TW200816372A - Interconnection structure and manufacturing method thereof - Google Patents

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200816372 20953twf.doc/006 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種積體電路結構及其製作方法，且 特別是有關於一種内連線結構及其製作方法。 【先前技術】 在高積集度的半導體元件中，一般都具有兩層以上的 内連線金屬層’稱為多重金屬内連線（multilevel interconnects) ’其目的是用以適應元件的密度增加而形成 的立體的配線結構。 圖1A為習知一種内連線結構之剖面示意圖。請參照 圖1A ’内連線結構i〇a包括基底、銅導線1〇2、金屬 阻障層104、氮化矽阻障層106、介電層1〇8以及銅插塞 110。銅導線102配置於基底1〇〇中。介電層配置於基 底100上。氮化矽阻障層106配置於介電層108與基底1〇〇 之間。氮化矽阻障層106與介電層108中具有開口 1〇9， 開口 109暴露出銅導線1〇2。銅插塞11〇配置於開口 1〇9 :且與銅導線102電性連接。金屬阻障層104配置於銅插 基110與開口 109的侧壁與底部之間，以及基底1〇〇盥 導線102之間。 一 ^ 、、由於氮化矽阻障層1〇6具有較高的介電常數，往往會 =成RC延遲，為了解決此問題，一般會在銅導線1〇2 L表面配置一層磷化鈷鎢(c〇wp)來取代具有高介電常數 ^虱=矽阻障層1〇6。圖1B為習知另一種内連線結構之剖 示思圖。請參照圖1B，内連線結構10b包括基底1〇〇、 200816372 20953twf.doc/006 銅導線102、介電層108、銅插塞11〇以及磷化鈷鎢層112。 銅導線102配置於基底1〇〇中。磷化鈷鎢層U2配置於銅 導線102上。介電層1〇8配置於基底1〇〇上。介電層1〇8 中具有開口 109’開口 1〇9暴露出構化钻鎢層112。銅插塞 110配置於開口 1〇9中且與磷化鈷鎢層112電性連接。金 屬阻障層104配置於銅插塞no與開口 1〇9的側壁與底部 之間，以及基底1〇〇與銅導線1〇2之間。 然而’隨著科技的日益發展，積體電路之元件尺寸也 不斷縮小，使得開口 109的直徑也隨著縮小。當開口 ι〇9 的直徑越來越小時，流經銅插塞110中單位面積的電流會 越大而對元件造成損害，進而導致元件的可靠度降低。此 外，金屬阻障層104的材料通常為鈕(Ta)/氮化鈕(TaN)、鈕 或氮化組，使得金屬阻障層1〇4的阻值比銅插塞11()高， 因此Μ元件尺寸縮小時，導致金屬阻障層1Q4對於銅插塞 110的比例相對增加，而造成插塞阻值增加的問題。 此外’還可以利用奈米碳管(carb〇n nan〇tube，CNT) 來取代銅插塞110，藉由奈米碳管的高電流承載密度(銅電 流承載密度的1000倍)來增進内連線結構的效能。圖1C 為習知又一種内連線結構之剖面示意圖。請參照圖1C，内 連線結構10c包括基底1〇〇、銅導線102、金屬阻障層丨〇4、 介電層108、组阻障層114、鈷(或鎳)金屬層116以及奈米 碳管118。銅導線102配置於基底1〇〇中。金屬阻障層1〇4 配置於基底100與銅導線102之間。介電層1 〇8配置於基 底100上。钽阻障層114配置於介電層1〇8與基底1〇〇之 200816372 2Uy^3twt：doc/006 間。介電層108中具有開口 1〇9，開口 1〇9暴露出鈕阻障 層114。钻（或鎳）金屬層！丨6配置於開口 1〇9中，且位於组 阻I1早層114上。奈米碳管118配置於開口 1〇9中，且位於 钻(或錄)金屬層116上。 然而，在内連線結構10c中，鈕阻障層114為導電層， 在製作過程中是以沈積的方式形成在整個晶片上，會使得 位於组阻障層114下方的銅導線1〇2藉由组阻障層ιΐ4與 其他區域的導電結構電性連接，而產生短路的現象，但^ 又口為元件饴度的提尚無法精確地將晶片上的鈕阻障屑 114 :案化，導致内連線結構1〇c在製程中面臨無法‘ 的問題。此外’為了在開p中形成奈米碳f 118，必 形成作為觸媒之用的銘(或鎳)金屬層m，也使得製程步 更佳複雜困難，同時增加了生產成本。 【發明内容】 本發明的目的就是在提供一種内連線結構，可以 元件效能以及提高可靠度。 曰運 、本發明的另-目的是提供一種内連線結構的 法，可以簡化製程以及降低生產成本。 本發明提連線結構，此喊線結構 底減導體阻障層、介電層與奈米碳管。基底中具有土 2阻障層配置於導電區上，且導體阻障層中含二 或鎳。介電層配置於基底上。奈料管配胁 銘 與導體阻障層電性連接。 9中且 依照本發明實施例所述之内連線結構，上述之導體随 200816372 ^u^jjiwi.doc/006 障層的材料例如為以鐵、鈷或鎳為基底的化合物。 立依照本發明實施例所述之内連線結構，上述之導體阻 障層的材料例如為磷化鈷鎢(C0WP)、磷化鎳鎢(Niwp)、硼 化鈷鎢(CoWB)、硼化鎳鎢(NiWB)、磷化鈷鉬(c〇M〇p)、磷 化鎳鉬(NiMoP)或其衍生物。 ^依照本發明實施例所述之内連線結構，上述之導體阻 障層的材料例如為磷化鈷鎢，且導體阻障層的厚度例如介 於5 nm至20 nm之間。 依照本發明實施例所述之内連線結構，上述之 例如為銅導線。 、^ 依照本發明實施例所述之内連線結構，上述之介電層 的材料例如為二氧化矽或低介電常數絕緣材料。 屯曰 依照本發明實施例所述之内連線結構，更可以於導+ 區與基底之間配置有阻障層。 、、甩 依知本發明實施例所述之内連線結構，上述之阻障声 的材料例如為鈕(Ta)/氮化鈕(TaN)、磷化鈷鎢、磷化鎳=曰、 硼化鈷鎢、硼化鎳鎢、磷化鈷鉬或磷化鎳鉬。

^ 本發明提出一種内連線結構的製作方法，此方法是 提供一基底，此基底中具有導電區。然後，於導電區= 成導體阻障層，且導體阻障層中含有鐵、鈷或鎳Γ接著f 於基底上形成介電層。之後，於介電層中形成奈米碳总， 此奈米碳管與導體阻障層電性連接。 人B 依照本發明實施例所述之内連線結構的製作方法，上 述之V體阻障層的材料例如為以鐵、钻或鎳為基底的化人 200816372 ‘v^jj»iwi:doc/006 物 依照本發明實施例所述之内連線結構的製作方、 述之脰阻P早層的材料例如為構化钻鎢、嶙化錄 上 銘鶴、ί朋化鎳鶴、磷化銘鉬、填化鎳鉬或其衍生物蝴化 依妝本發明實施例所述之内連線結構的製作方 述之$體阻卩早層的材料例如為鱗化铦鎢， p上 厚度例如介於5 nm至2G nm之間。 —體阻P早層的 依照本發明實施例所述之内連線結構的製作方法，上 述之‘體阻障層的形成方法例如為無電鍍⑻沉加卜％ Plating)法。 依照本發明實施例所述之内連線結構的製作方法，上 述之形成奈米碳管的方法例如為化學氣相沈積法。 依照本發明實施例所述之内連線結構的製作方法，上 述之形成奈米碳管時的溫度例如介於3〇〇。〇至45〇。〇之 間’且壓力例如介於丨torr至2〇t〇rr之間，所通入的氣體 例如為乙炔(QH2)、氳(H2)氣、與氬(Ar)氣 依照本發明貫施例所述之内連線結構的製作方法，上 述之乙炔的流量例如介於1 SCCm至1〇〇 sccm之間。 依照本發明實施例所述之内連線結構的製作方法，上 述之氫氣的流量例如介於100 seem至500 seem之間。 依照本發明實施例所述之内連線結構的製作方法，上 述之氬氣的流量例如介於〇 sccm至5〇〇 seem之間。 在本發明之内連線結構的製作過程中，由於直接將奈 米碳管形成於含有形成奈米碳管之用的鐵、鈷或鎳的導體 200816372 zuyD3twt.doc/006 11 11 早二上省去了額外形成奈米碳管的觸媒層之步驟，因 此使付製^更為簡單，且導體阻障層使用無電鍍法來形 成，也不需進行額外的圖案化製程來移除晶片上其他區域 上的導體阻障層，因而達到了量產的目的。 此外’本發明同時彻具有高導電率的奈米碳管作為 内連線結_插塞以及利用含有填化_等具有低介電常 數的材料來作為導體轉層，更可財效地提高元件的可 责廢。 μ為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯 易憧’下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如 下。 【實施方式】 圖2Α至圖2C為依照本發明實施例所繪示的内連線結 構之製作流程剖面圖。首先，提供基底200，基底200中 具^導電區202。導電區2〇2例如為銅導線，形成方法例 如是先對基底200進行微影製程與蝕刻製程，以於基底2〇〇 中形成開π 203。然後，於基底2〇〇上沈積銅金屬層（未緣 示）。之後，進行化學機械研磨製程，以移除開口 2⑽外的 銅至屬層此外，在沈積銅金屬層之前，可以選擇性地於 開口 203的側壁以及底部形成阻障層2〇4。阻障層2〇4的 材料例如為鈕、氮化钽、钽/氮化钽、磷化鈷鎢、磷化鎳鎢、 硼化鈷鎢、硼化鎳鎢、磷化鈷鉬或磷化鎳鉬。 請繼續參照圖2Α，於導電區202上形成導體阻障層 206。導體阻障層206的材料例如為鐵、姑或鎳為基底的化 200816372 20953twf.doc/006 $物，因此導體阻障層206除了玎以作為導電區2〇2的阻 障層之外，還可以以作為後續形成奈米碳管時所需的觸 媒。導體阻障層206的材料例如為填化姑鎢、嶙化^嫣、 硼化鈷鎢、硼化鎳鎢、磷化鈷鉬、磷化鎳鉬或其衍生物， 形成方法例如為無電鍍法。當導體阻障層2〇6的材料為磷 化鈷鎢’其厚度例如介於5 nm至20 nm之間。 特別一提的是，由於導體阻障層206是採用無電鍍法 直接形成於導電區202上，因此不會形成在晶片上其他區 域，也就是說，不需要再進行額外的圖案化製程來移除晶 片上其他&域的上的導體阻障層206，因此可以在高元件 密度的條件下進行量產。 接著’請參照圖2B，於基底200上形成介電層208。 介電層208的材料例如為二氧化矽或低介電常數絕緣材 料。繼之，進行微影製程與蝕刻製程，以於介電層2〇8中 形成開口 210。開口 21〇暴露出部分導體阻障層2〇6。

之後’請參照圖2C，於介電層208中形成奈米碳管 212，且奈米碳管212與導體阻障層206電性連接。奈米碳 嘗212的方法例如為化學氣相沈積法。更詳細地說，奈米 碳管212例如在介於300°C至45(TC之間的溫度下，且壓力 例如介於1 torr至20torr之間形成，所通入的氣體例如為 乙炔(02¾)、氫(¾)氣、與氬(Ar)氣，其中乙炔的流量例如 介於1 seem至100 seem之間，氫氣的流量例如介於1〇〇 seem至500 seem之間，氬氣的流量例如介於〇 sccm至5〇〇 seem之間。在一較佳的實施例中，溫度例如是介於38〇°C 11 200816372 2U^^Jtwt.doc/006 至410 C之間’壓力例如介於5 torr至10 torr之間，乙快 的流量例如介於1 seem至60 seem之間，氫氣的流量例如 介於100 seem至500 seem之間，氬氣的流量例如介於〇 seem至450 seem之間。在一更佳的實施例中，溫度例如 是400°C，壓力例如是1〇 torr之間，乙炔與氫氣的流量比 例如是7 : 500。 值得一提的是，由於作為導電區202的阻障層的導體 阻障層206中已含有形成奈米碳管212時所需的觸媒，而 不需額外地在形成奈米碳管212之前先形成一層觸媒層， 因此使得製程更為簡單並降低了生產成本。 以下將以圖2C為例，對本發明之内連線結構作說明。 請參照圖2C，本發明之内連線結構包括基底2〇〇、導 電區202、導體阻障層206、介電層208與奈米碳管212。 導電區202配置於基底200中。導體阻障層206配置於導 電區202上，且導體阻障層206中含有形成奈米碳管212 之用的鐵、姑或鎳。介電層208配置於基底200上。奈米 碳管212配置於介電層208中且與導體阻障層206電性連 接。此外，導電區202與基底200之間選擇性地配置有阻 障層204。 在本實施例中，直接將奈米碳管212配置於含有形成 奈米碳管212之用的鐵、鈷或鎳的導體阻障層2〇6上，同 時利用導體阻障層206作為導電區202的阻障層來避免產 生RC延遲的問題以及利用奈米碳管212作為本發明之内 連線結構中的插塞來達到降低電阻的目的，因而提高了元 12 200816372 ^U^^Jtwi.doc/006 件的可罪度’且由於不需額外地於奈米碳管212與導電區 202之間配置奈米碳管212的觸媒層，進而降低了生產成 ° ^ /綜上所述，在本發明之内連線結構中，直接將奈米碳 賞心成於έ 成奈米碳管之用的鐵、#或鎳的導體阻障 ，上了以省去額外形成奈米碳管的觸媒層之步驟，因而 簡化了製程，且導體阻障層使用無電鍍法來形成，不需進 行額外的圖案化製絲移除晶>1上其他區域上的導體阻障 層’更達到了量產的目的。此外，湘具有高電流承載密 度的奈米碳管作勒連線結構的齡以及含有雜銘鎢等 具有低介電常數的㈣來料導體阻障層，更可以有效地 提高元件的可靠度。 雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定 本發明任何熟訊技藝者，在不麟本發明之精神和範 圍内胃可作些*之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍 當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 圖1Α為習知一種内連線結構之剖面示意圖。 圖1Β為習知另一種内連線結構之剖面示意圖。 圖1C為習知又一種内連線結構之剖面示意圖。 圖2Α至圖2C為依照本發明實施例所繪示的内連線結 構之製作流程剖面圖。 【主要元件符號說明】 l〇a、l〇b、i〇c ··内連線結構 13 200816372 2Uy^Jtwt：doc/006 100、200 :基底 102 :銅導線 104 :金屬阻障層 106 :氮化矽阻障層 108、 208 :介電層 109、 203、210 :開 π 110 :銅插塞 112 :磷化鈷鎢層 114 :钽阻障層 116 :鈷(或鎳)金屬層 118、212 :奈米碳管 202 :導電區 204 :阻障層 206 :導體阻障層 14

Claims (1)

1. 200816372 20953twf.doc/006 十、申請專利範圍： 1·一種内連線結構，包括： 一基底，該基底中具有一導電區； 一導體阻障層，置於該導 中含有鐵、銘或鎳； 上’且該導體阻障層 一介電層，配置於該基底上；以及 性連接。；、“㉟置㈣介電層巾且賴導體阻障層電 2.如申請專利範圍第卜員所述之 導體;且:申，r為以鐵，或鎳為基上= 導體阻障層的材料包㈣化_、 觸鶴、她自、侧蝴彳職鶴、 4·如申請專利範圍第3項 導體阻障層的材料為_•，且該;==; 於5_至2〇_之間。 知體_層的厚度介 導電it:::利範圍第1項所述之内連線結構，其中該 介電圍第1項所述之内連線結構，其中該 包括二氧化矽或低介電常數絕緣材料。 —阻“，ϊΐϋ範圍第1項所述之内連線結構，更包括 曰配置於該導電區與該基底之間。 阻产it申請專利範圍第7項所述之内連線結構，並中该 早θ的材料包括崎化组,匕_、碟化鎳鎮、、^ 15 200816372 20953twf.doc/006 鈷鎢、硼化鎳鎢、磷化鈷鉬或磷化鎳鉬。 9.一種内連線結構的製作方法，' 拓. 提供一基底，該基底中具有一導電區. 含有形成一她障層；導體阻障層中 於该基底上形成一介電層；以及 阻障切成—奈料f，妓米奸與該導體 方法10二材2述之内連線結構的製作 化合物。 Μ的材枓為以鐵 、鈷或鎳為基底的 方法，利乾圍帛10項所述之内連線結構的製作 石朋化減 障層的材料包括磷化_、磷化鎳鶴、 或其衍生物。 方法，並圍弟11項所述之内連線結構的製作 障層的厚度層2:=:一該娜 方法：二=:第線結構的製作 14如由w ㈣成方法包括無電鑛法。 方法，=㈣9 1請述之_線結構的製作 亥t米碳管的方法包括化學氣相沈積法。 方法，其中形14項所述之内連線結構的製作 門，且芦六^ Μ不米碳官時的溫度介於300°c至450°c之 B )丨於1咖至20如之間，所通入的氣體包括 16 200816372 zuv^jtwi.doc/006 乙炔、氫氣、與氬氣。 16. 如申請專利範圍第15項所述之内連線結構的製作 方法，其中乙快的流量介於1 seem至100 seem之間。 17. 如申請專利範圍第15項所述之内連線結構的製作 方法，其中氫氣的流量介於1〇〇 seem至500 seem之間。 18. 如申請專利範圍第15項所述之内連線結構的製作 方法，其中氬氣的流量介於〇 seem至5⑻seem之間。 19. 如申請專利範圍第9項所述之内連線結構的製作 方法’其中該導電區為銅導線。 20. 如申請專利範圍第9項所述之内連線結構的製作 方法，其中該介電層的材料包括二氧化矽或低介電常數絕 緣材料。 17