TWI279885B - Interconnect with improved reliability - Google Patents

Description

1279885 ，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製程，特別有關一種可提高可靠度之内連 線結構及製造方法，適用於65nm或更高階的製程技術。 【先前技術】 積體電路(ICs)中-般利用金屬線來連接各個不同區域，且以介電材料 9 coupling) . ^ 電流(leakage)或串音(cross4alk)。以金屬線形成層間連接一般是指在一開 口，、例如，介層窗(vias)、孔_0㈣或溝御職㈣^ 來形成金屬内連線。 這者元件尺寸縮小至90mn以下，内連線對於晶片密度及效能表現的 曰V日渐加深，目前内連線機基本摘已取倾，低電料之介 取代傳^的氧切，上述兩種材料的整合已明顯降低訊號延遲㈤助 =⑽綱糊冑，域铸㈣中元狀· 了更-〜倍小。然而，以銅與低介㈣數材料作為内連線需 2程相配合，包括，電鐘銅、雙職結構、化學機械縣(⑽沿 ^^(ultra-thmbriers)(passivation layers) 〇 . ,tJ 0 1 明顯的結構及缺陷特性，而產生有關於銅及低介電常數所赤衣転造: 產率及可靠度的問題。隨著製程技術的進步，較65邮==連線: 本毛_提出新_連線結構以改善可靠度的問題。 又問通。 【發明内容】 本發明其中一目的在於提供一 種改善半專體元雜之 連線結構。 〇503.A31207TWF/kingandchen 5 1279885 本發明貫施例之半導體元件包括：—介電層；-具有圓化則之内連 線’鑲嵌在該介電層中；以及—填充物，沿著該圓化頂角形成該内連線的 侧邊。 ―、本發明另-實施例之半導體元件，包括：—介電層，該介電層内具有 -溝槽；-具有圓化頂角之内連線，鑲後在該溝槽中，且該内連線與該溝 ^間具有-擴散轉層；以及—對填充物’設置在欄化則及該溝槽側 ’間的凹處’將該内連線括住。 本發明另-目的在於提供—種改善半導體晶原間之内連線的方法。 币本發明實施例中形成半導體元件的方法，包括：提供—具有溝槽之介 電層；在溝槽中形成—具有圓化頂角的内連線；以及在該圓 槽側壁間的凹處形成-填充物。、u 壯為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文 特舉-較佳實施例，並合所關示，作詳細綱如下： 【實施方式】 第1至第2圖顯示發明人所知之一種銅内連線的製程剖面圖，值得注 意的是，第i至2圖之描述麟公知技術，而只是用來說明發明人在製释 上所發現之問題。. 如第1圖顯示具有溝槽120之金屬㈣電層i〇〇(bt_ai破一 細）’金屬間介電層10G-般為低介電f數材料(介電常數小於Μ)，例如 黑鑽石_ck di_d, BD,由加利福尼亞升丨聖塔克萊拉應用材料所蝴。 在金屬間介電層1〇〇上沈積銅層140 ’並填滿溝槽12〇。接著，以化學機械 研磨及拋光製程，將銅層⑽平坦化至與金屬間介電層觸之上表面齊平。 相對於因内連線應用至65啦製程在表面所產生的凹面，在化學機械研磨製 程後會產生__，稱之為阻障層絲加細陷你^ ♦ 職ss，BEER)。如第2圖所示，在溝槽側壁的轉角上產生内連線金屬材料的 0503-A31207TWF/kingandchen 6 1279885 損失，而沿著内連線兩側形成凹陷160。可確定的是，由於在化學機械研磨 製程中化學性腐蝕支配研磨製程，而造成内連線的損耗。 研磨後所產生的凹陷會降低產量、元件可靠度及效能。第一，研磨製 程中a曰圓上不同區域的金屬會被不規則的移除，而降低内連線阻抗的均勻 性。第二，由於漏電流會產生在較弱的介面上，而造成電遷移可靠度降低。 為了解決上述問題，以本發明實施例所提供的結構及方法來改善内連線的 可靠度，以及提高其阻抗的均勻性。接下來會以雙鑲嵌結構來描述本發明 之實施例，然而，本發明也可應用至單鑲嵌結構。 人如第3圖所示，在-半導體結構1〇上形成一具有雙鑲嵌開口的金屬間 I黾層12其中雙鑲甘欠開口包括一溝槽％與一介層窗μ。上述半導體結 構10可包括半導體晶圓或基底、开》成在晶圓上的主動或被動元件、導電層 以及形成在晶圓表面上的介電層。在此半導體結構是指形成在半導體晶圓 中的元件，以及形成在晶圓上的層狀結構。 金屬間介電層12可由一或多層習知介電材料所組成，例如是二氧化 矽、硼矽玻璃(BSG)、硼磷矽玻璃(BPSG)或磷矽玻璃(pSG)，較佳為低介電 常數材料，例如是氟摻雜氧化物、碳摻雜氧化物、含矽倍半氧烷(hsq， hydrogen-silsesquioxane)、D〇w Chemical公司所製造的芳香族碳氯化合物 (SiLK) Allied Signal 公司所製造的 FLARE 以及 Applied Material 所製造的

Black Diamond，然而，也可使用其他低介電常數材料。此外，金屬間介電 層12可選擇性的包括形成在其間的蝕刻停止層，例如··氮化矽、氮氧化矽 或碳化石夕。 接著，以微影蝕刻技術將金屬間介電層12圖案化出介層窗14及溝槽 16，其中溝槽Μ位於介層t 14之上，在⑺腿製程或更高階製程内連線的 應用上，溝槽16寬度一般不超過約25〇〇〇nm，而較佳寬度約5〇至 深約 100 至 lOOOnm。 如第4圖所示，在介層窗14及溝槽16底部及側壁上沈積一順應性的 0503-A31207TWF/Idngandchen 1279885 擴散阻卩早層18 ’其沈積方式包括·化風 化孥氧相沈積(CVD)、電漿加強化學氣 相沈積（plasma enhanced CVD)式；5 2 只 )3 原子層沈積（atomic layer deposition ALD)。擴散阻障層18可為鈕、氮化知、 ^ ^ ， 5-鈦、虱化鈦、氮矽化鈦、鎢、氮化 爲、碟化鶴銘或兩種或多種上述材料之纽合。之後，在擴散阻障層μ上沈 積導包層20，例如.鎢、銀或金’而較佳為銅或銅合金，並完全填滿介 層窗14及溝槽16,其中導電層2〇 . 心疋槓方式包括·無電鍍沈積技術 (electroless deposition) Mb # ^ ^ ^ (cyD) f ^ ^ f ^ (electrochemical deposition，ECD)。 接者，將導電層20進行化學機械研磨製程，形成如第5 _示之結構。 如圖所不，具有圓化頂角22a之内連線22鑲喪在金屬間介電層Η中，由 於頂角圓化使得圓化頂角22a與溝槽16之側壁恤形成一凹陷Μ。如前述， 其中凹陷24.是由純學频研磨製財鲜性腐簡造成，因此降低 内連線的可罪度凹|^24之兄度迷常約1〇〇至5〇〇埃，而深度約_至谓 埃。. 一 第6圖顯示本發明之重要特徵，將一厚度約5〇〇_7〇〇埃之填充層％沈 齡金«介電層12及喊線22之上，並填滿_ 24。接著，以搬光步 驟(buffing)將超出凹陷24的填充物移除，露出金屬間介電層12及内連❹ 的頂部表面。如第7圖所示’未移除之填充物施大抵與金制介電層Η 及内連線22共平面。之後，在上述平坦化之結構上沈積—則停止層或覆 蓋層28，例如氮化石夕、氮氧化石夕或碳化石夕。 由上所知之内連線結構，包括··具有圓化頂角之内連線η鑲喪 在溝槽16巾，且兩者之間具有擴散阻障層18、一對填充物遍設置在眉化 =角22a與溝槽16側壁i6a之間的凹陷2心如第7圖所示，當由橫截面觀 不$填充物26a括住内連'線22，且各填充物至少一邊為曲線，沿著該圓 化頂角22a形成該内連線22的側邊，並具有一大抵為三角形之截面。 本發明中填充物26a較佳為導電材料.，更佳為能防止内連線22擴散的 0503-A31207TWF/kingandchen 1279885 :=擴:：：：一填― 化餘十，、+、.， 威欽、氮石夕化欽、鎢、氫化鎢、磷 分開_層二：：=_物-與擴散阻障層Μ標示為 此，、如 時，則可能無法區分兩者之界線’因 内、鱼^ I目同材料時’填充物加可視為擴散阻障層18的頂部，括住 較户勒公。獻絲是，_填充物施與驗阻障層18 奴佺為相同材料，但也可為不同材料。 仏示本發贿佳實施射隨線結翻上麵。具錢化頂角 :的内4 22驗在金屬間介電層12中，一對填充物施沿著該圓化頂 ^形成該魄㈣邊，其中虛線表示位於填充物施下的擴散阻障層 本發明之内連線絲在賴上提供了較佳的可靠度及以及均勻的阻抗 广二貫，果可知’金屬填充物可降低阻抗心的起伏，且大抵不會增 夕Γϋΐ 轉、積分佈_示晶κ上量寵域阻抗值分敍幅降低 卜㈣可避免内連線22之金屬離子的表面擴散，以及讓内連線 緊附农金屬間介電層12與/或银刻停止層28，因此改呈盆可靠声 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非^限定ς發曰月，任 何熟習此技勢者，在不脫離本發明之精神和範圍内，當可作些許之 潤飾，因此本發明之健純後附之申請專利範騎界定者為準。- 0503-A31207TWF/kingandcheii 1279885 【圖式簡單說明】 程剖面圖。 ί Γ示發明人所知之形成積體電路銅内連線之製 回顯不本發明實施例中形成内連、線之製程剖 第8圖顯示本發明實施例中内連線結構之俯視圖。 曰 【主要元件符號說明】 金屬間介電層〜1 〇〇 · 銅層〜140 ; 半導體結構〜10 ; 介層窗〜14 ; 金屬層〜20 ; 内連線〜22 ; 凹陷〜24 ; 填充物〜26a ; 溝槽〜120 ; 凹陷〜160; 溝槽〜.16 ; 擴散阻障層〜18 ; 側壁〜16a ; 圓化頂角〜22a ; 填充層〜26 ; 餘刻停止層或覆蓋層〜28 0503-A31207TWF/kingandchen 10

Claims (1)

1. Ϊ279885 '十、申請專利範圍： 1· 一種半導體元件，包括： 一介電層； 一具有圓化頂角之内連線，鑲絲該介電層中；以及 -填充物，沿著該圓化則形成該内連線的側邊。 2.如申請專利範圍第丨項所述之半導體雜，其中該填充物覆蓋住該圓 化頂角且大抵與該内連線共平面。 、,、3·如中4專利範圍第㈣所述之半導體元件，其巾該填充物為導電材 料。 4. 如申請專利範圍第丨項所述之半導體元件，其中該填充物是由防止該 内連線擴散之材料所形成。 5. 如申請專利範圍第!項所述之半導體元件，其中該填充物包括艇、氮 化叙、欽、氮化鈦、氮石夕化鈦、鴒、氮化鎢、碟化或上述材料之組合。 、6.如申請專利範圍第！項所述之半導體元件，其中該填充物具有一大抵 為三角形之截面，且其中一邊為曲線。 7·—種半導體元件，包括： 一介電層’該介電層内具有一溝槽； -具有圓化頂角之内連線，賴在該溝槽中，且該内連線與該溝 具有一擴散阻障層；以及 曰 -對填充物，設置在該’頂角及該溝槽側壁間_處，將該内 括住。 " 8·如申請專利範圍第7項所述之半導體元件，其中該介電層為一低 電常數材料。 9·如申請專利細第7辆述之轉體元件，其找填充物為 料。 !〇·如申請專利範圍第7項所述之半導體元件，其中該填充物大抵與該 0503-A31207TWF/kingandchen 11 1279885 内連線及該介電層共平面。 員所述之半導體元件，其中該填充物及該擴散 11 ·如申晴專利範圍第 阻障層為相同材料。 1Z如申請專利範圍第7 阻障層為不同材料。 、&之半《元件，其中該填充物及該擴散 1。、_’ 11鈇、⑽化鈦、鎢、氮麟、魏絲或上述材料之組

   ’其中該填充物具有_大 ’其中更包括一餘刻停止 14. 如申請翻範目㉗項崎之半導體元件 抵為三角形之截面’且其中—邊為曲線。 15. 如申請專利範圍第7項所述之轉體元件 層，i於該内连線、該填充物及該介電層之上。 16. —種半導體元件，包括： 一介電層，該介電層内具有一溝槽； 一具有圓化頂角之銅内連線，鑲嵌在該溝槽中；以及 -擴散阻障層’置韻_連線與該介電層之間，且該擴散阻障層的 頂部括住該銅内連線的該圓化頂角。 17·如申請專利範圍第16項所述之半導體元件，其中該介電層為一低 介電常數材料。 " _ 18·如申请專利範圍第16項所述之半導體元件，其中該介電層包括換 碳氧化物。 乂 19·如申請專利範圍第16項所述之半導體元件，其中該填充物包括 鈕、氮化鈕'鈦、氮化鈦、氮矽化鈦、鎢、氮化鎢、碟化鎢鈷或上述材料 之組合。 20·如申請專利範圍第16項所述之半導體元件，其中該填充物具有— 大抵為三角形之截面，且其中一邊為曲線。 0503-A31207TWF/kingandchen 12 1279885 ' 種形成铸體元件的方法，包括： &供一具有溝槽之介電層； 在該溝槽中形成-具有圓化則的内連線 ;以及 ”該圓化糊與該溝槽侧壁間的凹陷處形成—填充物。 括/兮类如申明專利乾圍第21項所述之形成半導體元件的方、去甘 括在該溝槽與該内連線_成—擴散阻障層。 方去，其中更包 23.如申請專利範圍第2ι項所述之形成半導體元 甘 電層為低介電常數材料。 方仏，其中該价 24·、如申請專利範圍第21項所述之形成半導體元 充物為導電材料。 力戌，其中該塌 =·如申請專利範圍第21項所述之形成半導體元件的扭击 尤物疋由防止該内連線擴散之材料所形成。 中該填 26. 如申請專利範圍第21項所述之形成半導體元件的方法一 兄物大抵與該内連線及該介電層共平面。 ^ /、中钱填 27. 如申請專利範圍第21項所述之形成半導體元件的 括在該内連線與該溝槽間形成-擴散阻障層。 ” |更包 28. 如中§?專補圍第27項所述之形成半導體元件 充物與該阻障層為相同材料。 去其中該填 29. 如申明專利乾圍第27項所述之形成半導體元件的方法，言 3〇·如申請專利範圍第21項所述之形成轉 立中城 充物包臉、氮脸、敘、氫化鈦、氫魏鈦$ 該填 上述材料之組合。 統-、舰祕或 几如申請專利範圍第21項所述之形成半導體 中 充物具有-大抵為三角形之截面，且射_邊為曲線。 -中該填 0503-A31207TWF/kingandchen 13