镶嵌式内连线的制造方法 【技术领域】
本发明是有关于一种镶嵌导线制程，特别是有关于一种镶嵌式内连线的制造方法，于镶嵌导线制程中，于金属层表面形成附着度较高的附着层，接着再形成抗扩散性较高的密封层，改善金属层与其表面的附着度。并可避免因为电致迁移效应所产生的问题。背景技术
众所周知，镶嵌导线制程为一种金属内连导线制程。传统的镶嵌导线制程主要是在界定出连接内连线的镶嵌结构区域后，再于隔离内连线的介电层表面以及镶嵌结构的内壁形成一阻障层，然后再以导电性较佳的金属材料，例如铜、铝钨、或铝铜合金等材料填入上述镶嵌结构。接着，再以化学机械研磨法将沟渠外的多余金属材料和阻障层研磨去除，并于该镶嵌结构内形成一连接内连线用的镶嵌导线。传统镶嵌导线制程的步骤如下：
图1-图4是传统技术的镶嵌导线的制程剖面示意图。
首先，参阅图1，提供一半导体基底100；其次，利用金属化制程在半导体基底100上形成一内连线110；接着，形成一密封层120以覆盖内连线110；然后于密封层120表面形成介电层130，其中，密封层120的材质可为氮化硅(SiN)或碳化硅(SiC)，其作用是用来密封内连线110，并防止内连线110的金属难于扩散至其它区域而造成线路短路，而介电层130可为单一层或者由多层的杂合低阻质介电材料所构成，其可视需要加以调整；
参阅图2，再以镶嵌制程定义介电层130，形成贯穿介电层130及密封层120且连接内连线110地双镶嵌结构140；
参阅图3，先以物理或化学气相沉积法于介电层130和双镶嵌结构140内壁形成阻障层150；接着，于阻障层150表面以化学气相沉积法或者物理气相沉积法形成导电性较佳的金属层160，并将双镶嵌结构140填满，其中，金属层160的材料可为导电性较佳的铜、铝、钨、铝铜合金等；
参阅图4，于金属层160形成后，利用化学机械研磨法(CMP)进行平坦化处理，将双镶嵌结构140以外的多余金属层160和阻障层150去除；最后，于金属层表面覆盖一密封层170，此密封层170与上述密封层120的材质相同。其主要缺陷在于：
1、由于铜金属与密封层之间的附着特性，以及铜离子由铜金属层扩散至介电层的扩散特性并不相同，因此使用单一的密封层并无法兼顾上述的特性需求。以传统的密封层来说，一般是采用氮化硅或碳化硅作为密封层的材料，上述材质的密封层并无法有效与铜金属层附着，导致电致迁移(electro-migration)效应发生，并使得铜扩散至其它不必要的位置，影响了制程品的可靠度。
2、传统技术另外一项缺点是于化学机械研磨制程后，通常会在金属层表面产生金属氧化物。若未将其去除，将提高金属导线的阻抗，并影响金属导线的电致迁移效应。
3、再者，因为金属氧化物的产生，将造成金属导线的表面隆起，使得后续制程所形成的密封层无法有效与金属层附着，更降低了金属层与密封层的附着度，进而影响后续组件的制造以及产率。发明内容
本发明的主要目的是提供一种镶嵌式内连线的制造方法，首先于金属层表面形成能够与金属层得到较佳的附着效果的附着层，其材质为氮氧化硅、硅氧氮氢化合物、硅氮氢化合物、硅碳氮化合物或硅碳氢化合物等；接着再形成对铜离子具有较佳的抗扩散效果的密封层，其材质为氮化硅或碳化硅，克服现有技术的弊端，达到使密封层与金属层具有较佳的附着度的目的。
本发明的目的是这样实现的：一种镶嵌式内连线的制造方法，其特征是：它至少依次包含下列步骤：
(1)提供一半导体基底；
(2)形成一介电层于所述基底上；
(3)蚀刻所述介电层，以形成一沟槽；
(4)形成一阻障层于所述介电层及沟槽的侧壁及底部；
(5)形成一金属层于所述阻障层，并填满所述沟槽；
(6)执行化学机械研磨制程，以进行所述金属层表面的平坦化处理；
(7)形成一附着层以覆盖所述金属层的表面；
(8)形成密闭层于所述附着层。
它还包括下列步骤：于执行化学机械研磨制程后，执行同步还原制程，通过通入还原气体，以除去所述金属层表面的金属氧化物。所述密封层的材质选自氮氧化硅、氮氢氧化硅、氮氢硅化合物、氮碳硅化合物、碳氢硅化合物的其中之一。所述附着层厚度的范围为200-500埃之间。所述附着层的材质选自氮化硅或碳化硅的其中之一。所述密闭层厚度的范围为200-850埃之间。所述金属层的材料为铜。所述还原气体为硅烷。所述还原气体选自氨气、氢气或硅烷的至少一种。
另一种镶嵌式内连线的制造方法，其特征是：它至少依次包含下列步骤：
(1)提供具有内连线的半导体基底；
(2)形成第一附着层于所述的内连线及半导体基底；
(3)形成第一密封层于所述第一附着层；
(4)形成一介电层于所述第一密封层；
(5)以镶嵌制程界定所述介电层，形成贯穿所述介电层、第一附着层及第一密封层并连接所述内连线的镶嵌结构；
(6)形成一阻障层于所述介电层及镶嵌结构的侧壁及底部；
(7)形成一金属层于所述阻障层，并填满所述镶嵌结构；
(8)执行化学机械研磨制程，以进行所述镶嵌结构表面的平坦化处理：
(9)执行同步还原制程，通入一还原气体，以除去所述金属层表面的金属氧化物；
(10)形成第二附着层于所述金属层及介电层；
(11)形成第二密封层于所述第二附着层。
所述第一及第二附着层的材质选自氮氧化硅、氮氢氧化硅、氮氢硅化合物、氮碳硅化合物、碳氢硅化合物的其中之一。所述第一及第二附着层厚度的范围为200-500埃之间。所述第一及第二密封层的材质选自氮化硅或碳化硅的其中之一。所述第一及第二密封层厚度的范围为200-850埃之间。所述金属层的材料为铜。所述还原气体为硅烷。所述还原气体选自氨气、氢气、硅烷的至少一种。
下面结合较佳实施例配合附图详细说明。附图说明
图1-图4是传统技术的镶嵌导线制程的剖面示意图。
图5-图14是本发明的镶嵌导线制程的剖面示意图。具体实施方式
参阅图5-14所示，本发明的镶嵌导线剖面制程依次包括如下步骤：
参阅图5所示，提供一半导体基底200；接着，于基底200上形成一内金属介电层(interretal dielectric layer)210，其中，内金属介电层210为单一层或者由多层的杂合低阻质介电材料所构成，其组成分可视需要加以调整；
参阅图6所示，利用微影技术(lithography technofogy)蚀刻内金属介电层210，以形成沟槽220A及220B，在此可以非等向蚀刻(anisotropically etching process)蚀刻内金属介电层210，而沟槽220A及220B的深度约为2000-6000埃。
参阅图7所示，于内金属介电层210及沟槽220A及220B的侧壁及底部形成一阻障层230；接着，于阻障层230形成金属层240，其中，金属层240材料可为导电性较佳的铜、铝、钨、铝铜合金等。在本实施例中，是以铜金属为例，并将沟槽220A及220B填满。
参阅图8所示，执行化学机械研磨制程，将位于内金属介电层210上方的阻障层230及金属层240移除。
然而，在执行化学机械研磨制程的过程中，位于沟槽220A及220B中所剩余的金属层240表面，将可能因为化学机械研磨制程，而产生金属氧化物(Cu2O)，此金属氧化物将造成金属层240的表面隆起，使得后续制程所形成的密封层无法有效与金属层240附着，降低了金属层与密封层的附着度，并影响产品的可靠度。
因此，执行同步还原制程，将因为化学机械研磨制程所产生金属氧化物(Cu2O)通过自由基取代的方式而还原成铜金属，其方式是通入还原气体至腔室中，以还原上述金属氧化物。在本实施例中，还原气体可为氨气(NH3)、氢气(H2)、硅烷(SiH4)，或者是氨气(NH3)与氢气(H2)的混合气体，以及硅烷(SiH4)与氢气(H2)的混合气体，在此是以硅烷(SiH4)为例。而执行同步还原制程的条件如下：还原气体流速范围为20-400sccm之间，腔室气压范围为0.01-10.0torr之间，操作温度范围为180-620℃之间。
当同步还原制程执行完毕之后，即可消除金属层240表面因为化学机械研磨制程所产生的金属氧化物(Cu2O)，并使得金属层240的表面达到平坦化的效果。
参阅图9所示，于金属层240及内金属介电层210以电浆加强型化学气相沉积法(plasma enhancement chemica vapor deposition，PECVD)形成附着层260，并将金属层240及内金属介电层210覆盖，上述附着层的材质可为硅氧氮化合物(SiON)、硅氧氮氢化合物(SiONH)、硅氮氢化合物(SiNH)、硅碳氮化合物(SiCN)、硅碳氢化合物(SiCH)等，其厚度范围约为200-500埃之间。
接着，于附着层260表面以电浆加强型化学气相沉种法形成密封层270，其材质可为氮化硅(SiN)或碳化硅(SiC)等，而厚度的范围约为200-850埃之间。
在本实施例中，通过附着层260及密封层270即可提高半导体组件的可靠度。其原因在于附着层260及密封层270的分子结构不同所致。如上所述，附着层260的材质可为硅氧氮化合物(SiON)、硅氧氮氢化合物(SiONH)、硅氮氢化合物(SiNH)、硅碳氮化合物(SiCN)、硅碳氢化合物(SiCH)等，上述材质的特性在于其分子结构具有氧、氢或氮等自由键结构，当附着层260形成于金属层240上时，附着层260的自由键结将与铜原子结合而于附着层260与金属层240只间的接面，形成化性稳定的结构(例如，Si-O-Cu)，因此，有效提高附着层260与金属层240之间的附着度。另外，由于密封层270的化性相当稳定，当密封层270形成于附着层260之上时，能够有效防止金属层240中的铜离子扩散至后续步骤所形成的介电层280。
参阅图10，于密封层270表面形成内金属介电层280。其中，内金属介电层280可为单一层或者由多层的杂合低阻质介电材料所构成，其可视需要加以调整。
参阅图11，再以镶嵌制程定义内金属介电层280，形成一贯穿内金属介电层280、附着层260及密封层270至金属层240的双镶嵌结构290A以及镶嵌沟渠290B。
参阅图12，先以物理或化学气相沉积法于内金属介电层280和双镶嵌结构290A、290B内壁形成阻障层300。接着，于阻障层300表面以化学气相沉积法形成一导电性较佳的金属层310，并将双镶嵌结构290A、290B填满。其中，金属层310的材料可为导电性较佳的铜、铝钨、铝铜合金等，在本实施例中，以铜金属为例说明。
参阅图13，执行化学机械研磨制程，将位于内金属介电层280上方的阻障层300及金属层310移除。然而，于先前的情况相同，金属层310表面将因为化学机械研磨制程而产生不必要的金属氧化物(Cu2O)。
因此，执行同步还原制程，将因为化学机械研磨制程所产生金属氧化物(Cu2O)，通过自由基取代的方式还原成铜金属，其方式是通入还原气体至腔室中，以还原上述金属氧化物。在本发明中，还原气体可为氨气(NH3)、氢气(H2)、硅烷(SiH4)，或者是氨气(NH3)与氢气(H2)的混合气体，在本实施例中，是采用含硅气体作为还原气体。而执行同步还原制程的条件如下：还原气体流速范围为20-400sccm之间，腔室气压范围为0.01-10.0torr之间，操作温度范围为180-620℃之间。
参阅图14，于金属层310及内金属介电层280以电浆加强型化学气相沉积法(PECVD)形成附着层320，并将金属层310及内金属介电层280覆盖，上述附着层的材质可为硅氧氮化合物(SiON)、硅氧氮氢化合物(SiONH)、硅氮氢化合物(SiNH)、硅碳氮化合物(SiCN)、硅碳氢化合物(SiCH)等，其厚度范围约为200-500埃之间。
接着，于附着层320表面以电浆加强型化学气相沉积法(PECVD)形成密封层330，其材质可为氮化硅(SiN)或碳化硅(SiC)等，而厚度的范围约为200-850埃之间。
在本实施例中，附着层320及密封层380的作用与附着层260及密封层270相同，可提高半导体组件的可靠度。其原因在于附着层320及密封层330的分子结构不同所致。如上所述，附着层320的材质可为硅氧氮化合物(SiON)、硅氧氮氢化合物(SiONH)、硅氮氢化合物(SiNH)、硅碳氮化合物(SiCN)、硅碳氢化合物(SiCH)等，上述材质的特性在于其分子结构具有氧、氢或氮等自由键结，当附着层320形成于金属层310上时，附着层320的自由键结将与铜原子结合而于附着层320与金属层310之间的接面，形成化性稳定的结构(例如，Si-O-Cu)，因此，有效提高附着层320与金属层310之间的附着度。
另外，由于密封层330的化性相当稳定，当密封层330形成于附着层320之上时，能够有效防止金属层310中的铜离子扩散至其它不必要的位置。
综上所述，根据本发明所述的镶嵌导线制程，分别提供附着层与密封层以同时兼顾与附着度以及防止金属层的金属离子扩散的功能，因此提高了半导体组件的可靠度，并改善了传统技术于附着性以及电致迁移效应的问题。
本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟习此项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，所做些许的更动与润饰，都属于本发明的保护范围之内。