专利名称：形成金属镶嵌结构的方法
技术领域：
本发明有关于一种形成金属镶嵌结构的方法，特别有关于一种在镶嵌开口蚀刻后，使用特殊电浆处理而形成金属镶嵌结构以避免介电层剥离的方法。
背景技术：
由于具有高导电度，铝(Al)和铝合金已成为集成电路(IC)发展中的重要导电材料。然而，随着半导体集成度的快速增加，铝和铝合金的导电度已不再能满足半导体装置的速度需求。因此，由于铜(Cu)有较低电阻值和较佳的可靠度，铜(Cu)已渐渐地取代铝而成为适用的导电材料。此外，铜比铝对于电致迁移(electromigration)有较佳的抵抗性，因此，在设计准则0.13μm以上的组件中，铜已经用于深次微米ULSI金属化和内联机上。
由于铜无法使用干蚀刻法进行图案化，通常是使用镶嵌(dama scene)技术来形成铜内联机。图1a至图1d显示依据传统方法形成铜镶嵌结构的制程剖面示意图。请参阅图1a，在一第一铜层100上形成一覆盖层200(如氮化硅)。接着，形成一金属间介电层(IMD)300，其依序包括一第一介电层320，一蚀刻停止层340(例如氮氧化硅(SiON))，以及一第二介电层360。覆盖层200通常是用于避免第一铜层100扩散到其上的IMD 300。
接着，请参阅图1b，在第二介电层360上形成一第一光阻掩膜(未显示)，进行非等向性蚀刻，而形成通过第二介电层360、蚀刻停止层340、和第一介电层320的一介层洞410。接着，在第二介电层360上形成一第二光阻掩膜(未显示)，进行非等向性蚀刻，而在第二介电层360中形成一沟槽420，停止于蚀刻停止层340。至此，介层洞410和沟槽420构成了一双镶嵌开口400。
接着，参阅图1c，以电镀法(electrodeposition)或无电沉积法(electroless deposition)来沉积铜以填入双镶嵌开口400中，形成一第二铜层500。接着，进行化学机械研磨法(CMP)以使第二铜层500平坦化。
通常，在进行非等向性蚀刻而形成介层洞410和沟槽420之后，很难避免会有杂质(如氟、氯、碳、氧等)残留在第一铜层100上。氟和氯会攻击第一铜层100和覆盖层200之间的界面，氧会氧化第一铜层100而形成氧化铜。再者，由于光阻和蚀刻制程中产生的残余碳、氟、氯、或氧，而会使覆盖层200形成气泡。结果，在基板经过重复热循环之后，金属间介电层(IMD)300会剥离(简称“peeling via”(剥离介层洞))，如图1d所示。Peeling via不仅会降低良率，也会降低可靠度。再者，会产生严重的电致迁移(EM；electromigration)和应力迁移(SM；stress migration)问题。
有许多方法尝试去减缓peeling via问题，例如不使用CF4的光剥除(photo stripping without CF4)，微调介层洞/沟槽蚀刻配方(fine tuningvia/trench etching recipes)，改良的设计准则等。然而，peeling via问题仍未能解决。
Subramanian等人在美国专利6,465,889号中揭露一种双镶嵌技术。在铜在线形成碳化硅以同时作为覆盖层和底部抗反射涂层(BARC；bottomanti-reflective coating)。于是，可改善在其上形成的双镶嵌结构的尺寸准确度。
Zhao等人在美国专利6,071,809号中揭露另一双镶嵌技术。覆盖层是氮化硅，并且使用一对CMP硬掩膜二氧化硅层和氮化硅层。二氧化硅层可在双镶嵌制程中保护在下的氮化硅层，但接下来在CMP时被牺牲，使得氮化硅层作为CMP硬掩膜。以此方式，可避免low-k物质的剥离。
Chooi等人在美国专利6,436,824号中揭露作为铜的覆盖层(保护层)的新颖低介电常数物质。此新颖低介电常数物质可为一碳掺杂的氮化硅层，可由一取代的氨前驱物(substituted ammonia precursor)和一取代的有机硅烷(substituted organosilane)在电浆辅助(plasma-enhanced)化学沉积反应室中反应而得。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的为解决上述问题而提供一种形成金属镶嵌结构的方法。在镶嵌开口蚀刻之后，本发明进行特殊的电浆处理以除去残留杂质。于是，可解决由于残留杂质所造成的金属间介电层(IMD)的剥离。再者，本发明可通过应力迁移和电致迁移测试，并可改善良率和可靠度。
为达成本发明的目的，本发明形成金属镶嵌结构的方法包括以下步骤。首先，在一基板上形成一介电层。接着，蚀刻介电层而形成一镶嵌开口。接着，进行电浆处理以除去在介电层上的残余杂质。接着，将金属填入镶嵌开口内。
依据本发明，在介电层形成之前，可在基板上形成一第一金属层。于是，电浆处理是在第一金属层的表面上进行。此时，电浆处理可用作除去在第一金属层上的杂质，并且修补在第一金属层和介电层之间的键结。
依据本发明，在第一金属层形成之后，介电层形成之前，可在第一金属层上形成一覆盖层。于是，电浆处理可作为修补第一金属层和覆盖层之间的键结。
电浆处理可使用含氢电浆、含氮电浆、含氧电浆、或其混合物。
依据本发明第一较佳具体实施例，镶嵌开口的蚀刻是使用含氟电浆或含氯电浆来进行，且电浆处理是使用含氢电浆。例如，可使用氢气(H2)电浆、氨气(NH3)电浆、H2/NH3电浆、或H2/N2电浆。含氢电浆的氢键被解离而形成离子化(ionized)的氢原子。这些离子化的氢原子可使不需要的氧化铜去氧化(deoxidize)，并且与自由的氟或氯反应。因此，可避免由于残余氟或氯所造成的介电层剥离现象。
依据本发明第二较佳具体实施例，覆盖层是氮化物，且电浆处理使用含氮电浆。例如，可使用氮气(N2)电浆、氨气(NH3)电浆、H2/NH3电浆、或H2/N2电浆。含氮电浆可修补第一金属层和覆盖层(氮化物)之间的键结。于是，第一金属层和覆盖层有良好的附着性，因而可避免介电层的剥离。
依据本发明第三较佳具体实施例，镶嵌开口蚀刻所用的光阻掩膜含有碳，且电浆处理使用含氧电浆，例如N2O电浆或氧气(O2)电浆。含氧电浆可与残余的碳反应，于是可避免由于残余碳所造成的气泡形成。
图1a至图1d显示依据传统方法形成铜镶嵌结构的制程剖面图。
图2显示依据本发明形成金属镶嵌结构的流程图。
图3a至图3c为依据本发明较佳具体实施例形成金属镶嵌结构的制程剖面图。
图4a和图4b分别为用作电致迁移(EM)和应力迁移(SM)的测试构造的俯视图和侧视图。
图5显示本发明和比较实施例的测试构造的EM测试结果。
图6显示比较实施例的测试构造的SM测试结果。
符号说明100～第一铜层，200～覆盖层，300～金属间介电层(IMD)，320～第一介电层，340～蚀刻停止层，360～第二介电层，400～双镶嵌开口，410～介层洞，420～沟槽，500～第二铜层，10～第一金属层，20～覆盖层，30～介电层，32～第一介电层，34～蚀刻停止层，36～第二介电层，
40～镶嵌开口，41～介层洞，42～沟槽，52～阻障层，54～第二金属层，61～金属线(第一层)，611、612～插塞，621、622～金属垫(第二层)，631、632～金属垫(第三层)，633、634～插塞，64～金属线(第四层)。
具体实施例方式
图2为本发明形成金属镶嵌结构的流程图。图3a至3c图为依据本发明较佳实施例的形成金属镶嵌结构的制程剖面示意图。
以下举双镶嵌制程为例来作说明。然而，单镶嵌制程亦涵盖在本发明的范围内。请参阅图2和图3a，首先，在一第一金属层10上形成一覆盖层20(步骤S21)。此覆盖层20是用来避免第一金属层10扩散入稍后步骤中会形成的金属间介电层(IMD)中。此覆盖层20可为氮化物或碳化硅(SiC)。氮化物覆盖层的具体例子包括氮化硅、氮化钛(TiN)、氮化钨(WN)、氮化硅钛(TiSiN)、和氮化硅钨(WSiN)。
接着，仍参阅图2和图3a，在覆盖层20上形成一介电层(金属间介电层；IMD)30(步骤S22)。此介电层可包括依序形成的三层，例如，一第一介电层32、一蚀刻停止层34、和一第二介电层36。第一和第二介电层32和36可为化学气相沉积法(chemical vapor deposition；CVD)而形成的氧化硅或氮化硅。或者，第一和第二介电层32和36可为低介电常数物质(k＝3.9或以下)，例如，有机聚合物物质，如FLARE，PAE-2，和SILK，非有机物质，如FSG(氟化硅酸盐玻璃；fluorosilicate glass)和HSQ(hydrogen silsesquioxane)、黑钻石(black diamond)、或高黑钻石(high black diamond；HBD)。蚀刻停止层34可为氮化硅或氮氧化硅(SiON)。
接着，请参阅图2和图3b，蚀刻介电层30而形成一镶嵌开口40(步骤S23)。例如，可进行via-first技术。首先，在第二介电层36上形成一第一光阻掩膜(未显示)，进行第一非等向性蚀刻，而形成延伸入第二介电层36、蚀刻停止层34、和第一介电层32中的一介层洞41。接着，在第二介电层36上形成一第二光阻掩膜(未显示)，进行第二非等向性蚀刻，而在第二介电层36中形成一沟槽42，停止于蚀刻停止层34。至此，介层洞41和沟槽42构成了双镶嵌开口40。
接着，仍参阅图2和图3b，进行本发明特殊的电浆处理(步骤S24)。此特殊的电浆处理可除去在介电层30上的残余杂质。例如，可使用含氢电浆、含氮电浆、含氧电浆、或其混合物来进行电浆处理。电浆处理所用电浆的流速可为20sccm至30sccm。
上述用来形成介层洞41的第一非等向性蚀刻以及用来形成沟槽42的第二非等向性蚀刻，可使用含氟电浆或含氯电浆来进行。例如，可使用CF4-。如现有技术中所述，在介层洞和沟槽蚀刻之后，氟或氯杂质会有残留，而会攻击第一金属层10和覆盖层20之间的界面。结果，在基板经过重复热循环之后，介电层30会剥离。为了避免介电层剥离，本发明可使用含氢电浆来进行电浆处理。含氢电浆可为氢气(H2)电浆或氨气(NH3)电浆。
含氢电浆的氢键会被解离而形成离子化的氢原子。在电浆和高温(约400℃)的反应室条件下，这些离子化氢原子可使不需要的氧化铜去氧化(deoxidize)，并且与自由的氟或氯反应。因此，可避免由于残余氟或氯所造成的介电层剥离现象。
此外，当覆盖层20是氮化物时，在镶嵌开口40蚀刻后，本发明的电浆处理可使用含氮电浆，例如氮气(N2)电浆或氨气(NH3)电浆。含氮电浆可修复第一金属层10(如Cu)和覆盖层20(氮化物)之间的键结。于是，第一金属层10和覆盖层20具有良好的附着性，而可解决介电层30剥离的问题。
此外，光阻掩膜通常含有碳。在镶嵌开口40蚀刻之后(步骤S23)，覆盖层20会由于光阻和蚀刻制程中所残余的碳、氟、氯、或氧而形成气泡。在镶嵌开口40蚀刻之后，本发明使用含氧电浆，例如N2O电浆或氧气(O2)电浆来进行电浆处理。含氧电浆可与残余的碳反应，因而避免气泡的形成。
接着，请参阅图2和图3c，将金属填入镶嵌开口40中而形成一第二金属层54(步骤S25)。在第二金属层54形成之前，可先形成一阻障层52(如Ta或TaN)以作为镶嵌开口40的衬垫。接着可在阻障层52上形成一晶种层(未显示)，然后形成金属层54。金属层54可为铜或铜合金，可由无电沉积(electroless deposition)或电镀法(electrodeposition)而形成。接着，进行化学机械研磨(chemical mechanical polishing；CMP)以使金属层54平坦化。晶种层可为铜或铜与其它元素的合金，其它元素例如镁、铝、锌、锆(zirconium)、锡(tin)、镍(nickel)、钯(palladium)、金、或银。
实施例依据本发明上述制程，在蚀刻介电层而形成镶嵌开口之后，使用H2/NH3电浆进行电浆处理。然后，将铜填入镶嵌开口中以完成金属化，得到如图4a和4b图所示的测试构造。铜线被SiN覆盖层(未显示)所覆盖。
图4a和4b图是为了分析电致迁移(EM)和应力迁移(SM)所作的测试构造，分别为俯视图和侧视图。此测试构造包括四层金属。符号61表示一金属线(第一层)，符号621和622表示金属垫(第二层)，其中金属垫621藉由插塞611而连接金属线61，金属垫622藉由插塞612而连接金属线61。符号631和632表示金属垫(第三层)，符号64表示一金属线(第四层)，其中金属垫631藉由插塞633而连接金属线64，金属垫632藉由插塞634而连接金属线64。金属线61和64的宽度(w)是3.5μm，长度(l)是55μm。插塞(或介层洞)611、612、633、和634的直径为0.5μm。
比较实施例进行和实施例相同的步骤，但是在蚀刻介电层而形成镶嵌开口之后，填入铜之前，并不进行电浆处理。
EM测试将本发明实施例以及比较实施例所得的测试构造分别在5mega A/cm2的固定电流下、温度450℃下施加应力，以测试EM。结果如图5和表1所示。可看出藉由H2/NH3电浆处理，本发明测试构造的TTF(time to failure)(t50)可由13秒增加到59秒。
表1
SM测试将本发明实施例以及比较实施例所得的测试构造分别储存于温度100℃-300℃的真空烘箱中三星期，以测试SM。比较实施例的测试构造无法通过SM测试，如图6所示。然而，本发明的测试构造可通过SM测试而没有任何失败。
综上所述，在蚀刻以形成镶嵌开口之后，金属填入开口之前，本发明使用含氢电浆、含氮电浆、含氧电浆、或其混合物进行电浆处理。于是，可除去残余杂质，而且可消除由于残留杂质所造成的介电层剥离。再者，进行本发明的电浆处理所得到的测试构造可通过电致迁移(EM)测试和应力迁移(SM)测试。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求范围所界定者为准。
权利要求
1.一种形成金属镶嵌结构的方法，其包括以下步骤在一基板上形成一介电层；蚀刻该介电层而形成一镶嵌开口；进行电浆处理以除去在介电层上的残余杂质；以及将金属填入该镶嵌开口内。
2.根据权利要求1所述的形成金属镶嵌结构的方法，其中该电浆处理是使用含氢电浆、含氮电浆、含氧电浆、或其混合物。
3.根据权利要求2所述的形成金属镶嵌结构的方法，其中该含氢电浆为氢气电浆或氨气电浆。
4.根据权利要求2所述的形成金属镶嵌结构的方法，其中该含氮电浆为氮气电浆或氨气电浆。
5.根据权利要求2所述的形成金属镶嵌结构的方法，其中该含氧电浆为N2O电浆或氧气电浆。
6.根据权利要求1所述的形成金属镶嵌结构的方法，在介电层形成之前，更包括在该基板上形成一第一金属层的步骤。
7.根据权利要求6所述的形成金属镶嵌结构的方法，其中该电浆处理除去在第一金属层上的残余杂质。
8.一种形成金属镶嵌结构的方法，其包括以下步骤在一第一金属层上形成一覆盖层；在该覆盖层上形成一介电层；以含氟电浆或含氯电浆来蚀刻该介电层，而形成一镶嵌开口；使用含氢电浆来进行电浆处理；以及将金属填入该镶嵌开口内。
9.一种形成金属镶嵌结构的方法，其包括以下步骤在一第一金属层上形成一覆盖层，其中该覆盖层为氮化物层；在该覆盖层上形成一介电层；蚀刻该介电层而形成一镶嵌开口；使用含氮电浆来进行电浆处理；以及将金属填入该镶嵌开口内。
10.一种形成金属镶嵌结构的方法，其包括以下步骤在一第一金属层上形成一覆盖层；在该覆盖层上形成一介电层；在该介电层上形成一光阻图案，其中该光阻图案含有碳；以该光阻图案为掩膜来蚀刻该介电层，而形成一镶嵌开口；使用含氧电浆来进行电浆处理；以及将金属填入该镶嵌开口内。
全文摘要
本发明提供一种形成金属镶嵌结构的方法，其包括以下步骤。首先，在一基板上形成一介电层。接着，蚀刻介电层而形成一镶嵌开口。接着，进行电浆处理以除去在介电层上的残余杂质。接着，将金属填入镶嵌开口内。藉由在镶嵌开口蚀刻之后所进行的电浆处理，可避免由于残余杂质所造成的介电层剥离现象。
文档编号H01L21/306GK1595636SQ20041007841
公开日2005年3月16日 申请日期2004年9月10日 优先权日2003年9月12日
发明者王明璁, 苏迪希, 杨佳明, 蔡庆铭 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司