CN102790009B - 降低铜电镀工艺中边缘效应的方法及铜互连结构制造方法 - Google Patents

Abstract

一种降低铜电镀工艺中边缘效应的方法及其对应的铜互连结构制造方法。其中，降低铜电镀工艺中边缘效应的方法包括：在基底表面形成第一金属籽晶层；对所述第一金属籽晶层进行退火处理；在所述第一金属籽晶层表面形成第二金属籽晶层；在所述第二金属籽晶层表面形成铜金属层。本发明在阻挡层表面形成两层金属籽晶层，并对所述第一金属籽晶层进行退火处理，经过退火处理后所述第一金属籽晶层的金属晶粒会凝集成团，晶界数目变少，第一金属籽晶层的电阻减小，从而使得第一金属籽晶层和第二金属籽晶层的总电阻也减小，降低了铜电镀工艺中的边缘效应。

Description

降低铜电镀工艺中边缘效应的方法及铜互连结构制造方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及降低铜电镀工艺中边缘效应的方法及其对应的铜互连结构制造方法。

背景技术

在现有技术中，利用双大马士革工艺制作铜互连结构的方法包括以下步骤：在衬底表面形成阻挡层；在阻挡层表面形成一层铜籽晶层；利用电镀工艺在金属籽晶层表面形成铜金属层；利用化学机械抛光(CMP)平坦化铜金属层。

现有技术中电镀铜的装置的结构示意图请参考图1，包括：充满硫酸铜溶液18的电镀容器11；电镀容器11的一面设置有作为阳极的铜片16，在铜片16相对的另一面设置有作为阴极的晶圆12，所述铜片16和晶圆12完全浸没在硫酸铜溶液18中；外电源17的正极电连接铜片16，外电源17的负极利用环形电极电连接在晶圆12的边缘位置121。在电镀过程中，铜片16发生氧化反应形成金属铜离子，所述金属铜离子在晶圆12的表面被还原成金属铜原子并沉积形成铜金属层，在晶圆12表面沉积铜金属的速率与电流密度的大小有关。

由于容器中间硫酸铜溶液的电阻15加晶圆边缘到晶圆中心的电阻13之和比容器边缘硫酸铜溶液的电阻14要大，晶圆中心位置122的电流密度比晶圆边缘位置121的电流密度要小，晶圆中心位置122的铜沉积速度比晶圆边缘位置121的铜沉积速度要小，导致最后在晶圆中心位置的铜金属层比在晶圆边缘位置的铜金属层要薄，这就是所谓的边缘效应(terminal effect)。

随着半导体器件集成度的不断增加、特征尺寸的不断减小，铜籽晶层的厚度也在不断减小，铜籽晶层的电阻会不断增大，晶圆边缘到晶圆中心的电阻值也会不断增大，受到边缘效应的影响也更大，更难控制铜金属层的均匀性。

而且，相对于200mm的晶圆，300mm的晶圆会因为更大的半径，晶圆边缘到晶圆中心的电阻更大，受到边缘效应的影响也更大，也更难控制铜金属层的均匀性。

公开号为US2005/0153548的美国专利文件公开了一种在铜电镀工艺中降低边缘效应的方法，流程图请参考图2，具体包括：步骤S101，在刻蚀好的介质层表面形成阻挡层；步骤S102，在阻挡层表面形成银籽晶层，形成银籽晶层的方法为把形成有阻挡层的晶圆放入含有NH₃和AgNO₃的溶液，在加热的条件下，利用一种还原剂在旋转的晶圆表面形成银籽晶层；步骤S103，利用电镀工艺在银籽晶层表面形成一层铜；步骤S104，对晶圆进行退火处理，然后用化学机械平坦(CMP)工艺清除额外的铜，形成铜互连层。

由于银的电阻率(1.5μΩ/cm)低于铜的电阻率(1.6μΩ/cm)，利用银做籽晶层可降低籽晶层的电阻，有利于减小铜在电镀时受边缘效应(terminaleffect)的影响。

但是银的电阻率比铜的电阻率并没有相差太多，籽晶层电阻值的降低幅度有限，并且银的价格比铜的价格高得多，不利于控制生产成本，而且所述现有技术需要增加额外的工艺步骤(把晶圆放入溶液中进行反应，旋转晶圆等)和额外的用于还原反应的物质(AgNO₃、还原剂等)，更容易造成晶圆沾污，且提高了工艺复杂度和生产成本。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种能大幅减小金属籽晶层的电阻，降低铜电镀工艺中的边缘效应的方法及其对应的铜互连结构制造方法。

为解决上述问题，本发明技术方案提供了一种降低铜电镀工艺中边缘效应的方法，包括以下步骤：

在基底表面形成第一金属籽晶层；

对所述第一金属籽晶层进行退火处理；

在所述第一金属籽晶层表面形成第二金属籽晶层；

在所述第二金属籽晶层表面形成铜金属层。

可选的，所述第一金属籽晶层的材料为铜、银、金、铜合金、银合金或金合金。

可选的，所述第一金属籽晶层厚度为10nm～40nm。

可选的，所述退火处理为低温退火工艺。

可选的，当所述第一金属籽晶层的材料为铜时，所述退火处理的工艺参数为：退火温度为150℃～400℃，退火时间为30s～180s，所述退火处理过程中O₂含量小于5ppm。

可选的，所述第二金属层籽晶层的材料为铜、银、金、铜合金、银合金或金合金。

可选的，所述第二金属籽晶层厚度为5nm～20nm。

本发明技术方案还提供一种铜互连结构制造方法，包括：

提供衬底，在所述衬底表面形成介质层；

在所述介质层内形成沟槽；

在所述介质层表面、所述沟槽的侧壁和底部形成阻挡层；

在所述阻挡层表面形成第一金属籽晶层；

对所述第一金属籽晶层进行退火处理；

在所述第一金属籽晶层表面形成第二金属籽晶层；

在所述第二金属籽晶层表面形成填充所述沟槽的铜金属层；

平坦化铜金属层、第一金属籽晶层、第二金属籽晶层、阻挡层直至暴露出介质层，形成铜互连结构。

可选的，所述第一金属籽晶层、第二金属籽晶层的材料为铜。

可选的，所述退火处理的工艺参数为：退火温度为150℃～400℃，退火时间为30s～180s，所述退火处理过程中O₂含量小于5ppm。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

在阻挡层表面形成两层金属籽晶层，并对所述第一金属籽晶层进行退火处理。经过退火处理后所述第一金属籽晶层的金属晶粒会凝集成团，从而使所述第一金属籽晶层内晶界变少。由于晶界会造成载流子的散射，所以晶界的电阻率远大于晶粒内部的电阻率，晶界的减少使得所述第一金属籽晶层的电阻减小，从而所述第一金属籽晶层和第二金属籽晶层的总电阻也减小，降低了铜电镀工艺中的边缘效应。

本发明利用现有的铜互连制造工艺，将现有的沉积金属籽晶层的工艺替换为沉积第一金属籽晶层并对第一金属籽晶层进行退火处理，在所述第一金属籽晶层表面沉积第二金属籽晶层三个步骤，即可达到降低铜电镀工艺中的边缘效应的目的，没有增加工艺复杂度。

附图说明

图1是现有技术中电镀铜的装置的结构示意图；

图2是现有技术中降低铜电镀工艺中边缘效应的方法的流程示意图；

图3是本发明的降低铜电镀工艺中边缘效应的方法的流程示意图；

图4是本发明铜互连结构制造方法的流程示意图；

图5至图11是本发明铜互连结构制造方法的剖面结构示意图。

具体实施方式

在现有的铜互连制造工艺中，随着金属籽晶层厚度的减小，所述金属籽晶层的电阻在不断增大，电镀生成的铜金属层的均匀性变差。为了减小金属籽晶层的电阻，提高电镀生成的铜金属层的均匀性，发明人通过在阻挡层表面形成两层金属籽晶层，并对第一金属籽晶层进行退火处理，使得第一金属籽晶层的电阻减小，从而整个金属籽晶层的总电阻也会相应减小，提高了电镀生成的铜金属层的均匀性。

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

本发明提供一种降低铜电镀工艺中边缘效应的方法，具体流程图请参照图3，包括以下步骤：步骤S201，在基底表面形成第一金属籽晶层；步骤S202，对所述第一金属籽晶层进行退火处理；步骤S203，在所述第一金属籽晶层表面形成第二金属籽晶层；步骤S204，在所述第二金属籽晶层表面形成铜金属层。

执行步骤S201，在基底表面形成第一金属籽晶层。

所述基底为表面形成有阻挡层的基片，所述基片可以为多层基片(如覆盖有介质层和金属层的硅衬底)、单层基片、绝缘体上硅基片、含有电路的基片等，所述阻挡层材料可以为钽、氮化钽、钛、氮化钛、氮化钨中的一种或几种，其作用是为了防止后续形成的金属层与基片的介质层发生反应，阻止所述金属材料和介质材料之间互相扩散，并使得介质层和金属层之间有较好的粘附性。

所述阻挡层沉积在介质层表面，可以为单层结构或多层叠加结构。形成所述阻挡层的工艺为常规沉积工艺，包括物理气相沉积(PVD)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)等。

所述的第一金属籽晶层的材料为铜、银、金、铜合金、银合金或金合金，从成本、电阻率、工艺成熟度等各方面综合考虑，本发明实施例的第一金属籽晶层的材料为铜。形成所述第一金属籽晶层的工艺为物理气相沉积(PVD)工艺，形成的第一金属籽晶层的厚度为10nm～40nm，由于利用PVD沉积金属籽晶层的技术为本领域技术人员公知技术，在此不加详述。

执行步骤S202，对所述第一金属籽晶层进行退火处理。

由于晶粒的晶界会散射载流子，电阻较大，而晶粒内部电阻较小，所以金属籽晶层电阻的大小主要与晶界的数量即晶粒的数量有关。所述第一金属籽晶层内的晶粒经过退火处理后会凝聚成团，晶粒的数量会明显减小，使得金属籽晶层电阻也减小，电阻减小幅度可达到10％～20％。

所述退火工艺是采用低温退火工艺。本实施例中采用的退火工艺为将形成有第一金属籽晶层的晶圆放入150℃～400℃的退火炉中退火30s～180s，退火炉中气体的O₂含量小于5ppm。

退火温度之所以要设置在150℃～400℃之间，是因为如果退火温度低于150℃，就会导致金属籽晶层的晶粒不能凝聚成团，从而无法减少晶粒的数量，不能实现降低金属籽晶层电阻的目的；如果温度高于400℃，会导致晶圆上前端制作的器件失效。

O₂的含量之所以要小于5ppm，由于高的O₂的含量会使金属籽晶层表面发生氧化，反而提高了金属籽晶层的电阻。本实施例中，退火炉中的气体为氮气、氢气的混合气体，可选的，对第一金属籽晶层的退火处理也可在真空环境中进行。

执行步骤S203，在所述第一金属籽晶层表面形成第二金属籽晶层。

由于第一金属籽晶层的晶粒经过退火处理后凝聚成团，所述第一金属籽晶层的表面变得非常粗糙，直接在第一金属籽晶层上电镀铜金属层会导致电镀的铜金属层与籽晶层之间粘附性很差，容易与籽晶层脱离；并且直接在粗糙的金属籽晶层表面电镀铜金属层会产生空洞，影响铜互连的电性能和可靠性。因此，有必要在退火后的第一金属籽晶层表面形成第二金属籽晶层。

所述的第二金属籽晶层的材料为铜、银、金、铜合金、银合金或金合金，从成本、电阻率、工艺成熟度等各方面综合考虑，本发明实施例的第二金属籽晶层的材料为铜。形成所述第二金属籽晶层的工艺为物理气相沉积(PVD)工艺，形成的第二金属籽晶层的厚度为5nm～20nm。

当第一金属籽晶层和第二金属籽晶层的总厚度和现有技术中形成的金属籽晶层的厚度相同，且籽晶层的材料相同时，由于第一金属籽晶层的电阻降低，所述第一金属籽晶层和第二金属籽晶层的总电阻比现有技术中金属籽晶层的电阻要小，并且所述第一金属籽晶层越厚，第二金属籽晶层越薄，总的电阻也就越小。但由于所述第二金属籽晶层是用来覆盖粗糙的第一金属籽晶层表面，形成光滑的金属籽晶层表面，所以第二金属籽晶层不能太薄，因此本实施例中的所述第二金属籽晶层的厚度大于等于5nm。

执行步骤S204，在所述第二金属籽晶层表面形成铜金属层。

在所述第二金属籽晶层表面形成铜金属层的工艺为电镀工艺，具体请参考图1，所述电镀工艺包括将形成有第二金属籽晶层的晶圆和铜阳极沉浸于硫酸铜溶液中，所述晶圆电连接外电源的负极，所述铜阳极电连接外电源的正极，位于铜阳极的铜原子发生氧化反应形成金属铜离子，位于第二金属籽晶层表面附近的金属铜离子进行还原反应，生成的铜原子沉积在所述第二金属籽晶层表面形成铜金属层。由于利用电镀形成铜金属层的工艺为本领域技术人员公知技术，在此不加详述。

所述外电源的负极是电连接在晶圆的边缘，由于晶圆边缘到晶圆中心的电阻的存在，晶圆边缘的电流密度比晶圆中心的电流密度要大，由此会造成形成的铜金属层的均匀性变差。利用所述减小金属籽晶层电阻的方法，金属籽晶层的电阻明显减小，晶圆边缘到晶圆中心的电阻也随之减小，晶圆中心的电流密度与晶圆边缘的电流密度的差距也随之缩小，形成的铜金属层的均匀性就能得到改善，从而降低铜电镀工艺中的边缘效应。

本发明还提供一种铜互连结构制造方法，具体流程图请参照图4，包括以下步骤：步骤S301，提供衬底，在所述衬底表面形成介质层；步骤S302，在所述介质层内形成沟槽；步骤S303，在所述介质层表面、所述沟槽的侧壁和底部形成阻挡层；步骤S304，在所述阻挡层表面形成第一金属籽晶层；步骤S305，对所述第一金属籽晶层进行退火处理；步骤S306，在所述第一金属籽晶层表面形成第二金属籽晶层；步骤S307，在所述第二金属籽晶层表面形成填充所述沟槽的铜金属层；步骤S308，平坦化铜金属层、第一金属籽晶层、第二金属籽晶层、阻挡层直至暴露出介质层，形成铜互连结构。

图5至图11为本发明中铜互连结构制造方法的剖面结构示意图。

请参考图5，执行步骤S301，提供衬底100，在所述衬底100表面形成介质层110。

所述衬底100可以为多层基片(如覆盖有介质层和金属层的硅衬底)、单层基片、绝缘体上硅基片、含有电路的基片等。由于本发明目的是降低金属籽晶层的电阻，因此衬底的类型不应过分限制本发明的保护范围。

所述介质层110是用于对芯片上的导线和导线之间的隔离，介质层的厚度为100nm到4000nm。所述介质层110可以是形成金属层前的介质层，也可以是金属层间介质层。

所述介质层110的材料通常为氧化硅或者掺杂的氧化硅，在130nm及以下工艺时，介质层110一般选用低k介质材料。形成所述介质层110的工艺为常规沉积工艺，包括物理气相沉积(PVD)、化学气相带沉积(CVD)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)等。由于形成介质层的工艺为本领域技术人员公知技术，在此不加详述。

请参考图6，执行步骤S302，在所述介质层110内形成沟槽120。

在所述介质层110内形成沟槽120的工艺包括在介质层110表面形成光刻胶层(未图示)，经曝光显影工艺后，光刻胶层内形成沟槽的开口图形；以光刻胶为掩膜，沿开口图形采用干法刻蚀技术在介质层110内刻蚀出沟槽120。

在其他实施例中，在所述介质层表面形成光刻胶图形之前，通常还会在所述介质层表面形成底部反射层(未示出)，所述底部反射层的作用主要为：防止光线通过光刻胶后在晶圆界面发生反射，避免反射的光线与入射光发生干涉，使得光刻胶曝光不均匀。

请参考图7，执行步骤S303，在所述介质层110表面、所述沟槽120的侧壁和底部表面形成阻挡层130。

所述阻挡层的作用是为了防止后续形成的金属层与阻挡层下的介质层发生反应，阻止所述金属材料和介质材料之间互相扩散，并使得介质层和金属层之间有较好的粘附性。

所述阻挡层沉积在介质层表面，可以为单层结构或多层叠加结构。阻挡层材料可以为钽、氮化钽、钛、氮化钛、氮化钨中的一种或几种，形成所述阻挡层的工艺为常规沉积工艺，包括物理气相沉积(PVD)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)等。

在本实施例中，阻挡层130采用双层叠加结构，所述介质层110表面、所述沟槽120的侧壁和底部表面，利用PVD工艺沉积形成一层钽，然后采用MOCVD工艺在钽层表面形成氮化钽。

请参考图8，执行步骤S304，在阻挡层130表面形成第一金属籽晶层140。

所述的第一金属籽晶层的材料为铜、银、金、铜合金、银合金或金合金，在本实施例中，第一金属籽晶层的材料为铜。形成所述第一金属籽晶层的工艺为物理气相沉积(PVD)工艺，形成的第一金属籽晶层的厚度为10nm～40nm，由于PVD沉积金属籽晶层为本领域技术人员公知技术，在此不加详述。

执行步骤S305，对所述第一金属籽晶层进行退火处理。

所述退火工艺是采用低温退火工艺。本实施例中采用的退火工艺为将形成有第一金属籽晶层的晶圆放入150℃～400℃的退火炉中退火30s～180s，退火炉中气体的O₂含量小于5ppm。

退火温度之所以要设置在150℃～400℃之间，是因为如果退火温度低于150℃，就会导致金属籽晶层的晶粒不能凝聚成团，从而无法减少晶粒的数量，不能实现降低金属籽晶层电阻的目的；如果温度高于400℃，会导致晶圆上前端制作的器件失效。

O₂的含量之所以要小于5ppm，由于高的O₂的含量会使金属籽晶层表面发生氧化，反而提高了金属籽晶层的电阻。本实施例中，退火炉中的气体为氮气、氢气的混合气体，可选的，对第一金属籽晶层的退火处理也可在真空环境中进行。

请参考图9，执行步骤S306，在所述第一金属籽晶层140表面形成第二金属籽晶层150。

由于第一金属籽晶层140的晶粒经过退火处理后凝聚成团，所述第一金属籽晶层140的表面变得非常粗糙，直接在第一金属籽晶层140上电镀铜金属层会导致电镀的铜金属层与籽晶层之间粘附性很差，容易与籽晶层脱离；并且直接在粗糙的金属籽晶层表面电镀铜金属层会产生空洞，影响铜互连的电性能和可靠性。因此，有必要在退火后的第一金属籽晶层表面形成第二金属籽晶层。

所述的第二金属籽晶层的材料为铜、银、金、铜合金、银合金或金合金，在本实施例中，第二金属籽晶层的材料为铜。形成所述第二金属籽晶层的工艺为物理气相沉积(PVD)工艺，形成的第二金属籽晶层的厚度为5nm～20nm。

请参照图10，执行步骤S307，在所述第二金属籽晶层150表面形成填充所述沟槽120的铜金属层160。

在所述第二金属籽晶层表面形成铜金属层的工艺为电镀工艺。所述电镀工艺包括将形成有第二金属籽晶层的晶圆和铜阳极沉浸于硫酸铜溶液中，所述晶圆电连接外电源的负极，所述铜阳极电连接外电源的正极，位于铜阳极的铜原子发生氧化反应形成金属铜离子，位于第二金属籽晶层表面附近的金属铜离子进行还原反应，生成的铜原子沉积在所述第二金属籽晶层表面形成铜金属层。由于电镀形成铜金属层的工艺为本领域技术人员公知技术，在此不加详述。

所述外电源的负极是电连接在晶圆的边缘，由于晶圆边缘到晶圆中心的电阻的存在，晶圆边缘的电流密度比晶圆中心的电流密度要大，由此会造成形成的铜金属层的均匀性变差。利用所述减小金属籽晶层电阻的方法，金属籽晶层的电阻明显减小，晶圆边缘到晶圆中心的电阻也随之减小，晶圆中心的电流密度与晶圆边缘的电流密度的差距也随之缩小，由于降低铜电镀工艺中的边缘效应，形成的铜金属层的均匀性就能得到改善。

请参照图11，执行步骤S308，平坦化铜金属层、第一金属籽晶层、第二金属籽晶层、阻挡层直至暴露出介质层，形成铜互连结构。

平坦化铜金属层160、第一金属籽晶层140、第二金属籽晶层150、钝化层130和直至暴露出介质层110的工艺为化学机械抛光工艺，具体步骤包括：先去除预定厚度的铜金属层160，使铜金属层160与第二金属籽晶层150的顶部接近齐平；然后对第二金属籽晶层150、第一金属籽晶层140和阻挡层130进行研磨，除去介质层110顶部表面的第二金属籽晶层150、第一金属籽晶层140和阻挡层130，直到暴露出介质层110；最后再研磨一部分介质层110，使介质层110的顶部表面完全没有金属，形成铜互连结构。由于介质层110的顶部表面的金属被完全除去，从而有效地防止金属残留而导致的短路现象，提高了铜互连结构的电性能和可靠性。由于化学机械抛光平坦化介质层和金属层的工艺为本领域技术人员公知技术，在此不加详述。

本发明的实施例虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明的实施例，任何本领域技术人员在不脱离本发明实施例的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明实施例的技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明实施例的技术方案的内容，依据本发明实施例的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明实施例的技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种降低铜电镀工艺中边缘效应的方法，包括：

在基底表面形成第一金属籽晶层；

对所述第一金属籽晶层进行退火处理，使第一金属籽晶层的金属晶粒凝集成团，从而使所述第一金属籽晶层的电阻下降，且退火处理后的第一金属籽晶层的表面粗糙，所述退火处理的工艺参数为：退火温度为150℃～400℃，退火时间为30s～180s，所述退火处理过程中O₂含量小于5ppm；

在所述第一金属籽晶层表面形成第二金属籽晶层；

采用电镀工艺在所述第二金属籽晶层表面形成铜金属层。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一金属籽晶层的材料为铜、银、金、铜合金、银合金或金合金。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一金属籽晶层厚度为10nm～40nm。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述退火处理为低温退火工艺。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二金属层籽晶层的材料为铜、银、金、铜合金、银合金或金合金。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二金属籽晶层厚度为5nm～20nm。

7.一种铜互连结构制造方法，包括：

提供衬底，在所述衬底表面形成介质层；

在所述介质层内形成沟槽；

在所述介质层表面、所述沟槽的侧壁和底部形成阻挡层；

在所述阻挡层表面形成第一金属籽晶层；

对所述第一金属籽晶层进行退火处理，使第一金属籽晶层的金属晶粒凝集成团，从而使所述第一金属籽晶层的电阻下降，且退火处理后的第一金属籽晶层的表面粗糙，所述退火处理的工艺参数为：退火温度为150℃～400℃，退火时间为30s～180s，所述退火处理过程中O₂含量小于5ppm；

在所述第一金属籽晶层表面形成第二金属籽晶层；

采用电镀工艺在所述第二金属籽晶层表面形成填充所述沟槽的铜金属层；

平坦化铜金属层、第一金属籽晶层、第二金属籽晶层、阻挡层直至暴露出介质层，形成铜互连结构。

8.如权利要求7所述铜互连结构制造方法，其特征在于，所述第一金属籽晶层、第二金属籽晶层的材料为铜。