CN102446821B - 减少化学机械研磨后铜互连结构材料损伤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减少化学机械研磨后铜互连结构材料损伤的方法，包括下列步骤：选择填充低介电常数介质材料的铜互连结构作为基底，由下而上依次为低介电常数介质层、阻挡层和电镀的铜金属层；通过化学机械研磨去除表面多余的铜和阻挡层，进行清洗干燥；对已有介质损伤和金属材料损伤的互连结构做氧化处理，将受损结构转化为氧化层；采用湿化学去除的方法去除受损结构转化成的氧化层；对残留的介质受损结构或金属上的金属氧化物进行处理。本发明可以获得无损伤的互连结构，由于不存在受损缺陷层，经本发明处理后的基底与后续薄膜结合紧密，有利于互连结构的电迁移和可靠性寿命的提升，可以提高现有工艺的可靠性，产品良率和整体芯片性能。

Description

减少化学机械研磨后铜互连结构材料损伤的方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及低介电常数材料铜互连的成型与加工领域，具体涉及一种减少化学机械研磨后铜互连结构材料损伤的方法。

背景技术

随着半导体性能要求的不断提高，集成电路芯片的尺寸也越来越小，消费市场对芯片速度的要求越来越高，而后段互连结构的信号延迟逐渐成为芯片性能提升的局限因素。单个芯片晶体管数量越来越多，要求后段互连也越来越复杂，金属线层数和总长度不断增加，因为互连线的电阻越来越大，而且寄生的层间电容和导线间电容也越来越大，这就导致芯片整体电阻电容延时加大，影响芯片速度性能的提高。

为了降低互连结构的电阻，集成电路芯片的互连材料从铝升级到电阻率较小的铜。而由于铜材料的引入，铜化学刻蚀较难实现和控制，铜的加工工艺采用大马士革工艺（沟槽嵌入式布线工艺），而铜的沟槽嵌入式布线工艺中必须利用化学机械研磨技术来去除多余的材料。同时，为了降低寄生电容，导线间的介质材料也从氧化硅转换到低介电常数材料，乃至极低介电常数材料，例如多孔掺碳氧化硅（相对介电常数2.4~2.5）。新的低介电常数材料与传统介电材料相比，具有较低的介电常数，但机械性能（硬度，弹性模量等）较弱，因而更容易被化学机械研磨过程中的机械作用损伤。而且化学机械研磨过程中的研磨液及后清洗步骤的化学液，都很容易对多孔介质材料造成损伤或粘污残留。此外，化学机械研磨后，裸露的铜表层也会被化学液及其他活泼气体反应而损伤，这些损伤会造成电容的增大，电阻的变大，而对芯片性能带来不利影响，严重的甚至造成芯片失效。

然而随着技术的进步，实际在高阶制程中，低介电常数材料损伤很常见，而且随着介电常数的降低，低介电常数的损伤变得越来越容易，而且损伤量大大增加。在化学机械研磨过程中，最终要停止在低介电常数材料表面，研磨化学液和机械力作用都会对材料有很大影响，而后续的湿化学清洗和干燥，也会对表层的材料有很大伤害。英国的David J. Pedder等人提出的美国专利US5000819“金属表面清洁流程”（Metal surface cleaning processes）中提到一种用于金属表面的清洁方法，该专利是利用包含氢原子的微波等离子体气体，与金属表面的氧化物发生还原反应，去除金属氧化，从而提高接触可靠性，减少接触电阻。但该发明应用于芯片封装过程中焊料回流工艺，而且该发明只能修复金属表面的氧化层，减少接触电阻，对低介电常数的介质损伤无改善作用。因此，如何找到一种方法可以实现快速、廉价、可靠地减少或消除化学机械研磨后的表层损伤，获得无损伤的低接触电阻，低寄生电容的互连结构成为一个半导体业界亟待解决的重要技术难题。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的是提供一种减少化学机械研磨后铜互连结构材料损伤的方法，通过在化学机械研磨后进行一系列后处理，可以可控地去除已经受到损伤的互连结构表层，并进行进一步修复，最终获得无损伤的，接触电阻较低的，寄生电容较小的互连结构。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种减少化学机械研磨后铜互连结构材料损伤的方法，其中，包括下列步骤：

选择填充低介电常数介质材料的铜互连结构作为基底，由下而上依次为低介电常数介质层、阻挡层和电镀的铜金属层；

通过化学机械研磨去除表面多余的铜和阻挡层，进行清洗干燥；

对已有介质损伤和金属材料损伤的互连结构做氧化处理，将受损结构转化为氧化层；

采用湿化学去除的方法去除受损结构转化成的氧化层；

采用还原性气氛处理，对残留的介质受损结构或金属上的金属氧化物进行处理。

上述减少化学机械研磨后铜互连结构材料损伤的方法，其中，所述对已有介质损伤和金属材料损伤的互连结构做氧化处理是选用臭氧作为氧化型气体。

上述减少化学机械研磨后铜互连结构材料损伤的方法，其中，所述的选择性湿化学去除过程的化学液选用稀释后的氢氟酸溶液。

上述减少化学机械研磨后铜互连结构材料损伤的方法，其中，所述稀释后的氢氟酸溶液中的氢氟酸：水为1:100。

上述减少化学机械研磨后铜互连结构材料损伤的方法，其中，所述还原性气氛采用氢气，氮气，氨气的混合型气体。

与已有技术相比，本发明的有益效果在于：

（1）可以获得无损伤的互连结构，介质材料能保持较低介电常数，金属互连的接触电阻比现有技术要低，性能会有很大提升；

（2）由于不存在受损缺陷层，经本发明处理后的基底与后续薄膜结合紧密，有利于互连结构的电迁移和可靠性寿命的提升，因此本发明的方法可以提高现有工艺的可靠性，产品良率和整体芯片性能。

附图说明

图1是本发明减少化学机械研磨后铜互连结构材料损伤的方法的流程示意框图；

图2a~图2d是本发明减少化学机械研磨后铜互连结构材料损伤的方法的各个流程步骤的效果示意图。

具体实施方式

下面结合原理图和具体操作实施例对本发明作进一步说明。

请参看图1所示，本发明减少化学机械研磨后铜互连结构材料损伤的方法，其中，包括下列步骤：

选择填充低介电常数介质材料的铜互连结构作为基底，如图2a所示，从下至上分别是低介电常数介质层0，包覆在介质层0与金属层2交界处的阻挡层1，以及电镀的铜金属层2。由于多余的阻挡层1和铜金属需要去除，因此后续工艺是要进行化学机械研磨，然后清洗干燥，由于化学机械研磨中有机械力的作用，会对表层的介质和金属有一定的损伤，得到如图2b的带有表层受损的结构3。研磨液也可以能渗入多孔的低介电常数薄膜中，这都会造成介电材料的变质而使相对介电常数增大，同时裸露的铜金属表面也会有一定的氧化物或与研磨液添加剂生成的金属化学物，会使接触电阻增大；

对已有介质损伤和金属材料损伤的互连结构做氧化处理，将受损结构3转化为氧化层3’，如图2c所示。因为实际生产过程中，由于图形密度分布不均，稀疏有差异，因此在化学机械研磨过程中所受的损伤也有差异，因而如果简单采用直接化学腐蚀的办法，并不能保证完全去除损伤介质。由于受损的介质层被氧化的速率较快，因此可以充分转化成氧化硅，并且可以将可能存在的残留氧化成容易被去除的氧化物。此外，氧化作用还能通过控制反应时间，反应温度，浓度等参数，调节介质层0和金属铜2表面的氧化层的厚度，达到最佳的去除损伤而对基底影响最小。最优的氧化方式为臭氧气氛处理，也可以用等离子体氧化气氛或氧气高温热处理。

而后，在高温氧化热处理完成后，将处理后的基底进行湿化学腐蚀，选择性地去除被氧化而生成的氧化硅，而保留下原始的基底，并清洗干燥处理，对低介电常数介质层0本身无损伤或很少发生化学反应。如前文所述，由于湿化学腐蚀的化学液可以很高选择性地刻蚀氧化层3’，因此对未受损的介质0和铜2损伤很低。本实例中选用的最佳化学液是HF（氢氟酸）：水为1：100的稀释氢氟酸，也可以选用其它浓度比例的，或缓冲氧化硅刻蚀液，或其他具有对低介电常数介质刻蚀弱，对氧化硅刻蚀强的高选择比化学刻蚀液。

最后，采用还原性气氛还原可能残留的氧化铜，或由于参数偶尔波动而残留的介质损伤。本实施例中采用氢气，氮气或氨气的混合气体进行还原，可以是氧化铜还原成金属铜，并使受损的微量介质层被修复，也可以加入惰性气体充当载气和调节浓度。最后完成后的效果示意图如图2d所示。

经过上述三个步骤的处理，可以有效地消除前序步骤——化学机械研磨及清洗过程中遗留下的损伤和污损。本发明也可以单独拆分使用，或两两组合使用，获得更佳的性能成本比。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但本发明并不限制于以上描述的具体实施例，其只是作为范例。对于本领域技术人员而言，任何对该减少化学机械研磨后铜互连结构材料损伤的方法进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作出的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (5)

1.一种减少化学机械研磨后铜互连结构材料损伤的方法，其特征在于，包括下列步骤：

选择填充低介电常数介质材料的铜互连结构作为基底，由下而上依次为低介电常数介质层、阻挡层和电镀的铜金属层；

通过化学机械研磨去除表面多余的铜和阻挡层，进行清洗干燥；

对已有介质损伤和金属材料损伤的互连结构做氧化处理，将受损结构转化为氧化层；

采用湿化学去除的方法去除受损结构转化成的氧化层；

采用还原性气氛处理，对残留的介质受损结构和金属上的金属氧化物进行处理；

其中，采用对低介电常数介质刻蚀弱，对氧化硅刻蚀强的高选择比化学刻蚀液进行上述湿化学去除受损结构转化成的氧化层。

2.根据权利要求1所述的减少化学机械研磨后铜互连结构材料损伤的方法，其特征在于，所述对已有介质损伤和金属材料损伤的互连结构做氧化处理是选用臭氧作为氧化型气体。

3.根据权利要求1所述的减少化学机械研磨后铜互连结构材料损伤的方法，其特征在于，所述湿化学去除过程的化学液选用稀释后的氢氟酸溶液。

4.根据权利要求3所述的减少化学机械研磨后铜互连结构材料损伤的方法，其特征在于，所述稀释后的氢氟酸溶液中的氢氟酸：水的浓度比例为1:100。

5.根据权利要求1所述的减少化学机械研磨后铜互连结构材料损伤的方法，其特征在于，所述还原性气氛采用氢气，氮气，氨气的混合型气体。