专利名称：金属内连线的制造方法
技术领域：
本发明是有关于一种半导体工艺，且特别是有关于一种金属内连线的制造方法。
虽然在集成电路工艺中，以铝作为金属导线的技术已经发展的相当成熟了，但是，在深次微米的半导体工艺中，常利用铜取代铝制作内连线。这是由于铜具有电子迁移阻抗值为铝的30至100倍、介层窗阻抗值降低10至20倍以及铜的电阻值比铝低30％的特点。因此利用铜导线工艺配合使用低介电常数(Low K)材料的金属间介电层(Inter-Metal Dielectrics)，可有效降低电阻电容延迟(RC Delay)以及增加抗电致迁移能力。
由于金属铜不容易被蚀刻，因此铜工艺中的金属导线大多都以金属镶嵌(Damascene)的技术来制作，也就是先形成介电层之后，图案化介电层以形成暴露欲连接导线的区域的金属镶嵌开口，然后在此金属镶嵌开口中形成一层阻障层，再形成一层金属铜层以填满金属镶嵌开口。然后，利用化学机械研磨法(Chemical Mechanical Polishing)移除金属镶嵌开口以外的多余金属铜层，以完成金属镶嵌结构。
然而，在上述的金属镶嵌结构工艺中，从金属铜沉积工艺后到化学机械研磨工艺前，金属铜层会一直氧化，而造成金属铜层的电阻会提高，导致所谓内连线效能降低的问题。
本发明提出一种金属内连线的制造方法，此方法是在基底上形成一层介电层，并在介电层中形成一开口。然后，在基底上形成一层金属层以填满开口。接着，以电化学法于金属层的表面形成一保护层后，移除开口以外的保护层与金属层，以完成金属内连线工艺。
本发明是在金属铜层沉积后，以电化学法在金属铜层表面形成一层化学性质比金属铜层稳定的氧化亚铜保护层，可以防止金属铜层持续氧化，使金属内连线维持一定的效能，并且能够延长金属铜层沉积后至化学机械研磨前的等待时间(Q-time)。
图2为本发明实施例所使用的电镀装置示意图。
附图标记说明100基底 102介电层
104开口 106阻障层108金属层110保护层200电镀槽201晶元202工作电极 204参考电极206指示电极 208电源供给装置为了更加清楚的说明本发明所说明的金属内连线的制造方法，请依照
图1A至图1C说明本发明。
首先，请参照图1A，提供一基底100，此基底100例如是硅基底，且此基底100可为已经形成有半导体元件(未绘示于图中)，或甚至是已经形成部分金属导线结构(未绘示于图中)的半导体晶元。
接着，在此基底100上形成一层介电层102，其中此介电层102的材料例如是氧化硅、低介电常数材料(Low K)、或其它具有介电特性的材料，形成介电层102的方法例如是化学气相沉积法或旋转涂布法。
然后，移除部分的介电层102，以在介电层102中形成开口104，且开口104暴露基底100的部分表面。此部分表面为欲与导线接触的区域，例如是基底100中的元件或是部分的导线接点。其中，开口104例如为一欲形成双重金属镶嵌结构的金属镶嵌开口或是欲形成金属导线的沟渠(Trench)，或者为一欲形成插塞(Plug)的介层窗(Via)开口或接触窗(Contact)开口或任何欲形成镶嵌结构的开口(图式中仅以金属镶嵌开口表示)。形成开口104的方法例如是微影蚀刻技术。
接着，请参照图1B，在基底100上形成一层阻障层106，此阻障层106共形于开口104的表面并覆盖于介电层102上。阻障层106的材料例如是氮化钽(TaN)、氮化钛或者钛硅氮化物。形成阻障层106的方法例如是先以磁控DC溅镀的方式，在晶元表面沉积一层钽金属，然后将此晶元置于含氮气或氨气的环境中由高温将钽氮化成氮化钽的氮化反应法(Nitridation)。或使用金属靶成分为钽，利用氩气与氮气所混合的反应气体，经由离子轰击而溅出的钽，将与等离子体内因解离反应所形成的氮原子形成氮化钽并沉积在晶元表面的反应性溅镀法(Sputtering)。
接着，请参照图1C，形成一层金属层108在阻障层106上，并填满开口104。形成金属层108的方法例如是物理气相沉积法(PhysicalVapor Deposition，PVD)、化学气相沉积法或溅镀法。此金属层108的材料例如是金属铜。
接着，在金属层108的表面形成一层保护层110，保护层110的材料例如是氧化亚铜(Cu2O)，形成保护层110的方法例如是电化学法。由于金属层108会一直氧化，而造成金属层108的电阻会提高，导致内连线的效能降低，因此由电化学法于金属层108的表面形成一层稳定的保护层110，防止金属层108持续氧化，可以延长提高金属层108沉积后至化学机械研磨前的等待时间(Q-time)。
然后，进行化学机械研磨工艺，移除开口104以外的保护层110、部分金属层108与阻障层106，完成金属内连线的工艺，此工艺为熟悉此技术者所周知，在此不再赘述。
接着请参照图2所绘示的电镀装置图以详细地说明本发明以电化学法于金属铜层上形成氧化亚铜(Cu2O)保护层的例子。
将已沉积金属铜层的晶元201接上工作电极(WorkingElectrode)202后，将接上晶元201的工作电极202、参考电极(ReferenceElectrode)204、指示电极(Counter electrode)206一起放入电镀槽200中。然后，利用电源供给装置208给予工作电极202例如-250mV左右的操作电压，使金属铜层的表面形成一层较稳定的氧化亚铜层(Cu2O)。其中电镀槽200中的电镀液配方例如是0.1M磷酸氢钠(Na2HPO4)/10％甲醇(CH3OH)的混合溶液，酸碱值(pH值)为7至9左右。由于氧化铜层的化学性质比金属铜稳定，可以保护金属铜层，使金属铜层不会与空气接触，因此能够防止金属层铜持续氧化，可以延长金属铜层沉积后至化学机械研磨前的等待时间(Q-time)。
依照本发明实施例所述，在金属层沉积后，以电化学法于金属层表面形成一层化学性质较金属层稳定的保护层，可以防止金属层持续氧化，使金属内连线维持一定的效能，并且能够延长金属层沉积后至化学机械研磨前的等待时间(Q-time)。
在本发明的实施例中，是以金属铜为例做说明，当然本方法也可以适用于各种易氧化的金属材料等。
综上所述，虽然本发明已以实施例说明如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当以权利要求书为准。
权利要求
1.一种金属内连线的制造方法，其特征为该方法包括提供一基底，该基底上具有一介电层；在该介电层中形成一开口；在该基底上形成一金属层以填满该开口；在该金属层的表面形成一保护层；以及移除该开口以外的该保护层与该金属层。
2.如权利要求1所述的金属内连线的制造方法，其特征为该开口包括一双重金属镶嵌开口。
3.如权利要求1所述的金属内连线的制造方法，其特征为该开口包括一欲形成金属导线的沟渠。
4.如权利要求1所述的金属内连线的制造方法，其特征为该开口包括一欲形成插塞的介层窗开口。
5.如权利要求1所述的金属内连线的制造方法，其特征为该开口包括一接触窗开口。
6.如权利要求1所述的金属内连线的制造方法，其特征为该开口包括一欲形成镶嵌结构的开口。
7.如权利要求1所述的金属内连线的制造方法，其特征为该金属层的材料包括铜。
8.如权利要求7所述的金属内连线的制造方法，其特征为该保护层的材料包括氧化亚铜。
9.如权利要求8所述的金属内连线的制造方法，其特征为以电化学法在该金属层的表面形成该保护层，且使用的一电镀液包括0.1M磷酸氢钠(Na2HPO4)/10％甲醇(CH3OH)的混合溶液。
10.如权利要求9所述的金属内连线的制造方法，其特征为该电镀液的酸碱值为在pH7至pH9左右。
11.如权利要求1所述的金属内连线的制造方法，其特征为在该介电层中形成该开口的步骤后与在该基底上形成该金属层以填满该开口的步骤前还包括形成共形该开口的一阻障层。
12.一种金属内连线的制造方法，其特征为该方法包括提供一基底，该基底上具有一介电层；在该介电层中形成一开口；在该基底上形成一金属铜层以填满该开口；在该金属铜层的表面形成一氧化亚铜保护层；以及移除该开口以外的该氧化亚铜保护层与该金属铜层。
13.如权利要求12所述的金属内连线的制造方法，其特征为该开口包括一双重金属镶嵌开口。
14.如权利要求12所述的金属内连线的制造方法，其特征为该开口包括一欲形成金属导线的沟渠。
15.如权利要求12所述的金属内连线的制造方法，其特征为该开口包括一欲形成插塞的介层窗开口。
16.如权利要求12所述的金属内连线的制造方法，其特征为该开口包括一接触窗开口。
17.如权利要求12所述的金属内连线的制造方法，其特征为该开口包括一欲形成镶嵌结构的开口。
18.如权利要求12所述的金属内连线的制造方法，其特征为形成该氧化亚铜保护层的方法包括电化学法。
19.如权利要求18所述的金属内连线的制造方法，其特征为电化学法所使用的一电镀液包括0.1M磷酸氢钠(Na2HPO4)/10％甲醇(CH3OH)的混合溶液。
20.如权利要求19所述的金属内连线的制造方法，其特征为该电镀液的酸碱值为pH7至pH9左右。
全文摘要
一种金属内连线的制造方法，此方法是在基底上形成一层介电层，并在介电层中形成一开口。然后，在基底上形成一层金属层以填满开口。接着，以电化学法在金属层的表面形成一保护层后，移除开口以外的保护层与金属层，以完成金属内连线工艺。由于保护层比金属层稳定，可防止金属层继续氧化，因此能够延长金属层沉积后至化学机械研磨前的等候时间(Queue time，Q－time)。
文档编号H01L21/70GK1421916SQ0114003
公开日2003年6月4日 申请日期2001年11月22日 优先权日2001年11月22日
发明者郑志贤 申请人:旺宏电子股份有限公司