專利名稱：堅固貫孔結構及方法
技術領域：
本發明具體實施例系主要關于半導體裝置，及更特別是關于在多層集成電路的鄰近金屬化層的傳導線路間的貫孔之形成。
背景技術：
在集成電路于半導體技術的發展中，已存在朝向裝置規模放大之趨勢。放大或縮小尺寸增加電路性能，主要是藉由增加電路速度，及亦增加集成電路的功能復雜性。每芯片裝置的數目逐年增加。當集成電路僅包括小數目的裝置每芯片時，該裝置可容易地在單一位準相互連接，然而，容納更多裝置及增加的電路速度之需求已產生多位準或多層相互連接的使用。
在多層相互連接系統中，相互連接線路所需要的區域在二或多層間分享，其增加主動組件部份區域，產生增加的功能芯片密度，實施多層相互連接方法于制造機制增加制造方法的復雜性，典型上，主動組件(如晶體管、二極管、電容器及其它組件)于晶圓加工的下方層被制造，一般稱為前段制程(FEOL)，在主動組件于FEOL被加工后，該多層相互連接一般形成于加工時框，其一般稱為后段制程(BEOL)。
當半導體裝置持續縮小時，多層相互連接方法的各種方面被挑戰。當最小特征尺寸被減少至低于如約1微米，集成電路的傳輸延遲變得受限于相互連接線路的大的RC時滯，所以，該工業趨向于使用不同材料及方法以改良多層相互連接進行。
在過去，相互連接線路典型上由鋁制造，現在存在一種趨勢傾向于使用銅于相互連接線路因為其較鋁更為傳導性的。許多年來，被使用以將傳導線路與另一隔離時的絕緣材料為二氧化硅。二氧化硅具介電常數(k)為約4.0或更大，其中介電常數值k系基于一種量度，其中1.0表示真空的介電常數，然而，現在于該工業存在一變化為使用低k介電材料(如具介電常數k為3.6或更小)做為絕緣材料。在用于多層相互連接機制的傳導材料及絕緣材料二者的變化為提供挑戰及需要在加工技術的變化。
銅為所欲的傳導線路材料因其具較鋁為高的傳導性，然而，銅傳導材料的RC(電阻/電容)時滯可為問題的，故低k介電材料被使用以降低電容耦合及減少在相互連接線路間的RC時滯。一些被使用的低k絕緣材料包括有機旋涂式材料，其必須被加熱以移除液體、或溶劑。與金屬如銅相較，這些低k絕緣材料常具高熱膨脹系數(CTE)，例如，一些低k介電材料具70p.p.m./度C大小的CTE，相較于銅，其具約11p.p.m./度C的CTE。
在制造期間因為制造方法的本質，半導體晶圓常是溫度循環的，當裝置包括許多層金屬化及介電材料時，該低介電常數材料層的溶劑移除加熱步驟必須被重復數次(例如每一層必須被熟化)，其可能為問題的。金屬傳導線路及低k介電絕緣層的熱膨脹系數的不相配造成膨脹超過銅傳導線路的低k介電絕緣層，此CTE不相配引起熱機械應力，導致增加的阻抗，貫孔層離，及電中斷與打開，特別是當貫孔接觸下方傳導線路，造成降低的收率。
發明內容
本發明具體實施例達到做為貫孔以連接至下方傳導線路的技術優點及形成該貫孔的方法，此貫孔提供強度、堅固及穩定電阻于多層半導體裝置的金屬相互連接層，貫孔有意地自下方傳導線路凸出，接近該傳導線路頂部邊緣的絕緣材料部分被移除，故貫孔接觸在頂部邊緣該傳導線路的側邊部份，此增加表面積使得有大量的表面積提供給貫孔以與該傳導線路接觸，增加連結強度。在一具體實施例中，該傳導線路包括向外延伸的鉤形區域，使得當貫孔形成時，鎖定區域形成于接近該傳導線路鉤形區域的貫孔，進一步加強該結構。
根據本發明較佳具體實施例，制造半導體裝置的方法包括提供工件、放置第一絕緣層于該工件上，及以傳導線路圖案圖案化該第一絕緣層。該傳導線路圖案以傳導材料填充以形成在該第一絕緣層內的至少一傳導線路，該傳導線路包括頂部表面及至少一側壁。第二絕緣層位于該第一絕緣層及至少一傳導線路上方，一部份該第二絕緣層被移除以露出至少一部份該傳導線路的頂部表面，一部份該第一絕緣層被移除以露出至少該傳導線路的至少一側壁的頂部部份，其中移除一部份該第二絕緣層及移除一部份該第一絕緣層包括形成一貫孔開孔。該貫孔開孔以傳導材料填充以形成貫孔，其中該貫孔與至少一部份該傳導線路的頂部表面及與至少該傳導線路的至少一側壁的頂部部份接觸。
根據本發明另一較佳具體實施例，形成半導體裝置的貫孔之方法包括提供工件、放置第一絕緣層于該工件上，及形成硬罩幕于該第一絕緣層上。該硬罩幕及該第一絕緣層被圖案化，其中該硬罩幕及該第一絕緣層的經圖案化部份包括側壁。第一傳導內襯形成于至少該經圖案化硬罩幕及第一絕緣層的側壁，且第一傳導材料形成于該第一傳導內襯上，其中一部份該第一傳導內襯及一部份該第一傳導材料包括至少一傳導線路。該傳導線路包括頂部表面及至少一側壁，其中該傳導線路至少一側壁包括向外延伸的鉤形區域。覆蓋層形成于該第一絕緣層及該第一傳導內襯，及第二絕緣層位于該覆蓋層上方，一部份該第二絕緣層及一部份該覆蓋層被移除以露出至少一部份該傳導線路的頂部表面，及一部份至少該硬罩幕被移除以露出至少該傳導線路的至少一側壁的頂部部份，其中移除一部份至少該硬罩幕及移除一部份該第一絕緣層包括形成一貫孔開孔。第二傳導內襯形成于至少該第二絕緣層上方，且第二傳導材料形成于第二傳導內襯上，其中一部份該第二傳導內襯及在該貫孔開孔內的一部份該第二傳導材料形成貫孔，該貫孔與至少一部份該傳導線路的頂部表面及與至少該傳導線路的至少一側壁的頂部部份接觸，及一部份該貫孔第二傳導材料位于傳導線路鉤形區域下方以形成鎖定區域于接近該傳導線路鉤形區域的貫孔內。
根據本發明另一較佳具體實施例，一種半導體裝置包括一工件、位于該工件上的第一絕緣層，及于該第一絕緣層內形成的至少一傳導線路，該傳導線路包括頂部表面及至少一側壁，該傳導線路至少一側壁包括向外延伸的鉤形區域。第二絕緣層位于該傳導線路及該第一絕緣層上方，及至少一貫孔形成于在該傳導線路上方的該第二絕緣層內，其中該貫孔與至少一部份該傳導線路的頂部表面及與至少該傳導線路的至少一側壁的頂部部份接觸。
本發明另一較佳具體實施例為一種半導體裝置其包括一工件、形成于該工件上的第一絕緣層，及形成于該第一絕緣層上的硬罩幕。一部份該第一絕緣層及一部份該硬罩幕包括側壁。至少一傳導線路形成于該第一絕緣層及該硬罩幕內，該傳導線路包括位于至少一部份該第一絕緣層及一部份該硬罩幕的側壁之內襯。該傳導內襯亦包括含位于該內襯上方的銅之填充材料，該傳導線路包括頂部表面及至少一側壁，覆蓋層形成于至少該硬罩幕，及由低k介電材料組成的第二絕緣層形成于該覆蓋層上方，一貫孔延伸穿過該第二絕緣層及該覆蓋層至鄰接至少一部份該傳導線路的頂部表面而形成，其中該貫孔延伸穿過至少該硬罩幕至鄰接至少該傳導線路的至少一側壁的頂部部份。
本發明具體實施例的優點包括防止于在多層相互連接結構的熱膨脹期間，因具不同熱膨脹系數的各種材料所引起的層離、破裂及開孔在貫孔及下方傳導線路間發生。有意地自下方傳導線路凸出貫孔造成增加的表面積以用于傳導線路及貫孔連接，改良相互連接結構的強度及堅固性，特別是在溫度循環期間。本發明的鎖定凸出貫孔提供強健的、堅固的結構，其可在晶圓被暴露于高溫以熟化低介電常數絕緣材料的許多次期間耐熱循環，及在其它加工步驟中亦耐熱循環。本發明產生改良的收率及在晶圓內垂直相互連接連接點的降低電阻值。
前文已列出相當廣的本發明具體實施例的特性及技術優點以使得下文的本發明詳細敘述可被更加地了解。本發明具體實施例的其它特性及優點可于下文被敘述，其形成本發明權利要求的主題。熟知本技藝者應了解所揭示的觀念及特定具體實施例可容易地被用作修改或設計以進行本發明相同目的之其它結構或方法的基礎。熟知本技藝者亦應了解此種相當構造并不偏離在所附權利要求所說明的本發明精神及范圍。
為更完全了解本發明，及其優點，現在參考下列敘述及相關圖式，其中第1圖說明先前技藝具貫孔的多層集成電路的結構之截面視圖，此貫孔提供至各種傳導層的下方傳導線路之連接；第2-5圖顯示根據本發明較佳具體實施例在各個制造階段集成電路的結構之截面視圖，其中該貫孔有意地自下方傳導線路凸出，及圍繞該傳導線路的絕緣材料被過蝕刻以增加該貫孔至傳導線路機械連接的表面積；
第6圖顯示一種本發明具體實施例其中該貫孔的寬度大于該下方傳導線路的寬度，產生在該傳導線路兩側的凸出；第7圖說明根據本發明具體實施例制造該貫孔的較佳方法之流程圖；第8圖顯示本發明具體實施例之截面視圖，其中該傳導線路包括朝圍繞該傳導線路的絕緣層的經過蝕刻區域向外延伸的鉤形區域，形成至該傳導線路貫孔的鎖定或關鍵區域之形成；及第9圖顯示該傳導線路的鉤形區域，及形成于該鉤形區域下方的該貫孔的鎖定區域之放大圖。
具體實施例方式
本較佳具體實施例的制造及使用詳細討論于下文，然而，應了解本發明具體實施例提供一些可應用的本發明觀念，其可以特定內文的廣泛變化被具體化。所討論特定具體實施例僅為本發明制造及使用的特定方式之說明，且不欲限制本發明范圍。
本發明具體實施例會以參考在特定內文的較佳具體實施例被敘述，稱之為具含銅的多層相互連接結構之半導體裝置。然而，本發明亦可被應用于具多層相互連接結構之任何多層半導體裝置，其包含其它材料如鋁或其它金屬，及半導體材料如多晶硅，做為實例。
先前技藝貫孔形成的問題將被討論，接著為本發明較佳具體實施例及其一些優點的敘述。名稱”貫孔”于本文被使用以敘述一部份如位于半導體集成電路(IC)的傳導層間的傳導材料之塞或線路以提供電及機械路徑以使在該IC操作期間電流可流動。僅一貫孔及傳導線路被示于每一圖，雖然許多貫孔及傳導線路可存在于每一絕緣層內。僅一相互連接層被示出然而，該貫孔的頂部表面可連接至在相鄰的相互連接層之后續形成的傳導線路。
第1圖說明先前技藝具貫孔20的多層集成電路結構10之截面視圖，貫孔20提供至在傳導層的下方傳導線路16之連接。為形成該結構10，第一絕緣層14被形成于基材或工件12上。絕緣層14使用微影技術被圖案化，以形成至少一傳導線路16的開孔，傳導材料被沉積于該絕緣層14以填充該傳導線路開孔。過多傳導材料以單鑲嵌方法被自該絕緣層14頂部表面移除以形成傳導線路16。
當傳導線路材料包括如銅，鑲嵌方法典型上被使用。或者，該傳導線路16可由沉積該傳導材料于該基材12、圖案化及蝕去一些傳導材料以形成該傳導線路16，及接著沉積該第一絕緣層14于該傳導線路16上方而被形成。
第二絕緣層18被沉積于該傳導線路16及第一絕緣層14上方，貫孔20以鑲嵌方法形成于該第二絕緣層18，如同對該傳導線路16所敘述，或者該貫孔20可替代地藉由沉積傳導材料、圖案化及蝕刻該傳導材料而被形成，之后為該第二絕緣材料18之沉積而被形成。
當顯著差異存在于該貫孔20材料及該第二絕緣材料18的CTE時，問題產生于該貫孔相互連接結構。例如，若該第二絕緣材料18具較該貫孔20材料為高的CTE，則當該裝置10被加熱時，該第二絕緣材料18較該貫孔20更為膨脹，此產生在該貫孔20的切變應力，其可產生在該貫孔20及該傳導線路16間空隙22之形成，如所示。或者，部份空隙或細線裂口(未示出)可在該貫孔20及該傳導線路16間形成。
當低k介電材料被用做該第二絕緣層18材料時，此特別為有問題的，此材料典型上具較傳導材料如銅為更高的CTE，例如銅的熱膨脹系數為16-17p.p.m./度C，相較于低k介電材料SiLKTM，其具熱膨脹系數為60-70p.p.m./度C。在多層相互連接堆棧的其它絕緣層，如第一絕緣材料14，亦包括低k介電材料。在方法流程中，在每一低k介電常數材料層沉積后，有機旋涂式材料必須被加熱以移除溶劑，如此，該下方層絕緣層，如先被沉積的絕緣層，被加熱可被加熱六次或更多次至鄰接如400度C，此熱循環引起該低k介電材料18的膨脹較該傳導貫孔20的膨脹更大，使得力量自該貫孔20朝下方傳導線路16及任何疊置傳導線路(未示出)向下及向上地施用。
每一次晶圓10被加熱時，該低k介電材料14/18較該貫孔20及該傳導線路16更為膨脹，在該貫孔20及介電層18間的熱不相配造成由傳導線路16及貫孔20所產生的傳導路徑的阻抗之增加，特別是，該傳導線路16的頂部表面與該貫孔20的底部表面的接合因該介電層18的膨脹被壓縮，造成該貫孔自該傳導線路16的頂部表面的部份或完全分離，其可引起在電連接或間歇性電連接的”開口”情況。該熱-機械應力亦引起電阻的增加，及可造成減少的半導體裝置制造收率或在測試或稍后的使用期間可能的失效。
貫孔分離、降低的收率及傳導線路的增加電阻之先前技藝問題可由本發明具體實施例的使用而被避免或減輕。第2-5圖顯示根據本發明較佳具體實施例在各個制造階段集成電路結構之截面視圖，其中貫孔139(參看第5圖)有意地自下方傳導線路117凸出，及在該傳導線路的頂部側壁的絕緣材料114被過蝕刻以增加該貫孔至傳導線路機械連接的表面積量。
首先參考第2圖，工件112被提供。該工件112較佳為包括位于其上的氧化硅，及可能鄰接單晶硅基材，該工件112可包括其它傳導層或其它半導體組件如晶體管、二極管等，化合物半導體如GaAs、InP、Si/Ge、SiC可被替代地使用以取代硅。
第一絕緣層114被沉積于該工件112上，第一絕緣層114較佳為包括低介電常數(k)介電材料，如具介電常數k為約3.6或更小。第一絕緣層114較佳為包括有機旋涂式材料如聚醯亞胺，此種材料的商標包括如道氏化學公司的SiLKTM及AlliedSignal公司的FLARETM。或者，非低k介電材料如二氧化硅及/或氮化硅(如Si3N4)可被使用。若低-k介電材料被使用，在旋涂該材料后，該晶圓可被暴露于如約400度C的熱步驟以移除溶劑。
該第一絕緣層114被圖案化及蝕刻，及部份該第一絕緣層114被移除以產生開孔，于此該傳導線路116被形成。第一傳導材料116被沉積于該第一絕緣層114以填充該傳導線路開孔。過多部份的第一傳導材料116使用如化學-機械光(CMP)方法以自該第一絕緣層114頂部表面移除以形成至少一傳導線路117，如所示。
選擇的第一傳導內襯132可在沉積該第一傳導材料116前被沉積，該第一傳導內襯132較佳為保形的，且可包括如Ta、TaN、WN、TiN的單一層，該第一傳導材料116較佳為包括銅，雖然鋁，其它金屬或其組合物亦可被使用。若該第一傳導材料116包括銅，較佳為內襯132被使用，以防止銅擴散進入該下方工件112及第一絕緣層114材料。該第一傳導內襯亦可包括含阻擋層及種晶層的雙層，該阻擋層可包括與如上列出用于單一層第一傳導內襯132類似的材料，該種晶層可包括如銅合金，及或者可包括其它金屬。該種晶層協助第一傳導材料的填充方法，特別是當如電鍍方法被使用以沉積該第一傳導材料。
第一傳導線路117較佳為由如鑲嵌或雙鑲嵌方法形成，該第一傳導線路117包括頂部表面及至少一側壁，該第一傳導線路117可包括如長的、薄的長方形，其延伸進入紙及自紙延伸出來，該第一傳導線路117可包括高縱橫比(未示出)；如該第一傳導線路117的垂直高度可大于水平寬度10∶1或更大，該第一傳導線路117包括該內襯132及該第一傳導材料116。
第二絕緣層118被沉積于該傳導線路117上方及第一絕緣層114上方，如第3圖所示。該第二絕緣層118較佳為包括具介電常數k為3.6或更小的低-k介電材料，及需要加熱至如約400度C以移除溶劑。或者，該第二絕緣層118可包括習知介電材料如二氧化硅及/或氮化硅。
該第二絕緣層118經由微影如使用罩幕被圖案化，如第3圖所示，光致抗蝕劑124被沉積于該第二絕緣層118上，及部份該光致抗蝕劑124被露出，部份該光致抗蝕劑124被移除，留下貫孔圖案126。
使用留在該第二絕緣層118的該光致抗蝕劑124，該第二絕緣層118的部份128被移除以形成在該第二絕緣層118的貫孔開孔134(參看第4圖)，該貫孔開孔134較佳為使用反應性離子蝕刻(RIE)方法步驟形成。該蝕刻方法步驟較佳為包括主要地不等向性的蝕刻方法，其中該蝕刻劑物質或氣體被基本上被導向該晶圓的垂直表面以產生在該第二絕緣層118內的基本上垂直側壁。不等向性的蝕刻方法較佳為包括放置光罩幕于經暴露的第二絕緣層118表面及暴露該晶圓于氧氣、氮氣或其組合物，或者如具少量O2的CHF3。除了移除一部份該第二絕緣層118，所有或部份該光致抗蝕劑124可被移除做為蝕刻方法的一部份。
在一具體實施例中，當該下方傳導線路117的頂部表面被觸及時，蝕刻方法停止。在此具體實施例中，晶圓被暴露于第二蝕刻方法步驟以移除鄰接該傳導線路117的至少一側壁的頂部部份的該第一絕緣層114的部份130，留下示于第4圖的貫孔開孔134之結構。第二蝕刻方法步驟可包括濺鍍蝕刻其在沉積形成傳導材料的貫孔前亦清潔貫孔開孔134。該第二蝕刻方法步驟亦為主要地不等向性的，但在一具體實施例中，該第二蝕刻方法步驟具足夠等向性的組件以自該傳導線路217的鉤形區域254下方移除該第一絕緣層214的部份252(未示于第4圖；參看第7及8圖)。
再參看第4圖，在另一具體實施例中，當該下方傳導線路117的頂部表面被觸及時，蝕刻方法并未停止，而是，該蝕刻方法被持續以移除鄰接該傳導線路117的至少一側壁的頂部部份的該第一絕緣層114的部份，留下示于第4圖的貫孔開孔134。再次，此蝕刻方法亦為主要地不等向性的，但在一具體實施例中，該蝕刻方法具足夠等向性的組件以自該傳導線路217的鉤形區域254下方移除該第一絕緣層214的部份252(未示于第4圖；參看第7及8圖)。
較佳為，移除一部份該第一絕緣層以形成該貫孔開孔134包括自該第一絕緣層的頂部表面下方移除至少100埃，亦較佳為，自該第一絕緣層的頂部表面下方移除一部份該第一絕緣層包括移除5至15％的該第一絕緣層第一厚度。較佳為，根據本發明具體實施例，在該蝕刻方法期間沒有任何部份的該傳導線路117材料被移除以移除部份該第一及第二絕緣層114及118。
接著，該貫孔開孔134以傳導材料填充以形成貫孔139，如第5圖所示。該貫孔開孔134可先以選擇性的第二傳導內襯136填充，及接著其余該貫孔開孔134以第二傳導材料138填充以形成貫孔139，貫孔139包括內襯136及填充材料138。該貫孔139被采用以進行與至少該傳導線路117的頂部表面部份進行機械及電接觸及鄰接至少該傳導線路117的頂部表面部份，該貫孔139亦進行與至少該傳導線路117的至少一側壁的頂部部份，亦即在區域140，進行機械及電接觸及鄰接至少該傳導線路117的至少一側壁的頂部部份。
若該第二傳導材料138包括銅，該貫孔139較佳為包括第二傳導內襯136，以防止銅擴散進入該第一及第二絕緣層118。該選擇性的第二傳導內襯136較佳為使用保形沉積方法被沉積，留下沿該貫孔開孔134內壁的保形內襯或擴散阻擋136。較佳為，該傳導內襯132包括由化學氣相沉積(CVD)所沉積的氮化鈦。或者，該傳導內襯132可包括氮化鉭、氮化鎢、耐火金屬或其它可使用如CVD方法或無電鍍被保形沉積的阻擋層。該內襯132可包括含阻擋層及保形種晶層的雙層材料，其較佳為包括銅、鋁、其它金屬或其組合物，該種晶層可使用如CVD方法沉積。
其余該貫孔開孔134使用電鍍或無電鍍填充方法以第二傳導材料138填充以產生具位于該第二絕緣層118內的部份及具位于該第一絕緣層114內的部份之無空隙貫孔139。該第二傳導材料138較佳為包括銅、鋁或其它金屬或其組合物，該第二傳導材料138可使用CVD或物理(非保形)氣相沉積(PVD)沉積，接著為回焊方法。
根據本發明具體實施例，該貫孔139有意地自該下方傳導線路117的至少一邊緣凸出，該凸出允許該第一絕緣層114的過蝕刻及產生懸掛于該傳導線路頂部邊緣的貫孔(亦即，懸垂區域)。較佳為水平凸出的量(亦即，該貫孔139圖案未與該傳導線路117的最右邊緣對準的量，于第5圖)范圍自10至35％的該貫孔139寬度，及更佳為水平凸出的量為10至25％的該貫孔寬度。
在示于第2至5圖的本發明具體實施例中，鄰近該傳導線路117的該第一絕緣層114為有意地被過蝕刻。過蝕刻該第一絕緣材料114產生該貫孔139增加表面積量以接觸及鄰接該傳導線路117。例如，在示于第5圖的截面視圖中，在該傳導線路117及該貫孔139間的表面積量增加量140，其為延伸進入該第一絕緣層114的該貫孔139之垂直部份的長度，該增加的垂直表面積140增加該傳導線路117及該貫孔139間的機械及電連結區域，減少該貫孔139及該傳導線路117分離及空隙的機率。
亦注意典型上，該傳導線路117包括長的正方形形狀，所以，該額外垂直表面積140為傳導線路117及貫孔139的較短長度乘以該貫孔139的寬度(想象該貫孔寬度為進入紙或自紙出去)，該貫孔形狀可為如圓柱形。
該貫孔139被示出為具約略與該下方傳導線路117水平寬度相同的水平寬度，然而，該貫孔139寬度可小于該傳導線路117寬度，或者該貫孔139寬度可大于該傳導線路117寬度，若該貫孔139寬度大于該傳導線路117寬度，則該貫孔139可在鄰接該傳導線路117相對側壁的頂部區域之兩側向下延伸進入該第一絕緣層114，產生表面積的更大增加，如在區域140，以用于該貫孔139至該傳導線路117的機械及電連結，如第6圖所示。
用來填充該貫孔開孔的該傳導材料可包括具第一熱膨脹系數(CTE)的材料，該第一CTE包括如20p.p.m./度C或更少。該第二絕緣層可包括具第二CTE的材料，該第二CTE為較該第一CTE為高，該第二CTE可為如50p.p.m./度C或更多。該多層相互連接結構的其它絕緣層，如該第一絕緣層114，亦可包括第二CTE材料，類似地，該多層相互連接結構的其它傳導層，如該傳導線路117，亦可包括第一CTE材料。
第三介電層，較佳為包括低k介電層，可被沉積于該貫孔139上方及該第二絕緣層118的頂部表面上方(未示出)。該第三介電層可被加熱以移除溶劑，及之后以傳導線路圖案圖案化以接觸該貫孔130。或者，非低k介電體如二氧化硅及/或氮化硅可被用于該第三介電層。第二傳導線路或區域可接著被形成于該第三介電層內及在該貫孔139上，其中該貫孔139被使用以連接該上方第二傳導線路至在該下方第一絕緣層114內的傳導線路117。選擇的傳導內襯可在該第二傳導線路形成前被沉積，在該第三絕緣層內的該上方第二傳導線路較佳為包括與該第一傳導線路117相同的金屬材料，如銅、鋁、或其組合物。許多，如六至八或更多，具貫孔139的其它傳導層可根據本發明方法以此方式被沉積，該貫孔130有意地自下方傳導線路凸出及懸掛，且下方絕緣層被過蝕刻以產生更堅固的多層相互連接結構。
根據本發明具體實施例形成堅固貫孔139的流程圖160被示于第7圖。首先，傳導線路117被形成于第一絕緣層114內(步驟162)，及第二絕緣層118被沉積于該傳導線路117及該第一絕緣層114上方(步驟164)，接著，在一具體實施例中，兩步驟蝕刻方法被使用以形成該貫孔開孔134，在此具體實施例中，該第二絕緣層118以該貫孔開孔134圖案化，移除該第二絕緣層118的部份128(步驟166)，接著，該第一絕緣層114的部份130被移除(步驟168)。在另一具體實施例中，單一蝕刻方法被使用以形成該貫孔開孔134于第二及第一絕緣材料118及114，該第二絕緣層118以該貫孔開孔134圖案化，移除該第二絕緣層118的部份128及該第一絕緣層114的部份130被移除(步驟170)，該貫孔開孔134接著以傳導材料填充以形成貫孔139(步驟172)，如第5圖所示，及后續加工步驟接著于該晶圓上被執行(步驟174)。
第8圖顯示本發明另一較佳具體實施例之截面視圖，其中該傳導線路217包括朝圍繞該傳導線路的該絕緣層244的經過蝕刻區域向外延伸的鉤形區域254，形成至該傳導線路217的該貫孔239的關鍵區域248之形成。該結構較佳為使用如與第2-5圖所示的具體實施例所敘述的類似制造步驟及材料而形成。然而，在第8圖中，選擇性的硬罩幕244絕緣層及覆蓋層246被示出。
較佳為，該第一絕緣層214及該第二絕緣層218包括低k介電材料如有機層間介電體(ILD)材料或敘述于第2-5圖的材料。該硬罩幕244可在該傳導線路217的開孔形成前被沉積于該第一絕緣層214。該硬罩幕244包括介電材料如氮化硅或二氧化硅。
該傳導線路217包括朝向該傳導線路圖案的底部向內些微變細的側壁，產生在該傳導線路217側壁的外部頂部部份的鉤形區域254，如所示。該鉤形區域自該傳導線路217向外朝向該硬罩幕244或該第一絕緣層214延伸。
該傳導線路217，特別是當包括銅，較佳為包括第一傳導內襯232及第一傳導填充材料216。該第一傳導內襯232可包括含阻擋層及種晶層的雙層，如第2-5圖所示的具體實施例所敘述的。
在形成該傳導線路217后，較佳為包括SiN，及或者包括商標名稱BloKTM或其它介電擴散阻擋的選擇性介電覆蓋層246可被沉積于該傳導線路217及該硬罩幕244(或于該第一絕緣層214，當硬罩幕244未被使用)。當該傳導線路217包括如鋁時，該介電覆蓋層246可不為需要的，但當該傳導線路217包括銅時，該覆蓋層246較佳為被使用。
該第二絕緣層218被沉積于該覆蓋層246上方，及接著該貫孔開孔(未示于第8圖；參考第4圖)被形成于該第二絕緣層218、覆蓋層246、及硬罩幕244。較佳為該貫孔在該硬罩幕頂部表面下方延伸至少100埃。亦較佳為該貫孔在該硬罩幕頂部表面下方延伸約該硬罩幕第一厚度的20-40％，或者，該貫孔開孔亦可延伸穿過該選擇硬罩幕244進入該第一絕緣層214，未示出。若沒有任何硬罩幕244被使用，則較佳為，移除部份該第一絕緣層214以形成該貫孔開孔234包括自該第一絕緣層214的頂部表面下方移除至少100埃，亦較佳為，移除部份該第一絕緣層214包括自該第一絕緣層214的頂部表面下方移除5至15％的該第一絕緣層214第一厚度。第二傳導內襯236及該第二傳導材料238被沉積于該貫孔開孔內以形成該貫孔239，如所示。
如在所示的具體實施例及參考第2-5圖所敘述的，再次，該貫孔239較佳為有意地自該傳導線路217于水平方向凸出，使得鄰近該傳導線路217側壁的頂部部份的絕緣材料，在此情況下，至少該硬罩幕244，可被過蝕刻。在此具體實施例中，移除至少該硬罩幕244的蝕刻方法較佳為至少部分等向性的以確保一部份該硬罩幕244材料可自該傳導線路鉤形區域254下方被移除。除了鄰接側壁217的懸垂，該貫孔239亦可被有意地為過大的以產生在相對于側壁217的側壁之懸垂(未示于第8圖；參看第6圖)。
第9圖顯示關鍵區域248之放大圖，其包括該傳導線路217的鉤形區域254，及形成于該傳導線路鉤形區域254下方的該貫孔239的鎖定區域252。有利的是，鎖定區域252在該傳導線路217的鉤形區域254的鄰近、相鄰及下方形成，產生堅固的機械關鍵區域。有利的是，在此關鍵區域248，該傳導線路鉤形區域254及貫孔鎖定區域252為機械地鎖在一起，故影響該結構的熱應力不會使得該傳導線路217及該貫孔239分開。該鉤形區域254合適于該鎖定區域252，故該貫孔239無法移動。無論周圍絕緣材料218、246、244及/或214的擴張或收縮，該貫孔239相關于該傳導線路217為穩定化的。
注意雖然該貫孔鎖定區域252被示于第8及9圖為形成于該硬罩幕244內，該鎖定部份252亦可替代地向下延伸進入該第一絕緣層214，而且，該鎖定部份252可完全包含于該第一絕緣層214內，當硬罩幕244未被使用時。
本發明具體實施例達到做為通孔中間連接結構及其制造方法的技術優點以連接提供改良機械強度的多層集成電路的傳導層，于此處所敘述的該貫孔139/239結構及形成方法防止在熱膨脹期間，在貫孔139/239及下方傳導線路117/217間發生層離、分離、破裂及開孔，熱膨脹期間在多次在低介電常數絕緣材料溶劑移除、層沉積、最后退火、或介電體熟化該晶圓被暴露于極熱期間的期間。本貫孔139/239結構及形成該貫孔方法之使用產生改良的收率及在晶圓內垂直連接點的降低的電阻值，延伸進入該第一絕緣層114/214/244的該貫孔139/239的過切部份提供較大表面積140/240給貫孔139/239以機械地及電地連接至下方傳導線路，穩定化該熱膨脹效應。該傳導線路217的鉤形區域254造成該貫孔239的鎖定區域252之形成，形成關鍵區域248，本發明亦產生傳導線路117/217及貫孔139/239的垂直鏈的改良電可靠度。
本發明具體實施例于此以單鑲嵌結構敘述，然而，亦具雙鑲嵌方法之應用。
雖然本發明具體實施例及其優點已詳細敘述，應了解各種變化、取代及替換可被進行而不偏離由所附權利要求所定義的本發明精神及范圍。例如，熟知本技藝者可容易地了解于此所敘述的電路、電路組件、及電路感知機制可被變化但仍在本發明范圍內。
而且，本申請案范圍并不欲受限于在專利說明書所敘述的制程、機器、制造、物質組成、裝置、方法及步驟之特定具體實施例，因熟知本技藝者可容易地由本發明揭示了解執行基本上與于此所敘述的相對應具體實施例相同功能或達到基本上相同結果的現存或要被發展的制程、機器、制造、物質組成、裝置、方法或步驟可根據本發明被使用。因此，所附權利要求意欲包括此種制程、機器、制造、物質組成、裝置、方法或步驟于其范圍內。
權利要求
1.一種制造半導體裝置的方法，其包括提供一種工件；將第一絕緣層放置于該工件上；以傳導線路圖案圖案化該第一絕緣層；以傳導材料填充該傳導線路圖案以形成至少一傳導線路于該第一絕緣層內，該傳導線路包括頂部表面及至少一側壁；將第二絕緣層置于該第一絕緣層及該至少一傳導線路上方；移除一部份該第二絕緣層以露出至少一部份該傳導線路的頂部表面；移除一部份該第一絕緣層以露出至少該傳導線路的至少一側壁的頂部部份，其中移除一部份該第二絕緣層及移除一部份該第一絕緣層包括形成一貫孔開孔；及以傳導材料填充該貫孔開孔以形成貫孔，其中該貫孔與至少一部份該傳導線路的頂部表面及與至少該傳導線路的至少一側壁的頂部部份接觸。
2.根據權利要求第1項的方法，其中該傳導線路至少一側壁包括向外延伸的鉤形區域，其中以傳導材料填充該貫孔開孔包括放置該傳導材料于該傳導線路鉤形區域下方，形成鎖定區域于接近該傳導線路鉤形區域的該貫孔內。
3.根據權利要求第1項的方法，其中移除一部份該第一絕緣層及形成貫孔開孔構成單一蝕刻步驟。
4.根據權利要求第3項的方法，其中該蝕刻步驟包括反應性離子蝕刻(RIE)。
5.根據權利要求第1項的方法，其進一步包括在填充該貫孔開孔前的濺鍍蝕刻。
6.根據權利要求第5項的方法，其中該濺鍍蝕刻包括移除一部份該第一絕緣層。
7.根據權利要求第1項的方法，其中移除一部份該第一絕緣層包括移除至少100埃的該第一絕緣層。
8.根據權利要求第1項的方法，其中該第一絕緣層包括第一厚度，移除一部份該第一絕緣層包括移除5至15％的該第一絕緣層第一厚度。
9.根據權利要求第1項的方法，其中以傳導材料填充該貫孔開孔包括以具第一熱膨脹系數(CTE)的材料填充該貫孔開孔，其中放置該第二絕緣層包括沉積具第二CTE的材料，該第二CTE為較該第一CTE為高。
10.根據權利要求第9項的方法，其中該第一CTE為20p.p.m./度C或更少，其中該第二CTE為50p.p.m./度C或更多。
11.根據權利要求第9項的方法，其中該第一絕緣層包括該第二CTE材料。
12.根據權利要求第1項的方法，其中形成該第二絕緣層包括沉積具介電常數為3.6或更小的低介電常數材料，其中該傳導線路材料包括銅或鋁。
13.根據權利要求第1項的方法，其中形成至少一傳導線路包括以該至少一傳導線路的開孔圖案化該第一絕緣層，沉積第一傳導內襯于該絕緣層上，其中該第一傳導內襯排列該開孔，及以第一傳導填充材料填充在該第一傳導內襯上方的開孔；及其中填充該貫孔開孔包括沉積第二傳導內襯于該貫孔開孔，及以第二傳導填充材料填充在該第二傳導內襯上方的該貫孔開孔。
14.根據權利要求第13項的方法，其中該第一傳導填充材料或該第二傳導填充材料系藉由電鍍填充。
15.根據權利要求第1項的方法，其中形成貫孔開孔包括暴露該介電體層于不等向性的蝕刻。
16.形成半導體裝置的貫孔之方法，其包括提供一種工件；將第一絕緣層置于該工件上；形成硬罩幕于該第一絕緣層上；圖案化該硬罩幕及該第一絕緣層，其中該硬罩幕及該第一絕緣層的經圖案化部份包括側壁；形成第一傳導內襯于至少該經圖案化硬罩幕及第一絕緣層的側壁；形成第一傳導材料于該第一傳導內襯上，其中一部份該第一傳導內襯及一部份該第一傳導材料包括至少一傳導線路，該傳導線路包括頂部表面及至少一側壁，其中該傳導線路之至少一側壁包括向外延伸的鉤形區域；形成覆蓋層于該第一絕緣層及該第一傳導內襯上；將第二絕緣層置于該覆蓋層上方；移除一部份該第二絕緣層及一部份該覆蓋層以露出至少一部份該傳導線路的頂部表面；移除一部份至少該硬罩幕以露出至少該傳導線路的至少一側壁的項部部份，其中移除一部份至少該硬罩幕及移除一部份該第一絕緣層包括形成一貫孔開孔；形成第二傳導內襯于至少該第二絕緣層上；及形成第二傳導材料于該第二傳導內襯上，其中一部份該第二傳導內襯及在該貫孔開孔內的一部份該第二傳導材料形成一貫孔，其中該貫孔與至少一部份該傳導線路的頂部表面及與至少該傳導線路的至少一側壁的頂部部份接觸，及其中一部份該貫孔第二傳導材料被置于該傳導線路鉤形區域下方以形成鎖定區域于接近該傳導線路鉤形區域的貫孔內。
17.一種半導體裝置，其包括一工件；位于該工件上的第一絕緣層；于該第一絕緣層內形成的至少一傳導線路，該傳導線路具頂部表面及至少一側壁，其中該傳導線路至少一側壁包括向外延伸的鉤形區域；位于該傳導線路及該第一絕緣層上方的第二絕緣層；及至少一貫孔形成于在該傳導線路上方的該第二絕緣層內，其中該貫孔與至少一部份該傳導線路的頂部表面及與至少該傳導線路的至少一側壁的頂部部份接觸。
18.根據權利要求第17項的半導體裝置，其中一部份該貫孔位于該傳導線路鉤形區域下方，形成鎖定區域于接近該傳導線路鉤形區域的貫孔內。
19.根據權利要求第17項的半導體裝置，其中該第一絕緣層包括頂部表面，其中該至少一貫孔延伸低于該第一絕緣層的頂部表面至少100埃。
20.根據權利要求第17項的半導體裝置，其中該第一絕緣層包括第一厚度及具頂部表面，其中該至少一貫孔延伸低于該第一絕緣層的頂部表面約5至15％的該第一絕緣層第一厚度。
21.根據權利要求第17項的半導體裝置，其中該貫孔包括具第一熱膨脹系數(CTE)的材料，其中該第二絕緣層包括具第二CTE的材料，該第二CTE系較該第一CTE為高。
22.根據權利要求第21項的半導體裝置，其中該第一CTE為20p.p.m./度C或更少，其中該第二CTE為50p.p.m./度C或更多。
23.根據權利要求第21項的半導體裝置，其中該第一絕緣層包括該第二CTE材料。
24.根據權利要求第17項的半導體裝置，其中該第二絕緣層包括具介電常數為約3.6或更小的低介電常數材料，其中該傳導線路材料包含銅或鋁。
25.根據權利要求第17項的半導體裝置，其中該至少一傳導線路包括第一傳導內襯及位于該第一傳導內襯上的第一傳導填充材料；及該貫孔包括第二傳導內襯及位于該第二傳導內襯上的第二傳導填充材料。
26.根據權利要求第17項的半導體裝置，其中該至少一傳導線路包括第二側壁，及其中該至少一貫孔與至少該傳導線路的第二側壁的頂部部份接觸。
27.一種半導體裝置，其包括一工件；形成于該工件上的第一絕緣層；形成于該第一絕緣層的硬罩幕，其中一部份該第一絕緣層及一部份該第一硬罩幕包括側壁；至少一傳導線路形成于該第一絕緣層及該硬罩幕內，該傳導線路包括位于至少部份該第一絕緣層及部份該硬罩幕的側壁之內襯，該傳導線路包括位于該內襯上方的填充材料，該填充材料包括銅，該傳導線路具頂部表面及至少一側壁；位于至少該硬罩幕上方的覆蓋層；形成于該覆蓋層上方的第二絕緣層，該第二絕緣層系由低k介電材料組成；及貫孔延伸穿過該第二絕緣層及該覆蓋層至鄰接至少一部份該傳導線路的頂部表面而形成，其中該貫孔延伸穿過至少該硬罩幕至鄰接至少該傳導線路的至少一側壁的頂部部份。
28.根據權利要求第27項的半導體裝置，其中該傳導線路至少一側壁包括向外延伸的鉤形區域，其中一部份該貫孔系位于該傳導線路鉤形區域的下方，形成鎖定區域于接近該傳導線路鉤形區域的該貫孔內。
29.根據權利要求第27項的半導體裝置，其中該硬罩幕具頂部表面，其中該至少一貫孔延伸低于該硬罩幕的頂部表面至少100埃。
30.根據權利要求第27項的半導體裝置，其中該硬罩幕包括第一厚度及具頂部表面，其中該至少一貫孔延伸低于該硬罩幕的頂部表面約20-40％的該硬罩幕第一厚度。
31.根據權利要求第27項的半導體裝置，其中該貫孔包括具第一熱膨脹系數(CTE)的材料，其中該第二絕緣層包括具第二CTE的材料，該第二CTE系較該第一CTE為高。
32.根據權利要求第31項的半導體裝置，其中該第一CTE為20p.p.m./度C或更少，其中該第二CTE為50p.p.m./度C或更多。
33.根據權利要求第31項的半導體裝置，其中該第一絕緣層包括該第二CTE材料。
34.根據權利要求第27項的半導體裝置，其中該第二絕緣層具介電常數為3.6或更小。
35.根據權利要求第27項的半導體裝置，其中及該貫孔包括第二傳導內襯及位于該第二傳導內襯上的第二傳導填充材料。
36.根據權利要求第27項的半導體裝置，其中該至少一傳導線路包括第二側壁，及其中該貫孔與至少該傳導線路的第二側壁的頂部部份接觸。
全文摘要
一種傳導線路形成于第一絕緣層，第二絕緣層形成于該傳導線路及該第一絕緣層上，該貫孔延伸通過該第二絕緣層以與至少該傳導線路的頂部表面接觸，該貫孔亦延伸通過該第一絕緣層以與至少該傳導線路的至少一側壁的頂部部分接觸，該傳導線路側壁包括向外延伸的鉤形區域，以使一部分該貫孔位于該傳導線路鉤形區域下方，形成鎖定區域于接近該傳導線路鉤形區域的該貫孔內。
文檔編號H01L21/768GK1527375SQ20041000534
公開日2004年9月8日 申請日期2004年2月11日 優先權日2003年2月11日
發明者A·考利, A 考利, E·卡塔利奧格魯, 賂衤, M·斯特特, 靨 申請人:因芬尼昂技術股份公司