TWI298510B - Semiconductor device and method for manufacturing same - Google Patents

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TWI298510B TW092136860A TW92136860A TWI298510B TW I298510 B TWI298510 B TW I298510B TW 092136860 A TW092136860 A TW 092136860A TW 92136860 A TW92136860 A TW 92136860A TW I298510 B TWI298510 B TW I298510B
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Yorinobu Kunimune
Mieko Hasegawa
Takamasa Itou
Takeshi Takeda
Hidemitsu Aoki
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1298510 五、發明說明（1) 一、【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於包含金屬導線（metal interconnect) 的半導體裝置，亦有關於其製造方法。 二、【先前技術】 近年來，為了滿足高等級之半導體裝置的整合，銅廣 泛的被應用在導線或插塞之材料上。銅跟傳統使用的紹比 起來，具有較低的阻抗以及較低的電致遷移抗性 (electromigration resistance) °
相反的’因為半導體裝置的尺寸不斷的被縮減，因此 即使在銅導線之應用下，電致遷移的產生仍然是一個問 題。形成銅導線的銅膜通常由電鍍法之類的方法所形成， 且藉由此類方法形成的銅膜具有一特定形態 (morphology)，在此結構中多數的銅粒子聚集為多晶性 (polycrystalline)之結構。當供應一電壓至具有此種結 構之銅線的時候，銅粒子之晶粒邊界（grain b〇undary)會 發生大量之遷移（transfer)，而造成電致遷移。因A導魂 具有較小寬度之導線，且此導線具有較小晶粒尺 子’所以因銅粒子之晶粒邊界的大量遷栘而形成之電致遷 移將會更加嚴重。電致遷移的抗性和裝置之生命週期 (lifetime)有關，且具有較差之電致遷移抗性的裝置通常 具有較短的生命週期。 另一方面，鋼導線結構内所發生的應力遷移（stress migration)的問題在近年也逐漸引起注意。圖iu)和圖
1298510 五、發明說明（2)
1(b)為顯示由嵌刻（damascene)方法所形成的多層銅導線 之剖面圖。此多層銅導線具有一結構，在此結構中上層導 線121b連接於底層導線121a的上表面，且上層導線uib包 含一連接插塞以及形成於上表面的導線。在圖1(a)，空隙 (voi d ) 1 2 2形成於上層導線1 2 1 b的邊緣。也就是說，此空 隙為形成上層導線121b之通孔（via)的一部份。相反的， 在圖i(b)所示的情況下，一空隙122位於底層導線121&的 ^層表面。一般認為如空隙丨22的形成原因係和半導體製 ，中的熱能歷程（thermal history )所引起的銅導線之内 部應力有關。在圖1 (a )的情況中，一般認為在上層導線 1 21b内發生了”上汲取"（up drawing)的現象，也就是銅在 通孔裡往上遷移而形成了空隙122。同樣的，在圖1(b)的 $況中，一般認為銅在底層導線丨2丨a中水平遷移而形成了 空$ 1 2 2。如此類因為應力而使銅產生大規模遷移的現象 被歸類為應力遷移。這些空洞的產生會使插塞和導線間無 $有效連接’而降低半導體裝置的製程良率，或是使半導 體裝置在長期的製程動作中變得不穩定。
JP-A-Hll-204524( 1999)揭露了用以增進電致遷移抗 性的技術’藉由在銅導線中加Zn、Sn或其他元素以 JL> 銅合金。然而，揭露在1? —A — H1「204524中的技術 ^有鋼導線中的導電率會增加的問題。此外，即使此技術 某位準下得以有效增加電子遷移，也難以藉由此技術增 加應力遷移。
第12頁 !29851〇 、發明說明（3) 種技術就習知技術的認知，係為一種抑制應力遷移的技 jib- 何° Jp-A-H9-32 1 045 ( 1 99 7)揭露了銅矽化物層於銅導線上 侧的技術，用以增加應力遷移之類的特性。然而，即使使 用了铜矽化物的結構，仍然難以完全防止應力遷移。 、 根據先前之敘述，本發明提供了前述之問題的解決方 法’本發明的目的之一為提供包含一金屬導線的一半導體 Ή» 夂置’此金屬導線與傳統的半導體裝置比較起來，其電致 遷移抗性和應力遷移抗性有顯著的進步。
^ 本發明的又一目的為提供製造具有一定製程穩定性的 半導體裝置之方法。 三、【發明内容】 本發明提供一種半導體裝置，包含：一半導體基材； 形成於半導體基材上的絕緣膜；以及嵌於絕緣膜内的一金 屬導線，其中此金屬導線包含固溶體元素的原子。
此半導體裝置包含具有固溶體元素的金屬導線。在 此，”固溶體”表示一種固態狀態，在此固態狀態中兩種材 料可以互相溶解，且此固溶體並不包含金屬間化合物 (inter-metal compund)，此金屬間化合物通常擁有像是 銅矽化物之類的矽化合物。固溶體通常分為兩種類型：替 代型（substitution type)和滲透型（penetration type)。替代型的固溶體表示固溶體的一種狀態，在此種 狀態中，構成晶體的原子晶格被不同元素的原子所取代。 滲透型的固溶體表示固溶體的一種狀態，在此種狀態中，
第13頁 1298510 五、發明說明（4) 體的的晶袼點之間。 具有固溶體元素原子的結 移抗性和應力遷移抗性。 表面之結構，被描述於先前 對應於前述的金屬間化合 k供的結構無法提供足夠的 提供了用以製造一半導體裝 基材上形成一絕緣膜；在絕 固溶體的原子導入金屬導 導線暴露在具有原子的一氣 構成金屬導線之金屬元素的 其他元素的原子散佈於構成晶 本發明的金屬導線包含一 構。此結構實現較好的電致遷 同時，矽化物位於銅導線 敘述的習知技術中，且此結構 物。且如底下所述，由矽化物 應力遷移抗性。根據本發明， 置的方法，包含：在一半導體 緣膜上形成一金屬導線；並將 線’此導入動作係藉由將金屬 體下完成，這些原子係為來自 不同元素之原子。 發明提供之製造半導體裝置的方法提供了製造具有 改良之電致遷移抗性以及應力遷移抗性的半導體裝置，且 此應力遷移抗性具有較高的製程穩定性。
本發明提供之製造半導體裝置的方法更包含：於形成 金，導線的步驟之後，形成一層構成金屬導線的金屬元素 之氧化物在金屬導線上；然後藉由將金屬元素的氧化物層 暴露在氣體，而把固溶體元素的原子導人金屬導線。此 外’形成金屬7〇素的氧化物層之步驟可包含：使用有機酸 清潔f屬導線；以及使用清水執行洗淨製程。這些結構提 供了則述之具有較高製程穩定性的半導體裝置。 _本發明提供之製造半導體裝置的方法更包含：在把固 >谷體兀素的原子導入金屬導線的步驟之後，在金屬導線的
1298510 五 、發明說明⑸ ' 上端形成包含Si C、Si N、Si 0N或是Si 0C的膜。位於導線 且包含這些材料的膜之結構，在使相鄰金屬導線之間的上 生電容的增加為最小值之前提下，有效的抑制了形成金寄 導線之金屬擴散入層間絕緣膜的作用。 、屬 % 本發明之方法具有一種形態，在此形態中形成金 線的金屬元素為銅或是具有銅的合金。固溶體元素且 、 合的特性以及尺寸，以把固溶體元素導入形成金屬^ 金屬晶格中，而此金屬導線為替代型或是穿透型。者么的 導線由銅或是包含銅的合金組成時，固溶體元素之^工屬 原子半徑最好=要大於丨· 4埃。藉由選擇原子半徑/、子^ 體可以在具較南製程穩定度的狀況下改善應力遷移抗: 此類示範性的固溶體原子可為：Si ; A1 · Be 14。
Au ;Ga ;Mg ;Ni ;Pd ;Pt等等。在這些元素中’
Be ;Zn ;Au ;Ga ;Mg ;Ni以及pd可提供較好 力/I ; 性，且Si ; A1 .’Be ;Zn更可提供具較高； 高製程良率的較：應力遷移抗性。本發明具二。及j 固 反應之情況下被導入，以形成金屬間士素原子起化學 是，可選擇元素的型態、、導入元素之卜更特別的 入的金屬導線之表面狀況以逵& i兄、以及控制被導 溶體狀況。 4成具有較高穩定性之較佳 為了穩定的達到具有較 …力遷移抗性的固溶體狀
第15頁 1298510
擇ΪΓ容體之元素在週期表上最好與構成全屬導 線之金屬兀素在不同的族群内。 风金屬導 最好能將將固溶體元素導入金屬導線臨 域。而固溶體元素被導入之今屬邋 ，、表面之區 金屬導線表面的地方形成一固=的區㉟，可能在臨近 導線體元素原子之濃度最好在構成金屬 ¥線之金屬兀素的固溶體範圍内。舉例來說， ： 導入銅導，的時候，較好的範圍為〇1原子百分比至9 = 百分比。藉由此形態，可以使電致_ '、 性大幅改善。 t電致遷移抗性和應力遷移抗 金屬導線中其他部份的固溶體元素原子與固溶體声 ，份之濃度比最好少於〇」原子百分比。金料線中之曰固 溶體層的厚度可小於或等於4〇%的金屬導線之厚度。藉 選擇此形態，當線阻抗的增加被抑制時， 9 移抗性和應力遷移抗性。 ^ &遷 四、【實施方式】 二佳實施
苐2圖為根據本發明之第一實施例的半導體裝置之剖 =圖，顯示半導體裝置之結構。此半導體裝置的結構包含 ’儿積在未繪示之矽基材上的絕緣膜i 〇 1、沉積在絕緣膜1 〇 i 上的絕緣膜102、以及佈置在絕緣膜1〇2上之溝槽上的銅導 線1 0 7。銅導線1 0 7之侧表面和底表面覆蓋著一阻障金屬膜 103。銅導線10 7的上表面覆蓋著一擴散阻障膜1〇8，其上
第16頁 1298510 五、發明說明（7) 沉積一層間絕緣膜11 0。
銅導線107包含一低矽濃度區1 04以及位於其上的矽固 溶體層1 〇 6。在矽固溶體層丨〇 6的結構中，矽原子被導入構 成銅導線之銅的晶狀晶格結構中以作為晶格間點的原子 是被取代的原子。根據此態樣，此結構上基本上不同於矽 化物的結構，矽化物之形成係藉由使銅和矽反應而形成金 屬間化合物。开> 成石夕固溶體層1 〇 6且包含石夕的銅通常具有 圖3所示的結構。、也就是，當矽原子被當成晶格間點原子 或是替代原子被導入的時候，矽固溶體層丨〇 6仍維持銅為 晶狀晶格的結構（面心_立方晶格；其晶袼常數為3· 6埃）。 另一方面，圖3(b)顯示銅矽化物的結構。銅矽化物之結構 並不像矽固溶體層，銅的晶狀晶格並沒有維持且銅原;^以 及石夕原子係來自晶狀晶格。附帶一提，鋼的晶狀晶格結構 係為bet a-Μη結構，其晶格常數為6· 2埃。底下將藉由例子 之敘述指出這些結構的不同。 供的導線之 遷移抗性和 含具有前述 有前述之結 膜上的銅氧 的說明此方 仍可期待因 的快速反應 述之方法， 應力遷移 結構之石夕 構且具高 化物曝露 法可以完 為鋼和碎 得以被抑 一多層結 抗性所 固溶體 穩楚性 於單一 整的實 之間的 制，並 構被一 此實施例提 以及增加的電致 之增加係因為包 為了獲得具 使用將形成於銅 雖然不需要清楚 溶體層之理由， 用’使得銅和矽 之形成。根據前 矽濃度區104 完成，而阻抗 層 106。 之含；5夕銅，可 矽烷的方法。 現本發明之固 銅氧化膜之作 保護鋼碎化物 次形成，此結 〇#
1298510 五、發明說明（8) 構具有一銅層、沉積其上的一銅氧化層以及沉積其上的一 石夕化合物層。因此，熱處理（thermal processing)係用以 將銅原子擴散到矽化合物層，以形成含矽銅層。此現象的 發生被認為是因為鋼原子擴散至矽化合物之速率高於矽原 子擴散至銅化合物之速率。而這樣的擴散方式更提供了矽 固溶體層的形成。當未加工、純粹的銅曝露在單一矽烷 (Monos 1 lane)的時候，便會形成銅矽化物。因為在此情況 下位於銅表面上的矽會快速的與銅反應以形成銅矽化物。
圖4為顯示高穩定性地形成前述之矽固溶體層的處理 步驟之流程圖。首先，透過鑲嵌（damascene)製程（sl〇1) 形成一銅導線。接著，使用草酸水溶劑移除位於銅表面的 一氧化層（S102)。然後，執行一使用純水的洗淨（rinse) 製程以移除殘留的草酸和其他雜質。 、而且’防腐蚀劑，像是包含苯（benzotriazole，BTA) 或是其他含azole成份的溶劑，可以用來處理防腐蝕製程 (S1 04)。苯被實行於此實施例。苯藉由此步驟黏附在銅的 表面，因此抑制了銅的氧化。
、然後，基材被傳送到沉積室，接著沉積室被淨空以形 成一真空的環境，藉此蒸鍍苯（sl〇5)。然後，使銅導線與 矽烷曝露（S1 06)。而使銅導線與矽烷曝露的方法可以經^ 使銅導線與單一矽烷（S i扎）等類似步驟所實行。接著可以 利用CVD方法沉積SiCN之類的擴散阻障（siQ7)。 在前述的製程中，藉由改善步驟1〇6中的曝露矽烷之 製程，矽固溶體得以擁有較好的特性。更特別的是，矽烷
1298510 五、發明說明（9) 的曝露即使在維持銅表面上的化 而矽烷材料的汽量可以_制+ 曰、乃^得以執行， 的水準。而= = : = 免變成過度 了穩定的形成具有高製程穩定性的固溶& 形成、線之金屬的晶狀晶格的關係以及被導入的^ = 原子Ϊ f子半徑也是很重要的。與晶格常數有關之；：: 原子半杈，將會使形成較佳固溶體 ^ 、 徑也會造成電致遷移抗性以及應力遷；抗；= “數，用2擇：做為導線金屬的時候’考慮到銅“ 门埃I面心立方晶格；晶格常數為3.6埃心 二子半徑的不同元素’穿透形態的固體溶劑層可 以在具較兩製程穩定性的狀況下被形成。 差-二較實施例 明t 至5(〇為半導體裝置的剖面圖，顯示根據本發 月之第一貝施例製造一半導體裝置之製程的步驟。一 J «(underlying insulating f i 1 m) 1 0 1 ,χ ^ ^ 5 0 Onl 厚度的一Si〇2絕緣膜丨02被沉積於一半導體基材上（未繪 示）此半導體基材包含了形成於其上的電晶體之類的元 件’然後溝槽導線（groove interconnect)之配線 (pattern)透過乾蝕刻製程被形成於Si〇2絕緣膜丨〇2上（圖 5(a)) 〇
1298510 五、發明說明（10) 然後’如圖5(b)所示，在底層絕緣膜1〇1以及Si 〇2絕緣 膜102上沉積一層厚度為30nm的Ta/TaN膜1〇5(此膜具有一 Ta層以及位於其上之TaN)之阻障金屬。然後，一銅層1〇8 透過電=佈植的形式形成，以填滿溝槽導線上之配線。
接著’如圖5(c)所示，銅層1〇8以及Ta/TaN膜105露出 溝1區域的部份藉由CMP去除以形成一銅導線1〇7。並使用 草S文水洛液清洗銅導線丨〇 7的表面以移除銅表面的氧化 層。，後使用純水進行洗淨步驟以去除殘餘的草酸以及其 他雜羞。而且，銅導線1〇7的表面亦可以用苯水溶劑處 理。防腐餘的苯可藉由此處理程序而黏附於銅表面。
、然後’基材被傳送到沉積室，接著沉積室被淨空以形 成二真空的環境，藉此蒸鍍苯。在完成此製程的時候，在 銅V線1、0 7的表面上仍維持一銅氧化膜。此銅氧化膜在前 述之洗淨製程中形成，而此洗淨製程在草酸的處理之後。 $銅導線非間接的透過銅氧化膜曝露矽烷，以形成位於銅 v線=上^面的矽固溶體層1〇6，如圖5D所示。而與矽烷 的曝露可藉由與曝露於單石夕烧（SiH4)呈現。更特別的是在 電漿CVD裝置的製程狀況如下所示：製程氣體的流動率為 10至5〇〇3〇^1„的^114氣體，丨⑽至^㈧^⑶的乂氣體；不高 拖爾的製程壓力；而製程時間不大於^ 5〇秒，且製程 牯，取决於氣體的流動率以及製程壓力。而位於銅層上方 的含矽層也藉此形成。 接著’如圖5(e)所示，具有5〇nm厚度的§1(^膜1〇9之 一銅擴散阻障膜被沉積在矽固溶體層1〇6以及si〇2絕緣膜
1298510 五、發明說明（11)---—-一- 上。此沉積製程可由前 應的氣體實現，此氣之電漿CVD裝置中利用電漿CVD反 其後，具有有SiH(CH3)3 CVD裝置中被形成。在f度的叫層間絕緣膜在前述的電漿 述之程序而獲得。此，此實施例的導線結構可藉由前 雖然:在此實施例中，SiH4氣體被應用在原料氣體上 …夕固溶體層的沉積
Kin fit 6 'Μ以及SiH^等。石夕烧的曝露製程 m基(〇2七⑻氣體而實行，其製程溫度為 0 °C，且其製程壓力不大於20托爾。 的點固溶體層1G6内擴散，因此銅擴散阻障膜 黏荖、，所改善。在此，為了更增進銅擴散阻障膜的 骞，琅好較集中分布於導線107的上侧，而且石夕在 導線的上半邊之濃度最好為最高。 /隹 f在矽固溶體層1〇6中的濃度不可低於〇. i原子百分 ^ί ^不要低於1原子百分比。藉由選擇矽的濃度，電 几性以及應力遷移抗性可以有可觀的改善。矽濃度 上限必須能滿足底了的狀$兄：矽在銅導線中為固態 的，並且不高於9原子百分比，最好不要高於7原子百 :可二Ϊ!選？矽濃度之範圍，㊉了銅矽化物之外的固溶 檢 八有較咼的製程穩定性。為了抑制電致遷移抗性的 :1矽固溶體層1 0 6最好薄於某個程度。舉例來說，當 di區域具有小於0.1原子百分比之石夕濃度的時候便 反疋羲為矽固溶體層，藉由設計矽固溶體層的的厚度使其
1298510 五、發明說明（12) 不要大於40 %的金屬導線厚度，最好不要大於2〇%，導線結 構可以具有較均衡的表現，也就是在維持較佳的導線阻抗 以及接觸窗（contact)阻抗的情況下，仍可以達成較好的 電致遷移抗性以及應力遷移抗性。 根據此此實施例，可以實現一具有金屬導線的半導體 裝置’且此金屬導線具有較佳的電致遷移抗性以及應力遷 移抗性。 第三實施例 圖6為本發明之第三實施例的半導體裝置之剖面圖，
顯示半導體裝置之結構。在半導體裝置之結構中，底層導 線2 5 5透過一通孔插塞連接一上層導線2 6 0。 底層導線2 5 5被佈植於所示多層模的溝槽内。此溝槽 形成於多層膜内，此多層膜包含形成於半導體基材（未％ 不）上的底層絕緣膜201、SiCN膜2〇2、L一〇x(NEC公司註冊 ，標^膜203以及3；[〇2膜2〇4，此L-Ox膜203為一階梯狀的石夕 氧烧氯化物。底層導線255的侧表面和底部表面覆蓋著 丁 a/TaN膜208。1^-〇χ膜203為一階梯狀的矽氧烷氫化物，一 般被認定為”階梯氧化物”。
階梯狀ί夕氧烷氫化物為具有階梯狀分子結構的聚合 物’ 1且為了線延遲的考量，最好選擇低於2· 9的介電常 數卩0梯狀秒氣院氫化物的密度最好在1.5g/cm3至 1 曰 58g/cm 之間’且633nm 之折射係數（refractive index) 最在1.38至1.40之間。上述之l-〇χ膜就是一種很好的材 料’亦可以使用包含L_0x膜之絕緣材料。 1298510 五、發明說明（13) 通孔插塞形成於多層膜之孔洞中，此多層膜包含形成 於Si02膜204上的SiCN膜211以及Si02膜212。孔洞的侧璧以 及底面被Ta/TaN膜220所覆蓋，並且填滿含石夕銅。 上層導線260形成於多層膜中的溝槽。此多層膜包含 31〇2膜212、3丨(^膜213、1^-(^膜216。上層導線2 6 0的側邊 被Ta/TaN膜220所覆蓋，且其上表面具有形成於其上的 SiCN 膜222。 接著，將敘述製造此實施例的半導體裝置之步驟。 圖7(a)至7(d)、圖8(e)至8(f)、圖9(g)至9(i)以及圖 10(j)至10(k)為半導體裝置的剖面圖，顯示本發明之第三 Η 貫施例製造半導體裝置的步驟。因此，與前述實施例相似 的步驟將不再贅述。
在此實施例的製造半導體裝置的步驟中，SiCN膜202 係作為一蝕刻停止層，用以形成一厚度為5〇nm之第一溝槽 導線的溝槽，此溝槽位於在一基材上的底層絕緣膜2〇1 上，而此基材具有透過電漿CVD而形成的半導體裝置。然 後’ L-Οχ膜20 3的低介電質常數層間絕緣膜，透過塗佈 (spin)製程而在第一銅溝槽導線上形成具有3〇〇ηιη厚度的 膜’並作為第一銅溝槽導線的層間絕緣膜，且在4 〇 〇。C的 Ν2氣體内做30分鐘的烘烤。然後透過電漿CVD製程於其上形 成 100nm 的 Si02f204。然後，31〇2膜204 以及 L-Οχ 膜 203 被 執行乾式钱刻以形成溝槽導線2 〇 7的第一配線（圖7 ( a ))。· 接著’亦作為蝕刻阻擋膜的SiCN膜202，透過乾蝕刻 製程被回蝕（etched back)，然後其導電表面（6丨6(：1：1^(^1
第23 1298510 五、發明說明（14) conductive surface)接觸到一底層半導體裝置，然候實 行去除蝕刻殘留的溼去除（strip)製程，以形成溝槽導線 207的第一配線。然後，透過濺鑛（SpUttering)形成厚度 為30nm的阻障金屬Ta/TaN膜208，亦可以透過濺鍍在
Ta/TaN膜208上形成一銅膜209。而且，銅層209更利用電 子佈植達到70Onm，而且在填滿溝槽導線207之後，用以使 其結晶化的高溫製程係在400。C下實行30分鐘（圖7(b))。 然後，位於Si02膜204上的銅膜209以及Ta/TaN膜208透
過CMP被移除，在實行一草酸處理以及一純水的洗淨後， 可以實行苯溶劑的表面處理。這些步驟提供了第一銅溝槽 導線，且其銅表面做過抗氧化處理以形成一苯層（圖 7(C))。接著透過一電漿CVD裝置執行高溫處理製程以移除 苯層，此高溫處理製程的溫度為2〇〇至450。C，N2氣體流的 流率為100至l〇〇〇sccm，製程壓力不高於2〇托爾，製程時 間約為一分鐘。而在移除苯層後，實行第一銅溝槽導線的 高溫製程以形成一矽固溶體層250 (圖7(d))，此高温處理 製知的S i H4氣體流的流率為1 〇至5 〇 〇 s c c m，N2氣體流的流率 為5 00〇sccm，而製程壓力不高於2〇托爾，製程時間約為 2 4 0 秒。
然後’形成SiCN膜211、3丨02膜212以及SiCN膜213， SiCN膜211作為銅擴散阻障膜（厚度5〇nm)，Si〇2膜212作為 層間絕緣膜（厚度40〇nm)，而SiCN膜213作為蝕刻阻擋層 (厚度50nm)。然後塗佈厚度為3〇〇ηιη的L-Οχ膜216以作為第 二溝槽導線並烘烤，然後形成一厚度1〇〇ηιη的^〇2膜217。
1298510 五、發明說明（15) 然後形成一抗反射層2 2 5以及光阻2 1 4，而透過顯影技術形 成通孔之光阻圖案（resist patter η) 2 15(圖8(e))。 ” 然後，實施一乾钱刻製程，使得光阻圖案2 1 5形成一 開口，此開口延伸至Si CN膜211的上半部（圖8(f))。然 後，實施灰化（ash i ng )製程以及移除溶劑製程以移除光阻 圖案214、抗反射膜225以及光阻殘留。 ， 接著，再度形成一抗反射膜225並烘烤，並形成光阻 圖案2 1 8，然後第二溝槽導線之光阻圖案透過顯影技術形 成在光阻上。（圖9(g)) 然後，在第二溝槽導線之光阻圖案219上實行蝕刻， Η 以蝕刻掉3丨02膜217、L-〇x膜216以及抗反射膜225，此蝕刻 停止在做為蝕刻停止膜的Si CN膜21 3上。然後實施灰化製 程以移除第二溝槽導線以及抗反射膜225的光阻218，而位 於通孔底層的S i CN膜2 11亦被去除。然後，使用去除溶劑 以去除蝕刻殘留（圖9(h))。 二 然後，透過電子佈植形成一厚度為700nm的銅層，接一 著實施一CMP，以形成一銅膜223，如圖9(i)所示，銅膜 223用以形成上導線以及通孔插塞。 然後，類似於第一銅溝槽導線的形成，在實行草酸的 處理以及苯的抗腐餘處理後，苯層被移除並曝露於Si H4 中。這些製程步驟形成一上層導線2 6 0，此導線包含銅膜 · 223以及矽固溶體層25 0 (圖1〇(〕·）），然後形成一厚度 ， 50nm，作為銅阻障膜的SiCN膜222以形成一導線（圖 1 0 (k))。在此例中，石夕的擴散濃度在導線表面上最高，越
第25頁 1298510 五、發明說明（16) --- 接近底部變得越低。 - 第四較佳宭施例 在此實施例中，本發明被應用在具有單一嵌刻結構的 雙層銅導線。 圖11為顯示本發明之第四實施例的半導體裝置之剖面 t 圖。在此實施例的結構中，底層導線255透過含矽銅插塞 · 228連接於上層導線270。 底層導線255形成於溝槽内，而此溝槽形成於多層膜 中。此多層膜包含形成於半導體基材上（未缘示）的一底層 絕緣膜201、一 SiCN膜202、一 L-Οχ膜203以及一 3丨02膜 Η 204。底層導線255的底面覆蓋Ta/TaN膜226。 上層導線2 70形成於多層膜的溝槽内，此多層膜包含 SiCN膜213、L-Ox膜216以及一 Si 〇2膜217。上層導線270的 " 側壁覆蓋Ta/TaN膜220，而上層導線27〇的上表面具有SiCN 膜222 〇 -- 底下將敘述形成本實施例之半導體裝置之製程。 - 圖 12(a)至12(d)、圖 13(e)至13(g)、圖14(h)至 14(j) 以及圖15(k)至15(1)為半導體裝置的剖面圖，顯示製造本 實施例之半導體裝置的製程步驟。 在此實施例中’直到形成底層導線2 5 5前的步驟都與 第二實施例相近。在此例中，矽的擴散濃度在導線表面上 . 最高，越接近底部變得越低。 接著’與第三實施例類似，連續形成SiCN膜211以及 S i 〇2膜，其中S i 〇2膜係作為層間絕緣膜之用（圖1 2 ( a ))。
第26頁 1298510
接著’一抗反射層225以及一光阻形成於叫膜212 12介層圖案215透過微影技術被形成於光阻上（圖 然後，藉由乾式蝕刻技術並透過光阻的通孔，在Si〇 膜212上蝕刻出通孔光阻圖案。然後執行灰化製程以移除' 光阻214以及抗反射膜225(圖12(0))。然後，通孔之底部 的SiCN膜211被回蝕。然後，使用一移除溶劑以去除蝕 殘留（圖12(d)) 〇
、然後，一厚度為3〇nm的Ta/TaN膜226透過濺鍍被形 成，而作為種膜（seed film)之一銅膜（未繪示）在Ta/TaN 被形成，然後透過電子佈植形成一厚度為7〇〇nm的銅膜227 以填滿通孔圖案。然後，用以結晶的高溫製程在4〇〇。c被 實行（圖13(e))。 接著’銅膜227以及Si 02膜212上的Ta/TaN膜226透過一 CMP被移除，並經由草酸之處理以及純水之洗淨後，一具 苯溶劑之表面處理透過一銅通孔插塞被執行，而對銅表面 施以抗氧化處理以在其上形成一苯層。（圖13(f))
接著’使用旋塗方式形成厚度300ηιη，作為一第二層 間絕緣膜之L-Ox膜216並烘烤，然後厚度1〇〇nm的si〇2膜217 被形成於其上。接著，一抗反射膜225以及一光阻218被形 成於其上’而第二溝槽導線之光阻圖案2 1 9透過一微影技 術而形成光阻218(圖14(h))。 接著，第二溝槽導線之作為層間絕緣膜之3 i %膜2丨7以 及L-Οχ膜216透過光阻218之光罩被餘刻。然後，光阻218
第27頁 1298510 五、發明說明（18) 以及抗反射膜225透過一灰化步驟被移除。然後在所有表 面上施行回姓以移除作為第二銅擴散阻障膜之SiCN膜 21 3 °然後’藉由使用一移除溶劑而移除蝕刻殘留物（圖 14(i))。 然後’ 30nm厚度之Ta/TaN膜22 0透過濺鍍而形成，而 · 作為種膜之厚度為l〇〇nm的銅膜（未繪示）被形成於Ta/TaN 錢 膜220上。然後，700 nm之一銅膜透過電子佈植的方式被形 成’而上層導線透過CMP被形成。接著，使用草酸水溶劑 清潔導線表面以移除銅表面上的氧化層，並執行純水洗淨 以移除殘留的草酸和其他殘留物。接著，使用苯水溶劑處 理銅導線的表面。使得抗腐蝕的苯黏著在銅的表面（圖 14(j))。 然後’類似於底層導線以及含石夕的銅插塞之形成，苯 層被移除且執行Si H4之曝露以形成一上層導線270 (圖 15(k))，且作為銅擴散阻障膜，厚度為5〇nm之一SiCN膜 ， 222被形成（圖15(1))。而上層導線270的石夕擴散濃度被控 〜 制，使得石夕的擴散濃度在導線表面上最高，越接近底部變 - 得越低。
如前所述，與僅有最上端表面是石夕層的情況比較起 來，此實施例的導線藉由將矽擴散至所有導線以形成含石夕 金屬導線的方式，降低了金屬導線内之金屬粒子的漂移現 象0 此外，因為本實施例實行了單鑲嵌結構，所以可以得 到更妤的應力遷移抗性。
第28頁 1298510 五、發明說明（19) ^ 士已就一些較佳實施例來說明，㈣悉此技藝者 :::述的洗明與附圖’當可對其進行修改、增加、及等 :二隻更。因此任何未脫離本發明之精神與範圍，而對其 進行0改礼加、及等效的變更，均應包含於本發明之 中。
舉例來祝，在前述之實施例中，當s丨％模作為層間絕 緣膜日可’ L-Ox膜以及Si〇2膜之多層膜可被使用在内溝槽導 線絕緣膜上。雖然此實施例利用Si〇2膜作為L —〇χ膜之光 罩’亦可以使用像是Sic膜、SiCN膜或是Si 0C膜，這些膜 與L-Ox膜的钱刻選擇比較佳且對灰化製程以及濕去除溶劑 之抗性較佳。而且，雖然L —〇x膜被使用在低電解常數層間 絕緣膜’亦可以使用具有低於s i 〇2膜之電解常數的絕緣 膜，如SiOF膜、SiOC膜或是有機化合膜等。 雖然前述的實施例使用了銅導線，亦可以使用銅合金 導線，此銅合金導線由包含除了銅之外的元素，如A1、
Ag(銀）、W(鎢）、Mg(鎂）、Be(鈹）、Zn(鋅）、Pc(鈀）、
Cd(鎘）、Au(金）、Hg(汞）、Pt(鉑）、Zr(鍅）、Ti(鈦）、
Sn(錫）、Ni(鎳）、Nd(鈦）、Fe(鐵）等 °
此外，雖然前述實施例將Ta/TaN膜作為阻障金屬，阻 障金屬可以包含Ti、TiN、TiSiN、Ta、TaN以及TaSiN群組 中至少一元素。 而且，雖然使用苯作為導線表面之抗氧化層，仍可以 使用其他azole化合物。亦可以使用溶解度較高的苯衍生 物來取代苯。
第29頁 1298510 曰 案號 9213fiSfif) 五、發明說明（20) 在第四實施例中，為福 體層。在此結構中，圖! 3⑴所：：：土：形成-矽固溶 =要執行1後執行μ㈣k 意選擇 遷移抗性以及應力遷移抗性大為改盖 冓使侍電致 m ^ -退鐘!;上’然後執行 前述=序：成多數,，而其中之-標根據
銅膜在真空狀態下被加熱至3 5 0。(：至40 0。(：以蒗 = :'?ϊ曝露於單-石夕燒以獲得樣品2。曝露於單一石夕、、 =狀恶疋>瓜速1(^5〇0sccn^SiH4氣體、流速ι〇〇至 為二c:,N2氣體、製程壓力不高於2。托爾而製程的時間 、一另*方面’銅膜在真空狀態下被加熱至3 5 〇 °c至4 0 0 °C ^療^苯’在執行氨電漿（ammonia plasma)之處理後，曝 路於單石夕說以獲得樣品3。氨電漿步驟的條件是流速丨〇至 5 0 0sccm的氨、5 〇瓦至3〇 〇瓦的π電源、而製程的時間為 尸〇秒曝路於單一石夕烧的條件是流速1 0至5 0 0 s c c m的S i H4 氣體而製程的時間為1 〇 〇秒。 接著’對這些樣品實行電子繞射分析。圖丨6、丨7和i 8 分別對應於樣本1、2和3，而樣本1、2和3根據晶格常數以 及類似的特徵分別為銅；含矽銅（矽固溶體）；以及銅矽化 物。而分析的條件如下。 TEM觀察··電子束加速電壓為20 0kv，
第30頁 1298510 五、發明說明（21) 電子束繞射：電子束加速電壓為2〇〇kV，電子束探針 距離約為3 n in， EDX分析：電子束加速電壓為2〇〇kv，而^⑽―Ε])χ分析 時的電子束探針距離約為i ηιη， 根據圖1 6到圖1 8的結果，發覺樣本2具有與樣本1 (純 銅）相同的晶格常數與晶狀結構。另一方面，樣本3具有與 樣本1不同的晶格常數和晶狀結構。晶狀結構的分析結果 如下所示。
樣本1和2 ·銅和含矽銅，立方晶狀（面心立方結構），晶格 常數a = 3· 6埃； 樣本3 :Cu5Si，立方晶狀（beta —Mn結構），晶格常數a = 62 埃0 m 在^例中’雙層銅導線結構包含一底層Μ1導線以及一 上層M2導線，上層Μ2導線透過圖19所示的通孔連接於底層 Μ1導線。並執行製程良率的測試。並形成及評估底下兩導 線結構的例子。
樣本（i):此導線結構由與前述之第二較佳實施例類 似的方法所提供。底層M1的導線以及上層…導線之表面的 處理方法與例1中處理樣本2的方法類似。 樣本（i i ):此導線結構由與前述之第二較佳實施例類 似的方法所提供，除了底下的步驟有所不同之外：曝露於 矽烷的狀態、草酸處理的狀態以及之後的洗淨製程都被調 整以形成鋼矽化物。底層M1的導線以及上層们導線之表面
1298510 五、發明說明（22) 的處理方法與例1中處理樣本3的方法類似 接著利用電子束繞射（dif fracti 〇n)評估藉由前述之 方法而得到的導線，樣本（i)被鑒定為一矽固溶體，而樣 本（i i )被馨定為銅碎化物。 雙層導線結構形成了通孔鏈（via chain)，包含50000 通孔和導線，這些通孔散佈於導線的上端和底端。導線和 ，孔由銅形成。包含了導線和通孔的導線結構之電子抗性 藉由將電壓施加在末端和通孔鏈。此抗性被稱為鏈抗性。 鏈抗性是測定通孔連接狀況的有效指標。在此例中，前述 的通孔形成於相關的晶片上，且此晶片形成於矽晶圓上， 且相關的通孔鏈之抗性將被評估。可接受之標準圍：被評 :的抗性不高於一參考值為"可接受的"，高於此參考值則 f不可接受的"。可接受之晶片與所有晶片之比例被定義 為通孔製程良率。 評估的結果繪示於圖20。由第二較佳實施例所敘述的 方法所形成的元件與内部具有鋼矽化物的元件比較， 較佳的製程良率。 "、 例3 圖21顯示具有雙層導線結構之通孔鏈的製程良 =結果。藉此可發覺銅固態溶質（s〇lid_s〇lute)在銅裡的 樣本（i )，與石夕化銅比較起來，有較佳的良率。 如前所述，本發明提供了包含金屬導\的半導體 置，呈現了改善的電致遷移抗性以及應力遷移抗性。因 此，藉由本發明之形態，可以得到具有改良的裝置生 1298510
第33頁 1298510 圖式簡單説明 五、【圖式簡單說明】 圖1(a)和圖1(b)為一多層銅導線的示意圖，顯示應力 遷移發生的情況。 圖2為顯示本發明之第一較佳實施例的半導體裝置之 别面圖。 圖3(a)為顯示矽固溶體層之晶格結構的示意圖，而圖 3 (b)為顯示銅矽化物結構之示意圖。此兩圖顯示晶格結構 與銅石夕化物結構的不同之處。 練之户馬顯示根據本發明之第一較佳實施例而形成銅導 %程圖。 圖5 (只、 發明之笫）至圖5(e)為半導體裝置的剖面圖’顯示根據本 圖6、二較佳實施例而形成銅導線之步驟。 圖 緣史後％為^顯示根據本發明之第三較佳實施例而形成銅導 圖 、 發明之第〜）至圖7(d)為半導體裝置的剖面圖，顯示根據本 圖8三較佳實施例而形成銅導線之步驟。 發日月 < 楚6)至圖8 ( f )為半導體裝置的剖面圖，顯示根據本 _ 較佳實施例而形成銅導線之步驟 顯示根據本 0 聲明< ^㈡至圖9( i )為半導體裝置的剖面圖 _ 1 〇 A較佳實施例而形成銅導線之步驟。 未蝥明之2 )-至圖1 〇 (k)為半導體裝置的剖面圖，顯示根據 圖i丨卓三較佳實施例而形成銅導線之步驟。 刮面圖。為顯不本發明之第四較佳實施例的半導體裝置之
I 1298510 圖式簡單說明 -— 圖12(a)至圖12((1)為半導體裝置的 本發明之第四較佳實施例而形成銅導，顯示根 圖13⑷至圖13(8)為半導體裝置的二：：。 本發明之第四較佳實施例而形成銅導線之步二，顯示根據 圖14(h)至圖14(j)為半導體裝置的剖二圖: 本發明之第四較佳實施例而形成銅導線之步騍顯7^根據 圖15(k)至圖15(1)為半導體裝置的剖面圖一 本發明之第四較佳實施例而形成銅導線之步驟。顯不根據 圖16為銅的電子束繞射影像。
圖1 7為矽固溶體的電子束繞射影像。 圖1 8為銅矽化物的電子束繞射影像。 圖1 9為通孔鏈的剖面圖，顯示實施例中所使用的雙_ 導線。 又" 圖2 0為顯示根據實施例所得之應力遷移抗性改善的結 果之圖式。 圖21為顯示根據實施例所得之電致遷移抗性改善的結 果之對數圖。
元件符號說明： 1 〇 1 絕緣膜 1 〇 2絕緣膜 1 0 3阻障金屬膜 1〇4低矽濃度區 105 Ta/TaN 膜
第35頁 1298510 圖式簡單說明 1 0 6 矽固溶體層 1 0 7銅導線 I 0 8擴散阻障膜 109 SiCN 膜 II 0 層間絕緣膜 1 2 1 a底層導線 1 2 1 b上層導線 1 2 2空隙 2 0 1 底層絕緣膜 202 SiCN 膜 203 L-Ox 膜 2 0 4 S i 02 膜 〇# 2 07溝槽導線 208 Ta/TaN 膜 20 9銅膜 211 SiCN 膜 2 1 2 S i 02 膜 213 SiCN 膜 2 1 4光阻 2 1 5光阻圖案 216 L-Ox 膜 2 1 7 S i 02 膜 2 1 8光阻圖案 2 1 9光阻圖案
第36頁 1298510 圖式簡單說明 220 Ta/TaN 膜 222 SiCN 膜 223 銅膜 #· 2 2 5抗反射膜 226 Ta/TaN 膜 227銅膜 2 5 0 矽固溶體層 2 5 5 底層導線 2 6 0 上層導線 226 Ta/TaN 膜 228含碎銅插塞 270 上層導線
第37頁

Claims (1)

1298510 案號 92136860 Λ_ 曰 修正
六、申請專利範圍 1. 一種半導體裝置，包含： 一半導體基材’其係為碎基板， 一絕緣膜’形成於該半導體基材上，以及 一金屬導線，構成該金屬導線的金屬為銅或包含銅的 合金，並且嵌於該絕緣膜内； 其中該金屬導線包含固溶體元素的原子，且該固溶體 元素係擇自於由Si，Al，Zn，Au，Ga，Mg，Ni，Pd及Ρΐ所 構成族群。 2. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置， 其中，該固溶體元素係擇自於由Si, Al，Zn，Au， Ga， Mg，Ni，Pd所構成族群。 3. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置， 其中，該固溶體元素係擇自於由S i，A 1，Ζ η所構成族 群 4. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置， 其中，該金屬導線之至少一部分，包含：將該固溶體 元素的原子，導入於由銅配線所構成之結晶晶格内，而配 置在晶格内，作為晶格中間位置原子或置換原子的構造。 5. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置， 其中該固溶體元素的原子之原子半徑等於或小於1. 4
第38頁 1298510 案號 92136860 且 .曰修(更)
六、申請專利範圍 埃。 6. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置， 其中該固溶體元素為矽。 7. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置， 其中該固溶體元素較集中分布於該金屬導線的上側。 8. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中， 該固溶體元素的原子被導入的一區域，在該金屬導線 的表面附近形成一固溶體層。 9. 如申請專利範圍第8項之半導體裝置，其中， 該固溶體層中的該固溶體元素之濃度在0. 1原子百分比 至9原子百分比的範圍之内。 10. 如申請專利範圍第8項之半導體裝置，其中， 在該金屬導線中除了該固溶體層之外的區域，該固溶 體元素原子之濃度少於0 . 1原子百分比。 4 11.如申請專利範圍第8項之半導體裝置，其中， 該固溶體層的厚度小於或等於該金屬導線之厚度之 4 0% °
第39頁 1298510 案號 92136860 年月曰 修正 六、申請專利範圍 12. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中，更具有位 於該金屬導線上側的包含S i C、S i N、S i 0 N或S i 0 C的膜。 13. 一種半導體裝置的製造方法，包含： 於一係為矽基板的半導體基材上形成一絕緣膜； 於該絕緣膜上形成一金屬導線，且構成該金屬導線的 金屬為銅或包含銅的合金；以及 藉由將該金屬導線暴露在具有與構成該金屬導線之金 屬元素不同元素之原子的氣體下，而將一固溶體元素的原 子導入該金屬導線； 其中，該固溶體元素係擇自於由Si，Al，Zn， Au， Ga， Mg，Ni，Pd及Pt所構成族群。 14. 如申請專利範圍第1 3項之半導體裝置的製造方法， 其中，該固溶體元素係擇自於由Si，Al，Zn， Au， Ga， Mg，Ni，Pd所構成族群。 15. 如申請專利範圍第1 3項之半導體裝置的製造方法， 其中，該固溶體元素係擇自於由S i，A 1，Zn所構成族 群。 16. 如申請專利範圍第1 3項之半導體裝置的製造方法，更 包含： 在形成該金屬導線的步驟之後，在該金屬導線的頂部
第40頁 1298510 _案號92136860_年月曰 修正__ 六、申請專利範圍 形成一層構成該金屬導線的該金屬元素之氧化物·，以及 然後藉由將該金屬元素的氧化物層暴露在該氣體，而 把固溶體元素的原子導入該金屬導線中。 17. 如申請專利範圍第1 6項之半導體裝置的製造方法，其 中，形成該金屬元素的該氧化物層之該步驟更包含： 使用有機酸清潔該金屬導線之該表面；以及 使用清水執行洗淨製程。 18. 如申請專利範圍第1 3項之半導體裝置的製造方法，更 包含：在把該固溶體元素的原子導入該金屬導線的步驟之 後，在該金屬導線的上形成具有SiC、SiN、SiON或是SiOC 的膜。 19. 如申請專利範圍第1 3項之半導體裝置的製造方法，其 中， 與構成該金屬導線之該金屬元素的不同元素之該原子 為矽。 % 2 0..如申請專利範圍第1 3項之半導體裝置的製造方法，其 中， 將一固溶體元素的原子導入該金屬導線的步驟，包 含：將該固溶體元素的原子，導入於由銅配線所構成之結 晶晶格内，而配置在晶格内，作為晶格中間位置原子或置
第41頁 1298510 案號92136860_年月日 修正 六、申請專利範圍 換原子的步驟。 a 第42頁
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