TW442937B - Method for forming interconnections in semiconductor devices - Google Patents

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44293 7 A7 B7 五、發明說明（ 發明之背f 1. 發明之领域 本發明係關於一種形成半導體元件中内連線的方法，更 具體而言’係關種於半導體元件中的接觸窗或介層洞 内形成插塞以連接位於該孔洞以上以及以下之導電層的方 法。 2. 先前技藝之說明 隨著積體電路技術的發展，如何在有限的空間製造出最 多的兀件 > 成為技術上需要不斷突破與克服的課題。以接 觸窗或介層洞連接上下二層導電層是普遍用來形成半導體 元件中内連線的技術。當接觸窗或介層洞的尺寸隨著製程 要求不斷縮小的同時，如何在其中形成良好的導電插塞以 連接上下二導電層，使得導電效果不至於因為尺寸縮小而 變差*是最重要的難題之一。 習知形成半導體元件中内連線的方法之一，是在形成於 半導體基材上之介電層中形成一孔洞。該介電層以下具有 一第一導電層。該第一導電層可以是植入摻雜物的半導體 基材部分或者是任何導電層。接著沈積一層通常是由鈦所 組成的接觸滑在孔洞的内部表面、以及一層通常是由氮化 鈇所組成的阻障層在接觸層上。然後沈積一第二導電層填 滿孔洞以形成一導電插塞。灸再形成一第三導電層於該 第二導電層上，使得該第三^電層藉由孔洞中的第二導電 層與其下的第一導電層，如此即可以形成内連線。 在上述習知方法中，接觸層係用以有效接合孔洞中原本 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) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 .ki-----"—訂 *---!_!線！、--I-------- 44293 7 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 一 _B7___.五、發明說明（2 ) 接合效果不佳的金屬第二導電層以及介電層，而且輿底下 的第三導電層產生良好的歐姆接觸。例如，當第三導電層 含有矽時，接觸層鈦與矽反應形成鈦化矽化合物，可以形 成有效的歐姆接觸。阻障層則係用以保護接觸層不會受到 後續步騾沈積第二導電層時所使用的反應性氣體破壞。例 如，第二導電層通常為鎢化合物。於形成鎢插塞過程中需 要使用V、氟化鶴’而六肌化鶴會形成反應性的獻離子攻擊 接觸層。 由於使用習知方法無法避免阻障層因為沈積過程覆蓋不 良造成接觸層裸露且遭受氟離子的攻聲，所造成的接觸層 流失、接觸層與阻障層剝離以及沈積物隆起之火山效應等 問題。因此，有所謂的快速退火製程引入該方法中。美國 專利號碼第5，5 9 1，6 7 2號揭示一種退火製程，其在—接觸窗 内沈積鈦接觸層以及氮化鈦阻障層之後，先通入氨氣且加 溫至攝氏700度以上進行快速退火處埋，使氨氣與裸露的鈦 接觸層反應形成氮化鈦以避免受氟離子的攻擊，然後再沈 積金屬層填滿接觸窗《 其加溫方式是在快速升溫退火反應腔内通以標準狀態下 每分知—十升的氮氣且溫度為攝氏350度至450度時將冷的 晶圓片置入，然後開始第一段升溫，反應腔快速升溫至攝 氏5 7 5度至6 2 5度’停留6 0秒:終進行第二段升溫，快速升溫 至攝氏7 0 0度至7 4 5度，二階段升溫過程中所通入的氣體皆 為標準狀態下每分鐘二至五升的氨氣，然後通入標準狀態 下每分鐘二十升的氮氣將溫度快速下降到攝氏35〇度，然後 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公髮） (請先間讀背面之注意事項再填寫本頁) '哀·！--- -丨訂！--.--*線— .-i I ί I I n 1 I h I I- I I 1 ! I n I I I I .

R ’ 44293 7 Α7 Β7 經濟部智慧財產局員工消費合ΐ4 五、發明說明（ 將晶圓片取出。 該方法雖然可以減輕火山效應，然而在半導體元件進出 石英加熱腔體的快速退火製程中，使用的氣體是氨氣、升 溫模式為兩段式、而且最高溫高達攝氏7〇〇度以上。其缺點 是氨氣為空氣污染物’無法直接排出，需要經過廢氣處 理。再者’高溫會破壞接觸窗底下的導電層材質，例如源 極/汲極的換雜物，導致元件損壞，並且降低良率。 而美國專利號碼第5,5 9 1,67 1號所揭示的内連線方式，雖 然也有進行南溫處理，然而其係在沈積鈦接觸層以及氮化 鈦阻障層之後，先沈積金屬層填滿接觸窗，然後再進行高 溫熱處理'其目的是要避免接觸層以及阻障層不至於因為 问溫熱處理而氧化，因此將高溫熱處理步驟挪到接觸窗填 滿金屬層以後進行^至於填滿金屬層於接觸窗之過程中所 可能導致如以上所討論之火山效應等缺點，則無法避免。 更重要的是，其升溫方式係在爐管中進行，而傳統爐管為 預防石英管破裂，升降溫速率大约是在每分鐘升降攝氏四 至五度，其升降溫並非快速升降溫製程，溫度升降方式為 緩升緩降。其較佳實施例是於攝氏45〇度以上氮氣爐管中’ 升溫至攝氏500度至550度，歷時十至六十分鐘。 發明之概诚 本發明I一目的在提供一,形成半導體元件中内連線的 方法，其主要目的係為了 &充縮小尺寸的接觸窗或介層洞 以内連線半導體元件中的二導電層。4了在_低溫以避 免高溫破壞導電層材質的條件下，仍然能夠得到良好的内 本紙張尺度通用令國國豕標準（CNS)A4規格（2】〇 κ 297公楚） ----------- V—------------- {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

> —9 n n I n I I ίβ t n I 44293 7 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（4 ) 連線，本發明提出一更有效的快速退火製程。其主要是在 沈積接觸層與阻障層之後、以及填充金屬於接觸窗内之 前’在純氮的環境下，以精簡的升溫程式快速升溫，並且 避免使用需要廢氣處理的氨氣。因此，可以進一步増進效 率以及降低氣體處理成本。 為達成上述目的並避免習知技藝的缺點，本發明揭示— 種形成半導體元件中内連線之方法，包含下列步驟： 提供一半導體基材並且形成一第一導電層於該半導體基 材上’形成一介電層於該第一導電層上，形成—第—孔洞 穿越該介電層，該第一孔洞的底部與該第一導電層相接 觸；形成一接觸層於該介電層以及第一導電層與該第一孔 洞相抵接的表面，致使該第一孔洞缩小形成一第二孔洞以 及；形成一阻障層於該接觸層上，致使該第二孔洞縮小形 成一第三孔洞。 接著*進行一快速退火製程，該快速退火製程包含下列 步驟.將钵溫的該半導體元件置於石英加熱腔中，該石英 加熱腔中只通入氮氣，且該氮氣流量為—第一流量；將氮 氣流量降低為一第二流量，並且快速加熱該半導體元件， 其中該半導體元件被加熱至一鬲溫，並且持續一段時間； 以及將說氣流量升高為一第三流量，並且快速降溫該半導 體元件之後，將該半導體元件#出石英加熱腔。 然後，形成一第二導電扁i真滿該第三孔洞，以及形成— 第三導電層於該第二導電層上，該第三導電層經由該第二 導電層與位於其下的第一導電層相導通，並且形成半導體 (請先閱讀背面之注$項再填寫本頁} * It I n n I ϋ n n I I n -

I 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ，4429 3 7 ‘ A7 ______B7_______ 五、發明說明（5 ) 元件中的内連線。 其中，該半導體元件加熱之高溫介於攝氏500度至600度 之間，較佳者係介於攝氏530度至58 0度之間。該半導體元 件加熱至高溫持續的一段時間係介於15至120秒鐘。該氮氣 之第一流量以及第三流量係介於標準狀態下每分鐘1 5至4 0 公升，而該氮氣之第二流量係介於標準狀態下每分鐘2至7 ,公升。 較佳地，該第一導電層係由摻雜不純物質的部分該半導 體基材所组成，或者是一多晶秒層或一金屬導線。再者， 該接觸層較佳係由鈇所組成，而該阻障層係由氮化鈥所組 成。 藉由本發明所揭示的方法，不僅可以避免火山效應，而 且引入純氮且將快速退火製程的溫度降低，藉以避免使用 需要處理的氨氣以及避免高溫所造成的元件破壞，可以精 簡製程並且提高良率β 本發明之前述和其他目的、優點以及達成方式，根據下 列詳細說明配合圖式將更加清楚，其中： 圖式簡輩說明 圖1至7例示根據本發明一實施例之形成内連線方法的剖 面圖，其中， 圖1例示提供一半導體基材於其上形成一第一導電層； 圖2例示形成介電層於該糸—導電層上； 圖3例示形成一第一孔洞穿越該介電層； 圖4例示形成一接觸層以及一第二孔洞； 本紙張尺錢財固國家標準（CNS)A4規格 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) V/L^ I I I I i I I *llllltll - I -·1 - I -'----- 2 第一導電層 4 介電層 6 接觸層 8 阻障層 1 0第二導電層 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 442^3 7 丨 A7 _ ____ B7_ 一 五、發明說明（6 ) 圖5例示形成一阻障層以及一第三孔洞，並且進行—快速 退火製程； 圖6例示形成一第二導電層填滿該第三孔洞； 圖7例示形成一第三導電層以形成半導體元件中的內連 線；以及 圖8例示快速退火製程中之溫度與時間之關係。 圖式元件符號說明 1 半導體基材 3 場氧化層 5 第一孔洞 7 第二孔洞 9 第三孔洞 11第三導電層 較佳具體實例之說明 以下，參考圖式詳細說明本發明之一具體實施例。 首先，請參考圖1。在一半導體基材1上形成一第一導電 層2 15該半導體基材1係一梦晶圓片，而該第一導電層2則係 在氧化部分半導體基材1以形成用以區隔導電區域的絕緣場 氧化層3之後，植入摻雜物所形成的N型或P型導電區域。 在另一方面，該第一導電層2也可以是一多晶矽導電層或 者金屬導電層。在這種情況 >，後續步驟所形成的孔洞可 以被稱做介層洞。 、’ 圖2所示則為形成一介電層4於該第一導電層2上。該介電 層4可以是由二氧化矽、硼磷矽玻璃或其他技藝人士所熟知 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） * - - I - - ϋ ϋ-H-^J· n - ^ - I It _ I I - I - - - - - - - —1 it - - - —. - - I - I --. 經濟部智慧財產局員Η消費合作社印製 • 44293 7 - A7 B7 ______ 五、發明說明（7 ) 的介電物質所組成。其形成方式可以是習知的化學氣相沈 積法。 接著，圖3例示形成一第一孔洞5穿越該介電層4。於本實 施例的情況下，該孔洞為一般所習知的接觸洞，其大小視 製程要求而定.，其尺寸可能為0‘30微米或以下。其形成方 法為利用微影及蝕刻製程蝕刻穿透該介電層4，蝕刻終點達 到底下的第一導電層2。 請參考圖4。一接觸層6形成於如圖3所示之第一孔洞5内 部表面上，其係利用氣相沈積法將款金屬沈積在第一孔洞5 内以及介電層4的平面表面上。接觸層的厚度一般介於3〇〇 至1 200埃之間，所形成的孔洞稱為第二孔洞7 - 請參考圖5。沈積一阻障層8於該接觸層6之上，其可以利 用化學氣相沈積法或濺鍍法將氮化鈦沈積於其上而形成。 阻障層厚度一般介於400至1 200埃之間，所形成的孔洞稱 為第三孔洞9，其尺寸因為沈積接觸層6以及阻障層8之後較 ，第一及第二孔洞小。接著進行一快速退火製程，其將在下 文中詳細說明β 請參考圖6，一第二導電層10沈積填滿如圖5所示之第三 孔洞9 ’形成一插塞。最常見的插塞物質為鶴，其係利用六 氟化鎢/氫氣或六氟化鎢/>?夕甲烷/氫氣為反應氣體以低壓化 學氣相沈積法沈積而得，通還接著有—回蝕刻步驟以完 成該第二導電層1 〇所形成的、嬙▲ ^ 最後’請參考圖7。一第三導電層π形成於該第二導電層 1 0之上，一般該第三導電層u係由多晶矽或金屬等傳導物 t ^ -10 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) w - ------ 訂i I 線！'----------------------- 4 429 3 7 A7 B7 五、發明說明（8 ) 質所組成。於全面沈積該傳導物質後，經由微影圖案布置 後蝕刻部分該傳導物質以形成導線。藉此，第一導電層2得 以透過弟一導電層10與第三導電層Η相連接，並且形成半 導體元件中的内連線》 圖8進一步例示根據本發明之一具體實施例的快速退火製 程之溫度與時間關係圖·半導體元件於完成接觸層6以及阻 障層8沈積之後，於常溫下置入一石英加熱腔内，該石英加 熱腔内只通以一具有第一流量之氮氣，該第一流量係介於 標準狀態下每分鐘15至40公升。 接著，將氮氣的第一流量降低至一第二流量，並且將半 導體元件的溫度快速升高至一高溫，並且保持於該高溫持 續一段時間，較佳者歷時約1 5至1 20秒鐘。該高溫係介於攝 氏5 00度至600度之間，較佳者係介於攝氏53〇度至580度 之間，而該氮氣的第二流量係介於標準狀態下每分鐘2至7 公升。該將半導體元件由常溫快速升溫至該高溫的過程， 於不到十秒鐘内即可以達成。 傳統爐管的升溫降溫速度慢，爐管溫度與半導體元件溫 度相近’升溫速率一般為每分鐘攝氏4至5度，最高每分鐘 攝氏25度，降溫速率則是小於每分鐘攝氏5度，以防止石英 管破裂。相對而言，本發明所使用之快速退火石英加熱腔 雖同為石英，但加熱源為紅/t線燈，石英管為紅外線穿 透，半導體元件則不穿透：囱此半導體元件溫度遠高於加 熱腔，升溫速率介於每秒鐘攝氏5至200度，一般為每秒鐘 攝氏8 0度，降溫速度每秒鐘可達攝氏1 6度。 | -11 - 度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21(M 297公釐） (請先Μ讀背面之江$項再填寫本頁) ‘k--------訂----- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 線一C------------------------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 • 4429 3 7 , A7 __.____B7__ 五、發明說明（9 ) 於高溫階段，快速高溫退火使得氮化鈦阻障層8與鈦接觸 層6的原子排列結構得以重新排列；釋放沈積過程所累積的 應力，以形成較緻密堆積的薄膜；並1使得沈積過程中反 應不完全之氮化鈦反應得以形成穩定之氮化鈦膜層，此也 包括因為沈積不良而裸露之鈦層，在表面進一步形成氮化 鈦，以避免在後續製程中受氟原子的攻擊而產生氣態的鈦 氟化合物以及所導致的火山口效應。又，鈦接觸層6於高溫 下與半導體基材I反應形成矽鈦化合物，可以形成歐姆接 觸’降低阻值。由於半導體元件的高溫相較於習知退火製 程的攝氏7 0 0度為相對低溫，可以保護第一導電層2材質不 受高溫破壞。 接著，將氣氣流量升高為一第三流量，並且快速降溫該 半導體元件之後，將該半導體元件取出石英加熱腔。其中 .該氮氣的第三流量係介於標準狀態下每分鐘15至40公升， 而降溫時間則視氮氣流量以及半導體元件取出石英加熱腔 時的溫度而定，一般可歷時二十秒鐘或以上。 總結該快速退火製程，係於純然氮氣環境下進行，且半 導體元件的升溫程序則如圖8所示’階段！顯示將半導體元 件置入石英加熱腔中，階段11顯示半導體元件於髙溫中持續 一段時間，以及階段ΙΙΪ顯示半導體元件於降溫後取出石英 加熱腔β 根據本發明的貫施’不同沾蔽接觸層，搭配埃厚产的 氮化鈦阻障層，於不同的高溫下，所顯現的c p L良率結果如 下表所示（快速退火製程所使用的石英加熱腔機台為

I -12 - 本紙張尺度適用_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)

杈--------tl---------線 L -n n D n n . 4429 3 7 A7 B7 ¾ 發明說明（10 )

Anelva D106Ο ): \^高溫 5 00°C 530〇C 5 8 0〇C 接觸層厚 1 00埃 8 2.57% 8 5.4 5% 8 6.59% 200埃 8 3.78% 8 8.41% 8 5.4 1 % 400埃 8 3.00% 8 4.4 6 % 8 2.2 4 % 800埃 8 0.30% 8 3 . 1 1 % 8 2.2 9 % 其中氮氣的第二流量為標準狀態下每分鐘4公升，並jl維 持高溫之一段時間為45秒鐘。 藉由本發明所揭示之形成半導體元件的方法，不僅接觸 層得以完整保護且避免火山效應，而且藉由引入純氮且將 快速退火製程的溫度降低，可以避免使用需要廢氣處理的 氨氣以及避免高溫造成元件破壞，使製程得以精簡並且良 率得以提高。 以上，雖已例舉本發明之較佳實施例作一說明，但在不 背離本發明之猜神與範圍下，仍可作任何等效之變更.因 此’任何熟習此項技術領域人士所顯而易見之變更或修 飾，都應包含在如下所附申請專利範園之界定範圍内。 (請先閲讀背面之注i項再填寫本頁) X--------訂-----線人 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -13 - 本紙張尺度適用中固國家標準（CNS)A4規x 297公釐)'

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Claims (1)

1. 442 9 3 A8 B8 C8 D8 六、申請鲁利範園 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 種形成半導體元件中内連線之方法，包含下列步鄉. 提供一半導體基材； 形成一第一導電層於該半導體基材上； 形成一介電層於該第一導電層上； 形成一第一孔洞穿越該介電層，該第一孔洞的底部與 該第一導電層相接觸； 形成一接觸層於該介電層以及第一導電層與該第—孔 洞相抵接的表面，致使該第一孔洞縮小形成—第二孔 洞； 形成一阻障層於該接觸層上，致使該第二孔洞縮小形 成一第三孔洞； 進行一快速退火製程，該快速退火製程包含下列步 驟： 將常溫的該半導體元件置於石英加熱腔中，該石英 加熱腔中只通入氮氣，且該氮氣流量為一第一流 量； 將氮氣流量降低為一第二流量，並且快速加熱該半 導體元件，其中該半導體元件被加熱至一高溫，並 且持續一段時間；以及 將氮氣流量升高為一第三流量，並且快速降溫該半 導體元件之後，將半導體元件取出石英加熱腔； 形成一第二導電層填滿該第三孔洞；以及 形成一第三導電層於該第二導電層上，該第三導電層 經由該第二導電層與位於其下的第一導電層相導通， 14 - 私紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) M規格（210X297公釐） --------^^-- r - (#先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) -訂 44293 7 A8 BS C8 _ D8 六、申請專利範圍 並且形成半導體元件中的内連線。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 2 ·根據申請專利範圍第1項之方法，其中核半導體元件加 熱之高溫介於攝氏5〇〇度至600度之間。 3，根據申請專利範園第1項之方法’其中該半導體元件加 熱之高溫介於攝氏530度至5 80度之間。 4 .根據申請專利範園第1項之方法，其中該半導體元件加 熱至高溫持績的一段時間係介於1 5至i 2 〇秒鐘。 5 .根據申請專利範園第1項之方法’其中該氮氣之第一流 量係介於標準狀態下每分鐘15至40公升， 6 .根據申請專利範圍第1項之方法，其中該氮氣之第二流 量係介於標準狀態下每分鐘2至7公升。 7 .根據申請專利範園第1項之方法，其中該氮氣之第三流 量係介於標準狀態下每分鐘15至40公升。 8.根據申請專利範園第1項之方法，其中該第一導電層.係 由摻雜不純物質的部分該半導體基材所組成。 9 -根據申請專利範圍第1項之方法，其中該第一導電層係 —多晶砂層。 ίο.根據申請專利範園第1項之方法，其中該第一導電層係 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 一金屬導線。 η ·根據申請專利範園第1項之方法，其中該接觸層係由鈦 r,〆*： 所組成 1 2 .根據申請專利範圍第1項之方法，其中該阻障層係由氮 化鈥所纽成。 -15 本紙張尺度通用中國國家標準（’CNS ) A<4規格（210X297公釐）