TW392325B - Structure of metallization and process thereof - Google Patents

Description

I 2703TWF.DOC/006 A7 B7 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 五、發明説明（/ ) 1 本發明是有關於一種金屬化製程（metalization)與結 構，且特別是有關於一種抗最頂層銅（top-copper layer) 內連線氧化的製程與結構。此銅內連線的製作係屬於金屬 化的後段製程。 在VLSI甚至ULSI半導體的製程上，隨著元件尺寸日益 減小，以及積體電路積集度的增加，因此必須在晶片上製 作兩層以上的金屬層，使得其可以在有限的晶片表面上製 作高密度的金屬內連線（metal interconnects)，以配合 曰趨精密且複雜的積體電路的發展需求金屬層的材料通 常爲鋁，但當元件的設計準則(design rules)越趨細密之後， 對低電阻及高可靠度的金屬層的要求亦隨之升高，由於銅 的導電性及可靠度比鋁好，因此金屬銅便爲一最新的金屬 材料趨勢。 請參照第1A圖至第1C圖，其所繪示的爲習知一種金 屬化製程的剖面示意圖。首先，請參照第1A圖，提供半 導體基底10，其上已形成許多元件結構，包括電晶體等。 然後’在半導體基底10上形成多層的銅金屬內連線層結 構，此處僅用一內連線層12來表示。之後，內連線層12 的最上層14，爲電性外接銲墊之用。 接著’請參照第1B圖’在頂層14上形成覆蓋層16， 其材質通常爲矽的氮化物，例如SiN或SiON。覆蓋層16 的形成方式較佳的是化學氣相沈積法（CVD)。然後，在覆 蓋層16上形成保護層18,其材質例如爲硼磷矽玻璃 (BPSG)、磷矽玻璃（PSG)、旋塗玻璃（S0G)或是其他的介電 背

I 旁 裝 訂 本紙張尺度速用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公漦） 27〇3TWF.DOC/006 A7 B7 五 '發明説明（1) 材料。保護層18的形成方式較佳的亦是化學氣相沈積法 (CVD)。 接著，請參照第1C圖，進行微影與蝕刻製程，依序 蝕刻保護層18與覆蓋層16，露出頂層14。定義出銲墊窗 ^(paci window)的結構，其用以電性外接銲墊之用。 上述之銅金屬層14製作的主要問題爲最頂層的銅暴 _於空氣中，在外接銲墊前或接銲時極易造成銅的氧化， 使其導電度及可靠度降低，嚴重時更會形成斷路而破壞整 個1C。 有鑑於此，本發明的主要目的就是在提供一種金屬化 _程與結構，其目的是在習知的最上層銅內連線上，加上 〜層薄的導電層。此導電層的性質不同於銅，可以防止銅 暴露於空氣中，並避免銅所產生的氧化現象。 爲達成上述之目的，本發明提出一種金屬化的結構， 其結構包括’ 一半導體基底，在其上已設有多層銅內連線 ® ° —保護層，保護層的材料包括磷矽玻璃（PSG)或是 SW。此外’ 一銲墊窗開口，其設在保護層中。還有一導 電靥’其設在銲墊窗開口中與週緣。導電層的材料與銅的 材料·不同’目的用以保護最上層的銅，使頂層的銅不會暴 胃於空氣中。導電層的材料取捨可配合銅內連線製程中所 用的材料’例如鋁、鉋、氮化鉅（TaN)、氮化鈦（TiN)或氮 化鶴（WN)等。 爲達成上述之目的，本發明提出一種金屬化製程，其 製程包括’首先提供一半導體基底，在其上已形成多層銅 I^ . I^11------'.^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央榡隼局貝工消費合作社印製

經濟部中央標準局員工消費合作社印製 2703TWF.DOC/006 八7 __B7 五、發明説明（3>) 內連線層。然後，在頂層的銅上形成蓋絕緣層，以及在蓋 絕緣層上形成保護層。蓋絕緣層的材料包括氮化矽（SiN) 或氮氧化矽（SiON)，保護層的材料包括磷矽玻璃（PSG)或 是SiN。接著，進行微影與蝕刻法，在蓋絕緣層與保護層 中形成一銲墊窗開口。然後，在銲墊窗開口中與保護層上 形成導電層’導電層的材料與銅的材料不同，用以保護最 頂層的銅，使其不會暴露於空氣中。導電層的材料取捨可 配合銅內連線製程中所用的材料，例如鋁、鉬、氮化钽 (TaN)、氮化鈦（TiN)或氮化鎢（WN)等。之後，進行硏磨步 驟，硏磨導電層至露出保護層。 爲讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明 顯易懂’下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳 細說明如下： 圖式之簡單說明： 第1A圖至第1C圖，其所繪示的爲習知一種銅內連線 之金屬化製程的剖面示意圖；以及 第2A圖至第2E圖，其所繪示的爲根據本發明之一較 佳實施例，一種抗頂層銅氧化之金屬化製程的剖面示意 圖。 其中’各圖示之標號所代表的元件結構如下： 10 ’ 20 :半導體基底 12 ’ 21 :銅內連線層 14 ’ 22 :最頂層的銅內連線 16 ’ 23 :覆蓋層 5 本紙張从適用中國困家碎（CNS >从胁（210x 297公着 - 1^ ,:—^------1T------% (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 2703TWF.DOC/006 A 7 ______B7 、發明説明（十） ‘ 18，24 :保護層 19，25 :銲墊窗 26，26a :金屬層 實施例 本發明係屬於金屬化製程（metalization)的後段製 程’亦即在銅金曆內連線（metal interconnects)完成之 後，通常因爲最頂層的銅內連線暴露於空氣中，而容易與 空氣中的氧作用，產生氧化現象，使得元件的可靠性及導 電度降低。本發明的特徵即是在最頂層的銅上加上一層薄 的金屬層，例如鋁（A1)、钽（Ta)、氮化钽（TaN)、氮化鈦 (TiN)或氮化鎢（WN)等，可用以防止與保護此頂層的銅， 避免銅暴露於空氣中，來防止銅的氧化。 請參照第2A圖至第2E圖，其所繪示的爲根據本發明 之一較佳實施例，一種金屬化製程的剖面示意圖。首先， 請參照第2A圖，提供半導體基底20，在半導體基底20上 已形成有許多元件結構，包括金屬層或是電晶體等結構。 然後’在半導體基底20上形成多層的金屬內連線層結構， 此處僅用一內連線層21來表示，而22表示最頂層的銅內 連線層（top layer)。此頂層22可以電性外接銲墊。 接著，請參照第2B圖，在頂層22上形成覆蓋層23(cap layer)，其材質通常爲矽的氮化物，例如氮化矽（siN)或 氮氧化矽（SiON)。覆蓋層23的形成方式較佳的是化學氣 相沈積法（CVD)。然後，在覆蓋層23上形成保護層 24(passivation layer)，其材質例如爲硼磷砂玻璃 — _ I^、1Τμ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 27〇3TWF.DOC/006 A 7

經濟部中央梂準局貝工消費合作社印製 i、發明説明（夕） QPSG)、磷矽玻璃（PSG)、旋塗玻璃（SOG)或是其他的介電 材料，亦可以爲SiN。保護層24的形成方式較佳的是化學 氣相沈積法（CVD)。 接著，請參照第2C圖，進行微影（lithography)與蝕 刻（etching)製程，依序蝕刻保護層24與覆蓋層23，露出 頂層22。於是定義出銲墊窗25(pad window)的結構，其 用以連接銲墊之用。 然後，請參照第2D圖，在銲墊窗25中與保護層24 上形成薄的導電層26，例如鋁、鉬、氮化钽（TaN)、氮化 欽（TiN)或氮化鎢（WN)等。此導電層26爲本發明的特徵， 其可用以防止與最頂層的銅，避免頂層22的金屬銅暴露 於空氣中。導電層26的形成方式可爲濺鐽法（sputtering) 或是化學氣相沈積法（CVD)。 接著，請參照第2E圖，進行化學機械硏磨法（CMP)， 硏磨導電層26至露出保護層24爲止，留下在銲墊窗25 中的導電層26。於是完成本發明的金屬化製程。 綜上所述，本發明所提出之金屬化製程與結構，具有 以下的好處： (1) 本發明在最頂層銅22上形成薄導電層26,可以使 銅頂層22結構較強健，即使暴露在空氣中，亦不容易產 生氧化作用，因此可以使得後續電性連接銲墊時，維持良 好的導電性，提高元件的穩定性》 (2) 本發明與現有銅的製程技術相容，導電層26所用 的材料或CMP技術皆與銅內連線上現有 7 本紙張尺度適用中國圈家橾率（CNS > A4规格（210X297公釐） 〆1裝------訂 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 2703TWF.DOC/006 A7 B7 五、發明説明（6) 技術相同，而無須添購額外的機台。 綜上所述，雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上， 然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離 本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此 本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者爲 準。 I:-------裝------訂------J (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家搮準（CNS ) A4現格（210X297公釐）

Claims (1)

1. A8 A8 經濟部中央標準局男工消费合作社印製 2703TWF.DOC/006 ___D8 六、申請專利範圍 ‘ 1.一種金屬化製程，其中提供一半導體基底，在該半 導體基底上已形成一多層銅內連線層，該多層銅內連線層 包括一頂層銅，該製程包括下列步驟： 在該頂層銅上形成一保護層； 進行微影與蝕刻法，在該保護層中形成一銲墊窗開 口；以及 在該銲墊窗開口中與該保護層上形成一導電層，該導 電層的材料與該頂層的材料不同，用以保護該頂層銅，使 該頂層銅不會暴露於空氣中。 2. 如申請專利範圍第1項所述之製程，其中更包括在 該頂層與該保護層之間形成一蓋絕緣層。 3. 如申請專利範圍第2項所述之製程，其中該蓋絕緣 層包括氮化矽（SiN)，其形成方式包括化學氣相沈積法 (CVD)。 4. 如申請專利範圍第2項所述之製程，其中該蓋絕緣 層包括氮氧化矽（SiON)，其形成方式包括化學氣相沈積 法。 5. 如申請專利範圍第1項所述之製程，其中該保護層 包括磷矽玻璃（PSG)，其形成方式包括化學氣相沈積法。 6. 如申請專利範圍第1項所述之製程，其中該保護層 包括氮化矽，其形成方式包括化學氣相沈積法。 7. 如申請專利範圍第1項所述之製程，其中該導電層 包括鋁。 8. 如申請專利範圍第1項所述之製程，其中該導電層 9 本紙張尺度適用中國國家揉準(CNS > A4规格（210X297公釐） ~ — 1^-------'f丨裝------訂 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 2703TWF.DOC/006 A8 B8 昱 六、申請專利範圍 包括鉬。 9. 如申請專利範圍第1項所述之製程，其中該導電層 包括氮化钽（TaN)。 10. 如申請專利範圍第1項所述之製程，其中該導電層 包括氮化鈦（TiN)。 11. 如申請專利範圍第丨項所述之製程，其中該導電層 包括氮化鎢（WN)。 12. 如申請專利範圍第1項所述之製程，其中更包括進 行硏磨製程，硏磨該導電層至露出該保護層。 13. —種金屬化製程，該製程包括下列步驟： 提供一半導體基底，在該半導體基底上已形成一多層 銅內連線層，在該多層銅內連線層的最上層爲一頂層銅； 在該頂層銅上形成一蓋絕緣層； 在該蓋絕緣層上形成一保護層； 進行微影與蝕刻法，在該蓋絕緣層與該保護層中形成 一銲墊窗開口； 在該銲墊窗開口中與該保護層上形成一導電層，該導 電層的材料與該頂層銅的材料不同，用以保護該頂層銅， 使該頂層銅不會暴露於空氣中；以及 進行硏磨步驟，硏磨該導電層至露出該保護層。 14. 如申請專利範圍第13項所述之製程，其中該蓋絕 緣層包括氮化矽（SiN)，其形成方式包括化學氣相沈積 法。 15. 如申請專利範圍第13項所述之製程，其中該蓋絕 10 本紙張尺度逍用中國國家梯準（ CNS ) A4規格（210X297公釐） —— —Μ— ϋ n ^~ 裝I — I 訂—-I — I--外 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央揉準局貝工消费合作社印製 經濟部中央標準局員工消费合作社印裝 392325 A8 2703TWF.DOC/006 B8 六、申請專利範圍 緣層包括氮氧化矽（SiON)，其形成方式包括化學氣相沈積 法。 16. 如申請專利範圍第13項所述之製程，其中該保護 層包括磷矽玻璃（PSG)，其形成方式包括化學氣相沈積 法。 17. 如申請專利範圍第13項所述之製程，其中該保護 層包括氮化矽，其形成方式包括化學氣相沈積法。 18. 如申請專利範圍第13項所述之製程，其中該導電 層包括鋁。 19·如申請專利範圍第13項所述之製程，其中該導電 層包括鉬。 20. 如申請專利範圍第13項所述之製程，其中該導電 層包括氮化钽（TaN)。 21. 如申請專利範圍第13項所述之製程，其中該導電 層包括氮化鈦（TiN)。 22. 如申請專利範圍第13項所述之製程，其中該導電 層包括氮化錄（WN)。 23. 如申請專利範圍第13項所述之製程，其中該硏磨 步驟包括化學機械硏磨法（CMP)。 24. —種金屬化的結構，該結構包括： 一半導體基底，在該半導體基底上已設有一多層銅內 連線層； 一頂層銅，設在該多層銅內連線層上； 一保護層，設在該頂層銅上； ! 1 表紙張尺度逍用中國鬮家梯準（CNS ) A4规格（210X297公釐) ~~~~-— I.·*. I裝 訂------、泳 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) A8 B8 C8 D8 27n 392325 /7〇3TWF.DOC/006 申請專利範圍 '一銲墊窗開口，設在該保護層中；以及 一導電層，設在該銲墊窗開口中與週緣’該導電層的 材料與該頂層銅的材料不同，目的用以保護該頂層銅，使 該頂層銅不會暴露於空氣中。 25. 如申請專利範圍第24項所述之結構’其中更包括 在該頂層與該保護層之間設有一蓋絕緣層。 26. 如申請專利範圍第25項所述之結構’其中該蓋絕 緣層包括氮化矽（SiN) 〇 27. 如申請專利範圍第25項所述之結構’其中該蓋絕 緣層包括氮氧化矽（SiON)。 28. 如申請專利範圍第24項所述之結構’其中該保護 層包括磷矽玻璃（PSG)。 29. 如申請專利範圍第24項所述之結構’其中該保護 層包括氮化矽。 30. 如申請專利範圍第24項所述之結構’其中該導電 層包括鋁。 31 .如申請專利範圍第24項所述之結構’其中該導電 層包括鉅。 32. 如申請專利範圍第24項所述之結構，其中該導電 層包括氮化鉅（TaN)。 33. 如申請專利範圍第24項所述之結構，其中該導電 層包括氮化鈦（TiN)。 34. 如申請專利範圍第24項所述之結構，其中該導電 層包括氮化鎢（WN)。 本紙浪尺度逍用中國國家梯率（CNS > A4规格（210X297公釐 I:-------, 1¥------^------I (請先閲讀背面之注$項再填寫本頁) 經濟部中央梯準局身工消費合作社印装