金屬內連線的製造方法
2023-09-18 08:31:55 4
專利名稱：金屬內連線的製造方法
技術領域：
本發明是有關於一種半導體工藝，且特別是有關於一種金屬內連線的製造方法。
雖然在集成電路工藝中，以鋁作為金屬導線的技術已經發展的相當成熟了，但是，在深次微米的半導體工藝中，常利用銅取代鋁製作內連線。這是由於銅具有電子遷移阻抗值為鋁的30至100倍、介層窗阻抗值降低10至20倍以及銅的電阻值比鋁低30％的特點。因此利用銅導線工藝配合使用低介電常數(Low K)材料的金屬間介電層(Inter-Metal Dielectrics)，可有效降低電阻電容延遲(RC Delay)以及增加抗電致遷移能力。
由於金屬銅不容易被蝕刻，因此銅工藝中的金屬導線大多都以金屬鑲嵌(Damascene)的技術來製作，也就是先形成介電層之後，圖案化介電層以形成暴露欲連接導線的區域的金屬鑲嵌開口，然後在此金屬鑲嵌開口中形成一層阻障層，再形成一層金屬銅層以填滿金屬鑲嵌開口。然後，利用化學機械研磨法(Chemical Mechanical Polishing)移除金屬鑲嵌開口以外的多餘金屬銅層，以完成金屬鑲嵌結構。
然而，在上述的金屬鑲嵌結構工藝中，從金屬銅沉積工藝後到化學機械研磨工藝前，金屬銅層會一直氧化，而造成金屬銅層的電阻會提高，導致所謂內連線效能降低的問題。
本發明提出一種金屬內連線的製造方法，此方法是在基底上形成一層介電層，並在介電層中形成一開口。然後，在基底上形成一層金屬層以填滿開口。接著，以電化學法於金屬層的表面形成一保護層後，移除開口以外的保護層與金屬層，以完成金屬內連線工藝。
本發明是在金屬銅層沉積後，以電化學法在金屬銅層表面形成一層化學性質比金屬銅層穩定的氧化亞銅保護層，可以防止金屬銅層持續氧化，使金屬內連線維持一定的效能，並且能夠延長金屬銅層沉積後至化學機械研磨前的等待時間(Q-time)。
圖2為本發明實施例所使用的電鍍裝置示意圖。
附圖標記說明100基底 102介電層
104開口 106阻障層108金屬層110保護層200電鍍槽201晶元202工作電極 204參考電極206指示電極 208電源供給裝置為了更加清楚的說明本發明所說明的金屬內連線的製造方法，請依照
圖1A至圖1C說明本發明。
首先，請參照圖1A，提供一基底100，此基底100例如是矽基底，且此基底100可為已經形成有半導體元件(未繪示於圖中)，或甚至是已經形成部分金屬導線結構(未繪示於圖中)的半導體晶元。
接著，在此基底100上形成一層介電層102，其中此介電層102的材料例如是氧化矽、低介電常數材料(Low K)、或其它具有介電特性的材料，形成介電層102的方法例如是化學氣相沉積法或旋轉塗布法。
然後，移除部分的介電層102，以在介電層102中形成開口104，且開口104暴露基底100的部分表面。此部分表面為欲與導線接觸的區域，例如是基底100中的元件或是部分的導線接點。其中，開口104例如為一欲形成雙重金屬鑲嵌結構的金屬鑲嵌開口或是欲形成金屬導線的溝渠(Trench)，或者為一欲形成插塞(Plug)的介層窗(Via)開口或接觸窗(Contact)開口或任何欲形成鑲嵌結構的開口(圖式中僅以金屬鑲嵌開口表示)。形成開口104的方法例如是微影蝕刻技術。
接著，請參照圖1B，在基底100上形成一層阻障層106，此阻障層106共形於開口104的表面並覆蓋於介電層102上。阻障層106的材料例如是氮化鉭(TaN)、氮化鈦或者鈦矽氮化物。形成阻障層106的方法例如是先以磁控DC濺鍍的方式，在晶元表面沉積一層鉭金屬，然後將此晶元置於含氮氣或氨氣的環境中由高溫將鉭氮化成氮化鉭的氮化反應法(Nitridation)。或使用金屬靶成分為鉭，利用氬氣與氮氣所混合的反應氣體，經由離子轟擊而濺出的鉭，將與等離子體內因解離反應所形成的氮原子形成氮化鉭並沉積在晶元表面的反應性濺鍍法(Sputtering)。
接著，請參照圖1C，形成一層金屬層108在阻障層106上，並填滿開口104。形成金屬層108的方法例如是物理氣相沉積法(PhysicalVapor Deposition，PVD)、化學氣相沉積法或濺鍍法。此金屬層108的材料例如是金屬銅。
接著，在金屬層108的表面形成一層保護層110，保護層110的材料例如是氧化亞銅(Cu2O)，形成保護層110的方法例如是電化學法。由於金屬層108會一直氧化，而造成金屬層108的電阻會提高，導致內連線的效能降低，因此由電化學法於金屬層108的表面形成一層穩定的保護層110，防止金屬層108持續氧化，可以延長提高金屬層108沉積後至化學機械研磨前的等待時間(Q-time)。
然後，進行化學機械研磨工藝，移除開口104以外的保護層110、部分金屬層108與阻障層106，完成金屬內連線的工藝，此工藝為熟悉此技術者所周知，在此不再贅述。
接著請參照圖2所繪示的電鍍裝置圖以詳細地說明本發明以電化學法於金屬銅層上形成氧化亞銅(Cu2O)保護層的例子。
將已沉積金屬銅層的晶元201接上工作電極(WorkingElectrode)202後，將接上晶元201的工作電極202、參考電極(ReferenceElectrode)204、指示電極(Counter electrode)206一起放入電鍍槽200中。然後，利用電源供給裝置208給予工作電極202例如-250mV左右的操作電壓，使金屬銅層的表面形成一層較穩定的氧化亞銅層(Cu2O)。其中電鍍槽200中的電鍍液配方例如是0.1M磷酸氫鈉(Na2HPO4)/10％甲醇(CH3OH)的混合溶液，酸鹼值(pH值)為7至9左右。由於氧化銅層的化學性質比金屬銅穩定，可以保護金屬銅層，使金屬銅層不會與空氣接觸，因此能夠防止金屬層銅持續氧化，可以延長金屬銅層沉積後至化學機械研磨前的等待時間(Q-time)。
依照本發明實施例所述，在金屬層沉積後，以電化學法於金屬層表面形成一層化學性質較金屬層穩定的保護層，可以防止金屬層持續氧化，使金屬內連線維持一定的效能，並且能夠延長金屬層沉積後至化學機械研磨前的等待時間(Q-time)。
在本發明的實施例中，是以金屬銅為例做說明，當然本方法也可以適用於各種易氧化的金屬材料等。
綜上所述，雖然本發明已以實施例說明如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此技術者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當以權利要求書為準。
權利要求
1.一種金屬內連線的製造方法，其特徵為該方法包括提供一基底，該基底上具有一介電層；在該介電層中形成一開口；在該基底上形成一金屬層以填滿該開口；在該金屬層的表面形成一保護層；以及移除該開口以外的該保護層與該金屬層。
2.如權利要求1所述的金屬內連線的製造方法，其特徵為該開口包括一雙重金屬鑲嵌開口。
3.如權利要求1所述的金屬內連線的製造方法，其特徵為該開口包括一欲形成金屬導線的溝渠。
4.如權利要求1所述的金屬內連線的製造方法，其特徵為該開口包括一欲形成插塞的介層窗開口。
5.如權利要求1所述的金屬內連線的製造方法，其特徵為該開口包括一接觸窗開口。
6.如權利要求1所述的金屬內連線的製造方法，其特徵為該開口包括一欲形成鑲嵌結構的開口。
7.如權利要求1所述的金屬內連線的製造方法，其特徵為該金屬層的材料包括銅。
8.如權利要求7所述的金屬內連線的製造方法，其特徵為該保護層的材料包括氧化亞銅。
9.如權利要求8所述的金屬內連線的製造方法，其特徵為以電化學法在該金屬層的表面形成該保護層，且使用的一電鍍液包括0.1M磷酸氫鈉(Na2HPO4)/10％甲醇(CH3OH)的混合溶液。
10.如權利要求9所述的金屬內連線的製造方法，其特徵為該電鍍液的酸鹼值為在pH7至pH9左右。
11.如權利要求1所述的金屬內連線的製造方法，其特徵為在該介電層中形成該開口的步驟後與在該基底上形成該金屬層以填滿該開口的步驟前還包括形成共形該開口的一阻障層。
12.一種金屬內連線的製造方法，其特徵為該方法包括提供一基底，該基底上具有一介電層；在該介電層中形成一開口；在該基底上形成一金屬銅層以填滿該開口；在該金屬銅層的表面形成一氧化亞銅保護層；以及移除該開口以外的該氧化亞銅保護層與該金屬銅層。
13.如權利要求12所述的金屬內連線的製造方法，其特徵為該開口包括一雙重金屬鑲嵌開口。
14.如權利要求12所述的金屬內連線的製造方法，其特徵為該開口包括一欲形成金屬導線的溝渠。
15.如權利要求12所述的金屬內連線的製造方法，其特徵為該開口包括一欲形成插塞的介層窗開口。
16.如權利要求12所述的金屬內連線的製造方法，其特徵為該開口包括一接觸窗開口。
17.如權利要求12所述的金屬內連線的製造方法，其特徵為該開口包括一欲形成鑲嵌結構的開口。
18.如權利要求12所述的金屬內連線的製造方法，其特徵為形成該氧化亞銅保護層的方法包括電化學法。
19.如權利要求18所述的金屬內連線的製造方法，其特徵為電化學法所使用的一電鍍液包括0.1M磷酸氫鈉(Na2HPO4)/10％甲醇(CH3OH)的混合溶液。
20.如權利要求19所述的金屬內連線的製造方法，其特徵為該電鍍液的酸鹼值為pH7至pH9左右。
全文摘要
一種金屬內連線的製造方法，此方法是在基底上形成一層介電層，並在介電層中形成一開口。然後，在基底上形成一層金屬層以填滿開口。接著，以電化學法在金屬層的表面形成一保護層後，移除開口以外的保護層與金屬層，以完成金屬內連線工藝。由於保護層比金屬層穩定，可防止金屬層繼續氧化，因此能夠延長金屬層沉積後至化學機械研磨前的等候時間(Queue time，Q－time)。
文檔編號H01L21/70GK1421916SQ0114003
公開日2003年6月4日 申請日期2001年11月22日 優先權日2001年11月22日
發明者鄭志賢 申請人:旺宏電子股份有限公司