷或鈷合金形成。在另_態樣令，在移 除該犧牲介電材料之前，共形地形成鈕/氮化钽（Ta/TaN) .阻障層在該等溝槽區域的暴露表面上，以提供有效的阻 障而避免銅遷移到周圍的層内。含銅層（諸如域（CuMn) 合金）可進一步被沉積在該Ta/TaN阻障層上，以改善電 路元件的電性性質（諸如電遷移阻抗），該含銅層亦料 後續的銅沉積的晶種層。在一個實例中，可使用熱處理 製程來處理該誠（CuMn)合金，以形成自我形成的氧化 猛（MnOx)層’藉此提升銅的鈍化。 在另-實施例中’一種用以形成半導體結構的方法包 含以下步驟：沉積第-介層洞介電層在介電基部層上 方；沉積第-犧牲介電材料在該第一介層洞介電層上 方；形成期望的溝槽圖案到該第一犧牲介電材料與該第 一介層洞介電層内；共形地沉積導體層在該等溝槽圖案 的暴露表面上；以導電材料來填充該等溝槽圖案，並且 平坦化該導電材料以暴露該第一犧牲介電材料；從經填 充的溝槽圖案之間的區域中移除犧牲介電材料；及以超 低-k介電材料來填充經填充的溝槽圖案之間的區域。 【實施方式】 在此描述的實施例大體上提供用以在使用犧牲介電材 料與可選的阻障/帽蓋層的鑲嵌製程期間減少不期望的 201244006 低-k介電質損壞的方法。在各 透過被沉積在預存在 “歹’ _，鑲歲結構是 成，其t該㈣層可以是—或 =材料來形 導電特微往M 一 "電材料（諸如具有 二電=構被形成在其中的換雜或未摻雜 ： 適备的金屬（諸如銅）來填充鑲嵌結 之間的溝样p祕占 真充在銅鑲嵌 行各種阻障/帽蓋機制而接者被移除’然後進 早^蛊機制而共形地或選擇性地 嵌結構的暴露表面。 復盖住幻鑲 # jtt # ° 電材料可填充先前 被真充有犧牲介電材料 “ 情屏槽區域。此製程可依需要被 重複，而具有任何期望的 ^ 案Μ刻製程’以在被填充 的超低'k介電材料上建立更介電層與/或結構，藉此延伸 元件中的内連線。 十匕、有低-k w電質損壞問題的傳統製造機制，本 發明製程流程可在鑲嵌製程期間避免金屬線之間的超低 _k介電材料暴露於各種損壞製程（諸如㈣、剝除、濕式 清潔、預金屬清潔# CMP製程)，而形成具有整合或總 介電常數接近低-k材料的塊閥的鑲嵌結構。在銅填充或 犧牲介電材料移除之前或之後所執行的各種金屬純化製 程可進一步提升銅電遷移阻抗並因此改善總元件效能。 雙鑲嵌應用 第1A-1I圖圖示本發明的實施例之―，圖示被執行用 以形成雙鑲嵌結構的製程次序中的不同階段期間的基材 的示意剖視圖。第2圖圖示根據本發明的一或更多個實 施例用以製造與蝕刻第1A_U圖所圖示的雙鑲嵌結構的 201244006 不乾性製程次序200。大體上，製程次序2〇〇和各種膜 、:積與蝕刻製程以及各種鑲嵌製造機制(諸％介層洞第 :製造機制、BARC回餘製造機制、雙硬罩幕製造機制、 二層製造機制、雙硬罩幕轉移製造機制等）相容。應注 意’儘管第圖中的步驟是以三層機制為基底㈣ 述，可使用其他圖案化機制（諸如以TiN硬軍幕為基底的 方式)。#等不意圖使第1A_H圖所圖示的步驟的數量、 順序和次序偈限成在此所述的本發明的料，此是因為 可在不恃離在此所述的本發明的基本範嘴下添加、刪除 與/或重新安排一或更多個步驟。 在步驟202 ’提供介電基部層1〇5，介電基部層丄〇5具 有導電特徵結構1〇7(諸如銅特徵結構）被形成在其中，如 第1A圖所圖示。介電基部層1〇5可以是介電常數小於約 7(例如小於約5或甚至小於約25)的低·U電材料，諸 如碳摻雜二氧化矽介電材料、有機聚合物、有機矽酸鹽、 有機石夕酸鹽玻璃（〇SG)材料、旋塗式玻璃材料、氟擦雜石夕 玻璃（FSG)材料或被摻雜有碳基底摻質的諸如此類者。介 電基部層105可具有任何期望的尺寸，並且可包括一或 更夕個具有導電特徵結構（諸如金屬線）被形成在其上的 介電層。儘官未圖不，導電材料特徵結構1〇7可和元件（諸 如％效應與雙極性電晶體、二極體、電容器、電阻器與 電感器等）接觸’該等元件可被配線在—起而形成積體電 路。 在步驟204，可選地，底部阻障層110可被形成在介 201244006 電基部層105的上表面上，如第μ圖所圖示，以消除介 電基部層Π)5與後續地被沉積的材料之間的層間擴散。 可使用任何適當的方法（諸如以ALD或cvd為基底的方 式）來沉積底部阻障層11G。底部阻障層m可以是低士 介電材料’該低-k介電材料包括但不限於含碳的石夕材料 (諸如碳氧切（㈣）或碳切）、氮切卿）或含碳的 氮化石夕材料（SiCN)與上述的組合，或氮㈣（bn)、“ 切⑻随）、氮碳魏邦就N)或上述的組合。在底部 阻障層U〇是碳化石夕基底阻障層的情況中，碳化石夕基底 阻障層可受«處理或被暴露於電子束處理，以改:碳 化矽基底阻障層對介電基部層1〇5的黏附性。 。反 在步驟2G6’第-介層洞介電層112(諸如氧化石夕或碳 氧化矽）被沉積在可選的底部阻障層丨1〇上，如第1A圖 所圖示。第一介層洞介電層112可以是具有低介電常數 (諸如小於7.G ’例如介電常數介於約2與約5之間）的介 電材料。用於第一介層洞介電層112的適當材料的實例 可包括但不限於有機矽酸鹽材料、多孔氧化物材料、矽 酸鹽類材料（silseSquioxane material)、聚對二甲笨 (paralyne)、碳摻雜介電材料（例如碳摻雜有機矽酸鹽玻璃 (OSG)、碳摻雜二氧化矽等）、旋塗式玻璃材料（例如未摻 雜矽玻璃（USG)、氟摻雜矽玻璃（FSG)等）、含碳的矽材 料、碳氧化矽（Si〇C)與上述的組合。有機矽酸鹽基底的 低-k含碳的氧化矽（Si〇c)介電材料的實例包括可從美國 加州聖大克勞拉市的應用材料公司取得的 201244006 ⑽咖D”與BLackdiam_@i卜第—介層洞介 t層m可被沉積達到約例# 5_到約测〇a的厚 度> 取決於被製造的結構的尺寸。第―介層洞介電層ιΐ2 可接著被電敷製程或電子束技術處理，以移除污染物且 將第-介層洞介電層112的表面予以緻密化。 在步驟2〇8，可選的低4钱刻終止層114可被沉積在 第一介層洞介電層112上達到約5A_ iq(h)A㈣^ 如第1A圖所圖示。可選的低切刻終止層114可以是 碳化石夕材料或任何其他適當的材料（諸如氮切）。若期 望的話’低_k_終止層114可如上所述用於底部阻障 層110而受電聚處理。低4蝕刻終止層114可被圖案钱 刻’以定義特徵結構定義開σ i i 6 (例如介層洞圖案）且在 特徵結構定義120將被形成的區域中(第1C圊)暴露第一 ”層U層112。或者，低_k姓刻終止層i i 4可併同 後續層（諸如硬罩幕材料119、犧牲介電材料ιΐ8與下方 的第-介層洞介電材料112等)在當形成特徵結構定義 120的後面階段時（第lc圖）被圖案蝕刻。可使用傳統光 微影與利用I、碳和氧離子的蝕刻製程將低吨蝕刻終止 層114予以圖案蝕刻。若期望的話，可在沉積進—步材 料之前，將不含氮的碳化矽（未圖示）或氧化矽帽蓋層（未 圖示）沉積在低-k蝕刻終止層丨丨4上。 在步驟210’犧牲介電材料U8被沉積在低吨蝕刻終 止層114(右有使用的話）上且填充特徵結構定義開口 116，如第1B圖所圖示。犧牲介電材料i丨8可以是有機 10 201244006 的或無機的，並且主要要求是如下所述能和輕易的鑲嵌 銅處理以及輕易的後續移除的相容性，而不會損壞金屬 化結構與下方的第一介層洞介電層i 12。犧牲介電材料 11 8可包括但不限於氧化物、氧化矽、二氧化矽、氮化 矽或有機聚合物（諸如聚亞醯胺與聚芳香醚（p〇lyarylene ether))與上述的組合或均等物。或者，犧牲介電材料 、疋ί第"層’同介電材料112相同的材料。犧牲介 電2料118被沉積達到等於所需要用於期望溝槽特徵結 構定義的厚度。在一個態樣中，犧牲介電材汁斗11 8可被 沉積達到約5_到約3_Α的厚度，諸如18〇〇入。 在步驟212，可使用傳統光微影與韻刻製程將光阻劑 材料層m沉積在犧牲介電材们18上且將光阻劑材料 層122圖案化，以將期望的溝槽與介層洞圖案分別轉移 到犧牲介電材料118與第—介層洞介電層内。溝槽 :案可比特徵結構定義開口 116更寬。可使用反應性離 蝕刻或其他非等向性蝕刻技術來蝕刻該 (即犧牲介電材料^ ^ ^ 可選的低-k蝕刻終止層丨丨4與 方的第一介層洞介電層. 12〇， 2專），以形成雙鑲嵌特徵結構 制㈣ 所圖示。接著使用氧剝除或其他適當的 將任何殘餘的用以將該等塊介電層予以圖案化 的光阻劑移除。當 闽杀化 此時被移除。 $幕材料時，硬罩幕材料可於 在例中，共形的硬罩幕材㈣119可被形成 材料122與犧牲介電材㈣8之間，如第15圖 201244006 所圖不。在此類情況中，使用光阻劑材肖⑵作為罩幕 將硬罩幕材料119予以圖案化，並且圖案可在個別的敍 刻步驟中被轉移到犧牲介電材料u…在—個實例 中’可使用化學氣相沉積（CVD)碳硬罩幕，例如咖:⑽ patten^ fUmTM (ApF)。Αρρ是令人期望的，此是因為 APF能輕易地被钮刻而具有相對於大部分元件材料（諸 如氧化物、氮化物、鎢與/或多晶石夕）的極高選擇性。碳 硬罩幕亦容許以〇2電梁灰化來延伸元件钮刻量，此 化最終的硬罩幕移除。 熟習此技藝的人士應瞭解的是可藉由任何適當的方式 (諸如傳統光微影圖案化與乾式_製㈤ 所圖示的雙鎮嵌特徵結構12G。例如，可藉由進行介層 洞第-製程（其中第—光微影圖案化製程係被執行以圖 案化且餘刻介層洞開口 )，接著進行第二光微影圖案化製 程以圖案化且蝕刻介層洞開口上方的溝槽開口，來形成 雙鑲後特徵結才冓120。或者，可藉由如上所述用以形成 雙鑲嵌結構(或具有-或更多個介層洞部分與-或更多 個溝槽部分的任何結構）的傳統三層製造機制或硬罩幕 機制來形成雙鑲彼4#傲& — 1 η λ X又艰瓜将徵結構120β所卩，形成雙鎮嵌特 徵結構12〇的本發明不侷限於第以和ib圖中所描述且 圖示的製程流程。 在步驟214,接著藉由使用化學氣相沉積、物理氣相 沉積、電鍍或上述的組合將導電材料126(諸如銅、鋁、 鶴或組合）填充到雙鑲嵌特徵結構12〇内來形成金屬化社 12 201244006 構。在-個實施例中，銅被用來填充雙鑲嵌特徵結構 12〇,如第則所圖示。可選地，適當的阻障層124(諸 如氮化麵）可先共形地被沉積在金屬化圖案中，以避免銅 會遷移到周圍的矽與/或介電材料内。在特定實施例中， 此阻障層124可以是含銅材料，諸如鋼猛（CuMn)合金’ 如下文涉及步驟304所描述者。一旦雙鎮嵌特徵結構12〇 已經被填充有銅或其他金屬，使用化學機械研磨將導電 材料126的表面予以平坦化以暴露犧牲介電材料，而形 成被填充有導電材料126的雙鎮嵌結構128，如第⑴圖 所圖示。 ^步驟216，使用濕式清潔或乾_刻製程將存在於 該等雙鑲嵌結構128(或導電材料126)之間的區域中的犧 牲介電材料118移除，藉此形成溝槽特徵結才冓131，如 第1E圖所圖示。此钮刻製程應具有相對於導電材料⑶ 與：方的第—介層洞介電層112的良好蝕刻選擇性。此 類高姓刻選擇性可在触刻製程期間容許犧牲介電材料 118的移除’而不會造成顯著的介電f流失。在利用濕 式#刻製程的情況中’可藉由使此結構暴露於稀釋HF 溶液來㈣此結構，其中該稀釋HF溶液難刻該介電 層118的速率係比該稀釋HF溶液濕触刻該導電材料126 與下方的低切刻終止| 114與/或第一介層洞介電層 112的速率顯著地更高。在各種實施例中，犧牲介㈣ 料118相對於下方的低韻刻終止層U4與/或第—介層 洞介電I 112的触刻選擇性可位在介於約2:1與約1〇〇:1 13 201244006 之間的範圍中。 的第"層洞介電層112是氧化矽的情況中， ^ 式蝕刻製程（諸如SlC〇Ni蝕刻製程）。SiCoNi 」疋用W移除氧切的乾式㈣製程，該乾式钮刻製 程在電衆處理腔室（諸如SIC〇NI@預清潔腔室）内執行而 使用例如氣（贿3)與三I化氣（NF3)氣體混合物以從基材 2選擇性地移除各種氧化物。儘管在此沒有討論，可 、:出^疋被引進到腔室内的蝕刻氣體混合物與各氣體 :θ可是的，並且可被調整以適用於例如待移除的材 料的厚度以及被清潔的基材的幾何形態等。可在例如發 明名稱為「〇xide Etch福NH3_NF3吻」的美國 專利公開案號2007/〇12則中發現到用於ye·㈣ 的製程與設備的額外敘述，此案件以參考的方式在此被 併入到不會和在此的發明說明與申請專利範圍不一致的 程度。 在步騾218’可選的阻障層13〇可共形地被沉積在基 材上’而覆蓋住導電材料126以及實質上溝槽特徵結構 131的全部暴露表面（其令犧牲介電材料ιΐ8先前位在溝 槽特徵結構131處）’如第1F圖所圖示。阻障層被 沉積，以為了在後續的填隙製程的期間保護導電材料IK 避免氧化，或以為了消除第一介層洞介電層i丨2與後續 地被沉積的材料之間的層間擴散。可使用任何適當的方 法（諸如ALD或CVD基底的方式）來沉積阻障層13〇。用 於阻障層130的材料可類似於先前在步驟2〇4所討論的 201244006 底部阻障I 110。一種用於阻障層的示範性材料θ BL〇k™(阻障低_k)膜’ BL〇kTM(阻障低_k)膜是可從美疋 州聖大克勞拉市的應用材料公司取得的碳切膜。、在^ 個實例令，可選的阻障層130可被沉積達到約例如5— 到約200A的厚度。或者，此阻障層13〇可以是自我 的氧化猛（Mn〇x)阻障層’如下文涉及步驟308所描述者 在步驟220,超低_k(ULK)介電材料132被沉積在第一。 介層洞介電層112上方(即若有使用可選的阻障層130的 =沉積在可選的阻障層13〇上)，以將溝槽 131(第1F圖)予以填隙，如第⑴圖所圖示。若期望的話^ 超低-k介電材料132可被 ° 散尥度，儿積，以為了適當地填存 溝槽特徵結構13卜超低_k '充 丨电何科132可破沉積遠至,丨 專於所需要用於期望溝_ & Μ # n + μ 呈屏匕特徵結構定義的期望厚度。
藉由將空氣空隙併入&丨你 J 介電材料132,而建二:電質母體内來獲得超低 的方法通常涉及形成含有 1電質 下兩個部分的「前驅物膜. 成孔劑（通常是有機材料1如 ^ 體或介電材料(例如含 口及、構別 基材上，可使用_::)。一旦前驅物膜被形成在 ..、（在足以使有機成孔劑崩潰且蒎發 =下)來移除成孔劑部分，而留下結構上完整的多、孔 介電質母體或氧化物網 的夕孔 小於約5的介電^ ^ 介電材料132可具有 想出的是可以任何適3或小於約2.5°可設 介電基部層1G5或第—電材料（諸如上文所討論的 "層洞介電層112)來取代超低_k 201244006 介電材料1 3 2，取決於應用。 在步驟222 ’ 一旦填隙完成了，第二介層洞介電層134 被沉積在超低-k介電材料132上，如第iH圖所圖示。 第一介層洞介電層1 34可以是類似於先前在步驟2〇6所 討論的第一介層洞介電層112的低_k材料。第二介層洞 介電層134可被沉積達到約例如5〇〇人到約i 5〇〇〇人的厚 度，取決於被製造的結構的尺寸。 在步驟224，帛二介層洞介電| i 34 可選地被㈣ 或被往回研磨，以致第二介層洞介電層具有等於所需要 用於應用的期望介電質厚度，如第π圖所圖示。 在步驟226’可選的犧牲介電層136可被沉積在第二 "層洞介電層134上’並且可依需要重複在步驟以 中所摇述的製程，以延伸雙鑲嵌結構中的内連線。用於 可選的犧牲介電層136的材料可類似於上述步驟210中 :犧牲介電層118。或者，可選的犧牲介電層136可且 :類似於介電基部層1〇5的材料。儘管未圖示，若執： =驟212·224中所摇述的製程的話，可選的犧牲介電 線广可包括被形成在其中的導電特徵結構（諸如銅内連 單鎮哉·應用 第3圖圖示根據本發明用以製造愈 山 如第4A-4G圖所圖示的單 / ⑽結構（例 300。 “#)的不範性製程次序 404被沉積在第一介 在步騾302，第一犧牲介電材料 16 201244006 Θ ’同屯層402上方且被圖案钮刻，以形成特徵結構定 義406的垂直内連線，如第4八圖所圖示。大體上，特徵 結構定義4〇6被形成為暴露下方的第-介層洞介電層 的°卩刀第一犧牲介電材料4〇4可被沉積達到所 需要用於期望溝槽特徵結構定義的厚度。用於第一介層 洞η電層402的材料可類似於上述步驟2〇6中的第—介 層同"電層112。類似地，用於第—犧牲介電材料他 的材料可類似於上述㈣21〇中的犧牲介電材料u8。 或者’第一犧牲介電材才斗4〇4可使用和介電基部層4〇2 相同的材料。 在特疋實施例中’在第一犧牲介電材料4〇4的沉積之 前，可選的阻障層（未圖示）可被沉積在第一介層洞介電 層402上，以消除第—介層洞介電層術與後續地被沉 積的材料之間的層間擴散。一種用於此可選的阻障層的 示範性材料是BLOk™(阻障低_k)膜，BL〇kTM(阻障低 膜是可從美國加州聖大克勞拉市的應用材料公司取得的 碳化石夕膜。在—個態樣中，可選的阻障層m可被沉積 達到約例如5A到約800A的厚度，諸如約5〇〇A。 在步驟304,導體層4〇7共形地被沉積在特徵結構定 義406的暴露表面（例如側壁和底部）上，如第4a圖所圖 示。在一個實施例中，導體層4〇7可包括含銅材料，諸 如銅錳(CuMn)合金。咸信’ CuMn合金可改善電路元件 的電性性質（諸如電遷移阻抗），CuMn合金亦作為後續的 銅沉積的晶種層。 17 201244006 在替代實施例（如第4 A’圖所圖示）中，導體層407可以 是阻障/晶種層’該阻障/晶種層包括阻障層409以及被沉 積在阻障層409上的晶種層411。此阻障層4〇9有助於 避免後續的銅原子擴散到周圍的低_k介電質内。在此類 情況中，阻障層409可包括一或更多個阻障材料，諸如 组、氮化组、氮矽化组、鈦、氮化鈦、氮矽化鈦、氮化 鎢、氮化矽、氮化釕、上述的衍生物、上述的合金與上 述的組合。可使用適當的沉積製程（諸如ALD、cVD、pvD 或無電沉積）來形成阻障層4〇9。在一個實例中，丁^丁… 雙層可被沉積成阻障層409,其中藉由ALD、CVD與/ 或PVD製程來獨立地沉積鈕層與氮化鈒層。類似地，晶 種層4 1 1疋類似於導體層4〇7的含銅材料，晶種層4 11 可以是銅錳（CuMn)合金晶種層。 在乂驟306，使用任何適當的技術（諸如化學氣相沉 積、物理氣相沉積、電錄或上述的組合）將導電材料 4〇8(諸如銅）填充在經蝕刻的特徵結構定義4⑽内。一旦 特徵結構定義406已經被填充了導電材料4〇8，可執行 化學機械研磨製程，以平坦化導電材_ 4〇8而暴露下方 的第—犧牲介電材料404，如第4B圖所圖示。 ，308,使用適當的技術(諸如濕式钱刻或乾式银 =程）將存在於該等導電材料4〇8之間的溝槽區域中的 ::牲介電材料404移除’如帛化圖所圖示。此钱刻 :應具有相對於導電材料權與下方的第一介層洞介 3 4〇2的良好钮刻選擇性。用以移除第—犧牲介電材 18 201244006 料4 04的钮刻製程可類似 於先前所討論的步驟2 1 6。 在特定實施例中，可執行後處理製程（諸如退火、熱氧 化製程或上述的組合），以提升銅的鈍化。如先前所討 挪9導體層407可以是銅猛（CuMn)合金晶種層，或可以 是阻障/晶種層’該阻障/晶種層包括阻障層409以及被沉 積在阻障層409上的CuMn合金晶種層4 η。在任一情況 中CuMn合金晶種層4〇7或411可在氧化大氣中被熱處 理以致CuMn合金内的錳的一部分或全部被氧化，而 故成自我形成的氧化錳（Μη〇χ)阻障層413，如第4C圖所 圖不。已經觀察到的是此自我形成的氧化難障層能夠 改善電性性質（諸如電遷移阻抗）。 或者可在移除該等導電材料4〇8之間的第一犧牲介 電材料404的期間或之前執行後處理製程。在此類情況 ’’銅錳合金内的錳原子會擴散到被包含在相鄰的第一 犧牲介電材料404中的氧原子内且和氧原子發生反應， 而造成自我對準氧化^(Μη〇χ)阻障層的形成。第一犧牲 介電材料404的剩餘部分接著被移除。 在步驟310，由於銅在暴露於大氣條件或環境時會輕 易地形成氧化銅的已知事實’在已經移除第一犧牲介電 材料例之後’可執行金屬封裝製程，以選擇性地沉積 鈍化層415在導電材料楊上而進一步提升鋼的表面純 化1為該等金屬氧化物會造成金屬層的電阻的增加與/ 或變成微粒問題的來源’鈍化層的使用不僅可避免銅氧 化，亦可對於_電遷移到鄰近的超低切電層内的電遷 201244006 移提供有效的阻障，其中該超低_k介電層將被形成在該 等導電材料之間的溝槽區域上且被間隙填充該等導電材 料之間的溝槽區域。 鈍化層415可以是不會和銅或其他導電金屬（諸如鈷、 釕、鈕、鎢、鈀、鎳、錫、鈦、鉬、鉑、鐵與鈮與上述 者的合金）形成固體溶液的金屬。在一個實施例中，純化 層415是鈷或鈷合金，鈍化層415可以導電且對於銅的 電遷移是良好阻障。鈷合金的適當實例可包括但不限於 鈷-鎢合金、鈷-磷合金、鈷-硼合金，包括三元合金（諸如 鈷-鶴-麟與鈷_鶴-删）。在使用鈷或鈷合金的情況中，可 藉由無電鍍覆技術將鈍化層415選擇性地沉積在導電材 料408的頂表面上，如第4D圖所圖示。若期望的話，可 在導電材料4〇8(即銅）的頂表面上使用催化材料（諸如 把）’以使銅表面對於鈷沉積能活化。
在步驟312,使用適當的技術（諸如CVD)將超低 (ULK) ’丨電層414沉積在第一介層洞介電層上方，以 間隙填充第一犧牲介電材料4〇4先前所在處（如第4C圖 所圖示）的該等溝槽區域。超低_k介電層414可過量地被 沉積’以綠保溝槽區域適當地被填充。可利用適當的技 術（諸如化學機械研磨製程）將超低_k介電層々Μ蝕刻或 往回研磨’以獲得期望的厚度。用於超低_k介電層^ 的材料可類似於上述步驟22〇中的超低汰介S 132。超低4介電層414可具有小於約3或小於約2 介電常數。 201244006 在特定實施例中，可省略先前在步驟31〇中使用的鈍 化層415。也就是說，在已經移除該等導電材料4〇8之 間的溝槽區域中的第一犧牲介電材料4〇4之後，超低_k 介電層414將直接地沉積在第一介層洞介電層4〇2上方 以間隙填充該等溝槽區域，而不必在導電材料4〇8上選 擇性地形成鈍化層。在此類情況中，超低_k介電層4 i 4 可被往回研磨以暴露下方的導電材料4〇8，接著進行介 電帽蓋層417的沉積，如第4E’圖（替代實施例A)所圖 示。此外或替代地，鈍化層415可存在於導電材料4〇8 上’並且介電巾ΐ蓋層417被形成在純化層415與超低_k 介電層414上。在任一情況中，介電帽蓋層417對於銅 電遷移到可被形成在介電帽蓋層417上的鄰近的介電質 或超低-k介電層内提供有效的阻障。 在一個替代實施例中，在步驟306之後，介電帽蓋層 可共形地被形成在結構上，而覆蓋住導電材料4〇8、自 我形成的氧化錳（MnOx)阻障層413與第一介層洞介電層 402的暴露表面，如第4E’’圖（替代實施例B)所圖示。在 又另一實施例中’在步驟3 10之後，介電帽蓋層417可 共形地被沉積在經選擇性地沉積的純化層4 1 5、自我形 成的氧化猛（MnOx)阻障層413與第一介層洞介電層402 的暴露表面上，如第4E，’’圖（替代實施例C)所圖示。在 任一情況中’介電帽蓋層41 7係被形成為能對於銅電遷 移到鄰近的介電質或超低_k介電層内提供有效的阻障。 於在此所述的各種實施例中，介電帽蓋層41 7可以是任 21 201244006 2介電材科，諸如SiCN、SiN、Sic或Sioc/SiC。在一 申"電帽蓋層4 1 7可被沉積達到約5Α到約200A 的厚度，例如約70人。 2驟314,在超低_k(ULK)介電層414已經被沉積在 金—介層洞介電層402上方之後，第二介層洞介電層416 與第二犧牲介電材料418可依序地被沉積在超低冰介電 層414 i ’如第4F圖所圖示。用於第二介層洞介電層 人與第—犧牲介電材料41 8的材料可分別類似於第一 I θ洞Μ電層402與第一犧牲介電材料4〇4，如先前在 ^驟302所討論者。或者，第二犧牲介電材料418可和 第犧牲介電材料404相同。可依需要重複在步驟 302 3 14中所描述的製程，以延伸單鑲嵌結構中的内連 =所以，儘官第4F圖未圖示，可設想出的是第二犧牲 介電材料418可包括被形成在其中的金屬特徵結構（諸如 銅内連線）。第4G圖圖示可藉由在步驟3〇2_314中所描 述的製程而具有期望圖案與溝槽银刻製程而被建構在超 低-k介電層4 1 4上的示範性單鑲嵌結構。 應瞭解的是如上所述涉及第4A_4E圖（包括第4E，、4E，， 和4E圖）的各種金屬鈍化製程能應用在雙鑲嵌製程。 例如，在步驟212之後且在將導電材料126填充於特徵 、、’。構疋義120内之前，上述步驟3〇4中的阻障/晶種層可 共形地被形成在特徵結構定義12〇的暴露表面上，2作 為後續的銅沉積的晶種層，同時可避免後續的銅原子搪 散到周圍的低_k介電質内。在此類情沉中，在步驟216 22 201244006 =斤述的製程之後（即在已經移除犧牲介電材肖118之 後）’可執行上述步驟308令的後處理製程，以 形成的氧化錳（Mn〇x；)阻# 成自我 遷移阻抗”此外，電性性質(諸如電 叙、. 執仃上述步驟310中的金屬封裝製 ’以選擇性地沉積純化層在導電材料126上、一 步提升銅的表面純化。類似地，上述步驟312中= 帽蓋層的各種實例可被併入到步驟22〇中所描述的製程 内’以提供有效的阻障而避免銅遷移到周圍的層内。 相對於具有低-k介電質損壞問題的傳統製造機制，本 發明製程流程可在鑲嵌製程期間避免金屬線之間的超低 材料暴露於各種損壞製程（諸如㈣、剝除、濕式清 潔、預金屬清潔或CMP製程），而形成具有整合或總介 電常數接近低-k材料的塊閥的鑲嵌結構。在銅填充或犧 牲介電材料移除之前或之後所執行的各種金屬鈍化製程 可進—步提升銅電遷移阻抗並因此改善總元件效能。 儘官上述說明導向本發明的實施例，可在不悖離本發 明的基本範疇下設想出本發明的其他與進一步實施例， 並且本發明的範疇是由隨附的申請專利範圍來決定。 【圖式簡單說明】 可藉由參考本發明的實施例來詳細暸解本發明的上述 特徵’本發明的說明簡短地在前面概述過，其中該些實 施例的一些在附圖中圖示。但是應注意的是，附圖僅圖 23 201244006 示本發明的典型實施例，並且因此附圖不應被視為會對 本發明範臂構成限制，此是因為本發明可允許其他等 實施例。 第1A-1I圖圖示使用第2圖的製程次序的基材在不同 階段期間的示意剖視圖。 第2圖圖示根據本發明的一或更多個實施例用以製造 與蝕刻第1 A-11圖所圖示的雙鑲嵌結構的示範性製程次 序。 第3圖圖示用以製造與蝕刻單鑲嵌結構的示範性製程 次序。 第4A-4G圖圖示使用第3圓的製程次序的基材在不同 階段期間的示意剖視圖。 【主要元件符號說明】 1〇5介電基部層 11 〇底部阻障層 114低-k蝕刻終止層 11 8犧牲介電材料 12 0特徵結構定義 124阻障層 128雙鑲嵌結構 13 1溝槽特徵結構 107導電特徵結構 112第一介層洞介電層 116特徵結構定義開口 11 9硬罩幕材料 1 2 2光阻劑材料層 12 6導電材料 1 3 0阻障層 132超低-k (ULK)介電材料 24 134201244006 200 300 402 406 408 411 413 414 416 418 136犧牲介電層 202-226 步驟 302-314 步驟 404第一犧牲介電材料 407導體層 4 0 9阻障層 第二介層洞介電層 製程次序 製程次序 第一介層洞介電層 特徵結構定義 導電材料 晶種層 自我形成的氧化錳（MnOx)阻障層 超低-k(ULK)介電層 415鈍化層 第二介層洞介電層 417介電帽蓋層 第二犧牲介電材料 25

Claims (1)

  1. 201244006 七、申請專利範圍： 1。 一種用以形成一半導體結構的方法， ^ J ^ ^ 包含以下步驟： 沉積一犧牲介電材料在一介電基部層上方； 形成一鑲嵌特徵結構到該犧牲介電材料與該介 電基部層内； 以一導電材料來填充該鑲嵌特徵結構； 移除該經填充的鑲嵌特徵結構之間的溝槽區域 中的該犧牲介電材料； 以一低-k介電材料來填充該等溝槽區域；及 選擇性地沉積一鈍化層在該導電材料的一頂表 面上’其中該純化層包含姑或銘合金。 2. 如請求項1所述之方法’更包含以下步驟： 在移除該犧牲介電材料之前’共形地形成一阻障 層在該等溝槽區域的暴露表面上。 3 ·如請求項2所述之方法’其中該阻障層包含钽/氮化 组（Ta/TaN)。 4.如請求項3所述之方法，更包含以下步驟： 共形地形成一含鋼層在該Ta/TaN阻障層上。 5·如請求項4所述之方法’其中該含銅層包含一銅錳 (CuMn)合金。 26 201244006 6·如靖求項5所述之方法，更包含以下步驟： 使該鋼錳（CuMn)合金經歷一熱處理製程，以形成 自我形成的氧化錳（MnOx)層。 7. ^晴求項6所述之方法，其中該熱處理製程包含一電 漿處理 '—退火製程、一熱氧化製程或上述的組合。 8. 如晴求項6所述之方法，其中在移除該犧牲介電材料 的期間或之前執行該熱處理製程。 9. 種用以形成一半導體結構的方法，包含以下步驟： 沉積一第一介層洞介電層在一介電基部層上方； 况積一第一犧牲介電材料在該第一介層洞介電 層上方； ^形成期望的溝槽圖案到該第一犧牲介電材料與 該第—介層洞介電層内； 共形地沉積一導體層在該等溝槽圖案的暴露表 面上； ^ U —導電材料來填充該等溝槽圖案，並且平坦化 該導電材料以暴露該第一犧牲介電材料； 從該經填充的溝槽圖案之間的區域中移除該犧 牲介電材料；及 乂 超低-k介電材料來填充該經填充的溝槽圖 27 201244006 案之間的該等區域。 1 〇.如請求項9所述之方法，其中該導體層包含一銅猛 (CuMn)合金。 11.如請求項9所述之方法，其中該導體層包含一阻障層 與被沉積在該阻障層上的一晶種層。 12·如請求項n所述之方法，其中該阻障層選自從鈕、 氮化組、氮矽化钽、鈦、氮化鈦、氮矽化鈦、氮化鎢、 化妙、氮化釕、上述的衍生物、上述的合金與上述 的組合構成的群組。 1 3 .如請求項11所述之方法，其中該阻障層是一钽/氮化 钽（Ta/TaN)雙層。 14. 如請求項丨丨所述之方法，其中該晶種層包含一銅錳 (CuMn)合金。 15. 如請求項14所述之方法，其中該銅錳（CuMn)合金在 一氧化大氣中被熱處理以形成一氧化錳（MnOx)層。 1 6.如請求項9所述之方法，更包含以下步驟： 在移除該犧牲介電材料之後’選擇性地沉積一鈍 28 201244006 化層在被填充在該等溝槽圖案内的該導電材料上。 17.如請求項16所述之方法，其中該鈍化層包含鈷或一 銘合金。 18.如請求項17所述之方法，更包含以下步驟： 共形地形成一介電帽蓋層在該鈍化層上，該介電 帽蓋層包含 SiCN、SiN、SiC 或 SiOC/SiC。 19·如請求項18所述之方法，其中該第一介層洞介電層 /、4 ;|電基部層包含一介電常數介於約2與約$之間 的ϋ介電材料’並且該超低_k介電材料具有小於 約3的一介電常數。 20.如請求項 和該第 19所述之方法中該犧牲介電材料包含 介層洞介電層相同的材料。 29
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