TW201606934A - 形成互連之方法 - Google Patents

Abstract

包括溝槽(110)和(186)和通孔(202)的導電互連是通過在工件之上施加介電膜堆疊(120)，且之後在膜堆疊之上施加光阻劑(140)而形成在工件(100)中。溝槽(142)在光阻劑中被圖案化，其中所述溝槽處於彼此端對端設置的區段中。區段在將要安置通孔(202)的位置處彼此縱向地間隔開。溝槽被蝕刻到介電膜堆疊中，且隨後用導電材料填充以形成金屬線段(186)。通孔(192)在分離縱向相關的線(186)的相鄰端的間隙中被圖案化。圖案化的通孔被蝕刻且然後用導電材料填充，其中相鄰線段(186)的端部用於在沿著溝槽長度的方向上準確地定位通孔。

Description

形成互連之方法 相關申請案的交叉引用

本專利申請案主張享有於2014年4月2日提出申請的美國臨時申請案第61/974332號的權益，在此通過引用將所述申請的公開內容明確結合在本案中。

本案內容的實施方式涉及半導體晶圓處理領域，且更具體而言，涉及用於製造作為積體電路的一部分的鑲嵌金屬互連結構的技術，在所述積體電路中，低介電常數介電層被用於層間介電質(inter-level dielectric)。

積體電路是形成在半導體材料和在覆蓋在半導體材料的表面上的介電材料內的裝置的互連整體。可形成在半導體內的裝置包括MOS電晶體、雙極電晶體、二極體和擴散電阻器。可形成在介電質內的裝置包括佈線層、薄膜電阻器、電感器和電容器。裝置是通過介電質內形成的導體路徑互連。通常，兩個或兩個以上層級(level)的佈線被用作互連，所述佈線具有通過含有連接通孔(via)的介電層分隔的連續層級。在當前實踐中，銅和基於無機氧化矽的介電質通常被分別用 於導體和介電材料。

在半導體晶圓上的裝置製造中，通常的做法是在基 板上方製造多個層級的導電金屬層。隨著裝置尺寸縮到深亞微米(deep sub-micron)設計規則，多個金屬化層被使用以適應更高密度。同樣地，互連結構的尺寸持續縮小以適應更小尺寸。

已使用鑲嵌金屬化方法來構建鑲嵌金屬結構，特別 是當利用銅互連金屬化時。在單鑲嵌方法中，通孔介電質被沉積並蝕刻，隨後將所述通孔介電質以金屬(阻障層和導體)填充並使用化學機械研磨(CMP)技術平坦化。溝槽介電質隨後被沉積和圖案化以允許沉積溝槽金屬化，隨後再次進行平坦化。在雙鑲嵌集成方案中，在完整的介電質堆疊中形成通孔和溝槽結構，隨後金屬被同時沉積在兩個結構中。

雙鑲嵌製程通過減少形成給定金屬化層級的通孔和 溝槽所需的製程步驟，在製程簡化方面提供了優勢。在金屬互連形成之前，用於金屬化層級佈線的開口和將佈線連接至下金屬化層級的底層(underlying)通孔順序地形成。工序提供微影術(lithography)的優點且允許改進的臨界尺寸控制。隨後，通孔和溝槽兩者可同時利用相同的金屬填充步驟被填充和被平坦化，從而減少所需處理步驟的數目。

對於若干代技術，用於互連金屬化的典型集成方法 一直為雙鑲嵌方法，在所述雙鑲嵌方法中，溝槽和通孔被鑲嵌在介電膜堆疊中，由金屬填充，且使用CMP平坦化以形成鑲嵌金屬互連(例如，參見Zhao等人的美國專利第6,100,184 號)。雙鑲嵌圖案化方案可基於首先蝕刻哪種圖案被分類為「通孔優先」或「溝槽優先」。方法已經有「通孔對於溝槽--通孔優先(trench over via-via first)」集成(例如參見2001年R.H.Havemann和J.A.Hutchby的Proceedings of the IEEE第89卷第5期的第586頁至第601頁和其中的參考文件)和「金屬硬遮罩--溝槽優先」集成(例如參見2008年J.Kriz等人的Microelectronic Engineering(微電子工程)第85卷第10期的第2128頁至第2132頁和其中的參考文件；且還參見2010年K.Hamioud等人的Microelectronic Engineering(微電子工程)第87卷第3期的第316頁至第320頁和其中的參考文件)。

不管所選擇的集成方案如何，可選擇各種介電材料 ，所述材料由所實施的技術的要求所驅動。此外，金屬層的若干不同組合可用於建立互連結構。所述組合可包括通過PVD、CVD或ALD技術沉積的擴散阻障層材料，所述材料通常包括難熔金屬(refractory metal)的氮化物。諸如釕、鈷或錳之類的材料也可被包括在金屬堆疊中。導體通常是銅，但也可包括諸如鈷、鋁、錳、金、銀、鈦、鎳之類的其他金屬或上述金屬的合金。使用金屬帽層(capping layer)來降低精細互連的電遷移同樣已變得常見。這些層通常是使用無電沉積(electroless deposition)或CVD沉積技術來沉積。

因為現有方法在這些小尺寸方面變得不適當，所以 需要用於圖案化、蝕刻和金屬化的新的方法。根據ITRS，本案內容設法擴展鑲嵌技術以金屬化16nm或更少的半間距(half-pitch)(32nm或更少的間距)。每層使用各種硬遮罩和多 個微影術和蝕刻步驟的雙鑲嵌技術正在變得日益複雜和高成本。此外，在雙鑲嵌集成中使用的單步金屬化需要同時發生的線填充和通孔填充。單步金屬化會給金屬化製程施加負擔，因為通孔處理可具有與線處理不同的要求。將通孔形成與線形成分離的方法可簡化處理同時改進製程控制。實現分離的一個方法是單鑲嵌集成方案。然而，所述方法具有其自身的限制。特別地，線與通孔的對準變得困難，因為線與通孔在不同層級形成。成本是所述方法的另一缺點。

狹窄特徵結構的金屬化提出了一系列挑戰。這些挑 戰當中的關鍵挑戰是：圖案化、間隙填充和可靠性。細線寬度要求正在驅動對於新微影術方法的需求，所述方法包括雙重圖案化，雙重圖案化可提高在一個軸上的解析度，而不提高在晶圓平面的兩個軸上的解析度。在暴露底層金屬層之後執行諸如低介電常數材料的孔密封之類的步驟也變得更加困難，從而減少了化學處理的選擇。此外，在微影術和蝕刻工序期間處理表面狀態(topography)同時維持精細特徵結構尺寸變得日益困難。另外，實現具有導電金屬的狹窄特徵結構的無空隙填充變得更加困難。然而，空隙可能具有在電應力下遷移和聚結(coalesce)的趨勢。實際上，金屬互連自身的小的特徵結構傾向於增加互連金屬的電阻率和電遷移。

因此，存在對於不受上述問題限制的改進集成方案 的需求。本案內容提供構建微電子工件的特徵結構(諸如溝槽和通孔，特別是在鑲嵌應用中)的可替代集成方案，所述集成方案不會遇到與傳統集成方案相關的問題。

提供本發明內容用來以簡化形式介紹構思的選擇，這些構思在下文具體實施方式中進一步描述。本發明內容並不意在決定所主張標的的關鍵特徵結構，也不意在用作決定所主張標的的範圍的輔助內容。

根據本案內容的一個實施方式，提供了一種在工件中形成由金屬化線和通孔組成的互連的方法。所述方法包括：(a)在工件中形成金屬線，其中金屬線設置在縱向間隔開的線段中，所述線段彼此端對端地(end-to-end)間隔開；和(b)在工件中形成通孔，其中第一形成的金屬線的至少一端限制(constrain)第二形成的通孔的一個截面尺寸，或其中第一形成的通孔的至少一端限制第二形成的金屬線的一個截面尺寸。

根據本案內容的另一實施方式，提供了一種在工件中形成包括溝槽和通孔的互連的方法。所述方法包括：在工件上施加介電膜堆疊；在介電膜堆疊之上施加硬遮罩；在硬遮罩之上施加光阻劑；在光阻劑中圖案化溝槽，所述溝槽在彼此端對端設置的縱向區段中被圖案化，所述區段在將要安置通孔的位置處彼此縱向地間隔開；蝕刻溝槽至介電膜堆疊中；用導電材料填充溝槽；在將縱向相關的填充溝槽的端部分離的間隙中圖案化通孔；蝕刻工件中的圖案化的通孔；和用導電材料填充蝕刻的通孔。

根據本案內容的另一實施方式，提供了一種在工件中形成包括溝槽和通孔的互連的方法。所述方法包括：在工件上施加介電膜堆疊；在介電膜堆疊之上施加硬遮罩；在硬 遮罩之上施加光阻劑；在界定間隙的光阻劑中圖案化通孔，所述間隙分離通孔；蝕刻工件中的圖案化的通孔；用導電材料填充蝕刻的通孔；在光阻劑中圖案化溝槽，所述溝槽在分離通孔的間隙中彼此端對端設置的縱向區段中被圖案化，所述區段在通孔的位置處彼此縱向地間隔開；蝕刻溝槽至介電膜堆疊中；和用導電材料填充溝槽。

根據本案內容的另一實施方式，提供了包括溝槽和 通孔的半導體工件。所述工件通過以下步驟產生：在工件上施加介電組合物(dielectric composition)；在介電組合物之上施加硬遮罩；在硬遮罩之上施加光阻劑；在光阻劑中圖案化溝槽，所述溝槽在彼此端對端設置的縱向佈置的區段中被圖案化，所述縱向區段在將要安置通孔的位置處彼此間隔開；蝕刻溝槽至介電組合物中；用導電材料填充溝槽；在將縱向相關的溝槽的端部分離的間隙中圖案化通孔；蝕刻介電組合物中的圖案化的通孔；和用導電材料填充蝕刻的通孔。

根據本案內容的另一實施方式，提供了包括溝槽和 通孔的半導體工件。所述工件通過以下步驟產生：在工件上施加介電膜堆疊；在介電膜堆疊之上施加硬遮罩；在硬遮罩之上施加光阻劑；在界定間隙的光阻劑中圖案化通孔，所述間隙分離通孔；在工件中蝕刻圖案化的通孔；用導電材料填充蝕刻的通孔；在光阻劑中圖案化溝槽，所述溝槽在分離通孔的間隙中彼此端對端設置的縱向區段中被圖案化，所述區段在通孔的位置處彼此縱向地間隔開；蝕刻溝槽至介電膜堆疊中；和用導電材料填充溝槽。

根據本文所述的實施方式的任一實施方式，進一步 包括：在工件之上施加光阻劑，和通過光刻法在光阻劑上圖案化金屬線的溝槽。

根據本文所述的實施方式的任一實施方式，溝槽可 通過一製程來圖案化，所述製程從以下各製程組成的組中選擇：多重圖案化、浸沒式微影術、遠紫外線微影術和上述製程的組合。

根據本文所述的實施方式的任一實施方式，進一步包括通過圖案化蝕刻在工件中蝕刻溝槽。

根據本文所述的實施方式的任一實施方式，進一步包括修復對蝕刻溝槽的損壞和用烴類前驅物密封溝槽。

根據本文所述的實施方式的任一實施方式，進一步包括在溝槽的表面之上沉積阻障層。

根據本文所述的實施方式的任一實施方式，進一步包括在阻障層之上沉積種晶層。

根據本文所述的實施方式的任一實施方式，進一步包括用導電材料填充溝槽以形成金屬線。

根據本文所述的實施方式的任一實施方式，進一步包括熱處理工件以引起導電材料回流(reflow)至溝槽中以構建第一導電層。

根據本文所述的實施方式的任一實施方式，進一步包括在第一導電層之後沉積至少一個附加導電層(additional conductive layer)，和熱處理工件以引起每一個附加導電層的回流。

根據本文所述的實施方式的任一實施方式，進一步包括施加金屬材料覆蓋層(overburden)至填充的溝槽。

根據本文所述的實施方式的任一實施方式，進一步包括使用CMP以去除覆蓋層並減小工件的高度，以暴露工件和金屬化線。

根據本文所述的實施方式的任一實施方式，進一步包括，在形成線或溝槽之後，在金屬線之上施加光阻劑，並且在所述光阻劑上圖案化通孔。

根據本文所述的實施方式的任一實施方式，進一步包括蝕刻通孔和使用導電材料填充蝕刻的通孔。

根據本文所述的實施方式的任一實施方式，進一步包括蝕刻通孔，在通孔表面之上施加阻障層以覆蓋通孔表面；和用導電材料填充通孔。

根據本文所述的實施方式的任一實施方式，可將通孔導電填充材料的金屬覆蓋層施加至工件。

根據本文所述的實施方式的任一實施方式，進一步包括去除覆蓋層以減小工件的高度，以暴露工件和金屬化的通孔和溝槽。

根據本文所述的實施方式的任一實施方式，其中在形成溝槽或通孔之後，可將光阻劑施加在溝槽或通孔之上，和在所述光阻劑上圖案化通孔或溝槽。

根據本文所述的實施方式的任一實施方式，其中在蝕刻通孔之後，可在通孔表面之上沉積阻障層。

根據本文所述的實施方式的任一實施方式，其中可 將通孔填充材料的金屬覆蓋層施加至工件。

根據本文所述的實施方式的任一實施方式，進一步包括去除覆蓋層以減小工件的高度，以暴露金屬化的溝槽和對準的通孔。

100‧‧‧工件

100'‧‧‧工件

102‧‧‧基板

104‧‧‧基板

106‧‧‧介電層

110‧‧‧金屬線

110'‧‧‧金屬線

112‧‧‧阻障層

120‧‧‧介電膜堆疊

124‧‧‧阻障層/抗蝕劑帶

126‧‧‧介電層

128‧‧‧阻障層/帽層

130‧‧‧硬遮罩層

140‧‧‧光阻劑

142‧‧‧溝槽

150‧‧‧阻障層

152‧‧‧種晶層

160‧‧‧金屬覆蓋層

170‧‧‧回流製程

172‧‧‧步驟

174‧‧‧步驟

176‧‧‧ECD種晶材料

178‧‧‧退火步驟

180‧‧‧回流步驟

182‧‧‧填充物

186‧‧‧金屬線

186'‧‧‧溝槽

190‧‧‧支撐膜

192‧‧‧通孔

196‧‧‧阻障層

198‧‧‧種晶層

200‧‧‧覆蓋層

202‧‧‧通孔

202'‧‧‧通孔

當結合附圖考慮時，通過參照以下具體實施方式，本案內容的上述方面和許多伴隨的優點變得被更好地理解，所述上述方面和優點將變得更加易於領悟。

圖1是示出結合本案內容的一個實施方式使用的起始工件的示意性製程圖。

圖2是圖1在沉積介電膜堆疊之後的視圖。

圖3是圖2的工件在施加光阻劑且隨後將光阻劑圖案化之後的示意圖；圖4A、圖4B和圖4C是圖3的工件在蝕刻和抗蝕劑剝離(resist stripping)之後的視圖。

圖5A是圖4C的工件在阻障層沉積之後的視圖；圖5B是圖5A的工件在種晶沉積之後的視圖；圖5C是圖5B的工件在金屬化和覆蓋層鍍敷(plating)之後的視圖。

圖6是圖示圖5B的工件的一部分的示意性流程圖，圖6圖示了部分填充和回流金屬化技術；圖7是圖5C的工件在CMP工序之後的示意圖。

圖8A是圖7的工件在光阻劑施加和圖案化通孔之後的俯視示意圖； 圖8B是圖8A的工件在通孔蝕刻之後的等距視圖；圖9A是圖8B的工件在阻障層沉積之後和種晶層沉積之後的等距視圖；圖9B是圖9A的工件在金屬填充和覆蓋層沉積之後的等距示意圖；圖10A是圖9B的工件在用於去除覆蓋層的CMP製程之後的等距視圖；圖10B是穿過圖10A的線10B-10B的截面圖；和圖10C是類似於圖10B但屬於本案內容的一替代實施方式的截面圖。

本案內容的實施方式是針對諸如半導體晶圓之類的工件、用於處理工件的裝置或處理元件和處理所述工件的方法。術語工件、晶圓和半導體晶圓是指任何平的媒體或物件，包括半導體晶圓和其他基板或晶圓、玻璃、遮罩和光學或儲存媒體、MEMS基板，或具有微電子、微機械或微電子機械裝置的任何其他工件。

本文所述的製程將被用於在工件的特徵結構中產生互連，所述特徵包括溝槽和通孔。在本案內容的一個實施方式中，製程可被用於產生小的特徵結構互連，所述特徵結構例如具有小於30nm的寬度或直徑的特徵結構。然而，本案內容的製程適用於任何特徵結構尺寸。在本案中所討論的尺寸大小是在特徵結構的頂部開口處的蝕刻後特徵結構尺寸。本文所述的製程可被應用於例如鑲嵌類型應用中的各種形式的 銅、鈷、鎳、金、銀、錳、錫、鋁和合金沉積。在本案內容的實施方式中，特徵結構可選自由具有以下尺寸的特徵結構組成的組：具有小於30nm、約5nm至小於30nm、約10nm至小於30nm、約15nm至約20nm、約20nm至小於30nm、小於20nm、小於10nm和約5nm至約10nm的尺寸。

如本文所使用的描述性術語「微特徵結構工件」和 「工件」包括在處理中已先前沉積並在給定點處形成的所有結構和層，且並不僅限於如附圖中所示的那些結構和層。

儘管在本案中通常描述為金屬沉積，但是術語「金 屬」也考慮是金屬合金。所述金屬和金屬合金可用於形成種晶層或完全地或部分地填充特徵結構。示例性的銅合金可包括但不限於銅錳或銅鋁。作為非限制性實例，與主要合金金屬(例如，Cu、Co、Ni、Ag、Au、Mn、Sn或Al)相比，合金組成比率可在約0.5%至約6%的次要合金金屬的範圍內。

金屬互連的傳統製造可包括將阻障層適當沉積於介 電材料上，以防止金屬擴散到介電材料中。適當的阻障層可包括例如Ta、Ti、TiN、TaN、Mn或MnN。適當的阻障層沉積方法可包括PVD、ALD和CVD。阻障層通常被用於將銅或銅合金與介電材料隔離；然而，在其他金屬互連的情況下，擴散可能並不是問題，因此可能不需要阻障層。

阻障層沉積之後可以是可選的種晶層沉積。在於特 徵結構中沉積金屬的情況下，對於種晶層存在若干選擇。種晶層可以是：(1)種晶層(作為非限制性實例，PVD銅種晶層)，(2)由襯墊層和種晶層組成的堆疊膜(作為非限制性實例， CVD Ru襯墊層和PVD銅種晶層)，或(3)次級種晶層(secondary seed layer)(作為非限制性實例，CVD或ALD Ru次級種晶層)。然而，本案內容也考慮到沉積這些示例性種晶層的其他方法。

種晶層可以是金屬層，諸如銅、鈷、鎳、金、銀、錳、錫、鋁、釕和上述金屬的合金。

如上文所論述，襯墊層是用作替代種晶的一種材料或用於幫助減輕不連續的種晶問題和提高種晶層的粘附力。襯墊通常是諸如Ru、Pt、Pd和Os之類的貴金屬，但是所列金屬亦可包括Co和Ni。當前，CVD Ru和CVD Co是常用的襯墊；然而，襯墊層亦可通過使用諸如PVD或ALD之類的其他沉積技術形成。襯墊層的厚度可在約5埃(Ångstrom)至50埃的範圍內。

如上文所論述，次級種晶層與襯墊層類似的是，通常由諸如Ru、Pt、Pd和Os之類的貴金屬形成，但所列金屬也可包括Co和Ni，而且也常用CVD Ru和CVD Co。不同之處在於次級種晶層充當種晶層，而襯墊層是阻障層和種晶層之間的中間層。次級種晶層也可通過使用除CVD以外的諸如PVD或ALD之類的沉積技術形成。

可在合成氣體(forming gas)環境(例如，氮中有3%-5%的氫或氦中有3%-5%的氫)中在約100℃至約500℃之間的溫度下對襯墊或次級種晶沉積物進行熱處理或退火，以去除任何表面氧化物、緻密化次級種晶或襯墊層和改善沉積物的表面性質。襯墊或次級種晶沉積物可另外通過浸入氣態氮 (N₂氣體)或其他鈍化環境中被鈍化，以防止表面氧化。襯墊或次級種晶的鈍化描述於2013年1月22日發佈的美國專利第8357599號中，通過引用將所述專利的公開內容作為整體明確地結合在此。

在已沉積種晶層(諸如以下非限制性實例之一：PVD 銅種晶、包括CVD Ru襯墊或CVD Ru次級種晶的PVD銅種晶、或另一沉積金屬或金屬合金、層組合或沉積技術)之後，所述特徵結構可包括在種晶層之後的共形金屬層。然而，共形金屬層可直接沉積在阻障層上，即沒有種晶層。

參照圖1，以先前存在的金屬化示出工件100。工件 100包括通常由單晶矽組成的基板102。阻障層104被設置在基板102之上並位於低k介電層106之下。阻障層可由例如厚度範圍是約7.5奈米(nm)的諸如氮化鉭之類的多種材料製成。低k介電層可由例如以下材料組成：二氧化矽、摻雜有氟或碳的二氧化矽、磷矽酸鹽玻璃(PSG)或硼磷矽玻璃(BPSG)。作為一個實例，低k介電層106可為例如約32.5nm厚。

在介電層106中形成以溝槽110形式的基於銅的金屬 化陣列。溝槽內襯有例如約1nm厚的金屬阻障層112。阻障層可由氮化鉭或其他適當的阻障層材料組成，如前述。在圖1中，所示出的金屬化材料是具有例如約8nm的線寬度和約20nm的深度的銅。同樣僅舉例而言，圖1中所示的溝槽以20nm的間距定位，其中所述溝槽的總厚度是10nm，因此相鄰溝槽之間的間隔是10nm。當然，也可使用其他間距和厚度尺寸。

下一步，參照圖2，在圖1的介電層106之上沉積介電 膜堆疊120。介電膜堆疊120可具有許多不同的構造或組成。 僅作為舉例說明，圖2中所示的膜堆疊120包括與阻障層104一樣的阻障層124，所述阻障層可由氮化鉭或其他適當的材料組成。此外，與在阻障層104中一樣，阻障層124可例如約7.5nm厚。下一步，在阻障層124之上設置第二低k介電層126。介電層126可具有與介電層106相同或類似的組成，或可具有其他低k介電材料。僅舉例而言，介電層126的總厚度可從40nm到44nm。下一步，在介電層之上設置阻障層或帽層128。帽層可由SiO₂組成，所述帽層通常通過電漿增強化學氣相沉積(PE-CVD)或四乙基氧矽烷基CVD製程施加。

下一步，在金屬帽的頂部有一或多個不同組成的金 屬硬遮罩130。例如，硬遮罩可由通過PVD沉積的金屬或金屬合金組成，所述金屬合金諸如TiN。硬遮罩層可通過許多已知的方法沉積，所述方法包括PVD或CVD技術或熱氧化技術。 硬遮罩層130可由兩個或更多個硬遮罩材料層組成，而不是由單個均勻層組成。僅作為舉例說明，圖2中所示的硬遮罩層130可為約10nm厚。當然，對於硬遮罩層可利用其他厚度。

下一步，參照圖3，以標準方式將光阻劑層140旋轉 到工件上。同樣，以標準方式，通過已知的光刻技術在光阻劑中形成溝槽142的圖案。如圖3中所示，僅溝槽142被圖案化和形成，這與傳統的「溝槽優先」製程的方法不同。此外，如圖3中所示，溝槽是以延伸區段(elongated section)圖案化而不是以連續的縱線圖案化。以所述方式圖案化的目的是在溝槽之間留下間隙，稍後將在所述間隙處圖案化通孔。

溝槽142的圖案化可通過「切割遮罩」進行。此外， 可使用多重圖案化(例如包括雙重或四重圖案化)、浸沒式微影術、EUV或其他已知的圖案化方法。

下一步，參照圖4A、圖4B和圖4C，溝槽142被蝕刻 至介電材料126中。所述蝕刻可通過標準蝕刻技術進行。蝕刻可以多個步驟發生。首先，光阻劑和硬遮罩被蝕刻，且隨後阻障層128和介電質126被蝕刻。

介電層126的表面介電孔可能被蝕刻製程損壞。所述 損壞可被修復且由孔密封產品密封。

修復和密封介電質內的溝槽的能力是在本方法中的 重要優點，因為所述修復和密封在通孔蝕刻之前發生且不對底層金屬層造成損壞風險。在通孔蝕刻之後，在通孔底部的暴露金屬在使用含氧處理和化學品的修復和密封步驟期間易受損壞。

下一步，如圖4C中所示，通過標準方法去除光阻劑 140。儘管未示出，但是也可去除硬遮罩130。光阻劑140和硬遮罩130的去除可提供產生溝槽142的金屬化的較小深寬比的優點。

下一步，如圖5A和圖5B中所示，蝕刻和修復的溝槽 142被準備用於金屬化。沉積阻障層150，隨後沉積種晶層152。本案內容的方法不限於特定阻障層。然而，如前述，阻障層通常可以是難熔金屬或難熔化合物，例如鈦(Ti)、鉭(Ta)、氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)等等。可使用不同的沉積技術施加阻障層，所述沉積技術例如物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉 積(CVD)或原子層沉積(ALD)。這些沉積技術在本領域中是已知的。阻障層通常被用於將銅或銅合金與介電材料隔離；然而，在其他金屬互連的情況下，擴散可能並不是個問題，因此可能不需要阻障層。

如圖5B中所示，阻障層150沉積之後可以是可選的種 晶層152沉積。種晶層152的目的可提供低電阻電氣路徑，所述低電阻電氣路徑使得能夠更均勻地在阻障層之上鍍敷及/或幫助銅或其他溝槽材料很好地粘附至阻障層，從而提供連續的可鍍膜以在上面鍍敷。因而，種晶層152可由諸如銅、鈷、鎳、金、銀、錳、錫、鋁或釕之類的金屬組成。此外，金屬合金可用於形成種晶層，所述金屬合金包括例如銅合金，所述銅合金諸如銅錳、銅鈷或銅鎳。種晶層也可由上文所列的其他種晶金屬的合金組成。此外，對於沉積種晶層存在多種選擇，諸如使用PVD用於銅種晶層沉積的。也可通過使用諸如CVD或ALD之類的其他沉積技術形成種晶層。

種晶層152可以是堆疊膜，例如襯墊層和PVD種晶層 。襯墊層是用於阻障層上或在阻障層和PVD種晶層之間使用的材料，以減輕不連續的種晶問題和提高PVD種晶對阻障層的粘附力。襯墊層通常由諸如釕(Ru)、鉑(Pt)、鈀(Pd)和鋨(Os)之類的貴金屬組成。襯墊也可由Co或Ni組成。當前，CVD Ru和CVD Co通常被用於構建襯墊；然而，也可通過使用包括ALD或PVD在內的其他沉積技術形成襯墊層。

種晶層152也可以是次級種晶層，所述次級種晶層類似於襯墊層，通常由諸如Ru、Pt、Pd或Os之類的貴金屬形成 。然而，可使用包括Co和Ni在內的其他材料，且通常還使用CVD Ru和CVD Co。像在種晶層和襯墊層中一樣，也可使用ALD、PVD或其他沉積技術形成次級種晶層。次級種晶層與襯墊層的不同之處在於，次級種晶層實際上充當種晶層，而襯墊層是阻障層與PVD種晶層之間的中間層。

在已沉積種晶層152之後，可使用例如在酸性沉積化 學品(acid deposition chemistry,「ECD」)條件下的電化學沉積來用銅填充溝槽。傳統的ECD銅酸性化學品可包括例如硫酸銅、硫酸、鹽酸和有機添加劑(諸如促進劑(accelerator)、抑制劑(suppressor)和勻平劑(leveler))。銅的電化學沉積已被發現是用來沉積銅金屬化層的成本有效方式。除經濟上可行之外，ECD技術提供了在機械方面和電氣方面適用於互連結構的實質上「自下而上(bottom up)」(例如，非共形)的金屬填充。

除銅之外的其他金屬可用於金屬化，所述金屬例如 Co、Ru、Ni、Ag、Au、Mn、Sn或Al。此外，金屬合金可用於形成溝槽。示例性的銅合金可包括但不限於銅錳或銅鋁。 作為非限制實例，與主要金屬合金相比(例如Cu、Co、Ni、Ag、Au、Mn、Sn或Al)，合金組成比率可在約0.5%至約6%的次要合金金屬的範圍內。

此外，在本案內容的範圍內，可利用多於一個金屬合金層。例如，第一層可由第一銅合金組成，隨後是另一銅合金的第二層。此外，銅能夠與多於一個摻雜劑形成合金。例如，(這些)銅合金能夠由Cu和Ag、Cu和Au、Cu和Ti等組 成。

如圖5C中示意性地示出，除填充溝槽142之外，形成 金屬覆蓋層160。圖5C示出可使用傳統的電化學沉積(ECD)技術鍍敷的相對較厚的銅金屬覆蓋層，所述沉積技術在半導體領域中是眾所周知的。用於鍍敷的其他選擇包括電化學沉積、無電沉積或電接枝(electrografting)。如果使用無電沉積或電接枝，那麼可能不需要諸如層152之類的種晶層或所述層並非必要。

針對溝槽的鍍敷，可利用回流技術來改善間隙填充 。例如，在本案內容的一個實施方式中，使用ECD種晶製程來沉積共形金屬層，且隨後可使用被稱為ECD種晶外加沉積(ECD seed Plus deposition)(或ECD種晶「外加」)的製程來修正(modify)所述共形金屬層，所述ECD種晶外加沉積包括熱處理步驟。在本案內容的其他實施方式中，可使用CVD、ALD或其他沉積技術來沉積共形金屬層。根據本案內容的實施方式，當共形層經受熱處理或退火時，所述共形層是可流動的。

在一個實施方式中，ECD種晶「外加」通常是指ECD 金屬種晶沉積外加熱處理步驟，所述熱處理步驟諸如退火步驟。在本案內容的一個實施方式中，熱處理步驟可導致一些或所有的種晶沉積回流。與傳統的ECD金屬填充(使用酸性化學品)相比，ECD種晶「外加」沉積類似於ECD種晶沉積(使用鹼性化學品(basic chemistry))，但增加了熱處理步驟。此外，代替僅沉積種晶層，可執行ECD種晶「外加」以便部分 地或完全地填充特徵結構。使用ECD種晶「外加」製程，能夠實現小特徵結構的實質上無空隙填充。ECD種晶「外加」製程在美國臨時申請案第61/638851號和第61/638856號中進行了描述，通過引用將所述申請結合在此，且在對應的美國專利申請案第13/801786號和第13/801860號中進行了描述，同樣通過引用將所述申請結合在此。

在用於ECD種晶「外加」沉積的ECD腔室中使用的 化學品可包括鹼性化學品，例如，pH值在約8至約10的範圍內的Cu(乙二胺)2，且在本案內容的一個實施方式中pH值為約9.3。然而，使用適當的有機添加劑的酸性化學品也可用於實現共形ECD種晶沉積。

在ECD種晶沉積之後，工件隨後可經受旋轉、清洗 和乾燥(SRD)製程或其他清潔製程。隨後在一溫度下加熱ECD種晶，所述溫度足夠高以使種晶回流，但也不過熱而使得工件上的元件或工件被損壞或劣化。例如，對於特徵結構中的種晶回流，溫度可在約100℃至約500℃的範圍內。適當的熱處理或退火溫度在約100℃至約500℃的範圍內，且可使用能夠保持在約200℃至約400℃的範圍內(和至少在約250℃至約350℃的溫度範圍內)的持續溫度的設備來完成。

可使用合成氣體或惰性氣體、純氫或諸如氨(NH₃) 之類的還原氣體來執行熱處理或退火製程。在回流期間，沉積的形狀改變，且金屬沉積物可淤積(pool)在特徵結構的底部中。除在熱處理製程期間回流之外，金屬沉積物也可生長較大晶粒(grain)和降低薄膜電阻率。在加熱之後，可使用惰性氣 體來冷卻工件。

為了獲得用ECD種晶填充特徵結構的期望水平，可 重複ECD種晶沉積和回流步驟。本文所述的製程可包括一或多個ECD種晶沉積、清潔(諸如SRD)和熱處理循環。

圖6示出回流製程170和圖示了由所述回流製程構建 的示例性特徵結構。在示例性實施方式中，工件可以是包含至少一個特徵結構142的結晶矽基板上的介電材料。在示例性步驟172中，溝槽142被襯以阻障層150，隨後被襯以種晶層152。在示例性步驟174中，工件的特徵結構142已在種晶層152上接收一層ECD種晶材料176。在示例性退火步驟178中，在適當溫度下對工件進行退火以引起示例性回流步驟180來促進部分填充。在退火步驟期間，ECD種晶材料176流入特徵結構142中以形成填充部182。在示例性實施方式中，可重複ECD種晶沉積步驟174、退火步驟178和回流步驟180以獲得填充物182的期望特性。重複步驟的數目可取決於結構。此外，通過傳統的ECD鍍敷金屬覆蓋層(例如銅)。一但填充物182達到期望尺寸，就進行本製程的剩餘步驟，如下文所論述。

在共形ECD和退火製程的替代中，可使用超共形 (superconformal)ECD製程實現特徵結構填充。此「超ECD」製程可使用包括至少一種有機添加劑的鹼性電解質以產生超共形填充。

有機添加劑通常在特徵結構中的傳統的酸性ECD填 充物和帽中使用，例如使用酸性沉積電解質。傳統的ECD銅酸性化學品可包括例如硫酸銅、硫酸、甲磺酸、鹽酸和有機 添加劑(諸如促進劑、抑制劑和勻平劑)。銅的電化學沉積已被發現是用來沉積銅金屬化層的成本有效方式。除經濟上可行之外，在ECD沉積技術中使用的有機添加劑提供了在機械方面和電氣方面適用於互連結構的實質上自下而上(例如，超共形)的金屬填充。

在傳統的ECD填充中使用的有機添加劑一般不用於 鹼性ECD種晶沉積製程，因為共形沉積(不是自下而上填充)在ECD種晶沉積製程中通常是期望的(參見圖1B)。然而，根據本案內容的實施方式，發明者已發現，與純共形沉積相對比，將ECD種晶電解質與所述添加劑一起使用具有促進自下而上填充(被稱為「超共形」沉積或「超ECD」)的有利效應。

如圖7中所示，通過CMP以標準方式去除金屬覆蓋層 160。圖7示出CMP步驟在硬遮罩130的頂表面處停止。然而，替代地，也可使用CMP製程去除硬遮罩層130而留下最上層為阻障層128。如圖7中所示，在CMP製程之後，現在界定金屬線186。

下一步，如圖8A和圖8B中所示，進行通孔圖案化和通孔蝕刻的步驟。首先參照圖8A，在硬金屬遮罩130之上的工件上沉積光阻劑和支撐膜190。使用光刻法圖案化通孔192。通孔192被定位成與金屬線186的相鄰端對準且鄰接。通孔與溝槽的對準在垂直於溝槽的方向上是關鍵的，但在平行於溝槽的方向上不那麼關鍵，因為溝槽在平行於溝槽的方向上界定通孔。對準參數允許在平行於溝槽方向的軸線上的更寬鬆 的(relaxed)微影術控制。

可使用硬遮罩系統以說明將通孔與溝槽自對準，假 定硬遮罩沒有在蝕刻時或通過CMP被去除。如前述，使用硬遮罩的微影術在本領域中是眾所周知的。圖8A是示出在硬遮罩蝕刻步驟之後的圖案化結構的工件的俯視圖。如圖所示，通孔可在沿著金屬線170的方向上比在垂直於金屬線的方向上更寬。

下一步，執行通過介電層126和抗蝕劑帶124的通孔 蝕刻。圖8B示出向下延伸通過介電層126和抗蝕劑帶124至介電層106內的相交線110的通孔192。圖8B示出在光阻劑帶蝕刻之後的工件。通孔192準備好被填充。

在圖9A和圖9B中示出通孔192的填充。圖9A圖示在 阻障層196和種晶層198的沉積之後的通孔。可以與如前述施加阻障層和種晶層至溝槽142的相同或類似的製程和工序將阻障層和種晶層沉積在通孔中。因而，在此將不再重複這些步驟。

在共形種晶膜上鍍敷通孔金屬，以便提供無空隙通 孔填充。填充金屬或金屬合金可與用於形成金屬線186的製程相同或類似。金屬填充的沉積可通過許多技術實現，諸如通過CVD或通過CVD隨後鍍敷覆蓋層200，如圖9B中所示。作為另一替代，可利用無電沉積。可使用濺射蝕刻步驟以「穿通(punch through)」阻障層124，以在填充的金屬通孔202和金屬線110之間提供接觸。在無電沉積中，不需要通孔192內的種晶層198。更確切些，使用底層金屬作為種晶的無電沉積可用 於利用金屬導體填充通孔。所述導體可包括例如Cu、Al、Mn、Co、Au、Ag、W、Ti、Ni或上述金屬的合金。

因為通孔192被限制(confined)且不通過阻障層與金 屬線110分離，所以通孔的完全無空隙金屬填充不是強制性的，這是本案內容的方法的區別性特徵。

圖10A和圖10B示出在使用CMP去除金屬覆蓋層200 之後的完成的金屬層。圖10A是完成的工件的外視圖，圖10B是沿圖10A的線10B-10B獲取的截面圖。如這些圖中所示，填充的通孔202在溝槽(金屬線)186的端部之間向下延伸，這將通孔與期望連接的下金屬線110準確地對準。

圖10C示出本案內容的替代實施方式，所述替代實施 方式非常類似於圖10A和圖10B的實施方式。因此，在圖10C中使用與圖10A和圖10B相同的部件號，只是添加了右上角的撇號(prime sign)。圖10C的實施方式不同於圖10A和圖10B的實施方式，因為阻障層不在通孔202'的側面和金屬線的端部之間延伸。因此，僅一個阻障層被插入在通孔202'與溝槽186'的端部之間。如果通孔沒有用Cu填充而是取而代之用諸如Co、Ni或W之類的其他金屬填充或使用諸如NiSi或CoSi之類的合金、奈米線、碳奈米管或石墨烯填充，則在這些位置中可不需要阻障層。在通孔的底部和下金屬線110'的頂側之間同樣如此。仍然可能使用阻障層以封裝圖10C中的下金屬線110'。除了這些例外以外，圖10C中所示的工件100'可與圖10A和圖10B中所示的工件100相同或相似。

雖然已示出和描述了本案內容的優選實施方式，但 是可在不背離本案內容的精神和範圍的情況下，在本案內容中進行各種改變。

例如，本方法可用於定位和形成不功能上地連接到 任何或所有相鄰溝槽/線的隔離的通孔，而不利用本案內容的公開內容在溝槽/線與通孔之間形成互連。溝槽及/或通孔的阻障層可用於根據需要將通孔與溝槽隔離。換句話說，通孔可按選定方式根據需要連接到某些線但不連接到其他線，或根本不連接到任何線。通孔可被連接到通孔上方或下方的層中的金屬。連接可形成將上層連接至下層的「明確通孔(express vias)」，同時將通孔所在的層中的金屬化分路(by-passing)。儘管如此，本案內容的方法有利地利用相鄰溝槽/線之間的分離和間隙來安置/定位/限制在半導體工件中形成的通孔。

圖3至圖10C中所示的非限定實例將被稱為「溝槽優 先」方法。「通孔優先」集成也在本案內容的範圍內。「通孔優先」集成可在參照圖3至圖7的一或多個圖示出和描述的製程之前，執行參照圖8A至圖10C的一或多個圖示出和描述的製程來完成。

100‧‧‧工件

102‧‧‧基板

104‧‧‧基板

106‧‧‧介電層

110‧‧‧金屬線

124‧‧‧阻障層/抗蝕劑帶

126‧‧‧介電層

186‧‧‧金屬線

202‧‧‧通孔

Claims (25)

1. 一種在一工件中形成由金屬化線和通孔組成的一互連的方法，該方法包括以下步驟：(a)在一工件中形成金屬線，其中該金屬線設置在縱向間隔開的線段中，該線段彼此端對端地間隔開；和(b)在一工件中形成通孔，其中一第一形成的金屬線的至少一端限制一第二形成的通孔的一個截面尺寸，或其中一第一形成的通孔的至少一端限制一第二形成的金屬線的一個截面尺寸。
2. 一種在一工件中形成包括溝槽和通孔的一互連的方法，該方法包括以下步驟：在該工件上施加一介電膜堆疊；在該介電膜堆疊之上施加一硬遮罩；在該硬遮罩之上施加一光阻劑；在該光阻劑中圖案化溝槽，該等溝槽在彼此端對端設置的縱向區段中被圖案化，該等區段在將要安置通孔的位置處彼此縱向地間隔開；蝕刻溝槽至該介電膜堆疊中；用一導電材料填充該溝槽；在將縱向相關的填充的溝槽的端部分離的間隙中圖案化通孔；蝕刻該工件中的該等圖案化的通孔；和用該導電材料填充該等蝕刻的通孔。
3. 一種在一工件中形成包括溝槽和通孔的一互連的方法，該方法包括以下步驟：在該工件上施加一介電膜堆疊；在該介電膜堆疊之上施加一硬遮罩；在該硬遮罩之上施加一光阻劑；在界定間隙的光阻劑中圖案化通孔，該等間隙分離通孔；蝕刻該工件中的該等圖案化的通孔；用該導電材料填充該等蝕刻的通孔；在該光阻劑中圖案化溝槽，該溝槽在分離該等通孔的該等間隙中彼此端對端設置的縱向區段中被圖案化，該等區段在該等通孔的該等位置處彼此縱向地間隔開；蝕刻溝槽至該介電膜堆疊中；和用一導電材料填充該等溝槽。
4. 如請求項1所述之方法，進一步包括：在該工件之上施加一光阻劑，和通過光刻法在該光阻劑上圖案化該等金屬線的溝槽。
5. 如請求項2、3或4所述之方法，其中該等溝槽是通過一製程來圖案化，該製程選自以下各製程組成的組：多重圖案化、浸沒式微影術、遠紫外線微影術和上述製程的組合。
6. 如請求項4所述之方法，進一步包括通過圖案化蝕刻在該工件中蝕刻該等溝槽。
7. 如請求項2、3或5所述之方法，進一步包括修復對該等蝕刻的溝槽的損壞，和用一烴類前驅物密封該等溝槽。
8. 如請求項2、3或6所述之方法，進一步包括在該等溝槽的表面之上沉積一阻障層。
9. 如請求項8所述之方法，進一步包括在該阻障層之上沉積一種晶層。
10. 如請求項6至9的任一項所述方法，進一步包括用該導電材料填充該溝槽以形成該等金屬線。
11. 如請求項2、3或10所述之方法，進一步包括熱處理該工件以引起該導電材料回流至該溝槽中以產生一第一導電層。
12. 如請求項11所述之方法，進一步包括在該第一導電層之後沉積至少一個附加導電層，和熱處理該工件以引起每一個附加導電層的回流。
13. 如請求項2、3、10、11或12的任一項所述方法，進一步包括施加一金屬材料覆蓋層至該等填充的溝槽。
14. 如請求項13所述之方法，進一步包括使用CMP以去除該覆蓋層且減小該工件的高度，以暴露該工件和該等金屬化線。
15. 如請求項2、3或14所述之方法，進一步包括，在形成該等線或溝槽之後，在該等金屬線之上施加該光阻劑，且在該光阻劑上圖案化通孔。
16. 如請求項15所述之方法，進一步包括蝕刻該等通孔和使用該導電材料填充該等蝕刻的通孔。
17. 如請求項15所述之方法，進一步包括：蝕刻該等通孔；在通孔表面之上施加一阻障層以覆蓋該通孔表面；和用該導電材料填充該等通孔。
18. 如請求項16或17所述之方法，其中該通孔導電填充材料的一金屬覆蓋層被施加於該工件。
19. 如請求項18所述之方法，進一步包括去除該覆蓋層以減小該工件的高度，以暴露該工件和該等金屬化通孔和溝槽。
20. 一種包括溝槽和通孔的半導體工件，該半導體工件通過以下步驟產生： 在該工件上施加一介電組合物；在該介電組合物之上施加一硬遮罩；在該硬遮罩之上施加一光阻劑；在該光阻劑中圖案化溝槽，該等溝槽在彼此端對端設置的縱向佈置的區段中被圖案化，該縱向區段在將要安置通孔的位置處彼此間隔開；蝕刻溝槽至該介電組合物中；用一導電材料填充該溝槽；在將縱向相關的溝槽的端部分離的間隙中圖案化通孔；蝕刻該介電組合物中的該等圖案化的通孔；和用該導電材料填充該蝕刻的通孔。
21. 一種包括溝槽和通孔的半導體工件，該半導體工件通過以下步驟產生：在該工件上施加一介電膜堆疊；在該介電膜堆疊之上施加一硬遮罩；在該硬遮罩之上施加一光阻劑；在界定間隙的該光阻劑中圖案化通孔，該等間隙分離該等通孔；蝕刻該工件中的該等圖案化的通孔；用該導電材料填充該等蝕刻的通孔；在該光阻劑中圖案化溝槽，該溝槽在分離該等通孔的該等間隙中彼此端對端設置的縱向區段中被圖案化，該等區段在該等通孔的該等位置處彼此縱向地間隔開； 蝕刻溝槽至該介電膜堆疊中；和用一導電材料填充該等溝槽。
22. 如請求項20所述之工件或如請求項21所述之工件，其中在形成該等溝槽或該等通孔之後，該光阻劑被施加在該等溝槽或通孔之上，且該等通孔或溝槽在該光阻劑上被圖案化。
23. 如請求項20所述之工件或如請求項21所述之工件，其中在蝕刻該等通孔之後，在該通孔表面之上沉積一阻障層。
24. 如請求項20所述之工件或如請求項21所述之工件，其中該通孔填充材料的一金屬覆蓋層被施加於該工件。
25. 如請求項20所述之工件或如請求項24所述之工件，進一步包括去除該覆蓋層以減少該工件的高度，以暴露該等金屬化溝槽和對準的通孔。