專利名稱：鑲嵌式內連線結構的制造方法
技術領域：
本發(fā)明是有關于半導體工業(yè)的鑲嵌導線制程，特別是有關于一種鑲嵌式內連線結構的制造方法，于鑲嵌導線制程中，加入同步還原步驟，以消除化學機械研磨后所產(chǎn)生的金屬氧化物，并改善制成品的品質。
隨著半導體元件的尺寸日趨縮小，對于制程中光學微影(photolithography)的解析度要求更趨嚴格。為了達到更高的光學解析度，不僅需要提高制程設備的性能，同時對于制程中可能造成干擾的因素亦必須排除，而材料表面不平坦所引發(fā)的對準誤差即為其中之一。因此，在高密度積體電路的制程中，將材料的微觀表面變得更平坦，即成為不可缺少的步驟。例如在金屬內連導線(meta interconnection)制程中，沉積的內金屬介電層會隨著芯片表面的第一金屬層而產(chǎn)生高低起伏，就必須通過平坦化方法來解決高低落差的問題，以避免后續(xù)制作的第二金屬層的微影制程因曝光聚焦而產(chǎn)生不易轉移圖案的問題。
在各種平坦化方法中，化學性機械研磨(Chemica-MechanicalPolishing；CMP)技術挾其全面平坦化的優(yōu)勢，已成為目前生產(chǎn)線上重要的制程技術，并廣泛應用于淺溝槽隔離制程(STI)和金屬內連導線制程等方面。
鑲嵌導線制程為一種金屬內連導線制程。傳統(tǒng)的鑲嵌導線制程主要是在界定出連接內連線的鑲嵌結構區(qū)域后，再于隔離內連線的介電層表面以及鑲嵌結構的內壁形成一阻障層，然后再以導電性較佳的金屬材料，例如銅、鋁、鎢、或鋁銅合金等材料填入所述鑲嵌結構。接著，再以化學機械研磨法將溝渠外的多余金屬材料和阻障層研磨去除，并于該鑲嵌結構內形成一連接內連線用的鑲嵌導線。


圖1-圖4所示是傳統(tǒng)技術的鑲嵌導線剖面制程。首先，參閱圖1，提供一半導體基底100；其次，利用金屬化制程在半導體基底100上形成一內連線110；接著，于基底100表面形成一介電層120，并將內連線110覆蓋。
參閱圖2，再以鑲嵌制程定義介電層120，形成貫穿介電層120且連接內連線110的雙鑲嵌結構130。
參閱圖3，先以物理或化學氣相沉積法于介電層120和雙鑲嵌結構130內壁形成阻障層140；接著，于阻障層140表面以化學氣相沉積法或者物理氣相沉積法形成導電性較佳的金屬層150，并將雙鑲嵌結構130填滿。
參閱圖4，于金屬層150形成后，利用化學機械研磨法(CMP)進行平坦化處理，將雙鑲嵌結構130以外的多余金屬層150和阻障層140去除。其主要缺陷在于在化學機械研磨制程后，通常會在金屬層表面產(chǎn)生金屬氧化物160，若未將其去除，將提高金屬導線的阻抗，進而影響金屬導線的電致遷移效應；再者，因為金屬氧化物的產(chǎn)生將造成金屬導線的表面隆起，使得后續(xù)制程所形成的密封層無法有效與金屬層密合，而降低了金屬層與密封層的粘合度，進而影響后續(xù)元件的制造以及產(chǎn)率。
本發(fā)明的主要目的在于提供一種鑲嵌式內連線結構的制造方法，于鑲嵌導線制程中，加入同步還原制程，亦即于化學機械研磨后加入還原氣體，能夠在現(xiàn)有儀器架構下，消除化學機械研磨后所產(chǎn)生的金屬氧化物，以降低金屬導線的阻抗，且改善其電致遷移效應，達到提高金屬層與密封層的粘合度，有效的改善制成品的品質的目的。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種鑲嵌式內連線結構的制造方法，其特征是至少包含下列步驟
(1)提供一半導體基底；(2)于所述基底上形成一介電層；(3)蝕刻所述介電層，以形成溝槽；(4)形成一阻障層于所述介電層及溝槽的側壁及底部；(5)于所述阻障層上形成金屬層，并填滿所述溝槽；(6)執(zhí)行化學機械研磨制程，以進行所述金屬層表面的平坦化處理；(7)執(zhí)行同步還原制程，通入還原氣體，以除去所述金屬層表面的金屬氧化物；(8)形成一密封層以覆蓋所述金屬層的表面。
所述金屬層的材料為銅。所述還原氣體為選自氨氣、氫氣或含硅還原氣體中的至少一種。所述的含硅還原氣體為硅烷。所述的含硅還原氣體的流速范圍為20-400seem之間。所述同步還原制程的腔室氣壓范圍為0.01-10.0torr之間。所述同步還原制程的操作溫度范圍為180-620℃之間。所述密封層的材質選自氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、富硅氧化物、硅碳氫化合物或硅碳氮化合物中的至少一種。
一種鑲嵌式內連線結構的制造方法，其特征是它至少包含下列步驟(1)提供具有內連線的半導體基底；(2)在所述基底上形成第一密封層，以覆蓋所述內連線及半導體基底。
(3)在所述第一密封層上形成介電層；(4)以鑲嵌制程界定所述介電層，形成貫穿所述介電層及第一密封層并連接所述內連線的鑲嵌結構；(5)形成一阻障層于所述介電層及鑲嵌結構的側壁及底部；(6)在所述阻障層上形成金屬層，并填滿所述鑲嵌結構；
(7)執(zhí)行化學機械研磨制程，以進行所述鑲嵌結構表面的平坦化處理；(8)通入還原氣體，執(zhí)行同步還原制程，以除去所述金屬層表面的金屬氧化物；(9)形成第二密封層，以覆蓋所述金屬層及介電層。
所述金屬層的材料為銅。所述金屬氧化物為氧化銅。所述還原氣體選自氨氣、氫氣或含硅還原氣體中的至少一種。所述含硅還原氣體為硅烷。所述同步還原制程的含硅還原氣體流速范圍為20-400seem之間。所述同步還原制程的腔室氣壓范圍為0.01-10.0torr之間。所述同步還原制程的操作溫度范圍為180-620℃之間。所述第一密封層及第二密封層的材質為選自氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、富硅氧化物、硅碳氫化合物或硅碳氮化合物中的至少一種。
本發(fā)明的主要優(yōu)點是具有消除化學機械研磨后所產(chǎn)生的金屬氧化物，以降低金屬導線的阻抗，且改善其電致遷移效應，提高金屬層與密封層的粘合度，有效的改善制成品的品質的功效。
下面結合較佳實施例和附圖詳細說明。
圖1-圖4是傳統(tǒng)技術的鑲嵌導線制程的剖面示意圖。
圖5-圖16是本發(fā)明的鑲嵌導線制程的剖面示意圖。
參閱圖5-圖16，本發(fā)明的鑲嵌導線制程包括如下的步驟參閱圖5，提供一半導體基底200，接著于基底200上形成內金屬介電層210。其中，內金屬介電層210可為單一層或者由多層的雜合低阻質介電材料所構成，其成分可視需要加以調整。
參閱圖6，利用微影技術蝕刻內金屬介電層210，以形成溝槽220A及220B，在此可以非等向蝕刻內金屬介電層210，而溝槽220A及220B的深度約為2000埃至6000埃。
參閱圖7，于內金屬介電層210及溝槽220A及220B的側壁及底部形成一阻障層230。接著，于阻障層230形成金屬層240，其中，金屬層240材料可為導電性較佳的銅、鋁、鎢或鋁銅合金等。在本實施例中，是以銅金屬為例，并將溝槽220A及220B填滿。
參閱圖8，執(zhí)行化學機械研磨制程，將位于內金屬介電層210上方的阻障層230及金屬層240移除。如圖中250A及250B所示，在執(zhí)行化學機械研磨制程的過程中，位于溝槽220A及220B中所剩余的金屬層240表面將因為化學機械研磨制程而產(chǎn)生金屬氧化物(如Cu2O)，此金屬氧化物將造成金屬層240的表面隆起，使得后續(xù)制程所形成的密封層無法有效與金屬層240密合，降低了金屬層與密封層的粘合度，并影響產(chǎn)品的可靠度。
因此，本發(fā)明在執(zhí)行同步還原制程，將因為化學機械研磨制程所產(chǎn)生金屬氧化物(如Cu2O)通過自由基取代的方式而還原成銅金屬，其方式是通過通入還原氣體至腔室中，以還原所述金屬氧化物。在本實施例中，還原氣體可為氨氣、氫氣、硅烷(SiH4)，或者是氨氣與氫氣的混合氣體，以及硅烷與氫氣的混合氣體。
以硅烷為例，執(zhí)行同步還原制程的條件如下還原氣體流速范圍為20-400sccm之間，腔室氣壓范圍為0.01-10.0torr之間，而操作溫度范圍為180-620℃之間。
參閱圖9所示，當同步還原制程執(zhí)行完畢之后，即可消除金屬層240表面因為化學機械研磨制程所產(chǎn)生的金屬氧化物(如Cu2O)，并使得金屬層240的表面達到平坦化的效果。
參閱圖10，于金屬層240及內金屬介電層210形成密封層260，并將金屬層240及內金屬介電層210覆蓋。
在本實施例中，密封層260的厚度約為100埃至600埃之間，而其材料可為氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅(SiON)、碳化硅(SiC)、富硅氧化物(SRO)、硅碳氫化合物(SiCH)、及硅碳氮化合物(SiCN)。
參閱圖11，于密封層260表面形成內金屬介電層270。其中，內金屬介電層270可為單一層或者由多層的雜合低阻質介電材料所構成，其可視需要加以調整。
參閱圖12，再以鑲嵌制程定義內金屬介電層270形成一貫穿內金屬介電層270及密封層260，且連接內金屬介電層210的雙鑲嵌結構280A以及鑲嵌溝渠280B。
參閱圖13，先以物理或化學氣相沉積法于內金屬介電層270和雙鑲嵌結構280A、280B內壁形成阻障層290；接著，于阻障層290表面以化學氣相沉積法形成一導電性較佳的金屬層300，并將雙鑲嵌結構280A和280B填滿。其中，金屬層300的材料可為導電性較佳的銅、鋁、鎢或鋁銅合金等。在本實施例中，以銅金屬為例說明。
參閱圖14，執(zhí)行化學機械研磨制程，將位于內金屬介電層270上方的阻礙層290及金屬層300移除。在執(zhí)行化學機械研磨制程的過程中，金屬層300將因為化學機械研磨制程而產(chǎn)生金屬氧化物，造成金屬層300的表面隆起，如310A和310B，因此，本發(fā)明執(zhí)行同步還原制程，將化學機械研磨制程所產(chǎn)生的金屬氧化物通過自由基取代的方式，將還原性氣體通入腔體中，還原成金屬，在本發(fā)明中，還原氣體可為氨氣、氫氣、含硅化合物，或者是氨氣與氫氣的混合氣體，以及硅烷與氫氣的混合氣體。在本實施例中是以硅烷(SiH4)為還原氣體。
以硅烷為例，因為含硅氣體作為還原氣體在執(zhí)行同步還原制程中，無須使用氫氣，比較容易實施，且能達到形成保護層的作用，執(zhí)行同步還原制程條件如下還原氣體流速范圍為20-400sccm之間，腔室氣壓范圍為0.01-10.0torr之間，操作溫度范圍為180-620℃之間。
參閱圖15所示，當執(zhí)行同步還原制程之后，即可消除金屬層300表面因為化學機械研磨制程所產(chǎn)生的金屬氧化物(如Cu2O)，并使得金屬層300的表面達到平坦化的效果。
參閱圖10和圖16，于金屬層300及內金屬介電層270上形成密封層320，并將金屬層300及內金屬介電層270覆蓋，在本實施例中，密封層320的厚度約為100埃至600埃之間，而其材料可為氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、富硅氧化物、硅碳氫化合物或硅碳氮化合物。如此，便完成了本發(fā)明的鑲嵌導線制程的步驟。
通過本發(fā)明所述的鑲嵌導線制程，于執(zhí)行化學機械研磨制程之后，執(zhí)行同步還原制程，使得因為化學機械研磨制程所產(chǎn)生的金屬氧化物得以消除。因此，在現(xiàn)有儀器架構下，降低了鑲嵌制程中的銅金屬導線阻抗，且改善銅金屬層的電致遷移效應，并提高了銅金屬層與密封層的粘合度，有效的改善制成品的可靠度。
本發(fā)明雖以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明的保護范圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內所做些許的更動與潤飾，都屬于本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種鑲嵌式內連線結構的制造方法，其特征是至少包含下列步驟(1)提供一半導體基底；(2)于所述基底上形成一介電層；(3)蝕刻所述介電層，以形成溝槽；(4)形成一阻障層于所述介電層及溝槽的側壁及底部；(5)于所述阻障層上形成一金屬層，并填滿所述溝槽；(6)執(zhí)行化學機械研磨制程，以進行所述金屬層表面的平坦化處理；(7)執(zhí)行同步還原制程，通入還原氣體，除去所述金屬層表面的金屬氧化物；(8)形成一密封層以覆蓋所述金屬層的表面。
2.根據(jù)權利要求1所述的鑲嵌式內連線結構的制造方法，其特征是所述金屬層的材料為銅。
3.根據(jù)權利要求1所述的鑲嵌式內連線結構的制造方法，其特征是所述還原氣體為選自氨氣、氫氣或含硅還原氣體中的至少一種。
4.根據(jù)權利要求3所述的鑲嵌式內連線結構的制造方法，其特征是所述的含硅還原氣體為硅烷。
5.根據(jù)權利要求4所述的鑲嵌式內連線結構的制造方法，其特征是所述的含硅還原氣體的流速范圍為20-400seem之間。
6.根據(jù)權利要求4所述的鑲嵌式內連線結構的制造方法，其特征是所述同步還原制程的腔室氣壓范圍為0.01-10.0torr之間。
7.根據(jù)權利要求4所述的鑲嵌式內連線結構的制造方法，其特征是所述同步還原制程的操作溫度范圍為180-620℃之間。
8.根據(jù)權利要求1所述的鑲嵌式內連線結構的制造方法，其特征是所述密封層的材質選自氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、富硅氧化物、硅碳氫化合物或硅碳氮化合物中的至少一種。
9.一種鑲嵌式內連線結構的制造方法，其特征是它至少包含下列步驟(1)提供具有內連線的半導體基底；(2)在所述基底上形成第一密封層，以覆蓋所述內連線及半導體基底。(3)在所述第一密封層上形成介電層；(4)以鑲嵌制程界定所述介電層，形成貫穿所述介電層及第一密封層并連接所述內連線的鑲嵌結構；(5)形成一阻障層于所述介電層及鑲嵌結構的側壁及底部；(6)在所述阻障層上形成金屬層，并填滿所述鑲嵌結構；(7)執(zhí)行化學機械研磨制程，以進行所述鑲嵌結構表面的平坦化處理；(8)通入還原氣體，執(zhí)行同步還原制程，以除去所述金屬層表面的金屬氧化物；(9)形成第二密封層，以覆蓋所述金屬層及介電層。
10.根據(jù)權利要求9所述的鑲嵌式內連線結構的制造方法，其特征是所述金屬層的材料為銅。
11.根據(jù)權利要求9所述的鑲嵌式內連線結構的制造方法，其特征是所述金屬氧化物為氧化銅。
12.根據(jù)權利要求9所述的鑲嵌式內連線結構的制造方法，其特征是所述還原氣體選自氨氣、氫氣或含硅還原氣體中的至少一種。
13.根據(jù)權利要求12所述的鑲嵌式內連線結構的制造方法，其特征是所述含硅還原氣體為硅烷。
14.根據(jù)權利要求13所述的鑲嵌式內連線結構的制造方法，其特征是所述同步還原制程的含硅還原氣體流速范圍為20-400seem之間。
15.根據(jù)權利要求13所述的鑲嵌式內連線結構的制造方法，其特征是所述同步還原制程的腔室氣壓范圍為0.01-10.0torr之間。
16.根據(jù)權利要求13所述的鑲嵌式內連線結構的制造方法，其特征是所述同步還原制程的操作溫度范圍為180-620℃之間。
17.根據(jù)權利要求9所述的鑲嵌式內連線結構的制造方法，其特征是所述第一密封層及第二密封層的材質為選自氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、富硅氧化物、硅碳氫化合物或硅碳氮化合物中的至少一種。
全文摘要
一種鑲嵌式內連線結構的制造方法，首先于基底形成一介電層，蝕刻介電層形成溝槽；于介電層及溝槽的側壁及底部形成阻障層，于阻障層形成金屬層并填滿溝槽；執(zhí)行化學機械研磨制程以移除位于介電層上方的第一阻障層及第一金屬層；執(zhí)行同步還原制程，通入硅烷氣體，以消除金屬層表面的金屬氧化物；形成一密封層以覆蓋金屬層。具有消除化學機械研磨后所產(chǎn)生的金屬氧化物，以降低金屬導線的阻抗，且改善其電致遷移效應，提高金屬層與密封層的粘合度，有效的改善制成品的品質的功效。
文檔編號H01L21/28GK1392605SQ01118828
公開日2003年1月22日 申請日期2001年6月18日 優(yōu)先權日2001年6月18日
發(fā)明者徐震球, 李世達, 顧子琨, 陳隆 申請人:矽統(tǒng)科技股份有限公司