在半導體元件中形成銅接觸的方法
2023-09-15 17:59:35 4
專利名稱：在半導體元件中形成銅接觸的方法
技術領域：
本發明是有關於一種半導體元件與其形成方法，且特別有關於一種清潔方法與結構，以提供低接觸電阻。
背景技術：
半導體元件中常使用銅作為導電內連線材料，因為它可提供快速的速度；但銅難以被圖案化，因此常利用鑲嵌製程技術形成銅內連線，此技術是先在介電質中形成開口，再將銅沉積於開口內與介電質上，接著利用研磨/平坦化製程將介電質上的銅移除，以留下開口中鑲嵌的銅，且此鑲嵌銅的上表面與介電質的上表面共平面。銅內連線技術的缺點是暴露的銅表面很容易被氧化，因此，現有製程技術在銅表面經研磨而形成後，就會接著執行保護或其它抗氧化處理來避免銅的氧化，但研磨後用來保護銅表面的材料常會與銅表面上的其它物質作用而形成汙染。
在銅表面上形成上方介電質與其它選擇性材料後，再於上方介電質中蝕刻出開口以露出銅表面，以作為與銅表面的接觸洞。蝕刻停止層可選擇性形成於經研磨表面與其上方的介電質間，在沉積此蝕刻停止層時，有機矽酸鹽(SiOCH)汙染會形成在蝕刻停止層與經保護銅表面的界面上，因為在蝕刻停止層一開始沉積所使用的SiC會與銅的抗腐蝕保護表面作用形成有機矽酸鹽；若未使用蝕刻停止層，汙染還是會在剛開始沉積介電質時形成。接下來對介電質與蝕刻停止層進行蝕刻，以露出部分銅表面形成接觸洞，不論在銅表面上接續形成哪些層，如選擇性蝕刻停止層與/或介電層，都會再利用等離子製程蝕刻出開口以露出銅表面，而這會產生蝕刻殘留物與副產物，使暴露銅表面的品質降低且使銅的電阻提高，所必須解決蝕刻處理後的銅表面完整度的問題，其中蝕刻殘留物常為聚合物且難以移除。
蝕刻殘留聚合物與副產物包括氟、碳、銅與其它物質的多種組合，在半導體製造工藝中，常使用H2等離子來移除因蝕刻停止層或介電質沉積或是在蝕刻處理露出銅表面時所產生的聚合副產物與殘留物，然而氫等離子對等離子反應室的條件相當敏感，所以難以使每批貨都達到一致的再現性。與銅表面接觸的介層洞的阻值因氫等離子的清潔程度而異，且很容易隨反應室條件而改變且不穩定，所以當利用氫等離子用來做清潔處理時，尚需要執行進一步的清潔處理。
業界急需提出一種耐用的清潔程序，以確保在銅表面的清潔，以降低介層洞的電阻。
發明內容
為解決這些與其它需求，本發明提供一種在半導體元件中形成銅接觸的方法，包括以抗腐蝕溶劑處理銅表面；形成介電層於銅表面上；蝕刻開口穿過介電層且露出銅表面；以及以等離子進行清潔，等離子包括等離子氣體，等離子氣體包括氫氣與具有原子量為15或以上的添加物，該添加物佔該等離子氣體的體積約3～10％。
本發明尚提供一種在半導體元件中形成銅接觸的方法，包括以抗腐蝕溶劑對銅表面進行處理；形成介電層於銅表面上；蝕刻開口穿過介電層且露出銅表面；以及以等離子進行清潔，等離子包括氮與氫，氮佔等離子體積的約3～10％。
本發明是這樣實現的
本發明提供一種在半導體元件中形成銅接觸的方法，所述在半導體元件中形成銅接觸的方法包括以一抗腐蝕溶劑對一銅表面進行處理；形成一介電層於該銅表面上；蝕刻一開口穿過該介電層且露出該銅表面；以及以一等離子進行清潔，該等離子包括(1)氫與(2)氮或原子量為15以上的添加物，其中氮或該添加物佔該等離子體積的約3～10％。
本發明所述的在半導體元件中形成銅接觸的方法，該抗腐蝕溶劑包括苯並三唑。
本發明所述的在半導體元件中形成銅接觸的方法，尚包括在該處理後形成一蝕刻停止層於該銅表面與該介電層間，且其中該蝕刻尚穿過該蝕刻停止層，該蝕刻停止層的形成會於該銅表面上產生一汙染，且該清潔是將該汙染移除。
本發明所述的在半導體元件中形成銅接觸的方法，該銅表面是經過化學機械研磨。
本發明所述的在半導體元件中形成銅接觸的方法，該開口包括一介層洞。
本發明所述的在半導體元件中形成銅接觸的方法，該開口包括一雙鑲嵌開口，且該銅表面為形成於一下方介電材料中的另一開口裡的銅材料的一上表面。
本發明所述的在半導體元件中形成銅接觸的方法，該蝕刻停止層是以碳化矽或氮化矽形成。
本發明所述的在半導體元件中形成銅接觸的方法，該清潔是於壓力約60mTorr，且功率約為150～400瓦下執行。
本發明所述的在半導體元件中形成銅接觸的方法，該清潔包括約20sccm的氮氣流與約400sccm的氫氣流。
本發明所述的在半導體元件中形成銅接觸的方法，尚包括形成一導電材料於該開口中與該銅表面接觸。
本發明所述的在半導體元件中形成銅接觸的方法，該蝕刻包括等離子蝕刻。
本發明所述的在半導體元件中形成銅接觸的方法，該蝕刻包括等離子蝕刻且產生一蝕刻殘留聚合物於該銅表面上，且該清潔是移除該蝕刻殘留聚合物。
本發明所述的在半導體元件中形成銅接觸的方法，可確保在銅表面的清潔，以降低介層洞的電阻。
圖1為一剖面圖，顯示鑲嵌於介電質中的銅結構；圖2為一剖面圖，顯示在圖1的結構上形成蝕刻停止層與介電質後的結構；圖3為一剖面圖，顯示在圖2的結構中形成開口以露出銅表面的結構；圖4為一剖面圖，顯示在圖3的開口中填充導電材料的結構。
具體實施例方式
圖1為一剖面圖，顯示利用鑲嵌製程技術將銅結構2鑲在介電質4中的結構，可利用研磨處理如化學機械研磨形成此結構，以使銅結構2的上表面6與介電質4的上表面8共平面，其中介電質4可為半導體製造中任何適用的介電質，包括低介電常數材料與許多氧化物與氮氧化物。在如圖1所示的結構形成後，銅結構2的上表面6可利用一般技術加以保護，如利用現有的保護製程方法以抗腐蝕溶劑，如苯並三唑(benzotriazole，BTA)，進行處理，且也可用在其它實施例中使用其它抗腐蝕溶劑與其它保護技術，甚至可不作任何保護處理。
圖2為圖1利用現有方式在上表面6與8上形成選擇性(optional)蝕刻停止層10與上方介電質12的結構，可利用化學氣相沉積(CVD)或其它形成技術形成選擇性蝕刻停止層10與上方介電質12，上方介電層12可為任何可適用的介電質，如氧化矽、氮氧化矽、氮化矽或低介電常數材料，而蝕刻停止層10的蝕刻特性與上方介電質12不同，蝕刻停止層10較上方介電質12難以被蝕刻。在一實施例中，蝕刻停止層10為碳化矽，且也可在其它實施例中使用其它材料如氮化矽。在某些形成蝕刻停止層10的實施例裡，會在銅的上表面與蝕刻停止層10間的界面14形成有機矽酸鹽(SiOCH)物質；在未使用蝕刻停止層10的實施例中，在形成上方介電質12時，依然會有其它汙染物質形成。在上述各實施例中，汙染物質可能為保護銅表面的物質與介電層12或蝕刻停止層10反應的產物。
接著利用現有技術在上方介電質12上形成光致抗蝕劑膜16，且使銅結構2的上表面6與開口18對準，然後再利用現有蝕刻技術形成開口以露出上表面6，以提供電性接觸。
圖3為圖2利用現有等離子蝕刻處理或連續的等離子處理對上方介電質12與選擇性蝕刻停止層10進行蝕刻，以露出銅結構2的部分上表面6，且移除圖2中的光致抗蝕劑膜的結構圖，其中開口20是通過等離子蝕刻形成，且常會在上表面6上形成聚合殘留物質與蝕刻副產物物質，且這些物質會增加接觸電阻，其中聚合殘留物質與蝕刻副產物物質包括氟、碳、銅與其它物質所形成的組合，如會形成CFx化合物。開口20可為一單純的介層洞或是單鑲嵌結構或雙鑲嵌溝槽，且在其它實施例中也可形成其它開口，以露出銅結構2的上表面6。
通過蝕刻處理而形成圖3的結構後，本發明提供一種清潔處理，以有效地將殘留物與副產物從開口20與上表面5移除，此清潔處理可有效地將形成於界面14與上表面6上的有機矽酸鹽(SiOCH)除，也可將蝕刻殘留物與副產物如CFx與其它包括氟、碳、銅或其它物質移除，此清潔程序為一等離子清潔處理，其包括氫與原子量15以上的微量氣體，在一實施例中，微量氣體為氮氣，且在其它實施例中也可使用其它合適的微量氣體，如使用體積比為10∶1～50∶1的氫氣與微量氣體，而在其它實施例中也可使用其它比例的混合氣體，而微量氣體約佔等離子氣體的體積約2～10％或3～10％，且可利用原子量為15或更大的元素在清潔操作中產生濺擊，在一實施例中，清潔處理包括20∶1的氫與氮，如在壓力為60mTorr、電源功率為400瓦且偏壓功率為150瓦的誘導偶合等離子中使用400sccm的H2與20sccm的N2氣體流，或是使用10～200mTorr的清潔反應室壓力，或使用100～2000瓦的功率來執行清潔處理，由於濺擊現象是與微量氣體相關，所以清潔處理對清潔反應室的條件不會太過敏感。
在經過等離子清潔處理之後，接著於開口20中形成導電材料，以與經清潔處理過的上表面6接觸，圖4顯示圖3開口20在填充導電材料22後的剖面圖，其中導電材料22為銅或其它合適的導電材料，且其上表面24與上方介電質12的上表面26共平面，此結構可由鑲嵌製程技術中的研磨處理所形成，但在其它實施例中也可使用其它方法形成此結構。
以上僅為說明本發明的實施方式，本領域技術人員可以根據本發明的精神與範圍設計出許多不同的方式，再者，上述所有的例子與條件都只是用以解說，以使讀者了解本發明與本發明的貢獻，並非用以限定本發明，且可利用等效的結構與功能完成的本發明的重點、特點與實施例，且等效的結構與功能包括現行與未來的等效結構與功能，就是無論其結構，只要是可執行相同功能的元件皆屬本發明的範圍。
本發明的實施例請與附圖一起配合閱讀，在敘述中所使用的相對性用詞，如「較低」、「較上」、「水平」、「垂直」、「以上」、「以下」、「上」、「下」、「頂」、「底」等可參閱所敘述所指的方向或圖示，這些相對性用詞是為了描述方便且並不需確實以此方向建構。
以上所述僅為本發明較佳實施例，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟悉本項技術的人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，可在此基礎上做進一步的改進和變化，因此本發明的保護範圍當以本申請的權利要求書所界定的範圍為準。
附圖中符號的簡單說明如下2銅結構4介電質6銅結構的上表面8介電質的上表面10蝕刻停止層12上方介電質14界面16光致抗蝕劑膜18、20開口22導電材料24導電材料的上表面26上方介電質的上表面
權利要求
1.一種在半導體元件中形成銅接觸的方法，其特徵在於所述在半導體元件中形成銅接觸的方法包括以一抗腐蝕溶劑對一銅表面進行處理；形成一介電層於該銅表面上；蝕刻一開口穿過該介電層且露出該銅表面；以及以一等離子進行清潔，該等離子包括(1)氫與(2)氮或原子量為15以上的添加物，其中氮或該添加物佔該等離子體積的3～10％。
2.根據權利要求1所述的在半導體元件中形成銅接觸的方法，其特徵在於該抗腐蝕溶劑包括苯並三唑。
3.根據權利要求1所述的在半導體元件中形成銅接觸的方法，其特徵在於尚包括在該處理後形成一蝕刻停止層於該銅表面與該介電層間，且其中該蝕刻尚穿過該蝕刻停止層，該蝕刻停止層的形成會於該銅表面上產生一汙染，且該清潔是將該汙染移除。
4.根據權利要求1所述的在半導體元件中形成銅接觸的方法，其特徵在於該銅表面是經過化學機械研磨。
5.根據權利要求1所述的在半導體元件中形成銅接觸的方法，其特徵在於該開口包括一介層洞。
6.根據權利要求1所述的在半導體元件中形成銅接觸的方法，其特徵在於該開口包括一雙鑲嵌開口，且該銅表面為形成於一下方介電材料中的另一開口裡的銅材料的一上表面。
7.根據權利要求3所述的在半導體元件中形成銅接觸的方法，其特徵在於該蝕刻停止層是以碳化矽或氮化矽形成。
8.根據權利要求1所述的在半導體元件中形成銅接觸的方法，其特徵在於該清潔是於壓力60mTorr，且功率為150～400瓦下執行。
9.根據權利要求1所述的在半導體元件中形成銅接觸的方法，其特徵在於該清潔包括20sccm的氮氣流與400sccm的氫氣流。
10.根據權利要求1所述的在半導體元件中形成銅接觸的方法，其特徵在於尚包括形成一導電材料於該開口中與該銅表面接觸。
11.根據權利要求1所述的在半導體元件中形成銅接觸的方法，其特徵在於該蝕刻包括等離子蝕刻。
12.根據權利要求11所述的在半導體元件中形成銅接觸的方法，其特徵在於該蝕刻包括等離子蝕刻且產生一蝕刻殘留聚合物於該銅表面上，且該清潔是移除該蝕刻殘留聚合物。
全文摘要
本發明提供一種在半導體元件中形成銅接觸的方法，具體為一種利用氫等離子與微量氣體添加物作蝕刻後銅清潔的方法，以清潔因蝕刻而使銅暴露的表面，其中微量氣體添加物約佔等離子體積的3～10％，且可為氮氣或其它原子量為15以上的物質。微量氣體添加物可為等離子清潔中的濺擊物質，來移除蝕刻時的高分子副產物或沉積介電材料或蝕刻停止層時所形成的副產物與其它殘留物。在形成介電材料與蝕刻停止層前，可利用抗腐蝕溶劑來保護銅表面。本發明所述的在半導體元件中形成銅接觸的方法，可確保在銅表面的清潔，以降低介層洞的電阻。
文檔編號H01L21/3213GK1819139SQ20051009016
公開日2006年8月16日 申請日期2005年8月11日 優先權日2005年2月8日
發明者蔡震南, 許妙如, 陶宏遠 申請人:臺灣積體電路製造股份有限公司