專利名稱：內(nèi)連線結(jié)構(gòu)及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，特別是有關(guān)于一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)及其形成方法。
(2)背景技術(shù)內(nèi)連線在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中扮演著相當(dāng)重要的角色。內(nèi)連線主要是用來連結(jié)各種的半導(dǎo)體裝置。然而，在內(nèi)連線的技術(shù)范疇中，特別是對于一些具有較高的熱膨脹系數(shù)(coefficient of thermal expansion；CTE)的材質(zhì)，由于在金屬層與介電層之間的熱膨脹系數(shù)差異所造成的熱應(yīng)力(thermal stress)將會是對于所形成的內(nèi)連線的可靠度(reliability)最大的挑戰(zhàn)。在形成內(nèi)連線之后的制程中所出現(xiàn)的熱制程中，例如化學(xué)氣相沉積(chemical vapor deposition)，烘烤制程(baking)，以及諸如此類的制程，在上述的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)中將會沿著冠狀層(cap layer)與金屬層之間的界面發(fā)生金屬遷移(metal migration)，并從而在內(nèi)連線結(jié)構(gòu)中形成空隙(void)。
舉例來說，圖1是一種在現(xiàn)有技術(shù)中使用金屬銅與低介電常數(shù)的介電層(low-Kdielectric layer)的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)。在低介電常數(shù)介電層100中具有一介層洞(via)，在上述的介層洞中具有一層共形的阻障層(conformal barrier layer)110，與一層銅金屬層120。在銅金屬層120上具有一層冠狀層140。在上述內(nèi)連線結(jié)構(gòu)剛形成的時候，銅金屬層120與冠狀層140可以完全貼合。換言之，在銅金屬層120與冠狀層140之間并沒有空隙。然而，在后來的制程中，上述的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)會因為熱應(yīng)力而產(chǎn)生銅遷移(copper migration)，進(jìn)而在銅金屬層120與冠狀層140之間產(chǎn)生空隙130。在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，空隙130會造成上述內(nèi)連線結(jié)構(gòu)的可靠度下降。甚至可能會造成上述內(nèi)連線結(jié)構(gòu)的阻值(resistant)升高，從而影響上述內(nèi)連線結(jié)構(gòu)的效率。
因此，為了能提高內(nèi)連線的效率以及維持內(nèi)連線的可靠度，如何提供一種可以避免在內(nèi)連線結(jié)構(gòu)中因為金屬遷移而形成空隙的結(jié)構(gòu)及其形成方法是一項重要的課題。
(3)發(fā)明內(nèi)容鑒于上述的發(fā)明背景中，現(xiàn)有技術(shù)在內(nèi)連線結(jié)構(gòu)方面所出現(xiàn)的諸多缺點(diǎn)，本發(fā)明的主要目的在于藉由使用一層類金屬化合物層來提升冠狀層與金屬層之間的接合度，以避免在所形成的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)中發(fā)生金屬遷移。
本發(fā)明的另一目的在于藉由使用一層類金屬化合物層來避免在內(nèi)連線結(jié)構(gòu)中發(fā)生金屬遷移，以提升內(nèi)連線結(jié)構(gòu)的可靠度(reliability)。
本發(fā)明的又一目的在于藉由使用一層類金屬化合物層來防止在內(nèi)連線結(jié)構(gòu)中因為熱應(yīng)力而產(chǎn)生的空隙，使得內(nèi)連線結(jié)構(gòu)的阻值不會因為空隙的存在而升高。
根據(jù)以上所述的目的，本發(fā)明提供一種內(nèi)連線結(jié)構(gòu)及其形成方法。
根據(jù)本發(fā)明一方面的一種內(nèi)連線結(jié)構(gòu)，包含一第一介電層；一第一金屬層位于該第一介電層中；一類金屬化合物層位于該第一金屬層上；及一冠狀層位于該類金屬化合物層上。
根據(jù)本發(fā)明另一方面的一種內(nèi)連線結(jié)構(gòu)，包含一第一介電層具有至少一第一介層洞；一共形的阻絕層位于該第一介層洞中；一第一金屬層位于該介層洞中；一類金屬化合物層位于該第一金屬層上；及一冠狀層位于該類金屬化合物層上。
根據(jù)本發(fā)明又一方面的一種內(nèi)連線結(jié)構(gòu)，包含一第一介電層具有至少一第一介層洞；一共形的阻絕層位于該第一介層洞中；一第一金屬層位于該介層洞中；一類金屬化合物層位于該第一金屬層上；及一冠狀層位于該類金屬化合物層上。
本發(fā)明是使用使用一類金屬化合物層來提升冠狀層與金屬層之間的接合度(adhesion)。由于類金屬化合物層的性質(zhì)比冠狀層更接近金屬層，所以，本發(fā)明中的類金屬化合物層可以有效的改善冠狀層與金屬層之間的接合度，進(jìn)而可以防止在內(nèi)連線結(jié)構(gòu)中發(fā)生金屬遷移。此外，上述內(nèi)連線結(jié)構(gòu)的各個元件可以現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)來完成。因此，根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)及其形成方法可以有效地提升內(nèi)連線的可靠度，并防止內(nèi)連線的阻值因為空隙存在而升高。
(4)


本發(fā)明的上述目的與優(yōu)點(diǎn)，將以下列的實施例結(jié)合圖示進(jìn)行詳細(xì)說明，其中圖1是一根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù)所形成的內(nèi)連線的示意圖；圖2是一形成根據(jù)本發(fā)明所揭示技術(shù)的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)的流程圖；圖3A是一根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)的示意圖；及圖3B是根據(jù)本發(fā)明的另一內(nèi)連線結(jié)構(gòu)的示意圖。
(5)具體實施方式
本發(fā)明的一些實施例會詳細(xì)描述如下。然而，除了詳細(xì)描述外，本發(fā)明還可以廣泛地在其他的實施例施行，且本發(fā)明的范圍不受其限定，而是以權(quán)利要求所限定的專利范圍為準(zhǔn)。
另外，半導(dǎo)體元件的不同部分并沒有依照尺寸繪圖。某些尺度與其他相關(guān)尺度相比已經(jīng)被夸張，以提供更清楚的描述和本發(fā)明的理解。
本發(fā)明的一較佳實施例為一種內(nèi)連線結(jié)構(gòu)。在根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)中至少包含一層介電層，至少一層金屬層位于上述介電層中，一層類金屬化合物層(metallic compound layer)位于上述金屬層上，與一層冠狀層于上述的類金屬化合物層之上。上述的金屬層可以是銅，或是其他的金屬或合金的材質(zhì)，其中，上述的材質(zhì)可能會在高溫下因為在金屬層與介電層之間的熱應(yīng)力而發(fā)生遷移。上述的介電層可以是一層低介電常數(shù)的介電層。
在本實施例中，上述的類金屬化合物層可以是CoWP，CoWB，或是其他的類金屬化合物。相對于現(xiàn)有技術(shù)中的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)，上述類金屬化合物層的性質(zhì)比現(xiàn)有技術(shù)中的冠狀層更接近金屬層。因此，在金屬層與冠狀層之間的類金屬化何物層有助于提升在內(nèi)連線結(jié)構(gòu)中的金屬層與冠狀層之間的結(jié)合度。所以，在現(xiàn)有技術(shù)的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)中所產(chǎn)生的金屬遷移可以藉由本實施例的結(jié)構(gòu)而得到改善。
此外，在根據(jù)本實施例的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)中，可以在上述的冠狀層上還包含一單鑲嵌(single damascene)或雙鑲嵌(dual damascene)的結(jié)構(gòu)。換言之，上述的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)中，可以還包含一層第二介電層位于上述冠狀層之上，至少一第二金屬層位于上述第二介電層中，以及其他的元件。
根據(jù)本發(fā)明的另一較佳實施例為一種形成內(nèi)連線結(jié)構(gòu)的方法。圖2是一種根據(jù)本實施例來形成一內(nèi)連線結(jié)構(gòu)的流程圖。首先，提供一介電層于一底材上，如步驟220所示。上述的介電層可以藉由一沉積制程，或是其他在現(xiàn)有技術(shù)中可以使用的技術(shù)來形成。上述的底材中包含數(shù)組半導(dǎo)體裝置。接下來，參考步驟240，在上述介電層中形成至少一層金屬層。上述的金屬層可以是藉由一個用來形成至少一介層洞(via)于上述的介電層的中的蝕刻步驟，與一個使用金屬材質(zhì)來填滿上述的介層洞的沉積制程。為了避免上述的金屬層擴(kuò)散至介電層中，在上述使用金屬材質(zhì)來填滿上述介層洞的沉積制程之前，根據(jù)本實施例的方法還包含一個步驟，在上述介層洞的中形成一層共形的阻障層。上述金屬層的組成可以是銅，或是其他的金屬或合金材質(zhì)。上述的阻障層可以是由Ta，TaN，或是其他在現(xiàn)有技術(shù)中可以使用的材質(zhì)所組成。
接下來，在上述的金屬層上形成一層類金屬化合物層，如步驟260所示。上述的類金屬化合物層可以形成于上述的金屬層與介電層之上，或是只形成于上述的金屬層之上。上述的類金屬化合物層可以是藉由一種無電極電鍍的制程，化學(xué)氣相沉積(chemical vapor deposition)，物理氣相沉積(physicalvapor deposition)，或是其他常見的技術(shù)來形成。上述的類金屬化合物層的組成可以包含CoWP，CoWB，或是其他的類金屬化合物材質(zhì)。上述類金屬化合物層的厚度可以是25至500埃。最后，如步驟280所述，在上述類金屬化合物層的上形成一層冠狀層。上述的冠狀層可以是經(jīng)由一種在現(xiàn)有技術(shù)中眾所皆知的技術(shù)來形成，例如化學(xué)氣相沉積制程。上述冠狀層的組成可以是SiN，SiC，或是其他在現(xiàn)有技術(shù)中可能用于冠狀層的材質(zhì)。
在本實施例中，由于在金屬層與冠狀層之間有一層類金屬化合物層的存在，所以，根據(jù)本實施例來形成的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)可以避免在現(xiàn)有技術(shù)中的金屬遷移現(xiàn)象出現(xiàn)。在本實施例中，上述類金屬化合物層的性質(zhì)可以比冠狀層更接近金屬層的性質(zhì)。也就是說，因為有類金屬化合物層的存在，所以，根據(jù)本實施例的冠狀層與金屬層之間的結(jié)合度可以比現(xiàn)有技術(shù)中的冠狀層與金屬層的結(jié)合度更高，上述現(xiàn)有技術(shù)的冠狀層與金屬層之間并沒有類金屬化合物層。因此，根據(jù)本實施例的方法所形成的結(jié)構(gòu)可以避免在現(xiàn)有技術(shù)的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)中由于熱應(yīng)力而產(chǎn)生的金屬遷移現(xiàn)象。
另外，根據(jù)本實施例的方法還可以包含在上述內(nèi)連線結(jié)構(gòu)的冠狀層上形成其他半導(dǎo)體元件的其他步驟。舉例來說，在形成上述內(nèi)連線結(jié)構(gòu)之后，可以再接著執(zhí)行一雙鑲嵌制程。換言之，在形成上述冠狀層之后，可以形成一層第二介電層，相對于上文中所提及的介電層為第一介電層，于上述的冠狀層上。上述的第二介電層也可以是經(jīng)由諸如化學(xué)氣相沉積法的類似現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)來形成。接下來，執(zhí)行一個蝕刻制程以形成至少一個第二介層洞，相對于上文中所提及的介層洞為第一介層洞，于第二接觸層中。上述的第二介層洞可以穿過上述的第二介電層，冠狀層，及類金屬化合物層，使得上述的第二介層洞可以暴露出上述內(nèi)連線結(jié)構(gòu)中的(第一)金屬層。在上述第二介層洞中形成一層第二共形的阻障層。最后，在第二介層洞的中填入第二金屬層。上述的第二金屬層可以是銅，鋁，或是其他的金屬或合金的材質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例為一種內(nèi)連線結(jié)構(gòu)。圖3A是根據(jù)本實施例的一種內(nèi)連線結(jié)構(gòu)的示意圖。參考圖3A，上述的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)包含一層第一介電層300，一第一金屬層320位于上述第一介電層300中，一層類金屬化合物層340于第一金屬層320的上，以及一層冠狀層360位于第一介電層300與類金屬化合物層340的上。第一介電層300可以是一層低介電常數(shù)的介電層，其中上述低介電常數(shù)的介電層的介電常數(shù)小于4。
第一介電層300至少包含一個第一介層洞，而第一金屬層320是位于上述的第一介層洞中。第一金屬層320的形成可以是先藉由一個蝕刻制程來形成數(shù)個第一介層洞于第一介電層300中，再經(jīng)過一個沉積過程將第一金屬層320填入上述的第一介層洞。第一金屬層320可以是由銅，或是其他在現(xiàn)有技術(shù)的半導(dǎo)體制成中可以用來作為內(nèi)連線的金屬或合金材料所組成。為了避免第一金屬層320擴(kuò)散至第一介電層300中，本實施例的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)在上述的第一介層洞中可以還包含一層共形的第一阻障層310。第一阻障層310的組成可以是TaN，Ta，或是其他類似的材質(zhì)。
類金屬化合物層340可以只位于第一金屬層320之上，如圖3A所示。類金屬化合物層340也可以形成于第一介電層300與第一金屬層320之上。類金屬化合物層340的材質(zhì)包括CoWP，CoWB，或是其他的類金屬化合物。類金屬化合物層340可以藉由無電極電鍍制程，化學(xué)氣相沉積法，物理氣相沉積法，或是其他的技術(shù)來形成。在本實施例中，類金屬化合物層340的厚度為25至500埃。位于第一介電層300與類金屬化合物層340上的冠狀層360可以是由SiN，SiC，或是其他的材質(zhì)所組成。與現(xiàn)有技術(shù)中的冠狀層相同的是，冠狀層360可以藉由沉積制程，或是其他常見的方法來形成。
由于類金屬化合物層340的性質(zhì)比冠狀層360更接近第一金屬層320，使得類金屬化合物層340對于第一金屬層320可以比冠狀層具有更好的結(jié)合度。也就是說，相較于現(xiàn)有技術(shù)的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)，因為在本實施例的第一金屬層320與冠狀層360之間多了一層類金屬化合物層340，所以，經(jīng)由類金屬化合物層340，冠狀層360對于第一金屬層320的結(jié)合度可以比現(xiàn)有技術(shù)的冠狀層更好。根據(jù)本實施例的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)可以防止在現(xiàn)有技術(shù)中的金屬遷移，從而可以避免因為熱應(yīng)力而在內(nèi)連線結(jié)構(gòu)中形成空隙。因此，上述的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)可以改善內(nèi)連線的可靠度，并防止內(nèi)連線的阻值上升。
參照圖3B，本實施例的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)可以還包含一層第二介電層380于冠狀層360上，與至少一第二金屬層400于第二介電層380中。在第二介電層380中至少包含一個第二介層洞，上述的介層洞穿過第二介電層380，冠狀層360，與類金屬化合物層340，以暴露出第一金屬層320。在上述的第二介層洞中包括一層共形的第二阻障層390，與一層填滿上述第二介層洞的第二金屬層400。第二阻障層390可以用來防止第二金屬層400擴(kuò)散至第二介電層380。第二金屬層400的組成可以是銅，鋁，或是其他的金屬或是合金材質(zhì)。
綜合以上所述，本發(fā)明揭示了一種防止金屬遷移的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)及其形成的方法。根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)至少包含一層介電層，至少一層金屬層于上述介電層中，一層類金屬化合物層于上述金屬層之上，以及一層冠狀層位于上述類金屬化合物之上。上述類金屬化合物層的性質(zhì)比冠狀層更接近金屬層的性質(zhì)，使得上述的冠狀層，具有一層類金屬化合物層位于冠狀層與金屬層之間，對于金屬層可以發(fā)揮比現(xiàn)有技術(shù)中的冠狀層更好的結(jié)合度。因此，根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)可以有效的防止在現(xiàn)有技術(shù)中的金屬遷移。另外，在本發(fā)明中也同時揭示了一種形成上述內(nèi)連線結(jié)構(gòu)的方法。上述的方法至少包含下列的步驟，提供一層介電層，形成至少一層金屬層于上述介電層中，在上述金屬層上形成一層類金屬化合物層，以及形成一層冠狀層于上述的類金屬化合物層上。在上述方法中，所有內(nèi)連線結(jié)構(gòu)的元件都可以使用現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)來形成。此外，上述的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)可以有效防止金屬遷移的發(fā)生。所以，本發(fā)明所揭示的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)及其形成的方法可以預(yù)防在內(nèi)連線結(jié)構(gòu)中因為熱應(yīng)力而產(chǎn)生的空隙，從而可以改善上述內(nèi)連線的可靠度。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用以限定本發(fā)明的申請專利范圍；凡其它未脫離本發(fā)明所揭示的精神下所完成的等效改變或替換，均應(yīng)包含在下述的權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)連線結(jié)構(gòu)，其特征在于，包含一第一介電層；一第一金屬層位于該第一介電層中；一類金屬化合物層位于該第一金屬層上；及一冠狀層位于該類金屬化合物層上。
2.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)，其特征在于，該第一介電層包括一低介電常數(shù)的介電材質(zhì)。
3.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)，其特征在于，該第一金屬層包含銅。
4.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)，其特征在于，該類金屬化合物層是藉由一無電極電鍍法來形成。
5.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)，其特征在于，該類金屬化合物層是藉由一沉積法來形成。
6.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包含一第二介電層位于該冠狀層上；及一第二金屬層位于該第二介電層中。
7.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)，其特征在于，該冠狀層包含一介電材質(zhì)。
8.一種內(nèi)連線結(jié)構(gòu)，其特征在于，包含一第一介電層具有至少一第一介層洞；一共形的阻絕層位于該第一介層洞中；一第一金屬層位于該介層洞中；一類金屬化合物層位于該第一金屬層上；及一冠狀層位于該類金屬化合物層上。
9.如權(quán)利要求8所述的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)，其特征在于，該第一介電層包含一低介電常數(shù)的介電材質(zhì)。
10.如權(quán)利要求8所述的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)，其特征在于，該第一金屬層包含銅。
11.如權(quán)利要求8所述的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)，其特征在于，該類金屬化合物層是CoWP。
12.如權(quán)利要求8所述的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)，其特征在于，該類金屬化合物層是CoWB。
13.如權(quán)利要求8所述的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包含一第二介電層位于該冠狀層上，該第二介電層包含至少一第二介層洞；及一第二金屬層位于該第二介層洞中。
14.一種形成內(nèi)連線結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，包含提供一第一介電層包含至少一第一介層洞；形成一第一金屬層于該第一介層洞中；形成一類金屬化合物層于該第一金屬層上；及形成一冠狀層于該類金屬化合物層上。
15.如權(quán)利要求14所述的形成內(nèi)連線結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，還包含形成一第二介電層于該冠狀層上，該第二介電層包含至少一第二介層洞；與形成一第二金屬層于該第二介層洞中。
16.如權(quán)利要求14所述的形成內(nèi)連線結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，在形成該第一金屬層的步驟之前，還包含一形成一共形的阻障層于該第一介層洞中的步驟。
17.如權(quán)利要求14所述的形成內(nèi)連線結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，該第一介電層包含一低介電常數(shù)的介電材質(zhì)。
18.如權(quán)利要求14所述的銅熔絲形成方法，其特征在于，該第一金屬層包含銅。
19.如權(quán)利要求14所述的形成內(nèi)連線結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，該類金屬化合物層是藉由一無電極電鍍法來形成。
20.如權(quán)利要求14所述的形成內(nèi)連線結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，該類金屬化合物層的形成包含一沉積制程。
21.如權(quán)利要求14所述的形成內(nèi)連線結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，該類金屬化合物層是CoWP。
22.如權(quán)利要求14所述的形成內(nèi)連線結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，該類金屬化合物層是CoWB。
23.如權(quán)利要求14所述的形成內(nèi)連線結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，該冠狀層包含一介電材質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種內(nèi)連線結(jié)構(gòu)及其形成方法。其內(nèi)連線結(jié)構(gòu)包含一第一介電層；一第一金屬層位于該第一介電層中；一類金屬化合物層位于該第一金屬層上；及一冠狀層位于該類金屬化合物層上。本發(fā)明的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)可以藉由使用一層類金屬化合物層來增進(jìn)金屬層與冠狀層之間的接合度，進(jìn)而可以避免在根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)中因為熱應(yīng)力而產(chǎn)生金屬遷移。另外，因為根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)及其形成方法可以有效的防止金屬遷移，所以，在根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)中不會因為熱應(yīng)力而產(chǎn)生空隙。因此，本發(fā)明的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)及其形成方法防止因為產(chǎn)生空隙而造成內(nèi)連線的阻值上升的缺陷，進(jìn)而可以有效的提升內(nèi)連線在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的可靠度。
文檔編號H01L21/768GK1512575SQ02159790
公開日2004年7月14日 申請日期2002年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月26日
發(fā)明者葉名世, 熊炯聲, 鄭躍晴 申請人:聯(lián)華電子股份有限公司