TW396429B - Method and structure for contact to copper metallization in an insulating via on a semiconductor - Google Patents

Description

五、發明説明（ Α7 Β7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製

發明範圍 本發明:般而言係關於組件上之銅線路之接觸 姐更t足言係關於在銅線路與下—金屬噴鍍階層之間 始、切接觸而同時避免絕緣體之銅污染之製程。又更 定1：之’係關於自積體電路晶片 銅之製程。 “上疋鋼接觸表面移除氧化 發明背景〜、 鋼導線？系比在積體電路銘導線提供顯著較低之_ 電阻率，並帶來顯著較高速度晶片之希望。晶片上之 係在被絕緣體層分隔之金屬構圖層中製成，此等絕緣於層 ，有窗口或通路，以選擇性地允許金屬層間之連接。= 等通路被開啓而使銅曝露於空氣時，氧化銅可能奋在:上 形成。此氧化銅可能會提供電阻之來源，或甚至二斷對 -金屬層之電㈣，因,匕其必須在下一金屬沈積之 除。 ^ 濕蚀刻劑，譬如氫氟酸，已被使用於金屬沈積前移除氧 化銅二且高度有效。但在班處理與後續金屬沈積間之時間 内，氧化銅可迅速地再生長於銅表面上。 3 氬濺射蝕刻已被用以清理具有鋁金屬噴鍍層之半導體晶 片上之通路，在用以接著沈積下一金屬層之相同眞空室7 有效地移除氧化鋁。此項技術亦已用以移除氧化銅。由於 在氧化物移除步驟與沈積步驟之間避免曝露至氧化環境，、 故再氧化問題已被避免。但本案發明人已察覺氬濺：：對 銅產生一項問題’其對鋁並非一項問題，如下述。° (請先閱讀f面之注意事項f'寫本頁}

P •裝. 、βτ 本纸張尺度適用中國國家1準（CNS) 釐) 囚此 而 間提供不含氧化物界面’同時保護通路側壁噴鍍層之 之影嚮，而無需其他處理步驟，且此解決二二又經噴濺鋼 發明提供。 〒凌係由下述本 摘述 因此，本發明之-項目的係爲提供—種關於氬賤射 以移除通路中氧化物之替代方式，其適 /同 晶圓。- 巩』於銅金屬噴鍍之 本發明之又另一項目的係爲提供—種於半導體晶 除絕緣體通路中氧化銅，而不會噴濺鋼至通路夕 法。 ，土上心万 本發明t優點是移除氧化銅而無薷其他處理步驟，以在 氧化物移除之前保護銅或通路側壁。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本發明之此等及其他目的、特徵與優點，係藉由—種處 理具有銅金屬噴鍍層之半導體晶圓之方法達成，其包括之 步驟爲：提供具有經構圖銅層及絕緣層在該鋼層上之晶圓 ;在該絕緣層上提供通路，其中氧化鋼可能已在該通路中 外略之銅上形成；提供該晶圓於—室中；在該室中提供還 原％境，以使該氧化銅還原成元素鋼，且無需曝露該晶圓 至氧化環境即可沈積導體於該通路中。 在一種替代方式中，本發明爲—種半導體結構，其包含 .經構圖之銅屬；在該銅層上之絕緣層；在該絕緣層中至 該銅層之通路，該通路包含由該絕緣層所形成之側壁；及 接觸该通路中銅層之元素銅表面之導電性内襯，該導電性 本紙張尺度適用中國_家標準（CNS ) A4規格（210'〆297公潑） 五、發明説明（ 3 A7 B7

經濟部中央標準局員工消費合作社印製 内襯進一步塗覆該側壁，其中該内襯係對銅擴散提供障壁 ，沒有銅直接接觸該側壁。 附圖簡述 圖la爲在具有銅金屬導線之晶圓中之通路，於濺射蝕刻 以自銅金屬表面清理氧化銅後之橫截面圖，其顯示本案發 日月人所察覺之銅噴濺問題。 圖ib爲在美國專利申請案08/85M对中所提供之保護側壁 免於銅噴濺之方法之橫截面圖。 土 圖2a-2f爲説明本發明處理步驟之橫截面圖。 圖3=3c爲用以處理本發明晶圓之處理室之橫截面圖。 圖4爲本發明所涵蓋之雙波紋結構之横截面圖。 ® 5 ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ # ^ # § 〇 發明説明 一 本案發明人察覺滅射蚀刻會錢銅至各通路之側 以不想要之銅污染通路側壁，如圖la中所示。本案：二 亦察覺被飛濺在未經保護側壁上之銅，可能▲—一 ’降低其作爲⑽體之有效性， 矽階層，並造成閘極氧化物漏電，降低門&〃犯多至 或造成接面漏電。 p 牛低閑極乳化物可靠性 頒丁 Geffken等人之共同歸屬土呈_ _ ，係尋求解決銅飛_題，如Wlb中所^請案嶋⑽ 材料5，覆蓋位在通路底部及沿著通路側壁障壁 =射步驟期間保護此等側壁免於…二= … ' 氮化起、氮化鎢、碎氮化 障 '材科5 I化赵、>5夕氮化 裝— (請先鬩讀背面之注意事項一^寫本頁) 訂 :線 .I I I · 五、 發明説明（ 4 欽或氮化矽之薄屉。产，， 沈積障壁材料5。然後方=法广於通路6被開啓後，即 表面移除障壁材料、後：向性地蚀刻障壁材料卜以自水平 而外露之氧方向性蚀刻係移除障壁材料及因 元素鋼導線3之：觸。在^咖虫刻步驟，以開啓對 ，障壁材料5侣右 7向'"虫刻或濺射蝕刻步驟期間 是m料Hr護侧糾於與㈣之銅接觸。但 加此方法之成I。沈積與方向性餘刻步骤，其會增 :中發濺::4求解決飛_題;於本發 出/ ’、 予万式遇原成原來之鋼表面。然後提 出在通路中具有經還原鋼之晶圓， 而無需曝露至氧化環境。使銅還原之化學反及 濺鈉。®士六"在 時’其可能沿著絕緣側壁喷 在還原步.„間…需要爲 破層I額外處理步驟。此外，由於避 禾 不需要爲了保護銅表面之其他處理步驟。 故並 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 二乐：個步驟中’係提供一種電子組件，譬如半導體晶 圓:其具有銅層22與崎層24，如圖2a中所示。絕緣層. =由二氧切或聚合體形成。二氧切係藉譬如cv〇或 %水加強CVD万法沈積。絕緣層财可由可旋轉塗覆及熟 化·^材料形成，譬如旋轉塗覆玻璃或有機聚合體。絕緣浐 ’譬如二氧切，可含有掺雜劑，例如嶙或。聚合體= 括譬如聚驗亞胺與氫秒倍半氧燒之材料。 接著使用標準光石印術構圖及蚀刻，譬如濕触刻或電漿 本紙張尺度適用中國國家襟準（CNS ) A4規格（21〇X297公釐） A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（ 蚀刻’在絕緣層24上形成具有側壁26,之通路26，如圖2b中 所不°通路26可具有無論是供習用互連體用之推拔狀側壁 或供銷釘互連體用之垂直侧壁，使用此項技藝中所習知之 單或雙波紋方法製成。無需特別注意避免在通路26形成後 所外露之銅表面之氧化作用。因此，薄氧化銅層Μ可能會 在銅導線22上形成，其中銅係在通路26中外露。 於下一侗步驟中，係在處理室30中提供晶圓20，並提供 還原環境32，以使可能已在通路％中形成之氧化銅烈還原_ ，如圖2c與3a中所示。氧化銅28係被還原以提供元素銅表 面22丨。 在此還原程序中，氧化銅28係使用還原氣體以化學方式 還原，譬如:¾、成形氣體讲2與玛）、.Ν〇χ或c〇。亦可使用 原子氣或氫離子。在壓力範園約1〇τ至約76〇τ之純氫，係 = 350°c下提供，其時間範園約1至約10分鐘，以使氧化鋼 還原二並留下元素銅表面22’。已發現至少在5〇〇τ範園内之 較高壓力，係比較低壓力工作得更良好。良好結果係在約 4仝4里内以500Τ獲得。還原反應之副產物，水，係沸騰並 被泵送離開。或者，可使用電漿η2或具有η2與載流子例如 He或Ar之電漿，以提供氫離子。 —在下了個步驟中，係使用晶圓處理器37，將晶圓2〇移出 至30 ’並移入具有眞空環境36之輸送室34中，如圖讣中所 不。然後，將晶圓20移至具有眞空環境42之處理室4〇中， 供下—導體之濺射沈積，而無需曝露此組件至氧化環境， 如圖3c中所不。爲達成此轉移，係首先將室3〇抽氣降壓及 卜紙張尺度賴巾H 票準（CNS ) Α4規格（210x1^5" (請先閲讀背面之注意事項-f'i%、寫本頁) •裝· 訂 '發明説明（ 6 抽空。然後將晶圓20移至輪送 如，以在mT範園之壓力下進行接者移至眞空中之室 室3〇係與用於金屬沈積步碟之：4。連：：於還原步驟之 -室移動至另-室，而不會曝露至氧化二此：圓2〇可從 提供還原環境，並在單一室中:^境。當然，亦可 相繼進行還原步驟與沈積步驟。'只及在此單一莖中 在室40中沈積導體5〇，與通6 ,如圄γ . 中心7素銅表面22,接觸 々圖2似所η導體5Q爲另—個 5〇係由至少兩部份形成，薄 ^層’則導肢 黏著性與停止銅擴散之薄内觀：2=;;選擇以提供 .. 佩係首先沈積以參霜元音 銅表面22,，及保護側壁26，免於 杻、+、乂、κ β 兄疋興銅54接觸，其係更完整地 =^ WS等人之共同歸屬之.美國專利5娜π，及 ίΓ:Γ5,810中，兩案均侍於本文供參考，且示於圖 内襯52,通常不超過彻“厚，其包含敘與氮化 鈥（薄膜，經配置在彼此之上，以形成了贿堆疊，或叙與 氮化备’以形成而必堆壘，或Ta。此種内觀係藉物理蒸 氣沈積法進行沈積，另稱爲濺射沈積，或可藉化學蒸氣沈 積法進彳于沈積，以形成更順應性塗層1後，將鋼54沈積 在内襯52上，以充填通路20，如圖&中所示。 八 本發明特別可用於銅層之構圖係藉波紋技術進行之情況 中’其中係沈積導體54以充填絕緣層24與内襯52中之溝槽 ，然後將晶圓20抛光以使導體54與内襯52平面化至絕緣層 24 t表面24’。其同樣可用於銅之構圖係藉雙波紋技術之情 沉中’如圖4中所示。此方法係按照圖2a_2f之順序，惟销 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 請 先 閱 讀 背 面 之 注 意 事 項 頁 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（ =與料通道62係在心還原步驟及圖％内觀沈積步骤 H於兩個遮蔽與蚀刻步骤中，在絕緣層24中開戌。 此外，本發明有利於具有傾斜側壁26"之通_，口如圖5 中所Ί〇8,858，139專”請案之方法，*適用於此種情 況，因局万向性银刻步聲會自傾斜侧壁表面移除内觀％。 於本發明中，無需進行方向性蚀刻步.驟；内襯52仍然留在 水平、垂真及傾斜表面之適當位置土。在沈積銅％之後， 其係經構爾及蝕刻，以提供銅導線7〇，造成經過絕緣體Μ， 中之通路26”接觸導線22。 雖然本發明之數項具體實施例，以及其修正，已詳細描 述本文並示於附圖中，但得以顯見的是在未偏離本發明之 範圍下，各種進一步修正是可能的。在上述專利説明書中 ’並不意欲將本發明限制得比随文所附之申請專利範圍更 嚴密。所予之實例僅意欲成爲説明性，而非排外性。 ---.---Ί裝------訂--------旅 f·. (請先閱讀背面之注意事項^^寫本頁) 經濟部中央標準局—工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ 29^ί"

Claims (1)

1. A8 B8 C8 D8 ，· 一‘—，·-.‘、二 ~ \申.請專利範圍 1. 一種處理具有銅金屬噴鍍層之半導體晶圓之方法，其包 括以下步驟： a) it供晶圓’其具有經構圖之銅層，及在該銅層上之 絕緣層； b) 在該絕緣層中提供通路，其中氧化銅可能已在該通 路中外露之銅上形成； C)择供該晶圓在一室中； 4 Φ在镇室中農盤一還—原—環—境，以使該氧化銅還原成元素 銅；及 e)在未使該晶圓曝露至氧化環境下，於疼通路中沈積 導體。 2. 如申請專利範園策1項之方法，其中該步騍⑷之導體包 含薄内襯、’該薄農襯係對鋼、擴散.提供障壁。 3·如申請專利範圍第2項之方法，其中該薄内襯係沿著該 通路之侧壁沈積。 4·如申請專利範園第3項之方法，镇薄内襯ϋ起.、氮，化 麵、欽、氮化敛、碎氮化叙及氮化鎢之—。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 5·如申請專利範圍第2項之方法，其中課薄I觀係沈積在 該元素銅上。 6. 如申請專利範圍第2項之方法，其進一步包括沈積導體 於该内襯上，以充填該通路之步驟.。 7. 如申請專利範園第6項之方法，其進一步包括抛光該導 體，而在該絕緣體上停止之步驟。 8. 如申請專利範固第2項之方法，其中該導體包含銅。 -11 -

   之方法，其〜中該步驟(d)各還原環 申請專利範圍 9-如申請專利範圍第！喟、、、 包含二氧化石夕。 、〈方法，其中該步τ驟（ a)之絕緣層 10.如申請專利範園第1唷、、 包含聚合體。 、又方法，其中一該―步麗⑻之廣農！ ;11·如申請專利範園第1〇 '亞胺。 ^万法，其中該聚合體包含聚摩 Π.如申請事利範圍第1货 境包含氫 13.如申請專利範圍第1 垆4人产仏 男义万法，其中該步驟（d)之還原環 境包含氬離子。 - 14.如申請專利範圍第1货 境包含一氧化碳。 μ.如申請專利範園第i 、境―包―含逃。 16. 如申請專利範圍第1項之方法，其本該沈積步驟（e)係在 該步驟（C)之室中進行。 17. 如申凊專利範圍第1项之方法，其中該沈積步驟(e)係在 第二室中進行。 18. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該沈積步驟(e)係在 將…該晶.圓從該步驟（c)之室，經過輸送室.移動至該第二 室後進行r 19. 一種半導體結構，其包含： 經構.圖之銅層.，； 在該銅層上之絕緣層； -12- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先鬩讀背面之注意事填， 填寫本頁) 裝· 之方法，其中該步驟（d)之還原環 嚷之方法，其卓該步騍（d)之還原環 訂 "線 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 申Μ專利範 圍 Α8 Β8 C8 D8 該絕緣層包含二氧 在孩絕緣層中至該銅層之通路，該通路包含由該絕緣層 所形成之側壁；及 在該通路中塗覆該銅層之元素銅表面之導電性内襯，該 =·電性内概進一步塗覆詨侧壁，甚中該内、觀係對銅擴散 提供障壁，〈沒有銅直接拯觸該側壁。 20·如申請專利範園第19項之結構，其中m想包食鈕、 氮化鈕、鈦、氮化鈥一，專氮—化钽及氮.化鎢之一。. 女申叫專利範園第19項之結構.，其進一步包含導體在該 内觀上，以充填該通路。 22. 却申請專利範園第21項之結構，其中詨導體.係與該絕緣 .層成平面狀。 23. 如申請專利範園第19項之結構，其.中該 化石夕。 (請先鬩讀背面之注意事項再填寫本頁) •裝‘ 、δτ 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 24. 如申請專利範圍第^項之結構，其中該絕緣層包本人 .體。 口 25. 如申請專利範園第24項之結構，其中該聚合體包含聚 亞胺。 口术 26. 如申請專利範圍第19項之結構，其中該通路包含傾斜 27. 如申請專利範圍第19項之結構，其中該通路包含垂直 壁。 28_如申請專利範圍第27項之結構，其中該通蜂包含垂直與 -水平〜倒壁。 ° 酶 側 .侧 線· -13- 私紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇χ：297公釐）