專利名稱：在鑲嵌結(jié)構(gòu)中形成阻障層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于半導(dǎo)體制造，特別有關(guān)于在單鑲嵌與雙鑲嵌制程中形成隔絕銅金屬擴(kuò)散的阻障層，借以形成良好的金屬內(nèi)聯(lián)機(jī)與接觸窗。
背景技術(shù)：
在習(xí)知的集成電路制造中，純鋁金屬化制程具有低成本，良好的歐姆接觸以及高導(dǎo)電性。而近來，由于電路設(shè)計(jì)的積集化以及對(duì)組件反應(yīng)速度的要求，因此開始發(fā)展比鋁導(dǎo)電性更高的金屬材質(zhì)來達(dá)到目的。
目前，常見的導(dǎo)電度高于鋁的材質(zhì)為銅金屬。在采用銅金屬化制程中，多半將銅金屬填入介層洞、溝槽，或其它凹槽中，如鑲嵌結(jié)構(gòu)，以形成半導(dǎo)體組件的內(nèi)聯(lián)機(jī)結(jié)構(gòu)或半導(dǎo)體基底上的導(dǎo)電層。參見圖1A，所示為一雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的橫切面，其中在半導(dǎo)體基底10中設(shè)置半導(dǎo)體組件11。而在該半導(dǎo)體基底上依序形成一蝕刻終止層12作為保護(hù)層(如氮化硅層)以及一介電層13(如低介電常數(shù)層或二氧化硅層)。在介電層13中則形成介層洞14與溝槽15，形成雙鑲嵌開口。
而在圖1B中，移除介層洞14中的蝕刻終止層12以露出其下的半導(dǎo)體裝置11。而在圖1C，則進(jìn)一步形成擴(kuò)散阻障層18，其包含鉭(Ta)、鎢(W)、鉻(Cr)或金屬?gòu)?fù)合物，如氮化鈦(titanium-nitride)、鈦-鎢化物(titanium-tungsten)、氮化鎢(tungsten-nitride)、或氮化鉭(tantalumnitride)等，作為擴(kuò)散阻障層18，并可同時(shí)作為附著層，以增進(jìn)后續(xù)銅金屬19填入介電層13時(shí)的表面附著力。接著在介層洞14與溝槽15中完全填滿銅金屬，并續(xù)以平坦化制程以形成銅金屬線路，如圖1D所示。
上述的銅鑲嵌制程解決了目前半導(dǎo)體制造在線寬趨窄且線路更為復(fù)雜的情況下所遭遇的一些問題。而更進(jìn)一步，為了解決銅制程中的銅金屬對(duì)于介電層的擴(kuò)散與毒化問題，亦可預(yù)先形成阻障層18做為隔離。然而，仍須在形成阻障層18前先行移除底層的蝕刻終止層12以露出其下的半導(dǎo)體組件或銅金屬內(nèi)聯(lián)機(jī)。
在習(xí)知技術(shù)中，通常借由選擇性干蝕刻以去除底部的蝕刻終止層12。其缺點(diǎn)在于，此類的干蝕刻，例如電漿蝕刻，通常會(huì)連帶撞擊底層的銅金屬內(nèi)聯(lián)機(jī)或半導(dǎo)體裝置，使得部分的銅金屬或合金殘?jiān)?7被濺擊而附著于介層洞的側(cè)壁上。此類側(cè)壁上的銅金屬或合金殘?jiān)瑫?huì)擴(kuò)散滲入介電層中形成毒害，因而降低半導(dǎo)體裝置的電性穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明的一個(gè)目的在于改良鑲嵌結(jié)構(gòu)中阻障層的形成方法，借以避免銅金屬殘余物附著于鑲嵌結(jié)構(gòu)的側(cè)壁與阻障層的間。
根據(jù)上述目的，本發(fā)明提供一方法，以在鑲嵌結(jié)構(gòu)中形成阻障層，該方法包含下列步驟。在一半導(dǎo)體基底上，依序形成一導(dǎo)電層、一保護(hù)層與一介電層。將該介電層圖案化并蝕刻形成一開口以露出其下的保護(hù)層。接著在該半導(dǎo)體基底上順應(yīng)性(conformal)形成第一金屬阻障層(firstmetal barrier layer)后，移除該開口底部中的第一金屬阻障層以露出其下的保護(hù)層。接著進(jìn)一步移除該開口底部中的保護(hù)層以露出其下的導(dǎo)電層。最后，在該半導(dǎo)體基底上形成第二金屬阻障層。
本發(fā)明更提供一種在鑲嵌結(jié)構(gòu)中形成阻障層的方法，包含下列步驟。在一半導(dǎo)體基底上依序形成一導(dǎo)電層、一保護(hù)層與一介電層。將該介電層圖案化并蝕刻以形成一開口露出其下的保護(hù)層。進(jìn)行異方性離子濺鍍(Anisotropic ion sputtering)以在開口的側(cè)壁上形成第一金屬阻障層。接著移除該開口底部中的保護(hù)層以露出其下的導(dǎo)電層。最后，在該半導(dǎo)體基底上形成第二金屬阻障層。
借由上述方法，可以避免在移除開口底部的保護(hù)層時(shí)，產(chǎn)生銅金屬殘?jiān)竞殡妼印?br>

圖1A至圖1D所示為習(xí)知的一種形成雙鑲嵌結(jié)構(gòu)阻障層的流程側(cè)視圖；圖2A至圖2F所示為根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例中，形成一雙鑲嵌結(jié)構(gòu)中的阻障層的流程側(cè)視圖；圖3A至圖3F所示為根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例中，形成一雙鑲嵌結(jié)構(gòu)中的阻障層的流程側(cè)視圖。
圖號(hào)說明10、20、30半導(dǎo)體基底11、21、21半導(dǎo)體組件/導(dǎo)電層12、22、32保護(hù)層13、23、33介電層14介層洞15溝槽16干蝕刻17銅金屬殘余物18阻障層19金屬銅
25、35開口26、27、36、37干蝕刻28、38第一金屬阻障層29、39第二金屬阻障層具體實(shí)施方式
為了讓本發(fā)明的上述目的、特征、及優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，以下配合所附圖式，作詳細(xì)說明如下圖2A至圖2F所示為根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例中，形成一雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的阻障層的流程側(cè)視圖。
參見圖2A，首先于一半導(dǎo)體基底20上形成導(dǎo)電的金屬銅內(nèi)聯(lián)機(jī)結(jié)構(gòu)。接著續(xù)于該半導(dǎo)體基底上形成一保護(hù)層22，例如SiNx、SiCx或SiCxNy。接著在保護(hù)層22上形成介電層23，而在較佳情況中，該介電層為氧化硅或低介電常數(shù)材料。
接著將介電層23圖案化并蝕刻形成一開口25，可為單鑲嵌開口，或?yàn)殡p鑲嵌開口，如圖2B所示。
接著參見圖2C，在半導(dǎo)體基底20上順應(yīng)性形成第一金屬阻障層(first metal barrier layer)28。第一金屬阻障層28可為TaN、Ta、TiN或WN，但并非以此為限。較佳者，乃先在半導(dǎo)體基底20上順應(yīng)性(conformal)濺鍍沉積一氮化鉭(TaN)層，接著形成鉭金屬層(Ta)作為銅金屬擴(kuò)散阻障層28。接著，利用臨場(chǎng)濺鍍(in-situ sputtering)26或高密度電漿(HDP)蝕刻去除開口25底部的第一金屬阻障層以露出其下的保護(hù)層22。
在圖2D中，繼續(xù)進(jìn)行選擇性蝕刻27，以去除開口25底部的保護(hù)層22，露出其下的內(nèi)聯(lián)機(jī)結(jié)構(gòu)21，借由選擇性蝕刻，保持側(cè)壁上的第一金屬阻障層28與介電層23完整，如圖2E所示。同時(shí)，在移除保護(hù)層22時(shí)，下方內(nèi)聯(lián)機(jī)結(jié)構(gòu)可能同時(shí)受蝕刻撞擊產(chǎn)生銅金屬殘余物附著于開口25的側(cè)壁，然而借由開口25側(cè)壁上的第一金屬阻障層28可以保護(hù)介電層23不受銅金屬的擴(kuò)散毒害。
此外，在上述步驟后，一般進(jìn)一步進(jìn)行濕式清洗去除開口25底部的保護(hù)層22殘余物時(shí)，而第一金屬阻障層28同時(shí)也保護(hù)介電層23不受濕式清洗損害。
參見圖2F中，接著以離子濺鍍方式，如離子化金屬電漿(ionizedmetal plasma，IMP)，在該半導(dǎo)體基底上形成第二金屬阻障層29，其組成可為TaN、Ta、TiN或WN等，但并非以此為限。在較佳情況中，該第二金屬阻障層為鉭金屬層或氮化鉭與鉭金屬的復(fù)合層。而第二金屬阻障層29的厚度較佳者較習(xí)知的阻障層厚度更小，以降低阻障層的阻容延遲(RC delay)。
根據(jù)上述兩步驟形成金屬阻障層的制程，減少開口25的側(cè)壁受到銅金屬殘余物的污染，因此有效提高鑲嵌結(jié)構(gòu)的可靠性。
圖3A至圖3F所示為根據(jù)本發(fā)明的另一較佳實(shí)施例中，形成一雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的阻障層的流程側(cè)視圖。
參見圖3A，首先于一半導(dǎo)體基底30上形成導(dǎo)電層31，如金屬銅內(nèi)聯(lián)機(jī)結(jié)構(gòu)。接著續(xù)于該半導(dǎo)體基底上形成一保護(hù)層32，例如氮化硅(SiNx)、SiCx或SiCxNy。接著在保護(hù)層32上形成介電層33，而在較佳情況中，該介電層為氧化硅或低介電常數(shù)材料。
接著將介電層33以微影制程圖案化并蝕刻形成一開口35，可為單鑲嵌開口，或?yàn)殡p鑲嵌開口，如圖3B所示。
接著參見圖3C，在半導(dǎo)體基底30的開口35的側(cè)壁上形成第一金屬阻障層38。在較佳實(shí)施例中，利用異方性離子濺鍍36，如離子化金屬電漿(ionized metal plasma，IMP)于開口35的側(cè)壁上形成第一金屬阻障層38。借由調(diào)整離子濺鍍的偏壓功率，金屬離子可以被控制于僅沉積在開口35的側(cè)壁，而不沉積于開口35的底部。
第一金屬阻障層38可為TaN、Ta、TiN或WN等，但并非以此為限。較佳者，則利用異方性離子濺鍍?cè)陂_口35的側(cè)壁上先沉積氮化鉭(TaN)，接著再沉積鉭金屬層(Ta)，以形成第一金屬阻障層38。利用此種方式，可以省略由開口35底部去除第一金屬阻障層38的步驟。
參見圖3D中，接著借由選擇蝕刻37由開口35的底部移除保護(hù)層32，露出其下的內(nèi)聯(lián)機(jī)結(jié)構(gòu)31而不損及開口35側(cè)壁上的第一金屬阻障層38與介電層33，如圖3E所示。較佳者，選擇性蝕刻37可借由濺鍍蝕刻進(jìn)行。而在上述步驟中，形成第一金屬阻障層38與移除開口35底部的保護(hù)層32的步驟，可以一并在相同的濺鍍反應(yīng)室(sputtering chamber)中完成。
而根據(jù)上述方法，在濺鍍蝕刻開口35底部的保護(hù)層32時(shí)，產(chǎn)生的銅金屬殘余物可能附著于開口35的側(cè)壁，而借由側(cè)壁上的第一金屬阻障層38則可避免介電層33受到金屬的銅擴(kuò)散污染。
上述方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)后續(xù)進(jìn)行開口35底部的保護(hù)層32殘余物的例行性濕式清洗時(shí)，第一金屬阻障層38同時(shí)可保護(hù)介電層33不會(huì)受到濕式清潔的影響或損害。
接著參見圖3F中，借由離子濺鍍，如離子化金屬電漿(IMP)在半導(dǎo)體基底30上形成第二金屬阻障層39。該第二金屬阻障層39可以為TaN、Ta、TiN或WN等，但并非以此為限。在較佳情況中，該第二金屬阻障層39為鉭金屬層，或氮化鉭與鉭金屬的復(fù)合層。在較佳情況中，第二金屬阻障層39的厚度較一般阻障層的厚度小，以降低RC延遲(RC delay)。
根據(jù)上述兩步驟形成金屬阻障層的方法，可以避免開口35的側(cè)壁受到銅金屬的擴(kuò)散污染，提高銅鑲嵌制程結(jié)構(gòu)的可靠性。
為了完整說明銅鑲嵌制程，接著以下步驟進(jìn)一步說明單鑲嵌或雙鑲嵌結(jié)構(gòu)制程(圖未顯示)。
首先在金屬阻障層上進(jìn)一步借由離子化金屬電漿(IMP)沉積一銅晶種層(seed layer)。銅晶種層可以增加后續(xù)銅金屬沉積的附著力，而晶種層的厚度則根據(jù)各種產(chǎn)品要求不同而異。
接著在晶種層上進(jìn)行銅金屬的電化學(xué)沉積(electrochemicaldeposition，ECD)，以填滿該開口。銅金屬的沉積狀態(tài)則取決于均勻、無(wú)缺陷而具有良好附著效果的的晶種層與阻障層。半導(dǎo)體基底上過多的銅金屬則以一般的化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)進(jìn)行平坦化而形成金屬銅的鑲嵌結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種在鑲嵌結(jié)構(gòu)中形成阻障層的方法，包含在一半導(dǎo)體基底上依序形成一導(dǎo)電層、一包護(hù)層與一介電層；圖案化并蝕刻該介電層以形成一開口露出其下的該保護(hù)層；在該半導(dǎo)體基底上順應(yīng)性形成一第一金屬阻障層；移除該開口底部的該第一金屬阻障層以露出其下的該保護(hù)層；移除該開口底部的該保護(hù)層以露出其下的該導(dǎo)電層；以及在該半導(dǎo)體基底上形成一第二金屬阻障層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在鑲嵌結(jié)構(gòu)中形成阻障層的方法，其中該第一金屬阻障層與該保護(hù)層是以干蝕刻移除。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在鑲嵌結(jié)構(gòu)中形成阻障層的方法，其中該第一金屬阻障層是由離子濺鍍形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在鑲嵌結(jié)構(gòu)中形成阻障層的方法，其中該保護(hù)層包含SiNx、SiCx或SiCxNy。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在鑲嵌結(jié)構(gòu)中形成阻障層的方法，其中該第一金屬阻障層是以濺鍍形成TaN、Ta、TiN或WN。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在鑲嵌結(jié)構(gòu)中形成阻障層的方法，其中該第二金屬阻障層是以濺鍍形成TaN、Ta、TiN或WN。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在鑲嵌結(jié)構(gòu)中形成阻障層的方法，其中該開口為雙鑲嵌結(jié)構(gòu)開口。
全文摘要
本發(fā)明是關(guān)于形成鑲嵌結(jié)構(gòu)的阻障層的方法，包含下列步驟在一半導(dǎo)基底上依序形成導(dǎo)電層、保護(hù)層與介電層；將該介電層圖案化并蝕刻形成一開口，露出其下的保護(hù)層；接著在半導(dǎo)體基底上順應(yīng)性沉積一第一金屬阻障層后，移除開口底部的第一金屬阻障層露出保護(hù)層；接著移除開口底部的保護(hù)層以露出其下的導(dǎo)電層；最后，于該半導(dǎo)體基底上形成第二金屬阻障層。
文檔編號(hào)H01L21/02GK1521827SQ0310198
公開日2004年8月18日 申請(qǐng)日期2003年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月30日
發(fā)明者林建元, 楊偉文, 顧子琨 申請(qǐng)人:矽統(tǒng)科技股份有限公司