專(zhuān)利名稱(chēng)：改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的工藝與結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用以改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的工藝與結(jié)構(gòu)，特別是涉及一種金屬鑲嵌工藝(Damascene Process)，且適用于單金屬鑲嵌或雙重金屬鑲嵌的工藝。
背景技術(shù)：
面對(duì)市場(chǎng)對(duì)輕薄短小的電子組件的需求趨勢(shì)，集成電路組件的線寬尺寸也不斷地縮小，而隨著集成電路組件的線寬尺寸的微縮化，致使組件的運(yùn)算速度受到電阻電容延遲(Resistance Capacitance Delay；RC Delay)以及日趨嚴(yán)重的電遷移(Electromigration)的影響而明顯減慢。因此，面對(duì)目前高密集度的電路設(shè)計(jì)，必須舍棄傳統(tǒng)電阻較高的金屬鋁(Al)，而改用具有更低電阻且抗電遷移能力較佳的金屬材料，例如銅(Cu)金屬，來(lái)作為組件的內(nèi)連線。
除此之外，由于銅的低電阻特性，于是以銅為導(dǎo)線材料的集成電路組件可承受更密集的電路排列，因此可大幅縮減金屬層數(shù)量。如此一來(lái)，不僅可降低生產(chǎn)成本，還可提升組件的運(yùn)算速度。而銅的較佳的抗電遷移能力，還可使得以銅為導(dǎo)線的組件具有更長(zhǎng)的壽命及較佳的穩(wěn)定性。
另一方面，由于工藝上及導(dǎo)線材料的限制，而難以藉由改變導(dǎo)線面積等幾何上的改變來(lái)降低寄生的電容值。因此，目前除了采用金屬銅來(lái)作為組件的內(nèi)連線材料外，還利用低介電常數(shù)材料來(lái)作為金屬導(dǎo)線間的絕緣材料，以進(jìn)一步降低導(dǎo)線間的寄生電容值。寄生電容值的下降，不僅可使得組件的速度性能大幅提高，還可減少功率的消耗(Power Dissipation)及噪聲干擾(Cross-talk Noise)，有效提升組件的操作性能。
然而，以銅作為組件的導(dǎo)線時(shí)，卻面臨銅無(wú)法利用傳統(tǒng)的干式蝕刻(DryEtching)技術(shù)予以圖案化的問(wèn)題。為了解決銅導(dǎo)線的圖案化問(wèn)題，目前已發(fā)展出利用鑲嵌的方式來(lái)進(jìn)行銅導(dǎo)線的制作。銅導(dǎo)線的鑲嵌技術(shù)，首先是將銅金屬充填到已形成有金屬導(dǎo)線圖案的介電層開(kāi)口中，再利用研磨技術(shù)去除介電層開(kāi)口外的多余銅金屬，而完成銅金屬的鑲嵌。上述金屬銅的研磨技術(shù)，目前一般采用化學(xué)機(jī)械研磨(Chemical Mechanical Polishing；CMP)技術(shù)。
請(qǐng)參照?qǐng)D1至圖4，是繪示傳統(tǒng)金屬鑲嵌工藝的工藝剖面示意圖。首先，提供半導(dǎo)體的基材100，再沉積介電層102覆蓋在基材100上。其中，介電層102的材質(zhì)為低介電常數(shù)材料。介電層102形成后，利用微影與蝕刻技術(shù)去除部分的介電層102，而在介電層102中形成開(kāi)口104并暴露出部分的基材100，如圖1所示。
接著，共形(Conformal)沉積擴(kuò)散阻障層106覆蓋在介電層102以及暴露出的基材100上。接著，形成晶種層107覆蓋并共形于擴(kuò)散阻障層106的表面。再利用電鍍方式形成金屬層108覆蓋在晶種層107上，并填滿開(kāi)口104，而形成如圖2所示的結(jié)構(gòu)。其中，擴(kuò)散阻障層106是用以防止后續(xù)形成的金屬層108擴(kuò)散至介電層102與基材100中。此外，為確保金屬層108能填滿開(kāi)口104，需形成較厚的金屬層108。目前，金屬層108的材質(zhì)一般為銅金屬。
然后，利用化學(xué)機(jī)械研磨的方式去除部分的金屬層108，同時(shí)去除位于開(kāi)口104外的擴(kuò)散阻障層106，直至暴露出介電層102，藉以平坦化金屬層108，如圖3所示。
接著，如同圖4所示形成蝕刻中止層110覆蓋金屬層108、介電層102與阻障層106。隨后，進(jìn)行后續(xù)內(nèi)連線工藝。然而，由于傳統(tǒng)的蝕刻中止層110與金屬層108間的粘著性不佳，因此容易產(chǎn)生剝離現(xiàn)象且有可能產(chǎn)生遺漏(Leakage)電流現(xiàn)象，因而造成可靠度(Reliability)不佳的問(wèn)題。
Fukada等人在美國(guó)專(zhuān)利第6,107,687號(hào)中揭露了一種提高銅導(dǎo)線的可靠度的銅工藝，其是在銅導(dǎo)線層上形成一層粘著層(adhesion layer)，并在粘著層上形成覆蓋層(cap layer)，藉以避免覆蓋層剝落。其中還一并揭露了可用的粘著層為T(mén)i、TiN、Cr、Al、AlCu、AlSiCu等，這些粘著層的材質(zhì)為具有導(dǎo)電性質(zhì)的金屬材質(zhì)，必須填在銅線溝槽內(nèi)，因此必須增加一道化學(xué)機(jī)械研磨工藝；而且，其覆蓋層也位于銅導(dǎo)線溝槽內(nèi)，因此，在銅導(dǎo)線溝槽的頂角還必須圓角化，以避免覆蓋層剝落，制成相當(dāng)繁瑣復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的結(jié)構(gòu)及其制作工藝，能夠提高銅導(dǎo)線可靠度且工藝簡(jiǎn)單。
根據(jù)上述目的，本發(fā)明提供了一種改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的結(jié)構(gòu)，其在金屬層與蝕刻中止層間增加了一層覆蓋層(Cap Layer)或粘著層(Adhesion Layer)，藉以增加蝕刻中止層與下方的金屬層的粘著性，以提升可靠度。
另一方面，本發(fā)明還提供了一種改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的工藝，其是利用原子層沉積法形成具有較佳粘著特性及絕緣特性的金屬氮化物層以增加蝕刻中止層與下方的金屬層的粘著性，可用以防止遺漏電流的產(chǎn)生。
具體地說(shuō)，本發(fā)明所提供的一種改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的工藝，其至少包括提供至少已形成有第一介電層的基材，且第一介電層中至少形成有開(kāi)口暴露出部分的基材；形成金屬層填滿開(kāi)口；平坦化金屬層；形成原子層級(jí)的金屬氮化物層覆蓋金屬層與第一介電層；以及形成第二介電層覆蓋金屬氮化物層。
根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例，其中金屬層的材質(zhì)可為銅或其它金屬，而原子層級(jí)的金屬氮化物層的材質(zhì)為高阻值的氮化鉭或氮化鎢或其它具有類(lèi)似性質(zhì)的金屬氮化物。
根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例，其中在提供基材與形成金屬層的步驟間，還進(jìn)一步至少包括形成阻障層覆蓋第一介電層以及暴露的基材。其中阻障層的材質(zhì)例如為利用物理氣相沉積法形成的低阻值的氮化鉭。
根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例，其中在形成阻障層的步驟之后，還可進(jìn)一步至少包括形成晶種層覆蓋在阻障層上。
根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例，其中形成金屬氮化物層的步驟是使用原子層沉積法，且在原子層沉積法中氮與鉭的比值為1.0至1.5，以及金屬氮化物層的厚度為5埃至100埃。
本發(fā)明的一優(yōu)點(diǎn)就是利用原子層級(jí)的金屬氮化物層作為覆蓋層或粘著層，并形成于導(dǎo)線和蝕刻停止層之間，以及蝕刻停止層和鑲嵌導(dǎo)線的第一介電層之間，因此可增加金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)中的填充金屬與蝕刻中止層的粘著性。且本發(fā)明藉由在原子層沉積法中調(diào)整氮與鉭的比例以及調(diào)整金屬氮化物層的厚度即可達(dá)到增加金屬氮化物層的電阻值，并提升工藝可靠度的目的。
此外，本發(fā)明的原子層級(jí)的金屬氮化物層以及蝕刻中止層，除了形成于導(dǎo)線上方外，還形成于鑲嵌導(dǎo)線的介電層上方，而且，原子層級(jí)的金屬氮化物層具有絕緣特性。因此，沉積完原子層級(jí)的金屬氮化物層以及蝕刻中止層后，并不需要任何化學(xué)機(jī)械研磨的步驟，工藝簡(jiǎn)單。


圖1至圖4為繪示傳統(tǒng)金屬鑲嵌工藝的工藝剖面示意圖。
圖5至圖8為繪示根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例的一種改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的工藝剖面示意圖。
圖9為繪示本發(fā)明與傳統(tǒng)技術(shù)的粘著性測(cè)試比較結(jié)果圖表。
圖10為繪示本發(fā)明的一實(shí)施例的氮化鉭厚度與電阻值的關(guān)系曲線圖。
圖中符號(hào)簡(jiǎn)單說(shuō)明100基材 102介電層 104開(kāi)口 106擴(kuò)散阻障層107晶種層 108金屬層 110蝕刻中止層 200基材202介電層 204開(kāi)口 206擴(kuò)散阻障層 207晶種層208金屬層 212覆蓋層 214蝕刻中止層具體實(shí)施方式
本發(fā)明揭露了一種改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的工藝，其是利用金屬氮化物層(如氮化鉭(TaN)層或氮化鎢(WN)層)來(lái)增加金屬鑲嵌開(kāi)口中的金屬層與蝕刻中止層(如氮化硅(SiN)、氧化硅(SiO)、碳化硅(SiC)與碳氧化硅(SiOC))的粘著性，且包括利用在原子層沉積法中改變氮與金屬(鉭或鎢)的比例以及改變金屬氮化物層的厚度來(lái)增加金屬氮化物層的電阻值，以提升工藝可靠度，達(dá)到增加產(chǎn)品良率的目的。為了使本發(fā)明的敘述更加詳盡與完備，可參照下列描述并配合圖5至圖8所示。
請(qǐng)參照?qǐng)D5至圖8，是繪示根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例的一種改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的工藝剖面示意圖。首先，提供半導(dǎo)體的基材200，其中該基材200上可視需要形成有半導(dǎo)體組件以及內(nèi)連線結(jié)構(gòu)等。再利用例如化學(xué)氣相沉積(CVD)的方式形成介電層202覆蓋在基材200上。其中，介電層202的材質(zhì)可例如為低介電常數(shù)材料或其它介電材料。待介電層202形成后，利用例如微影以及蝕刻技術(shù)進(jìn)行定義，而將導(dǎo)線圖案轉(zhuǎn)移至介電層202中，并在介電層202中形成開(kāi)口204，且暴露出部分的基材200，而形成如圖5所示的結(jié)構(gòu)。此外，值得注意的一點(diǎn)是本發(fā)明并不局限于單金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)，本實(shí)施例的圖示僅列舉單金屬鑲嵌為例，事實(shí)上本發(fā)明同樣可適用于雙重金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)或其它內(nèi)連線結(jié)構(gòu)中。換句話說(shuō)，開(kāi)口204可為單金屬鑲嵌開(kāi)口或雙重金屬鑲嵌開(kāi)口，甚至開(kāi)口204可為介層窗開(kāi)口或接觸窗開(kāi)口。
開(kāi)口204形成后，利用例如物理氣相沉積(PVD)法以共形沉積的方式形成厚度約為10埃至100埃的擴(kuò)散阻障層206覆蓋在介電層202以及開(kāi)口204所暴露的基材200上，以防止后續(xù)形成的金屬材料擴(kuò)散至基材200以及介電層202中，進(jìn)而確保電性品質(zhì)。其中，擴(kuò)散阻障層206的材質(zhì)為導(dǎo)電材質(zhì)，例如是利用物理氣相沉積法(PVD)形成的低阻值的氮化鉭。完成擴(kuò)散阻障層206后，利用例如濺鍍沉積的方式，共形沉積一層相當(dāng)薄的晶種層207覆蓋在擴(kuò)散阻障層206上。其中，此晶種層207的材質(zhì)可例如為銅或視情況而為其它金屬。接著，利用電化學(xué)電鍍(ECP)方式于晶種層207上形成金屬層208，并使金屬層208填滿開(kāi)口204。其中，金屬層208的材質(zhì)可例如為銅或其它合適的金屬材質(zhì)。
金屬層208形成后，利用例如化學(xué)機(jī)械研磨法等平坦化方式，除去部分的金屬層208直至約曝露出介電層202，藉以平坦化金屬層208的表面，而形成如圖7所示的結(jié)構(gòu)。
接著，如圖8所示，例如使用原子層沉積法(ALD)沉積一層具有絕緣性質(zhì)的金屬氮化物作為覆蓋層212以覆蓋金屬層208、擴(kuò)散阻障層206與介電層202。本發(fā)明的覆蓋層212的材質(zhì)可例如為氮化鉭或氮化鎢，且本發(fā)明的覆蓋層的材質(zhì)并不限于此，任何利用原子層沉積法所形成的高阻值的等效的金屬氮化物均屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范疇。其中，在原子層沉積工藝中氮/鉭的比值約介于1.0至1.5之間，且覆蓋層212的厚度約介于5埃至100埃。隨后，例如使用化學(xué)氣相沉積法形成一層作為后續(xù)金屬聯(lián)機(jī)工藝用的蝕刻中止層214，位于覆蓋層212上，其中蝕刻中止層214的材質(zhì)為介電物質(zhì)，例如是選自于由氮化硅(SiN)、氧化硅(SiO)、碳化硅(SiC)與碳氧化硅(SiON)所組成的族群。
請(qǐng)參照?qǐng)D9所示，是繪示本發(fā)明與傳統(tǒng)技術(shù)的粘著性測(cè)試比較結(jié)果的圖表。其中，最右側(cè)的長(zhǎng)條圖為本發(fā)明的一實(shí)施例，在本發(fā)明的此實(shí)施例中是以碳化硅(SiC)為蝕刻中止層且使用原子層沉積的氮化鉭(ALD-TaN)作為覆蓋層。而中間與最左側(cè)的長(zhǎng)條圖分別表示使用碳化硅與氮化硅作為蝕刻中止層的傳統(tǒng)技術(shù)。由圖9可得知本發(fā)明所達(dá)到的粘著效果遠(yuǎn)比傳統(tǒng)技術(shù)高。
請(qǐng)參照?qǐng)D10所示，是繪示本發(fā)明的一實(shí)施例的原子層沉積的氮化鉭(ALD-TaN)厚度與電阻值的關(guān)系曲線圖。由圖10可得知當(dāng)?shù)g厚度越來(lái)越厚時(shí)，電阻值會(huì)隨之逐漸升高，當(dāng)厚度約大于25埃時(shí)，氮化鉭就已經(jīng)成為具有絕緣效果的絕緣層。
由上述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例可知，本發(fā)明的一優(yōu)點(diǎn)就是因?yàn)槔迷訉蛹?jí)的金屬氮化物層作為覆蓋層或粘著層，因此可增加開(kāi)口中的金屬層208與蝕刻中止層214的粘著性，且本發(fā)明藉由在原子層沉積法中調(diào)整氮與金屬(如鉭或鎢)的比例以及調(diào)整金屬氮化物層的厚度即可達(dá)到增加金屬氮化物層的電阻值，并提升工藝可靠度的目的。
此外，本發(fā)明的原子層級(jí)的金屬氮化物層以及蝕刻中止層，除了形成于導(dǎo)線上方外，還形成于鑲嵌導(dǎo)線的介電層上方，而且，原子層級(jí)的金屬氮化物層具有絕緣特性。因此，沉積完原子層級(jí)的金屬氮化物層以及蝕刻中止層后，并不需要任何化學(xué)機(jī)械研磨的步驟。
雖然本發(fā)明已以一優(yōu)選實(shí)施例揭露如上，但其并非用以限定本發(fā)明，任何熟習(xí)本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可作各種更動(dòng)與潤(rùn)飾，本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)以權(quán)利要求書(shū)為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的工藝，至少包括提供一基材，其中該基材上至少已形成有一第一介電層，且該第一介電層中至少包括一開(kāi)口暴露出部分的所述基材；形成一金屬層填滿所述開(kāi)口；平坦化金屬層；形成一覆蓋層覆蓋金屬層與第一介電層；以及形成一第二介電層于覆蓋層上，其中該第二介電層做為蝕刻中止層。
2.如權(quán)利要求1所述的改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的工藝，其中所述覆蓋層為具有絕緣特性的金屬氮化物層。
3.如權(quán)利要求2所述的改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的工藝，其中所述金屬氮化物層的材質(zhì)為高阻值的氮化鉭。
4.如權(quán)利要求3所述的改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的工藝，其中氮與鉭的比值為1.0至1.5。
5.如權(quán)利要求2所述的改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的工藝，其中所述金屬氮化物層的材質(zhì)為高阻值的氮化鎢。
6.如權(quán)利要求1所述的改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的工藝，其中形成所述覆蓋層的步驟為使用原子層沉積法。
7.一種改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的工藝，至少包括提供一基材，其中該基材上至少已形成有一介電層，且該介電層中至少包括一開(kāi)口暴露出部分的所述基材；于該開(kāi)口中形成一金屬導(dǎo)線；形成一原子層級(jí)的粘著層于所述金屬層與第一介電層上；以及形成一第二介電層于覆蓋層上，其中該第二介電層做為蝕刻中止層。
8.如權(quán)利要求7所述的改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的工藝，其中所述粘著層為具有絕緣特性的金屬氮化物層。
9.如權(quán)利要求8所述的改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的工藝，其中所述金屬氮化物層的材質(zhì)為高阻值的氮化鉭。
10.如權(quán)利要求9所述的改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的工藝，其中氮與鉭的比值為1.0至1.5。
11.如權(quán)利要求8所述的改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的工藝，其中所述金屬氮化物層的材質(zhì)為高阻值的氮化鎢。
12.如權(quán)利要求7所述的改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的工藝，其中形成金屬導(dǎo)線的步驟包括形成一阻障層覆蓋所述開(kāi)口中的第一介電層以及暴露的基材；形成一晶種層覆蓋在阻障層上；利用一電化學(xué)電鍍法鍍一層金屬于晶種層上；利用化學(xué)機(jī)械研磨方式平坦化阻障層、晶種層和金屬層。
13.如權(quán)利要求12所述的改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的工藝，其中所述阻障層為利用一般物理氣相沉積法形成的低阻值的氮化鉭。
14.一種改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的結(jié)構(gòu)，至少包括一基材，其中該基材上至少已具有一第一介電層，且該第一介電層中至少包括一開(kāi)口暴露出部分的所述基材；一金屬層位于所述開(kāi)口中且填滿該開(kāi)口；一覆蓋層覆蓋金屬層與第一介電層；以及一第二介電層位于覆蓋層上，其中該第二介電層為蝕刻中止層。
15.如權(quán)利要求14所述的改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的結(jié)構(gòu)，其中所述覆蓋層的材質(zhì)為具有絕緣特性的金屬氮化物。
16.如權(quán)利要求15所述的改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的結(jié)構(gòu)，其中所述金屬氮化物層的材質(zhì)為高阻值的氮化鉭。
17.如權(quán)利要求15所述的改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的結(jié)構(gòu)，其中所述金屬氮化物層的材質(zhì)為高阻值的氮化鎢。
18.如權(quán)利要求14所述的改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的結(jié)構(gòu)，其中所述覆蓋層為原子層級(jí)的膜層，厚度為5埃至100埃。
19.一種改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的結(jié)構(gòu)，至少包括一基材，其中該基材上至少已具有一介電層，且該介電層中至少包括一開(kāi)口暴露出部分的所述基材；一金屬導(dǎo)線，位于所述開(kāi)口中；一原子層級(jí)的粘著層，位于金屬導(dǎo)線和介電層上；以及一蝕刻中止層位于介電層上。
20.如權(quán)利要求19所述的改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的結(jié)構(gòu)，其中所述粘著層為具有絕緣特性的金屬氮化物層。
21.如權(quán)利要求19所述的改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的結(jié)構(gòu)，其中所述金屬氮化物層的材質(zhì)為高阻值的氮化鉭。
22.如權(quán)利要求19所述的改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的結(jié)構(gòu)，其中所述金屬氮化物層的材質(zhì)為高阻值的氮化鎢。
23.如權(quán)利要求19所述的改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的結(jié)構(gòu)，其中所述金屬導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)包括一金屬層，位于開(kāi)口中，且粘著層位于金屬層和蝕刻中止層之間；一阻障層，位于開(kāi)口和金屬層之間；以及一晶種層，位于阻障層和金屬層之間。
24.如權(quán)利要求23所述的改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的結(jié)構(gòu)，其中所述阻障層為低阻值的氮化鉭。
25.如權(quán)利要求19所述的改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的結(jié)構(gòu)，其中所述蝕刻中止層的材質(zhì)選自于由氮化硅、氧化硅、碳化硅與碳氧化硅所組成的族群。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的工藝與結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的工藝與結(jié)構(gòu)包括利用原子層沉積法在金屬層與蝕刻中止層間增加了一層金屬氮化物作為覆蓋層，藉以增加蝕刻中止層與金屬層的粘著性，以提升可靠度。
文檔編號(hào)H01L21/3205GK1540744SQ20041003412
公開(kāi)日2004年10月27日 申請(qǐng)日期2004年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月22日
發(fā)明者林俊成, 彭兆賢, 眭曉林, 梁孟松 申請(qǐng)人:臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司