具有铜导线/阻障介电层/低-K介电质沟槽结构的半导体元件及其制法

摘要

本发明提出一种以液相沈积(LPD)之氟氧化矽(Fluorosilicate Glass,FSG)予以氨气电浆处理后做为铜之阻障介电层(barrier dielectric)的方法，主要特点为:l.绝佳之保角沈积(conformal deposition)性;2.能有效地阻挡铜原子或离子之穿透;3.特优的电性绝缘能力。若使用本发明之阻障介电层来取代高电阻值之阻障金属层(barrier metal)及衬垫氧化层(oxide liner)，可有效降低铜导线整体电阻及导线间漏电流，可大幅改善电阻-电容延迟(RC delay)，因此在未来铜导线/低介电常数(低-K)介电质之嵌刻(damascene)制程中，极具应用潜力。

主权项

1.一种具有铜导线/阻障介电层/低-K介电质沟槽结构的半导体元件,包括:a)一基材;b)位于该基材上的一介电常数(k)低于3.0的低-K介电层,其中该介电层具有复数条沟槽;c)位于每一条沟槽的侧壁上的阻障介电层,该阻障介电层为一结合有氮的含氟液相沈积二氧化矽;及d)位于每一条沟槽内的铜金属;其中该低-K介电层与该铜金属间隔着该阻障介电层间接接触,其中该阻障介电层临接该铜金属的一表面浅层具有3-50原子%的氮及0.5-10原子%的氟。2.如申请专利范围第1项的半导体元件,其中的低-K介电层为氢倍半氧矽烷(hydrogen silsesquiuxane)或甲基倍半氧矽烷(methyl silesquioxane)。3.如申请专利范围第2项的半导体元件,其中的低-K介电层为甲基倍半氧矽烷。4.如申请专利范围第1项的半导体元件,其中的阻障介电层在该浅层以外的部份含有6-10原子%的氟。5.如申请专利范围第1项的半导体元件,其中的阻障介电层的表面浅层深度介于3-30nm。6.如申请专利范围第1项的半导体元件,其中的结合有氮的含氟液相沈积二氧化矽是藉由将该具有复数条沟槽的介电层的基材侵入于一个二氧化矽超饱和氢氟矽酸(H2SiF6)水溶液中,及再经氨气电浆处理而制备。7.如申请专利范围第6项的半导体元件,其中该二氧化矽超饱和氢氟矽酸水溶液系藉由将一个二氧化矽饱和氢氟矽酸水溶液加热至其温度昇高10℃以上而制备。8.如申请专利范围第7项的半导体元件,其中该二氧化矽饱和氢氟矽酸水溶液的温度为0℃,而该二氧化矽超饱和氢氟矽酸水溶液的温度为25℃。9.如申请专利范围第8项的半导体元件,其中该二氧化矽饱和氢氟矽酸水溶液系藉由将二氧化矽粉末加入一浓度为0.5-4.0M氢氟矽酸水溶液中,于℃搅拌一段时间后并过滤去除其中残留的二氧化矽粉末而制备。10.如申请专利范围第1项的半导体元件,其中的氨气电浆处理系于25-400℃,10-800毫托,RF功率100-1000W及氨气流速100-2000sccm的条件下进行30秒至2小时。11.一种于一半导体基材上的低-K介电质沟构形成阻障介电层的方法,包含下列步骤:A)制备一个二氧化矽超饱和氢氟矽酸水溶液;B)将一具有复数条沟槽的低-K介电层的半导体基材浸入于步骤A)的二氧化矽超饱和氢氟矽酸水溶液中,于是在该低-K介电层的整体表面上形成含氟二氧化矽层,其中每一条沟槽的两相对侧壁上所形成的含氟二氧化矽层之间存在有一用于形成一铜导线的空间;C)藉由非等向蚀刻该含氟二氧化矽层,移除除了每一条沟槽的两相对侧壁上所形成的含氟二氧化矽层以外的含氟二氧化矽层;及D)以氨气电浆处理步骤C)的存留于每一条沟槽的两相对侧壁上所形成的含氟二氧化矽层,于是提升该含氟二氧化矽层的阻挡铜穿透能力。12.如申请专利范围第11项的方法,其进一步包含E)于该用于形成一铜导线的空间形成一铜导线。13.如申请专利范围第11项的方法,其中的低-K介电层为氢倍半氧矽烷(hydrogen silsesquiuxane)或甲基倍半氧矽烷(methylsilsesquioxane)。14.如申请专利范围第13项的方法,其中的低-K介电层为甲基倍半氧矽烷。15.如申请专利范围第11项的方法,其中步骤A)的二氧化矽超饱和氢氟矽酸水溶液系藉由将一个二氧化矽饱和氢氟矽酸水溶液加热至其温度昇高10℃以上而制备。16.如申请专利范围第15项的方法,其中该二氧化矽饱和氢氟矽酸水溶液的温度为0℃,而该该二氧化矽超饱和氢氟矽酸水溶液的温度为25℃。17.如申请专利范围第16项的方法,其中该二氧化矽饱和氢氟矽酸水溶液系藉由将二氧化矽粉末加入一浓度为0.5-4.0M氢氟矽酸水溶液中,于℃搅拌一段时间后并过滤去除其中残留的二氧化矽粉末而制备。18.如申请专利范围第11项的方法,其中步骤B)所形成的含氟二氧化矽层具有低于3.9的介电常数。19.如申请专利范围第18项的方法,其中步骤B)所形成的含氟二氧化矽层具有低于3.5的介电常数。20.如申请专利范围第11项的方法,其中步骤B)所形成的含氟二氧化矽层含有6-10原子%的氟。21.如申请专利范围第11项的方法,其中步骤D)的氨气电浆处理系于25-400℃,10-800毫托,RF功率100-1000W及氨气流速100-2000sccm的条件下进行30秒至2小时。22.如申请专利范围第11项的方法,其中步骤D)的氨气电浆处理于该含氟二氧化矽层的表面形成一结合有氮的浅层,该浅层具有3-50原子%的氮及0.5-10原子%的氟。23.如申请专利范围第22项的方法,其中该浅层的深度介于3-30nm。图式简单说明:第一图:先前技艺之铜导线/低-K介电质整合嵌刻结构的剖面示意图。第二图(a):于0.6m宽之PECVD TEOS SiO2沟槽沈积200nmLPD FSG后之扫瞄式电子显微镜剖面照片。第二图(b):于0.48m宽之低-K MSQ沟槽沈积~54nm LPD FSG后之扫瞄式电子显微镜剖面照片。第三图(a):经氨气电浆处理LPD FSG的氮(N 1s)及矽(Si2p)的X-射线光电子分析(XPS)光谱。第三图(b):未经氨气电浆处理LPD FSG的氮(N 1s)及矽(Si2p)的X-射线光电子分析(XPS)光谱。第四图(a):经氨气电浆处理LPD FSG的二次离子质谱分析(SIMS)光谱。第四图(b):未经氨气电浆处理LPD FSG的二次离子质谱分析(SIMS)光谱。第五图(a):湿氧化层于BTS(150℃,1MV/cm, 30sec)前后之高频C-V曲线。第五图(b):经过或未经氨气电浆处理之LPD FSG于BTS(150℃,1MV/cm,30sec)前后之高频C-V曲线。第六图:各种样本的J-E曲线,其中样本(a)为390nm厚MSQ叠上100nm厚的LPD FSG并经氨气电浆处理,样本(b)为经过氨气电浆处理过之100nm厚LPD FSG,样本(c)为390nm厚MSQ。第七图:本发明之铜导线/低-K介电质整合嵌刻结构的剖面示意图。