阻絕氣體釋放及凸出結構產生的雙鑲嵌方法
2023-04-23 20:17:46
專利名稱：阻絕氣體釋放及凸出結構產生的雙鑲嵌方法
技術領域：
本發明系關於一種雙鑲嵌結構或介層窗的形成方法，特別是關於一種可防止氣體產生以及防止側壁表面粗糙的方法，利用在多孔材質溝渠的兩側壁面形成一層金屬的阻障層，使得在溝渠的兩側壁面的粗糙面獲得改善並消除凸起結構。
當集成電路的製程進入0.1微米的技術領域之後，多孔材質(介電常數介於2.0～2.5之間)的低介電常數材質被應用於銅製程之中。在集成電路的製程中，以低介電常數(K)小於2.5的多孔材質(porous)對於集成電路製程的整合是有利的。惟，目前製程所習用的介電材質，於雙鑲嵌結構的溝渠側壁表面容易產生粗糙面，以及在後續熱處理過程中釋出氣體。上述的溢出的氣體將導致凸出狀的結構或稱蘑菇狀結構(mushroom)形成於雙鑲嵌的溝渠中(參閱
圖1)，而不利於後續的製程。造成氣體噴出的主因可能為NH3於攝氏溫度100-400度蒸發所導致。在溝渠的兩側壁亦產生的粗糙面，亦不利於後續膜層的覆蓋。
本發明的一種阻絕氣體釋放及凸出結構產生的雙鑲嵌方法，包含形成第一蝕刻停止層於晶圓之上；形成第一介電層於該第一蝕刻停止層上；形成第二蝕刻停止層於該第一介電層上；形成第二介電層於該第二蝕刻停止層上；形成抗反射層於該第二介電層上；
形成溝渠於上述抗反射層、第二介電層、第二蝕刻停止層以及第一介電層之中；形成一金屬阻障層於上述溝渠的表面以及該抗反射層之上；形成一開口於該金屬阻障層、該抗反射層、第二介電層之中；以非等向性蝕刻製程蝕刻該金屬阻障層，使其殘留於該溝渠的表面；形成金屬材質於上述第二蝕刻停止層及回填於該溝渠、開口以利於製作雙鑲嵌；及研磨該金屬材質以形成雙鑲嵌結構。
上述方法是將抗反射層、第二低介電常數介電層、第二蝕刻停止層、第一低介電常數介電層蝕刻以形成一溝渠於上述膜層之中。之後，沉積一阻障層沿著溝渠的表面以及抗反射層之上。阻障層的材質可以採用金屬膜層採用化學氣相沉積法製作，材質可以選用Ta、TaN、TiN、WN、TiSiN。定義一光阻圖案於阻障層上表面，其具有較寬的開口。再使用光阻圖案為蝕刻罩幕，將阻障層、抗反射層、第二低介電常數介電層進行蝕刻，直到抵達第二蝕刻停止層為止以形成一開口。之後以幹蝕刻去除水平表面上的阻障層，殘留之膜層位於溝渠的側壁表面。上述步驟一併去除位於溝渠底部的第一蝕刻停止層。一阻障層先行沉積於溝渠以及開口的表面，接續一導電層接著形成在阻障層上和回填於開口和溝渠內。此導電層一部分被化學機械研磨移除以達到平坦化，完成雙鑲嵌結構。
圖2為本發明形成抗反射層、第二低介電常數介電層、第二蝕刻停止層、第一低介電常數介電層、第一低介電常數介電層堆疊膜層的剖面示意圖。
圖3為本發明形成溝渠於圖2堆疊膜層中，以及形成金屬阻障層於溝渠表面的剖面示意圖。
圖4為本發明形成開口的剖面示意圖。
圖5為本發明執行蝕刻步驟的剖面示意圖。
圖6為本發明形成金屬雙鑲嵌結構後的剖面示意圖。
圖7為根據本發明的雙鑲嵌結構的電子顯微鏡照片，其中消除蘑菇狀結構。
接著請參閱圖3，藉由傳統的微影製程，利用光阻為蝕刻罩幕，將抗反射層16、第二低介電常數介電層14、第二蝕刻停止層12、第一低介電常數介電層10蝕刻，以形成一溝渠18於上述膜層之中，再移除光阻，如圖3所示。之後，沉積一阻障層20沿著溝渠18的表面以及抗反射層16之上。阻障層20的材質可以採用金屬膜層採用化學氣相沉積法製作，材質可以選用Ta、TaN、TiN、WN、TiSiN。此步驟可以保護溝渠18的側壁以及平滑粗糙的側壁表面。化學或物理氣相沉積法形成的金屬材質相較於氧化物具有較佳的階梯覆蓋(step coverage)，且可以利用金屬層保留介層窗的臨界尺寸。而一般使用氧化物亦造成臨界尺寸的變化。例如當側壁的氧化層的厚度達120埃以上，才能阻絕氣體釋放或凸出結構的產生。利用本發明的方式可以降至80埃以下。
再重新定義一光阻圖案22於阻障層20上表面，其具有較寬的開口。再使用光阻圖案22為蝕刻罩幕，將阻障層20、抗反射層16、第二低介電常數介電層14進行蝕刻，直到抵達第二蝕刻停止層12為止，如此，可轉移溝渠圖案24至膜層之中。接著，移除光阻圖案22，如圖4所示。
之後以幹蝕刻去除水平表面上的阻障層20，殘留之膜層位於溝渠18的側壁表面，如圖5所示。上述步驟一併去除位於溝渠18底部的第一蝕刻停止層8以暴露出底層金屬6。參閱圖6，一阻障層26可以先行沉積於溝渠18以及開口24的表面，接續一導電材料28接著形成在阻障層26上和回填於開口24和溝渠18內。此導電材料28一部分被化學機械研磨移除以達到平坦化，完成雙鑲嵌結構。上述的導電材料28可以使用銅材質製作。本發明的優點可以防止氣體的釋出以及凸出結構的形成，可防止溝渠側壁表面粗糙，參閱圖7。換言之，本發明以化學或物理氣相沉積法沉積一金屬阻障層，以覆蓋介電質的多孔材質壁面，其階梯覆蓋的效果較電槳增強氣相沉積(PECVD)的氧化物為佳，且將原本粗糙的壁面平滑化。
本發明以較佳實施例說明如上，而熟悉此領域技藝者，在不脫離本發明的精神範圍內，當可作些許更動潤飾，其專利保護範圍由權利要求書界定。
權利要求
1.一種阻絕氣體釋放及凸出結構產生的雙鑲嵌方法，其特徵在於，該方法包含形成第一蝕刻停止層於晶圓之上；形成第一介電層於該第一蝕刻停止層上；形成第二蝕刻停止層於該第一介電層上；形成第二介電層於該第二蝕刻停止層上；形成抗反射層於該第二介電層上；形成溝渠於上述抗反射層、第二介電層、第二蝕刻停止層以及第一介電層之中；形成一金屬阻障層於上述溝渠的表面以及該抗反射層之上；形成一開口於該金屬阻障層、該抗反射層、第二介電層之中；以非等向性蝕刻製程蝕刻該金屬阻障層，使其殘留於該溝渠的表面；形成金屬材質於上述第二蝕刻停止層及回填於該溝渠、開口以利於製作雙鑲嵌；及研磨該金屬材質以形成雙鑲嵌結構。
2.根據權利要求1所述的阻絕氣體釋放及凸出結構產生的雙鑲嵌方法，其特徵在於在形成該金屬材質之前，更包含形成一阻障層於該溝渠以及該開口的表面。
3.根據權利要求1所述的阻絕氣體釋放及凸出結構產生的雙鑲嵌方法，其特徵在於其中該金屬阻障層係為TaN化學氣相沉積層。
4.根據權利要求1所述的阻絕氣體釋放及凸出結構產生的雙鑲嵌方法，其特徵在於其中該金屬阻障層係為TiN化學氣相沉積層。
5.根據權利要求1所述的阻絕氣體釋放及凸出結構產生的雙鑲嵌方法，其特徵在於其中該金屬阻障層係為WN化學氣相沉積層。
6.根據權利要求1所述的阻絕氣體釋放及凸出結構產生的雙鑲嵌方法，其特徵在於其中該金屬阻障層係為TiSiN化學氣相沉積層。
7.根據權利要求1所述的阻絕氣體釋放及凸出結構產生的雙鑲嵌方法，其特徵在於其中該金屬阻障層係為Ta化學氣相沉積層。
8.根據權利要求1所述的阻絕氣體釋放及凸出結構產生的雙鑲嵌方法，其特徵在於其中該第二蝕刻停止層系選自由氮化矽(SiN)、碳化矽(SiC)、氮碳化矽(SiCN)和氮碳氧化矽(SiOCN)所組成的群組中。
9.根據權利要求2所述的阻絕氣體釋放及凸出結構產生的雙鑲嵌方法，其特徵在於其中該阻障層系利用物理氣相沉積法形成。
10.根據權利要求2所述的阻絕氣體釋放及凸出結構產生的雙鑲嵌方法，其特徵在於其中該阻障層系利用化學氣相沉積法形成。
全文摘要
阻絕氣體釋放及凸出結構產生的雙鑲嵌方法，包含蝕刻抗反射層、第二低介電常數介電層、第二蝕刻停止層、第一低介電常數介電層以形成一溝渠於上述膜層之中。之後，沉積一阻障層沿著溝渠的表面以及抗反射層之上。定義一光阻圖案於阻障層上表面，再使用光阻圖案為蝕刻罩幕，將阻障層、抗反射層、第二低介電常數介電層進行蝕刻，直到抵達第二蝕刻停止層為止以形成一開口。之後以幹蝕刻去除水平表面上的阻障層，一併去除溝渠底部的第一蝕刻停止層。一阻障層先行沉積於溝渠以及開口的表面，一導電層接著形成在阻障層上和回填於開口和溝渠內。此導電層一部分被化學機械研磨移除以達到平坦化，使得在溝渠的兩側壁面的粗糙面獲得改善並消除凸起結構。
文檔編號H01L21/70GK1452234SQ02105710
公開日2003年10月29日 申請日期2002年4月12日 優先權日2002年4月12日
發明者蔡明興, 林俊成, 眭曉林, 餘振華 申請人:臺灣積體電路製造股份有限公司