CN105990221A - 形成金属互连的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种形成金属互连的方法，在原子层沉积前，首先利用预清洁步骤，将接触孔底部暴露的金属铜表面的氧化铜去除，然后通过预处理步骤，使接触孔底部暴露的金属铜表面悬挂氢键，由于氮化钽在悬挂氢键的金属铜表面成核困难，因此，在接触孔侧壁形成第一扩散阻挡层时，在经过预清洁和预处理后的接触孔底壁表面不会形成第一扩散阻挡层，由此，降低了接触电阻。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种形成金属互连的方法。
背景技术
随着半导体制造工艺的发展，半导体芯片的面积越来越小，同时，在一个半导体芯片上的半导体器件的数量也越来越多。在半导体电路中，半导体器件之间的信号传输需要高密度的金属互连线，然而这些金属互连线带来的大电阻和寄生电容已经成为限制半导体电路速度的主要因素。
在传统的半导体工艺中，由于金属铜相比具有较小的电阻值，以及更高的抗电迁移能力，采用金属铜互连线可提高半导体器件之间信号的传输速度；在另一方面，低介电常数绝缘材料(low k)被用作金属层间的介质层，减少了金属层之间的寄生电容。
但是以金属铜用作互连线在实际应用时也存在着相应的问题，由于金属铜的扩散性很高，使用金属铜填充接触孔(via)时，接触孔中的铜原子很容易扩散入介质层，导致介质层的性能降低，影响半导体器件的性能。
现有技术中为了解决铜互连线的扩散现象通常在接触孔底壁及侧壁表面形成扩散阻挡层，作为现有技术的典型实施例如图1a～1b所示：在互连金属层10表面沉积低介电常数绝缘材料形成介质层11后，在介质层11中形成接触孔12，利用PVD(PhysicalVapor Deposition，物理气相沉积)沉积扩散阻挡层13，如金属钽和/或氮化钽；沉积金属铜14，以填充接触孔12；最后执行化学机械研磨暴露介质层11表面，并高温退火。利用上述工艺，虽然能够实现避免金属铜互连线扩散至介质层，但是，由于物理气相沉积的阶梯覆盖能力在接触孔侧壁最差，为保证侧壁有足够厚度的氮化钽存在以满足防止金属铜扩散，因此，接触孔侧壁处的氮化钽厚度不能太薄，在满足上述需求的同时，接触孔底部的氮化钽会生长比较厚，由于氮化钽电阻比较高，这样就导致比较高的接触电阻，影响器件性能。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种形成金属互连的方法，在避免金属铜金属线向介质层扩散的同时，降低接触电阻。
本发明提供了一种形成金属互连的方法，包括：
提供包括互连金属层的基底，所述互连金属层的材料为金属铜；
在所述互连金属层的表面形成介质层；
于所述介质层中形成底部暴露所述互连金属层表面的接触孔；
对暴露的互连金属层表面进行预清洁，以去除所述互连金属层表面的氧化铜；
对暴露的互连金属层表面进行预处理，以使暴露的所述互连金属层表面的铜悬挂氢键；
采用原子层沉积氮化钽，以使所述接触孔侧壁形成第一扩散阻挡层；
沉积金属铜以填充所述接触孔；
执行化学机械研磨，以暴露所述介质层表面。
进一步，在采用原子层沉积氮化钽，以使所述接触孔侧壁形成第一氮化钽层之后，沉积金属铜以填充所述接触孔之前还包括采用物理气相沉积氮化钽和/或金属钽，以在所述第一扩散阻挡层和所述接触孔底壁上形成第二扩散阻挡层的步骤。
进一步，对暴露的互连金属层表面进行预清洁包括：在第一处理室内通入惰性气体，以惰性气体的等离子体轰击暴露的互连金属层表面。
进一步，所述惰性气体包括氩气、氦气和氖气的混合气体，气体流量为4-100sccm，偏置电压为500-1500V，控制功率为200-500W，气压为0.5-10torr，控制温度为0-50℃。
进一步，对暴露的互连金属层表面进行预处理，以使暴露的所述互连金属层表面的铜悬挂氢键包括：在第二处理室内，通入氢气和氢自由基的混合气体，并对所述基底进行退火处理。
进一步，所述混合气源中，所述氢自由基体积比为5％-10％，所述混合气体的流量为100-800sccm，所述处理时间为30-100秒。
进一步，采用原子层沉积氮化钽，以使所述接触孔侧壁形成第一扩散阻挡层包括：
步骤1：在第三处理室，通入含钽前驱体；
步骤2：通入惰性气体对所述基底执行第一次惰性气体吹扫；
步骤3：通入含氮前驱体与所述含钽前驱体反应生成氮化钽；
步骤4：再次通入惰性气体对所述基底执行第二次惰性气体吹扫；
循环执行步骤1至步骤4至预定次数，以使所述接触孔侧壁形成预定厚度的第一扩散阻挡层。
进一步，所述含钽前驱体为五(二甲氨基)钽；所述含氮前驱体为氨气。
进一步，所述第一扩散阻挡层的预定厚度为小于等于10埃。
采用本发明提供的形成金属互连的方法，在原子层沉积前，首先利用预清洁步骤，将接触孔底部暴露的金属铜表面的氧化铜去除，然后通过预处理步骤，使接触孔底部暴露的金属铜表面悬挂氢键，由于氮化钽在悬挂氢键的金属铜表面成核困难，因此，在接触孔侧壁形成第一扩散阻挡层时，在经过预清洁和预处理后的接触孔底壁表面不会形成第一扩散阻挡层，由此，降低了接触电阻。
附图说明
图1a至图1b为现有技术中反向工艺流程的结构示意图；
图2为本申请研磨方法流程示意图；
图3a-3f为本申请研磨方法典型实施例的流程结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。
本发明是基于以下考虑实现的：
金属铜互连线向介质层扩散是由于接触孔的侧壁与金属铜互连线直接接触，通过在接触孔的侧壁表面形成扩散阻挡层是避免金属铜扩散至介质层的主要手段，然而，现有技术使用PVD进行扩散阻挡层的沉积不能做到选择性沉积，并且由于现有的PVD工艺的限制，在同一PVD制程过程中，接触孔底壁沉积的扩散阻挡层较接触孔侧壁厚度更厚，而厚度增加的扩散阻挡层如氮化钽，会导致接触电阻的增加。因此，降低接触电阻的关键在于找到合适的工艺实现氮化钽的选择性沉积。
由上述考虑，本申请提供了一种形成金属互连的方法，如图2所示，包括：
提供包括互连金属层的基底，所述互连金属层的材料为金属铜；
在所述互连金属层的表面形成介质层；
于所述介质层中形成底部暴露所述互连金属层表面的接触孔；
对暴露的互连金属层表面进行预清洁，以去除所述互连金属层表面的氧化铜；
对暴露的互连金属层表面进行预处理，以使暴露的所述互连金属层表面的铜悬挂氢键；
采用原子层沉积氮化钽，以使所述接触孔侧壁形成第一扩散阻挡层；
沉积金属铜以填充所述接触孔；
执行化学机械研磨，以暴露所述介质层表面。
以下结合附图3a～3f对本申请进行详细说明：
如图3a所示，提供包括互连金属层21的基底20，互连金属层21的材料为金属铜；在互连金属层21的表面形成介质层22，介质层22优选采用低介电常数绝缘材料(low k)；在介质层22中形成底部暴露互连金属层21表面的接触孔23；本领域技术人员常用的，可以在介质层22上形成光刻胶，并对光刻胶进行图案化后，以图案化的光刻胶作为掩膜，对介质层22进行干法刻蚀，如等离子刻蚀，由此可形成接触孔23，在此不再赘述。
如图3b所示，由于暴露的互连金属层表面的铜会于空气中的氧气接触发生反应，生成氧化铜，而后续原子层沉积形成的氮化钽在氧化铜表面容易成核，因此，需对暴露的互连金属层表面进行预清洁，以去除互连金属层21表面的氧化铜；在本实施例中，优选的在第一处理室内通入惰性气体，以惰性气体的等离子体轰击暴露的互连金属层21表面，以去除互连金属层21表面的氧化铜，惰性气体包括氩气、氦气和氖气的混合气体，气体流量为4-100sccm，偏置电压为500-1500V，控制功率为200-500W，气压为0.5-10torr，控制温度为0-50℃；
如图3c所示，对暴露的互连金属层21表面进行预处理，以使暴露的互连金属层21表面的铜悬挂氢键；在本实施例中，在第二处理室内，通入氢气和氢自由基的混合气体，并对基底20进行退火处理，优选的，混合气体中，氢自由基体积比为5％-10％，混合气体的流量为100-800sccm，处理时间为30-100秒。
如图3d所示，采用原子层沉积氮化钽，以使所述接触孔侧壁形成第一扩散阻挡层；在本实施例中，形成第一扩散阻挡层的步骤包括：
步骤1：在第三处理室，通入含钽前驱体；
步骤2：通入惰性气体对基底20执行第一次惰性气体吹扫；
步骤3：通入含氮前驱体与含钽前驱体反应生成氮化钽；
步骤4：再次通入惰性气体对基底20执行第二次惰性气体吹扫；
循环执行步骤1至步骤4至预定次数，以使接触孔侧壁形成预定厚度的第一扩散阻挡层24；作为优选的，含钽前驱体为五(二甲氨基)钽(PDMAT)；含氮前驱体为氨气(NH3)；第一扩散阻挡层24的预定厚度小于等于10埃；由于暴露的互连金属层21表面去除了易于氮化钽成核的氧化铜，并使得暴露的互连金属层21表面的金属铜悬挂氢键，从而在原子层沉积氮化钽时，可以实现选择性沉积，沉积的由氮化钽组成的第一扩散阻挡层24只形成于接触孔23的侧壁处；
由于采用原子层沉积的第一扩散阻挡层24的致密性低于传统的物理气相沉积的扩散阻挡层，在本实施例中，优选的，如图3e所示，在采用原子层沉积氮化钽，以使接触孔侧壁形成第一氮化钽层24之后，采用物理气相沉积氮化钽和/或金属钽，以在第一扩散阻挡层24和接触孔23底壁上形成第二扩散阻挡层25的步骤；
如图3f所示，沉积金属铜以填充接触孔23，并执行化学机械研磨，以暴露介质层22表面，高温退火，从而形成互连金属线26。
采用本发明提供的形成金属互连的方法，在原子层沉积前，首先利用预清洁步骤，将接触孔底部暴露的金属铜表面的氧化铜去除，然后通过预处理步骤，使接触孔底部暴露的金属铜表面悬挂氢键，由于氮化钽在悬挂氢键的金属铜表面成核困难，因此，在接触孔侧壁形成第一扩散阻挡层时，在经过预清洁和预处理后的接触孔底壁表面不会形成第一扩散阻挡层，由此，降低了接触电阻。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
Claims (9)
1.一种形成金属互连的方法，其特征在于，包括：
提供包括互连金属层的基底，所述互连金属层的材料为金属铜；
在所述互连金属层的表面形成介质层；
于所述介质层中形成底部暴露所述互连金属层表面的接触孔；
对暴露的互连金属层表面进行预清洁，以去除所述互连金属层表面的氧化铜；
对暴露的互连金属层表面进行预处理，以使暴露的所述互连金属层表面的铜悬挂氢键；
采用原子层沉积氮化钽，以使所述接触孔侧壁形成第一扩散阻挡层；
沉积金属铜以填充所述接触孔；
执行化学机械研磨，以暴露介质层表面，并高温退火。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在采用原子层沉积氮化钽，以使所述接触孔侧壁形成第一氮化钽层之后，沉积金属铜以填充所述接触孔之前还包括采用物理气相沉积氮化钽和/或金属钽，以在所述第一扩散阻挡层和所述接触孔底壁上形成第二扩散阻挡层的步骤。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对暴露的互连金属层表面进行预清洁包括：在第一处理室内通入惰性气体，以惰性气体的等离子体轰击暴露的互连金属层表面。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述惰性气体包括氩气、氦气和氖气的混合气体，气体流量为4-100sccm，偏置电压为500-1500V，控制功率为200-500W，气压为0.5-10torr，控制温度为0-50℃。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对暴露的互连金属层表面进行预处理，以使暴露的所述互连金属层表面的铜悬挂氢键包括：在第二处理室内，通入氢气和氢自由基的混合气体，并对所述基底进行退火处理。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述混合气体中，所述氢自由基体积比为5％-10％，所述混合气体的流量为100-800sccm，所述处理时间为30-100秒。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，采用原子层沉积氮化钽，以使所述接触孔侧壁形成第一扩散阻挡层包括：
步骤1：在第三处理室，通入含钽前驱体；
步骤2：通入惰性气体对所述基底执行第一次惰性气体吹扫；
步骤3：通入含氮前驱体与所述含钽前驱体反应生成氮化钽；
步骤4：再次通入惰性气体对所述基底执行第二次惰性气体吹扫；
循环执行步骤1至步骤4至预定次数，以使所述接触孔侧壁形成预定厚度的第一扩散阻挡层。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述含钽前驱体为五(二甲氨基)钽；所述含氮前驱体为氨气。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一扩散阻挡层的预定厚度为小于等于10埃。
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