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1、(10)申请公布号 CN 102800605 A (43)申请公布日 2012.11.28 CN 102800605 A *CN102800605A* (21)申请号 201110349017.4 (22)申请日 2011.11.07 13/115,563 2011.05.25 US H01L 21/66(2006.01) (71)申请人 台湾积体电路制造股份有限公司 地址 中国台湾新竹 (72)发明人 宋国梁 翁政辉 (74)专利代理机构 北京德恒律师事务所 11306 代理人 陆鑫 房岭梅 (54) 发明名称 用于监控铜势垒层预清洗工艺的系统和方法 (57) 摘要 描述了在监控预清洗工艺中。
2、使用的监控晶圆 和制造该监控晶圆的方法。一个实施例为监控晶 圆， 包括 ： 硅基底层 ； 覆盖层， 位于硅基底层上方 ； 以及势垒层， 位于USG层的上方。 监控晶圆进一步 包括 ： 铜 (“Cu” ) 晶种层， 位于势垒层上方 ； 以及 厚Cu层， 位于 Cu 晶种层上方。 本发明公开了用于 监控铜势垒层预清洗工艺的系统和方法。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 7 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 7 页 1/2 页 2 1. 一种在监控预清洗工艺中使用的监控晶圆， 。
3、所述监控晶圆包括 ： 硅基底层 ； 覆盖层， 位于所述硅基底层的上方 ； 势垒层， 位于所述 USG 层的上方 ； 铜 (“Cu” ) 晶种层， 位于所述势垒层的上方 ； 以及 厚 Cu 层， 位于所述 Cu 晶种层的上方。 2. 根据权利要求 1 所述的监控晶圆， 其中， 所述覆盖层包括 ： 未掺杂硅玻璃 (“USG” )， 所述 USG 层具有约的厚度。 3. 根据权利要求 1 所述的监控晶圆， 其中， 所述势垒层包括氮化钽 ( “TaN” )， 所述氮化 钽具有约的厚度 ； 或 所述 Cu 晶种层具有约的厚度 ； 或者 所述厚 Cu 层具有约的厚度 ； 或者 使用电化学镀 (“ECP” 。
4、) 工艺制造所述厚 Cu 层。 4. 一种制造在监控预清洗工艺中的使用的监控晶圆的方法， 所述方法包括 ： 在硅基底层上方沉积未掺杂硅玻璃 (“USG” ) 层 ； 在所述 USG 层上方沉积势垒层 ； 在所述势垒层上方沉积铜 (“Cu” ) 晶种层 ； 以及 在所述 Cu 晶种层上方制造厚 Cu 层。 5. 根据权利要求 4 所述的方法， 其中， 所述 USG 层具有约的厚度， 并且其中， 制 造所述 USG 层包括 ： 实施化学汽相沉积 (“CVD” ) 工艺 ； 或者 所述势垒层包括氮化钽 (“TaN” )， 所述氮化钽具有约的厚度， 并且其中， 制造所 述势垒层包括 ： 实施物理汽相沉。
5、积 (“PVD” ) 工艺 ； 或者 所述 Cu 晶种层具有约的厚度， 并且使用 PVD 工艺制造所述 Cu 晶种层。 6. 根据权利要求 4 所述的方法， 其中， 制造所述厚 Cu 层包括 ： 使用电化学镀 (“ECP” ) 工艺制造具有约的厚度的初始 Cu 层 ； 以及 对所述初始 Cu 层实施化学机械平坦化 ( “CMP” ) 工艺， 从而将所述初始 Cu 层的所述厚 度减小为约或者 所述方法进一步包括 ： 通过在有氧的环境下使所述监控晶圆经受至少 300的温度在 所述厚 Cu 层上方形成 CuO 层。 7. 一种监控 APC 系统的性能的方法， 所述方法包括 ： 使用所述 APC 系统。
6、对监控晶圆实施清洗工艺， 所述监控晶圆包括 ： 位于其顶面上的厚 铜层 ； 在使用所述步骤以后， 确定所述监控晶圆的反射率是否在可接受限度的范围内 ； 响应于确定所述反射率不在可接受限度的范围内， 采取校正措施。 8. 根据权利要求 7 所述的方法， 进一步包括 ： 在使用所述步骤以前， 制造监控晶圆， 所 述制造包括 ： 在硅基底层上方沉积未掺杂硅玻璃 (“USG” ) 层 ； 在所述 USG 层上方沉积势垒层 ； 权 利 要 求 书 CN 102800605 A 2 2/2 页 3 在所述势垒层的上方沉积铜 (“Cu” ) 晶种层 ； 以及 在所述 Cu 晶种层上方制造厚 Cu 层， 其中。
7、， 制造厚 Cu 层包括 ： 制造具有约的厚度的 Cu 层。 9. 根据权利要求 8 所述的方法， 其中， 制造具有约的厚度的厚 Cu 层进一步包 括 ： 使用 ECP 制造具有约的厚度的 Cu 层 ； 以及 实施化学机械平坦化工艺， 从而将所述 Cu 层的所述厚度减小至约 10. 根据权利要求 7 所述的方法， 其中， 所述可接受限度包括约 0.9 的反射率 ； 或者 采取校正措施包括 ： 调节所述 APC 系统的工艺时间 ； 或者 采取所述校正措施包括 ： 替换所述 APC 系统的喷头和替换所述 APC 系统的工艺套件中 的至少一个。 权 利 要 求 书 CN 102800605 A 3 。
8、1/4 页 4 用于监控铜势垒层预清洗工艺的系统和方法 技术领域 0001 本发明涉及半导体领域， 更具体地， 涉及用于监控铜势垒层预清洗工艺的系统和 方法。 背景技术 0002 AktivTM 预清洗 (“APC” ) 室为 Applied Material， Inc. 市售的 Endura CuBS( 铜 势垒/晶种)系统的重要部件， 并且提供了良好的和有效的清洗工艺， 用于去除聚合物残余 和用于28nm技术时代和以下节点的铜低介电常数(低-k)互连工艺方案的氧化铜( “CuO” ) 的反应。尤其是， 将 APC 设计为有效去除聚合物残余并且减少 CuO 沉积， 同时保持多孔低和 超低 k。
9、 层间介电 (“ILD” ) 膜的完整性。 0003 虽然APC为用于28nm技术时代和以下节点的基本工艺， 但是当前不存在用于监控 CuO 蚀刻速率、 和因此监控其功效的适当方法。 0004 因此， 所需要的是用于 APC 工艺的可接受的热氧化蚀刻速率监控器。 发明内容 0005 为了解决现有技术所存在的问题， 根据本发明的一个方面， 提供了一种在监控预 清洗工艺中使用的监控晶圆， 所述监控晶圆包括 ： 硅基底层 ； 覆盖层， 位于所述硅基底层的 上方 ； 势垒层， 位于所述 USG 层的上方 ； 铜 (“Cu” ) 晶种层， 位于所述势垒层的上方 ； 以及厚 Cu 层， 位于所述 Cu 晶。
10、种层的上方。 0006 在该监控晶圆中， 所述覆盖层包括 ： 未掺杂硅玻璃 (“USG” )， 所述 USG 层具有约 的厚度。 0007 在该监控晶圆中， 所述势垒层包括氮化钽 (“TaN” )， 所述氮化钽具有约的厚 度 ； 或所述 Cu 晶种层具有约的厚度 ； 或者所述厚 Cu 层具有约的厚度 ； 或者 使用电化学镀 (“ECP” ) 工艺制造所述厚 Cu 层。 0008 根据本发明的另一方面， 提供了一种制造在监控预清洗工艺中的使用的监控晶圆 的方法， 所述方法包括 ： 在硅基底层上方沉积未掺杂硅玻璃 (“USG” ) 层 ； 在所述 USG 层上 方沉积势垒层 ； 在所述势垒层上方沉。
11、积铜 (“Cu” ) 晶种层 ； 以及在所述 Cu 晶种层上方制造 厚 Cu 层。 0009 在该方法中， 所述 USG 层具有约的厚度， 并且其中， 制造所述 USG 层包括 ： 实施化学汽相沉积 (“CVD” ) 工艺 ； 或者所述势垒层包括氮化钽 (“TaN” )， 所述氮化钽具 有约的厚度， 并且其中， 制造所述势垒层包括 ： 实施物理汽相沉积 (“PVD” ) 工艺 ； 或 者所述 Cu 晶种层具有约的厚度， 并且使用 PVD 工艺制造所述 Cu 晶种层。 0010 在该方法中， 制造所述厚 Cu 层包括 ： 使用电化学镀 (“ECP” ) 工艺制造具有约 的厚度的初始 Cu 层 ；。
12、 以及对所述初始 Cu 层实施化学机械平坦化 ( “CMP” ) 工艺， 从 而将所述初始 Cu 层的所述厚度减小为约或者所述方法进一步包括 ： 通过在有氧的 环境下使所述监控晶圆经受至少 300的温度在所述厚 Cu 层上方形成 CuO 层。 说 明 书 CN 102800605 A 4 2/4 页 5 0011 根据本发明的又一方面， 提供一种监控 APC 系统的性能的方法， 所述方法包括 ： 使 用所述 APC 系统对监控晶圆实施清洗工艺， 所述监控晶圆包括 ： 位于其顶面上的厚铜层 ； 在 使用所述步骤以后， 确定所述监控晶圆的反射率是否在可接受限度的范围内 ； 响应于确定 所述反射率不。
13、在可接受限度的范围内， 采取校正措施。 0012 该方法进一步包括 ： 在使用所述步骤以前， 制造监控晶圆， 所述制造包括 ： 在硅基 底层上方沉积未掺杂硅玻璃 (“USG” ) 层 ； 在所述 USG 层上方沉积势垒层 ； 在所述势垒层的 上方沉积铜 (“Cu” ) 晶种层 ； 以及在所述 Cu 晶种层上方制造厚 Cu 层， 其中， 制造厚 Cu 层 包括 ： 制造具有约的厚度的 Cu 层。 0013 在该方法中， 制造具有约的厚度的厚Cu层进一步包括 ： 使用ECP制造具有 约的厚度的 Cu 层 ； 以及实施化学机械平坦化工艺， 从而将所述 Cu 层的所述厚度减 小至约 0014 在该方法。
14、中， 所述可接受限度包括约 0.9 的反射率 ； 或者采取校正措施包括 ： 调节 所述 APC 系统的工艺时间 ； 或者采取所述校正措施包括 ： 替换所述 APC 系统的喷头和替换 所述 APC 系统的工艺套件中的至少一个。 附图说明 0015 当结合附图进行阅读时， 根据下面详细的描述可以更好地理解本发明。应该强调 的是， 根据工业中的标准实践， 各种部件没有被按比例绘制并且仅仅用于说明的目的。 实际 上， 为了清楚的讨论， 各种部件的尺寸可以被任意增加或减少。 0016 图 1 示出了热氧化蚀刻速率监控晶圆。 0017 图 2 示出了结合 40nm 技术时代和以上节点使用的反应等离子清洗 。
15、(RPC) 预清洗 系统。 0018 图 3 示出了结合 28nm 技术时代和以下节点使用的 APC 系统。 0019 图 4 示出了曲线图， 该曲线图示出对于使用诸如图 1 中所示的蚀刻速率监控晶圆 的诸如图 2 和图 3 中所示的预清洗系统热氧化蚀刻速率随时间的变化。 0020 图 5 示出了根据本文所述实施例的热氧化蚀刻速率监控晶圆。 0021 图 6 示出了制造图 5 的监控晶圆的方法。 0022 图 7 示出了使用图 5 的监控晶圆监控 APC 系统的热氧化蚀刻速率的方法。 0023 图 8 为示出在用于典型 APC 工艺的反射率和工艺时间之间的关系的曲线图。 具体实施方式 0024。
16、 为了实施本发明的不同部件， 以下发明提供了许多不同的实施例或示例。以下描 述元件和布置的特定示例以简化本发明。 当然这些仅仅是示例并不打算限定。 例如， 以下本 描述中第一部件形成在第二部件上方或上可包括其中第一部件和第二部件以直接接触形 成的实施例， 并且也可包括其中额外的部件形成插入到第一部件和第二部件中的实施例， 使得第一部件和第二部件不直接接触。另外， 本公开可能在各个实例中重复参考数字和 / 或字母。这种重复只是为了简单和清楚的目的且其本身并不指定各个实施例和 / 或所讨论 的结构之间的关系。 0025 此外， 在此可使用诸如 “在 . 之下” 、“在 . 下面” 、“下面的” 、。
17、“在 . 上面” 、 以 说 明 书 CN 102800605 A 5 3/4 页 6 及 “上面的” 等的空间关系术语， 以容易地描述如图中所示的一个元件或部件与另一元件或 部件的关系。 应当理解， 除图中所示的方位之外， 空间关系术语将包括使用或操作中的装置 的各种不同的方位。 例如， 如果翻转图中所示的装置， 则被描述为在其他元件或部件 “下面” 或 “之下” 的元件将被定位为在其他元件或部件的 “上面” 。因此， 示例性术语 “在 . 下面” 包括在上面和在下面的方位。装置可以以其它方式定位 ( 旋转 90 度或在其他方位 )， 并且 通过在此使用的空间关系描述符进行相应地解释。 00。
18、26 如图1所示， 诸如监控器100的当前市售的热氧化蚀刻速率监控器包括 ： 经由物理 汽相沉积 (“PVD” ) 在硅晶圆 104 上设置的约厚度的热氧化层 102， 并且该监控器 被设计成在反应等离子清洗系统 (RPC)( 例如， 在图 1 中所示的 PC/RPC 系统 100) 中使用的 热氧化蚀刻速率监控器。PC/RPC 100 被设计成结合 40nm 技术时代和以上节点而使用。反 之， 如图 3 所示的并且通过参考数字 300 所指定的 APC 系统为远程等离子清洗系统。可以 通过利用 H2自由基 (“H*” ) 清洗来大幅降低对基板的损害。如图 3 所示， 通过提供在远程 等离子源。
19、304和清洗室306之间的离子过滤器302， 将APC系统300设计为去除有破坏性的 H+离子防止到达晶圆， 其中， 要清洗的晶圆位于喷头 310 的下方的底座 308 的上方。反之， 在系统 200 中， 设置在清洗室 203 中的底座 202 上方的晶圆直接暴露于感应耦合的等离子 (“ICP” )， 该等离子来自等离子源 204 经由喷头 206。 0027 图4示出了曲线图400， 该曲线图示出使用监控器100所测量的各种类型的CuO预 清洗系统的热氧化蚀刻量随时间的变化。如图 4 所示， 虽然如通过一系列点 402 和 404 所 示的， 监控器100建立用于结合40nm技术时代和以上。
20、节点所使用的预清洗系统的适当监控 器， 但是如通过一系列点 406( 其示出了 0 蚀刻量 ) 所示的， 对于 APC 系统 300 不够敏感， 不 足以建立用于这种系统的可接受的监控器。 0028 参照图 5， 如下文中详细描述的， 本文所述实施例提供了用于 APC 系统 ( 例如， APC 系统 300) 的精密铜氧化监控晶圆 500。尤其是， 本文所述的实施例创建了用于监控路径的 精密和无损伤工艺回路。 如下文中参照图6更详细描述的， 监控晶圆500包括 ： 裸硅层502 ； 覆盖层， 在该所示实施例中， 该覆盖层为具有约的厚度的未掺杂硅玻璃 ( “USG” ) 层 504， 覆盖层位于。
21、硅层 502 的上方 ； 以及势垒层 506， 位于 USG 层 504 的上方。在一个实施例 中， 势垒层包括 ： 氮化钽 (“TaN” )， 并且具有约的厚度 ； 然而， 应该意识到， 必要时和 / 或适当时， 其他化合物和厚度可以包括势垒层 506。具有约的厚度铜晶种 (“Cu 晶 种” ) 层 508 位于势垒层 506 的上方， 并且具有约的厚度的电化学镀 (“ECP” ) 铜 层 510 位于 Cu 晶种层 508 的上方。在铜层 510 的顶面上自然形成 CuO 的薄层 512。在一 个实施例中， 在 0.5 的反射率 (“REF” ) 处， CuO 层 512 为约的厚度， 并。
22、且在富氧、 高 温 ( 例如， 大于等于 300 ) 的环境下形成该 CuO 层。在典型实施例中， 例如通过系统 300 所实施的 APC 工艺可以去除约的 CuO ； 因此， 在 APC 工艺以后， CuO 层 512 的厚度约为 厚度 (REF 0.9)。 0029 现在， 参照图 6， 将描述制造监控晶圆 500 的方法。在步骤 600 中， 使用化学汽相 沉积 (“CVD” ) 或者其他适当沉积技术在硅层 502 上沉积未掺杂硅玻璃 (“USG” )， 从而制 造 USG 层 504。在步骤 602 中， 使用物理汽相沉积 (“PVD” ) 或其他适当沉积技术在 USG 层 504 上。
23、沉积势垒层 506。如以前所述的， 在一个实施例中， 势垒层包括 ： 具有约的厚度 的氮化钽 (“TaN” )。然而， 应该意识到， 可以使用其他化合物和厚度。在步骤 604 中， 实施 说 明 书 CN 102800605 A 6 4/4 页 7 铜晶种 (“Cu 晶种” ) 工艺， 从而制造 Cu 晶种层 508。可以使用 PVD 或其他适当工艺沉积 Cu 晶种层 508。在步骤 606 中， 使用电化学镀层 (“ECP” ) 技术在 Cu 晶种层 508 的上方电 镀厚 ( 例如， 约) 铜层。在步骤 608 中， 实施化学机械抛光 (“CMP” ) 工艺， 从而使 晶圆 500 平钽化。
24、， 并且将铜层 510 的厚度减小为约 0030 生成的监控晶圆 500 具有与量产晶圆相同的铜膜特征。因此， 晶圆以与生产量产 相同的方式与 APC 发生反应。 0031 图 7 示出了使用监控晶圆， 例如， 监控晶圆 500 监控诸如系统 300 的 APC 系统的性 能。在步骤 700 中， 在监控晶圆上实施 APC 工艺。应该意识到， 还在其他产品上同时或顺序 实施该工艺， 并且可能在工艺运行中监控晶圆。在已经完成 APC 工艺以后， 在步骤 702 中， 确定监控晶圆的反射率 ( “REF” )。简要地， 参照图 8， 示出了结合典型 APC 工艺的 REF 值与 工艺时间 ( 以秒。
25、为单位 ) 的曲线 800。点 802 指示标准 APC 操作 ( 例如， REF 0.9， 工艺 时间 25 秒 )。因此， 在一个实施例中， 目标 REF 为 0.9， 但是可以采用其他目标。 0032 再次参照图 7， 在步骤 704 中， 确定所测量的监控晶圆的 REF 是否在可接受限度的 范围内， 指示该 APC 系统在规格内运行。如果在步骤 704 中确定， 所测量的 REF 在可接受限 度的范围内， 则在步骤 706 中， 没有必要采取措施。反之， 如果在步骤 704 中， 所测量的 REF 不在可接受限度的范围内， 则执行进入步骤 708， 其中， 可能采取校正措施。例如， 这。
26、种措施 可能包括微调蚀刻量 ( 例如， 通过增加或减少 APC 工艺时间 )， 并且通过替换或修补其部件 处理任何硬件问题 ( 例如， APC 室、 喷头、 或者工艺套件的污染 )。应该意识到， 可以自动进 行图 7 中所示的工艺的所有部分或任何部分， 并且使用通过指令适当编程的计算机和 / 或 其他机器和用于实施该指令的处理器来实施该工艺的所有部分或任何部分， 从而实施指定 的功能。 0033 结果， 监控晶圆 500 模拟用于 APC 的量产 CuO， 克服了关于通过 APC 未蚀刻传统热 氧化晶圆 ( 例如晶圆 100) 的上述问题， 并且克服了如上所述的 CuO 晶圆剥离的问题。 00。
27、34 一个实施例为在监控预清洗工艺中使用的监控晶圆， 该监控晶圆包括硅基底层 ； 覆盖层， 位于硅基底层上方 ； 以及势垒层， 位于 USG 层的上方。监控晶圆进一步包括 ： 铜 (“Cu” ) 晶种层， 位于势垒层上方 ； 以及厚铜层， 位于 Cu 晶种层上方。 0035 另一实施例为在监控预清洗工艺中使用的监控晶圆的制造方法。该方法包括 ： 在 硅基底层上沉积未掺杂硅玻璃 ( “USG” ) 层和在 USG 层上沉积势垒层。该方法进一步包括 ： 在势垒层上沉积铜 (“Cu” ) 晶种层， 并且在 Cu 晶种层上制造厚 Cu 层。 0036 又一实施例为监控 APC 系统的性能的方法。该方法。
28、包括 ： 使用 APC 系统在监控晶 圆上实施清洗工艺， 该监控晶圆包括 ： 位于其顶面上的厚铜层 ； 在使用以后， 确定监控晶圆 的反射率是否在可接受限度的范围内 ； 以及响应于确定反射率不在可接受限度的范围内， 采取校正措施。 0037 上面论述了若干实施例的部件， 使得本领域普通技术人员可以更好地理解本发明 的各个方面。本领域普通技术人员应该理解， 可以很容易地使用本发明作为基础来设计或 更改其他用于达到与这里所介绍实施例相同的目的和 / 或实现相同优点的处理和结构。本 领域普通技术人员也应该意识到， 这种等效构造并不背离本发明的精神和范围， 并且在不 背离本发明的精神和范围的情况下， 。
29、可以进行多种变化、 替换以及改变。 说 明 书 CN 102800605 A 7 1/7 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 102800605 A 8 2/7 页 9 图 2 说 明 书 附 图 CN 102800605 A 9 3/7 页 10 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102800605 A 10 4/7 页 11 图 5 说 明 书 附 图 CN 102800605 A 11 5/7 页 12 图 6 说 明 书 附 图 CN 102800605 A 12 6/7 页 13 图 7 说 明 书 附 图 CN 102800605 A 13 7/7 页 14 图 8 说 明 书 附 图 CN 102800605 A 14 。