TWI271841B - Dual damascene with via liner and method for fabricating the same - Google Patents

Description

1271841 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種半導體裝置的製造方法，特別是有關於—種形成 於金屬間介電層(inter-metal dielectric; IMD)中的雙鑲嵌内連線結構，以及形 成上述結構的方法，該結構具有一覆蓋有介電襯裡層的介層窗，此介電襯 裡層亦可用來當作後續形成溝槽時的蝕刻停止層，此方法具有可避免2刻 溝槽時所導致的缺陷，並進一步改善裝置的性能以及可靠度。 • 【先前技術】 目前在積體電路中形成内連線結構的趨勢是使用低介電常數絕緣介電 材料以及金屬鑲嵌結構，用以增加電性傳輸速度以及獲得鑲嵌或雙鑲嵌結 • 構所固有的優點。 人、、口 ' 隨著積體電路的尺寸持續縮小，目前常使用低介電常數材料來減少訊 搞延遲以及電力損失效應㈣而丨㈣細）。其中一種方法是將孔洞或者 摻雜物導人絕緣介電層中來實現前述之功效，這種絕緣介電層亦稱作金屬 間介電層(inter-metal dielectric; IMD)。 • 基於上述對於較小介電常數值之材料的需要而促使數種有機與無機低 介電常數材料的發展。這些在料體裝置中作為絕緣材料的有機與無機低 介電常數材料一般皆具有小於3·5的介電常數值。 但低介電常數材料具有_侧題，即在形油連線的製程中，在電裝 蝕刻之下的低介電常數材料會較為脆弱細卿麵明而易受到損害，例如 過度侧而改變開口的侧輪廓(etchpr祿），並降低介電材料的品質。由 於在雙鑲嵌結構的製造過程中會使用多次的侧步驟，因此，上述在内連 線的形成製程中所遭遇到的數種問題，在雙鑲嵌結構的形成過程中以及在 高深寬比(aspectratio)的開口中將會更為嚴重。 為克服前述製程中所遭遇到的問題，先前技術提出一種改善方法，該

0503-A30866TWF 1271841 方法藉由在介層紐刻步驟之後將有機魏部分地填充入介層窗開口中形 成-介層__ug)，其中該介層窗開口係形成於上方與下方的絕緣介電 ^ ’且上方與下方的絕緣介電層之間還包括—朗停止層。在此形成的 二層窗插塞是时紐該介層Μ σ在後續的溝槽似彳輕中不受到損 害。但上述步驟包含有製程較為複雜以及成本較高等缺點。除此之外，前 述雜料其他舰，如在赌與介層窗介驢之_殘留柵攔(etching d^e觀)的形成，在溝槽底部的微溝槽缺陷㈣純咖㈣祕㈣， 以及形成該介層窗插塞的高度難以控制等缺點。 一基於上述現今製程中所遭遇到的問題，因此，本發明提供一種可靠度 更高且製造成本較低的雙鑲嵌内連線結構及其製造方法，用以克服先前技 術中所遭遇到的問題與缺點。 【發明内容】 有L於此本叙明提供一種具有較佳的輪廊⑦禮〇)以及較少缺 鑲嵌結構及其製造方法。 & 在本發明的一個實施例中，包括在-導電區域上形成-第-介電材 料’在該第—介電材料上形成—第—絕緣介電材料，在該第—絕緣介電材 料中形成-第-開口’使用—第二介電材料覆蓋該第—開口，在該第一絕 緣介電材料之上形成-第二絕緣介電材料，在該第二絕緣介電材料中形成 一第二開口’該第二開口係形成於該第-開口之上，並且與該第-開口互 相連接，以及使用—導電金屬填充該第-與該第二開口，用以使該等開口 中的邊V電金屬與该導電區域電性相連。 為瓖本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實 施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下： 、 【實施方式】

0503-A30866TWF 1271841 本發明係有關於-種雙鑲後結構及其製造方法，該雙鑲嵌結構具有介 層窗(via)以及溝槽__，其中該介層窗係形成於第一低介電常數(i〇w•幻 金屬間介電(inter-metaldielectric; IMD)層中，而溝槽係形成於第二低介電常 數金屬間介電層中。本發明可用以克服在低介電常數材料中形成雙鎮谈結 構時所產生的問題。本發明具有改善侧的製程容許度扣〇_ __)、 對於蝕刻輪廓(etching profiles)具有較好的控制能力以及避免在電漿蝕刻的 過程中傷害低介電常數材料等優點。與先前形成介層窗插塞㈤㈣的習知技 術相較，本發明職結構及錢造方法可提供—種性能更為良好、可 ® 靠度更高，且製造成本更低廉的雙鑲嵌結構。 值得一提的是，雖然本發明的雙鑲嵌結構及其製造方法特別適用於銅 填充的雙鑲嵌結構，然本發明不限於此，其他諸如鎢、财其合金等其他 - 材料依然可適用於本發明。 ^ 、 例如，請參照第1A-1F圖，如圖依序顯示在積體電路製程中，根據本 發明之一實施例所製造的多層半導體裝置之部分的剖面圖。 明參fe、第1A圖，首先提供一基底5，在此基底5上形成導電區域 以=為頂部材料層之用，導電區域1G可以是形成於半⑽晶圓上的金屬或 験半導體，並經由微電子積體電路製程中的技術加以製造。在導電區域⑺上 形成第-侧停止層(第-介電層)12A，此第一侧停止層i2A最好是由氮 化石夕(例如SiN，S:^4)、碳化石夕(例如SiC)、摻雜碳的氧化砍或上述各材料 的組合所構成。在一實施例中，第一介電層最好是含氮的介電材質。 蝕刻彳τ止層的厚度大約介於3〇〇埃至700埃之間，且此蝕刻停止層基 本上係經由化學氣相沉積法(chemical vapor deposition; CVD)、低壓化學氣相 /儿積却ow_pressure chemical鄉沉d叩㈤衍⑽;LpcVD)、電漿加強型化學氣 相 /儿％ chemical vapor deposition; PECVD)或高密度電漿 ，子氣相 /儿積法(hlgh density plasma chemical vapor deposition; HDP_CVD) 等方法加以形成。

0503-A30866TWF 7 1271841 請繼續參照第1A圖’在第—_停止層12A上形成第—絕緣介電層 14A’該第一絕緣介電層14A亦稱為金屬間介電層㈣咖如祕触; _)’其可糾錢或無機的氧切為主之材騎構成，最好是以無機的 材料為主。例如’最好是由例如摻氟石夕玻璃(flu〇rinated础伽〇 §1咖.fsg) 或摻雜碳的氧化轉材料構成。在—實施例中，第—絕緣介電層Μ最好 是以介電常數小於約3.2的介電材料所構成，例如以低介電 f主的材料。.實珊，第-罐卻4A和細1= 乳相沉積法(CVD)、低麗化學氣相沉積法(LpcVD)、電衆加強型化學氣相沉 積法(PECVD)或冋饴度電漿化學氣相沉積法(喊咖micaI ::deposition;酸-CVD)等化學氣她積法加以形成。例如，第一絕緣 "电層14A可以是由應用材料公司製造的黑鑽石(blackdiamc_tm)或 者由其他無機低介電常數材料所構成。除此之外，其他可使關合適低介 電系數無枝材料還包括合甲基石夕酸鹽(methyl silses职i〇xane; MSQ)、含氯石夕 S«(hydrogen silsesquioxane; HSQ)，6(fluorine 咖ethyl_—FTE〇S)。在—實施例中，第—絕緣介電層14a最好 是摻氟砍玻璃(FSG)，用以增強機械強度。此外，可視情況在第一絕緣介電 層14A之上开^成種有機或無機第一抗反射層(減⑺对㈣· ARC)13A 〇 ， 口月錄第1Β圖’在金屬間介電層14Α之上形成第一光阻層ΐ6Α。此光 阻層16Α係經由微影圖案化製程以形成介層窗的侧罩幕。之後，在第一 金屬門w笔層14Α上使用例如反應性離子钱刻(腦^加扭也见母的電漿 侧製程，並停止於第-侧停止層12A，用以形成介層窗開口 i8A，在 此_過程中可能會有-小部份的第一鍅刻停止層12域移除。其中，此 介層窗開口可以是例如圓洞的圓柱結構，亦可以是例如狹缝的長方形結 構。在㈣介層窗之後，該第—光阻層16A係⑽學㈣法㈣ stripping)或電漿灰化法(plasmaashing)去除。

0503-A30866TWF 8 1271841 月〜、第ic圖’本發明的特徵之一在於，移除光阻層i6A以及可視情 況移除第-抗反射層13A之後，在金屬間介電層上形成第二侧停止 ^(弟二介電層)12B’用以覆蓋介層窗開口 18a的側壁與底部。該第二侧 τ d 12B可以疋由氮化石夕(例如SlN，別机）、氮氧化石夕(例如⑽n)、換 雜碳的氧化石夕、氧化石夕或上述各材料的組合所構成。在一實施例中，該第 二侧停止層12B最好是由含氮的介電材料所構成，其厚度大約介於2〇埃 至2〇〇 %之間，亚最好是經由原子層化學氣相沉積法㈣响i啊也响^ vapor deposition; ALCVD)加以形成。 a請參照第ID圖，在第二侧停止層既上形成第二絕緣介電層權(也 疋:種金屬間介電層）。在介層窗開口私之上形成此第二絕緣介電層刚 =好不填充此侧開口 1δΑ。例如，可以制化學氣相沉酬⑽）、 电水加強型化學氣相沉積法(PECVD)或高密度 (腑彻)來形成金屬間介電層刚，而-小部分的介層窗開口 18A= 部區域被金屬間介電層14B所填充。第二絕緣介電層刚可以使用盘第一、 絕同或不同的材料。在一實施例中，該第二絕緣介電層可 介電常數的有機或無機材料所構成，最好是以無機的材料為主， 至、3 數值。例如’摻_氧化物可具有大約介於 2·4至3·2的低介電常數值。在此所謂的「低帝 小於或等於3.2。在-實施例中心曰的疋"電常數值 材料所構成。 /、有弟一_介電層姆是由低介電常數 第14Β上形成第二抗反射層削。 弟-抗反射層邵係由有機或無機材料所構成，最好是•機的 主，例如，弟一抗反射層13Β係擇自至少_種由_

所構成的族群。之後，於此半導體 SlC ” Sl0C 影圖案化製程《形成溝槽_刻罩:置2^成=二光阻層16B，並經由微 反娜侧物恤

0503-A30866TWF 1271841 而形成/件槽開π 18B。值得注意的是，此溝槽開口湖可以形成並覆蓋 於多個介層窗開口之上。 1 #月“？、第1F圖’使用例如臨場(m-situ)灰化(ashing)的剝除(strip)步驟移 除第二光阻層16B，之後，覆蓋於介層窗開口 18A之上的第二敍刻停止層 12B被施以例如反應性離子侧_)的電漿钱刻步驟，以移除介層窗開口 ^底^的第一韻刻停止層12八與第二侧停止層既並暴露出底下的導 電區域1〇。在光阻灰化以及侧的過程中，該第-絕緣介電層14A以及其 中的’I層ή輪廓係被覆1於其上的第m彳停止層所保護。除此之 外，在移除介層窗開Π 18A底部之侧停止層的過程中，位於溝槽開口應 底部區域的第二侧停止層12B可部分或全部地被侧，因此可將雙鑲嵌 、、、口構開:的輪廓保存下來。值得注意的是，一部分覆蓋於介層窗開口脱 上的第一钱朗τ止層12B可依然覆蓋於介層窗開口獻的侧壁部份。 明參照第1G圖’接著施概續的數個步驟以完成本發明之雙鎮嵌結 構。例如，可視情況在雙鑲嵌結構開口中順應性地形成阻障層，隨後使 . vapor depos^on; PVD)或電化學沉積法(ele秦也⑽―d 填滿於該雙鑲嵌開口之中，該金屬層22可由|g、銅、駐上述金紅合: 所構成之後’施以化學機械研磨⑽emical騰⑽础)步驟，移除位 於遠，鑲嵌結構開口之上的金屬| a，以及移除位於金屬間介電層刚之 上的第二抗反射層13B，而完成本發明之雙鑲嵌結構。 根據本發明，可避免在溝槽钱刻製程中產生姓刻輪廊缺陷㈣_ profile defects) ’這些飿刻輪廓缺陷例如是在溝槽與介層窗介面處所形成的 侧殘留柵攔(etching residue fences)，以及在溝槽底部卿 (齒〇4譲hing defects)。除此之外，*於在移除介層窗底部的侧^ 時，有-部分的侧停止層被過度侧，因此可避免一些導致溝槽鱼介層 窗介面處侧輪廓品質下降之面(facets)的發生。另外，介層窗開口曰

0503-A30866TWF 10 1271841 ===二蝴停止層_具有無法預期之功效，«可降低導 介撕致金屬魄_vi牆ed 下，本H=與先則形成介層窗中之插塞_g)的f知技術相較之 降低製娜。體裝置中積體電路的性能與可靠度㈣«，並可 在;實施例之本發明的流程圖。 “ Λ…二供具有第一導電區域的半導體基底。在步驟203 *，在導 成第—介電材料。在步驟2〇5中，在第一介電犲料上形成第- =〇ΓΓΙ。在麵207 *，在第—絕緣介電材料中形成第—開口。在 扯驟21^ 絕緣介電材料上形成介電襯裡層，肋覆蓋第一開口。 中^斤―，在弟—絕緣介電材料上形成第二絕緣介電材料。在步驟213 /弟:開口上的第二絕緣介電材料中形成第二開口。在步驟215中， =除位於第-開口底部的介電襯裡層，以暴露出導電區域。在步驟抓中， 2電材料填充於第—開口以及第二開口中，用以使該等開π中的該導電 至屬與该導電區域電性相連。 ^ ^本發㈣峨佳實施例減如上，然其並非肋限定本發明，任 何热白此徽歸，在不麟本發明之精神和範關，當可作更動與潤飾， 因此本發明之保魏圍當視後社巾請賴範騎界定者為準。

0503-A30866TWF 11 1271841 【圖式簡早說明】 第1A-1G圖係繪示出根據本發明之實施例所製造的雙鑲嵌結構之實施 步驟的剖面圖。 第2圖係繪示出根據本發明之數種實施例的流程圖。 【主要元件符號說明】 5〜基底； 12A〜第一钱刻停止層； 13A〜第一抗反射層； 14A〜第一絕緣介電層； 16A〜第一光阻層； 18A〜介層窗開口； 20〜阻障層； 10 ^導電區域， 12B〜第二蝕刻停止層； 13B〜第二抗反射層； 14B〜第二絕緣介電層； 16B〜第二光卩且層； 18B〜溝槽開口； 22〜金屬層。

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Claims (1)

1271841 十、申請專利範圍： 1. 一種内連線結構的形成方法，包括： 在-導電_上形成_第_介電材料； 在該=-介電材料上形成—第一絕緣介電材料； 在該第一絕緣介電材料中形成一第一開口； 使用一第二介電材料覆蓋該第一開口； 在遠弟一絕緣介電材料之卜报士、 ^ ^成一弟二絕緣介電材料； 在1二絕緣介電材料中形成—第二開口，該第二開 -開口之上，、並且與該第一開口互相連接；以及 4於該第 使用W金屬填充該第„與該第二開口 電金屬與該導電區域電性相連。 ^、碣π中的該導 2. 如申明專利乾圍第i項所述之内連線結構的形成方法，上 介電材料係形成於該第-絕緣介電材料上。 中該第二 3. 如申請專利範圍第i項所述之内連線 絕緣介電材料係形成於該第一 形成套其中該第二 ,L 乐開口之上但亚未填滿該第一開α。 第痛的，其中I 5·如申請專利卿二 第二開口的步驟中包括1二侧步驟，用以移除該第形成〜 一介電材料，並暴露該導電區域。 &部的該第 6·如申明專利犯圍第5項所述之内連線結構的形成方法 蝕刻步驟包括蝕刻掉一部分 其中該第二 7·如申請專作^^°底部_第二介電材料。 ，第-nDU & # 1項所叙喊騎構卿鼓法， 弟 後’―部分的該第二介電材料保留於該第一開在形成 8.如申請專利範圍第 、 之侧壁上。 舁5亥弟一開口包括一雙鑲嵌開口。 “中5亥弟〜 0503-A30866TWF 13 1271841 盤上t如申印專利範圍第1項所述之内連線結構的形成方法，其中該第-與该第二絕緣介電材料包括一低介電常數材料。 ” 10·如中請專利範圍第丨項所述之内連線結構的形成方法，其中該第二 、、、巴緣介電材料包括一低介電常數材料。 化^如申請專利範圍第丨項所述之内連線結構的形成方法，其中該第一 ”該第二絕緣介電材料係由摻雜碳的氧化碎或摻_玻璃所構成。 =·如申請專利範圍第i項所述之内連線結構的形成方法，其中該第一 人该第二介電材料包括一含氮介電材料。 入泰11如申請專利範圍第1項所述之内連線結構的形成方法，其中該第- 料轉自域切、碳切、摻雜碳的氧切與上述材料的組合所 構成的族群。 1 介電概圍^顿述之内連線結構的形成方法，其中該第二 料的^ 11化碎、氮氧化矽、氧化矽、摻雜碳的氧化矽與上述材 科的組合所構成的族群。 入雷2申請專利範圍第1項所述之内連線結構的形成方法，其中該第二 w電材料係使用化學氣相沉積法形成。 材钭擇如自利範圍第1項所述之内連線結構的形成方法，其中該導電 才才科係擇自由銅、銘、技血Ϊ- ^ Α Λ 电 絲上述材枓之合金所構成的族群。 •種内連線結構的形成方法，包括： 提供-介層窗開π，該介層窗開口係 到-導電區域上的一飯刻停止層為止； f"电材枓’直 在該第-絕緣介電材料之上形成_介電襯_ 襯裡層形成於該介層窗開Π的側壁及底部上；g貝也將該介電 在該第-絕緣介電材料上形成—第二絕緣介電材 在該第二絕緣介電材料上形成-光阻層； … 利用電漿伽彳該第二絕緣介電 而形成一溝槽開口，該溝槽開口係 0503-A30866TWF 14 1271841 形成於該介層窗開口之上，用以形成一雙鑲嵌開口； 利用臨場灰化步驟移除位於該溝槽開口之上的該光阻層； 施以一臨場電漿蝕刻步驟以移除該介電襯裡層的底部區域以及該蝕刻 停止層’用以暴露出該導電區域，以及 使用一導電材料填充該雙鑲嵌開口。 18. —種内連線結構，包括： 一第一介電材料，形成於一導電區域上； 一第一絕緣介電材料，形成於該第一介電材料上； | 一第一開口，形成於該第一絕緣介電材料中； 一介電襯裡層，覆蓋於該第一開口之侧壁上； 一第二絕緣介電材料，形成於該第一絕緣介電材料上； - 一第二開口，形成於該第一開口上的該第二絕緣介電材料中，且該第 二開口與該第一開口連接；以及 一導電材料，填充於該第一與該第二開口中’用以使該導電材料與該 導電區域電性連接。 19. 如申請專利範圍第18項所述之内連線結構，其中該介電襯裡層係 配置於該第一絕緣介電材料與該第二絕緣介電材料之間。 20. 如申請專利範圍第18項所述之内連線結構，其中該介電襯裡層並 無覆蓋該第二開口之侧壁。 21. 如申請專利範圍第18項所述之内連線結構，其中該第一與該第二 開口包括一雙鑲嵌開口。 22. 如申請專利範圍第18項所述之内連線結構，其中該第一與該第二 絕緣介電材料包括一低介電常數材料。 23. 如申請專利範圍第18項所述之内連線結構，其中該第二絕緣介電 材料包括一低介電常數材料。 24. 如申請專利範圍第18項所述之内連線結構，其中該第一與該第二 0503-A30866TWF 15 1271841 、％緣=電材料係由摻雜碳的氧化石夕或接款石夕玻璃所構成。 =·如申請專利範圍第18項所述之内連線結構，其令該第一介電 電襯裡層包括—含氣介電材料。 申請專纖㈣18項所述之喊線輯，其中該第—介電材料 11切、碳切、摻雜韻氧切與上赌料_合所構成的族 27如_概㈣18項所叙魄聽構，射該介輪 擇自由鼠化矽、氮氧化矽、氣化 構成的族群。 ―㈣減補上述侧的組合所 祐28.如申請專利範圍第18項所述之内連線結構，其中電 使用化學IU目沉積法所形成。 鐵職係 29.如申請專利範圍第18項所述之内連線結構，其中 你 自由銅H與上述材料之合金所構成的族群。 /、、’、 0503-A30866TWF 16