TWI234814B - Method of manufacturing a semiconductor device - Google Patents

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TWI234814B
TWI234814B TW092117301A TW92117301A TWI234814B TW I234814 B TWI234814 B TW I234814B TW 092117301 A TW092117301 A TW 092117301A TW 92117301 A TW92117301 A TW 92117301A TW I234814 B TWI234814 B TW I234814B
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Yuji Segawa
Takeshi Nogami
Hiroshi Horikoshi
Naoki Komai
Original Assignee
Sony Corp
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Description

1234814 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 、明係關於一種採用含銅的金屬配線之半導體裝置 γ1m尤為特別者，係具備防止銅擴散至層間絕緣 膜等機能之半導體裝置的製造方法。 【先前技術】 以往’在半導體晶圓上形成高密度集成電路之細微配線 材料，係採用銘系合金。然而，為了再提昇半導體裝置的 速度，必頊採用比電阻更低的配線材科，此類材料可例舉 如銅或銀等。尤其是銅材料，其比電阻係低至U叩cm， :助：半導體裝置的高速化，因抗電致遷移性較銘系合金 阿了 級（order) ’被看好為次世次的材料。 採：銅形成配線時，不易對銅進行乾濕蝕，故一般係運 尽斤胃的i屬鑲嵌（damascene)。該方法之内容，係在有如 乳化石夕的層間絕賴先形成既定溝槽，待將配線材料（銅） 真居溝槽後，以化學機械研磨法（Chemicai Mechanical • g以下逕稱為CMP)將多餘的配線材料去除以形成 配、泉又在形成連接孔（via hole)及配線溝（drench)之後， 一併埋入配線材料，復以cMP去除多餘配線材料，即雙層 配線鑲嵌法，同樣為吾人所周知。 此外，一般係將銅配線用於多層化用途。此時，為防止 銅至屬擴散至層間絕緣膜，乃在形成上述配線前，先形成 包含氮化矽、炭化矽等之阻障膜。 …、、而，在CMP後的銅配線表面不存有阻障膜，故在形成
85018-931209.DOC 1234814 上層配線前先形成具有銅擴散防止層機能的阻障膜。此時 ，因銅在低達150°C的低溫下仍易於在含氧的環境中發生氧 化現象，一般係以未含氧的材料，如氮化梦膜（SiN)或炭化 矽膜（SiC)等，作為阻障膜。 然而，因為氮化矽（SiN)或炭化矽（SiC)的比介電率較氧 化矽（Si〇2)為大，使得採用銅配線的半導體裝置之實際介 電率上升，造成增加半導體裝置的RC延遲（因電阻與電容 導致之配線延遲）的問題，或是弱化了阻障膜SiN、SiC與銅 的界面間之抗電致遷移性。 已知有一提案，係將對於銅擴散防止性佳、能改善RC延 遲、以及抗電致遷移性佳的CoWP材料，形成於CMP後的銅 配線表面，即USP 5695810所揭示者（USE OF COBALT TUNGSTEN PHOSPHITE AS A BARRIER MATERIAL FOR COPPER METALLIZATION)(即銅配線製程中以磷鈷化鎢 為阻障材料）。再者，CoWP亦有可藉無電電鍍在銅配線上 選擇性成膜的特點。
以圖21表示此種採用CoWP為阻障膜的先前半導體裝置 。該半導體裝置包含了含銅之金屬配線，且在該金屬配線 上，形成了包含具銅擴散防止機能的CoWP之阻障膜。若 細分此半導體裝置的結構，係在預先製作了電晶體等元件 (省略其圖示）的基板101上，將含銅之金屬配線（以下稱為 銅配線）之下層配線102a、102b，埋入設在絕緣層103a的溝 槽内。又，絕緣層10 3 a包含例如S i Ο C，在下層配線10 2 a、 102b與絕緣層103a之間，形成阻障層104a，含有例如TaN
85018-931209.DOC 1234814 。又’在基板101與絕緣層l〇3a之間，形成了包含例如Sic 的触刻終止層105，俾防止銅由下層配線l〇2a、102b擴散至 基板ιοί。又，在下層配線102a、1〇2b及絕緣層1〇3&上，經 由用來防止銅擴散的SiN膜形成了絕緣膜1 〇3b。絕緣膜 l〇3b包含例如Si〇2。 更在絕緣膜10补上，經由用來防止銅擴散的SiN膜形成 了絕緣膜103c，經由含有例如TaN的阻障金屬膜1〇4b，將 含銅的金屬配線，即上層配線丨〇6a、1 〇6b，形成於設在絕 緣層103b及絕緣層i〇3c的溝槽。又，在上層配線1〇6a、1〇6b 上，亦即上層配線l〇6a、106b未由阻障金屬膜i〇4b所被覆 的表面，亦即圖21的上面，經由鈀（Pd)置換層1〇7，形成了 包含具銅擴散防止機能的C〇WP之阻障膜1〇8。 製作上述半導體裝置時，係藉著對銅配線上施以c〇Wp 的無電電鍍以形成阻障膜。以下將簡要說明對銅配線上施 以CoWP的無電電鍍成膜方法及其原理。為藉著無電電鍍 法將CoWP的觸媒。一般採用的方法，係藉置換電鍍法， 預先在銅表面形成鈀（Pd)等觸媒金屬層。 置換電鍍法，係利用異種金屬之離子化傾向的相異性而 進行者。因銅與鈀相較係屬電化學上的卑金屬，因之，若 將銅浸入例如PdCh的HCL溶液中，隨著銅的溶解所放出的 電子，移轉成溶液中的貴金屬，即鈀離子，致在卑金屬之 銅表面上形成鈀。因為在絕非金屬的絕緣膜表面無法發生 鈀的置換，故觸媒活性層僅在銅上形成。之後續以該鈀層 為觸媒，僅於銅配線上開始無電電鍍反應，而由c〇wp來
85018-931209.DOC 1234814 形成阻障金屬層。 然而，上述方法之中，藉著鈀的置換電鍍在銅表面形成 觸媒活化層之際，易有蝕入銅配線使其受損的問題。尤其 疋，可能會沿著鋼的結晶（grain)對銅的局部鑿洞，甚至腐 蝕嚴重時尚可能造成銅配線的斷線。究其結果，銅配線的 抽傷嚴重時將造成銅配線的電阻提高30%。再者，欲將
Co WP的成膜埋入銅結晶間產生的鑿洞有其困難，究其結 果在(：：0〜1>成膜後仍留有銅配線間的孔洞，以致基於此 而急速惡化抗電致遷移性。 因而，本發明係基於上述現狀而提案者，丨目的在提供 種半導體裝置的製造方法，以達成半導體裝置的高速化 及良好的品質可靠度。 【發明内容】 先前，以無電電鍍法將阻障 時，必須以鈀等觸媒性高的金 媒活化處理。具體而言，例如 金屬配線表面置換成鈀，以形 觸媒活性層的鈀為觸媒核進行 ，達成上揭目的之本發明的半㈣裝置之製造方法，其 特欲在& ’乃疋將具有域散防止機能的阻障卿成在含 :的至屬配線上者，且，使用添加觸媒金屬的電鍍來進行 私鍍’以形成含有觸媒金屬的金屬配線，並以外露於金屬 配線表面的觸媒金屬為觸媒來進行無電電鍍，俾將具有銅 擴散防止機能的阻障膜形成在金屬配線上。 膜形成於含銅的金屬配線上 屬在金屬配線層表面施以觸 ’以鈀的置換電鍍使含銅的 成觸媒活性層，之後，以該 無電電鍍。
85018-931209.DOC 1234814 凍然而，在本發明之半導體裝置的製造方法中，如以上所 过在形成含銅的金屬配線之際係預使金屬配線中本有 ”旬乂内含於金屬配線中的觸媒金屬當中之外露於金 ::、、泉表面的觸媒金屬，作為無電電鍍時的觸媒核，藉此 ”屬配泉上形成具有銅擴散防止機能的阻障膜。 右：予以詳細說明’本發明之半導體裝置的製造方法中 甩鈹形成含銅金屬配線之際，係預將觸媒金屬添加入 电’度使用的電鍍液内。該觸媒金屬係形成阻障膜之際用來 啟動無電電鎮反應的觸媒…，著使用、“：《際用未 嗍蛛又精耆使用添加有觸媒金屬 :电鍍液來進行電鍍，可形成含有觸媒金屬的金屬配線。 :即’可使形成的金屬配線中及其表面分散配置有觸媒金 、又’根據實際需要將多餘部分去除且施以平坦化處理， =行無電電鍍財施藉外露於金屬轉的表面之觸媒金 屬為觸媒形成阻障膜作業，之後，以該觸媒金屬為觸媒的 此處，觸媒金屬外露於金屬配 存有觸媒金屬的地方進行。因而 地進行阻障膜的成膜。 應開始進行，更藉由自我觸媒作用而持續無電 电麵反應的進行，而在金屬配線上形成阻障膜。 線的表面，無電電鍍僅在 ’可在金屬配線上選擇性 以上所揭方法中，係使用預先添加觸媒金屬的電鍍液來 :::Γ形成金屬配線’在無電電鍍中職司觸媒機能之 觸媒金屬’乃分散配置在金屬線中及其表面。藉此，1有 先可的製造方法中施以觸媒活化處理時的同等效果。
85018-931209.DOC -10- 1234814 因而’本發明之中’省格了先前的製造方法中所必須的 觸媒活化處理步驟，故能以簡化的製程來提昇形成阻障膜 的效率，能以較低成本，製造出可確實防止銅原子擴散至 層間絕緣膜的高品質半導體裝置。 、又，、本發明之半導體裝置的製造方法中，如以上所述， 並未進仃觸媒活化步驟，因而，不會使金屬配線本身遭致 腐蝕。亦即，不會因腐蝕而造成金屬配線中具有鑿孔，更 不會因腐蝕而造成斷線等損傷。因之，可免於因金屬配線 的腐蚀導致配線電阻的上昇或是抗電致遷移性的惡化等， ii免了忒些造成半導體裝置的動作不良之問題點，故可製 造出高品質的半導體裝置。 再者，因本發明之半導體裝置的製造方法無須觸媒活化 $步驟，因而避免了先前方法中觸媒金屬及附殘留在層間絕 #膜上的現象’究其結果’因為不會在層間絕緣膜上开j成 阻障膜，故可提昇阻障膜成膜時的成膜選擇性，故能製造 出高品質的半導體裝置。 【實施方式】 以下邊參照附圖，詳細說明適用於本發明之半導體裝置 的製造方法。又，本發明不侷限於以下所述，凡在未變更 本發明要旨之範圍内，可作適度的變更。首先，係以本發 月運用在單層配線者為說明例。再者，以下的圖面乃用於 辅助說明，不免與實際比例相達。 圖1係運用本發明所製作出的半導體裝置之要部截面圖 。该半導體裝置中具有含銅的金屬配線，在該金屬配線上
85018-931209.DOC -11 - 1234814 /成了 /、銅擴政防止機能的阻障膜。若進一步說明該半導 體裝置的結構，係在縣製作有電Μ等元相、略其圖示） 的基板1上，將含銅的金屬配線（以下稱為銅配線）2,埋入 設在層間絕緣膜3的溝槽内。 層間絕緣膜3，係含有例如Si〇c、义〇2、SiLK、几綱 (水万香烴醚膜）、添加氟素的氧化矽（FSG)、或是其他低介 電率絕緣膜而構成者。在銅配線2與層間絕緣膜3之間，形 成具有銅擴散防止機能的阻障金屬膜4，以及在埋入銅線 步驟時經電鍍使銅成膜之際作為導電層用途之銅種晶 (seed)層5。阻障金屬膜4，例如，係含TaN、Ta、丁丨、丁以 、W、WXN、或是此等之積層膜者。 又，在基板1與層間絕緣膜3之間，形成蝕刻終止層6， 含有例如SiN、SiC等。 又此半導體裝置中，在銅配線2上，亦即銅配線2不由 阻障金屬膜4所被覆的表面，亦即圖丨之上面，形成了具銅 擴散防止機能的阻障膜7。此處之阻障膜7，係形成於銅配 、’泉上之包含磷姑化鎢（c〇wp)膜者。以包含磷鈷化鎢 (C〇WP)膜者作為阻障膜7使得該半導體裝置中包含磷姑化 鎢（CoWP)膜所構成之阻障膜7，可充分發揮銅的擴散防止 膜之機能，可確實防止銅擴散至層間絕緣膜。 又，以包含磷姑化鎢（CoWP)膜者作為阻障膜7，能夠使 得該半導體裝置中的阻障膜7，不像採用SiN為銅擴散防止 膜般地往往弱化了銅擴散防止膜與銅的界面間的抗電致遷 移性，或因銅擴散防止膜本身因高介電率原因導致RC延遲 85018-931209.DOC -12- 1234814 的拉長。亦即，以包.含磷姑化鎢（cowp)膜者為阻障膜7, 具有良好的銅擴散防止性，具有良好的抗電致遷移性，又 ’可抑制半導體裝置之RC延遲。 該種半導體裝置可藉下述方法製得。首先，如圖2所示 般，以CVD(Chemical Vapor Deposition，即化學氣相沉積） 法，將SiC、SiN等材料被覆於基板丨上，使蝕刻終止層6成 膜。具體而言，係以例如甲矽烷（SiH4)為原料氣體，使用 ΝΑ及A的混合氣體，藉CVD法成SiN成膜達5〇mn。 接著，如圖3所示，在蝕刻終止層6上的全面，使用四乙 氧基矽烷（TEOS)與〇2的混合氣體為原料氣體，繼上述蝕刻 終止層6的成膜後續以CVD法形成含^〇2的層間絕緣膜3。 該層間絕緣膜3的成膜，可接於上述製程之蝕刻終止層6的 成膜之後續於同一反應室（Chamber)内進行。又，層間絕緣 膜3之形成並不侷限用si〇2，凡SiOC等周知的氧化物，或 是低介電率材料等有機材料亦佳。 繼而，如圖4所示，以微影及乾蝕刻製程，在層間絕緣 膜3形成配線用溝槽8之圖案化。例如，可藉下述姓刻條件 來蝕刻層間絕緣膜3。 <層間絕緣膜3的蝕刻條件> 使用氣體·· CHF3/CF4/Ar=30/60/800 seem 壓力 ：200 Pa
基板溫度：25°C 接著，如圖 5所示’以 PVD(Physical Vapor Deposition， 即物理氣相沈積）法來形成含有例如TaN的阻障金屬膜4，以 85018-931209.DOC -13- 1234814 P万止銅朝層間絕緣膜3擴散。阻障金屬膜4 r:尚可使用^、鹽1、-，或是該等： 和層膜等銅保有優良阻障性的材料。 進而’如圖6所示，以PVD法在阻障金屬膜4上形戊銅種 晶層5。銅種晶層5之功用，係在其後的埋入銅線步驟中經 電鍍形成銅膜之際作為導電層。阻障金屬膜4及銅種晶層$ 的成膜並不侷限於PVD法，以CVD法形成者亦佳。曰 又，對其各別膜厚之設定，除遵循設計規則外，希使阻 障金屬膜4在5〇nm以下，使銅種晶層在2〇〇11111以下為佳。 因而，舉例而言可使含TaN的阻障金屬膜4之成膜2〇 厚 ，使位於該阻障金屬膜4之上的銅種晶層5之成為15〇11〇1厚 。以下所示係此時阻障金屬膜4之PVD成膜條件的一例。 <阻障金屬膜4之PVD成膜條件>
Dc功率 ：1 Kw 製程氣體 ：Ai-50 sccm
AC晶圓偏壓功率：350 W 又，以下所示係銅種晶層5之PVD成膜條件的一例，。 接著，如圖7所示，藉由電鍍銅使銅9成膜，將銅9埋入 溝槽8内。此時，係先將作為觸媒金屬1〇a的鈀加入電鍍銅 時使用的電鍍液中。該觸媒金屬l〇a之功用，係在下述的形 成阻障膜7之際，作為啟動無電電鍍反應的觸媒。又，藉著 使用預加入鈀等觸媒金屬1 〇a的電鍍液來電鍍銅俾將成膜 的銅9埋入溝槽8内，可形成含有觸媒金屬1〇a的銅配線2。 具體而言，形成銅配線2時，能使得觸媒金屬隨機地分 85018-931209.DOC -14- 1234814 散配置在銅線2中及其表面。 先前的半導體裝置之製造方法中，欲在銅配線2上形成 阻障膜7時，必須使用高觸媒性的金屬，例如鈀等，在銅線 2的表面施以觸媒活化處理。具體而言，例如，藉著鈀的置 換電鍍將銅配線2的表面置換成鈀，以在銅配線2的表面形 成觸媒活性層，之後，以該觸媒活化層的鈀作為觸媒來進 行無電電鍍。 然而在本發之半導體裝置的製方法中，則是同上述般地 預將觸媒金屬l〇a添加入銅的電鍍液中，藉著使用該電鍍液 來進行銅的電鍍，可形成含有觸媒金屬1〇a的銅配線2。亦 即，使得作為啟動無電電鍍的反應觸媒之觸媒金屬1〇a，分 散配置在銅配線2中及其表面。 藉此，與先前的製造方法中施以觸媒活化處理時的效果 相等，但可省略先前製造方法所入須的觸媒活化處理步驟 。因之，本明之半導體裝置的製造方法中，因簡化了製程 而提昇形成阻障膜7的效率，故能以較低成本，製造出能確 實防止銅原子朝層間絕緣膜的高品質半導體裝置。 又，因本發明之半導體裝置的製造方法不須進行觸媒活 化步驟，在形成阻障膜7之際能免於銅配線2受到腐蝕。又 ，因本發明之半導體裝置的製造方法不須進行觸媒活化步 驟，能使得銅配線2免於因腐蝕而產生鑿孔，甚至因腐蝕而 遭致斷線等損傷。因而，不會因腐蝕而提高銅配線2的配線 私阻或劣化柷電致遷移性等。因之，不因銅配線2的腐|虫 而發生半導體裝置的動作不良，可製造出高品質的半導體
85018-931209.DOC 15 1234814 裝置。 再者’时發明之半導體裝置的製造方法不彡貞進行觸媒 活化步驟，其觸媒金屬不會像先前方法般地吸附、殘留於 層間絕緣膜3，《其結|，因p且障膜7不形成於層間絕^ 3 ，故在後述之阻障膜7成膜時的膜選擇性獲得提昇。其原因 所在，係因無電電鍍僅在存有觸媒金屬丨〇a之處進行，而本 發明之半導體裝置的製造方法中的觸媒金屬1〇a僅選擇性 地配置在銅配線2上。 此外，因電鍍時一般係採用硫酸銅系的電鍍液，例如以 在巴為觸媒金屬時’希將硫酸免添加入銅的電鍍液中以作為 上述觸媒金屬的添加方法。然而，若是僅將硫酸鈀加入銅 的電鍍液中’將使銅的電鍍液中因加水分解而產生的水氧 化物，造成該水氧化物浮游於銅的電鍍液中，除引起電鍵 液的變色，亦成為電鍍液的不穩定因素。 此處，在本發明中，希將錯體化的觸媒金屬添加入銅的 電鍍液中。亦即，例如以鈀為觸媒金屬時，係藉檸檬酸等 將飽錯體化後才添加入銅的電鍍液中。如所揭示者，藉著 將錯體化的飽加入銅的電鍍液中，可避免銅的電鍍液中因 加水分解而產生鈀的水氧化物，不會造成該水氧化物浮游 於銅的電鍍中之現象。因之，不因為鈀的水氧化物造成電 鍵液的變色’或是電鐘的不穩定，故可於穩定條件下進行 高品質的鍍銅作業。 又，除了鈀以外，尚可以金（Au)、白金（Pt)、銀（Ag)、铑 (Rh)、鈷（Co)、鎳（Ni)、等作為添入銅的電鍍液之觸媒金屬 85018-931209.DOC -16- 1234814 。即使以。亥等材料作為添入銅白々電鐘液之觸媒I屬，仍以 使用#檬鉍塩、酒石酸塩、琥珀酸塩等適當錯化劑予以錯 體化使成金屬塩後才添入銅的電解液者為佳。 又，因形成阻障膜7的材料不同，用來啟動後述無電電 鍍所必須的觸媒金屬量，亦即存於銅配線2表面的單位面積 之觸媒金屬分散密度，亦有差異。因⑸，添入銅的電鍍： 之觸媒金屬10a的添加量並無限定，只須根據形成阻障膜？ 的材質來適當設定。 以下所示一例，係上述添入錯體化的鈀之銅的電鍍液組 成及電鍍銅的條件。 <銅的電鍍液組成〉 硫酸銅 ：200 g/Ι〜250 g/1 ，闰又茨ο 檸檬酸胺 硫酸 氯離子 光澤劑等添r Αα逾ll 10 mg/1 〜1 g/1 20 mg/1〜4 g/1(檸檬酸鈉等亦可） 10 g/Ι〜50 g/1 20 mg/1 〜80 mg/1 適量 <電鍍銅的條件>
電鍍電流值 ：2.83A 境鍍時間 ·· 4分30秒（1 μηι)
電鍍液溫度 ：25°C〜30°C 陰極電流密度：1 mA/cm2〜5 mA/cm2 又’上述雖以硫酸銅浴來電鍍銅，然而，除硫酸銅浴外 尚可藉硼氟化銅浴、焦磷酸銅浴、氰化銅浴等來電鍍銅。
85018-931209.DOC -17- 1234814 而後’如圖8所示，去除多餘的銅9、阻障金屬膜4及銅 種曰曰層5，使銅9僅存於溝槽8内而形成銅配線2。藉此，使 内含於鋼配線2的鈀外露於銅配線2的表面。亦即，使下一 步驟中藉無電電鍍形成阻障膜7時職司觸媒機能之觸媒金 屬10a，外露於銅配線2的表面。 此處，藉一般泛用的CMp技術以研磨去多餘的銅9等。 此製私肩研磨層間絕緣膜3的表面及至配線材料僅存在於 溝才曰8内希以層間絕緣膜3上不殘留任何該等配線來控制 幵磨進行在CMP研磨製程中，必須要以研磨去除銅9，阻 障金屬膜4及銅種晶層5之複數種材料，是故，必須要隨研 磨材料來控制研磨液（slurry，研漿），研磨條件等。因之， 有時須進行複數步驟之研磨。以下係—例去除多餘銅之 CMP條件。 <銅之CMP條件> 1〇〇 g/ cm2 旋轉數 旋轉塾 研磨液 流量 溫度 30 rpm 不織布與獨立發泡體之積層體 添加H2〇2 (含氧化鋁之研磨液）
100 cc/min 25 〜30〇C 接著係在銅配線2上形成阻障膜7，然而，尚須應實際需 要施以前處理，以去除CMP研磨製程後形成於銅配線2上的 自然氧化膜，之後，藉無電電鍍法，如圖8所示般地在銅配 線2上形成阻障膜7。藉由採用無電電鍍法，能夠僅在銅配 85018-931209.DOC • 18 - 1234814 線2上選擇性地形成阻障膜7，故能省略蝕刻阻障膜7的製程 。以下所示為前處理之一具體例。 <前處理> (1) 脫脂處理：藉鹼性脫脂或酸性脫脂提昇表面之潤濕性。 (2) 氧化處理：以2%〜3%的塩酸等進行中和的同時， 去除表面之氧化銅。 (3) 純水沖洗 上述前處理步驟中，（1)脫脂處理及（2)氧化處理之處理方 法，可例舉如使用自旋式塗敷機的旋式處理、漿式 處理（沾取處理液體）、甚至是浸入式（diving)處理等。 接著，以無電電鍍方法，在銅配線2的表面形成例如 C〇WP膜作為阻障膜7。c〇wp膜之成膜，係如圖9所示般， 以外露於銅配線2表面之觸媒金屬i〇a，亦即鈀，作為觸媒 以啟動CoWP之無電電鍍反應。又，因自我觸媒作用而持 續無電電鍍反應，藉此如圖1〇所示在銅配線2上形成c〇wp 膜。 如以上所述，此處之觸媒金屬1〇a，亦即鈀，外露於銅配 線2的表面，無電電鍍僅在存有鈀之處進行。因之，可以僅 在銅配線2上選擇性地形成阻障膜7。 又’本發明中的阻障膜7不侷限為CoWP膜，可採用姑合 金或鎳合金，將之以無電電鍍法來形成。可例舉如c〇p、
CoB、CoW、CoMo、CoWB、CoMoP、CoMoB等鈷合金。 另’可例舉如Ni WP、Ni WB、NiMoP、NiMoB等鎳合金。 再者’亦可採鈷與鎳雙方的合金、鎢與鉬雙方的合金組合
85018-931209.DOC -19- 1234814 等。將鎢或鉬添加入鈷或鎳内可增加銅擴散防止效果。又 ，在無電電鍍時隨後混入的磷或硼，亦可使成膜的姑或鎳 具有微細結晶構造，有利銅擴散防止效果。 以下所示一例，係用於上述無電電鍍之無電電鍍液組成 及條件。 (Cop之應用例） <無電電鐘液的組成〉 氯化鈷：10〜100 g/Ι(硫酸鉛等） 甘胺酸（qlycine) : 2〜50 g/Ι(檸檬酸、酒石酸、琥珀酸、 蘋果酸、丙二酸、蟻酸等胺迄、或該等之混合物） 次亞燐酸胺：2〜200 g"(福嗎啉、二羥醋酸、聯胺、氫 化硼胺、二甲基胺硼烷（DMAB)等水氧化胺（（四）甲基氫氧 化胺（TMAH)等pH調整劑）） <無電電鍍的條件> 電鍍液溫度 ：50〜95°C 電鍍的pH : 7〜12 上述無電電鍍液的組成中，以福嗎啉、二輕醋酸、聯胺 等來代替次亞瞵酸胺時，將使阻障膜不含磷（P)。又，若使 用氫化硼胺或二甲基胺硼烷（DMAB)，可從含磷（P)膜成為 含硼（B)膜。此點在下述的無電電鍍液之組成中亦同。 (CoWP、CoMoP、NiWP、NiMoP之應用例） 〈無電電鐘液的組成〉 氯化鈷或氯化鎳：10〜100 g/l(硫酸鈷、硫酸鎳等） 甘胺酸：2〜50 g/l(擰檬酸、酒石酸、琥珀酸、蘋果酸、 85018-931209.DOC -20- 1234814 丙二酸、蟻酸等胺塩、或該等之混合物） 次亞燐酸胺：2〜· g/1(福嗎,林、二幾醋酸、聯胺、氣 化蝴胺、：甲基胺魏_ΑΒ)等水氧化胺（(四）甲基氯氧 化胺（TMAH)等調整劑pH)) <無電電鍍的條件> 電鍍液溫度·· 50〜95°C 電鍵的p Η .· 8〜12 對於上述無電電鍍， 旋式塗敷機的旋式處理 等方法來成膜。 亦可同於前處理料，藉著使用自 、或是漿式處理、甚至是浸入處理 採上揭作法，可製作出如^所示’具有鋼擴散防止機 能、亦具艮好的抗電致遷移性。且能降低Rc延敎高品所 的半導體裝置。 貝 。又，内含於鋼配線2的觸媒金屬1Ga之中，以存在於銅線 配線2表面之觸媒金屬1〇3為觸媒核，亦即，作為啟動無電 電鐘反應之觸媒’俾藉由無電電鍍將具有鋼擴散防止機能 的阻障膜7形成於銅配線2上。 & 如以上所揭示者，本發明之半導體裝置的製造方法中， 形成銅配線2之際，係先使金屬配線中含有觸媒金屬心。 具體而言’以電鐘厘入銅配線2之際’係預將觸媒金屬他 添加入電鍵液中’並使用該電鐘液來進行電鍍以埋入銅線] —在該方法中，作為啟動無電電鍍反應的觸媒金屬1〇&，係 藉銅配線2的形成，分散配置在銅配線2中及其表面，因 ’藉銅配線2的形成，達成相等於先前製造方法中施以觸^ 85018-931209.DOC -21 - 1234814 處里《絲，故可省略先前製造方法所不可或缺的觸 媒活^處理步驟。藉此，本發明之半導體裝置的製造方法 中’件以簡化的製程來提昇阻障膜7的形成效率，故能以較 低成本’製造出能確實防止銅原子朝層絕緣膜擴散之高品 質半導體裝置。 又’本發明之半導體裝置的製造方法中，如以上所述般 f須觸媒活㈣程，社，在形成阻障膜7之際不會使銅配 泉又到腐|虫。因㊉，可免於因銅配線2的腐触而提高配線 电阻或疋惡化柷電致遷移性等，避免半導體裝置的動作不 良，故可製造出高品質的半導體裝置。 ，再者因本發明之半導體裝置的製造方法無須觸媒活化 製私，故不像先前方法般地造成觸媒金屬吸附、殘留在層 間、、、邑緣膜3上，咒其結果，不會在層間絕緣膜上形成阻障膜 7可}疋昇阻障膜7成膜時的成膜選擇性，故可製造出高品 質的半導體裝置。 再者，上述半導體裝置之製造方法，對於金屬鑲嵌法、 乂層配線金屬鑲彼法等任一種溝槽配線技術均可適用。 接著’乃將本發明應用在具多層配線之半導體裝置，以 說明所謂雙層配線金屬鑲嵌法的具體製造方法。 首先’如同上述單層配線時所示，形成圖丨丨之第1配線， 即下層配線。繼而，根據以下步驟形成第2配線，即上配線 。再者，以下所述内容中，對於同於上述說明之元件，係 賦與同於上述之符號，以省略詳細說明。 上層配線之形成，首先，係施以氫氟酸（HF)溶液處理， 85018-931209.DOC -22- 1234814 以去除層間絕緣膜3上的殘留之銅原子。 繼而，如圖12所示，以CVD法，依序形成含Sioc且深度 同於接觸孔（via hole)的層間絕緣膜，以及用來防止銅擴散 的SiN膜11。 接著，如圖1 3所示，藉著微影及隨後的乾蝕刻對siN膜 11加工，俾在下層配線2的正上方且相應於接觸孔的位置形 成開口部12的圖案。 又，如圖14所示，以CVD法，在包含開口部12的SiN膜 11上，堆積SiOC達上層配線的深度，以形成層間絕緣膜13。 接著，將光阻塗布於層間絕緣膜1 3上，藉微影技術形成 光阻罩幕後（圖示省略）’以該光阻障幕進行蚀刻而對層絕 緣膜1 3加工。再繼續蝕刻作業，如圖15所示般地加工層間 絕緣膜1 Ob。該蝕刻作業停止於阻障膜7上。 接著，再藉微影技術以光阻（圖示省略）對配線形成狀以 外的邵分圖案。又，採用該光阻罩幕進行姓刻。去除光阻 之後，遂如圖16所示，在層間絕緣膜l〇b内形成了連通阻障 膜7，以層間絕緣膜l〇b為側壁之接觸孔15 ;又，在層間絕 緣膜13内形成以層間絕緣膜13&siN膜11為側壁之上層配 線溝14。以下將配線溝丨4及接觸孔15統稱為凹部16。 繼而，如圖17所示，藉由PVD法形成包含例如TaN的阻 障金屬膜17,以防止銅擴散至層間絕緣膜i〇b及層間絕緣膜 1 3 ’緊接著續以PVD法形成銅種晶層1 8。阻障金屬膜17之 材料，除TaN外，尚可使用Ta、TiN、WN等對具有良好阻 障的材料。銅種晶層18之用功，係在其後的埋入銅線步驟 85018-931209.DOC -23- 1234814 中、、’二笔鍍產生銅膜之際作為導電層者。阻障金屬膜1 7及銅 種晶層18的成膜並不侷限於PVD法，亦可藉CVD法成膜。 對於各自膜厚的要求，除遵守設計規則外，希使阻障金屬 膜17在50 nm以下，使銅種晶層在2〇〇 nin以下。 接著，如圖18所示，藉電鍍銅將銅19埋入凹部16。此時 係Π表上述，預將作為觸媒金屬2〇的免，加戊電鍵銅時 所用的電鍍液中。該觸媒金屬2〇的功用，係在形成後述阻 P早膜22之際，作為啟動無電電鍍反應的觸媒。又，銅19的 膜厚異於凹部16的深度，希以差距2 μηι下為基準。 接著，如圖1 9所示，去除多餘的銅丨9、阻障金屬膜丨了及 銅種晶層18，使得銅19僅存於凹部16，而形成上層配線之 銅配線21。藉此，使内含於銅配線21中的鈀外露於銅配線 21的表面。亦即，使得在次一製程經無電電鍍形成阻障膜 22<際職司觸媒機能的觸媒金屬2〇，外露於銅配線以的表 面。 去除多餘的銅19時可用廣被運用的CMp來進行研磨。此 製私須研磨層間絕緣膜丨3的表面及至配線材料僅存在於凹 邵16内，希以層間絕緣膜13上不殘留任何該等配線來控制 研磨進行。在CMP研磨製程中，必須要以研磨去除銅丨9、 阻障金屬膜17及銅種晶層18之複數種材料，是故，必須要 隨研磨材料來控制研磨液（slurry,研漿），研磨條件等。因 之，有時須進行複數步驟之研磨。 接著係在銅配線21上形成阻障膜22，然而，尚須應實際 。需要施以前處理，以CMP研磨製程後形成於銅配線21上 85018-931209.DOC -24- 1234814 的自…：氧化膜’之後，藉無電電鍍法，在銅配線21上形成 阻Ρ早膜22。藉由採用無電電鍛法，能夠僅在銅配線上選 擇性地形成阻障膜22，故能省略餘刻阻障膜22的製程。以 下所TF為如處理之》具體例。 <前處理> ⑴脫脂處理：藉驗性脫脂或酸性脫脂，提昇表面之潤 濕性。 (2) 氧化處理：以2%〜3%的塩酸等進行中和的同時， 去除表面之氧化銅。 (3) 純水沖洗 上述前處理步驟中，⑴脫脂處理及⑺氧化處理之處理方 法，可例舉如使用自旋式塗敷機的旋式處理、漿式處理 (沾取液體）、甚至是浸入式處理等。 接耆，以無電電鍍方法，在銅配線21的表面形成例如 C0醫膜作為阻障膜22。c。WP膜之成膜，係以外露於銅配 線21表面之觸媒金屬20 ’亦即免，作為觸媒以啟動c哪 之無電電鍵反應。又，因自我觸媒作用而持續無電電鍵反 應，藉此如圖20所示，在銅配線21上形成作為p且障膜^之 CoWP 膜。 如以上所述，此處之觸媒金屬20,亦即免，外露於銅配 線21的表面，無電電鍍僅在存有鈀之處進行。因之，可以 僅在銅配線21上選擇性地形成阻障膜22。 之後’可藉著重覆同樣的步驟’製作出可確實防止銅擴 散之高可靠度的多層銅配線。 、 85018-931209.DOC -25- 1234814
上述所說日月I 一 、 “本發明應用在單層配線及多層配線的 ^ ·: 本I明並未侷限於上述内容，在未脫本發明 要旨的範圍内，尚可作適宜變更。 配、泉〈夕層化作法，不侷限^上述藉雙層鑲嵌來形 成配線，亦可採各類作法。 t發明之铸體裝置的製造方法，乃是將具有銅擴散防 止機能的阻障膜形成在含銅的金屬配線上者，1，以預加 觸媒至屬的電趣液來進行電鍵，以形成含有觸媒金屬的上 述金屬配線’並以外祕上述金屬配線表面的上述觸媒金 屬為觸媒來進行無電電鍵，俾將具有上述鋼擴散防止機能 的阻障膜，形成在上述金屬配線上。 如以上所揭示者’本發明之半導體裝置的製造方法中， 係使用預添入觸媒金屬的電鍍液來進行電鐘以形成金屬配 線’具有先前的製造方法中施以觸媒活化處理時的同等效 果。因之，本發明肩、略了先前的製造方法中所必須的觸媒 活化處理步驟m化的製程來提昇形成阻障膜的效 率’能讀低成本製造出可確實防止銅原子擴散至層間絕 緣膜的高品質半導體裝置。 又，本發明之半導时置㈣造方法中，並未進行觸媒 活化步驟’因而，不會使金屬配線本身遭致腐蝕，故可免 於因金屬配、㈣腐料致配線m昇或是抗電致遷移 性的惡化等，避免了該些造成半導體裝置的動作不良之問 題點，故可製造出高品質的半導體裝置。 再者，因本發明之半導體裝置的製造方法無須觸媒活化 85018-931209.DOC -26- 1234814 ^驟，因而避免了先前方法中觸媒金屬及附殘留在層間絕 ， 莫上的現象，故可提昇阻障膜成膜時的成膜選擇性，故 能製造出高品質的半導體裝置。 · 丄因又，若根據本發明，可提供一種適用於半導體裝置的 鬲速化，且品皙佔 _ ^ 为佳可罪度高的半導體裝置。 【圖式簡單說明】 圖1係以本發明製得之一種半導體裝置的構成例，係Α 縱截面圖。 ' 圖2用來說明本發明之半導體裝置的製造方法之縱截自鲁 圖。 圖圖3用來說明本發明之半導體裝置的製造方法之縱截面 圖4用來說明本發明之半導體裝置的製造方法之縱截面 圖。 ㈤來說月本發明之半導體裝置的製造方法之縱截面 圖。 圖圖6用來說明本發明之半導體裝置的製造方法之縱截面# 圖圖7用來說明本發明之半導體裝置的製造方法之縱截面 圖8用來說明本發明之半導體裝置的製造方法之縱截面 罔 圖9用來說明太菰 本1明<半導體裝置的製造方法之縱截面
85018-931209.DOC -27- 1234814 圖ι〇用來說明本發明之半導體裝置的製造方法之縱截面 圖。 圖11係以本發明形成下層配線時，表示其形成狀態之縱 截面圖。 圖12係一縱截面圖，用來說明以本發明用於雙層鑲嵌時 ，半導體裝置之製造方法。 圖13係一縱截面圖，用來說明以本發明用於雙層鑲嵌時 ，半導體裝置之製造方法。 圖14係一縱截面圖，用來說明以本發明用於雙層镶嵌時 ，半導體裝置之製造方法。 圖15係一縱截面圖，用來說明以本發明用於雙層鑲嵌時 ’半導體裝置之製造方法。 圖16係一縱截面圖，用來說明以本發明用於雙層鑲嵌時 ’半導體裝置之製造方法。 圖17係一縱截面圖，用來說明以本發明用於雙層鑲嵌時 ’半導體裝置之製造方法。 圖18係一縱截面圖，用來說明以本發明用於雙層鑲嵌時 ’半導體裝置之製造方法。 圖19係一縱截面圖，用來說明以本發明用於雙層鑲嵌時 ’半導體裝置之製造方法。 圖20係一縱截面圖，用來說明以本發明用於雙層鑲嵌時 ，半導體裝置之製造方法。 圖21係一種先前的半導體装置之構成例的縱截面圖。 【圖式代表符號說明】
85018-931209.DOC -28 - 1234814 101 基板 102a、 102b 下層配線 103a、 103b 、 103c 絕緣層 104a 阻障金屬膜 105 蚀刻終止層 106a、 106b 上層配線 107 1巴置換層 108 阻障膜 1 基板 2 含銅金屬配線 3 層間絕緣膜 4 阻障金屬膜 5 銅種晶層 6 蝕刻終止層 7 阻障膜 8 溝槽 9 銅 10a 觸媒金屬 10b 層間絕緣膜 11 SiN膜 12 開口部 13 層間絕緣膜 14 上層配線溝 15 接觸孔
85018-931209.DOC -29- 1234814 16 凹部 17 阻障金屬膜 18 銅種晶層 19 銅 20 觸媒金屬 21 銅配線 22 阻障膜
85018-931209.DOC -30-

Claims (1)

1234814 拾、申請專利範園： —種半導體裝置的製造方法，其特徵在於： ^含銅的金屬配線上形成具備銅擴散防止機_ ρ早艇，且係以添加觸媒金屬的電鍍液來進行電鍍，以 形成含有觸媒金屬的上述金屬配線；並以外露^上述 金屬配線表面的上述觸媒金屬作為觸媒進行無電電 鍍，藉此在上述金屬配線上形成具備上述鋼擴散:: 機能之阻障膜。 2. 4. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置的製造方法，其中 係將上述觸媒金屬錯體化後加入上述電鍍液。 如申請專利範圍第1項之半導體裝置的製造方法，其中 的觸媒金屬含Au、Pt、Pd、Ag、Ni、Co中的任一種。 如申請專利範圍第1項之半導體裝置的製造方法，其中 的阻障膜含鈷合金或鎳合金的任一種。 85018-931209.DOC
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