專利名稱：半導(dǎo)體元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體元件的制造，特別是涉及一種多孔性、低介電常數(shù)介電質(zhì)的制造與制程。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體元件的密度的增加，以及電路構(gòu)件的尺寸的縮減，電阻電容(RC)延遲時間對電路性能的影響日益提升。為了降低電阻電容延遲，需將傳統(tǒng)介電質(zhì)轉(zhuǎn)換成低介電常數(shù)介電質(zhì)。以這些低介電常數(shù)介電材料作為內(nèi)金屬介電質(zhì)(IMD)以及內(nèi)層介電質(zhì)(ILD)，特別有其效用。然而，低介電常數(shù)材料在制程期間，特別在制作內(nèi)連線的導(dǎo)電材料的制程期間，會引發(fā)一些問題。
一般利用高能量的電漿蝕刻制程來圖案化并蝕刻導(dǎo)電材料。由于低介電常數(shù)材料較軟、化學(xué)穩(wěn)定性較低、較為多孔性、或上述因素的任意組合，因此低介電常數(shù)材料較易遭受電漿蝕刻損害。電漿損害本身可產(chǎn)生較高的漏電流、較低的崩潰電壓、并造成低介電常數(shù)介電材料的介電常數(shù)的改變。
一種低介電常數(shù)材料的例子為摻雜碳的氧化物或有機(jī)硅玻璃(Organosilicate Glass；OSG)。有機(jī)硅玻璃薄膜通常至少包括SiwCxOyHz，其中四價的硅可具有種種有機(jī)族群的替代物。一種常用的替代物產(chǎn)生甲基硅酸鹽(Methyl Silsesquioxane；MSQ)，其中甲基產(chǎn)生硅甲烷(SiCH3)鍵來取代硅氧鍵。在光阻移除步驟中，當(dāng)?shù)徒殡姵?shù)介電質(zhì)暴露在處理電漿下時，電漿損害可能使得甲基由氫氧基所取代，因而形成硅氫氧基(Silanol)。
目前已察覺到有機(jī)硅玻璃材料的表面上的硅氫氧基鍵會劣化低介電常數(shù)介電薄膜的完整性。由于硅氫氧基的存在所導(dǎo)致的一種劣化的類型為低介電常數(shù)介電材料的介電常數(shù)的增加。此外，亦察覺到受損的有機(jī)硅玻璃材料會吸收水分。更進(jìn)一步，已察覺到劣化的低介電常數(shù)介電材料在暴露于濕式化學(xué)清洗期間，很難抵抗化學(xué)物的攻擊，如此將導(dǎo)致低介電常數(shù)介電膜絕緣結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵尺寸(CD)產(chǎn)生相當(dāng)嚴(yán)重的損失。
另一種低介電常數(shù)材料的例子為多孔性介電質(zhì)，例如上用的陶氏化學(xué)(Dow Chemical)的多孔性SILK產(chǎn)品與日本合成橡膠股份有限公司(JSRCorporation)的商品JSR 5109。多孔性材料的介電常數(shù)為空氣的介電常數(shù)與致密材料的介電常數(shù)的組合。舉例而言，硅(Silica)類的多孔隙性材料xerogels與aerogels，在其孔洞或空隙中包含有大量的空氣，因而可在孔洞小至5nm至10nm之間時，使介電常數(shù)低于1.95。
就如同含碳介電質(zhì)，多孔性介電質(zhì)亦容易遭受元件制造中所使用的電漿蝕刻與灰化制程的損害。當(dāng)介電質(zhì)中存在有開放孔洞時，清洗與研磨以及薄膜金屬化過程中的處理流體可進(jìn)入表面孔洞，因而造成腐蝕、機(jī)械性損害或介電常數(shù)的增加?？锥磽p傷亦可能造成表面從較佳的疏水性變成親水性。
圖1是繪示鑲嵌結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。介電層12已設(shè)置在導(dǎo)線層11上。介層窗孔14自溝渠15向下延伸。當(dāng)銅填入后，介層窗孔14連接兩導(dǎo)線層。由于銅的高擴(kuò)散性與在硅中扮演再結(jié)合中心的趨勢，步驟進(jìn)行時必須確保所有的銅是限制在鑲嵌結(jié)構(gòu)中。傳統(tǒng)上，大都藉助于阻障層18的導(dǎo)入，此阻障層18襯在溝渠15與介層窗孔14的側(cè)壁上，如圖2所示。
如同上述，化學(xué)物質(zhì)可能會穿透并進(jìn)入低介電常數(shù)介電質(zhì)的孔洞，進(jìn)而導(dǎo)致其介電常數(shù)提升。低介電常數(shù)介電質(zhì)的損傷會造成溝渠地面21與溝渠側(cè)壁23的表面粗化，如圖1與圖2所示。較為粗糙的表面意味著阻障層18的厚度需較正常厚度大，如圖2所示，以確保無薄貼片讓銅移動穿過。較厚的阻障層18將導(dǎo)致電阻電容延遲時間的增加而相對地抵銷掉低介電常數(shù)介電質(zhì)的優(yōu)勢。
如同上述，介電質(zhì)損傷會造成較高的漏電流、較低的崩潰電壓、以及低介電常數(shù)介電材料的介電常數(shù)的改變。有鑒于這些與其他問題，因此亟需可改善低介電常數(shù)介電質(zhì)制造的方法。
由此可見，上述現(xiàn)有的半導(dǎo)體元件及其制造方法在結(jié)構(gòu)、方法與使用上，顯然仍存在有不便與缺陷，而亟待加以進(jìn)一步改進(jìn)。為了解決半導(dǎo)體元件及其制造方法存在的問題，相關(guān)廠商莫不費盡心思來謀求解決之道，但長久以來一直未見適用的設(shè)計被發(fā)展完成，而一般產(chǎn)品又沒有適切的結(jié)構(gòu)能夠解決上述問題，此顯然是相關(guān)業(yè)者急欲解決的問題。因此如何能創(chuàng)設(shè)一種新的半導(dǎo)體元件及其制造方法，便成了當(dāng)前業(yè)界極需改進(jìn)的目標(biāo)。
有鑒于上述現(xiàn)有的半導(dǎo)體元件及其制造方法存在的缺陷，本發(fā)明人基于從事此類產(chǎn)品設(shè)計制造多年豐富的實務(wù)經(jīng)驗及專業(yè)知識，并配合學(xué)理的運用，積極加以研究創(chuàng)新，以期創(chuàng)設(shè)一種新的半導(dǎo)體元件及其制造方法，能夠改進(jìn)一般現(xiàn)有的半導(dǎo)體元件及其制造方法，使其更具有實用性。經(jīng)過不斷的研究、設(shè)計，并經(jīng)反復(fù)試作樣品及改進(jìn)后，終于創(chuàng)設(shè)出確具實用價值的本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種新的半導(dǎo)體元件及其制造方法，所要解決的技術(shù)問題是使其修補(bǔ)低介電常數(shù)介電質(zhì)的孔洞損傷或碳耗損，其中藉由運用本發(fā)明的較佳實施例，可解決或防止上述或其他問題，并具有技術(shù)優(yōu)勢，從而更加適于實用。
本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題是采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的。依據(jù)本發(fā)明提出的一種半導(dǎo)體元件的制造方法，其至少包括以下步驟形成一低介電常數(shù)介電層；形成一凹陷特征于該低介電常數(shù)介電層中；形成一碳?xì)浠衔飳佑谠摪枷萏卣髦?，其中形成該碳?xì)浠衔飳拥牟襟E至少包括化學(xué)反應(yīng)一碳?xì)浠衔锴膀?qū)物，該碳?xì)浠衔锴膀?qū)物具有一碳-碳雙鍵；以及形成一導(dǎo)體層于該凹陷特征中，其中該導(dǎo)體層填滿該凹陷特征。
本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題還采用以下技術(shù)措施來進(jìn)一步實現(xiàn)。
前述的半導(dǎo)體元件的制造方法，其中形成該碳?xì)浠衔飳佑谠摪枷萏卣鞯牟襟E包括利用一電漿增益化學(xué)氣相沉積制程。
前述的半導(dǎo)體元件的制造方法，其中所述的電漿增益化學(xué)氣相沉積制程包括設(shè)定一基材溫度至介于實質(zhì)125℃至實質(zhì)350℃之間；設(shè)定一電漿增益化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器壓力至介于實質(zhì)500mTorr至實質(zhì)8000mTorr之間；以及設(shè)定一電漿增益化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器功率至介于實質(zhì)50W至實質(zhì)1500W之間。
前述的半導(dǎo)體元件的制造方法，其中形成該碳?xì)浠衔飳佑谠摪枷萏卣鲀?nèi)的步驟包括使用一原子層沉積制程。
前述的半導(dǎo)體元件的制造方法，其中所述的低介電常數(shù)介電層至少包括一材料，且該材料是選自于實質(zhì)由有機(jī)硅玻璃(OSG)、硼磷硅玻璃(BPSG)、硼硅玻璃(BSG)、磷硅玻璃(PSG)、聚芳基酯(polyarylene ether)、氫硅酸鹽(HSQ)、含甲基的硅酸鹽(MSQ)、聚硅酸鹽(polysilsesquioxane)、聚亞酰胺(polyimide)、苯環(huán)丁烯(BCB)、聚四氟乙烯(PTFE)、氟硅玻璃(FSG)、多孔性氧化物、多孔性氮化物、制孔劑、及其組合所組成的一族群。
前述的半導(dǎo)體元件的制造方法，其中所述的碳?xì)浠衔锴膀?qū)物至少包括一材料，且該材料是選自于實質(zhì)由α-松油烯(ATRP)、乙烯以及與通式(CH3)2CHC6H6-CnH2+1相關(guān)的化學(xué)物質(zhì)所組成的一族群。
前述的半導(dǎo)體元件的制造方法，其中所述的碳?xì)浠衔飳又辽侔ń橛趯嵸|(zhì)20至實質(zhì)95原子百分比的碳；介于實質(zhì)5至實質(zhì)80原子百分比的氫；以及介于實質(zhì)0至實質(zhì)5原子百分比的氧。
前述的半導(dǎo)體元件的制造方法，在形成該碳?xì)浠衔飳拥牟襟E與形成該導(dǎo)體層的步驟之間，更至少包括將碳自該碳?xì)浠衔飳訑U(kuò)散至該低介電常數(shù)介電層。
本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題還采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)。依據(jù)本發(fā)明提出的一種利用權(quán)利要求1所述的方法制成的半導(dǎo)體元件，其中所述的低介電常數(shù)介電層至少包括一主介電區(qū)，具有一主碳濃度；以及一表面介電區(qū)位于該主介電區(qū)上，其中該表面介電區(qū)的一碳濃度低于該主介電區(qū)的該主碳濃度不超過實質(zhì)5％。
本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題還采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)。依據(jù)本發(fā)明提出的一種修補(bǔ)半導(dǎo)體元件制程中所造成的低介電常數(shù)介電層的損傷的方法，其至少包括以下步驟利用一電漿增益化學(xué)氣相沉積反應(yīng)制程來反應(yīng)一前驅(qū)物質(zhì)，以沉積一碳?xì)浠衔飳佑谠摰徒殡姵?shù)介電層上，其中該碳?xì)浠衔飳又辽侔ń橛趯嵸|(zhì)20至實質(zhì)95原子百分比的碳；介于實質(zhì)5至實質(zhì)80原子百分比的氫；以及介于實質(zhì)0至實質(zhì)5原子百分比的氧；移除鄰近于一窄介層窗的一碳?xì)浠献璧K物；以及形成一擴(kuò)散阻障層至少位于該碳?xì)浠衔飳由稀?br> 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)點和有益效果。由以上技術(shù)方案可知，本發(fā)明的主要技術(shù)內(nèi)容如下為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的一較佳實施例中，提供了一種半導(dǎo)體元件的制造方法。此方法至少包括形成低一介電常數(shù)介電層、形成一凹陷特征于低介電常數(shù)介電層中、以及形成一碳?xì)浠衔飳佑谏鲜龅陌枷萏卣鲀?nèi)，其中形成碳?xì)浠衔飳拥牟襟E至少包括使具有碳-碳雙鍵的碳?xì)浠衔锴膀?qū)物產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。此方法更包括形成一導(dǎo)電層于上述的凹陷特征中，其中此導(dǎo)電層填滿而溢出凹陷特征。在較佳實施例中，前述的碳?xì)浠衔锴膀?qū)物至少包括α-松油烯(alpha-terpinene；ATRP)、乙烯(C2H4)以及與通式為(CH3)2CHC6H6-CnH2+1相關(guān)的化學(xué)物質(zhì)。
替代的方式包括一種具有多孔性低介電常數(shù)介電層的半導(dǎo)體元件的制造方法。此方法至少包括形成一凹陷特征于多孔性低介電常數(shù)介電質(zhì)層中，其中形成此凹陷特征的步驟包括利用一電漿制程；以及形成一碳?xì)浠衔飳佑诙嗫仔缘徒殡姵?shù)介電質(zhì)層上，其中形成此碳?xì)浠衔飳拥牟襟E至少包括使具有碳-碳雙鍵的碳?xì)浠衔锴膀?qū)物產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。替代的實施例更包括將碳從碳?xì)浠衔飳訑U(kuò)散至多孔性低介電常數(shù)介電質(zhì)層。
又，為了達(dá)到上述目的，在其他實施例中，提供了一種在半導(dǎo)體制程中受損的低介電常數(shù)介電層的修補(bǔ)方法。此方法至少包括藉由利用電漿增益化學(xué)氣相沉積反應(yīng)制程來反應(yīng)前驅(qū)材料，以沉積一碳?xì)浠衔飳佑诘徒殡姵?shù)介電層上，其中碳?xì)浠衔飳又辽侔ń橛诩s20至約95原子百分比的碳、介于約5至約80原子百分比的氫、以及介于約0至約5原子百分比的氧。替代的實施例至少包括移除鄰近于窄介層窗開口的碳?xì)浠献璧K物，以及形成一擴(kuò)散阻障層至少位于碳?xì)浠衔飳由稀?br> 再者，為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的另一些其他實施例中，包括一種半導(dǎo)體元件，其中此半導(dǎo)體元件是利用本發(fā)明所提供的實施例并進(jìn)一步封住在制程中受損的介電質(zhì)孔洞所制成。在其他實施例中，此半導(dǎo)體元件至少包括一主介電區(qū)，具有一主碳濃度；以及一表面介電區(qū)位于主介電區(qū)上，其中此表面介電區(qū)的碳濃度大于或等于主碳濃度的約95％。在又一些其他實施例中，上述的低介電常數(shù)介電層至少包括一表面介電區(qū)位于主介電區(qū)上，表面介電區(qū)的碳濃度低于主碳濃度不超過約5％。
值得注意的一點是，雖然在通篇專利說明書與權(quán)利要求書中使用專門術(shù)語的半導(dǎo)體材料層，利用此半導(dǎo)體材料層所產(chǎn)生的特征不應(yīng)永遠(yuǎn)視為連續(xù)或不間斷的特征。藉由閱讀本說明書的內(nèi)容，將清楚此半導(dǎo)體層可分成不同且隔離的特征(例如主動區(qū))，其中的某些或全部至少包括此半導(dǎo)體的一部分。
經(jīng)由上述可知，本發(fā)明是有關(guān)于一種半導(dǎo)體元件及其制造方法。該半導(dǎo)體制造方法包括使用多孔性及/或含碳的低介電常數(shù)介電層。此方法包括形成通式為CxHy的碳?xì)浠衔飳佑诘徒殡姵?shù)介電層的表面上。形成此碳?xì)浠衔飳訒r包括沉積前驅(qū)物質(zhì)，較佳為乙烯(C2H4)或α-松油烯(CH3)2CHC6H6CH3。根據(jù)本發(fā)明的實施例，碳擴(kuò)散進(jìn)入低介電常數(shù)介電層中，因此可降低電漿處理或蝕刻所造成的碳耗損傷害。藉由以CxHy層來封住表面介電質(zhì)孔洞，亦可修補(bǔ)電漿處理所造成的表面介電質(zhì)孔洞的傷害。實施例包括利用所提供的方法制造而成的半導(dǎo)體元件，例如具有鑲嵌內(nèi)連線結(jié)構(gòu)的元件。
綜上所述，本發(fā)明特殊的半導(dǎo)體元件及其制造方法，修補(bǔ)低介電常數(shù)介電質(zhì)的孔洞損傷或碳耗損，其中藉由運用本發(fā)明的較佳實施例，可解決或防止上述或其他問題，并具有技術(shù)優(yōu)勢。其具有上述諸多的優(yōu)點及實用價值，并在同類產(chǎn)品及制造方法中未見有類似的結(jié)構(gòu)設(shè)計及方法公開發(fā)表或使用而確屬創(chuàng)新，其不論在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、制造方法或功能上皆有較大的改進(jìn)，在技術(shù)上有較大的進(jìn)步，并產(chǎn)生了好用及實用的效果，且較現(xiàn)有的半導(dǎo)體元件及其制造方法具有增進(jìn)的多項功效，從而更加適于實用，而具有產(chǎn)業(yè)的廣泛利用價值，誠為一新穎、進(jìn)步、實用的新設(shè)計。
上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，而可依照說明書的內(nèi)容予以實施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，并配合附圖，詳細(xì)說明如下。


圖1與圖2是繪示半導(dǎo)體元件在傳統(tǒng)鑲嵌制程中的中間步驟的剖面圖，其中圖示出低介電常數(shù)介電質(zhì)表面的損傷。
圖3是繪示依照本發(fā)明一較佳實施例的一種半導(dǎo)體元件在示范鑲嵌制程中的中間步驟的剖面圖，其中此半導(dǎo)體元件包括含碳及/或多孔性介電質(zhì)。
圖4是繪示本發(fā)明一較佳實施例的剖面圖，其中進(jìn)一步圖示出電漿及/或蝕刻制程的損傷。
圖5是繪示本發(fā)明一較佳實施例的剖面圖，其中圖示出碳?xì)湫扪a(bǔ)層的沉積。
圖6是繪示本發(fā)明一較佳實施例的剖面圖，其中圖示出經(jīng)修補(bǔ)的低介電常數(shù)介電層。
圖7是繪示本發(fā)明一較佳實施例的剖面圖，其中圖示出尚未經(jīng)化學(xué)機(jī)械研磨平坦化之前的結(jié)構(gòu)。
圖8是繪示本發(fā)明一較佳實施例的剖面圖，其中圖示出經(jīng)化學(xué)機(jī)械研磨平坦化后的結(jié)構(gòu)以及富含碳的低介電常數(shù)介電層。
11導(dǎo)線層 12介電層14介層窗孔 15溝渠18阻障層 21溝渠地面23溝渠側(cè)壁 85雙重金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)86溝渠 104介層窗106溝渠116阻障層301基材303第一蝕刻終止層305低介電常數(shù)介電層305’富含碳的區(qū)域307碳?xì)浠衔飳?10導(dǎo)體層具體實施方式
為更進(jìn)一步闡述本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段及功效，以下結(jié)合附圖及較佳實施例，對依據(jù)本發(fā)明提出的半導(dǎo)體元件及其制造方法其具體實施方式
、結(jié)構(gòu)、制造方法、步驟、特征及其功效，詳細(xì)說明如后。在不同圖示中的相對應(yīng)圖號與符號一般是表示相對應(yīng)的部分，除非另有指定。圖示是繪示成可清楚圖例較佳實施例的相關(guān)方面，而無需依比例繪示。
本發(fā)明是有關(guān)于一種半導(dǎo)體元件的制造，且特別是有關(guān)于一種多孔性、低介電常數(shù)介電質(zhì)的制造與制程。這些低介電常數(shù)介電層可包括許多薄膜或許多層，但實施例并不限于這些型態(tài)。以下將以特定內(nèi)容，即在鑲嵌制程中銅導(dǎo)線與介層窗的制作，的較佳實施例來描述本發(fā)明?？上嘈诺囊稽c是，當(dāng)本發(fā)明的實施例應(yīng)用在此制程中時，將具有明顯優(yōu)勢。更可相信的一點是，當(dāng)本發(fā)明的實施例運用在其他關(guān)注低介電常數(shù)介電層的性能的半導(dǎo)體制作應(yīng)用上，亦具有其優(yōu)勢。更可相信的一點是，在此所描述的實施例將有利于其他未特別提及的集成電路內(nèi)連線的應(yīng)用。因此，在此所討論的特定實施例僅是用以說明制造與應(yīng)用本發(fā)明的特定方法，并非用以限制本發(fā)明的范圍。
現(xiàn)請參照圖3所示，其是繪示欲依照本發(fā)明的較佳實施例與示范鑲嵌制程來進(jìn)行處理的一種中間代表性的鑲嵌結(jié)構(gòu)的剖面圖。圖3所示是半導(dǎo)體的基材301，此基材301可例如至少包括硅、絕緣層上有硅(SOI)、功能性與邏輯元件、其他內(nèi)連線層、或其組合。以下為描述本發(fā)明的實施例的目的，基材301至少包括內(nèi)層介電層(ILD)以及導(dǎo)電內(nèi)連線。鑲嵌制程的詳細(xì)說明，Bao等人已在美國專利案編號第6,248,665號以及美國專利申請案公開編號第2004/0121583號中加以描述，在此一并列入?yún)⒖肌?br> 請再次參照圖3所示，第一蝕刻終止層303位于基材301上。低介電常數(shù)介電層305位于第一蝕刻終止層303上，其中此低介電常數(shù)介電層305亦稱為內(nèi)金屬介電層(IMD)、內(nèi)層介電層(ILD)或介電層。合適的低介電常數(shù)介電質(zhì)包括摻雜碳的二氧化硅，亦稱為有機(jī)硅玻璃(Organo SilicateGlass；OSG)以及碳氧化物。低介電常數(shù)介電層305的較佳厚度介于約5000至約9000之間，且較佳是經(jīng)平坦化。示范的有機(jī)低介電常數(shù)材料包括聚芳基酯(polyarylene ether)、氫硅酸鹽(hydrogen silsesquioxane；HSQ)、含甲基的硅酸鹽(methyl silsesquioxane；MSQ)、聚硅酸鹽(polysilsesquioxane)、聚亞酰胺(polyimide)、苯環(huán)丁烯(benzocyclobutene；BCB)、以及非晶系聚四氟乙烯(amorphouspolytetrafluoroethylene；PTFE)(通常又稱鐵氟龍，Teflon)。適合本發(fā)明的方法的其他類型的低介電常數(shù)材料包括氟硅玻璃(FluorinatedSilicate Glass；FSG)，例如摻雜氟的二甲基硅酸鹽[fluorine-doped-(O-Si(CH3)2-O)-]，以及硼磷硅玻璃(Borophosphosilicate Glass；BPSG)、硼硅玻璃(Borosilicate Glass；BSG)、與磷硅玻璃(PhosphosilicateGlass；PSG)。
低介電常數(shù)介電層305亦可包括一種低介電常數(shù)介電質(zhì)，此種低介電常數(shù)介電質(zhì)通常稱為超低介電常數(shù)(Extreme Low-k；ELK)介電質(zhì)。超低介電常數(shù)介電質(zhì)一般具有低于約2的介電常數(shù)，且這些超低介電常數(shù)介電質(zhì)包括多孔性的介電質(zhì)。合適的超低介電常數(shù)介電材料可包括氮化硅、氧化硅、旋涂玻璃(SOG)、電漿增益(PE)的四乙氧基硅甲烷(Tetraethoxysilane；TEOS)、鹵化的氧化硅、以及氟硅玻璃。
其他更佳的超低介電常數(shù)介電質(zhì)包括含有未反應(yīng)且孔洞生成的材料、或制孔劑(porogen)。將制孔劑加熱至高于其分解溫度，而在介電質(zhì)中形成孔洞。舉例而言，陶氏化學(xué)(Dow Chemical)的多孔性SILK產(chǎn)品與日本合成橡膠股份有限公司(JSR Corporation)的商品JSR 5109為合適的商用低介電常數(shù)前驅(qū)物，其中這些低介電常數(shù)前驅(qū)物是利用有機(jī)母體材料(OrganicHost Material)。在較佳實施例中，低介電常數(shù)介電質(zhì)至少包括希普勵(Shipley)公司所提供的商用ZIRKONTM低介電常數(shù)內(nèi)層介電質(zhì)。ZIRKONTM低介電常數(shù)內(nèi)層介電質(zhì)是一種以含甲基的硅酸鹽(MSQ)為基礎(chǔ)材料與散布在溶劑丙二醇單甲基醚酯(PGMEA)中的丙烯酸(acrylic)、高分子聚合物系統(tǒng)的納米微粒制孔劑的混合。另一種替代的較佳超低介電常數(shù)包括電漿增益化學(xué)氣相沉積的SiwOxCyHz，因為不論其有或沒有制孔劑，均具有達(dá)成k＜2的可能性。
較佳是利用傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)涂布機(jī)來沉積ZIRKONTM低介電常數(shù)內(nèi)層介電質(zhì)。待沉積后，較佳在垂直爐管中進(jìn)行部分的修復(fù)以交互連結(jié)母體，其中溫度介于約250℃至300℃之間。ZIRKONTM低介電常數(shù)內(nèi)層介電質(zhì)的制孔劑的衰減開始于約275℃，且完全衰減發(fā)生在約450℃。
請參照圖4所示，其是繪示圖3的中間半導(dǎo)體元件經(jīng)進(jìn)一步形成非等向性蝕刻的中間雙重金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)85后的側(cè)視剖面圖。在此中間的雙重金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)85中，是由介層窗104與上方的溝渠106所構(gòu)成的凹陷特征。
制作第一雙重金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)85時，是先利用微影圖案化以及非等向性蝕刻，來形成介層窗104穿過低介電常數(shù)介電層305、以及至少一部分的第一蝕刻終止層303。接下來，利用相似的制程來進(jìn)行微影圖案化與非等向性蝕刻，以形成溝渠106穿過第一蝕刻終止層303、以及部分的低介電常數(shù)介電層305。這些步驟形成溝渠106位于且圍繞在介層窗104的上方?？闪私獾囊稽c是，溝渠106可包圍一或多個介層窗104，溝渠106與介層窗104可形成于不同的堆疊介電層中，其中這些不同的堆疊介電層之間形成有另一個蝕刻終止層。低介電常數(shù)介電層305的表面可包括其他凹陷的特征，例如溝渠86，以容納更多內(nèi)層導(dǎo)電層。
已知應(yīng)用在鑲嵌制造方法中的電漿蝕刻會傷及低介電常數(shù)介電質(zhì)。在圖4中，低介電常數(shù)介電層305的損傷由其粗糙面可看出。值得注意的一點是，這樣的損傷延伸至溝渠86與溝渠106的側(cè)壁以及介層窗104的側(cè)壁。如以上所提，損傷可包括表面粗糙、受損的孔洞、打開的表面孔洞以及碳耗損。一般而言，溝渠受損的狀況較介層窗嚴(yán)重。
現(xiàn)請參照圖5所示，并根據(jù)較佳實施例，較佳是利用電漿增益化學(xué)氣相沉積方式來使碳?xì)浠衔锏那膀?qū)物產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，藉以沉積碳?xì)浠衔飳?07，其中此碳?xì)浠衔飳?07至少包括CxHy。合適的碳?xì)浠衔锴膀?qū)物包括具有充分的揮發(fā)性的化學(xué)物質(zhì)，如此一來，這些化學(xué)物質(zhì)可在反應(yīng)容器中形成蒸氣。較佳的前驅(qū)物為經(jīng)取代的己烷衍生物α-松油烯(Substituted Hexane Derivative α-terpinene；ATRP)[(CH3)2CHC6H6CH3]或乙烯(C2H4)。替代的前驅(qū)物包括α-松油烯同源物(α-terpinene Analogs)，其中α甲基由直鏈烷基，即與通式(CH3)2CHC6H6-CnH2n+1相關(guān)的化學(xué)物質(zhì)，所取代。另一些替代的前驅(qū)物包括任何其他碳?xì)浠衔?，較佳是具有碳-碳雙鍵的碳?xì)浠衔?。在溝渠深度約2000時，碳?xì)浠衔飳?07的厚度通常約介于約40至約50之間。
電漿增益化學(xué)氣相沉積制程較佳是包括惰性載氣，例如氦氣。氦氣的流量可介于約25sccm至約10000sccm之間，較佳是介于約50sccm至約5000sccm之間。基材的溫度介于約25℃至約400℃，且較佳是介于約125℃至約350℃之間。射頻功率密度介于約50W至約2500W，且較佳是介于約50W至約1500W。在沉積制程中，反應(yīng)器壓力介于約100mTorr至約10000mTorr之間，較佳是介于約500mTorr至約8000mTorr之間。
根據(jù)本發(fā)明，碳?xì)浠衔飳?07較佳是至少包括介于約20至約95原子百分比的碳；介于約0至約5原子百分比的氧；以及介于約5至約80原子百分比的氫。在薄膜的沉積制程期間，受控制的主要制程變量為射頻功率、前驅(qū)物流率、反應(yīng)器壓力以及基材溫度。
在某些情況下，碳?xì)浠衔飳?07的建立可部分阻隔窄凹陷特征，例如介層窗104，的開啟。除非移除阻礙，否則將會妨礙導(dǎo)體沉積于介層窗104中，因而導(dǎo)致元件的性質(zhì)下降，例如電阻電容延遲。因此，本發(fā)明的實施例可進(jìn)一步包括對開啟的介層窗104進(jìn)行金屬形成前的清潔步驟。此金屬形成前的清潔步驟包括在約25℃至350℃下進(jìn)行小于約1分鐘的氬/氫或氫電漿清潔處理。
在另一替代實施例中，是利用原子層沉積(ALD)方式來沉積碳?xì)浠衔飳?07。在沉積碳?xì)浠衔飳?07于窄凹陷特征，例如介層窗104，的側(cè)壁上時，較佳是采用原子層沉積法。原子層沉積層具有高度的共形特性，而不會阻隔窄開口，且對窄特征具有良好的穿透性。
如同以上所述，在傳統(tǒng)制程中，一種低介電常數(shù)介電質(zhì)的損害是使低介電常數(shù)介電層表面粗化。申請人發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)上經(jīng)處理過的介電質(zhì)層在溝渠106底部的平均表面粗化值的均方根為13.89。在至少包括CxHy層的沉積的孔洞密封修補(bǔ)步驟后，溝渠粗化的方均根值降至8.73。分析后的結(jié)果也顯示，碳耗損受損層可藉由CxHy的覆蓋而適當(dāng)?shù)鼗謴?fù)其碳含量的程度。
較佳實施例的結(jié)果繪示于圖6中。低介電常數(shù)介電層305的平順表面代表具有經(jīng)封住的孔洞的修補(bǔ)表面。
根據(jù)本發(fā)明的較佳實施例，碳自碳?xì)浠衔飳?07擴(kuò)散至低介電常數(shù)介電層305中，因而在低介電常數(shù)介電層305的表面上形成富含碳的區(qū)域305’。為方便起見，在低介電常數(shù)介電層305中的碳分布，在主介電區(qū)內(nèi)稱為主碳程度，而在表面介電區(qū)則稱為富含碳的程度。虛線以距低介電常數(shù)介電層305的表面x的距離畫過低介電常數(shù)介電層305，而圖示出低介電常數(shù)介電層305中的富含碳的區(qū)域305’。
此一擴(kuò)散過程形成經(jīng)碳調(diào)節(jié)的區(qū)域309鄰近于低介電常數(shù)介電層305的溝渠側(cè)壁，其中經(jīng)碳調(diào)節(jié)的區(qū)域309的厚度為x。x較佳是介于約300至500之間。根據(jù)本發(fā)明的較佳實施例，經(jīng)碳調(diào)節(jié)的區(qū)域309可部分修補(bǔ)由傳統(tǒng)溝渠蝕刻或電漿處理所造成的碳消耗的損傷。當(dāng)依照所述的較佳實施例來沉積碳?xì)浠衔飳?07時，x的厚度一般是介于約300至500之間。
在含碳的低介電常數(shù)介電質(zhì)的傳統(tǒng)處理中，低介電常數(shù)表面通常會產(chǎn)生碳的消耗。一般而言，鄰近于表面介電質(zhì)的碳濃度下降至主介電質(zhì)的碳濃度以下約5％至約10％。然而，在本發(fā)明的較佳實施例中，相對于主介電質(zhì)的碳濃度，富含碳的區(qū)域305’的碳濃度下降小于約5％。換言之，傳統(tǒng)的制程會從低介電常數(shù)介電質(zhì)消耗表面的碳超過約5％，因而降低表面的碳濃度至小于其原來濃度的約95％。較佳實施例將碳濃度復(fù)原至其原來濃度的至少約95％。
較佳是利用溫度介于約300℃至約400℃的熱處理，來移除任何的CxHy層殘余。一般而言，這樣的熱處理可輕易地整合至另一制程中。舉例而言，銅鑲嵌制程通常包括氫電漿處理，藉以從超低介電常數(shù)介電質(zhì)移除水氣，或者在銅線的縮減中移除氧化銅(CuOx)。這類步驟通常是在足以移除CxHy層殘余的情況下進(jìn)行。在所有的CxHy層殘余移除后，可進(jìn)行傳統(tǒng)制程來完成鑲嵌結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)請參照圖7所示，將阻障層116全面性地沉積在圖6的中間元件上。阻障層116的厚度較佳是約為10至100之間，且此阻障層116可阻障銅的擴(kuò)散。阻障層116可包括金屬氮化物，例如氮化鉭(TaN)、氮化鈦(TiN)、氮化鎢(WN)、氮化鋱(TbN)、氮化釩(VN)、氮化鋯(ZrN)、氮化鉻(CrN)、碳化鎢(WC)、氮化鎢(WN)、碳氮化鎢(WCN)、氮化鈮(NbN)、氮化鋁(AlN)及上述材料的組合。在其他實施例中，阻障層116包括鉭/氮化鉭雙層結(jié)構(gòu)。
可利用物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、電漿增益化學(xué)氣相沉積(PECVD)、或電漿增益原子層沉積(PEALD)等技術(shù)來形成阻障層116。在較佳實施例中，阻障層116包括氮化鉭，且是利用原子層沉積(ALD)方式來沉積阻障層116。
替代的實施例可進(jìn)一步包括黏著層(未繪示)介于阻障層116與其上方的導(dǎo)體層310之間。黏著層有助于相鄰各層之間的附著。此黏著層較佳是包含可與銅及/或下方的阻障層結(jié)合的材料。且黏著層的厚度約為10至500之間，較佳是少于約150。黏著層可包括至少一層材料層，此層材料包含由釕(Ru)、鉭、鈦、鎢、鈷(Co)、鎳(Ni)、鋁(Al)、鈮、鋁銅合金、上述材料的氮化物、及上述材料的組合。
沉積導(dǎo)體層之前，先利用例如物理氣相沉積及/或化學(xué)氣相沉積方式選擇性地沉積晶種層(Seed Layer)(未繪示)于黏著層上。物理氣相沉積晶種層，其材質(zhì)較佳為銅，以形成厚度約為400至700的連續(xù)層于晶圓的處理表面上，藉以提供連續(xù)的導(dǎo)電表面，以利在電化學(xué)沉積制程中沉積銅主體。
現(xiàn)請參照圖7所示，待阻障層116沉積后，利用傳統(tǒng)電化學(xué)沉積制程電鍍導(dǎo)體層310，以填滿溝渠86、雙重金屬鑲嵌的溝渠106、與介層窗104，并形成位于溝渠平面上的上方部分(亦即過度填充)，其中導(dǎo)體層310的材質(zhì)較佳為銅。雖然可使用其他的銅填充方法，例如物理氣相沉積法與化學(xué)氣相沉積法，但由于電鍍(電沉積)具有優(yōu)異的填隙與階梯覆蓋能力，因此較佳是利用電鍍來沉積銅。在替代實施例中，導(dǎo)體層310實質(zhì)上可由銅、鋁、金、銀、上述材料的混合物、及上述材料的合金化合物。
較佳是運用化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)來平坦化導(dǎo)體層310至圖8所示的程度。在另一替代實施例中，電研磨或過載縮減可用來取代化學(xué)機(jī)械研磨或與化學(xué)機(jī)械研磨接續(xù)使用。在此替代實施例中，可同時進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨與電鍍制程。
上述的本發(fā)明的實施例僅為示范例并非用以限制本發(fā)明的范圍，且對于熟習(xí)此項技藝者而言，各種變型為顯而易見，而包括本發(fā)明的特征的這些變型落在本發(fā)明的范圍與所附申請專利范圍中。雖然本發(fā)明的實施例及其優(yōu)點已詳細(xì)描述如上，然應(yīng)該了解到的一點是，在不偏離后附申請專利范圍所定義的本發(fā)明的精神與范圍下，當(dāng)可在此進(jìn)行各種改變、取代以及修正。
舉例而言，熟習(xí)此項技藝者將可輕易地了解到在此所描述的許多特征、功能、制程及材料可在本發(fā)明的范圍內(nèi)變化。此外，本申請案的范圍并非用以將本發(fā)明的范圍限制在說明書所描述的制程、機(jī)械、制造、物質(zhì)成分、手段、方法以及步驟的特定實施例中。任何在此技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者，將可輕易從本發(fā)明的揭露中了解到，現(xiàn)存或日后所發(fā)展出的可與上述的對應(yīng)實施例執(zhí)行實質(zhì)相同的功能、或達(dá)到實質(zhì)相同的結(jié)果的制程、機(jī)械、制造、物質(zhì)成分、手段、方法或步驟，均可依據(jù)本發(fā)明來加以應(yīng)用。因此，所附的申請專利范圍是用以將這類制程、機(jī)械、制造、物質(zhì)成分、手段、方法或步驟涵括在其范圍內(nèi)。任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的方法及技術(shù)內(nèi)容作出些許的更動或修飾為等同變化的等效實施例，但是凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體元件的制造方法，其特征在于其至少包括以下步驟形成一低介電常數(shù)介電層；形成一凹陷特征于該低介電常數(shù)介電層中；形成一碳?xì)浠衔飳佑谠摪枷萏卣髦校渲行纬稍撎細(xì)浠衔飳拥牟襟E至少包括化學(xué)反應(yīng)一碳?xì)浠衔锴膀?qū)物，該碳?xì)浠衔锴膀?qū)物具有一碳-碳雙鍵；以及形成一導(dǎo)體層于該凹陷特征中，其中該導(dǎo)體層填滿該凹陷特征。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體元件的制造方法，其特征在于其中形成該碳?xì)浠衔飳佑谠摪枷萏卣鞯牟襟E包括利用一電漿增益化學(xué)氣相沉積制程。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體元件的制造方法，其特征在于其中所述的電漿增益化學(xué)氣相沉積制程包括設(shè)定一基材溫度至介于實質(zhì)125℃至實質(zhì)350℃之間；設(shè)定一電漿增益化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器壓力至介于實質(zhì)500mTorr至實質(zhì)8000mTorr之間；以及設(shè)定一電漿增益化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器功率至介于實質(zhì)50W至實質(zhì)1500W之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體元件的制造方法，其特征在于其中形成該碳?xì)浠衔飳佑谠摪枷萏卣鲀?nèi)的步驟包括使用一原子層沉積制程。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體元件的制造方法，其特征在于其中所述的低介電常數(shù)介電層至少包括一材料，且該材料是選自于實質(zhì)由有機(jī)硅玻璃(OSG)、硼磷硅玻璃(BPSG)、硼硅玻璃(BSG)、磷硅玻璃(PSG)、聚芳基酯(polyarylene ether)、氫硅酸鹽(HSQ)、含甲基的硅酸鹽(MSQ)、聚硅酸鹽(polysilsesquioxane)、聚亞酰胺(polyimide)、苯環(huán)丁烯(BCB)、聚四氟乙烯(PTFE)、氟硅玻璃(FSG)、多孔性氧化物、多孔性氮化物、制孔劑、及其組合所組成的一族群。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體元件的制造方法，其特征在于其中所述的碳?xì)浠衔锴膀?qū)物至少包括一材料，且該材料是選自于實質(zhì)由α-松油烯(ATRP)、乙烯以及與通式(CH3)2CHC6H6-CnH2n+1相關(guān)的化學(xué)物質(zhì)所組成的一族群。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體元件的制造方法，其特征在于其中所述的碳?xì)浠衔飳又辽侔ń橛趯嵸|(zhì)20至實質(zhì)95原子百分比的碳；介于實質(zhì)5至實質(zhì)80原子百分比的氫；以及介于實質(zhì)0至實質(zhì)5原子百分比的氧。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體元件的制造方法，其特征在于在形成該碳?xì)浠衔飳拥牟襟E與形成該導(dǎo)體層的步驟之間，更至少包括將碳自該碳?xì)浠衔飳訑U(kuò)散至該低介電常數(shù)介電層。
9.一種利用權(quán)利要求1所述的方法制成的半導(dǎo)體元件，其特征在于其中所述的低介電常數(shù)介電層至少包括一主介電區(qū)，具有一主碳濃度；以及一表面介電區(qū)位于該主介電區(qū)上，其中該表面介電區(qū)的一碳濃度低于該主介電區(qū)的該主碳濃度不超過實質(zhì)5％。
10.一種修補(bǔ)半導(dǎo)體元件制程中所造成的低介電常數(shù)介電層的損傷的方法，其特征在于其至少包括以下步驟利用一電漿增益化學(xué)氣相沉積反應(yīng)制程來反應(yīng)一前驅(qū)物質(zhì)，以沉積一碳?xì)浠衔飳佑谠摰徒殡姵?shù)介電層上，其中該碳?xì)浠衔飳又辽侔ń橛趯嵸|(zhì)20至實質(zhì)95原子百分比的碳；介于實質(zhì)5至實質(zhì)80原子百分比的氫；以及介于實質(zhì)0至實質(zhì)5原子百分比的氧；移除鄰近于一窄介層窗的一碳?xì)浠献璧K物；以及形成一擴(kuò)散阻障層至少位于該碳?xì)浠衔飳由稀?br> 全文摘要
本發(fā)明是關(guān)于一種半導(dǎo)體元件及其制造方法。該半導(dǎo)體制造方法包括使用多孔性及/或含碳的低介電常數(shù)介電層。此方法包括形成通式為C
文檔編號H01L21/02GK1815709SQ20051007704
公開日2006年8月9日 申請日期2005年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月1日
發(fā)明者林耕竹, 鄭雙銘, 葉明靈, 包天一 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司