銅金屬鑲嵌工藝及其結構的製作方法
2023-06-22 05:07:46 1
專利名稱：銅金屬鑲嵌工藝及其結構的製作方法
技術領域：
本發明是關於集成電路的銅加工工藝，特別是關於利用介電材料作為阻障層的銅金屬鑲嵌工藝及其結構。
背景技術：
過去數十年來，鋁金屬一直被用來當作晶片內部的導線材料。但是隨著集成電路加工除了朝小體積的組件發展，以達到高密度及降低單位成本的目的外，組件的最後的性能更為關鍵。除了電晶體組件本身的設計外，內連接金屬導線乃至內聯機間的介電層都是影響組件執行速度的重要因素，這是因為導線的電阻值R，和上層導線與下層導線及相鄰導線之間會有電容C存在，如本技術領域的普通技術人員所共知的，此RC值愈小代表較短的延遲時間。
純鋁的電阻係數約為2.7微歐姆-釐米，而銅金屬的電阻係數卻約為1.7微歐姆-釐米左右，要遠小於鋁金屬。所以，為有效降低阻抗率，銅材料為更佳的選擇。由於銅具有低電阻的特性，因此以銅為導線的組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目，進而降低生產成本且提高電腦的運算速度。此外，銅還具有較高的電子遷移阻力(Electromigration Resistance)，因此以銅為導線的組件具有更高的壽命以及穩定性。
但是，銅金屬的一些化學性質卻限制了銅加工工藝在集成電路上的發展。舉例來說，銅原子具有快速的擴散性，在電場的加速下，銅原子能穿透介電層而快速的擴散，尤其是一旦銅原子擴散至矽基材中，會引發形成深層能階受體(Deep Level Acceptor)，造成組件的特性退化與失效。因此，在銅金屬層形成前，需要先形成防止銅和氧化層或矽層接觸的阻障層(Barrier Layer)，以避免銅擴散或催化等汙染。阻障層的另一項作用是用來提升金屬與其它材質的附著力。一般阻障層材料可分為金屬阻障材料以及介電阻障層材料等，常見的阻障層材料例如有鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)、氮化鈦(TiN)等等。
銅材料無法用傳統的乾式蝕刻技術來進行導線布植，因此目前工業界大部分採用新一代的導線製作技術鑲嵌(Damascene)法來做銅導線的填充。圖1至圖6所示為現有銅金屬鑲嵌工藝的剖面示意圖。
請參照圖1，首先提供基材10，並在基材10上形成介電層12。接著，利用微影蝕刻方式，在介電層12形成開口，並在開口內填滿金屬材料，即可形成金屬插塞14。此金屬插塞14用來連接不同層的組件或金屬層。
接著，請參照圖2，依序在介電層上形成蝕刻終止層16與另一介電層18。並隨後利用微影蝕刻方式，在介電層12形成開口20，而暴露出金屬插塞14，如圖3所示。之後，為防止銅金屬的擴散，會在形成銅金屬層之前，先在開口20中形成一層阻障層22，如圖4所示。隨後，再在開口20中填滿銅金屬層24，以作為另一層金屬聯機結構。
由於阻障材料的導電性質不同，例如金屬阻障材料與介電阻障材料，因此形成阻障層22後再填滿銅金屬層24的工藝與結構也不盡相同。如果利用金屬阻障材料來構成圖4的阻障層22，由於金屬阻障材料並不影響開口中銅金屬與金屬插塞14的導通，因此可接著在阻障層22上形成一層銅金屬材料，並填滿開口20。隨後，再利用化學機械研磨，將介電層18上多餘的銅金屬材料與阻障層22去除，而形成如圖5所示的結構。又如果利用介電阻障材料來構成圖4的阻障層22，由於介電阻障材料無法導電，則必須先利用回蝕刻將開口24中覆蓋在金屬插塞14上的部分阻障層22去除，同時也去除了介電層18上的多餘阻障層22。隨後，再形成銅金屬材料，並利用化學機械研磨將介電層18上的多餘銅金屬材料去除，而形成如圖6所示的結構。
在上述利用介電材料構成阻障層的圖6結構中，在銅金屬層24兩旁的阻障層22可用來阻障銅原子的擴散，但是在加工暴露金屬插塞14表面的同時，卻將開口底部阻擋銅金屬層與介電層12接觸的部分阻障層22也同時去除。因此，如區域26所示，因為有部分的銅金屬層24與介電層12接觸，所以很容易發生銅原子的擴散現象。
發明內容
鑑於上述的現有技術中，利用介電材料構成銅加工工藝中的阻障層時，很容易發生銅原子的擴散現象，因此，本發明的目的在於提供一種銅金屬鑲嵌工藝及其結構，其先在介電層上形成蝕刻終止層，接著再在介電層與蝕刻終止層中形成金屬插塞。如此，當後續加工暴露開口中的金屬插塞結構時，所同時暴露出的即為金屬插塞旁的蝕刻終止層。當銅金屬與蝕刻終止層接觸時，可利用蝕刻終止層的阻障特性來防止銅原子的擴散。
根據上述目的，本發明的銅金屬鑲嵌工藝包括首先在一基材上依序形成第一介電層與一沉積層；接著，在沉積層與第一介電層中形成金屬插塞，之後再形成覆蓋於沉積層上的第二介電層；隨後，在第二介電層中形成開口結構，此開口結構中暴露出該沉積層中金屬插塞；之後，形成覆蓋於第二介電層與開口表面上的阻障層，並且利用例如回蝕刻步驟，去除部分的阻障層，以暴露出第二介電層與開口中的金屬插塞表面；最後，形成銅金屬層以填滿開口。
又，根據上述目的，本發明的銅金屬鑲嵌結構包括一基材、一位於基材上的第一介電層、一位於第一介電層上的沉積層、位於沉積層與第一介電層中的金屬插塞、一位於沉積層上的第二介電層、一位於第二介電層中的銅金屬層以及位於銅金屬層的外側壁的阻障層，其中，銅金屬層的底部與金屬插塞相互接觸。
在本發明的優選實施例中，上述銅金屬層的底部可位於沉積層的表面或位於沉積層中。並且，當銅原子與沉積層接觸時，可利用沉積層的阻障特性來防止銅原子的擴散。
採用本發明的優點在於1、由於本發明的金屬插塞除了位於介電層中外，還位於蝕刻終止層中。因此，為暴露金屬插塞而形成的開口底部會位於蝕刻終止層的表面或位於蝕刻終止層中，而暴露金屬插塞的同時，有可能暴露的是金屬插塞兩旁的蝕刻終止層。所以在開口中形成銅金屬時，銅金屬層利用阻障層與蝕刻終止層與四周的介電層作隔離，並不會互相接觸，而可避免現有技術中銅原子擴散的缺點。
2、本發明先在介電層上形成蝕刻終止層後，去除部分的介電層與蝕刻終止層而形成金屬插塞的開口結構。因此，可使得後續形成的金屬插塞表面並不像現有的結構那樣位於蝕刻終止層下方，而是與蝕刻終止層具有同樣水平的表面。所以，當後續阻障層的回蝕刻加工以暴露出金屬插塞時，所同時暴露出的為蝕刻終止層，而非介電層。當銅金屬層與具有阻障效果的蝕刻終止層接觸時，並不會發生現有技術中的銅原子擴散現象。
3、利用一般工藝設備與步驟即可進行本發明的工藝與形成本發明的結構，無需再另外添購設備或增加不兼容的步驟。並且，利用上述本發明的銅金屬鑲嵌工藝及其結構，可避免銅金屬擴散到底部的介電層中，並可因此具有降低銅金屬層漏電流(Leakage)、改善時間關聯介電崩潰(Time Dependent DielectricBreakdown；TDDB)的特性、降低RC延遲等優點。
本發明的優選實施例將在之後的說明文字中輔以下列附圖做更詳細的闡述，其中圖1至圖6所示為現有銅金屬鑲嵌工藝的剖面示意圖；以及圖7至圖10所示為依據本發明一優選實施例的銅金屬鑲嵌工藝的剖面示意圖。
具體實施例方式
為了使本發明的敘述更加詳盡與完備，可參照下列描述並配合圖7至圖10的標號。圖7至圖10所示為依據本發明一優選實施例的銅金屬鑲嵌工藝的剖面示意圖。
請參照圖7，首先提供基材100，此基材100可為一般的矽基材，或者已製造有其它組件的矽基材。接著，在基材100上依序沉積厚度約介於5000埃至10000埃之間的介電層102以及厚度約為500埃的蝕刻終止層104。其中，介電層102的目的是作為金屬層間的絕緣，其材質可例如磷矽玻璃(PSG)與四乙基矽酸鹽(Tetra-Ethyl-Ortho-Silicate；TEOS)等等。
接著，再利用例如微影蝕刻等方式，在介電層102與蝕刻終止層中形成開口，並在開口內填滿例如鎢等金屬材料，即可形成具有暴露表面的金屬插塞106。當基材100上有其它組件或金屬層時，此金屬插塞106結構是為連接不同層的組件或金屬層而形成。
請參照圖8，接著，在蝕刻終止層104上形成由例如低介電係數材料所構成的另一介電層108，並在介電層108中利用例如微影蝕刻工藝，而形成例如為溝渠(Trench)或介層窗(Via)等的開口120結構，以暴露出位於底下的金屬插塞106。在圖8的蝕刻步驟中，除了去除部分的介電層108以暴露出金屬插塞106表面外，較佳地還可再往下去除少部分的蝕刻終止層104與金屬插塞106，使得開口120的底部介於蝕刻終止層104中間。
在本發明一優選實施例中，上述蝕刻終止層104的厚度約為500埃，而介電層108的厚度約介於2500埃至3000埃之間，因此，較佳的開口120深度約介於2800埃至3300埃之間，如此可使得使得開口120的底部介於蝕刻終止層104中間。
請參照圖9，接著，在介電層108上與開口120表面形成由介電材料所構成的阻障層122，此阻障層122的厚度約為300埃。隨後，進行一回蝕刻步驟，將位於介電層108表面以及開口120底部的多餘阻障層122去除，而暴露出金屬插塞106。並且，由於位於開口120底部的部分阻障層122被去除，因此在暴露金屬插塞106的同時，也暴露出兩旁與金屬插塞106接觸的部分蝕刻終止層104。
接著，在介電層108上形成一層銅金屬層124，此銅金屬層並填滿開口120。隨後，再利用例如化學機械研磨，將介電層108表面上的多餘銅金屬層124去除，而形成如圖10所示的結構。其中，由於銅金屬層124的形成方式並非本發明的重點，且為本技術領域普通技術人員所知曉，故本發明在此不再贅述。
由於阻障層122與蝕刻終止層104皆需具備阻障特性，並且在回蝕刻步驟中，蝕刻終止層104與阻障層122之間必須具備較高的蝕刻選擇比，才能使蝕刻工藝易於進行。因此在本發明一優選實施例中，利用碳氧化矽(SiOC)作為蝕刻終止層104的材質，以及利用碳化矽(SiC)作為阻障層122的材質，可具有較佳的阻障效果並使加工易於進行。但值得注意的是，上述蝕刻終止層與阻障層的材質僅為舉例，可視需要而加以改變，本發明並不限於此。並且，上述的蝕刻終止層僅為舉例，具有其它功效卻位於相同位置的沉積層，也可應用於本發明中，本發明也不限於此。
如本技術領域的普通技術人員所了解的，以上所述僅為本發明的優選實用例而已，並非用來限定本發明的權利要求範圍。凡是其它未脫離本發明所揭示的構思下所完成的等效變化或修改，均應包含在所附的權利要求範圍內。
權利要求
1.一種銅金屬鑲嵌工藝，其特徵在於，其至少包括如下步驟在一基材上形成一第一介電層；在該第一介電層上形成一沉積層；在該沉積層與該第一介電層中形成至少一金屬插塞；形成一覆蓋於該沉積層上的第二介電層；在該第二介電層中形成至少一個用來暴露該金屬插塞的開口；形成一覆蓋於該第二介電層上與該開口的表面的阻障層；去除部分的阻障層，以暴露該第二介電層的表面與位於該開口中的該金屬插塞的表面；以及形成一銅金屬層以填滿該開口。
2.如權利要求1所述的銅金屬鑲嵌工藝，其特徵在於形成該開口的步驟中，該開口還暴露出部分的沉積層。
3.如權利要求1所述的銅金屬鑲嵌工藝，其特徵在於去除部分的阻障層的步驟中，該開口中還暴露出部分的沉積層。
4.如權利要求1所述的銅金屬鑲嵌工藝，其特徵在於上述的沉積層由一阻障材料構成。
5.如權利要求1所述的銅金屬鑲嵌工藝，其特徵在於上述的阻障層由一介電阻障材料構成。
6.一種銅金屬鑲嵌結構，其特徵在於，其至少包括一基材、一位於該基材上的第一介電層、一位於該第一介電層上的沉積層、至少一個位於該沉積層與該第一介電層中的金屬插塞、一位於該沉積層上的第二介電層、至少一個位於該第二介電層中且其底部與該金屬插塞接觸的銅金屬層以及一位於該銅金屬層的外側壁的阻障層。
7.如權利要求6所述的銅金屬鑲嵌結構，其特徵在於上述的銅金屬層的底部位於該沉積層的表面或位於該沉積層中。
8.如權利要求6所述的銅金屬鑲嵌結構，其特徵在於上述的銅金屬層還與該沉積層接觸。
9.如權利要求6所述的銅金屬鑲嵌結構，其特徵在於上述的沉積層由一阻障材料構成。
10.如權利要求6所述的銅金屬鑲嵌結構，其特徵在於上述的阻障層由一介電阻障材料構成。
全文摘要
本發明提供一種銅金屬鑲嵌工藝及其結構，其先在基材上依序形成介電層與蝕刻終止層後，再在介電層與蝕刻終止層中形成金屬插塞。接著，在蝕刻終止層上形成另一介電層並在該介電層中加工出後續用來形成銅金屬層的開口結構。隨後，在開口中形成介電阻障層，並利用回蝕刻將開口底部的部分介電阻障去除，以暴露出金屬插塞。之後，再在開口中形成銅金屬層。上述工藝中在開口中加工暴露金屬插塞的同時，是暴露出蝕刻終止層而非介電層。因此，此結構中的銅金屬與金屬插塞以及蝕刻終止層接觸，而不會與介電層接觸，所以可改善銅金屬的擴散現象。
文檔編號H01L21/31GK1574281SQ20031011639
公開日2005年2月2日 申請日期2003年11月11日 優先權日2003年6月11日
發明者吳振誠, 盧永誠, 章勳明 申請人:臺灣積體電路製造股份有限公司