专利名称：形成金属互连层的方法
技术领域：
本发明涉及半导体器件互连层制造技术，特别涉及一种形成金属互连层的方法。
背景技术：
目前，在半导体器件的后段(back-end-of-line，BE0L)工艺中，可根据不同需要 在半导体衬底上生长多层金属互连层，每层金属互连层包括金属互连线和绝缘层，这就需 要对上述绝缘层制造沟槽(trench)和连接孔，然后在上述沟槽和连接孔内沉积金属，沉积 的金属即为金属互连线，一般选用铜作为金属互连线材料。现有技术中为了防止铜扩散进 入绝缘层，更好地限制在沟槽和连接孔内，一般采用钽(Ta)和氮化钽(TaN)的叠层结构，作 为金属互连线和绝缘层之间的阻挡膜。而且，金属互连线的制作是通过在叠层结构上形成 铜种子层，然后在铜种子层表面电镀铜层形成的。现有技术中形成金属互连层的方法，请参阅图la至图lc。如图la所示，在绝缘层100上刻蚀形成沟槽101和连接孔102，所述连接孔102与 下层的铜互连线103连接。一般采用先制作连接孔(via first)的方法，即先制作连接孔， 再制作沟槽。然后通过物理气相沉积(PVD)方法，在沟槽101的底部和侧壁上、连接孔102的底 部和侧壁上，依次溅射氮化钽(TaN)层、钽(Ta)层；依次刻蚀连接孔底部上的Ta层和TaN 层，形成开口，露出下层的铜互连线103 ；在开口处及Ta层的表面继续溅射金属Ta层，覆盖 露出的下层的铜互连线103，而且与之前形成的Ta层相连为一体。上述由TaN和Ta构成的 叠层阻挡膜104，只是其中一种具体实施例，显然，还有多种形成叠层阻挡膜的实现方法。接下来如图lb所示，在叠层阻挡膜104的表面，通过溅射的方法形成铜种子层 (seed layer)105o然后如图lc所示，将形成有铜种子层105的半导体器件，置入电镀设备的包含有 铜离子的电镀液中，一般为硫酸铜等，然后将半导体器件接阴极，电镀液接阳极，并在阴极 和阳极之间通电，在电场作用下，铜种子层105的表面，即沟槽和连接孔的内部，就形成了 铜电镀层106。需要注意的是，由于图la和lb所示的半导体器件都是在高真空的反应腔内形成 的，而铜电镀层106是置入常压下的电镀设备中形成，这样将形成有铜种子层105的半导体 器件从高真空的反应腔内取出，置入常压下的电镀设备的过程中，铜种子层105就很容易 被空气中的氧气氧化，被氧化的成分为氧化铜，同时，在此过程中，大气中的很多挥发性的 有机物质，也很容易粘附在铜种子层105的表面，与铜种子层105发生反应，污染铜种子层 105。形成的污染物107如图lb中的示意图所示。随着半导体技术的不断提高，器件的特 征尺寸在不断减小，铜种子层的溅射厚度也越来越薄，所以一旦铜种子层105受到污染，污 染物将会侵蚀到其整个厚度范围内。这样在置入电镀液中时，由于电镀液含有氢离子，呈酸性，污染物107就会与电镀 液反应，溶解在电镀液中，污染物107消失之后，就会导致铜种子层105表面的不连续，即出现一个个小孔洞，铜电镀层是无法形成在没有铜种子层的表面的，在电镀液中形成了铜电 镀层106之后的示意图如图lc所示。在后续对上述半导体器件进行测试时发现，半导体器件的可靠性比较低，出现应 力迁移(SM)等问题，甚至导致器件失效。在高温下对半导体器件施加应力进行测试时，在 铜种子层105表面出现的小孔洞，很容易在应力作用下，空洞边缘扩张，造成更大的孔洞， 那么接触电阻Rc就会变得很大，一定程度下，就会导致器件失效。
发明内容
有鉴于此，本发明解决的技术问题是铜种子层在空气中被污染。为解决上述技术问题，本发明的技术方案具体是这样实现的本发明公开了一种形成金属互连层的方法，包括在反应腔中执行在半导体衬底的绝缘层上形成沟槽和连接孔，并在沟槽的底部和 侧壁上、连接孔的底部和侧壁上形成叠层阻挡膜；在所述叠层阻挡膜的表面形成铜种子层；从所述反应腔内取出后，置入预处理反应腔，对被空气污染的铜种子层进行氧化 还原预处理；在电镀设备中执行在所述铜种子层的表面形成铜电镀层。所述预处理在预处理反应腔内进行，采用的气体为氢气或者氨气。所述预处理在采用氢气时，进一步包括氦气。所述氢气与氦气的比例为10 90 2 98。所述氢气的流量为60 100标准立方厘米每分钟seem。所述预处理反应腔内所施加的高频射频功率为400 1000瓦；低频射频功率为 5 200瓦。所述预处理在室温下进行，所述室温在15 50摄氏度。所述预处理的时间为1 100秒。所述预处理反应腔与电镀设备在同一个机台集成。由上述的技术方案可见，本发明在将形成有铜种子层105的半导体器件置入电镀 设备的电镀液中之前，对铜种子层105表面的污染物进行预处理，预处理为氢气(H2)或者 氨气(NH3)，通过氧化还原反应将氧化铜等污染物还原成金属铜，使得铜种子层105恢复到 原来的连续表面状态。
图la至lc为现有技术中形成金属互连层的制作过程示意图。图2为本发明形成金属互连层的方法流程示意图。图3a至图3d为本发明形成金属互连层的制作过程示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例， 对本发明进一步详细说明。
本发明在将形成有铜种子层105的半导体器件置入电镀设备的电镀液中之前，对 铜种子层105表面的污染物进行预处理，预处理为氢气或者氨气，通过氧化还原反应将氧 化铜等污染物还原成金属铜，使得铜种子层105恢复到原来的连续表面状态。本发明形成金属互连层的方法，其流程示意图如图2所示。具体制作过程示意图 请参阅图3a至图3d。步骤21、在半导体衬底的绝缘层上形成沟槽和连接孔，并在沟槽的底部和侧壁上、 连接孔的底部和侧壁上形成叠层阻挡膜。该步骤在高真空反应腔内进行。如图3a所示，在绝缘层100上刻蚀形成沟槽101和连接孔102，所述连接孔102与 下层的铜互连线103连接。一般采用via first的方法，即先制作连接孔，再制作沟槽。然后通过PVD方法，在沟槽101的底部和侧壁上、连接孔102的底部和侧壁上依次 溅射TaN层、Ta层；依次刻蚀连接孔底部上的Ta层和TaN层，形成开口，露出下层的铜互连 线105 ；在开口处及Ta层的表面继续溅射金属Ta层，覆盖露出的下层的铜互连线105，而且 与之前形成的Ta层相连为一体。上述由TaN和Ta构成的叠层阻挡膜104，只是其中一种具 体实施例，显然，还有多种形成叠层阻挡膜的实现方法。步骤22、在高真空反应腔内，叠层阻挡膜表面形成铜种子层，并从反应腔取出。在叠层阻挡膜104的表面，通过溅射的方法形成铜种子层105。铜种子层105在高真空的反应腔内形成，此时将形成有铜种子层105的半导体器 件从高真空反应腔内取出时，与空气中氧气和有机物质发生反应，形成氧化铜等杂质污染 物107，如图3b所示。步骤23、将形成有铜种子层105的半导体器件置入预处理设备中。所述预处理设 备和电镀设备集成在同一个机台中，由于预处理所需要的反应腔压力比较小，所以能够和 处于常压下的电镀设备集成在同一个机台中，这样就可以确保在预处理之后，半导体器件 立刻进入电镀设备，而不被再次氧化。预处理反应腔内的气体可以为氢气或者氨气，都可以通过氧化还原反应将氧化铜 等污染物还原成金属铜。本发明的具体实施例为氢气。由于纯的氢气可能引起爆炸，所 以采用氢气与氦气相结合，对被污染的铜种子层105表面进行处理，氢气与氦气的比例为 10 90 2 98，优选地，可以为5 95,5 120,7 98。其中，氢气的流量为60 100 标准立方厘米每分钟(seem)，优选为70sccm、80sccm或90sccm。氧化还原反应在室温下进 行，预处理反应腔内所施加的高频射频功率为400 1000瓦，低频射频功率为5 200瓦， 预处理时间可以根据污染程度的不同而进行控制，可以为1 100秒。本发明所说的室温 是一个比较广义下的温度，可以在15 50摄氏度之间。通过预处理步骤，铜种子层105表面的污染物107被有效还原成金属铜，铜种子层 105恢复到原来具有的连续的表面，如图3c所示。步骤24、将预处理之后的半导体器件，置入电镀设备的包含有铜离子的电镀液中， 一般为硫酸铜等，然后将半导体器件接阴极，电镀液接阳极，并在阴极和阳极之间通电，在 电场作用下，铜种子层105的表面，即沟槽和连接孔的内部，就形成了铜电镀层106。如图 3d所示。由于铜种子层105具有连续的表面，所以电镀铜层时，就不再会出现缺陷。在对通过采用本发明的方法形成的半导体器件进行测试时，器件的可靠性显著提 高，SM等缺陷大大减少，从而有效提高了器件的良率(yield)。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在 本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护 范围之内。
权利要求
一种形成金属互连层的方法，包括在反应腔中执行在半导体衬底的绝缘层上形成沟槽和连接孔，并在沟槽的底部和侧壁上、连接孔的底部和侧壁上形成叠层阻挡膜；在所述叠层阻挡膜的表面形成铜种子层；从所述反应腔内取出后，置入预处理反应腔，对被空气污染的铜种子层进行氧化还原预处理；在电镀设备中执行在所述铜种子层的表面形成铜电镀层。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预处理在预处理反应腔内进行，采用的 气体为氢气或者氨气。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预处理在采用氢气时，进一步包括氦气。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述氢气与氦气的比例为10 90 2 98。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述氢气的流量为60 100标准立方厘米 每分钟seem。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述预处理反应腔内所施加的高频射频功 率为400 1000瓦；低频射频功率为5 200瓦。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述预处理在室温下进行，所述室温在15 50摄氏度。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述预处理的时间为1 100秒。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预处理反应腔与电镀设备在同一个机 台集成。
全文摘要
本发明公开了一种形成金属互连层的方法，包括在反应腔中执行在半导体衬底的绝缘层上形成沟槽和连接孔，并在沟槽的底部和侧壁上、连接孔的底部和侧壁上形成叠层阻挡膜；在所述叠层阻挡膜的表面形成铜种子层；从所述反应腔内取出后，置入预处理反应腔，对被空气污染的铜种子层进行氧化还原预处理；在电镀设备中执行在所述铜种子层的表面形成铜电镀层。采用该方法能够去除铜种子层表面被空气污染的杂质，提高器件的可靠性，从而提高良率。
文档编号H01L21/768GK101989568SQ20091005583
公开日2011年3月23日 申请日期2009年8月3日 优先权日2009年8月3日
发明者何伟业, 刘盛, 孔祥涛, 杨瑞鹏, 聂佳相 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司