CN102420173A

CN102420173A - 一种提高铜互连可靠性的表面处理方法

Info

Publication number: CN102420173A
Application number: CN2011101507005A
Authority: CN
Inventors: 张亮; 姬峰; 胡友存; 李磊; 陈玉文
Original assignee: Shanghai Huali Microelectronics Corp
Current assignee: Shanghai Huali Microelectronics Corp
Priority date: 2011-06-07
Filing date: 2011-06-07
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2031-06-07
Also published as: CN102420173B

Abstract

本发明公开了一种提高铜互连可靠性的表面处理方法，其中，包括以下步骤：步骤a、在一介电层上形成图案化沟槽，并在所述沟槽内镶嵌金属；步骤b、去除所述步骤a镶嵌过程中多余的金属；步骤c、通过混合气体去除表面的残留物和金属的氧化物。本发明的有益效果是：能够去除铜金属层表面的氧化物以及化学机械研磨工艺过程中残留物。从而获得原子级的清洁表面，且该表面与下层的含氮阻挡层结合力提高，因此使铜互连的抗电迁移性能提高，抗应力迁移性能提高，介质层的介电击穿寿命提高，并且同时可以减少现有技术对介质层的损伤，有利于芯片整体性能的提高。

Description

一种提高铜互连可靠性的表面处理方法

技术领域

本发明涉及一种表面处理方法，尤其是一种半导体制造领域制造金属互连线过程中提高铜互连可靠性的表面处理方法。

背景技术

在半导体集成电路工业中，高性能的集成电路芯片需要尽可能低的连线电容电阻信号延迟和信号串扰。为此，需要低电阻率的铜金属线以及连线的层间及线间填充低介电常数介质材料来达到降低寄生电容，提高器件性能的目的。而目前普遍采用的低介电常数绝缘介质材料是掺碳的多孔氧化硅。伴随着介电常数要求的不断降低，介电材料的孔隙率和含碳量不断增加，结构越来越疏松，在工艺过程中更容易受到的损伤而使介电常数升高。

此外，工艺的损伤和不良的表面结合力会造成铜金属线易被氧化，容易扩散到介质绝缘层，从而使金属更容易发生电迁移和应力迁移，绝缘层更容易被击穿，总而言之，可靠性性能明显降低。因此如何有效地避免低介电常数材料损伤，提高介质层介电击穿寿命，以及如何改善金属层表面状态，提高与下层的结合力，从而提高电迁移和应力迁移性能，成为一个尤为重要的课题。

当前通用的技术有三种，一种是采用氢气的原位等离子体预处理，达到修复金属层的目的，如中国专利（公开号:1490852A）低介电常数材料的表面处理方法。但这种方法中，氢的等离子体基团活性较高，容易对低介电常数介电层带来损伤，从而使整体介电常数增大，不利于器件的性能。而且氢的原位等离子处理对化学机械研磨的残余物清除能力有限。

第二种是采用氨气的原位等离子体预处理，达到去除介电层表面的化学机械研磨的残留物，从而获得较好的表面，改善后续薄膜与其的结合力。但是这种方法，氨的等离子体对铜金属层表面的作用有限，仅能改善介质层表面，结果依然不令人满意。

第三种是采用二者的结合，亦即氢气等离子处理和氨气等离子处理相结合。这种方法较之前两种要更为有效，但是缺点是成本高，产量低，不利于大量生产。此外，这三种方法由于都是采用反应腔内的原位等离子体处理，对多孔的电解质都有较大损伤，也不利获得最佳的器件性能。

发明内容

为克服现有的半导体制造领域制造金属互连线过程中的表面处理技术所带来的问题，本发明提供一种可以提高金属互连的可靠性，并减少介电常数的损伤性增加的表面处理方法。

本发明解决技术问题所采用的技术手段为：

一种提高铜互连可靠性的表面处理方法，其中，包括以下步骤：

步骤a、在一介电层上形成图案化沟槽，并在所述沟槽内镶嵌金属；

步骤b、去除所述步骤a镶嵌过程中多余的金属；

步骤c、通过混合气体去除所述步骤b中残留在介电层及金属表面的残留物和金属的氧化物；

步骤d、在所述介电层及金属表面形成一层致密阻挡层。

在一实施方式中，含碳原子的混合气体（例如含氢气，氨气和甲烷）除了清除金属表面的金属的氧化物之外，还同时用于抑制含碳的上述介电层（例如介电层为低介电常数材料）的碳损失量，以减少介电层的损伤和抑制其介电常数的增大。

上述一种提高铜互连可靠性的表面处理方法，其中，步骤d完成后，于所述致密阻挡层表面形成新的介电层。此时，在新的介电层中还可以进行其他的工艺步骤，例如再次以步骤a-d而形成新的互连线或其他大马士革结构。

上述一种提高铜互连可靠性的表面处理方法，其中，所述步骤a中形成图案化沟槽的方法为：在一介电层表面形成一光阻材料层；通过光刻在所述光阻材料层上形成预定图案（例如形成带图案的开口）；并利用所述图案化光阻材料层（例如通过带图案的开口）刻蚀所述介电层以形成图案化沟槽。

上述一种提高铜互连可靠性的表面处理方法，其中，所述步骤a中在图案化沟槽内镶嵌金属的方法为：在所述沟槽的侧壁和底部物理汽相淀积或原子层淀积形成一层粘附层，一层扩散阻挡层以及一层金属的籽晶层；采用电化学镀在上述形貌基础上生长金属层。

上述一种提高铜互连可靠性的表面处理方法，其中，所述步骤a中镶嵌的金属为铜。

上述一种提高铜互连可靠性的表面处理方法，其中，所述步骤b中去除多余金属的方法为化学机械研磨。

上述一种提高铜互连可靠性的表面处理方法，其中，所述步骤d中形成所述致密阻挡层的方法为化学汽相淀积。

上述一种提高铜互连可靠性的表面处理方法，其中，所述步骤d中形成的所述致密阻挡层为含氮阻挡层和/或含碳阻挡层。

上述一种提高铜互连可靠性的表面处理方法，其中，所述步骤c中通过混合气体去除残留物和金属的氧化物的方法为使混合气体与所述介电层及金属表面进行反应。

上述一种提高铜互连可靠性的表面处理方法，其中，所述反应的反应方式为：将所述混合还原性气体经远程等离子化形成等离子体活性基团；将所述等离子体活性基团通入真空反应腔与所述介电层及其上金属表面进行反应。

上述一种提高铜互连可靠性的表面处理方法，其中，所述混合还原性气体为氢气、氨气和一种含碳还原性气体以体积比为X：Y：Z=0~100：0~100：0~100的比例进行混合形成。

上述一种提高铜互连可靠性的表面处理方法，其中，所述含碳还原性气体为甲烷。

上述一种提高铜互连可靠性的表面处理方法，其中，所述反应参数为：所述等离子化的离子体的工作功率范围为５０瓦～８００瓦；真空反应腔的真空度为０～５０毫托；反应温度范围为50~500摄氏度。

本发明的有益效果是：

通过本发明的表面处理方法，能够去除铜金属层表面的氧化物以及化学机械研磨工艺过程中残留物。从而获得原子级的清洁表面，且该表面与下层的含氮阻挡层结合力提高，因此使铜互连的抗电迁移性能提高，抗应力迁移性能提高，介质层的介电击穿寿命提高，并且同时可以减少现有技术对介质层的损伤，有利于芯片整体性能的提高。

附图说明

图1是本发明一种提高铜互连可靠性的表面处理方法的流程框图；

图2是本发明一种提高铜互连可靠性的表面处理方法步骤a和步骤b完成后的状态结构图；

图3是本发明一种提高铜互连可靠性的表面处理方法步骤c完成后的状态结构图；

图4是本发明一种提高铜互连可靠性的表面处理方法步骤d镶嵌金属过程中的状态结构图；

图5是本发明一种提高铜互连可靠性的表面处理方法步骤d完成后形成另一层低介电常数介质层的状态结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

如图1所示，本发明一种提高铜互连可靠性的表面处理方法包括如下步骤：如图2所示，步骤a在以化学汽相淀积或旋转涂覆法形成的低介电常数介电层1表面形成一光阻材料层；通过光刻在光阻材料层上形成预定图案；利用图案化光阻材料层刻蚀介电层以形成图案化沟槽2，形成的图案化沟槽2可以是单层大马士革结构或双层大马士革结构。在沟槽2的侧壁和底部以物理汽相淀积或原子层淀积依次形成一层粘附层、一层扩散阻挡层以及一层金属的籽晶层组成的复合结构3。采用电化学镀在复合结构3形貌基础上生长金属层4，金属层4沉积或填充在侧壁和底部形成有粘附层、扩散阻挡层、金属籽晶层的图案化沟槽2中。金属层4为铜或者其他可用于金属互连线的金属材料。金属层4生长完毕后进行步骤b去除步骤c镶嵌阶段产生的多余金属，此处使用化学机械研磨CMP进行去除，经化学机械研磨后的介电层1及金属层4表面会形成由残留物和金属氧化层组成的薄层5，例如金属层4为铜则铜的表面容易被氧化而形成金属氧化层，薄层5紧密依附在化学机械研磨后的介电层及金属表面，会影响到后续添加层与该表面的结合力，从而使结合不紧密，造成外界湿气侵入，金属层被氧化和扩散，最终导致器件性能减弱，可靠性降低。因此，必须将该不稳定的薄层5去除，在进行后续制程前获得结合力高的清洁表面。

如图3所示，步骤c去除步骤b中形成的薄层5，此处采用的方法为：采用三种还原性气体组合成反应气体，如氢气、氨气、和一种含碳还原性气体以体积比为０～１００：０～１００：０～１００进行混合，此处含碳还原性气体可以选择甲烷。将上述混合气体经过远程等离子化形成等离子体活性基团，将相关等离子体活性基团通入真空度为０～５０毫托的反应腔与被介电层及金属表面进行反应。该过程中去除残留物，并还原金属氧化物，从而获得干净清洁的表面状态。上述反应的反应温度为50~500摄氏度，等离子体的工作功率范围在５０瓦～８００瓦。通过选择不同的气体组分和不同功率的匹配可以获得最大产量与最优性能的组合。由于等离子体是在远离反应腔的其他位置产生，然后通入反应腔的，因此既保持了极高的反应活性，可以还原氧化层和清除残留层，又能尽量减少高能离子对低介电常数介质层1的损伤。混合气体中的碳原子可以抑制含碳低介电常数材料的介质层1中的碳损失，减少介质层1的损伤和介电常数的增大，即对多孔低介电常数介质层1的损伤较低。同时，由于反应气体中存在碳、氮原子，可以在表面形成一过渡层，进一步提高结合力，使铜互连的抗电迁移性能提高，抗应力迁移性能提高，介质层的介电击穿寿命提高，有利于芯片整体性能的提高。

如图4所示，步骤d、在介电层及金属表面形成一层致密且含氮以及含碳的阻挡层6，形成阻挡层6的方法为化学汽相淀积。

如图5所示，当步骤d结束后可以阻挡层6上形成新的介电层，为后续制程做准备，图5上显示阻挡层6上以化学汽相淀积或旋转涂覆法形成新的低介电常数介电层11。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的申请专利范围，所以凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等效结构变化、利用公知的与本发明中提到具等同作用的物质进行代替或者利用公知的与本发明中提到的手段方法具等同作用的手段方法进行替换，所得到的实施方式或者实施结果均包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种提高铜互连可靠性的表面处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤b、去除所述步骤a镶嵌过程中多余的金属；

步骤d、在所述介电层及金属表面形成一层致密阻挡层。

2.如权利要求1所述一种提高铜互连可靠性的表面处理方法，其特征在于，步骤d完成后，于所述致密阻挡层表面形成新的介电层。

3.如权利要求1所述一种提高铜互连可靠性的表面处理方法，其特征在于，所述步骤a中形成图案化沟槽的方法为：在一介电层表面形成一光阻材料层；通过光刻在所述光阻材料层上形成预定图案；利用所述图案化光阻材料层刻蚀所述介电层以形成图案化沟槽。

4.如权利要求1所述一种提高铜互连可靠性的表面处理方法，其特征在于，所述步骤a中在图案化沟槽内镶嵌金属的方法为：在所述沟槽的侧壁和底部物理汽相淀积或原子层淀积形成一层粘附层，一层扩散阻挡层以及一层金属的籽晶层；采用电化学镀在上述形貌基础上生长金属层。

5.如权利要求1所述一种提高铜互连可靠性的表面处理方法，其特征在于，所述步骤a中镶嵌的金属为铜。

6.如权利要求1所述一种提高铜互连可靠性的表面处理方法，其特征在于，所述步骤b中去除多余金属的方法为化学机械研磨。

7.如权利要求1所述一种提高铜互连可靠性的表面处理方法，其特征在于，所述步骤d中形成所述致密阻挡层的方法为化学汽相淀积。

8.如权利要求1所述一种提高铜互连可靠性的表面处理方法，其特征在于，所述步骤d中形成的所述致密阻挡层为含氮阻挡层和含碳阻挡层。

9.如权利要求1所述一种提高铜互连可靠性的表面处理方法，其特征在于，所述步骤c中通过混合气体去除残留物和金属的氧化物的方法为使混合气体与所述介电层及金属表面进行反应。

10.如权利要求9所述一种提高铜互连可靠性的表面处理方法，其特征在于，所述反应的反应方式为：将所述混合还原性气体经远程等离子化形成等离子体活性基团；将所述等离子体活性基团通入真空反应腔与所述介电层及其上金属表面进行反应。

11.如权利要求10所述一种提高铜互连可靠性的表面处理方法，其特征在于，所述混合还原性气体为氢气、氨气和一种含碳还原性气体以体积比为X：Y：Z=0~100：0~100：0~100的比例进行混合形成。

12.如权利要求11所述一种提高铜互连可靠性的表面处理方法，其特征在于，所述含碳还原性气体为甲烷。

13.如权利要求10-12中任一所述一种提高铜互连可靠性的表面处理方法，其特征在于，所述反应参数为：所述等离子化的离子体的工作功率范围为５０瓦～８００瓦；真空反应腔的真空度为０～５０毫托；反应温度范围为50~500摄氏度。