專利名稱：半導(dǎo)體元件及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)于半導(dǎo)體元件，特別有關(guān)于一種使用抗水氣氧化物覆蓋于介電層上的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)，以及其制造方法。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體集成電路中常包括數(shù)層金屬，提供集成電路中各元件間的接觸以及集成電路與外部電路的接觸。金屬間介電層在金屬層間使得金屬層相互隔離，當金屬接點埋置于金屬間介電層中并且研磨成一平面結(jié)構(gòu)，該平面結(jié)構(gòu)稱為鑲嵌結(jié)構(gòu)。當金屬間介電層中有金屬接點和金屬層間內(nèi)連線(或?qū)Э?形成，此結(jié)構(gòu)稱為雙鑲嵌結(jié)構(gòu)。
具有低介電常數(shù)或超低介電常數(shù)(ELK)的材料作為金屬間介電層時可降低金屬層間耦合效應(yīng)，但是超低介電常數(shù)材料有低抗水氣問題，在制程中水氣被超低介電常數(shù)層吸收并使得電子元件效能降低。圖1A-圖1C說明形成一鑲嵌結(jié)構(gòu)100的方法，該結(jié)構(gòu)具有一碳化硅(SiC)層用以保護超低介電常數(shù)材料避免水氣侵入。
在圖1A中，提供一基底102，基底102可包括一形成有元件或電路的半導(dǎo)體基底，第一金屬層104形成于基底102上并且埋置于第一介電層106中，蝕刻終止層(ESL)108形成于第一金屬層104和第一介電層106上，超低介電常數(shù)層110形成于蝕刻終止層108上，第一四乙氧基硅烷(TEOS)氧化層112形成于超低介電常數(shù)層110上，碳化硅層114形成于第一四乙氧基硅烷氧化層112上，第二四乙氧基硅烷氧化層116形成于碳化硅層114上。
在圖1B中，第二四乙氧基硅烷氧化層116、碳化硅層114、第一四乙氧基硅烷氧化層112及超低介電常數(shù)層110被蝕刻形成一溝槽118，金屬阻障層120和金屬層122接著沉積于第二四乙氧基硅烷氧化層116上以及溝槽118內(nèi)，金屬阻障層120包括介電質(zhì)或金屬，用以避免金屬層122中的金屬擴散至下面的其他層，金屬層122包括可用作接點的任何適合的金屬，例如銅。
在圖1C中，使用一化學(xué)機械研磨(CMP)步驟移除全部的第二四乙氧基硅烷氧化層116和碳化硅層114，以及部分的第一四乙氧基硅烷氧化層112、金屬阻障層120和金屬層122。結(jié)果在溝槽118內(nèi)形成第二金屬層124和金屬阻障126，成為鑲嵌結(jié)構(gòu)100。
具有鑲嵌結(jié)構(gòu)100的基底102可再進行其他道制程，形成更多的元件或電路。
如上述鑲嵌結(jié)構(gòu)100中，四乙氧基硅烷氧化層112和116提供均勻覆蓋并且平滑的表面。四乙氧基硅烷氧化層可由化學(xué)氣相沉積法(CVD)或等離子體增強氣相沉積法(PECVD)形成，所使用氣體源包括四乙氧基硅烷、氧氣及氦氣。典型的四乙氧基硅烷的流率大約為560標準立方厘米每分鐘(sccm)，氧氣的流率大約為840標準立方厘米每分鐘，氦氣作為載體運輸四乙氧基硅烷?；瘜W(xué)氣相沉積法或等離子體增強氣相沉積法的電源功率(sourcepower)大約為375瓦(W)，基底102底部提供的無線電頻(RF)功率，即基板偏壓功率(bottom power)大約為83瓦。
因為四乙氧基硅烷的抗水氣性較差，無法保護超低介電常數(shù)層110避免水氣侵入，因此采用具有較佳抗水氣性的碳化硅114覆蓋于四乙氧基硅烷氧化層112和超低介電常數(shù)層110上避免水氣侵入。然而，碳化硅具有較高介電常數(shù)，必須在化學(xué)機械研磨步驟中移除以降低金屬層間電容耦合效應(yīng)。因此，在化學(xué)機械研磨步驟之后的制程中，超低介電常數(shù)層110無法受到保護，水氣還是可能會侵入超低介電常數(shù)層110，并且使得元件效能降低。此外，制造四乙氧基硅烷/碳化硅/四乙氧基硅烷(112/114/116)多層結(jié)構(gòu)的制程較為復(fù)雜，且碳化硅較難研磨及蝕刻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體元件，包括一基底、一金屬間介電層(inter-metal dielectric，IMD)于該基底上以及一含氮四乙氧基硅烷氧化層于該金屬間介電層上。
本發(fā)明提供另一種半導(dǎo)體元件，包括一基底、一金屬間介電層于該基底上以及一富含氧四乙氧基硅烷(tetraethoxysilane，TEOS)氧化層于該金屬間介電層上。在該富含氧四乙氧基硅烷氧化層中氧的分子比率(molecular ratio)大于70百分比。
本發(fā)明的半導(dǎo)體元件中，該基底包括一形成有元件或電路的半導(dǎo)體基底。
本發(fā)明的半導(dǎo)體元件中，該金屬間介電層包括一超低介電常數(shù)層(extra-low-dielectric-constant，ELK)。
本發(fā)明的半導(dǎo)體元件，還包括一金屬層覆蓋在該基底上，其中該金屬間介電層覆蓋在該金屬層上。
本發(fā)明的半導(dǎo)體元件，還包括一溝槽在該含氮或富含氧四乙氧基硅烷氧化層和該金屬間介電層中，以及一金屬層覆蓋在該含氮或富含氧四乙氧基硅烷氧化層上和該溝槽內(nèi)。
本發(fā)明的半導(dǎo)體元件，還包括一金屬阻障層在該金屬層和該含氮或富含氧四乙氧基硅烷氧化層間，以及該金屬層和該金屬間介電層間。
本發(fā)明還提供一種形成半導(dǎo)體元件的方法，包括提供一基底；沉積一金屬間介電層于該基底上；以及沉積一含氮或富含氧四乙氧基硅烷氧化層于該金屬間介電層上。
本發(fā)明的形成半導(dǎo)體元件的方法中，該基底包括一形成有元件或電路的半導(dǎo)體基底。
本發(fā)明的形成半導(dǎo)體元件的方法中，該金屬間介電層包括一超低介電常數(shù)層。
本發(fā)明的形成半導(dǎo)體元件的方法，還包括形成一金屬層在該基底上，且該金屬間介電層覆蓋在該金屬層上。
本發(fā)明的形成半導(dǎo)體元件的方法，還包括蝕刻該含氮或富含氧四乙氧基硅烷氧化層和該金屬間介電層形成一溝槽；以及形成一金屬層覆蓋于該含氮或富含氧四乙氧基硅烷氧化層上和該溝槽內(nèi)。
本發(fā)明的形成半導(dǎo)體元件的方法，還包括形成一金屬阻障層在該含氮或富含氧四乙氧基硅烷氧化層上和該溝槽內(nèi)，且該金屬層覆蓋于該金屬阻障層上。
本發(fā)明的形成半導(dǎo)體元件的方法，還包括研磨該金屬層、該金屬阻障層以及該含氮或富含氧四乙氧基硅烷氧化層。
本發(fā)明的形成半導(dǎo)體元件的方法中，沉積該含氮或富含氧四乙氧基硅烷氧化層包括實施一化學(xué)氣相沉積法(chemical vapordeposition，CVD)或一等離子體增強化學(xué)氣相沉積法(plasma-enhanced CVD，PECVD)，且沉積該含氮四乙氧基硅烷氧化層使用在氦氣載體中的四乙氧基硅烷和氧化亞氮(N2O)為氣體源；沉積該富含氧四乙氧基硅烷氧化層使用在氦氣載體中的四乙氧基硅烷和氧氣為氣體源。
本發(fā)明的形成半導(dǎo)體元件的方法中，沉積該含氮四乙氧基硅烷氧化層使用的四乙氧基硅烷的流率大約為350標準立方厘米每分鐘(sccm)，氧化亞氮的流率大約為1150標準立方厘米每分鐘，電源功率大約為185瓦(W)，基板偏壓功率大約為145瓦；沉積該富含氧四乙氧基硅烷氧化層使用的四乙氧基硅烷的流率大約為300標準立方厘米每分鐘(sccm)，氧氣的流率大約為510標準立方厘米每分鐘，電源功率大約為450瓦(W)，基板偏壓功率大約為75瓦。
本發(fā)明的特征及優(yōu)點將如以下實施方式所述是顯而易見的，或可由本發(fā)明的實施已知，本發(fā)明的特征及優(yōu)點可由元件的裝置了解并獲得，特別是在權(quán)利要求書中所指出。
以上簡述及以下實施例中詳細的說明是作為示范及解釋用，本發(fā)明更進一步的說明將如權(quán)利要求書所示。


為了讓本發(fā)明的上述目的、特征、及優(yōu)點能更明顯易懂，以下配合附圖，作詳細說明如下圖1A至圖1C所示為一已知具有鑲嵌結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體元件其形成的方法。
圖2所示為本發(fā)明實施例的鑲嵌結(jié)構(gòu)。
圖3A至圖3B所示為本發(fā)明實施例的鑲嵌結(jié)構(gòu)其形成的方法。
具體實施例方式
本發(fā)明實施例詳細說明如下，其范例如附圖所示。在提到相同或相似的部分時，會使用附圖中相同的參照數(shù)字。
本發(fā)明實施例提供一鑲嵌結(jié)構(gòu)，包括一高抗水氣四乙氧基硅烷氧化物覆蓋于一超低介電常數(shù)層上。當使用該高抗水氣四乙氧基硅烷氧化物時，本發(fā)明實施例的鑲嵌結(jié)構(gòu)不需要沉積如圖1A至圖1C所示的四乙氧基硅烷/碳化硅/四乙氧基硅烷(TEOS/SiC/TEOS)多層結(jié)構(gòu)，因此，本發(fā)明實施例的鑲嵌結(jié)構(gòu)其制程較簡單。
圖2所示為本發(fā)明實施例的鑲嵌結(jié)構(gòu)200，如圖2所示，鑲嵌結(jié)構(gòu)200形成在一基底202上?；?02可包括一形成有元件或電路的半導(dǎo)體基底。鑲嵌結(jié)構(gòu)200包括一第一金屬層204形成于基底202上并埋置于一層間介電層(ILD)206內(nèi)，一蝕刻終止層(ESL)208形成于第一金屬層204和層間介電層206上，一超低介電常數(shù)層(ELK)210形成于蝕刻終止層208上，超低介電常數(shù)層210可作為金屬間介電層(IMD)。一四乙氧基硅烷氧化層212形成于超低介電常數(shù)層210上，一第二金屬層214埋置于四乙氧基硅烷氧化層212和超低介電常數(shù)層210內(nèi)，一金屬阻障層216位于第二金屬層214和四乙氧基硅烷氧化層212之間，以及第二金屬層214和超低介電常數(shù)層210之間。金屬阻障層216包括介電質(zhì)或金屬，用以避免第二金屬層214中的金屬擴散至底下數(shù)層中。第一金屬層204和第二金屬層214可包括任何適合做接點用的金屬，例如銅。超低介電常數(shù)層210可包括介電常數(shù)小于2.5，由化學(xué)氣相沉積法或旋轉(zhuǎn)涂布法形成的材料，例如摻雜碳的二氧化硅(carbon-dopedsilicon oxide)。
本發(fā)明實施例的四乙氧基硅烷氧化層212，相對于傳統(tǒng)四乙氧基硅烷具有較高抗水氣性，該四乙氧基硅烷氧化層212含氮或含有分子比率超過百分之70的氧。
圖3A至圖3B說明本發(fā)明實施例的鑲嵌結(jié)構(gòu)200其形成方法。
在圖3A中提供一基底202，沉積一介電層于基底202上形成層間介電層206，在層間介電層206中形成一溝槽(未標號)提供給第一金屬層204用。接著，先沉積一層金屬然后研磨其表面，第一金屬層204就形成于層間介電層206中的溝槽內(nèi)。蝕刻終止層208形成于第一金屬層204和層間介電層206上，超低介電常數(shù)層210形成于蝕刻終止層208上，然后四乙氧基硅烷氧化層212沉積于超低介電常數(shù)層210上。
以化學(xué)氣相沉積法(CVD)或等離子體增強化學(xué)氣相沉積法(PECVD)，使用在氦氣載體中的四乙氧基硅烷(TEOS)和氧化亞氮(N2O)作為氣體源，可形成含氮四乙氧基硅烷氧化層作為氧化層212。在氣體源中，四乙氧基硅烷的流率大約為350標準立方厘米每分鐘(sccm)，氧化亞氮的流率大約為1150標準立方厘米每分鐘，化學(xué)氣相沉積法或等離子體增強化學(xué)氣相沉積法的電源功率(source power)大約為185瓦，基板偏壓功率(bottompower)約為145瓦。
另外，以化學(xué)氣相沉積法或等離子體增強化學(xué)氣相沉積法，使用在氦氣載體中的四乙氧基硅烷和氧氣作為氣體源，可形成富含氧四乙氧基硅烷氧化層作為氧化層212。在氣體源中，四乙氧基硅烷的流率大約為300標準立方厘米每分鐘(sccm)，氧氣的流率大約為510標準立方厘米每分鐘，化學(xué)氣相沉積法或等離子體增強化學(xué)氣相沉積法的電源功率大約為450瓦，基板偏壓功率約為75瓦。另外，在富含氧四乙氧基硅烷氧化層212中氧的分子比率大于70百分比。
在圖3B中，四乙氧基硅烷氧化層212和超低介電常數(shù)層210被蝕刻形成溝槽218，金屬阻障層220和金屬層222接著沉積于四乙氧基硅烷氧化層212上和溝槽218內(nèi)。
接著使用化學(xué)機械研磨(CMP)步驟，使得四乙氧基硅烷氧化層212、金屬阻障層220以及金屬層222部分被移除，形成第二金屬層214和金屬阻障層216在溝槽218內(nèi)，如圖2所示。
由本發(fā)明實施例的方法所形成的四乙氧基硅烷氧化層212，不是含氮就是富含氧，并且具有高抗水氣性。使用紅外線光譜來比較本發(fā)明實施例的鑲嵌結(jié)構(gòu)與已知鑲嵌結(jié)構(gòu)(如上述的鑲嵌結(jié)構(gòu)100)，已知鑲嵌結(jié)構(gòu)顯示出在數(shù)個共振頻率的水氣吸收波峰，包括例如3650cm-1[對應(yīng)氫氧化硅鍵結(jié)鍵(Si-OH)]以及960cm-1[對應(yīng)氫氧化硅(Si-OH)與水分子(H2O)鍵結(jié)鍵]。相反的，本發(fā)明實施例的含氮或富含氧四乙氧基硅烷氧化層就沒有象征水氣吸收的波峰。
本發(fā)明實施例置換掉已知鑲嵌結(jié)構(gòu)中TEOS/SiC/TEOS多層結(jié)構(gòu)，簡化鑲嵌結(jié)構(gòu)形成方法并形成同樣的結(jié)構(gòu)，降低了鑲嵌結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體元件制造成本。
以上所述僅為本發(fā)明較佳實施例，然其并非用以限定本發(fā)明的范圍，任何熟悉本項技術(shù)的人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可在此基礎(chǔ)上做進一步的改進和變化，因此本發(fā)明的保護范圍當以本申請的權(quán)利要求書所界定的范圍為準。
附圖中符號的簡單說明如下100、200鑲嵌結(jié)構(gòu)102、202半導(dǎo)體基底104、204第一金屬層106第一介電層206層間介電層108、208蝕刻終止層110、210超低介電常數(shù)層112第一四乙氧基硅烷氧化層212四乙氧基硅烷氧化層114碳化硅層116第二四乙氧基硅烷氧化層118、218溝槽120、220金屬阻障層122、222金屬層124、214第二金屬層126、216金屬阻障
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體元件，包含一基底；一金屬間介電層于該基底上；以及一含氮或富含氧四乙氧基硅烷氧化層于該金屬間介電層上，其中該富含氧四乙氧基硅烷氧化層中氧的分子比率大于70百分比。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體元件，其中該基底包括一形成有元件或電路的半導(dǎo)體基底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體元件，其中該金屬間介電層包括一超低介電常數(shù)層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體元件，還包括一金屬層覆蓋在該基底上，其中該金屬間介電層覆蓋在該金屬層上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體元件，還包括一溝槽在該含氮或富含氧四乙氧基硅烷氧化層和該金屬間介電層中，以及一金屬層覆蓋在該含氮或富含氧四乙氧基硅烷氧化層上和該溝槽內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體元件，還包括一金屬阻障層在該金屬層和該含氮或富含氧四乙氧基硅烷氧化層間，以及該金屬層和該金屬間介電層間。
7.一種形成半導(dǎo)體元件的方法，包括提供一基底；沉積一金屬間介電層于該基底上；以及沉積一含氮或富含氧四乙氧基硅烷氧化層于該金屬間介電層上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的形成半導(dǎo)體元件的方法，其中該基底包括一形成有元件或電路的半導(dǎo)體基底。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的形成半導(dǎo)體元件的方法，其中該金屬間介電層包括一超低介電常數(shù)層。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的形成半導(dǎo)體元件的方法，還包括形成一金屬層在該基底上，且該金屬間介電層覆蓋在該金屬層上。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的形成半導(dǎo)體元件的方法，還包括蝕刻該含氮或富含氧四乙氧基硅烷氧化層和該金屬間介電層形成一溝槽；以及形成一金屬層覆蓋于該含氮或富含氧四乙氧基硅烷氧化層上和該溝槽內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的形成半導(dǎo)體元件的方法，還包括形成一金屬阻障層在該含氮或富含氧四乙氧基硅烷氧化層上和該溝槽內(nèi)，且該金屬層覆蓋于該金屬阻障層上。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的形成半導(dǎo)體元件的方法，還包括研磨該金屬層、該金屬阻障層以及該含氮或富含氧四乙氧基硅烷氧化層。
14.根據(jù)權(quán)利要求7所述的形成半導(dǎo)體元件的方法，其中沉積該含氮或富含氧四乙氧基硅烷氧化層包括實施一化學(xué)氣相沉積法或一等離子體增強化學(xué)氣相沉積法，且沉積該含氮四乙氧基硅烷氧化層使用在氦氣載體中的四乙氧基硅烷和氧化亞氮為氣體源；沉積該富含氧四乙氧基硅烷氧化層使用在氦氣載體中的四乙氧基硅烷和氧氣為氣體源。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的形成半導(dǎo)體元件的方法，其中沉積該含氮四乙氧基硅烷氧化層使用的四乙氧基硅烷的流率為350標準立方厘米每分鐘，氧化亞氮的流率為1150標準立方厘米每分鐘，電源功率為185瓦，基板偏壓功率為145瓦；沉積該富含氧四乙氧基硅烷氧化層使用的四乙氧基硅烷的流率為300標準立方厘米每分鐘，氧氣的流率為510標準立方厘米每分鐘，電源功率為450瓦，基板偏壓功率為75瓦。
全文摘要
本發(fā)明提供半導(dǎo)體元件及其形成方法。一種半導(dǎo)體元件，包括一基底、一金屬間介電層覆蓋于該基底上、以及一含氮四乙氧基硅烷氧化層或一富含氧四乙氧基硅烷氧化層覆蓋于該金屬間介電層上。在該富含氧四乙氧基硅烷氧化層中氧的分子比率大于70百分比。該金屬間介電層包括一超低介電常數(shù)層。一種形成半導(dǎo)體元件的方法，包括提供一基底；沉積一金屬間介電層于該基底上；以及沉積一含氮或富含氧四乙氧基硅烷氧化層于該金屬間介電層上。
文檔編號H01L21/31GK1959978SQ20061000318
公開日2007年5月9日 申請日期2006年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月31日
發(fā)明者吳倉聚, 章勛明 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司