专利名称：在镶嵌结构中形成阻障层的方法
技术领域：
本发明是关于半导体制造，特别有关于在单镶嵌与双镶嵌制程中形成隔绝铜金属扩散的阻障层，借以形成良好的金属内联机与接触窗。
背景技术：
在习知的集成电路制造中，纯铝金属化制程具有低成本，良好的欧姆接触以及高导电性。而近来，由于电路设计的积集化以及对组件反应速度的要求，因此开始发展比铝导电性更高的金属材质来达到目的。
目前，常见的导电度高于铝的材质为铜金属。在采用铜金属化制程中，多半将铜金属填入介层洞、沟槽，或其它凹槽中，如镶嵌结构，以形成半导体组件的内联机结构或半导体基底上的导电层。参见图1A，所示为一双镶嵌结构的横切面，其中在半导体基底10中设置半导体组件11。而在该半导体基底上依序形成一蚀刻终止层12作为保护层(如氮化硅层)以及一介电层13(如低介电常数层或二氧化硅层)。在介电层13中则形成介层洞14与沟槽15，形成双镶嵌开口。
而在图1B中，移除介层洞14中的蚀刻终止层12以露出其下的半导体装置11。而在图1C，则进一步形成扩散阻障层18，其包含钽(Ta)、钨(W)、铬(Cr)或金属复合物，如氮化钛(titanium-nitride)、钛-钨化物(titanium-tungsten)、氮化钨(tungsten-nitride)、或氮化钽(tantalumnitride)等，作为扩散阻障层18，并可同时作为附着层，以增进后续铜金属19填入介电层13时的表面附着力。接着在介层洞14与沟槽15中完全填满铜金属，并续以平坦化制程以形成铜金属线路，如图1D所示。
上述的铜镶嵌制程解决了目前半导体制造在线宽趋窄且线路更为复杂的情况下所遭遇的一些问题。而更进一步，为了解决铜制程中的铜金属对于介电层的扩散与毒化问题，亦可预先形成阻障层18做为隔离。然而，仍须在形成阻障层18前先行移除底层的蚀刻终止层12以露出其下的半导体组件或铜金属内联机。
在习知技术中，通常借由选择性干蚀刻以去除底部的蚀刻终止层12。其缺点在于，此类的干蚀刻，例如电浆蚀刻，通常会连带撞击底层的铜金属内联机或半导体装置，使得部分的铜金属或合金残渣17被溅击而附着于介层洞的侧壁上。此类侧壁上的铜金属或合金残渣，会扩散渗入介电层中形成毒害，因而降低半导体装置的电性稳定性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的一个目的在于改良镶嵌结构中阻障层的形成方法，借以避免铜金属残余物附着于镶嵌结构的侧壁与阻障层的间。
根据上述目的，本发明提供一方法，以在镶嵌结构中形成阻障层，该方法包含下列步骤。在一半导体基底上，依序形成一导电层、一保护层与一介电层。将该介电层图案化并蚀刻形成一开口以露出其下的保护层。接着在该半导体基底上顺应性(conformal)形成第一金属阻障层(firstmetal barrier layer)后，移除该开口底部中的第一金属阻障层以露出其下的保护层。接着进一步移除该开口底部中的保护层以露出其下的导电层。最后，在该半导体基底上形成第二金属阻障层。
本发明更提供一种在镶嵌结构中形成阻障层的方法，包含下列步骤。在一半导体基底上依序形成一导电层、一保护层与一介电层。将该介电层图案化并蚀刻以形成一开口露出其下的保护层。进行异方性离子溅镀(Anisotropic ion sputtering)以在开口的侧壁上形成第一金属阻障层。接着移除该开口底部中的保护层以露出其下的导电层。最后，在该半导体基底上形成第二金属阻障层。
借由上述方法，可以避免在移除开口底部的保护层时，产生铜金属残渣毒害介电层。
图1A至图1D所示为习知的一种形成双镶嵌结构阻障层的流程侧视图；图2A至图2F所示为根据本发明的一实施例中，形成一双镶嵌结构中的阻障层的流程侧视图；图3A至图3F所示为根据本发明的另一实施例中，形成一双镶嵌结构中的阻障层的流程侧视图。
图号说明10、20、30半导体基底11、21、21半导体组件/导电层12、22、32保护层13、23、33介电层14介层洞15沟槽16干蚀刻17铜金属残余物18阻障层19金属铜
25、35开口26、27、36、37干蚀刻28、38第一金属阻障层29、39第二金属阻障层具体实施方式
为了让本发明的上述目的、特征、及优点能更明显易懂，以下配合所附图式，作详细说明如下图2A至图2F所示为根据本发明的一实施例中，形成一双镶嵌结构的阻障层的流程侧视图。
参见图2A，首先于一半导体基底20上形成导电的金属铜内联机结构。接着续于该半导体基底上形成一保护层22，例如SiNx、SiCx或SiCxNy。接着在保护层22上形成介电层23，而在较佳情况中，该介电层为氧化硅或低介电常数材料。
接着将介电层23图案化并蚀刻形成一开口25，可为单镶嵌开口，或为双镶嵌开口，如图2B所示。
接着参见图2C，在半导体基底20上顺应性形成第一金属阻障层(first metal barrier layer)28。第一金属阻障层28可为TaN、Ta、TiN或WN，但并非以此为限。较佳者，乃先在半导体基底20上顺应性(conformal)溅镀沉积一氮化钽(TaN)层，接着形成钽金属层(Ta)作为铜金属扩散阻障层28。接着，利用临场溅镀(in-situ sputtering)26或高密度电浆(HDP)蚀刻去除开口25底部的第一金属阻障层以露出其下的保护层22。
在图2D中，继续进行选择性蚀刻27，以去除开口25底部的保护层22，露出其下的内联机结构21，借由选择性蚀刻，保持侧壁上的第一金属阻障层28与介电层23完整，如图2E所示。同时，在移除保护层22时，下方内联机结构可能同时受蚀刻撞击产生铜金属残余物附着于开口25的侧壁，然而借由开口25侧壁上的第一金属阻障层28可以保护介电层23不受铜金属的扩散毒害。
此外，在上述步骤后，一般进一步进行湿式清洗去除开口25底部的保护层22残余物时，而第一金属阻障层28同时也保护介电层23不受湿式清洗损害。
参见图2F中，接着以离子溅镀方式，如离子化金属电浆(ionizedmetal plasma，IMP)，在该半导体基底上形成第二金属阻障层29，其组成可为TaN、Ta、TiN或WN等，但并非以此为限。在较佳情况中，该第二金属阻障层为钽金属层或氮化钽与钽金属的复合层。而第二金属阻障层29的厚度较佳者较习知的阻障层厚度更小，以降低阻障层的阻容延迟(RC delay)。
根据上述两步骤形成金属阻障层的制程，减少开口25的侧壁受到铜金属残余物的污染，因此有效提高镶嵌结构的可靠性。
图3A至图3F所示为根据本发明的另一较佳实施例中，形成一双镶嵌结构的阻障层的流程侧视图。
参见图3A，首先于一半导体基底30上形成导电层31，如金属铜内联机结构。接着续于该半导体基底上形成一保护层32，例如氮化硅(SiNx)、SiCx或SiCxNy。接着在保护层32上形成介电层33，而在较佳情况中，该介电层为氧化硅或低介电常数材料。
接着将介电层33以微影制程图案化并蚀刻形成一开口35，可为单镶嵌开口，或为双镶嵌开口，如图3B所示。
接着参见图3C，在半导体基底30的开口35的侧壁上形成第一金属阻障层38。在较佳实施例中，利用异方性离子溅镀36，如离子化金属电浆(ionized metal plasma，IMP)于开口35的侧壁上形成第一金属阻障层38。借由调整离子溅镀的偏压功率，金属离子可以被控制于仅沉积在开口35的侧壁，而不沉积于开口35的底部。
第一金属阻障层38可为TaN、Ta、TiN或WN等，但并非以此为限。较佳者，则利用异方性离子溅镀在开口35的侧壁上先沉积氮化钽(TaN)，接着再沉积钽金属层(Ta)，以形成第一金属阻障层38。利用此种方式，可以省略由开口35底部去除第一金属阻障层38的步骤。
参见图3D中，接着借由选择蚀刻37由开口35的底部移除保护层32，露出其下的内联机结构31而不损及开口35侧壁上的第一金属阻障层38与介电层33，如图3E所示。较佳者，选择性蚀刻37可借由溅镀蚀刻进行。而在上述步骤中，形成第一金属阻障层38与移除开口35底部的保护层32的步骤，可以一并在相同的溅镀反应室(sputtering chamber)中完成。
而根据上述方法，在溅镀蚀刻开口35底部的保护层32时，产生的铜金属残余物可能附着于开口35的侧壁，而借由侧壁上的第一金属阻障层38则可避免介电层33受到金属的铜扩散污染。
上述方法的另一个优点在于当后续进行开口35底部的保护层32残余物的例行性湿式清洗时，第一金属阻障层38同时可保护介电层33不会受到湿式清洁的影响或损害。
接着参见图3F中，借由离子溅镀，如离子化金属电浆(IMP)在半导体基底30上形成第二金属阻障层39。该第二金属阻障层39可以为TaN、Ta、TiN或WN等，但并非以此为限。在较佳情况中，该第二金属阻障层39为钽金属层，或氮化钽与钽金属的复合层。在较佳情况中，第二金属阻障层39的厚度较一般阻障层的厚度小，以降低RC延迟(RC delay)。
根据上述两步骤形成金属阻障层的方法，可以避免开口35的侧壁受到铜金属的扩散污染，提高铜镶嵌制程结构的可靠性。
为了完整说明铜镶嵌制程，接着以下步骤进一步说明单镶嵌或双镶嵌结构制程(图未显示)。
首先在金属阻障层上进一步借由离子化金属电浆(IMP)沉积一铜晶种层(seed layer)。铜晶种层可以增加后续铜金属沉积的附着力，而晶种层的厚度则根据各种产品要求不同而异。
接着在晶种层上进行铜金属的电化学沉积(electrochemicaldeposition，ECD)，以填满该开口。铜金属的沉积状态则取决于均匀、无缺陷而具有良好附着效果的的晶种层与阻障层。半导体基底上过多的铜金属则以一般的化学机械研磨(CMP)进行平坦化而形成金属铜的镶嵌结构。
权利要求
1.一种在镶嵌结构中形成阻障层的方法，包含在一半导体基底上依序形成一导电层、一包护层与一介电层；图案化并蚀刻该介电层以形成一开口露出其下的该保护层；在该半导体基底上顺应性形成一第一金属阻障层；移除该开口底部的该第一金属阻障层以露出其下的该保护层；移除该开口底部的该保护层以露出其下的该导电层；以及在该半导体基底上形成一第二金属阻障层。
2.根据权利要求1所述的在镶嵌结构中形成阻障层的方法，其中该第一金属阻障层与该保护层是以干蚀刻移除。
3.根据权利要求1所述的在镶嵌结构中形成阻障层的方法，其中该第一金属阻障层是由离子溅镀形成。
4.根据权利要求1所述的在镶嵌结构中形成阻障层的方法，其中该保护层包含SiNx、SiCx或SiCxNy。
5.根据权利要求1所述的在镶嵌结构中形成阻障层的方法，其中该第一金属阻障层是以溅镀形成TaN、Ta、TiN或WN。
6.根据权利要求1所述的在镶嵌结构中形成阻障层的方法，其中该第二金属阻障层是以溅镀形成TaN、Ta、TiN或WN。
7.根据权利要求1所述的在镶嵌结构中形成阻障层的方法，其中该开口为双镶嵌结构开口。
全文摘要
本发明是关于形成镶嵌结构的阻障层的方法，包含下列步骤在一半导基底上依序形成导电层、保护层与介电层；将该介电层图案化并蚀刻形成一开口，露出其下的保护层；接着在半导体基底上顺应性沉积一第一金属阻障层后，移除开口底部的第一金属阻障层露出保护层；接着移除开口底部的保护层以露出其下的导电层；最后，于该半导体基底上形成第二金属阻障层。
文档编号H01L21/02GK1521827SQ0310198
公开日2004年8月18日 申请日期2003年1月30日 优先权日2003年1月30日
发明者林建元, 杨伟文, 顾子琨 申请人:矽统科技股份有限公司