TW418447B - Process for forming multilevel interconnection structure - Google Patents

Description

A7 41844 7 B7_ 五、發明說明（^ ) 本發明之背景 (a)本發明之領域 本發明係有關於一種用於形成半導體裝置之多層互連 (導線）結構之方法，並旦更特別地是有關於一種用於形 成具有較低電阻及較高佈局密度的銅層的多層互連結構 的方法。 (b )習知技藝之説明 在製造半導體裝置所使用的傳統導線製程中，鋁或錦 合金層偽被施加以微影與蝕刻步驟，以形成第一層互連。 其次，沈積一中間絶緣膜於該第一層互連上，接箸將其 平坦化。其次，形成介層孔於中間絶緣膜中，並以錫插 塞填充其。其次，沈積一層鋁或鋁合金層於中間絶緣膜 上，並施加以撒影與蝕刻步驟，以形成第二層互連。 由於多層互連結構的互建層敷的増加，用於製造半導 體裝置的方法將因徹影與蝕刻步驟的增加而變得複雜。 此外。由於互連間隔變得更徹細，故中間絶緣膜的覆蓋 容易不完全，而形成孔洞於其中。 在現階段之具有〇·1 8# m至D.20# m的半導體裝置中， 互連間距的減少將增加寄生電容量，故半導體裝置的性 能將易於因大R C時間常數而劣化。解決該問題的方法之 一偽為提供具有較鋁或鋁合金互連更低電阻值的銅互連 、。然而，銅蝕刻控制的困難度將使諸如沈積與後序蝕刻 步驟結合的一般性蝕刻無法使用。 用以形成多層銅互連結構的鑲埋法像特別引人注目。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --!/--IJ---裝 ------ 訂·！ 旋^> (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 41844 7 A7 B7 五、發明說明（> ) 以镶埋法所形成的多層銅互連結構將參考第1 A - 1 I圖而 做説明。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 參考第1A圖，一諸如BPSG (硼磷矽酸鹽玻璃）膜14等一 第一 S i 0 2膜傜形成於一矽基板1 2上。形成一介層孔（未 表示於圖中）於該第一 S i 0 2膜1 4中，以曝置出矽基板1 2 擴散區（源極/汲極區）部份。其次，諸如鎢插塞等導電 插塞係形成於介層孔中，以連接擴散區與上面互連。 其次，如第1B_所示，一第二Si02層16係以電漿CVD 法形成於該第一 SiO 2層14上。該電漿CVD法使用諸如矽 烷（S i Η 4 )與氧（0 2 )做為反應氣體。 其次，如第1C圖所示，形成一光阻層18於該第二Si02 層1 fi上。以微影及蝕刻步驟刻割光阻層1 8 ,以形成互連 用之具有圖案於其上的經刻劃罩幕1 8。其次，該第二 !U0 2層1 fi偽使用經刻劃罩幕18作為蝕刻罩幕而被蝕刻 ，以形成導線溝渠2G,其將曝置出在其底部之形成於Si02 層14中的導電插塞（未表示於圖中） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 其次，該罩幕18傺以使用諸如具有平行板電極的電漿 灰化条統等氧氣電漿灰化法移除。灰化用的RF電壓俗施 加於電漿灰化条統的上下電極間。 其次，如第1D圖所示，毯覆式地沈積一作為阻障層的 TiN層22於晶圓上。此外，沈積一銅層24於該TiN層22上 ，以填充導線溝渠2 0。 其次，施加化學機械研磨（CMP)步驟於銅層24及TiN層 22上，直至Si02層16頂端曝置出為止，以形成第一層 -4 -本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A7 41844 7 _B7_ 五、發明說明（—） 銅互連24於該溝渠中，如第1E圖所示。該第一層銅互連 24係與在其底部的導電插塞（未表示於画中）電接觸，其 中該插塞傜曝置於銅互連頂端表面並鑲埋於Si02層14 中。 此外，形成諸如BPSG層等一第三Si02層26於該第二 Si〇2層16及該第一層互連24上。其次，形成一光阻層28 於該第二S i 0 2層2 6上β刻劃該光阻層2 8以形成經刻劃 罩幕28。其次，如第〇_所示，該第三3102層2 6俗以 使用經刻劃罩幕28作為蝕刻罩幕的電漿蝕刻法而選擇性 地蝕刻，以形成曝置出第一層銅互連24頂端的介層孔30。 其次，該經刻劃罩幕2 8係以氧氣電漿灰化法移除， 其灰化條件類似於刻劃罩幕1 8所使用者。在氧氣電漿灰 化製程期間，該第一層銅互連24傷經由介層孔30於曝置 於氧氣電漿氣氛中。 其次，如第1G圖所示，毯覆式地沈積一作為阻障層 的TiN層32於晶圓上，接箸沈積一鎢層34於TiN層32上。 其次，施加CMP於TU層32與鎢層34上，直至第三Si02 層26頂端曝置出為止，以留下填充介層孔30的鎢插塞34 ，如第1 Η圖所示。 此外，以電漿C V D法形成一第四S i 0 2層3 8於該第三 Si 〇2層26上。如第一層銅互連24的狀況一般，一導線 溝渠傜形成於該第四Si02層38中。形成一 TiN層40於該 第四Si02層上，接著沈積另一銅層42於TU層40上。施 加CMP於TiN層40及銅層42上，以將第二層銅互連42留置 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） l — 丨 — 丨丨丨 · I I i — I - II 丨- — I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 41844 7 A7 _B7_ 五、發明說明（4 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 於溝渠中。為於導線溝渠形成後移除蝕刻罩幕，氣氣電 漿灰化偽於相似移除罩幕1 8及2 8所使用的條件下執行。 在氧氣電漿灰化期間，鎢插塞34係經由在第四Si02層38 中的導線溝渠而曝置於氣氣電漿氣氛。 上逑之用於形成多層銅互連結構的鑲埋製程包含有該 第一與第二層銅互連電阻的增加以及互連與鎢插塞間之 接觸阻值的増加。 該電阻與接觸阻值的增加將限制多層互連結構中之更 撤細互連間距與更多層數的完成，因而阻礙更高聚集度 之半導體裝置的完成。 上述問題亦發生於一般傳統製程中，所包含有的步驟 為：形成一銅層；刻割銅層以形成銅互連；以中間絶緣 層鑲埋銅互連；轉置介層孔圖案於中間絶緣層上；以及 形成該介層孔。 本發明之概要 鑑於上述，本發明之一目的偽為提供一種用於形成具 有較低電阻及較低互連接觸阻值的多層銅互連結構的方 法。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本發明俗提供一種用於製造多層半導體裝置互連結構 的方法，其所包含有的步驟為：形成具有一頂端銅層且 位於基板上的第一層互連；形成一第一中間層絶緣層於 該第一層互連上；形成一光阻罩幕於該第一中間絶緣層 上；具有窗口的光阻罩幕係位於部份的第一層互連上； 使用該光阻罩幕選澤性地蝕刻該第一中間絶緣層，以形 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） :41S44I a? __B7_ 五、發明說明（t ) 成曝置出部份第一層互連的介層畀；在基板溫度低於 16i)°C且RF功率未高於〇,7watts/cm2下，使用電漿灰化 法移除光阻罩幕的頂端部份；以及形成經由介層孔而連 接至第一層互連的第二層互連。 .〆 根據本發明之方法，蝕刻罩幕的頂端部份葆以氧氣電 漿灰化法移除，以將銅互連曝置於氧氣電漿氣氛。在低 於160°C的基板溫度與且RF功率未高於G,7watts/cra2下 所執行的氧氣電漿灰化法可避免銅互連的氣化並完成具 有較低電阻的多層銅互連結構。藉由本發明之方法，可 改良半導體裝置的聚集度與佈局密度。 用於形成銅互連之本發明的方法並非僅限於任何特定 的製程。該製程的範例包含一鑲埋製程、一雙鑲埋製程 以及包含下列步驟的一般製程：沈積一銅層；形成一作 為罩幕的光阻層；以及使用該罩幕蝕刻錮層以形成銅互 連〇 本發明之上述及其他曰的、特徵與餍點將參考附圔而 由下列說明變得更清楚。 圖式之簡單說明 第1Α-1Ι圖傺為表示用於形成雙層銅互連結構之傳統 方法與根據本發明之實施例的步驟的晶圓的橫截面圖； 第2圔傜為表示基板溫度與電漿灰化期間所形成之銅 氣化層厚度的關僳圖； 第3圓偽為表示光阻移除速率與電漿灰化期間之基板 溫度的關偽圖；以及 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 成，-------訂.--------線“ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7

41844 T 五、發明說明（έ ) 第4圖係為表示電漿灰化条统組成的示意區塊圔β 較佳實施例之說明 在説明本發明之實施例前，本發明之原理將先被説明 以明瞭本發明。吾人已研究出有關形成銅多層互連結構 用之镶埋法之銅互連雷阻增加的原因竑已發現下列原因。 根據傳統鑲理法，當形成於中間絶緣層中的介層孔以 錫镇充而形成_插塞時，作為蝕刻罩幕的光阻層傺以氣 氣電漿灰化法移除，而將下面的互連曝置於氧氣電漿氣 氛。 在此特性，吾人已發現所曝置的銅互連表面你被氧化 而形成諸如CU2 〇或CuO等銅氧化層，其將造成ϋ插塞與 銅互連間之接觸阻值的增加。吾人亦發現電阻増加僳正1 比於形成於銅互連曝置表面上的銅氧化層厚度。 吾人已研究出基板溫度與在不同單位基板面積之RF輸 出功率值下所形成於銅互連上之銅氧化層厚度間的關偽 。其結果如第2圖所示。 在第2圖中，當基板溫度超過16(TC時，銅氣化層厚 度將急遽增加，與RF輸出功率無關，而造成銅互連與鍚 插塞間之接觸阻值的增加。此外，在特定的基板溫度下 ，當RF輸出功率超過0.7W/cm2時，銅氣化層厚度將急 遽增加，而造成銅互連與鎢插塞間之接觸阻值的增加。 應注意地是，所舉例之RF輸出功率為0.0W的狀況偽僅為 作為比較的目的而表示，並非實際的狀況，因為光阻罩 幕的灰化不會在RF輸出功率為0.0W時進行。 -8 - 私紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 11 I I 11 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 41844 T_;_ 五、發明說明（了） 現將説明光阻移除速率的下限。光阻移除速率將隨偏 闞功率的減少而減少。第3圖傜表示光阻移除速率取決 於基板溫度β因為典型的光阻層厚度大約為7㈣n m ,故 在偏壓功率密度7 W / c m 2且某板溫度未高於1 Q Q°C畤，光 阻移除速率將減少至1 〇 〇 nm / m i ϋ。在本案例中，光阻罩 幕的移除最少花費1 0分鐘，以加工時間的觀點而言，其 並不實用。因此，實用的光阻移除基板溫度範圍傜出大 約1 0 0 °C至低於1 6 0 °C的溫度。 基於上逑的發現，本發明的結論為用於以氣氣電漿灰 化移除作為蝕刻罩幕之光阻層的製程條件應包含低於 160°C的基板溫度以及每單位某板面積未高於0.7W/cin2 的RF輸出功率。 在用於形成銅互連之本發明的方法中，沈積銅層用的 方法並未特別限定《該方法的範例包含濺鍍、電鍍及C V D 。所沈積之銅層的銅純度可為 本發明所使用的電漿灰化条統形式並未特別限定。該 電漿灰化条統的範例包含平行板式、下流式及ICP式。 以銅氣化的觀點視之，只要能産生氣氣電漿，則電漿 {請先閲讀背面之注意事項再填窝本頁) 裝--------訂---------線. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本具 ή 化。Λ灰 明，漿 説法Μ電 地方®行 細埋t執 詳鑛厚申 而的法 式構CA 方' 圖結00埋 者連30鑲 。 參互至的 低將層00例 量例雙20施 盡施造如實 應實製諸本 壓之於有在 。 氧明用具以統 的發於並用糸 中本中連示化 統，集互表灰 条在偽製地漿 化現明鋼意電 灰 發有示的 本紙張尺度適用中國國家標準<CNS)A4規格（210 X 297公釐〉 A7 41844 7 B7_ 五、發明說明（^ ) 在第4圖中，電漿灰化条統50偽為平行板式並包含有 一灰化室52、一平板式頂端電極54及一平板式底部電極 5 6。該頂端與底部電極5 4與5 (3係平行排列且放置於灰化 室52中。 該電漿灰化务統5 0更包含有一使灰化室5 2真空化的真 空幫浦5 8、一用以在頂端電極5 4與底部電極5 6間施加ίϊ F 電壓的RF源60以及一用以供應反應氣體室灰化室52的氣 體供廳糸統62。電漿偽産生於頂端電極54輿底部電極56 間，以施加電漿灰化於置於底部電極5 6上的晶圓。 氣髖供應条統62包含有一做為反應氣髏來源的氣筒64 及一用以控制反應氣體流速的流量控制器S6。 本實施例之方法偽參考第ΙΑ-II圖做説明。本實施例 之方法偽類似於形成銅互連用之傳統方法，除了本實施 例在氣氣電漿灰化步驟中所使用的灰化條件及使用銅插 塞取代鴒捅塞以外。 如第1Α圖所示，形成一第一Si02層（例如，BPSG)14 於矽基板12卜。形成介層孔（未表示於圖中）於該第一， Sit) 2層中，以曝置出矽基板12的部份擴散區（源極/汲 極區）。形成一諸如鎢插塞等導電插塞（未表示於圖中） 於介層孔中，以建接擴散區與上面互建。 其次，如第1B画所示，一第二Si02層16偽以電漿CVD 法彤成於該第一 Si02層14上。該電漿CVD法使用諸 如矽烷（SiH4)與氧（02)做為反應氣體。 其次，如第1C圖所示，形成一光阻層18於該第二&iG2 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) /裝--------訂---------線、 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 41844 7 A7 __B7五、發明說明（9 ) 2 ο 有 S 具二 成第 形該 以’ •次 18其 0 阻18 光幕 割罩 刻劃 驟刻 步經 刻的 蝕上 及其 影於 撤置 以轉 。案 上圖 16連 層互 刻 S 蝕於 被成 而形 幕之 罩部 刻底 nKJ」、 融其 為在 作出 8 1L 1 置 幕曝 罩將 盡其 蒭 ， 經20 用渠 使溝 m 線 16導 層成 形 以 層 中 圖 於 .示 表 未 rfv 塞 插 電 導 的 中 I F P 如 灰 癀 H9 tMnl 氣 氧 的 。統 料糸 材化 阻灰 光漿 的電 用用 幕使 罩以 諸阻偽 用光18 使等幕 m3)罩 Μ産^ 砠的* 實r次 本 d’其 1ί灰 幕漿 罩電 除的 移行 則執 ，下 成件 製條 銷列 由下 塞在 插用 電使 導好 若最 -化 如灰 例漿 i o ο 除氣50 移氧統 法的糸 化用化 P 速 o -c F D 5 ^ Γ R 1 :1及0Γ積第 度體1T面如 溫氣:3位， 板應壓單次 基反室每其 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) :裝--------訂----- 線、 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 上 圓 晶 於 2 2 層 的上 層22 障層 阻 i 為Γ 作1 積 2 m 沈 /C地 7¥式 0.覆 : 毯 率’ 功示 出所 輸圔 該 於 4 2 層 銅1 稹 沈 外 此 磨i第 ff -9 Π 胡 .1¾ 。械 20機11中 渠學2)1渠 溝化02溝 線加S1該 導施至於 充 ，直 2 瑱次 ，連 以其上互 2 ] ， 2 銅 及一 24第 層成 銅形 於以 驟 ， 步止 P)為 CCH53 曝 端 頂 第 該 的 示 所 0 示 所 圔 層 層 INB 一 T 層 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A7 41844 7 B7_ 五、發明說明（t。） 銅互連24傺與在互連24底部的導電插塞（未表示於面中） 電接觸，其中該插塞係曝置於銅互連頂端表面並鑲埋於 在互連2 4二測的第二S i 0 2層1 6中。 此外，一第三Si02 (諸如BPSG)層26於該第二Si02層 1 6上。形成另一光阻庸2 8於第三S i 0 2層2 6上。刻劃該光 阻層2 8以形成經刻劃罩幕2 8。其次，如第1 F園所示，該 第三S i 0 2層2 6係以氧氣電漿蝕刻法蝕刻，以形成曝置 出第一層銅互連2 4頂端的介層孔3 Q。本實施例僳使用諸 如 PFI-15(Sumitomo Cheeical Co., Ltd.的産品）等光 阻罩幕用的光阻材料。 其次，該經刻劃罩幕28傜以使用電漿灰化糸統50的氧 氣電漿灰化法移除，其灰化條件類似於上所指定者。在 氧氣電漿灰化製程期間，該第一層銅互連2 4頂端像經由 介層孔30於曝置於氣氣電漿氣氛中。 其次，如第1G圖所示，毯覆式地沈積一作為阻障層的 TiN層32於整個晶圓表面上、接著沈積一銅層34於TiN層 32上。 其次，施加CMP於TiN層32與銅層34上，直至第三Si02 層26頂端曝置出為止，以留下填充介層孔3Q的銅插塞34 ，如第1H圖所示。 此外，以電漿CVD法形成一第四Si02層38於該第三 Si02層2(3上。如第一層銅互連24的狀況一般，一導線 溝渠傷形成於該第四Si02層38中。形成一 TiN層40於該 第四Si02層上，接著沈積S —銅層42於TiN層40上。施 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -----Ί---«----^裝--------訂---------^1 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 41844 7 A7 _B7 五、發明說明（、·） 加，CMP於TiN層40及銅層42上，以形成第二層銅互連42。 為於第二層銅互連42用的導線溝渠形成後移除蝕刻罩 幕，該氧氣電漿灰化傜使用電漿灰化糸統5 0並於相似移 除罩幕2 8的灰化條件下執行。在氧氣電漿灰化期間，銅 插塞34傜經由導線溝渠而曝置於氣氣電漿氣氛。 上述實施例傜參考移除整個罩幕18或28的氣氣電漿灰 化法做說明。然而，氣氣電漿灰化的應用並非僅限於此。 例如，僅罩幕18或28的頂端部份可以氧氣電漿灰化移除， 即殘留的罩幕部份可使用清洗溶液移除，諸如丙_或任 何其他有機溶劑。 雖然上述實施例僅作為説明用的範例，然而本發明並 不僅限於上述實施例且各種改良或改變將可於不背離本 發明之範疇下為熟習本技藉之人士所為之。 ---------r---^裝·！_!!訂------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. 41844 7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8、申請專利範圍 1. 一種用於製造半導體裝置之多層互連結構的方法，所 包含有的步驟有：形成具有一頂端銅層且位於基板上 的第一層互連；形成一第一中間層絶緣層於該第一層 互連上；形成一光阻罩幕於該第一中間絶緣層上；具 有窗口的光阻罩幕係位於部扮的第一層互連上；使用 該光阻罩幕選擇性地蝕刻該第一中間絶緣層，以形成 曝置出部份第一層互連的介層孔；在基板溫度低於 160°C且EF功率未高於0.7watts/cm2下，使用電槳灰 化法移除光阻罩幕的頂端部份；以及形成經由介屑孔 而連接至第一層互連的第二層互連。 2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該第一層互連形 成步驟包含有沈積一銅層於具有窗口溝渠的下面絶緣 層上，並化學機械研磨該銅層，以留下部份的該銅層 於該開口溝渠申，而形成該第一層互連。 3. 如申請專利範圃第1項之方法更包含有在該第二層互 連形成步驟前形成镇充該介層孔之升層插塞的步驟， 以連接該第二層互連及該第一層互連。 4. 如申請專利範圍第3項之方法，其中該介層插塞包含 銅。 5. 如申請專利範圍第4項之方法，其中該第二層互連形 成步驟包含有：沈積一第二中間絶緣層於該第一中間 絶緣層上；形成另一光阻罩幕於該第二中間絶緣層上 ;使用該另一光阻罩幕選擇性地蝕刻該第二中間絶綠 層，以形成曝置在其底部之該介層插塞的另一溝渠； -1 5 - (請先閲ttt·面之生奮事項再填窝本頁) 裝------ . 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）