铜导线的无电镀方法 【技术领域】
本发明是关于一种铜导线的表面处理方法，特别是关于一种铜导线的无电镀(electroless plating)方法。
背景技术
随着集成电路的线宽尺寸的微小化趋势，特别是0.25微米，乃至于0.13微米以下，元件的运算速度明显受到金属导线所造成的电阻电容延迟时间(Resistance Capacitance Delay Time；RC Delay Time)的影响，以致于降低其运算速度。因此，面对目前集成度(Integration)更高的电路设计，除了必须采用具有更低电阻的金属材料，例如电阻值约为1.67微欧姆-公分的铜(Cu)，来取代传统所采用的电阻值约为2.66微欧姆-公分的铝，还必须搭配低介电常数的介电材料来构成多层金属导线，以改善RC延迟的现象。
由于铜具有低电阻的特性，故以铜为导线的元件可承受更密集的电路排列。所以铜金属导线的使用，不仅可大幅缩减金属层的数目，降低生产成本，还可提升元件的运算速度。铜具有较高的抗电致迁移(Electro-migration)的能力，因此，以铜为导线地元件还具有更长的寿命及较佳的稳定性等优点。
但是，由于铜金属无法使用传统的干式蚀刻技术来进行导线布植，因此大部分采用镶嵌(Damascene)工艺技术来进行铜导线的制作。目前较常使用的铜处理工艺为一种可以同时形成介层窗插塞及金属导线的技术，称之为双重金属镶嵌(Dual Damascene)工艺。
但是，铜金属的一些化学性质，却也限制了铜在集成电路上的发展。举例来说，铜原子具有快速的扩散性，所以在电场的加速下，铜原子能穿透介电层而快速的扩散，尤其是一旦铜原子扩散至硅基材中，将造成元件的特性退化与失效。因此，在铜金属层形成前，需要先形成防止铜和氧化层或硅层接触的阻障层(Barrier Layer)，以避免产生铜扩散的问题。阻障层的另一项作用是用来提升金属与其它材质的附着力。一般阻障层材料可分为金属阻障材料以及介电阻障层材料等，常见的阻障层材料，例如有钽(Ta)、氮化钽(TaN)、氮化钛(TiN)等等。
在双重金属镶嵌结构的铜导线加工中，由于铜导线的上表面不具有阻障层。因此，在铜金属与介电蚀刻终止层的界面上，不仅铜金属易形成多孔性的氧化铜，且易造成快速的铜原子扩散。不仅造成集成电路严重的可靠度的问题，更降低了导电稳定性，且影响集成电路元件的品质。
因此，如何能有效防止铜原子的扩散与氧化，有赖于提高铜导线表面的扩散能(Diffusion Energy)，不仅可以降低铜表面氧化与铜原子扩散的问题，更提高集成电路的稳定性。而且还可进一步提高集成电路的产品可靠度，成为集成电路的使用者与制造者所企盼的。
【发明内容】
鉴于上述的发明背景中，由于双重金属镶嵌工艺的铜导线的上表面，因不具有覆盖于其上的阻障层，以致于造成集成电路严重的可靠度的问题，不仅降低了导电性能，更影响集成电路元件的品质。
本发明的目的之一在于提供一种铜导线的表面处理，以防止铜导线表面形成氧化铜，而造成铜原子扩散的问题。
本发明的另一目的在于提供一种铜导线的无电镀(electroless plating)方法，以提高铜导线表面的铜原子扩散能。
本发明的又一目的在于提供一种铜导线的无电镀方法，可选择性地在铜导线的表面无电镀一金属薄膜，并进一步加热，使其与铜形成一合金层。
根据上述目的，本发明提供一种形成半导体基材结构的方法。此方法包含下列步骤：首先，提供一具有若干个导电区域与若干个非导电区域的基材；接着，在导电区域的表面覆盖金属薄膜；然后，清洁基材的表面。此方法还包含将金属薄膜进行热处理，使金属薄膜与导电区域的金属材质形成合金层的步骤。
其中，上述的在导电区域的表面覆盖金属薄膜是利用无电镀金属薄膜的方法来进行，而导电区域由铜导线构成。无电镀金属薄膜的方法是将基材浸入一预定的化学溶液中，以便在预定区域上形成金属薄膜。一般而言，此方法可使用如无电镀镍(Nickel；Ni)、无电镀钯(Palladium；Pd)或者无电镀钴(Cobalt；Co)等方式进行。
此无电镀(electroless plating)方法特别合适于使用在半导体基材的铜导线上，其可在铜导线表面自然形成金属薄膜，有效隔离铜导线与介电蚀刻终止层的界面。有效提高铜导线的表面扩散能，降低铜导线表面氧化的机率，使集成电路的可靠度因而提高。且热处理后的铜导线与镍金属薄膜形成镍铜合金层。所以，本发明的铜导线的无电镀方法可有效改善铜导线的抗电致迁移，应力迁移(Stress Migration；SM)与依时介电崩溃(Time Dependent DielectricBreakdown；TDDB)等特性。
采用本发明的优点在于：本发明有效利用无电镀镍或无电镀其它金属，提高铜导线的表面扩散能，从而有效隔离铜导线与介电蚀刻终止层。不仅使集成电路的可靠度因而提高，且更进一步的进行热处理，使铜导线表面与镍金属薄膜形成镍铜合金层。本发明有效改善铜导线表面的特性，使抗电致迁移，应力迁移与依时介电崩溃等特性均获得有效改善。
【附图说明】
为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，特举优选实施例，并配合下列附图做更详细说明，其中：
图1为一流程示意图，以便用来说明本发明的铜导线的无电镀方法。
【具体实施方式】
本发明提供一种铜导线的表面处理的方法，提高铜导线的表面扩散能，以改善铜导线表面氧化问题，不仅提高集成电路的操作稳定性，还可进一步提高集成电路产品的可靠度。以下将以图标及详细说明清楚说明本发明的构思，如本技术领域的普通技术人员在了解本发明的优选实施例后，应当可由本发明所揭示的技术加以变化及修改，但这并不脱离本发明的构思与范围。
图1所示为一流程示意图，用来说明本发明的铜导线的无电镀方法。步骤110，首先提供一基材，此基材上具有导电区域与非导电区域，例如导电区域为铜导线的上表面，而非导电区域则为围绕于铜导线周围的介电材料等。
步骤120，为选择性地在此基材上的导电区域形成金属薄膜。例如使用无电镀的方法在此导电区域上形成金属薄膜。无电镀的方法是将基材浸入预定的化学溶液中，以进行化学反应，使自然形成金属薄膜于导电区域上。举例而言，在上述的铜导线的上表面，以无电镀的方法，形成镍(Nickel；Ni)金属薄膜，其厚度约为200埃(Angstrom)至1000埃，较佳的为500埃。以下提供一范例数据，如表一中的数据，以说明在铜导线上使用无电镀镍，进而形成镍金属薄膜的详细数据资料，此范例数据仅用来说明本发明的实施方式，而非用来限定本发明的构思与范围。
表一：使用于铜导线的无电镀镍的化学溶液的化学成分参考数据 硫酸镍(NiSO4.6H2O) 20克/升 琥珀酸钠(Sodium Succinate) 6克/升 次磷酸钠(NaH2PO2.H2O) 27克/升
当使用表一中的化学溶液进行铜导线的无电镀镍时，首先将化学溶液的pH调整至4，并在处理过程中维持工作温度为88±1℃。
由于无电镀的方法会自然在导电区域形成无电镀金属薄膜，而在非导线区域并不会形成此金属薄膜，故十分合适于在具有部分导电区域与部分非导电区域的半导体基材上进行加工。本发明并不限定使用于无电镀镍，也可使用钴(Cobalt；Co)，或者是钯(Palladium；Pd)金属的无电镀方法，或者其它在上述基材的导电区域形成金属薄膜的方法，这均不脱离本发明的构思与范围。
步骤130，在完成导电区域的金属薄膜附着后，清洗基材表面。步骤140，则再将此基材进行热处理，更进一步的使此金属薄膜与导电区域的金属表面形成合金层，例如将镍金属与铜金属以约400摄氏度加热30分钟至60分钟后，以形成一镍铜合金层，而镍铜合金则具有优越的耐蚀性与耐热性。
如本技术领域的普通技术人员所了解的，以上所述仅为本发明的优选实用例而已，并非用来限定本发明的权利要求范围。凡是其它未脱离本发明所揭示的构思下所完成的等效变化或修改，均应包含在所附的权利要求范围内。