專利名稱：在銅金屬圖案表面形成密封層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于半導(dǎo)體積體電路(integrated circuits；ICS)的制程技術(shù)，特別是有關(guān)于在銅金屬圖案表面形成密封層(sealing layer)的制程技術(shù)。
因此，具有低阻值(low resistance)的較佳電子遷移壽命的銅金屬，能夠消除使用鋁金屬當(dāng)作內(nèi)連線存在的問題，因此在近世化的積體電路制程，銅金屬層已漸漸地取代鋁金屬而成為主流。其主要缺陷在于然而，由于銅金屬本身不適用電漿蝕刻(plasma etching)，因此無法如金屬導(dǎo)線一樣，利用傳統(tǒng)的蝕刻方式，難以制造銅金屬構(gòu)成的內(nèi)連線。
近年來，涉及在各種導(dǎo)電層進(jìn)行蝕刻以及遮蓋(mask)的鑲嵌技術(shù)(damascene technology)，能夠符合銅金屬內(nèi)連線的需求。上述鑲嵌技術(shù)是在絕緣材料(insulator)之中形成多數(shù)個(gè)溝槽(trench)，然后再將例如銅金屬層填入上述溝槽，再者利用化學(xué)機(jī)械研磨法(chemical mechanicalpolishing；CMP)，研磨銅金屬層，直到露出上述絕緣層，以得到想要的銅金屬圖案(desirable copper pattern)。而雙鑲嵌技術(shù)(dual damascenetechnology)則是在絕緣層形成連系不同金屬層的接觸孔(via)以及溝槽(trench)構(gòu)成的雙鑲嵌構(gòu)造(dual damascene)，然后再將金屬層填入上述雙鑲嵌構(gòu)造，再進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨，以平坦化(planarize)上述銅金屬層。再者，為了更進(jìn)一步防止銅金屬離子遷移，因此，銅金屬內(nèi)連線的表面必須形成一密封層(sealing layer)。
以下通過

圖1所示的具有密封層的銅金屬鑲嵌構(gòu)造，說明傳統(tǒng)技術(shù)。其制程步驟如下述圖1顯示單晶硅構(gòu)成的半導(dǎo)體基底10，其表面形成有介電層(dielectriclayer)12及形成于介電層12中的鑲嵌構(gòu)造。在上述介電層12以及鑲嵌構(gòu)造表面沉積擴(kuò)散阻障層(diffusion barrier)14，緊接著利用化學(xué)電鍍法(eletroplating)及化學(xué)機(jī)械研磨法，在鑲嵌構(gòu)造的中形成銅金屬層15。然后，利用電漿加強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積法(plasma enhanced chemical vapordeposition；PECVD)在上述銅金屬層15及介電層12表面形成氮化硅(siliconnitride)或是氮氧硅化合物(silicon oxynitride)構(gòu)成的密封層16，此密封層16能夠進(jìn)一步地防止銅金屬的離子遷移(migration)至后續(xù)步驟形成的介電層18，并且具有蝕刻停止層(etching stop layer)的作用；接下來，沉積一介電層18于上述密封層16表面，再利用傳統(tǒng)的雙鑲嵌技術(shù)在上述介電層18形成銅金屬鑲嵌構(gòu)造20。其主要缺陷在于然而，利用傳統(tǒng)技術(shù)形成的以氮化硅(silicon nitride)或是氮氧硅化合物(silicon oxy-nitride)構(gòu)成密封層，與下層的銅金屬層的粘合度(adhesion)不足。此是由于銅金屬圖案與氮化硅或是氮氧硅化合物之間不易產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而鍵結(jié)，而無化合物形成于其間；再者，由于氮化硅或是氮氧硅化物為高介電常數(shù)材料，使得傳統(tǒng)的密封層會(huì)增加內(nèi)連線之間的阻值電容(resistance capacitor)，因而對(duì)于半導(dǎo)體裝置的性能有負(fù)面的效應(yīng)。
本發(fā)明的另一目的是提供一種銅金屬圖案表面形成密封層的方法，達(dá)到提升本身與下層的銅金屬圖案之間的粘合度的目的。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種在銅金屬圖案表面形成密封層的方法，它少包括下列步驟提供一半導(dǎo)體基底，其已形成有一銅金屬圖案；利用原子層化學(xué)氣相沉積法，在上述銅金屬圖案的上表面沉積一鉭金屬層；以及導(dǎo)入氮?dú)馀c上述鉭金屬層的最上面的原子層反應(yīng)，形成一包含氮化鉭的密封層。
當(dāng)然，本發(fā)明不限于利用原子層化學(xué)氣相沉積法形成鉭金屬，亦可形成鈦金屬或是或是鎢金屬層。上述在銅金屬圖案表面形成密封層的方法的中銅金屬圖案的形成可以更包括下列步驟在上述半導(dǎo)體基底表面沉積一介電層；選擇性蝕刻上述介電層以形成一鑲嵌構(gòu)造；電鍍一銅金屬層以填入上述鑲嵌構(gòu)造；以及平坦化上述銅金屬層以留下一銅金屬圖案并且露出上述介電層表面。
本發(fā)明還提供一種銅金屬圖案表面形成密封層的方法，其特征是它至少包括下列步驟(1)提供一半導(dǎo)體基底，其已形成有銅金屬圖案；(2)利用原子層化學(xué)氣相沉積法，在所述銅金屬圖案的上表面沉積自我對(duì)準(zhǔn)金屬層；(3)導(dǎo)入氮?dú)馀c所述金屬層的最上面的原子層反應(yīng)，形成包含金屬氮化物的密封層。
所述的自我對(duì)準(zhǔn)金屬層選自鉭金屬層、鈦金屬層或鎢金屬層。所述銅金屬圖案的形成更包括下列步驟在所述半導(dǎo)體基底表面沉積介電層；選擇性蝕刻所述介電層，以形成鑲嵌構(gòu)造；電鍍銅金屬層，以填入所述鑲嵌構(gòu)造；平坦化所述銅金屬層，以留下銅金屬圖案并且露出所述介電層表面。
所述沉積金屬層時(shí)，更包括導(dǎo)入含有金屬元素的有機(jī)先驅(qū)物質(zhì)于沉積反應(yīng)器之中。所述金屬層沉積時(shí)，還包括導(dǎo)入氦氣或是氬氣當(dāng)作載氣。所述金屬層包含2層至15層。它還包括下列步驟在所述半導(dǎo)體基底表面沉積介電層，以覆蓋所述密封層；利用選擇性蝕刻所述介電層，以形成鑲嵌構(gòu)造；以及電鍍銅金屬于所述鑲嵌構(gòu)造之中。
下面結(jié)合較佳實(shí)施例和附圖進(jìn)一步說明。
圖2-圖9是本發(fā)明的銅金屬鑲嵌構(gòu)造的制程剖面示意圖。
圖10是本發(fā)明形成的密封層的部分迭層構(gòu)造示意圖。
首先，參閱圖2所示，提供一單晶硅構(gòu)造的半導(dǎo)體基底100，其表面形成有介電層102，介電層102最好是由二氧化硅或是低介電常數(shù)(low dielectricconstant)的有機(jī)材料構(gòu)成。接著，利用傳統(tǒng)的微影制程以及蝕刻步驟以選擇性蝕刻上述介電層102，在介電層102內(nèi)形成溝槽式鑲嵌構(gòu)造104。
接下來，參閱圖3所示，順應(yīng)性地在上述介電層102以及鑲嵌構(gòu)造104內(nèi)形成擴(kuò)散阻障層106，上述擴(kuò)散阻障層106最好是由氮化鈦(TiNx)或氮化鉭(TaNy)構(gòu)成，接著以化學(xué)電鍍方式將銅金屬層108填入形成有擴(kuò)散阻障層106的鑲嵌構(gòu)造104。
然后，參閱圖4所示，利用化學(xué)機(jī)械研磨法以平坦化上述銅金屬層108以及擴(kuò)散阻障層100，因而在上述鑲嵌構(gòu)造104內(nèi)留下包含擴(kuò)散阻障層106a與銅金屬108a的銅金屬圖案110。上述銅金屬圖案110的上表面會(huì)自發(fā)性地形成一氧化銅薄膜(為了簡(jiǎn)化，圖未顯示)，提供后續(xù)自我對(duì)準(zhǔn)(self-aligned)鉭金屬沉積的反應(yīng)位置。
接著，參閱圖5所示，利用原子層化學(xué)氣相沉積法，以在上述銅金屬圖案110的上表面選擇性地形成鉭金屬層112，上述鉭金屬層112是將含有鉭金屬的有機(jī)先驅(qū)物質(zhì)于金屬有機(jī)化學(xué)氣相積法(metal organic chemical vapordeposition；MOCVD)的反應(yīng)室，并且導(dǎo)入氦氣(He)或是氬氣(Ar)，以當(dāng)作載氣(carrier gas)，上述沉積溫度設(shè)定在250-450℃之間，使得鉭金屬層112包括5個(gè)原子層，如圖10所示。
之后，參閱圖6及圖10所示，半導(dǎo)體基底100被送至反應(yīng)腔室(chamber)，進(jìn)行氮?dú)饣鼗?nitroge nannealing)，亦即，氮?dú)獗粚?dǎo)入反應(yīng)腔室，并且將回火溫度控制在介于400-450℃，大約進(jìn)行30秒鐘，使得氮?dú)馀c鉭金屬層112的最上面的原子層反應(yīng)，以形成包含氮化鉭的密封層112a，上述密封層112a能夠防止銅的離子遷移。
然后，參閱圖7所示，將二氧化硅或是低介電常數(shù)的有機(jī)材料構(gòu)成的介電層114沉積或是涂布于上述半導(dǎo)體基底100以及上述密封層112a的表面。
接著，參閱圖8所示，利用傳統(tǒng)方法先形成接觸孔(via-first)或是先形成溝槽(trench-first)的制程，在介電層114之中形成雙鑲嵌構(gòu)造(dualdanlscene；DS)。
接著，參閱圖9所示，在上述半導(dǎo)體基底100表面電鍍一填入上述雙鑲嵌構(gòu)造DS的銅金屬層，然后利用化學(xué)機(jī)械研磨法以平坦化上述銅金屬層，以留下銅金屬雙鑲嵌構(gòu)造122。
本發(fā)明的特征及功效如下本發(fā)明在銅金屬圖案表面形成密封層的方法，能夠降低銅金屬圖案之間的阻值電容，以提升半導(dǎo)體裝置的性能。
再者，本發(fā)明提供的在銅金屬圖案表面形成密封層的方法，能夠提升本身與下層的銅金屬圖案之間的粘合度(adhesion)。
雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何熟習(xí)此項(xiàng)技藝者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，所作更動(dòng)與潤(rùn)飾，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種在銅金屬圖案表面形成密封層的方法，其特征是它至少包括下列步驟(1)提供一半導(dǎo)體基底，其已形成有銅金屬圖案；(2)利用原子層化學(xué)氣相沉積法，在所述銅金屬圖案的上表面沉積自我對(duì)準(zhǔn)金屬層；(3)導(dǎo)入氮?dú)馀c所述金屬層的最上面的原子層反應(yīng)，形成包含金屬氮化物的密封層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在銅金屬圖案表面形成密封層的方法，其特征是所述的自我對(duì)準(zhǔn)金屬層選自鉭金屬層、鈦金屬層或鎢金屬層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在銅金屬圖案表面形成密封層的方法，其特征是所述銅金屬圖案的形成更包括下列步驟在所述半導(dǎo)體基底表面沉積介電層；選擇性蝕刻所述介電層，以形成鑲嵌構(gòu)造；電鍍銅金屬層，以填入所述鑲嵌構(gòu)造；及平坦化所述銅金屬層，以留下銅金屬圖案并且露出所述介電層表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在銅金屬圖案表面形成密封層的方法，其特征是所述沉積金屬層時(shí)，更包括導(dǎo)入含有金屬元素的有機(jī)先驅(qū)物質(zhì)于沉積反應(yīng)器之中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在銅金屬圖案表面形成密封層的方法，其特征是所述金屬層沉積時(shí)，還包括導(dǎo)入氦氣或是氬氣當(dāng)作載氣。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在銅金屬圖案表面形成密封層的方法，其特征是所述金屬層包含2層至15層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在銅金屬圖案表面形成密封層的方法，其特征是它還包括下列步驟在所述半導(dǎo)體基底表面沉積介電層，以覆蓋所述密封層；利用選擇性蝕刻所述介電層，以形成鑲嵌構(gòu)造；以及電鍍銅金屬于所述鑲嵌構(gòu)造之中。
全文摘要
一種在銅金屬圖案表面形成密封層的方法，首先提供已形成有銅金屬圖案的半導(dǎo)體基底；然后利用原子層化學(xué)氣相沉積法在銅金屬圖案的上表面沉積一鉭金屬層；接著導(dǎo)入氮?dú)馀c鉭金屬層的最上面的原子層反應(yīng)，以形成包含氮化鉭的密封層。具有降低銅金屬圖案之間的阻值電容、提升半導(dǎo)體裝置的性能及提升本身與下層的銅金屬圖案之間的粘合度的功效。
文檔編號(hào)H01L21/768GK1476058SQ0212869
公開日2004年2月18日 申請(qǐng)日期2002年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月12日
發(fā)明者李世達(dá) 申請(qǐng)人:矽統(tǒng)科技股份有限公司