TW520552B - Method for forming copper diffusion barrier layer by self-aligned displacement reaction - Google Patents
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Description
520552
特別《 i二有關於一種形成銅擴散阻障層的製造方法， ^別疋有關於在凹槽結構的半導體基底，％成自我（seif_ 1 gne置換反應之銅擴散阻障層的製造方法。 近年來，金屬銅之電化學沈積法（electro_chemical 入i〇_n ,ECD)被廣泛地應用，其主要原因乃是在於進 生電二I'綱加、線寬變小的同時，銘金屬容易產 予沈積法形成銅的方式，成為取代目前一般 (A1)與金屬鎢的最好選擇。 的銘線 Μ形成銅金屬之前，通常需要形成一層用來 政至其他70件的黏合/擴散阻障層，而一妒 鋼擴 2有石f化石夕和氮化石夕，但是這兩種高介電係數材擴^且 P早層，會增加RC延遲（RC delay )。 材枓的阻 鲁 鲁 ^為了防止外在的雜質或污染源擴散至金 在半V體凹槽結構基底的側壁及底部形成一阻:，除了 常還在凹槽結構形成金屬銅後再形成一阻障層^二外，通 ，將金屬銅完全包覆（encapsulate)在阻障屑II於其上 再用蝕刻法或是化學機械研磨法將不要的阻障\ ，然後 種作法在製程步驟上多了複雜性和成本提高，I备除，這 (dishing)情況產生，而影響後續的製程步驟。㈢有四陷 有鑑於此，為了解決上述問題，本發明主 提供一種形成銅擴散阻障層的製造方法，特別9 的在於 凹槽結構的半導體基底，形成自我（self —aHg=有關於在 應之銅擴散阻障層的製造方法，上述f造方法）置換反 、° /匕括下列步
520552 五、發明說明（2) 驟、：在上述該凹槽之側壁及底部形成一阻障層，形成一銅 導電層於該阻障層上；進行一接觸置換反應，使該銅導電 層表面轉換為一钽層，及利用電漿氮化法作用於該鈕層以 形成一氮化组層。 為使本發明之上述目的、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： 圖不說明： 第1圖係顯示本發明之實施例中，在半導體基底形成 銅導電層的示意圖。 第2圖係顯示本發明之實施例中，將晶圓置入反應室 氣氛中的示意圖。 第3圖係顯示本發明之實施例中，在銅導電層上自我 (self-aligned)置換反應成组層的示意圖。 第4圖係顯示本發明之實施例中，以電漿氮化法將钽 層 氮化 為 氮 化 钽 的 示 意 圖 符 號說 明 • 10 > 12 低 介 電 層 14 44 阻 障 層 j 16 銅 導 電 層 9 20 反 應 室 ； 22 管 路 裝 置 y 24 銅 離 子 去 除 管 路 26 晶 圓 ，
0503-6688TWF;TSMC2001-0599;Jerry.ptd 第5頁 520552
2 8〜氟化鈕溶液； 38、48〜组層。 實施例： 實施例為一種自我置換反應形成銅擴散阻障層 方法，適用於有凹槽結構的半導體 :為雙镶嵌結·，上述製造方法包括下列步二凹 二在上述该半導體基底形成一低介電層10和一低介電 :ί該低介電層1〇和該低介電層12形成-雙鑲嵌結構
為；、氮化纽、氣化欽其中之-，㈣於該U 、八、^構内以電鍍法形成一銅導電層丨6於該阻障層丨4上，並 以化學機械研磨（CMP)平坦化，去除低介電層12表 銅導電層16及阻障層14。 衣曲上之 如第2圖所示，將此晶圓26置入一反應室2〇内，與氟 化，溶液28作用，再提供一能量將作用過之溶液由另、一管 路衣置2 2抽出，將该作用過之溶液中的銅離子由管路2 4去 除’然後由迴路將該溶液送回反應室2 〇内。
一上述步驟為進行一銅接觸置換反應，其結果如第3圖 所示，在該低介電層1〇和該低介電層12所形成之雙鑲嵌结 構内其銅導電層16於該阻障層14上，經過該上述銅接觸置 換反應後’在該銅導電層16表面轉換為一钽層38，其中該 L層38厚度在1〇〇至5〇〇人之間。由於组原子與銅離子在適 當的壞境下，提供一外來能量，利用上述方法將作用過溶 液中的銅離子濃度減少在小於丨e-4〇莫耳濃度時，會發生
0503-6688TWF;TSMC2001-0599;Jerry.ptd 第 頁 520552
自發性的氧化還原反應，因 放置於氟化钽溶液2 8中，再 進行’來選擇性地於局部區 原全反應式如下所示： 此本發明係藉由將銅導電層i 6 藉由氧化還原接觸置換反應的 域形成钽層3 8。上述之氧化還 ^^^^6 (solution) + 5Cu(s) — 5 Cu2U 2Tan t+m^^E；：1=AE〇ce,1_{( 2-303RT/nF)M^^^ -+5/a
Ta.) '中AEceu為一 l 19V，n為當量數，F為法拉第常數 ，& CU2+為銅離子活性，a TaW為氟化鈕離子活性。當溶液 中的銅離子濃度減少在小於丨e-4G莫耳濃度時，也就是△ Ecell>〇V，會發生自發性的氧化還原反應。 如第4圖所不，將上述藉由氧化還原接觸置換反應後 ，於該低介電層10和該低介電層12所形成之雙鑲嵌結構内 其銅導電層16利用電漿氮化法將該钽層38氮化成氮化鈕， 其中該氮化组層厚度在1〇〇至4〇〇 A之間，使銅導電層46完 全包覆於該阻障層44之内，但有一未反應之鈕層48存在於 銅導-電層16嚴阻障層44之間，該電漿氮化法所使用的電漿 氣體為氮氣或氨氣其中之一。 依照本發明之精神，也可以利用一樣的氧化還原接觸 置換反應來形成另一氮化鈦的阻障層，其製程步驟和化學 機制與上述形成氮化钽阻障層的氧化還原接觸置換反應一丨_ 樣’只是將晶圓至入於含有鈦離子的反應室氣氛中，用以 形成鈦層，再用電漿氮化法將該鈦層氮化成氮化鈦層。 利用本發明所形成的氮化钽、氮化鈦阻障層，會降低 RC延遲，且可在凹槽結構形成金屬銅後再自我置換反應形
0503-6688TWF;TSMC2001 -0599;J e r ry.p t d 520552 五 發明說明（5) 成一阻障層覆蓋於盆μ 平日復皿於其上，將金屬銅完全包覆 ^ncapsulate)在阻障層内，防止外在的 产;散至金屬銅’重要的I本發明在形成阻障染振 將晶圓置入-反應氣氛中，#以電漿氮化法：：：，、只需 之鼠化層的厚纟，在製程步驟上相較於傳統製程^成所需 性和降低成本’且不會有因化學機械式研磨；產：了複雜 (dishing )的情況，而影響後續的製程步驟。凹陷 本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以p ^發明的粑圍’任何熟習此項技藝者’在不脫離本發明^ 精:申和範圍内，當可做些許的更動與潤飾，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為準。又
Claims (1)
- 520552、1 · 一種自我置換反應形成銅擴散阻障層的製造方法， t用於有凹槽結構的半導體基底，上述製造方法包括下列 步驟： 在上述該凹槽之側壁及底部形成一阻障層； 形成一銅導電層於該阻障層上； 進行一接觸置換反應，該銅導電層表面轉換為一钽 層；及 “ 利用電漿氮化法作用於該鋥層以形成一氮化钽層。 2 ·如申請專利範圍第1項所述之自我置換反應形成銅 擴散阻障層的製造方法，其中該四槽為鑲嵌結構。 3 ·如申請專利範圍第1項戶斤述之自我置換反應形成銅 擴政阻卩羊層的製造方法，复、續降障層為组、乳化姐、氮 化鈦其中之一。 一 f “ 4 ·如申請專利範圍第1項所述之自我置換反應形成銅 擴散阻障層的製造方法，其中该接觸置換反應在提供一外 來能量減少銅離子濃度在1於丨莫耳濃度時，成為一自 發性反應。 7 N ; 5 ·如申請專利範圍第丨項所述之自我置換反應形成銅 擴散阻障層的製造方法，复中該鋥層厚度在丨〇〇至5〇〇 A之 間。 ’、b·如申請專利範圍第丨項所述之自我置換反 擴散阻障層的製造方法，其中該電裝氮化法 ^ 氣體為氮氣或氨氣其中之一。 1之用的電 7.如申請專利範圍第i項戶斤述之自我置镇反應形成銅六、申請專利範圍 擴散阻障層的製造方法，其中 入之間。 T 4虱化鈕層厚度在100至400 8 ·如申請專利範圍第1項 擴檄阻隆厣沾制、皮+ , 、斤逃之自我置換反應形成銅 =阻…製造方法，其中該氮化组層下有一未反應之 ，用9於：種1我置換反應形成銅擴散阻障層的製造方法， 於有凹槽結構的半導體基底，上述製造方法包括下列 在上述該凹槽之側壁及底部形成一阻障層； 形成一銅導電層於該阻障層上； 進仃-接觸置換反應，使該銅導電層表面轉換為一鈦 層， 巧用電！虱化法作用於該鈦層以形成一氮化鈦層。 •立如申明專利範圍第9項所述之自我置換反應形成銅 擴政阻p早層的製造方法，其中該凹槽為鑲嵌結構。 11 · ι如申明專利範圍第9項所述之自我置換反應形成銅 擴散阻障層的製造方法，其中該阻障層為组、氮化组 化鈦其中之一。 1 2·如申請專利範圍第9項所述之自我置換反應形成銅 擴散阻障層的製造方法，其中該接觸置換反應在提供一外 來能$減少銅離子濃度在小於丨e_4G莫耳濃度時，成為一自 發性反應。 1 3 ·如申請專利範圍第9項所述之自我置換反應形成銅 擴散阻障層的製造方法，其中該鈦層厚度在丨〇 〇至5 〇 〇 A之0503-6688TWF;TSMC2001 -0599;J e r ry.p t d 第10頁 520552 六、申請專利範圍 間。 1 4.如申請專利範圍第9項所述之自我置換反應形成銅 擴散阻障層的製造方法，其中該電漿氮化法所使用的電漿 氣體為氮氣或氨氣其中之一。 1 5.如申請專利範圍第9項所述之自我置換反應形成銅 擴散阻障層的製造方法，其中該氮化鈦層厚度在100至400 A之間。 1 6.如申請專利範圍第9項所述之自我置換反應形成銅 擴散阻障層的製造方法，其中該氮化鈦層下有一未反應之 鈦層。0503-6688TWF;TSMC2001 -0599;J e r ry.p t d 第11頁
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