CN107564852B - 铜结构的热处理方法及三维存储器的形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铜结构热处理方法及三维存储器形成方法，该热处理方法包括：提供加热结构，加热结构具有一密封腔，密封腔的腔壁上设置有加热元件，且加热结构的密封腔中具有支架；将至少一个晶圆放置在支架上，在预设气体环境中，利用加热结构对晶圆进行加热，直至加热结构密封腔内的温度达到预设温度，停止对晶圆进行加热，晶圆表面具有铜结构；将晶圆在密封腔中保温预设时间；对晶圆进行冷却。相较于现有热处理方法，该热处理方法对铜结构电阻率影响不大，但明显降低了缺陷颗粒数和缺陷密度，提高了铜结构的质量，从而提高了后续化学机械研磨的稳定性；还降低了应力值，从而减弱了铜结构在后续的化学机械研磨时变形或开裂的倾向。

Description

铜结构的热处理方法及三维存储器的形成方法

技术领域

本发明涉及热处理技术领域，尤其涉及一种铜结构的热处理方法以及一种三维存储器的形成方法。

背景技术

随着半导体技术的发展，目前很多三维存储器的制作过程中都会用到电化学镀铜工艺来形成铜结构，随后进行热处理，而该热处理工艺严重影响着后续化学机械研磨的稳定性。

具体的，现有三维存储器工艺制作过程中，在对铜结构进行热处理时主要是在较高温度下进行快速热处理，具体为：将晶圆放置在一个180℃托盘中加热90秒。这种热处理方法虽然具有较高的产出比，但是热处理后形成的铜结构中存在大量的缺陷，影响了所述铜结构的质量，且影响后续化学机械研磨的效率。而且，这种热处理方法会导致铜结构中的残余应力无法充分释放，导致所述铜结构在后续的化学机械研磨时，具有变形或开裂的倾向。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种铜结构的热处理方法，以减少铜结构中存在的缺陷颗粒数，提高所述铜结构的质量，从而提高后续化学机械研磨的效率，并增大铜结构中的残余应力无法的释放，减弱所述铜结构在后续的化学机械研磨时变形或开裂的倾向。

为解决上述问题，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种铜结构的热处理方法，该方法包括：

提供加热结构，所述加热结构具有一密封腔，所述密封腔的腔壁上设置有加热元件，且所述加热结构的密封腔中具有支架；

将至少一个晶圆放置在所述支架上，在预设气体环境中，利用所述加热结构对所述晶圆进行加热，直至所述加热结构密封腔内的温度达到预设温度，停止对所述晶圆进行加热，所述晶圆表面具有铜结构；

将所述晶圆在所述密封腔中保温预设时间；

对所述晶圆进行冷却；

其中，所述预设气体环境为惰性气体环境或还原气体环境。

可选的，所述加热结构为炉管，所述加热元件为位于所述炉管腔壁上的电阻丝。

可选的，所述预设温度的取值范围为80℃-100℃，包括端点值。

可选的，所述预设时间的取值范围为30分钟-120分钟，包括端点值。

可选的，所述预设气体包括氮气、氩气和氢气中的至少一种。

可选的，所述晶圆表面内具有至少一个沟槽，所述铜结构为填充所述沟槽并覆盖所述晶圆表面的铜填充层，且所述沟槽的宽度位于20nm-30nm范围内，包括端点值。

一种三维存储器的形成方法，该方法包括：

提供基底；

在所述基底表面形成铜结构；

对所述铜结构进行热处理，所述热处理采用权利要求1-6任一项所述的热处理方法。

可选的，所述基底具有至少一个沟槽，所述铜结构为填充所述沟槽并覆盖所述晶圆表面的铜填充层，且所述沟槽的宽度位于20nm-30nm范围内，包括端点值。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本发明实施例所提供的铜结构热处理方法包括：提供加热结构，所述加热结构具有一密封腔，所述密封腔的腔壁上设置有加热元件，且所述加热结构的密封腔中具有支架；将至少一个晶圆放置在所述支架上，在预设气体环境中，利用所述加热结构对所述晶圆进行加热，直至所述加热结构密封腔内的温度达到预设温度，停止对所述晶圆进行加热，所述晶圆表面具有铜结构；将所述晶圆在所述密封腔中保温预设时间；对所述晶圆进行冷却。相较于现有热处理方法，利用本发明实施例所提供的铜结构的热处理方法获得的铜结构，对所述铜结构电阻率影响不大，但明显降低了缺陷颗粒数和缺陷密度，提高了所述铜结构的质量，从而提高了后续化学机械研磨的稳定性，还降低了应力值，从而减弱了所述铜结构在后续的化学机械研磨时，变形或开裂的倾向。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例所提供的铜结构的热处理方法流程图；

图2为铜结构热处理前、利用本发明实施例所提供的热处理方法对该铜结构处理后以及利用现有技术中的热处理方法对该铜结构进行热处理后的应力对比示意图；

图3为未经热处理、利用本发明实施例所提供的热处理方法对该铜结构处理后以及利用现有技术中的热处理方法对该铜结构进行热处理后，所述铜结构在后续化学机械研磨工艺中的移除速率和方差示意图；

图4为未经热处理的铜结构、利用本发明实施例所提供的热处理方法对该铜结构处理后以及利用现有技术中的热处理方法对该铜结构进行热处理后的方块电阻曲线示意图；

图5为未经热处理的铜结构、利用本发明实施例所提供的热处理方法对该铜结构处理后以及利用现有技术中的热处理方法对该铜结构进行热处理后并经过后续化学机械研磨工艺后的方块电阻曲线示意图；

图6为采用现有技术中的热处理方法处理并经化学机械研磨(CMP)后，所述铜结构为铜金属互联层时，所述铜结构的BFI示意图；

图7为采用本发明实施例所提供的热处理方法处理并经化学机械研磨(CMP)后，所述铜结构为铜金属互联层时，所述铜结构的BFI示意图；

图8为未经热处理就化学机械研磨(CMP)后，所述铜结构为铜金属互联层时，所述铜结构的BFI示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

正如背景技术部分所述，现有三维存储器工艺制作过程中，在对铜结构进行热处理时主要是在较高温度下进行快速热处理，但是利用这种方法热处理后形成的铜结构中存在大量的缺陷，影响了所述铜结构的质量，且影响后续化学机械研磨的效率。而且，这种热处理方法会导致铜结构中的残余应力无法充分释放，导致所述铜结构在后续的化学机械研磨时，具有变形或开裂的倾向。

有鉴于此，本发明实施例提供了一种铜结构的热处理方法，如图1所示，该热处理方法包括：

S1：提供加热结构，所述加热结构具有一密封腔，所述密封腔的腔壁上设置有加热元件，且所述加热结构的密封腔中具有支架。

在本发明的一个实施例中，所述加热结构可以只容纳一个晶圆，在本发明的另一个实施例中，所述加热结构也可以容纳多个晶圆，对多个晶圆同时进行热处理，以提高热处理的效率，本发明对此并不做限定，具体视情况而定。

具体的，在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述加热结构为炉管，所述加热元件为位于所述炉管腔壁上的电阻丝。

S2：将至少一个晶圆放置在所述支架上，在预设气体环境中，利用所述加热结构对所述晶圆进行加热，直至所述加热结构密封腔内的温度达到预设温度，停止对所述晶圆进行加热，所述晶圆表面具有铜结构。

具体的，在本发明实施例中，所述晶圆初始放进所述加热结构中时，所述加热结构中是常温，对所述加热结构时，是利用所述加热结构中的加热元件(即所述炉管中的电阻丝)对所述加热结构中的密封腔进行加热，通过所述密封腔中的气体，将热量传输给所述晶圆，对所述晶圆中的铜结构进行加热。由此可见，本发明实施例所提供的热处理方法在对所述晶圆中的铜结构进行加热时是一个循序渐进的过程，有利于所述铜结构中的应力释放，避免所述铜结构在后续的化学机械研磨时，具有变形或开裂的倾向，且有利于所述铜结构中的多个铜晶粒聚集成一个相对较大的铜晶粒，从而减少所述铜结构中的缺陷密度，减少热处理后形成铜结构中存在缺陷颗粒数，提高所述铜结构的质量。

而且，本发明实施例所提供的热处理方法，利用所述密封腔内的气体导热，实现对所述铜结构的加热，可以使得所述铜结构各处的温度相同，提高所述铜结构的应力分布均匀性。

在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述预设温度的取值范围为80℃-100℃，包括端点值，具体可为80℃、90℃或100℃，也可以为80℃-100℃范围内其他任意数值，本申请对此并不做限定，具体视情况而定。

需要说明的是，在本发明实施例中，所述预设气体环境可以为惰性气体环境，也可以为还原气体环境，本发明对此并不做限定，具体视情况而定。具体的，在本发明的一个实施例中，所述预设气体包括氮气、氩气和氢气中的至少一种。

相较于现有技术中的铜结构的热处理工艺，本发明实施例所提供的铜结构的热处理方法，所述铜结构的最高加热温度(所述预设温度)小于现有技术中的铜结构的热处理工艺的最高温度，从而降低了所述铜结构热处理时的最高温度，进一步有利于所述铜结构中的应力释放，避免所述铜结构在后续的化学机械研磨时，具有变形或开裂的倾向，且有利于所述铜结构中的多个铜晶粒聚集成一个大铜晶粒，从而减少所述铜结构中的缺陷密度，减少热处理后形成铜结构中存在缺陷颗粒数，提高所述铜结构的质量。

S3：将所述晶圆在所述密封腔中保温预设时间。

在本发明实施例中，将所述晶圆加热至所述预设温度后，将所述晶圆在所述密封腔中保温预设时间，从而进一步释放所述铜结构的应力，避免所述铜结构在后续的化学机械研磨时，具有变形或开裂的倾向，并延长所述铜结构中铜晶粒的生长时间(即多个铜晶粒汇聚成一个相对较大的铜晶粒的时间)，进一步减少所述铜结构中的缺陷密度，减少热处理后形成铜结构中存在缺陷颗粒数，提高所述铜结构的质量。

而且，利用本发明实施例所提供的热处理方法，使得所述铜结构中多个铜晶粒汇聚成一个相对较大的铜晶粒，增大所述铜结构中铜晶粒的体积后，还可以提高后续化学机械研磨的研磨速度。

可选的，在本发明的一个实施例中，所述预设时间的取值范围为30分钟-120分钟，包括端点值，具体可为30分钟、60分钟、90分钟、120分钟或30分钟-120分钟中任一数值，本发明对此并不做限定，具体视情况而定。

S4：对所述晶圆进行冷却。具体的，在本发明实施例中，对所述晶圆进行冷却包括将所述晶圆冷却至常温。

需要说明的是，由于同样的晶体缺陷，在小尺寸中的铜结构(如

20nm-30nm制程的铜结构)形成工艺中，影响更为明显，故在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述晶圆表面内具有至少一个沟槽，所述铜结构为填充所述沟槽并覆盖所述晶圆表面的铜填充层，且所述沟槽的宽度位于20nm-30nm范围内，包括端点值。但本发明对此并不做限定，在本发明的其他实施例中，所述铜结构还可以为铜互联金属层或铜线或其他铜结构，即本发明实施例所提供的热处理方法还可以应用于铜互联金属层的制程中或半导体铜线制程中或三维存储器的制程或半导体铜的热处理制程等各种用到铜结构热处理的制程中。

相应的，本发明实施例还提供了一种三维存储器的形成方法，该方法包括：提供基底；在所述基底表面形成铜结构；对所述铜结构进行热处理，所述热处理采用上述任一实施例所提供的热处理方法。

在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述基底具有至少一个沟槽，所述铜结构为位于所述沟槽内的铜填充层，且所述沟槽的宽度位于20nm-30nm范围内，包括端点值。

由上所述可知，本发明实施例所提供铜填充的热处理方法及三维存储器的形成方法，通过采用炉管热处理的制程方法，并降低热处理的最高温度，延长所述热处理的时间，可以使得所述铜结构中的铜晶粒长大，晶界减少，从而减少铜结构热处理工艺过程中铜结构的缺陷颗粒数，同时降低应力，减弱后续化学机械研磨工艺中铜结构变形或开裂的倾向性，进而降低所述铜结构中缺陷率，提高所述铜结构的质量。

如图2所示，图2示出了铜结构热处理前、利用本发明实施例所提供的热处理方法对该铜结构处理后以及利用现有技术中的热处理方法对该铜结构进行热处理后的应力对比示意图。其中，A3区域为铜结构热处理前，所述铜结构的应力值；A1区域为利用本发明实施例所提供的热处理方法对该铜结构处理后，所述铜结构的应力值；A2区域为利用现有技术中的热处理方法对该铜结构进行热处理后，所述铜结构的应力值。由图2可以看出，相较于利用现有技术中的热处理方法对该铜结构进行热处理后所述铜结构的应力值，利用本发明实施例所提供的热处理方法对该铜结构处理后，所述铜结构的应力值降低了约100MPa。

如图3所示，图3示出了未经热处理、利用本发明实施例所提供的热处理方法对该铜结构处理后以及利用现有技术中的热处理方法对该铜结构进行热处理后，所述铜结构在后续化学机械研磨工艺中的移除速率(图3左边纵坐标)和方差(图3右边纵坐标)示意图。其中，B1区域为未经热处理，所述铜结构的移除速率和方差；B3和B4区域为利用本发明实施例所提供的热处理方法对该铜结构处理后，所述铜结构的移除速率和方差；B2区域为利用现有技术中的热处理方法对该铜结构进行热处理后，所述铜结构在后续化学机械研磨工艺中的移除速率和方差示意图。

由图3可知，未经热处理的铜结构、利用本发明实施例所提供的热处理方法对该铜结构热处理后以及利用现有技术中的热处理方法对该铜结构热处理后在后续化学机械研磨工艺中的移除速率相差不大。从B1和B2可以看出，未经热处理的铜结构以及利用现有技术中的热处理方法对该铜结构热处理后在后续化学机械研磨工艺中的波动(方差)较大，从B1和B3以及B1和B4可以看出未经热处理的铜结构、利用本发明实施例所提供的热处理方法对该铜结构热处理后在后续化学机械研磨工艺中的波动(方差)较小。

由于现有技术中的热处理方法是单个晶圆的热处理，本发明方案中的热处理可以实现多个晶圆的热处理，其中，B2示出了不同晶圆经过现有技术中的热处理后，在后续化学机械研磨工艺中的波动，B3示出了同一批次不同晶圆经过本发明方案的热处理后，在后续化学机械研磨工艺中的波动，B4示出了另一批次不同晶圆经过本发明方案的热处理后，在后续化学机械研磨工艺中的波动。从B2可以看出不同晶圆经过现有技术中的热处理后，在后续化学机械研磨工艺中的波动较大，从B3和B4可以看出同一批次不同晶圆经过本发明方案的热处理后，在后续化学机械研磨工艺中的波动较小，且不同批次晶圆经过本发明方案的热处理后，在后续化学机械研磨工艺中的波动较小。

如图4和图5所示，图4示出了未经热处理的铜结构、利用本发明实施例所提供的热处理方法对该铜结构处理后以及利用现有技术中的热处理方法对该铜结构进行热处理后的方块电阻曲线示意图；图5示出了未经热处理的铜结构、利用本发明实施例所提供的热处理方法对该铜结构处理后以及利用现有技术中的热处理方法对该铜结构进行热处理后并经过后续化学机械研磨工艺后的方块电阻曲线示意图。其中，曲线a为未经热处理的铜结构在化学机械研磨前后的方块电阻曲线示意图，曲线b为利用现有技术中的热处理方法对该铜结构进行热处理后，所述铜结构在化学机械研磨前后的方块电阻曲线示意图，曲线c和曲线d为利用本发明实施例所提供的热处理方法对该铜结构处理后，所述铜结构在化学机械研磨前后的方块电阻曲线示意图。

从图4和图5可以看出无论是在化学机械研磨前还是在化学机械研磨后，利用现有技术中的热处理方法对该铜结构进行热处理后和利用本发明实施例所提供的热处理方法对该铜结构处理后，所述铜结构方块电阻曲线基本一致，即相较于现有技术中的热处理方法，本发明实施例所提供的热处理方法在化学机械研磨前后对所述铜结构的方块电阻影响不大。

如图6-图8所示，图6为采用现有技术中的热处理方法处理并经化学机械研磨(CMP)后，所述铜结构为铜金属互联层时，所述铜结构的BFI(Bright Field image，明场像)示意图；图7为采用本发明实施例所提供的热处理方法处理并经化学机械研磨(CMP)后，所述铜结构为铜金属互联层时，所述铜结构的BFI示意图；图8为未经热处理就化学机械研磨(CMP)后，所述铜结构为铜金属互联层时，所述铜结构的BFI示意图。其中，所述图6中的缺陷颗粒数为49994，图7中的缺陷颗粒数为7031，图8中的缺陷颗粒数为49998，对比图6、图7和图8可知，相较于现有热处理方法，利用本发明实施例所提供的热处理方法，所述铜结构中的缺陷颗粒数和缺陷密度可以明显降低。

综上所述，相较于现有热处理方法，利用本发明实施例所提供的铜结构的热处理方法获得的铜结构，对所述铜结构电阻率影响不大，但明显降低了缺陷颗粒数和缺陷密度，提高了所述铜结构的质量，从而提高了后续化学机械研磨的稳定性，还降低了应力值，从而减弱了所述铜结构在后续的化学机械研磨时变形或开裂的倾向。

本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种铜结构的热处理方法，其特征在于，该方法包括：

提供加热结构，所述加热结构具有一密封腔，所述密封腔的腔壁上设置有加热元件，且所述加热结构的密封腔中具有支架；

将至少一个晶圆放置在所述支架上，在预设气体环境中，利用所述加热结构对所述加热结构中的密封腔进行加热，通过所述密封腔中的气体，将热量传输给所述晶圆，对所述晶圆进行加热，直至所述加热结构密封腔内的温度达到预设温度，停止对所述晶圆进行加热，所述晶圆表面具有铜结构；

将所述晶圆在所述密封腔中保温预设时间；

对所述晶圆进行冷却；

其中，所述预设气体环境为惰性气体环境或还原气体环境。

2.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所述加热结构为炉管，所述加热元件为位于所述炉管腔壁上的电阻丝。

3.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所述预设温度的取值范围为80℃-100℃，包括端点值。

4.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所述预设时间的取值范围为30分钟-120分钟，包括端点值。

5.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所述预设气体包括氮气、氩气和氢气中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所述晶圆表面内具有至少一个沟槽，所述铜结构为填充所述沟槽并覆盖所述晶圆表面的铜填充层，且所述沟槽的宽度位于20nm-30nm范围内，包括端点值。

7.一种三维存储器的形成方法，其特征在于，该方法包括：

提供基底；

在所述基底表面形成铜结构；

对所述铜结构进行热处理，所述热处理采用权利要求1-6任一项所述的热处理方法。

8.根据权利要求7所述的形成方法，其特征在于，所述基底具有至少一个沟槽，所述铜结构为填充所述沟槽并覆盖所述晶圆表面的铜填充层，且所述沟槽的宽度位于20nm-30nm范围内，包括端点值。