专利名称：金属互连方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种金属互连方法。
背景技术：
随着半导体制造工艺的发展，半导体芯片的面积越来越小，同时，在一个半导体芯 片上的半导体器件的数量也越来越多。在半导体电路中，半导体器件之间的信号传输需要 高密度的金属互连线，在传统的半导体工艺中，金属铝一般被用作半导体器件之间的金属 互连线，随着半导体工艺的发展，金属铝互连线已经部分被金属铜互连线所替代，这是因为 金属铜与金属铝相比具有较小的电阻值，采用金属铜互连线可提高半导体器件之间信号的 传输速度。下面对现有技术中的金属互连方法进行介绍，现有技术中的金属互连方法包括以 下步骤步骤101，图Ia为现有技术中金属互连方法的步骤101的剖面结构示意图，如图 Ia所示，在第一金属层之上依次沉积第一介质层和第二介质层。其中，第一金属层为铜线，在此，仅以第一金属层为例对现有技术中的金属互连方 法进行说明，所示第一金属层在实际应用中可为任意一层金属层。步骤102，图Ib为现有技术中金属互连方法的步骤102的剖面结构示意图，如图 Ib所示，在第二介质层之上涂覆第一光阻胶(PR)，并对第一ra进行曝光、显影，从而形成第 一光刻图案。其中，第一光刻图案用来定义后续步骤中的沟槽的开口宽度。在实际应用中，在第一冊之下还涂覆有底部抗反射涂层(BARC)。步骤103，图Ic为现有技术中金属互连方法的步骤103的剖面结构示意图，如图 Ic所示，按照第一光刻图案对第二介质层进行刻蚀，从而形成沟槽。步骤104，图Id为现有技术中金属互连方法的步骤104的剖面结构示意图，如图 Id所示，将第一光刻图案剥离。具体来说，主要采用两种方法去除ra，第一，采用氧气(O2)进行干法刻蚀，氧气与 PR发生化学反应，可将ra去除；第二，还可采用湿法去胶法，例如，采用硫酸和双氧水的混 合溶液可将I3R去除。步骤105，图Ie为现有技术中金属互连方法的步骤105的剖面结构示意图，如图 Ie所示，涂覆第二 ra。其中，第二 ra的一部分存在于第二介质层之上，第二 ra的其他部分填充于沟槽 中。在实际应用中，在第一 I3R之下还涂覆有BARC。步骤106，图If为现有技术中金属互连方法的步骤106的剖面结构示意图，如图 If所示，对第二 I3R进行曝光、显影，从而形成第二光刻图案。其中，第二光刻图案用来定义后续步骤中的通孔的开口宽度。
步骤107，图Ig为现有技术中金属互连方法的步骤107的剖面结构示意图，如图 Ig所示，按照第二光刻图案对第一介质层进行刻蚀，从而形成通孔。步骤108，图Ih为现有技术中金属互连方法的步骤108的剖面结构示意图，如图 Ih所示，将第二光刻图案剥离。光刻胶剥离的方法可参照步骤104中相关的描述。步骤109，图Ii为现有技术中金属互连方法的步骤109的剖面结构示意图，如图 Ii所示，沉积扩散阻挡层。为了防止在后续步骤中沟槽和通孔中所沉积的金属铜落扩散至第一介质层和第 二介质层中，采用物理气相沉积(PVD)工艺沉积扩散阻挡层。步骤110，图Ij为现有技术中金属互连方法的步骤110的剖面结构示意图，采用 PVD工艺在扩散阻挡层之上沉积铜籽晶层。步骤110，图Ik为现有技术中金属互连方法的步骤111的剖面结构示意图，如图 Ij所示，采用电化学镀工艺(ECP)在沟槽和通孔中生长金属铜。步骤112，图11为现有技术中金属互连方法的步骤112的剖面结构示意图，如图 11所示，采用化学机械研磨工艺(CMP)将金属铜、铜籽晶层和扩散阻挡层抛光至第二介质 层的表面至此，本流程结束。然而，在实际应用中，当ECP或CMP时，金属铜的表面有可能会出现损伤或者空洞， 当电流流经沟槽中的金属和通孔中的金属时，即流经金属互连线时，电子会撞击损伤处或 空洞处，随着电子的撞击，铜原子的晶界会发生迁移，需要说明的是，晶粒与晶粒之间的接 触界面被称为晶界，因此，损伤处或空洞处也会沿着电子流动的方向而发生位移，导致损伤 处或空洞处的面积逐渐扩大，我们将由这种现象而导致的对金属互连线的损伤称为电迁移 损伤(electronmigration fail) 0为了克服电迁移损伤，在现有技术中，对上述金属互连方法还进行了改进，其原理 是利用铜铝合金、铜银合金或铜锰合金的钉轧效应而保证晶界不发生迁移。下面，以铜铝合 金为例进行说明。当在金属铜中掺入金属铝后，金属铝和金属铜会生成铜铝合金，而铜铝合 金通常生长在铜原子的晶界处，且铜铝合金具有钉轧效应，可保持晶界的形状的不发生改 变。基于铜铝合金的上述特性，在沉积铜籽晶层之前，还沉积了一层金属铝，金属铝会逐渐 扩散至铜籽晶层中，并生成铜铝合金，因此，当电子撞击损伤处或空洞处时，晶界不会发生 迁移，从而防止空洞处或损伤处进一步扩大，在一定程度上抑制了电迁移损伤。改进后的金属互连方法虽然能够在一定程度上抑制电迁移损伤，但是，金属铝的 电阻比较大，从而增大了金属互连线的电阻。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种金属互连方法，能够克服电迁移损伤，且降低金属互连 线的电阻。为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的一种金属互连方法，该方法包括在金属层之上依次沉积第一介质层和第二介质 层；对第二介质层进行刻蚀，在第二介质层中形成沟槽；对第一介质层进行刻蚀，在第一介质层中形成通孔；沉积扩散阻挡层和铜籽晶层，该方法还包括采用电化学镀工艺ECP生长金属铜；在金属铜的表面生成铜铝合金、铜锰合金或铜银合金。所述在金属铜的表面生成铜铝合金、铜锰合金或铜银合金的方法包括沉积金属铝、金属锰或金属银；在金属铝、金属锰或金属银之上沉积铜籽晶层，并采用ECP在铜籽晶层之上生长 金属铜；采用CMP工艺将金属铜抛光至第二介质层的表面。所述沉积金属铝、金属锰或金属银的方法为采用化学气相沉积CVD、物理气相沉 积PVD或溅射沉积金属铝、金属锰或金属银。所沉积的金属铝、金属锰或金属银的厚度为0. 5纳米至50纳米。在金属铝、金属锰或金属银沉积之前，采用ECP生长的金属铜的厚度在预设的金 属铜的厚度减去20纳米至预设的金属铜的厚度加上200纳米的范围内。所述在金属铜的表面生成铜铝合金的方法包括对金属铜注入铝离子；采用CMP工艺将金属铜抛光至第二介质层的表面。所述铝离子注入的剂量为1 X IO15个原子/cm2至1 X IO16个原子/cm2，铝离子注入 的能量为10千电子伏特至200千电子伏特。可见，在本发明所提供的一种金属互连方法中，在金属层之上依次沉积第一介质 层和第二介质层，并分别对第二介质层和第一介质层进行刻蚀，形成沟槽和通孔，然后沉积 扩散阻挡层和铜籽晶层，采用ECP生长金属铜，最后仅在金属铜的表面生成铜铝合金、铜锰 合金或铜银合金，这样，减小了金属互连线的电阻，而且克服了电迁移损伤。
图Ia 图11为现有技术中金属互连方法的步骤101 步骤112的剖面结构示意 图。图2为本发明所提供的一种金属互连方法的流程图。图3a 图3η为本发明中金属互连方法的实施例一中步骤301 步骤314的剖面 结构示意图。图如 图如为本发明中金属互连方法的实施例二中步骤411 步骤413的剖面 结构示意图。
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。图2为本发明所提供的一种金属互连方法的流程图。如图2所示，该方法包括步骤201，在金属层之上依次沉积第一介质层和第二介质层。步骤202，对第二介质层进行刻蚀，在第二介质层中形成沟槽；对第一介质层进行 刻蚀，在第一介质层中形成通孔。
步骤203，沉积扩散阻挡层和铜籽晶层，采用ECP生长金属铜。步骤204，在金属铜的表面生成铜铝合金、铜锰合金或铜银合金。至此，本流程结束。下面通过两个实施例对本发明所提供的一种金属互连方法进行详细介绍。实施例一本发明所提供的一种金属互连方法的实施例一包括以下步骤步骤301，图3a为本发明中金属互连方法的步骤301的剖面结构示意图，如图3a 所示，在第一金属层之上依次沉积第一介质层和第二介质层。其中，第一金属层为铜线，在此，仅以第一金属层为例对本发明中的金属互连方法 进行说明，所示第一金属层在实际应用中可为任意一层金属层。步骤302，图北为本发明中金属互连方法的步骤302的剖面结构示意图，如图北 所示，在第二介质层之上涂覆第一 PR，并对第一 I3R进行曝光、显影，从而形成第一光刻图案。其中，第一光刻图案用来定义后续步骤中的沟槽的开口宽度。步骤303，图3c为本发明中金属互连方法的步骤303的剖面结构示意图，如图3c 所示，按照第一光刻图案对第二介质层进行刻蚀，从而形成沟槽。步骤304，图3d为本发明中金属互连方法的步骤304的剖面结构示意图，如图3d 所示，将第一光刻图案剥离。步骤305，图!Be为本发明中金属互连方法的步骤305的剖面结构示意图，如图；^ 所示，涂覆第二 TO。步骤306，图3f为本发明中金属互连方法的步骤306的剖面结构示意图，如图3f 所示，对第二 I3R进行曝光、显影，从而形成第二光刻图案。其中，第二光刻图案用来定义后续步骤中的通孔的开口宽度。步骤307，图3g为本发明中金属互连方法的步骤307的剖面结构示意图，如图3g 所示，按照第二光刻图案对第一介质层进行刻蚀，从而形成通孔。步骤308，图池为本发明中金属互连方法的步骤308的剖面结构示意图，如图池 所示，将第二光刻图案剥离。步骤309，图3i为本发明中金属互连方法的步骤309的剖面结构示意图，如图3i 所示，沉积扩散阻挡层。为步骤310，图3j为本发明中金属互连方法的步骤310的剖面结构示意图，如图 3j所示，采用PVD工艺在扩散阻挡层之上沉积铜籽晶层。以上内容与现有技术相同，在此不予赘述。步骤311，图3k为本发明中金属互连方法的步骤311的剖面结构示意图，如图3k 所示，采用ECP工艺在沟槽和通孔中生长金属铜。其中，所生长的金属铜的厚度与预设的金属铜的厚度相比，在预设的金属铜的厚 度减去20纳米至预设的金属铜的厚度加上200纳米的厚度范围内，所述预设的金属铜的厚 度是指在理想情况下，最终沟槽和通孔中的金属铜的厚度之和。步骤312，图31为本发明中金属互连方法的步骤312的剖面结构示意图，如图31 所示，沉积金属铝。
其中，沉积的方法为可采用CVD、PVD或溅射等方法。所沉积的金属铝的厚度为0. 5纳米至50纳米。另外，在本步骤中，也可沉积金属锰或金属银。步骤313，图: 为本发明中金属互连方法的步骤313的剖面结构示意图，如图:3m 所示，在金属铝之上沉积铜籽晶层，并采用ECP在铜籽晶层之上生长金属铜。本步骤与步骤310和步骤311基本相同，其中，对铜籽晶层的厚度和金属铜的厚度 没有具体限定，视具体情况而定。步骤314，图3η为现有技术中金属互连方法的步骤314的剖面结构示意图，如图 3η所示，采用CMP将金属铜抛光至第二介质层的表面。可见，在实施例一中，采用ECP工艺在沟槽和通孔中生长金属铜后，沉积一层金属 铝，然后在金属铝之上再沉积铜籽晶层和生长金属铜，随着金属铝的扩散，会逐渐扩散至其 下的金属铜和其上的铜籽晶层中，最终，采用CMP将金属铜抛光至第二介质层的表面后，金 属铜的表层中具有铜铝合金，一方面，由于损伤处或空洞处通常存在于金属铜的表面，因 此，实施一所提供的方法能够克服电迁移损伤，另一方面，仅在金属铜的表层中存在铜铝合 金，在沟槽中的其他地方没有铜铝合金，通孔中也没有铜铝合金，这样，金属互连线的电阻 基本没有增大。至此，本流程结束。实施例二实施例二的步骤401至步骤410与实施例一的步骤301至步骤310相同，此处不 再进行重复说明，下面，从步骤411开始对实施例二进行说明。步骤411，图如为现有技术中金属互连方法的步骤411的剖面结构示意图，如图 4a所示，采用ECP在沟槽和通孔中生长金属铜。其中，所生长的金属铜的厚度与预设的金属铜的厚度相比，略大于预设的金属铜 的厚度，可参考现有技术中所生长的金属铜的厚度。步骤412，图4b为现有技术中金属互连方法的步骤412的剖面结构示意图，如图 4b所示，对金属铜注入铝离子。其中，离子注入的剂量为1 X IO15个原子/cm2至1 X IO16个原子/cm2，离子注入的 能量为10千电子伏特(keV)至200千电子伏特。 步骤413，图如为现有技术中金属互连方法的步骤413的剖面结构示意图，如图 4c所示，采用CMP将金属铜抛光至第二介质层的表面。至此，本流程结束。可见，在实施例二中，采用ECP在沟槽和通孔中生长金属铜后，对金属铜注入了铝 离子，这样，仅在金属铜的表层中存在铜铝合金，不仅克服了电迁移损伤，而且对金属互连 线的电阻基本没有影响。在本发明所提供的一种金属互连方法中，在金属层之上依次沉积第一介质层和第 二介质层，并分别对第二介质层和第一介质层进行刻蚀，形成沟槽和通孔，然后沉积扩散阻 挡层和铜籽晶层，采用ECP生长金属铜，最后仅在金属铜的表面生成铜铝合金、铜锰合金或 铜银合金，这样，减小了金属互连线的电阻，而且克服了电迁移损伤。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、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
权利要求
1.一种金属互连方法，该方法包括在金属层之上依次沉积第一介质层和第二介质 层；对第二介质层进行刻蚀，在第二介质层中形成沟槽；对第一介质层进行刻蚀，在第一介 质层中形成通孔；沉积扩散阻挡层和铜籽晶层，其特征在于，该方法还包括采用电化学镀工艺ECP生长金属铜； 在金属铜的表面生成铜铝合金、铜锰合金或铜银合金。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在金属铜的表面生成铜铝合金、铜锰 合金或铜银合金的方法包括沉积金属铝、金属锰或金属银；在金属铝、金属锰或金属银之上沉积铜籽晶层，并采用ECP在铜籽晶层之上生长金属铜；采用CMP工艺将金属铜抛光至第二介质层的表面。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述沉积金属铝、金属锰或金属银的方法 为采用化学气相沉积CVD、物理气相沉积PVD或溅射沉积金属铝、金属锰或金属银。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所沉积的金属铝、金属锰或金属银的厚度 为0. 5纳米至50纳米。
5.根据权利要求4所述的方法，在金属铝、金属锰或金属银沉积之前，采用ECP生长的 金属铜的厚度在预设的金属铜的厚度减去20纳米至预设的金属铜的厚度加上200纳米的 范围内。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在金属铜的表面生成铜铝合金的方 法包括对金属铜注入铝离子；采用CMP工艺将金属铜抛光至第二介质层的表面。
7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述铝离子注入的剂量为IXIO15个原子/ cm2至IX IO"5个原子/cm2，铝离子注入的能量为10千电子伏特至200千电子伏特。
全文摘要
本发明公开了一种金属互连方法，该方法包括在金属层之上依次沉积第一介质层和第二介质层；对第二介质层进行刻蚀，在第二介质层中形成沟槽；对第一介质层进行刻蚀，在第一介质层中形成通孔；沉积扩散阻挡层和铜籽晶层；采用电化学镀工艺ECP生长金属铜；金属铜的表面生成铜铝合金、铜锰合金或铜银合金。采用该方法能够克服电迁移损伤，且降低金属互连线的电阻。
文档编号H01L21/768GK102097363SQ20091020149
公开日2011年6月15日 申请日期2009年12月15日 优先权日2009年12月15日
发明者宁先捷 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司