CN101989568A

CN101989568A - 形成金属互连层的方法

Info

Publication number: CN101989568A
Application number: CN2009100558318A
Authority: CN
Inventors: 聂佳相; 杨瑞鹏; 何伟业; 刘盛; 孔祥涛
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2009-08-03
Filing date: 2009-08-03
Publication date: 2011-03-23

Abstract

本发明公开了一种形成金属互连层的方法，包括：在反应腔中执行在半导体衬底的绝缘层上形成沟槽和连接孔，并在沟槽的底部和侧壁上、连接孔的底部和侧壁上形成叠层阻挡膜；在所述叠层阻挡膜的表面形成铜种子层；从所述反应腔内取出后，置入预处理反应腔，对被空气污染的铜种子层进行氧化还原预处理；在电镀设备中执行在所述铜种子层的表面形成铜电镀层。采用该方法能够去除铜种子层表面被空气污染的杂质，提高器件的可靠性，从而提高良率。

Description

形成金属互连层的方法

技术领域

本发明涉及半导体器件互连层制造技术，特别涉及一种形成金属互连层的方法。

背景技术

目前，在半导体器件的后段(back-end-of-line，BEOL)工艺中，可根据不同需要在半导体衬底上生长多层金属互连层，每层金属互连层包括金属互连线和绝缘层，这就需要对上述绝缘层制造沟槽(trench)和连接孔，然后在上述沟槽和连接孔内沉积金属，沉积的金属即为金属互连线，一般选用铜作为金属互连线材料。现有技术中为了防止铜扩散进入绝缘层，更好地限制在沟槽和连接孔内，一般采用钽(Ta)和氮化钽(TaN)的叠层结构，作为金属互连线和绝缘层之间的阻挡膜。而且，金属互连线的制作是通过在叠层结构上形成铜种子层，然后在铜种子层表面电镀铜层形成的。

现有技术中形成金属互连层的方法，请参阅图1a至图1c。

如图1a所示，在绝缘层100上刻蚀形成沟槽101和连接孔102，所述连接孔102与下层的铜互连线103连接。一般采用先制作连接孔(via first)的方法，即先制作连接孔，再制作沟槽。

然后通过物理气相沉积(PVD)方法，在沟槽101的底部和侧壁上、连接孔102的底部和侧壁上，依次溅射氮化钽(TaN)层、钽(Ta)层；依次刻蚀连接孔底部上的Ta层和TaN层，形成开口，露出下层的铜互连线103；在开口处及Ta层的表面继续溅射金属Ta层，覆盖露出的下层的铜互连线103，而且与之前形成的Ta层相连为一体。上述由TaN和Ta构成的叠层阻挡膜104，只是其中一种具体实施例，显然，还有多种形成叠层阻挡膜的实现方法。

接下来如图1b所示，在叠层阻挡膜104的表面，通过溅射的方法形成铜种子层(seed layer)105。

然后如图1c所示，将形成有铜种子层105的半导体器件，置入电镀设备的包含有铜离子的电镀液中，一般为硫酸铜等，然后将半导体器件接阴极，电镀液接阳极，并在阴极和阳极之间通电，在电场作用下，铜种子层105的表面，即沟槽和连接孔的内部，就形成了铜电镀层106。

需要注意的是，由于图1a和1b所示的半导体器件都是在高真空的反应腔内形成的，而铜电镀层106是置入常压下的电镀设备中形成，这样将形成有铜种子层105的半导体器件从高真空的反应腔内取出，置入常压下的电镀设备的过程中，铜种子层105就很容易被空气中的氧气氧化，被氧化的成分为氧化铜，同时，在此过程中，大气中的很多挥发性的有机物质，也很容易粘附在铜种子层105的表面，与铜种子层105发生反应，污染铜种子层105。形成的污染物107如图1b中的示意图所示。随着半导体技术的不断提高，器件的特征尺寸在不断减小，铜种子层的溅射厚度也越来越薄，所以一旦铜种子层105受到污染，污染物将会侵蚀到其整个厚度范围内。

这样在置入电镀液中时，由于电镀液含有氢离子，呈酸性，污染物107就会与电镀液反应，溶解在电镀液中，污染物107消失之后，就会导致铜种子层105表面的不连续，即出现一个个小孔洞，铜电镀层是无法形成在没有铜种子层的表面的，在电镀液中形成了铜电镀层106之后的示意图如图1c所示。

在后续对上述半导体器件进行测试时发现，半导体器件的可靠性比较低，出现应力迁移(SM)等问题，甚至导致器件失效。在高温下对半导体器件施加应力进行测试时，在铜种子层105表面出现的小孔洞，很容易在应力作用下，空洞边缘扩张，造成更大的孔洞，那么接触电阻Rc就会变得很大，一定程度下，就会导致器件失效。

发明内容

有鉴于此，本发明解决的技术问题是：铜种子层在空气中被污染。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案具体是这样实现的：

本发明公开了一种形成金属互连层的方法，包括：

在反应腔中执行在半导体衬底的绝缘层上形成沟槽和连接孔，并在沟槽的底部和侧壁上、连接孔的底部和侧壁上形成叠层阻挡膜；

在所述叠层阻挡膜的表面形成铜种子层；

从所述反应腔内取出后，置入预处理反应腔，对被空气污染的铜种子层进行氧化还原预处理；

在电镀设备中执行在所述铜种子层的表面形成铜电镀层。

所述预处理在预处理反应腔内进行，采用的气体为氢气或者氨气。

所述预处理在采用氢气时，进一步包括氦气。

所述氢气与氦气的比例为10∶90～2∶98。

所述氢气的流量为60～100标准立方厘米每分钟sccm。

所述预处理反应腔内所施加的高频射频功率为400～1000瓦；低频射频功率为5～200瓦。

所述预处理在室温下进行，所述室温在15～50摄氏度。

所述预处理的时间为1～100秒。

所述预处理反应腔与电镀设备在同一个机台集成。

由上述的技术方案可见，本发明在将形成有铜种子层105的半导体器件置入电镀设备的电镀液中之前，对铜种子层105表面的污染物进行预处理，预处理为氢气(H₂)或者氨气(NH₃)，通过氧化还原反应将氧化铜等污染物还原成金属铜，使得铜种子层105恢复到原来的连续表面状态。

附图说明

图1a至1c为现有技术中形成金属互连层的制作过程示意图。

图2为本发明形成金属互连层的方法流程示意图。

图3a至图3d为本发明形成金属互连层的制作过程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

本发明在将形成有铜种子层105的半导体器件置入电镀设备的电镀液中之前，对铜种子层105表面的污染物进行预处理，预处理为氢气或者氨气，通过氧化还原反应将氧化铜等污染物还原成金属铜，使得铜种子层105恢复到原来的连续表面状态。

本发明形成金属互连层的方法，其流程示意图如图2所示。具体制作过程示意图请参阅图3a至图3d。

步骤21、在半导体衬底的绝缘层上形成沟槽和连接孔，并在沟槽的底部和侧壁上、连接孔的底部和侧壁上形成叠层阻挡膜。该步骤在高真空反应腔内进行。

如图3a所示，在绝缘层100上刻蚀形成沟槽101和连接孔102，所述连接孔102与下层的铜互连线103连接。一般采用via first的方法，即先制作连接孔，再制作沟槽。

然后通过PVD方法，在沟槽101的底部和侧壁上、连接孔102的底部和侧壁上依次溅射TaN层、Ta层；依次刻蚀连接孔底部上的Ta层和TaN层，形成开口，露出下层的铜互连线105；在开口处及Ta层的表面继续溅射金属Ta层，覆盖露出的下层的铜互连线105，而且与之前形成的Ta层相连为一体。上述由TaN和Ta构成的叠层阻挡膜104，只是其中一种具体实施例，显然，还有多种形成叠层阻挡膜的实现方法。

步骤22、在高真空反应腔内，叠层阻挡膜表面形成铜种子层，并从反应腔取出。

在叠层阻挡膜104的表面，通过溅射的方法形成铜种子层105。

铜种子层105在高真空的反应腔内形成，此时将形成有铜种子层105的半导体器件从高真空反应腔内取出时，与空气中氧气和有机物质发生反应，形成氧化铜等杂质污染物107，如图3b所示。

步骤23、将形成有铜种子层105的半导体器件置入预处理设备中。所述预处理设备和电镀设备集成在同一个机台中，由于预处理所需要的反应腔压力比较小，所以能够和处于常压下的电镀设备集成在同一个机台中，这样就可以确保在预处理之后，半导体器件立刻进入电镀设备，而不被再次氧化。

预处理反应腔内的气体可以为氢气或者氨气，都可以通过氧化还原反应将氧化铜等污染物还原成金属铜。本发明的具体实施例为氢气。由于纯的氢气可能引起爆炸，所以采用氢气与氦气相结合，对被污染的铜种子层105表面进行处理，氢气与氦气的比例为10∶90～2∶98，优选地，可以为5∶95，5∶120，7∶98。其中，氢气的流量为60～100标准立方厘米每分钟(sccm)，优选为70sccm、80sccm或90sccm。氧化还原反应在室温下进行，预处理反应腔内所施加的高频射频功率为400～1000瓦，低频射频功率为5～200瓦，预处理时间可以根据污染程度的不同而进行控制，可以为1～100秒。本发明所说的室温是一个比较广义下的温度，可以在15～50摄氏度之间。

通过预处理步骤，铜种子层105表面的污染物107被有效还原成金属铜，铜种子层105恢复到原来具有的连续的表面，如图3c所示。

步骤24、将预处理之后的半导体器件，置入电镀设备的包含有铜离子的电镀液中，一般为硫酸铜等，然后将半导体器件接阴极，电镀液接阳极，并在阴极和阳极之间通电，在电场作用下，铜种子层105的表面，即沟槽和连接孔的内部，就形成了铜电镀层106。如图3d所示。由于铜种子层105具有连续的表面，所以电镀铜层时，就不再会出现缺陷。

在对通过采用本发明的方法形成的半导体器件进行测试时，器件的可靠性显著提高，SM等缺陷大大减少，从而有效提高了器件的良率(yield)。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种形成金属互连层的方法，包括：

在所述叠层阻挡膜的表面形成铜种子层；

在电镀设备中执行在所述铜种子层的表面形成铜电镀层。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预处理在预处理反应腔内进行，采用的气体为氢气或者氨气。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预处理在采用氢气时，进一步包括氦气。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述氢气与氦气的比例为10∶90～2∶98。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述氢气的流量为60～100标准立方厘米每分钟sccm。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述预处理反应腔内所施加的高频射频功率为400～1000瓦；低频射频功率为5～200瓦。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述预处理在室温下进行，所述室温在15～50摄氏度。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述预处理的时间为1～100秒。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预处理反应腔与电镀设备在同一个机台集成。