TWI246730B

A novel nitride barrier layer to prevent metal (Cu) leakage issue in a dual damascene structure

Abstract

A method for forming a composite barrier layer that also functions as an etch stop in a damascene process is disclosed. A SiC layer is deposited on a substrate in a CVD process chamber followed by deposition of a silicon nitride layer to complete the composite barrier layer. The SiC layer exhibits excellent adhesion to a copper layer in the substrate and is formed by a method that avoids reactive Si4+ species and thereby prevents CuSix formation. The silicon nitride layer thickness is sufficient to provide superior barrier capability to metal ions but is kept as thin as possible to minimize the dielectric constant of the composite barrier layer. The composite barrier layer provides excellent resistance to copper layer to be fabricated with a lower leakage current than when a conventional silicon nitride barrier layer is employed.

TWI246730B, drawing sheet 1
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49 claims: 46 independent, 3 dependent

  1. 1
    一種在鑲嵌製程中於基材上形成複合阻障層之方法,至少包括:注入一第一來源氣體以電漿沉積一第一阻障層於該基材上,其中該第一來源氣體不會在電漿中形成反應性矽離子(Si 4 + );注入一第二來源氣體以電漿沉積一第二阻障層於該第一阻障層上,其中該第二來源氣體會在電漿中形成反應性矽離子(Si 4 + ),該第一阻障層及該第二阻障層形成一複合阻障層;形成一介電層於該複合阻障層上;形成具有複數個側壁之一開口於該介電層中,其中該開口穿過該複合阻障層;形成一擴散阻障層於該開口之該些側壁上;以及形成一導電層於該擴散阻障層上。
  2. 2
    如申請專利範圍第1項所述之在鑲嵌製程中於基材上形成複合阻障層之方法,更至少包括利用一化學機械研磨(CMP)製程來平坦化該導電層。
  3. 3
    如申請專利範圍第1項所述之在鑲嵌製程中於基材上形成複合阻障層之方法,其中注入該第一來源氣體以電漿沉積該第一阻障層之步驟與形成該介電層之步驟係在一化學氣相沉積反應室中進行,且注入該第一來源氣體以電漿沉積該第一阻障層之步驟、注入該第二來源氣體以電漿沉積該第二阻障層之步驟與形成該介電層之步驟係在同一化學氣相沉積製程機台中進行。
  4. 4
    如申請專利範圍第1項所述之在鑲嵌製程中於基材上形成複合阻障層之方法,其中該第一阻障層係一碳化矽層。
  5. 5
    如申請專利範圍第4項所述之在鑲嵌製程中於基材上形成複合阻障層之方法,其中該碳化矽層之厚度介於100 至150 之間。
  6. 6
    如申請專利範圍第4項所述之在鑲嵌製程中於基材上形成複合阻障層之方法,其中沉積該碳化矽層時係利用一製程,該製程至少包括控制:一三甲基矽烷或四甲基矽烷之流率介於每分鐘300標準立方公分至500標準立方公分(sccm);一氦氣之流率介於600sccm至1000sccm;一射頻電力介於300瓦(watts)至500瓦之間;一反應室溫度介於200℃至450℃之間;以及一反應室壓力介於10托耳(torrs)至12托耳之間。
  7. 7
    如申請專利範圍第4項所述之在鑲嵌製程中於基材上形成複合阻障層之方法,其中該碳化矽層係由非晶矽碳化物(α-SiC:H)所組成。
  8. 8
    如申請專利範圍第1項所述之在鑲嵌製程中於基材上形成複合阻障層之方法,其中該基材更至少包括一銅層,且該銅層具有一暴露上表面,而該開口形成於該銅層之上方。
  9. 9
    如申請專利範圍第1項所述之在鑲嵌製程中於基材上形成複合阻障層之方法,其中該第一阻障層係一氮化矽層。
  10. 10
    如申請專利範圍第9項所述之在鑲嵌製程中於基材上形成複合阻障層之方法,其中該氮化矽層之厚度介於300 至500 之間。
  11. 11
    如申請專利範圍第9項所述之在鑲嵌製程中於基材上形成複合阻障層之方法,其中沉積該氮化矽層時,係利用一製程,該製程至少包括控制:一矽甲烷之流率介於60sccm至100sccm之間;一氮氣之流率介於3000ccm至5000sccm之間;一氨之流率介於25sccm至45sccm之間;一射頻電力約介於350瓦至500瓦之間;一反應室溫度介於200℃至450℃之間;以及一反應室壓力介於2托耳至5托耳之間。
  12. 12
    如申請專利範圍第1項所述之在鑲嵌製程中於基材上形成複合阻障層之方法,其中該導電層係由銅所組成。
  13. 13
    如申請專利範圍第1項所述之在鑲嵌製程中於基材上形成複合阻障層之方法,其中將該開口穿過該複合阻障層係利用一電漿蝕刻,該電漿蝕刻至少包括控制:一氮氣流率介於40sccm至100sccm之間;一氟甲烷流率介於50sccm至150sccm之間;以及一反應室壓力介於100mTorr至200mTorr之間。
  14. 14
    如申請專利範圍第1項所述之在鑲嵌製程中於基材上形成複合阻障層之方法,其中該第一來源氣體包括矽與碳。
  15. 15
    一種在鑲嵌製程中併入由上方之氮化矽層與下方之碳化矽層所構成之複合阻障層的方法,至少包括:(a)利用一電漿在一製程反應室中沉積一碳化矽層於一基材上,其中該電漿至少包括不會在該電漿中形成一反應性矽離子之一矽與碳來源氣體;(b)在該製程反應室中電漿沉積一氮化矽層於該碳化矽層上,以形成一複合阻障層;(c)形成一介電層於該複合阻障層上;(d)形成具有複數個側壁之一開口於該介電層中,其中該開口暴露出部分之該複合阻障層;(e)移除該開口所暴露之該複合阻障層的部分;以及(f)形成一導電層來填充該開口。
  16. 16
    如申請專利範圍第15項所述之在鑲嵌製程中併入由上方之氮化矽層與下方之碳化矽層所構成之複合阻障層的方法,其中該基材更至少包括一銅層,且該開口暴露出部分之該銅層。
  17. 17
    如申請專利範圍第15項所述之在鑲嵌製程中併入由上方之氮化矽層與下方之碳化矽層所構成之複合阻障層的方法,更至少包括於該步驟(e)與該步驟(f)之間形成一擴散阻障層於該開口之該些側壁上,以及平坦化該導電層。
  18. 18
    如申請專利範圍第17項所述之在鑲嵌製程中併入由上方之氮化矽層與下方之碳化矽層所構成之複合阻障層的方法,其中該擴散阻障層之材質係選自於由鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)、氮矽化鉭(TaSiN)、鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鎢(W)、氮化鎢(WN)及其組合所組成之一族群。
  19. 19
    如申請專利範圍第15項所述之在鑲嵌製程中併入由上方之氮化矽層與下方之碳化矽層所構成之複合阻障層的方法,其中該製程反應室為一化學氣相沉積製程機台之一部分,且該介電層於該化學氣相沉積製程機台中之一反應室內進行沉積。
  20. 20
    如申請專利範圍第15項所述之在鑲嵌製程中併入由上方之氮化矽層與下方之碳化矽層所構成之複合阻障層的方法,其中該碳化矽層之厚度介於100 至150 之間。
  21. 21
    如申請專利範圍第15項所述之在鑲嵌製程中併入由上方之氮化矽層與下方之碳化矽層所構成之複合阻障層的方法,其中沉積該碳化矽層時係利用一製程,該製程至少包括控制:一三甲基矽烷或四甲基矽烷之流率介於300sccm至500sccm;一氦氣之流率介於600sccm至1000sccm;一射頻電力介於300瓦至500瓦之間;一反應室溫度介於200℃至450℃之間;以及一反應室壓力介於10托耳至12托耳之間。
  22. 22
    如申請專利範圍第15項所述之在鑲嵌製程中併入由上方之氮化矽層與下方之碳化矽層所構成之複合阻障層的方法,其中該氮化矽層之厚度介於300 至500 之間。
  23. 23
    如申請專利範圍第15項所述之在鑲嵌製程中併入由上方之氮化矽層與下方之碳化矽層所構成之複合阻障層的方法,其中沉積該氮化矽層時,係利用一製程,該製程至少包括控制:一矽甲烷之流率介於60sccm至100sccm之間;一氮氣之流率介於3000ccm至5000sccm之間;一氨之流率介於25sccm至45sccm之間;一射頻電力約介於350瓦至500瓦之間;一反應室溫度介於200℃至450℃之間;以及一反應室壓力介於2托耳至5托耳之間。
  24. 24
    如申請專利範圍第15項所述之在鑲嵌製程中併入由上方之氮化矽層與下方之碳化矽層所構成之複合阻障層的方法,其中該介電層係由一低介電常數介電材料所組成,且該低介電常數介電材料為氟矽玻璃(FSG)、摻雜碳之二氧化矽或倍半氧矽烷高分子聚合物(silsesquioxane polymer),而該介電層之厚度介於4000 至10000 之間。
  25. 25
    如申請專利範圍第15項所述之在鑲嵌製程中併入由上方之氮化矽層與下方之碳化矽層所構成之複合阻障層的方法,更至少包括在形成該開口於該介電層中之前,先形成一覆蓋層於該介電層上。
  26. 26
    如申請專利範圍第15項所述之在鑲嵌製程中併入由上方之氮化矽層與下方之碳化矽層所構成之複合阻障層的方法,其中移除該開口所暴露之該複合阻障層的部分係利用一電漿蝕刻,該電漿蝕刻至少包括控制:一氮氣流率介於40sccm至100sccm之間;一氟甲烷流率介於50sccm至150sccm之間;以及一反應室壓力介於100mTorr至200mTorr之間。
  27. 27
    如申請專利範圍第15項所述之在鑲嵌製程中併入由上方之氮化矽層與下方之碳化矽層所構成之複合阻障層的方法,其中該導電層為銅。
  28. 28
    如申請專利範圍第15項所述之在鑲嵌製程中併入由上方之氮化矽層與下方之碳化矽層所構成之複合阻障層的方法,其中該碳化矽層係由非晶矽碳化物(α-SiC:H)所組成。
  29. 29
    一種鑲嵌結構,該鑲嵌結構至少括:(a)一基材上;(b)一複合阻障層形成於該基材上,其中該複合阻障層係由位於上方之一氮化矽層以及位於下方之一碳化矽層所構成;(c)一介電層於上方之該氮化矽層上;(d)具有複數個側壁之一開口形成於該介電層中,其中該開口穿過該複合阻障層;(e)一共形擴散阻障層形成於該開口之該些側壁上;以及(f)一平坦化導電層形成於該共形擴散阻障層上並填充該開口,其中該平坦化導電層與該介電層之上表面實質共平面。
  30. 30
    如申請專利範圍第29項所述之鑲嵌結構,其中該基材至少包括一銅層,且該開口暴露出部分之該銅層。
  31. 31
    如申請專利範圍第29項所述之鑲嵌結構,其中該碳化矽層之厚度介於100 至150 之間。
  32. 32
    如申請專利範圍第29項所述之鑲嵌結構,其中該碳化矽層係由非晶矽碳化物(α-SiC:H)所組成。
  33. 33
    如申請專利範圍第29項所述之鑲嵌結構,其中該氮化矽層之厚度介於300 至500 之間。
  34. 34
    如申請專利範圍第29項所述之鑲嵌結構,其中該介電層係由氟矽玻璃(FSG)、摻雜碳之二氧化矽或倍半氧矽烷高分子聚合物(silsesquioxane polymer)所構成,且該介電層之厚度介於4000 至10000 之間。
  35. 35
    如申請專利範圍第29項所述之鑲嵌結構,其中該開口至少包括一接觸洞、一介層窗、一溝渠、或一溝渠形成於一介層窗之上方。
  36. 36
    如申請專利範圍第29項所述之鑲嵌結構,其中該擴散阻障層之材質係選自於由鉭、氮化鉭、鈦、氮化鈦、氮矽化鉭、鎢、氮化鎢及其組合所組成之一族群。
  37. 37
    如申請專利範圍第29項所述之鑲嵌結構,其中該導電層係由銅所構成。
  38. 38
    如申請專利範圍第29項所述之鑲嵌結構,更至少包括一覆蓋層形成於該介電層上,其中該覆蓋層與該導電層之上表面共平面。
  39. 39
    如申請專利範圍第38項所述之鑲嵌結構,其中該覆蓋層係由氮化矽、碳化矽或氮氧化矽所組成。
  40. 40
    一種雙重金屬鑲嵌結構,該雙重金屬鑲嵌結構包括一複合阻障層,且該雙重金屬鑲嵌結構至少包括:(a)一基材上;(b)該複合阻障層形成於該基材上,其中該複合阻障層係由位於上方之一氮化矽層以及位於下方之一碳化矽層所構成;(c)一介電層於該複合阻障層上;(d)具有複數個側壁之一開口位於該介電層中,其中該開口穿過該複合阻障層;(e)一共形擴散阻障層位於該開口之該些側壁上;以及(f)一平坦化導電層位於該共形擴散阻障層上。
  41. 41
    如申請專利範圍第40項所述之雙重金屬鑲嵌結構,其中該基材至少包括一銅層,且該開口暴露出部分之該銅層。
  42. 42
    如申請專利範圍第40項所述之雙重金屬鑲嵌結構,其中該碳化矽層之厚度介於100 至150 之間。
  43. 43
    如申請專利範圍第40項所述之雙重金屬鑲嵌結構,其中該碳化矽層係由非晶矽碳化物(α-SiC:H)所組成。
  44. 44
    如申請專利範圍第40項所述之雙重金屬鑲嵌結構,其中該氮化矽層之厚度介於300 至500 之間。
  45. 45
    如申請專利範圍第40項所述之雙重金屬鑲嵌結構,其中該介電層係由氟矽玻璃(FSG)、摻雜碳之二氧化矽或倍半氧矽烷高分子聚合物(silsesquioxane polymer)所構成,且該介電層之厚度介於4000 至10000 之間。
  46. 46
    如申請專利範圍第40項所述之雙重金屬鑲嵌結構,其中該擴散阻障層之材質係選自於由鉭、氮化鉭、鈦、氮化鈦、氮矽化鉭、鎢、氮化鎢及其組合所組成之一族群。
  47. 47
    如申請專利範圍第40項所述之雙重金屬鑲嵌結構,其中該導電層係由銅所構成,且該導電層與該開口之上端共平面。
  48. 48
    如申請專利範圍第40項所述之雙重金屬鑲嵌結構,更至少包括一覆蓋層形成於該介電層上,其中該覆蓋層與該導電層之上表面共平面。
  49. 49
    如申請專利範圍第48項所述之雙重金屬鑲嵌結構,其中該覆蓋層係由氮化矽、碳化矽或氮氧化矽所組成。
Independent claims49