TW550745B - Structure and method for prevention defect generation on metal wire - Google Patents

Description

550745 _ A7 '^^ ___B7 五、發明説明（^ ---- 發明領域： 本發明係關於一種避免金屬導線產生缺陷之結構與方 > 且 4* 、疋有關於一種避免金屬導線與阻障層之間因應 力遷移而在展* 4分 曰固插塞底部產生孔洞缺陷之結構與方法。 發明背景： &著半導體技術的進步，元件尺寸也不斷地縮小。當 積體電路的積集度增加時，使得元件表面無法提供足夠的 面積來製作所需得内連線。為配合元件縮小後的内連線設 °十’夕層金屬導線連線的設計便成為超大型積體電路技術 所必須採用的方式。然而，隨著金屬導線層數目不斷增加 時’電子訊號於金屬連線間傳送的時間延遲，已成為元件 速度欠限的重要原因。為了降低訊號傳遞的時間延遲，則 需利用具有低電阻的金屬材料與低電容之介電材料，以提 昇積體電路之操作頻率。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 於降低電阻.方面，目前最受重視的發展是利用銅金屬 之低電阻（約為 1·7μΩ-οηι )與高抗電子遷移 (electro-migration)的能力，以取代傳統之鋁金屬。惟由 於銅金屬之韻刻溫度過高，以及相對一般光阻之蝕刻比偏 低等特性影響，需利用鑲嵌（damascene )技術與化學機械 本紙張尺度適用中國國家樣準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 550745 五、發明説明（ 研磨製程取代蝕刻製程，以解決以上諸問題 於降低電容部分，若排除以元件之幾何設計來降低寄 生電容，則需利用具有低介電常數（1〇w k)之介電材料應 用於金屬導鎳間之内金屬介電層（inter metal dielectric; IMD )。一般傳統製程中利用之介電材料為氧化矽，其介 電常數約為3.9〜4.2，而目前發展之低介電常數介電材料 大致可分為無機類與有機類聚合物，其介電常數皆小於 3.9。

I 承上所述，整合低電阻與低電容之雙重鑲嵌製程（dual damascene )即為目前半導體製程技術中受相當重視之發展 其中之一。雙鑲嵌製程係以於内金屬介電層中形成導線溝 槽（trench )及介層窗（Via )結構為主。然而，由於銅原 子的擴散係數較大’與二氧化石夕等介電材質接觸後，很快 就會擴散到材質中，破壞介電材質的特性，而造成漏電流。 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 因此，在銅金屬導線的製程中，為了防止銅發生電致 遷移以及局溫擴·散的問題，在同一層導線層中常會在鋼與 介電材質之間加入一層阻擋銅擴散的金屬阻障層。然而， 隨著S度的升咼與下降，如暴露於約攝氏17〇度之高溫、 通以雙倍電流之經時模擬（burn-in )檢測，最後當降溫回 來時’由於銅與阻障層之間的應力變化，反而在兩者的接 表紙張尺度適用中國國家樣準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 550745 A7 B7 五、發明説明（） 觸面間產生應力遷移（stress migration )的現象，造成孔 洞（void)的缺陷。 發明目的及概述： 鑒於上述之發明背景中現存之問題，本發明的目的即 是避免金屬導線產生缺陷，特別是金屬導線與阻障層之間 因應力遷移而在介層窗插塞底部所產生的孔洞缺陷。 其中，本發明的一目的即是發明一種避免金屬導線產 生缺陷之方法，改善製程，以解決介層窗插塞底部之阻障 層與金屬導鎳之接觸面之應力遷移效應。 本發明的另一目的，係發明一種内連線結構，·以此為 結構之内連綠’將可保有阻障層以及其所提供之防止電致 邊移與高溫掮散之屏障優點·，且進一步可以解決阻障層與 么*屬層表面間之應力遷移效應’防止產生孔洞缺陷。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本發明酌再一目的，係提供一種矽化金屬層製程，利 用該梦化金屬層’可以與阻障層形成穩定之接觸面，不會 因為高溫或雙倍電流，而導致遷移效應造成孔洞缺陷。 本紙張·尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） A7 B7 550745 五、發明説明（ 根據以上所述之目的，本發明發展一種避免金屬導線 產生缺之方法’可以防止金屬導線與阻障層之間因應力 遷移而在介層窗插塞底部產生孔洞缺陷。該方法的步驟包 括提供一第一金屬層，該第一金屬層係作為金屬導線之 用’形成一介電層覆蓋於該第一金屬層上；於該介電層上 至少定義出一介層窗，使得於該介層窗底部暴露出該第一 金屬層的一表面；矽化該表面，使成為一矽化金屬層；形 成一阻障層覆蓋該介層窗插塞之周邊介面，並與該矽化金 屬層接觸；以及，沈積一第二金屬層於該阻障層之上以填 滿該介層窗。 請 先 聞 背 * 之 注 項

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本發明另提供一種 屏障優點；且進一步可 力遷移效應，防止產生 層作為金屬連線；一介 層窗於該介電層上定義 第一金屬層之一表面； 是避免該内連線發生孔 介層窗插塞之周邊介面 障層之上，填滿該介層 内連線結構，可以保有阻障層及其 以解決阻障層與金屬層表面間之應 孔洞缺陷。該結構包含一第一金屬 電層覆蓋於該第一金屬層上；一介 出來’使得該介層窗底部暴露出該 矽化該表面而形成一矽化金屬，即 洞缺陷之關鍵；一阻障層覆蓋於該 :以及，一第二金屬層沈積於該阻 窗而形成本發明之内連線結構。 訂 囷式簡單說明： 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） 1 1 0矽化金屬層 3 0 0介層窗 500第二金屬層 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 550745 A7 _B7_ 五、發明説明（） 本發明的較佳實施例將於往後之說明文字中辅以下列 圖形做更詳細的闡述，其中： 第1圖孫繪示介層窗底部暴露出第一金屬層表面之剖 面示意圖； 第2圖喺繪示介層窗底部所暴露之第一金屬層表面， 經本發明矽化後形成矽化金屬層之剖面示意 圖；及 第3圖喺繪示本發明介層窗於周邊覆蓋一阻障層後， 沈積第二金屬層填滿介層窗之剖面示意圖。 圖號對照說明： 1 00第一金屬層 200介電層 400阻障層 發明詳細說明 本發明揭露一種避免金屬導線產生缺陷之結構與方 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） (請先聞讀背面之注意事項再_本頁)

、1T 550745 A7 ____B7_ 五、發明説明（） (請先閲讀背面之注意事項再1^ 本頁) 法’且特別是有關於一種避免金屬導線與阻障層之間因應 力遷移而在與介層窗插塞底部產生孔洞缺陷之結構與方 法。為了使本發明之敘述更加詳細與完備，請參照下列描 述並請配合參考隨附之各項圖解。 、1Τ 請參閱第1圖，第1圖係繪示介層窗底部暴露出第一 金屬層表面之剖面示意圖。在此剖面示意圖中，從一第一 金屬層100開始，該第一金屬層100為晶圓上某一元件層 内的金屬導線’其已完成若干之製程步驟；於此第一金屬 層100上，形成一介電層200覆蓋該第一金屬層1〇〇之上， 此介電層200通常為低介電常數（i〇wk)之材質，一般而 言，其介電常數均在3·5以下，甚至在3#0以下；之後，再 於此介電層200上，利用微影製程與蝕刻製程定義出至少 一個介層窗300,此介層窗300係用以連接第一金扁層1〇〇 以及另外一金屬導線（如第3圖之第二金屬層5〇〇)，為一内 連線結構。該介層窗300的底部將暴露出該第一金屬一部 分的表面。若暴露出的表面含有該第一金屬層1〇〇之氧化 物，則需先予以去除後，再進入到下個製程中。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 請繼續參閱第2圖，第2圖係繪示介層窗底部所暴露 之第一金屬層表面，經本發明矽化後形成矽化金屬層之剖 面示意圖。其中，該第一金屬層丨00暴露出的表面，將沈 浸於含矽反應物的環境中，如沈浸該表面於矽烷、石夕婦、

550745 A7 ----------Β7_ —_ 五、發明説明（） 一甲基矽烷、二甲基矽烷、三甲基矽烷、或四甲基矽烷等 之含發氣體中，再以調整溫度於大約攝氏1〇度至大約攝氏 8 0 0度之間或利用電漿等方式發生反應，使得該第一金屬 層100的表面矽化形成一矽化金屬層1 1〇。該第一金屬層 1 0 0的表面經此矽化後，轉化了原本之金屬特性，使其於 高溫或雙倍電流通過時，不會造成應力遷移效應，而徹底 解決習知此接觸表面會因應力遷移而產生孔洞（v〇id)缺陷 的問題。 接著，請參閱第3圖，第3圖係繪示本發明介層窗於 周邊覆蓋一阻障層後，沈積第二金屬層填滿介層窗之剖面 示意圖。其中，當矽化金屬層丨1〇形成後，即可形成一阻 障層400覆蓋介層窗300的周邊；待阻障層4〇〇成型後， 即可利用沈積製程，沈積第二金屬層5〇〇至少填滿整個介 層窗300，再依晶圓產品不同的需要，繼續完成後續的製 程。由於阻障層400的屏障，介層窗3〇〇内的第二金屬層 5 00即不會產生電致遷移或高溫擴散，破壞介質層之⑽的 特性，造成漏電流。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 最後，氺發明以銅材質為較佳實施例進一步詳細說 明，然本發明之解決内連線遷移效應之結構與方法並不限 定於此材質，熟知此項技藝者，當可利用其他類似之材質 取代’其亦不脫離本發明之精神與範圍。 8 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 550745

、發明説明（ 在本發a月較佳實施例中，以銅導線為第—金屬層1 〇〇 如第1圖所繪示。於此銅導線1〇〇上形成一低介電常數材 質之介電層200，一般而言，此介電層200之介電常數均 在3.5以下’甚至在3 〇以下；之後，再於此介電層 上’利用微影製程與蝕刻製程定義出至少一個介層窗3〇〇， 而該介層窗3 00的底部將暴露出銅導線1〇〇的部分表面。 而且’如第1圖所示，定義該介層窗300時，通常伴隨導 線溝槽之製程，以形成一雙鑲嵌結構。該表面可能會含有 氧化鋼，所以必須先予以去除後，再進入到下個製程中。 請繼續參閱第2圖，其中，將銅導線所暴露出的表面 /龙次於含石夕反應物的環境中，如沈浸該表面於矽烷、石夕缔、 —曱基石夕淀、二甲基矽烷、三甲基矽烷、或四甲基矽燒等 之含秒氣體中，再以調整溫度於大約攝氏10度至大約攝氏 8 〇〇度之間或利用電漿等方式發生反應，使得該表面石夕化 形成矽化銅1 10之矽化金屬層。 (請先閎讀背面之注意事項再填寫本頁} 填寫本μ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 接著’清參閱第3圖，其中，當矽化銅1 1 〇形成後 即可形成氮化鈦阻障層400覆蓋於介層窗300的周邊； 氮化鈦阻障層400成型後，即可以銅為第二金屬層5〇〇 利用沈積製程沈積鋼5 00至少填滿整個介層窗，再依晶 產品不同的需要，繼續完成後續的製程。 待 圓 550745 A7 Ml _ _ _ δ 7五、發明説明（) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 綜上所述，本發明至少具有下列特點： L本發明適用於銅導線製程，可降低電阻，減少金屬 導線連線間電子訊號傳送之時間延遲。 2. 本=明亦適用於低介電常數之介電層製程，以降低 電容’提升積體電路之操作頻率。 3. 本發明適用於雙鑲嵌製程，由於雙鑲嵌製程係以於 内金屬介電層中形成導線溝槽及介層窗結構為 主本發明避免金屬導線產生缺陷之結構與方法正 適合解決雙鑲嵌製程之介層窗插塞與金屬導線接 觸面之應力遷移效應。 4·本發明利用矽化金屬導線形成矽化金屬層，解決高 溫或雙倍電流流通時金屬導線與阻障層間之應力 效應，不但保有阻障層以及其所提供之防止電致遷 移與高溫擴散之屏障優點；更進一步解決阻障層與 金屬層表面間之應力遷移效應，防止產生孔洞缺 陷。 如熟悉此技術之人員所瞭解的，以上所述僅為本發明 之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申速 τ 1寻利祀 圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等六文改 變或修飾’均應包含在下述之申請專利範圍内。 本紙浪又度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐）— ----- (請先閎讀背面之注意事項再isi?本頁} •裝· '、Ti一

Claims (1)

1. 550745 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範園 1.種避免金屬導線產生缺陷之方法，該方法至少包含下 列步驟： 提供一第一金屬層，該第一金屬層係作為金屬導 線之用； 形成一介電層覆蓋於該第一金屬層上； 疋義一介層窗於該介電層上，使得該第一金屬層 於該介層窗底部暴露出一表面； •石夕化該表面，使成為一矽化金屬層； 形成一阻障層覆蓋該介層窗之周邊介面，該阻障 層並與該石夕化金屬層接觸；以及 沈積一第二金屬層於該阻障層上，填滿該介層窗； 藉由該矽化金屬層以避免該第一金屬層與該阻障 層之接觸面產生孔洞缺陷。 2·如申請摹利範圍第1項所述之方法，其中該第一金屬層 包含銅。 3·如申請摹利範圍第1項所述之方法，其中該介電層包含 低介電緊數之材料。 經濟部智慧財是分員工消费合作fi印製 4·如申請拳利範圍第}項所述之方法，其中定義該介層窗 時’通常伴隨導線溝.槽之製程，以形成雙鑲嵌結構。 π 本紙張·尺度適用中國國家標準（CNS ) Μ規格（210X297公着) 550745 A8 B8 C8 D8 經濟部智慧时是局員工消費合作社印製 K、申請專利範圍 5 .如申請專利範圍第i項所述之方法，其中矽化該表面之 方法包含k浸該表面於如矽烷、矽烯、一甲基石夕烧、二 甲基矽烷、三甲基矽烷、或四甲基矽烷等之含石夕氣體 中；以及調整溫度於大約攝氏10度至大約攝氏80〇度 之間反應，形成該石夕化金屬層。 6 ·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中矽化該第一金 I 屬詹表面之方法包含沈浸該表面於如石夕烧、碎稀、一甲 基矽烷、二甲基矽烷、三甲基矽烷、或四甲基矽烷等之 ί·. 含矽氣體中；以及利用電漿反應，形成該矽化金屬層。 7 ·如申請專利範圍第i項所述之方法，其中該矽化金屬層 包含石夕化銅。 8 ·如申請專利範圍第5或6項所述之方法，其中於石夕化該 表面之前’更包含一預先去除該表面上之一金屬氧化物 之步驟。 9·如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該金屬氧化物 包含氧化銅。 1 0.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該阻障層包含 金屬阻障層。 ， 12 本紙沒尺度適用中國國家標痒（) A4規格（210 X 297公釐） 請先閱讀背面之注意事項再UJUtJf .裝. 訂 線 ABCD 經濟部智慧財4θ員工消費合作社印絮 550745 i ττ、申謂專淨1j 4匕国 i I | 1 1.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該阻障層包含 氮化欽。 12. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第二金屬層 包含銅。 13. -種金屬導線結構，具有一金屬導線及至少一插塞，該 金屬導線與該插塞之間具有一阻障層，該插塞適用於連 接該金屬導線及位於該金屬導線上方之一導體層，其特 徵在於： 一矽化金屬層，位於該阻障層與該金屬導線之 間，以避免該阻障層與該金屬導線間產生孔洞缺陷。 1 4.如申請專利範圍第1 3項所述之金屬導線結構，其中該 金屬導線之材質為銅。 1 5.如申請專利範圍第1 3項所述之金屬導線結構，其中該 插塞為雙鑲嵌結構。 1 6.如申請專利範圍第1 3項所述之金屬導線結構，其中該 矽化金屬層之材質為石夕化銅。 13 i、紙張尺度適用中國國家標嗥（CNS ) A4規格（210 X 297公釐）

   550745 A8 B8 C8 D8 j六、申請專利範圍 1 7.如申請專利範圍第1 3項所述之金屬導線結構，其中該 阻障層為金屬阻障層。 1 8.如申請專利範圍第1 3項所述之金屬導線結構，其中該 阻障層之材質為氮化鈦。 1 9.如申請專利範圍第1 3項所述之金屬導線結構，其中該 導體層之材質為銅。 請 先 聞 讀 背 Λ 之 注 項

   經濟部智慧时是Α員工消費合作社印焚 夂紙張尺度適用中國國家標準（CNS )八4規格（210Χ 297公釐）