TW445552B - Structure and method for improving low temperature copper reflow in semiconductor features - Google Patents

Structure and method for improving low temperature copper reflow in semiconductor features Download PDF

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Description

445552 A7 B7 五、發明説明（） 發明翎域： (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明係有關於一種改善銅填充半導體特徵之階梯 穠蓋性及回流的結構及方法。 發明背景： 由於以蝕刻銅膜層的方式來得到想要的半導體内連 線圖案有其困難性，因此得到想要之半導體内連線圏案的 較佳方法之一便是银嵌製程（damascene process)。其需將 將溝渠或介層窗（via)填滿《 對於一特徵尺寸為0.5微米（或更低）的多層結構而 言’典型的鑲嵌製程包含下列步驟：沉積一毯覆狀之介電 層；围案化該介電層以形成開口；沉積一足夠厚度之導電 層至該基板中以填滿該開口；以化學反應製程或是結合化 學機械听磨技術移除超出該基板表面之導電層。時下，該 導電層一般是以化學氣相沉積法（chemical vapor deposition ; CVD)、蒸破法（evaporation)以及賤鍵法 (sputtering)沉積之。 經濟部智慧財是局員工消費合作社印製 以化學氣相沉積法填入特徵（例如溝渠或介層窗）中的 銅填充物（copper fil丨），在其所填入開口的中央極易產生空 洞’因為化學氣相沉積法會形成均勻膜層於該溝渠或介層 窗的内表面上，當内表面的某些區域相互接觸時，便會導 致微小空洞的形成，對於高深宽比的特徵而言，此問題會 更加嚴重。更甚的是，經常會發現沉積之導電層含有來自 沉積源的汙染物。蒸鍍法雖然可以覆蓋較淺的特徵，但是 -—____ «3ΊΓ 本紙張尺度遑用中國國家梯率（CNS ) A4JSIL樁（210X297公釐） 445552 A7 B7 五、發明説明（） 對於填滿高深寬比的特徵時，其並不適用。 若結合一回流（reflow)製程以避免空洞沿著開口之側 壁形成，則波鍵沉積之銅可作為銅填充物。典型用以填充 高深宽比特徵（低於〇 · 5微米）之濺鍍技術，係將低溫（通常 約低於攝氏1 5 0度）沉積之濺鍍銅形成於該特徵之表面 上’而該特徵通常包含氧化矽基底，其上覆蓋一阻障層（例 如一钽層），並且該阻障層之上再復蓋一具有特定晶向之 銅晶種層。該低溫沉積之濺鍍銅可增加銅與基板之間的附 著度。之後’於超過約攝氏400度的溫度對該低溫沉積之 政鍍銅進行熱處理’使銅回流（reflow)以填滿該溝渠或是 介層窗。然而’由於塊狀（bulk)銅低擴散性的緣故，該回 流步驟一般需要數小時。 雖然使用回流步驟填滿特徵（例如溝渠或介層窗）是最 簡單的方法，但是現行的傳統方法需要特別高的溫度（例 如約高於攝氏450度或更高），或是很長的回流時間（一般 约為15分鐘或更長）》當半導體金屬圏案之特徵逐漸變 小’空洞產生於銅填充物進行回流步驟時的危險性便逐漸 增加。
Brareri等人於1993年9月21曰獲准之5246885號美 國專利中描述上列問題，以及以雷射熔融系統（User ablation system)來填滿高深寬比特徵之目的。其以能量光 束熔融含一種以上材料之靶材來沉積合金層、graded Uyer 以及純金屬層。遣熔融之材料據說係用以產生主要包含該 溶融材料離子的電衆=其中該電聚被轉換成具有朝向某沉 本紙張尺度適用中國國家#準（CNS ) A4*t)fr ( 2i〇X2nS|f5------- (請先Μ讀背面之注意事項再填寫本貫)
,1T 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 * 1/ 445552 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 __B7____五、發明説明（） 積表面之高度方向性’並且較佳的能量光束來源係紫外光 雷射，沉積表面所受之熱據說是微量的，因為其受限於能 量光束所提供之熱。 Rudolph Eschbach 於 1974 年 5 月 17 日獲准之 5312509 號美國專利中’揭露一種以低溫化學氣相沉積法沉積高純 度金屬之製造系統。特別的是，以電漿潔淨包含蝕刻圖案 之基板；然後，披覆一附著與長晶（nucleati〇n)之晶種層於 該基板上。連接於該基板所在之反應腔體的反應器（reactor) 將欲沉積之金屬前驅物（precursor)純化，然後才將其輸送 至基板。在一程式化軟體的控制下，一反應器熱轉移系統 對該反應器提供冷卻或是加熱至高於或是低於前驅物純 化溫度之選擇。受熱之吸盤（chuck)對置於其上之基板加熱 至高於前驅物的分解溫度，使前驅物釋放金屬至基板上， 以便使金屬成核於該基板上之晶種層。雖然其聲稱一附著 阻障層（若有需要’亦包含一濺鍍晶種層）係以濺鍍法沉積 之，但是銅層卻完全是以CVD沉積的，其係避免侧壁產 生濺鍍之銅層將會造成的空洞· Ho等人於1994年10月11日獲准之5354712號美國 專利中，描述一種形成積體電路之内連線結構的方法。其 係：選擇性地提供一由導電材料所組成之阻障層於内連線 之溝渠的側壁及底部上，其中該阻障層係作為作為金屬沉 積之晶種層，並且該溝渠係定義於介電層中*接著，選擇 性地形成一均勻的金屬層於該内連線溝渠中的阻障層之 上。該金屬層包含：以化學氣相沈積法於低溫下自有機金 _ _-―- 篱 ST_____ 本紙張尺度遑用中國«家揉率（CNS > Α4規格（210X297公產） ---y-------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 445552 A7 B7 五、發明説明（） 屬前堪物中所形成之銅。特別的是該銅層係於低溫下，以 CVD 自 hexafluoroacetylacetonate trimethyl vinylsilane 4t 合物中分解（pyr〇丨ysis)而成的e如前所述的’此方法所遭 遇的問題是空洞會形成於填滿開口的中央，並且存在著來 自金屬前軀物之汙舉物的殘留問題。
Joshi等人於199 6年12月17日獲准之5585673號美 國專利中，揭露一種覆蓋耐火（refractory)金屬之低阻值金 屬導線及介層窗β特別的是，該低阻值金屬導線係以物理 氣相沈積法（physical vapor deposition; PVD)沈積而成的 例如蒸鍍或是瞄準式濺鍍（c〇丨丨丨mated sputtering) 〇其後， 以化學氣相沈積法（chemical vapor deposition ; CVD)沈積 耐火金屬覆蓋層β該案所建議之内連線金屬材質包含 AlxCuy(其中X與y之總和為一：χ與y大於等於零）。瞄準 式濺鍍所需之設備通常很難維護與控制，因為隨著時間瞄 準器（collimator)之上的濺鍍物質會增加。瞄準式濺鍍係由
Actor等人於1995年12月26曰核准之5478455號美國專 利中所揭露，不論是濺鍍或是蒸鍍，該瞄準（colligation) 過程本質上是種緩慢的沉猜製程，因為到達基板的濺鍍物 質流量（sputtered flux)已經降低了。 亟需一種填滿半導體内連線特徵之方法，該方法不須 特別複雜的設備；該方法可提供微小但高深寬比之特徵良 好的之階梯復蓋，同時避免空洞的形成；該方法可在低於 攝氏約450度的溫度下進行；並且，該方法不須很長的處 理時間（約超過I 5分鐘）。 ___»61Γ_ 本紙張尺度遑用中國國家標率（CNS ) ( 210X297公釐） ~~ <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) —. 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 445552 _ 五、發明説明（） I明目的及概述： 本發明揭露一種填入銅之半導體特徵’例如溝渠或是 介層窗，本發明揭露可完全填滿銅而不含空洞之半導體特 徵’例如溝渠以及介層窗。當該半導體特徵之未填滿部份 在回流之前具有毛細管於其中時，該半導體特徵可以鋼回 成製程完成之。其中，該毛細管約占該特徵原本可被銅完 全填滿之體積的20%至90%，並且20%至75%是較佳的， 此外’該毛細管之深寬比約至少為1.5。該毛細管在回流 之前的開口最大值约低於0.8微米.。回流時的較佳基板溫 度包含個別的溫度，或者是以斜坡升溫（ramp-up)或斜坡降 溫（ramp-down)的方式使基板歷經一約攝氏300度至約攝 氏600度之溫度範園，並且约攝氏300度至約攝氏450度 之溫度範圍是較佳的。藉由控制該特徵在回流時未填滿體 積的百分比，以及利用深寬比至少為1,5時的表面張力及 毛細作用，鈉填充物質可輕易地被引流至含毛細管之特微 中’並且不會沿著特徵壁形成空洞。回流之後仍存在的毛 細管部份可輕易地以曹知技藝常用之標準濺鍍技術填滿 之。回流時為增加毛細作用，在沉積一阻障層之前，先以 軟性濺鍍蝕刻預潔淨步騄將溝渠及介層窗（以及其他特歡） 的邊角（corner)斜角化，並且將特徵壁錐形化（tapered)是較 佳的，其中該阻障層一般是位於銅填充物之底層。若該p且 障層的厚度足夠’亦可在沉積阻障層之後才進行此特微内 部的塑形步驟。 第7ΊΓ 本紙張尺度逋用中國國家榡準（CNS ) A4规格（210X297公漦） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消肯合作杜印製 ,λ^'4^552 α7 --!Ζ____ 五、發明説明（） C请先閱讀背而之注意事項戽填寫本貰) 回流之前最上層之飼層（該銅層使毛細管產生於特徵 中）的較佳實施方法係電鍍法，但是，c v D、蒸鍍或是其他 均勻成膜之技術亦可使用。因為電鍵法可提供一潔淨之金 屬層，同時改善對於未填滿之毛細管尺寸的控制，如此將 有助於避免形成空洞於該毛細管中^ 銅對於上述溫度範团的表面擴散特性，可使深寬比 1.5或更高之特徵完全填滿，其中最大的毛細管開口直徑 為0.8微米或更低* 晡式簡箪說明： 第1圖係頻示習知技術中，以銅回流技術形成銅填充溝渠 之择描式電子頰微鏡（SEM)的剖面示意圖。 第2圖為係一氧化矽基板之掃描式電子顯微鏡（S EM)的剖 面示意圖’其表面具有溝渠，並且，一阻障層形成 於該基板表面，且該阻障層之上具有一銅晶種層。 第3 A K係顯示沉積一均勻銅層於第2囷之溝渠結構的示 意圈’其中該铜層至少完成20%。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第3B圖係期示第3A囷之溝渠結構進行钥填充物之固波步 驟後的示意囷。 圃號釾照說明：
101 溝渠 104 阻障層 108 均勻之铜薄膜 第8T 100 半導體結構 102 介電基板 106 銅晶種層 本紙張尺度適用中國《家橾率（CNS > A4洗格（210X297公釐） 445552 A7 B7 五、發明説明（） 109 銅 填 充 物 110 空 洞 111 内 表 面 202 上 造 角 111 内 表 面 201 溝 渠 上 方 202 上 邊 角 203 底 部 300 半 導 體 結構 301 溝 渠 特 徵 302 介 電 基 板 303 底 部 304 阻 障 層 306 銅 晶 種 層 308 銅 填 充 層 314 毛 管 312 上 逢 角 3 10 溝 渠 壁 3 15 頂 端 301 溝 渠 特 徵 發明詳細說明： 本發明係揭露以回流（reflow)形成無空洞之填銅特 徵，在回流之前’該特徵未填滿之部份至少包含一毛細 管’該毛細管的髏積約相當於該特徵完全填滿铜時體積的 2 0。/。至9 0 % »該毛細管的深寬比至少為1 5，並且該毛細管 的最大開口直徑約小於0.8微米》 I*定義 在進入詳細說明之前必須注意的是，如同本說明書中 以及專利申請範团中所使用的，"一個（a)"、”一個（an)"以 及”該（the)”均包含複數個圈號，除非上下文中已有清楚地 指出。因此，例如"一半導艘"一詞包含數種具有半導體特 徵行為的不同材料；”電漿11 一詞包含以射頻（RF)或是直流 第9育 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS } A4洗格（210 X 297公藿） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、-° 經濟部智慧財產局資工消资合作社印製
445552 A7 B7 五、發明説明（） 輝光放電（DC glow discharge)活化之氣體或是氣體反廄 物，原文之copper11包含其中的合金》 以下定義對於本發明之說明特別重要的特定術語。 "深宽比（aspect ratio)"—詞係指（但非限定）· 一特徵 之高度與寬度的比例，當該特徵不只有—個寬度時，該深 寬比一般係以其中最小的寬度計算之β例如，對於一接觸 窗（contact via)開口而言，其一般是以管狀物的形式延伸 貫穿多層膜層’該管狀物具有一高度與一直徑，其深寬比 即為該管狀物的高度除以該直徑。一溝渠的深寬比即為溝 渠的高度除以該溝渠的最小寬度，而其最小寬度通常發生 於其底部。 ••完全填滿（completely filled)" —詞係指铜填充特徵的 特性（characteristic)，其中該銅填充特徵必須無空洞存 在。 "銅合金（copper)"—詞係指銅以及其中的合金，該合 金中的銅含量至少為80%原子百分比（at〇m%)。該合金可 包含超過兩種以上之金屬成份* '解搞合電菜·源（decoupled plasroa source)，，一詞係指 一電漿產生設備，其具有分雜之控制器以控制輸入至電漿 源產生器以及基板偏恩裝罝的功率。一般，該電毁源控制 器係控制誘電耦合射頻功率（其決定電漿密度）的供給，而 偏壓控制器控制射頻功率或是直流功率的供給，其中直流 功率係用以產生直流偏壓電壓於半導體基板表面上（偏壓 功率），該偏蜃電壓會影響離子揸擊半導體基板表面時的
第10T 本紙張尺度遑用中國•家揉率（CNS ) A4洗格U10X297公釐丫 ..-1 II·'· n I HI —_ - j I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ΐτ 經濟部智慧財產局負工消費合作社印製 445552 A7 B7 五、發明説明（） 能量"一般，解耦合電漿源係以數種手段分離來源功率以 及偏壓功率之間相互影響。加州S a n t a C〖a r a的應用材料 公司（Applied Materials，Inc. of Santa Clara, California)提 供之ENDUAR金屬沉積系統與CENTURA金屬蝕刻系统稱 為__DPS”系統’其包含解耦合電漿源功率以及偏壓功率控 制器。但其他製造商所提供之類似設備可能會以其他方式 命名。 實質上無空洞之特徵（essentially void free feature)” 一詞係指（但非限定）填入沉積物質之具體積開口或空間， 其中’被填入之體積内實質上並無空洞， "特徵（feature)1’ 一詞係指（但非限定）接觸窗、介層 窗 '溝渠以及其他造成基板表面高低起伏（topography)之 結構。 ”離子沉積錢鍵（ion-deposition sputtered)" — 詞以及.， 離子金屬電衆（ion metal plasma ; IMP)1’一詞係指電衆沉 積’較佳的是磁控電漿沉積（靶材之下置有一磁鐵陣列）s 高密度誘電性耦合射頻電漿係生成於濺鍍陰極與基板支 撲電極之間，在減鍵射出物（sputtered emission)到達基板 時’其至少一部份是以離子的形式到達。 ”IMP濺鍍銅"或是"IMP鋼"一詞係指以IMP沉積製程 所形成之銅沉積物。 "反應性離子沉積"或是"反應性離子金屬電漿（IMP)，， 一詞係指濺鍍時供給反應氣體，並且該反應氣體與被漱擊 出之離子化金屬反應，產生含反應氣體元素之離子沉積錢 ( CNS ) Α4Λ#· ( 210X2975jt ) ' f請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 111 ^ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 445552 經濟部智慧財產局MK工消旁合作社印製 A7 _______ B7 _ 五、發明説明（） 鍍化合物。 "SEM" —詞係指掃描式電子顯微鏡。 ，標準銅沉積"或是"傳統濺鍍"一詞係指形成薄膜於基 板上之方法，其中 並且’由靶材濺擊出之物質通過靶材與基板之間而形 成薄膜於基板之上·並且，在到達基板之前，不以任何裝 置將靶材之實質部份（substantial p〇rti〇n)濺擊出的物質離 子化。 達成本發明之設備 一種可執行預先清潔步驟、沉積阻障層以及銅晶種層 (copper seed layer)之處理系統，係應用材料公司（AppIied Materia丨s Inc，，其位於加州之Santa C Ura)所提供之 ENDURA Integrated Processing System，該系統已揭露及 說明於5 I 867 1 8號以及5236868號之美國專利中，並且本 發明將其揭示引入作為參考文獻β該系統係可於一大型爐 管中執行回流（reflow)製程，該大型瀘管可同時處理多個 基板。 欲以電鍍製程形成一均勻復蓋之銅層時，於習知技藝 的電鍍溶液中進行是較佳的。其中，該電鍍製程所使用之 藥劑具有高純度1 1 998 年第六版之"Ullmann、
Encyclopedia of Industrial Chemistry·•此铜電鍵製程有更 進一步之說明，並且Montana, Kalispell之sgMITOOL提 供可於半導體表面鍍銅之電鍍設備》 i紙張尺度逋用中國國家灕準（CpS > A4C格（210:^2^75·釐} f請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
445552 A7 _________ B7 五、發明説明（） 重要的是’在沉積阻障層之後勿將丰導體結構曝露於 2氣或是属礼中’直到其餘的製程步驟藉由回流步鄉完成 為止，以避免形成氧化銅以及銅的腐蝕（通常位於特徵 内）° III.本發明之方法 第1圖係一半導體結構1 00之示意顯微剖面，此半導 體結構100包含形成於其中之數個溝渠1〇1，該溝渠1〇1 一般是蝕刻絕緣基板1〇2(—般為二氧化矽）所形成的。 當與銅接觸之底層基板易於使铜擴散時（例如二氧化 矽即是）’先將銅形成於一阻障層（barrier layer)之上是較 佳的’也許阻障看之上尚有一漁浸層（wetting layer)。此處 所述之較佳實施例係以一其上具有阻障層之二氧化矽基 板為說明參考，然而，可以了解的是若使用不易使铜擴散 之介電基板時’將不需要該阻障層《可以任何該領域的習 知技術（包含C VD以及蒸鍍）形成一阻障層或—濕浸層於 一氧化衫表面上，因為當底層係一足夠薄之薄膜唐時，前 述關於這些應用技術的主要缺點可減至最小。 經濟部智慧財4局8工消費合作社印製 在形成溝渠101之後，形成一阻障層1〇4於該結構1〇〇 上*當以銅填滿該溝渠1 〇 1時，該阻障層丨〇 4 —般係為妲 (tantalum)或是氣化輕（tantalum nitride)。復蓋於阻障層 104之上係一銅晶種層（coppei· seed layer) 1〇6，該銅晶種 層106係用以改善銅填充物（coppei· 與阻障層104 之間的附著度，以及將銅填充物1 〇9轉換成所想要的晶向 本紙張尺度適用令國國家縣（CNS) Α4ΛΜΜ 2丨0^^釐） 445552 A7 ______ B7 五、發明説明（） 結構（ < 丨π >晶向是較佳的）。 該銅填充物1 09可在特定狀況下以濺鍍技術沈積之， 例如一名為"Method of Sputtering Copper to Fill Trenched and Vias"之美國專利申請案，其申請號〇8/855〇59，申請 曰為1997年5月13曰。其與本案為共同審理中，該案亦 讓與本案之受讓人’其全部内容藉由參考併入本文中。 該铜填充物109亦可以可均句（c〇nf〇rmai)沈積銅薄膜 的沈積技術形成之，例如CVD、蒸鍍（evaporati〇n)或是電 鍍（electrop丨ating)。然而.以這些方法將一均勻銅薄膜ι〇8 填入特徵時，銅填充物1 〇 9卻經常會發生含有空洞（指未 填滿銅之空隙）的問題。第1圖係顯示當均勻銅薄膜1 0 8 之内表面111於一未填滿之内部區域（interi〇r area)110上 形成接觸並封閉時，铜填充物109所含的這些空洞11〇， 並且’當特徵尺寸降至0.25微米以下時，這個問題將會更 常發生》 第2圈顯示一铜填充物沉積前之半導體結構200的顯 微剖面示意«，該半導體結構200包含數個蝕刻介電基板 102所形成之溝渠ιοί。該溝渠ιοί之高度約為0.75微米， 底部203之寬度約為〇.3微米，所以其深寬比約為2.4 : 1。 該溝渠101的内表面已被塑造成以下之形狀：將該溝渠壁 之上邊角202固潤化，使該溝渠壁204會成為錐形 (tapered)，越朝向該溝渠1〇1上方201處的寬度越大；越 朝向該溝渠10丨底部203處之寬度越窄。但是，第2圖並 非依實際比例繪製，並且為清楚顯示’某些尺寸已經放 本紙張从制中國國家標準（CpS ) A切i· ( ~ (請先聞靖背面之注意事項再填寫本頁) 訂 "f 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 445552 A7 B7 五、發明説明（） 大。 請 先 閲 讀 背 τέ 之 注 意 事 項 再 寫 本 頁 經濟部智慧財產局8ί工消骨合作社印製 一由麵（tantalum)構成且厚度約為 300埃之阻障層 (barrier layer)104形成於該介電基板102之表面上，該阻 障層 1 04係以習知技術所熟知的一般狀況形成之非晶型 式。一厚度約為1 200埃之銅"晶種"層1 06，形成於該阻障 層104之表面上，形成該層時的狀況需確使該銅晶種層 1 06具有高比例之< 1 1 1 >晶向，並且若為1 00%則更好。 形成該銅晶種層丨06之基板溫度係約為攝氏20度至I 50 度，並且1使該銅晶種層1 06具有1 00% < 111 >晶向之方 法已揭露於申請號08/924487及08/995 108之美國專利 中》其中，申請號08/924487之美國專利名稱為”Method Of Forming A Barrier Layer Which Enables A Consistently Highly Oriented Crystalline Structure In A Metallic Interconnect" *其申請日為1997年8月23曰；申請號 08/995108 之美國專利名稱為 ’’A Tailored Barrier Layer Which Provides Improved Copper Interconnect Electromigration Resistance’1，申請日為 1997 年 12 月 16 日。這三篇申請案亦讓與本案之受讓人，並其全部内容藉 由參考併入本文中。 上述阻障層1 04與銅晶種層1 06係以離子沉積濺鍍法 於一設備中形成之，在該設備中，控制電漿源產生器之輸 入功率的控制器與控制基板偏壓裝置之輸入功率的控制 器係分離的，該基板偏壓裝置係指一解耦合電漿源 (decoupled plasma source) « 本紙張又度逋用中國國家橾率（CNS > Α4洗格（210#2於暴釐了 445552 A7 ______B7___ 五、發明説明（） 範例： 此處所述之較佳實施例係於一可處理直徑200釐米 (mm)之矽晶圓的處理腔體中進行，以一晶圓作為基板，並 且該晶圓之上覆蓋著一厚度約為12000埃之氧化矽層。該 氧化矽層之表面已形成具有特徵尺寸約為0,3微米之溝渠 圖案；一由钽組成且厚度約為300埃之阻障層，覆蓋於該 圖案表面之上；接著’一厚度約為1200埃之銅晶種層覆 蓋於該钽阻障層之上。第2圖係顯示此較佳實施例於沉積 —銅填充廣之前的半導雅結構。 第3 A圖係一半導體結構300之顯微示意圖，該圖係 顯示沉積一銅填充層308於第2圖所示之結構上。該銅填 充層308係均勻地（conformal)沉積，以便形成毛細管 (capiUary)314於該溝渠特徵301之中央β該毛細管314 使溝渠特徵3 0 I可被完全回流（re 0 w)之銅填充層3 〇 8填 滿而不會產生空洞。 特別的是’該半導雄結構300包含數個溝渠301，其 係由姓刻介電基板302所形成之。該溝渠3〇1之高度約為 〇_75微米’底部303的寬度約為〇.3微米，因此該溝渠3〇1 之深寬比約為2.4 : 1。在形成阻障層3 〇 4與銅晶種層3 0 6 之前，塑造該溝渠301之内表面的形狀以便使得其上邊角 3 1 2圓潤化’同時使溝渠3 0 1之溝渠壁3 1 0成一錐形 (tapered)。亦即，該溝渠壁310之間的空隙為朝向溝渠 301的頂端315漸窄而朝向溝渠301的底部303漸寬。該 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ,1Τ "f 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 445552 A7 __ B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（） 第3 A圖並非等比例繪製，並且為便於說明，已將某些尺 寸誇大。 该溝渠3 0 1内表面之塑形（shaping)係以一氣氣電漿之 軟性滅鍵姓刻為之》該濺鍍蝕刻係指一預先清除（pre_cUan) 之步驟’除用以將溝菜301内表面之碎屑（debris)移除外， 亦對上邊角進行塑形，以及使溝渠3〇1之溝渠壁成錐形。 執行此預先清除步驟之ENDURA處理腔體係依據一直徑 為200釐米之半導體晶圓所設計。流入該處理腔體之氬氣 流量設定為約5 seem ;電漿源射頻功率設定為約400千赫 兹以及約300瓦》供應半導體基板支轉平台之功率設定為 約135630百萬赫兹以及約300瓦，以產生負275伏之電 壓於基板上’其中該半導體基板支撐平台係用以產生基板 偏壓；處理腔體内之壓力约為0.5毫脫爾（mT);基板溫度 約為攝氏300度，並且此預先清除步驟之時間約為25秒。 在上述狀況下’該預先清除步驟可自該基板表面移除厚度 約為250埃之二氧化矽。 該厚度約為300埃之钽阻陣層304係以離子沉積濺鍍 (ion-deposition sputtering ;以下稱為 IMP)形成之《該 IMP 钽阻障層304係以高密度、高誘電性耦合射頻電漿形成 之，其中，該射頻電漿係藉由對一線圏（圈數為—至三圈） 施加射頻功率而產生於麵把材陰極與基板之間的區域。施 加至該線圏之功率，其頻率約為2百萬赫茲，並且較佳的 頻率範圍約為400千赫茲至50百萬赫茲。施加至該線圏 之功率’其瓦數约為2千瓦’並且較佳的頻率範圍約為1〇 第17頁 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂
Jf 本紙張尺度適用中β國家椹率（CNS)A4規格（2丨0X297公羞） 445552 A7 B7_ 五、發明説明（） 千瓦至5千瓦。該電離線圈可使到達基板的電漿離子增 加。 钽靶材陰極與基板之間的距離一般約為1 4公分（5 5 英吋），並且該電離線圈距離陰極約為4·5公分並朝向基 板》該钽靶材陰極的直徑約為35.3公分（14英吋），並被施 以一約為1千瓦之直流功率β此直流功率可於約〇. 5千瓦 至約8千瓦之間的範園内調整，並且約1千瓦至約3千瓦 之問是較佳的* 一頻率及功率分別約為1 3.5百萬赫茲及3 5 0瓦的交 流偏壓功率1用以使基板表面產生約為負70伏之偏移偏 壓（offsetbias”若此偏壓功率介於約0瓦至約500瓦之間 的範圍，並且此偏壓電壓介於約〇伏至約負丨00伏之間的 範圍是較佳的。該基板偏移偏壓可吸引電漿電子至該基 板。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 氩氣係作為電漿氣體源之用，並在約為50sccm的流 速下將其饋入至處理腔體。該處理腔體内的壓力約為2毫 脫爾（mT)，但是此壓力亦可於lmT至60mT的範圍内調 整*該基板溫度约為攝氏300度，並且低於攝氏350度是 較佳的。形成300埃之阻障層所需的濺鍍時間約為20秒。 以離子沉積濺鍍技術形成厚度約為1200埃之銅晶種 層306，該離子沉積濺鍍技術可使該銅晶種層306中晶向 為<111>的銅成份達到最大《铜靶材陰極、電離線圈以 及該基板之間的距離實質上與前述形成鈕阻障層304時的 相等* ---— _ HM8T____— 本紙張尺度逋用中國國家標率（CNS > A4规格（210χ297公簸） 445552 A7 —___B7____ 1'發明説明（） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 特別的是，係以直徑約為1 4英吋（3 5.3公分）的銅靶 材陰極進行IMP濺鍍，並且對該陰極施以一约為2千瓦之 直流功率，此直流功率介於約1千瓦至约5千瓦的範圍内 是較佳的。施加至電離線圏（ionization coil)之射頻功率的 頻率約為2百萬赫茲，並且該頻率介於約400千赫茲至約 5〇百萬赫兹的範圍内是較佳的：施加至電離線圈之射頻功 率的瓦數約為2千瓦’並且該瓦數介於約1{)千瓦至约5 千瓦的範圍内是較佳的=以一頻率及瓦數分別約為13.5 百萬赫效及350瓦之父流偏壓功率產生一約為負70伏之 偏移偏壓（offset bias) 〇若此交流偏壓功率介於約〇瓦至约 500瓦之間的範圍'並且此偏移電壓介於約〇伏至约負ι〇〇 伏的範圍内是較佳的。處理腔體中的氣體係氬氣，並且該 氬氣的流速約為6sccm至140sccm，處理腔想中的壓力约 為2 OmT，並且較佳的處理腔體壓力範圍為约5mT至 60mT »沉積銅晶種層306時的基板溫度約為攝氏70度， 並且而較隹的基板溫度係約低於攝氏丨5〇度。 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 銅填充層308係在約為1〇百萬安培/平方公分 (milliamps/cm2)至1 〇〇百萬安培/平方公分的電流密度 下’以該領域的習知技術自一高純度之硫酸銅（c〇Pper 3111£316)電鍍溶液中電解（616(；1^1"〇1丫<：;(;;)電鍵而形成之<>銅填 充層3 0 8的沉積量使溝渠中可填滿銅之體積的2 〇 %未填 滿’因而形成毛細管（capillary)3 1 4。該毛細管3 I.4真有一 約為0.06微米之底部寬度306以及約為〇,4i微米之高度 3 1 7，因此其深寬比约為6.8 : 1。 _______第 19肓__ 本紙張尺纽财( CNS ) A桃^ ( 210XM7公釐) 445552 A7 _B7______ 五、發明説明（） t请先Μ讀背面之注意事項再填寫本頁) 雖然銅填充層 308 可以任何均勻鍵膜的技術 (conformal technique)沉積之，但是例如 CVD、蒸鍵 (evaporation)或是電鍍（electroplating)等技術是較佳的。在 電鍍形成該銅填充層3 08時，該電鍍溶液（bath)分解該銅 晶種層3 06的表面而產生一能生成銅填充層3 08之新的潔 淨表面。如此，可降低銅填充層整體的電阻率（因為任何 可能存在之氧化銅已被移除），並且有助於在銅填充層中 得到預期的< 1 1 1 >晶向。 接著，如第3B圖所示，將該銅填充層308進行一回 流（reflow)步驟以填滿該毛細管314。因為擴散性與表面張 力（surface tension)，以及毛細管3 1 4之間的作用，該溝渠 301將會被完全填滿，並且不會產生空洞。當深寬比為3: 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1或更高時，該回流步驟必須於至少攝氏4 5 0度以上的溫 度進行。較佳的銅回流係於一銅溫度，或是以約攝氏200 度至約攝氏600度之斜坡（ramp)方式升溫，並且更佳的是 約攝氏300度至約攝氏500度之斜坡方式升溫。在本範例 中，回流的起始溫度约為攝氏1 50度’然後持續地升至約 攝氏400度，並且維持一超過5分鐘之時間。該回流所需 的時間長短端視基板溫度與毛細管的深寬比（或是部份填 滿之溝渠的空味大小）而定。 該回流步驟係於一 ENDURA(其為一註冊商標）處理腔 體中進行’用於此處理腔體中的氣體大致上不含有氧並 且此處理腔體中的壓力係3X 108Torr。 熟悉該項技藝者可推想出數種可能的半導體結構，其 - -—第 20ΤΓ 本紙張尺Αϋ用 t» B 家標率{ CNS > ( 210X297^1 ' " ^— 445552 a? __B7 五、發明説明（） 可以本發明完全填滿銅内連線及接觸窗特徵。這些半導體 结構除了含二氧化矽之基板外，可能包含其他介電基板 (例如一低介電常數的聚合物介電基板），該半導體結構之 阻障居除i以is為材質外’亦可包含氮化|a(tantalum nitride)或是氣化欽（titanium nitride):濕浸層（wetting layer)除了以銅為材質外，亦可包含鋁；铜填充層亦可以 電鍍以外的技術形成之。重要的是，上述之較佳實施例並 非用以限定本發明之範圍，熟悉該項技藝者可根據本發％ 之揭露擴張上述實施例以對應至本發明要求於后之保^ 1 課雜（subject matter) β 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 一張 -紙 本
Ns6 準 標 家as 中 用 逋

Claims (1)

  1. 445552 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1. 一種形成銅填充滑（copper fill)於一半導體特徵中或是 半導體基板中之方法，該方法至少包含下列步驟： (請先閱讀背面之注意事項再填寫本覓) a) 以可產生毛.細管（capillary)的方式沉積一銅填充 層於該特徵之内表面上，其中該毛細管約占該特徵原本 體積的 20%至 90%，並且該毛細管之深寬比約至少為 1.5 ： b) 對該銅填充層進行回流，以便至少使該毛細管最 遠離開口之部份被銅填滿。 2，如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述毛細管係 完全被銅填滿" 3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包含下列步驟： c) 在步驟 b)之後，形成一第二銅層於該已回流之銅 填充層的表面上，以使上述毛細管完全被填滿銅。 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 4. 如申請專利範圍第1項，第2項或第3項所述之方法， 其中上述毛細管在回流之前的開口最小值約介於 〇.〇6 微米至0.75微米· 5. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中上述毛細管的 開口最大值約為0.8微米。 6. 如申請專利範圍第1項，第2項或第3項所述之方法， 第22T 本紙張尺度適用中國國家棣率（〇阳）戍4洗格（2丨0父297公釐） 445552 A8 Β3 C8 —___D8 六、申請專利範圍 其中上述鋼填充層係於約攝氏3 〇〇度至6〇〇度的溫度範 圍中進行回流而流入上迷毛細管中。 7.如申請專利範圍第1項，第2項或第3項所述之方法， 其中上述特徵之上述内表面之上具有一銅晶種層 (copper seed layer)，該銅晶種層係以離子沉積濺鍍法沉 積之。 8 ·如申請專利範圍第7項所述之方法，其中上述離子沉積 賤鍵法係於一設備中進行，該設備具有一第一控制器以 及一第二控制器，其中，該第一控制器係用以控制電漿 之產生’該第二控制器係用以控制上述半導體基板之偏 壓。 9 ‘如申請專利範团第1項，第2項或第3項所述之方法， 其中上述調填充層係以電鍵技術（electr〇lytic plating technique)形成之。 1 0 _如中請專利範圍第1項，第2項或第3項所述之方法， 其中上述銅填充層係以化學氣相沉積法形成之。 U.—種可使特徵完全填滿銅之半導體結構，其中所填入之 銅實質上不含空洞，該半導體結構包含一位於一半導體 基板上或中之特徵，其中該特徵至少包含： _______ 第 231Γ 本紙張XJtit财CNS > ( 210X297公釐） (靖先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 445552 六、申請專利為:箭 修正Ml€ A8B8C8D8 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 a) —銅填充層，位於該特徵之内表面内上： b) —毛細管，位於該鋼填充層之内，其 τ孩乇細管 約占該特徵完全被該鈉填充層填滿之體積的2〇%至 90%,並且該毛細管之深寬比約至少為15，並且該毛°細 管具有一朝向該基板之開口，氣狀物質可藉由该開口散 逸β 12.如申請專利範圍第U項所述之半導體結構，其中上述 毛細管在回流之前的開口最小值約介於〇 〇6微米至 〇·75微米。 13·如申請專利範圍第12項所述之半導體結構，其中上述 毛細管的開口最大值約為0.8微米。 14·如申請專利範团第u項所述之半導體結構，其中上述 特徵之上述内表面之上具有一銅晶種層（copper seed layer)，該銅晶種層係以離子沉積濺鍍法沉積之。 15.如申請專利範团第14項所述之半導«結構，其中上述 離子沉積濺鍍法係於一設備中進行，該設備具有一第一 控制器以及一第二控制器，其中，該第一控制器係用以 控制電漿之產生，該第二控制器係用以控制上述半導禮 基板之偏壓。 第 24ΤΓ 本紙張又度適用中®困家標準（CNS)A4氣格（210 κ 297公* > I f 4 I I J —I— ---- ---J 訂-----I I I . (請先《讀背面之注意事項再填寫本頁) 445552 as C8 Da 六、申請專利範圍 16·如申請專利範圍第11項所述之半導體結構，其中上述 钢填充層係一電鍵膜層（electroplated layer)。 17.如申請專利範圍第U項所述之半導體結構，其中上述 銅填充層係化學氣相沉積製程所形成之產物。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁> 線- 經濟部智慧財產局員工消f合作社印製 第25貰 本紙張尺度通用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公« )
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