TWI501299B - 半導體裝置 - Google Patents

Description

半導體裝置 [相關申請案]

本案以2010年10月5日提申之日本專利申請案第2010-226017號為基礎；該申請案的全部內容藉由參照而被併於本文中。

本文中所描述的實施例大體上係有關於一種裝置。

一鑲嵌內連線結構作為一裝置的內連線結構是習知的。該結構具有因為微型化而在內連線中發生空洞(void)的問題。因為一內連線在一空洞被產生的部分內被形成的比較薄，所以這會造成譬如像是內連線電阻的提高、因為應力遷移及電子遷移而可靠性降低、及因為焦耳熱的產生而不連續、及降低內連線的可靠性的問題。

本發明提供一種即使是有空洞存在時亦可確保高可靠性的內連線結構。

大體上，依據一實施例，一種裝置包含一具有第一溝渠的絕緣層；一在該第一溝渠內的第一內連線層，該第一內連線層包括銅及包含一內凹部分；及一在該內凹部分的內表面上的第一石墨烯片。

根據該實施例，可提供一種即使是有空洞存在時亦可確保高可靠性的內連線結構。

一實施例的裝置具有一包括一空洞的內連線結構。有一鑲嵌內連線結構作為內連線結構。在該鑲嵌內連線結構中，因為一內連線層係藉由將導電材料嵌埋在一內連線溝渠內來形成，所以當該內連線溝渠的寬度因微型化而被減小時，該導電材料在該內連線溝渠的正面被夾斷(pinched off)，一空洞因而被產生。

因此，在該實施例中，該空洞的內表面被覆蓋一具有低電阻的石墨烯層，且該石墨烯層在該空洞被形成的部分中實施電子傳導。因此，該實施例解決像是導因於該空洞之內連線電阻的提高、導因於應力遷移及電子遷移之可靠性降低、及因為焦耳熱的產生而不連續等問題，並確保高可靠度。

此外，該石墨烯層被形成在一預定的觸媒上。該實施提出銅(Cu)或銅合金可被用作為該觸媒。銅或銅合金可被用作為該鑲嵌內連線結構的材料，因此對於形成一由銅/銅合金及一石墨烯層形成之複合的內連線而言是較佳的。

此外，該石墨烯層是由一或多片形成在該觸媒上的石墨烯片形成。該石墨烯片是一基礎單元其實施彈道導引(ballistic conduction)，且具有一特性，即在一石墨烯片中的電阻很低的特性。

在下面的實施例中，“石墨烯層”一詞表示一或多片石墨烯片。

圖1例示依據第一實施例的一裝置。圖2是沿著圖1的II-II線所取的剖面圖，及圖3是沿著圖1的III-III線所取的剖面圖。

在此實施例中，一延伸在一方向上且具有一有內凹部分的部分的單一內連線係如圖2所示，及具有一沒有內凹部分的部分的單一內連線係如圖3所示。

圖2例示一空洞被形成在一鑲嵌內連線結構中的區域，及圖3例示在該鑲嵌內連線結構中的一正常區域(即，沒有空洞被形成的區域)。如上文所述，一內連線包括一形成有空洞的區域及一沒有空洞被形成的區域的原因在於，在內連線被作得更薄且更長時內連線寬度產生微變(fluctuation)。詳言之，在具有窄的內連線的區域中容易產生空洞。此外，因為一內連線的端部被漸縮(tapered)，所以空洞容易產生在內連線的端部。

在包括此實施例在內的下面的說明中，包括此等空洞的孔被稱為“內凹部分”。這是因為所有下面的實施例亦可適用於具有連鬢鬍子狀(whisker shape)的溝渠以及空洞。

半導體裝置(譬如，形成在一半導體基材上的電晶體及電容器)被一絕緣層(譬如，二氧化矽)11所覆蓋。作為蝕刻擋止件之絕緣層(譬如，氮化矽)12被形成在該絕緣層11上。

具有內連線溝渠10的絕緣層13被形成在絕緣層12上。覆蓋內連線溝渠10的內表面的阻障金屬層14被形成在內連線溝渠10內。內連線層(下文中被稱為“銅鑲嵌內連線層”)15被形成在阻障金屬層14上，該內連線層在其上部具有一內凹部分16且是由銅或銅合金所形成。

該阻障金屬層14是由一具有防止形成該銅鑲嵌內連線層15的元素擴散的功能的材料所形成，譬如像是Ta或Ti。

因為內連線溝渠10的寬度減小的關係，所以銅鑲嵌內連線層15很難被完全鑲嵌在內連線溝渠10內。例如，在非揮發性半導體記憶體(譬如，快閃記憶體)中，內連線溝渠10的寬度可以是10奈米或更小。

該銅鑲嵌內連線層15係藉由首先以噴濺方法沉積一銅種晶(Cu種晶)層於內連線溝渠10內、將該銅種晶層浸在銅電鍍溶液中、及用銅來電鍍該銅種晶層來形成。然而，因為該內連線溝渠10的寬度被減小，所以該銅種晶層蓋住該內連線溝渠10的正面(frontage)或該內連線溝渠10的正面在用來形成該銅種晶層的濺鍍期間變得非常小，且一被封起來的空洞被形成在該銅種晶層內。

在此一情形中，該銅電鍍溶液無法充分地進入到該被封起來的空洞中，且在該空洞內該銅電鍍層無法被形成為具有足夠的厚度。因此，之後，當該由銅種晶層形成之銅鑲嵌內連線層15及該銅電鍍層藉由化學機械研磨(CMP)處理而被形成在該內連線溝渠10內時，該內凹部分16被形成在該銅鑲嵌內連線層15的上部中。

在此實施例中，穩定且低電阻的石墨烯層17覆蓋該銅鑲嵌內連線層15的內凹部分16的內表面。詳言之，石墨烯層17在內凹部分16被形成的部分內實施電子傳導，藉以解決內凹部分16所造成之內連線電阻提高、導因於應力遷移及電子遷移之可靠性降低、及因為焦耳熱的產生而不連續等問題，並獲得高穩定度。

此外，石墨烯層17可用該銅鑲嵌內連線層15(其被用作為觸媒)來生長。因此，可輕易地形成一複合內連線，該複合內連線是由該銅鑲嵌內連線層15與該石墨烯層17形成。

如圖4所例示，該石墨烯層17是由一或多片石墨烯片17-1，17-2，...，17-n所形成。每一石墨烯片17-1，17-2，...，17-n都是一實施彈道導引的基礎單元、都很薄(約0.34nm)、且都具有低電阻。在該等實施例中，該石墨烯層17是用至少一石墨烯片形成就已足夠。

因為該石墨烯層17是用該銅鑲嵌內連線層15(其被用作為觸媒)來生長的，所以該石墨烯層17亦被形成在該銅鑲嵌內連線層15上而不是該內凹部分16上，譬如圖3所示地在該銅鑲嵌內連線層15的頂部上，以及在該內連線層的上邊緣上。一或多片形成該石墨烯層17的石墨烯片從該內凹部分16內的該銅鑲嵌內連線層15延伸到該銅鑲嵌內連線層15的不是內凹部分16的其它部分。

接觸插塞18將形成在該半導體基材上的半導體裝置(譬如，電晶體及電容器)連接至該銅鑲嵌內連線層15。

依據第一實施例，該石墨烯層17覆蓋該銅鑲嵌內連線層15的內凹部分16的內表面，因此可抑制在該內凹部分16中之內連線電阻的升高。此外，因為該石墨烯層17係作為電子傳導路徑，所以可以降低在該內凹部分16內電流密度的增加，並抑制電子遷移及防止導因於焦耳熱的不連續。此外，因為石墨烯層17對於電流密度具有非常高的阻值，所以可藉由使用石墨烯層17作為一從該內凹部分16延伸至該內凹部分16的外面之連續的內連線層(電子傳導路徑)來進一步提高電流密度的阻值。

此外，銅或銅合金很容易用應力來將其變形。詳言之，銅鑲嵌內連線層15的應力遷移的抵抗性在銅鑲嵌內連線層15的內凹部分16中會降低。根據此實施例，該內凹部分16的內表面被一石墨烯層17(其為一穩定的結構)覆蓋，因此可防止因為內凹部分16內的應力遷移所造成的失效。

石墨烯層17亦被形成在銅鑲嵌內連線層15之不是內凹部分16的部分上。因為石墨烯層17從該內凹部分16的裡面連續地延伸至該內凹部分16的外面，所以石墨烯層17的內連線電阻可像銅鑲嵌內連線層15一樣藉由使用石墨烯層17作為內連線層(電子傳導路徑)而被降低，小於銅鑲嵌內連線層15的電阻。

亦將石墨烯層17形成在銅鑲嵌內連線層15之不是內凹部分16的部分上對於防止發生在該銅鑲嵌內連線層15的上表面(介於該銅鑲嵌內連線層與該絕緣層之間的界面)中的電子遷移是很有效的。這是因為石墨烯層17是一穩定的材料，其對於熱具有一很高的阻值及具有很高的機械強度。

因為石墨烯層17覆蓋該銅鑲嵌內連線層15的上表面及該內凹部分16的整個內表面，所以石墨烯層17亦作為一可防止銅鑲嵌內連線層15氧化的保護層。

圖5例示該銅鑲嵌內連線層及接觸插塞其被連接至該銅鑲嵌內連線層。

在圖1至圖3所示的裝置中，當該接觸插塞22被連接到該內凹部分16上時，會產生兩個問題。

一個問題是，當作為蝕刻擋止件的絕緣層19及層間絕緣層20被形成在該內凹部分16內或上且接觸孔21被形成在該等絕緣層內時，存在於該內凹部分16的底面上的石墨烯層17亦被去除，如圖5(a)的左半邊所例示者。

這是該內凹部分16造成的，當絕緣層19及層間絕緣層20被形成時該內凹部分16被留下成為空穴。在用來形成接觸孔21的蝕刻(RIE)處理中石墨烯層17係經由該空穴被去除。在此例子中，覆蓋銅鑲嵌內連線層15的內凹部分16的內表面的石墨烯層17被減少，因此上述第一實施例所得到的效果無法被充分地獲得。

另一個問題是，即使是該石墨烯層17沒有被蝕刻去除掉，銅鑲嵌內連線層15的內凹部分16仍被留在該接觸孔21的底部內，因此當接觸插塞22之後被形成時，新的空穴23被形成，如圖5(a)的右半邊所示。

空穴23造成接觸插塞22嵌埋失敗，且會造成銅鑲嵌內連線層15與接觸插塞22之間接觸電阻升高，及造成它們之間不連續。

因此，如圖5(b)所示，第二實施例提出一種結構，在此結構中當該待連接至銅鑲嵌內連線層15的接觸插塞22被形成在該銅鑲嵌內連線層15上時，該銅鑲嵌內連線層15的內凹部分16被絕緣層24填滿。

當該內凹部分被填滿絕緣層24時，石墨烯層17受到該絕緣層24的保護，因此石墨烯層17不會被用來形成該接觸孔的蝕刻去除掉。此外，因為沒有銅鑲嵌內連線層15的內凹部分(空穴)存在於該接觸孔21的底部內，所以當接觸插塞22稍後被形成時產生新的空穴的可能性被降低。

因此，嵌埋接觸插塞22的失敗可被降低，銅鑲嵌內連線層15與接觸插塞22之間的接觸電阻的升高及它們之間的不連續的問題可被減小。

然而，在此例子中，接觸插塞22與形成石墨烯層17的至少一石墨烯片的面內(in-plane)端部接觸是必要的。這是因為該石墨烯片的面內端部係作為彈道導引的啟始點或終止點。

為了要確實地讓該接觸插塞22與石墨烯層17接觸，該接觸插塞22的下端的寬度W1被設定為大於或等於該內連線溝渠的上端的寬度W2是必要的。即使是該接觸插塞22的下端的寬度W1小於該內連線溝渠的上端的寬度W2，本實施例的效果在接觸插塞22與石墨烯層17接觸時仍可被獲得。

只要接觸插塞22與石墨烯層17接觸，接觸插塞22即可同時接觸其它層，譬如像是阻障金屬層14、銅鑲嵌內連線層15、及絕緣層24。

當作為蝕刻擋止件的該絕緣層19是用可以填充該銅鑲嵌內連線層15的內凹部分之良好的填充特性的材料製成時，它亦可被用作為絕緣層24。在此例子中，作為蝕刻擋止件的該絕緣層19被填入到銅鑲嵌內連線層的內凹部分中，當作絕緣層24。

該絕緣層24的材料可以與層間絕緣層20的材料相同，或是不同。例如，絕緣層24可用SiN、SiCN、或SiON形成，層間絕緣層20可用TEOS形成。

圖6例示一依據第二實施例的裝置。圖7為沿著圖6的VII-VII線所取的剖面圖，及圖8為沿著圖6的VIII-VIII所取的剖面圖。

在此實施例中，一延伸在一方向上且具有一用絕緣層19填充之內凹部分的部分的單一內連線係如圖7所示，及具有一沒有內凹部分的部分的單一內連線係如圖8所示。

圖7例示一空洞被形成在一鑲嵌內連線結構中的區域，及圖8例示在該鑲嵌內連線結構中的一正常區域(即，沒有空洞被形成的區域)。

在此實施例中，因為石墨烯層17並沒有填滿銅鑲嵌內連線層15的內凹部分16，所以填充該內凹部分16的絕緣層19被形成在石墨烯層17上。在此實施例中，絕緣層19亦作為蝕刻擋止件，且被形成在絕緣層13、阻障金屬層14、內連線層15、內凹部分16及石墨烯層17頂部上。

因為石墨烯層17是用作為觸媒的銅鑲嵌內連線層15來生長的，所以石墨烯層17亦被形成在該銅鑲嵌內連線層15之不是內凹部分16的部分上。一或多片形成該石墨烯層17的石墨烯片從該內凹部分16內的該銅鑲嵌內連線層15延伸到該內凹部分16外面的該銅鑲嵌內連線層15。

接觸插塞18將形成在該半導體基材上的半導體裝置(譬如，電晶體及電容器)連接至該銅鑲嵌內連線層15。

圖9例示接觸插塞被添加至圖6的裝置的結構。圖10為沿著圖9的X-X線所取的剖面圖，及圖11為沿著圖9的XI-XI線所取的剖面圖。

圖10對應於圖7且例示一空洞被形成在一鑲嵌內連線結構中的區域。圖11對應於圖8且顯示在該鑲嵌內連線結構中的正常區域(沒有空洞被形成的區域)。

層間絕緣膜20被形成在填充該內凹部分的絕緣層19上。接觸孔21被形成在層間絕緣層20及絕緣層19中，且接觸插塞22被形成在各個接觸孔21內。

接觸插塞22與形成該石墨烯層17的至少一片石墨烯片的一面內(in-plane)端部接觸。

例如，如圖10所示，在銅鑲嵌內連線層15的內凹部分上，接觸插塞22與在該內凹部分中之形成該石墨烯層17的至少一片石墨烯片的一面內端部接觸。

圖12例示圖10的區域A的細部。石墨烯層17是由例如1至10片石墨烯片形成，且接觸插塞22與該等石墨烯片的面內端部接觸。

此外，如圖11所示，在該銅鑲嵌內連線層15之不是內凹部分的部分上，接觸插塞22與該銅鑲嵌內連線層15上形成該石墨烯層17的至少一片石墨烯片的一面內端部接觸。

圖12例示圖11的區域B的細部。接觸孔被形成穿透石墨烯層17，該接觸插塞22藉此與該石墨烯片的一面內端部接觸。

依據此第二實施例，該銅鑲嵌內連線層15的內凹部分被填入該絕緣層19。因此，石墨烯層17受該絕緣層19保護，因此石墨烯層17沒有在用於形成該等接觸孔的蝕刻中被去除掉。

此外，因為產生銅鑲嵌內連線層15的內凹部分於該等接觸孔21的底部內被禁止，所以當接觸插塞22形成時可防止新的空穴被產生。

因此，可防止嵌埋該等接觸插塞22的失敗，且不會有像是提高銅鑲嵌內連線層15與接觸插塞22之間的接觸電阻的問題及銅鑲嵌內連線層15與接觸插塞22之間不連續的問題。

圖13例示一依據第三實施例的裝置。圖14為沿著圖13的XIV-XIV線所取的剖面圖，及圖15為沿著圖13的XV-XV線所取的剖面圖。

在此實施例中，一延伸在一方向上且具有一被填充石墨烯層17的內凹部分的部分的單一內連線係如圖14所示，及具有一沒有內凹部分的部分的單一內連線係如圖15所示。

圖14例示一空洞被形成在一鑲嵌內連線結構中的區域，及圖15例示在該鑲嵌內連線結構中的一正常區域(即，沒有空洞被形成的區域)。

在第二實施例中，因為該銅鑲嵌內連線層15的內凹部分沒有完全被填充石墨烯層17，所以具有良好填充特性且完全填充銅鑲嵌內連線層15的內凹部分的絕緣層19及24被形成在石墨烯層17上。與此相比，本實施例提出該銅鑲嵌內連線層15的內凹部分被石墨烯層17完全填滿的結構，並獲得與第二實施例相同的效果。

在此實施例中，因為石墨烯層17整個填滿該銅鑲嵌內連線層15的內凹部分16，所以在該內凹部分16中的石墨烯層17在用來形成接觸孔於該銅鑲嵌內連線層15上的蝕刻期間沒有被去除掉。此外，因為沒有銅鑲嵌內連線層15的內凹部分(空穴)，所以在接觸插塞在稍後被形成時沒有新的空穴被形成。

依據此第三實施例，石墨烯層17完全填滿該銅鑲嵌內連線層15的內凹部分16，因此在於第二實施例相同的方式中，在該內凹部分16中的石墨烯層17沒有在用來形成接觸孔於該銅鑲嵌內連線層15上的蝕刻期間被去除掉。此外，因為產生了一包括內凹部分的銅鑲嵌內連線層15，所以當接觸插塞稍後被形成時可防止一新的空穴。

因此，可防止嵌理該等接觸插塞的失敗，且不會有像是提高銅鑲嵌內連線層15與接觸插塞之間的接觸電阻的問題及銅鑲嵌內連線層15與接觸插塞之間不連續的問題。

第三實施例可與第一實施例搭配第一或第二實施例一起使用。一使用在一微型化的裝置內的內連線層被作得更薄及更長，且該內連線寬度會變動。藉此，形成在該內連線層中的內凹部分的尺寸亦會改變。此外，有各式內連線層將被用於裝置上，譬如寬的內連線層及窄的內連線層。形成在該內連線層中的內凹部分的尺寸亦會根據內連線層的種類而改變。因此，一小尺寸的內凹部分用石墨烯層填充，且一大尺寸的內凹部分不單單是用石墨烯層填充是可能的。

此實施例可被視為對於上述結構亦視有效的，因為此實施例的基本效果(第一實施例所獲得的效果)亦可在上述的結構中被獲得。然而，不吝該等內凹部分的尺寸為何，藉由控制形成該石墨烯層的石墨烯片的數量即可用石墨烯層來填充所有內凹部分。

圖16例示一依據第四實施例的裝置。

當該裝置(LSI)被微型化且內連線寬度被進一步減小時，會有該銅鑲嵌內連線層15未覆蓋部分阻障金屬層14的情況，如圖16(a)所示。當此一情況發生時，形成一石墨烯層於銅鑲嵌內連線層15的內凹部分16的整個內表面上是很困難的。這是因為石墨烯層是用該銅鑲嵌內連線層15作為一觸媒來生長的。

因此，在第四實施例中，阻障金屬層14是用一可被用作為該石墨烯層的觸媒的材料來形成的。然而，該阻障金屬層14必需具有可防止形成該銅鑲嵌內連線層15的元素擴散的功能。

此實施例提出鈷(Co)或鈷合金作為可防止形成該銅鑲嵌內連線層15的元素(銅或銅合金)擴散且可被用作為該石墨烯層的觸媒的材料。詳言之，該阻障金屬層14包括鈷。

根據上述結構，即使是在該銅鑲嵌內連線層15沒有覆蓋在該內凹部分16內的部分阻障金屬層14的時候，該包括鈷的阻障金屬層14及該銅鑲嵌內連線層15係作為該石墨烯層的觸媒，該石墨烯層17可被形成在該銅鑲嵌內連線層15的該內凹部分16的整個內表面上，圖16(b)所示。

第四實施例可應用到第一至第三實施例的阻障金屬層。

圖17至圖19例示一依據第五實施例的裝置。

裝置(LSI)大體上包括各種具有不同的內連線寬度的銅鑲嵌內連線層。詳言之，上述內凹部分可被形成在具有小的內連線寬度的銅鑲嵌內連線層中，且上述的內凹部分可以不被形成在具有大的內連線寬度的銅鑲嵌內連線層中。

圖17的例子係關於第一實施例的結構(圖2及圖3)，且例示同時存在於一裝置中的一包括內凹部分的銅鑲嵌內連線層15(左半邊)及一完全填滿該內連線溝渠之正常的銅鑲嵌內連線層15(右半邊)的狀態。

在該正常的部分中，(至少一石墨烯片的)石墨烯層17的下端高於該內連線溝渠的上端。

圖18的例子係關於第二實施例(圖7及圖8)的結構，且例示同時存在於一裝置中的一包括內凹部分的銅鑲嵌內連線層15(左半邊)及一完全填滿該內連線溝渠之正常的銅鑲嵌內連線層15(右半邊)的狀態。

同樣在此例子中，在該正常的部分中，(至少一石墨烯片的)石墨烯層17的下端高於該內連線溝渠的上端。

圖19的例子係關於第三實施例(圖14及圖15)的結構，且例示同時存在於一裝置中的一包括內凹部分的銅鑲嵌內連線層15(左半邊)及一完全填滿該內連線溝渠之正常的銅鑲嵌內連線層15(右半邊)的狀態。

同樣在此例子中，在該正常的部分中，(至少一石墨烯片的)石墨烯層17的下端高於該內連線溝渠的上端。

圖20至圖27例示一種製造一依據本發明的第二實施例的裝置的方法。該具有最多構成元件數量的第二實施例的構造將於下文中被說明。依據第一、第三、第四、及第五實施例的裝置的製造方法可藉由應用下面的第二實施例的構造的製造方法而被輕易地瞭解。

首先，如圖20所示，一其上形成有半導體裝置(譬如，電晶體或電容器)的半導體基材被一絕緣層覆蓋，及一下內連線層25被形成在該絕緣層上。之後，層間絕緣膜11被形成在該下內連線層25上，及到達下內連線層25的接觸插塞18被形成在該層間絕緣層11中。

雖然此例子顯示接觸插塞18被連接至下內連線層25的情形，但接觸插塞18可被直接連接至該半導體基材，或該半導體基材上的電晶體或電容器。

層間絕緣層11是由一包括矽(譬如TEOS)的氧化物層形成，且接觸插塞18是由一單純的金屬層(譬如，W、Cu、及Al)形成。一阻障金屬層可被形成作為接觸插塞18的底層，用來防止該形成接觸插塞18的金屬元素擴散。該阻障金屬層是由例如像是Ta、Ti、Ru、Mn、及Co的金屬材料，或它們的氮化物或氧化物形成。

在此例子中，接觸插塞18是與一稍後予以說明之形成在接觸插塞18上方的銅鑲嵌內連線層(單一鑲嵌內連線層)分開來形成。然而，接觸插塞18可與形成在接觸插塞18上方的銅鑲嵌內連線層同時形成(雙鑲嵌內連線層)。

之後，蝕刻停止層(譬如，氮化矽層)12藉由CVD或類此者而被形成在該層接絕緣層11上。然後，層間絕緣層(例如，一包括矽，如TEOS，的氧化物層)13藉由CVD而被形成在該蝕刻停止層12上。

蝕刻停止層12是由對於層間絕緣層11及13具有大的蝕刻選擇率的材料形成。然而，當層間絕緣層11及層間絕緣層13是由不同材料形成時，它們之間的蝕刻選擇率可被設得很大，蝕刻停止層12可被省略。

接下來，如圖21所示，一光阻圖案藉由光刻處理(photoengraving process,PEP)或類此者而被形成在該層間絕緣層13上。當該層間絕緣層13被反應式離子蝕刻(RIE)或類此者以該光阻圖案作為光罩予以蝕刻時，到達接觸插塞18的內連線溝渠10即被形成在層間絕緣層13中。

在該蝕刻中，首先，層間絕緣層13在層間絕緣層13可被輕易地蝕刻的條件下被蝕刻，然後該蝕刻停止層12在該蝕刻停止層12可被輕易蝕刻的條件下被蝕刻，因此該等內連線溝渠10的深度可以很均勻。

之後，該光阻圖案被去除掉。

接下來，如圖22所示，阻障金屬層14被形成在層間絕緣層13及內連線溝渠10的內表面上。阻障金屬層14是由具有防止銅元素擴散功能的金屬材，例如，厚度約為5奈米的Ta所形成。阻障金屬層14可藉由使用像是PVD、CVD及原子層沉積(ALD)的方法來形成。阻障金屬層14可用不是Ta的金屬材料，譬如Ti、Ru、Co、及Mn，或它們的氮化物或氧化物來形成。

之後，作為電鍍的陰極的銅種晶層15A被形成在該阻障金屬層14上。銅種晶層15A大體上是用濺鍍來形成。這是因為流壓力(stream pressure)的關係讓銅層很難用CVD來形成。

濺鍍的覆蓋性(膜形成均勻性)低於CVD的覆蓋性是已知的。因此，當內連線溝渠10的寬度很小時，例如，10奈米或更小時，銅的膜形成速度在內連線溝渠10的正面被提高，且銅的膜形成速度在內連線溝渠10的側表面被降低。藉此，銅種晶層15A在內連線溝渠10的正面處被夾斷，一上部被銅種晶層15A封閉的空洞被形成在內連線溝渠10中。

在用來形成內連線溝渠10的光微影及蝕刻中的處理微變亦是產生一空洞的原因。例如，即使是一銅種晶層15A是在不會形成空洞於內連線溝渠10中的條件下(內連線寬度及銅沉積方法)被形成，內連線溝渠10的寬度仍會因為上述的處理微變而微變。因為該等微變的關係，內連線溝渠10包括發生填充失敗的部分及沒有發生填充失敗的部分。

圖22的左半部例示填充失敗的狀態，在該狀態中一空洞被形成在內連線溝渠10中(覆蓋性不佳的狀態)，及圖22的右半部例示銅種晶層15A以良好的覆蓋性被形成在內連線溝渠10內的狀態。

接下來，如圖23所示，一銅層藉由電鍍而被疊置於圖22的該銅種晶層15A上，銅鑲嵌內連線層15藉此被形成。在此處理中，在一包括填充失敗的部分中(圖23的左半部)具有一上部被封閉的空洞，電鍍溶液無法進入到該空洞內。因此，空洞被留在該部分中。

即使是該空洞的上部被打開，當該開口部分的寬度很小時，電鍍溶液仍無法充分地進入到該空洞中。因此，電鍍不能被實施以完全地填滿該空洞，空洞會被留下來。

與此相較地，在沒有發生填充失敗的正常部分(圖23的右半部)中，電鍍溶液充分地填滿內連線溝渠10，因此該部分被銅鑲嵌內連線層15填滿。

接下來，如圖24所示，銅鑲嵌內連線層15用化學機械研磨(CMP)或類此者予以拋光，且該層間絕緣層13上過多的銅鑲嵌內連線層15被去除掉。因此，如圖24的左半部所示，內凹部分16被形成在該包含填充失敗的部分中內連線溝渠10內。與此相較地，完全地填滿內連線溝渠10的銅鑲嵌內連線層15被形成在該正常部分內的內連線溝渠10中。

接下來，如圖25所示，由至少一片石墨烯片形成的石墨烯層17係用CVD來形成，其中該銅鑲嵌內連線層15被用作為觸媒。

因此，如圖25的左半部所示，沒有填滿該內凹部分16的石墨烯層17被形成在位於內連線溝渠10內之該內凹部分16的內表面上，亦即，在包括填充失敗的部分內的銅鑲嵌內連線層15上。在此結構中，石墨烯層17可完全填滿該內凹部分16。在此例子中，第三實施例的結構可被獲得。

與此相較地，如圖25的右半部所示，石墨烯層17被形成在該正常部分的內連線溝渠10中的銅鑲嵌內連線層15上。

以羥為基質的氣體，譬如甲烷及乙炔或它們的混合氣體，被用作為用CVD來形成石墨烯層17的碳來源，且氫及稀有氣體被用作為載運氣體。形成石墨烯層17的石墨烯片的數量較佳地落在1至10的範圍內。從防止片與片之間的干涉的觀點來看，石墨烯片的數量較佳地要儘可能地小，且可以是1。

接下來，如圖26所示，蝕刻停止層19被形成在該層間絕緣層13上。在此例子中，蝕刻停止層19被作為絕緣層，其填滿形成在該包括填充失敗的部分中的內凹部分。蝕刻停止層19是由譬如ALD及熱CVD沉積所形成，以改善嵌埋該內凹部分的效能。蝕刻停止層19是由例如具有細微結構的SiN形成。

雖然在此例子中蝕刻停止層19亦被用作為填滿該內連線溝渠的內凹部分的絕緣層，但一只用來填滿該內連線溝渠的內凹部分的絕緣層可與該蝕刻停止層19分開地被形成。

之後，層間絕緣層20被形成在蝕刻停止層19上。

最後，如圖27所示，一光阻圖案藉由PEP而被形成在該層間絕緣層20上，且到達該銅鑲嵌內連線層15的接觸孔21係以該光阻圖案作為光罩，用RIE來形成。

為了要形成接觸孔21，首先層間絕緣層20在層間絕緣層20可被輕易地蝕刻的條件下被蝕刻，然後該蝕刻停止層19在該蝕刻停止層19可被輕易蝕刻的條件下被蝕刻。因此，該等接觸孔21的深度可以很均勻。

之後，該光阻圖案被去除掉。

然後，接觸插塞22填滿各接觸孔21，第二實施例的內連線結構因而被完成。

接觸插塞22與接觸插塞18一樣是由一單純的金屬層(譬如，W、Cu、及Al)形成。接觸插塞22可被設置一阻障金屬層作為一用來防止該形成接觸插塞22的金屬元素擴散的底層。該阻障金屬層是由例如像是Ta、Ti、Ru、Mn、及Co的金屬材料，或它們的氮化物或氧化物形成。

上文為實施每一實施例的內連線結構的處理流程。

圖28例示第一至第五實施例被應用到NAND快閃記憶體的例子。

一NAND快閃記憶體的主要構成元件是一記憶體單元(memory cell)陣列及週邊電路(邏輯電路)。因為記憶體單元陣列容量的增加，所以記憶體單元陣列通常被形成為具有最小處理尺寸。例如，字元線或位元線有被窄化及加長化的傾向。字元線或位元線因為微變而具可具有不同的內連線寬度。此外，字元線或位元線的端部傾向於漸縮，且字元線或位元線的接觸部分被設置在端部。詳言之，有許多情形是，接觸插塞被設置在銅鑲嵌內連線層的內凹部分上。因此，將第二及第三實施例應用到NAND快閃記憶體的字元線或位元線上是很有效的。

另一方面，該週邊電路被設置有銅鑲嵌內連線層15，其具有一大於在記憶體單元陣列中的字元線或位元線的內連線寬度大的內連線寬度。接觸插塞22像這樣被連接至銅鑲嵌內連線層15，使得接觸插塞22穿透在銅鑲嵌內連線層15上的石墨烯層17，如在第一至第三實施例中所說明的，因為銅鑲嵌內連線層15完全填滿該等內連線溝渠。藉由採用上述的結構，接觸插塞22與形成該石墨烯層17的至少一石墨烯片的一面內端部接觸，因此可達到降低在週邊電路中之銅鑲嵌內連線層15的電阻並改善可靠性的功效。

如上文所述，根據該等實施例，可提供一種內連線結構，其即使是在有空洞時仍可確保高可靠性。

雖然某些實施例已被描述，但這些實施例只是為了舉例而被提出，其並非打算要限制本發明的範圍。事實上，描述於本文中的新穎方法及系統可被體現成許多其它的形式；尤甚者，描述於本文中的方法及系統在形式上的各式省略、取代及改變可在不偏離本發明的精神下被達成。下面的申請專利範圍及其等效物是要涵蓋落在本發明的範圍及精神內的這些形式或修改。

11．．．絕緣層

10．．．內連線溝渠

12．．．絕緣層

14．．．阻障金屬層

15．．．銅鑲嵌內連線層

16．．．內凹部分

17．．．石墨烯層

17-n．．．石墨烯片

22．．．接觸插塞

19．．．絕緣層(蝕刻停止層)

20．．．絕緣層

21．．．接觸孔

23．．．空穴

24．．．絕緣層

25．．．下內連線層

18．．．接觸插塞

圖1為一立體圖，其例示第一實施例的裝置，

圖2是沿著圖1的II-II線所取的剖面圖，

圖3是沿著圖1的III-III線所取的剖面圖，

圖4是一圖表，其例示一石墨烯層的結構，

圖5是一圖表，其例示在一銅鑲嵌內連線層之內凹部分上的接觸插塞(contact plug)，

圖6是一立體圖，其例示第二實施例的裝置，

圖7是沿著圖6的VII-VII線所取的剖面圖，

圖8是沿著圖6的VIII-VIII線所取的剖面圖，

圖9是該第二實施例的裝置的立體圖，

圖10係沿著圖9的X-X線所取的剖面圖，

圖11為沿著圖9的XI-XI線所取的剖面圖，

圖12為一圖表，其例示一接觸插塞與一石墨烯層的接觸狀態，

圖13為一立體圖，其例示第三實施例的裝置，

圖14為沿著圖13的XIV-XIV線所取的剖面圖，

圖15為沿著圖13的XV-XV線所取的剖面圖，

圖16為一剖面圖，其例示第四實施例的裝置，

圖17至圖19為剖面圖，其例示第五實施例的裝置，

圖20至圖27為剖面圖，其例示一製造方法的例子，及

圖28為一圖表，其例示一NAND快閃記憶體應用的例子。

10．．．內連線溝渠

11．．．絕緣層

12．．．絕緣層

13．．．絕緣層

14．．．阻障金屬層

15．．．銅鑲嵌內連線層

16．．．內凹部分

17．．．石墨烯層

18．．．接觸插塞

Claims (15)

1. 一種半導體裝置，包含：一帶有第一溝渠的第一絕緣層；一在該第一溝渠內的第一內連線層，該第一內連線層包括銅及一在該第一內連線層的銅內的內凹部分；及一在該內凹部分的內表面上的第一石墨烯片。
2. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，更包含：一在該第一絕緣層的一第二溝渠內的第二內連線層，該第二內連線層包括銅；及一在該第二內連線層上的第二石墨烯片，該第二石墨烯片具有一比該第二溝渠的上端高的下端。
3. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，更包含：一形成在該第一內連線層的該內凹部分內的第二絕緣層。
4. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該內凹部分是一空洞及一具有連鬢鬍子狀(whisker shape)的溝渠的一者。
5. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該第一溝渠延伸於一方向上，在一沿著一垂直於該方向的平面所取的第一剖面圖中，該內凹部分是在該第一內連線層的該銅內，及在一沿著一垂直於該方向的平面所取的一不是該第一剖面圖的第二剖面圖中，該內凹部分沒有被形成在該第一內連線層的該銅內。
6. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，更包含： 一在該第一石墨烯片上的第二絕緣層，該第二絕緣層填滿該內凹部分；及一接觸插塞，其與該第一石墨烯片的一在一面內(in-plane)方向上的端部連接，其中該第一石墨烯片被設置在該第一內連線層之除了該內凹部分以外的其它部分上，且沒有填滿該內凹部分。
7. 如申請專利範圍第6項之半導體裝置，更包含：一在該第一絕緣層的一第二溝渠內的第二內連線層，該第二內連線層包括銅；及一在該第二內連線層上的第二石墨烯片，該第二石墨烯片具有一比該第二溝渠的上端高的下端。
8. 如申請專利範圍第6項之半導體裝置，其中該內凹部分是一空洞及一具有連鬢鬍子狀的溝渠的一者。
9. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，更包含：一接觸插塞，其與該第一石墨烯片的一在一面內方向上的端部連接，其中該第一石墨烯片被設置在該第一內連線層之除了該內凹部分以外的其它部分上，且填滿該內凹部分。
10. 如申請專利範圍第9項之半導體裝置，更包含：一在該第一絕緣層的一第二溝渠內的第二內連線層，該第二內連線層包括銅；及一在該第二內連線層上的第二石墨烯片，該第二石墨烯片具有一比該第二溝渠的上端高的下端。
11. 如申請專利範圍第9項之半導體裝置，其中該第一內連線層具有鑲嵌內連線結構。
12. 如申請專利範圍第9項之半導體裝置，其中該內凹部分是一空洞及一具有連鬢鬍子狀的溝渠的一者。
13. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，更包含：一在該第一溝渠的內表面上的阻障金屬層，該阻障金屬層包括鈷且沒有填滿該第一溝渠，其中該第一內連線層被設置在該阻障金屬層上，且沒有覆蓋該阻障金屬層在該內凹部分中的部分。
14. 如申請專利範圍第13項之半導體裝置，更包含：一在該第一絕緣層的一第二溝渠內的第二內連線層，該第二內連線層包括銅；及一在該第二內連線層上的第二石墨烯片，該第二石墨烯片具有一比該第二溝渠的上端高的下端。
15. 如申請專利範圍第13項之半導體裝置，其中該內凹部分是一空洞及一具有連鬢鬍子狀的溝渠的一者。