TWI543325B

TWI543325B - 金屬內連線結構以及製作金屬內連線結構的方法

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Publication number: TWI543325B
Application number: TW101142439A
Authority: TW
Inventors: 林育民; 陳玟婷; 吳一宇
Original assignee: 聯華電子股份有限公司
Priority date: 2012-11-14
Filing date: 2012-11-14
Publication date: 2016-07-21
Also published as: TW201419479A

Description

金屬內連線結構以及製作金屬內連線結構的方法

本發明係關於一種金屬內連線結構以及製作金屬內連線結構的方法，尤指一種所具有的保護層僅部分包含氧原子之金屬內連線結構及其製作方法。

積體電路(integrated circuit，IC)是藉由形成於基底或不同膜層中的圖案化特徵(feature)構成的元件裝置以及內連線結構所建構。舉例來說，作為半導體積體電路中主要多重金屬內連線(multi-level interconnects)技術的鑲嵌技術，即為在介電材料層中蝕刻出電路圖案，然後將導電材料例如銅填入該電路圖案中，並加以平坦化，進而完成金屬內連線之製作。

請參考第1圖，第1圖繪示了習知雙鑲嵌(dual damascene)結構之示意圖。如第1圖所示，半導體基底10上包含有一第一低介電常數(low dielectric constant,low-k)材料層12，一第一銅導線14設置於第一低介電常數材料層12中，一保護層16以及一第二低介電常數材料層18依序設置於第一低介電常數材料層12上，此外，一第二銅導線20設置於第二低介電常數材料層18中。第二銅導線20位於雙鑲嵌結構22之上部溝槽(trench)結構24中，且第二銅導線20係經由雙鑲嵌結構22之下部接觸窗(via)結構26穿過第二低介電常數材料層18以及第一低介電常數材料層12之間的保護層16，而與第一銅導線14彼此電性連結。在銅導線形成前，一阻障層28會先形成於雙鑲嵌結構22中，以防止銅導線的銅金屬原子擴散至鄰近的介電層中。常用的阻障層28之材料包括有鈦、氮化鈦、氮化鉭、以及氮化鎢等等。

此外，保護層16也可用於防止第一銅導線14的銅原子擴散至第二低介電常數材料層18中，且保護層16的厚度增加可改善保護層16的阻障效果，然而，過厚的保護層16將不利於半導體元件朝向微細化尺寸之發展。因此，如何改善保護層的材料組成使保護層同時具有預定的厚度與預定的介電常數值實為相關技術者所欲改進之課題。

本發明之目的之一在於提供一種金屬內連線結構及其製作方法，以改善金屬內連線結構之保護層的材料組成。

本發明之一較佳實施例是提供一種製作金屬內連線結構的方法，其步驟如下。首先，形成一保護層於一基底上，且保護層係一單層結構。接著，對保護層進行一表面處理製程，以添加氧原子至部分保護層中。之後，形成至少一介電層於保護層上以及形成至少一開口於介電層以及保護層中。

本發明之一較佳實施例是提供一種金屬內連線結構，包括一基底以及一保護層。基底包含有至少一第一導電層，此外，保護層設置於基底上，其中保護層係一單層結構，且保護層之上部的氧原子含量大於保護層之下部的氧原子含量。

本發明藉由對保護層進行一表面處理製程，例如於保護層表面通入一包含臭氧(ozone,O₃)的高反應性氣體，使氧原子擴散進入保護層中，也就是說，部分保護層將具有氧原子添加於其中，而可降低保護層的介電常數，有助於降低後續形成的金屬內連線結構的電阻值。

為使熟習本發明所屬技術領域之一般技藝者能更進一步了解本發明，下文特列舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，詳細說明本發明的構成內容及所欲達成之功效。

凡使用單層結構之保護層的鑲嵌製程，特別是保護層的原始組成材料未含有氧(O)成分，例如碳化矽(silicon carbide,SiC)或氮碳化矽(silicon carbonitride,SiCN)，均可適用本發明之方法。鑲嵌製程可為，例如，溝渠優先(trench-first)、介層洞優先(via-first)、部分介層洞優先(partial via-first)等雙鑲嵌製程。

請參考第2圖至第10圖。第2圖至第10圖繪示了本發明之一較佳實施例之製作金屬內連線結構的方法之示意圖。本實施例係使用雙鑲嵌製程以做說明，但不限於此。如第2圖所示，首先，提供一基底100，且至少一第一導電層102設置於基底100內。基底100可包含半導體基底(圖未示)、其他半導體元件(圖未示)或介電層(圖未示)。第一導電層102可為設於半導體基底之閘極、汲極、源極或者是設於介電層之接觸插塞(contact plug)、介層插塞(via plug)、導線等之各式導電單元或金屬接點(metal contact)。接著，形成一保護層104於基底100上，其中保護層104覆蓋第一導電層102。保護層104係一單層結構，且保護層104的材料未含有氧(O)成分，例如：碳化矽(silicon carbide,SiC)或氮碳化矽(silicon carbonitride,SiCN)等介電材料。

在保護層104形成後，對保護層104進行一表面處理製程P1，以添加氧原子(oxygen,O)至保護層104中，使部分保護層104A包含氧原子(oxygen,O)，如第3圖所示。其中，表面處理製程P1包含通入臭氧(ozone,O₃)，且製程時間實質上小於1分鐘，此外，表面處理製程P1的製程溫度實質上介於200度(℃)至400℃之間。在本實施例中，表面處理製程P1包含通入臭氧至放置基底100的反應腔室中，為安全性考量，亦會同時通入惰性氣體例如氦氣(helium,He)氮氣(nitrogen,N₂)與氬氣(argon,Ar)，且未包含形成保護層104的來源氣體，此時，反應腔室的氣壓控制在小於0.5大氣壓(atm)，且反應腔室的溫度實質上約200℃至400℃之間，其中製程時間亦即通入臭氧的時間係實質上小於1分鐘。

值得注意的是，本發明對保護層104所進行的表面處理製程P1是藉由通入高反應性的氣體以及熱能，使氧原子可擴散入保護層104中，造成部分保護層104A具有氧原子，而部分保護層104B未具有氧原子，更詳細地說，由於高反應性的臭氧氣體僅接觸保護層104的表面，因此在保護層104中，添加氧原子的部分保護層104A一般係位於未添加氧原子的部分保護層104B上方，其中氧原子在保護層104中的擴散深度(亦即部分保護層104A的厚度)係正相關於表面處理製程P1的製程時間(亦即通入臭氧的時間)，但小於保護層104的厚度。簡言之，本發明使用高反應性的氣體提供氧原子至已形成之一原本未含有氧(O)成分的保護層104中，使其在表面處理製程P1之後，保護層104上層之部分保護層104A額外包含氧原子，且包含氧原子的部分保護層104A較佳係未接觸保護層104下方的第一導電層102。另外，值得注意的是，本發明的表面處理製程P1未包含電漿處理製程，以避免電漿轟擊對保護層104造成不必要的損傷。

在一實施例中，當保護層104由氮碳化矽(SiCN)組成，在完成表面處理製程P1後，保護層104中含有氧原子的部分保護層104A則係由氧氮碳化矽(silicon oxycarbonitride,SiCNO)組成，其中氧氮碳化矽(SiCNO)的介電常數值(K)實質上小於氮碳化矽(SiCN)的介電常數值。在另一實施例中，當保護層104係由碳化矽(SiC)組成時，在完成表面處理製程P1後，保護層104中含有氧原子的部分保護層104A 則係由含氧碳化矽(silicon oxycarbide,SiCO)所組成，其中含氧碳化矽(SiCO)的介電常數值實質上小於碳化矽(SiC)的介電常數值。當含氧的組成材料的介電常數值係實質上小於原始組成材料的介電常數值，具有部分保護層104A亦即含氧的保護層104之整體的介電常數值將可實質上小於未經過表面處理製程P1亦即未含氧的原始保護層104之整體的介電常數值。也就是說，本發明係在保護層104形成後，隨即再利用表面處理製程P1，添加氧原子進入部分保護層104中，便可降低保護層104的介電常數值，而毋需進行多段式沈積製程形成複合結構的保護層或縮減保護層之厚度以得到較低介電常數值，有利於簡化製程，以及節省轉換反應氣體或反應機台的時間。

接著再形成至少一介電層於保護層104上。如第4圖所示，依序形成一介電層106、一介電蓋層108、一金屬硬遮罩層110以及一第一底抗反射層(bottom anti-reflective coating film，BARC)112於基底100上。介電層106可為旋轉塗佈(spin-on-coating,SOC)製程、化學氣相沈積(CVD)製程等形成的介電材料所構成，介電材料包含低介電常數(dielectric constant，k)材料(介電常數值小於3.9)、超低介電常數(ultra low-k，以下簡稱為ULK)材料(介電常數值小於2.6)、或多孔性超低介電常數(porous ULK)材料，但不限於此。介電蓋層108包含介電材料組成的單層結構或複合膜層結構，例如：氮氧化矽(SiON)或氧化矽(SiO)組成的一單層結構，或包含氮氧化矽以及氧化矽或其他組合之一複合膜層結構，但不限於此。金屬硬遮罩層110 可包含單層結構或至少二種材料組成的複合膜層結構，例如一單層結構包含氮化鈦(titanium nitride，TiN)或氮化鉭(tantalum nitride,TaN)，或複合膜層結構包含鈦(titanium，Ti)與氮化鈦或者複合膜層結構包含鉭(tantalum，Ta)與氮化鉭。

此外，一第一圖案化光阻層114形成於第一底抗反射層112上，在本實施例中，第一圖案化光阻層114的圖案與後續形成的雙鑲嵌結構之上層溝槽(trench)的圖案相同，但不以此為限。接著，如第5圖所示，在形成如第4圖所示之堆疊型結構後，進行一或多道蝕刻製程，以於介電蓋層108中形成一第一開口116，用來定義後續形成的雙鑲嵌結構之上層溝槽(trench)的圖案，然後，去除第一圖案化光阻層114以及第一底抗反射層112。

隨後，如第6圖所示，於基底100表面形成第二底抗反射層118，以及一第二圖案化光阻層120，其中第二底抗反射層118填滿第一開口116，第二圖案化光阻層120的圖案與後續形成的雙鑲嵌結構之下層接觸窗(via)結構的圖案相同。接著，如第7圖所示，以第二圖案化光阻層120作為遮罩，進行一或多道蝕刻製程，例如一非等向性(anisotropic)乾蝕刻(dry etch)製程，去除未被第二圖案化光阻層120覆蓋之第二底抗反射層118、介電蓋層108以及介電層106，以形成一第二開口121於介電蓋層108以及介電層106中。隨後再去除第二圖案化光阻層120以及第二底抗反射層118。在本實施例中，第二開口121之寬度較佳係小於第一開口116之寬度，使第二開口 121係設置於第一開口116內部。第一開口116與第二開口121的形成順序不以此為限，在其他實施例中，也可先形成對應接觸窗(via)結構的圖案之第二開口121後，再形成對應溝槽(trench)的圖案之第一開口116。

如第8圖所示，接下來進行一或多道蝕刻製程，同時去除未被金屬硬遮罩層110覆蓋之介電蓋層108與介電層106，以形成一上層溝槽122，以及於上層溝槽122下方自行對準形成的一貫穿介電層106與保護層104直至第一導電層102表面之下層接觸洞124。

如第9圖所示，接著進行一沉積製程，於基底100表面形成一阻障/黏著層128。阻障/黏著層128可用來避免後續構成第二導電層130之銅金屬(copper,Cu)或鎢金屬(tungsten,W)擴散至周圍介電層中，阻障/黏著層128可由鉭/鈦/氮化鈦(Ta/Ti/TiN)等複合材料所構成或者由鉭、鈦、氮化鈦、氮化鉭之任意組合所構成，以用來增加後續形成的第二導電層130與介電層106之間的附著力。之後於基底100上形成一晶種層(未顯示)與一第二導電層130，其中晶種層(未顯示)之材料係較佳地與第二導電層130的材料相同，且第二導電層130電連接第一導電層102，並使第二導電層130填滿雙鑲嵌結構126的上層溝槽122形成溝槽結構122’以及下層接觸洞124形成接觸洞結構124’，以完成雙鑲嵌結構126。

之後，如第10圖所示，進行一化學機械研磨(chemical mechanical polishing，CMP)製程，去除覆蓋於上層溝槽結構122’以及下層接觸洞結構124’以外區域之第二導電層130，以平坦化第二導電層130形成第二導電層130’，且第二導電層130’的表面約略與介電層106的表面相切齊，至此，完成金屬內連線結構132之製作。

請再參考第10圖，本發明提供的金屬內連線結構132包含基底100、第一導電層102、依序設置於基底100上的保護層104以及第一介電層106，還有，依序設置於第一導電層102上的阻障/黏著層128以及第二導電層130’。基底100包含有至少一第一導電層102，保護層104係直接覆蓋第一導電層102，且第二導電層130’電連接第一導電層102。保護層104係一單層結構，值得注意的是，保護層104之上部(前述的部分保護層104A)的氧原子含量係大於保護層104之下部(前述的部分保護層104B)的氧原子含量，例如：保護層104之上部的材料包括含氧碳化矽(silicon oxycarbide,SiCO)，且保護層104之下部的材料包括碳化矽(silicon carbide,SiC)，或是保護層104之上部的材料包括含氧氮碳化矽(silicon oxycarbonitride,SiCNO)，係一富氧(O-rich)層，而保護層104之下部的材料包括氮碳化矽(silicon carbonitride,SiCN)係一富氮層(N-rich)。保護層104之上部具有氧原子將有助於改善材料組成包含氧的第一介電層106與保護層104的接合效果，而保護層104之下部較佳係未包含氧原子，以避免影響第一導電層102的導電性。

綜上所述，本發明藉由對保護層進行一表面處理製程，例如通入一包含臭氧(ozone,O₃)的高反應性氣體，使氧原子擴散進入單一層結構的保護層中，也就是說，部分保護層將具有氧原子添加於其中，而可降低保護層的介電常數，有助於降低後續形成的金屬內連線結構的電阻值。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10‧‧‧半導體基底

12‧‧‧第一低介電常數材料層

14‧‧‧第一銅導線

16‧‧‧保護層

18‧‧‧第二低介電常數材料層

20‧‧‧第二銅導線

22‧‧‧雙鑲嵌結構

24‧‧‧溝槽結構

26‧‧‧接觸窗結構

28‧‧‧阻障層

100‧‧‧基底

102‧‧‧第一導電層

104，104A，104B‧‧‧保護層

106‧‧‧介電層

108‧‧‧介電蓋層

110‧‧‧金屬硬遮罩層

112‧‧‧第一底抗反射層

114‧‧‧第一圖案化光阻層

116‧‧‧第一開口

118‧‧‧第二底抗反射層

120‧‧‧第二圖案化光阻層

121‧‧‧第二開口

122‧‧‧溝槽

122’‧‧‧溝槽結構

124‧‧‧接觸洞

124’‧‧‧接觸洞結構

126‧‧‧雙鑲嵌結構

128‧‧‧阻障/黏著層

130，130’‧‧‧第二導電層

第1圖繪示了習知雙鑲嵌結構之示意圖。

第2圖至第10圖繪示了本發明之一較佳實施例之製作金屬內連線結構的方法之示意圖。

100‧‧‧基底

102‧‧‧第一導電層

104，104A，104B‧‧‧保護層

Claims

一種製作金屬內連線結構的方法，包括：形成一保護層於一基底上，且該保護層包括一單層結構；對該保護層進行一表面處理製程，以添加氧原子至部分該保護層中；形成至少一介電層於該保護層上；以及形成至少一開口於該介電層以及該保護層中。
如請求項1所述之製作金屬內連線結構的方法，其中在進行該表面處理製程後，包含氧原子的部分該保護層位於未包含氧原子的部分該保護層上方。
如請求項1所述之製作金屬內連線結構的方法，其中該保護層的材料包括碳化矽(silicon carbide,SiC)或氮碳化矽(silicon carbonitride,SiCN)。
如請求項1所述之製作金屬內連線結構的方法，其中包含氧原子的部分該保護層的材料包括含氧碳化矽(silicon oxycarbide,SiCO)或氧氮碳化矽(silicon oxycarbonitride,SiCNO)。
如請求項1所述之製作金屬內連線結構的方法，其中該表面處理製程包含通入臭氧(ozone,O₃)，且該表面處理製程的製程溫度實質上介於200度(℃)至400℃之間。
如請求項1所述之製作金屬內連線結構的方法，其中該表面處理製程的製程時間實質上小於1分鐘。
如請求項1所述之製作金屬內連線結構的方法，其中該表面處理製程未包括電漿處理製程。
如請求項1所述之製作金屬內連線結構的方法，其中形成該等開口的方法包括：形成一介電蓋層以及一金屬硬遮罩層於該介電層上；形成至少一開口於該介電蓋層中；以及轉移該開口至該介電層以及該保護層中。
如請求項8所述之製作金屬內連線結構的方法，其中形成至少一開口於該介電蓋層中的方法包括：形成至少一第一開口於該介電蓋層中；以及形成至少一第二開口於該介電蓋層中，且該第二開口之一寬度係小於該第一開口之一寬度。
如請求項1所述之製作金屬內連線結構的方法，其中該基底包含有至少一第一導電層。
如請求項10所述之製作金屬內連線結構的方法，其中形成該開口前，該保護層覆蓋該第一導電層，且包含氧原子的部分該保護層未接觸該第一導電層。
如請求項10所述之製作金屬內連線結構的方法，另包括形成一第二導電層於該等開口中，且該第二導電層電連接該第一導電層。
一種金屬內連線結構，包括：一基底，且該基底包含有至少一第一導電層；以及一保護層設置於該基底上，其中該保護層係一單層結構，該保護層之上部的氧原子含量大於該保護層之下部的氧原子含量，且該保護層之上部的材料包括含氧碳化矽(silicon oxycarbide,SiCO)或氧氮碳化矽(silicon oxycarbonitride,SiCNO)，該保護層之下部的材料包括碳化矽(silicon carbide,SiC)或氮碳化矽(silicon carbonitride,SiCN)。
如請求項13所述之金屬內連線結構，其中該保護層之上部包括一富氧(O-rich)層，且該保護層之下部包括一富氮層(N-rich)。
如請求項13所述之金屬內連線結構，其中該保護層之下部未包含氧原子。
如請求項13所述之金屬內連線結構，其中該保護層直接覆蓋該第一導電層。
如請求項13所述之金屬內連線結構，另包括至少一介電層以及一第二導電層設置於該基底上。
如請求項17所述之金屬內連線結構，其中該第二導電層電連接該第一導電層。