CN1308495C

CN1308495C - 铜电镀薄膜方法

Info

Publication number: CN1308495C
Application number: CNB031506402A
Authority: CN
Inventors: 张开军; 职春星; 徐根保
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2007-04-04
Anticipated expiration: 2023-08-29
Also published as: CN1590597A

Abstract

一种铜电镀薄膜方法，涉及半导体铜布线工艺中的铜薄膜的电镀，具体步骤为：先在阻挡层上沉积铜籽晶层，然后对铜籽晶层进行表面处理，最后再在该铜籽晶层上以电化学电镀方法生长出电镀铜薄膜层；上述表面处理的步骤可以是用气体冲刷Cu籽晶层、对Cu籽晶进行退火处理、或用加热后的温水对Cu籽晶层进行冲洗；使用本发明方法处理后的Cu籽晶层，其表面是经过了结构重组或/和在几个原子层上经过了氧化了的结构，这种表面处理方法会减少铜薄膜的表面张力，从而有效地提高了ECPCu薄膜与ECP电镀化学试剂之间的润湿能力，其结果是在极短的时间内降低或甚消除ECP Cu薄膜中的缺陷。

Description

铜电镀薄膜方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种可对铜籽晶层进行表面处理的铜电镀薄膜方法。

技术背景

在半导体铜(Cu)布线工艺中，为了进行铜薄膜的电镀，首先需要在阻挡层上沉积一层薄的铜籽晶层，然后再在Cu籽晶层上以电化学电镀(ECP)方法来生长出一层Cu薄膜层。

图1是半导体晶圆上的阻挡层、铜(Cu)籽晶层及Cu电镀薄膜的结构示意图；当然，在实际生产中，半导体晶圆上往往包含有成千上万的元器件或多层结构，本发明为说明问题，只是举了带有一个介层洞的例子。请看图1所示，半导体晶圆的氧化硅层100上有一个介层洞110，首先通过物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)制程生长出阻挡层101，其成分比如是钽(Ta)；然后需要在阻挡层101上同样以PVD制程沉积一层薄的铜籽晶层102，一般约为100至150nm；最后再在Cu籽晶层102上以电化学电镀(Electrical Chemical Plating，ECP)方法来生长出期望厚度的Cu薄膜层103。图2给出了制备Cu电镀薄膜方法的流程图，首先用PVD制程生长阻挡层和Cu籽晶层、然后再在Cu籽晶层上用ECP制程生长Cu薄膜层。但是，通过这种方法所得到的Cu薄膜层103包含有很高数量的薄膜中缺陷，例如孔洞。

通过对这种缺陷的研究发现，就刚形成的PVD Cu籽晶层而言，使用物理气相沉积(PVD)方法制得的Cu籽晶层102是很不稳定的；而随着Cu籽晶层的自发退火，其籽晶层表面不仅会发生结构演变，同时还会在其表面生成几个原子层的氧化物，这些都将提高Cu籽晶层表面与ECP电镀所使用的化学试剂之间的润湿能力，使薄膜层103的缺陷密度急剧下降，一直降到生产的临界水平，甚至完全避免ECP Cu薄膜层103中的缺陷。例如，在PVD沉积Cu籽晶层后，如果仅仅在空气中进行自发退火处理，此时，随电镀Cu薄膜之前在空气中停留的时间，铜薄膜中缺陷数目的变化如下：在40分钟后2790个；在60分钟后1643个；在70分钟后560个；在90分钟后102个。

因此，由上述内容可以得出结论：在制备Cu电镀薄膜过程中，ECP薄膜中缺陷密度取决于PVD Cu籽晶层的表面条件，具体地说，取决于PVDCu籽晶层的表面晶粒结构和氧化物构成；且通过PVD Cu籽晶层的自发退火，可改善PVD Cu籽晶层的表面条件，将ECP薄膜中的缺陷降低。

但是，这段在从PVD到ECP制程之间所需要的自发退火时间，在空气中要至少两小时，而在晶圆罩(Pod)内则要很多天。因此，将该PVD Cu籽晶层的自发退火方法应用于任何实际的生产环境中都是不可行的。

发明内容

为了克服上述现有技术中的不足，本发明的目的就是在铜电镀薄膜的生产中提供一种在较短时间内减少甚至完全避免薄膜中缺陷的方法。

为了达成上述目的，本发明的技术方案为：

一种铜电镀薄膜方法，包括：先在阻挡层上沉积铜籽晶层，然后对铜籽晶层进行表面处理，最后再在该铜籽晶层上以电化学电镀方法生长出电镀铜薄膜层。上述表面处理的步骤可以是用气体冲刷Cu籽晶层、对Cu籽晶进行退火处理、或用加热后的温水对Cu籽晶层进行冲洗或浸泡。

使用本发明方法处理后的Cu籽晶层，其表面是经过了结构重组或/和在几个原子层上经过了氧化了的结构，这种表面处理方法会减少铜薄膜的表面张力，从而有效地提高了ECP Cu薄膜与ECP电镀化学试剂之间的润湿能力，其结果是降低或甚消除ECP Cu薄膜中的缺陷；且根据本发明提出的表面处理方法，对Cu籽晶层进行表面处理所需要的时间大大少于在空气中所需要的时间，从而缩短了生产周期。

附图说明

图1是半导体晶圆上的阻挡层，Cu籽晶层及Cu电镀薄膜的结构示意图；

图2是传统技术制备Cu电镀薄膜的方法流程图；

图3是本发明的制备Cu电镀薄膜的方法流程图；

图4A是本发明的气体冲刷法或水冲刷法处理晶圆支架(wafer holder)上的晶圆的示意图；

图4B是是本发明的气体冲刷法或水冲刷法处理多个晶圆的示意图；

图5是根据本发明的退火处理晶圆的示意图。

具体实施方式

下面，我们将对本发明提出的对PVD Cu籽晶层进行表面处理的方法进行详细的描述。

本发明的主要原理是在传统的制备Cu电镀薄膜的方法基础上，在如图2所示的PVD和ECP两制程之间，加上一道“铜籽晶层表面处理”制程，使得铜籽晶层表面进行重构，并形成较稳定的氧化膜层，以减少铜籽晶层表面与下一步骤中的电镀化学试剂之间的表面张力；具体请看图3的本发明提出的制备Cu电镀薄膜的过程的流程图。

为了得到本发明经过了结构重组或/和在几个原子层上经过了氧化了的铜表面，图3中的“铜籽晶层表面处理”可以通过以下三种不同的实施方式完成。

1、实施方式一——————气体冲刷法

图4A是本发明的气体冲刷法处理晶圆支架上的晶圆的示意图；晶圆支架410的圆盘(wafer holder)的下表面固定有晶圆1000，该晶圆1000的表面已经过PVD制程而生长出一层铜籽晶层102。本气体冲刷法就是用含有氧气的气体从下向上对该晶圆1000进行冲刷，以促进如图1所示的铜籽晶层102表面的重构和氧化。气体的冲刷角度可以是垂直于晶圆1000，也可以倾斜地吹向晶圆1000，完全视生产现场的进气管路的安装情况。

本实施例中，晶圆1000是在大气之中。因此，气体的流速只要使压力大于一个大气压，都应该能够达到本方案的效果。关于气体的冲刷时间，则以冲刷时间大于20或30秒钟为佳；经实验，采用上述方法用空气冲刷后，铜薄膜中缺陷会在30秒钟后就大大降低甚至为零。

关于冲刷用的含有氧气的气体，可以是普通空气、可以是水蒸气、也可以是混合气体。为了使铜籽晶层102表面能够进行适当的氧化，其中O₂的含量最佳范围是15-25％，因为在O₂的含量较小(小于15％)情况下，Cu籽晶层表面很难发生氧化，所以，如果再从成本的角度加以考虑的话，冲刷气体的最佳选择就是O₂含量大约为20％的普通空气。

图4B是本发明的气体冲刷法处理多个晶圆的示意图；将多个晶圆水平地码放在一个容器420中，气体如箭头所示从上而下对晶圆进行冲刷，晶圆之间的间距为5-15公分。

当然，本发明的气体冲刷法并不限于上述两个例子，比如说图4B中晶圆在容器420中也可以是竖直码放，只要能够用上述气体冲刷到其表面，任何方式的摆放都能够达到本发明的目的，也都应属于本发明的保护范围之内。

2、实施方式二——————温水冲刷法

温水冲刷法的原理与上述的气体冲刷法的原理相同，我们同样也可用图4A和图4B来说明本温水冲刷法。

如图4A中所示，本实施例是先将水由室温加热，所以该水温应该是高于室温而低于100℃；用温水从下向上对该晶圆1000进行冲刷，以促进如图1所示的铜籽晶层102表面的重构和氧化。该温水的冲刷角度可以是垂直于晶圆1000，也可以倾斜地冲向晶圆1000，完全视生产现场的进水管路的安装情况。

上述水洗工艺中，之所以要将室温温度的水先行加热，是因为若水温过低将会导致如图1中介层洞110中的水分不容易去除，从而在ECP的制程中，在介层洞110中很难生长成完整的铜薄膜，这将使得产品的合格率和可靠性降低。所以本发明采用的水温为高于20℃低于100℃。应该指出，最好将水加热至50-80℃。

关于温水的冲刷时间和流量，则以冲刷时间大于2秒钟以及0.5升/分钟为佳；经实验，采用上述方法用温水冲刷后，铜薄膜中缺陷会在几秒钟后就大大降低甚至为零。

再请看图4B，本发明的温水冲刷法也可用于处理多个晶圆，将多个晶圆水平地码放在一个容器420中，温水从上而下对晶圆进行冲刷；或者，也可将晶圆直接浸泡在温水中，晶圆之间的间距为5-15公分。

当然，本发明的温水冲刷法并不限于上述两个例子，比如说图4B中晶圆在容器420中也可以是竖直或其他方向地码放，只要能够用上述温水接触到其表面，不管这种接触是冲刷、还是浸泡，或是任何方式的摆放都能够达到本发明的目的，也都应属于本发明的保护范围之内。

3、实施方式三————————退火法

如背景技术中所述，从PVD到ECP制程之间的自发退火因时间过长而不能用于实际生产，而本退火法的方案就是对退火条件进行干预，从而使退火时间大大缩短。

经实验，我们所采用的退火工艺采用了在温度低于180℃的混合气体中对Cu籽晶层实施表面处理，所述混合气体应含有O₂且O₂的含量要小于1％。O₂的含量之所以要小于1％，是因为如果O₂含量过高，会使得Cu籽晶层表面发生严重的氧化，反而不利于Cu籽晶层的表面重构；而在O₂的含量小于1％的情况下，Cu籽晶层表面较少发生氧化，而能够更加有利于实现本发明的目的。上述混合气体选自下列之一：包括O₂与N₂的混合气体，包括O₂与N₂+H₂的混合气体，包括O₂与氦气的混合气体、或包括O₂与氩气的混合气体。

还有，之所以选择温度低于180℃，是因为若处理温度太高，尤其是在200℃或以上，会导致薄膜铜晶粒结构生长的太大，使Cu籽晶层表面集聚成团，并在Cu籽晶层中产生微孔，从而就很容易在下一步制程的ECP电镀薄膜中产生孔洞。而在低于180℃的温度下，则上述缺点会被克服，铜籽晶层的表面不会集聚成团，也不会产生微孔，只会重构出我们希望的Cu籽晶层。

图5是本发明提出的对Cu籽晶层进行表面退火处理的示意图。

首先，将一个生长有Cu籽晶层的晶圆放置到退火室510中，使退火室510中的温度为高于40℃度而低于180℃。在这种情况下，从入气口520通入N₂和O₂的混合气体(O₂的含量＜1％)，直到退火室中的压力达到高于一个大气压，在这种氛围中，对新鲜的PVD Cu籽晶层进行退火表面处理，所需时间大概为30分钟。当然，图5只举出了对一个晶圆进行处理的例子，本方法也完全可同时对2个以上的晶圆进行处理。

综合上述三种实施方式，用PVD方法沉积出的铜籽晶层是非常不稳定的，任何化学或/和热的激活都会使之发生变化，例如表面重构和表面氧化。本发明所提出的对PVD Cu籽晶层进行的表面处理方法，将增强PVDCu籽晶层的表面重构，并且与传统自发退火相比，可以使Cu籽晶层表面发生更加快速的表面重构或氧化，用本发明方法处理后，Cu籽晶层的表面是经过了结构重组或/和在几个原子层上经过了氧化了的结构，这种结构会减少铜与ECP电镀Cu薄膜中所使用的电镀化学试剂之间的表面张力，从而很大地改善了Cu基层与电镀化学试剂之间的润湿能力，使ECP Cu薄膜中的缺陷也将被有效地减少。

本发明的方法具有非常显著的在极短的时间内减少ECP Cu电镀薄膜中的缺陷的作用。即使是对于非常新鲜的Cu基层薄膜，在经过上述处理方法的处理之后，也可以使得ECP Cu电镀薄膜中的缺陷降为零。

尽管本发明是参照其特定的优选实施方式来描述的，但本领域的技术人员应该理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种修改。

Claims

1.一种铜电镀薄膜方法，包括：先在阻挡层上沉积铜籽晶层，然后再在该铜籽晶层上以电化学电镀方法生长出电镀铜薄膜层；该方法在上述两步骤之间还包括对铜籽晶层进行表面处理的步骤，其特征是：所述表面处理的步骤是在含有O₂且O₂含量低于1％的混合气体中对Cu籽晶进行退火处理。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是：所述退火处理是在低于180℃且高于40℃的温度范围内进行。

3.如权利要求1所述的方法，其特征是：所述混合气体选自下列之一：包括O₂与N₂的混合气体，包括O₂与N₂+H₂的混合气体，包括O₂与氦气的混合气体，包括O₂与氩气的混合气体。

4.一种铜电镀薄膜方法，包括：先在阻挡层上沉积铜籽晶层，然后再在该铜籽晶层上以电化学电镀方法生长出电镀铜薄膜层；该方法在上述两步骤之间还包括对铜籽晶层进行表面处理的步骤，其特征是：所述表面处理的步骤是用水对Cu籽晶层进行冲洗或浸泡。

5.如权利要求4所述的方法，其特征是：先将室温温度的水加热后再对Cu籽晶层进行冲洗或浸泡。

6.如权利要求5所述的方法，其特征是：所述加热后的水温高于20℃低于100℃。