內連線結構及其形成方法
2023-09-18 08:31:10
專利名稱：內連線結構及其形成方法
技術領域：
本發明有關一種半導體結構，特別是有關於一種半導體結構中的內連線結構及其形成方法。
(2)背景技術內連線在半導體結構中扮演著相當重要的角色。內連線主要是用來連結各種的半導體裝置。然而，在內連線的技術範疇中，特別是對於一些具有較高的熱膨脹係數(coefficient of thermal expansion；CTE)的材質，由於在金屬層與介電層之間的熱膨脹係數差異所造成的熱應力(thermal stress)將會是對於所形成的內連線的可靠度(reliability)最大的挑戰。在形成內連線之後的製程中所出現的熱製程中，例如化學氣相沉積(chemical vapor deposition)，烘烤製程(baking)，以及諸如此類的製程，在上述的內連線結構中將會沿著冠狀層(cap layer)與金屬層之間的界面發生金屬遷移(metal migration)，並從而在內連線結構中形成空隙(void)。
舉例來說，圖1是一種在現有技術中使用金屬銅與低介電常數的介電層(low-Kdielectric layer)的內連線結構。在低介電常數介電層100中具有一介層洞(via)，在上述的介層洞中具有一層共形的阻障層(conformal barrier layer)110，與一層銅金屬層120。在銅金屬層120上具有一層冠狀層140。在上述內連線結構剛形成的時候，銅金屬層120與冠狀層140可以完全貼合。換言之，在銅金屬層120與冠狀層140之間並沒有空隙。然而，在後來的製程中，上述的內連線結構會因為熱應力而產生銅遷移(copper migration)，進而在銅金屬層120與冠狀層140之間產生空隙130。在半導體結構中，空隙130會造成上述內連線結構的可靠度下降。甚至可能會造成上述內連線結構的阻值(resistant)升高，從而影響上述內連線結構的效率。
因此，為了能提高內連線的效率以及維持內連線的可靠度，如何提供一種可以避免在內連線結構中因為金屬遷移而形成空隙的結構及其形成方法是一項重要的課題。
(3)發明內容鑑於上述的發明背景中，現有技術在內連線結構方面所出現的諸多缺點，本發明的主要目的在於藉由使用一層類金屬化合物層來提升冠狀層與金屬層之間的接合度，以避免在所形成的內連線結構中發生金屬遷移。
本發明的另一目的在於藉由使用一層類金屬化合物層來避免在內連線結構中發生金屬遷移，以提升內連線結構的可靠度(reliability)。
本發明的又一目的在於藉由使用一層類金屬化合物層來防止在內連線結構中因為熱應力而產生的空隙，使得內連線結構的阻值不會因為空隙的存在而升高。
根據以上所述的目的，本發明提供一種內連線結構及其形成方法。
根據本發明一方面的一種內連線結構，包含一第一介電層；一第一金屬層位於該第一介電層中；一類金屬化合物層位於該第一金屬層上；及一冠狀層位於該類金屬化合物層上。
根據本發明另一方面的一種內連線結構，包含一第一介電層具有至少一第一介層洞；一共形的阻絕層位於該第一介層洞中；一第一金屬層位於該介層洞中；一類金屬化合物層位於該第一金屬層上；及一冠狀層位於該類金屬化合物層上。
根據本發明又一方面的一種內連線結構，包含一第一介電層具有至少一第一介層洞；一共形的阻絕層位於該第一介層洞中；一第一金屬層位於該介層洞中；一類金屬化合物層位於該第一金屬層上；及一冠狀層位於該類金屬化合物層上。
本發明是使用使用一類金屬化合物層來提升冠狀層與金屬層之間的接合度(adhesion)。由於類金屬化合物層的性質比冠狀層更接近金屬層，所以，本發明中的類金屬化合物層可以有效的改善冠狀層與金屬層之間的接合度，進而可以防止在內連線結構中發生金屬遷移。此外，上述內連線結構的各個元件可以現有技術中的技術來完成。因此，根據本發明的內連線結構及其形成方法可以有效地提升內連線的可靠度，並防止內連線的阻值因為空隙存在而升高。
(4)
本發明的上述目的與優點，將以下列的實施例結合圖示進行詳細說明，其中圖1是一根據現有技術的技術所形成的內連線的示意圖；圖2是一形成根據本發明所揭示技術的內連線結構的流程圖；圖3A是一根據本發明的內連線結構的示意圖；及圖3B是根據本發明的另一內連線結構的示意圖。
(5)具體實施方式
本發明的一些實施例會詳細描述如下。然而，除了詳細描述外，本發明還可以廣泛地在其他的實施例施行，且本發明的範圍不受其限定，而是以權利要求所限定的專利範圍為準。
另外，半導體元件的不同部分並沒有依照尺寸繪圖。某些尺度與其他相關尺度相比已經被誇張，以提供更清楚的描述和本發明的理解。
本發明的一較佳實施例為一種內連線結構。在根據本發明的內連線結構中至少包含一層介電層，至少一層金屬層位於上述介電層中，一層類金屬化合物層(metallic compound layer)位於上述金屬層上，與一層冠狀層於上述的類金屬化合物層之上。上述的金屬層可以是銅，或是其他的金屬或合金的材質，其中，上述的材質可能會在高溫下因為在金屬層與介電層之間的熱應力而發生遷移。上述的介電層可以是一層低介電常數的介電層。
在本實施例中，上述的類金屬化合物層可以是CoWP，CoWB，或是其他的類金屬化合物。相對於現有技術中的內連線結構，上述類金屬化合物層的性質比現有技術中的冠狀層更接近金屬層。因此，在金屬層與冠狀層之間的類金屬化何物層有助於提升在內連線結構中的金屬層與冠狀層之間的結合度。所以，在現有技術的內連線結構中所產生的金屬遷移可以藉由本實施例的結構而得到改善。
此外，在根據本實施例的內連線結構中，可以在上述的冠狀層上還包含一單鑲嵌(single damascene)或雙鑲嵌(dual damascene)的結構。換言之，上述的內連線結構中，可以還包含一層第二介電層位於上述冠狀層之上，至少一第二金屬層位於上述第二介電層中，以及其他的元件。
根據本發明的另一較佳實施例為一種形成內連線結構的方法。圖2是一種根據本實施例來形成一內連線結構的流程圖。首先，提供一介電層於一底材上，如步驟220所示。上述的介電層可以藉由一沉積製程，或是其他在現有技術中可以使用的技術來形成。上述的底材中包含數組半導體裝置。接下來，參考步驟240，在上述介電層中形成至少一層金屬層。上述的金屬層可以是藉由一個用來形成至少一介層洞(via)於上述的介電層的中的蝕刻步驟，與一個使用金屬材質來填滿上述的介層洞的沉積製程。為了避免上述的金屬層擴散至介電層中，在上述使用金屬材質來填滿上述介層洞的沉積製程之前，根據本實施例的方法還包含一個步驟，在上述介層洞的中形成一層共形的阻障層。上述金屬層的組成可以是銅，或是其他的金屬或合金材質。上述的阻障層可以是由Ta，TaN，或是其他在現有技術中可以使用的材質所組成。
接下來，在上述的金屬層上形成一層類金屬化合物層，如步驟260所示。上述的類金屬化合物層可以形成於上述的金屬層與介電層之上，或是只形成於上述的金屬層之上。上述的類金屬化合物層可以是藉由一種無電極電鍍的製程，化學氣相沉積(chemical vapor deposition)，物理氣相沉積(physicalvapor deposition)，或是其他常見的技術來形成。上述的類金屬化合物層的組成可以包含CoWP，CoWB，或是其他的類金屬化合物材質。上述類金屬化合物層的厚度可以是25至500埃。最後，如步驟280所述，在上述類金屬化合物層的上形成一層冠狀層。上述的冠狀層可以是經由一種在現有技術中眾所皆知的技術來形成，例如化學氣相沉積製程。上述冠狀層的組成可以是SiN，SiC，或是其他在現有技術中可能用於冠狀層的材質。
在本實施例中，由於在金屬層與冠狀層之間有一層類金屬化合物層的存在，所以，根據本實施例來形成的內連線結構可以避免在現有技術中的金屬遷移現象出現。在本實施例中，上述類金屬化合物層的性質可以比冠狀層更接近金屬層的性質。也就是說，因為有類金屬化合物層的存在，所以，根據本實施例的冠狀層與金屬層之間的結合度可以比現有技術中的冠狀層與金屬層的結合度更高，上述現有技術的冠狀層與金屬層之間並沒有類金屬化合物層。因此，根據本實施例的方法所形成的結構可以避免在現有技術的內連線結構中由於熱應力而產生的金屬遷移現象。
另外，根據本實施例的方法還可以包含在上述內連線結構的冠狀層上形成其他半導體元件的其他步驟。舉例來說，在形成上述內連線結構之後，可以再接著執行一雙鑲嵌製程。換言之，在形成上述冠狀層之後，可以形成一層第二介電層，相對於上文中所提及的介電層為第一介電層，於上述的冠狀層上。上述的第二介電層也可以是經由諸如化學氣相沉積法的類似現有技術中的技術來形成。接下來，執行一個蝕刻製程以形成至少一個第二介層洞，相對於上文中所提及的介層洞為第一介層洞，於第二接觸層中。上述的第二介層洞可以穿過上述的第二介電層，冠狀層，及類金屬化合物層，使得上述的第二介層洞可以暴露出上述內連線結構中的(第一)金屬層。在上述第二介層洞中形成一層第二共形的阻障層。最後，在第二介層洞的中填入第二金屬層。上述的第二金屬層可以是銅，鋁，或是其他的金屬或合金的材質。
根據本發明的另一實施例為一種內連線結構。圖3A是根據本實施例的一種內連線結構的示意圖。參考圖3A，上述的內連線結構包含一層第一介電層300，一第一金屬層320位於上述第一介電層300中，一層類金屬化合物層340於第一金屬層320的上，以及一層冠狀層360位於第一介電層300與類金屬化合物層340的上。第一介電層300可以是一層低介電常數的介電層，其中上述低介電常數的介電層的介電常數小於4。
第一介電層300至少包含一個第一介層洞，而第一金屬層320是位於上述的第一介層洞中。第一金屬層320的形成可以是先藉由一個蝕刻製程來形成數個第一介層洞於第一介電層300中，再經過一個沉積過程將第一金屬層320填入上述的第一介層洞。第一金屬層320可以是由銅，或是其他在現有技術的半導體製成中可以用來作為內連線的金屬或合金材料所組成。為了避免第一金屬層320擴散至第一介電層300中，本實施例的內連線結構在上述的第一介層洞中可以還包含一層共形的第一阻障層310。第一阻障層310的組成可以是TaN，Ta，或是其他類似的材質。
類金屬化合物層340可以只位於第一金屬層320之上，如圖3A所示。類金屬化合物層340也可以形成於第一介電層300與第一金屬層320之上。類金屬化合物層340的材質包括CoWP，CoWB，或是其他的類金屬化合物。類金屬化合物層340可以藉由無電極電鍍製程，化學氣相沉積法，物理氣相沉積法，或是其他的技術來形成。在本實施例中，類金屬化合物層340的厚度為25至500埃。位於第一介電層300與類金屬化合物層340上的冠狀層360可以是由SiN，SiC，或是其他的材質所組成。與現有技術中的冠狀層相同的是，冠狀層360可以藉由沉積製程，或是其他常見的方法來形成。
由於類金屬化合物層340的性質比冠狀層360更接近第一金屬層320，使得類金屬化合物層340對於第一金屬層320可以比冠狀層具有更好的結合度。也就是說，相較於現有技術的內連線結構，因為在本實施例的第一金屬層320與冠狀層360之間多了一層類金屬化合物層340，所以，經由類金屬化合物層340，冠狀層360對於第一金屬層320的結合度可以比現有技術的冠狀層更好。根據本實施例的內連線結構可以防止在現有技術中的金屬遷移，從而可以避免因為熱應力而在內連線結構中形成空隙。因此，上述的內連線結構可以改善內連線的可靠度，並防止內連線的阻值上升。
參照圖3B，本實施例的內連線結構可以還包含一層第二介電層380於冠狀層360上，與至少一第二金屬層400於第二介電層380中。在第二介電層380中至少包含一個第二介層洞，上述的介層洞穿過第二介電層380，冠狀層360，與類金屬化合物層340，以暴露出第一金屬層320。在上述的第二介層洞中包括一層共形的第二阻障層390，與一層填滿上述第二介層洞的第二金屬層400。第二阻障層390可以用來防止第二金屬層400擴散至第二介電層380。第二金屬層400的組成可以是銅，鋁，或是其他的金屬或是合金材質。
綜合以上所述，本發明揭示了一種防止金屬遷移的內連線結構及其形成的方法。根據本發明的內連線結構至少包含一層介電層，至少一層金屬層於上述介電層中，一層類金屬化合物層於上述金屬層之上，以及一層冠狀層位於上述類金屬化合物之上。上述類金屬化合物層的性質比冠狀層更接近金屬層的性質，使得上述的冠狀層，具有一層類金屬化合物層位於冠狀層與金屬層之間，對於金屬層可以發揮比現有技術中的冠狀層更好的結合度。因此，根據本發明的內連線結構可以有效的防止在現有技術中的金屬遷移。另外，在本發明中也同時揭示了一種形成上述內連線結構的方法。上述的方法至少包含下列的步驟，提供一層介電層，形成至少一層金屬層於上述介電層中，在上述金屬層上形成一層類金屬化合物層，以及形成一層冠狀層於上述的類金屬化合物層上。在上述方法中，所有內連線結構的元件都可以使用現有技術中的技術來形成。此外，上述的內連線結構可以有效防止金屬遷移的發生。所以，本發明所揭示的內連線結構及其形成的方法可以預防在內連線結構中因為熱應力而產生的空隙，從而可以改善上述內連線的可靠度。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並非用以限定本發明的申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示的精神下所完成的等效改變或替換，均應包含在下述的權利要求所限定的範圍內。
權利要求
1.一種內連線結構，其特徵在於，包含一第一介電層；一第一金屬層位於該第一介電層中；一類金屬化合物層位於該第一金屬層上；及一冠狀層位於該類金屬化合物層上。
2.如權利要求1所述的內連線結構，其特徵在於，該第一介電層包括一低介電常數的介電材質。
3.如權利要求1所述的內連線結構，其特徵在於，該第一金屬層包含銅。
4.如權利要求1所述的內連線結構，其特徵在於，該類金屬化合物層是藉由一無電極電鍍法來形成。
5.如權利要求1所述的內連線結構，其特徵在於，該類金屬化合物層是藉由一沉積法來形成。
6.如權利要求1所述的內連線結構，其特徵在於，還包含一第二介電層位於該冠狀層上；及一第二金屬層位於該第二介電層中。
7.如權利要求1所述的內連線結構，其特徵在於，該冠狀層包含一介電材質。
8.一種內連線結構，其特徵在於，包含一第一介電層具有至少一第一介層洞；一共形的阻絕層位於該第一介層洞中；一第一金屬層位於該介層洞中；一類金屬化合物層位於該第一金屬層上；及一冠狀層位於該類金屬化合物層上。
9.如權利要求8所述的內連線結構，其特徵在於，該第一介電層包含一低介電常數的介電材質。
10.如權利要求8所述的內連線結構，其特徵在於，該第一金屬層包含銅。
11.如權利要求8所述的內連線結構，其特徵在於，該類金屬化合物層是CoWP。
12.如權利要求8所述的內連線結構，其特徵在於，該類金屬化合物層是CoWB。
13.如權利要求8所述的內連線結構，其特徵在於，還包含一第二介電層位於該冠狀層上，該第二介電層包含至少一第二介層洞；及一第二金屬層位於該第二介層洞中。
14.一種形成內連線結構的方法，其特徵在於，包含提供一第一介電層包含至少一第一介層洞；形成一第一金屬層於該第一介層洞中；形成一類金屬化合物層於該第一金屬層上；及形成一冠狀層於該類金屬化合物層上。
15.如權利要求14所述的形成內連線結構的方法，其特徵在於，還包含形成一第二介電層於該冠狀層上，該第二介電層包含至少一第二介層洞；與形成一第二金屬層於該第二介層洞中。
16.如權利要求14所述的形成內連線結構的方法，其特徵在於，在形成該第一金屬層的步驟之前，還包含一形成一共形的阻障層於該第一介層洞中的步驟。
17.如權利要求14所述的形成內連線結構的方法，其特徵在於，該第一介電層包含一低介電常數的介電材質。
18.如權利要求14所述的銅熔絲形成方法，其特徵在於，該第一金屬層包含銅。
19.如權利要求14所述的形成內連線結構的方法，其特徵在於，該類金屬化合物層是藉由一無電極電鍍法來形成。
20.如權利要求14所述的形成內連線結構的方法，其特徵在於，該類金屬化合物層的形成包含一沉積製程。
21.如權利要求14所述的形成內連線結構的方法，其特徵在於，該類金屬化合物層是CoWP。
22.如權利要求14所述的形成內連線結構的方法，其特徵在於，該類金屬化合物層是CoWB。
23.如權利要求14所述的形成內連線結構的方法，其特徵在於，該冠狀層包含一介電材質。
全文摘要
本發明揭示一種內連線結構及其形成方法。其內連線結構包含一第一介電層；一第一金屬層位於該第一介電層中；一類金屬化合物層位於該第一金屬層上；及一冠狀層位於該類金屬化合物層上。本發明的內連線結構可以藉由使用一層類金屬化合物層來增進金屬層與冠狀層之間的接合度，進而可以避免在根據本發明的內連線結構中因為熱應力而產生金屬遷移。另外，因為根據本發明的內連線結構及其形成方法可以有效的防止金屬遷移，所以，在根據本發明的內連線結構中不會因為熱應力而產生空隙。因此，本發明的內連線結構及其形成方法防止因為產生空隙而造成內連線的阻值上升的缺陷，進而可以有效的提升內連線在半導體結構中的可靠度。
文檔編號H01L21/768GK1512575SQ02159790
公開日2004年7月14日 申請日期2002年12月26日 優先權日2002年12月26日
發明者葉名世, 熊炯聲, 鄭躍晴 申請人:聯華電子股份有限公司