專利名稱：雙層硅碳化合物阻障層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種集成電路結(jié)構(gòu)(integrated circuit)，特別是涉及一種雙層(bilayer)硅碳化合物阻障層，尤其應(yīng)用于金屬內(nèi)連線制作工藝(interconnectmetallization applications)。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著對(duì)高速元件(high speed)的需求增加，低介電常數(shù)材料與低導(dǎo)電性物質(zhì)的發(fā)展也持續(xù)進(jìn)行?；旧?，內(nèi)連線結(jié)構(gòu)的效能與速度可以RC延遲(RC delay)來(lái)表示，其中R代表導(dǎo)線的電阻值(resistance)，C代表介電材料在兩導(dǎo)線之間的電容值(capacitance)。因此，使用具有較低介電常數(shù)的介電材料即可降低金屬間(inter-metal)電容，從而產(chǎn)生較低的RC延遲以及較高的操作效能。
雙鑲嵌(dual damascene)制作工藝是目前0.25微米以下高速邏輯元件制作所廣泛使用的金屬內(nèi)連線技術(shù)。在雙鑲嵌制作工藝中，金屬內(nèi)連線被限定于一預(yù)先蝕刻于一介電層中的溝渠中。目前最常使用于雙鑲嵌制作工藝的金屬導(dǎo)線材料為銅，而扮演電連接不同層導(dǎo)線角色的接觸窗插塞也同時(shí)與銅導(dǎo)線一同形成于一接觸窗(via)中。如同現(xiàn)有該項(xiàng)技術(shù)內(nèi)容所知，典型的雙鑲嵌技術(shù)包括有(1)接觸窗優(yōu)先(via-first)制作工藝；(2)自行對(duì)準(zhǔn)(self-aligned)制作工藝；以及(3)溝渠優(yōu)先(trench-first)制作工藝。
不論采用上述何種制作工藝，最后都會(huì)在填入導(dǎo)線溝渠中的金屬層上沉積一阻障層(barrier layer)。阻障層的目的是要防止金屬向外遷移(migration)，同時(shí)防止金屬氧化?，F(xiàn)有的方法是采用氮化硅作為阻障層的材料，然而，氮化硅的介電常數(shù)過(guò)高(＞6.5)，導(dǎo)致金屬內(nèi)連線操作速度下降。在美國(guó)專利第5,103,285號(hào)中，F(xiàn)urumura等人則提出利用硅碳化合物(silicon carbide，SiC)(其介電常數(shù)約為4-5之間)用來(lái)作為一硅基材與一金屬導(dǎo)線層的阻障材料。在美國(guó)專利第5,818,071號(hào)中，Mark等人則將非晶硅(amorphous)硅碳化合物阻障材料應(yīng)用在金屬導(dǎo)線與介電層之間，以防止金屬的擴(kuò)散。
雖然硅碳化合物具有低介電常數(shù)以及好的銅阻障能力，然而，它在應(yīng)用上也具有一些致命缺陷，包括(1)低崩潰電壓(breakdown voltage)；(2)高的漏電流；以及(3)不穩(wěn)定的薄膜特性。因此，如何獲得一低介電常數(shù)阻障材料，又可以同時(shí)解決上述問(wèn)題，是目前的一個(gè)重要課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有高效能(high performance)/高可靠度(high reliability)的金屬內(nèi)連線結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種雙層硅碳化合物阻障層的應(yīng)用，以解決上述問(wèn)題。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，即提供一種集成電路(integrated circuit)，其包括有至少一金屬導(dǎo)線層，鑲嵌于一第一介電層表面上；一復(fù)層硅碳化合物阻障層(multi-layer SiC-based barrier)，覆蓋于該金屬導(dǎo)線層以及該第一介電層上；以及一第二介電層，覆蓋于該雙層硅碳化合物阻障層上。
本發(fā)明還提供一種集成電路，其包括有至少一金屬導(dǎo)線層，鑲嵌于一第一介電層表面上；一雙層硅碳化合物阻障層，覆蓋于該金屬導(dǎo)線層以及該第一介電層上；以及一第二介電層，覆蓋于該雙層硅碳化合物阻障層上；其中該雙層硅碳化合物阻障層具有一氮摻雜硅碳化合物底導(dǎo)以及一氧摻雜硅碳化合物上層(oxygen-doped SiC top layer)現(xiàn)場(chǎng)(in-situ)沉積于該氮摻雜硅碳化合物底層上，且該氮摻雜硅碳化合物底層具有一最小厚度，用以避免該金屬導(dǎo)線層的金屬原子擴(kuò)散至該第二介電層中，同時(shí)避免該氧摻雜硅碳化合物上層中的氧原子擴(kuò)散至該金屬導(dǎo)線層中。


圖1為本發(fā)明一金屬內(nèi)連線的剖面示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的技術(shù)特征在于采用一以硅碳化合物為基礎(chǔ)(SiC-based)的雙層復(fù)合薄膜作為金屬內(nèi)連線的阻障層。此雙層復(fù)合薄膜包括有一氮摻雜硅碳化合物底層(nitrogen-doped SiC bottom layer)以及一氧摻雜硅碳化合物上層(oxygen-doped SiC top layer)。氮摻雜硅碳化合物底層具有極佳的電性，包括高崩潰電壓以及低漏電流。氧摻雜硅碳化合物上層則具有高崩潰電壓以及極佳的薄膜穩(wěn)定性。本發(fā)明的用意即在將兩層的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，形成一復(fù)合阻障層，以同時(shí)擁有高崩潰電壓、低漏電流以及薄膜穩(wěn)定性。此外，本發(fā)明的復(fù)合阻障層與單一硅碳化合物層相比，本發(fā)明的復(fù)合阻障層具有更佳的機(jī)械強(qiáng)度。
依據(jù)本發(fā)明，一包括有一氮摻雜硅碳化合物底層以及一氧摻雜硅碳化合物上層的雙層復(fù)合薄膜阻障層被覆蓋于一金屬導(dǎo)線上。單獨(dú)使用氮摻雜硅碳化合物以及單獨(dú)使用氧摻雜硅碳化合物，作為阻障層都各有其缺點(diǎn)。首先，單獨(dú)使用氮摻雜硅碳化合物作為阻障層，則此阻障層中的氮原子可能會(huì)形成胺類(amine)化合物，導(dǎo)致深紫外光光致抗蝕劑的劣化或者光致抗蝕劑足部效應(yīng)(footing effect)。其次，單獨(dú)使用氧摻雜硅碳化合物作為阻障層，則阻障層中的氧原子有可能擴(kuò)散至金屬層中，造成金屬導(dǎo)線氧化。因此，本發(fā)明以氮摻雜硅碳化合物(SiNxCy)作為復(fù)合阻障層的底層，以氧摻雜硅碳化合物(SiOxCy)作為復(fù)合阻障層的上層，其用意即在充分利用氧摻雜硅碳化合物的良好薄膜穩(wěn)定性，并利用氮摻雜硅碳化合物來(lái)避免金屬導(dǎo)線層的金屬原子擴(kuò)散至絕緣介電層中，以及避免氧摻雜硅碳化合物中的氧原子擴(kuò)散至金屬導(dǎo)線層中。
請(qǐng)參閱圖1，圖1為本發(fā)明金屬內(nèi)連線結(jié)構(gòu)10的剖面示意圖。如圖1所示，金屬內(nèi)連線結(jié)構(gòu)10包括有一第一介電層11。一金屬導(dǎo)線層12鑲嵌于第一介電層11中。一雙層復(fù)合薄膜阻障層13覆蓋于金屬導(dǎo)線層12以及第一介電層11上。最后，一第二介電層14覆蓋于雙層復(fù)合薄膜阻障層13上。雙層復(fù)合薄膜阻障層13包括有一氮摻雜硅碳化合物底層13a以及一氧摻雜硅碳化合物上層13b。其中，氮摻雜硅碳化合物底層13a具有一最小厚度，用以避免金屬導(dǎo)線層12的金屬原子擴(kuò)散至第二介電層14中，同時(shí)避免氧摻雜硅碳化合物上層13b中的氧原子擴(kuò)散至金屬導(dǎo)線層12中。在其它實(shí)施例中，第二介電層14中可包括有另一金屬導(dǎo)線層，并經(jīng)由一接觸窗穿過(guò)雙層復(fù)合薄膜阻障層13與下層的金屬導(dǎo)線層12電連接。
將金屬導(dǎo)線層12鑲嵌于第一介電層11的作法可采用接觸窗優(yōu)先(via-first)制作工藝、部分接觸窗(partial-via)制作工藝、自行對(duì)準(zhǔn)(self-aligned)制作工藝、溝渠優(yōu)先(trench-first)制作工藝或者其它鑲嵌金屬內(nèi)連線制作工藝。形成鑲嵌金屬導(dǎo)線層12的技術(shù)為現(xiàn)有該項(xiàng)技術(shù)人員所熟知，且并非本發(fā)明所要揭露的重點(diǎn)，因此不再詳加贅述。相關(guān)的雙層鑲嵌制作工藝可參考美國(guó)專利第6,197,681號(hào)(題目為Forming copper interconnects in dielectric materialswith low constant dielectrics；發(fā)明人為L(zhǎng)iu等人)以及美國(guó)專利第6,004,188號(hào)(題目為Method for forming copper damascene structures by using a dualCMP barrier layer；發(fā)明人為Roy等人)。
第一介電導(dǎo)11以及第二介電層14的材料可以選自下列組合之一氟硅玻璃(fluorinated silicon glass，F(xiàn)SG)、HSQ、MSQ(methyl silsesquioxane)、黑鉆石(black diamond)材料、珊瑚Coral、多孔硅玻璃(porous silica)、不定形氟碳高分子(amorphous fluorocarbon polymers)、聚酰亞胺系高分子(fluorinatedpolyimide)、鐵氟龍(PTFE)、poly(arylene ether)、benzocyclobutene、SiLKTM以及FLARETM等等。在本發(fā)明的較佳實(shí)施例中，第一介電層11以及第二介電層14都采用介電常數(shù)小于3.2的材料。金屬導(dǎo)線層12是以銅所構(gòu)成。形成銅金屬導(dǎo)線層的作法是利用現(xiàn)有技術(shù)，例如物理氣相沉積(physical vapordeposition，PVD)、電鍍(electroplating)、濺鍍(sputtering)、或電子束蒸鍍(electronbeam evaporation)等等。
在本發(fā)明的較佳實(shí)施例中，雙層復(fù)合薄膜阻障層13中的氮摻雜硅碳化合物底層13a以及氧摻雜硅碳化合物上層13b都利用一等離子體加強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD)技術(shù)所沉積而成。其中，氮摻雜硅碳化合物底層13a以及氧摻雜硅碳化合物上層13b是在同一PECVD反應(yīng)室中完成沉積，此又稱為現(xiàn)場(chǎng)(in-situ)沉積技術(shù)。CVD的制作工藝參數(shù)，包括氣體、操作壓力、溫度、以及反應(yīng)時(shí)間，可視不同機(jī)臺(tái)類型或制作工藝需要作調(diào)整。
舉例來(lái)說(shuō)，一般而言，沉積氮摻雜硅碳化合物底層13a的制作工藝參數(shù)范圍包括氨氣(NH3)流量1000至1300標(biāo)準(zhǔn)立方公分每分鐘(standard cubiccentimeters per minute，sccm)，較佳為1200sccm；氮?dú)饬髁考s為1000至1300sccm，較佳為1200sccm；四甲基硅烷(4-methylsilane，Si(CH3)4)流量約為1200錄的激光束的光點(diǎn)直徑。由于光點(diǎn)直徑與光源的波長(zhǎng)λ成正比，而與物鏡的NA成反比，因此，可以通過(guò)(1)減小光源的波長(zhǎng)λ的方法或(2)增大物鏡的NA的方法來(lái)減小光點(diǎn)直徑。
對(duì)于DDCD，光點(diǎn)直徑在理論上可以僅僅通過(guò)第二種方法來(lái)減小。這是因?yàn)椋绻淖児庠吹牟ㄩL(zhǎng)λ，則很可能要改變讀寫頭的零件和DDCD的結(jié)構(gòu)。但是，由于在DDCD的情況下，光點(diǎn)直徑與CD的光點(diǎn)直徑相比降低了10％，記錄標(biāo)記獲得的信號(hào)的分辨率就變得不足了。因此，DDCD記錄/再現(xiàn)裝置另外包括了一個(gè)均衡器，以補(bǔ)償不足的分辨率。
表1示出了DDCD和CD之間的差別。

在此，EFM表示8到14調(diào)制處理過(guò)程，CIRC表示交叉交織里德-所羅門編碼，光點(diǎn)直徑是其中的激光束的強(qiáng)度等于中心強(qiáng)度的l/e2(e是自然常數(shù))。
與CD的規(guī)格相比，DDCD的規(guī)格如下

換句話說(shuō)，在DDCD的情況下，規(guī)格(1)，光點(diǎn)直徑減小了；規(guī)格(2)，MML被減小了；并且，通過(guò)(4)提高了處理信號(hào)的效率，由(1)降低的分辨率得到解決。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明權(quán)利要求所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明專利的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種集成電路(integrated circuit)，其包括有至少一金屬導(dǎo)線層，鑲嵌于一第一介電層表面上；一復(fù)層硅碳化合物阻障層(multi-layer SiC-based barrier)，覆蓋于該金屬導(dǎo)線層以及該第一介電層上；以及一第二介電層，覆蓋于該雙層硅碳化合物阻障層上。
2.如權(quán)利要求1所述的集成電路，其中該金屬導(dǎo)線層為一銅導(dǎo)線(copperwiring)。
3.如權(quán)利要求1所述的集成電路，其中該復(fù)層硅碳化合物阻障層為一雙層硅碳化合物阻障層。
4.如權(quán)利要求1所述的集成電路，其中該復(fù)層硅碳化合物阻障層包括有一氮摻雜硅碳化合物層(nitrogen-doped SiC layer)以及一氧摻雜硅碳化合物層(oxygen-doped SiC layer)。
5.如權(quán)利要求4所述的集成電路，其中該氧摻雜硅碳化合物層形成于該氮摻雜硅碳化合物層之上。
6.如權(quán)利要求4所述的集成電路，其中該氮摻雜硅碳化合物層的厚度需至少大于100埃(angstrom)。
7.如權(quán)利要求4所述的集成電路，其中該復(fù)層硅碳化合物阻障層利用一等離子體加強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(plasma-enhanced chemical vapor deposition，PFCVD)制作工藝形成。
8.如權(quán)利要求4所述的集成電路，其中該氮摻雜硅碳化合物層以及該氧摻雜硅碳化合物層在同一等離子體加強(qiáng)化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室(chamber)中形成。
9.如權(quán)利要求1所述的集成電路，其中該第一介電層以及該第二介電層的介電常數(shù)都小于3.2。
10.如權(quán)利要求1所述的集成電路，其中該第一介電層為一化學(xué)氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)薄膜。
11.如權(quán)利要求10所述的集成電路，其中該第一介電層利用甲基硅烷類氣體作為前驅(qū)物(precursor)所沉積而成。
12.如權(quán)利要求11所述的集成電路，其中該甲基硅烷類氣體包括有甲基硅烷(methylsilane，Si(CH3)H3)、二甲基硅烷(2-methylsilane，Si(CH3)2H2)、三甲基硅烷(3-methylsilane，Si(CH3)3H)。
13.一種集成電路，其包括有至少一金屬導(dǎo)線層，鑲嵌于一第一介電層表面上；一雙層硅碳化合物阻障層，覆蓋于該金屬導(dǎo)線層以及該第一介電層上；以及一第二介電層，覆蓋于該雙層硅碳化合物阻障層上；其中該雙層硅碳化合物阻障層具有一氮摻雜硅碳化合物底導(dǎo)以及一氧摻雜硅碳化合物上層(oxygen-doped SiC top layer)現(xiàn)場(chǎng)(in-situ)沉積于該氮摻雜硅碳化合物底層上，且該氮摻雜硅碳化合物底層具有一最小厚度，用以避免該金屬導(dǎo)線層的金屬原子擴(kuò)散至該第二介電層中，同時(shí)避免該氧摻雜硅碳化合物上層中的氧原子擴(kuò)散至該金屬導(dǎo)線層中。
14.如權(quán)利要求13所述的集成電路，其中該金屬導(dǎo)線層為一銅導(dǎo)線。
15.如權(quán)利要求13所述的集成電路，其中該最小厚度約為100埃(angstrom)。
16.如權(quán)利要求13所述的集成電路，其中該雙層硅碳化合物阻障層利用一等離子體加強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PFCVD)制作工藝形成。
17.如權(quán)利要求13所述的集成電路，其中該第一介電層為一化學(xué)氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)薄膜。
18.如權(quán)利要求17所述的集成電路，其中該第一介電層利用甲基硅烷類氣體作為前驅(qū)物(precursor)所沉積而成。
19.如權(quán)利要求18所述的集成電路，其中該甲基硅烷類氣體包括有甲基硅烷(methylsilane，Si(CH3)H3)、二甲基硅烷(2-methylsilane，Si(CH3)2H2)、三甲基硅烷(3-methylsilane，Si(CH3)3H)。
全文摘要
本發(fā)明揭露了一種應(yīng)用于半導(dǎo)體集成電路中的雙層硅碳化合物阻障層及其形成方法。本發(fā)明的雙層硅碳化合物阻障層覆蓋于一金屬導(dǎo)線層以及一第一介電層上。該雙層硅碳化合物阻障層利用等離子體加強(qiáng)化學(xué)氣相沉積制作工藝形成，其具有一氮摻雜硅碳化合物底層以及一氧摻雜硅碳化合物上層。此外，該氮摻雜硅碳化合物底層具有一最小厚度，用以避免該金屬導(dǎo)線層的金屬原子擴(kuò)散至一第二介電層中，同時(shí)避免該摻雜氧硅碳化合物上層中的氧原子擴(kuò)散至該金屬導(dǎo)線層中。
文檔編號(hào)H01L21/02GK1427476SQ0114389
公開日2003年7月2日 申請(qǐng)日期2001年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月18日
發(fā)明者楊能輝, 蔡正原, 吳欣昌 申請(qǐng)人:聯(lián)華電子股份有限公司