专利名称：内连线结构及其形成方法
技术领域：
本发明有关一种半导体结构，特别是有关于一种半导体结构中的内连线结构及其形成方法。
(2)背景技术内连线在半导体结构中扮演着相当重要的角色。内连线主要是用来连结各种的半导体装置。然而，在内连线的技术范畴中，特别是对于一些具有较高的热膨胀系数(coefficient of thermal expansion；CTE)的材质，由于在金属层与介电层之间的热膨胀系数差异所造成的热应力(thermal stress)将会是对于所形成的内连线的可靠度(reliability)最大的挑战。在形成内连线之后的制程中所出现的热制程中，例如化学气相沉积(chemical vapor deposition)，烘烤制程(baking)，以及诸如此类的制程，在上述的内连线结构中将会沿着冠状层(cap layer)与金属层之间的界面发生金属迁移(metal migration)，并从而在内连线结构中形成空隙(void)。
举例来说，图1是一种在现有技术中使用金属铜与低介电常数的介电层(low-Kdielectric layer)的内连线结构。在低介电常数介电层100中具有一介层洞(via)，在上述的介层洞中具有一层共形的阻障层(conformal barrier layer)110，与一层铜金属层120。在铜金属层120上具有一层冠状层140。在上述内连线结构刚形成的时候，铜金属层120与冠状层140可以完全贴合。换言之，在铜金属层120与冠状层140之间并没有空隙。然而，在后来的制程中，上述的内连线结构会因为热应力而产生铜迁移(copper migration)，进而在铜金属层120与冠状层140之间产生空隙130。在半导体结构中，空隙130会造成上述内连线结构的可靠度下降。甚至可能会造成上述内连线结构的阻值(resistant)升高，从而影响上述内连线结构的效率。
因此，为了能提高内连线的效率以及维持内连线的可靠度，如何提供一种可以避免在内连线结构中因为金属迁移而形成空隙的结构及其形成方法是一项重要的课题。
(3)发明内容鉴于上述的发明背景中，现有技术在内连线结构方面所出现的诸多缺点，本发明的主要目的在于藉由使用一层类金属化合物层来提升冠状层与金属层之间的接合度，以避免在所形成的内连线结构中发生金属迁移。
本发明的另一目的在于藉由使用一层类金属化合物层来避免在内连线结构中发生金属迁移，以提升内连线结构的可靠度(reliability)。
本发明的又一目的在于藉由使用一层类金属化合物层来防止在内连线结构中因为热应力而产生的空隙，使得内连线结构的阻值不会因为空隙的存在而升高。
根据以上所述的目的，本发明提供一种内连线结构及其形成方法。
根据本发明一方面的一种内连线结构，包含一第一介电层；一第一金属层位于该第一介电层中；一类金属化合物层位于该第一金属层上；及一冠状层位于该类金属化合物层上。
根据本发明另一方面的一种内连线结构，包含一第一介电层具有至少一第一介层洞；一共形的阻绝层位于该第一介层洞中；一第一金属层位于该介层洞中；一类金属化合物层位于该第一金属层上；及一冠状层位于该类金属化合物层上。
根据本发明又一方面的一种内连线结构，包含一第一介电层具有至少一第一介层洞；一共形的阻绝层位于该第一介层洞中；一第一金属层位于该介层洞中；一类金属化合物层位于该第一金属层上；及一冠状层位于该类金属化合物层上。
本发明是使用使用一类金属化合物层来提升冠状层与金属层之间的接合度(adhesion)。由于类金属化合物层的性质比冠状层更接近金属层，所以，本发明中的类金属化合物层可以有效的改善冠状层与金属层之间的接合度，进而可以防止在内连线结构中发生金属迁移。此外，上述内连线结构的各个元件可以现有技术中的技术来完成。因此，根据本发明的内连线结构及其形成方法可以有效地提升内连线的可靠度，并防止内连线的阻值因为空隙存在而升高。
(4)
本发明的上述目的与优点，将以下列的实施例结合图示进行详细说明，其中图1是一根据现有技术的技术所形成的内连线的示意图；图2是一形成根据本发明所揭示技术的内连线结构的流程图；图3A是一根据本发明的内连线结构的示意图；及图3B是根据本发明的另一内连线结构的示意图。
(5)具体实施方式
本发明的一些实施例会详细描述如下。然而，除了详细描述外，本发明还可以广泛地在其他的实施例施行，且本发明的范围不受其限定，而是以权利要求所限定的专利范围为准。
另外，半导体元件的不同部分并没有依照尺寸绘图。某些尺度与其他相关尺度相比已经被夸张，以提供更清楚的描述和本发明的理解。
本发明的一较佳实施例为一种内连线结构。在根据本发明的内连线结构中至少包含一层介电层，至少一层金属层位于上述介电层中，一层类金属化合物层(metallic compound layer)位于上述金属层上，与一层冠状层于上述的类金属化合物层之上。上述的金属层可以是铜，或是其他的金属或合金的材质，其中，上述的材质可能会在高温下因为在金属层与介电层之间的热应力而发生迁移。上述的介电层可以是一层低介电常数的介电层。
在本实施例中，上述的类金属化合物层可以是CoWP，CoWB，或是其他的类金属化合物。相对于现有技术中的内连线结构，上述类金属化合物层的性质比现有技术中的冠状层更接近金属层。因此，在金属层与冠状层之间的类金属化何物层有助于提升在内连线结构中的金属层与冠状层之间的结合度。所以，在现有技术的内连线结构中所产生的金属迁移可以藉由本实施例的结构而得到改善。
此外，在根据本实施例的内连线结构中，可以在上述的冠状层上还包含一单镶嵌(single damascene)或双镶嵌(dual damascene)的结构。换言之，上述的内连线结构中，可以还包含一层第二介电层位于上述冠状层之上，至少一第二金属层位于上述第二介电层中，以及其他的元件。
根据本发明的另一较佳实施例为一种形成内连线结构的方法。图2是一种根据本实施例来形成一内连线结构的流程图。首先，提供一介电层于一底材上，如步骤220所示。上述的介电层可以藉由一沉积制程，或是其他在现有技术中可以使用的技术来形成。上述的底材中包含数组半导体装置。接下来，参考步骤240，在上述介电层中形成至少一层金属层。上述的金属层可以是藉由一个用来形成至少一介层洞(via)于上述的介电层的中的蚀刻步骤，与一个使用金属材质来填满上述的介层洞的沉积制程。为了避免上述的金属层扩散至介电层中，在上述使用金属材质来填满上述介层洞的沉积制程之前，根据本实施例的方法还包含一个步骤，在上述介层洞的中形成一层共形的阻障层。上述金属层的组成可以是铜，或是其他的金属或合金材质。上述的阻障层可以是由Ta，TaN，或是其他在现有技术中可以使用的材质所组成。
接下来，在上述的金属层上形成一层类金属化合物层，如步骤260所示。上述的类金属化合物层可以形成于上述的金属层与介电层之上，或是只形成于上述的金属层之上。上述的类金属化合物层可以是藉由一种无电极电镀的制程，化学气相沉积(chemical vapor deposition)，物理气相沉积(physicalvapor deposition)，或是其他常见的技术来形成。上述的类金属化合物层的组成可以包含CoWP，CoWB，或是其他的类金属化合物材质。上述类金属化合物层的厚度可以是25至500埃。最后，如步骤280所述，在上述类金属化合物层的上形成一层冠状层。上述的冠状层可以是经由一种在现有技术中众所皆知的技术来形成，例如化学气相沉积制程。上述冠状层的组成可以是SiN，SiC，或是其他在现有技术中可能用于冠状层的材质。
在本实施例中，由于在金属层与冠状层之间有一层类金属化合物层的存在，所以，根据本实施例来形成的内连线结构可以避免在现有技术中的金属迁移现象出现。在本实施例中，上述类金属化合物层的性质可以比冠状层更接近金属层的性质。也就是说，因为有类金属化合物层的存在，所以，根据本实施例的冠状层与金属层之间的结合度可以比现有技术中的冠状层与金属层的结合度更高，上述现有技术的冠状层与金属层之间并没有类金属化合物层。因此，根据本实施例的方法所形成的结构可以避免在现有技术的内连线结构中由于热应力而产生的金属迁移现象。
另外，根据本实施例的方法还可以包含在上述内连线结构的冠状层上形成其他半导体元件的其他步骤。举例来说，在形成上述内连线结构之后，可以再接着执行一双镶嵌制程。换言之，在形成上述冠状层之后，可以形成一层第二介电层，相对于上文中所提及的介电层为第一介电层，于上述的冠状层上。上述的第二介电层也可以是经由诸如化学气相沉积法的类似现有技术中的技术来形成。接下来，执行一个蚀刻制程以形成至少一个第二介层洞，相对于上文中所提及的介层洞为第一介层洞，于第二接触层中。上述的第二介层洞可以穿过上述的第二介电层，冠状层，及类金属化合物层，使得上述的第二介层洞可以暴露出上述内连线结构中的(第一)金属层。在上述第二介层洞中形成一层第二共形的阻障层。最后，在第二介层洞的中填入第二金属层。上述的第二金属层可以是铜，铝，或是其他的金属或合金的材质。
根据本发明的另一实施例为一种内连线结构。图3A是根据本实施例的一种内连线结构的示意图。参考图3A，上述的内连线结构包含一层第一介电层300，一第一金属层320位于上述第一介电层300中，一层类金属化合物层340于第一金属层320的上，以及一层冠状层360位于第一介电层300与类金属化合物层340的上。第一介电层300可以是一层低介电常数的介电层，其中上述低介电常数的介电层的介电常数小于4。
第一介电层300至少包含一个第一介层洞，而第一金属层320是位于上述的第一介层洞中。第一金属层320的形成可以是先藉由一个蚀刻制程来形成数个第一介层洞于第一介电层300中，再经过一个沉积过程将第一金属层320填入上述的第一介层洞。第一金属层320可以是由铜，或是其他在现有技术的半导体制成中可以用来作为内连线的金属或合金材料所组成。为了避免第一金属层320扩散至第一介电层300中，本实施例的内连线结构在上述的第一介层洞中可以还包含一层共形的第一阻障层310。第一阻障层310的组成可以是TaN，Ta，或是其他类似的材质。
类金属化合物层340可以只位于第一金属层320之上，如图3A所示。类金属化合物层340也可以形成于第一介电层300与第一金属层320之上。类金属化合物层340的材质包括CoWP，CoWB，或是其他的类金属化合物。类金属化合物层340可以藉由无电极电镀制程，化学气相沉积法，物理气相沉积法，或是其他的技术来形成。在本实施例中，类金属化合物层340的厚度为25至500埃。位于第一介电层300与类金属化合物层340上的冠状层360可以是由SiN，SiC，或是其他的材质所组成。与现有技术中的冠状层相同的是，冠状层360可以藉由沉积制程，或是其他常见的方法来形成。
由于类金属化合物层340的性质比冠状层360更接近第一金属层320，使得类金属化合物层340对于第一金属层320可以比冠状层具有更好的结合度。也就是说，相较于现有技术的内连线结构，因为在本实施例的第一金属层320与冠状层360之间多了一层类金属化合物层340，所以，经由类金属化合物层340，冠状层360对于第一金属层320的结合度可以比现有技术的冠状层更好。根据本实施例的内连线结构可以防止在现有技术中的金属迁移，从而可以避免因为热应力而在内连线结构中形成空隙。因此，上述的内连线结构可以改善内连线的可靠度，并防止内连线的阻值上升。
参照图3B，本实施例的内连线结构可以还包含一层第二介电层380于冠状层360上，与至少一第二金属层400于第二介电层380中。在第二介电层380中至少包含一个第二介层洞，上述的介层洞穿过第二介电层380，冠状层360，与类金属化合物层340，以暴露出第一金属层320。在上述的第二介层洞中包括一层共形的第二阻障层390，与一层填满上述第二介层洞的第二金属层400。第二阻障层390可以用来防止第二金属层400扩散至第二介电层380。第二金属层400的组成可以是铜，铝，或是其他的金属或是合金材质。
综合以上所述，本发明揭示了一种防止金属迁移的内连线结构及其形成的方法。根据本发明的内连线结构至少包含一层介电层，至少一层金属层于上述介电层中，一层类金属化合物层于上述金属层之上，以及一层冠状层位于上述类金属化合物之上。上述类金属化合物层的性质比冠状层更接近金属层的性质，使得上述的冠状层，具有一层类金属化合物层位于冠状层与金属层之间，对于金属层可以发挥比现有技术中的冠状层更好的结合度。因此，根据本发明的内连线结构可以有效的防止在现有技术中的金属迁移。另外，在本发明中也同时揭示了一种形成上述内连线结构的方法。上述的方法至少包含下列的步骤，提供一层介电层，形成至少一层金属层于上述介电层中，在上述金属层上形成一层类金属化合物层，以及形成一层冠状层于上述的类金属化合物层上。在上述方法中，所有内连线结构的元件都可以使用现有技术中的技术来形成。此外，上述的内连线结构可以有效防止金属迁移的发生。所以，本发明所揭示的内连线结构及其形成的方法可以预防在内连线结构中因为热应力而产生的空隙，从而可以改善上述内连线的可靠度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的申请专利范围；凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或替换，均应包含在下述的权利要求所限定的范围内。
权利要求
1.一种内连线结构，其特征在于，包含一第一介电层；一第一金属层位于该第一介电层中；一类金属化合物层位于该第一金属层上；及一冠状层位于该类金属化合物层上。
2.如权利要求1所述的内连线结构，其特征在于，该第一介电层包括一低介电常数的介电材质。
3.如权利要求1所述的内连线结构，其特征在于，该第一金属层包含铜。
4.如权利要求1所述的内连线结构，其特征在于，该类金属化合物层是藉由一无电极电镀法来形成。
5.如权利要求1所述的内连线结构，其特征在于，该类金属化合物层是藉由一沉积法来形成。
6.如权利要求1所述的内连线结构，其特征在于，还包含一第二介电层位于该冠状层上；及一第二金属层位于该第二介电层中。
7.如权利要求1所述的内连线结构，其特征在于，该冠状层包含一介电材质。
8.一种内连线结构，其特征在于，包含一第一介电层具有至少一第一介层洞；一共形的阻绝层位于该第一介层洞中；一第一金属层位于该介层洞中；一类金属化合物层位于该第一金属层上；及一冠状层位于该类金属化合物层上。
9.如权利要求8所述的内连线结构，其特征在于，该第一介电层包含一低介电常数的介电材质。
10.如权利要求8所述的内连线结构，其特征在于，该第一金属层包含铜。
11.如权利要求8所述的内连线结构，其特征在于，该类金属化合物层是CoWP。
12.如权利要求8所述的内连线结构，其特征在于，该类金属化合物层是CoWB。
13.如权利要求8所述的内连线结构，其特征在于，还包含一第二介电层位于该冠状层上，该第二介电层包含至少一第二介层洞；及一第二金属层位于该第二介层洞中。
14.一种形成内连线结构的方法，其特征在于，包含提供一第一介电层包含至少一第一介层洞；形成一第一金属层于该第一介层洞中；形成一类金属化合物层于该第一金属层上；及形成一冠状层于该类金属化合物层上。
15.如权利要求14所述的形成内连线结构的方法，其特征在于，还包含形成一第二介电层于该冠状层上，该第二介电层包含至少一第二介层洞；与形成一第二金属层于该第二介层洞中。
16.如权利要求14所述的形成内连线结构的方法，其特征在于，在形成该第一金属层的步骤之前，还包含一形成一共形的阻障层于该第一介层洞中的步骤。
17.如权利要求14所述的形成内连线结构的方法，其特征在于，该第一介电层包含一低介电常数的介电材质。
18.如权利要求14所述的铜熔丝形成方法，其特征在于，该第一金属层包含铜。
19.如权利要求14所述的形成内连线结构的方法，其特征在于，该类金属化合物层是藉由一无电极电镀法来形成。
20.如权利要求14所述的形成内连线结构的方法，其特征在于，该类金属化合物层的形成包含一沉积制程。
21.如权利要求14所述的形成内连线结构的方法，其特征在于，该类金属化合物层是CoWP。
22.如权利要求14所述的形成内连线结构的方法，其特征在于，该类金属化合物层是CoWB。
23.如权利要求14所述的形成内连线结构的方法，其特征在于，该冠状层包含一介电材质。
全文摘要
本发明揭示一种内连线结构及其形成方法。其内连线结构包含一第一介电层；一第一金属层位于该第一介电层中；一类金属化合物层位于该第一金属层上；及一冠状层位于该类金属化合物层上。本发明的内连线结构可以藉由使用一层类金属化合物层来增进金属层与冠状层之间的接合度，进而可以避免在根据本发明的内连线结构中因为热应力而产生金属迁移。另外，因为根据本发明的内连线结构及其形成方法可以有效的防止金属迁移，所以，在根据本发明的内连线结构中不会因为热应力而产生空隙。因此，本发明的内连线结构及其形成方法防止因为产生空隙而造成内连线的阻值上升的缺陷，进而可以有效的提升内连线在半导体结构中的可靠度。
文档编号H01L21/768GK1512575SQ02159790
公开日2004年7月14日 申请日期2002年12月26日 优先权日2002年12月26日
发明者叶名世, 熊炯声, 郑躍晴 申请人:联华电子股份有限公司