專利名稱：集成電路布線工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路中的金屬布線生產(chǎn)工藝。本發(fā)明尤其涉及用于芯片互連與芯片封裝的銅布線工藝。本發(fā)明中使用透模(thru-mask)工藝代替鑲嵌技術(shù)(damascene type technique)來防止大面積金屬區(qū)的凹陷問題和鄰近于較大面積金屬區(qū)的絕緣體腐蝕問題。
半導(dǎo)體芯片的金屬化研究已使用了各種技術(shù)。這些技術(shù)包括剝離(lift-off)法、透模法、金屬反應(yīng)離子刻蝕(RIE)法和金屬與絕緣體的鑲嵌法以及以上方法的各種組合。剝離法和透模法對于芯片封裝中遇到的大面積情況很有用處。與剝離法和透模法不同，金屬反應(yīng)離子刻蝕法和鑲嵌法已被選擇成為芯片金屬化中基本尺寸(ground rules)小于1微米時的工藝。
在鑲嵌工藝中，金屬膜淀積到整個構(gòu)圖襯底以填充表面的溝槽和通孔。接下來的過程是去掉多余的金屬而使金屬表面平整化、隔離并確定布線圖形。當(dāng)用電鍍或化學(xué)鍍工藝進行金屬淀積時，要事先在整個構(gòu)圖晶片或襯底表面上鍍基底鍍層或籽晶層。并且，在基底鍍層或籽晶層與絕緣層之間，淀積可提高粘附性和防止導(dǎo)體/絕緣體互連或互擴散的層。
在金屬反應(yīng)離子刻蝕法中，通過刻蝕覆蓋金屬膜以形成導(dǎo)體圖形。然后在金屬線和通孔之間的間隙填滿絕緣體。在高性能應(yīng)用中，要對絕緣介質(zhì)進行平整化以形成平整的金屬層。鑲嵌工藝與金屬反應(yīng)離子刻蝕法相比，其主要優(yōu)點之一在于，刻蝕絕緣體常常比刻蝕金屬更容易。而且，絕緣體間隙填充和平整化可能會更成問題。然而，最后一層布線層，被稱為頂金屬(Mlast)，可不需要平面金屬/絕緣體層，并且一般情況下會有較少的密紋(dense pitch)。相應(yīng)的，由于化學(xué)機械拋光工藝步驟的低生產(chǎn)率，使用鑲嵌工藝并不能為最后的布線層提供明顯優(yōu)勢。
而且，最后布線層一般包含非常寬的用于電源總線的金屬線和用于引線鍵合(wirebond)或C4球焊的大焊點。對于化學(xué)機械拋光工藝，這些較大的金屬結(jié)構(gòu)容易發(fā)生凹陷(見

圖1)。鄰近于大金屬區(qū)的絕緣體的腐蝕也是產(chǎn)量損耗的一個原因，尤其是在較低層發(fā)生時。
目前迫切需要的是能夠使用包含減蝕法或子蝕法的工藝。例如，用于合適籽晶層上淀積金屬膜的透模法。然而，透模工藝最困難的方面是籽晶層的刻蝕。
在芯片封裝的布線尺寸中，重要的特征尺寸是縱向約為5至30微米，橫向尺寸約為40至200微米。基底鍍層或籽晶層厚度一般約為200至600納米。因此，對于50至100微米的特征尺寸來說，500納米的損失對產(chǎn)量或性能是無關(guān)緊要的。
與封裝特征尺寸形成鮮明對比的是，在芯片互連的頂金屬層，重要的尺寸是縱向約為500至3000納米。籽晶層必須比在封裝中使用的薄，一般約為30至100納米。然而在籽晶層刻蝕步驟中，因為金屬刻蝕是各向同性的，小尺寸(亞微米級)結(jié)構(gòu)的輪廓比較大尺寸結(jié)構(gòu)的輪廓相應(yīng)要小，說明見圖2。在700納米的互連結(jié)構(gòu)中，100納米的損失是對于基本規(guī)則的違背，是有害的(見圖2)。所以，為了使這種透模方法在芯片布線中有效，尤其在亞微米范圍，迫切需要提供一種方法，用來去除籽晶層而又不明顯破壞重要鍍層結(jié)構(gòu)的輪廓。
本發(fā)明目的在于提供一種工藝，允許優(yōu)先去除基底鍍層或籽晶層而又不會明顯地刻蝕或破壞重要的鍍層區(qū)。本發(fā)明目的還在于提供一種工藝，其中，在金屬淀積之前首先形成所需要的籽晶層。
更重要的是，本發(fā)明涉及建立互連結(jié)構(gòu)的方法，以通過透模法滿足高性能超大規(guī)模集成電路芯片布線基本規(guī)則的要求。本發(fā)明中芯片布線金屬包括電鍍或化學(xué)鍍淀積的金屬銅，鎳，金，鉻，鈷，銠，鋁，鉑，銀，鈀，和他們的合金。
本發(fā)明中，具有或不具有半導(dǎo)體器件的適當(dāng)?shù)囊r底上覆蓋一層晶粒精細、應(yīng)力高和高度定向的籽晶層，如通過金屬蒸發(fā)或金屬濺射形成的約20至100納米的銅層。接著在金屬籽晶層上面淀積光刻膠，刻光刻膠圖形確定導(dǎo)電路徑。通過電鍍或化學(xué)鍍方法，銅或其它適當(dāng)金屬被淀積在光刻膠定義出的凹陷處。剝離光刻膠暴露下面的籽晶層。未被電鍍的籽晶層被選擇性的刻蝕而不會明顯破壞縱橫比變化大的金屬區(qū)的電鍍輪廓。
本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點通過以下詳細描述對熟練技術(shù)人員而言將更明顯。其中，它簡明地通過執(zhí)行本發(fā)明構(gòu)思的最好模式的圖示來闡明本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。可以預(yù)見，本發(fā)明能夠有其它不同的實施方式，在許多明顯的地方其細節(jié)能夠進行修改，而不偏離本發(fā)明。相應(yīng)的，本發(fā)明被認為是示意性的說明，而不是限制性的說明。
圖1說明現(xiàn)有技術(shù)在使用化學(xué)物理拋光工藝時產(chǎn)生凹陷的工藝問題。
圖2說明現(xiàn)有技術(shù)在刻蝕工藝中產(chǎn)生的工藝問題，涉及了寬度不同的結(jié)構(gòu)，其結(jié)果為高度有較大的差別和結(jié)構(gòu)的破壞。
圖3-6是根據(jù)本發(fā)明的步驟序列圖解。
根據(jù)本發(fā)明，薄的銅籽晶層2(見圖3)被濺射到半導(dǎo)體襯底1上。一般半導(dǎo)體襯底包含硅和Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體。使用100℃以下的溫度，最好低于60℃，例如約50℃至-10℃，將銅濺射到半導(dǎo)體襯底上。濺射最好在惰性氣體環(huán)境中進行，例如氬氣。濺射的目的在于產(chǎn)生一層約20至100納米，最好是30至70納米，典型值為50納米的籽晶層。濺射產(chǎn)生的銅籽晶層其細微晶粒約為300?；蚋。^好的是50至300埃，最好是100至150埃。籽晶的應(yīng)力較高，如至少為5×109達因，較好的是5×109至2×1010達因，最好是8×109至1×1010達因，本發(fā)明重要的成功之處就在于獲得這種細微晶粒的高應(yīng)力膜和高定向的<111>籽晶層，同時，使相對于隨后刻蝕電鍍銅而優(yōu)先刻蝕籽晶層成為可能。
下一步，光刻膠3被淀積到銅籽晶層上，然后使用傳統(tǒng)刻版技術(shù)圖形化。所有業(yè)界知名的光刻膠材料都可以使用。光刻膠一般通過旋轉(zhuǎn)法或噴濺法使用。所用的光刻膠可以是正光刻膠也可以是負光刻膠。正光刻膠材料當(dāng)暴露于成象輻射下時，能夠在溶劑中溶解，而未曝光的光刻膠不會溶解。負光刻膠材料，當(dāng)暴露于成象輻射下時，聚合和/或不溶解。光刻膠材料的一個實例是，基于酚醛的聚合物。一個特別的例子是例如希普利AZ-1350(Shipley AZ-1350)是一種間-甲酚酚醛聚合物。這是一種正光刻膠，其中包含重氮酮，如二重氮基-1-萘酚-5-磺酸酯(2-diazo-1-naphthol-5-sulfonic acid ester)。
在光刻膠形成圖形后，通過電鍍或化學(xué)鍍方法將金屬如銅4鍍在光刻膠圖形的開口處(見圖4)。其它金屬如金，鎳，鈷，銠，鋁，鈀，銀和/或鉑以及他們的合金，也能用來代替銅或作為銅的添加物質(zhì)。電鍍或化學(xué)鍍的金屬鍍層晶粒相對較大，例如約大于1微米，并且應(yīng)力相對低。例如，電鍍銅其晶粒相對較大，大于1微米，應(yīng)力較低，在-5×108(壓應(yīng)力)到+5×108達因每平方厘米的范圍之間。金屬層4一般約為0.5至3微米厚。銅籽晶層使能夠在光刻膠的開口處而不是其頂面上形成鍍層?？梢栽谒嵝缘你~鍍液中鍍銅。鍍液包括二價銅離子源材料和無機礦物酸，如硫酸。二價銅離子的首選材料是五水硫酸銅。一般的銅鍍液中包含的二價銅離子源材料濃度約為10-2到0.5摩爾。加無機酸到鍍液中，使其離子濃度約為5到9摩爾，更一般的值是1.5到2.5摩爾。
此外，鍍液可包含其它添加劑，如含有氯離子的拋光劑，例如其量約為30-70ppm，和有機拋光劑如聚烷基乙二醇。有機拋光劑添加量通常約為鍍液重量的0.5％到1.25％。首選的是聚烷基乙二醇，包括聚乙烯乙二醇和聚丙烯乙二醇。更一般的聚乙烯乙二醇和聚丙烯乙二醇其分子量約為400到1000，更典型的是600至700。而且，也可以使用多種組分的有機添加劑，如那些包含聚烷基乙二醇和含硫的有機化合物，如苯硫酸、藏紅類染色劑和有機硫化脂肪化合物(包含二硫化物)和/或含氧化合物如酰胺。酰胺的實例包括丙烯酰胺和丙基酰胺。
在鍍層工藝中，被鍍結(jié)構(gòu)和可溶解的銅陽極被放在鍍層液中。銅的籽晶層作為陰極，在這上面用電鍍法淀積銅。用24℃時Cu+2/Cu參考電極測量，電壓一般約為-0.05至-0.3伏，更一般的值約為-0.5至-0.2伏。
電鍍過程將持續(xù)到布線層達到所需厚度。同樣，淀積金屬也可使用化學(xué)鍍法。
接下來，剩余的光刻膠層在能溶解它的溶劑中除去。見圖5在除去光刻膠材料后，暴露的銅籽晶層5那部分必須被除去。而且，同時在一定范圍內(nèi)不刻蝕或不影響電鍍或化學(xué)鍍的鍍層金屬，如銅。換句話說，用相對于電鍍或化學(xué)鍍的鍍層金屬優(yōu)先刻蝕籽晶層銅的方法，必須用刻蝕劑除去暴露的銅籽晶層5。依照本發(fā)明中發(fā)現(xiàn)的特殊的腐蝕劑，將導(dǎo)致在電鍍區(qū)之間除去銅籽晶層，而不會嚴重腐蝕該區(qū)，其中他們自己是一種包含過硫酸氨和一種商業(yè)名稱為Alkanol ACN和杜邦公司生產(chǎn)的MERPOL-SH的有效表面活化劑。這些表面活化劑包含體積約25％到50％的脂肪族胺類乙氧基化合物、體積約10至30％的異乙醇，其余是水。在混合物中含有的Alkanol ACN或MERPOL-SH的量一般約為100至800ppm，一般約為250ppm。此外，過硫酸氨一般約為0.5至10％。鉀或鈉的過硫酸鹽或他們的氫化硫酸鹽可以代替過硫酸氨。
刻蝕劑也含有少量如1至5％體積的酸，例如HCl和/或穩(wěn)定的過氧化氫。
以上的刻蝕混合物優(yōu)先刻蝕濺射的銅籽晶層2，與電鍍的銅層相比，其速率為6∶1。例如厚度為50納米的籽晶層可在0.7微米×0.7微米的銅線間除去，而不會嚴重減小線的橫截面。
而且，以上表面活性劑的存在使銅鈍化并使其表面具有疏水性，所以能防止銅表面生銹或被腐蝕。同時刻蝕劑成分也防止表面粒子的再沉淀。
以下非限定性實例是對本發(fā)明的進一步說明。
實例Alkanol ACN溶解于去離子水，形成2000ppm的貯備溶液。攪拌約30分鐘使Alkanol ACN在去離子水中充分溶解。準(zhǔn)備5克/升的過硫酸氨去離子水溶液，然后用硫酸酸化使PH為4。Alkanol ACN貯備溶液添加到酸化的過硫酸氨溶液，以形成250ppm的Alkanol ACN溶液。溶液在使用前攪拌20分鐘。
在合適的溶液中除去電鍍襯底的光刻膠。下一步，在流動的冷去離子水中充分清洗襯底。然后，將襯底浸入盛有以上Alkanol ACN/過硫酸氨溶液的容器中刻蝕，并伴隨適當(dāng)?shù)臄噭印?分鐘后取出。然后在快速流動的去離子水中清洗襯底。
當(dāng)Alkanol ACN濃縮液被加至500ppm時，在過硫酸氨溶液中銅的腐蝕速度將降低。
通過現(xiàn)有描述闡明了本發(fā)明。另外，它揭示的僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施例。通過以上敘述，我們可以理解本發(fā)明能夠應(yīng)用于與以上的教導(dǎo)和/或相關(guān)工藝的技術(shù)或知識相稱的不同的其它組合、修正和環(huán)境中，也能夠以這里表達的本發(fā)明的概念為基礎(chǔ)進行改變和修正。在這里和以上描述的實施例的目的還有，解釋已知的實施本發(fā)明的最好模式和使本發(fā)明工藝中的其它技術(shù)能夠在這里或別的地方利用，以及某些特殊應(yīng)用或本發(fā)明的應(yīng)用所需要的各種改變。相應(yīng)的，以上描述的目的并不限制于本發(fā)明在這里揭示的方式。它的目的也在于說明它的附加權(quán)利要求所包括的可選擇性實施例。
權(quán)利要求
1．用于提供集成電路中金屬線的方法，包括在半導(dǎo)體襯底上濺射鍍敷銅以提供約20至100nm的銅籽晶層；在上述銅籽晶層上淀積光刻膠和圖形化所述光刻膠；在圖形化光刻膠開口處裸露的銅籽晶層上電鍍或化學(xué)鍍金屬；除去剩余的光刻膠；和使用比刻蝕電鍍或化學(xué)鍍的金屬快的速率優(yōu)先刻蝕上述銅籽晶層的刻蝕劑，刻蝕沒有被電鍍或化學(xué)鍍的金屬覆蓋而暴露的銅籽晶層。
2．權(quán)利要求1的方法，其特征在于上述銅籽晶層的晶粒約小于300埃并且應(yīng)力最小約為5×109達因；
3．權(quán)利要求1的方法，其特征在于上述銅籽晶層的晶粒約50至300埃并且應(yīng)力約為5×109至2×1010達因/厘米2。
4．權(quán)利要求1的方法，其特征在于上述濺射鍍敷執(zhí)行溫度低于100℃而不需要退火；
5．權(quán)利要求1的方法，其特征在于上述濺射鍍敷執(zhí)行溫度低于60℃而不需要退火；
6．權(quán)利要求1的方法，其特征在于上述金屬是銅；
7．權(quán)利要求1的方法，其特征在于電鍍或化學(xué)鍍層金屬的厚度約為0.5至3μm；
8．權(quán)利要求1的方法，其特征在于上述刻蝕劑包括過硫酸鹽；
9．權(quán)利要求1的方法，其特征在于上述刻蝕劑最小以3倍于電鍍或化學(xué)鍍層金屬被刻蝕的速率優(yōu)先刻蝕上述銅籽晶層；
10．權(quán)利要求6的方法，其特征在于上述刻蝕劑還同時進行上述銅的鈍化和防止粒子重淀積到刻蝕表面上；
11．權(quán)利要求8的方法，其特征在于上述刻蝕劑還包括脂肪胺乙氧基化合物和異丁烯醇；
12．權(quán)利要求9的方法，其特征在于上述刻蝕劑還包括1-5％的HCl；
13．權(quán)利要求9的方法，其特征在于上述刻蝕劑還包括穩(wěn)定的1-5％的過氧化氫；
14．權(quán)利要求1的方法，其特征在于上述金屬是銅，鎳，金，鉻，鈷，銠，鋁，鉑，銀，鈀和它們的合金組成的組中的至少一種金屬；
15．權(quán)利要求1的方法，其特征在于上述金屬是電鍍銅；
16．權(quán)利要求1的方法，其特征在于上述刻蝕劑包括過硫酸銨。
全文摘要
在集成電路中通過在半導(dǎo)體襯底的籽晶層上濺射鍍膜實現(xiàn)金屬布線;淀積光刻膠和光刻;在光刻膠開口處用電鍍或化學(xué)鍍方法淀積金屬;剝離剩余光刻膠;和以比刻蝕電鍍或化學(xué)鍍方法淀積的金屬快的速率優(yōu)先刻蝕銅籽晶層的刻蝕方法刻蝕銅籽晶層。
文檔編號H01L21/302GK1218284SQ9812399
公開日1999年6月2日 申請日期1998年11月11日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月12日
發(fā)明者西普里安·阿莫克·烏澤 申請人:國際商業(yè)機器公司