[发明专利]半导体装置的制造方法

说明书

在此提供一种半导体装置的制造方法。此方法包括形成金属层于基板中，且依序形成阻障层及绝缘层于基板上。此方法包括进行第一刻蚀步骤，以形成开口于绝缘层中，且开口并未暴露出阻障层。在第一刻蚀步骤之后，形成间隙填充层于绝缘层上且填满开口。此方法包括进行第二刻蚀步骤，以在间隙填充层中形成与开口连通的第一通孔，并将开口的上部分拓宽而形成沟槽。此方法包括进行第三刻蚀步骤，以移除位于开口的底部的间隙填充层，并加深沟槽及开口的深度。此方法包括在阻障层中形成与开口连通的第二通孔，以暴露出金属层。

技术领域

本发明有关于一种半导体装置，且特别有关于一种使用双镶嵌工艺的半导体装置的制造方法。

背景技术

在半导体装置的工艺中，为了使半导体元件与控制电路连线，会在半导体元件之上形成内连线结构。内连线结构为多层结构，其包括多层的绝缘层，以及形成于绝缘层中的金属层。形成内连线结构的工艺中，通常会刻蚀绝缘层，以形成通孔或沟槽。之后，将金属填入通孔或沟槽中，藉以分别形成导电插塞或导电线路。

双镶嵌(dual damascene)工艺经常用以形成内连线结构。依据通孔与沟槽的形成顺序，双镶嵌工艺可分为通孔优先(via first)与沟槽优先(trench first)两种。通孔的尺寸较小，且形成通孔的光刻工艺比形成沟槽的光刻工艺更为困难。通孔优先工艺是在平坦的平面上进行形成通孔的光刻工艺。因此，相较于沟槽优先工艺，通孔优先工艺的工艺控制较为容易，且工艺视窗(process window)也较大。

为了形成具有多层结构的内连线结构，可重复进行数次双镶嵌工艺。更具体而言，当形成第一层的金属层(例如，导电插塞及/或导电线路)于第一层的绝缘层中之后，会形成一层阻障层于此第一层的金属层上。之后，再形成第二层的绝缘层于阻障层上。当对第二层的绝缘层进行刻蚀工艺而形成通孔时，此阻障层可作为刻蚀停止层。换言之，此刻蚀工艺会在暴露出阻障层之后停止。

在现有的通孔优先工艺中，为了避免金属层中的金属在工艺中外泄而造成污染，会以上述阻障层覆盖金属层的表面。然而，阻障层的热膨胀系数与金属层的热膨胀系数通常不匹配。当接收到工艺中的热能时，热膨胀系数不匹配所造成的应力会使金属层表面产生突出部，从而使覆盖于金属层表面的阻障层的表面也不平坦。并且，金属层的突出部的尺寸、数量及位置皆无法控制。因此，当进行现有的通孔优先双镶嵌工艺时，于形成通孔的刻蚀工艺中，金属层的突出部可能被暴露出。再者，位于金属层的突出部上的阻障层可能会受到应力的影响而改变其分子的排列。因此，可能会增加阻障层的刻蚀速率，而暴露出下方的金属层。如此一来，金属层中的金属(例如，铜)可能会外泄而散布在绝缘层中、基板的表面上、工艺腔体中及/或气体管路中，进而造成无法控制的污染，导致产品的良率及可靠度降低。

为了解决上述金属所造成的污染问题，在现有的双镶嵌工艺中，采取了以下的方法以避免形成金属层的突出部。在一些现有技术中，在形成阻障层之前，对金属层进行前处理工艺，例如，预退火(pre-anneal)。在另一些现有技术中，对金属层进行预退火时加入气体(例如，氢气、氮气、或是氢气与氮气的混合气体)。在另一些现有技术中，在形成阻障层之前，使用含硅前驱物(例如，SiH₄)对金属层表面进行处理。然而，这些方法都无法完全避免在金属层表面产生突出部。即使可以减少突出部的数量，这些方法也有可能导致金属层的电阻值提高，因而不利于半导体装置的操作。

另一方面，在现有的通孔优先工艺中，在形成通孔的刻蚀期间，需要完全移除通孔底部的绝缘层。当后续移除阻障层时，若是位于通孔底部的绝缘层没有完全移除，则有可能无法完全露出金属层的表面，进而导致导电插塞的电阻值过高或是失效。为了避免此问题，在现有的通孔优先工艺中，通常会过度刻蚀绝缘层，以确保暴露出阻障层。然而，为了避免金属所造成的污染问题，在形成通孔的刻蚀期间，阻障层不可被刻蚀穿透。因此，刻蚀工艺的控制难度非常高。在装置微小化(即，阻障层的厚度变薄)时，刻蚀工艺的控制将更加困难。

因此，在本技术领域中，对于且具有高良率及高可靠度的半导体装置及其制造方法仍有所需求。

发明内容