專利名稱：形成金屬互連層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件互連層制造技術(shù)，特別涉及一種形成金屬互連層的方法。
背景技術(shù)：
目前，在半導(dǎo)體器件的后段(back-end-of-line，BE0L)工藝中，可根據(jù)不同需要 在半導(dǎo)體襯底上生長多層金屬互連層，每層金屬互連層包括金屬互連線和絕緣層，這就需 要對上述絕緣層制造溝槽(trench)和連接孔，然后在上述溝槽和連接孔內(nèi)沉積金屬，沉積 的金屬即為金屬互連線，一般選用銅作為金屬互連線材料。現(xiàn)有技術(shù)中為了防止銅擴散進(jìn) 入絕緣層，更好地限制在溝槽和連接孔內(nèi)，一般采用鉭(Ta)和氮化鉭(TaN)的疊層結(jié)構(gòu)，作 為金屬互連線和絕緣層之間的阻擋膜。而且，金屬互連線的制作是通過在疊層結(jié)構(gòu)上形成 銅種子層，然后在銅種子層表面電鍍銅層形成的?，F(xiàn)有技術(shù)中形成金屬互連層的方法，請參閱圖la至圖lc。如圖la所示，在絕緣層100上刻蝕形成溝槽101和連接孔102，所述連接孔102與 下層的銅互連線103連接。一般采用先制作連接孔(via first)的方法，即先制作連接孔， 再制作溝槽。然后通過物理氣相沉積(PVD)方法，在溝槽101的底部和側(cè)壁上、連接孔102的底 部和側(cè)壁上，依次濺射氮化鉭(TaN)層、鉭(Ta)層；依次刻蝕連接孔底部上的Ta層和TaN 層，形成開口，露出下層的銅互連線103 ；在開口處及Ta層的表面繼續(xù)濺射金屬Ta層，覆蓋 露出的下層的銅互連線103，而且與之前形成的Ta層相連為一體。上述由TaN和Ta構(gòu)成的 疊層阻擋膜104，只是其中一種具體實施例，顯然，還有多種形成疊層阻擋膜的實現(xiàn)方法。接下來如圖lb所示，在疊層阻擋膜104的表面，通過濺射的方法形成銅種子層 (seed layer)105o然后如圖lc所示，將形成有銅種子層105的半導(dǎo)體器件，置入電鍍設(shè)備的包含有 銅離子的電鍍液中，一般為硫酸銅等，然后將半導(dǎo)體器件接陰極，電鍍液接陽極，并在陰極 和陽極之間通電，在電場作用下，銅種子層105的表面，即溝槽和連接孔的內(nèi)部，就形成了 銅電鍍層106。需要注意的是，由于圖la和lb所示的半導(dǎo)體器件都是在高真空的反應(yīng)腔內(nèi)形成 的，而銅電鍍層106是置入常壓下的電鍍設(shè)備中形成，這樣將形成有銅種子層105的半導(dǎo)體 器件從高真空的反應(yīng)腔內(nèi)取出，置入常壓下的電鍍設(shè)備的過程中，銅種子層105就很容易 被空氣中的氧氣氧化，被氧化的成分為氧化銅，同時，在此過程中，大氣中的很多揮發(fā)性的 有機物質(zhì)，也很容易粘附在銅種子層105的表面，與銅種子層105發(fā)生反應(yīng)，污染銅種子層 105。形成的污染物107如圖lb中的示意圖所示。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷提高，器件的特 征尺寸在不斷減小，銅種子層的濺射厚度也越來越薄，所以一旦銅種子層105受到污染，污 染物將會侵蝕到其整個厚度范圍內(nèi)。這樣在置入電鍍液中時，由于電鍍液含有氫離子，呈酸性，污染物107就會與電鍍 液反應(yīng)，溶解在電鍍液中，污染物107消失之后，就會導(dǎo)致銅種子層105表面的不連續(xù)，即出現(xiàn)一個個小孔洞，銅電鍍層是無法形成在沒有銅種子層的表面的，在電鍍液中形成了銅電 鍍層106之后的示意圖如圖lc所示。在后續(xù)對上述半導(dǎo)體器件進(jìn)行測試時發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體器件的可靠性比較低，出現(xiàn)應(yīng) 力遷移(SM)等問題，甚至導(dǎo)致器件失效。在高溫下對半導(dǎo)體器件施加應(yīng)力進(jìn)行測試時，在 銅種子層105表面出現(xiàn)的小孔洞，很容易在應(yīng)力作用下，空洞邊緣擴張，造成更大的孔洞， 那么接觸電阻Rc就會變得很大，一定程度下，就會導(dǎo)致器件失效。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明解決的技術(shù)問題是銅種子層在空氣中被污染。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案具體是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明公開了一種形成金屬互連層的方法，包括在反應(yīng)腔中執(zhí)行在半導(dǎo)體襯底的絕緣層上形成溝槽和連接孔，并在溝槽的底部和 側(cè)壁上、連接孔的底部和側(cè)壁上形成疊層阻擋膜；在所述疊層阻擋膜的表面形成銅種子層；從所述反應(yīng)腔內(nèi)取出后，置入預(yù)處理反應(yīng)腔，對被空氣污染的銅種子層進(jìn)行氧化 還原預(yù)處理；在電鍍設(shè)備中執(zhí)行在所述銅種子層的表面形成銅電鍍層。所述預(yù)處理在預(yù)處理反應(yīng)腔內(nèi)進(jìn)行，采用的氣體為氫氣或者氨氣。所述預(yù)處理在采用氫氣時，進(jìn)一步包括氦氣。所述氫氣與氦氣的比例為10 90 2 98。所述氫氣的流量為60 100標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘seem。所述預(yù)處理反應(yīng)腔內(nèi)所施加的高頻射頻功率為400 1000瓦；低頻射頻功率為 5 200瓦。所述預(yù)處理在室溫下進(jìn)行，所述室溫在15 50攝氏度。所述預(yù)處理的時間為1 100秒。所述預(yù)處理反應(yīng)腔與電鍍設(shè)備在同一個機臺集成。由上述的技術(shù)方案可見，本發(fā)明在將形成有銅種子層105的半導(dǎo)體器件置入電鍍 設(shè)備的電鍍液中之前，對銅種子層105表面的污染物進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理為氫氣(H2)或者 氨氣(NH3)，通過氧化還原反應(yīng)將氧化銅等污染物還原成金屬銅，使得銅種子層105恢復(fù)到 原來的連續(xù)表面狀態(tài)。


圖la至lc為現(xiàn)有技術(shù)中形成金屬互連層的制作過程示意圖。圖2為本發(fā)明形成金屬互連層的方法流程示意圖。圖3a至圖3d為本發(fā)明形成金屬互連層的制作過程示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案、及優(yōu)點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例， 對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
本發(fā)明在將形成有銅種子層105的半導(dǎo)體器件置入電鍍設(shè)備的電鍍液中之前，對 銅種子層105表面的污染物進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理為氫氣或者氨氣，通過氧化還原反應(yīng)將氧 化銅等污染物還原成金屬銅，使得銅種子層105恢復(fù)到原來的連續(xù)表面狀態(tài)。本發(fā)明形成金屬互連層的方法，其流程示意圖如圖2所示。具體制作過程示意圖 請參閱圖3a至圖3d。步驟21、在半導(dǎo)體襯底的絕緣層上形成溝槽和連接孔，并在溝槽的底部和側(cè)壁上、 連接孔的底部和側(cè)壁上形成疊層阻擋膜。該步驟在高真空反應(yīng)腔內(nèi)進(jìn)行。如圖3a所示，在絕緣層100上刻蝕形成溝槽101和連接孔102，所述連接孔102與 下層的銅互連線103連接。一般采用via first的方法，即先制作連接孔，再制作溝槽。然后通過PVD方法，在溝槽101的底部和側(cè)壁上、連接孔102的底部和側(cè)壁上依次 濺射TaN層、Ta層；依次刻蝕連接孔底部上的Ta層和TaN層，形成開口，露出下層的銅互連 線105 ；在開口處及Ta層的表面繼續(xù)濺射金屬Ta層，覆蓋露出的下層的銅互連線105，而且 與之前形成的Ta層相連為一體。上述由TaN和Ta構(gòu)成的疊層阻擋膜104，只是其中一種具 體實施例，顯然，還有多種形成疊層阻擋膜的實現(xiàn)方法。步驟22、在高真空反應(yīng)腔內(nèi)，疊層阻擋膜表面形成銅種子層，并從反應(yīng)腔取出。在疊層阻擋膜104的表面，通過濺射的方法形成銅種子層105。銅種子層105在高真空的反應(yīng)腔內(nèi)形成，此時將形成有銅種子層105的半導(dǎo)體器 件從高真空反應(yīng)腔內(nèi)取出時，與空氣中氧氣和有機物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，形成氧化銅等雜質(zhì)污染 物107，如圖3b所示。步驟23、將形成有銅種子層105的半導(dǎo)體器件置入預(yù)處理設(shè)備中。所述預(yù)處理設(shè) 備和電鍍設(shè)備集成在同一個機臺中，由于預(yù)處理所需要的反應(yīng)腔壓力比較小，所以能夠和 處于常壓下的電鍍設(shè)備集成在同一個機臺中，這樣就可以確保在預(yù)處理之后，半導(dǎo)體器件 立刻進(jìn)入電鍍設(shè)備，而不被再次氧化。預(yù)處理反應(yīng)腔內(nèi)的氣體可以為氫氣或者氨氣，都可以通過氧化還原反應(yīng)將氧化銅 等污染物還原成金屬銅。本發(fā)明的具體實施例為氫氣。由于純的氫氣可能引起爆炸，所 以采用氫氣與氦氣相結(jié)合，對被污染的銅種子層105表面進(jìn)行處理，氫氣與氦氣的比例為 10 90 2 98，優(yōu)選地，可以為5 95,5 120,7 98。其中，氫氣的流量為60 100 標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘(seem)，優(yōu)選為70sccm、80sccm或90sccm。氧化還原反應(yīng)在室溫下進(jìn) 行，預(yù)處理反應(yīng)腔內(nèi)所施加的高頻射頻功率為400 1000瓦，低頻射頻功率為5 200瓦， 預(yù)處理時間可以根據(jù)污染程度的不同而進(jìn)行控制，可以為1 100秒。本發(fā)明所說的室溫 是一個比較廣義下的溫度，可以在15 50攝氏度之間。通過預(yù)處理步驟，銅種子層105表面的污染物107被有效還原成金屬銅，銅種子層 105恢復(fù)到原來具有的連續(xù)的表面，如圖3c所示。步驟24、將預(yù)處理之后的半導(dǎo)體器件，置入電鍍設(shè)備的包含有銅離子的電鍍液中， 一般為硫酸銅等，然后將半導(dǎo)體器件接陰極，電鍍液接陽極，并在陰極和陽極之間通電，在 電場作用下，銅種子層105的表面，即溝槽和連接孔的內(nèi)部，就形成了銅電鍍層106。如圖 3d所示。由于銅種子層105具有連續(xù)的表面，所以電鍍銅層時，就不再會出現(xiàn)缺陷。在對通過采用本發(fā)明的方法形成的半導(dǎo)體器件進(jìn)行測試時，器件的可靠性顯著提 高，SM等缺陷大大減少，從而有效提高了器件的良率(yield)。
以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在 本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù) 范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種形成金屬互連層的方法，包括在反應(yīng)腔中執(zhí)行在半導(dǎo)體襯底的絕緣層上形成溝槽和連接孔，并在溝槽的底部和側(cè)壁上、連接孔的底部和側(cè)壁上形成疊層阻擋膜；在所述疊層阻擋膜的表面形成銅種子層；從所述反應(yīng)腔內(nèi)取出后，置入預(yù)處理反應(yīng)腔，對被空氣污染的銅種子層進(jìn)行氧化還原預(yù)處理；在電鍍設(shè)備中執(zhí)行在所述銅種子層的表面形成銅電鍍層。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述預(yù)處理在預(yù)處理反應(yīng)腔內(nèi)進(jìn)行，采用的 氣體為氫氣或者氨氣。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述預(yù)處理在采用氫氣時，進(jìn)一步包括氦氣。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述氫氣與氦氣的比例為10 90 2 98。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述氫氣的流量為60 100標(biāo)準(zhǔn)立方厘米 每分鐘seem。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述預(yù)處理反應(yīng)腔內(nèi)所施加的高頻射頻功 率為400 1000瓦；低頻射頻功率為5 200瓦。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述預(yù)處理在室溫下進(jìn)行，所述室溫在15 50攝氏度。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述預(yù)處理的時間為1 100秒。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述預(yù)處理反應(yīng)腔與電鍍設(shè)備在同一個機 臺集成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種形成金屬互連層的方法，包括在反應(yīng)腔中執(zhí)行在半導(dǎo)體襯底的絕緣層上形成溝槽和連接孔，并在溝槽的底部和側(cè)壁上、連接孔的底部和側(cè)壁上形成疊層阻擋膜；在所述疊層阻擋膜的表面形成銅種子層；從所述反應(yīng)腔內(nèi)取出后，置入預(yù)處理反應(yīng)腔，對被空氣污染的銅種子層進(jìn)行氧化還原預(yù)處理；在電鍍設(shè)備中執(zhí)行在所述銅種子層的表面形成銅電鍍層。采用該方法能夠去除銅種子層表面被空氣污染的雜質(zhì)，提高器件的可靠性，從而提高良率。
文檔編號H01L21/768GK101989568SQ20091005583
公開日2011年3月23日 申請日期2009年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月3日
發(fā)明者何偉業(yè), 劉盛, 孔祥濤, 楊瑞鵬, 聶佳相 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司