移除氧化銅的技術(shù)的制作方法
【專利摘要】在此提供一種用于從半導(dǎo)體晶片的含銅與介電質(zhì)的結(jié)構(gòu)移除氧化銅的方法。所述含銅與介電質(zhì)的結(jié)構(gòu)可通過化學(xué)機(jī)械平坦化處理（CMP）平坦化，并且通過所述方法處理所述結(jié)構(gòu)而移除氧化銅與CMP殘余物。在氫氣（H2）與紫外線（UV）環(huán)境中的退火移除氧化銅，而脈沖式氨等離子體移除CMP殘余物。
【專利說明】移除氧化銅的技術(shù)
[0001]發(fā)明背景 發(fā)明領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明大體上關(guān)于用于在半導(dǎo)體制造期間移除氧化銅的方法。
[0003]相關(guān)技術(shù)描述
[0004]隨著器件尺寸持續(xù)縮小,層間介電(interlayer dielectric (ILD))膜的介電常數(shù) (k)持續(xù)減少。對(duì)于能夠持續(xù)減少特征結(jié)構(gòu)尺寸而言，盡量減少低介電常數(shù)(低k)膜上的集 成損傷是重要的。然而，隨著特征結(jié)構(gòu)尺寸縮小，在ILD膜的電阻電容及可靠度上的改良變 成嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
[0005]當(dāng)前移除氧化銅(CuO)與化學(xué)機(jī)械平坦化處理(CMP)殘余物的技術(shù)涉 及使用氨(NH3)等離子體或氫(H2)等離子體。為了改良金屬化結(jié)構(gòu)的電遷移 (electromigration(EM))以及ILD膜的時(shí)間相關(guān)的介電質(zhì)崩潰(time dependent dielectric breakdown (TDDB)),必須移除氧化銅以及CMP殘余物。而且，留下的氧化銅與 CMP殘余物可能減少對(duì)后續(xù)形成的層的粘著。然而，將低k膜暴露至NH3等離子體與H2等 離子體會(huì)修飾ILD膜而提高k值。
[0006]因此，需要一種新穎的用于移除氧化銅與CMP殘余物的方法，以盡量減少低k膜的 k值中的增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的實(shí)施例大體上提供用于移除氧化銅的方法。
[0008]在一個(gè)實(shí)施例中，提供一種處理含銅與介電質(zhì)的結(jié)構(gòu)的方法。所述含銅與介電質(zhì) 的結(jié)構(gòu)同時(shí)暴露至氫氣與紫外線(UV)輻射。所述含銅與介電質(zhì)的結(jié)構(gòu)也暴露至脈沖式氨 等離子體。
[0009]在另一實(shí)施例中，將含銅與介電質(zhì)的結(jié)構(gòu)同時(shí)暴露至氫氣(H2)與紫外線(UV)輻 射，此步驟是通過以下步驟實(shí)現(xiàn):將所述含銅與介電質(zhì)的結(jié)構(gòu)定位在第一處理腔室的第一 處理空間中；將所述氫氣流入所述第一處理空間；以及接合UV輻射源以將所述含銅與介電 質(zhì)的結(jié)構(gòu)暴露至所述UV輻射。也將所述含銅與介電質(zhì)的結(jié)構(gòu)暴露至脈沖式氨等離子體，此 步驟是通過以下步驟實(shí)現(xiàn):將所述含銅與介電質(zhì)的結(jié)構(gòu)定位在第二處理腔室的第二處理空 間中；使氨氣流進(jìn)所述第二處理空間；以及將RF功率耦合所述氨氣而形成所述脈沖式氨等 離子體。
[0010]附圖簡(jiǎn)述
[0011]藉由參考實(shí)施例(一些實(shí)施例圖示于附圖中)，可獲得在
【發(fā)明內(nèi)容】
中簡(jiǎn)要總結(jié)的本 發(fā)明的更特定的說明，而能詳細(xì)了解在
【發(fā)明內(nèi)容】
中記載的本發(fā)明的特征。然而應(yīng)注意附圖 僅圖示此發(fā)明的典型實(shí)施例，因而不應(yīng)將所述附圖視為限制本發(fā)明的范疇，因?yàn)楸景l(fā)明可 容許其他等效實(shí)施例。
[0012]圖1圖示器件結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例的剖面視圖。[0013]圖2是圖示本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施例的流程圖。
[0014]圖3A至圖3B圖示圖2所示的方法的各階段期間圖1的器件結(jié)構(gòu)的剖面視圖。
[0015]圖4A至圖4C圖示處理時(shí)間線的實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0016]本發(fā)明的實(shí)施例大體上提供用于在半導(dǎo)體制造期間移除氧化銅的方法。本發(fā)明 的實(shí)施例也提供用于移除在化學(xué)機(jī)械平坦化處理(CMP)期間形成的副產(chǎn)物的方法。此類副 產(chǎn)物包括在金屬化結(jié)構(gòu)上形成的氧化銅以及來自CMP工藝的殘余物，諸如電解質(zhì)漿料化合 物。
[0017]圖1圖示藉由CMP工藝平坦化之后的器件結(jié)構(gòu)100的一個(gè)實(shí)施例的剖面視圖。器 件結(jié)構(gòu)100可以是用于半導(dǎo)體芯片的互連結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)100大體上包括襯底101、層間介電質(zhì) (ILD) 102以及銅材料103，所述銅材料103形成于層間介電質(zhì)102的特征結(jié)構(gòu)107中。可 通過以下步驟建立結(jié)構(gòu)100:將層間介電質(zhì)102沉積至襯底101上成為連續(xù)層，蝕刻所述層 間介電質(zhì)102以在所述層間介電質(zhì)102中形成特征結(jié)構(gòu)107，沉積擴(kuò)散阻障物104至所述層 間介電質(zhì)102的特征結(jié)構(gòu)107中，以及沉積銅材料103至層間介電質(zhì)102的特征結(jié)構(gòu)107 中。層間介電質(zhì)102可以由低k材料形成，所述低k材料諸如為氧化硅、氧氮化硅、氧化硅 碳、氮化硅碳或其他適合的材料。層間介電質(zhì)102可具有5或更低的k值，諸如3或更低的 k值。銅材料103可以是高純度銅或銅合金，諸如銅鋁合金、銅錳合金或其他相關(guān)合金。擴(kuò) 散阻障物104可以由例如Ta/TaN、TiN/Ti或其他適合的材料形成。
[0018]過剩的銅材料可能沉積在層間介電質(zhì)102的特征結(jié)構(gòu)107之外。為了移除過剩的 銅材料且為了使結(jié)構(gòu)100的厚度均等，可使用CMP工藝。所述CMP工藝可引發(fā)氧化銅(CuO) 105形成在銅材料103的上部上。CMP工藝也可能在結(jié)構(gòu)100上留下殘余物106，舉例而言， 諸如來自CMP漿料的含碳化合物。氧化銅105與CMP殘余物106可能負(fù)面地影響銅材料 103的導(dǎo)電度以及結(jié)構(gòu)100上形成的后續(xù)層的粘著。
[0019]圖2是流程圖，所述圖圖示氧化銅與CMP殘余物移除方法200的一個(gè)實(shí)施例。圖 3A至圖3B圖示方法200的各階段期間器件結(jié)構(gòu)100的剖面視圖。所述方法200可用于移 除氧化銅與CMP殘余物，同時(shí)也盡量減少介電質(zhì)的k值的增加以及降低銅的Hillock效應(yīng)。
[0020]現(xiàn)在請(qǐng)參考圖1、圖2與圖3A，通過氫氣(H2)退火工藝處理結(jié)構(gòu)100，如方法200的 方塊201所示。可藉由將所述結(jié)構(gòu)100暴露至氫氣(H2)同時(shí)以紫外線(UV)輻射同時(shí)地加 熱所述結(jié)構(gòu)而施行所述氫退火工藝?？山逵善渌獠吭搭~外加熱所述結(jié)構(gòu)100。最初所述 結(jié)構(gòu)100可處于一溫度，所述溫度低于氫退火工藝的最優(yōu)溫度，這是由于從CMP處理區(qū)域轉(zhuǎn) 移到氫退火工藝區(qū)域的時(shí)間所致。施加UV輻射而快速地將襯底加熱到適當(dāng)?shù)臏囟龋鰷?度適于氫氣與氧化銅105的反應(yīng)。所述氫退火工藝可經(jīng)最優(yōu)化而用于移除氧化銅105。圖 3A圖示根據(jù)方法200的方塊201的工藝所處理之后的結(jié)構(gòu)100。
[0021]可在UV處理腔室中執(zhí)行氫退火工藝，所述腔室諸如為NANO⑶RE?腔室，所述腔室 與Producer? GT?系統(tǒng)或Producer? SE系統(tǒng)稱接,所述系統(tǒng)可購自位在美國(guó)加州圣克拉 拉市的應(yīng)用材料公司。在一個(gè)實(shí)施例中，將結(jié)構(gòu)100定位在處理腔室的處理空間中?？呻S后 使氫氣流進(jìn)所述處理空間，且可接合UV輻射源，以將所述結(jié)構(gòu)100暴露至UV輻射與氫氣。
[0022]對(duì)于300mm直徑的襯底而言,可在以下條件中施行氫退火工藝:2Torr至IOTorr之間的腔室壓力(諸如7.5Torr)、200°C至400°C之間的襯底溫度(諸如350°C )、1000W/m2至 2000W/m2之間的UV照射功率、200nm至400nm之間的UV波長(zhǎng)(諸如360nm)、IOOOsccm至
10,OOOsccm之間的氫氣流速(諸如4000sccm)以及I秒至60秒之間的退火處理時(shí)間(諸如 15秒)。氫退火工藝的退火處理時(shí)間界定為襯底主動(dòng)受到氫氣與UV輻射處理的時(shí)間。氫退 火工藝也可預(yù)熱結(jié)構(gòu)100以供后續(xù)處理。上文所述的氫退火工藝移除氧化銅105同時(shí)不顯 著提高層間介電質(zhì)102的k值。
[0023]現(xiàn)在請(qǐng)參考圖2與圖3B，結(jié)構(gòu)100受到脈沖式氨(NH3)等離子體處理，如方法200 的方塊202所示?？山逵蓪⑸漕l(RF)功率耦合至氨氣而建立氨等離子體。所述RF功率可 以感應(yīng)式或電容式地耦合至氨氣?？芍鲃?dòng)脈沖輸入所述等離子體(即反復(fù)地引燃與熄滅所 述等離子體)以處理結(jié)構(gòu)100。所述脈沖式氨等離子體可經(jīng)最優(yōu)化以移除CMP殘余物106， 但也可移除方法200的方塊201的工藝期間未移除的氧化銅。圖3B圖示根據(jù)方法200的 方塊202所處理之后的結(jié)構(gòu)100。
[0024]可在等離子體處理腔室中施行所述脈沖式氨等離子體工藝，所述腔室諸如為 Producer? BL0K?PECVD 腔室，所述腔室稱接至 Producer? GT? 系統(tǒng)或 Producer? SE 系 統(tǒng)，所述系統(tǒng)可購自美國(guó)加州圣克拉拉市的應(yīng)用材料公司。在一個(gè)實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)100可定 位在處理腔室的處理空間中。然后，可使氨氣流入處理空間，且可將RF電源耦合至氨氣以 形成脈沖式氨等離子體，而將結(jié)構(gòu)100暴露至所述脈沖式氨等離子體。
[0025]對(duì)于300mm直徑的襯底而言，可在以下條件中施行脈沖式氨等離子體工藝:2Torr 至4Torr之間的腔室壓力(諸如2.6Torr)、200°C至400°C之間的襯底溫度(諸如350°C)、 300W至1000W之間的RF功率(諸如550W)、300kHz至15MHz之間的RF功率頻率(諸如
13.5611取)、10008(3011至30008(3011之間的氨氣流速(諸如25008(3011)、1泡至50詘2之間的的 脈沖頻率(諸如200Hz)、I秒至400秒之間的等離子體處理時(shí)間(諸如20秒)以及1%至100% 之間的占空比(諸如20%)。在一個(gè)實(shí)施例中，氨氣可與氮(N2)載氣混合。可用lOOOsccm至
10,OOOsccm之間的流速(諸如1500sccm)供應(yīng)氮?dú)?。脈沖頻率定義為氨等離子體受到脈沖 (例如引燃與熄滅)的頻率。脈沖式氨工藝的等離子體處理時(shí)間界定為結(jié)構(gòu)100受到處理的 總時(shí)間，而占空比則界定了在等離子體處理時(shí)間內(nèi)主動(dòng)脈沖輸入氨等離子體的總時(shí)間。發(fā) 明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，短暫的脈沖式氨等離子體時(shí)間(諸如4秒)可有效地移除CMP殘余物，同時(shí)盡 量減少層間介電質(zhì)102的k值的增加。
[0026]參考圖4A至圖4C，可在20%的占空比下處理結(jié)構(gòu)100達(dá)20秒的處理時(shí)間，此舉意 味在20秒的處理時(shí)距(time span)內(nèi)主動(dòng)脈沖氨等離子體達(dá)總計(jì)4秒。一個(gè)實(shí)施例中，可 脈沖氨等離子體I秒，且關(guān)掉達(dá)4秒，隨后可重復(fù)此模式直到達(dá)成20秒的總處理時(shí)間為止， 如圖4A的工藝時(shí)間線400所示?？傊鲃?dòng)脈沖時(shí)間可均等地分成幾個(gè)部分，所述部分可均等 地分配在處理時(shí)間內(nèi)?？傊鲃?dòng)脈沖時(shí)間可分成不均等的幾個(gè)部分及/或非均等地分配在處 理時(shí)間內(nèi)?？倳r(shí)間可分成介于2個(gè)至50000個(gè)之間的數(shù)個(gè)部分，諸如在工藝時(shí)間線400中所 示的4個(gè)部分。另一實(shí)施例中，可脈沖氨等離子體八次，每次0.5秒，如圖4B中的工藝時(shí)間 線410所示。又一實(shí)施例中，可按照非均勻分布的模式來脈沖氨等離子體，如圖4C中的工藝 時(shí)間線420所示。不應(yīng)將本發(fā)明限制在上文所述的實(shí)施例中，因?yàn)樘幚頃r(shí)間范圍、占空比與 工藝時(shí)間線有許多可能。就此而言，可進(jìn)一步調(diào)整脈沖式氨等離子體工藝以增長(zhǎng)或縮短處 理時(shí)間，以為了例如適應(yīng)其他用于形成結(jié)構(gòu)100的工藝或其他后續(xù)工藝的時(shí)序(timing)。[0027]在一個(gè)實(shí)施例中，在方法200的方塊201的工藝之前執(zhí)行方法200的方塊202的工藝。
[0028]在一個(gè)實(shí)施例中，可在分開的處理腔室中施行方法200的方塊201與方塊202的 工藝?；蛘?，可在相同的處理腔室中施行方法200的方塊201與方塊202的工藝。能夠執(zhí)行 方法200的方塊201與方塊202的工藝的處理腔室可包括UV輻射源與RF電源二者。舉例 而言，所述腔室可包括由鋁制成的腔室主體以及形成在所述腔室主體一側(cè)上的石英窗。所 述腔室主體與石英窗界定處理空間，且襯底支撐底座可被配置在處理空間內(nèi)側(cè)與石英窗相 對(duì)處?？蓪V燈配置在處理空間外側(cè)并且使所述UV燈面向石英窗與襯底支撐底座。RF天 線可旋繞(coil)在腔室主體外側(cè)周圍，并且耦接RF電源。旋繞的天線可定位在襯底支撐 底座與石英窗之間。氣體面板可耦接腔室且經(jīng)配置以供應(yīng)處理氣體至處理空間，所述處理 氣體為諸如上文所述方法200的方塊201與方塊202的工藝所需的氣體。
[0029]往回參考圖1與圖3A至圖3B，一旦氧化銅105與CMP殘余物106已從結(jié)構(gòu)100移 除，可執(zhí)行進(jìn)一步的處理以形成額外的層或結(jié)構(gòu)于結(jié)構(gòu)100上。例如，可將諸如BLOk? (可 購自美國(guó)加州圣克拉拉市的應(yīng)用材料公司)的銅擴(kuò)散阻障層形成于結(jié)構(gòu)100上。
[0030]方法200有效移除氧化銅與其CMP殘余物，同時(shí)盡量減少介電材料k值的增加。 [0031 ] 前述內(nèi)容涉及本發(fā)明的實(shí)施例，可不背離本發(fā)明的基本范疇而設(shè)計(jì)本發(fā)明的其他 及進(jìn)一步的實(shí)施例，而本發(fā)明的范疇由所附權(quán)利要求書所決定。
【權(quán)利要求】
1.一種從含銅與介電質(zhì)的結(jié)構(gòu)移除氧化銅的方法，包括以下步驟:將所述含銅與介電質(zhì)的結(jié)構(gòu)同時(shí)暴露至氫氣(H2)與紫外線(UV)輻射；以及將所述含銅與介電質(zhì)的結(jié)構(gòu)暴露至脈沖式氨等離子體。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中將所述含銅與介電質(zhì)的結(jié)構(gòu)同時(shí)暴露至所述氫氣與紫外線輻射的步驟包括以下步驟:將所述含銅與介電質(zhì)的結(jié)構(gòu)定位在處理腔室的處理空間中；將所述氫氣流入所述處理空間；以及接合UV輻射源以將所述含銅與介電質(zhì)的結(jié)構(gòu)暴露至所述UV輻射。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中將所述含銅與介電質(zhì)的結(jié)構(gòu)同時(shí)暴露至所述氫氣與紫外線輻射是通過使用以下條件所施行:2T0rr至IOTorr之間的腔室壓力、介于200°C至 400°C之間的襯底溫度、1000W/m2至2000W/m2之間的UV照射功率、200nm至400nm之間的UV 波長(zhǎng)、1000sccm至10，OOOsccm之間的氫氣流速以及I秒至60秒之間的退火處理時(shí)間。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中將所述含銅與介電質(zhì)的結(jié)構(gòu)暴露至所述脈沖式氨等離子體的步驟包括以下步驟:將所述含銅與介電質(zhì)的結(jié)構(gòu)定位在處理腔室的處理空間中；將氨氣流入所述處理空間；以及從所述氨氣形成所述脈沖式氨等離子體。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述脈沖式氨等離子體是通過將RF功率耦合至所述氨氣所形成，且其中將所述含銅與介電質(zhì)的結(jié)構(gòu)暴露至所述脈沖式氨等離子體是通過以下條件所施行:2Torr至4Torr之間的腔室壓力、200°C至400°C的襯底溫度、300W至1000W 之間的RF功率、300kHz至15MHz之間的RF功 率頻率、1000sccm至3000sccm之間的氨氣流速、IHz至50kHz之間的脈沖頻率。
6.一種從含銅與介電質(zhì)的結(jié) 構(gòu)移除氧化銅的方法，包括以下步驟: 將所述含銅與介電質(zhì)的結(jié)構(gòu)同時(shí)暴露至氫氣(H2)與紫外線(UV)輻射，包括以下步驟: 將所述含銅與介電質(zhì)的結(jié)構(gòu)定位在第一處理腔室的第一處理空間中；將所述氫氣流入所述第一處理空間；以及接合UV輻射源以將所述含銅與介電質(zhì)的結(jié)構(gòu)暴露至所述UV輻射；以及將所述含銅與介電質(zhì)的結(jié)構(gòu)暴露至脈沖式氨等離子體，包括以下步驟:將所述含銅與介電質(zhì)的結(jié)構(gòu)定位在第二處理腔室的第二處理空間中；將氨氣流入所述第二處理空間；以及從所述氨氣形成所述脈沖式氨等離子體。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中在所述第一處理空間中將所述含銅與介電質(zhì)的結(jié)構(gòu)同時(shí)暴露至所述氫氣與紫外線輻射是通過使用以下條件所施行:2T0rr至IOTorr之間的腔室壓力、200 V至400 V之間的襯底溫度、1000ff/m2至2000W/m2之間的UV照射功率、200nm至 400nm之間的UV波長(zhǎng)、1000sccm至10，OOOsccm之間的氫氣流速以及I秒至60秒之間的退火處理時(shí)間。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述脈沖式氨等離子體是通過將RF功率耦合至所述氨氣所形成，且其中在所述第二處理空間中將所述含銅與介電質(zhì)的結(jié)構(gòu)暴露至所述脈沖式氨等離子體是通過以下條件所施行:2Torr至4Torr之間的腔室壓力、200°C至400°C的襯底溫度、300W至1000W之間的RF功率、300kHz至15MHz之間的RF功率頻率、1000sccm至 3000sccm之間的氨氣流速、IHz至50kHz的脈沖頻率。
9.如權(quán)利要求1或6所述的方法，其中將所述含銅與介電質(zhì)的結(jié)構(gòu)暴露至所述脈沖式氨等離子體發(fā)生在處理時(shí)間期間，且其中所述含銅與介電質(zhì)的結(jié)構(gòu)暴露至所述脈沖式氨等離子體達(dá)一總時(shí)間，所述總時(shí)間是所述處理時(shí)間的百分比，所述處理時(shí)間的百分比是由占空比所界定。
10.一種從含銅與介電質(zhì)的結(jié)構(gòu)移除氧化銅的方法，包括以下步驟:在退火處理時(shí)間期間，將所述含銅與介電質(zhì)的結(jié)構(gòu)同時(shí)暴露至氫氣(H2)與紫外線(UV) 輻射；以及在等離子體處理時(shí)間期間，將所述含銅與介電質(zhì)的結(jié)構(gòu)暴露至脈沖式氨等離子體，其中所述含銅與介電質(zhì)的結(jié)構(gòu)暴露至所述脈沖式氨等離子體達(dá)一總時(shí)間，所述總時(shí)間是由占空比所界定的所述處理時(shí)間的百分比，且其中所述總時(shí)間被分成數(shù)個(gè)部分，所述數(shù)個(gè)部分分布在所述等離子體處理時(shí)間內(nèi)。
11.如權(quán)利要求9或10所述的方法，其中所述處理時(shí)間介于10秒至60秒之間，且其中所述占空比介于5%至50%之間。
12.如權(quán)利要求9或10所述的方法，其中所述總時(shí)間被均等地分成數(shù)個(gè)部分，所述數(shù)個(gè)部分為2個(gè)至50000個(gè)部分之間，且其中所述數(shù)個(gè)部分均等地分布在所述處理時(shí)間內(nèi)。
13.如以上權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中在將所述含銅與介電質(zhì)的結(jié)構(gòu)暴露至所述脈沖式氨等離子體之前，將所述含銅與介電質(zhì)的結(jié)構(gòu)同時(shí)暴露至所述氫氣與UV輻射。
14.如以上權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中將所述含銅與介電質(zhì)的結(jié)構(gòu)暴露至所述脈沖式氨等離子體的步驟還包括以下步驟:將氮(N2)載氣流入所述脈沖式氨等離子體。
15.如以上權(quán)利要求中的任一`項(xiàng)所述的方法，還包括在所述含銅與介電質(zhì)的結(jié)構(gòu)上形成擴(kuò)散阻障層。
【文檔編號(hào)】H01L21/3065GK103503120SQ201280021915
【公開日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2012年4月27日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月10日
【發(fā)明者】W·葉, V·恩古耶, 石美儀, M·巴爾塞努, 夏立群, D·R·威蒂 申請(qǐng)人:應(yīng)用材料公司