專利名稱：改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型提供了一種用以改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的結(jié)構(gòu)，特別是提供了一種金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)，且適用于單金屬鑲嵌或雙重金屬鑲嵌的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
面對市場對輕薄短小的電子組件的需求趨勢，集成電路組件的線寬尺寸也不斷地縮小，而隨著集成電路組件的線寬尺寸的微縮化，致使組件的運算速度受到電阻電容延遲(Resistance Capacitance Delay；RC Delay)以及日趨嚴(yán)重的電遷移(Electromigration)的影響而明顯減慢。因此，面對目前高密集度的電路設(shè)計，必須舍棄傳統(tǒng)電阻較高的金屬鋁(Al)，而改用具有更低電阻且抗電遷移能力較佳的金屬材料，例如銅(Cu)金屬，來作為組件的內(nèi)連線。
除此之外，由于銅的低電阻特性，于是以銅為導(dǎo)線材料的集成電路組件可承受更密集的電路排列，因此可大幅縮減金屬層數(shù)量。如此一來，不僅可降低生產(chǎn)成本，還可提升組件的運算速度。而銅的較佳的抗電遷移能力，還可使得以銅為導(dǎo)線的組件具有更長的壽命及較佳的穩(wěn)定性。
另一方面，由于工藝上及導(dǎo)線材料的限制，而難以藉由改變導(dǎo)線面積等幾何上的改變來降低寄生的電容值。因此，目前除了采用金屬銅來作為組件的內(nèi)連線材料外，還利用低介電常數(shù)材料來作為金屬導(dǎo)線間的絕緣材料，以進一步降低導(dǎo)線間的寄生電容值。寄生電容值的下降，不僅可使得組件的速度性能大幅提高，還可減少功率的消耗(Power Dissipation)及噪聲干擾(Cross-talk Noise)，有效提升組件的操作性能。
然而，以銅作為組件的導(dǎo)線時，卻面臨銅無法利用傳統(tǒng)的干式蝕刻(DryEtching)技術(shù)予以圖案化的問題。為了解決銅導(dǎo)線的圖案化問題，目前已發(fā)展出利用鑲嵌的方式來進行銅導(dǎo)線的制作。銅導(dǎo)線的鑲嵌技術(shù)，首先是將銅金屬充填到已形成有金屬導(dǎo)線圖案的介電層開口中，再利用研磨技術(shù)去除介電層開口外的多余銅金屬，而完成銅金屬的鑲嵌。上述金屬銅的研磨技術(shù)，目前一般采用化學(xué)機械研磨(Chemical Mechanical Polishing；CMP)技術(shù)。
請參照圖1至圖4，是繪示傳統(tǒng)金屬鑲嵌工藝的工藝剖面示意圖。首先，提供半導(dǎo)體的基材100，再沉積介電層102覆蓋在基材100上。其中，介電層102的材質(zhì)為低介電常數(shù)材料。介電層102形成后，利用微影與蝕刻技術(shù)去除部分的介電層102，而在介電層102中形成開口104并暴露出部分的基材100，如圖1所示。
接著，共形(Conformal)沉積擴散阻障層106覆蓋在介電層102以及暴露出的基材100上。接著，形成晶種層107覆蓋并共形于擴散阻障層106的表面。再利用電鍍方式形成金屬層108覆蓋在晶種層107上，并填滿開口104，而形成如圖2所示的結(jié)構(gòu)。其中，擴散阻障層106是用以防止后續(xù)形成的金屬層108擴散至介電層102與基材100中。此外，為確保金屬層108能填滿開口104，需形成較厚的金屬層108。目前，金屬層108的材質(zhì)一般為銅金屬。
然后，利用化學(xué)機械研磨的方式去除部分的金屬層108，同時去除位于開口104外的擴散阻障層106，直至暴露出介電層102，藉以平坦化金屬層108，如圖3所示。
接著，如同圖4所示形成蝕刻中止層110覆蓋金屬層108、介電層102與阻障層106。隨后，進行后續(xù)內(nèi)連線工藝。然而，由于傳統(tǒng)的蝕刻中止層110與金屬層108間的粘著性不佳，因此容易產(chǎn)生剝離現(xiàn)象且有可能產(chǎn)生遺漏(Leakage)電流現(xiàn)象，因而造成可靠度(Reliabilliy)不佳的問題。
Fukada等人在美國專利第6,107,687號中揭露了一種提高銅導(dǎo)線的可靠度的銅工藝，其是在銅導(dǎo)線層上形成一層粘著層(adhesion layer)，并在粘著層上形成覆蓋層(cap layer)，藉以避免覆蓋層剝落。其中還一并揭露了可用的粘著層為Ti、TiN、Cr、Al、AlCu、AlSiCu等，這些粘著層的材質(zhì)為具有導(dǎo)電性質(zhì)的金屬材質(zhì)，必須填在銅線溝槽內(nèi)，因此必須增加一道化學(xué)機械研磨工藝；而且，其覆蓋層也位于銅導(dǎo)線溝槽內(nèi)，因此，在銅導(dǎo)線溝槽的頂角還必須圓角化，以避免覆蓋層剝落，制成相當(dāng)繁瑣復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種能夠提高銅導(dǎo)線可靠度，以防止遺漏電流的產(chǎn)生，且制造工藝簡單的改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)上述目的，本實用新型提供了一種改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的結(jié)構(gòu)，其在金屬層與蝕刻中止層間增加了一層覆蓋層(Cap Layer)或粘著層(Adhesion Layer)，藉以增加蝕刻中止層與下方的金屬層的粘著性，以提升可靠度。
另一方面，本實用新型還提供了一種改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的結(jié)構(gòu)，其設(shè)置一具有較佳粘著特性及絕緣特性的原子層級金屬氮化物層以增加蝕刻中止層與下方的金屬層的粘著性，可用以防止遺漏電流的產(chǎn)生。
具體地說，本實用新型所提供的一種改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的結(jié)構(gòu)，至少包括一基材，該基材上至少已具有第一介電層，且該第一介電層中至少包括一開口暴露出部分的所述基材；一金屬層，位于所述開口中且填滿該開口；一覆蓋層，覆蓋于金屬層與第一介電層；以及一第二介電層位于覆蓋層上，其中該第二介電層為蝕刻中止層。
根據(jù)本實用新型一優(yōu)選實施例，上述金屬層為平坦化的金屬層，該金屬層的材質(zhì)可為銅或其它金屬；而所述覆蓋層的材質(zhì)為具有絕緣特性的金屬氮化物，即所述覆蓋層為原子層級的金屬氮化物層，該金屬氮化物層的材質(zhì)為高阻值的氮化鉭或氮化鎢或其它具有類似性質(zhì)的金屬氮化物?；蛘撸龈采w層為原子層級的膜層，厚度為5埃至100埃。
另一方面，本發(fā)明還提供了一種改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的結(jié)構(gòu)，其特征在于，至少包括一基材，其中該基材上至少已具有一介電層，且該介電層中至少包括一開口暴露出部分的所述基材；一金屬導(dǎo)線，位于所述開口中；一原子層級的粘著層，位于金屬導(dǎo)線和介電層上；以及一蝕刻中止層，位于介電層上。
其中，所述粘著層優(yōu)選為具有絕緣特性的金屬氮化物層，其材質(zhì)可為高阻值的氮化鉭或氮化鎢，選用氮化鉭時，優(yōu)選氮與鉭的比值為1.0-1.5。該粘著層的厚度優(yōu)選為5埃至100埃。
根據(jù)本實用新型的具體實施方案，所述金屬導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)包括一金屬層，位于開口中，且粘著層位于金屬層和蝕刻中止層之間；一阻障層，位于開口和金屬層之間；以及一晶種層，位于阻障層和金屬層之間。其中所述阻障層為低阻值的氮化鉭。而所述蝕刻中止層的材質(zhì)選自于由氮化硅、氧化硅、碳化硅與碳氧化硅所組成的族群。
本實用新型的一優(yōu)點就是利用原子層級的金屬氮化物層作為覆蓋層或粘著層，并形成于導(dǎo)線和蝕刻停止層之間，以及蝕刻停止層和鑲嵌導(dǎo)線的第一介電層之間，因此可增加金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)中的填充金屬與蝕刻中止層的粘著性。且本實用新型藉由在原子層沉積法中調(diào)整氮與鉭的比例以及調(diào)整金屬氮化物層的厚度即可達到增加金屬氮化物層的電阻值的目的。
此外，本實用新型的原子層級的金屬氮化物層以及蝕刻中止層，除了形成于導(dǎo)線上方外，還形成于鑲嵌導(dǎo)線的介電層上方，而且，原子層級的金屬氮化物層具有絕緣特性。因此，沉積完原子層級的金屬氮化物層以及蝕刻中止層后，并不需要任何化學(xué)機械研磨的步驟，制作工藝簡單。


圖1至圖4為繪示傳統(tǒng)金屬鑲嵌工藝的工藝剖面示意圖。
圖5至圖8為繪示根據(jù)本實用新型的一優(yōu)選實施例的一種改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的工藝剖面示意圖。
圖9為繪示本實用新型與傳統(tǒng)技術(shù)的粘著性測試比較結(jié)果圖表。
圖10為繪示本實用新型的一實施例的氮化鉭厚度與電阻值的關(guān)系曲線圖。
圖中符號簡單說明100基材 102介電層104開口 106擴散阻障層107晶種層108金屬層110蝕刻中止層200基材202介電層204開口 206擴散阻障層207晶種層208金屬層212覆蓋層214蝕刻中止層具體實施方式
本實用新型揭露了一種改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的結(jié)構(gòu)，其是利用金屬氮化物層(如氮化鉭(TaN)層或氮化鎢(WN)層)來增加金屬鑲嵌開口中的金屬層與蝕刻中止層(如氮化硅(SiN)、氧化硅(SiO)、碳化硅(SiC)與碳氧化硅(SiOC))的粘著性，且包括利用在原子層沉積法中改變氮與金屬(鉭或鎢)的比例以及改變金屬氮化物層的厚度來增加金屬氮化物層的電阻值，以提升工藝可靠度，達到增加產(chǎn)品良率的目的。為了使本實用新型的敘述更加詳盡與完備，可參照下列描述并配合圖5至圖8所示。
請參照圖5至圖8，是繪示根據(jù)本實用新型的一優(yōu)選實施例的一種改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的工藝剖面示意圖。首先，提供半導(dǎo)體的基材200，其中該基材200上可視需要形成有半導(dǎo)體組件以及內(nèi)連線結(jié)構(gòu)等。再利用例如化學(xué)氣相沉積(CVD)的方式形成介電層202覆蓋在基材200上。其中，介電層202的材質(zhì)可例如為低介電常數(shù)材料或其它介電材料。待介電層202形成后，利用例如微影以及蝕刻技術(shù)進行定義，而將導(dǎo)線圖案轉(zhuǎn)移至介電層202中，并在介電層202中形成開口204，且暴露出部分的基材200，而形成如圖5所示的結(jié)構(gòu)。此外，值得注意的一點是本實用新型并不局限于單金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)，本實施例的圖示僅列舉單金屬鑲嵌為例，事實上本實用新型同樣可適用于雙重金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)或其它內(nèi)連線結(jié)構(gòu)中。換句話說，開口204可為單金屬鑲嵌開口或雙重金屬鑲嵌開口，甚至開口204可為介層窗開口或接觸窗開口。
開口204形成后，利用例如物理氣相沉積(PVD)法以共形沉積的方式形成厚度約為10埃至100埃的擴散阻障層206覆蓋在介電層202以及開口204所暴露的基材200上，以防止后續(xù)形成的金屬材料擴散至基材200以及介電層202中，進而確保電性品質(zhì)。其中，擴散阻障層206的材質(zhì)為導(dǎo)電材質(zhì)，例如是利用物理氣相沉積法(PVD)形成的低阻值的氮化鉭。完成擴散阻障層206后，利用例如濺鍍沉積的方式，共形沉積一層相當(dāng)薄的晶種層207覆蓋在擴散阻障層206上。其中，此晶種層207的材質(zhì)可例如為銅或視情況而為其它金屬。接著，利用電化學(xué)電鍍(ECP)方式于晶種層207上形成金屬層208，并使金屬層208填滿開口204，如圖6所示。其中，金屬層208的材質(zhì)可例如為銅或其它合適的金屬材質(zhì)。
金屬層208形成后，利用例如化學(xué)機械研磨法等平坦化方式，除去部分的金屬層208直至約曝露出介電層202，藉以平坦化金屬層208的表面，而形成如圖7所示的結(jié)構(gòu)。
接著，如圖8所示，例如使用原子層沉積法(ALD)沉積一層具有絕緣性質(zhì)的金屬氮化物作為覆蓋層212以覆蓋金屬層208、擴散阻障層206與介電層202。本實用新型的覆蓋層212的材質(zhì)可例如為氮化鉭或氮化鎢，且本實用新型的覆蓋層的材質(zhì)并不限于此，任何利用原子層沉積法所形成的高阻值的等效的金屬氮化物均屬于本實用新型要求保護的范疇。其中，在原子層沉積工藝中氮/鉭的比值約介于1.0至1.5之間，且覆蓋層212的厚度約介于5埃至100埃。隨后，例如使用化學(xué)氣相沉積法形成一層作為后續(xù)金屬聯(lián)機工藝用的蝕刻中止層214，位于覆蓋層212上，其中蝕刻中止層214的材質(zhì)為介電物質(zhì)，例如是選自于由氮化硅(SiN)、氧化硅(SiO)、碳化硅(SiC)與碳氧化硅(SiON)所組成的族群。
請參照圖9所示，是繪示本實用新型與傳統(tǒng)技術(shù)的粘著性測試比較結(jié)果的圖表。其中，最右側(cè)的長條圖為本實用新型的一實施例，在本實用新型的此實施例中是以碳化硅(SiC)為蝕刻中止層且使用原子層沉積的氮化鉭(ALD-TaN)作為覆蓋層。而中間與最左側(cè)的長條圖分別表示使用碳化硅與氮化硅作為蝕刻中止層的傳統(tǒng)技術(shù)。由圖9可得知本實用新型所達到的粘著效果遠比傳統(tǒng)技術(shù)高。
請參照圖10所示，是繪示本實用新型的一實施例的原子層沉積的氮化鉭(ALD-TaN)厚度與電阻值的關(guān)系曲線圖。由圖10可得知當(dāng)?shù)g厚度越來越厚時，電阻值會隨之逐漸升高，當(dāng)厚度約大于25埃時，氮化鉭就已經(jīng)成為具有絕緣效果的絕緣層。
由上述本實用新型的優(yōu)選實施例可知，本實用新型的一優(yōu)點就是因為利用原子層級的金屬氮化物層作為覆蓋層或粘著層，因此可增加開口中的金屬層208與蝕刻中止層214的粘著性，且本實用新型藉由在原子層沉積法中調(diào)整氮與金屬(如鉭或鎢)的比例以及調(diào)整金屬氮化物層的厚度即可達到增加金屬氮化物層的電阻值。
此外，本實用新型的原子層級的金屬氮化物層以及蝕刻中止層，除了形成于導(dǎo)線上方外，還形成于鑲嵌導(dǎo)線的介電層上方，而且，原子層級的金屬氮化物層具有絕緣特性。因此，沉積完原子層級的金屬氮化物層以及蝕刻中止層后，并不需要任何化學(xué)機械研磨的步驟。
雖然本實用新型已以一優(yōu)選實施例揭露如上，然其并非用以限定本實用新型，任何熟習(xí)本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本實用新型的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動與潤飾，本實用新型的保護范圍當(dāng)以權(quán)利要求書為準(zhǔn)。
權(quán)利要求1.一種改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的結(jié)構(gòu)，其特征在于，至少包括一基材，其中該基材上至少已具有一第一介電層，且該第一介電層中至少包括一開口暴露出部分的所述基材；一金屬層，位于所述開口中且填滿該開口；一覆蓋層，覆蓋于金屬層與第一介電層；以及一第二介電層，位于覆蓋層上，其中該第二介電層為蝕刻中止層。
2.如權(quán)利要求1所述的改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述覆蓋層的材質(zhì)為具有絕緣特性的金屬氮化物。
3.如權(quán)利要求2所述的改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬氮化物層的材質(zhì)為高阻值的氮化鉭。
4.如權(quán)利要求2所述的改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬氮化物層的材質(zhì)為高阻值的氮化鎢。
5.如權(quán)利要求1所述的改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述覆蓋層為原子層級的膜層，厚度為5埃至100埃。
6.一種改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的結(jié)構(gòu)，其特征在于，至少包括一基材，其中該基材上至少已具有一介電層，且該介電層中至少包括一開口暴露出部分的所述基材；一金屬導(dǎo)線，位于所述開口中；一原子層級的粘著層，位于金屬導(dǎo)線和介電層上；以及一蝕刻中止層位于介電層上。
7.如權(quán)利要求6所述的改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述粘著層為具有絕緣特性的金屬氮化物層。
8.如權(quán)利要求6所述的改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬氮化物層的材質(zhì)為高阻值的氮化鉭。
9.如權(quán)利要求8所述的改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述氮化鉭中氮與鉭的比值為1.0-1.5。
10.如權(quán)利要求6所述的改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬氮化物層的材質(zhì)為高阻值的氮化鎢。
11.如權(quán)利要求6所述的改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述粘著層的厚度為5埃至100埃。
12.如權(quán)利要求6所述的改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)包括一金屬層，位于開口中，且粘著層位于金屬層和蝕刻中止層之間；一阻障層，位于開口和金屬層之間；以及一晶種層，位于阻障層和金屬層之間。
13.如權(quán)利要求12所述的改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述阻障層為低阻值的氮化鉭。
14.如權(quán)利要求6所述的改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述蝕刻中止層的材質(zhì)選自于由氮化硅、氧化硅、碳化硅與碳氧化硅所組成的族群。
專利摘要本實用新型提供了一種改善蝕刻中止層與金屬層間的粘著性的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括在金屬層與蝕刻中止層間增加了一層原子層級金屬氮化物作為覆蓋層，藉以增加蝕刻中止層與金屬層的粘著性，以提升可靠度。
文檔編號H01L21/70GK2726116SQ200420049599
公開日2005年9月14日 申請日期2004年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月22日
發(fā)明者林俊成, 彭兆賢, 眭曉林, 梁孟松 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司