可改善铜金属层结构的表面处理方法 【技术领域】
本发明涉及一种半导体(semiconductor)集成电路(integrated circuits；ICs)制程技术，特别是涉及一种可改善铜金属层结构的表面处理方法，该方法适用于镶嵌式铜导线(damascene copper line)制程，能够使得铜金属结构更加完整与致密，藉以解决形成于铜导线内部的缺陷(defects)问题。
背景技术
在集成电路的技术上，为了提高组件的积集度以及数据传输速度，制程技术已由次微米(sub-micron)进入了四分之一微米(quarter-micron)甚至更细微尺寸的范围。然而，当线宽愈来愈小，铝导线已无法满足对速度的要求，因此，以具有高导电性、低电迁移(electromigration)的铜金属做为导线，以降低RC延迟(RC delay)，成为目前的趋势。
但是，铜金属无法以干蚀刻的方式来定义图案，因为铜金属与氯气等离子体气体反应生成的氯化铜(CuCl2)的沸点极高(约1500℃)，因此铜导线的制作需以镶嵌(damascene)制程来进行。镶嵌(damascene)式制程是指在介电层中形成适当图案的沟槽(trench)(例如内联机、介层窗via hole或结合上述两者的结构)，然后以电镀法(electroplating；ECP)在其中填入铜金属。
以下利用图1A～图1C所示的形成镶嵌式铜导线的制程剖面图，说明传统的一种制作技术。
首先，请参照图1A，该图的符号10代表半导体基底10。在该半导体基底10上形成介电层12，例如是以化学气相沉积法(CVD)形成的氧化硅层，或是低介电常数的有机聚合物材料层。接着以微影和蚀刻程序，在介电层12内的既定位置形成一沟槽14，以供后续制作铜导线之用。
其次，请参照图1B，然后采用溅镀法(sputtering)，利用一多腔反应室(cluster chamber)依序在沟槽14中及介电层12的接连表面形成一顺应性的扩散阻障层(diffusion barrier layer)16及铜晶种层18。
然后，请参照图1C，接着施行一电镀(electroplating)程序，以形成一铜金属层20填满于沟槽14内及介电层12的表面。
然而，该传统制作技术中从完成铜晶种层的溅镀到上述电镀程序地施行间会相距有一排队时间(queue time；Q time)，该排队时间通常限制在4小时之内。
倘若上述排队时间超过4小时，将会发现如图1C中所示的邻近于铜晶种层18表面的缺陷(defects)30，此缺陷30可能以紧邻于铜晶种层18的空洞(voids)或位于铜金属层中的缝隙(seam)等型态存在。而形成该缺陷的原因之一是由于过长的排队时间所造成，在上述铜晶种层中部分区域由于受到无尘室环境中的湿气(moisture)或微尘(particle)影响而造成该部分内的铜晶种的钝化(inactivated)，并在后续电镀程序中无法继续形成铜金属层，进而形成上述具有孔洞或缝隙等缺陷的不完整铜金属层结构，且上述缺陷将会影响整体铜金属层的电性表现(reliability)及整体接触电阻(contact resistance；Rc)的表现。
此外，上述介于铜晶种层的溅镀与后续电镀程序的排队时间也限制了溅镀机台(sputter)及铜电镀机台(ECP tool)间的产能发挥，生产线人员需预先评估铜电镀机台的制程状况才得以令溅镀机台进行阻障金属层与铜晶种层的溅镀程序，并且需考量备份(back up)的电镀机台以防铜电镀机台的意外状况出现(如测机未过、机台警报或机台故障等状况)，并尽量维持此连续两道制程间的存货为接近无存货的状态，以减少因上述异常状况所造成超过排队时间(Q-time over)的异常货，以避免造成产品损失。
【发明内容】
有鉴于此，本发明的主要目的就是提供一种表面处理方法，其适用于镶嵌式铜金属制程，具有活化制程中铜晶种层的功效，可改善电镀程序所形成的铜金属层结构，以提升铜金属层的电性表现及改善其整体的接触电阻表现。
为达上述目的，本发明提供了一种可改善铜金属层结构的表面处理方法，包括下列步骤：
(a)提供一表面具有介电层的半导体基底，且所述介电层形成有一沟槽；(b)于所述介电层表面及沟槽表面依序形成一顺应性的阻障金属层及铜晶种层；(c)施行一旋转喷洒(spin spray)程序，在所述铜晶种层表面形成一液态活化层以活化所述铜晶种层表面；以及(d)施行一电镀程序，以在所述铜晶种层表面形成一铜金属层并填满所述沟槽。
通过上述步骤，本发明便可改善所形成的铜金属层结构，减少铜金属层内部缺陷的出现。
此外，在上述步骤(b)至步骤(c)之间，还可进一步包括一介于4小时～4天的较长的排队时间。
具体实施时，本发明中所述旋转喷洒程序包括下列步骤：对所述铜晶种层旋转喷洒一液态化学品，以每分钟90～250转(rpm)的转速旋转所述半导体基底2～60秒，并在其表面的铜晶种层表面上同时喷洒所述液态化学品以形成一活化层，而此活化层为一液态活化层。
再者，上述旋转喷洒程序更可包括下列步骤：对所述半导体基底进行一旋干程序，以介于每分钟250～1200转(rpm)的转速旋转所述半导体基底3～40秒，移除部分的所述液态化学品以均匀化所述活化层。
其中，所述液态化学品可选自去离子水(DI water)或湿润剂(wettingagent)或表面活性剂(surfactant)或其混合物。本发明的湿润剂可采用聚乙二醇(PEG)或聚丙二醇(PPG)，表面活性剂可采用聚丙烯甘油酯(Polypropylene Glycol Ester)或聚乙烯甘油酯(Polyethylene Glycol Ester)。
简而言之，本发明提供的可改善铜金属层结构的表面处理方法，包括下列步骤：(a)提供一表面具有介电层的半导体基底，且所述介电层形成有一沟槽；(b)在所述介电层表面及沟槽表面依序形成一顺应性的阻障金属层及铜晶种层；(c)在上述铜晶种层表面形成一液态活化层以活化所述铜晶种层表面；以及(d)施行一电镀程序，以在所述铜晶种层表面形成一铜金属层并填满所述沟槽。
本发明中所述活化层至少包括一去离子水层、一湿润剂层或一表面活性剂层。其中湿润剂层的材质可选自聚乙二醇或聚丙二醇，表面活性剂层的材质可选自聚丙烯甘油酯或聚乙烯甘油酯。
由于本发明的可改善铜金属层结构的表面处理方法关键是施行于铜晶种层形成后，在活化铜晶种层表面后，再接着继续执行铜电镀程序，具有延长铜晶种层的溅镀与电镀程序间的排队时间的功效，可有效减少因超过排队时间形成在邻近铜晶种层表面的空洞或位于铜金属层中的缝隙等型态的内部缺陷，以提升铜金属层的电性表现及改善其整体的接触电阻表现，同时也提升了溅镀机台及铜电镀机台间的产能发挥。
再者，本发明的表面处理方法，可藉由在线既有使用的机台或稍作改良即可实施，没有必要添购新机台，本发明确实是改善电镀程序形成的铜金属层结构方法的最佳选择。
为让本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，现列举一优选实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：
【附图说明】
图1A～图1C为传统技术中镶嵌式铜导线的制程剖面示意图。
图2为本发明的可改善铜金属层结构的表面处理方法的步骤流程图。
图3为本发明所使用的旋转喷洒器具的图标示意图。
图4为传统镶嵌式铜金属层的聚焦式离子束显微镜(focus ion beam；FIB)影像示意图。
图5为本发明的镶嵌式铜金属层的聚焦式离子束显微镜影像示意图。
图中符号说明：
10、100～半导体基底 14～沟槽 16～扩散阻障层
18～晶种层 20～金属层 30～缺陷
120～活化层 130～喷嘴 140～液态化学品
200～旋转器 220～旋转方向
【具体实施方式】
本发明的实施例将配合图2至图5作一详细叙述如下。
首先如图2所示，为本发明的可改善铜金属层结构的表面处理方法的步骤流程。首先执行步骤S100，提供一表面具有介电层的半导体基底，且上述介电层内形成有至少一沟槽，接着执行步骤S200，采用如物理气相沉积法(physical vapor deposition；PVD)中的溅镀法(sputtering)，于一多腔反应室(cluster chamber)中在不破真空状态下在沟槽表面及介电层的表面依序形成顺应性的阻障金属层(metal barrier layer)及铜晶种层，所述金属阻障层的作用是为了防止后续沉积的铜金属的氧化与扩散，其可择自下列至少一种金属如钽(Ta)、钛(Ti)、钨(W)，或上述金属的氮化物如氮化钽(TaN)、氮化钛(TiN)、氮化钨(WN)。
接着，执行步骤S300，以说明本发明的重点，采用如图3所示的旋转喷洒器具施行一旋转喷洒程序，在前述的铜晶种层表面形成一活化层以活化上述铜晶种层表面。而此旋转喷洒程序是利用如图3中的具有真空吸附系统的旋转器200以吸附具有上述铜晶种层的半导体基底100，并以介于每分钟90～250转(rpm)的转速依一适当的旋转方向220旋转(spin)上述半导体基底约2～60秒，在本实施例中旋转方向220以逆时针方向为例，但本发明并不限制其实际的旋转方向，并同时藉由喷嘴130在所述半导体基底100表面的铜晶种层上喷洒(spray)一液态化学品140，而在半导体基底100表面的铜晶种层上形成一活化层120。
上述具有真空吸附系统的旋转器200，可为在线既有使用的机台(例如AMAT的ECPTM或Novellus的SabreTM)或其稍作改良即可胜任，没有添购新机台的必要。
在上述旋转喷洒程序中所形成的活化层为一液态活化层，所使用液态化学品可个别地选自于去离子水、湿润剂、表面活性剂或选自于上述化学品的适当混合物，分别形成相应的去离子水层、湿润剂层、表面活性剂层或混合层。其中优选的湿润剂层的材质选自聚乙二醇或聚丙二醇，而优选的表面活性剂层的材质则选自聚丙烯甘油酯或聚乙烯甘油酯。
再者，可视实际状况，在上述旋转喷洒程序中继续执行一旋干(spindry)程序，其步骤包括：利用旋转器200，以介于每分钟250～1200转(rpm)的转速旋转半导体基底3～40秒，以移除半导体基底100上的部分液态化学品并适度地均匀化(uniform)所述活化层120。
然后，执行步骤S400，施行一电镀程序，形成铜金属层并填满上述沟槽内及介电层的表面，并藉由一洁净程序以清洗所形成铜金属结构后而完成此镶嵌式铜金属制程，在上述制程流程中施行本发明的表面处理方法将可改善所形成的铜金属层结构，减少铜金属层内部缺陷的出现。
在此，利用本发明的表面处理方法仅需在步骤S200(形成阻障金属层及铜晶种层)完成后，在执行步骤S400(形成铜金属层)前施行本发明重点的步骤S300(施行旋转喷洒程序)，即可达到活化铜晶种层的功效，具有延长传统制作技术中完成铜晶种层的溅镀到施行后续铜电镀程序间相距的排队时间的功效，可减少因超过排队时间形成在邻近铜晶种层表面的空洞(voids)或位于铜金属层中的缝隙(seam)等型态的内部缺陷(defects)。
再者，本发明中的旋转喷洒(spin spray)程序，藉由喷洒适当的液态化学品及配合适当的旋转条件而达成活化铜晶种层的目的，可活化(activate)先前受到无尘室环境中的湿气(moisture)或微尘(particle)影响所钝化(inactivated)的部分铜晶种层，其所形成的液态活化层并于后续铜电镀程序中在铜晶种层表面可产生润湿效应，进而促进铜晶种层与铜电镀程序中铜电镀液间的反应，有利于沟槽(例如为介层洞沟槽或导线沟槽)中继续形成无孔洞或缝隙等缺陷的良好结构铜金属层。于上述铜电镀程序中，本发明的液态活化层是为促进铜晶种层与铜电镀程序中铜电镀液反应之用，本身并无与电镀液反应的事实。本发明的液态活化层可溶于电镀液中，并在铜电镀程序中予以除去，不会残留在上述铜金属结构中。
图4及图5显示一镶嵌式铜金属层的聚焦式离子束显微镜影像，藉以说明使用本发明的表面处理方法对于改善镶嵌式铜金属层结构的效果。
图中所述镶嵌式铜金属层为复数个(在此为7个)密集的深宽比约为1∶6且具有线宽(约为0.11μm)/间距比约为1∶1.5的单镶嵌铜金属结构，此时在铜晶种层的溅镀后与后续铜电镀程序间的排队时间则延长为4天。
首先请参照图4所示，为藉由传统镶嵌式铜金属制程所形成的铜金属层结构，其中在铜晶种层的溅镀后与后续铜电镀程序执行前并无执行任何表面处理程序，可发现许多个(7个中有3个)如图1C中所示的位于铜金属层边缘或内部的孔洞缺陷。
接着请参照图5所示，为采用本发明的表面处理方法的镶嵌式铜金属制程所形成的铜金属层结构，其中在铜电镀程序执行前先执行本发明表面处理的旋转喷洒程序以活化表面的铜晶种层，再接着执行铜电镀程序，在此经过4天的排队时间，并无发现(7个中有0个)如图1C中所示的孔洞缺陷，所形成的铜金属层结构良好。
因此，由上述结果可知，藉由本发明的表面处理方法可适度地延长介于铜晶种层的溅镀与后续电镀程序间相距的排队时间。这样生产线人员对于铜电镀机台的制程状况及前站的溅镀机台的产能评估可较为宽松，并较不需要考量铜电镀机台的意外状况，而可适度维持此连续两道制程间的暂存货，大幅地提升了溅镀机台及铜电镀机台间的产能发挥。
虽然本发明已以优选实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，本发明的保护范围当以权利要求书为准。