一種利用銅選擇性澱積的大馬士革工藝的製作方法

2023-04-27 13:35:56

專利名稱：一種利用銅選擇性澱積的大馬士革工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體製造工藝領域，尤其是有關一種在半導體表面利用銅選擇性澱積的大馬士革工藝。
背景技術：
隨著集成電路製造技術的不斷發展，半導體晶片的特徵線寬不斷縮小，目前先進的CMOS生產工藝已經達到0.13um的水平。同時，隨著晶片內的電晶體數不斷增加，功能越來越強，晶片的金屬連線在越來越細的同時，層次越來越多。這就便利由連線電阻和連線間介質層電容產生的RC延遲對晶片速度的影響越來越大，甚至超過了決定電晶體本身速度的柵延遲。因此，設法減少連線電阻及降低連線間電容，已成為進一步提高晶片速度的關鍵。
長期以來，鋁一直是主要的連線材料。在一般的亞微米及深亞微米技術中，澱積的鋁膜經過光刻、刻蝕後形成的鋁條組成了同一層的金屬布線。相鄰兩層的鋁條，則由填充鎢的通孔連接。在130nm及以下的半導體工藝中，為降低電阻-電容延遲(RC delay)，銅將完全取代鋁而成為半導體元件中互連線的導電材料。與鋁相比，銅的電阻係數小，熔點高，抗電致遷移(anti electromigration)能力強，且能承載更高的電流密度。因為可做得更細，採用銅製程還可降低電容和功耗(power dissipation)，並可提高元件的封裝密度(packing density)。
因銅難以被刻蝕，大馬士革(damascene)工藝在銅製程中被普遍使用先在介電層上開出互連線溝槽和栓塞孔，通過電鍍(electroplating)或化學鍍使銅在開槽處澱積銅，再利用化學機械拋光(CMP)將過填的銅磨去。為防止銅向介電材料的擴散，所以在採用銅連線技術時，在銅和介電材料如二氧化矽(SiO2)之間，需要澱積一層導電性能好的擴散阻擋層(diffusion barrier)以防止銅向介質中的擴散造成元件短路和漏電。阻擋層同時能提高銅與介電材料的附著力。
在現有技術的銅澱積工藝中，一般採用如下步驟，請參閱圖1所示，第一步，先澱積介電層，接著澱積一層刻蝕終止層或/和一層CMP終止層，如氮化矽(SiN)或碳氧化矽(SiCO)；第二步，對澱積的介電層進行刻蝕，開出連線溝槽和栓塞孔；第三步，通過物理氣相沉澱(physical vapordeposition，PVD)澱積擴散阻擋層(diffusion barrier)和銅籽晶層(CuSeed)；第四步，通過電鍍(electroplating)或化學鍍(chemical plating)進行銅澱積；第五步，過填的銅和未開槽區域的銅籽晶及擴散阻擋層用CMP的方法去除和平整。
然而，在現有的後道大馬士革工藝中，由於銅澱積無選擇性，除連線溝槽和栓塞孔必須被填滿外，在未開槽區也會澱積上很厚的主體銅。這部分未開槽區的主體銅及銅籽晶層和擴散阻擋層在接下來的CMP過程中必須通過過磨(over-polishing)以保證它們乾淨徹底的除去。銅連線表面的凹陷(dishing)也因過磨而無法避免。一般通過CMP工藝參數調節，甚至是CMP研磨液，研磨墊的調整，能在一定程度上改善銅凹陷。但往往也會帶來金屬殘餘，研磨速率下降等副面作用。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種利用銅選擇性澱積的大馬士革工藝，其僅在介電層的連線溝槽和栓塞孔上進行銅澱積，從而避免在後道工藝中銅過磨所造成的凹陷。
本發明的目的是這樣實現的一種利用銅選擇性澱積的大馬士革工藝，其特徵在於在澱積擴散阻擋層和銅籽晶層後包括以下步驟，首先，澱積易揮發或可溼法去除的有機材料；接著，將過填的材料和未開槽區域的銅籽晶層及擴散阻擋層去除；然後，去除上述有機材料；然後，在溝槽及栓塞孔中進行銅澱積；最後，對突起的銅進行去除。
本發明還具有以下特徵所述有機材料為旋塗抗反射層；所述將過填的材料和未開槽區域的銅籽晶層及擴散阻擋層去除使用化學機械研磨方式去除；所述去除有機材料使用烘烤揮發或溼法去除；所述銅澱積使用化學方法澱積；所述對突起的銅使用高選擇性的銅化學機械研磨液進行化學機械研磨去除。
與現有技術相比，本發明的有益效果是由於在銅澱積之前，回填一種有機材料以保護開槽處的銅籽晶層和擴散阻擋層，再利用CMP磨去除過填的有機材料及未開槽區域銅晶種層和阻擋層，清除開槽處的有機材料。在隨後的銅澱積工藝中，因為未開槽區域沒有銅籽晶層，銅只會選擇性地在開槽處澱積。這樣大大減小了接下來的銅的化學機械拋光(CMP)的研磨量和所需的機械強度，且無需過研磨。從而使CMP後銅的凹陷最小化，並使表面平坦度得到提高。研磨量的減少和CMP機械強度的降低還會使與CMP相關的缺陷下降。


圖1為現有技術的銅澱積的大馬士革工藝的流程圖，其使用圖形的方式顯示現有技術中大馬士革工藝的工藝流程及在各個工藝流程之後的產品示意圖。
圖2為本發明的一種利用銅選擇性澱積的大馬士革工藝的流程圖，其使用圖形的方式顯示本發明的一種利用銅選擇性澱積的大馬士革工藝的工藝流程圖及在各個工藝之後的產品示意圖，因為前三個步驟與現有技術相同，在本圖中僅顯示第四步至第八步的圖示。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述。
請參閱圖2所示，其使用圖形的方式顯示本發明的一種利用銅選擇性澱積的大馬士革工藝的工藝流程圖及在各個工藝之後的產品示意圖。首先，與現有技術中的步驟一樣，先澱積介電層，接著澱積一層刻蝕終止層或/和一層CMP終止層，如氮化矽(SiN)或碳氧化矽(SiCO)；第二步，對澱積的介電層進行刻蝕，開出連線溝槽和栓塞孔；第三步，通過物理氣相沉澱(physical vapor deposition，PVD)澱積擴散阻擋層(diffusion barrier)和銅籽晶層(Cu Seed)；第四步的工藝與現有技術不同，其在上述擴散阻擋層與銅籽晶層之上再澱積易揮發或可溼法清除的有機材料，這種材料經烘烤後要有一定的機械強度，可經受至少低強度的研磨，在本實施例中，上述有機材料為旋塗(Spin-on)抗反射層(Barc)；第五步，過填的有機材料(在本實施例中為Barc)和未開槽區域的銅籽晶及擴散阻擋層用化學機械研磨(CMP)方法去除，在此步要將未開槽區域的銅籽晶和阻擋層的完全清除；第六步，通過烘烤揮發或溼法去除方式將在連線溝槽和栓塞孔中的有機材料去除；第七步，即通過化學方法進行銅澱積，因此只連線溝槽及栓塞孔處具有擴散阻擋層及銅籽晶層，所以銅只澱積在上述連線溝槽和銅籽晶層中；第八步，最後利用高選擇性的銅化學機械研磨液(Cu CMPslurry)，對第7步澱積後突起的銅進行研磨，使之平坦，因為無需過磨，所以可使銅的凹陷最小化。
綜上所述，本發明完成了發明人的發明目的，通過在銅澱積之前，回填一種有機材料以保護開槽處的銅籽晶層和擴散阻擋層，再利用CMP磨去除未開槽區域過填的有機材料及銅晶種層和阻擋層，清除開槽處的有機材料。在隨後的銅澱積工藝中，因為未開槽區域沒有銅籽晶層，銅只會選擇性地在開槽處澱積。這樣大大減小了接下來的銅的化學機械拋光(CMP)的研磨量和所需的機械強度，且無需過研磨。從而使CMP後銅的凹陷最小化，並使表面平坦度得到提高。研磨量的減少和CMP機械強度的降低還會使與CMP相關的缺陷下降。
權利要求
1.一種利用銅選擇性澱積的大馬士革工藝，其特徵在於在澱積擴散阻擋層和銅籽晶層後包括以下步驟，首先，澱積易揮發或可溼法去除的有機材料；接著，將過填的材料和未開槽區域的銅籽晶層及擴散阻擋層去除；然後，去除上述有機材料；然後，在溝槽及栓塞孔中進行銅澱積；最後，對突起的銅進行去除。
2.如權利要求1所述的利用銅選擇性澱積的大馬士革工藝，其特徵在於在澱積擴散阻擋層和銅籽晶層前還具有澱積介電層和刻蝕終止層/CMP終止層的步驟及對澱積的介電層進行刻蝕的步驟。
3.如權利要求1所述的利用銅選擇性澱積的大馬士革工藝，其特徵在於所述有機材料為旋塗抗反射層。
4.如權利要求1所述的利用銅選擇性澱積的大馬士革工藝，其特徵在於所述將過填的材料和未開槽區域的銅籽晶層及擴散阻擋層去除使用化學機械拋光方式去除。
5.如權利要求1所述的利用銅選擇性澱積的大馬士革工藝，其特徵在於所述去除有機材料使用烘烤揮發或溼法去除。
6.如權利要求1所述的利用銅選擇性澱積的大馬士革工藝，其特徵在於所述銅澱積使用化學方法澱積。
7.如權利要求1所述的利用銅選擇性澱積的大馬士革工藝，其特徵在於所述對突起的銅進行去除使用化學機械拋光方式去除。
8.如權利要求7所述的利用銅選擇性澱積的大馬士革工藝，其特徵在於所述化學機械拋光時使用高選擇性的銅化學機械研磨液。
全文摘要
本發明有關一種利用銅選擇性澱積的大馬士革工藝，在澱積擴散阻擋層和銅籽晶層後包括以下步驟，首先，澱積易揮發或可溼法去除的有機材料；接著，將過填的材料和未開槽區域的銅籽晶層及擴散阻擋層去除；然後，去除上述有機材料；然後，在溝槽及栓塞孔中進行銅澱積；最後，對突起的銅進行去除。由於採用本方法，大大減小了銅的化學機械拋光(CMP)的研磨量和所需的機械強度，且無需過研磨。從而使CMP後銅的凹陷最小化，並使表面平坦度得到提高。研磨量的減少和CMP機械強度的降低還會使與CMP相關的缺陷下降。
文檔編號H01L21/02GK1855420SQ20051002545
公開日2006年11月1日 申請日期2005年4月27日 優先權日2005年4月27日
發明者方精訓, 繆炳有, 朱駿, 朱建軍 申請人:上海華虹Nec電子有限公司