专利名称：在铜内连线上形成选择性保护层的方法
技术领域：
本发明是有关于一种半导体组件的制作，特别有关于一种在铜内连线上形成选择性保护层的方法。
虽然铜的物理性质对于应用在组件上具有很大的优势，但是铜有一些铝所没有的缺点必须加以克服。例如，铜膜在制程过程中非常容易受到氧化。此外，由于铜很容易扩散到相邻的材料(包括介电质)，所以当使用铜作为金属内连线时，都需以阻障材料将铜导线封住。
为了降低铜内连线与底下金属导体之间的接触电阻，一般在沉积铜金属层之前，都会先沉积一阻障材料，例如Ti、W、Ta、TaN等。此外，在形成铜金属层之后，也会在铜金属层之上沉积另一层阻障材料，一般称为封盖层(sealing layer)、覆盖层(cap layer)、或包覆层(encapsulationlayer)。虽然其它材质亦可使用，但通常是以氮化硅来作为此封盖层。
图1所示为传统一种镶嵌式内连线的剖面示意图，其中，包括一半导体基底100以及覆于基底上的介电层102。基底100中包含了沉积介电层102之前底下所有的组件、结构，但此处为了简化图示起见，并未绘出。
先在介电层102中定义出内连线沟槽后，将一阻障层104沉积在介电层102上，与内连线沟槽中。阻障层104的作用是为了防止后续沉积的铜金属的扩散。接着，将一铜金属层106沉积在介电层102上，并将内连线沟槽填满，而多余的铜金属层106与多余的阻障层104通常是以化学机械研磨法(CMP)研磨到介电层102表面，以将的去除。
以化学机械研磨法完成铜内连线106的定义后，将一封盖层108沉积在基底表面。封盖层108可以防止铜金属层106扩散到上层。此外，通过阻障层104与封盖层108将铜内连线106完全包覆住，可以避免铜内连线106在后续的制程中遭到氧化。
封盖层108的材质通常为氮化硅。由于形成铜内连线106后制程温度不能太高，因此氮化硅封盖层108的沉积温度不能超过450℃。为了符合此需求，一般都是以电浆增益化学气相沉积法(PECVD)在200℃至425℃的范围内沉积此氮化硅层。虽然以PECVD沉积的氮化硅层已经广泛地用在半导体组件中，但是用来作为铜内连线的封盖层时，却会产生可靠度的问题。主要原因是由于PECVD沉积的氮化硅层在铜金属表面的附着力很差，只要在表面稍微一刮或是用胶带就可以将氮化硅层从沉积表面剥离。
再者，由于氮化硅层之上还必须沉积其它绝缘层，而沉积时的应力亦会导致氮化硅层从铜金属表面剥离。氮化硅层一但剥离的话，所形成的缝隙将导致铜金属往外扩散或造成湿气或其它污染物扩散进来。
传统技术中，有许多关于铜导线的封盖方法，如美国专利第5,403,779号(JOShi等人)揭示一种形成镶嵌式金属线与介层洞的制程，其中在沉积完金属铜之后，先以化学气相沉积法沉积一钨金属层，然后再以化学机械研磨法将其平坦化。
美国专利第5,447,887号(Filipiak等人)揭示一种形成铜内连线的方法，先在铜内连线上形成一层硅化铜，然后再沉积氮化硅层覆盖硅化铜上作为封盖层。
美国专利第5,814,557号(Venkatraman等人)揭示一种在铝导线上形成含有铜的铝膜的方法，其中是利用回火程序将铜扩散进入铝导线中。
上述方法的主要缺陷是制程较为复杂，且防止铜氧化和扩散的效果欠佳。
本发明的第二目的是提供一种在铜内连线上形成选择性保护层的方法，达到使保护层选择性地只形成在铜内连线表面上的目的。
本发明的第三目的是提供一种在铜内连线上形成选择性保护层的方法，通过在铜内连线上形成选择性封盖层，达到所形成的封盖层可以有效防止铜氧化化与扩散的目的。
本发明的第四目的是提供一种在铜内连线上形成选择性保护层的方法，通过在铜内连线上形成选择性粘着层，达到所形成的粘着层可以增加氮化硅与铜之间的附着力的目的。
本发明的目的是这样实现的一种在铜内连线上形成选择性保护层的方法，其特征是它至少包含下列步骤(1)提供一半导体基底；(2)形成一具有内连线沟槽的介电层于该半导体基底上；(3)沉积一铜金属层于该介电层上，且填满该内连线沟槽；(4)以化学机械研磨程序研磨该铜金属层直到露出该介电层的上表面，以在该内连线沟槽中定义出铜内连线，其中该研磨程序于该铜内连线上留下一有机铝化合物，其经由回火程序与铜反应成铝一铜合金；(5)对该半导体基底进行一回火程序，以在该铜内连线上形成铝一铜合金；(6)氧化该铝一铜合金，以形成氧化铝保护层贴覆该铜内连线上。
该介电层中更形成有介层窗于该内连线沟槽中。该研磨程序包括以一含有该有机铝化合物的研磨剂研磨该铜金属层。该有机铝化合物是选自醋酸铝、硫酸铵铝、硼甲酸铝或环硼烷化铝中的至少一种。该回火程序之前，更包括对该半导体基底进行烘烤。该烘烤程序是在100℃至150℃的范围下进行。该回火程序是在350℃至420℃的范围下进行。该氧化铝一铜合金的步骤包括对该铝一铜合金施以一无机酸溶液处理。该无机酸溶液包含磷酸。该该无机酸溶液包含硝酸。
另一种在铜内连线上形成选择性保护层的方法，其特征是它至少包含下列步骤(1)提供一半导体基底；(2)形成一具有内连线沟槽的介电层于该半导体基底上；
(3)沉积一铜金属层于该介电层上，且填满该内连线沟槽；以第一研磨剂对该铜金属层进行第一化学机械研磨程序，以去除该介电层上大部分的铜金属层；(4)以第二研磨剂对该铜金属层进行第二化学机械研磨程序，直到露出该介电层的上表面，以在该内连线沟槽中定义出铜内连线，其中该第二研磨剂包含一有机铝化合物，其经由回火程序与铜反应成铝一铜合金，且该第二研磨程序在该介电层与该铜内连线上留下该有机铝化合物；(5)对该半导体基底进行一回火程序，以在该铜内连线上形成铝一铜合金；(6)对该半导体基底施以一无机酸溶液，将未反应的有机铝化合物选择性地从该介电层上去除，并将该铝一铜合金氧化形成氧化铝保护层贴覆该铜内连线上。
该介电层中更形成有介层窗于该内连线沟槽中。还包括形成一金属间介电层于该氧化铝保护层与该介电层上。更包括形成一封盖层于该氧化铝保护层与该介电层上；以及形成一金属间介电层于该封盖层上。
再一种在铜内连线上形成选择性保护层的方法，其特征是它至少包含下列步骤(1)提供一半导体基底；(2)形成一具有内连线沟槽的介电层于该半导体基底上；(3)沉积一阻障层贴覆于该内连线沟与该介电层上；(4)沉积一铜金属层于该阻障层上，且填满该内连线沟槽；(5)以第一研磨剂对该铜金属层进行第一化学机械研磨程序，以去除该介电层上大部分的铜金属层；(6)以第二研磨剂对该铜金属层进行第二化学机械研磨程序，直到露出该介电层的上表面，以在该内连线沟槽中定义出铜内连线，其中该第二研磨剂包含一有机铝化合物，其经由回火程序与铜反应成铝一铜合金，且该第二研磨程序在该介电层与该铜内连线上留下该有机铝化合物；(7)在第一温度下，对该半导体基底进行一烘烤程序；(8)在高于第一温度的第二温度下，对该半导体基底进行一回火程序，以在该铜内连线上形成铝一铜合金；(9)对该半导体基底施以一无机酸溶液，将未反应的有机铝化合物选择性地从该介电层上去除，并将该铝一铜合金氧化形成氧化铝保护层贴覆该铜内连线上。
该介电层中更形成有介层窗于该内连线沟槽中。还包括形成一金属间介电层于该氧化铝保护层与该介电层上。更包括形成一封盖层于该氧化铝保护层与该介电层上；以及形成一金属间介电层于该封盖层上。该封盖层为氮化硅层。该阻障层是择自Ti、TiN、Ta、TaN、W或WN中的至少一种。
面结合较佳实施例和附图详细说明。
图2-图10为本发明的制作铜内连线的流程剖面示意图。
参阅图2-图10所示，详细说明本发明的较佳实施例制作铜内连线的流程剖面示意图。图2所示为欲制作内连导线的半导体基底200，该半导体基底200上可能包含任何所需的半导体组件，例如电晶体、二极管或其它任何所需的半导体组件，但此处为了简化图式，并未显示。此外，半导体基底200上亦可能包含其它金属内连线层。在基底200上沉积一层用来制作镶嵌式内连线于其中的第一金属间介电层202，第一金属间介电层202的材质，例如是氧化硅、磷硅玻璃(PSG)、硼磷硅玻璃(BPSG)、或是其它低介电系数材料如氟硅玻璃(FSG)。第一金属间介电层202的厚度较佳是在4000至10000的范围参阅图3，透过一光阻罩幕(未显示)对第一金属间介电层202进行蚀刻，以在介电层中形成内连线沟槽204，内连线沟槽204的蚀刻可以采用传统的反应性离子蚀刻(RIE)程序进行。虽然本实施例中将以单镶嵌制程为例，在铜内连线上形成选择性保护层，但熟悉此技艺者应知本发明亦可应用在双镶嵌制程上。在此情况下，内连线沟槽204底下更形成有介层洞来作为内连导线与其它层联系的通道。
参阅图4，将一阻障层206沉积在第一金属间介电层202上，并贴覆在内连线沟槽204中。阻障层206的作用是为了避免后续沉积的铜金属层的氧化与扩散。阻障层206可择自下列至少一种金属如Ta、Ti、W，或金属氮化物如TaN、TiN、WN所构成。阻障层206的厚度约在100至500的范围。
参阅图5，将一铜金属层208沉积在阻障层206之上，并将内连线沟槽204完全填满。一般而言，可利用化学气相沉积法(CVD)或物理气相沉积法(PVD)先沉积一晶种层(seed layer)，然后再以电镀方式将铜金属层208沉积在晶种层上。铜金属层208的厚度约在5000至15000的范围。
参阅图6，以传统的化学机械研磨法(CMP)对铜金属层208进行部分研磨，将大部分多余的铜金属去除。此研磨步骤可使用一般传统技术中用来研磨铜金属的研磨剂。在理想的情况下，此研磨程序最好不要研磨到阻障层206，而让阻障层206仍被残余的铜金属层208a所覆盖。
参阅图7，以另一道化学机械研磨程序将第一金属间介电层202上残余的铜金属层208a与阻障层206研磨去除，借此在内连线沟槽204中定义出铜内连线210。本发明的重要特征之一是，第二道研磨程序所使用的研磨剂包含一有机铝化合物，此有机铝化合物经过回火程序后，可以和铜反应形成铝一铜合金。适用于本发明的有机铝化合物例如有醋酸铝、硫酸铵铝(aluminum ammonium sulfate)、硼甲酸铝(luminum boroformate)、以及环硼烷化铝(aluminum cyclic borane)等。
参阅图7，经过第二道研磨步骤后，第一金属间介电层202与铜内连线210的表面上留下了一层含有上述有机铝化合物的薄膜212。之后，对基底进行一热回火程序，便可以在铜内连线210表面上选择性的形成铝一铜合金212a。上述的回火程序较佳在350-420℃的范围下进行更佳，在进行回火程序之前，可以先将基底置于100-150℃下进行烘烤，以浓缩铜内连线上的有机铝化合物参阅图8所示，本发明的另一个重要特征是，将上述经过回火后的基底以一无机酸溶液进行处理，例如磷酸水溶液或硝酸水溶液等。无机酸溶液的作用，一方面可以选择性地去除介电层202上未反应的有机铝化合物，另一方面亦可将铜内连线210上的铝一铜合金212a氧化成氧化铝212b。
因此，经过上述无机酸溶液的处理后，可重新露出第一金属间介电层202上表面，并且同时使氧化铝保护层212b选择性地形成在铜内连线210上，而不形成在介电层202上。
本发明所形成的氧化铝保护层212b可以替代传统的封盖层，用来避免铜的扩散与氧化。因此，如图9所示，在第一金属间介电层202与氧化铝层212b上可以直接沉积第二金属间介电层214，而不需形成传统的氮化硅封盖层。
就另一方面而言，氧化铝层212b也可以作为铜内连线与传统封盖层之间的粘着层。因此，如图10所示，亦可以在沉积第二金属间介电层214之前，形成一传统的氮化硅封盖层213。由于氧化铝层212b增加了附着力，氮化硅层213较不容易从铜内连线210的表面上剥离。再者，由于铜内连线210的表面已经贴覆有保护层212b，铜内连线更不容易在后续的制程中遭到氧化。
虽然本发明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，所作些许的更动与润饰，都属于本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种在铜内连线上形成选择性保护层的方法，其特征是它至少包含下列步骤(1)提供一半导体基底；(2)形成一具有内连线沟槽的介电层于该半导体基底上；(3)沉积一铜金属层于该介电层上，且填满该内连线沟槽；(4)以化学机械研磨程序研磨该铜金属层直到露出该介电层的上表面，以在该内连线沟槽中定义出铜内连线，其中该研磨程序于该铜内连线上留下一有机铝化合物，其经由回火程序与铜反应成铝一铜合金；(5)对该半导体基底进行一回火程序，以在该铜内连线上形成铝一铜合金；(6)氧化该铝一铜合金，以形成氧化铝保护层贴覆该铜内连线上。
2.根据权利要求1所述的在铜内连线上形成选择性保护层的方法，其特征是该介电层中更形成有介层窗于该内连线沟槽中。
3.根据权利要求1所述的在铜内连线上形成选择性保护层的方法，其特征是该研磨程序包括以一含有该有机铝化合物的研磨剂研磨该铜金属层。
4.根据权利要求1所述的在铜内连线上形成选择性保护层的方法，其特征是该有机铝化合物是选自醋酸铝、硫酸铵铝、硼甲酸铝或环硼烷化铝中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的在铜内连线上形成选择性保护层的方法，其特征是该回火程序之前，更包括对该半导体基底进行烘烤。
6.根据权利要求5所述的在铜内连线上形成选择性保护层的方法，其特征是该烘烤程序是在100℃至150℃的范围下进行。
7.根据权利要求1所述的在铜内连线上形成选择性保护层的方法，其特征是该回火程序是在350℃至420℃的范围下进行。
8.根据权利要求1所述的在铜内连线上形成选择性保护层的方法，其特征是该氧化铝一铜合金的步骤包括对该铝一铜合金施以一无机酸溶液处理。
9.根据权利要求8所述的在铜内连线上形成选择性保护层的方法，其特征是该无机酸溶液包含磷酸。
10.根据权利要求8所述的在铜内连线上形成选择性保护层的方法，其特征是该该无机酸溶液包含硝酸。
11.一种在铜内连线上形成选择性保护层的方法，其特征是它至少包含下列步骤(1)提供一半导体基底；(2)形成一具有内连线沟槽的介电层于该半导体基底上；(3)沉积一铜金属层于该介电层上，且填满该内连线沟槽；以第一研磨剂对该铜金属层进行第一化学机械研磨程序，以去除该介电层上大部分的铜金属层；(4)以第二研磨剂对该铜金属层进行第二化学机械研磨程序，直到露出该介电层的上表面，以在该内连线沟槽中定义出铜内连线，其中该第二研磨剂包含一有机铝化合物，其经由回火程序与铜反应成铝一铜合金，且该第二研磨程序在该介电层与该铜内连线上留下该有机铝化合物；(5)对该半导体基底进行一回火程序，以在该铜内连线上形成铝一铜合金；(6)对该半导体基底施以一无机酸溶液，将未反应的有机铝化合物选择性地从该介电层上去除，并将该铝一铜合金氧化形成氧化铝保护层贴覆该铜内连线上。
12.根据权利要求11所述的在铜内连线上形成选择性保护层的方法，其特征是该介电层中更形成有介层窗于该内连线沟槽中。
13.根据权利要求11所述的在铜内连线上形成选择性保护层的方法，其特征是该有机铝化合物是选自醋酸铝、硫酸铵铝、硼甲酸铝或环硼烷化铝中的至少一种。
14.根据权利要求11所述的在铜内连线上形成选择性保护层的方法，其特征是该回火程序之前，更包括对该半导体基底进行烘烤。
15.根据权利要求14所述的在铜内连线上形成选择性保护层的方法，其特征是该烘烤程序是在100℃至150℃的范围下进行。
16.根据权利要求11所述的在铜内连线上形成选择性保护层的方法，其特征是该回火程序是在350℃至420℃的范围下进行。
17.根据权利要求11所述的在铜内连线上形成选择性保护层的方法，其特征是该无机酸溶液包含磷酸。
18.根据权利要求11所述的在铜内连线上形成选择性保护层的方法，其特征是该无机酸溶液包含硝酸。
19.根据权利要求1所述的在铜内连线上形成选择性保护层的方法，其特征是还包括形成一金属间介电层于该氧化铝保护层与该介电层上。
20.根据权利要求11所述的在铜内连线上形成选择性保护层的方法，其特征是更包括形成一封盖层于该氧化铝保护层与该介电层上；以及形成一金属间介电层于该封盖层上。
21.一种在铜内连线上形成选择性保护层的方法，其特征是它至少包含下列步骤(1)提供一半导体基底；(2)形成一具有内连线沟槽的介电层于该半导体基底上；(3)沉积一阻障层贴覆于该内连线沟与该介电层上；(4)沉积一铜金属层于该阻障层上，且填满该内连线沟槽；(5)以第一研磨剂对该铜金属层进行第一化学机械研磨程序，以去除该介电层上大部分的铜金属层；(6)以第二研磨剂对该铜金属层进行第二化学机械研磨程序，直到露出该介电层的上表面，以在该内连线沟槽中定义出铜内连线，其中该第二研磨剂包含一有机铝化合物，其经由回火程序与铜反应成铝一铜合金，且该第二研磨程序在该介电层与该铜内连线上留下该有机铝化合物；(7)在第一温度下，对该半导体基底进行一烘烤程序；(8)在高于第一温度的第二温度下，对该半导体基底进行一回火程序，以在该铜内连线上形成铝一铜合金；(9)对该半导体基底施以一无机酸溶液，将未反应的有机铝化合物选择性地从该介电层上去除，并将该铝一铜合金氧化形成氧化铝保护层贴覆该铜内连线上。
22.根据权利要求21所述的在铜内连线上形成选择性保护层的方法，其特征是该介电层中更形成有介层窗于该内连线沟槽中。
23.根据权利要求21所述的在铜内连线上形成选择性保护层的方法，其特征是该有机铝化合物是选自醋酸铝、硫酸铵铝、硼甲酸铝或环硼烷化铝中的至少一种。
24.根据权利要求21所述的在铜内连线上形成选择性保护层的方法，其特征是该烘烤程序是在100℃至150℃的范围下进行。
25.根据权利要求21所述的在铜内连线上形成选择性保护层的方法，其特征是该回火程序是在350℃至420℃的范围下进行。
26.根据权利要求21所述的在铜内连线上形成选择性保护层的方法，其特征是该无机酸溶液包含磷酸。
27.根据权利要求21所述的在铜内连线上形成选择性保护层的方法，其特征是该无机酸溶液包含硝酸。
28.根据权利要求21所述的在铜内连线上形成选择性保护层的方法，其特征是还包括形成一金属间介电层于该氧化铝保护层与该介电层上。
29.根据权利要求21所述的在铜内连线上形成选择性保护层的方法，其特征是更包括形成一封盖层于该氧化铝保护层与该介电层上；以及形成一金属间介电层于该封盖层上。
30.根据权利要求21所述的在铜内连线上形成选择性保护层的方法，其特征是该封盖层为氮化硅层。
31.根据权利要求21所述的在铜内连线上形成选择性保护层的方法，其特征是该阻障层是择自Ti、TiN、Ta、TaN、W或WN中的至少一种。
全文摘要
一种在铜内连线上形成选择性保护层的方法，适用于镶嵌式铜制程中使用，首先将一铜金属层沉积在介电层上，并填满介电层中既有的内连线沟槽，以含有有机铝化合物的研磨剂进行化学机械研磨，将多余的铜金属层去除，此有机铝化合物经过回火程序后，与底下的铜反应，而选择性地在铜内连线上形成铝－铜合金，将铝－铜合金氧化后，便形成氧化铝保护层贴覆在铜内连线表面上。使保护层选择性地只形成在铜内连线表面上，通过在铜内连线上形成选择性封盖层，达到所形成的封盖层可以有效防止铜氧化化与扩散的功效。
文档编号H01L21/70GK1402332SQ0113073
公开日2003年3月12日 申请日期2001年8月22日 优先权日2001年8月22日
发明者李世达, 徐震球 申请人:矽统科技股份有限公司