專利名稱：銅導(dǎo)線在下層之內(nèi)連線的雙鑲嵌的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于半導(dǎo)體的制造，特別是指一種雙鑲嵌的制造中，以銅導(dǎo)線在雙鑲嵌圖案的底層，上層的金屬導(dǎo)線不特別限制為銅導(dǎo)線的制造方法。
隨著積體電路技術(shù)的進(jìn)步，大量的電晶體、電容或其他的被動元件形成單一晶片上已不足為奇。元件聚集度的大幅提升，大部分歸功于元件尺寸微小化趨勢與多層內(nèi)連線連接技術(shù)的顯著進(jìn)步。不過，在多層內(nèi)連線連接技術(shù)中，隨著導(dǎo)線密集，潛藏許多待克服的問題。例如，當(dāng)導(dǎo)線密集時，隱含著導(dǎo)線間的間隙減少，因此，如何在內(nèi)連線介電層填入這些導(dǎo)線間隙，而不會有空洞產(chǎn)生，以保證可靠度是一個待克服的問題。其次，如何在導(dǎo)線鑲嵌的制造中介電層洞(via hole)和導(dǎo)線的對準(zhǔn)，不產(chǎn)生對準(zhǔn)誤差(misalignment)，是另一個待克服的問題。
最近，由Hsu先生所獲得的美國專利第6087251號報(bào)導(dǎo)一種新的雙鑲嵌技術(shù)，它可以解決一般為形成雙鑲嵌圖案中介電層洞和導(dǎo)線溝渠對準(zhǔn)誤差的問題及復(fù)雜的沉積步驟，提出的方法如下步驟1，參閱

圖1，半導(dǎo)體基板200上已沉積第一金屬層間介電層(IMD)201，用以和其下的元件連接(圖未示)，接著氮化硅層202形成于第一金屬層間介電層(IMD)201上，在氮化硅層202再經(jīng)由微影及蝕刻等的制造圖案化，以形成導(dǎo)線溝渠204a、204b及204c。
步驟2，如圖2所示，導(dǎo)體層接著沉積，以填滿上述溝渠204a、204b及204C。導(dǎo)體層超過氮化硅層202上表面的部分接著以化學(xué)或機(jī)械式研磨的方法移除。
步驟3，如圖3所示，先以光阻圖案208將其中的一導(dǎo)線206b覆蓋，然后，再施以回蝕刻步驟，以去除導(dǎo)線206a及206c的上半部分，蝕刻至約達(dá)預(yù)定保留為底部導(dǎo)線的厚度為止。因此，在本步驟之后，已形成了下層導(dǎo)線206a’、206c’及介電層206b。
步驟4，參閱圖4所示，以氮化硅層202回填溝渠206a’及206c’，再以化學(xué)或機(jī)械式研磨的制程移除部分氮化硅層，直到露出導(dǎo)線層206b為止。之后，再以一氧化層210沉積至氮化硅層202上。氧化層210是做為第二金屬層間氧化層(IMD2)。
步驟5，參閱圖5，氧化層210再施以圖案化，以形成水平的溝渠212，直到介電層206b的表面露出。水平溝渠212再以導(dǎo)體層回填。導(dǎo)體層超出氧化層210上表面層的部分，再以化學(xué)或機(jī)械式研磨的制程移除。水平的溝渠212上的導(dǎo)體層是做為上層的導(dǎo)線。
前述的現(xiàn)有技術(shù)，定義導(dǎo)線和介電層洞時，是同時進(jìn)行的。不需再以光阻圖案去定義。因此，不會有定義介電層洞時對準(zhǔn)誤差的問題。其主要缺陷在于上述的的制程中，若底層導(dǎo)線206a、206c及介電層206b是銅金屬層時，就會產(chǎn)生若干問題。例如，一旦銅介電層206b裸露出表面，就會形成一層銅的氧化層在上面，如此一來，在形成上層導(dǎo)線與介電層206b相連接前，就需要先以電漿轟擊，以移除這一層銅氧化層，以降低兩者之間的電阻。然而，電漿轟擊的過程中，部分的銅也會被濺出而再沉積下來，例如溝渠212的側(cè)壁即是最可能的沉積位置。很明顯的，側(cè)壁若無任何阻障層的話，銅就會擴(kuò)散進(jìn)入氧化層210內(nèi)，而使得氧化層210的品質(zhì)變劣。
本發(fā)明的目的在于提供一種銅導(dǎo)線在下層之內(nèi)連線的雙鑲嵌的制造方法，克服現(xiàn)有技術(shù)的弊端，防止雙鑲嵌的制程中銅介電層因清除銅氧化層，而產(chǎn)生濺鍍于導(dǎo)線溝渠側(cè)壁的氧化層，達(dá)到提高品質(zhì)的目的。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種銅導(dǎo)線在下層之內(nèi)連線的雙鑲嵌的制造方法，其特征在于它包括如下步驟(1)提供一半導(dǎo)體基板；(2)在該半導(dǎo)體基板上形成第一介電層；圖案化該第一介電層，以形成復(fù)數(shù)個第一溝渠于其中；(3)形成一銅層，以回填該第一溝渠；施以化學(xué)或機(jī)械式研磨以移除超過該第一介電層上方的銅層，以形成復(fù)數(shù)個銅導(dǎo)線；(4)形成罩幕圖案以遮蔽一銅導(dǎo)線，該銅導(dǎo)線是預(yù)定做為介電層；以該罩幕圖案為蝕刻罩幕，以蝕刻其余的銅導(dǎo)線的上半部，至一預(yù)定的厚度，形成了底層導(dǎo)線，該底層導(dǎo)線上方留下第二溝渠；(5)去除該罩幕圖案；回填該第二溝渠以相同于第一介電層材質(zhì)的介電層；施以化學(xué)或機(jī)械式研磨，以移除超過該介電層的第一介電層，用以裸露該介電層的上表面；(6)于該第一介電層上形成第二介電層；圖案化該第二介電層以形成第三溝渠；(7)于該圖案化后的第二介電層上形成一阻障層；施以一非等向性蝕刻方法在該第三溝渠的側(cè)壁上形成間隙壁；(8)以電漿轟擊該介電層的上表面，以去除銅氧化層；(9)施以導(dǎo)體層回填該第三溝渠；施以化學(xué)或機(jī)械式研磨，以移除該第二介電層上方的導(dǎo)體層，以形成復(fù)數(shù)個上導(dǎo)體層。
所述的第一介電層至少包含氮化硅層。所述的第二介電層至少包含氧化硅層。所述的阻障層是選自TiN、SiN、TaN、WN、Ta、W或Ti其中之一。所述的導(dǎo)體層是選自銅、鎢或鋁所組成的族群的其中之一。
本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是解決了銅氧化層被電漿轟擊而回鍍在氧化層的問題。
下面結(jié)合較佳實(shí)施例和附圖進(jìn)一步說明。
圖1是現(xiàn)有技術(shù)形成導(dǎo)線溝渠于氮化硅層的橫截面示意圖。
圖2是現(xiàn)有技術(shù)回填導(dǎo)體層于導(dǎo)線溝渠的橫截面示意圖。
圖3是現(xiàn)有技術(shù)形成一罩幕其中一導(dǎo)線的橫截面示意圖。
圖4是現(xiàn)有技術(shù)形成底層導(dǎo)線及一介電層的橫截面示意圖。
圖5是現(xiàn)有技術(shù)形成水平溝渠于氧化層的橫截面示意圖。
圖6是現(xiàn)有技術(shù)形成上層導(dǎo)線的橫截面示意圖。
圖7是本發(fā)明的方法形成阻障層于已圖案化的氧化層的橫截面示意圖。
圖8是本發(fā)明的方法形成間隙壁于導(dǎo)線溝渠側(cè)壁的橫截面示意圖。
圖9是本發(fā)明的方法以惰性氣體電漿轟擊銅介電層表面氧化層的橫截面示意圖。
圖10是本發(fā)明的方法形成上層導(dǎo)線的橫截面示意圖。
圖11是本發(fā)明的方法形成底層導(dǎo)線及一介電層的橫截面示意圖。
參閱圖7-圖11，本發(fā)明是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提出的改進(jìn)技術(shù)，不管何種現(xiàn)有雙鑲嵌的制造都會留下一些待解決的問題，例如導(dǎo)線溝渠和介電層洞圖案形成的對準(zhǔn)誤差問題。前述的Hsu先生的專利技術(shù)，雖可以解決上述的問題，然而，若是以銅做為雙鑲嵌底層導(dǎo)線及介電層的材料時，要形成另一非銅的導(dǎo)線材料于其上時，由于必須先對裸露的銅介電層電漿轟擊以清除表面的銅氧化層，而這一步驟卻又會造成以氧化層為內(nèi)連線介電層材料時的污染問題。
本發(fā)明可以防止上述的問題發(fā)生。如現(xiàn)有技術(shù)的圖5中，在半導(dǎo)體基板上具有第一IMD層201、氮化硅層202和氧化層210已相繼沉積完成。在氮化硅層202中具有底層導(dǎo)線206a’及2206c’，用以和其下第一IMD層201內(nèi)的導(dǎo)線(圖中未示)相連接，銅介電層206b將用以連接形成于氧化層210(即第二IMD層210)，圖示的水平溝渠212已經(jīng)由微影及蝕刻而形成。
參閱圖7，本發(fā)明首先沉積一層阻障層220于氧化層210、溝渠212的底部及側(cè)壁上。通常該阻障層220是以PVD或CVD方法沉積，而材料的選擇可以包含以下幾種的其中之一，例如TiN、SiN、TaN、WN、Ta、W或Ti。
參閱圖8、9所示，接著實(shí)施一非等向性蝕刻方法，用以在溝渠212的側(cè)壁上形成間隙壁220a，本步驟是使得銅介電層206b的上表面外露。接著，以惰性氣體電漿，例如氬氣轟擊銅介電層206b的上表面，以去除其表面上的銅氧化層，如圖9所示。蝕刻過程中部分的銅也連同銅氧化層一并被蝕刻。其結(jié)果就如圖9所示，溝渠212的側(cè)壁上的阻障層，此時擔(dān)任阻擋濺出的銅原子再沉積擴(kuò)散至氧化層的角色。
參閱圖10，一上層導(dǎo)體層230(例如一銅層、鋁層或鎢金屬層)接著沉積上去，并完全填滿導(dǎo)線溝渠212，填入的方法可以是濺鍍或化學(xué)氣相沉積法其中的一種。之后，超過氧化層上表面的導(dǎo)體層再以化學(xué)或機(jī)械式研磨的制造法移除，以氧化層210為蝕刻終止層。在去除銅氧化層后，形成的上層導(dǎo)線即可以和銅介電層206有良好的電性連接。
現(xiàn)有技術(shù)中，銅是形成于氮化硅層之中，氮化硅層是銅的良好阻障層。然而，氮化硅層的介電常數(shù)要比氧化層高甚多。本發(fā)明由于多了一形成阻障層間隙壁的步驟，因此，可以允許以氧化層代替氮化硅層來容置底層銅導(dǎo)線。若氮化硅層202以氧化層代替時，以本發(fā)明的方法實(shí)施是很類似的。不過阻障層不需要蝕刻成間隙壁。以防止銅自溝渠底部擴(kuò)散出去。例如，如圖11所示，氧化層203，首先以微影及蝕刻的制程形成溝渠204a、204b及204c，再形成阻障層221，然后，再回填銅金屬。之后，以化學(xué)或機(jī)械式研磨的方法移除氧化層203上表面的高出的銅。再以化學(xué)或機(jī)械式研磨的制程移除，然后仍如前述形成光阻圖案遮蔽一導(dǎo)線206b以做為介電層，再回蝕其馀溝渠的銅，接著，再以氮化硅層回填，以填補(bǔ)溝渠，不過，若是上層導(dǎo)體層也是銅做為導(dǎo)線時，就不適當(dāng)，因?yàn)槿羯蠈拥淖枵蠈游g刻成間隙壁時，就會有銅自溝渠底部擴(kuò)散的問題。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用以限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡未脫離本發(fā)明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種銅導(dǎo)線在下層之內(nèi)連線的雙鑲嵌的制造方法，其特征在于它包括如下步驟(1)提供一半導(dǎo)體基板；(2)在該半導(dǎo)體基板上形成第一介電層；圖案化該第一介電層，以形成復(fù)數(shù)個第一溝渠于其中；(3)形成一銅層，以回填該第一溝渠；施以化學(xué)或機(jī)械式研磨以移除超過該第一介電層上方的銅層，以形成復(fù)數(shù)個銅導(dǎo)線；(4)形成罩幕圖案以遮蔽一銅導(dǎo)線，該銅導(dǎo)線是預(yù)定做為介電層；以該罩幕圖案為蝕刻罩幕，以蝕刻其余的銅導(dǎo)線的上半部，至一預(yù)定的厚度，形成了底層導(dǎo)線，該底層導(dǎo)線上方留下第二溝渠；(5)去除該罩幕圖案；回填該第二溝渠以相同于第一介電層材質(zhì)的介電層；施以化學(xué)或機(jī)械式研磨，以移除超過該介電層的第一介電層，用以裸露該介電層的上表面；(6)于該第一介電層上形成第二介電層；圖案化該第二介電層以形成第三溝渠；(7)于該圖案化后的第二介電層上形成一阻障層；施以一非等向性蝕刻方法在該第三溝渠的側(cè)壁上形成間隙壁；(8)以電漿轟擊該介電層的上表面，以去除銅氧化層；(9)施以導(dǎo)體層回填該第三溝渠；施以化學(xué)或機(jī)械式研磨，以移除該第二介電層上方的導(dǎo)體層，以形成復(fù)數(shù)個上導(dǎo)體層。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的第一介電層至少包含氮化硅層。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的第二介電層至少包含氧化硅層。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的阻障層是選自TiN、SiN、TaN、WN、Ta、W或Ti其中之一。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的導(dǎo)體層是選自銅、鎢或鋁所組成的族群的其中之一。
全文摘要
一種銅導(dǎo)線在下層之內(nèi)連線的雙鑲嵌的制造方法,設(shè)半導(dǎo)體基板雙鑲嵌圖案中已形成下層的銅導(dǎo)線及介電層。介電層表面自下層之內(nèi)連線介電層露出。一氧化層形成于下層之內(nèi)連線介電層上。經(jīng)由微影及蝕刻的制程形成復(fù)數(shù)個導(dǎo)線溝渠于氧化層中,一導(dǎo)線溝渠使該介電層裸露;一阻障層形成于上述裸露的外表面上;施以非等向性蝕刻阻障層,在導(dǎo)線溝渠的側(cè)壁上形成間隙壁;施以惰性氣體的電漿轟擊,清潔介電層銅導(dǎo)線上的氧化銅;形成導(dǎo)體層以填滿導(dǎo)線溝渠并溢出;以CMP清除氧化層上的導(dǎo)體層。
文檔編號H01L21/70GK1374690SQ0110962
公開日2002年10月16日 申請日期2001年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月13日
發(fā)明者曾鴻輝 申請人:世界先進(jìn)積體電路股份有限公司