专利名称：镶嵌式内连线结构的制造方法
技术领域：
本发明是有关于一种镶嵌导线制程，特别是有关于一种镶嵌式内连线结构的制造方法，于镶嵌导线制程中，于金属层表面形成附着度较高的导电性密封层，以改善密封层与金属层的附着度。
首先，参阅
图1，提供一半导体基底100；其次，利用金属化制程在半导体基底100上形成一内连线110；接着，形成一密封层120以覆盖内连线110；然后于密封层120表面形成介电层130，其中，密封层120的材质可为氮化硅(SiN)或碳化硅(SiC)，其作用是用来密封内连线110，并防止内连线110的金属难于扩散至其它区域而造成线路短路，而介电层130可为单一层或者由多层的杂合低阻质介电材料所构成，其可视需要加以调整；参阅图2，再以镶嵌制程定义介电层130，形成贯穿介电层130及密封层120且连接内连线110的双镶嵌结构140；参阅图3，先以物理或化学气相沉积法于介电层130和双镶嵌结构140内壁形成阻障层150；接着，于阻障层150表面以化学气相沉积法或者物理气相沉积法形成导电性较佳的金属层160，并将双镶嵌结构140填满，其中，金属层160的材料可为导电性较佳的铜、铝、钨、铝铜合金等；参阅图4，于金属层160形成后，利用化学机械研磨法(CMP)进行平坦化处理，将双镶嵌结构140以外的多余金属层160和阻障层150去除；最后，于金属层表面覆盖一密封层170，此密封层170与上述密封层120的材质相同。其主要缺陷在于1、上述密封层120及170并无法提供与金属层110及160之间良好的附着度。以传统习用的密封层来说，一般是采用氮化硅或碳化硅作为密封层的材料，上述材质的密封层并无法与铜金属层附着，导致电致迁移(electro-migration)效应发生，并使得铜扩散至其它不必要的位置。
2、在化学机械研磨制程后，通常会在金属层表面产生金属氧化物，若未将其去除，将提高金属导线的阻抗，并影响金属导线的电致迁移效应。
3、因为金属氧化物的产生，将造成金属导线的表面隆起，使得后续制程所形成的密封层无法有效与金属层附着，更降低了金属层与密封层的附着度，进而影响后续组件的制造以及产率。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种镶嵌式内连线结构的制造方法，仅于金属层表面形成一导电性密封层，此导电性密封层的材质为钛(Ti)、氮化钛(TiN)、钽(Ta)、氮化钽(TaN)等，且其厚度的范围约为20-150埃之间，克服现有技术的弊端，达到使密封层与金属层具有较佳的附着度的目的。
本发明的目的是这样实现的1、一种镶嵌式内连线结构的制造方法，其特征是它至少依次包含下列步骤(1)提供一半导体基底；(2)形成一介电层于所述基底上；(3)蚀刻所述介电层，以形成一沟槽；(4)形成一阻障层于所述介电层及沟槽的侧壁及底部；(5)形成一金属层于所述阻障层，并填满所述沟槽；(6)执行化学机械研磨制程，以进行所述金属层表面的平坦化处理；(7)形成一导电性密封层以覆盖所述金属层的表面。
该方法它更包括下列步骤于执行化学机械研磨制程后，执行同步还原制程，通过通入还原气体，以除去所述金属层表面的金属氧化物。所述密封层的材质选自钛、氮化钛、钽、氮化钽的其中之一。所述金属层的材料为铜。所述还原气体为硅烷。所述还原气体选自氨气、氢气、硅烷的至少一种。所述导电性密封层厚度的范围为20-150埃之间。
另一种镶嵌式内连线结构的制造方法，其特征是它至少依次包含下列步骤
(1)提供具有内连线的半导体基底；(2)形成第一导电性密封层以覆盖所述的内连线；(3)形成一介电层以覆盖所述第一导电性密封层及半导体基底；(4)以镶嵌制程界定所述介电层，形成贯穿所述介电层并连接所述第一导电性密封层的镶嵌结构；(5)形成一阻障层于所述介电层及镶嵌结构的侧壁及底部；(6)形成一金属层于所述阻障层，并填满所述镶嵌结构；(7)执行化学机械研磨制程，以进行所述镶嵌结构表面的平坦化处理；(8)执行同步还原制程，通入一还原气体，以除去所述金属层表面的金属氧化物；(9)形成一第二导电性密封层以覆盖所述金属层及介电层。
所述第一及第二导电性密封层的材质为选自钛、氮化钛、钽、氮化钽的其中之一。所述金属层的材料为铜。所述还原气体为选自氨气、氢气、硅烷的至少一种。所述第一及第二导电性密封层厚度的范围为20-150埃之间。
下面结合较佳实施例配合附图详细说明。
图5-图14是本发明的镶嵌导线制程的剖面示意图。
具体实施例方式
参阅图5-14所示，本发明的镶嵌导线剖面制程包括如下步骤参阅图5所示，提供一半导体基底200；接着，于基底200上形成一内金属介电层(interretal dielectric layer)210，其中，内金属介电层210为单一层或者由多层的杂合低阻质介电材料所构成，其组成分可视需要加以调整；参阅图6所示，利用微影技术(lithography technofogy)蚀刻内金属介电层210，以形成沟槽220A及220B，在此可以非等向蚀刻(anisotropically etching process)蚀刻内金属介电层210，而沟槽220A及220B的深度约为2000-6000埃。
参阅图7所示，于内金属介电层210及沟槽220A及220B的侧壁及底部形成一阻障层230；接着，于阻障层230形成金属层240，其中，金属层240材料可为导电性较佳的铜、铝、钨、铝铜合金等。在本实施例中，是以铜金属为例，并将沟槽220A及220B填满。
参阅图8所示，执行化学机械研磨制程，将位于内金属介电层210上方的阻障层230及金属层240移除。
然而，在执行化学机械研磨制程的过程中，位于沟槽220A及220B中所剩余的金属层240表面，将可能因为化学机械研磨制程，而产生金属氧化物(Cu2O)，此金属氧化物将造成金属层240的表面隆起，使得后续制程所形成的密封层无法有效与金属层240附着，降低了金属层与密封层的附着度，并影响产品的可靠度。
因此，执行同步还原制程，将因为化学机械研磨制程所产生金属氧化物(Cu2O)通过自由基取代的方式而还原成铜金属，其方式是通入还原气体至腔室中，以还原上述金属氧化物。在本实施例中，还原气体可为氨气(NH3)、氢气(H2)、硅烷(SiH4)，或者是氨气(NH3)与氢气(H2)的混合气体，以及硅烷(SiH4)与氢气(H2)的混合气体，在此是以硅烷(SiH4)为例。而执行同步还原制程的条件如下还原气体流速范围为20-400sccm之间，腔室气压范围为0.01-10.0torr之间，操作温度范围为180-620℃之间。
当同步还原制程执行完毕之后，即可消除金属层240表面因为化学机械研磨制程所产生的金属氧化物(Cu2O)，并使得金属层240的表面达到平坦化的效果。
参阅图9所示，分别于金属层240表面形成导电性密封层250，亦即此时密封层250是仅覆盖于金属层240表面，上述导电性密封层250的材质可为钛(Ti)、氮化钛(TiN)、钽(Ta)、氮化钽(TaN)等，且其厚度的范围约为20-150埃之间。另外，上述导电性密封层250形成于金属层240的技术可包括溅镀制程、特定的化学反应、金属硅化物反应等。
在本实施例中，形成导电性密封层250即可提高半导体组件的可靠度。其原因在于导电性密封层250与金属层240之间的接面将根据导电性密封层250的材质而形成对应的化合物，例如，铜钛合金(CuTi)、铜钛氮化合物(CuTiN)、铜钽合金(CuTa)、铜钽氮化合物(CuTaN)等，使得导电性密封层250与金属层240紧密结合，大幅提高导电性密封层250与金属层240的附着度。
参阅图10所示，于导电性密封层250表面形成内金属介电层260。其中，内金属介电层260可为单一层或者由多层的杂合低阻质介电材料所构成，其可视需要加以调整。
参阅图11所示，再以镶嵌制程定义内金属介电层260，形成一贯穿内金属介电层260并与导电性密封层250连接的双镶嵌结构270A以及镶嵌沟渠270B。
参阅图12，先以物理或化学气相沉积法于内金属介电层260和双镶嵌结构270A、270B内壁形成阻障层280；接着，于阻障层280表面以化学气相沉积法形成导电性较佳的金属层290，并将双镶嵌结构270A、270B填满。其中，金属层290的材料可为导电性较佳的铜、铝、钨、铝铜合金等，在本实施例中，以铜金属为例说明。
参阅图13所示，执行化学机械研磨制程，将位于内金属介电层260上方的阻障层280及金属层290移除。然而，于先前的情况相同，金属层290表面将因为化学机械研磨制程而产生不必要的金属氧化物(Cu2O)。
因此，执行同步还原制程，将因为化学机械研磨制程所产生金属氧化物(Cu2O)，通过由自由基取代的方式，还原成铜金属，其方式是通入还原气体至腔室中，以还原上述金属氧化物。在本发明中，还原气体可为氨气(NH3)、氢气(H2)、硅烷(SiH4)，或者是氨气(NH3)与氢气(H2)的混合气体，在本实施例中，是采用含硅气体作为还原气体。而执行同步还原制程的条件如下还原气体流速范围为20-400sccm之间，腔室气压范围为0.01-10.0torr之间，操作温度范围为180-620℃之间。
参阅图14所示，分别于金属层290表面形成导电性密封层300，亦即此时密封层300是仅覆盖于金属层290表面，上述导电性密封层300的材质可为钛(Ti)、氮化钛(TiN)、钽(Ta)、氮化钽(TaN)等，且其厚度的范围约为20-150埃之间。另外，上述导电性密封层300形成于金属层290的技术可包括溅镀制程、特定的化学反应、金属硅化物反应等。
同样的，在本实施例中，通过形成导电性密封层300，提高半导体组件的可靠度。其原因在于导电性密封层300与金属层290之间的接面将根据导电性密封层300的材质而形成对应的化合物，例如，铜钛合金(CuTi)、铜钛氮化合物(CuTiN)、铜钽合金(CuTa)、铜钽氮化合物(CuTaN)等，使得导电性密封层300与金属层290紧密结合，大幅提高导电性密封层300与金属层290的附着度。再者，将密封层250形成于金属层240表面后，由于密封层250为导电性的缘故，当后续步骤所形成的双镶嵌结构270A中的金属层290欲与金属层240电性连结时，无须将密封层250去除即可完成，以此可减少金属层240氧化的机会，提高了对于制程等候时间(queuetime)控制的弹性。
综上所述，根据本发明所述的镶嵌导线制程，将具有上述材质的导电性密封层形成于金属层时，由于导电性密封层材质的特性，将紧密的附着于金属层。提高半导体组件的可靠度，并改善了传统技术于附着性以及电致迁移效应的问题。
本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟习此项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，所做些许的更动与润饰，都属于本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种镶嵌式内连线结构的制造方法，其特征是它至少依次包含下列步骤(1)提供一半导体基底；(2)形成一介电层于所述基底上；(3)蚀刻所述介电层，以形成一沟槽；(4)形成一阻障层于所述介电层及沟槽的侧壁及底部；(5)形成一金属层于所述阻障层，并填满所述沟槽；(6)执行化学机械研磨制程，以进行所述金属层表面的平坦化处理；(7)形成一导电性密封层以覆盖所述金属层的表面。
2.根据权利要求1所述的镶嵌式内连线结构的制造方法，其特征是它还包括下列步骤于执行化学机械研磨制程后，执行同步还原制程，通过通入还原气体，以除去所述金属层表面的金属氧化物。
3.根据权利要求1或2所述的镶嵌式内连线结构的制造方法，其特征是所述密封层的材质选自钛、氮化钛、钽、氮化钽的其中之一。
4.根据权利要求1或2所述的镶嵌式内连线结构的制造方法，其特征是所述金属层的材料为铜。
5.根据权利要求1或2所述的镶嵌式内连线结构的制造方法，其特征是所述还原气体为硅烷。
6.根据权利要求1或2所述的镶嵌式内连线结构的制造方法，其特征是所述还原气体选自氨气、氢气、硅烷的至少一种。
7.根据权利要求1或2所述的镶嵌式内连线结构的制造方法，其特征是所述导电性密封层厚度的范围为20-150埃之间。
8.一种镶嵌式内连线结构的制造方法，其特征是它至少依次包含下列步骤(1)提供具有内连线的半导体基底；(2)形成第一导电性密封层以覆盖所述的内连线；(3)形成一介电层以覆盖所述第一导电性密封层及半导体基底；(4)以镶嵌制程界定所述介电层，形成贯穿所述介电层并连接所述第一导电性密封层的镶嵌结构；(5)形成一阻障层于所述介电层及镶嵌结构的侧壁及底部；(6)形成一金属层于所述阻障层，并填满所述镶嵌结构；(7)执行化学机械研磨制程，以进行所述镶嵌结构表面的平坦化处理；(8)执行同步还原制程，通入一还原气体，以除去所述金属层表面的金属氧化物；(9)形成一第二导电性密封层以覆盖所述金属层及介电层。
9.根据权利要求8所述的镶嵌式内连线结构的制造方法，其特征是所述第一及第二导电性密封层的材质为选自钛、氮化钛、钽、氮化钽的其中之一。
10.根据权利要求8所述的镶嵌式内连线结构的制造方法，其特征是所述金属层的材料为铜。
11.根据权利要求8所述的镶嵌式内连线结构的制造方法，其特征是所述还原气体为硅烷。
12.根据权利要求8所述的镶嵌式内连线结构的制造方法，其特征是所述还原气体为选自氨气、氢气、硅烷的至少一种。
13.根据权利要求8所述的镶嵌式内连线结构的制造方法，其特征是所述第一及第二导电性密封层厚度的范围为20-150埃之间。
全文摘要
一种镶嵌式内连线结构的制造方法，依次包括下列步骤形成介电层于半导体基底；蚀刻上述介电层形成沟槽；于介电层及沟槽的侧壁及底部形成阻障层；形成金属层于上述阻障层，并填满上述沟槽；执行化学机械研磨制程，移除位于介电层上方的阻障层及金属层；执行同步还原制程，通入硅烷气体，以消除金属层表面的金属氧化物；于金属层表面形成一导电性密封层，使其覆盖金属层。具有使密封层与金属层具有较佳的附着度的功效。
文档编号H01L21/70GK1404131SQ0113105
公开日2003年3月19日 申请日期2001年9月10日 优先权日2001年9月10日
发明者徐震球, 李世达, 陈隆, 王清帆 申请人:矽统科技股份有限公司