專利名稱：銅表面的表面還原、鈍化、防止腐蝕及活化用的系統(tǒng)與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般是關(guān)于鑲嵌半導(dǎo)體的制造過程，尤有關(guān)于在半導(dǎo)體制造過程中，用以使各特征部及各層平坦化的方法與系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
通常，集成電路元件(成半導(dǎo)體基板及晶片的形式)的制造包括等離子體蝕刻室的使用。等離子體蝕刻室可依掩?；驁D案所定義蝕刻基板上的選擇層。等離子體蝕刻室配置為在施加射頻能量至等離子體蝕刻室的一個或數(shù)個電極的同時，接收處理氣體(亦即蝕刻化學品)。等離子體蝕刻室內(nèi)的壓力也依特定制造過程加以控制。一旦施加所要的射頻能量至電極，室內(nèi)的處理氣體會被活化以致產(chǎn)生等離子體。此等離子體用來對半導(dǎo)體晶片的選擇層進行所要的蝕刻。
在一些現(xiàn)有技術(shù)的等離子體蝕刻制造過程中會產(chǎn)生低揮發(fā)性副產(chǎn)物。舉例而言，在使用含氯氣體(例如氯氣、氯化氫等)的銅的蝕刻過程中，其副產(chǎn)物為CuClx。CuClx在室溫下不會揮發(fā)。通常，低揮發(fā)性副產(chǎn)物會凝聚于室壁上。在每一等離子體蝕刻循環(huán)期間，副產(chǎn)物會積累于室壁。最后，副產(chǎn)物積累至一定的厚度。然后，積累的副產(chǎn)物開始自室壁成片狀剝落，且因此成為顯著的顆粒來源。顆粒會污染正在室內(nèi)蝕刻的基板。
銅蝕刻劑化學品通常對剩余銅的表面具有腐蝕性。這種腐蝕作用會造成不均勻的點蝕，且留下在進行后續(xù)處理前必須移除的殘留層。通常，將基板自等離子體蝕刻室移出并清洗和/或漂洗。
圖1為一典型清洗過的基板100。在裸露的銅元件104之上，基板100有一相當厚的氧化層102(例如銅氧化物)。氧化層102會干擾后續(xù)處理(例如底層銅元件內(nèi)連線的形成)，因此在嘗試后續(xù)處理之前必須移除該氧化層?；?00也可有阻障層106。
化學機械拋光(CMP，Chemical mechanical Polishing)用的化學品也會造成類似上述蝕刻化學品的問題。在化學機械拋光操作之后，典型地會清洗及漂洗基板。化學機械拋光方法本身和/或清洗和/或漂洗操作也會造成氧化層的形成。
鑒于上述情況，就需要一種殘留物層的移除系統(tǒng)與方法，其同時基本上能消除氧化層或任何其他不要的終止層的形成。

發(fā)明內(nèi)容
廣泛而言，借由提供鈍化裸露的導(dǎo)電材料的改善方法，本發(fā)明可滿足這些需求。應(yīng)了解的是本發(fā)明可以多種方式實施，包括制造過程、裝置、系統(tǒng)、電腦可讀介質(zhì)或元件。本發(fā)明的數(shù)個發(fā)明性實施例說明如下。
一種鈍化裸露的導(dǎo)電材料的方法，包含放置基板至處理室中及注入含氫物種至處理室。在處理室中形成含氫物種等離子體。表面層物種從基板的上表面開始還原。從處理室清除已還原的表面層物種。導(dǎo)電材料可包括下組中的至少一種含銅材料、元素銅、合金例如鐵鎳及鐵鈷、元素鎳、鈷、釕、AlO、鉭、氮化鉭、鉑及銥。
前述鈍化處理可原地實施。鈍化處理也可移地實施。鈍化處理可在蝕刻制造過程中原地實施。鈍化處理可在無應(yīng)力平坦化制造過程中原地實施。鈍化處理也可在化學機械拋光操作后移地實施。
處理室的溫度介于約30至約400℃。處理室可以是一小容積的等離子體室。等離子體室可以是電容式耦合系統(tǒng)、電感式耦合系統(tǒng)、ECR或微波能量系統(tǒng)。處理室的壓力可以介于約1至約1000毫托。
表面層物種可以是氧化物、鹵化物(例如含氯化物、溴化物、氟化物或碘化物的物種)及氮化物或其組合。含氫物種可包括下組中的至少一種氫氣、氯化氫、溴化氫、甲烷及氨氣。注入含氫物種也可包括載體氣體的注入，例如氬氣、氮氣、氦氣、氖氣及氙氣。
使用含氫物種形成等離子體，可包括使至少在基板及處理室內(nèi)壁之一上的殘留物揮發(fā)。清除處理室的還原表面層物種，也可包含揮發(fā)的殘留物的清除。
基板上表面的表面層物種的還原，也可包括基板上表面的活化及基板上表面的粗糙化。以預(yù)定時間來鈍化裸露的導(dǎo)電材料。該預(yù)定時間足夠從基板的上表面還原所需量的表面層物種。該預(yù)定時間可大于約15秒。
另一實施例提供了鈍化裸露的銅內(nèi)連線的方法。此方法包含放置基板至處理室，及注入含氫物種至處理室。此方法也包括在處理室形成含氫物種等離子體，及從裸露的銅內(nèi)連線的上還原表面銅氧化物。從處理室清除已還原的銅氧化物。處理室的幾個內(nèi)表面的每一個，其溫度可等于或大于約250℃。處理室的每一內(nèi)表面都面對基板。
另一實施例提供了在基板上實施非接觸平坦化的方法。本方法包括在蝕刻處理室中放置基板及蝕刻該基板。本方法也包括注入含氫物種至蝕刻處理室，及在蝕刻處理室內(nèi)形成含氫物種等離子體。表面層物種是從基板的上表面開始還原，且已還原的表面層物種被從處理室清除。
從下面的詳細說明，配合附圖，經(jīng)由范例說明本發(fā)明的原理，本發(fā)明的其他方面與優(yōu)點將更為明顯。


通過如下的詳細描述并結(jié)合附圖，本發(fā)明將更加容易理解，并且類似的參考數(shù)字表示類似的結(jié)構(gòu)元件。
圖1為一典型清洗干凈的基板。
圖2A顯示依本發(fā)明一實施例的銅基材。
圖2B顯示依本發(fā)明一實施例的鈍化的銅基材。
圖3A為依本發(fā)明一實施例的化學機械拋光制造過程的操作方法流程圖。
圖3B為依本發(fā)明一實施例的蝕刻制造過程的操作方法流程圖。
圖4為依本發(fā)明一實施例的鈍化處理的操作方法流程圖。
實施方式數(shù)個鈍化及還原蝕刻表面的舉例性實施例說明如下。本領(lǐng)域技術(shù)人員清楚，在欠缺此處披露的部份或全部的具體細節(jié)情況下，顯然仍可實施本發(fā)明。
裸露的銅對于腐蝕是相當脆弱的。當內(nèi)連線施加曝露于各種處理化學品(例如濕或干化學品)時，這對于處理過的銅尤其是如此。有些這些條件也可以使用腐蝕性化學品。舉例來說，由于在低溫下不具揮發(fā)性，銅的干式蝕刻典型地是很緩慢且是非選擇性的。在高溫(例如大于約200℃)，在含有鹵素的化學品(例如氯、氟、溴及碘化學品)的情況下，揮發(fā)性化合物的形成是可能的。由于銅表面殘留鹵素化合物與水汽的作用，或處理室內(nèi)殘留的鹵素與未鈍化銅表面位置的反應(yīng)，腐蝕是一重要的課題。在銅的化學機械拋光或電解拋光之后，后者可包含無應(yīng)力阻障層的移除。另一實施例為鑲嵌用途的銅處理，其使用利用腐蝕性的堿性研磨液的化學機械拋光。盡管是典型的濕式處理，腐蝕仍舊持續(xù)。再者，典型的濕式處理會引進額外的處理模組、額外的化學需求，因此增加制造成本及制造時間。
對于電性需求及下一層沉積的需求而言，穩(wěn)定與活化的表面在雙鑲嵌制造過程中是重要的。典型地，新裸露的銅表面的表面特征有別于須進一步處理的銅表面性質(zhì)。為了達成這些需求，須要額外的制造過程步驟與處理模組，來調(diào)整新裸露的銅表面。新裸露銅表面的調(diào)節(jié)，包括表面銅氧化物層還原成元素銅，及在真空的條件下(例如小于約100毫托)銅表面的活化。其它的調(diào)整可包括化學機械拋光殘留物的移除，其殘留物含有化學機械拋光處理化學品的多種成份(例如亮光劑、抑制劑及加速劑等)；因此，在化學機械拋光過程后，可避免任何的濕式清洗過程。
一實施例提供鈍化新蝕刻表面以防止腐蝕的系統(tǒng)與方法。所揭示的系統(tǒng)與方法，可將蝕刻劑化學品殘留物從蝕刻基板移除。所揭示的系統(tǒng)與方法，也可將蝕刻劑化學品殘留物從蝕刻室內(nèi)壁移除。再者，所揭示的系統(tǒng)與方法，也可基本上消除銅層在裸露出之后形成的以及進一步于濕式清洗制造過程中所形成的氧化層。
所揭示的系統(tǒng)與方法，可在等離子體蝕刻室中原地實施。在此實施例中，原地鈍化操作可結(jié)合且在某些例子中可導(dǎo)入在等離子體蝕刻室中執(zhí)行的其它制造過程。以這種方式，在等離子體蝕刻室中的全部制造過程時間并未顯著改變。舉例來說，在一實施例中，鈍化操作需要約30秒，同時去夾頭操作則須要約60秒，因此，并未導(dǎo)致等離子體室的制造過程時間的增加。
可選擇的實施例包含移地制造過程，例如化學機械拋光清洗及漂洗操作后。舉例來說，基板經(jīng)過化學機械拋光操作，然后清洗及漂洗操作。然后，基板便可放置在可實施鈍化處理的等離子體反應(yīng)室，來還原在清洗及漂洗操作期間所形成的氧化層。倘若隨后的操作是可在等離子體室中發(fā)生的等離子體蝕刻或沉積操作，本實施例特別有用。
本發(fā)明額外的好處是新裸露層是活化的。此活化層曝露出導(dǎo)電材料的基材，以便進行導(dǎo)電材料的后續(xù)連接。圖2A為符合本發(fā)明一個實施例的銅基材200。氧化層204覆蓋著銅分子202的基材。氧化層204的厚度為數(shù)百至數(shù)千埃。圖2B為符合本發(fā)明一個實施例的鈍化銅基材200，在鈍化操作后，氧化層204基本上被還原，以便銅分子202的基材充分裸露出來。銅分子202基材具有略微粗糙的表面。該粗糙表面可增加對形成于銅分子裸露基材202之上的下一層的附著力。
鈍化操作包含在單一操作中曝露出新裸露的銅表面于氫氣化學品，以還原表面氧化物、鈍化表面及防止腐蝕。在等離子體條件下氫氣氣體或產(chǎn)生氫氣的其它氣體(例如氯化氫、甲烷及氨氣等)，可用于獲得所要的結(jié)果。此等離子體制造過程可用于各式各樣的等離子體反應(yīng)器，包括電感式或電容式耦合等離子體或微波反應(yīng)器。額外添加劑的氣體可包括但不局限于氬氣、氧氣及氮氣。
圖3A為符合本發(fā)明一個實施例的化學機械拋光制造過程的方法操作300流程圖。在操作305中，在基板上實施塊材移除或平坦化或其它化學機械拋光操作。舉例來說，化學機械拋光操作可用來移除例如用于鑲嵌或雙鑲嵌內(nèi)連線結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電材料的過載部分?；瘜W機械拋光操作曝露出導(dǎo)電內(nèi)連線?；瘜W機械拋光操作可以是任何類型，例如線性帶式、旋轉(zhuǎn)式、平面桌或下力式的化學機械拋光操作。
在操作310中，基板是用濕式操作來清洗的，例如去離子水漂洗或類似的清洗操作。濕式清洗操作從基板移除殘留的化學機械拋光的研磨漿液及化學機械拋光的副產(chǎn)物。該濕式清洗操作通?？杉{入化學機械拋光的過程工具或者在單獨過程工具或模組中。
在操作315中，將經(jīng)清洗的基板放置在處理室中。處理室可以是適用于等離子體操作的任一處理室。在一實施例中，處理室包括如下的一個處理室，其可讓所有內(nèi)部表面基本均勻地加熱到讓可能附著在處理室內(nèi)部表面的任何殘留物揮發(fā)所需溫度以上的溫度(例如約200至約400℃)。內(nèi)部表面包括基板所暴露的處理室的內(nèi)部表面。在一實施例中，處理室是一小容積的處理室，例如說明于2003年12月22日所提出申請的由本案申請人同時擁有且同在專利審查中的美國專利申請案10/744,355，其名稱為“具有熱內(nèi)部表面的小容積處理室”。小容積處理室有上電極及下電極，其間由約0.5至約5cm的距離所隔開。
在操作340中，鈍化裸露的導(dǎo)電內(nèi)連線結(jié)構(gòu)的表面。詳細的表面鈍化說明于圖4中。如圖3A中所說明的，表面鈍化操作340是從化學機械拋光操作305而來的移地操作。
圖3B為符合本發(fā)明一個實施例的蝕刻過程的方法操作320的流程圖。在操作325中，基板放置于適合等離子體操作的處理室。對于其它操作，基板也可放置于處理室之中。舉例而言，其它操作可包括例如等離子體蝕刻制造過程或沉積制造過程(例如化學氣相沉積)的操作。
在操作330之中，在處理室中將制造過程(例如等離子體蝕刻制造過程)施加于基板。制造過程是指可于處理室中實施的任一制造過程。在一實施例中，制造過程為無應(yīng)力等離子體蝕刻制造過程，例如說明于2003年3月14日所申請的美國專利申請案10/390,117，其名稱為“用于改善的全面雙鑲嵌平坦化的系統(tǒng)、方法與裝置”，及2003年3月14日申請的美國專利申請案10/390,520，其名稱為“用于改善的局部雙鑲嵌平坦化的系統(tǒng)、方法與裝置”中的過程。等離子體蝕刻制造過程會曝露出導(dǎo)電內(nèi)連線或元件的結(jié)構(gòu)。
在操作340之中，鈍化裸露導(dǎo)電內(nèi)連線結(jié)構(gòu)的表面。詳細的表面鈍化說明于下圖4中。如圖3B中所說明的，表面鈍化操作340是原地操作，其可在相同的處理室中作為前置或后續(xù)操作予以實施。
圖4為符合本發(fā)明一個實施例的鈍化處理的方法操作340流程圖。在操作405中，注入含氫的物種至等離子體室。等離子體室加熱到約75至約300℃。等離子體室的壓力介于約1至約100毫托。在一實施例中，氫氣是以約20至200sccm(標準立方厘米/分鐘)的流量速率注入。氫氣可以承載在流量速率為約20至2000sccm的惰性載體氣體(如氬氣)上。
在操作410中，等離子體是由含氫物種所形成。等離子體的高能量及相對高的溫度(例如75至300℃或更高)，可使在基板上的大多數(shù)殘留物質(zhì)(例如化學機械拋光殘留物或蝕刻劑殘留物)揮發(fā)。對于基板而言，所要的溫度區(qū)間為約200至約400℃。同樣地，在處理室內(nèi)部表面上的蝕刻劑殘留物也會揮發(fā)。對于處理室而言，所要的溫度區(qū)間為約200至約400℃。所揮發(fā)的殘留物質(zhì)可在下面的操作420中清除干凈。等離子體可于任一形式的等離子體室(如電感式、電容式等)中形成。舉例而言，在一示范性的電感式等離子體室，施加至上電極的能量為約500至約3000瓦。下電極所施加的能量在約0至約100瓦。同樣地，在電容式等離子體室，施加至下電極或上電極的系統(tǒng)能量，可介于約500至約5000瓦。射頻能量的供應(yīng)受單一或雙頻率的影響。
在操作415之中，氧化層被還原。舉例而言，氫氣等離子體造成氧化物表面層的氧原子與導(dǎo)電材料(如銅)離解，且和氫結(jié)合形成水分子。任何剩余的氫原子、從導(dǎo)電材料離解出來的任何氧原子，及所形成的水分子，可在下面的操作420之中清除干凈。氧化層的還原及殘留物質(zhì)的揮發(fā)，可于約15秒至約2分鐘內(nèi)完成。雖然沒指出最長時間，但大多數(shù)的氧化層的還原及殘留物質(zhì)的揮發(fā)，可在少于約2分鐘內(nèi)完成。在操作420之中，氧化物、氫氣、水蒸氣及揮發(fā)的殘留物質(zhì)，被從處理室清除干凈，從而該方法操作便結(jié)束。
舉例而言，在一實施例中將基板放入至電容式耦合等離子體蝕刻室。在大約20毫托的壓力下，等離子體蝕刻室加熱至約250℃。施加約1000瓦的能量至等離子體蝕刻室的上電極，而下電極則不施加能量。注入約100sccm的氫氣及大約100sccm的氬氣至等離子體蝕刻室，以產(chǎn)生含氫物種等離子體。將基板暴露于氫等離子體約60秒，以還原基板上表面中的氧化物。
雖然以銅元件及內(nèi)連線結(jié)構(gòu)的方式說明上述實施例，但實施例不局限于銅。磁性材料(鐵鎳、鐵鈷、AlO等)及電極材料(鉭、氮化鉭)鉑、銥等)的蝕刻，也可以類似的制造過程來實施。
將會進一步了解，任何一個以上的圖示中的操作所說明的指示，不須依照舉例說明的順序來實施；且由操作所說明的全部過程，也并非都是必須的。再者，說明于任何一個以上的圖示中的制造過程，也可用儲存在任一或組合的隨機存取存儲器、只讀存儲器或硬盤驅(qū)動器中的軟件來實施。
顯而易見，雖然前面的發(fā)明已部分詳細地說明，但在所附權(quán)利要求范圍內(nèi)，仍可做特定改變或修正。因此，本實施例可視為示范性的，而非限制性的；且本發(fā)明并不局限于此處所給的細節(jié)，在后附權(quán)利要求范圍內(nèi)仍可修改。
權(quán)利要求
1.一種裸露的導(dǎo)電材料的鈍化方法，包含將基板放置于處理室中；注入含氫物種至處理室；于處理室中形成含氫物種等離子體；由基板的上表面還原表面層物種；以及由處理室清除已還原的表面層物種。
2.如權(quán)利要求第1項的方法，其中該導(dǎo)電材料包括由含銅材料、元素銅、鐵鎳、鐵鈷、元素鎳、鈷、釕、AlO、鉭、氮化鉭、鉑及銥所組成的組中的至少一種。
3.如權(quán)利要求第1項的方法，其中該鈍化處理是原地實施的。
4.如權(quán)利要求第1項的方法，其中該鈍化處理是移地實施的。
5.如權(quán)利要求第1項的方法，其中該鈍化處理是在蝕刻制造過程中原地實施的。
6.如權(quán)利要求第5項的方法，其中該鈍化處理是在無應(yīng)力平坦化制造過程中原地實施的。
7.如權(quán)利要求第1項的方法，其中該鈍化處理是在化學機械拋光操作之后移地實施的。
8.如權(quán)利要求第1項的方法，其中該處理室的溫度介于約30至約400℃之間。
9.如權(quán)利要求第1項的方法，其中該處理室是小容積的等離子體室。
10.如權(quán)利要求第1項的方法，其中該處理室包括電感式耦合系統(tǒng)、ECR及微波能量系統(tǒng)中的至少一種。
11.如權(quán)利要求第1項的方法，其中該處理室的壓力介于約1至約500毫托之間。
12.如權(quán)利要求第1項的方法，其中該處理室為電容式耦合系統(tǒng)。
13.如權(quán)利要求第1項的方法，其中該含氫物種包括由氫氣、氯化氫、溴化氫、甲烷及氨氣所組成的組中的至少一種。
14.如權(quán)利要求第1項的方法，其中注入含氫物種包括注入載體氣體。
15.如權(quán)利要求第14項的方法，其中該載體氣體包括由氬氣、氮氣、氦氣、氖氣及氙氣所組成的組中的至少一種。
16.如權(quán)利要求第1項的方法，其中該表面層物種包括氧化物、鹵化物及氮化物中的至少一種。
17.如權(quán)利要求第1項的方法，其中用該含氫物種形成等離子體包括使在基板及處理室的內(nèi)壁至少之一上的殘留物揮發(fā)；且其中從處理室清除還原的表面層物種包括揮發(fā)的殘留物的清除。
18.如權(quán)利要求第1項的方法，其中，由基板的上表面還原表面層物種包括活化基板的上表面，以及粗糙化該上表面。
19.如權(quán)利要求第1項的方法，其中，該裸露的導(dǎo)電材料受到預(yù)定時間的鈍化，該預(yù)定時間足夠從基板的上表面還原所需量的該表面層物種。
20.如權(quán)利要求第1項的方法，其中該預(yù)定時間大于約15秒。
21.一種鈍化裸露的銅內(nèi)連線的方法，包括將基板放置于處理室中；注入含氫物種至處理室；于處理室中形成含氫物種等離子體；從裸露的銅內(nèi)連線的上表面來還原銅氧化物；以及從處理室清除已還原的銅氧化物。
22.如權(quán)利要求第21項的方法，其中處理室的多個內(nèi)表面中的每一個的溫度都等于或大約于250℃；其中處理室的多個內(nèi)表面的每一個皆暴露于基板。
23.一種在基板上實施非接觸平坦化的方法，包含將基板放置于處理室中；蝕刻基板；注入含氫物種至蝕刻處理室內(nèi)；在蝕刻處理室中形成含氫物種等離子體；從基板的上表面還原表面層物種；以及從處理室清除已還原的表面層物種。
全文摘要
一種鈍化裸露的導(dǎo)電材料的系統(tǒng)與方法，其包含放置基材至處理室及注入含氫物種至處理室。含氫物種等離子體在處理室內(nèi)形成。表面層物種從基板的上表面開始還原。從處理室清除已還原的表面層物種。
文檔編號H01L21/44GK1906753SQ200480041149
公開日2007年1月31日 申請日期2004年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月30日
發(fā)明者A·D·貝利三世, S·P·婁荷凱 申請人:蘭姆研究有限公司