专利名称：铜层及铜镶嵌结构的形成方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种铜层及铜镶嵌结构 的形成方法。
背景技术：
随着集成电路的制作向超大规模集成电路(ULSI)发展，其内部的 电路密度越来越大，所含元件数量不断增加，使得晶片的表面无法提供 足够的面积来制作所需的互连线(Interconnect)。为了配合元件缩小后 所增加的互连线需求，利用通孔实现的两层以上的多层金属互连线的设 计，成为超大规;漠集成电路技术所必须采用的方法。
传统的金属互连是由铝金属制作实现的，但随着集成电路芯片中器 件特征尺寸的不断缩小，金属连线中的电流密度不断增大，响应时间不 断缩短，传统铝互连线已达到工艺极限。当工艺尺寸小于130nm以后，传 统的铝互连线技术已逐渐被铜互连线技术所取代。与铝金属相比，铜金 属的电阻率更低、电迁移寿命更长，利用铜工艺制作金属互连线可以降 低互连线的RC延迟、改善电迁移等引起的可靠性问题。但是，采用铜工 艺制作互连线也存在两个问题 一是铜的扩散速度较快，二是铜的刻蚀 困难，因此，其所适用的工艺制作方法与铝工艺完全不同，通常会釆用 镶嵌结构实现。
图1为说明现有的铜镶嵌结构的形成方法的器件剖面示意图，如图1 所示，首先，在衬底101上沉积层间介质层102; *接着，在该层间介质层 102上光刻出通孔图案，并刻蚀形成通孔；再接着，为使填充的铜金属与 通孔侧壁的介质层102粘附性良好，同时，防止铜金属向介质层102内扩 散，在填充金属前先沉积一层粘附层103,该粘附层103通常可由Ta/TaN 组合物形成。然后，在粘附层103上形成铜的晶种层104，再利用电镀的 方法在通孔内填充铜金属105,形成铜层。
该铜层的形成质量对电路的性能影响很大，会直接影响到电路的多 个性能参数。在形成铜层的过程中，要注意避免产生图l中所示的空洞 110。 一旦在铜层中产生了该空洞110,在进行后续的平坦化处理时，就 会在铜金属表面形成凹陷。图2为现有的铜镶嵌结构的形成方法中平坦化
铜层后的器件剖面示意图，如图2所示，在对铜金属层进行平坦化处理后， 对应于铜层内的空洞110,在铜金属层的表面出现了凹陷120,而通过应 力迁牙多(SM， Stress Migration)及电子迁牙多(EM, Electronic Migration) 实验表明，其会影响到铜层的可靠性及寿命。
为解决这一铜层内空洞引起的可靠性及寿命问题，于2003年9月24日 公开的公开号为CN1444258A的中国专利申请提出了 一种新的铜沉积的 方法，该方法在电镀槽内加入了缺陷减少剂，通过降低晶粒的重结晶及 生长速度而减少铜生长过程中的内应力，从而减少了因生长不均匀而导 致的铜层内的空洞。但是该方法并不能解决因杂质等其他原因在铜层内 引起空洞的问题。
实际生产中，除了上述因生长不均匀而在铜层内产生的空洞，衬底 表面在传送过程中被玷污也是在铜层内产生空洞的重要原因之一由于 铜层的生长分为两步，先利用沉积的方法(如，物理气相沉积的方法) 在沉积设备中形成一层铜的晶种层，然后，再利用铜电镀设备在该晶种 层上生长铜层。在这两步之间，需要在两个不同的设备间进行村底的传 送，而此时易在村底的晶种层上附着一些挥发性有机化合物(VOC, volatile organic compounds )。
图3为现有的铜镶嵌结构的形成方法中形成晶种层后的器件剖面示 意图，如图3所示，在衬底301上沉积层间介质层302;接着，刻蚀该层间 介质层302形成通孔；再接着，沉积一层粘附层303;然后，在该粘附层 303上，利用物理气相沉积i殳备形成铜的晶种层304。将形成晶种层304后
的衬底传送至电镀设备中，此时，空气中存在的VOC可能会如图中310所 示，附着于晶种层304上。
图4为现有的铜镶嵌结构的形成方法中电镀铜层后的器件剖面示意 图，如图4所示，在随后进行电镀时，晶种层表面附着有该VOC的区域就 不能顺利地进行铜的生长，在该区域附近就会形成图中320所示的非正常 结构。
图5为现有的铜镶嵌结构的形成方法中平坦化铜层后的器件剖面示 意图，如图5所示，最终形成的铜镶嵌结构的铜层表面具有孔隙330，其 必然会对器件的可靠性及寿命造成影响，而上述专利申请中的方法并不 能解决产生该类孔隙330的问题。
发明内容
本发明提供一种铜层及铜镶嵌结构的形成方法，以改善现有的形成 方法中易在铜层或铜镶嵌结构内出现孔隙的问题。
本发明提供的一种铜层的形成方法，包括步骤
提供表面已形成铜晶种层的衬底；
将所述衬底传送至铜电镀设备中；
向所述铜电镀设备中的退火装置通入保护气体，对所述衬底进行第 一热退火处理；
利用所述电镀设备中的电镀装置对所述衬底进行铜电镀处理；
利用所述电镀设备中的洗边装置对所述衬底进行洗边处理；
利用所述铜电镀设备中的退火装置对所述衬底进行第二热退火处 理，完成铜的电镀。
其中，所述第一热退火处理的温度在150至300。C之间，时间在10 至100秒之间。
其中，所述通入的保护气体为氢气、氮气、氦气或氩气中的一种，
且流量在200至300sccm之间。
本发明具有相同或相应技术特征的一种铜镶嵌结构的形成方法，包 括步骤
提供衬底；
在所述衬底上形成通孔开口 ； 在所述衬底表面及所述通孔开口内形成粘附层； 在所述粘附层上形成铜的晶种层； 将形成晶种层后的衬底传送至铜电镀设备中； 向所述铜电镀设备中的退火装置通入保护气体，对所述衬底进行第 一热退火处理；
利用所述电镀设备中的电镀装置对所述衬底进行铜电镀处理； 利用所述电镀设备中的洗边装置对所述衬底进行洗边处理； 利用所述铜电镀设备中的退火装置对所述衬底进行第二热退火处
理；
对所述衬底进行平坦化处理，去除所述通孔开口外的铜金属，形成 铜镶嵌结构。
其中，所述第一热退火处理的温度在150至300。C之间，时间在10 至IOO秒之间。
其中，所述通入的保护气体为氬气、氮气、氦气或氩气中的一种， 且流量在200至300sccm之间。
其中，在所述衬底表面及所述通孔开口内形成粘附层，包括步骤
将所述衬底传送至物理气相沉积i殳备中；
在所述衬底表面及所述通孔开口内形成粘附层。
其中，在所述粘附层上形成铜的晶种层，包括步骤
在所述粘附层上形成铜的晶种层；
将所述衬底由所述物理气相沉积"设备中取出。
其中，所述粘附层包含Ta/TaN。 与现有技术相比，本发明具有以下优点
本发明提供的铜层及铜镶嵌结构的形成方法，在衬底表面形成铜的 晶种层后，为了去除衬底传送过程中附着于晶种层上的VOC,增加了 对村底进行热退火的处理步骤，该步热退火可以将该挥发性的有机化合 物挥发去除，避免了在随后进行的电镀铜的过程中，在该VOC存在的 区域上难以生长铜，导致铜的内部形成孔隙的后果。本发明的方法操作 简单，不需要额外的设备及原料，有效地减少了铜层内孔隙的数量，提 高了铜层或铜镶嵌结构的形成质量。
图1为说明现有的铜镶嵌结构的形成方法的器件剖面示意图； 图2为现有的铜镶嵌结构的形成方法中平坦化铜层后的器件剖面示 意图3为现有的铜镶嵌结构的形成方法中形成晶种层后的器件剖面示 意图4为现有的铜镶嵌结构的形成方法中电镀铜层后的器件剖面示意
图5为现有的铜镶嵌结构的形成方法中平坦化铜层后的器件剖面示 意图6为本发明采用的用于电镀铜层的设备示意图7为本发明铜层的形成方法的具体实施例的流程图8为本发明铜镶嵌结构的形成方法的具体实施例的流程图9为本发明的铜镶嵌结构的形成方法中所采用的村底的剖面示意
图；图10为本发明的铜镶嵌结构的形成方法中形成通孔开口后的器件
剖面示意图11为本发明的铜镶嵌结构的形成方法中形成粘附层后的器件剖
面示意图12为本发明的铜镶嵌结构的形成方法中形成晶种层后的器件剖 面示意图13为本发明的铜镶嵌结构的形成方法中电镀铜层后的器件剖面 示意图14为本发明的铜镶嵌结构的形成方法中平坦化铜层后的器件剖 面示意图。
具体实施例方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合 附图对本发明的具体实施方式
做详细的说明。
多适当的材料制作，下面是通过具体的实施例来加以说明，当然本发明 并不局限于该具体实施例，本领域内的普通技术人员所熟知的一般的替 换无疑地涵盖在本发明的保护范围内。
其次，本发明利用示意图进行了详细描述，在详述本发明实施例时， 为了便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，不 应以此作为对本发明的限定，此外，在实际的制作中，应包含长度、宽 度及深度的三维空间尺寸。
为了避免在电镀、洗边、退火等处理过程中污染衬底表面，影响铜 金属层的形成质量，本发明中采用了将电镀、洗边、退火等装置集成在 一起的电镀铜层的设备。图6为本发明采用的用于电镀铜层的设备示意 图，如图6所示，该设备包括装片室601，至少一个电镀(plating)装置(本 图中示出了两个602-1和602-2),用于在待电镀铜层的衬底表面电镀铜
金属；至少一个洗边(EBR, Edge Bevel Removal)装置(本图中示出了 两个603-1和603-2 ),用于去除电镀后的村底边缘的倒棱；以及退火 (annealing)装置604,用于令电镀的铜层的晶粒变大，才是高该铜层的电 性能。工作时，利用机械手(图中未示出)将待电镀衬底在各装置中传 送，依次实现各步操作。
然而，即使采用了图6中所示的电镀铜层的设备，由于在电镀铜之前， 通常需要先利用物理气相沉积的方法在待电镀铜的衬底表面形成铜的晶 种层，即，在形成晶种层之后，电镀之前，仍需要在两个不同的设备间 进行衬底的传送，而此时环境中的一些VOC易附着于村底的晶种层上， 在随后进行电镀时，附着有该VOC的区域不能顺利地进行铜的生长，对 应地在铜层内形成了孔隙，而这会导致器件的可靠性及寿命等性能的下 降。为此，本发明采用了在进行电镀前增加一步热退火步骤的方法，将 晶种层表面附着的VOC挥发去除，避免了此类孔隙的产生。
图7为本发明铜层的形成方法的具体实施例的流程图，下面结合图 7对本发明铜层的形成方法的具体实施例进行详细介绍。
首先，提供表面已形成铜晶种层的村底(S701)。该铜晶种层通常 是利用物理气相沉积的方法形成，厚度可以在在1000至2000A之间。
然后，将所述村底传送至铜电镀设备中(S702)。本实施例中，所 用的铜电镀设备如图6所示，即衬底在进行电镀、洗边及洗边后的热退 火处理时不会再曝露于周围环境的空气中。
接着，向铜电镀设备中的退火装置通入保护气体，对所述衬底进行 第一热退火处理(S703 )。本实施例中，为了去除在衬底传送过程中， 在衬底表面的晶种层上附着的周围环境中的VOC,增加了本步第一热 退火处理，该第一热退火处理可以直接利用图6所示设备中的退火装置 604实现，不需要进行额外的设备改造。
为了保护衬底表面的晶种层，在该第一热退火处理过程中需要向退
火装置中通入保护气体，该保护气体可以是氢气，也可以是惰性气体氮 气、氦气或氩气等中的一种。通入的气体需要确保退火装置内处于正压，
其流量的大小通常可以在200至300sccm之间。
为了将VOC挥发去除，本步第一热退火所需的加热温度不能小于 150°C，通常可以将其的温度设置在150至300。C之间(温度过高可能 会对器件性能不利)。其所需的加热时间不用太长，可以在10至100秒 之间，如可以为15秒、30秒等。
再接着，利用电镀设备中的机械手将经过第一热退火处理后的衬底 传送至电镀装置中，对所述衬底进行铜电镀处理(S704)。经过第一热 退火处理后，衬底晶种层表面的VOC已被挥发去除，在本步电镀处理 过程中，不会再有VOC阻挡铜的生长，可以避免在电镀铜层内形成孔 隙，提高了铜层的形成质量。
电镀后，利用电镀设备中的机械手将衬底传送至洗边装置中，对衬 底进行洗边处理(S705 )。本步洗边处理，可以将电镀时在村底边缘形 成的倒棱去除。
然后，再利用铜电镀设备中机械手将衬底传送至退火装置中，对衬 底进行第二热退火处理(S706)。本步第二热退火处理用于令电镀的铜 层的晶粒变大，减少铜层内的边界，提高该铜层的电性能。
接着，可以将已形成铜层的衬底从电镀设备中取出，完成铜层的制备。
采用本发明的铜层的形成方法，可以将晶种层上附着的VOC挥发 去除，避免在铜层内产生孔隙，提高了铜层的形成质量，提高了器件的 可靠性及寿命等性能参数。
图8为本发明铜镶嵌结构的形成方法的具体实施例的流程图，图9 至图14为说明本发明铜镶嵌结构形成过程的器件剖面图，下面结合图8 至图14对本发明铜镶嵌结构的形成方法的具体实施例进行详细介绍。 首先，提供衬底(S801)。图9为本发明的铜镶嵌结构的形成方法 中所采用的衬底的剖面示意图，如图9所示，在石圭衬底901上具有介质 层902,该介质层通常需要为低K值的材料，如可以为黑钻石(BD, Black Diamond)材料。在该介质层902与硅衬底901之间还可以具有 刻蚀停止层，该刻蚀停止层通常由含氮的碳化硅(NDC)形成(本图中 未示出)。另外，如果本发明的铜镶嵌结构是用作层间的通孔，其用于 形成铜镶嵌结构的衬底的结构可能会更复杂，这一应用的延伸对于本领 域的普通技术人员而言，是易于理解与实现的，在此不再赘述。
然后，在该衬底上形成通孔的开口 (S802)。先利用光刻纟支术在衬 底上定义出通孔开口图形，再利用刻蚀的方法形成通孔开口。图10为 本发明的铜镶嵌结构的形成方法中形成通孔开口后的器件剖面示意图， 如图IO所示，在介质层902内刻蚀形成了通孔开口 910。
接着，在所述衬底表面及所述通孔开口内形成粘附层(S803 )。图 11为本发明的铜镶嵌结构的形成方法中形成粘附层后的器件剖面示意 图，如图ll所示，在衬底表面，依衬底表面形貌形成了粘附层903。该 粘附层903 —方面可以提高后面要填充的铜金属与通孔侧壁的介质层 902之间的粘附性，另一方面可以防止铜金属向介质层902内扩散。该 粘附层903通常可以由利用物理气相沉积的方法沉积的Ta/TaN组合物 形成。
再接着，在所述粘附层上形成铜的晶种层(S804)。图12为本发明 的铜镶嵌结构的形成方法中形成晶种层后的器件剖面示意图，如图12 所示，在粘附层903上面又生长了铜的晶种层904。由于该铜的晶种层 904通常也是利用物理气相沉积的方法形成，其可以与粘附层903 —起 利用同一台物理气相沉积^殳备完成生长。
然后，可以将形成晶种层后的衬底传送至铜电镀设备中(S805 )。 在这一传送过程中，衬底表面会曝露于周围的环境中，此时，环境中的
VOC可能会附着于衬底表面的晶种层上(如图3所示)，影响后续的铜 层的生长。
为此，本发明在将衬底传送至铜电镀设备中后，先向铜电镀设备中
的退火装置通入保护气体，对所述衬底进行第一热退火处理(S806)。 其中，所用的保护气体可以是氢气，也可以是惰性气体氮气、氦气或氩 气等中的一种，其流量的大小通常可以在200至300sccm之间。
为了将VOC挥发去除，第一热退火所需的加热温度不能小于 150°C，通常可以将其的温度设置在150至300°C之间(温度过高可能 会对器件性能不利)。其所需的加热时间不用太长，可以在10至100秒 之间，如可以为15秒、30秒等。
接着，将经过第一热退火处理后的衬底传送至电镀装置中，对所述 衬底进行铜电镀处理(S807)。图13为本发明的铜镶嵌结构的形成方法 中电镀铜层后的器件剖面示意图，如图13所示，在铜的晶种层904上 面形成了铜层905。经过第一热退火处理后，衬底晶种层表面的VOC 已被挥发去除，在本步电镀处理过程中，不会再有VOC阻挡铜的生长， 也就不会再在电镀铜层内形成图4中所示的非正常结构，提高了铜层的 形成质量。
电镀后，将衬底传送至洗边装置中，对衬底进行洗边处理(S808 )。 本步洗边处理，可以将电镀时在衬底边缘形成的倒棱去除。
再接着，将衬底再次传送至退火装置中，对衬底进行第二热退火处 理(S809)。本步第二热退火处理用于令电镀的铜层的晶粒变大，减少 铜层内的边界，提高该铜层的电性能。
然后，可以将已形成铜层的衬底从电镀设备中取出，对铜层进行平 坦化处理，去除通孔开口外的铜金属，形成铜镶嵌结构(S810)。图14 为本发明的铜镶嵌结构的形成方法中平坦化铜层后的器件剖面示意图， 如图14所示，采用本发明的方法后，在铜层内不会再有VOC阻挡铜层
的生长，避免了铜层内孔隙的产生，在平坦化后可以得到质量较好的铜 镶嵌结构。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明， 任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能 的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的 范围为准。
权利要求
1、一种铜层的形成方法，其特征在于，包括步骤提供表面已形成铜晶种层的衬底；将所述衬底传送至铜电镀设备中；向所述铜电镀设备中的退火装置通入保护气体，对所述衬底进行第一热退火处理；利用所述电镀设备中的电镀装置对所述衬底进行铜电镀处理；利用所述电镀设备中的洗边装置对所述衬底进行洗边处理；利用所述铜电镀设备中的退火装置对所述衬底进行第二热退火处理，完成铜的电镀。
2、 如权利要求1所述的形成方法，其特征在于所述第一热退火 处理的温度在150至300°C之间。
3、 如权利要求1所述的形成方法，其特征在于所述第一热退火 处理的时间在10至100秒之间。
4、 如权利要求1所述的形成方法，其特征在于所述通入的保护 气体为氢气、氮气、氦气或氩气中的一种。
5、 如权利要求1所述的形成方法，其特征在于所述通入的保护 气体流量在200至300sccm之间。
6、 一种铜镶嵌结构的形成方法，其特征在于，包括步骤 提供衬底；在所述衬底上形成通孔开口 ； 在所述衬底表面及所述通孔开口内形成粘附层； 在所述粘附层上形成铜的晶种层； 将形成晶种层后的村底传送至铜电镀设备中； 向所述铜电镀设备中的退火装置通入保护气体，对所述衬底进行第 一热退火处理； 利用所述电镀设备中的电镀装置对所述衬底进行铜电镀处理； 利用所述电镀设备中的洗边装置对所述衬底进行洗边处理； 利用所述铜电镀设备中的退火装置对所述衬底进行第二热退火处理；对所述村底进行平坦化处理，去除所述通孔开口外的铜金属，形成 铜镶嵌结构。
7、 如权利要求6所述的形成方法，其特征在于所述第一热退火 处理的温度在150至300°C之间。
8、 如权利要求6所述的形成方法，其特征在于所述第一热退火 处理的时间在10至100秒之间。
9、 如权利要求6所述的形成方法，其特征在于所述通入的保护 气体为氢气、氮气、氦气或氩气中的一种。
10、 如权利要求6所述的形成方法，其特征在于所述通入的保护 气体流量在200至300sccm之间。
11、 如权利要求6所述的形成方法，其特征在于，在所述衬底表面 及所述通孔开口内形成粘附层，包括步骤将所述衬底传送至物理气相沉积i殳备中；在所述衬底表面及所述通孔开口内形成粘附层。
12、 如权利要求11所述的形成方法，其特征在于在所述粘附层 上形成铜的晶种层，包括步骤在所述粘附层上形成铜的晶种层；将所述衬底由所述物理气相沉积设备中取出。
13、 如权利要求6或11所述的形成方法，其特征在于所述粘附 层包含Ta/TaN。
全文摘要
本发明公开了一种铜层的形成方法，包括步骤提供表面已形成铜晶种层的衬底；将所述衬底传送至铜电镀设备中；向所述铜电镀设备中的退火装置通入保护气体，对所述衬底进行第一热退火处理；利用所述电镀设备中的电镀装置对所述衬底进行铜电镀处理；利用所述电镀设备中的洗边装置对所述衬底进行洗边处理；利用所述铜电镀设备中的退火装置对所述衬底进行第二热退火处理，完成铜的电镀。本发明还公开了一种相应的铜镶嵌结构的形成方法，采用本发明的铜层或铜镶嵌结构的形成方法，可以有效减少铜层内孔隙的数量，提高了铜层或铜镶嵌结构的形成质量。
文档编号H01L21/3205GK101359597SQ20071004456
公开日2009年2月4日 申请日期2007年7月31日 优先权日2007年7月31日
发明者芸 康, 杨瑞鹏, 王文琦, 聂佳相 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司