TW441019B - Manufacturing method of copper damascene - Google Patents

Description

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 4 ^30wjd0/〇〇6 A7 _____B7____ 五、發明説明（/) 本發明是有關一種銅金屬鑲嵌（Copper Damascene)的製 造方法，且特別是有關於一種半導體元件之多重金屬內連 線（Multi-Level Metal Interconnect)之製造方法。 當積體電路的積集度增加，使得晶片的表面無法提供 足夠的面積以製作所需的內連線時，爲了配合金氧半導體 (Metal Oxide Semiconductor)電晶體縮小後所需增加的內連 線需求，多重金屬化製程便逐漸成爲許多積體電路元件所 採用的方式。對半導體元件後段製程而言，隨著金屬線寬 (Width of Metal Line)的日漸縮小，金屬線所承受之電流密 度(CuiTent Density)，相對地逐漸增大。傳統以鋁金屬爲主 所形成之金屬線，遭受到電遷移（Electron Migration，EM) 效應的影響，進而導致元件之可靠度(Reliability)降低。而 且隨著金屬線寬的日漸縮小，金屬線的阻値(Resist)也越來 越高。爲解決上述半導體元件進入深次微米製程時所遭遇 之課題，使用電遷移效應極小及阻値較低之銅金屬，就成 了所有半導體元件製造者一致的選擇。 將金屬銅應用在金屬內連線的製程上，可提供無數的 優點，因爲銅具有低阻値、咼熔點、筒抗電移能力 (Electro-Migration Resistance)等優點。而且銅的內連線電路 可以改善晶片的運作速率，與鋁相比較，銅內連線可以提 高約2倍的運作速率。利用金屬鑲嵌的製程來形成銅內連 線的結構，不但可以降低RC延遲時間’還可以降低內連 線之間的靜電電容量。因此爲了提高元件積集度，以及元 件導通速度，使用金屬銅來形成金屬內連線的結構已成爲 3 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > A4规格（210X297公嫠） ----------^------1T------1 一 - (讀先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 4410 19 5 8 3 61 w I1'. d o c / 0 0 6 A 7 B7 五、發明説明（\) 一種趨勢。 ---------裝— (锖先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 但是由於銅非常容易滲透擴散進入由矽和氧化矽所組 成的材質中，因此在將銅塡入於氧化矽介電層的開口中之 前，必須先沈積一層阻障層，阻止銅在介電層中進行滲透 擴散，以免造成元件之間的短路現象。 另外銅金屬本身具有不易被一般蝕刻氣體所蝕刻的特 性，因此銅金屬導線的製作，就不能再以傳統之製造方法 來完成，於是提出金屬鑲嵌的製程來解決此問題。 金屬鑲嵌法係一種在介電層中先蝕刻出金屬內連線的 開口，再塡入金屬當作內連線的方法。此法可以滿足製程 中對高可靠度及高良率內連線的要求，所以此法將成爲在 深次微米（sub-quarter micron)中內連線製造方法的最佳選 擇。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 習知在金屬銅塡入氧化矽介電層的開口中之後’是以' 化學機械硏磨法(Chemical Mechanical Polishing, CMP)來移 除塡充於開口之外及高出介電層的銅金屬。因爲金屬銅的 質地比較軟，在化學機械硏磨的製程中會在銅金屬導線的 表面造成嚴重的碟狀下陷的現象。例如在0.8到丨微米的 銅金屬導線的製程中，可以造成大於o.i微米深度的碟狀 下陷。 第1A圖和第1B圖係繪示傳統銅金屬鑲嵌結構之製造 剖面示意圖。 請參照第1A圖’利用微影蝕刻技術，在介電層100 中形成鑲嵌溝渠102。再形成共形阻障層104,共形地覆 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X297公釐） 5S3 6t\vi.doc/006 八7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（> ) 蓋鑲嵌溝渠102與介電層100的表面。然後，形成共形的 銅晶種層106覆蓋共形阻障層104。在共形銅晶種層106 之上形成銅金屬層108，並塡充鑲嵌溝渠102。接著，使 用每平方公分300到400克重的壓力的化學機械硏磨法將 覆蓋於介電層100表面之銅金屬層108、共形銅晶種層106 及共形阻障層104依序去除，形成銅金屬鑲嵌108a，如第 1B圖所示之結構。 有鑑於此，本發明的目的就是在提供一種銅金屬鑲嵌 的製造方法1依此方法可以避免銅金屬鑲嵌產生碟狀下陷 的現象發生。 本發明的另一目的是在提供一種包括化學機械硏磨的 銅金屬鑲嵌的製造方法，依此方法不只可以避免銅金屬鑲 嵌產生碟狀下陷的現象發生，而且可以降低化學機械硏磨 製程步驟的成本。 本發明的更進一步目的是在提供且特別是有關於一種 半導體元件之多重金屬內連線之製造方法，依此方法可製 造出-具有平坦表面的銅金屬導線。 本發明提出一種銅金屬鑲嵌結構之製造方法，包括於 基底上形成材質層，在材質層中形成鑲嵌溝渠，再利用例 如氮化鎢、氮化鉅、鉅或氮化鉅/鉅等材質，形成共形阻障 層覆蓋鑲嵌溝渠及整個材質層表面。接著在共形阻障層表 面覆蓋上一層共形銅金屬晶種層。然後，在共形銅金屬晶 種層上塗佈光阻並以光阻塡滿鑲嵌溝渠。以化學機械硏磨 的方式移除位於鑲嵌溝渠外的光阻層及共形銅晶種層而保 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙浪尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（2IOX297公釐） 4 410 19 5 S 3 6 Ιιλ f. d 〇c /ί) Ο6 八了 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（^) 留鑲嵌溝渠內的光阻層，直至位於鑲嵌溝渠外的阻障薄膜 暴露出來爲止。在此，鑲嵌溝渠內的光阻層是爲了保護位 於鑲嵌溝渠內壁上的共形銅晶種層，以避免在化學機械硏 磨時被硏漿所損壞。接下來，移除鑲嵌溝渠內的光阻，並 且沉積銅金屬層以塡滿鑲嵌溝渠，並覆蓋住共形阻障層。 然後可以較低壓力的化學機械硏磨法移除位於鑲嵌溝渠外 的銅金屬層與共形阻障層，並在鑲嵌溝渠內形成一具有平 坦表面的銅金屬鑲嵌結構。 根據本發明所提供的銅金屬鑲嵌的製造方法，可以避 免銅金屬鑲嵌產生碟狀下陷的現象發生。在本發明中第二 次的化學機械硏磨所用的壓力，可遠低於習知所用的壓 力，大約是每平方公分120到240公克重的壓力，而且所 用的硏漿也不需特別使用銅金屬製程專用的硏漿，可以降 低化學機械硏磨製程步驟的成本。本發明更可運用在半導 體元件之多重金屬內連線之製程。根據本發明所提供的方 法可製造出一具有平坦表面的銅金屬導線。 爲讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明 顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖示，作詳細 的說明。 圖式之簡單說明： 第1A圖和第1B圖係繪示傳統銅金屬鑲嵌結構之製造 剖面示意圖。 第2A至2E圖是根據本發明一較佳實施例所繪之-種 具有平坦的表面銅金屬導線的銅金屬鑲嵌結構之製造流程 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) A4規格（210X297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 '4 410 19 5S36twf doc/〇〇6 A7 B7 五、發明説明（夕） 剖面示意圖。 圖式之標記說明： 100 :介電層 102、202 :鑲嵌溝渠 104、204 :共形阻障層 106、206 :共形銅晶種層 108 :銅金屬層 108a、2Π :銅金屬鑲嵌 200 :材質層 208 :光阻層 208a :光阻鑲嵌 210¾.晶系銅金屬層 210b :非晶系銅金屬層 窨施例 請參照第2A圖’在一底材（未於圖中顯示）上形成—層 材質層200,在材質層200中以例如蝕刻的方式形成鑲嵌 溝渠202 °在材質層200表面形成一層共形的阻障層204 ’ 並將鑲嵌溝渠202塡滿。阻障層204的材質’例如可爲氮 化鉅/钽、钽、氮化鈦、氮化鎢。 在共形阻障層204表面覆蓋上一層共形銅金屬晶種層 206。然後，在共形銅金屬晶種層206上塗佈光阻層2〇8， 並且光阻層208將鑲嵌溝渠202塡滿。共形銅金屬晶種層 206可以例如物理氣相沉積法的方法形成。 請參照第2B圖，以共形阻障層204爲中止層’以例 7 .^ϋ· ^—^1 ^^^1 m ^^^1 HI - - 1 1· 1' i - - —^n i - — j ^^^1 (請先閱讀背面之注項再填寫本頁) 本紙張尺度速用中國國家揉準（CNS ) A<)現格（210X297公釐） ^41019 ^ 8 3 61 vs Γ. d o c / 0 0 6 A7 __________B7 五、發明説明（彡） 如化學機械硏磨法來移除光阻層2〇8及共形銅晶種層2〇6， .至共形阻障層204的表面暴露出來爲止。 請參照第2C圖，以例如氧電漿蝕刻的方法移除鑲嵌 溝渠202內的光阻2〇8a，並以有機或無機溶液將鑲嵌溝渠 內殘留的光阻淸洗乾淨。 請黎照第2D圖，在阻障層204之上形成銅金屬層210a 及210b塡充鑲嵌溝渠2〇2並覆蓋住共形阻障層2〇4。其中 210a爲晶系銅金屬層，而21〇1)爲非晶系銅金屬層。形成 銅金屬層210a及2i〇b的方法例如爲化學氣相沉積法、物 理氣相沉積法或電鍍法。 請參照第2E圖，以材質層200爲中止層，進行化學 機械硏磨’以移除非晶系銅金屬層210b及小部分晶系銅 金屬層210a與共形阻障層2CK，並在鑲嵌溝渠202內形成 表面平坦的銅金屬鑲嵌結構212。在此化學機械硏磨步驟 中，其使用的硏磨壓力例如可爲每平方公分120到240克 重，其所使用的硏漿例如可爲以過氧化氫和氧化鋁顆粒爲 主要成分之SMbaura CHS600的硏漿。 因爲在此化學機械硏磨法不需選用專用於銅製程的硏 漿而僅需選用硏磨一般阻障層所用的硏漿，所以不只可以 避免銅金屬鑲嵌產生碟狀下陷的現象發生，而且可以降低 化學機械硏磨製程步驟的成本。 在以例如化學氣相沉積、物理氣相沉積或電鑛法形成 銅金屬層時，由於鑲嵌溝渠內的表面上有一共.形銅晶種 層’銅金屬會依照共形銅晶種層的晶格排列方式堆積’而

S 本紙張尺度適用中國國家& ( CNS"> A4规格（2丨0X297公羡 1 ----------i—— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局8工消f合作社印製 4 410 19 ^ 836t\vt' doc/〇06 ___!Z_ 五、發明説明（/7) 形成具有良好晶格排列的晶系銅金屬（如第2D圖所示。_ 在鑲嵌溝渠外的共形阻障層上的共形銅晶種層已在第〜 化學機械硏磨時被移除(如第2B圖所示）’銅金屬非常不容 易在此位置堆積，而且即使銅金屬能在此堆積出來，也都 是非晶系（Amorphous)銅金屬。 在習知的方法中，因爲在鑲嵌溝渠內及外部均存在有· 銅晶種層，所以所形成的銅金屬層均爲具有良好晶格排列 的晶系銅金屬。具有良好晶格排列的晶系銅金屬硬度較 高，所以在以化學機械硏磨法移除晶系銅金屬時需要較高 的壓力以及專門使用於銅製程時所用的硏漿°也因此根據 習之方法所得的銅金屬鑲嵌在化學機械硏磨的應力作用下 會產生碟狀下陷的現象。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 n· II -- - n —i n ί (H ------- τ 1ν# {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 由於非晶系銅金屬的硬度低於具有良好晶格排列的晶 系銅金屬。因此在以化學機械硏磨法移除非晶系銅金屬 時，其所用的壓力比習知方法移除晶系金屬銅所用的壓力 要小許多，約只要習知方法所用壓力的一半即可，而且不 需要使用專用於硏磨銅金屬所需的硏漿，而改用硏磨一般 阻障層所用的硏漿即可’可以降低化學機械硏磨的成本ε 另外，在有銅晶種存在時’銅金屬堆積的速度快而且晶形 佳，而在無銅晶種存在時’銅金屬堆積的速度慢而且晶形 差。 本發明即根據以上的觀點來改善銅金屬鑲嵌的製程= 運用可能的手段只在鑲嵌溝渠內形成銅晶種層，在形成銅 金屬層時只在鑲嵌溝渠內形成晶系金屬銅而在鑲嵌溝渠外 9 本紙張尺度適用中國囷家標準（CNS ) Α4况格（210X297公4 ) 4 410 19 5 8 3 ft t w 1'. d o c /00 6 A7 B7 五'發明説明（及） 只能形成少量非晶系金屬銅。因此，在移除鑲嵌溝渠外部 的銅晶屬層時，所運用的化學機械硏磨法中只需使用硏磨 一般阻障層的硏漿，而且只需使用約爲習知方法一半的壓 力而減低化學機械硏磨應力的作用，因此可以得到具有平 坦表面的銅金屬鑲嵌。 所以，根據本發明所提供的製程，可以比習知方法更 容易的方式以及比習知化學機械硏磨法更低的成本來形成 銅金屬鑲嵌結構，而且此銅金屬鑲嵌結構可以避免習知製 程所造成碟狀下陷的結果，亦即此銅金屬鑲嵌結構具有平 坦的表面。 雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用 以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精 神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保 護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者爲準。 n· n In l^i .^—n I ΙΪ I I If _ 丁— I 木 U3. τ 卩 \ , J - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1 〇 本紙張尺度適用中國國家標準（CMS ) A4規格（2iOx297公釐）

Claims (1)

1. 經濟部中央標隼局員工消費合作社印製 4 4 1 Ο 1 g as B8 5 83 6tvvf. doc/0 06 C8 D8 六、申請專利範圍 1. 一種銅鑲嵌的製造方法，可應用於一基底，該基底 上形成有一絕緣層，該絕緣層上具有一鑲嵌溝渠，該製造 方法包括： 在該鑲嵌溝渠內，沉積一共形阻障薄膜； 在該共形阻障薄膜上形成一共形銅晶種層； 塗佈一光阻層，分別塡滿該鑲嵌溝渠及覆蓋住該共形 銅晶種層； 以該共形阻障薄膜爲中止層，以化學機械硏磨法移除 位於該鑲嵌溝渠之外該共形阻障薄膜上的該光阻層及該共 形銅晶種層，並在該鑲嵌溝渠內形成一光阻鑲嵌； 移除該光阻鑲嵌； 在該共形阻障薄膜之上形成一銅金屬層，並塡滿該鑲 嵌溝渠；以及 以化學機械硏磨法移除高於該絕緣層表面之該銅金屬 層與該共形阻障薄膜。 2. 如申請專利範圍第1項所述之該銅鑲嵌的製造方 法，該共形阻障薄膜的材質包括氮化钽/鉅、鉅、氮化鈦或 氮化鎢。 3. 如申請專利範圍第1項所述之該銅鑲嵌的製造方 法，形成該共形銅晶種層的方法包括物理氣相沉積法。 4. 如申請專利範圍第1項所述之該銅鑲嵌的製造方 法，形成該銅金屬層的方法包括化學氣相沉積法、物理氣 相沉積法或電鍍法。 5. 如申請專利範圍第1項所述之該銅鑲嵌的製造方 訂 線 (請先閲讀背面之汶意事項#填窝本頁) 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） Αδ Β8 C8 D8 4410 19 583 6t\vt.doc/006 六、申請專利範圍 法，形成該銅金屬層的方法包括電鍍法D 6. 如申請專利範圍第1項所述之該銅鑲嵌的製造方 法’磨除該銅金屬層與該共形阻障薄膜所用之該化學機械 硏磨的壓力爲120 - 240克重/每平方公分。 7. —種具有平坦表面銅鑲嵌的製造方法，可應用於— 基底上，該基底上形成有一材質層，該材質層上具有複數 個鑲嵌溝渠，該製造方法包括： 在該些鑲嵌溝渠內，依序分別沉積一共形阻障薄膜、 一·銅晶種層，以及 形成一銅金屬層，並塡滿該鑲嵌溝渠，再以化學機械 硏磨法移除高於該材質層表面之該銅金屬層與該共形阻障 薄膜。 8. 如申請專利範圍第7項所述之該具有平坦表面銅鑲 嵌的製造方法’該共形阻障薄膜的材質包括氮化鉅/钽、鉅、 氮化鈦或氮化鎢。 9. 如申請專利範圍第7項所述之該具有平坦表面銅鑲 嵌的製造方法，形成該共形銅晶種層的方法包括物理氣相 沉積法。 10. 如申請專利範圍第7項所述之該具有平坦表面銅 鑲嵌的製造方法，形成該銅金屬層的方法包括化學氣相沉 積法、物理氣相沉積法或電鍍法。 11. 如申請專利範圍第7項所述之該具有平坦表面銅 鑲嵌的製造方法，形成該銅金屬層的方法包括電鍍法。 12. 如申請專利範圍第7項所述之該具有平坦表面銅 本紙張尺度逋用中困國家標準（CNS ) A4C格（2丨〇><297公釐） ---------^------ΐτ------ii (請先聞讀背面之注意Ϋ項再填寫本頁) 經濟部十央標率局貝工消費合作社印装 9 9 5836twf.d〇c/006 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 鑲嵌的製造方法，磨除該銅金屬層與該共形阻障薄膜所用 之該化學機械硏磨的壓力爲120 - 240克重/每平方公分。 ^^1 «—^1 —^^1 ^^^1 n I ! f— - - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 I十 經濟部中央標率局貝工消費合作社印裝 3 本紙張尺度適用中國圈家揉準（CNS > A4規格（210X297公釐）