专利名称：内连线结构的形成方法
技术领域：
本发明涉及一种集成电路，尤其涉及一种集成电路的内连线结构以及其形成方法，且还涉及一种在镶嵌的内连线结构中，低介电常数铜阻挡层的形成。
背景技术：
集成电路通常含有多个图案化的金属线，其借由导线间的间隔分开。一般而言，垂直间隔的金属化层的金属图案是借由导孔互相电性连接，在沟槽状开口内所形成的金属线通常平行于半导体基底而延伸。依据目前的技术，这种类型的半导体元件可包括八层或更多层的金属化层，以满足元件的几何与微小型化的需求。目前常用于形成金属线或插塞的工艺为镶嵌(damascene)工艺，一般而言，此工艺包含在层间介电层内形成开口，层间介电层将垂直间隔的金属化层分开。于开口形成之后，在开口内填充铜或铜合金，以形成铜线，并且也可以形成导孔。接着，借由化学机械平坦化技术将层间介电层表面上多余的金属材料除去。为了准确地控制开口的形成，可使用蚀刻停止层。图1是显示形成传统的内连线结构的中间阶段的剖面示意图，介电层110具有铜线112埋入于其中，蚀刻停止层(etch stop layer ；ESL) 114形成于介电层110与铜线112之上，低介电常数介电层120在蚀刻停止层114上形成，开口 122在低介电常数介电层120内形成。于开口 122形成期间，使用蚀刻停止层114来停止低介电常数介电层120的蚀刻。为了降低内连线结构的寄生电容，蚀刻停止层114较佳为具有低介电常数值。然而，在目前的工艺技术中，蚀刻停止层114的介电常数值只能够降低至约4. 0或更大，蚀刻停止层114的介电常数值的降低会造成低介电常数介电层120与蚀刻停止层114的蚀刻选择比(etching selectivity)的牺牲。再者，蚀刻停止层114的介电常数值的降低也会造成其形成的内连线结构的漏电流增加。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明实施例提供了一种内连线结构的形成方法，依据在此所公开的一概念，于内连线结构的形成中，在介电层内形成金属图形，使用前驱物与包含碳的碳源气体作为前驱物，在金属图形与介电层之上形成蚀刻停止层，在碳源气体中不含有二氧化碳，前驱物则是选自于大抵上由1-甲基硅烷、2-甲基硅烷、3-甲基硅烷、4-甲基硅烷以及前述的组合所组成的群组。其他实施例亦包含如下。采用本发明提供的内连线结构的形成方法，实验显示蚀刻停止层具有非常低的介电常数值，其可介于约3. 0至约4. 0之间。为了让本发明的上述目的、特征、及优点能更明显易懂，以下配合附图，作详细说明如下
图1是显示包含蚀刻停止层的传统的内连线结构的剖面示意图；以及图2至图7是显示依据一实施例，在内连线结构的制造过程中，各中间阶段的剖面示意图，其中包含蚀刻停止层的形成。主要附图标记说明2 晶片；10 半导体基底；20、110 介电层；对 金属线；30、52 扩散阻挡层； 34、114 蚀刻停止层；36 四乙氧基硅烷氧化层；40 导孔金属层间介电层；42 沟槽金属层间介电层；46 导孔开口 ；48 沟槽开口 ；50 光致抗蚀剂力4 导孔；56 导线； 112 铜线；120 低介电常数介电层；122 开口。
具体实施例方式以下详述各实施例的制造与使用，然而，可以理解的是，这些实施例提供许多可实施的发明概念，其可以应用在各种不同的特定背景中，在此所讨论的特定实施例仅用于说明本发明，并非用以限定公开的范围。在此提供集成电路的一种新的内连线结构以及其形成方法，并以
制造一实施例的中间阶段，以及讨论实施例的各种变化。在此所公开的全部附图以及实施例中，使用相似的附图标记来标示相似的元件。图2至图7是显示依据各种实施例，在内连线结构的制造过程中，各中间阶段的剖面示意图。图2显示晶片2，其包含金属线对在介电层20内，且更进一步形成于半导体基底10之上。半导体基底10可以是未切割(im-diced)晶片的一部份，半导体基底10可以是硅基底，或者可包括其他半导体材料，例如SiGe、GaAs或类似的材料。集成电路，例如为 P型金属氧化物半导体(PMOS)与N型金属氧化物半导体(NMOS)晶体管(未示出)，可以在半导体基底10的上表面上形成。在一实施例中，介电层20为低介电常数值(k值)的金属层间介电层(inter-metal dielectric ;IMD)，例如介电常数值低于约3. 5，或者甚至低于约2. 5。低介电常数介电层20可由常见的低介电常数介电材料形成，例如含碳的介电材料， 且可进一步含有氮、氢、氧以及前述的组合。扩散阻挡层30以及金属线M在低介电常数介电层20内形成，扩散阻挡层30 可包含钛(titanium)、氮化钛(titanium nitride)、钽(tantalum)、氮化钽(tantalum nitride)以和/或其他的选择，金属线M的材料可包含铜或铜合金。虽然金属线M可以由其他导电材料，例如银、金、钨、铝以及类似的材料形成，但是在以下的描述中，金属线 24也被称为铜线M。形成铜线M的步骤可包含在低介电常数介电层20内形成镶嵌式开口(damasceneopening)，在镶嵌式开口内形成扩散阻挡层30，沉积一层薄的铜或铜合金的籽晶层(seed layer)，以及例如借由电镀法填充镶嵌式开口。接着，进行化学机械平坦化 (chemical mechanical planarization ；CMP)工艺，除去低介电常数介电层20之上多余的材料，形成如图2所示的结构。为了简化附图，在后续的附图中未示出基底10。图3显示蚀刻停止层(ESL) 34的形成，蚀刻停止层也称为铜阻挡层，虽然可使用不同的厚度，蚀刻停止层34的厚度T通常介于约IOOA至约500A之间。蚀刻停止层 34的介电常数可低于约4. 0，或者甚至低于约3. 5，其材料可选自于氮掺杂碳化物(碳化硅)(nitrogen doped (silicon) carbide ；SiC =N ；NDC)、氧掺杂碳化物(碳化硅)(oxygen
4doped (silicon) carbide ；SiC :0 ；0DC)，以及前述的组合。蚀刻停止层34的形成方法包含常用的化学气相沉积法(CVD)，例如等离子体增强型化学气相沉积法(PECVD)，其反应气体 (前驱物)取决于所希望的蚀刻停止层34的组成，且可包含硅(Si)、碳(C)、氢(H)、氮(N)、 氧(0)、硼(B)，以和/或类似的元素。在一实施例中，前驱物包含气体，其是选自于1-甲基硅烷(1-methylsilane ;Si (CH)H3 ；IMS)、2_ 甲基硅烷(2-methylsilane ;Si (CH)2H2 ；2MS)、 3-甲基硅烷(3-methylsilane ;Si (CH)3H ;3MS)、4-甲基硅烷(4-methylsilane ；Si (CH)4 ； 4MS)以及前述的组合。另夕卜，也可以使用惰性气体，例如He、N2、Ar、Xe以及类似的气体作为周围气体(ambient gas)。如果要形成氧掺杂碳化物(碳化硅)(ODC)，可加入二氧化碳 (CO2)提供氧；如果要形成氮掺杂碳化物(碳化硅)(NDC)，可加入氨气(NH3)提供氮。再者， 前驱物可包含含硼的气体，例如&H6、BH3或前述的组合，以提供硼至所形成的蚀刻停止层 34中。除了上述所讨论的前驱物之外，还可以加入一个或多个碳源气体(carbon-source gas)，以增加所形成的蚀刻停止层34中的碳含量。碳源气体可以是富含碳的来源 (carbon-rich source)，其表示在碳源气体中，碳的原子百分比较高，例如大于约10百分比，或甚至大于约20或30百分比。在示范性的实施例中，碳源气体是含有碳氢的气体，其是选自于C2H4、C2H6以及前述的组合。借由碳源气体所提供的额外的碳，可增加所形成的蚀刻停止层34中的碳百分比，并且改善蚀刻停止层34的性质。在一实施例中，碳源气体的流率与全部的1MS/2MS/3MS/4MS气体的流率的比值大于约2或4。在一实施例中，蚀刻停止层34的形成在反应室(chamber)内进行，例如使用等离子体增强型化学气相沉积法(PECVD)，其中晶片2的温度可介于约300°C至约500°C之间，且反应室的压力可介于约2陶尔(torr)至约10陶尔(torr)之间。形成蚀刻停止层34的功率来源可包含高频射频功率(high-frequency radio frequency (RF) power)，例如频率约在 13. 56MHz，以及低频射频功率(low-frequency radio frequency (RF) power)，例如频率约在350KHz。在蚀刻停止层34的形成中，高频射频功率源可提供介于约100瓦(watt)至约1000瓦(watt)的功率，而低频射频功率源则可提供低于约500瓦(watt)的功率，且甚至可低至0瓦(watt)(表示没有提供低频功率)，此外，高频射频功率与低频射频功率可同时提供。在形成氮掺杂碳化物(碳化硅)(NDC)的示范性实施例中，晶片的温度约为400°C， 反应室的压力约为9陶尔(torr)，高频射频功率约为350瓦(watt)，而低频射频功率则关掉。31^丄2!14、冊3与彻的流率的比值约为1 3 1 5。然而，可以理解的是，这些工艺条件仅作为示范用，其最佳的条件可经由实验发现。接着，如图4所示，可使用例如等离子体增强型化学气相沉积法(PECVD)，在蚀刻停止层；34上选择性地形成四乙氧基硅烷(tetra-ethyl-ortho-silicate ;TE0Q氧化层 36。形成四乙氧基硅烷氧化层36的前驱物可包含四乙氧基硅烷(TEOS)前驱物与氧，四乙氧基硅烷氧化层36的厚度可小于约500A。在形成蚀刻停止层34与选择性的四乙氧基硅烷氧化层36之后，可进行更多的镶嵌(damascene)工艺步骤，以形成覆盖于其上的结构，例如导孔(via)以及其上的铜线， 导孔以及其上的铜线可借由单镶嵌工艺或双镶嵌工艺形成。参阅图5，首先在蚀刻停止层 34之上形成导孔金属层间介电层(vialMD layer)40，导孔金属层间介电层40可以是低介电常数介电层，其介电常数值小于约3. 5，或者可以是超低介电常数介电层，其介电常数值小于约2. 7，并且可包括碳掺杂氧化硅(carbon-doped silicon oxide)、氟掺杂氧化硅 (fluorine-doped silicon oxide)、有机低介电常数材料，以和/或其他多孔性(porous) 低介电常数材料。导孔金属层间介电层40的形成方法包含旋转涂布法(spin-on)、化学气相沉积法(CVD)或其他已知的方法。然后，在导孔金属层间介电层40之上形成沟槽金属层间介电层(trench IMD layer)42，可使用与导孔金属层间介电层40相似的方法以及相似或相同的材料形成沟槽金属层间介电层42，于沟槽金属层间介电层42形成之前，可在导孔金属层间介电层40上选择性地形成蚀刻停止层(未示出)。参阅图6，形成导孔开口 46与沟槽开口 48。导孔开口 46与沟槽开口 48的形成可借由光致抗蚀剂的协助，以定义出其图案。图6中显示定义出沟槽开口 48图案的光致抗蚀剂50，其中光致抗蚀剂50在沟槽开口 48形成之后被移除。导孔开口 46的形成则可以使用蚀刻停止层34作为蚀刻停止层。在后续的工艺步骤中，如图7所示，蚀刻停止层34 (以及选择性的四乙氧基硅烷氧化层36)暴露出来的部分被蚀刻除去，然后形成扩散阻挡层52。接着，剩下的导孔开口 46 与沟槽开口 48被导电材料，例如铜或铜合金填充。然后，进行化学机械研磨工艺(chemical mechanical polish ；CMP)除去多余的材料，导电材料留下的部分形成导线56以及导孔M。实验显示蚀刻停止层34具有非常低的介电常数值，其可介于约3. 0至约4. 0之间。相较之下，传统的氧掺杂碳化物(ODC)所具有的介电常数值的范围约在4. 0至5. 0之间，且传统的氮掺杂碳化物(NDC)所具有的介电常数值大于约5.0。相较于无添加额外碳的传统氧掺杂碳化物(ODC)与传统氮掺杂碳化物(NDC)，蚀刻停止层34的蚀刻速率也较低，此外，蚀刻停止层34的漏电量(leakage)也较传统的氧掺杂碳化物(ODC)与传统的氮掺杂碳化物(NDC)低约3个等级(order)，这些蚀刻停止层34所改善的特性使得导孔(如图7中的导孔54)的导孔电阻值随着尺寸缩减而降低很多。再者，利用蚀刻停止层34所形成的内连线结构的击穿电压(breakdown voltage)以及依时性介电击穿(time-d印endent dielectric breakdown ；TDDB)行为也得到改善。实验结果指出，当漏电流为1E_03A/Cm2 时，击穿电压可如同约5. 3MV/cm 一样高，并且当击穿电压为2MV/cm时，漏电流可如同约 lE-08A/cm2 一样低。虽然本发明已公开较佳实施例如上，然其并非用以限定本发明，在此技术领域中具有普通知识的技术人员当可了解，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许更动与润饰。因此，本发明的保护范围当以所附的权利要求所界定的范围为准。
权利要求
1.一种内连线结构的形成方法，包括提供一介电层；形成一金属图形在该介电层内；以及使用多个前驱物，形成一蚀刻停止层在该金属图形与该介电层之上，该蚀刻停止层与该金属图形及该介电层接触，且其中所述多个前驱物包括一含有硅与碳的额外前驱物；以及一含有碳的碳源气体，其中该碳源气体中不含二氧化碳。
2.如权利要求1所述的内连线结构的形成方法，其中该额外前驱物是选自于由1-甲基硅烷、2-甲基硅烷、3-甲基硅烷、4-甲基硅烷以及前述的组合所组成的群组。
3.如权利要求1所述的内连线结构的形成方法，其中该碳源气体还含有氢。
4.如权利要求3所述的内连线结构的形成方法，其中该碳源气体为CxHy，且其中χ与y 的值大于0。
5.如权利要求4所述的内连线结构的形成方法，其中该碳源气体包括C2H4。
6.如权利要求1所述的内连线结构的形成方法，其中该蚀刻停止层包括氧掺杂碳化物，且其中所述多个前驱物还包括二氧化碳。
7.如权利要求1所述的内连线结构的形成方法，其中该蚀刻停止层包括氮掺杂碳化物，且其中所述多个前驱物还包括氨。
8.如权利要求1所述的内连线结构的形成方法，还包括形成一低介电常数介电层在该蚀刻停止层之上；以及形成一金属线及一导孔在该低介电常数介电层内，其中该金属线及该导孔与该金属图形电性耦接。
9.如权利要求8所述的内连线结构的形成方法，还包括形成一四乙氧基硅烷氧化层在该蚀刻停止层与该低介电常数介电层之间，并且该四乙氧基硅烷氧化层与该蚀刻停止层及该低介电常数介电层接触。
10.如权利要求1所述的内连线结构的形成方法，其中所述多个前驱物还包括一含硼气体。
全文摘要
本发明提供了一种内连线结构的形成方法，在内连线结构的形成中，于介电层内形成金属图形，使用前驱物以及包含碳的碳源气体作为前驱物，在金属图形及介电层之上形成蚀刻停止层，碳源气体中不含有二氧化碳，前驱物则选自于由1-甲基硅烷、2-甲基硅烷、3-甲基硅烷、4-甲基硅烷以及前述的组合所组成的群组。采用本发明提供的内连线结构的形成方法，实验显示蚀刻停止层具有非常低的介电常数值，其可介于约3.0至约4.0之间。
文档编号H01L23/532GK102194739SQ20111003758
公开日2011年9月21日 申请日期2011年2月10日 优先权日2010年3月15日
发明者施伯铮, 林耕竹, 柯忠祁, 王冠程, 郑双铭 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司