CN101996924A

CN101996924A - 形成金属互连层的方法

Info

Publication number: CN101996924A
Application number: CN2009100562563A
Authority: CN
Inventors: 聂佳相; 卢炯平
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2009-08-11
Filing date: 2009-08-11
Publication date: 2011-03-30

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置换用金属层；从所述反应腔内取出后将所述置换用金属层置换为金属铜，在所述金属铜的表面形成铜电镀层。采用该方法能够避免铜种子层被氧化或被环境污染的问题，确保铜电镀层的质量，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，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，由于溅射设备和电镀设备位于不同机台，半导体器件从一个机台到另一机台，需要比较久的时间，所以铜种子层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，氧化铜就会与电镀液反应，溶解在电镀液中，导致铜种子层105表面的不连续，在铜电镀层中间形成缺陷，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差，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，铜电镀层中间的微缺陷以此小孔洞为中心，聚集成更大的孔洞，那么半导体器件的接触电阻Rc就会变得很大，甚至断路，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氧化、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置换用金属层；

从所述反应腔内取出后将所述置换用金属层置换为金属铜，在所述金属铜的表面形成铜电镀层。

所述置换用金属的标准电极电压低于金属铜；所述置换用金属层的厚度为1～10纳米。

所述置换用金属层为金属锌Zn层或金属锡Sn层或者是金属Zn和Sn的叠层。

在形成置换用金属层时，

所述反应腔的初始压力小于10-6托torr；

所述反应腔的溅射压力为1～20毫托mtorr；

所述反应腔的溅射功率为500～30000瓦。

所述将所述置换用金属层置换为金属铜，在所述金属铜的表面形成铜电镀层的过程在同一电镀设备中完成。

所述将所述置换用金属层置换为金属铜，在所述金属铜的表面形成铜电镀层的过程分别在置换设备和电镀设备中完成，所述置换设备和电镀设备位于同一机台。

所述置换设备和电镀设备中的溶液为含有铜离子的酸性溶液。

所述含有铜离子的酸性溶液为硫酸铜或者氯化铜。

所述含有铜离子的酸性溶液浓度为0.06～1.25摩尔/升mol/L。

在所述叠层阻挡膜和置换用金属层之间，进一步包括在叠层阻挡膜的表面形成铜种子层。

由上述的技术方案可见，本发明在沟槽和连接孔内溅射形成叠层阻挡膜之后，接着溅射形成置换金属层，置换金属层在空气中不易被氧化，这样在放入常压下的电镀设备中时，先通过置换反应，将酸性铜离子溶液中的铜置换出来，作为电镀用的铜种子层，接着向电镀设备通入电流，完成电镀过程。置换出来的金属铜层，不需拿出电镀设备，接着在电镀溶液中完成电镀，从而保证了铜电镀的质量。而不像现有技术中那样，在将溅射有铜种子层的半导体器件从高真空反应腔内取出，再置入电镀设备的过程中被空气氧化污染，导致铜电镀层的较差质量。

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剖面示意图。

图2为本发明优选实施例形成金属互连层的方法流程示意图。

图3a至图3c为本发明形成金属互连层的制作过程剖面示意图。

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。

本发明优选实施例为在沟槽和连接孔内溅射形成叠层阻挡膜之后，接着溅射形成置换金属层，置换金属层在空气中不易被氧化，这样在放入常压下的电镀设备中时，先通过置换反应，将酸性铜离子溶液中的铜置换出来，作为电镀用的铜种子层，接着向电镀设备通入电流，完成电镀过程。置换出来的金属铜层，不需拿出设备，接着在电镀溶液中完成电镀，从而保证了铜电镀的质量。

本发明优选实施例形成金属互连层的方法，其流程示意图如图2所示。具体制作过程剖面示意图请参阅图3a至图3c。

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。

然后在高真空反应腔内，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、在同一高真空反应腔内，通过PVD方法，在叠层阻挡膜表面形成置换用金属层108，该金属元素的标准电极电压要求比金属铜低，即金属活动性要比铜活泼，优选为金属锌(Zn)层或金属锡(Sn)层或者是金属Zn和Sn的叠层。其中，真空反应腔内的初始压力要小于10-6托(torr)；反应腔内通入氩气(Ar)，反应腔内开始溅射时的压力为1～20毫托(mtorr)，溅射功率为500～30000瓦；所溅射的金属层厚度为1～10纳米。如图3b所示。

步骤23、将形成有置换用金属层108的半导体器件从高真空反应腔内取出后，放入电镀设备的含有铜离子的酸性溶液中，PH值在1～4的范围内，可以为硫酸铜，也可以为氯化铜，浓度在0.06～1.25摩尔/升(mol/L)。

首先，在不通入电流的情况下，由于硫酸铜或者氯化铜能够和金属层的Zn或者Sn发生置换反应，金属Zn或者Sn变为离子进入溶液，而硫酸铜或者氯化铜中的铜离子则被置换出来，形成金属铜109，覆盖叠层阻挡膜104的表面。该金属铜层，相当于铜种子层的作用，以备置换反应之后的铜电镀的执行。

以置换用金属层Zn和硫酸铜溶液为例，发生置换反应的化学方程式为

Zn+CuSO₄＝Zn SO₄+Cu

接着，在置换用金属层108的Zn或者Sn被置换为铜之后，给电镀设备通入电流，进行铜电镀过程。这时硫酸铜或者氯化铜就成为电镀液，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，金属铜层的表面，即沟槽和连接孔的内部，就形成了铜电镀层106，如图3c所示。

由于电镀时一般为硫酸铜，所以本发明在置换和电镀时优选硫酸铜溶液。

该置换反应和电镀过程在室温下进行，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。

本发明优选实施例中步骤23中的置换反应和电镀过程都在同一电镀设备中完成，在形成金属铜层之后，直接进入电镀过程，这样就可以使得金属铜层没有与空气接触的机会，确保铜电镀层106的质量，而不像现有技术中那样，在将溅射有铜种子层的半导体器件从高真空反应腔内取出，再置入电镀设备的过程中被空气氧化污染，导致铜电镀层的较差质量。

本发明还可以将置换和电镀分别在不同的设备中执行，但是要求置换设备和电镀设备在同一机台上，确保置换形成金属铜层之后，在2秒的时间内进入电镀设备，以防金属铜层长时间在空气中搁置，而被氧化污染。置换设备中的溶液仍然可以为硫酸铜或者氯化铜，浓度在0.06～1.25摩尔/升(mol/L)，电镀设备中的溶液优选为硫酸铜。

另外，本发明的一具体实施例可以为：首先在沟槽和连接孔内溅射形成叠层阻挡膜，然后像现有技术中那样，接着溅射形成铜种子层；然后在铜种子层表面溅射置换用金属层，例如Zn或Sn或者是Zn和Sn的叠层；最后再将形成有置换用金属层的半导体器件从高真空反应腔内取出，置入电镀设备中完成置换和电镀过程。上述步骤同样能实现本发明的目的，但是在高真空反应腔内溅射时，多了溅射形成铜种子层的时间，延长了生产时间，所以本发明的优选实施例为在叠层阻挡膜的表面直接形成置换用金属层。

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，孔洞等缺陷大大减少，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置换用金属层；

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述置换用金属的标准电极电压低于金属铜；所述置换用金属层的厚度为1～10纳米。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述置换用金属层为金属锌Zn层或金属锡Sn层或者是金属Zn和Sn的叠层。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在形成置换用金属层时，

所述反应腔的初始压力小于10^-6托torr；

所述反应腔的溅射压力为1～20毫托mtorr；

所述反应腔的溅射功率为500～30000瓦。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述置换用金属层置换为金属铜，在所述金属铜的表面形成铜电镀层的过程在同一电镀设备中完成。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述置换用金属层置换为金属铜，在所述金属铜的表面形成铜电镀层的过程分别在置换设备和电镀设备中完成，所述置换设备和电镀设备位于同一机台。

7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述置换设备和电镀设备中的溶液为含有铜离子的酸性溶液。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述含有铜离子的酸性溶液为硫酸铜或者氯化铜。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述含有铜离子的酸性溶液浓度为0.06～1.25摩尔/升mol/L。

10.如权利要求1～6任一项所述的方法，其特征在于，在所述叠层阻挡膜和置换用金属层之间，进一步包括在叠层阻挡膜的表面形成铜种子层。