TWI660459B - 一種雙重鑲嵌製程 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種雙重金屬鑲嵌製程，步驟包含：(S1)提供基板，具有一側；(S2)形成圖案化中介層於該基板之該側上，其中圖案化中介層形成有第一溝槽；(S3)形成介電層於圖案化中介層上，並填入第一溝槽中，其中第一溝槽覆蓋面積之垂直方向上之部分介電層中形成有複數個孔洞；(S4)形成圖案化罩幕層於介電層上，圖案化罩幕層形成有一開口，其中開口覆蓋並大於第一溝槽；(S5)進行蝕刻製程，以圖案化罩幕層為罩幕，移除部分介電層，以暴露部分基板並形成第二溝槽；以及(S6)形成導線層於第二溝槽中。

Description

一種雙重鑲嵌製程

本發明是有關於一種雙重金屬鑲嵌製程，特別是有關於一種具有較易控制回蝕製程與不易殘留之效果的雙重金屬鑲嵌製程。

隨著半導體工業發展超大規模積體電路(ULSI)元件，縮小元件到次半微米尺寸增加了電路密度，從而造成阻容(RC)延遲和銅反應性離子蝕刻(RIE)。在一形成用於縮小尺寸之元件的位元線圖案的製程中，圖案可能會被橋接或崩塌。

為了避免圖案的橋接及/或崩塌，且為了改善元件的佈局，已發展了雙重金屬鑲嵌製程。雙金屬鑲嵌法係應用於因為元件尺寸的減小而不可能以慣用的蝕刻技術圖案化金屬材料時，或在深接觸蝕刻製程中填充介電材料以形成慣用的金屬線為困難時，以製造多層銅之間的相互連結，包含垂直連結的介層窗和水平連結的金屬導線。在一個雙金屬鑲嵌製程中，使用插塞材料以填充介層窗，然後再將其材料回蝕。

然而由於尺寸的縮小，以現有的技術而言，對於回蝕程序的控制不易，同時容易造成蝕刻殘留物，導致產品良率不如預期，造成成本與工時的浪費。因此，本發明提供 一種形成雙金屬鑲嵌結構之方法，用以改上習知技術之問題。

本發明提供一種雙重金屬鑲嵌製程，步驟包含：(S1)提供基板，具有一側；(S2)形成圖案化中介層於該基板之該側上，其中圖案化中介層形成有第一溝槽；(S3)形成介電層於圖案化中介層上，並填入第一溝槽中，其中第一溝槽覆蓋面積之垂直方向上之部分介電層中形成有複數個孔洞；(S4)形成圖案化罩幕層於介電層上，圖案化罩幕層形成有一開口，其中開口覆蓋並大於第一溝槽；(S5)進行蝕刻製程，以圖案化罩幕層為罩幕，移除部分介電層，以暴露部分基板並形成第二溝槽；以及(S6)形成導線層於第二溝槽中。

在本發明的較佳實施例中，上述之基板可以為一集成電路。

在本發明的較佳實施例中，上述之基板包含：元件層；基板蝕刻終止層，形成於元件層之該側上，與圖案化中介層相鄰；以及接觸區，形成於元件層中，與基板蝕刻終止層相鄰，對應於第二溝槽之底面。

在本發明的較佳實施例中，上述之步驟(S5)中之次蝕刻停止於該基板蝕刻終止層。

在本發明的較佳實施例中，上述步驟(S5)包含：(51)進行第一蝕刻製程，以圖案化罩幕層為罩幕，移除開口暴露之部分介電層，並暴露部分基板蝕刻終止層，形成中間溝槽；以及(52)進行第二蝕刻製程，以圖案化中介層為罩幕，移除中間溝槽暴露之部分基板蝕刻終止層。

在本發明的較佳實施例中，上述之步驟(S3)中，介電層之形成方法係使用至少兩種前驅物之化學氣相沉積法。

在本發明的較佳實施例中，上述之介電層的介電常 數(k)小於3.5。

在本發明的較佳實施例中，上述之圖案化中介層包含：蝕刻終止層；以及介電層，位於中介蝕刻終止層與基板之間。

因此，依據本發明提供之雙重金屬鑲嵌製程，能使回蝕製程的殘留物減少，進而達到提升產品良率之功效。同時由於孔洞的產生，使回蝕製程的效率提高，因此可以達到節省製程成本之功效。。

11、21‧‧‧基板

12、22‧‧‧圖案化中介層

13、23‧‧‧中介層

14、24‧‧‧導線層

111、211‧‧‧元件層

112、212‧‧‧基板蝕刻終止層

113、213‧‧‧接觸區

121、221‧‧‧介電層

122、222‧‧‧蝕刻終止層

131‧‧‧氧化矽層

132、232‧‧‧保護層

231‧‧‧低介電常數層

G1‧‧‧空隙

O1、O2‧‧‧開口

S1、S2‧‧‧基板之一側

T11、T12、T13、T21、T22、T23‧‧‧溝槽

V1‧‧‧孔洞

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉數個較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：圖1-5係依據本發明之一實施例所繪製之流程步驟結構剖面圖；以及圖6-10係依據本發明之另一實施例所繪製之流程步驟結構剖面圖。

本發明是在提供一種雙重金屬鑲嵌製程，利用調整回填於溝槽中的中介層孔洞，提升後續回蝕製程的效果與精確性，並且能使回蝕製程的殘留物減少，進而達到提升產品良率之功效。同時由於孔洞的產生，使回蝕製程的效率提高，因此可以達到節省製程成本之功效。為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文以實施例配合所附圖式，做詳細說明。

圖1至圖5為依據本發明一實施例所繪製之一種雙重金屬鑲嵌製程的流程步驟中，不同步驟的結構剖面示意圖。如圖1所示，提供基板11，基板11可以為一半導體基板，應用於積體電路(integrated circuit)、陶瓷基板(ceramic substrate)、光電 (optoelectronic)等微電子製程(microelectronic fabrications)中所需之任一基板。基板11具有第一側S1，且包含元件層111、位於元件層111之第一側S1上之基板蝕刻終止層112，以及位於元件層111中且與基板蝕刻終止層112相鄰之接觸區113。接著如圖2所示，形成一圖案化中介層12於基板11之第一側S1上，並且圖案化中介層12形成有溝槽T11。圖案化中介層12可以包含介電層121與位於介電層121之第一側S1上的蝕刻終止層122。而形成溝槽T11的方法可以是蝕刻製程，蝕刻方法與/或蝕刻液的選擇可以依據圖案化中介層12材質的不同做調整，在此不做贅述。接著如圖3所示，形成中介層13，其包含氧化矽層131與位於氧化矽層131之第一側S1上的保護層132，在此實施例中使用不帶電之二氧矽(Undoped silicon oxide(USG))做為氧化矽層131，並利用USG間隙沉積較差之特性，快速沉積USG於溝槽T11中，使空隙G1產生於溝槽T11中。之後如圖4所示，形成圖案化罩幕層PR1於中介層13之第一側S1上，其中圖案化罩幕層PR1形成有一開口O1，對應並大於溝槽T11。接著以圖案化罩幕層PR1為罩幕進行回蝕製程，移除開口O1對應之部分中介層13與部分圖案化中介層12，以形成溝槽T12於中介層13與圖案化中介層12中，開口O1之下。

最後如圖5所示，移除圖案化罩幕層PR1，並且移除對應於溝槽T12底部之部分基板蝕刻終止層112，以暴露出接觸區113並形成溝槽T13，之後填入導線層14於溝槽T13中。選擇性進行平坦化製程，以使填入之導線層14上表面與中介層13上表面共平面。移除圖案化罩幕層PR1與溝槽T12底部之部分基板蝕刻終止層112的順序可以依製程做調整，導線層14的材料可以為銅，或是其他適合之金屬或導電材質，以電性連接接觸區113。另外，由於材料選擇與製程條件設定的關係，在回蝕步驟中可能同時移除部分之基板蝕刻終止層112與/或蝕刻終止層122，在移 除第二溝槽T12底部之部分基板蝕刻終止層112的步驟中，亦有可能同時移除部分或蝕刻終止層122與/或薄化保護層132(圖式中並未繪示出)。

由於蝕刻製程中，溝槽中的部分較不易移除，因此依照本發明提供之方法，讓溝槽中產生空隙，溝槽中之部分氧化層之蝕刻速率提高，就此使蝕刻準確度提高，改善習知製程中，對於回蝕程序的控制不易，提升產品良率。雖然上述實施例能改善習知製程中回蝕製程的準確度問題，但發明人進一步發現，依據上述實施例之方法，尚有些許回蝕製程後殘留物之問題存在。經過多次測試與實驗後認為，由於氧化矽層131所使用的USG中產生的空隙，係因沉積造成因此不易控制其空隙大小，且往往僅產生單一空隙因此不易控制其分佈，導致後續的回蝕製程可能的殘留問題。據此，發明人經多次調整實驗條件後，提供另一實施例以做說明如下，以對於回蝕程序有更佳的控制、解決回蝕製程後殘留物之問題，同時達到提升產品良率之效果。

圖6-10為依據本發明另一實施例所繪製之一種雙重金屬鑲嵌製程的流程步驟中，不同步驟的結構剖面示意圖。如圖6所示，提供基板21，基板21可以為一半導體基板， 圖6至圖10為依據本發明另一實施例所繪製之一種雙重金屬鑲嵌製程的流程步驟中，不同步驟的結構剖面示意圖。如圖6所示，提供基板21，基板21可以為一半導體基板，應用於積體電路(integrated circuit)、陶瓷基板(ceramic substrate)、光電(optoelectronic)等微電子製程(microelectronic fabrications)中所需之基板。基板21具有第二側S2，且包含元件層211、位於元件層211之第二側S2上之基板蝕刻終止層212，以及位於元件層211中且與基板蝕刻終止層212相鄰之接觸區213。接著如圖7所示，形成一圖案化中介層22於基板21之第二側S2上，並且圖案化中 介層22形成有溝槽T21。圖案化中介層22可以包含介電層221與位於介電層221之第二側S2上的蝕刻終止層222。而形成溝槽T21的方法可以是蝕刻製程，蝕刻方法與/或蝕刻液可以依據圖案化中介層22材質的不同做調整，在此不做贅述。接著如圖8所示，形成中介層23，其包含低介電常數(low-k)層231與位於低介電常數層231之第二側S2上的保護層232。低介電常數層231的介電常數(k)小於3.5，並且形成步驟中，使用紫外線固化技術(UV curing)以調整孔洞大小與分佈，因此形成複數個孔洞V1於對應於溝槽T21之部分低介電常數層231中。孔洞V1的分佈可以僅在溝槽T21中，亦可以部分形成於溝槽T21中同時部分形成於溝槽T21上之部分低介電常數層231中，在此實施例中，孔洞V1僅分佈於溝槽T21中。之後如圖9所示，形成圖案化罩幕層PR2於中介層23之第二側S2上，其中圖案化罩幕層PR2形成有一開口O2，對應並大於溝槽T21。接著以圖案化罩幕層PR2為罩幕進行回蝕製程，移除開口O2對應之部分中介層23與部分圖案化中介層22，以形成溝槽T22於中介層23與圖案化中介層22中，開口O2之下。

最後如圖10所示，移除圖案化罩幕層PR2，並且移除對應於溝槽T22底部之部分基板蝕刻終止層212，以暴露出接觸區213並形成溝槽T23，之後填入導線層24於溝槽T23中。選擇性進行平坦化製程，以使填入之導線層24上表面與中介層23上表面共平面。移除圖案化罩幕層PR2與溝槽T22底部之部分基板蝕刻終止層212的順序可以依製程做調整，導線層24的材料可以為銅，或是其他適合之金屬或導電材質，以電性連接接觸區213。另外，由於材料選擇與製程條件設定的關係，在回蝕步驟中可能同時移除部分之基板蝕刻終止層212與/或蝕刻終止層222，在移除溝槽T22底部之部分基板蝕刻終止層212的步驟中，亦有可能同時移除部分或蝕刻終止層222與/或薄化保護層232(圖式中並未繪示出)。

在此實施例中，基板蝕刻終止層212的厚度約為600埃(Å)，且包含非鑽石結晶之碳(non-diamond carbon)；介電層221的材料為正矽酸乙酯(TEOS)，且其厚度約為6000埃；蝕刻終止層222的材料選用氮氧化矽(SiON)，並且厚度約為1350埃；低介電常數層231使用單一前驅物來之化學氣相沉積法形成，且為於蝕刻終止層222上之部分的厚度約為9000埃；開口O2的寬度約為360奈米(nm)。

上述各層厚度與選用材料皆可以依需求做調整，在其他實施例中，基板蝕刻終止層212的厚度介於500-700埃(Å)，且可包含或不包含非鑽石結晶之碳(non-diamond carbon)；介電層221的材料為氮氧化矽或氧化矽，且其厚度介於5000-7000埃之間；蝕刻終止層222的材料選用氮氧化矽(SiON)或氮化矽，並且厚度介於之間1000-2000埃之間。蝕刻終止層222亦可以為多層結構，如在本發明另依一實施例中，蝕刻終止層222包含厚度介於1500-1900埃之間的氮化矽層，與位於氮化矽層上之含部分氧化之甲烷層(partial oxidation of methane(MEPOX))(為繪於圖式中)，其厚度介於20-100埃之間。此部分皆可依據不同應用做調整，因此不做贅述。而低介電常數層231亦可以使用兩種以上之前驅物來形成，例如兩種以上之低介電常數材料，或是低介電常數材料與氧化矽。在本發明另一實施例中，低介電常數層231的介電常數(k)小於3。

依據本發明的另一實施例，在形成圖案化中介層22後、形成低介電常數層231之前，還可以選擇性形成一氧化層於圖案化中介層22上與溝槽T21中(未繪示出)，並且在後製程中移除對應於溝槽T21底部之部分該氧化層。其中依據使用材料的不同可調整其蝕刻選擇比，部分氧化層的移除可以是與移除部分低介電常數層231同時，或是與移除部分介電層221同時，更或依需要使用額外的蝕刻步驟移除該部分氧化層。

因此本發明提供之上述雙重金屬鑲嵌製程，可依據不同應用與製程，調整低介電常數層於溝槽中產生的孔洞，使回蝕步驟於溝槽中的部分能更精確，改善習知製程中，對於回蝕程序的控制不易、容易造成蝕刻殘留物等問題，因此可提升產品良率、避免成本與工時的浪費。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。任何該領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾。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為準。

Claims (13)

1. 一種雙重金屬鑲嵌製程，步驟包含：(S1)提供一基板，具有一側；(S2)形成一圖案化中介層於該基板之該側上，其中該圖案化中介層形成有一第一溝槽；(S3)形成一介電層於該圖案化中介層上，並填入該第一溝槽中，其中該第一溝槽覆蓋面積之垂直方向上之部分介電層中形成有複數個孔洞，該複數個孔洞是在該介電層填入該第一溝槽中時產生；(S4)形成一圖案化罩幕層於該介電層上，該圖案化罩幕層形成有一開口，其中該開口覆蓋並大於該第一溝槽；(S5)進行一蝕刻製程，以該圖案化罩幕層為罩幕，移除部分該介電層，以暴露部分該基板並形成一第二溝槽；以及(S6)形成一導線層於該第二溝槽中。
2. 如申請專利範圍第1項所述之雙重金屬鑲嵌製程，其中該基板可以為一集成電路。
3. 如申請專利範圍第1項所述之雙重金屬鑲嵌製程，其中該基板包含：一元件層；一基板蝕刻終止層，形成於該元件層之該側上，與該圖案化中介層相鄰；以及一接觸區，形成於該元件層中，與該基板蝕刻終止層相鄰，對應於該第二溝槽之一底面。
4. 如申請專利範圍第3項所述之雙重金屬鑲嵌製程，其中該步驟(S5)中之該次蝕刻停止於該基板蝕刻終止層。
5. 如申請專利範圍第3項所述之雙重金屬鑲嵌製程，其中該步驟(S5)包含：(51)進行一第一蝕刻製程，以該圖案化罩幕層為罩幕，移除該開口暴露之部分該介電層，並暴露部分該基板蝕刻終止層，形成一中間溝槽；以及(52)進行一第二蝕刻製程，以該圖案化中介層為罩幕，移除該中間溝槽暴露之部分該基板蝕刻終止層。
6. 如申請專利範圍第1項所述之雙重金屬鑲嵌製程，其中該步驟(S3)中，該介電層之形成方法係使用至少兩種前驅物之化學氣相沉積法。
7. 如申請專利範圍第1項所述之雙重金屬鑲嵌製程，其中該步驟(S2)與該步驟(S3)之間，還包含：(S21)順應性形成一氧化層於該第一溝槽與該圖案化中介層上；以及其中該步驟(S5)中，該次蝕刻製程同時移除對應於該開口之部分該氧化層。
8. 如申請專利範圍第1項所述之雙重金屬鑲嵌製程，其中該介電層的介電常數(k)小於3.5。
9. 如申請專利範圍第1項所述之雙重金屬鑲嵌製程，其中該介電層係為一低介電常數層。
10. 如申請專利範圍第1項所述之雙重金屬鑲嵌製程，其中該圖案化中介層包含：一蝕刻終止層；以及一介電層，位於該蝕刻終止層與該基板之間。
11. 如申請專利範圍第10項所述之雙重金屬鑲嵌製程，其中該步驟(S5)中之該次蝕刻停止於該蝕刻終止層。
12. 如申請專利範圍第1項所述之雙重金屬鑲嵌製程，更包括在該介電層填入該第一溝槽的同時，控制該複數個孔洞的大小與分佈的步驟。
13. 如申請專利範圍第12項所述之雙重金屬鑲嵌製程，其中該控制該複數個孔洞的大小與分佈的步驟，是使用紫外線固化技術來完成。