TW476139B - Manufacturing method of metal interconnect - Google Patents

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Yung-Tzung Wei
Shiue-Jung Chen
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經濟邹智慧財產局員工消費合泎钍印製 476139 5580twf.d〇c/006 A7 ______ B7 五、發明說明(/ ) 本發明是有關於一種金屬內連線(metal interconnects)的製造方法,且特別是有關於一種可應用 於銅硏磨(Cu-CMP)之金屬銅內連線製程。 目前在超大型積體電路(VLSI)製程中,許多高積集度 (high integration)的半導體元件,都具有兩層以上的內 連線金屬層,稱爲多重金屬內連線(multilevel interconnects),其目的是用以適應元件密度的增加而形 成的立體配線結構(wi r ing 1 ine s t rue tures)。第一層的 金屬配線可爲多晶矽層或是金屬層,透過介層窗(via)以 電性連接基底中元件的源極/汲極區。而更多在元件之間 彼此的連線則可經由第二層或以上的金屬配線來完成。若 是積集度不斷增加,會使得金屬線中的電容效應會變大, 而導致介層窗中相對的RC遲延(RC delay)和交互聯繫 (c r 〇 s s t a 1 k)的情形增加。如此一來,金屬線之間的導電 速度會變慢。 目前正在開發一種新的金屬內連線材料,例如銅,其 具有電阻低的優點,可以提供品質更好的金屬內連線結 構。 第1A圖至第1B圖所示爲習知之形成金屬銅內連線的 方法流程剖面圖。請參照第1A圖,首先,提供一基底100, 在其上已形成有導線以及元件(未繪出)等結構。接著,在 基底100形成一層絕緣層102。接著,定義絕緣層102, 於絕緣層102中形成溝渠104、106、108,以及與溝渠108 相連並裸露出基底1〇〇中欲導通之導電結構(未繪示)之介 !丨丨I — !丨丨丨!丨-i. !丨訂-I丨!丨! (請先閱讀斉面之注意事項再填寫本頁) 3
476139 5580twf.doc/006 pj _____ B7 五、發明說明(之) 層窗開口 110。之後,再於基底100上方依序形成一層阻 障層(barrier layer)112與金屬銅層114。 然後,請參照第1B圖,進行化學機械硏磨法(Chemical Mechanical Polishing ; CMP),移除部分金屬銅層 114 以 及阻障層112,直到裸露出絕緣層102之表面,而分別在 溝渠104、106與108以及介層窗開口 110中,形成銅導 線114a、114b、114c以及介層插塞114d。 由於金屬銅之活性(activity)較大,因此在形成金屬 銅層114之後,金屬銅層114之表面容易與外界空氣接觸 之後氧化或是與其他雜質鍵結,導致在後續以化學機械硏 磨法移除部分金屬銅層114時,氧化銅以及與雜質產生鍵 結的部分金屬銅,產生銅晶粒剝離(rip-out)的現象,而 在銅導線114a、114b與114c之表面形成不平坦的凹陷 116,此凹陷116會造成後續形成之絕緣層品質不良的情 形,並且降低銅導線之導電能力以及提高銅導線之阻値。 嚴重時,甚至會使得在溝渠中的銅導線剝離,產成斷路, 並降低良率。 因此本發明就是在提供一種金屬內連線之製造方 法,其方法簡述如下:首先,提供一基底,之後,於基底 上形成一層絕緣層,此絕緣層具有一溝渠與一介層窗開 口。於基底上方形成一層導電層,此導電層塡滿溝渠與介 層窗開口。續之於導電層上,形成一層保護層’繼之’進 行一化學機械硏磨製程,移除部分導電層直到裸露出絕緣 層之表面,其中,化學機械硏磨製程包括一硏磨劑。 4 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) # .線· 經濟部智慧財產局員工消費合作钍印製 經濟部智慧財產局員工消費合作钍印製 476139 5580twf.doc/006 A7 B7 五、發明說明(> ) 依照本發明的一較佳實施例,其中保護層之材質包括 含有抗氧化劑之材質,較佳的材質包括苯基疊氮。此外, 除了於導電層上形成一層保護餍,在所有與基底相接觸之 設備表面上均形成一層保護層,而且硏磨劑中還包還有一 保護劑,因此在進行化學機械硏磨製程中,導電層可以不 斷的接觸到保護劑。 由於在導電層上形成有一層保護層,在所有與基底接 觸之設備表面上均形成有一層保護層,再者在硏磨劑中也 混合有保護劑,因此可以保護導電層’防止保護層表面氧 化或是與雜質鍵結,達到防止銅晶粒剝離現象產生的目 的,進而提高銅導線之導電能力、降低阻値與提高產品之 良率。 爲讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明 顯易懂,下文特舉一較佳實施例,並配合所附圖式,作詳 細說明如下: 圖式之簡單說明: 第1A圖至第1B圖所示爲習知之形成金屬銅內連線的 方法流程剖面圖。 第2A圖至第2B圖所示,爲根據本發明一較佳實施例 之金屬銅內連線之形成方法流程剖面圖; 第3圖爲根據本發明之金屬銅內連線之形成方法流程 圖。 其中,各圖標號與構件名稱之關係如下: 10 0、2 0 0 :基底 5 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) I--— — — ^---— — — — — — ^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 476139 經齊部A曰慧財t局員X.消費合阼注印製 5580twf.doc/006 A7 _B7___五、發明說明(十) 102、202 :絕緣層 104、106、108、204、206、208 :溝渠 110、210 :介層窗開口 112、212 :阻障層 114 :金屬銅層 114a、114b、114c、214a、214b、214c :銅導線 114d、214d :介層插塞 116 :凹陷 214 :導電層 218 :保護層 300 :形成導電層 302 :形成保護層 304:將基底200傳輸至噴灑有保護劑之化學機械硏 磨機台中 306 :進行化學機械硏磨製程 實施例 第2A圖至第2B圖所示,爲根據本發明一較佳實施例 之金屬銅內連線之形成方法流程剖面圖。第3圖爲根據本 發明之金屬銅內連線之形成方法流程圖。本發明之較佳實 施例係以雙金屬鑲嵌製程爲例,所使用之雙金屬鑲嵌內連 線製程方法,係爲眾多雙金屬鑲嵌內連線製程方法之一 種,熟習此技藝者於實際應用上,亦可選擇適用之雙金屬 鑲嵌內連線製程方法以進行本發明之製程。此外,於實際 6 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) # 人一 φ · --線· 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 476139 A7 5580twf . doc/0〇6 五、發明說明(f) 應用上’本發明亦可應用於其他內連線之製程,進行化學 機械硏磨製程以移除部分導電層。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 請參照第2A圖與第3圖,首先,提供一基底200,在 其上已形成有導線以及元件(未繪出)等結構。接著,在基 底200形成一層絕緣層202,其中,絕緣層202之材質例 如是砸碟砂玻璃,其形成方法包括化學氣相沉積法。接 著’定義絕緣層202,於絕緣層202中形成溝渠204、206、 208 ’以及與溝渠208相連並裸露出基底中欲導通之導電 結構(未繪不)之介層窗開口 21 〇。 接著,在溝渠204、206、208與介層窗開口 210中形 成一層阻障層212,此阻障層212主要是作爲後續將沉積 之導電材料與絕緣層202之間的中介層(Inter-Mediate Layer)來避免導電材料與介電材料產生交互作用。一般來 說’阻障層212所使用之材料包括氮化鉅(TaN)或其他性 質相似之材料。其中於溝渠204、206、208與介層窗開口 210中形成阻障層212之方法例如是化學氣相沉積法 (Chemical Vapor Deposition , CVD)。 經濟邨智慧財產局員工消費合阼社印製 然後,在基底200上方形成一層導電層214(如第3圖 中之步驟300),且導電層214塡滿溝渠204、206、208與 介層窗開口 210,其中導電層214之材質例如是金屬銅、 銅合金或是其他性質相近之導電材料。 續之,於導電層214上形成一層保護層218(如第3圖 中之步驟302),此保護層302之材質例如是含抗氧化劑之 材貞’車父佳的材質包括苯基暨氣(benzotriazole,BTA)。 7 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 476139 5580twf.doc/006 ___B7_ 五、發明說明(彡) 由於在導電層214上形成有保護層218,因此可以抑制導 電層214之表面產生氧化反應或是發生與雜質鍵結等情 況。 請參照第2B圖與第3圖,接著,將基底200傳輸至 化學機械硏磨機台(如第3圖中的步驟304),其中,在化 學機械硏磨機台之內壁上,以保護劑形成一層保護層,並 且在傳輸基底200的過程中,所有與此基底200有接觸的 設備,包括晶片裝載處(load up)、儲存槽、晶片傳輸路 徑以及機械手臂之吸嘴上,都以保護劑噴上一層保護層, 而此保護劑係爲與形成保護層218之原料相同,也就是保 護劑係爲包含有抗氧化係成分之溶劑,較隹的保護劑包括 苯基疊氮。由於在傳輸基底200至化學機械硏磨機台時, 所有與基底200(或是晶片)有接觸以及相關的設備表面 上,都形成有一層保護層,因此亦可以降低導電層214之 表面產生氧化反應或是發生與雜質鍵結等情況發生之機 率。 接著,進行一化學機械硏磨製程(如第3圖中之步驟 306),以含有保護劑之硏磨液(slurry)硏磨移除部分導電 層214與阻障層212,直到裸露出絕緣層202之表面,並 且分別在溝渠204、206、208以及介層窗開口 210中,形 成導線214a、214b、214c與介層插塞214d,並且將組障 層212轉換成阻障層212a,以完成金屬內連線之製程。其 中,保護劑係爲與形成保護層218之原料相同,也就是保 護劑係爲包含有抗氧化矽成分之溶劑,較佳的保護劑包括 8 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 »· 476139 5580twf.d〇c/0〇( A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明續明(勹) ^苯/由於在進行化學機械硏磨製程306中,係以含 有保護劑之硏磨液進行移除部分導電層214與阻障層212 之步因此在進行化學機械硏磨製程中’導電層214隨 時都在保護劑之保護之下,即便是在化學機械硏磨製程一 開始時,在導電層214上的保護層218先:被硏磨去除’在 保護層218下方的導電層214仍會在化學機械硏磨製程 306中,經由硏磨劑不斷的與保護劑接觸’因此’導電層 214之表面不會產生氧化反應’且導電層214亦不會與雜 質鍵結,導致發生銅晶粒剝離現象°因此所形成之導線 214a、214b與214c之表面不會產生凹陷’如此一來’可 提高含銅導線之導電能力、降低阻値與提高產品之良率。 綜上所述,本發明之特點在於: 1. 於本發明中,由於在形成導電層之後,在導電層 上形成一層保護層’因此可以保護導電層之表面產生氧化 反應以及與雜質鍵結,造成後續在化學機械硏磨製程中產 生銅晶粒剝離現象。 2. 於本發明中,在進行化學機械硏磨製程之前,將 晶片傳輸至化學機械機台之過程中,所有與晶片接觸或是 相關之設備,包括晶片裝載處、儲存槽、晶片傳輸路徑以 及機械手臂之吸嘴上,都以保護劑噴上一層保護層。所以 可以保護導電層在晶片傳輸過程中’導電層之表面產生氧 化反應以及與雜質鍵結,造成後續在化學機械硏磨製程中 產生銅晶粒剝離現象。 3 ·在本發明中,在化學機械硏磨機台之內壁,以保 (請先閱蟥背面之生意事頃再*寫未頁) .0
* ϋ I 訂--------•線· 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210x 297公爱) 476139 5580twf.doc/006 A7 一 ____ B7 五、發明說明(公) 護劑噴灑一層保護層,可以藉此減少在化學機械硏磨機台 中可與導電層表面鍵結之雜質或是將導電層表面氧化之 物質。 4.於本發明中,在進行化學機械硏磨製程中,以含 有保護劑之硏磨劑移除部分導電層,因此可以在進行化學 機械硏磨製程中,隨時保護導電層之表面不產生氧化反應 以及與雜質鍵結,所以可防止銅晶粒剝離現象的發生。如 此一來,可提高含銅導線之導電能力、降低阻値與提高產 品之良率。 雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上,然其並非用 以限疋本發明’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。 (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钍印製

Claims (1)

  1. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 476139 A8 B8 5580twf.doc/006 惡 六、申請專利範圍 1. 一種金屬內連線之製造方法,其包括: 提供一基底; 於該基底上,形成一絕緣層,其中該絕緣層中形成有 一溝渠與一介層窗開口; 於該基底上方,形成一導電層,該導電層塡滿該溝渠 與該介層窗開口; 於該導電層上,形成一第一保護層;以及 進行一化學機械硏磨製程,移除部分該導電層直到裸 露出該絕緣層之表面,其中,該化學機械硏磨製程包括一 硏磨劑。 2. 如申請專利範圍第1項所述之金屬內連線之製造 方法,其中該硏磨劑中含有一保護劑。 3. 如申請專利範圍第2項所述之金屬內連線之製造 方法,其中該保護劑爲含有抗氧化劑之溶劑。 4. 如申請專利範圍第2項所述之金屬內連線之製造 方法,其中該保護劑包括苯基疊氮。 5. 如申請專利範圍第1項所述之金屬內連線之製造 方法,其中該第一保護層之材質包括含有抗氧化劑之材 質。 6. 如申請專利範圍第1項所述之金屬內連線之製造 方法,其中該第一保護層之材質包括苯基疊氮。 7. 如申請專利範圍第1項所述之金屬內連線之製造 方法,其中該導電層包括一金屬銅層。 8. 如申請專利範圍第1項所述之金屬內連線之製造 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) 癱 ϋ ·ϋ I ϋ I n I ϋ mtmme I I I ·ϋ I ϋ ϋ ϋ 1· I ϋ «ϋ ϋ ϋ ι ϋ n ϋ · 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 476139 A8 B8 5580twf.doc/006 毯 六、申請專利範圍 方法,其中該導電層包括一銅合金層。 9. 如申請專利範圍第1項所述之金屬內連線之製造 方法,其中進行該化學機械硏磨製程前,更包括將該基底 傳輸至一化學機械硏磨機台,其中在傳輸該基底至該化學 機械機台過程中,所有與該基底相接觸之複數個設備的表 面上,形成一第二保護層。 10. 如申請專利範圍第9項所述之金屬內連線之製造 方法,其中該些設備包括晶片裝載處、儲存槽、晶片傳輸 路徑以及機械手臂之吸嘴。 11. 如申請專利範圍第9項所述之金屬內連線之製造 方法,其中該第二保護層之材質包括含有抗氧化劑之材 質。 12. 如申請專利範圍第9項所述之金屬內連線之製造 方法,其中該第二保護層之材質包含苯基疊氮。 13. 如申請專利範圍第9項所述之金屬內連線之製造 方法,其中該化學機械硏磨機台之一內壁上,形成一層第 三保護層。 14. 如申請專利範圍第13項所述之金屬.內連線之製 造方法,其中該第三保護層之材質包括含有抗氧化劑之材· 質。 15. 如申請專利範圍第13項所述之金屬內連線之製 造方法,其中該第三保護層之材質包含苯基疊氮。 16. —種防止在化學機械硏磨製程中銅晶粒剝離現象 發生之方法,適用於一基底,該基底上方形成有一導電 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂--------- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) A8 B8 C8 D8 476139 5 5 8 0 twf . doc /0 0 6 ------- 六、申請專利範圍 層,其包括: 於該導電層上形成一第一保護層; 將該基底傳輸至一化學機械硏磨機台中;以及 進行一化學機械硏磨製程,其中該化學機械硏磨製程 包括一硏磨劑。 π·如申請專利範圍第16項所述之防止在化學機械 硏磨製程中銅晶粒剝離現象發生之方法,其中該硏磨劑中 含有一保護劑。 18. 如申請專利範圍第π項所述之防止在化學機械 硏磨製程中銅晶粒剝離現象發生之方法,其中該保護劑爲 含有抗氧化劑之溶劑。 19. 如申請專利範圍第17項所述之防止在化學機械 硏磨製程中銅晶粒剝離現象發生之方法,其中該保護劑包 括苯基疊氮。 20. 如申請專利範圍第16項所述之防止在化學機械 硏磨製程中銅晶粒剝離現象發生之方法,其中該第一保護 層之材質包括含有抗氧化劑之材質。 21 ·如申g靑專利範圍第16項所述之防止在化學機械 硏磨製程中銅晶粒剝離現象發生之方法,其中該第一保護· 層之材質包括苯基疊氮。 22·如申請專利範圍第16項所述之防止在化學機械 硏磨製程中銅晶粒剝離現象發生之方法,其中在傳輸該基 底至該化學機械機台過程中,所有與該基底相接觸之複數 個設備的表面上,形成一第二保護層。 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) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 «------ —訂---------線—·---------------------- 476139 A8 B8 5580twf.doc/006 C8 L)〇 六、申請專利範圍 23. 如申請專利範圍第22項所述之防止在化學機械 硏磨製程中銅晶粒剝離現象發生之方法,其中該些設備包 括晶片裝載處、儲存槽、晶片傳輸路徑以及機械手臂之吸 嘴。 24. 如申請專利範圍第22項所述之防止在化學機械 硏磨製程中銅晶粒剝離現象發生之方法,其中該第二保護 層之材質包含苯基疊氮。 25. 如申請專利範圍第16項所述之防止在化學機械 硏磨製程中銅晶粒剝離現象發生之方法,其中該化學機械 硏磨機台之一內壁上,形成一層第二保護層。 26. 如申請專利範圍第25項所述之防止在化學機械 硏磨製程中銅晶粒剝離現象發生之方法,其中該第三保護 層之材質包含苯基疊氮。 (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 1 ϋ mmmt 11 ϋ -ϋ ^1· —^i 1·1 1·— tmam ·ϋ βϋ i^i I ϋ -^1 I n 1 ϋ ϋ I ϋ 1§ ΙΒ1 ϋ··- §§ ^^1 11 II ϋ n I i_i I 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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