形成鑲嵌結構的方法
2023-10-09 09:13:54 4
專利名稱：形成鑲嵌結構的方法
技術領域：
本發明是有關於一種集成電路結構的製造方法，特別是有關於一種利用鑲嵌製程形成內聯機的方法。
背景技術：
在集成電路的製造中，常採用多層導線結構來連接裝置中各個區域或是集成電路中的各個裝置。就現今而言，鑲嵌技術成為形成上述導線結構的一種非常有用的方式並已廣泛地應用於半導體工業。
鑲嵌製程是一種內聯機的製造程序，其中，先於一絕緣中形成溝槽，之後再將金屬填入以形成導線層。為進一步了解本發明的背景，以下配合圖1a到圖1d說明習知形成鑲嵌結構的方法。首先，請參照圖1a，提供一基底100，例如一矽晶圓，其具有金屬導線層102形成於內。接著，在基底100上形成一封蓋層104，例如氮化矽層，以覆蓋金屬導線層102。之後，在封蓋層104上依序沉積一金屬層間介電層(intermetaldielectric，IMD)106及一上蓋層108。金屬層間介電層106可由低介電常數(low k)材料層所構成，例如旋塗式玻璃(SOG)、摻氟的二氧化矽(FSG)、含氫矽酸鹽(HSQ)、摻氟的聚芳烯醚(FLARE)、及芳香族碳氫化合物(SiLK)等。另外，上蓋層108是用於保護金屬層間介電層106，其可由氧化矽所構成。接著，在上蓋層108上方形成一硬式罩幕層110，例如一氮化矽層，並於其上形成具有溝槽圖案的光阻層112。以此光阻層112作為罩幕來非等向性蝕刻硬式罩幕層110，而在其中形成開口114圖案。
接下來，請參照圖1b，在剝除光阻層112之後，藉由反應離子蝕刻(reactive ion etching，RIE)去除開口114下方露出的上蓋層108以露出絕緣層106表面。
不幸地，由於硬式罩幕層110與上蓋層108及金屬層間介電層106之間的蝕刻選擇比較差，導致硬式罩幕層110逐漸細化(tapered)，如圖1b所示。當利用逐漸細化的硬式罩幕層110作為罩幕來蝕刻絕緣層106以形成溝槽116時，其形成傾斜的輪廓(profile)。亦即，不希望得到的溝槽116關鍵圖形尺寸(critical dimension，CD)將造成組件的電特性改變。圖中虛線所包圍的區域是表示希望得到的硬式罩幕層110輪廓。
接下來，請參照圖1c，在去除逐漸細化的硬式罩幕層110之後，上蓋層108同時也會損失，特別是在較密集的溝槽116之間的區域117。
最後，請參照圖1d，藉由感應耦合電漿(inductively coupled plasma，ICP)製程(例如，氬離子濺射蝕刻)來實施一標準的預清潔步驟，以去除原生氧化層或聚合物殘留物(未繪示)。接著，在上蓋層108上方形成一導電層，例如銅金屬層，並填入溝槽116中。一般而言，在填入導電層之前，會先在上蓋層108上方及溝槽116表面順應性形成一阻障層(未繪示)，例如氮化鈦(TiN)層或氮化鉭(TaN)層。之後，藉由化學機械研磨(chemical mechanical polishing，CMP)去除上蓋層108上方多餘的導電層及阻障層以形成鑲嵌結構118。然而，位於溝槽116之間部分損失的上蓋層108上方區域於CMP製程之後，形成金屬架橋(bridging)120，降低組件的可靠度。
為了解決上述的問題，有人建議使用金屬硬式罩幕，例如使用氮化鈦或氮化鉭等阻障材料，藉以增加其與上蓋層及金屬層間介電層之間的蝕刻選擇比。如此的確可獲得具有垂直輪廓的溝槽。不幸地，於預清潔期間，硬式罩幕中的鈦原子或是鉭原子會被氬離子濺射出並沉積於ICP反應室內壁，造成ICP反應室失效而無法使用。
發明內容
有鑑於此，本發明的目的在於提供一種形成鑲嵌結構的方法，以避免低介電材料層受到不當的蝕刻，藉以防止關鍵圖形尺寸(CD)改變或發生金屬架橋(bridging)，進而提升組件的可靠度。
本發明的另一目的在於提供一種形成鑲嵌結構的方法，以避免在預清潔程序之後，造成感應耦合電漿(ICP)蝕刻反應室失效。
根據上述的目的，本發明提供一種形成鑲嵌結構的方法。首先，在一基底上沉積一絕緣層，再在絕緣層上依序形成一上蓋層及一硬式罩幕層。接著，藉由上蓋層作為一蝕刻終止層來蝕刻硬式罩幕層以形成至少一開口。接著，在硬式罩幕層上及開口表面順應性形成一金屬層，並非等向性蝕刻金屬層，以在開口側壁形成一金屬間隙壁。之後，蝕刻開口下方的上蓋層及其下方的絕緣層以形成一溝槽，並接著去除硬式罩幕層及金屬間隙壁。最後，藉由在感應耦合電漿(ICP)反應室中實施氬離子濺射蝕刻以清潔基底之後，在溝槽中填入一導電層以形成鑲嵌結構。
上述絕緣層包含一低介電常數(low k)材料層。上蓋層可由未摻雜矽玻璃(undoped silicon glass，USG)所構成，而硬式罩幕層可由氮化矽或碳化矽所構成。
再者，金屬間隙壁可由鋁金屬所構成或是由氮化鈦或氮化鉭等阻障材料所構成，且其厚度在100到500埃的範圍。
圖1a到圖1d是繪示出習知形成鑲嵌結構的方法剖面式意圖；圖2a到圖2e是繪示出根據本發明實施例的形成鑲嵌結構的方法剖面式意圖。
圖號說明100-基底； 102-金屬導線層；104-封蓋層；106-金屬層間介電層；108-上蓋層；110-硬式罩幕層；112-光阻層；114-開口；116-溝槽； 117-密集溝槽之間的區域；118-鑲嵌結構； 120-金屬架橋。
200-基底； 202、218-金屬層；204-封蓋層；206-金屬層間介電層；208-上蓋層；210-硬式罩幕層；2l2-抗反射層； 214-光阻層；216-開口； 220-金屬間隙壁；222-溝槽； 224-鑲嵌結構。
具體實施例方式
以下配合圖2a到圖2e說明本發明實施例的形成鑲嵌結構的方法。首先，請參照圖2a，提供一基底200，例如一矽晶圓，其中形成有金屬層202。金屬層202是作為下層導線層且可由銅金屬或鋁金屬所構成。接著，在基底200上方形成一封蓋層204，例如氮化矽層，用以覆蓋金屬層202。
接著，藉由習知沉積技術，例如化學氣相沉積(chemical vapordeposition，CVD)，在基底200上方的封蓋層204上形成一介電層206。在本發明中，此介電層206是作為一金屬層間介電層(IMD)。此金屬層間介電層206可由一般的低介電常數(1ow k)材料所構成，例如SOG、HSQ、FSG、FLARE、SiLK、或黑鑽石(black diamond)。再者，較佳的金屬層間介電層206厚度在4000到10000埃的範圍。
接著，藉由習知沉積技術，例如CVD，在金屬層間介電層206上方依序形成一上蓋層208及一硬式罩幕層210。在本發明中，上蓋層208可由氧化矽所構成，例如未摻雜的氧化矽(USG)，用以保護金屬層間介電層206並作為後續CMP製程的研磨終止層，其厚度在1000到1500埃的範圍。再者，硬式罩幕層210可由氮化矽或碳化矽所構成，且其厚度在1000到1500埃的範圍。
隨後，在硬式罩幕層210上方形成一具有溝槽圖案的光阻層214。另外，可選擇性地在光阻層214與硬式罩幕層210之間形成一抗反射層(anti-reflection coating，ARC)212，例如氮氧化矽，以降低駐波效應及光學鄰近效應(optical proximity effect，OPE)。接著，藉由反應離子蝕刻(RIE)非等向性蝕刻上蓋層208上方的抗反射層212及其下方硬式罩幕層210，以在硬式罩幕層210中形成開口216。
接下來，請參照圖2b到圖2d，其會釋出本發明的關鍵步驟。在圖2b中，藉由氧電漿或適當溶劑去除光阻層214。受到上蓋層208的保護，介電層206並不會受到損害。接著，在抗反射層212上方及開口216表面順應性地形成一金屬層218。在本發明中，金屬層218的厚度在1000到1500埃的範圍，且其可由鋁金屬所構成或一般常用的阻障材料所構成，例如氮化鈦或氮化鉭。再者，可藉由物理氣相沉積(physical vapordeposition，PVD)或CVD形成金屬層218。較佳地，是藉由離子化物理氣相沉積(ionized PVD，I-PVD)形成金屬層218。
接下來，請參照圖2c，非等向性蝕刻金屬層218，例如使用反應離子蝕刻，以在每一開口216側壁形成金屬間隙壁220。另外，若利用I-PVD形成金屬層218，後續的非等向性蝕刻以形成金屬間隙壁的步驟可採用原位(in-situ)氬離子濺射蝕刻。如此一來，可減少製程步驟而提升產能。
接下來，請參照圖2d，蝕刻開口216下方的上蓋層208及其下方的介電層206，以在介電層206中形成溝槽222。在實施蝕刻程序之後，抗反射層212完全被去除且消耗了部分的硬式罩幕層210及金屬間隙壁220。
相較習知習知技術，由於本發明中的金屬間隙壁220可於蝕刻期間保護硬式罩幕層210的側壁，因此可獲得具有垂直輪廓的溝槽222而防止關鍵圖形尺寸(CD)改變。再者，上蓋層208亦於蝕刻期間同時受到硬式罩幕層210及金屬間隙壁220的保護，而有利於後續CMP製程的進行。
最後，請參照圖2e，去除硬式罩幕層210，並同時除去其側壁餘留的金屬間隙壁220。之後，同樣地，藉由感應耦合電漿(ICP)製程(氬離子濺射蝕刻)來實施一標準的預清潔程序，以去除原生氧化層或聚合物殘留物(未繪示)。接著，在上蓋層208上方形成一導電層，例如銅金屬層，並填入溝槽222中。一般而言，在填入導電層之前，會先在上蓋層208上方及溝槽222表面順應性形成一阻障層(未繪示)，例如氮化鈦層或氮化鉭層。之後，藉由習知研磨技術，例如化學機械研磨(CMP)，去除上蓋層208上方多餘的導電層及阻障層以形成鑲嵌結構224。
根據本發明的方法，在進行預清潔程序前，由阻障材料或鋁金屬所構成的金屬間隙壁220可連同硬式罩幕層210一起被除去。因此，不會有汙染源沉積於ICP蝕刻反應室內部而導致其失效的問題產生。再者，位於溝槽220之間的上蓋層208在實施CMP之前因受到保護而並未損耗。
因此，可有效防止金屬架橋的問題，進而提升組件的可靠度。
權利要求
1.一種形成鑲嵌結構的方法，至少包括下列步驟在一基底上沉積一絕緣層；在該絕緣層上依序形成一上蓋層及一硬式罩幕層；藉由該上蓋層作為一蝕刻終止層來蝕刻該硬式罩幕層以形成至少一開口；在該開口側壁形成一金屬間隙壁；蝕刻該開口下方的該上蓋層及其下方的該絕緣層以形成一溝槽；去除該硬式罩幕層及該金屬間隙壁；以及在該溝槽中填入一導電層以形成鑲嵌結構。
2.根據權利要求1所述的形成鑲嵌結構的方法，其中該上蓋層是一未摻雜矽玻璃。
3.根據權利要求2所述的形成鑲嵌結構的方法，其中該上蓋層的厚度在1000到1500埃的範圍。
4.根據權利要求1所述的形成鑲嵌結構的方法，其中該硬式罩幕層是一氮化矽層或一碳化矽層。
5.根據權利要求4所述的形成鑲嵌結構的方法，其中該硬式罩幕層的厚度在1000到1500埃的範圍。
6.根據權利要求1所述的形成鑲嵌結構的方法，在蝕刻該硬式罩幕層之前，更包括在該硬式罩幕層上形成一抗反射層的步驟。
7.根據權利要求1所述的形成鑲嵌結構的方法，其中形成該金屬間隙壁至少包括下列步驟在該硬式罩幕層上及該開口表面順應性形成一金屬層；以及非等向性蝕刻該金屬層以在該開口側壁形成該金屬間隙壁。
8.根據權利要求7所述的形成鑲嵌結構的方法，其中該金屬層的厚度在100到500埃的範圍。
9.根據權利要求7所述的形成鑲嵌結構的方法，其中該金屬層是氮化鈦或氮化鉭阻障材料層。
10.根據權利要求1所述的形成鑲嵌結構的方法，其中該金屬間隙壁是一鋁金屬間隙壁且其厚度在100到500埃的範圍。
全文摘要
本發明揭示一種形成鑲嵌結構的方法。首先，在一基底上沉積一絕緣層，再在絕緣層上依序形成一上蓋層及一硬式罩幕層。接著，藉由上蓋層作為一蝕刻終止層來蝕刻硬式罩幕層以形成至少一開口。在開口側壁形成一金屬間隙壁。之後，蝕刻開口下方的上蓋層及其下方的絕緣層以形成一溝槽。接著，去除硬式罩幕層及金屬間隙壁。最後，清潔基底，並在溝槽中填入一導電層以形成鑲嵌結構。
文檔編號H01L21/70GK1532913SQ0312074
公開日2004年9月29日 申請日期2003年3月19日 優先權日2003年3月19日
發明者顧子琨, 吳嘉陽 申請人:矽統科技股份有限公司