TW200411750A - Method of manufacturing a semiconductor device - Google Patents

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TW200411750A
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Yuji Segawa
Takeshi Nogami
Hiroshi Horikoshi
Naoki Komai
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Sony Corp
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Description

200411750 玫、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於-種採用含銅的金屬配線之半事 的製造方法，尤為特別者，係且備防 你，、1们万止銅擴散至層間絕緣 月吴寺機能之半導體裝置的製造方法。 【先前技術】 ❹圓上形成高密度集成電路之細微配線 才料，係採用銘系合金。然而，為了再提昇半導體裝置的 速度，、必須採用比電阻更低的配線材料，此類材料可例舉 如銅或銀寺―。尤其是銅材料，其比電阻係低至U叩⑽， =助於半導體裝置的高速化，因抗電致遷移性較銘系合金 尚了一級（order)，被看好為次世次的材料。 知用銅形成配線時，不易對銅進行乾濕蝕，故一般係運 ㈣謂的金屬鑲篏（damascene)。該方法之内容，係在有如 戰化石夕的層間絕緣膜先形成既定溝槽，待將配線材料（銅） 填入該溝槽後，以化學機械研磨法（Chemical Mechanical ^ ^以下逕稱為CMP)將多餘的配線材料去除以形成 配、，泉。又在形成連接孔（via hole)及配線溝（drench)之後， 一併埋入配線材料，復以CMP去除多餘配線材料，即雙層 配線鑲嵌法，同樣為吾人所周知。 此外，一般係將銅配線用於多層化用途。此時，為防止 銅至屬擴散至層間絕緣膜，乃在形成上述配線前，先形成 包含氮化矽、炭化矽等之阻障膜。 /、而在CMI^^的銅配線表面不存有阻障膜。，故在形
85018.DOC 200411750 成上層配線前先形成具有銅擴散防止層機能的阻障膜。此 時，因銅在低達150°C的低溫下仍易於在含氧的環境中發生 氧化現象，一般係以未含氧的材料，如氮化矽膜（SiN)或炭 化矽膜（SiC)等，作為阻障膜。 然而，因為氮化矽（SiN)或炭化矽（SiC)的比介電率較氧 化矽（Si02)為大，使得採用銅配線的半導體裝置之實際介 電率上升，造成增加半導體裝置的RC延遲（因電阻與電容 導致之配線延遲）的問題，或是弱化了阻障膜SiN、SiC與銅 的界面間之抗電致遷移性。 已知有一袅案，係將對於銅擴散防止性佳、能改善RC延 遲、以及抗電致遷移性佳的CoWP材料，形成於CMP後的銅 配線表面，即USP 5695810所揭示者（USE OF COBALT TUNGSTEN PHOSPHITE AS A BARRIER MATERIAL FOR COPPER METALLIZATION)(即銅配線製程中以磷鉛化鎢 為阻障材料）。再者，CoWP亦有可藉無電電鍍在銅配線上 選擇性成膜的特點。
以圖21表示此種採用CoWP為阻障膜的先前半導體裝置 。該半導體裝置包含了含銅之金屬配線，且在該金屬配線 上，形成了包含具銅擴散防止機能的CoWP之阻障膜。若 細分此半導體裝置的結構，係在預先製作了電晶體等元件 (省略其圖示）的基板101上，將含銅之金屬配線（以下稱為 銅配線）之下層配線102a、102b，埋入設在絕緣層103a的溝 槽内。又，絕緣層10 3 a包含例如S i 0 C，在下層配線10 2 a、 102b與絕緣層103a之間，形成阻障層104a，含有例如TaN
85018.DOC 200411750 。又，在基板101與絕緣層103a之間，形成了包含例如siC 的姓刻終止層1 〇5，俾防止銅由下層配線1 〇2a、1 02b擴教至 基板101。又，在下層配線1〇2a、l〇2b及絕緣層1〇3a上，介 由用來防止銅擴散的SiN膜形成了絕緣膜l〇3b。絕緣膜 103b包含例如si〇2。 更在絕緣膜103b上，介由用來防止銅擴散的SiN膜形成 了系巴緣膜103c，介由含有例如TaN的阻障金屬膜1 〇4b，將 含鋼的金屬配線，即上層配線丨06a、106b，形成於設在絕 緣層103b及絕緣層i〇3c的溝槽。又，在上層配線1〇6a、1〇6b 上’亦即上層配線l〇6a、106b未由阻障金屬膜i〇4b所被覆 的表面’亦即圖21的上面，介由鈀（pd)置換層丨〇7，形成了 包含具銅擴散防止機能的C〇WP之阻障膜1〇8。 製作上述半導體裝置時，係藉著對銅配線上施以c〇Wp 的無電電鍍以形成阻障膜。以下將簡要說明對銅配線上施 以CoWP的無電電鍍成膜方法及其原理。為藉著無電電鍍 法將CoWP的觸媒。一般採用的方法，係藉置換電鍍法， 預先在銅表面形成鈀（？(1)等觸媒金屬層。 置換電鍍法，係利用異種金屬之離子化傾向的相異性而 進行者。因銅與鈀相較係屬電化學上的卑金屬，因之，若 將銅浸入例如PdCU的HCL溶液中，隨著銅的溶解所放出的 電子，移轉成落液中的貴金屬，即鈀離子，致在卑金屬之 銅表面上形成鈀。因為在絕非金屬的絕緣膜表面無法發生 ㈣置換，故觸媒活性層僅在鋼上减。之後續以該免層 為觸鉍，僅於銅配線上開始無電電鍍反應，而由wp來
85018.DOC 200411750 形成阻障金屬層。 然而’上述方法之中，藉著鈀的置換電鍍在銅表面形成 觸媒活化層之際，易有蝕入銅配線使其受損的問題。尤其 疋’可此會沿著銅的結晶（grain)對銅的局部鏨洞，甚至腐 蚀嚴重時尚可能造成銅配線的斷線。究其結果，銅配線的 損傷嚴重時將造成銅配線的電阻提高3〇%。再者，欲將 Co WP的成膜埋入銅結晶間產生的黎洞有其困難，究其結 果，在CoWP成膜後仍留有銅配線間的孔洞，以致基於此 而急速惡化抗電致遷移性。 因而，本發明係基於上述現狀而提案者，其目的在提供 一種半導體裝置的製造方法，以達成半導體裝置的高速化 及良好的品質可靠度。 【發明内容】 欲達成上揭目的之本發明的半導體裝置之製造方法，其 特欲在於，乃是將具有銅擴散防止貞能的阻障膜形成在含 =的i屬配線上者’且’使用添加觸媒金屬的電鍍來進行 包·度Μ $成含有觸媒金屬的金屬配線，並以外露於金屬 配、泉表面的觸媒金屬為觸媒來進行無電電鍍，俾將具有鋼 擴散防止機能的㈣_成在金屬配線上。 去先則，以無電電鍍法將㈣卿成於含銅的金屬配線上 慰Μ㈣寺觸媒性高的金屬在金屬配線層表面施以觸 媒活化處理。且體而士， 金屬配線表面置換心免的置換電鍍使含銅的 觸媒w 以形成觸媒活性層，之後，以該 某活性層的鈀為觸媒核進行無電電鍍。
85018.DOC 200411750 、然而，在本發明之半導體裝置的製造方法中，如以上所 ^在开y成含銅的金屬配線之際係預使金屬配線中含有觸 媒至屬以内含於金屬配線中的觸媒金屬當中之外露於金 屬配線表面的觸媒金屬，作為無電電鍍時的觸媒核，°藉而 在金屬配線上形成具有銅擴散防止機能的阻障膜。 右再丁以詳細說明，本發明之半導體裝置的製造方法中 二電鍍形成含銅金屬配線之際’係預將觸媒金屬添加入 電鍍使用的電鍍液内。該觸媒金屬係形成阻障膜之際用來 啟動無電電鍍反應的觸媒…藉著使用添加有觸媒金屬 的電鐘液來-進行電鍍，可形成含有觸媒金屬的金屬配線。 ^即’可使形成的金屬配線中及其表面分散配置有觸媒金 屬0 又，根據實際需要將多餘部分去除且施以平扭化處理， 以實施藉外露於金屬配線的表面之觸媒金 :==阻_業，之後’以該觸媒金屬為觸媒的 1"又Μ開始進仃，更精由自我觸媒作用而持婧盔電 電趣反應的進行，而在金屬配線上形成阻障膜。— 广：f ’：媒金屬外露於金屬配線的表面，無電電鍍僅在 子有觸媒金屬的地方進行。因而 地進行阻障膜的成膜。 h屬配線上選擇性 以上所揭方法中，係使用預先添加 進行電鍍以形成金屬配線，在 的電鍍液來 屬乃分散配置在金屬線中及其表面 則的製造万法中施以觸媒活化處理時的同等效果/、
85018.DOC 因而，本發明之中虏“ 甲‘略了先可的製造方法中所必須的 觸媒活化處理步驟，妓α % 、 故此以間化的製程來提昇形成阻障膜 的效率，能以較低成太制 低成本製造出可確實防止銅原子擴散至 層間絕緣膜的高品質半導體裝置。 、又：本發明之半導體裝置的製造方法中，如以上所述， :未c仃觸媒活化步驟’因而，不會使金屬配線本身遭致 腐姓亦即’不會因腐蚀而造成金屬配線中具有馨孔，更 不會因腐蝕而造成斷線等損傷。因之，可免於因金屬配線 、勺腐蝕導致配、、泉電阻的上昇或是抗電致遷移性的惡化等， 避免工該些造成半導體裝置的動作不良之問題點，故可製 造出高品質的半導體裝置。 取者Q本&明之半導體裝置的製造方法無須觸媒活化 7 ^因而避免了先前方法中觸媒金屬及附殘留在層間絕 彖膜上的現象，&其結果，因為不會在層間絕緣膜上形成 阻障膜I可提昇阻障膜成膜時的成膜選擇性，故能製造 出咼品質的半導體裝置。 【實施方式】 以下邊參照附圖，詳細說明適用於本發明之半導體裝置 的製造万法。X，本發明不侷限於以下所述，凡在未變更 本發明要旨之範圍Θ，可作適度的變更。首先，係以本發 明運用在單層配線者為說明例。再者，以下的圖面乃用於 辅助說明，不免與實際比例相達。 圖1係運用本發明所製作出的半導體裝置之要部截面圖 邊半導體裝置中具有含銅的金屬配線，在該金屬配線上
85018.DOC -11 - 200411750 形成了具銅擴散防止機能的阻障膜。若進一步說明該半導 體裝置的結構，係在預先製作有電晶體等元件（省略其圖示） 的基板1上，將含銅的金屬配線（以下稱為銅配線W，埋入 設在層間絕緣膜3的溝槽内。 層間絕緣膜3,係含有例如Si〇c、Si〇2、siLK、 (聚方香fe醚膜）、添加氟素的氧化矽（FSG)、或是其他低介 電率絕緣膜而構成者。在鋪配線2與層間絕緣膜3之間，形 成具有銅擴散防止機能的阻障金屬膜4，以及在埋入銅線 步馭時，，二％鍍使銅成膜之際作為導電層用途之銅種晶 (seed)層5。_阻障金屬膜4,例如，係含Ta、鹽 、W、WXN、或是此等之積層膜者。 又，在基板1與層間絕緣膜3之間，形成蝕刻終止層6， 含有例如SiN、SiC等。 此半導取置中，在銅配線2上，亦即銅配線2不由 阻障金屬膜4所被覆的表面，亦即_之上面，形成了具銅 擴政防止機此的阻障膜7。此處之阻障膜7，係形成於銅配 線上之包含磷鈷化鎢（c〇wp)膜者。以包含磷鈷化鎢 (CoWP)膜者作為阻障膜7使得該半導體裝置中包含磷鉛化 鶴（CoWP)膜所構成之阻障膜7，可充分發揮銅的擴散防止 膜之機能，可確實防止銅擴散至層間絕緣膜。 又，以包含磷鈷化鎢（CoWP)膜者作為阻障膜7，能夠使 知Θ半導體裝置中的阻障膜7，不像採用為銅擴散防止 膜般地往往弱化了銅擴散防止膜與銅的界面間的抗電致遷 私丨生或因銅擴散防止膜本身因高介電率原因導致rc延遲
85018.DOC -12- 200411750 2長。㈣P，以包含磷純鎢（⑶wp)膜者為阻障膜 -艮好的銅擴散防止性，具有良好的抗電致遷移性，又 ’可抑制半導體裝置之RC延遲。 广種半導體裝置可藉下述方法製得。首先，％圖2所示 身又以CVD(Chem1Cal VaP〇r Depositi〇n，即化學氣相沉積） ^ ’將3{、SiN等材料被覆於基板！上，使姓刻終止層6成 膜。具體而言’係以例如甲㈣（SiH4)為原料氣體，使用 N%及N2的混合氣體，藉CVD法成SiN成膜達5〇nm。 p接著，如圖3所示，在蝕刻終止層6上的全面，使用四乙 乳基錢（TEOS)與02的混合氣體為原料氣體，繼上述㈣ 終止層6的成膜後續以CVD法形成含以〇2的層間絕緣膜3。 該層間絕緣膜3的成膜，可接於上述製程之蝕刻終止層6的 成膜之後續於同一反應室（Chamber)内進行。又，層間絕緣 膜3之形成並不侷限用Si〇2’凡^〇〇等周知的氧化物，或 是低介電率材料等有機材料亦佳。 繼而，如圖4所示，以微影及乾蝕刻製程，在層間絕緣 膜3形成配線用溝槽8之圖案化。例如，可藉下述触刻條件 來蝕刻層間絕緣膜3。 <層間絕緣膜3的蝕刻條件> 使用氣體·· CHF3/CF4/Ar=30/60/800 seem 壓力 ：200 Pa
基板溫度：25°C 接著，如圖 5所示，以PVD(Physical Vap〇r Deposition， 即物理氣相沈積）法來形成含有例如TaN的阻障金屬膜4，以 85018.DOC -13 - 200411750 防止銅朝層間絕緣膜3擴散。阻障金屬膜4的材料，除 之外，尚可使用Ta、Ti、TiN、W、WN，或是該等材料之 積層膜等銅保有優良阻障性的材料。 進而，如圖6所示，以PVD法在阻障金屬膜4上形戊鋼種 晶層5。銅種晶層5之功用，係在其後的埋入銅線步驟中經 電鍍形成銅膜之際作為導電層。阻障金屬膜4及銅種晶層5 的成膜並不侷限於PVD法，以CVD法形成者亦佳。 又’對其各別膜厚之設定，除遵循設計規則外，希使阻 障金屬膜4在50 nm以下，使銅種晶層在2〇〇 nm以下為佳。 因而，舉例而言可使含TaN的阻障金屬膜4之成膜2〇 11111厚 ，使位於該阻障金屬膜4之上的銅種晶層5之成為15〇11111厚 。以下所示係此時阻障金屬膜4之PVD成膜條件的一例。 <阻障金屬膜4之PVD成膜條件> DC功率 ：1 Kw 製私氣體 · Ar=50 seem AC晶圓偏壓功率：350 W 4 又’以下所示係銅種晶層5之PVD成膜條件的一例，。 接著，如圖7所示，藉由電鍍銅使銅9成膜，將銅9埋入 溝槽8内。此時，係先將作為觸媒金屬1〇a的鈀加入電鍍銅 時使用的電鍍液中。該觸媒金屬10a之功用’係在下述的形 成阻障膜7之際，作為啟動無電電鍍反應的觸媒。又，藉著 使用預加入把等觸媒金屬l〇a的電鍍液來電鍍銅俾將成膜 的銅9埋入溝槽8内，可形成含有觸媒金屬1〇a的銅配線]。 具體而言，形成銅配線2時，能使得觸媒金屬1〇a隨機地分 -14-
85018.DOC 200411750 散配置在銅線2中及其表面。 先^的半導體裝置之製造方法中，欲在銅配線2上形成 阻障膜7時，必須使用高觸媒性的金屬，例如鈀等，在銅線 2的表面施以觸媒活化處理。具體而言，例如，藉著鈀的置 換電鍍將銅配線2的表面置換成鈀，以在銅配線2的表面形 成觸媒活性層’之後，以該觸媒活化層的銳作為觸媒來進 行無電電鍍。 然而在本發之半導體裝置的製方法中，則是同上述般地 預將觸媒金屬l〇a添加入銅的電鍍液中，藉著使用該電鍍液 來進行銅的-電鍍，可形成含有觸媒金屬1〇a的銅配線2。亦 即，使得作為啟動無電電鍍的反應觸媒之觸媒金屬i〇a，分 散配置在銅配線2中及其表面。 藉而，與先前的製造方法中施以觸媒活化處理時的效果 相等，但可省略先前製造方法所入須的觸媒活化處理步驟 因之，本明之半導體裝置的製造方法中，因簡化了製程 而提昇形成阻障膜7的效率，故能以較低成本，製造出能確 只防止銅原子朝層間絕緣膜的高品質半導體裝置。 又，因本發明之半導體裝置的製造方法不須進行觸媒活 化步驟，在形成阻障膜7之際能免於銅配線2受到腐蝕。又 ，因本發明之半導體裝置的製造方法不須進行觸媒活化步 驟，能使得銅配線2免於因腐蝕而產生鑿孔，甚至因腐蝕而 遭致斷線等損傷。因而，不會因腐银而提高铜配線2的配線 電阻，或劣化抗電致遷移性等。因之，不因銅酉己心的腐韻 而發生半導體裝置的動作不良，可製造出高品質的半導體
85018.DOC -15- 200411750 裝置。 再者，因本發明之半導體裝置的製造方法不須進行觸媒 活化步騾，其觸媒金屬不會像先前方法般地吸附、殘留於 層間絕緣膜3，究其結果，因阻障膜7不形成於層間絕緣膜3 ，故在後述之阻障膜7成膜時的膜選擇性獲得提昇。其原因 所在，係因無電電鍍僅在存有觸媒金屬l〇a之處進行，而本 發明之半導體裝置的製造方法中的觸媒金屬1 〇3僅選擇性 地配置在銅配線2上。 此外，因電鍍時一般係採用硫酸銅系的電鍍液，例如以 免為觸媒金屬時，希將硫酸免添加入銅的電鍍液中以作為 上述觸媒金屬的添加方法。然而，若是僅將硫酸鈀加入銅 的電鍍液中，將使銅的電鍍液中因加水分解而產生的水氧 化物，造成該水氧化物浮游於銅的電鍍液中，除引起電鍍 液的變色，亦成為電鍍液的不穩定因素。 此處，在本發明中，希將錯體化的觸媒金屬添加入銅的 電鍍液中。亦即，例如以飽為觸媒金屬時，係藉檸檬酸等 將鈀錯體化後才添加入銅的電鍍液中。如所揭示者，藉著 將錯體化的鈀加入銅的電鍍液中，可避免銅的電鍍液中因 加水分解而產生鈀的水氧化物，不會造成該水氧化物浮游 於銅的電鍍中之現象。因之，不因為鈀的水氧化物造成電 鍍液的變色，或是電鍍的不穩定，故可於穩定條件下進行 高品質的鍍銅作業。 又，除了鈀以外，尚可以金（Au)、白金（Pt)、銀（Ag)、鍺 (Rh)、鈷（Co)、鎳（Ni)、等作為添入銅的電鍍液之觸媒金屬 -16-
85018.DOC 200411750 。即使以該等材料作為添入銅的電鍍液之觸媒金屬，仍以 使用杯棣酸塩、酒石酸塩、琥珀酸塩等適當錯化劑予以錯 m化使成金屬垣後才添入銅的電解液者為佳。 又，因形成阻障膜7的材料不同，用來啟動後述無電電 鍍所必須的觸媒金屬量，亦即存於鋼配線2表面的單位面積 之觸媒金屬分散岔度，亦有差異。因而，添入銅的電鍍液 4觸媒金屬10a的添加量並無限定，只須根據形成阻障膜7 的材質來適當設定。 以下所示一例，係上述添入錯體化的免之銅的電鍍液組 成及電鍍銅勒條件。 <銅的電鍍液組成> 硫酸銅 ·· 200 g/Ι〜250 gn 硫酸鈀 ：1〇 mg/1〜1 g/1 檸檬酸胺 硫酸 氯離子 20 mg/1〜4 g/Ι(擰檬酸鈉等亦可） 10 g/Ι〜50 g/1 20 mg/1 〜80 mg/1 光澤劑寺添加劑：適量 〈％錄銅的條件〉
電鍍電流值 ：2.83A 電鍍時間 ·· 4分30秒（1 μπι)
電鍍液溫度 ：25°C〜30°C
陰極電流密度：1 mA/cm2〜5 mA/cm2 又’上述雖以硫酸銅浴來電鍍銅，^ - 尚可藉硼氟化銅浴、焦磷酸銅浴、
85018.DOC - 17- 200411750 '廣而，如圖8所示，去除多餘的銅9、阻障金屬膜4及銅 種曰曰層5，使銅9僅存於溝槽8内而形成鋼配線2。藉而，使 内含於鋼配線2的鈀外露於銅配線2的表面。亦即，使下一 步騾中藉無電電鍍形成阻障膜7時職司觸媒機能之觸媒金 屬10a，外露於銅配線2的表面。 此處，藉一般泛用的CMP技術以研磨去多餘的銅9等。 此氣私屑研磨層間絕緣膜3的表面及至配線材料僅存在於 溝槽8内，希以層間絕緣膜3上不殘留任何該等配線來控制 研磨進行。在CMP研磨製程中，必須要以研磨去除銅9,阻 障金屬膜4及銅種晶層5之複數種材料，是故，必須要隨研 磨材料來控制研磨液（slurry，研漿），研磨條件等。因之， 有時須進行複數步騾之研磨。以下係一例去除多餘銅之 CMP條件。 <銅之CMP條件> 研磨壓力：100 g/ cm2 旋轉數 ：30 rpm 旋轉塾 ：不織布與獨立發泡體之積層體 研磨液 ：添加H2〇2 (含氧化鋁之研磨液） 泥量 ：100 cc/min
溫度 ：25〜30°C 接著係在銅配線2上形成阻障膜7，然而，尚須應實際需 要施以前處理，以去除CMP研磨製程後形成於銅配^泉2上的 自然氧化膜’之後’藉無電電鍍法，如圖8所示般地在銅配 線2上形成阻障膜7。藉由採用無電電鍍法，能夠僅在銅配 85018.DOC -18 - 200411750 線2上選擇性地形成阻障膜7,故能省略蝕刻阻障膜7的製程 。以下所示為前處理之一具體例。 <前處理> (1) 脫脂處理：藉鹼性脫脂或酸性脫脂提昇表面之潤濕性。' (2) 氧化處理：以2%〜3%的塩酸等進行中和的同時， 去除表面之氧化銅。 (3) 純水沖洗 上述前處理步騾中，〇)脫脂處理及（2)氧化處理之處理方 法，可例舉如使用自旋式塗敷機的旋式處理、漿式（paddie) 處理（沾取|理液體）、甚至是浸入式（diving)處理等。 接著，以無電電鍍方法，在銅配線2的表面形成例如 CoWP膜作為阻障膜7。c〇wp膜之成膜，係如圖9所示般， 以外露於銅配線2表面之觸媒金屬1(^，亦即鈀，作為觸媒 以啟動CoWP之無電電鍍反應。又，因自我觸媒作用而持 續無電電鍍反應，藉而如圖1〇所示在銅配線2上形成c〇wp 膜。 如以上所述，此處之觸媒金屬丨〇a，亦即鈀，外露於銅配 線2的表面，無電電鍍僅在存有鈀之處進行。因之，可以僅 在銅配線2上選擇性地形成阻障膜7。 又’本發明中的阻障膜7不侷限為c〇WP膜，可採用鉛合 金或鎳合金，將之以無電電鍍法來形成。可例舉如c〇p、
CoB、CoW、CoMo、CoWB、CoMoP、CoMoB等姑合金。 另’可例舉如Ni WP、Ni WB、NiMoP、NiMoB等鎳合金。 再者，亦可採鈷與鎳雙方的合金、鎢與鉬雙方的合金組合
85018.DOC -19- 200411750 等。將鎢或鉬添加入鈷或鎳内可增加銅擴散防止效果。又 ，在無電電鍍時隨後混入的磷或硼，亦可使成膜的鈷或鎳 具有微細結晶構造，有利銅擴散防止效果。 以下所示一例，係用於上述無電電鍍之無電電鍍液組成 及條件。 (Cop之應用例） <無電電鍍液的組成〉 氯化姑：10〜100 g/Ι(硫酸鈷等） 甘胺酸（qlycine) : 2〜50 g/Ι(檸檬酸、酒石酸、琥珀酸、 蘋果酸、丙二酸、蟻酸等胺塩、或該等之混合物） 次亞燐酸胺：2〜200 g/l(福嗎啉、二羥醋酸、聯胺、氫 化硼胺、二甲基胺硼烷（DMAB)等水氧化胺（（四）甲基氫氧 化胺（TMAH)等pH調整劑）） <無電電鍍的條件> 電鍍液溫度 ：50〜95°C 電鍍的pH : 7〜12 上述無電電鍍液的組成中，以福嗎啉、二羥醋酸、聯胺 等來代替次亞燐酸胺時，將使阻障膜不含磷（P)。又，若使 用氫化硼胺或二甲基胺硼烷（DMAB)，可從含磷（P)膜成為 含硼（B)膜。此點在下述的無電電鍍液之組成中亦同。 (CoWP、CoMoP、NiWP、NiMoP之應用例） <無電電鐘液的組成〉 氯化鈷或氯化鎳：10〜100 g/l(硫酸鈷、硫酸鎳等） 甘胺酸：2〜50 g/l(檸檬酸、酒石酸、琥珀酸、蘋果酸、 -20-
85018.DOC 200411750 蟻鉍寺胺塩、或該等 此贫物） 人亞燐酸月文· 2〜200 g/ι(福嗎淋、二經醋酸、聯胺、氣 化硼胺、二甲基胺硼、_MAB)等水氧化胺（⑻甲基氯氧 化胺（TMAH)等調整劑pH)) <無電電鍍的條件>
電鍍液溫度：50〜95°C 電鍍的pH : 8〜12 對於上述無電電鍍，亦可同於前處㈣法，藉著使用自 旋式塗敷機的旋式處理、或是漿式處理、甚至是浸入處理 等方法來成儒。 採上揭作法，可製作出如，所示，具有銅擴散防止機 能、亦具良好的抗電致遷移性。且能降低Rc延遲之高品質 的半導體裝置。 、 如以上所揭示者，本發明之半導體裝置的製造方法中， 形成銅配線2之際，作兵栋+ s芯姑+ 一 係先使至屬配線中含有觸媒金屬i〇a。 具體而言’以電鍍厘入銅配線2之際’係預將觸媒金屬… 添加入電鍍液中’並使用該電鍍液來進行電鍍以埋入銅線: 。又’内含於銅配線2的觸媒金屬i〇a之中 Λ1 士 、 τ 以存在於銅綠 配、、泉2表面 <觸媒金屬1〇a為觸媒核，亦 ^ , > _ - , . 1下為啟動操電 笔鍍反應 < 觸媒，俾藉由益電雷妒:將 、 "田、包包鍍知具有鋼擴散防止機能 的阻障膜7形成於銅配線2上。 在琢方法中，作為啟動無電電鍍反應的 藉銅配線2的形成，分散配置在銅配線2中及^ 1〇a係 表面，因而 ，藉銅配線2的形成，達成相等於先前製 心万法中施以觸媒
85018.DOC -21 - 200411750 活化處理之效果，故可省略先前製造方法所不可或缺的觸 媒活化處理步驟。藉而，本發明之半導體裝置的製造方去 中，得以簡化的製程來提昇阻障膜7的形成效率，故能以較 低成本，製造出能確實防止銅原子朝層絕緣膜擴散之高品 質半導體裝置。 又，本發明之半導體裝置的製造方法中，如以上所述般 無須觸媒活化製程，因之，在形成阻障膜7之際不會使銅2 線2受到腐蝕。因而，可免於因銅配線2的腐蝕而提高配線 電阻或是惡化抗電致遷移性等，避免半導體裝置的動作不 良，故可製造出兩品質的半導體裝置。 再者’因本發明之半導體裝置的製造方法錢觸媒活化 製程，故不像先前方法般地造成觸媒金屬吸附、殘留在層 間絕緣膜3上，究其結果，不會在層間絕緣膜上形成阻_ 7 ’可提昇阻障膜7成膜時的成膜選擇性，故可製造出高品 質的半導體裝置。 再者，上述半導體裝置之製造方法，對於金屬鑲歲法、 雙層配線金屬㈣法等任—種溝槽配線技術均可適用。 接著，乃將本發明應用在具多層配線 說明所謂雙層配線全屬镇山、,a 、 又曰⑽、求至屬鑲敗法的具體製造方法。 首先，如同上述單層酴妗一 ^ 配在時所不，形成圖11之第1配線， 即下層配線。繼而，報摅 下步驟形成第2配線，即上配線 _组 了所述内#中，對於同於上述說明之元件，係 ^與同於上述之符號，以省料細說明。 上層配線之形成，首杰 育先’係施以氫氟酸（HF)溶液處理，
85018.DOC -22- 200411750 以去除層間絕緣膜3上的殘留之銅原子。 繼而，如圖12所示，以CVD法，依序形成含$i〇c且深度 同於接觸孔（via hole)的層間絕緣膜，以及用來防止銅擴散 的SiN膜11。 接著，如圖1 3所示，藉著微影及隨後的乾蚀刻對SiN膜 11加工，俾在下層配線2的正上方且相應於接觸孔的位置形 成開口部12的圖案。 又’如圖14所示’以CVD法’在包含開口部丨2的SiN膜 11上，堆積SiOC達上層配線的深度，以形成層間絕緣膜丨3。 接著’將-光阻塗布於層間絕緣膜13上，藉微影技術形成 光阻罩幕後（圖示省略），以該光阻障幕進行蝕刻而對層絕 緣膜13加工。再繼續蝕刻作業，如圖15所示般地加工層間 絕緣膜1 Ob。該蝕刻作業停止於阻障膜7上。 接著，再藉微影技術以光阻（圖示省略）對配線形成狀以 外的邵分圖案。又，採用該光阻罩幕進行蝕刻。去除光阻 之後，遂如圖16所示，在層間絕緣膜10b内形成了連通阻障 膜7，以層間絕緣膜1〇b為侧壁之接觸孔15 ;又，在層間絕 緣膜13内形成以層間絕緣膜13&siN膜丨丨為側壁之上層配 線溝14。以下將配線溝14及接觸孔15統稱為凹部16。 繼而，如圖17所示，藉由PVD法形成包含例如TaN的阻 障金屬膜17,以防止銅擴散至層間絕緣膜1〇b及層間絕緣膜 1 3，緊接著績以PVD法形成銅種晶層1 8。阻障金屬膜17之 材料，除TaN外，尚可使用Ta、TiN、WN等對具有良好阻 障的材料。銅種晶層18之用功，係在其後的埋入銅線步驟
85018.DOC -23 - 200411750 中經電鍍產生銅膜之際作為導電層者。阻障金屬膜17及銅 種晶層1 8的成膜並不偈限於Pvd法，亦可藉cvd法成膜。 對於各自膜厚的要求，除遵守設計規則外，希使阻障金屬 膜17在5〇nm以下，使銅種晶層在2〇〇11]^以下。 接著，如圖1 8所示，藉電鍍銅將銅丨9埋入凹部丨6。此時 ，係同於上述，預將作為觸媒金屬2〇的鈀，加戊電鍍銅時 所用的電鍍液中。該觸媒金屬2〇的功用，係在形成後述阻 障膜22之際’作為啟動無電電鍍反應的觸媒。又，銅^的 膜厚異於凹部16的深度，希以差距2 μιη下為基準。 接著，如圖19所示，去除多餘的銅19 銅種晶層18,使伽僅存於凹部16，而形成早:= 銅配.泉21藉而’使内含於銅配線2丨中的麵外露於銅配線 21的表面。亦即，使得在次-製程經無電電鍍形成阻障膜 22之際職司觸媒機能的觸媒金屬2()，外料鋼配線η的表 面。 去除多餘的銅19時可用廣被運用的CMp來進行研磨。此 製程須研磨層間絕緣膜13的表面及至配線材料僅存在於凹 ㈣内，希以層間絕緣膜13上不殘留任何該等配線來控制 研磨進行。在CMP研磨製程中，必須要以研磨去除㈣、 阻P早金屬膜17及銅種晶層18之複數種材料，是故，必須要 隨研磨材料來控制研磨液（slurry，研槳），研磨條件等1 之’有時須進行複數步驟之研磨。 接著係在銅配線21上形成阻_22，然而，尚須庫會際 1要施以前處理’以CMP研磨製程後形成於飼配線21上
85018.DOC -24- 200411750 的自然氧化膜，之後，藉無電電鍍法，在銅配線2丨上形成 阻障膜22。藉由採用無電電鍍法，能夠僅在銅配線2丨上選 擇性地形成阻障膜22，故能省略蝕刻阻障膜22的製程。以 下所示為前處理之一具體例。 <前處理> (1) 脫脂處理：藉鹼性脫脂或酸性脫脂，提昇表面之潤 濕性。 (2) 氧化處理··以2%〜3%的塩酸等進行中和的同時， 去除表面之氧化銅。 (3) 純水-沖洗 上述前處理步驟中，（1)脫脂處理及（2)氧化處理之處理方 法，可例舉如使用自旋式塗敷機的旋式處理、漿式處理 (沾取液體）、甚至是浸入式處理等。 接著，以無電電鍍方法，在銅配線2丨的表面形成例如
CoWP膜作為阻障膜22。C0WP膜之成膜，係以外露於銅配 線21表面之·觸媒金屬20，亦即鈀，·作為觸媒以啟動c〇wp 之無電電鍍反應。又，因自我觸媒作用而持續無電電鍍反 應，藉而如圖20所示，在銅配線21上形成作為阻障膜22之 CoWP膜。 如以上所述，此處之觸媒金屬20，亦即鈀，外露於銅配 線21的表面，無電電鍍僅在存有鈀之處進行。因之，可以 僅在銅配線21上選擇性地形成阻障膜22。 之後，可藉著重覆同樣的步騾，製作出可確實防止銅擴 散之高可靠度的多層銅配線。
85018.DOC -25- 200411750 上述所說明者’係本發明應 一例，炊而^ ^ 早層配線及多層配線的 例’、、、而，本發明並未侷限於上述 衷的 要旨的範園内，尚可作適宜變更。 ，在未脫本發明 又’配線之多層化作法，不侷限於上 成配線，亦可採各類作法。 精又層鑲敢來形 本發明之半導fi裝置的製造核 止機能的阻障膜形#/人^ 乃疋知具有銅擴散防 觸媒金屬的電鍍液來進 上者，且，以預加 述金屬配線’並以外露於上…屬的上 凰炎織甜十、 屬配、、泉表面的上述觸媒金 屬為觸媒來進行無電電鍍，俾將且 至 ^ pjl Ft m ^ ^ ^ ^ ，、有上述鋼擴散防止機能 0丨丨早胰形成在上述金屬配線上。 如以上所揭示者，本發明 你你田猫 > 卞亨叙置的製造方法中， 係使用預添入觸媒金屬的電 線，具有先前的製迕方木、仃包鍍以形成金屬配 果田、1 “Μ中相觸媒活域料的同等效 果。Q <，本發明省略了先前 、丄n 士 J表匕万法中所必須的觸媼 活化處理步，驟，故能以簡化的製程 》 、 率，能以較低成本製造出可確奋疋升/且Ρ早月旲的效 # 貝防止鋼原子擴散至層間絕 緣腠的咼品質半導體裝置。 又’本發明之半導體裝置的製 π 1垅万法中，並未進行觸媒 /舌化步驟，因而，不會借令凰 使至屬配線本身遭致腐蝕，故可癸 於因金屬配線的腐蝕導致配線 Λ P % 1丑的上升或是柷電致遷移 ㈣惡化等，避免了該些造成半導體裝置的動作不良之問 遞點’故可製造出高品質的半導體裝置。 再者α本毛月《半導體裝置的製造方法無須觸媒活化
85018.DOC -26- 步驟’因而避夯了春‘、 絡 先則万法中觸媒金屬及附殘留在層間絕 Α匕姻、見象故可提昇阻障膜成膜時的成膜選擇性，故 質的半導體裝置。 因之’若根據本發明 ^ ^ ^ 月 了才疋供一種適用於半導體裝置的 回速化，且品皙佳、 /、 了罪度鬲的半導體裝置。 【圖式簡單說明】 體裝置的構成例，係其 圖1係以本發明製得之一種半導 縱截面圖。 1 圖 圖 圖2用來說明本許 ^明< +導體裝置的製造方法 〇 — 圖3用來說明本發 ^明< +導體裝置的製造方法 之縱截面 之縱截面
圖 圖4用來說明本發 〇 圖5用來說明本發 〇 圖6用來說明本發 圖 月之半導體裝置的製造方法之縱截面 明之半導體裝置的製造方法之縱截面 明之半導體裝置的製造方法之縱截面 圖7用來㊂兄明本& 、 %明 < 半導體裝置的製造方法之縱截面 〇 圖8用來說明本菸 %明 < 半導體裝置的製造方法之縱截面 〇 圖9用來祝明本& 、 %明 < 半導體裝置的製造方法之縱截面
85018.DOC -27- 200411750 圖ίο用來說明本發明之半導體裝置的製造方法之縱截面 圖。 圖11係以本發明形成下層配線時，表示其形成狀態之縱 截面圖。 圖12係一縱截面圖’用來忒明以本發明用於雙層鑲嵌時 ，半導體裝置之製造方法。 圖13係一縱截面圖，用來說明以本發明用於雙層鑲嵌時 ，半導體裝置之製造方法。 圖14係一縱截面圖，用來說明以本發明用於雙層鑲嵌時 ，半導體裝Ϊ之製造方法。 圖15係一縱截面圖，用來說明以本發明用於雙層鑲嵌時 ’半導體裝置之製造方法。 圖16係一縱截面圖，用來說明以本發明用於雙層鑲嵌時 ，半導體裝置之製造方法。 圖Π係一縱截面圖，用來說明以本發明用於雙層鑲嵌時 ’半導體裝置之製造方法。 圖18係一縱截面圖，用來說明以本發明用於雙層鑲嵌時 ’半導體裝置之製造方法。 ^ 圖19係一縱截面圖，用來說明以本發明用於雙層鑲嵌時 ，半導體裝置之製造方法。 圖20係一縱截面圖，.用來説明以本發明用於雙層鑲嵌時 ，半導體裝置之製造方法。 圖21係一種先前的半導體裝置之構成例的縱截面圖。 【圖式代表符號說明】
85018.DOC -28- 200411750 101 基板 102a ^ 102b 下層配線 103a、 103b 、 103c 絕緣層 104a 阻障金屬膜 105 蝕刻終止層 106a、 106b 上層配線 107 名巴置換層 108 阻障膜 1 基板 2 一 含銅金屬配線 3 層間絕緣膜 4 阻障金屬膜 5 銅種晶層 6 蝕刻終止層 7 阻障膜 8 溝槽 9 銅 10a 觸媒金屬 10b 層間絕緣膜 11 SiN膜 12 開口部 13 層間絕緣膜 14 上層配線溝 15 接觸孔 85018.DOC -29- 200411750 16 凹部 17 阻障金屬膜 18 銅種晶層 19 銅 20 觸媒金屬 21 銅配線 22 阻障膜 85018.DOC -30-

Claims (1)

  1. 200411750 拾、申請專利範園·· L —種半導體裝置的製造方法，其特徵在於·· 障月ΐ含ΓΓ屬配線上形成具備銅擴散防止機能的阻 係以添加觸媒金屬的電鍵液來進行電鍍，以 7 3有觸媒金屬的上述金屬 篆，並以外露於上述 泉表面的上述觸媒金屬為無電電鍍的觸媒，藉 迟至屬配線上形成具備上述銅： 阻障膜。 I< 2. 3. 4. 如申叫專利範圍第丨項之半導體裝置的製造方法 係將上述觸媒金屬錯體化後加入上述電鍍液 如申請專利範圍第1項之半導體裝置的製造方去 的觸媒金屬含 Au、Pt、Pd、Ag、Ni、C(^^ 如申請專利範圍第1項之半導體裝置的製造方法 的阻障膜含鈷合金或鎳合金的任一種。 ，其中 ，其中 一種。 ，其中 85018.DOC
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