TW449922B - Process for manufacturing a semiconductor device - Google Patents

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Description

449922 A7 B7 五、發明說明（1 ) 發明之技術領媸 本發明係關於一種半導體裝置之製造方法。更詳言之， 本發明係關於一種於具由耐電子遷移性高之銅所成之埋覆 導電層之半導體裝置之製造方法中，利用有機金屬化學氣 相沈積法以形成埋覆導電廣之方法。 以往之技術 於近年來’由於銅具有低阻抗性及高耐電子遷移性，因 此將其用以作爲半導體裝置之配線層材料之利用相當受注 目。如圖3所示’配線層之形成方法爲：於形成有絕緣膜2 之半導體基板1上，使配線溝5 (或連通孔）形成後，爲不使 銅7G素擴散至絕緣膜2或半導體基板〗上，係薄薄沈積一層 障壁膜3 ’再以有機金屬化學氣相沈積法（m〇cvD法）於其 上沈積銅膜，以形成配線層。 於形成此銅膜時’作爲MOCVD法所用之有機金屬化合物 之例可爲：於室溫下爲液體、於6〇〜9〇°C下氣化之六氟乙 醯基丙酮化銅（I)三甲基矽燒及六氟乙醯基丙酮化銅（〗）三 乙氧乙烯基矽烷。 以液體果控制有機金屬化合物液體之流量（〇 . i〜2 , 〇毫升 /秒）’而將其輸送至氣化室中β氣化室需保持於_定之溫 度下（60〜90 t)，而於此處使有機金屬化合物氣化。 係利用載體乳體（氣或氫，50〜200立方公分/分鐘）以將 經氣化之有機金屬化合物中β於反應室中，係以電阻將磁 化器加溫至一定之溫度，將半導體基板置於其上，而使加 熱至180〜250°C之半導體基板曝露於經氣化之有機金屬化 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2〗0 X 297公釐） (請先間讀背面之.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M ________訂---------線！一 _______________________
^ 44992 2 五、發明說明（2 合物中。 ^用得自半導體基板之熱能，可使輸送至反應室之有機 ^化合物分解，結果可使由銅原子所组成之銅膜沈積於 基板上’同時排出除鋼原子以外之其他因分解而生之產物 氣體。 此時之銅膜沈積速度與半導體基板之溫度間有極強之依 附關係，於上述範圍内之溫度愈高則顯示愈高之沈積速度 H S度愈高則愈難包覆因配線溝所產生之階段差。 另—方面，於文獻（固體薄膜，262( 1995)，第“至”頁）中 記述，於低溫下使銅膜沈積，可得較佳之階段差包覆性β 另外，若爲提昇階段差之包覆性，而於銅膜沈積之過程 中降低基板溫度，則將產生無法增大銅薄膜形成能力之問 題。 另一方面，若爲提昇銅薄膜形成能力而提高基板溫度， 則階段差之包覆性將變差。結果使得配線溝及連通孔中形 成空隙，阻抗性變高而對可靠性產生負面影響，此爲其問 題所在。亦即’銅膜之沈積速度與階段差之包覆性皆與溫 度有極強之依附關係，故兩者爲難以同時兼顧之因素，而 無法並存。 另外’過去係將半導體基板置於以電阻昇溫之磁化器上 以將其加熱，故難以微調基板之溫度，欲控制基板之溫度 相當耗費時間。 再者’銅膜亦有沈積於基板以外的部份（即磁化器）上之 危險。 5- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 =<297公釐） I ! -------I--- ------訂---------線 — t I (請先閱讀背面之迮意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 44992 2 A7 B7 五、發明說明（3 ) 發明簡沭 根據本發明，係提供—種半導體裝置之製造方法，其係 包含下述步驟：第1步驟，其中係將其上形成有具下凹部份 之絕緣膜之基板加熱至第1溫度，藉由有機金屬化學氣相沈 積法，使具足夠厚度之第1銅膜沈積於絕緣膜之表面上，該 厚度係足以缓和因下凹部份所形成之階段差；以及第2步驟 ，其中係將基板加熱至較第1溫度爲高之第2溫度，藉由有 機金屬化學氣相沈積法，使具足夠厚度之第2銅膜沈積於第 1銅膜上，該厚度係足以埋覆下凹部份；其中係藉由第i及 第2步驟’以形成由第1及第2銅膜所組成之埋覆導電層。 圖式簡單説明 圖1(a)及（b)爲本發明半導體裝置之製造方法之概略截面 製程圖。 圖2爲使用三甲基矽烷或六氟乙醯基丙酮化銅（〖）三乙氧 乙烯基矽烷時’基板溫度與銅膜沈積速度之關係示意圖。 圖3爲以往之半導體裝置之概略截面圖。 較佳實施例之敘述 以下係利用圖1 (a)及（b)以説明本發明。 首先，係於半導體基板1上形成絕緣膜2 ^於此處，半導 體基板及絕緣膜並未特別加以限定，凡眾知之基板及絕緣 膜均可使用。舉例而言，基板可爲發酮基板、GaAs基板等 。絕緣膜可爲Si〇2、SiN及此等之層合膜等。絕緣膜之形成 方法可爲熱氧化法、CVD法等。 其次，係絕緣膜2上形成下凹部份。下凹部份係指配線層 -6- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線！ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 44992 2 Α7 Β7 五、發明說明（4 ) 形成用的溝（配線溝），爲接觸插銷形成用的孔（連通孔）等 。於此處’本發明係特別適用於下凹部份具5微米以下之寬 度之情況。又’更佳之寬度爲1微米以上。另外，下凹部份 之冰度較佳爲約〇 · 7微米。特別言之，本發明較佳係適用於 縱橫尺寸比爲5以上之下凹部份。又，於圖1 (a)中，係例 示下凹郅份爲配線溝5之情況。可藉由如常用RIE法之各向 異性触刻法等以形成下凹部份α 其次’於沈積第1銅膜前，較佳係於含下凹部份之絕緣膜 之表面上形成障壁膜3，以防止銅擴散至絕緣膜内β障壁膜 例如可爲TiN、TaN、TaSi及此等之層合膜。障壁膜之厚度 較佳爲1 0〜1 〇〇奈米。障壁膜之形成方法可爲濺射法、CVD 法等。 其次，將基板持續加熱至第1溫度，藉由有機金屬化學氣 相沈積法，以於絕緣膜之表面上沈積第丨銅膜。又，於於圖 1(a)中’係例示於障壁膜3上沈積第1銅膜4a之構成。 使用於有機金屬化學氣相沈積法之第丨銅膜之原料爲有機 金屬化合物。爲於低溫下形成銅膜，係室溫下爲液體 '沸 點爲60〜90 °C之化合物以作爲有機金屬化合物。具體而言 ，可爲六氟乙醯基丙酮化銅（I)三甲基矽烷或六氟乙醯基丙 酮化銅（I)三乙氧乙烯基矽烷等。 第1溫度係設定爲：於因有機金屬化合物分解而形成銅膜 時，可得良好之階段差（因下凹部份而形成者）包覆性之範 圍内。此溫度範圍係視所使用之有機金屬化合物種類而異 。於圖2中’係例示使用六氟乙醯基丙酮化銅（I)三乙氧乙 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS>A4規格（210 χ 2ϋ釐） (請先閱讀背面之注意事項再填窝本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制^ ,1 [ n i I n I n I n n n u· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 r 449 2 2 A7 _____B7____ 五、發明說明（5 ) 烯基矽烷作爲有機金屬化合物，以MOCVD法形成銅膜時， 基板溫度與沈積速度之關係。於使用此種有機金屬化合物 時，若第1溫度之範圍爲180〜200°C，則可確認階段差包覆 性係屬良好。於第1溫度低於180°C之情況下，由圖2可知， 有機金屬化合物不易產生分解，沈積速度將顯著降低，故 爲不佳者。另一方面，於高於200°C之情況下，因階段差包 覆性變差，故爲不佳者。又，第1溫度之沈積速度較佳爲於 2000埃/分鐘以上之範園内。 凡可加熱至第1溫度之任何方式，皆可用以作爲基板之加 熱方式。較佳之加熱方式並非爲以往使用磁化器之加熱方 式，而爲使用紅外線之加熱方式。藉由使用紅外線，可輕 易控制溫度。再者’以紅外線可僅加熱基板，此係更佳者 。藉由僅加熱基板，可防止銅膜沈積於基板以外之處。具 體而言，可採用以紅外線照射基板之絕緣膜形成面與反面（ 以下稱爲基板内面）予以加熱之方式。 上述以外之銅膜形成條件可設定如下。首先，係使液態 之有機金屬化合物流入氣化室内，而其流量較佳爲〇.丨〜2 毫升/分鐘。氣化室之溫度係因所用之有機金屬化合物種類 而異，惟較佳爲6 0〜9 0 eC «經氣化之有機金屬化合物係流 入用以使銅膜沈積於基板上之反應室。於此處，經氣化之 有機金屬化合物較佳係與流量爲5 0〜200立方公分/分鐘之 載體氣體（例如氫、氦等）共同流入反應室中。又，較佳係 藉由調節反應室與泵間之閥，以使反應室之壓力固定維持 於0.1〜2毫托（Torr)之範圍内。 -8- 本紙張尺度適用中画國家標準（CNs)A4規格（210 X 297公t ) (靖先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) '% -ϋ ϋ n -iT-«J眉 I MM 一 n ϋ ϋ I tt tt tt n It n n I - - - n n ----. 449922 Α7 Β7 五、發明說明（6 ) 係將第1銅膜沈積至足以埋覆下凹部份之厚度。於此處， 足夠之厚度係隨下凹部份之形狀而異，惟20〜500奈米爲較 佳者。 藉由上述步驟，可製得圖1(a)所示之構成。 其次，係將基板持續加熱至較第1溫度爲高之第2溫度， 藉由有機金屬化學氣相沈積法，使厚度足以埋覆下凹部份 之第2銅膜4b沈積於第1銅膜4a上。於此處，第2溫度只要 是較第1溫度爲高之溫度即可。惟過高將使有機金屬化合物 產生不佳之分解，而使銅膜之膜質劣化，故第2溫度較佳係 較第1溫度尚10〜100C。更具體而言，第2溫度較佳爲21〇 〜280X：。於低於210°C之情況下，沈積速度將變小，須耗 費時間方可形成第2銅膜’故爲不佳者。於第2溫度下之沈 積率較佳爲300埃/分鐘以上，更佳爲在5〇〇埃/分鐘以上之 範園内。 又’至於溫度條件以外之銅膜沈積條件，可使用與第1銅 膜之沈積條件相同之條件。另外，爲加熱至第2溫度，較佳 係僅加熱基板内面以進行。 藉由上述步騍，可製得圖1(b)所示之構成。又，第1及第 2銅膜（4a及4b)係以雙膜構成埋覆導電層。 根據上述之本發明製造方法，於配線溝及連通孔等下凹 部份中不會形成空隙，而可埋入銅膜，同時可呈現高形成 能力β 另外，以照射紅外線進行基板之加熱，可易於控制溫度。 再者’藉由僅加熱基板，可防止銅膜沈積於基板以外之 -9- 本紙張尺度適用令國國家標準（CNS)A4規格（2〗〇x297公釐） ^請先閱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 --------訂i ^^1 ^^1 n I n -厂 .^1 ^^1 ^^1 ^^1 ^^1 ^^1 n n I ^^1 t— n ^^1 ^^1 ^^1 ^^1 i < 44992 2 a? _B7 五、發明說明（7 ) 處。 另外，藉由使第1及第2溫度位於預定之範圍内，可同時 提昇階段差包覆性及形成能力兩者。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) J/.. , lv,· I 訂· I. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

  1. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 44992 2 力、申請專利範圍 1， 一種半導體裝置之製造方法，其係由下述步驟所組成： 第1步驟’係將其上形成有具下凹部份之絕緣膜之基 板持續加熱至第1溫度，且爲緩和因下凹部份所形成之 階段差，係藉由有機金屬化學氣相沈積法，使具足夠厚 度之第1銅膜沈積於絕緣膜之表面上， 第2步騍，係將基板持續加熱至較第1溫度爲高之第2 溫度，且爲埋覆下凹部份，係藉由有機金屬化學氣相沈 積法，使具足夠厚度之第2銅膜沈積於第1鋼膜上， 其中係藉由第1及第2步驟，以係形成由第1及第2銅 膜所組成之埋覆導電層。 2‘根據申請專利範園第1項之製造方法，其中係藉由自未 形成基板之絕緣膜之侧邊照射紅外線，以控制第1及第2 溫度。 3 .根據申請專利範固第2項之製造方法，其中係僅對基板 進行紅外線照射。 4·根據申請專利範園第1項之製造方法，其中第1溫度係在 180〜200°C之範園内。 5·根據申請專利範園第1項之製造方法，其中第2溫度係在 210〜280°C之範園内。 6·根據申請專利範圍第1項之製造方法，其中係藉由以室 溫下爲液體、沸點爲60〜9(TC之有機金屬化合物爲原 料之有機金屬化學氣相沈積法，以形成第丨及第2銅膜。 7·根據申請專利範圍第6項之製造方法，其中有機金屬化 合物爲六氟乙醯基丙酮化鋼（1)三甲基矽烷或六 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) .^'· I ϋ n n n n n 一6'*· I I n ϋ ϋ 1 I I V. !vn n I n n n n ] I Ir n 1 n n ' -11 - λ 4 9 9 2 2. as 吟 RS C8 ___ TO 六、申請專利範圍 基丙酮化銅（i)三乙氧乙烯基矽烷。 8，根據申请專利範圍第1項之製造方法，其中第1銅膜係具 20〜500奈米之厚度》 9.根據申請專利範圆第1項之製造方法，其中第2銅膜係具 300〜700奈米之厚度。 1 0 根據申請專利範圍第1項之製造方法，其中下凹部份之 寬度爲0.5〜5微米。 1 1 .根據申請專利範圆第1項之製造方法，其中下凹部份之 冰度爲0 · 5微米以上。 1 2 根據申請專利範圍第1項之製造方法，其中於形成第1鋼 膜之前，係包含於含下凹部份之絕緣膜之表面上形成障 壁膜之步驟，以防止銅擴散至絕緣膜内。 , .'—/ mill—-------------^---------線 1,ί_ (請先閱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 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）
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