專利名稱：阻擋層及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種阻擋層(barrier layer)與其制造方法，特別是涉及一種可用于低介電系數(shù)介電層(10w-k dielectric)中，加強(qiáng)介電層窗(via)的附著力的阻擋層結(jié)構(gòu)與制造方法。
一般來說，當(dāng)集成電路的集成度增加，其所需的金屬內(nèi)連線(metalinterconnect)數(shù)目也會(huì)跟著增加。尤其是在深亞微米(deep sub-micron)的超大規(guī)模集成電路的制作工藝中，其對(duì)金屬內(nèi)連線的要求是，在非常小的接觸面積下具有良好的導(dǎo)電性能。目前用于做內(nèi)連線材料的多為鋁，但是在集成度日益增加的情況下，由于銅具有低阻抗與高熔點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)，便逐漸成為取代鋁作為內(nèi)連線的良好材料，但是其也有許多問題需要克服。
請(qǐng)參照

圖1，繪示出現(xiàn)有的一種在介質(zhì)層窗中阻擋層結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。其中，在半導(dǎo)體基底10上，已形成有傳導(dǎo)層11，例如為金屬線的結(jié)構(gòu)。然后，在傳導(dǎo)層11上形成介電層12，其材料例如為低介電系數(shù)的介電層。在介電層12中形成介質(zhì)層窗(via)14的結(jié)構(gòu)，介質(zhì)層窗14中填有傳導(dǎo)性好的傳導(dǎo)材料，例如鎢、銅或鋁等。通常，在介質(zhì)層窗14與傳導(dǎo)層11之間，以及在介質(zhì)層窗14與介電層12之間，還會(huì)形成有阻擋層13的結(jié)構(gòu)，其目的是用以增加介質(zhì)層窗14中傳導(dǎo)材料的附著力，以及阻止傳導(dǎo)材料的擴(kuò)散。一般來說，阻擋層13常用的材料包括鈦/氮化鈦(Ti/TiN)、氮化鎢(WN)、鉭(Ta)或氮化鉭(TaN)。
接著，請(qǐng)參照?qǐng)D2，其繪示出現(xiàn)有的一種在鑲嵌工藝(Damascene process)中阻擋層結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。其中，在半導(dǎo)體基底20上，已形成有傳導(dǎo)層21，例如為第一金屬線的結(jié)構(gòu)。然后，在傳導(dǎo)層21上形成介電層32，其材料例如為低介電系數(shù)的介電層。在介電層22中依次形成第二開口24與第一開口23。接著，在第一開口23與第二開口24中形成阻擋層25的結(jié)構(gòu)。一般來說，阻擋層13常用的材料包括鈦/氮化鈦(Ti/TiN)、氮化鎢(WN)、鉭(Ta)或氮化鉭(TaN)，其目的是用以增加后續(xù)沉積的傳導(dǎo)材料的附著力，以及阻止傳導(dǎo)材料的擴(kuò)散。然后，沉積傳導(dǎo)層26，例如傳導(dǎo)性好的傳導(dǎo)材料，例如鎢、銅或鋁等。接著，再進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)，于是完成現(xiàn)有的鑲嵌工藝。鑲嵌工藝的優(yōu)點(diǎn)在于可以一次同時(shí)形成介質(zhì)層窗與第二層金屬線的結(jié)構(gòu)，例如在第一開口23中形成的為介質(zhì)層窗結(jié)構(gòu)，而在第二開口24中形成的為第二層金屬線結(jié)構(gòu)。
上述所形成的阻擋層，其具有許多缺點(diǎn)，如果在介質(zhì)層窗中所填的傳導(dǎo)材料為銅(其為未來應(yīng)用的趨勢(shì))，而因?yàn)殂~與介電材料間的擴(kuò)散能力很強(qiáng)，現(xiàn)有的阻擋層材料已不能使用，無(wú)法具有良好的阻擋能力。此外，因?yàn)槟壳暗慕殡妼硬牧隙酁橛袡C(jī)的低介電系數(shù)介電層，所以會(huì)使得現(xiàn)有的阻擋層材料與低介電系數(shù)介電層之間的附著力不好，其原因是低介電系數(shù)介電層的吸水性很強(qiáng)，特別是有機(jī)的低介電系數(shù)介電層(organic low-k dielectric)，其表面通常會(huì)附著一層水氣，使得后續(xù)沉積的阻擋層材料與傳導(dǎo)材料的附著力變差。
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種阻擋層與其制造方法，可增強(qiáng)低介電系數(shù)介電層與阻擋層的附著力，以及增強(qiáng)阻擋層阻止傳導(dǎo)材料擴(kuò)散的能力。此外，更可以保護(hù)低介電系數(shù)介電層的表面，降低其吸水性的影響。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種阻擋層，其包括一半導(dǎo)體基底，其上已設(shè)有一傳導(dǎo)層；一介電層，形成于傳導(dǎo)層與半導(dǎo)體基底上，在介電層中有一開口，露出傳導(dǎo)層，此介電層例如為具有低介電系數(shù)的有機(jī)介電層；一第一阻擋層，形成于上述開口中以及周緣，第一阻擋層中含有硅或摻雜的硅層(doped-Si)；以及一第二阻擋層，形成于第一阻擋層上，第二阻擋層例如為鈦/氮化鈦(Ti/TiN)、氮化鎢(WN)、鉭(Ta)或氮化鉭(TaN)。
本發(fā)明另一方面提出一種阻擋層的制造方法，包括首先，提供一半導(dǎo)體基底，在其上已形成有一傳導(dǎo)層。然后，在傳導(dǎo)層與半導(dǎo)體基底上形成介電層，例如為具有低介電系數(shù)的有機(jī)介電層，在介電層中形成一開口，使其露出傳導(dǎo)層。接著，在上述開口中以及周緣形成第一阻擋層，第一阻擋層中含有硅或摻雜的硅層(doped-Si)，其形成方式可為等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)、低壓化學(xué)氣相沉積法(LPCVD)、電子束蒸鍍法(e-beam evaporation)或?yàn)R射法(sputtering)。然后，在第一阻擋層上形成第二阻擋層，例如為鈦/氮化鈦(Ti/TiN)、氮化鎢(WN)、鉭(Ta)或氮化鉭(TaN)。
為讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉一優(yōu)選實(shí)施例，并配合附圖作詳細(xì)說明。附圖中圖1繪示一種現(xiàn)有技術(shù)的在介質(zhì)層窗中的阻擋層的剖面示意圖；圖2繪示一種現(xiàn)有技術(shù)的在鑲嵌制作工藝中阻擋層的剖面示意圖3A至圖3D繪示根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例的一種用于介質(zhì)層的阻擋層制造流程的剖面示意圖；以及圖4A至圖4D繪示根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例的一種用于鑲嵌制作工藝的阻擋層制造流程的剖面示意圖。
第一實(shí)施例圖3A至圖3D繪示根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例的一種用于介質(zhì)層窗(via)的阻擋層(barrier layer)的制造流程的剖面示意圖。
首先，請(qǐng)參照?qǐng)D3A，提供一半導(dǎo)體基底30，在其上已形成有傳導(dǎo)層31，例如晶體管的源極/漏極區(qū)或金屬線等結(jié)構(gòu)。然后，在傳導(dǎo)層31與半導(dǎo)體基底30上形成介電層32，例如具有低介電系數(shù)的有機(jī)介電層(organic low-kdielectric)或氧化層(oxide)。對(duì)介電層32構(gòu)圖，在介電層32中形成開口33，使得開口33露出傳導(dǎo)層31。
接著，請(qǐng)參照?qǐng)D3B，進(jìn)行清洗步驟(clean)，清洗半導(dǎo)體基底30與介電層23的表面，其方式包括干式或濕式清洗法。然后，再進(jìn)行等離子處理步驟(plasma treatment)，以含氬(Ar)、氫(H2)或氬/氫的等離子來清洗半導(dǎo)體基底30與介電層32的表面。之后，在開口33中以及周緣形成薄的第一阻擋層34，第一阻擋層34優(yōu)選的是摻雜的硅層(doped-Si)或其中含有硅，且其厚度在約300埃以下。此第一阻擋層34為本發(fā)明的特征，其形成方式可為等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)、低壓化學(xué)氣相沉積法(LPCVD)、電子束蒸鍍法(e-beam evaporation)或是濺射法(sputtering)，第一阻擋層34可用以增強(qiáng)與低介電系數(shù)的有機(jī)介電層的附著力，并降低有機(jī)介電層的吸水能力。
接著，請(qǐng)參照?qǐng)D3C，在第一阻擋層34上形成第二阻擋層35，例如鈦/氮化鈦(Ti/TiN)、氮化鎢(WN)、鉭(Ta)或氮化鉭(TaN)。第二阻擋層35的形成方式可為化學(xué)氣相沉積法(CVD)。
接著，請(qǐng)參照?qǐng)D3D，在開口33填滿傳導(dǎo)層，例如鎢、銅或鋁等傳導(dǎo)性好的傳導(dǎo)材料。再進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)，研磨傳導(dǎo)層直到露出介電層32的表面，形成介質(zhì)層窗36的結(jié)構(gòu)。第二實(shí)施例請(qǐng)參照?qǐng)D4A至圖4D，其繪示根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例的一種用于鑲嵌制作工藝(Damascene process)的阻擋層制造流程的剖面示意圖。
首先，請(qǐng)參照?qǐng)D4A，提供一半導(dǎo)體基底40，在其上已形成有傳導(dǎo)層41，例如晶體管的源極/漏極區(qū)或金屬線等結(jié)構(gòu)。然后，在傳導(dǎo)層41與半導(dǎo)體基底40上形成介電層42，例如為具有低介電系數(shù)的有機(jī)介電層或氧化層。對(duì)介電層42構(gòu)圖，先在介電層42中形成第一開口44，第一開口44的深度比介電層42小。然后，繼續(xù)挖深第一開口44，在第一開口44下形成第二開口43，使得第二開口43露出傳導(dǎo)層41，且第二開口43的寬度小于或等于第一開口44的寬度。
接著，請(qǐng)參照?qǐng)D4B，進(jìn)行清洗步驟，清洗半導(dǎo)體基底40與介電層42的表面，其方式包括干式或濕式清洗法。然后，再進(jìn)行等離子處理步驟，以含氬(Ar)、氫(H2)或氬/氫的等離子來清洗半導(dǎo)體基底40與介電層42的表面。之后，在第一開口44與第二開口43中及周緣形成第一阻擋層45，第一阻擋層45優(yōu)選的是摻雜的硅層(doped-Si)或者其中含有硅，且其厚度在約300埃以下。此第一阻擋層45為本發(fā)明的特征，其形成方式可為等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)、低壓化學(xué)氣相沉積法(LPCVD)、電子束蒸鍍法或是濺射法，第一阻擋層45可用以增強(qiáng)與低介電系數(shù)的有機(jī)介電層的附著力，并降低有機(jī)介電層的吸水能力。
接著，請(qǐng)參照?qǐng)D4C，在第一阻擋層45上形成第二阻擋層46，例如為鈦/氮化鈦(Ti/TiN)、氮化鎢(WN)、鉭(Ta)或氮化鉭(TaN)。
接著，請(qǐng)參照?qǐng)D4D，在第一開口44與第二開口43填滿傳導(dǎo)層，例如鎢、銅或是鋁等傳導(dǎo)性佳的傳導(dǎo)材料。再進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)，研磨傳導(dǎo)層直到露出介電層42的表面，于是完成形成本發(fā)明的鑲嵌制作工藝。鑲嵌制作工藝的優(yōu)點(diǎn)在于可以一次同時(shí)形成介層窗與第二層金屬線的結(jié)構(gòu)，在第二開口43中形成的為介質(zhì)層窗結(jié)構(gòu)，而在第一開口44中形成的為第二層金屬線結(jié)構(gòu)。
綜上所述，本發(fā)明所提供的阻擋層的結(jié)構(gòu)與制造方法，具有以下的特點(diǎn)(1)本發(fā)明所提供的第一阻擋層34，例如為摻雜的硅層(doped-Si)，其可以增強(qiáng)與低介電系數(shù)的有機(jī)介電層32的附著力。
(2)本發(fā)明所提供的第一阻擋層34，其可以保護(hù)低介電系數(shù)的有機(jī)介電層32的表面，降低其吸水性的影響。
(3)本發(fā)明所提供的第一阻擋層34，可以減少后續(xù)填入金屬層36與介電層23之間的應(yīng)力。
(4)本發(fā)明所提供的第一阻擋層34，其與第二阻擋層35搭配，可以增強(qiáng)阻止后續(xù)金屬層36擴(kuò)散的能力。
雖然已結(jié)合一優(yōu)選實(shí)施例揭露了本發(fā)明，但是其并非用以限定本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可作出各種更動(dòng)與潤(rùn)飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)由后附的權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1．一種阻擋層，包括一半導(dǎo)體基底，所述半導(dǎo)體基底上已設(shè)有一傳導(dǎo)層；一介電層，形成于所述傳導(dǎo)層與所述半導(dǎo)體基底上，且在所述介電層中有一開口，所述開口露出所述傳導(dǎo)層；一第一阻擋層，形成于所述開口中以及周緣，所述第一阻擋層中含有硅；以及一第二阻擋層，形成于所述第一阻擋層上。
2．如權(quán)利要求1所述的阻擋層，其中所述傳導(dǎo)層包括晶體管的源極/漏極區(qū)。
3．如權(quán)利要求1所述的阻擋層，其中所述傳導(dǎo)層為金屬線。
4．如權(quán)利要求1所述的阻擋層，其中所述介電層包括低介電系數(shù)的有機(jī)介電層。
5．如權(quán)利要求1所述的阻擋層，其中所述介電層包括二氧化硅介電層。
6．如權(quán)利要求1所述的阻擋層，其中所述第一阻擋層包括摻雜的硅層。
7．如權(quán)利要求1所述的阻擋層，其中所述第一阻擋層的厚度在約0埃到約300埃之間。
8．如權(quán)利要求1所述的阻擋層，其中所述第二阻擋層包括鈦/氮化鈦層。
9．如權(quán)利要求1所述的阻擋層，其中所述第二阻擋層包括氮化鎢。
10．如權(quán)利要求1所述的阻擋層，其中所述第二阻擋層包括鉭。
11．如權(quán)利要求1所述的阻擋層，其中所述第二阻擋層包括氮化鉭。
12．一種阻擋層的制造方法，所述方法包括下列步驟提供一半導(dǎo)體基底，在所述半導(dǎo)體基底上已形成有一傳導(dǎo)層；在所述傳導(dǎo)層與所述半導(dǎo)體基底上形成一介電層，且在所述介電層中形成一開口，使得所述開口露出所述傳導(dǎo)層；在所述開口中以及周緣形成一第一阻擋層，所述第一阻擋層中含有硅；以及在所述第一阻擋層上形成一第二阻擋層。
13．如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述傳導(dǎo)層包括晶體管的源極/漏極區(qū)。
14．如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述傳導(dǎo)層包括金屬線。
15．如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述介電層包括低介電系數(shù)的有機(jī)介電層。
16．如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述介電層包括二氧化硅介電層。
17．如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述第一阻擋層包括摻雜的硅層。
18．如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述第一阻擋層的厚度在約0埃到約300埃之間。
19．如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述第一阻擋層的形成方式為等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法。
20．如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述第一阻擋層的形成方式為低壓化學(xué)氣相沉積法。
21．如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述第一阻擋層的形成方式為電子束蒸鍍法。
22．如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述第一阻擋層的形成方式為濺射法。
23．如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述第二阻擋層包括鈦/氮化鈦層。
24．如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述第二阻擋層包括氮化鎢。
25．如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述第二阻擋層包括鉭。
26．如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述第二阻擋層包括氮化鉭。
27．如權(quán)利要求12所述的方法，其中還包括在所述開口填滿一傳導(dǎo)材料，并進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨。
28．如權(quán)利要求27所述的方法，其中所述傳導(dǎo)材料為選自一族群，所述族群包括鎢、銅、鋁與傳導(dǎo)性好的傳導(dǎo)材料。
29．一種阻擋層的制造方法，可應(yīng)用于鑲嵌制作工藝中，所述方法包括下列步驟提供一半導(dǎo)體基底，在所述半導(dǎo)體基底上已形成有一傳導(dǎo)層；在所述傳導(dǎo)層與所述半導(dǎo)體基底上形成一介電層，且在所述介電層中形成一第一開口，所述第一開口的深度比所述介電層?。焕^續(xù)挖深所述第一開口，在所述第一開口下形成一第二開口，使得所述第二開口露出所述傳導(dǎo)層，所述第二開口的寬度比所述第一開口的寬度??；在所述第一開口與所述第二開口中及周緣形成一第一阻擋層，所述第一阻擋層中含有硅；以及在所述第一阻擋層上形成一第二阻擋層。
30．如權(quán)利要求29所述的方法，其中所述介電層包括低介電系數(shù)的有機(jī)介電層。
31．如權(quán)利要求29所述的方法，其中所述介電層包括二氧化硅介電層。
32．如權(quán)利要求29所述的方法，其中所述第一阻擋層包括摻雜的硅層。
33．如權(quán)利要求29所述的方法，其中所述第一阻擋層的厚度在約0埃到約300埃之間。
34．如權(quán)利要求29所述的方法，其中所述第一阻擋層的形成方式為等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法。
35．如權(quán)利要求29所述的方法，其中所述第一阻擋層的形成方式為低壓化學(xué)氣相沉積法。
36．如權(quán)利要求29所述的方法，其中所述第一阻擋層的形成方式為電子束蒸鍍法。
37．如權(quán)利要求29所述的方法，其中所述第一阻擋層的形成方式為濺射法。
38．如權(quán)利要求29所述的方法，其中所述第二阻擋層的材料選自一第一族群，所述第一族群包括鈦/氮化鈦層、氮化鎢、鉭與氮化鉭。
39．如權(quán)利要求29所述的方法，其中還包括在所述第一開口與所述第二開口中填滿一傳導(dǎo)材料，并進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨。
40．如權(quán)利要求39所述的方法，其中所述傳導(dǎo)材料選自一第二族群，所述第二族群包括鎢、銅、鋁與傳導(dǎo)性好的傳導(dǎo)材料。
全文摘要
一種阻擋層，包括一半導(dǎo)體基底，所述半導(dǎo)體基底上已設(shè)有一傳導(dǎo)層；一介電層，形成于所述傳導(dǎo)層與所述半導(dǎo)體基底上，且在所述介電層中有一開口，所述開口露出所述傳導(dǎo)層；一第一阻擋層，形成于所述開口中以及周緣，所述第一阻擋層中含有硅；以及一第二阻擋層，形成于所述第一阻擋層上。
文檔編號(hào)H01L21/02GK1227402SQ9810526
公開日1999年9月1日 申請(qǐng)日期1998年2月26日 優(yōu)先權(quán)日1998年2月26日
發(fā)明者游萃蓉, 盧火鐵, 孫世偉, 黃益民 申請(qǐng)人:聯(lián)華電子股份有限公司