专利名称：电镀金属退火的方法
技术领域：
本发明有关一种电镀金属回火的方法；特别是关于一种电镀铜回火的方法。
(2)背景技术如熟悉此技术领域的人士所知道的，当超大型集成电路元件不断地在缩小时，内连金属线的RC延迟时间是会限制住元件在高速运作下的效能。因此，采用铜制程(电阻值1.7mΩ-cm)可有效地解决此问题。此外，低生产成本和良好的可靠度也是用铜金属来取代铝金属的关键原因之一。铜制程较佳的实现方式是采用电镀法，这是由于它的成本低廉，产出效率高，绝佳的填洞能力，良好的电性性质和易相容于低K材料。由于电镀铜在室温下自我退火的性质及其在元件制造中所产生的应力，因此发展出一种后电镀铜退火制程以在进行化学机械研磨(CMP，Chemical Mechanical Polishing)前稳定住铜薄膜的性质。在铜薄膜的性质稳定之前，其再结晶对每一毫微米的电镀铜薄膜会导致最大片电阻的阻值下降约18~20％。另外，自我退火的现象会增加电镀铜薄膜的化学机械研磨速率，此是由于薄膜的硬度下降。因此，在实施化学机械研磨之前，进行一热退火制程以稳定电镀铜薄膜是必要的步骤。
后电镀铜退火制程通常在一连续炉管制程中被实施，其一般的退火时间约为30分钟，在温度350℃于氮气下或真空中。然而，如图1所示为电镀铜结构示意图，在电镀铜晶格101相接之处，于高温的后电镀铜退火制程中，由于电镀铜层内累积了过多的内应力，因此会产生许多的突起缺陷102(hillock defect)。因此，目前普遍的作法是采用低温退火制程(＜200℃)以抑制这种突起缺陷的产生。然而，在完成化学机械研磨制程及沉积完铜阻障层之后，仍然又出现了为数众多的突起缺陷，并且其在随后镶嵌制程中沉积介电层的步骤里会变得更严重。
因此，为了要克服上述的缺陷，我们需要发展一种新的方法以解决上述的问题。
(3)发明内容根据上述传统习知方法所引起的缺陷，本发明的主要目的是提供一种电镀金属退火的方法，利用氨气等离子体制程取代传统的炉管后电镀铜退火制程。
本发明的另一目的是提供一种可减少电镀金属中突起缺陷形成的方法，利用高温氨气等离子体能有效释放电镀金属铜的应力(stress)。
本发明的又一目的是提供一种可减少电镀金属层于化学机械研磨制程后产生突出物(pullouts)或是线孔洞(line voids)的方法。
根据以上所述的目的，本发明的电镀金属的退火制程包括首先，提供一半导体结构，包括有多个半导体元件，如一基极，一发射极和集电极区及一场氧化区。接着，形成一介电层于半导体结构上，然后藉由传统的微影和蚀刻制程形成一开口于介电层内且接触到部分的半导体结构，并藉由一电镀制程于介电层上形成一电镀金属层并填满上述的开口。之后，利用一氨气(NH3)等离子体促进化学气相沉积法(PECVD，Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition)对上述经电镀制程而形成的电镀金属层进行一退火处理。本发明主要是藉由采用一氨气等离子体制程来取代传统的炉管后电镀铜退火制程，其可有效地抑制由于电镀铜层中的应力所产生的突起缺陷，其亦可减少在随后步骤中所会引起的突起物及线孔洞，同时，本发明也可提供一较快速且经济的电镀铜退火制程，因为本发明的关键操作时间只需要约30秒到300秒即可完成，大大的少于传统炉管电镀铜后退火制程所需要的时间(30分钟)。
本发明的目的、特点及诸多优点将藉由下列具体实施例的详细说明及参照所附图示而被完全揭示。
(4)
图1是用以说明使用传统炉管退火制程所引起的突起缺陷的示意图；图2是使用本发明的方法则不具有突起缺陷的示意图3是为本发明的具有多个半导体元件结构的半导体结构的截面示意图；及图4和图5是为本发明的的经电镀一铜层及一氨气等离子体退火制程的半导体结构的截面示意图。
(5)具体实施方式
本发明的一些实施例会详细描述如下。然而，除了下列应用于硅底材的半导体元件外，本发明还可以广泛地在其他的实施例实行，如应用于不同的半导体材料(砷化镓、锗)上。因而，本发明并非限定在以硅半导体材料制造的元件上，而是包含以其他半导体材料制造的元件上，且本发明的范围不受限定，而是以权利要求所限定的专利保护范围为准。
另外，半导体元件的不同部份并没有依照实际尺寸绘制。某些尺度与其他部份相关的尺度比是被夸张表示以提供更清楚的描述以帮助熟悉此技艺的相关人士了解本发明。
本发明的一种电镀金属退火的方法，包括提供一半导体结构，例如一单结晶的硅，其上具有多个半导体元件，如一基极，一发射极和集电极区及一场氧化区。接着，形成一介电层于半导体结构上，此介电层的材质可为二氧化硅、四乙基氧化硅酸盐(TEOS，TetraEthyl-OrthoSilicate)和硼磷硅酸玻璃(BPSG，BoroPhosphoSilicate Glass)的其中一种，或其它类似的材料。然后藉由传统的微影和蚀刻制程形成一开口于介电层内且接触到部分的半导体结构，并藉由一电镀制程于介电层上形成一电镀金属层且同时填满上述的开口。之后，利用一氨气(NH3)等离子体制程对上述经电镀制程而形成的电镀金属层进行一退火处理，此氨气等离子体制程是采用等离子体促进化学气相沉积法(PECVD，Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)或高密度等离子体化学气相沉积法(HDPCVD，High Density Plasma Chemical VaporDeposition)，高频无线电波波频(HFRF)使用的电力约从0.1瓦/平方公分至5瓦/平方公分，低频无线电波波频(LFRF)使用的电力约从0.05瓦/平方公分至0.5瓦/平方公分，在温度350℃至450℃下，操作压力为0.1托(Torr)到10托(Torr)，操作时间约从30秒到300秒下进行。
参见图3所示为一半导体结构的剖面示意图。半导体结构100，例如一单结晶硅，包括一区域氧化区55(LOCOS)或是一浅开口隔离区(STI)与集电极64及发射极区65，其上则包括有一基极结构60与一介电层70覆盖其上。绝缘层可以是二氧化硅，四乙基氧化硅酸盐(TEOS，TetraEthyl-OrthoSilicate)，硼磷硅酸玻璃(BPSG，BoroPhosphoSilicate Glass)或其它类似的材料所组成，在本发明中，较佳的材质为二氧化硅，其沉积在半导体结构100上，厚度约为4000埃至10,000埃。接着，使用传统的微影和蚀刻技术形成一开口75，其穿越二氧化硅层70与半导体结构100，例如发射极65，相接触。
另外，一复合的阻障金属层如厚度100埃的TaN(氮化钽)、400埃的Ta(钽)、1500埃的Cu(铜)(未示于图中)，依序利用物理气相沉积法(PVD，Physical Vapor Deposition)沉积在开口75内，以增加后续形成的电镀金属层的附着力。
接着，参见图4和图5，藉由一电镀制程，在二氧化硅层70和具有镶嵌结构的开口75上形成一金属层，例如一电镀铜层80。接着，本发明的关键步骤抑制形成在电镀铜层80的突起缺陷说明如下。以一氨气等离子体制程，取代传统炉管电镀铜后退火制程。氨气等离子体制程可以是等离子体促进化学气相沉积法(PECVD，Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)或高密度等离子体化学气相沉积法、(HDPCVD，High Density Plasma Chemical VaporDeposition)，在本发明中较佳实施例为等离子体促进化学气相沉积法，高频无线电波波频(HFRF)使用的电力约从0.1瓦/平方公分至5瓦/平方公分，低频无线电波波频(LFRF)使用的电力约从0.05瓦/平方公分至0.5瓦/平方公分；温度约介于350℃至450℃之间，较佳参数为400℃；操作压力为0.1托到10托，较佳参数为2.6托；操作时间约从30秒到300秒，较佳参数为120秒左右。
参照图2，本发明使用氨气制程的优点在于本发明是采用一氨气等离子体制程来取代传统的炉管后电镀铜退火制程，其可有效的抑制由于电镀铜层中的应力所产生的突起缺陷，其亦可减少在随后步骤中所会引起的突起物及线孔洞，另外，本发明也可提供一较快速且经济的电镀铜退火制程，因为本发明的关键操作时间只需要约30秒到300秒即可完成，大大的少于传统炉管电镀铜后退火制程所需要的时间(30分钟)。
参见第一表，其是列出电镀铜层以炉管退火制程及以氨气等离子体退火制程后个别的电性，其中炉管退火条件为温度300℃、时间30分钟；氨气等离子体条件为温度400℃、时间2分钟。从表中可看出，根据本发明的方法所得到的电镀铜的片电阻值为14.15(毫欧姆/□)，其几乎与由传统炉管退火制程中所得到的电镀铜的片电阻值14.14(毫欧姆/□)一样。同样的，由本发明的方法所得到的电镀铜的相对反射率为1.412，其亦几乎与由传统炉管退火制程中所得到的电镀铜的相对反射率1.414一样。因此，经由本发明的氨气等离子体退火制程所得到的电镀铜层的性质与经由传统炉管退火制程所得到的性质是一样的。另外，本发明的操作时间只需要2分钟，其远少于传统炉管退火制程所需的操作时间30分钟，因此，本发明相较于传统方法是为一较为快速且经济的后电镀铜退火的方法。(第一表接于其下)第一表
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的申请专利范围；凡其他未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在权利要求所限定的专利保护范围内。
权利要求
1.一种电镀金属退火的方法，其特征在于，包括提供一半导体结构；形成一介电层于该半导体结构上；形成一开口于该第一介电层内且接触到部分该半导体结构；以电镀方法形成一金属层于该介电层上且填满该开口；及以氨气等离子体方法退火该金属层。
2.如权利要求1所述的电镀金属退火的方法，其特征在于，该半导底结构包括有场氧化区、基极结构、集电极和发射极区。
3.如权利要求1所述的电镀金属退火的方法，其特征在于，该第一介电层的材质是选自二氧化硅、四乙基氧化硅酸盐、硼磷硅酸玻璃的一种。
4.如权利要求1所述的电镀金属退火的方法，其特征在于，该金属层是选自铜、铝、钨、钛、钽、和上述金属的合金的一种。
5.如权利要求1所述的电镀金属退火的方法，其特征在于，该氨气等离子体方法是等离子体促进化学气相沉积法或高密度等离子体化学气相沉积法。
6.如权利要求5所述的电镀金属退火的方法，其特征在于，该氨气等离子体方法的高频无线电波波频使用的电力是从0.1瓦/平方公分至5瓦/平方公分，低频无线电波波频使用的电力是从0.05瓦/平方公分至0.5瓦/平方公分。
7.如权利要求6所述的电镀金属退火的方法，其特征在于，该氨气等离子体方法是在温度350℃至450℃下进行。
8.如权利要求7所述的电镀金属退火的方法，其特征在于，该氨气等离子体方法是在0.1托到10托的状态下进行。
9.如权利要求8所述的电镀金属退火的方法，其特征在于，该氨气等离子体方法所需的时间是从30秒至300秒。
10.一种电镀金属退火的方法，其特征在于，包括提供一半导体结构；形成一二氧化硅层于该半导体结构上；形成一开口于该二氧化硅层内且接触到部分该半导体结构；以电镀方法形成一金属层于该二氧化硅层上且填满该开口；及以氨气等离子体方法退火该金属层。
11.如权利要求10所述的电镀金属退火的方法，其特征在于，该半导体结构包括有场氧化区、基极结构、集电极和发射极区。
12.如权利要求10所述的电镀金属退火的方法，其特征在于，该金属层是选自铜、铝、钨、钛、钽、和上述金属的合金的一种。
13.如权利要求10所述的电镀金属退火的方法，其特征在于，该氨气等离子体方法是等离子体促进化学气相沉积法或高密度等离子体化学气相沉积法。
14.如权利要求13所述的电镀金属退火的方法，其特征在于，该氨气等离子体方法的高频无线电波波频使用的电力从0.1瓦/平方公分至5瓦/平方公分，低频无线电波波频使用的电力从0.05瓦/平方公分至0.5瓦/平方公分。
15.如权利要求14所述的电镀金属退火的方法，其特征在于，该氨气等离子体方法是在温度350℃至450℃下进行。
16.如权利要求15所述的电镀金属退火的方法，其特征在于，该氨气等离子体方法是在0.1托到10托的状态下进行。
17.如权利要求16所述的电镀金属退火的方法，其特征在于，该氨气等离子体方法所需的时间是从30秒至300秒。
18.一种电镀金属退火的方法，其特征在于，包括提供一半导体结构；形成一二氧化硅层于该半导体结构上；形成一开口于该二氧化硅层中且接触部分该半导体结构；以电镀方法形成一铜层于该二氧化硅层上且填满该开口；及以氨气等离子体促进化学气相沉积方法退火该铜层。
19.如权利要求18所述的电镀金属退火的方法，其特征在于，该半导体结构包括有场氧化区、基极结构、集电极和发射极区。
20.如权利要求18所述的电镀金属退火的方法，其特征在于，该氨气等离子体方法的高频无线电波波频使用的电力从0.1瓦/平方公分至5瓦/平方公分，低频无线电波波频使用的电力从0.05瓦/平方公分至0.5瓦/平方公分。
21.如权利要求20所述的电镀金属退火的方法，其特征在于，该氨气等离子体促进化学气相沉积方法是在温度350℃至450℃下进行。
22.如权利要求21所述的电镀金属退火的方法，其特征在于，该氨气等离子体促进化学气相沉积方法是在0.1托到10托状态下进行。
23.如权利要求22所述的电镀金属退火的方法，其特征在于，该氨气等离子体促进化学气相沉积方法所需的时间是从30秒至300秒。
全文摘要
一种电镀金属退火的方法，包括首先，提供一半导体结构，此半导体结构包括有多个半导体元件，如一基极、一发射极和集电极区及一场氧化区。接着，形成一介电层于半导体结构上，然后藉由传统的微影和蚀刻制程形成一开口于介电层内且接触到部分的半导体结构，并藉由一电镀制程于介电层上形成一电镀金属层并填满上述的开口。之后，利用氨气等离子体促进化学气相沉积法对上述经电镀制程而形成的电镀金属层进行退火处理。
文档编号H01L21/288GK1447402SQ0214732
公开日2003年10月8日 申请日期2002年10月18日 优先权日2001年12月11日
发明者杨能辉, 黄国峰, 谢宗棠 申请人:联华电子股份有限公司