專利名稱：雙重金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多層金屬內(nèi)連線(Multi-Level Interconnects)的制造方法，且特別涉及一種雙重金屬鑲嵌(Dual Damascene)結(jié)構(gòu)的制造方法。
在現(xiàn)今的半導(dǎo)體中，由于銅金屬本身具有低電阻率、電遷移(Electromigration)特性較好以及能夠以電鍍方式與化學(xué)氣相沉積成長的優(yōu)點(diǎn)，因此使用銅金屬制作金屬內(nèi)連線確實(shí)是必然的趨勢。且因為銅不易蝕刻，所以利用金屬鑲嵌工藝取代傳統(tǒng)的導(dǎo)線工藝制作銅導(dǎo)線。
然而隨著互補(bǔ)式金屬氧化半導(dǎo)體(Complementary Metal-OxideSemiconductor，CMOS)組件持續(xù)的縮小至0.18微米以下時，由多層金屬內(nèi)連線間所導(dǎo)致的RC時間延遲(Resistance Capacitance Time Delay)變成十分重要的影響因素。在多層金屬內(nèi)連線的工藝中，我們經(jīng)常將焦點(diǎn)集中在所使用低介電常數(shù)材料的電性質(zhì)(Electrical Properties)以及化學(xué)性質(zhì)(Chemical Properties)上。
例如在先進(jìn)的內(nèi)連線工藝中，對于由低介電常數(shù)材料(Low-KMaterial)所構(gòu)成的內(nèi)金屬介電(Inter-Metal Dielectric，IMD)層而言，必須具備有低介電常數(shù)(Dielectric Constant，k)、低漏電電流(Leakage)、高抗擊穿強(qiáng)度(Breakthrough Strength)以及在工藝溫度中良好的熱穩(wěn)定性(Thermal Stability)。除了上述的性質(zhì)之外，內(nèi)金屬介電層的機(jī)械性質(zhì)(Mechanical Properties)以及生產(chǎn)上的可利用性(Manufacturability)也是選擇時的重要因素。
公知的形成雙重金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的方法，是在已形成有導(dǎo)電區(qū)域的基底上形成帽蓋層。接著，在帽蓋層上形成第一介電層，再于第一介電層上形成蝕刻終止寫入/抹除層。然后，在蝕刻終止寫入/抹除層上形成第二介電層。其后，以雙重金屬鑲嵌工藝在第一介電層中以及在第二介電層中形成雙重金屬鑲嵌開口。最后，在雙重金屬鑲嵌開口中填入銅金屬以完成雙重金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的制作。
然而，以上述的工藝形成的雙重金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)有下列的問題在形成雙重金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)后，后續(xù)的工藝?yán)绯练e工藝，往往需要加熱至一個較高的溫度以進(jìn)行沉積，然后再降回室溫，此溫度變化的影響，極易因不同材料的熱膨脹系數(shù)(Coefficient of ThermalExpansion)的差異(Mismatch)而導(dǎo)致熱應(yīng)力(Thermal Stress)的產(chǎn)生。而在上述的工藝中，第一介電層以及第二介電層所使用的低介電常數(shù)的材料，同樣使用例如為芳香族碳?xì)浠衔?Aromatic Hydrocarbon)，此高分子材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)與金屬銅的熱膨脹系數(shù)具有相當(dāng)大的差值(Mismatch of CTE)，因此在溫度變化極大的情形下，金屬與第一、第二介電層間會產(chǎn)生伸展(Elongation)或是變形(Deformation)等的形變(Strain)，因而破壞金屬內(nèi)連線結(jié)構(gòu)的完整性，并且導(dǎo)致金屬內(nèi)連線可靠性(Reliability)等特性的問題。
其次，上述第一介電層、第二介電層所使用的低介電常數(shù)材料具有的硬度(Hardness)較低，因此在進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨法(ChemicalMechanical Polishing，CMP)或是在進(jìn)行封裝(Packaging)時，雙重金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)相當(dāng)容易崩壞(Collapse)或是剝離(Peeling)、扭曲變形(Distortion)。
而且，上述的第一、第二介電層如同時采用硬度和楊氏系數(shù)較大，且熱膨脹系數(shù)較小的材質(zhì)時，由于其具有較高的介電常數(shù)，因此只會徒然增加多重金屬內(nèi)連線的RC時間延遲以及增大電容，亦非解決問題之道。
因此，本發(fā)明提出一種雙重金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的制造方法，能夠有效降低金屬與內(nèi)金屬介電層之間產(chǎn)生伸展或是變形等的形變，并降低金屬與內(nèi)金屬介電層之間在溫度升降溫時產(chǎn)生的熱應(yīng)力。
本發(fā)明提出一種雙重金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的制造方法，能夠有效增加內(nèi)金屬介電層的機(jī)械強(qiáng)度，防止雙重金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生崩壞或是剝離或是扭曲變形。
本發(fā)明提出一種雙重金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的制造方法，此方法是先在已形成有導(dǎo)電區(qū)域的基底上形成帽蓋層。接著，在帽蓋層上形成第一介電層，再于第一介電層上形成蝕刻終止寫入/抹除層。然后，在蝕刻終止寫入/抹除層上形成與第一介電層不同材質(zhì)的第二介電層，并于上述不同材質(zhì)所組成的復(fù)合(Hybrid)介電層結(jié)構(gòu)中，第一介電層較第二介電層具有較高的硬度、楊氏系數(shù)(Young’s modulus)以及較低的熱膨脹系數(shù)，使復(fù)合介電層具有較好的抗熱形變能力以及機(jī)械強(qiáng)度，且第二介電層具有較第一介電層低的介電常數(shù)，使得復(fù)合介電層的電容大小不至于增加太大。其后，以雙重金屬鑲嵌工藝在第一介電層中以及第二介電層中形成雙重金屬鑲嵌開口。最后，在雙重金屬鑲嵌開口中填入銅金屬以完成金屬內(nèi)連線的制作。
由上述可知，本發(fā)明的重要特征是以不同材質(zhì)形成的復(fù)合介電層，且第一介電層的楊氏系數(shù)較第二介電層大，且第一介電層的熱膨脹系數(shù)較第二介電層低，其作用是當(dāng)溫度變化時，充當(dāng)上下層的緩沖層，而能增強(qiáng)雙重金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)抵抗熱形變的能力。
而且第一介電層的硬度以及楊氏系數(shù)較第二介電層大，因此能夠增強(qiáng)雙重金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)抗崩壞、剝離以及變形等的機(jī)械強(qiáng)度。
尚且第二介電層的介電常數(shù)較第一介電層小，在增強(qiáng)雙重金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)抵抗因溫差產(chǎn)生的應(yīng)力以及形變、增加機(jī)械強(qiáng)度的同時，對于復(fù)合介電層的電容大小能夠加以適當(dāng)?shù)目刂?，不至造成任何重大的影響?br> 為讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉較佳實(shí)施例，并配合附圖，作詳細(xì)說明
118金屬層120金屬導(dǎo)線122導(dǎo)線間電容124第二介電層間電容126第一介電層間電容首先，請參照

圖1A，首先提供一基底100，在基底100上已形成有導(dǎo)電區(qū)域102。接著，在基底100上形成一層帽蓋層104，其材質(zhì)例如是選自氮化硅、氧化硅以及碳化硅所組成族群，形成的方法例如是化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD)法。然后，在帽蓋層104上形成第一介電層106，其材質(zhì)例如是選自含甲基的有機(jī)硅酸鹽玻璃(Organosilicate，OSG)、摻氟的硅玻璃(Fluorinated Silicate Glass，F(xiàn)SG)所組成族群其中之一，形成的方法例如是化學(xué)氣相沉積法。這些材料事實(shí)上也都具有低介電常數(shù)的特性(k＜3.5)，另外具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、硬度以及與銅相近的熱膨脹系數(shù)(20至10ppm/℃左右)，是選用這些材料的主要理由。
接著，請參照圖1B，在第一介電層106上形成一層蝕刻終止層108，其材質(zhì)例如是選自氮化硅、氧化硅以及碳化硅所組成族群，形成的方法例如是化學(xué)氣相沉積法。然后在蝕刻終止層108上形成一層第二介電層110，其材質(zhì)例如是選自芳香族碳?xì)浠衔?、多孔性芳香族碳?xì)浠衔?Porous Aromatic Hydrocarbon)或是多孔性硅玻璃材料(Porous Silicate Glass)所組成族群其中之一，形成的方法例如是旋轉(zhuǎn)涂布法(Spin On Coating)。如此雙重金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的內(nèi)金屬介電層為由不同材質(zhì)的第一介電層106以及第二介電層110所組成的復(fù)合介電層112。
接著，請參照圖1C，在復(fù)合介電層112中形成雙重金屬鑲嵌開口114。其中形成雙重金屬鑲嵌開口114的方法，例如是在第二介電層110上形成一層光阻層(圖中未繪出)，再以微影蝕刻工藝在第二介電層110中定義出導(dǎo)線溝道。在去除光阻層后，再于基底100上形成另一層光阻層(圖中未繪出)，接著進(jìn)行微影蝕刻工藝以在第一介電層106中形成介層窗開口，且由導(dǎo)線溝道以及介層窗開口組成雙重金屬鑲嵌開口114。
最后，請參照圖1D，在雙重金屬鑲嵌開口114中依次形成共形的阻障層116以及填入金屬層118，以形成雙重金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)。形成雙金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的方法例如是在基底100上沉積一層共形的阻障層(圖中未繪出)，其材質(zhì)例如是選自鉭、氮化鉭以及氮化鎢所組成群。接著，在阻障層上形成金屬層(圖中未繪出)并填滿雙重金屬鑲嵌開口114，其中金屬層的材質(zhì)例如為銅。最后，以阻障層為蝕刻終止層，以化學(xué)機(jī)械研磨法去除雙重金屬鑲嵌開口114之外的金屬層。
在由上述本發(fā)明較佳實(shí)施例所形成的雙重金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)中，由材料科學(xué)的角度而言，楊氏系數(shù)越高則抗扭曲變形的能力越大，因此，本發(fā)明采用楊氏系數(shù)較第二介電層110稍大的第一介電層106與較低介電常數(shù)的第二介電層110形成復(fù)合介電層112，其抗扭曲變形的能力較公知的單一材質(zhì)介電層為大。另一方面，形變(Strain)是與兩材質(zhì)之間熱膨脹系數(shù)的差值(Mismatch of CTE)成正比，由于第一介電層106的熱膨脹系數(shù)較第二介電層的110的熱膨脹系數(shù)為低，且第一介電層106的熱膨脹系數(shù)與銅的熱膨脹系數(shù)較為相近，因此就整體而言，本發(fā)明的復(fù)合介電層能夠有效的降低金屬與介電層之間熱膨脹系數(shù)的差值，而能夠減低雙金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)因不同的高溫工藝產(chǎn)生的形變。
再看，就機(jī)械強(qiáng)度的角度而言，由于第一介電層106的硬度以及楊氏系數(shù)較第二介電層110的硬度以及楊氏系數(shù)為大，因此由第一介電層106與第二介電層110所組成的復(fù)合介電層112，較公知單一材料介電層具有更好的機(jī)械強(qiáng)度，進(jìn)而增強(qiáng)雙金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)抗崩壞以及抗剝離、抗變形的能力。
由電性質(zhì)的角度而言，如同眾所周知的，電容延遲效應(yīng)主要是著眼在第二介電層，亦即是由導(dǎo)線與導(dǎo)線間的介電性質(zhì)，亦即電容大小所決定。圖2是本發(fā)明較佳實(shí)施例的雙重金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)導(dǎo)線與導(dǎo)線間電容以及內(nèi)金屬介電層間電容的示意圖。請參照圖2，由于第二介電層110的介電常數(shù)較第一介電層106的介電常數(shù)為小，因此導(dǎo)線間電容122并不會受到影響，進(jìn)而使電容能夠維持在較小的數(shù)值。
另一方面，在復(fù)合介電層112中，復(fù)合介電層112的電容大小可由下列的數(shù)學(xué)式表示1/復(fù)合介電層間的電容＝(1/第一介電層間電容126)+(1/第二介電層間電容124)并且，電容的大小與介電層厚度成反比。
因此，雖然第一介電層106的介電常數(shù)較第二介電層110稍高，我們依然能夠通過厚度或是設(shè)計規(guī)則的調(diào)整，使得復(fù)合介電層112間將電容延遲效應(yīng)的影響得以最小化。
由上述本發(fā)明較佳實(shí)施例可知，本發(fā)明具有下列的優(yōu)點(diǎn)1.在本發(fā)明的復(fù)合介電層中，第一介電層的楊氏系數(shù)較第二介電層的楊氏系數(shù)大，且第一介電層的熱膨脹系數(shù)較第二介電層的熱膨脹系數(shù)低，并且第一介電層的熱膨脹系數(shù)與銅的熱膨脹系數(shù)較為相近，所以，本發(fā)明的復(fù)合介電層能夠有效的降低金屬與介電層之間熱膨脹系數(shù)的差值，而能夠減少雙金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)因不同的工藝溫度產(chǎn)生的熱應(yīng)力以及形變。
2.在本發(fā)明的復(fù)合介電層中，由于第一介電層的硬度以及楊氏系數(shù)較第二介電層的硬度以及楊氏系數(shù)為大，因此具有更好的機(jī)械強(qiáng)度，進(jìn)而增強(qiáng)雙金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)抗崩壞以及抗剝離、抗變形的能力。
3.在本發(fā)明的復(fù)合介電層中，在增強(qiáng)雙金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)抵抗因溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力以及形變并且增加機(jī)械強(qiáng)度的同時，對于導(dǎo)線間的電容大小不會造成影響，且復(fù)合介電層間的有效電容大小，亦能夠通過厚度或是設(shè)計規(guī)則的調(diào)整，使得所受的影響最小化。
雖然本發(fā)明已以一較佳實(shí)施例公開如上，但其并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉該技術(shù)的人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可作不同的更動與修飾，但此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以權(quán)利要求書所限定的為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種雙重金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的制造方法，該方法包括下列步驟提供一基底，在該基底上已形成有一導(dǎo)電區(qū)域；在該基底上形成一帽蓋層；在該基底上形成一第一介電層；在該第一介電層上形成一蝕刻終止層；在該蝕刻終止層上形成一第二介電層；在該第二介電層中以及第一介電層中形成一雙重金屬鑲嵌開口；依序在該雙重金屬鑲嵌開口中形成一共形的阻障層以及一金屬層；其特征在于該第一介電層的楊氏系數(shù)(Young’s modulus)以及硬度(Hardness)較該第二介電層的楊氏系數(shù)以及硬度大、該第一介電層的熱膨脹系數(shù)較該第二介電層的熱膨脹系數(shù)小，亦即該第一介電層與金屬銅的熱膨脹系數(shù)具有較小的差值，且該第二介電層的介電常數(shù)較該第一介電層的介電常數(shù)小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙重金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于該第一介電層包括以化學(xué)氣相沉積法形成的含甲基的有機(jī)硅酸鹽玻璃(Organosilicate)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙重金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于該第一介電層包括以化學(xué)氣相沉積法形成的摻氟的硅玻璃(Fluorinated Silicate Glass)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙重金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于該第二介電層的材質(zhì)是選自芳香族碳?xì)浠衔?AromaticHydrocarbon)、多孔性芳香族碳?xì)浠衔?Porous Aromatic Hydrocarbon)以及多孔性硅玻璃材料(Porous Silicate Glass)所組成族群其中之一。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙重金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于該第二介電層形成方法包括旋轉(zhuǎn)涂布法。
6.一種復(fù)合式介電層的制造方法，該方法包括下列步驟提供一基底；在該基底上形成一第一介電層；在該第一介電層上形成一第二介電層，并由該第一介電層以及該第二介電層組成一復(fù)合式介電層；其特征在于該第一介電層的楊氏系數(shù)以及硬度較該第二介電層的楊氏系數(shù)以及硬度大、該第一介電層的熱膨脹系數(shù)較該第二介電層的熱膨脹系數(shù)小，亦即該第一介電層與金屬銅的熱膨脹系數(shù)具有較小的差值，且該第二介電層的介電常數(shù)較該第一介電層的介電常數(shù)小。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的復(fù)合式介電層的制造方法，其特征在于該第一介電層包括以化學(xué)氣相沉積法形成的含甲基的有機(jī)硅酸鹽玻璃。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的復(fù)合式介電層的制造方法，其特征在于該第一介電層包括以化學(xué)氣相沉積法形成的摻氟的硅玻璃。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的復(fù)合式介電層的制造方法，其特征在于該第二介電層的材質(zhì)是選自芳香族碳?xì)浠衔铩⒍嗫仔苑枷阕逄細(xì)浠衔镆约岸嗫仔怨璨ＡР牧纤M的族群其中之一。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的復(fù)合式介電層的制造方法，其特征在于該第二介電層的形成方法包括旋轉(zhuǎn)涂布法。
全文摘要
一種雙重金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的制造方法，在基底上形成復(fù)合介電層，再在復(fù)合介電層中形成雙重金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)。復(fù)合介電層是由依序形成在基底上的第一介電層和第二介電層所組成，且第一介電層的楊氏系數(shù)和硬度較第二介電層大，第一介電層的熱膨脹系數(shù)與銅的差異較第二介電層小，并且第二介電層的介電常數(shù)較第一介電層小。能夠增加雙重金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的抗熱形變、機(jī)械強(qiáng)度，且不會影響有效介電常數(shù)值。
文檔編號H01L21/31GK1391270SQ0112930
公開日2003年1月15日 申請日期2001年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月11日
發(fā)明者蔡正原, 羅應(yīng)聰 申請人:聯(lián)華電子股份有限公司