專利名稱：具摻雜的銅內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)的制造方法，特別是涉及一種具摻雜的銅內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)的制造方法，用于防止銅氧化、光阻毒化、增加介電層之間的附著力(adhesion)并降低時(shí)間延遲效應(yīng)(RC delay effeet)。
然而，金屬銅非常容易氧化且擴(kuò)散系數(shù)高，與硅或二氧化硅接觸后會(huì)快速擴(kuò)散進(jìn)入基材而造成組件電性的不良影響。因此在公知技術(shù)的銅內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)的制造方法中，會(huì)在形成內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)前后，分別形成擴(kuò)散屏蔽層及保護(hù)層。為進(jìn)一步了解本發(fā)明的背景，以下參照

圖1a到1c說明公知技術(shù)形成銅內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)的制作過程剖面示意圖。
首先，請(qǐng)參照?qǐng)D1a，在一半導(dǎo)體基底100上形成一第一介電層102。接著，利用微影蝕刻技術(shù)在第一介電層102上形成一溝槽103。隨后，在溝槽103內(nèi)壁形成一擴(kuò)散屏蔽層104，例如氮化鈦(TiN)或氮化鉭(TaN)。
接下來，請(qǐng)參照?qǐng)D1b，在形成有屏蔽層104的溝槽103內(nèi)填入金屬銅106并在溝槽103上方及第一介電層102上形成一保護(hù)層108，例如氮化硅(SiN)或碳化硅(SiC)，以防止銅氧化并同時(shí)作為后續(xù)制作過程中的蝕刻終止層。
最后，請(qǐng)參照?qǐng)D1c，在保護(hù)層108上形成一第二介電層110以進(jìn)行后續(xù)的制作過程。由于第一及第二介電層102及110之間隔著保護(hù)層108，因此會(huì)使得組件整體的介電常數(shù)增加，也即增加組件的電容值導(dǎo)致時(shí)間延遲效應(yīng)上升且介電層102及110之間的附著性較差，易有漏電流產(chǎn)生。再者，在后續(xù)的制作過程中，此保護(hù)層108易有可能污染到第二介電層110進(jìn)而間接造成光阻毒化。
另外，為解決保護(hù)層108所造成的問題，臺(tái)灣專利的公告編號(hào)第426964號(hào)公開一種銅合金內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)制造方法，利用在純銅的上、下表面形成鄰接的銅合金層，再施以退火處理，以形成銅合金內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)，因而無需使用保護(hù)層以避免其造成的問題。然而，其制造方法中仍需形成擴(kuò)散屏蔽層及鄰接的銅合金層，制作過程較為復(fù)雜。
本發(fā)明另一目的在于提供一種具摻雜的銅內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)的制造方法，以簡(jiǎn)化制作過程并避免銅原子擴(kuò)散至介電層造成組件電特性的損害。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供一種具摻雜的銅內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)的制造方法，以具摻雜元素的金屬銅作為內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)材料，并再施加一退火處理，以使摻雜的元素?cái)U(kuò)散至金屬銅表面而形成具有保護(hù)層、蝕刻終止層及擴(kuò)散屏蔽層功效的氧化層?？捎行Ш?jiǎn)化制作過程、降低時(shí)間延遲效應(yīng)以及防止光阻毒化及組件特性下降。
一種具摻雜的銅內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)的制造方法，包括下列步驟在一半導(dǎo)體基底上形成一第一介電層，其中第一介電層具有溝槽或介層洞或雙鑲嵌結(jié)構(gòu)；在第一介電層上及溝槽或介層洞或雙鑲嵌結(jié)構(gòu)內(nèi)填入具有摻雜元素的金屬銅，以作為內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)；對(duì)金屬銅實(shí)施一退火處理，以在金屬銅表面形成一氧化層；以及蝕刻去除形成有氧化層的金屬銅至露出第一介電層表面，來在溝槽內(nèi)留下金屬銅，并同時(shí)在所述金屬銅表面上形成所述氧化層。
再者，在露出第一介電層表面后，還包括在第一介電層上及溝槽內(nèi)形成有氧化層的金屬銅上表面形成一第二介電層，以進(jìn)行后續(xù)的制作過程。其中，摻雜元素選自于鎂、銀、鈦、鋯、錫、鋅、碳中的至少一種，且氧化層是所述摻雜元素與氧所反應(yīng)形成。另外，所述退火處理系在氮?dú)馀c氫氣的成形氣體(forming gas)環(huán)境下進(jìn)行，且溫度及時(shí)間分別在150到450℃的范圍及30到120分鐘的范圍。
首先，請(qǐng)參照?qǐng)D2a，提供一半導(dǎo)體基底200，例如一硅晶圓，在基底200上形成有若干半導(dǎo)體組件，為簡(jiǎn)化，此處僅繪出一平整基底。接著，在半導(dǎo)體基底200上形成一第一介電層202，例如二氧化硅層或低介電常數(shù)材料層。隨后，利用公知微影蝕刻技術(shù)在第一介電層202上定義出一溝槽203并露出基底200表面。
接下來，圖2b，利用物理氣相沉積法(physical vapor deposition，PVD)，在第一介電層202上及溝槽203內(nèi)形成具有摻雜元素的金屬銅204，以作為內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)。在本實(shí)施例中，PVD所使用的靶材(target)為一銅合金靶，即銅靶材中摻雜有其它元素，例如選自于鎂(Mg)、銀(Ag)、鈦(Ti)、鋯(Zr)、錫(Sn)、鋅(Zn)、碳(C)等中至少一種。本實(shí)施例中，較佳的摻雜元素為鎂。另外，也可使用電鍍(plating)銅法取代所述PVD法，即將摻雜的元素置入電鍍液中以進(jìn)行電鍍。在形成具摻雜的金屬銅204之后，接著在氮?dú)饧皻錃獾某尚螝怏w(forming gas)的環(huán)境下以及溫度在150到450℃的范圍對(duì)金屬銅204實(shí)施一退火處理。其中，處理時(shí)間在30到120分鐘的范圍。
接下來，請(qǐng)參照?qǐng)D2c，經(jīng)過退火處理步驟之后的金屬銅204，其內(nèi)部所摻雜的元素除了會(huì)擴(kuò)散至表面并與周遭的氧反應(yīng)而形成一氧化層204a之外，金屬銅204內(nèi)部也有銅合金晶粒(grain)產(chǎn)生(未繪示)。如前所述，由于純銅非常容易氧化，且易擴(kuò)散至二氧化硅層或硅層，因此會(huì)在內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)制作過程中的銅層上方形成保護(hù)層，并同時(shí)作為蝕刻終止層，以及在與二氧化硅層或硅層接觸的地方形成擴(kuò)散屏蔽層。然而，在本實(shí)施例中，由于形成氧化層204a的緣故，其可取代所述的保護(hù)層及擴(kuò)散屏蔽層，因此具有此兩層原先的功效并簡(jiǎn)化了制作過程。另外，銅合金晶粒同時(shí)具有抗電子遷移(EM)的作用。
接下來，請(qǐng)參照?qǐng)D2d，利用化學(xué)機(jī)械研磨法(chemical mechanicpolishing，CMP)來去除形成有氧化層204a的金屬銅204直至露出第一介電層202表面，在溝槽203內(nèi)留下金屬銅204，并同時(shí)在所述金屬銅表面上形成氧化層204a。此時(shí)，氧化層204a也具有蝕刻終止層的作用而不影響到CMP制作過程的進(jìn)行，因此依據(jù)本發(fā)明的銅內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)的制造方法，無需額外形成蝕刻終止層。退火處理的步驟也可于化學(xué)機(jī)械研磨之后，其內(nèi)部所摻雜的元素，如圖2c所示，形成氧化保護(hù)層204a。相比于公知技術(shù)，不但簡(jiǎn)化了制作過程，同時(shí)可防止蝕刻終止層在后續(xù)制作過程造成光阻毒化及增加組件的電容值使得時(shí)間延遲效應(yīng)上升。最后，在露出的第一介電層202表面上及溝槽203內(nèi)形成有氧化層204a的金屬銅204上表面形成第二介電層206，以進(jìn)行后續(xù)的制作過程。此氧化層204a可以防止在沉積上層藉電層材料時(shí)對(duì)銅的化學(xué)反應(yīng)，例如氧化。此外，由于第二介電層206直接形成于第一介電層202上，不同于公知技術(shù)中隔著蝕刻終止層，因此附著性(adhesion)較佳，同時(shí)可改善漏電流的產(chǎn)生。
再者，相比于另一公知技術(shù)的使用銅合金作為內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)，本發(fā)明無需額外形成擴(kuò)散屏蔽層及鄰接的銅合金層，可有效簡(jiǎn)化制作過程。
另外，請(qǐng)參照?qǐng)D3，其繪示出純銅及摻雜鋯、鎂的金屬銅在經(jīng)過退火處理后，片電阻Rs的變化關(guān)系圖。由圖可知，使用具摻雜的銅作為內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)，在經(jīng)過退火處理后，片電阻會(huì)接近于純銅，因此不會(huì)對(duì)組件的電性造成不良影響。
所述實(shí)施例雖以在形成有溝槽的介電層作范例，然而可了解到在形成有介層洞(via hole)或雙鑲嵌結(jié)構(gòu)(dual damascene)的介電層也可使用本發(fā)明的內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)制造方法。
雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例公開如上，然其并非用于限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作更動(dòng)與潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種具摻雜的銅內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)的制造方法，包括下列步驟在一半導(dǎo)體基底上形成一第一介電層，其中所述第一介電層具有溝槽或介層洞或雙鑲嵌結(jié)構(gòu)；在所述第一介電層上及所述溝槽或所述介層洞或所述雙鑲嵌結(jié)構(gòu)內(nèi)填入具有摻雜元素的金屬銅，以作為內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)；對(duì)所述金屬銅實(shí)施一退火處理，以在所述金屬銅表面形成一氧化層；以及蝕刻去除形成有所述氧化層的金屬銅至露出所述第一介電層表面，來在所述溝槽內(nèi)留下所述金屬銅，并同時(shí)在所述金屬銅表面上形成所述氧化層。
2.如權(quán)利要求1所述的具摻雜的銅內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，在露出所述第一介電層表面后，還包括在所述第一介電層上及所述溝槽內(nèi)形成有所述氧化層的所述金屬銅上表面形成一第二介電層，以進(jìn)行后續(xù)的制作過程。
3.如權(quán)利要求1所述的具摻雜的銅內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述摻雜元素選擇于鎂、銀、鈦、鋯、錫、鋅、碳中至少一種。
4.如權(quán)利要求1所述的具摻雜的銅內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，形成所述金屬銅是利用物理氣相沉積法、電鍍銅法中中的一種。
5.如權(quán)利要求1所述的具摻雜的銅內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述退火處理的溫度在150到450℃的范圍。
6.如權(quán)利要求1所述的具摻雜的銅內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述退火處理的進(jìn)行時(shí)間在30到120分鐘的范圍。
7.如權(quán)利要求1所述的具摻雜的銅內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述退火處理在氮?dú)馀c氫氣的成形氣體環(huán)境下進(jìn)行。
8.如權(quán)利要求1所述的具摻雜的銅內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述氧化層作為擴(kuò)散屏蔽層。
9.如權(quán)利要求1所述的具摻雜的銅內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述氧化層作為蝕刻終止層。
10.如權(quán)利要求2所述的具摻雜的銅內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述氧化層是所述摻雜元素與氧所反應(yīng)形成。
11.一種具摻雜的銅內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)的制造方法，包括下列步驟在一基底上形成一第一介電層，其中，所述第一介電層具有溝槽或介層洞或雙鑲嵌結(jié)構(gòu)；利用物理氣相沉積法及電鍍銅法中的一種，在所述第一介電層上及所述溝槽或所述介層洞或所述雙鑲嵌結(jié)構(gòu)內(nèi)填入具有摻雜元素的金屬銅，以作為內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)，其中所述摻雜元素選自于鎂、銀、鈦、鋯、錫、鋅、碳中的至少一種；對(duì)所述金屬銅實(shí)施一退火處理，以在所述金屬銅表面形成一氧化層；蝕刻去除形成有所述氧化層的金屬銅至露出所述第一介電層表面，在所述溝槽內(nèi)留下所述金屬銅，并同時(shí)在所述金屬銅表面上形成所述氧化層；以及在所述第一介電層上及所述溝槽內(nèi)形成有所述氧化層的所述金屬銅上表面形成一第二介電層，以進(jìn)行后續(xù)的制作過程。
12.如權(quán)利要求11所述的具摻雜的銅內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述退火處理的溫度在150到450℃的范圍。
13.如權(quán)利要求11所述的具摻雜的銅內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述退火處理的進(jìn)行時(shí)間在30到120分鐘的范圍。
14.如權(quán)利要求11所述的具摻雜的銅內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述退火處理在氮?dú)馀c氫氣的成形氣體環(huán)境下進(jìn)行。
15.如權(quán)利要求11所述的具摻雜的銅內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述氧化層作為擴(kuò)散屏蔽層。
16.如權(quán)利要求11所述的具摻雜的銅內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述氧化層作為蝕刻終止層。
17.如權(quán)利要求11所述的具摻雜的銅內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述氧化層是所述摻雜元素與氧所反應(yīng)形成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具摻雜的銅內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)的制造方法，用于省去在銅內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)制造過程中額外形成的銅保護(hù)層或蝕刻終止層(etch stop layer)及擴(kuò)散屏蔽層(diffusion barrierlayer)。首先將摻雜有鎂、銀、鈦、鋯、錫、鋅、碳的至少一種元素的金屬銅填入溝槽或介層洞或雙鑲嵌結(jié)構(gòu)，以作為內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)(interconnect)。接著，對(duì)金屬銅實(shí)施一退火(anneal)處理，將摻雜元素?cái)U(kuò)散至金屬銅表面并形成一氧化層，來作為銅保護(hù)層、蝕刻終止層及擴(kuò)散屏蔽層，進(jìn)而防止金屬銅氧化、光阻毒化(poison)并簡(jiǎn)化制作過程步驟。
文檔編號(hào)H01L21/70GK1438691SQ02105018
公開日2003年8月27日 申請(qǐng)日期2002年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月10日
發(fā)明者黃震麟, 蔡明興, 眭曉林, 梁孟松 申請(qǐng)人:臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司