TWI401789B - 形成一化學性質穩定之金屬層於特別是鑲嵌金屬特徵上之方法與裝置 - Google Patents

形成一化學性質穩定之金屬層於特別是鑲嵌金屬特徵上之方法與裝置 Download PDF

Info

Publication number
TWI401789B
TWI401789B TW095124225A TW95124225A TWI401789B TW I401789 B TWI401789 B TW I401789B TW 095124225 A TW095124225 A TW 095124225A TW 95124225 A TW95124225 A TW 95124225A TW I401789 B TWI401789 B TW I401789B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
metal
layer
feature
damascene
immersion
Prior art date
Application number
TW095124225A
Other languages
English (en)
Other versions
TW200709388A (en
Inventor
Terry Sparks
Original Assignee
Freescale Semiconductor Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Freescale Semiconductor Inc filed Critical Freescale Semiconductor Inc
Publication of TW200709388A publication Critical patent/TW200709388A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI401789B publication Critical patent/TWI401789B/zh

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/28—Manufacture of electrodes on semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/268
    • H01L21/283—Deposition of conductive or insulating materials for electrodes conducting electric current
    • H01L21/288—Deposition of conductive or insulating materials for electrodes conducting electric current from a liquid, e.g. electrolytic deposition
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C18/00—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating
    • C23C18/16—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by reduction or substitution, e.g. electroless plating
    • C23C18/1601—Process or apparatus
    • C23C18/1603—Process or apparatus coating on selected surface areas
    • C23C18/1607—Process or apparatus coating on selected surface areas by direct patterning
    • C23C18/1608—Process or apparatus coating on selected surface areas by direct patterning from pretreatment step, i.e. selective pre-treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C18/00—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating
    • C23C18/16—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by reduction or substitution, e.g. electroless plating
    • C23C18/18—Pretreatment of the material to be coated
    • C23C18/1803—Pretreatment of the material to be coated of metallic material surfaces or of a non-specific material surfaces
    • C23C18/1806—Pretreatment of the material to be coated of metallic material surfaces or of a non-specific material surfaces by mechanical pretreatment, e.g. grinding, sanding
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C18/00—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating
    • C23C18/54—Contact plating, i.e. electroless electrochemical plating
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
    • H01L21/71—Manufacture of specific parts of devices defined in group H01L21/70
    • H01L21/768—Applying interconnections to be used for carrying current between separate components within a device comprising conductors and dielectrics
    • H01L21/76838—Applying interconnections to be used for carrying current between separate components within a device comprising conductors and dielectrics characterised by the formation and the after-treatment of the conductors
    • H01L21/76841—Barrier, adhesion or liner layers
    • H01L21/76843—Barrier, adhesion or liner layers formed in openings in a dielectric
    • H01L21/76849—Barrier, adhesion or liner layers formed in openings in a dielectric the layer being positioned on top of the main fill metal
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/22—Secondary treatment of printed circuits
    • H05K3/24—Reinforcing the conductive pattern
    • H05K3/244—Finish plating of conductors, especially of copper conductors, e.g. for pads or lands
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2203/00—Indexing scheme relating to apparatus or processes for manufacturing printed circuits covered by H05K3/00
    • H05K2203/02—Details related to mechanical or acoustic processing, e.g. drilling, punching, cutting, using ultrasound
    • H05K2203/025—Abrading, e.g. grinding or sand blasting
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2203/00—Indexing scheme relating to apparatus or processes for manufacturing printed circuits covered by H05K3/00
    • H05K2203/07—Treatments involving liquids, e.g. plating, rinsing
    • H05K2203/0703—Plating
    • H05K2203/073—Displacement plating, substitution plating or immersion plating, e.g. for finish plating
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2203/00—Indexing scheme relating to apparatus or processes for manufacturing printed circuits covered by H05K3/00
    • H05K2203/14—Related to the order of processing steps
    • H05K2203/1476—Same or similar kind of process performed in phases, e.g. coarse patterning followed by fine patterning

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Chemically Coating (AREA)
  • Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)
  • Electroplating Methods And Accessories (AREA)

Description

形成一化學性質穩定之金屬層於特別是鑲嵌金屬特徵上之方法與裝置
本發明係關於金屬層形成，尤其係關於積體電路製造領域，且特別是包含由化學性質較不穩定金屬(諸如銅(Cu))構成之鑲嵌金屬特徵(例如，金屬互連、電容器、電感器等)之設備的製造領域。
在包含諸如銅互連之鑲嵌金屬特徵之積體電路設備的製造中，通常需要在銅互連上產生一頂蓋層以防止銅擴散入將沈積於包括銅互連之層上的介電層(通常為氧化物)中，且防止Cu互連在隨後的製程步驟中被腐蝕。習知如此擴散障壁層形成於整個晶圓表面上且由氮化矽(SiN)或摻雜碳之氮化矽(Si(C)N)構成。然而，已發現銅存在與該等習知之材料不良黏著，導致銅互連之電遷移失效之惡化(尤其在通道處)。
因此，吾人已提議在鑲嵌銅特徵上藉由選擇性地在其上電鍍一金屬頂蓋層(而非在整個晶圓表面上)產生一擴散障壁/防腐蝕層。此外，吾人認為自對準製程(包括將頂蓋沈積在Cu特徵上而非將一層沈積於整個表面上)將為形成所提議之氣隙設備時之基本需要。
現有對於選擇性地在銅互連及其類似物上形成一金屬頂蓋之提議集中於鎳(Ni)、鎳-鈷合金(NiCo)、鎳-磷合金(Ni(P))、鈷-鎢-磷合金(CoWP)及其類似材料之無電極電鍍。然而，Cu係對於電氧化之不良催化劑。因此為確保該 擴散障壁材料選擇性地電鍍於Cu上，常見將Cu線之表面活化。根據許多提議，一穩定金屬種子層或"活化層"(諸如鈀(Pd))首先藉由浸鍍(或"置換鍍")技術形成於銅互連之表面上且用於促進隨後另一種金屬(例如Ni(P)或Co(P))在銅互連上之無電極電鍍。
然而一旦開始無電極電鍍，對其進行控制很困難。例如，電鍍速率可能過高而導致不均勻沈積，過厚之頂蓋層的形成及不當之頂蓋層材料在介電層上的沈積。此外在"垂直方向"(大體上垂直於晶圓表面之平面)及在"水平"方向(大體上在晶圓表面之平面中)兩個方向均進行電鍍。在頂蓋層藉由明顯的"水平"部件而產生彼等頂蓋層之間之接觸的情況下，此方式可導致相鄰銅導體之間之短路。
為防止無電極電鍍製程期間該"水平"或"橫向"之電鍍，可提議形成一Cu互連使得Cu不完全填滿其所沈積之凹陷溝槽中。然而此為控制困難的技術，且其經常增加線路電阻且增加製造製程之複雜性。
概括而言，鑒於需要相對大量之製程步驟(通常包括銅表面之活化，之後一隨後之無電極沈積製程，及多個沈積後之清理步驟)，迄今吾人所提議之用於選擇性地在Cu互連及其類似物上加頂蓋層之無電極電鍍技術不具優勢。此外，普通無電極電鍍技術係對於環境有害的。
鑒於以上問題，本發明之較佳實施例提供一種用於在較不穩定金屬上形成一連續的較穩定金屬層之新技術。該技 術適用於在鑲嵌金屬特徵(例如半導體晶圓上之銅互連)上形成一頂蓋層。
如附加申請專利範圍所定義，本發明提供一種在化學性質較不穩定金屬上形成一化學性質較穩定金屬之連續層的方法。
如附加申請專利範圍所定義，本發明提供一種用於在化學性質較不穩定金屬上形成一化學性質較穩定金屬層之裝置。
如附加申請專利範圍所定義，本發明進一步提供一包含由具有一化學性質較穩定金屬障壁層之較不貴金屬構成之鑲嵌金屬特徵的半導體晶圓。
如附加申請專利範圍所定義，本發明進一步提供一包含由具有一化學性質較穩定金屬障壁層之化學性質較不穩定金屬構成之鑲嵌金屬特徵的積體電路設備。
在本發明之較佳實施例中，一薄、緻密、連續的第一金屬層形成於第二金屬上，其中該第一金屬相比於該第二金屬化學性質較穩定。該第一金屬可能係習知定義之化學性質穩定金屬(例如鈀(Pd)、鉑(Pt)、釕(Ru)、銀(Ag)、金(Au)、錸(Re)、銠(Rh)、鋨(Os)、銥(Ir))。或者該第一金屬係諸如鎳之物質，其為非習知定義之化學性質穩定金屬，但其相比於將採用本發明之方法沈積於其上之第二金屬而言仍然"較穩定"。
該第二金屬可能係習知定義之鹼金屬或相比於該第一金屬具有較低負電性(electronegativity)之材料。適用之第二 金屬之實例包括與鐵同族中之大部分金屬(例如銅(Cu)、鎳(Ni)、鈷(Co)、鐵(Fe)、錳(Mn)、鉻(Cr)等)；以及鋁(Al)，此取決於其表面氧化物；及與鈀同族但具有較低負電性之金屬(例如Mo、Nb及Zr)。
假設第一金屬具足夠大於該第二金屬之負電性，在浸鍍(置換電鍍)期間該第一金屬之原子被吸附至第二金屬表面上的可用電子位點上且易於附著至該表面。即使相當小之負電性之差可導致所要之相互作用--例如當負電性藉由化學熱力學法量測時具有0.2-0.3之Pauling單位--儘管反應速率可能相當慢。較佳採用具較大負電性差之材料以獲得較快之反應速率。例如將Pd沈積至Cu上係有利的(Pd具約2.4之負電性且Cu具約1.9之負電性)。
一第一金屬之連續層可形成於一由第二較不穩定金屬構成之連續層上，或其可形成於例如Cu互連之鑲嵌金屬特徵表面上，且在以上各情形中其對第該二金屬具良好的黏著。有利地，該第一金屬之連續層藉由重複進行包含浸鍍(置換鍍)步驟及磨蝕步驟之製程循環而形成。
在將根據本發明之方法用於在Cu互連及其類似物上形成頂蓋層的情況下，其使得能夠改良Cu互連之電遷移效能，而大體上不增加缺陷度或線路電阻成為可能。此外，在處理期間金屬頂蓋層之使用亦減少通道接觸電阻，且藉由抑制銅氧化而增加製程餘量(margin)。此外，在銅互連上產生之障壁層構成一自對準障壁層，其具有減小有效介電常數及便於將來之超低k氣隙整合之有利之處(據信一自對準 頂蓋層係提議之氣隙結構的首要必備條件)。
根據關於在半導體設備製造期間鑲嵌金屬特徵上之一化學性質較穩定金屬層之形成的第一較佳實施例，在繼用於平面化包含諸如Cu互連之鑲嵌金屬特徵層的習知CMP("化學機械平面化"或"化學機械拋光")製程後所執行的一製程中執行本發明。例如，可在通常緊隨CMP之後使用的用於移除殘餘物之刷洗製程期間實施浸鍍/磨蝕循環。
根據關於在半導體設備製造期間鑲嵌金屬特徵上之一化學性質較穩定金屬層之形成的第二較佳實施例，藉由採用CMP製程期間本身的浸鍍化學品執行本發明。例如可在最終CMP平面化中採用浸鍍化學方法。
本發明之較佳實施例具有在大體上不增加積體電路製程中所包含之製程步驟數目且不需要外加裝備的情況下能夠使一頂蓋層形成於Cu互連及其類似物上之額外有利之處。此實施例提供一種尤其具成本效益的方法。此外，所應用之方法避免了使用對環境有害的習知無電極電鍍技術(例如無電極Ni電鍍)之需要。
現將參看圖1對浸鍍製程進行論述以能夠更好理解本發明。
作為習知浸鍍製程之一實例，考慮一用於在由導電材料構成之工件整個表面上形成Pd層之已知製程。通常將該工件浸入一包含鈀離子之稀水酸溶液(例如包含PdCl2 之稀HCl水溶液)的槽中。將零價Pd於成核位點處電鍍至工件表 面上，該等位點通常對應於自由鍵或懸空鍵位點，意即負電性位點或將與Pd原子形成化學鍵之電子位點。
已展示該浸鍍層並非一電鍍金屬的連續層。相反，該電鍍之金屬在工件上形成鬆散結核，如圖1C與圖2A所說明。咸信其理由如下。
當工件浸入浸鍍槽中時，一定數目之PdCl+ 離子被吸引至工件表面之成核位點；該晶核位點對應諸如表面空位、錯位等可易於提供一自由電子的特徵。結果，Pd原子吸引至工件表面且釋放氯原子--見圖1A。Pd原子在該等初始鍵結位點處牢固鍵結。(咸信所釋放之氯原子溶解於稀水浸鍍溶液中。或者其可能產生氯氣分子。無論如何，釋放之氯原子的量係相對小的，且在實驗中，未發現浸鍍槽中產生可察覺的酸度變化或可察覺的氣體釋放。)
一旦Pd原子鍵結至工件表面，更易使得來自工件之自由電子在該等成鍵位點而非工件表面上新的位置處與更多PdCl+ 離子反應。實際上，一種局部電鍍機理生效且更多的Pd原子在初始位點鍵結至Pd原子上，導致結核之形成--見圖1B。結果，鬆散結合之Pd結核以其中帶有間隙之方式建立，而非在整個工件之表面建立連續的Pd層，如圖1C所說明。此外該等結核亦可包括某些PdCl分子。應注意僅最靠近工件表面之Pd原子對該表面具良好的黏著。
由於其簡便且具成本效益，浸鍍已用於積體電路製造中以將化學性質穩定之金屬直接沈積於銅、TaN障壁層等上。即使該浸鍍穩定金屬層由鬆散結核組成，然而其可用 作促進隨後之另一種材料在工件上之無電極電鍍的種子層(如上文所提及)。
根據本發明，浸鍍可用於在化學性質較不穩定金屬上形成一較穩定金屬連續層。此藉由執行多次浸鍍步驟及在該等浸鍍步驟之間打破該電鍍較穩定金屬的鬆散結核而實現。
在本發明之較佳實施例中，該浸鍍製程與機械磨蝕結合。該機械磨蝕防止浸鍍較穩定金屬大結核之形成且促進電鍍。此外，在試圖選擇性地將較穩定金屬電鍍至鑲嵌Cu特徵(例如互連)上，而非鍍覆至周圍電介質之應用中，該機械磨蝕防止電鍍在電介質表面之損害位點處發生，因此提供低缺陷度製程。
圖2示意性說明一第一金屬連續層可如何根據上述技術，採用適用於電鍍所選之較穩定金屬(在此實例中為鈀，一種習知定義之化學性質穩定金屬)的浸鍍槽化方法形成於一第二較不穩定金屬上。
圖2A說明執行初始浸鍍步驟之後工件表面的狀態--鈀之鬆散結核接合至該表面。
其次，使用機械磨蝕及類似製程以移除鬆散結核材料，在初始表面鍵結位點處留下鍵結良好之鈀原子，如圖2B所說明。一隨後之浸鍍步驟導致吸引至工件表面新位點處更多鬆散結核的形成--見圖2C。更多機械磨蝕現將自該等新結核移除鬆散材料，在初始表面鍵結位點處及第二批鍵結位點處留下鍵結良好的穩定金屬鈀，如圖2D所說明。進一 步的浸鍍步驟將導致在工件表面之額外位點處更多鈀結核的形成--見圖2E。隨著執行更多的浸鍍與機械磨蝕之循環，鈀原子將在越來越大數目之位點處鍵結至工件表面，位點之間之間隙將閉合(見圖2F)且，最終整個表面得以覆蓋。
執行實驗實施上述製程將鈀鍍覆至一矽表面上；執行一浸鍍步驟，隨後一沖洗步驟且接著在實施下一浸鍍步驟之前執行機械擦拭步驟。在沖洗步驟中，去離子水被從工件上沖落以沖去酸性電鍍溶液，但對工件表面無機械作用。實驗展示在3至4次浸鍍/機械擦拭步驟後在矽上形成一連續Pd層且該連續層厚度為10-20 nm。已發現當將Pd電鍍至銅上時該製程更快。
本發明者考慮機械擦拭與多次浸鍍循環之組合可產生鑲嵌Cu特徵上之連續穩定金屬(特別是Pd或Pt)薄層。該由此形成之穩定金屬頂蓋層具非常低之接觸電阻且具有良好的障壁性質：當由本發明之技術形成之薄Pd層被作為防止電鍍Ni及Cu在350℃至400℃執行退火後擴散入超淺p型接面中之障壁層進行測試時，發現其提供一有效障壁。咸信，具有由該技術產生之頂蓋層的Cu互連將給出等效於採用由無電極沈積形成之Pd或Ni之較厚層所獲得之結果。通常，10-30 nm厚且由根據本發明之方法形成之連續Pd(或其他化學性質穩定金屬)頂蓋層應足以抑制銅擴散且改良電遷移失效效能。
實務上，根據本發明之較佳實施例之方法包括在全局水 平上大體上同時執行的浸鍍及機械磨蝕。因此，將晶圓作為整體考慮，在任何給定之瞬間發生浸鍍且結核被機械磨蝕打破。然而在銅表面一特定之位置上可認為存在浸鍍與鬆散結核材料之破裂的連續步驟，如以上參看圖2A至圖2F所述。
在習知化學性質穩定金屬浸鍍製程(其被執行以形成用於隨後之無電極電鍍之種子層)中，銅互連暴露於浸鍍化學品中之持續時間經選擇以打破兩種需要之間的平衡：充分的電鍍程度以使銅活化用於隨後之無電極電鍍製程之需要；及限制導致銅與無電極電鍍頂蓋層材料之間之不良黏著的大穩定金屬結核之形成之需要。可進行大塊薄膜黏著測試以幫助確定足以平衡此兩種因素之浸鍍條件。吾人已作出一些嘗試以尋找在無電極電鍍步驟之前在浸鍍之後可"穩定"電鍍穩定金屬之處理。
根據本發明，增加浸鍍製程之持續時間將不導致銅與浸鍍材料(或疊加於該浸鍍材料上之材料)之間黏著力的降低，由於隨著浸鍍製程進行，鬆散結核材料將自銅表面(例如，藉由機械磨蝕)移除。延長浸鍍/結核破裂製程之持續時間將僅導致更厚的電鍍穩定金屬層的形成。然而，在實務上，製程條件通常經設定以形成約20 nm厚之較穩定金屬連續層。
根據本發明之方法亦可以適合所應用之情形的各種方式執行。例如，以下論述之本發明之第一與第二較佳實施例關於在半導體晶圓處理期間一化學性質較穩定金屬層在一 化學性質較不穩定金屬層上之形成。在該第一及該第二較佳實施例中，採用磨蝕打破較穩定金屬鬆散結核，且形成較穩定金屬連續層所需之步驟被整合入已在整個積體電路製造製程期間執行的製程中。
根據該第一較佳實施例，本發明之方法在晶圓洗滌器裝置中執行，該裝置習知用於在CMP後自晶圓表面移除殘餘物。
圖3為一表示適用於本發明之第一較佳實施例之晶圓洗滌器裝置10中主要組件的示意圖。(該晶圓洗滌器裝置10為一習知晶圓洗滌器裝置之實例經調適的類型；應瞭解本發明可藉由晶圓洗滌器裝置之其他設計的適當調適實施。)
在該裝置10中，晶圓Wa支撐於一對以相反方向旋轉之圓柱形洗滌刷1之間。通常該等圓柱形刷或輥筒之表面由軟聚合物材料製成(例如聚乙酸乙烯酯、PVA或聚胺基甲酸酯)。該晶圓繞其軸旋轉。
在圖3中表示且經調適之類型之習知晶圓洗滌器裝置中，諸如帶有界面活性劑之去離子水的清洗液經噴嘴噴向該晶圓表面，且由刷1以高橫向流動力橫掃表面(儘管通常該等刷並非實際與晶圓表面接觸)。此外，清洗流體通常經由刷1且經噴嘴供應。
在本發明之第一較佳實施例中，將適用於將化學性質較穩定金屬電鍍至銅表面之浸鍍化學品***該晶圓洗滌器工具中。例如，若需要形成由鈀構成的頂蓋層，則可使用 HCl稀水溶液與PdCl2 之混合物。更特定言之，該稀HCl與PdCl2 之混合物可能經由指向該晶圓及/或刷子之一或多個噴嘴5被導向晶圓表面。較佳，其係一組單獨噴嘴，自彼(或彼等)噴嘴向晶圓供應標準CMP後清洗溶液，使得減少浸鍍溶液之消耗。另外或作為替代，稀HCl與PdCl2 之混合物可經由該等刷供應。
基於來自習知無電極電鍍感測製程之資料，且考慮典型的Pd至銅上之浸鍍速率，當圖3之裝置(其在刷子與晶圓之間不涉及機械接觸)用於實施根據本發明之第一較佳實施例之方法時，期望在晶圓上之鑲嵌Cu特徵上形成約20 nm厚度之Pd連續層所需的時間將為約30-60秒，或略微更長。此係因為電鍍與鬆散材料之移除係同時發生的。在此情況下，自晶圓表面移除鬆散結核材料之力來自與該晶圓表面極接近的旋轉刷/輥筒之間的高流體速度。
應注意目前所觀察到的晶圓上自CMP製程產生的缺陷使得較佳在向圖3之裝置供應浸鍍化學品之前對晶圓給出標準的CMP後清洗。
儘管藉由上述第一實施例可在Cu互連上形成一連續化學性質較穩定金屬層，然而仍然存在某些缺陷。在CMP後且在晶圓進入晶圓洗滌器裝置前銅互連表面上可能將形成氧化物。電鍍化學品可移除一定量之銅氧化物。然而若CMP與晶圓洗滌之間存在延長的間隔，此時銅互連暴露於周圍空氣中，則其可能干擾隨後的用於電鍍化學性質較穩定金屬之製程。因此利用本發明之第二較佳實施例可係有利 的。
根據本發明之第二較佳實施例，浸鍍化學品在銅CMP期間塗覆至半導體晶圓之表面。
圖4A與4B說明，適於實施根據本發明之第二實施例之方法的CMP裝置之兩個不同實例20與20a。採用圖4B之裝置20a將略微較容易控制浸鍍溶液之傳送及濃度。每一CMP裝置之此等實例20、20a係已知CMP裝置經調適之種類；應瞭解本發明可藉由CPM裝置之其他設計之適當調適而實施。
在經調適之CMP裝置20/20a中，一平板21/21a支撐一拋光襯墊22/22a且由一馬達(未圖示)驅動以圖4A與4B中之箭頭A所指的方向旋轉。通常，將採用一拋光襯墊22/22a(其係CMP製程之最終磨光襯墊)執行根據本發明之第二較佳實施例之方法。半導體晶圓Wa置放於晶圓固持器24/24a中，該等固持器用於在馬達(未圖示)作用下以圖4A與4B箭頭B指的方向旋轉該晶圓。圖4A所示之裝置20具有一襯墊調節器26以再調節拋光襯墊22之表面。
根據本發明之第二較佳實施例，供應適用於將化學性質較穩定金屬電鍍於一銅表面上之浸鍍化學品25，使其流入拋光襯墊22/22a與晶圓表面之間之狹窄空間。例如若需要形成一由鈀製成的頂蓋層，則可使用稀HCl水溶液與PdCl2 之工業標準溶液。在圖4A之CMP裝置20中，浸鍍化學品通常傾至拋光襯墊22之表面上。在圖4B之裝置20a中，浸鍍化學品通常自平板21a經由拋光襯墊22a中之孔供應至晶 圓。
在習知之CMP裝置中，該最終之製程步驟係用於調節晶圓之最終平面度且用於移除殘餘障壁層材料之磨光及/或沖洗步驟。通常該最終磨光/刷洗步驟不涉及反應性漿料之使用。較佳在第二沖洗步驟中在拋光襯墊22/22a與晶圓之間供應浸鍍溶液之前採用圖4A/圖4B之裝置執行正常沖洗/磨光製程步驟。
基於來自習知無電極電鍍感測製程的資料，且考慮Pd至銅上之典型浸鍍速率，當圖4A及4B之裝置(其涉及以低CMP向下力進行機械拋光)用於實施根據本發明之第二較佳實施例之方法時，期望在晶圓上之鑲嵌Cu特徵上形成約20 nm厚度之Pd連續層所需的時間將為約30-60秒，或略微更長。此再次係由於電鍍與鬆散材料之移除係同時發生的。
該第二較佳實施例提供若干除由第一較佳實施例所提供之有利之處外的優勢。
首先，根據本發明之第一實施例，當銅表面由Pd鍍覆時，其係處於一相對反應性狀態中且可能實際上吸附殘餘物。相比較而言，若Cu互連在CMP期間採用本發明之第二較佳實施例之方法由化學性質較穩定金屬層鍍覆，則當晶圓置放於晶圓洗滌裝置中用於CMP後清洗時，該化學性質較穩定金屬層提供極佳的表面鈍化，鈍化程度達可實際減少所需之CMP後清洗的量的程度。換言之，藉由在最終CMP平板中執行Pd電鍍，咸信自CMP製程產生之晶圓缺陷 度可得以減少。
第二，由於本發明之第二實施例涉及在CMP製程期間即大體在該銅表面被氧化之前在Cu互連上形成頂蓋層，所以該化學性質較穩定金屬可電鍍至一大體上無氧化物之表面上以避免出現問題。
在本發明之第一與第二較佳實施例兩者中，完成一連續Pd層之形成所需之時間長度主要取決於表面條件，意即可用成核位點之數目及電鍍溶液濃度。槽溫度具有次要影響(可能增加Pd離子之濃度)，且通常設定為25-30℃以能夠更穩定控制浸鍍溶液。
在根據本發明之第一與第二較佳實施例之方法中，晶圓可通常在室溫中暴露於Pd電鍍化學品中歷經30至90秒之時間(取決於所需產生之Pd層之厚度、表面狀態及電鍍溶液中之PdCl2 濃度)。Pd電鍍溶液可經預混合或在使用時混合。溶液可經過濾及再次使用，以提供環境安全的工藝。
由本發明之方法在Cu上產生之金屬頂蓋層非常接近於純態，具有非晶結構或具有小晶粒。咸信藉由本發明之方法產生之金屬頂蓋層將對介電材料之上層具有良好的黏著力--至少與當所使用之頂蓋層係藉由無電極電鍍產生之NiCo(P)/(B)頂蓋層時所觀察到的黏著一樣好(若非更好)。(通常由於銅互連上不可控制之氧化或厚氧化物而產生頂蓋層與上層介電層之間之不良的黏著。本發明不具有此問題)。
由藉由根據本發明之方法產生之金屬層組成的頂蓋層提 供一連續擴散障壁及黏著層以減少通常干擾藉由其他方法形成頂蓋層之Cu互連的銅氧化及不良黏著。此導致顯著減少電遷移失效及其他諸如高通道電阻及空隙形成之問題。金屬頂蓋層(或"頂部障壁")之使用亦藉由抑制處理期間之銅氧化而減少接觸電阻且增加製程餘量。此外，自對準頂蓋之使用可減少可由使用諸如Six N、SiCN及其類似物的高k介電層產生的RC耦合。
本發明之較佳實施例可減少通常與Cu互連上之頂蓋層之產生相關聯之成本。首先，諸如Pd之穩定金屬之浸鍍所需的化學品相比於習知之頂蓋層材料之無電極電鍍所需的化學品而言更便宜且對環境危害更少。此外，在本發明之第一及第二較佳實施例中，該頂蓋層係藉由已用於在整個製造製程中實行另一步驟(CMP或晶圓清潔)的預先存在的裝備而產生。
包括已採用根據本發明之方法形成頂蓋層之銅互連或其他鑲嵌金屬特徵的半導體晶圓或成品積體電路設備，將客觀上不同於某一包含藉由某些其他製程形成頂蓋層之Cu互連/鑲嵌金屬特徵之晶圓或成品積體電路設備。特定言之，採用本發明產生之頂蓋層將包含大體上為非晶結構或具有小晶粒的連續緊密層，而非具結核結構之非連續層。該差別將影響該頂蓋層之厚度、組成及結構且採用電子顯微鏡應可觀察到。
儘管上文參照本發明特定較佳實施例對本發明進行了描述，應瞭解本發明不受參考此等較佳實施例之特定細節之 限制。更具體言之，熟習此項技術者將不難瞭解，在不偏離隨附申請專利範圍中所定義之本發明之範疇的情況下可對該等較佳實施例進行改動及研發。
例如，在上述本發明之較佳實施例中，Pd頂蓋層形成於Cu互連上。然而，應瞭解本發明之技術更一般可應用於在其他鑲嵌銅特徵(例如電容器、電感器等)上形成連續緻密金屬層。此外該等技術可應用於在由其他化學性質較不穩定金屬構成之鑲嵌特徵上形成化學性質較穩定金屬(例如金)之連續緊密層，只要該鑲嵌金屬與該沈積金屬之間存在足以支持電鍍反應之電位差。類似地，該等技術適用於在由化學性質較不穩定金屬構成之連續表面上形成化學性質較穩定金屬之連續緻密層。
在上述較佳實施例中，本發明用於在鑲嵌金屬特徵上形成一連續Pd層。本發明適用於在化學性質較不穩定金屬之連續表面上或鑲嵌特徵上形成其他習知定義之穩定金屬(例如Pt、Ru、Ag、Au、Re、Rh、Os或Ir)及其他金屬(例如Ni)之連續薄層，只要使用適當之浸鍍化學品以置換以上提及之稀HCl/PdCl2 混合物。實務上，鑒於其他穩定金屬之較高成本及/或稀有，當採用本發明之方法沈積材料時，作為用於電連接之非腐蝕鍍層Pd很可能係較佳的。
此外，在上述較佳實施例中，經由實體接觸或高速度流體流動的機械磨蝕係用於在表面上之穩定金屬浸鍍期間自該表面移除鬆散結核材料之製程。然而，若其他類型之磨蝕能夠打破鬆散結核材料，則可使用其他類型之磨蝕。
1‧‧‧刷子/輥筒
5‧‧‧噴嘴
10‧‧‧晶圓洗滌器
20、20a‧‧‧CMP裝置
21、21a‧‧‧平板
22、22a‧‧‧拋光襯墊
24、24a‧‧‧晶圓固持器
25‧‧‧浸鍍化學品
26‧‧‧襯墊調節器
Wa‧‧‧晶圓
圖1為一浸鍍製程之示意性說明圖，其中圖1A至1C展示鬆散結核形成之不同階段；圖2為一藉由根據本發明之製程而執行之連續穩定金屬層之形成的示意性說明圖，其中圖2A至2F展示該連續層形成之不同階段；圖3說明一適於進行根據本發明之第一較佳實施例之方法的裝置之實例；及圖4說明一適於執行根據本發明之第二較佳實施例之方法的裝置之實例，其中圖4A與4B表示適於執行該方法之不同已知CMP裝備之個別實例。

Claims (13)

  1. 一種在一半導體晶圓之鑲嵌金屬特徵上選擇性地形成一第一金屬之一連續層的方法，該鑲嵌金屬特徵係由一第二金屬所形成，該第一金屬比該第二金屬更具有化學性質上的穩定(noble)，該方法包括以下步驟：將該第一金屬浸鍍於該第二金屬上，且打破該第二金屬表面上該第一金屬的鬆散結核；其中持續該浸鍍及該打破鬆散結核之步驟直到在該第二金屬上形成該第一金屬之一連續層；其中該浸鍍及打破鬆散結核之步驟藉由在包括該鑲嵌金屬特徵之晶圓層之化學機械研磨期間將該鑲嵌金屬特徵暴露於適用於浸鍍該第一金屬之浸鍍化學品中得以執行。
  2. 如請求項1之在一半導體晶圓之鑲嵌金屬特徵上選擇性地形成一第一金屬之一連續層的方法，其中該第一金屬具有比該第二金屬大之負電性。
  3. 如請求項2之在一半導體晶圓之鑲嵌金屬特徵上選擇性地形成一第一金屬之一連續層的方法，其中該第一金屬選自由鈀、鉑、釕、銀、金、錸、銠、鋨、銥與鎳構成之群。
  4. 2或3之在一半導體晶圓之鑲嵌金屬特徵上選擇性地形成一第一金屬之一連續層的方法，其中打破該第一金屬的鬆散結核之該步驟包含執行機械磨蝕。
  5. 2、3或4之在一半導體晶圓之鑲嵌金屬特徵 上選擇性地形成一第一金屬之一連續層的方法，其中該浸鍍步驟在於將鈀浸鍍於一鑲嵌銅特徵上。
  6. 一種層成形裝置，其用於在一半導體晶圓之鑲嵌金屬特徵上選擇性地形成一第一金屬之一連續層，該鑲嵌金屬特徵係由一第二金屬所形成，該第一金屬比該第二金屬更具有化學性質上的穩定(noble)，該層成形裝置包含：在使用中適於將該第二金屬暴露於適用於浸鍍該第一金屬之浸鍍化學品中的構件；用於打破該第二金屬表面上該第一金屬之鬆散結核的構件；及化學機械研磨裝置及適於向藉由該化學機械研磨裝置拋光之一晶圓之表面供應該浸鍍化學品的構件。
  7. 如請求項6之層成形裝置，其中適於將該第二金屬暴露於浸鍍化學品中之該構件經排列將一鑲嵌金屬特徵暴露於適於將鈀電鍍至銅上之浸鍍化學品中。
  8. 一種包含一第二金屬之一鑲嵌特徵的半導體晶圓，該鑲嵌特徵具有一包含一第一金屬之一連續層的障壁層，該第一金屬比該第二金屬更具有化學性質上的穩定(noble)，該連續層係藉由如請求項1至5中任一項之方法而形成。
  9. 如請求項8之半導體晶圓，其中該連續第一金屬層係一Pd層。
  10. 如請求項8或9之半導體晶圓，其中該鑲嵌金屬特徵係一銅特徵。
  11. 一種包含一第二金屬之一鑲嵌特徵之積體電路設備，該鑲嵌特徵具有一包含一第一金屬之一連續層的障壁層，該第一金屬比該第二金屬更具有化學性質上的穩定(noble)，該連續層係藉由如請求項1至5中任一項之方法而形成。
  12. 如請求項11之積體電路設備，其中該連續第一金屬層係一Pd層。
  13. 如請求項11之積體電路設備，其中該該鑲嵌金屬特徵係一銅特徵。
TW095124225A 2005-07-04 2006-07-03 形成一化學性質穩定之金屬層於特別是鑲嵌金屬特徵上之方法與裝置 TWI401789B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/EP2005/010043 WO2007003223A1 (en) 2005-07-04 2005-07-04 Method and apparatus for forming a noble metal layer, notably on inlaid metal features

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW200709388A TW200709388A (en) 2007-03-01
TWI401789B true TWI401789B (zh) 2013-07-11

Family

ID=36087654

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW095124225A TWI401789B (zh) 2005-07-04 2006-07-03 形成一化學性質穩定之金屬層於特別是鑲嵌金屬特徵上之方法與裝置

Country Status (3)

Country Link
US (1) US7935631B2 (zh)
TW (1) TWI401789B (zh)
WO (1) WO2007003223A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106574368A (zh) * 2014-08-15 2017-04-19 德国艾托特克公司 用于减少铜和铜合金电路的光学反射率的方法和触摸屏装置

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100717909B1 (ko) * 2006-02-24 2007-05-14 삼성전기주식회사 니켈층을 포함하는 기판 및 이의 제조방법
US7998864B2 (en) * 2008-01-29 2011-08-16 International Business Machines Corporation Noble metal cap for interconnect structures
US8823176B2 (en) * 2008-10-08 2014-09-02 International Business Machines Corporation Discontinuous/non-uniform metal cap structure and process for interconnect integration
CN102605359A (zh) * 2011-01-25 2012-07-25 台湾上村股份有限公司 化学钯金镀膜结构及其制作方法、铜线或钯铜线接合的钯金镀膜封装结构及其封装工艺
JP2014127879A (ja) * 2012-12-26 2014-07-07 Panasonic Corp 放送画像出力装置、放送画像出力方法、およびテレビ
JP2015050249A (ja) * 2013-08-30 2015-03-16 株式会社東芝 半導体装置の製造方法
US9263389B2 (en) 2014-05-14 2016-02-16 International Business Machines Corporation Enhancing barrier in air gap technology
US9865673B2 (en) * 2015-03-24 2018-01-09 International Business Machines Corporation High resistivity soft magnetic material for miniaturized power converter

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003085166A2 (en) * 2002-04-03 2003-10-16 Applied Materials, Inc. Electroless deposition methods
TW586137B (en) * 2001-05-10 2004-05-01 Ebara Corp Electroless plating method and device, and substrate processing method and apparatus

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6060176A (en) 1995-11-30 2000-05-09 International Business Machines Corporation Corrosion protection for metallic features
US6323128B1 (en) 1999-05-26 2001-11-27 International Business Machines Corporation Method for forming Co-W-P-Au films
US6342733B1 (en) 1999-07-27 2002-01-29 International Business Machines Corporation Reduced electromigration and stressed induced migration of Cu wires by surface coating
JP4055319B2 (ja) 2000-02-18 2008-03-05 ソニー株式会社 半導体装置の製造方法
US20040219298A1 (en) 2003-02-27 2004-11-04 Akira Fukunaga Substrate processing method and substrate processing apparatus
JP4245996B2 (ja) 2003-07-07 2009-04-02 株式会社荏原製作所 無電解めっきによるキャップ膜の形成方法およびこれに用いる装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW586137B (en) * 2001-05-10 2004-05-01 Ebara Corp Electroless plating method and device, and substrate processing method and apparatus
WO2003085166A2 (en) * 2002-04-03 2003-10-16 Applied Materials, Inc. Electroless deposition methods

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106574368A (zh) * 2014-08-15 2017-04-19 德国艾托特克公司 用于减少铜和铜合金电路的光学反射率的方法和触摸屏装置

Also Published As

Publication number Publication date
WO2007003223A1 (en) 2007-01-11
US7935631B2 (en) 2011-05-03
US20080224314A1 (en) 2008-09-18
TW200709388A (en) 2007-03-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI401789B (zh) 形成一化學性質穩定之金屬層於特別是鑲嵌金屬特徵上之方法與裝置
US7190079B2 (en) Selective capping of copper wiring
US10755934B2 (en) Systems and methods for chemical mechanical polish and clean
US7811925B1 (en) Capping before barrier-removal IC fabrication method
US6821902B2 (en) Electroless plating liquid and semiconductor device
US7476974B2 (en) Method to fabricate interconnect structures
TW200302295A (en) Electroless deposition apparatus
KR102581894B1 (ko) 도금 처리 방법 및 기억 매체
JP2007180496A (ja) 金属シード層の製造方法
TW586137B (en) Electroless plating method and device, and substrate processing method and apparatus
WO2002099164A2 (en) Electroless-plating solution and semiconductor device
JP3821709B2 (ja) 無電解めっきの前処理方法
JP2001181851A (ja) めっき方法及びめっき構造
US20070148967A1 (en) Method for Manufacturing Semiconductor Device
US7256120B2 (en) Method to eliminate plating copper defect
JP2004022855A (ja) 半導体装置の製造方法
JP2010037617A (ja) 半導体装置の製造方法、半導体装置及び半導体装置の製造装置
JP5130740B2 (ja) 半導体装置の製造方法及びその方法に使用する装置
JP2005116630A (ja) 配線形成方法及び装置
US20070111523A1 (en) Process for conditioning conductive surfaces after electropolishing
KR102301933B1 (ko) 반도체 소자의 제조 방법
US20070235876A1 (en) Method of forming an atomic layer thin film out of the liquid phase
JP2003034876A (ja) 触媒処理液及び無電解めっき方法
JP2008263003A (ja) 基板処理方法
JP2003243326A (ja) 半導体装置の製造方法及び製造装置

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees