專利名稱：在低介電材料層與內(nèi)連線間形成阻障層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種半導(dǎo)體元件制造方法，特別是有關(guān)于一種在低介電材料層與內(nèi)連線間形成阻障層的方法。
背景技術(shù)：
隨著集成電路持續(xù)縮小化的發(fā)展，具有低電阻常數(shù)和高電子遷移阻抗的銅金屬，已逐漸被應(yīng)用來(lái)作為金屬內(nèi)連線的材質(zhì)，取代以往的鋁金屬制程技術(shù)。由于銅的電阻比鋁低，在一固定的線寬下會(huì)有較高的信號(hào)傳輸速度。
雖然銅的物理性質(zhì)對(duì)于應(yīng)用在元件上具有很大的優(yōu)勢(shì)，但是銅具有一些鋁所沒(méi)有的缺點(diǎn)必需克服。例如，銅膜在制造過(guò)程中非常容易受到氧化。此外，銅很容易擴(kuò)散到相鄰的材料(包括介電質(zhì))，所以當(dāng)使用銅作為金屬內(nèi)連線時(shí)，都需以阻障材料將銅導(dǎo)線封住。
傳統(tǒng)上，一般都會(huì)在沉積銅金屬之后，沉積一金屬阻障材料，一般稱為封蓋層(sealing layer)、覆蓋層(cap layer)或包覆層(encapsulationlayer)。雖然其它材質(zhì)亦可使用，但通常是以氮化硅來(lái)作為此封蓋層。
圖1是傳統(tǒng)雙鑲嵌式導(dǎo)線剖面圖。在半導(dǎo)體基底100上覆蓋有一絕緣層102，且具有多數(shù)溝槽。銅金屬層104沉積于絕緣層102上并填入于溝槽中。多余的銅金屬層104通常通過(guò)化學(xué)機(jī)械研磨法(chemicalmechanical polishing)研磨到絕緣層102表面，以將其去除。之后，一封蓋層106沉積于銅金屬層104及絕緣層102上。一具有雙鑲嵌(dualdamascene)結(jié)構(gòu)的低介電常數(shù)(low k)材料層108接著形成于此封蓋層106上。
同樣地，一銅金屬層110沉積于低介電常數(shù)材料層108并填入雙鑲嵌構(gòu)造中。此處，雙鑲嵌構(gòu)造中的銅金屬層110經(jīng)由去除部分的封蓋層106以電性連接于銅內(nèi)連線104，如圖1所示。多余的銅金屬層110同樣通過(guò)化學(xué)機(jī)械研磨法(chemical mechanical polishing)研磨至低介電常數(shù)材料層108以將的去除。
此封蓋層106通常為氮化硅(SiN)，以作為一金屬阻障層，而防止銅金屬層104及110中的銅原子擴(kuò)散至絕緣層102及低介電常數(shù)材料層108。另外，此封蓋層106亦可作為雙鑲嵌制程中的蝕刻終止層。其主要缺陷在于由于位于低介電常數(shù)材料層及銅內(nèi)連線之間的封蓋層具有可靠度的問(wèn)題，例如銅導(dǎo)線間的電子遷移(electronic migration，EM)及依時(shí)性介電崩潰電壓(time dependent dielectric breakdown，TDDB)。舉例而言，在封蓋層沉積于銅表面之后，接著介電層會(huì)沉積于封蓋層上方。此沉積介電層的制程會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力而損害到封蓋層。再者，在雙鑲嵌制程后續(xù)的化學(xué)機(jī)械研磨制程中，低介電常數(shù)材料層及封蓋層之間不佳的附著力，將造成介電層的剝離，導(dǎo)致水氣的進(jìn)入及銅原子的擴(kuò)散。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種在低介電材料層與內(nèi)連線間形成阻障層的方法，其通過(guò)對(duì)封蓋層實(shí)施一電漿處理，達(dá)到增加低介電常數(shù)材料層與封蓋層之間的附著力的目的。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種在低介電材料層與內(nèi)連線間形成阻障層的方法，其通過(guò)在低介電常數(shù)材料層與封蓋層之間形成一附著層，以防止在形成低介電材料層期間對(duì)封蓋層造成損害，達(dá)到避免在后續(xù)的化學(xué)機(jī)械研磨制程中造成低介電材料層的剝離的目的。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種在低介電材料層與內(nèi)連線間形成阻障層的方法。首先，提供一基底，其覆蓋有一絕緣層，且絕緣層具有一金屬內(nèi)連線；接著，在金屬內(nèi)連線及介電層上方形成一封蓋層；然后，通過(guò)一反應(yīng)氣體對(duì)封蓋層實(shí)施一電漿處理，其中所使用的反應(yīng)氣體選自二氧化碳、氨氣、二氧化氮、硅烷、三甲基硅烷(3MS)或四甲基硅烷(4MS)的至少一種；最后，在封蓋層上形成一低介電材料層；再者，此封蓋層是由氮化硅、碳化硅、碳?xì)浠?、碳氧化硅或碳氮化硅的一種所構(gòu)成。
本發(fā)明還提供另一種在低介電材料層與內(nèi)連線間形成阻障層的方法。首先，提供一基底，其覆蓋有一絕緣層且絕緣層具有一金屬內(nèi)連線；接著，在金屬內(nèi)連線及介電層上方形成一封蓋層；之后，在封蓋層上形成一附著層；最后，在附著層上形成一低介電材料層。此封蓋層是選自氮化硅、碳化硅、碳?xì)浠?、碳氧化硅或碳氮化硅的一種所構(gòu)成。再者，通過(guò)化學(xué)氣相沉積法形成此附著層，且使用二氧化碳、氨氣、二氧化氮、硅烷、三甲基硅烷(3MS)或四甲基硅烷(4MS)的至少一種作為反應(yīng)氣體，或通過(guò)涂覆一硅酸鹽溶液形成此附著層。
下面結(jié)合較佳實(shí)施例配合附圖詳細(xì)說(shuō)明。


圖1是傳統(tǒng)雙鑲嵌式導(dǎo)線的剖面示意圖。
圖2-圖5是本發(fā)明實(shí)施例1的在低介電材料層與內(nèi)連線間形成阻障層的剖面示意圖。
圖6-圖9是本發(fā)明實(shí)施例2的在低介電材料層與內(nèi)連線間形成阻障層的剖面示意圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1參閱圖2-圖5所示，本發(fā)明實(shí)施例1的在低介電材料層與內(nèi)連線間形成阻障層的方法。
首先，參閱圖2所示，提供一基底200。此基底200包含有一半導(dǎo)體晶圓以及形成于晶圓中的主動(dòng)及被動(dòng)元件。此處，為簡(jiǎn)化圖示，僅繪示出一平整基底200及一絕緣層202，例如氧化硅層或有機(jī)硅玻璃(organanosilicate，OSG)，沉積于此基底200上。此絕緣層202中，形成有制作內(nèi)連線的構(gòu)槽。接著，一金屬層204，例如銅金屬，是沉積于絕緣層202上，并填入溝槽中。多余的銅金屬層204是通過(guò)化學(xué)機(jī)械研磨法研磨至絕緣層202表面，以在絕緣層202中形成銅內(nèi)連線204。
接下來(lái)，參閱圖3所示，一封蓋層204接著形成于銅內(nèi)連線204及絕緣層202上。在本實(shí)施例中，此封蓋層204是氮化硅層，其亦可由碳化硅(SiC)、碳?xì)浠?SiCH)、碳氧化硅(SiCO)或碳氮化硅(SiCN)的一種所構(gòu)成。之后，對(duì)封蓋層204實(shí)施一電漿處理。其中，所使用的反應(yīng)氣體為二氧化碳(CO2)、氨氣(NH3)、二氧化氮(NO2)、硅烷(SiH4)、三甲基硅烷(trimethylsilane，3MS)或四甲基硅烷(tetramethylsilane，4MS)的至少一種，以形成具有表面活化的封蓋層206a。本實(shí)施例所通入的反應(yīng)氣體中，二氧化碳、氨氣、二氧化氮、硅烷、三甲基硅烷(3MS)及四甲基硅烷(4MS)的流速分別為500-1500sccm、1500-3500sccm、500-1500sccm、500-1500sccm、500-2500sccm及500-2500sccm的范圍。
接下來(lái)，參閱圖4所示，一低介電(low k)材料層208，例如SILK、FLARE、及PAII，形成于封蓋層206a上。其中，此低介電材料層208具有一雙鑲嵌構(gòu)造。隨后，銅金屬層210是沉積于低介電材料層208上，并填入雙鑲嵌構(gòu)造中。此處，雙鑲嵌構(gòu)造中的銅金屬層210經(jīng)由去除部分的封蓋層206a，以電性連接于銅內(nèi)連線204。
接下來(lái)，參閱圖5所示，多余的銅金屬層210是通過(guò)化學(xué)機(jī)械研磨法研磨至低介電材料層208表面，以在低介電材料層208中形成銅內(nèi)連線210。
如的前所述，封蓋層206a是作為一金屬阻障層，而防止銅金屬層204及210中的銅原子擴(kuò)散至絕緣層202及低介電常數(shù)材料層208，且可作為雙鑲嵌制程中的蝕刻終止層。由于具有表面活化的封蓋層206a與低介電材料層208作用，而改善低介電常數(shù)材料層208與封蓋層206a之間的附著力。因此，根據(jù)本發(fā)明的方法，可防止介電常數(shù)材料層208在后續(xù)的化學(xué)機(jī)械研磨制程中剝離。亦即，可排除因封蓋層與低介電材料層之間不佳的附著性，造成可靠度降低的問(wèn)題。
實(shí)施例2參閱圖6-圖9所示，本發(fā)明實(shí)施例2的在低介電材料層與內(nèi)連線間形成阻障層的方法。
首先，參閱圖6所示，提供一基底200。接著，一絕緣層202，例如氧化硅層或有機(jī)硅玻璃(organanosilicate，OSG)，沉積于此基底200上。此絕緣層202中，形成有制作內(nèi)連線的構(gòu)槽。然后，一金屬層204，例如銅金屬，是沉積于絕緣層202上并填入溝槽中。多余的銅金屬層204是通過(guò)化學(xué)機(jī)械研磨法研磨至絕緣層202表面，以在絕緣層202中形成銅內(nèi)連線204。
接下來(lái)，參閱圖7所示，一封蓋層204接著形成于銅內(nèi)連線204及絕緣層202上。在本實(shí)施例中，此封蓋層204是氮化硅層，其亦可由碳化硅(SiC)、碳?xì)浠?SiCH)、碳氧化硅(SiCO)或碳氮化硅(SiCN)的一種所構(gòu)成。之后，一附著層207是形成于封蓋層上。在本實(shí)施例中，有兩種形成此附著層207的方法。一種是通過(guò)使用化學(xué)氣相沉積法(chemicalvapor deposition)以形成附著層207，其中所使用的反應(yīng)氣體為二氧化碳、氨氣、二氧化氮、硅烷、三甲基硅烷(3MS)或四甲基硅烷(4MS)的至少一種；另一種是在封蓋層206上涂覆一硅酸鹽溶液(作為附著促進(jìn)劑)，以形成附著層207。其中，通過(guò)使用化學(xué)氣相沉積法形成的附著層207，厚度在100-200埃的范圍。另外，通過(guò)涂覆硅酸鹽溶液形成的附著層207，厚度在1000-2000埃的范圍。
接下來(lái)，參閱圖8所示，一低介電(low k)材料層208，例如SILK、FLARE、及PAII，形成于附著層207上。其中，此低介電材料層208具有一雙鑲嵌構(gòu)造。隨后，銅金屬層210是沉積于低介電材料層208上，并填入雙鑲嵌構(gòu)造中。此處，雙鑲嵌構(gòu)造中的銅金屬層210經(jīng)由去除部分的附著層207及其下方的封蓋層206，以電性連接于銅內(nèi)連線204。
接下來(lái)，參閱圖9所示，多余的銅金屬層210是通過(guò)化學(xué)機(jī)械研磨法研磨至低介電材料層208表面，以在低介電材料層208中形成銅內(nèi)連線210。
在本實(shí)施例中，附著層207及其下方的封蓋層206是構(gòu)成一復(fù)合式阻障層，且可增加其與低介電材料層208之間的附著力。亦即，本實(shí)施例具有與第一實(shí)施例相同的優(yōu)點(diǎn)。另外，附著層207亦可作為一保護(hù)層，以防止在沉積低介電材料層208期間，產(chǎn)生的應(yīng)力損害到封蓋層206。
雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何熟習(xí)此項(xiàng)技藝者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，所作更動(dòng)與潤(rùn)飾，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種在低介電材料層與內(nèi)連線間形成阻障層的方法，其特征是它至少包括下列步驟(1)提供一基底，該基底覆蓋有絕緣層，且該絕緣層具有金屬內(nèi)連線；(2)在該金屬內(nèi)連線及該介電層上方形成一封蓋層；(3)在該封蓋層上形成附著層；(4)在該附著層上形成低介電材料層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在低介電材料層與內(nèi)連線間形成阻障層的方法，其特征是該絕緣層是選自氧化硅或有機(jī)硅玻璃的一種所構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在低介電材料層與內(nèi)連線間形成阻障層的方法，其特征是該封蓋層是選自氮化硅、碳化硅、碳?xì)浠琛⑻佳趸杌蛱嫉璧囊环N所構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在低介電材料層與內(nèi)連線間形成阻障層的方法，其特征是該金屬內(nèi)連線是銅內(nèi)連線。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在低介電材料層與內(nèi)連線間形成阻障層的方法，其特征是該附著層是通過(guò)化學(xué)氣相沉積法形成，其使用的反應(yīng)氣體選自二氧化碳、氨氣、二氧化氮、硅烷、三甲基硅烷或四甲基硅烷的至少一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的在低介電材料層與內(nèi)連線間形成阻障層的方法，其特征是該附著層的厚度在100-200埃的范圍。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在低介電材料層與內(nèi)連線間形成阻障層的方法，其特征是該附著層是通過(guò)涂覆硅酸鹽溶液形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的在低介電材料層與內(nèi)連線間形成阻障層的方法，其特征是該附著層的厚度在1000-2000埃的范圍。
全文摘要
一種在低介電材料層與內(nèi)連線間形成阻障層的方法。首先，提供一基底，其覆蓋有一絕緣層且絕緣層具有一金屬內(nèi)連線；接著，在金屬內(nèi)連線及介電層上方形成一封蓋層；然后，通過(guò)一反應(yīng)氣體對(duì)封蓋層實(shí)施一電漿處理，其中所使用的反應(yīng)氣體選自二氧化碳、氨氣、二氧化氮、硅烷、三甲基硅烷或四甲基硅烷的至少一種。最后，在封蓋層上形成一低介電材料層，具有增加低介電常數(shù)材料層與封蓋層之間的附著力的功效。
文檔編號(hào)H01L21/02GK1482665SQ02131620
公開(kāi)日2004年3月17日 申請(qǐng)日期2002年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月11日
發(fā)明者李世達(dá), 徐震球 申請(qǐng)人:矽統(tǒng)科技股份有限公司