專利名稱：無阻障層且具有多層種子層的內(nèi)連線工藝與結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)于一種半導體工藝中金屬內(nèi)連線(Interconnect)工藝與結(jié)構(gòu)，特別是有關(guān)于一種無阻障層(Barrier Layer)且具有多層種子層(Seed Layer)的內(nèi)連線工藝與結(jié)構(gòu)。
由于銅具有低電阻的特性，因此以銅為導線的元件可承受更密集的電路排列，如此可大大減少所需金屬層的數(shù)目，進而降低生產(chǎn)成本且提高計算機的運算速度。此外，銅還具有較高的電致遷移(Electromigration；EM)阻力，因此以銅為導線的元件具有更高的壽命以及穩(wěn)定性。
銅無法用傳統(tǒng)的干式蝕刻技術(shù)來進行導線布植，因此目前工業(yè)界大部分采用新一代的導線制作技術(shù)鑲嵌(damascene)法來做銅導線的填充。請參考

圖1的公知銅工藝中雙金屬鑲嵌技術(shù)的結(jié)構(gòu)剖面圖。如圖1所示，首先提供基材10以及位于基材10上的蝕刻中止層20。至于，介電層30則是位于蝕刻中止層20上，且蝕刻中止層40位于介電層30上。其中，介電層50位于蝕刻中止層40上，且介電層30與介電層50中定義有介層洞32與溝槽52而約暴露出部分的基材10。至于，阻障層60則是共形地覆蓋介電層50、介電層30、與約暴露出的部分基材10。此外，尚有一種子層70位于阻障層60上。在公知的雙金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)中更包括金屬層80填滿介層洞32與溝槽52等，其中金屬層80以銅制成。
上述用以形成金屬層80的銅材質(zhì)在高溫的環(huán)境下極易產(chǎn)生擴散現(xiàn)象。因此，公知銅鑲嵌工藝包括沉積阻障層60的步驟，借以阻止銅擴散的發(fā)生，其中此阻障層60的材質(zhì)例如為氮化鉭(TaN)。然而，與銅相比之下，氮化鉭具有較高的電阻率，因此介層洞與溝槽中的金屬層80的接觸電阻(Contact Resistance；RC)與片電阻(SheetResistance；RS)會隨之提高。故有必要尋求解決之道。
本發(fā)明的另一目的為提供一種無阻障層且具有多層種子層的內(nèi)連線工藝與結(jié)構(gòu)，可借以降低接觸電阻與片電阻，是因金屬層與金屬層間直接接觸。
本發(fā)明的又一目的為提供一種無阻障層且具有多層種子層的內(nèi)連線工藝與結(jié)構(gòu)，可借以避免金屬層氧化。
依據(jù)本發(fā)明的上述目的，因此本發(fā)明提供一種無阻障層且具有多層種子層的內(nèi)連線的工藝，至少包括下列步驟首先，提供基材，此基材具有預設(shè)結(jié)構(gòu)，且此預設(shè)結(jié)構(gòu)上具有開口；接著，形成堆棧的多個種子層覆蓋基材；接著，形成金屬層覆蓋種子層并填滿開口；接著，進行熱退火(Annealing)步驟；然后，平坦化金屬層，使約暴露出部分的基材。
依據(jù)本發(fā)明的上述目的，因此本發(fā)明另提供一種無阻障層且具有多層種子層的內(nèi)連線的結(jié)構(gòu)，至少包括基材，此基材具有預設(shè)結(jié)構(gòu)，且此預設(shè)結(jié)構(gòu)上具有開口；多個種子層，堆棧并覆蓋于開口中的部份基材上；以及具有多個摻雜離子的金屬層，此金屬層填滿開口，且此金屬層與種子層具有約相同高度。其中，摻雜離子選自于由鉻、鈀、錫、鈦、鋯、鎂、鋁、以及鈷所組成的一族群。
10基材20蝕刻中止層30介電層 40蝕刻中止層
32介層洞 50介電層52溝槽60阻障層70種子層 80金屬層110基材 125蝕刻中止層135介電層 148蝕刻中止層158介電層 165介層洞170溝槽 180種子層190種子層 200金屬層205金屬層 210金屬層310基材 325蝕刻中止層335介電層 348蝕刻中止層358介電層 365介層洞370溝槽 380種子層390種子層 392種子層400金屬層 405金屬層410金屬層上述種子層180與種子層190例如可以電化學電鍍法(Electrochemical Plating；ECP)來形成，且種子層180與種子層190的用途為后續(xù)電鍍金屬層時借以導電用。公知種子層僅為一層，且材質(zhì)可為純金屬或合金。此處本發(fā)明的一較佳實施例中包括兩層材質(zhì)不同的種子層180以及種子層190，借以省去阻障層，并可克服公知因使用阻障層而使接觸電阻與片電阻過高的問題。至于，種子層180與種子層190的材質(zhì)有兩種組合。若種子層180的材質(zhì)為合金，則種子層190的材質(zhì)為純金屬。反之，若種子層180的材質(zhì)為純金屬，則種子層190的材質(zhì)為合金。上述純金屬例如可為銅，且合金例如可為銅層與其它金屬的合金，其中此其它金屬例如可為鉻(Cr)、鈀(Pd)、錫(Sn)、鈦(Ti)、鋯(Zr)、鎂(Mg)、鋁(Al)、或鈷(Co)等，且系以摻雜(Doping)的方法加入銅層中，故此其它金屬可稱為摻質(zhì)(Dopant)。此外，種子層180與種子層190的厚度比可為約0.1至約10。
接著，如圖2D所示，形成金屬層200，借以覆蓋種子層190并填滿圖2C中的介層洞165與溝槽170。此形成金屬層200的步驟例如可以電化學電鍍法來達成。至于，金屬層200的材質(zhì)例如可為銅。
接著，進行熱退火步驟。當此熱退火步驟完成時，種子層180或種子層190中的摻質(zhì)(即鉻、鈀、錫、鈦、鋯、鎂、鋁、或鈷等金屬)會擴散至金屬層200中而成為如圖2E中的金屬層205。此具有摻質(zhì)的金屬層205具有阻止銅在高溫環(huán)境下擴散的功能，因而在本發(fā)明的先前工藝中可不需使用阻障層，更進一步達到避免接觸電阻與片電阻過高的功效，是因金屬層與金屬層間直接接觸之故。此外，具有摻質(zhì)的金屬層205更具有避免氧化的功效。至于，此熱退火步驟的溫度可為約100℃至約500℃。
然后，例如以化學機械研磨法(Chemical Mechanical Polishing；CMP)平坦化金屬層205，借以形成如圖2F的金屬層210并約暴露出介電層158。此金屬層210即為利用本發(fā)明所形成的金屬內(nèi)連線。
本發(fā)明的另一較佳實施例可參考圖3A至圖3G。圖3A至圖3G為本發(fā)明的一較佳實施例的無阻障層且具有三層種子層的內(nèi)連線工藝之結(jié)構(gòu)剖面圖。首先，如圖3A提供基材310且此基材310包括已于先前工藝形成的例如金屬層或介電層(未繪示)等。此外，基材310更具有已于先前工藝形成的蝕刻中止層325、介電層335、蝕刻中止層348、介電層358、介層洞365、以及溝槽370等。蝕刻中止層325位于部份的基材310上。至于，介電層335則是位于蝕刻中止層325上，且蝕刻中止層348位于介電層335上。其中，介電層358位于蝕刻中止層348上，且介電層335與介電層358中定義有介層洞365與溝槽370而約暴露出部分的基材310。接著，如圖3B所示，形成種子層380共形地覆蓋介電層358、約暴露出的部分介電層335、以及部份基材310。接著，如圖3C所示，形成種子層390共形地覆蓋種子層380。然后，如圖3D所示，形成種子層392共形地覆蓋種子層390。
上述種子層380、種子層390、以及種子層392例如可以電化學電鍍法來形成，且種子層380、種子層390、以及種子層392的用途為后續(xù)電鍍金屬層時借以導電用。此本發(fā)明的另一較佳實施例中包括三層材質(zhì)不同的種子層380、種子層390、以及種子層392，借以省去阻障層，并可克服公知因使用阻障層而使接觸電阻與片電阻過高的問題。至于，種子層380、種子層390、以及種子層392的材質(zhì)有兩種組合。若種子層380的材質(zhì)為合金，則種子層390的材質(zhì)為純金屬，且種子層392的材質(zhì)為合金。反之，若種子層380的材質(zhì)為純金屬，則種子層390的材質(zhì)為合金，且種子層392的材質(zhì)為純金屬。上述純金屬例如可為銅，且合金例如可為銅與其它金屬的合金，其中此其它金屬例如可為鉻、鈀、錫、鈦、鋯、鎂、鋁、或鈷等，且是以摻雜的方法加入銅中，故此其它金屬可稱為摻質(zhì)。此外，種子層380與種子層390的厚度比可為約0.1至約10。而種子層390與種子層392的厚度比也可為約0.1至約10。
接著，如圖3E所示，形成金屬層400，借以覆蓋種子層392并填滿圖3D中的介層洞365與溝槽370。此形成金屬層400的步驟例如可以電化學電鍍法來達成。至于，金屬層400的材質(zhì)例如可為銅。
接著，進行熱退火步驟。當此熱退火步驟完成時，種子層380、種子層390、或種子層392中的摻質(zhì)(即鉻、鈀、錫、鈦、鋯、鎂、鋁、或鈷等金屬)會擴散至金屬層400中而成為如圖3F中的金屬層405。此具有摻質(zhì)的金屬層405具有阻止銅在高溫環(huán)境下擴散的功能，因而在本發(fā)明的先前工藝中可不需使用阻障層，更進一步達到避免接觸電阻與片電阻過高的功效，是因金屬層與金屬層間直接接觸之故。此外，具有摻質(zhì)的金屬層405更具有避免氧化的功效。至于，此熱退火步驟的溫度可為約100℃至約500℃。
然后，例如以化學機械研磨法平坦化金屬層405，借以形成如圖3G的金屬層410并約暴露出介電層358。此金屬層410即為利用本發(fā)明所形成的金屬內(nèi)連線。
本發(fā)明中的種子層為兩層或兩層以上，而不限于上述兩個實施例中的兩層與三層。本發(fā)明的精神在于無論種子層的層數(shù)為何，這些種子層是由一合金種子層與一純金屬種子層交互或依序堆棧，且最下層(即圖2B至圖2F中的種子層180與圖3B至圖3G中的種子層380)可為合金種子層或純金屬種子層。也就是，以四層為例，若最下層為合金種子層，則由下往上的第二層至第四層依序為純金屬種子層、合金種子層、以及純金屬種子層；反之，若最下層為純金屬種子層，則由下往上的第二層至第四層依序為合金種子層、純金屬種子層、以及合金種子層。至于五層或五層以上，可以同理類推。
綜合上述，本發(fā)明的一優(yōu)點為提供一種無阻障層且具有多層種子層的內(nèi)連線工藝與結(jié)構(gòu)，可借以省去公知形成阻障層的步驟。
本發(fā)明的另一優(yōu)點為提供一種無阻障層且具有多層種子層的內(nèi)連線工藝與結(jié)構(gòu)，可借以降低接觸電阻與片電阻，是因金屬層與金屬層間直接接觸。
本發(fā)明的另一優(yōu)點為提供一種無阻障層且具有多層種子層的內(nèi)連線工藝與結(jié)構(gòu)，可借以避免金屬層氧化。
權(quán)利要求
1.一種無阻障層(Barrier layer)且具有多層種子層(Seed Layer)的內(nèi)連線(Interconnect)的工藝，其特征是，該工藝至少包括提供一基材，該基材具有一預設(shè)結(jié)構(gòu)，且該預設(shè)結(jié)構(gòu)上具有一開口；形成堆棧的多個種子層覆蓋該基材；形成一金屬層覆蓋該些種子層并填滿該開口；進行一熱退火(Annealing)步驟；以及平坦化該金屬層，使約暴露出部分的該預設(shè)結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的無阻障層且具有多層種子層的內(nèi)連線的工藝，其特征是，該些種子層包括至少一合金種子層與至少一純金屬種子層由該基材的一表面往上交互堆棧。
3.如權(quán)利要求2所述的無阻障層且具有多層種子層的內(nèi)連線的工藝，其特征是，該至少一合金種子層的材質(zhì)包括銅與一金屬物質(zhì)，該金屬物質(zhì)選自于由鉻、鈀、錫、鈦、鋯、鎂、鋁、以及鈷所組成的一族群。
4.如權(quán)利要求2所述的無阻障層且具有多層種子層的內(nèi)連線的工藝，其特征是，該至少一合金種子層與該至少一純金屬種子層的厚度比為約0.1至約10。
5.如權(quán)利要求1所述的無阻障層且具有多層種子層的內(nèi)連線的工藝，其特征是，該熱退火步驟的溫度為約100℃至約500℃。
6.如權(quán)利要求1所述的無阻障層且具有多層種子層的內(nèi)連線的工藝，其特征是，該平坦化該金屬層的步驟使用化學機械研磨(Chemical Mechanical Polishing；CMP)法。
7.一種無阻障層且具有多層種子層的內(nèi)連線的結(jié)構(gòu)，其特征是，該結(jié)構(gòu)至少包括一基材，該基材具有一預設(shè)結(jié)構(gòu)，且該預設(shè)結(jié)構(gòu)上具有一開口；多個種子層，堆棧并覆蓋于該開口中的部份該基材上；以及具有多個摻雜離子的一金屬層，該金屬層填滿該開口，且該金屬層與該些種子層具有約相同高度。
8.如權(quán)利要求7所述的無阻障層且具有多層種子層的內(nèi)連線的結(jié)構(gòu)，其特征是，該些種子層包括至少一合金種子層與至少一純金屬種子層由該基材的一表面往上交互堆棧。
9.如權(quán)利要求8所述的無阻障層且具有多層種子層的內(nèi)連線的結(jié)構(gòu)，其特征是，該至少一合金種子層的材質(zhì)包括銅與一金屬物質(zhì)，該金屬物質(zhì)選自于由鉻、鈀、錫、鈦、鋯、鎂、鋁、以及鈷所組成的一族群。
10.如權(quán)利要求7所述的無阻障層且具有多層種子層的內(nèi)連線的結(jié)構(gòu)，其特征是，該些摻雜離子選自于由鉻、鈀、錫、鈦、鋯、鎂、鋁、以及鈷所組成的一族群。
全文摘要
一種無阻障層(Barrier Layer)且具有多層種子層(Seed Layer)的內(nèi)連線(Interconnect)工藝與結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的技術(shù)特征在于，具有交互堆棧的合金種子層與純金屬種子層的多層種子層，且工藝中利用熱退火(Annealing)步驟以形成無阻障層且具有多層種子層的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)。運用本發(fā)明的工藝與結(jié)構(gòu)，除可省去公知阻障層外，更可借以降低接觸電阻(ContactResistance；R
文檔編號H01L21/768GK1466187SQ0212288
公開日2004年1月7日 申請日期2002年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月17日
發(fā)明者林俊成, 黃震麟, 眭曉林, 梁孟松 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司