專利名稱：形成半導體結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)于集成電路(IC)，而特別關(guān)于在先進IC制程中，改善銅電鍍技術(shù)的方法。
背景技術(shù)：
在先進的半導體集成電路制程中，銅制程是較好的選擇，因為銅在實用上提供了最低的電阻，最典型就是被應用在鑲嵌式制程中。首先在介電層中形成溝槽及介層窗，將金屬阻障層沉積在介電質(zhì)上用來避免銅金屬與介電層的交互作用。接著以物理氣相沉積(PVD)的方式將銅晶種層沉積在金屬阻障層之上。將銅金屬層以電鍍方式鍍覆在銅晶種層上。以拋光方式除去介電層頂部表面的銅金屬層與金屬阻障層，留下鑲嵌在溝槽及介層窗中的銅導線。
然而，電鍍于銅晶種層上的銅金屬層會出現(xiàn)缺陷，例如渦漩紋(swirl patterns)及凹孔(pits)為兩種主要的缺陷。渦漩紋缺陷為電鍍銅金屬層中由小空洞(voids)聚集而成的可見曲線，而小空洞就是沒有被銅覆蓋的小區(qū)域。而另一種主要的缺陷凹孔，則有著不同的特征，凹孔單一來說較大，會形成不同外觀，如杯錐狀。這兩種主要的缺陷限制了電鍍在銅晶種層上銅金屬層的品質(zhì)，因此降低了IC制造的生產(chǎn)良率。兩種缺陷的出現(xiàn)皆會引起一連串的故障，而造成生產(chǎn)良率的降低及增加品質(zhì)滑落的風險。因此在集成電路的制造過程中所需要的，就是減少電鍍銅過程中所產(chǎn)生缺陷，如渦漩紋和凹孔的改善方法。
圖1和圖2顯示在先前的技術(shù)中，銅制程于半導體集成電路制程中最常遇到的兩種缺陷。當銅電鍍于不規(guī)則的晶種層表面時，這兩種主要缺陷將會特別明顯。如圖1所示，在圓形半導體晶圓100上產(chǎn)生了渦漩紋缺陷，曲線是由許多沒有鍍覆銅的小空洞所形成，此渦漩的分布，明顯是由于電解液環(huán)流所造成。這些小空洞的存在起因于小型的污染物，典型的污染物為有機物。
如圖2所示，在圓形半導體晶圓200呈現(xiàn)了凹孔的聚集，這些凹孔從分布及型態(tài)上皆有別于小空洞?；旧习伎资怯善毡榇笥谛】斩吹奈镔|(zhì)聚集而成，一般來說其隨意分布且突出于晶種層的表面。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供數(shù)種方法，用來降低電鍍銅過程中所產(chǎn)生的缺陷。
本發(fā)明至少可使兩種缺陷，如渦漩紋及凹孔被消除或減少。通過本發(fā)明任一種實施方法來改變銅晶種層的表面結(jié)構(gòu)，有助于進行電鍍銅制程時消除渦漩紋和有效減少凹孔。
本發(fā)明提供了一種銅晶種層的表面處理方法，進而改善電鍍在晶種層上銅金屬層的品質(zhì)。其中一種方法是利用厭氧處理，來避免晶種層上的氧化反應或除去晶中層上的有機污染物及氧化物，另一種方法是利用拋光銅晶種層表面來加以改善。還有一種方法是利用退火處理來改善銅晶種層表面的性質(zhì)。
本發(fā)明也提供了調(diào)整銅晶種層結(jié)構(gòu)的方法，換言之，就是改善晶種層的表面型態(tài)，進而改善電鍍在銅晶種層上銅金屬層結(jié)構(gòu)。一方面利用改善晶種層的織構(gòu)(texture)來增加其表面的粗糙度，另一方面降低后續(xù)銅金屬層的晶粒大小。上述所提及方法，改善了電鍍在銅晶種層上銅金屬層的品質(zhì)及生產(chǎn)良率。
本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明提供一種形成半導體結(jié)構(gòu)的方法，所述形成半導體結(jié)構(gòu)的方法包括下列步驟提供一半導體基底，該基底上包含一具有開口的介電層；在該開口中形成一阻障層(barrier layer)；在該阻障層上形成一晶種層；以無氧氣體對該晶種層進行處理；以及在該晶種層上形成一導電層，該導電層包含了多個晶粒尺寸大抵小于600nm的晶粒。
本發(fā)明所述的形成半導體結(jié)構(gòu)的方法，該處理方式包含在氮氣氣氛下進行。
本發(fā)明所述的形成半導體結(jié)構(gòu)的方法，該處理方式包含在氫氣、氦氣或氬氣氣氛下進行。
本發(fā)明所述的形成半導體結(jié)構(gòu)的方法，該處理過程超過5分鐘。
本發(fā)明還提供一種形成半導體結(jié)構(gòu)的方法，所述形成半導體結(jié)構(gòu)的方法包括下列步驟提供一半導體基底，該基底上包含一具有開口的介電層；在該開口中形成一阻障層；在該阻障層上形成一晶種層；拋光該晶種層表面；以及形成一導電層，該導電層包含了多個晶粒尺寸大抵小于600nm的晶粒。
本發(fā)明所述的形成半導體結(jié)構(gòu)的方法，該拋光處理包含了一逆電鍍步驟。
本發(fā)明所述的形成半導體結(jié)構(gòu)的方法，該拋光處理包含了在1至60秒內(nèi)除去部分該晶種層。
本發(fā)明所述的形成半導體結(jié)構(gòu)的方法，該拋光處理包含了一濺射(sputter)蝕刻步驟。
本發(fā)明所述的形成半導體結(jié)構(gòu)的方法，該濺射蝕刻步驟在含氮、氫或氬等離子中進行。
本發(fā)明另提供一種形成半導體結(jié)構(gòu)的方法，所述形成半導體結(jié)構(gòu)的方法包括下列步驟提供一半導體基底，該基底上包含一具有開口的介電層；在該開口中形成一阻障層；在該阻障層上形成一晶種層；將該晶種層退火；以及在該晶種層上形成一導電層，該導電層包含了多個晶粒大小大抵小于600nm的晶粒。
本發(fā)明所述的形成半導體結(jié)構(gòu)的方法，該退火處理在室溫下進行0.5至100小時。
本發(fā)明所述的形成半導體結(jié)構(gòu)的方法，該退火處理包括了在溫度范圍50℃至300℃中進行。
本發(fā)明所述的形成半導體結(jié)構(gòu)的方法，該退火處理包括了在溫度范圍50℃至150℃至少進行10分鐘。
本發(fā)明所述的形成半導體結(jié)構(gòu)的方法，該退火處理在無氧環(huán)境下進行。


圖1顯示渦漩紋缺陷，其為現(xiàn)有技術(shù)中，小空洞在電鍍銅內(nèi)所形成明顯的曲線；圖2顯示凹孔缺陷，其為現(xiàn)有技術(shù)中，隨機分布于電鍍銅內(nèi)的凹穴；圖3繪出本發(fā)明一較佳實施例用來減少渦漩紋及凹孔缺陷的方法。
具體實施例方式
為了讓本發(fā)明的上述及其它目的、特和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施范例，并配合所附圖示，做詳細說明如下銅晶種層的目的，是為了提供一導電表面，以便于銅電鍍其上。銅在進行電鍍時必須緊附著晶種層，并且累積成均勻且平順的銅金屬層，因此晶種層的品質(zhì)相當關(guān)鍵，必須提供一干凈、均勻及易反應的表面。
本發(fā)明著重在改進銅電鍍制程開始前，銅晶種層的表面特性，以改善電鍍銅薄膜的性質(zhì)。利用適當?shù)谋砻嫣幚?，來防止或清除銅晶種層上的污染物，以預防渦漩紋缺陷及凹孔缺陷的產(chǎn)生，或有效減少這兩種缺陷。通過增加粗糙度的表面處理，也可改變銅晶種層的表面特性，借此來預防渦漩紋缺陷及凹孔缺陷的產(chǎn)生。接下來的電鍍銅金屬層會形成在經(jīng)過表面處理而增加粗糙度的銅晶種層表面。經(jīng)平坦化過程后，銅金屬層多個晶粒的晶粒大小會小于只經(jīng)過傳統(tǒng)制程銅金屬層表面的晶粒大小，且多個晶粒大小大抵小于600nm。在經(jīng)過表面處理的銅晶種層上所形成銅金屬層，其渦漩紋缺陷及凹孔缺陷也會減少。事實上，銅晶種層的表面處理可以增加表面粗糙度，進而降低銅金屬層的晶粒大小。
銅晶種層可通過多種不同方法形成在半導體基底上，其中包括物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、原子層沉積(ALD)或傳統(tǒng)的電鍍技術(shù)。銅晶種層的厚度大約分布在10nm至500nm之間，但在其它實施方法中會有所改變。
本發(fā)明的實施方法中提供了多種對于銅晶種層表面的處理方法。如圖3所示，先提供一具有介電層4的半導體基底2，在介電4層中形成開口6；于開口6中形成金屬阻障層8，接著將銅晶種層10形成在阻障層8之上。介電層4包含了一低介電常數(shù)的材料，如含氮、碳或氫的材料，介電常數(shù)k值小于3.3。第一種表面處理方法是一種厭氧處理，例如用氮對晶種層表面12進行處理，此處理成功地防止氧化的發(fā)生，以及除去銅晶種層表面12的氧化物和有機污染物，進而在電鍍制程中產(chǎn)生無渦漩紋缺陷的銅金屬層14。氮處理包含了在室溫下于充滿氮氣氣氛中，作氮電荷處理或氮等離子處理，商用上有各種方法皆適用于本發(fā)明。在本發(fā)明的實施方法中，利用至少約600秒的氮電荷處理。厭氧處理可增加銅晶種層的表面粗糙度以防止渦漩紋缺陷的發(fā)生及減少凹孔缺陷。在平坦化過程后，銅金屬層的多個晶粒的晶粒大小大抵小于600nm。厭氧處理須在無氧的環(huán)境下進行，氫、氦、氬及其它非氧化性或還原性媒介皆可擇一或額外使用。在銅晶種層上的厭氧處理，可與晶種層沉積步驟在同機臺或不同機臺中進行。
本發(fā)明的第二種表面處理方式是利用拋光處理。拋光處理可以是在銅電鍍開始前于銅晶種層表面作短暫的逆電鍍(reverseelectroplating)或消除電鍍(de-plating)，或單純地移除部分晶種層。消除電鍍技術(shù)意味著將銅晶種層浸泡在電解液中，不需通電流，輕微地將部分晶種層移除，特別是一些較突出的部分。消除電鍍的步驟大約持續(xù)1至60秒，可與電鍍銅制程于同一機臺進行。在本發(fā)明的另一種實施方法中，利用濺射蝕刻作拋光處理，只有極少量的晶種層材料在濺射蝕刻中被移除，但是能優(yōu)先清除表面污染物，使粗糙表面能被優(yōu)先電鍍。移除部分晶種層的濺射蝕刻制程可與晶種層的沉積制程于相同機臺中進行。濺射蝕刻后銅晶種層的表面品質(zhì)改善。濺射蝕刻制程可在一等離子環(huán)境，包括含氫、氮或氬的等離子中進行。拋光處理也能增加銅晶種層的表面的粗糙度，以避免渦漩紋缺陷的產(chǎn)生以及減少凹孔。接著在經(jīng)過表面處理而增加粗糙度的銅晶種層表面電鍍銅。平坦化制程后，銅層多個晶粒大小大抵小于600nm。
本發(fā)明的第三種表面處理方式是利用退火處理。退火處理是以加熱方式或是在室溫下放置一段時間，使銅晶種層的晶格結(jié)構(gòu)產(chǎn)生改變。銅晶種層的表面粗糙度在退火的過程中會增加，因此在化學機械研磨(CMP)后，銅晶格的平均晶粒大小會降低。在平坦化制程后，銅金屬層多個晶粒尺寸大抵小于600nm。退火條件包括在氮氣氣氛下或其它非氧化性氣體中，溫度保持在50℃至300℃退火1分鐘至6小時。在本發(fā)明的實施方法中，將銅晶種層和基底置于一惰性氣體中，如氮氣氣氛下，溫度范圍大約在50℃至150℃退火1分鐘至30分鐘。在本發(fā)明的另一種實施方法中，將銅晶種層和基板置于惰性氣體中，如氮氣中，溫度范圍50℃至150℃，至少退火10分鐘，然而其它熱處理條件可擇一使用。可使用一般的退火爐。若要在室溫條件下退火，可在后續(xù)電鍍銅制程開始前讓基底在室溫下停留0.5至100小時。
銅晶種層沉積與電鍍銅兩步驟的時間間隔須有所限制，以避免銅晶種層久置而產(chǎn)生氧化，在本發(fā)明的實施方法中，電鍍銅步驟可在完成晶種層沉積后的72小時內(nèi)開始。
這些處理方式單獨或合并使用，皆有助于避免或減少渦漩紋缺陷或凹孔缺陷的產(chǎn)生。
以上所述僅為本發(fā)明較佳實施例，然其并非用以限定本發(fā)明的范圍，任何熟悉本項技術(shù)的人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可在此基礎上做進一步的改進和變化，因此本發(fā)明的保護范圍當以本申請的權(quán)利要求書所界定的范圍為準。
權(quán)利要求
1.一種形成半導體結(jié)構(gòu)的方法，所述形成半導體結(jié)構(gòu)的方法包括下列步驟提供一半導體基底，該基底上包含一具有開口的介電層；在該開口中形成一阻障層；在該阻障層上形成一晶種層；以無氧氣體對該晶種層進行處理；以及在該晶種層上形成一導電層，該導電層包含了多個晶粒尺寸小于600nm的晶粒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的形成半導體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于該處理方式包含在氮氣氣氛下進行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的形成半導體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于該處理方式包含在氫氣、氦氣或氬氣氣氛下進行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的形成半導體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于該處理過程超過5分鐘。
5.形成半導體結(jié)構(gòu)的方法，所述形成半導體結(jié)構(gòu)的方法包括下列步驟提供一半導體基底，該基底上包含一具有開口的介電層；在該開口中形成一阻障層；在該阻障層上形成一晶種層；拋光該晶種層表面；以及形成一導電層，該導電層包含了多個晶粒尺寸小于600nm的晶粒。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的形成半導體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于該拋光處理包含了一逆電鍍步驟。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的形成半導體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于該拋光處理包含了在1至60秒內(nèi)除去部分該晶種層。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的形成半導體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于該拋光處理包含了一濺射蝕刻步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的形成半導體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于該濺射蝕刻步驟在含氮、氫或氬等離子中進行。
10.形成半導體結(jié)構(gòu)的方法，所述形成半導體結(jié)構(gòu)的方法包括下列步驟提供一半導體基底，該基底上包含一具有開口的介電層；在該開口中形成一阻障層；在該阻障層上形成一晶種層；將該晶種層退火；以及在該晶種層上形成一導電層，該導電層包含了多個晶粒大小小于600nm的晶粒。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的形成半導體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于該退火處理在室溫下進行0.5至100小時。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的形成半導體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于該退火處理包括了在溫度范圍50℃至300℃中進行。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的形成半導體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于該退火處理包括了在溫度范圍50℃至150℃至少進行10分鐘。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的形成半導體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于該退火處理在無氧環(huán)境下進行。
全文摘要
本發(fā)明提供一種形成半導體結(jié)構(gòu)的方法，具體為在氮氣或其它厭氧氣體中，對銅晶種層進行表面處理進而改善銅電鍍品質(zhì)的方法。另一種改善方式是利用拋光處理來加強銅晶種層的可鍍性。再一種改善方式是將晶種層在高溫中退火，或是在室溫下作長時間退火。還有一種改善方式是將晶種層暴露于具有表面活性劑與化學成分的溶液中，將污染物溶解。晶種層的沉積可調(diào)整成一種更適合電鍍的表面型態(tài)，而后續(xù)對晶種層的表面處理，可改善鍍覆其上銅金屬層的品質(zhì)。
文檔編號H01L21/768GK1767169SQ20051007683
公開日2006年5月3日 申請日期2005年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月29日
發(fā)明者林俊宏, 黃鴻儀, 范彧達 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司