專利名稱：電鍍金屬退火的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)一種電鍍金屬回火的方法；特別是關(guān)于一種電鍍銅回火的方法。
(2)背景技術(shù)如熟悉此技術(shù)領(lǐng)域的人士所知道的，當(dāng)超大型集成電路元件不斷地在縮小時(shí)，內(nèi)連金屬線的RC延遲時(shí)間是會(huì)限制住元件在高速運(yùn)作下的效能。因此，采用銅制程(電阻值1.7mΩ-cm)可有效地解決此問題。此外，低生產(chǎn)成本和良好的可靠度也是用銅金屬來取代鋁金屬的關(guān)鍵原因之一。銅制程較佳的實(shí)現(xiàn)方式是采用電鍍法，這是由于它的成本低廉，產(chǎn)出效率高，絕佳的填洞能力，良好的電性性質(zhì)和易相容于低K材料。由于電鍍銅在室溫下自我退火的性質(zhì)及其在元件制造中所產(chǎn)生的應(yīng)力，因此發(fā)展出一種后電鍍銅退火制程以在進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨(CMP，Chemical Mechanical Polishing)前穩(wěn)定住銅薄膜的性質(zhì)。在銅薄膜的性質(zhì)穩(wěn)定之前，其再結(jié)晶對(duì)每一毫微米的電鍍銅薄膜會(huì)導(dǎo)致最大片電阻的阻值下降約18~20％。另外，自我退火的現(xiàn)象會(huì)增加電鍍銅薄膜的化學(xué)機(jī)械研磨速率，此是由于薄膜的硬度下降。因此，在實(shí)施化學(xué)機(jī)械研磨之前，進(jìn)行一熱退火制程以穩(wěn)定電鍍銅薄膜是必要的步驟。
后電鍍銅退火制程通常在一連續(xù)爐管制程中被實(shí)施，其一般的退火時(shí)間約為30分鐘，在溫度350℃于氮?dú)庀禄蛘婵罩?。然而，如圖1所示為電鍍銅結(jié)構(gòu)示意圖，在電鍍銅晶格101相接之處，于高溫的后電鍍銅退火制程中，由于電鍍銅層內(nèi)累積了過多的內(nèi)應(yīng)力，因此會(huì)產(chǎn)生許多的突起缺陷102(hillock defect)。因此，目前普遍的作法是采用低溫退火制程(＜200℃)以抑制這種突起缺陷的產(chǎn)生。然而，在完成化學(xué)機(jī)械研磨制程及沉積完銅阻障層之后，仍然又出現(xiàn)了為數(shù)眾多的突起缺陷，并且其在隨后鑲嵌制程中沉積介電層的步驟里會(huì)變得更嚴(yán)重。
因此，為了要克服上述的缺陷，我們需要發(fā)展一種新的方法以解決上述的問題。
(3)發(fā)明內(nèi)容根據(jù)上述傳統(tǒng)習(xí)知方法所引起的缺陷，本發(fā)明的主要目的是提供一種電鍍金屬退火的方法，利用氨氣等離子體制程取代傳統(tǒng)的爐管后電鍍銅退火制程。
本發(fā)明的另一目的是提供一種可減少電鍍金屬中突起缺陷形成的方法，利用高溫氨氣等離子體能有效釋放電鍍金屬銅的應(yīng)力(stress)。
本發(fā)明的又一目的是提供一種可減少電鍍金屬層于化學(xué)機(jī)械研磨制程后產(chǎn)生突出物(pullouts)或是線孔洞(line voids)的方法。
根據(jù)以上所述的目的，本發(fā)明的電鍍金屬的退火制程包括首先，提供一半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括有多個(gè)半導(dǎo)體元件，如一基極，一發(fā)射極和集電極區(qū)及一場(chǎng)氧化區(qū)。接著，形成一介電層于半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上，然后藉由傳統(tǒng)的微影和蝕刻制程形成一開口于介電層內(nèi)且接觸到部分的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，并藉由一電鍍制程于介電層上形成一電鍍金屬層并填滿上述的開口。之后，利用一氨氣(NH3)等離子體促進(jìn)化學(xué)氣相沉積法(PECVD，Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition)對(duì)上述經(jīng)電鍍制程而形成的電鍍金屬層進(jìn)行一退火處理。本發(fā)明主要是藉由采用一氨氣等離子體制程來取代傳統(tǒng)的爐管后電鍍銅退火制程，其可有效地抑制由于電鍍銅層中的應(yīng)力所產(chǎn)生的突起缺陷，其亦可減少在隨后步驟中所會(huì)引起的突起物及線孔洞，同時(shí)，本發(fā)明也可提供一較快速且經(jīng)濟(jì)的電鍍銅退火制程，因?yàn)楸景l(fā)明的關(guān)鍵操作時(shí)間只需要約30秒到300秒即可完成，大大的少于傳統(tǒng)爐管電鍍銅后退火制程所需要的時(shí)間(30分鐘)。
本發(fā)明的目的、特點(diǎn)及諸多優(yōu)點(diǎn)將藉由下列具體實(shí)施例的詳細(xì)說明及參照所附圖示而被完全揭示。
(4)


圖1是用以說明使用傳統(tǒng)爐管退火制程所引起的突起缺陷的示意圖；圖2是使用本發(fā)明的方法則不具有突起缺陷的示意圖3是為本發(fā)明的具有多個(gè)半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的截面示意圖；及圖4和圖5是為本發(fā)明的的經(jīng)電鍍一銅層及一氨氣等離子體退火制程的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的截面示意圖。
(5)具體實(shí)施方式
本發(fā)明的一些實(shí)施例會(huì)詳細(xì)描述如下。然而，除了下列應(yīng)用于硅底材的半導(dǎo)體元件外，本發(fā)明還可以廣泛地在其他的實(shí)施例實(shí)行，如應(yīng)用于不同的半導(dǎo)體材料(砷化鎵、鍺)上。因而，本發(fā)明并非限定在以硅半導(dǎo)體材料制造的元件上，而是包含以其他半導(dǎo)體材料制造的元件上，且本發(fā)明的范圍不受限定，而是以權(quán)利要求所限定的專利保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
另外，半導(dǎo)體元件的不同部份并沒有依照實(shí)際尺寸繪制。某些尺度與其他部份相關(guān)的尺度比是被夸張表示以提供更清楚的描述以幫助熟悉此技藝的相關(guān)人士了解本發(fā)明。
本發(fā)明的一種電鍍金屬退火的方法，包括提供一半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，例如一單結(jié)晶的硅，其上具有多個(gè)半導(dǎo)體元件，如一基極，一發(fā)射極和集電極區(qū)及一場(chǎng)氧化區(qū)。接著，形成一介電層于半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上，此介電層的材質(zhì)可為二氧化硅、四乙基氧化硅酸鹽(TEOS，TetraEthyl-OrthoSilicate)和硼磷硅酸玻璃(BPSG，BoroPhosphoSilicate Glass)的其中一種，或其它類似的材料。然后藉由傳統(tǒng)的微影和蝕刻制程形成一開口于介電層內(nèi)且接觸到部分的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，并藉由一電鍍制程于介電層上形成一電鍍金屬層且同時(shí)填滿上述的開口。之后，利用一氨氣(NH3)等離子體制程對(duì)上述經(jīng)電鍍制程而形成的電鍍金屬層進(jìn)行一退火處理，此氨氣等離子體制程是采用等離子體促進(jìn)化學(xué)氣相沉積法(PECVD，Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)或高密度等離子體化學(xué)氣相沉積法(HDPCVD，High Density Plasma Chemical VaporDeposition)，高頻無線電波波頻(HFRF)使用的電力約從0.1瓦/平方公分至5瓦/平方公分，低頻無線電波波頻(LFRF)使用的電力約從0.05瓦/平方公分至0.5瓦/平方公分，在溫度350℃至450℃下，操作壓力為0.1托(Torr)到10托(Torr)，操作時(shí)間約從30秒到300秒下進(jìn)行。
參見圖3所示為一半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100，例如一單結(jié)晶硅，包括一區(qū)域氧化區(qū)55(LOCOS)或是一淺開口隔離區(qū)(STI)與集電極64及發(fā)射極區(qū)65，其上則包括有一基極結(jié)構(gòu)60與一介電層70覆蓋其上。絕緣層可以是二氧化硅，四乙基氧化硅酸鹽(TEOS，TetraEthyl-OrthoSilicate)，硼磷硅酸玻璃(BPSG，BoroPhosphoSilicate Glass)或其它類似的材料所組成，在本發(fā)明中，較佳的材質(zhì)為二氧化硅，其沉積在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100上，厚度約為4000埃至10,000埃。接著，使用傳統(tǒng)的微影和蝕刻技術(shù)形成一開口75，其穿越二氧化硅層70與半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100，例如發(fā)射極65，相接觸。
另外，一復(fù)合的阻障金屬層如厚度100埃的TaN(氮化鉭)、400埃的Ta(鉭)、1500埃的Cu(銅)(未示于圖中)，依序利用物理氣相沉積法(PVD，Physical Vapor Deposition)沉積在開口75內(nèi)，以增加后續(xù)形成的電鍍金屬層的附著力。
接著，參見圖4和圖5，藉由一電鍍制程，在二氧化硅層70和具有鑲嵌結(jié)構(gòu)的開口75上形成一金屬層，例如一電鍍銅層80。接著，本發(fā)明的關(guān)鍵步驟抑制形成在電鍍銅層80的突起缺陷說明如下。以一氨氣等離子體制程，取代傳統(tǒng)爐管電鍍銅后退火制程。氨氣等離子體制程可以是等離子體促進(jìn)化學(xué)氣相沉積法(PECVD，Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)或高密度等離子體化學(xué)氣相沉積法、(HDPCVD，High Density Plasma Chemical VaporDeposition)，在本發(fā)明中較佳實(shí)施例為等離子體促進(jìn)化學(xué)氣相沉積法，高頻無線電波波頻(HFRF)使用的電力約從0.1瓦/平方公分至5瓦/平方公分，低頻無線電波波頻(LFRF)使用的電力約從0.05瓦/平方公分至0.5瓦/平方公分；溫度約介于350℃至450℃之間，較佳參數(shù)為400℃；操作壓力為0.1托到10托，較佳參數(shù)為2.6托；操作時(shí)間約從30秒到300秒，較佳參數(shù)為120秒左右。
參照?qǐng)D2，本發(fā)明使用氨氣制程的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明是采用一氨氣等離子體制程來取代傳統(tǒng)的爐管后電鍍銅退火制程，其可有效的抑制由于電鍍銅層中的應(yīng)力所產(chǎn)生的突起缺陷，其亦可減少在隨后步驟中所會(huì)引起的突起物及線孔洞，另外，本發(fā)明也可提供一較快速且經(jīng)濟(jì)的電鍍銅退火制程，因?yàn)楸景l(fā)明的關(guān)鍵操作時(shí)間只需要約30秒到300秒即可完成，大大的少于傳統(tǒng)爐管電鍍銅后退火制程所需要的時(shí)間(30分鐘)。
參見第一表，其是列出電鍍銅層以爐管退火制程及以氨氣等離子體退火制程后個(gè)別的電性，其中爐管退火條件為溫度300℃、時(shí)間30分鐘；氨氣等離子體條件為溫度400℃、時(shí)間2分鐘。從表中可看出，根據(jù)本發(fā)明的方法所得到的電鍍銅的片電阻值為14.15(毫歐姆/□)，其幾乎與由傳統(tǒng)爐管退火制程中所得到的電鍍銅的片電阻值14.14(毫歐姆/□)一樣。同樣的，由本發(fā)明的方法所得到的電鍍銅的相對(duì)反射率為1.412，其亦幾乎與由傳統(tǒng)爐管退火制程中所得到的電鍍銅的相對(duì)反射率1.414一樣。因此，經(jīng)由本發(fā)明的氨氣等離子體退火制程所得到的電鍍銅層的性質(zhì)與經(jīng)由傳統(tǒng)爐管退火制程所得到的性質(zhì)是一樣的。另外，本發(fā)明的操作時(shí)間只需要2分鐘，其遠(yuǎn)少于傳統(tǒng)爐管退火制程所需的操作時(shí)間30分鐘，因此，本發(fā)明相較于傳統(tǒng)方法是為一較為快速且經(jīng)濟(jì)的后電鍍銅退火的方法。(第一表接于其下)第一表
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用以限定本發(fā)明的申請(qǐng)專利范圍；凡其他未脫離本發(fā)明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應(yīng)包含在權(quán)利要求所限定的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電鍍金屬退火的方法，其特征在于，包括提供一半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；形成一介電層于該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上；形成一開口于該第一介電層內(nèi)且接觸到部分該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；以電鍍方法形成一金屬層于該介電層上且填滿該開口；及以氨氣等離子體方法退火該金屬層。
2.如權(quán)利要求1所述的電鍍金屬退火的方法，其特征在于，該半導(dǎo)底結(jié)構(gòu)包括有場(chǎng)氧化區(qū)、基極結(jié)構(gòu)、集電極和發(fā)射極區(qū)。
3.如權(quán)利要求1所述的電鍍金屬退火的方法，其特征在于，該第一介電層的材質(zhì)是選自二氧化硅、四乙基氧化硅酸鹽、硼磷硅酸玻璃的一種。
4.如權(quán)利要求1所述的電鍍金屬退火的方法，其特征在于，該金屬層是選自銅、鋁、鎢、鈦、鉭、和上述金屬的合金的一種。
5.如權(quán)利要求1所述的電鍍金屬退火的方法，其特征在于，該氨氣等離子體方法是等離子體促進(jìn)化學(xué)氣相沉積法或高密度等離子體化學(xué)氣相沉積法。
6.如權(quán)利要求5所述的電鍍金屬退火的方法，其特征在于，該氨氣等離子體方法的高頻無線電波波頻使用的電力是從0.1瓦/平方公分至5瓦/平方公分，低頻無線電波波頻使用的電力是從0.05瓦/平方公分至0.5瓦/平方公分。
7.如權(quán)利要求6所述的電鍍金屬退火的方法，其特征在于，該氨氣等離子體方法是在溫度350℃至450℃下進(jìn)行。
8.如權(quán)利要求7所述的電鍍金屬退火的方法，其特征在于，該氨氣等離子體方法是在0.1托到10托的狀態(tài)下進(jìn)行。
9.如權(quán)利要求8所述的電鍍金屬退火的方法，其特征在于，該氨氣等離子體方法所需的時(shí)間是從30秒至300秒。
10.一種電鍍金屬退火的方法，其特征在于，包括提供一半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；形成一二氧化硅層于該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上；形成一開口于該二氧化硅層內(nèi)且接觸到部分該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；以電鍍方法形成一金屬層于該二氧化硅層上且填滿該開口；及以氨氣等離子體方法退火該金屬層。
11.如權(quán)利要求10所述的電鍍金屬退火的方法，其特征在于，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括有場(chǎng)氧化區(qū)、基極結(jié)構(gòu)、集電極和發(fā)射極區(qū)。
12.如權(quán)利要求10所述的電鍍金屬退火的方法，其特征在于，該金屬層是選自銅、鋁、鎢、鈦、鉭、和上述金屬的合金的一種。
13.如權(quán)利要求10所述的電鍍金屬退火的方法，其特征在于，該氨氣等離子體方法是等離子體促進(jìn)化學(xué)氣相沉積法或高密度等離子體化學(xué)氣相沉積法。
14.如權(quán)利要求13所述的電鍍金屬退火的方法，其特征在于，該氨氣等離子體方法的高頻無線電波波頻使用的電力從0.1瓦/平方公分至5瓦/平方公分，低頻無線電波波頻使用的電力從0.05瓦/平方公分至0.5瓦/平方公分。
15.如權(quán)利要求14所述的電鍍金屬退火的方法，其特征在于，該氨氣等離子體方法是在溫度350℃至450℃下進(jìn)行。
16.如權(quán)利要求15所述的電鍍金屬退火的方法，其特征在于，該氨氣等離子體方法是在0.1托到10托的狀態(tài)下進(jìn)行。
17.如權(quán)利要求16所述的電鍍金屬退火的方法，其特征在于，該氨氣等離子體方法所需的時(shí)間是從30秒至300秒。
18.一種電鍍金屬退火的方法，其特征在于，包括提供一半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；形成一二氧化硅層于該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上；形成一開口于該二氧化硅層中且接觸部分該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；以電鍍方法形成一銅層于該二氧化硅層上且填滿該開口；及以氨氣等離子體促進(jìn)化學(xué)氣相沉積方法退火該銅層。
19.如權(quán)利要求18所述的電鍍金屬退火的方法，其特征在于，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括有場(chǎng)氧化區(qū)、基極結(jié)構(gòu)、集電極和發(fā)射極區(qū)。
20.如權(quán)利要求18所述的電鍍金屬退火的方法，其特征在于，該氨氣等離子體方法的高頻無線電波波頻使用的電力從0.1瓦/平方公分至5瓦/平方公分，低頻無線電波波頻使用的電力從0.05瓦/平方公分至0.5瓦/平方公分。
21.如權(quán)利要求20所述的電鍍金屬退火的方法，其特征在于，該氨氣等離子體促進(jìn)化學(xué)氣相沉積方法是在溫度350℃至450℃下進(jìn)行。
22.如權(quán)利要求21所述的電鍍金屬退火的方法，其特征在于，該氨氣等離子體促進(jìn)化學(xué)氣相沉積方法是在0.1托到10托狀態(tài)下進(jìn)行。
23.如權(quán)利要求22所述的電鍍金屬退火的方法，其特征在于，該氨氣等離子體促進(jìn)化學(xué)氣相沉積方法所需的時(shí)間是從30秒至300秒。
全文摘要
一種電鍍金屬退火的方法，包括首先，提供一半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，此半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括有多個(gè)半導(dǎo)體元件，如一基極、一發(fā)射極和集電極區(qū)及一場(chǎng)氧化區(qū)。接著，形成一介電層于半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上，然后藉由傳統(tǒng)的微影和蝕刻制程形成一開口于介電層內(nèi)且接觸到部分的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，并藉由一電鍍制程于介電層上形成一電鍍金屬層并填滿上述的開口。之后，利用氨氣等離子體促進(jìn)化學(xué)氣相沉積法對(duì)上述經(jīng)電鍍制程而形成的電鍍金屬層進(jìn)行退火處理。
文檔編號(hào)H01L21/288GK1447402SQ0214732
公開日2003年10月8日 申請(qǐng)日期2002年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月11日
發(fā)明者楊能輝, 黃國峰, 謝宗棠 申請(qǐng)人:聯(lián)華電子股份有限公司