专利名称：形成金属互连的方法
技术领域：
本发明涉及 半导体制造工艺，特别涉及形成铜互连结构的方法。
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。 为了配合元件缩小后所增加的互连线需求，利用凹槽实现的两层以上的多层金属互连线的 设计，成为超大规模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。图1是现有技术形成铜互连结构的流程图。如图1所示，在步骤101中，在已经制 造了半导体器件，例如MOS晶体管的前端器件层上沉积层间介电层；在步骤102中，在该层 间介电层上光刻出凹槽/通孔图案，并刻蚀形成凹槽/通孔；在步骤103中，为使填充的铜 金属与凹槽/通孔侧壁的介电层粘附性良好，并防止铜金属向介电层内扩散，在填充金属 前先沉积一层粘附层，该粘附层通常可由Ta/TaN组合物形成，接着在粘附层上以物理气相 沉积等方法形成铜的晶种层；在步骤104中，在电镀室内利用电镀的方法在凹槽/通孔内填 充铜金属，形成铜层；在步骤105中，对铜层进行退火处理，以使铜层具有诸如低阻抗和高 稳定性的良好性质；在步骤106中，以化学机械研磨(CMP)方式去除金属层高出层间介电层 的部分，从而完成铜互连结构；在步骤107中，在CMP后的表面以化学气相沉积(CVD)的方 法形成下一层的介电层。为了使铜层具有良好的电学性能和较长的寿命，在镀膜后进行了退火处理，然而 退火工艺会增大铜层的应力。在如上所述的对金属层进行退火处理的工艺步骤105之后， 与等待进行CMP的步骤106之间可能会存在很长的等待时间(也称为排队时间，Q-time)。 在等待过程中，应力梯度会促使互连线中的空位扩散、成核并生长成空洞，从而引起互连电 阻增大甚至造成互连线断裂。应力迁移失效多发生在通孔和金属连线边缘等应力集中区 域。图2为退火前和退火后铜层的应力随铜层厚度的变化曲线。如图2所示，铜层的应力 在退火后会显著提高，并且薄膜越薄，退火对应力的影响越大。图2是等待时间大于5小时 后铜层表面的SEM照片。如图3所示，在凹槽301内铜层的边缘上存在有较大的空洞302。 这些较大的空洞会降低铜互连结构的电连接特性和机械特性，从而降低铜互连的寿命和良 品率。因此，当在退火处理和化学机械研磨之间存在较长的等待时间时，减少互连结构 中的金属空洞变得至关重要。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式
部分中进 一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的 关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。为解决金属互连中的空洞问题，提高工艺生产的良品率，本发明提供了一种形成 金属互连的方法，所述方法包括在前端器件层上沉积层间介电层；在所述层间介电层上 形成金属互连层；对所述金属互连层进行化学机械研磨；对所述金属互连层进行退火。根据本发明的另一方面，所述方法还包括在退火步骤之后在所述金属互连层上沉 积介电层。根据本发明的另一方面，其中所述金属互连层是铜层。根据本发明的另一方面，其中利用电镀方法形成所述铜层。根据本发明的另一方面，其中所述退火步骤在退火装置中进行。根据本发明的另一方面，其中所述退火步骤在形成所述介电层的反应腔室中进 行。根据本发明的另一方面，其中在所述退火步骤进行时通入氮气、氦气或氩气中的 一种或几种作为保护气体。根据本发明的另一方面，其中退火温度为300 400°C，保温时间为45 60s。根据本发明的另一方面，其中氦气的流速为60 lOOsccm，氮气的流速为1000 1500sccmo根据本发明的制造工艺可以有效解决在化学机械研磨后在金属互连结构表面留 下空洞的问题。
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发 明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，图1是现有技术形成铜互连结构的流程图；图2是退火前和退火后铜层的应力随铜层厚度的变化曲线；图3是等待时间大于5小时后铜层表面的SEM照片；图4是根据本发明一个实施例形成铜互连结构的流程图；图5是根据本发明另一个实施例形成铜互连结构的流程图；图6是根据传统工艺和本发明工艺形成的铜互连结构的击穿电压的累积分布函 数曲线。
具体实施例方式在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然 而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以 实施。在其它的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进 行描述。为了彻底了解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤，来说明根据本发明形成良好铜互连结构的工艺 步骤，以便解决研磨后在凹槽表面留下金属空洞的问题。显然，本 发明的施行并不限定于半导体领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详 细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其它实施方式。为了克服现有技术中存在的问题，本发明提出了用于减少金属空洞的工艺集成方 法。这种方法可以减少当在退火处理和化学机械研磨之间存在较长的等待时间时，由于退 火而增大的应力所引起的金属空洞。根据本发明形成的金属互连结构具有较高的击穿电压 和较长的寿命。图4是根据本发明一个实施例形成铜互连结构的工艺流程图。在步骤401中，在已经制造了半导体器件，例如MOS晶体管的前端器件层上沉积层 间介电层。该层间介电层的材料可以是氮化硅等。在步骤402中，在该层间介电层上依次涂敷抗反射涂层和光刻胶，然后经曝光、显 影等工艺形成具有凹槽/通孔图案的光刻胶层，以该光刻胶层为掩膜刻蚀形成凹槽/通孔。在步骤403中，为使填充的铜金属与凹槽/通孔侧壁的层间介电层粘附性良好，并 防止铜金属向层间介电层内扩散，在填充金属前先沉积一层粘附层，该粘附层通常可由Ta/ TaN组合物形成，接着在粘附层上以物理气象沉积等方法形成铜的晶种层。在步骤404中，利用电镀方法形成铜层，该铜层的厚度足以填充凹槽/通孔。用含 有硫酸铜(CuSO4)和其它添加物的电解液来沉积铜层，其它添加物可以是铜离子、硫酸、来 自盐酸的氯离子等中的一种或几种。在步骤405中，以CMP方式去除金属层高出层间介电层的部分，使表面变得平整， 从而完成铜互连结构。在步骤406中，进行退火工艺。该工艺的目的在于使铜晶粒长大，减少铜层内的晶 界，提高铜层的质量，以使铜层具有诸如低阻抗和高稳定性的良好性质。退火处理需要向退 火装置中通入保护气体，该保护气体可以是氮气、氦气或氩气等中的一种或几种。本发明 使用的是氦气和氮气的混合气体，氦气的流速约为60 lOOsccm，氮气的流速约为1000 1500sccmo其中，sccm是标准状态下，也就是1个大气压、25摄氏度下每分钟1立方厘米 (IcmVmin)的流量。此外，还可以通入流速约为800 IOOOsccm的氨气，施加约为400 600W的射频功率。使用高频射频功率是为了促使氨气解离生成氢气，利用氢气的还原性特 点来提高铜在退火工艺中的稳定性。将形成铜层的器件迅速加热到约300 400°C，保温约 45 60s。在步骤407中，在退火后的表面以CVD方法形成下一层的介电层。首先进行稳定化 处理，向CVD腔室内通入随后的沉积工艺所需要的前驱气体。在本发明的实施例中，向CVD 腔室内通入氦气作为保护气体，此外还需通入反应气体氨气和三甲基硅烷。该步骤大概持 续10秒钟。通过该步骤，在反应炉中形成了均勻而稳定的前驱气体氛围，也使待处理的晶 片表面与周围的前驱气体有了充分而均勻的接触。然后，以CVD等方法在经稳定化处理的 表面上沉积介电层，优选的介电层的材料可以是含氮的碳化硅。在沉积过程中，继续向CVD 腔室通入反应气体和保护气体，其中氦气的流速约为60 lOOsccm，氨气的流速约为300 500sccm，三甲基硅烷的流速约为500 600sccm。同时，施加约为600 800W的高频射频 功率，使氨气与三甲基硅烷发生反应生成含氮的碳化硅沉积在铜层表面。最后，经过清洗、 举升和抽气等过程，完成介电层的沉积工艺。
由于根据本发明在电化学镀形成铜层后未经过退火处理，因此在铜层内还维持着 较小的应力。根据本发明实施例形成的铜层内的应力约为57Mpa，明显低于根据传统工艺 对铜层进行退火处理后铜层内形成的应力(约333Mpa)。在相对较小的薄膜应力和驱动力 下，即使经过较长的等待时间，铜层内由于生长不均勻形成的微小空洞也不会发生迁移，即 微小空洞仍均勻地分布在铜层内，从而不会在凹槽/通孔的顶部聚集形成较大空洞。图5是根据本发明另一个实施例形成铜互连结构的流程图。 在步骤501中，在已经制造了半导体器件，例如MOS晶体管的前端器件层上沉积层 间介电层。该层间介电层的材料可以是氮化硅等。在步骤502中，在该层间介电层上依次涂敷抗反射涂层和光刻胶，然后经曝光、显 影等工艺形成具有凹槽/通孔图案的光刻胶层，以该光刻胶层为掩膜刻蚀形成凹槽/通孔。在步骤503中，为使填充的铜金属与凹槽/通孔侧壁的层间介电层粘附性良好，并 防止铜金属向层间介电层内扩散，在填充金属前先沉积一层粘附层，该粘附层通常可由Ta/ TaN组合物形成，接着在粘附层上以物理气象沉积等方法形成铜的晶种层。在步骤504中，利用电镀方法形成铜层，该铜层的厚度足以填充凹槽/通孔。用含 有硫酸铜(CuSO4)和其它添加物的电解液来沉积铜层，其它添加物可以是铜离子、硫酸、来 自盐酸的氯离子等中的一种或几种。在步骤505中，以CMP方式去除金属层高出层间介电层的部分，使表面变得平整， 从而完成铜互连结构。在步骤506中，在CVD腔室内对铜层进行退火处理。首先，进行退火前的第一稳定 化处理。在这个步骤中，并不开启射频源，只是向CVD腔室内通入前驱气体，例如氮气、氩气 和氦气等保护气体中的一种或几种以及反应气体。通过该步骤，在反应炉中形成了均勻而 稳定的前驱气体氛围，也使待处理的晶片表面与周围的前驱气体有了充分而均勻的接触。 根据本发明实施例提供的保护气体是氮气和氦气，反应气体是氨气。其中，氦气的流速约为 60 lOOsccm，氮气的流速约为1000 1500sccm，氨气的流速约为800 lOOOsccm，该步 骤大概持续10秒钟。然后，进行退火工艺。向CVD腔室内继续通入保护气体，该保护气体可以是氮气、 氦气或氩气等中的一种或几种，本发明使用的是氦气和氮气的混合气体，同时继续通入反 应气体氨气，三种气体的流速与第一稳定化处理的工艺相同。开启射频源，射频功率约为 400 600W，使用高频射频功率是为了促使氨气解离生成氢气，利用氢气的还原性特点来 提高铜在高温退火工艺中的稳定性。将形成铜层的器件迅速加热到约300 400°C，保温约 45 60s。接着，进行第二稳定化处理，在这个步骤中，关闭射频源，同时向CVD腔室内通入 随后的沉积工艺所需要的前驱气体。在本发明的实施例中，向CVD腔室内通入氦气作为保 护气体，通入氨气和三甲基硅烷作为反应气体，其中氦气的流速约为60 lOOsccm，氨气的 流速约为300 500sccm，三甲基硅烷的流速约为500 600sccm。该步骤大概持续10秒钟。然后，采用CVD方法在经第二稳定化处理的表面上沉积下一层的介电层，优选的 介电层材料可以是含氮的碳化硅。在沉积过程中，向CVD腔室继续通入反应气体氨气和三 甲基硅烷，以及保护气体氦气。同时，施加高频射频功率。其中三种气体的流速与第二稳定化处理的工艺相同，射频功率约为600 800W。在高频射频功率的作用下，氨气与三甲基硅 烷发生反应生成含氮的碳化硅沉积在铜层表面。 最后，经过清洗、举升和抽气等过程，完成介电层的沉积工艺。对根据传统工艺和本发明工艺形成的铜互连结构进行恶化实验，实验结果表明， 根据本发明工艺形成的铜互连结构的累积分布函数曲线更收敛，因此寿命更长。图6是根 据传统工艺和本发明工艺形成的铜互连结构的击穿电压的累积分布函数曲线。如图6所 示，根据本发明工艺形成的铜互连结构的击穿电压变大。因此，根据本发明工艺形成的铜互 连结构具有良好的电学性能和较长的使用寿命。虽然上述的特定实施例已经使用了铜金属，但是本发明并不限于此或任何其它的 导电材料的使用。各种不同的材料可以经历退火而引起迁移，随后要经平坦化处理，都将落 入本发明的保护范围内。例如，本发明的可选实施例可以被用于引起除铜之外的导电金属 的迁移，包括但不限于铝、铝-铜合金以及金。这些可选导电材料中的一些可以通过沉积技 术形成，另一些可以通过电镀工艺形成。根据如上所述的实施例制造的具有良好电学性质的金属互连结构的半导体器件 可应用于多种集成电路(IC)中。根据本发明的IC例如是存储器电路，如随机存取存储器 (RAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM (SDRAM)、静态RAM(SRAM)、或只读存储器(ROM)等等。根 据本发明的IC还可以是逻辑器件，如可编程逻辑阵列(PLA)、专用集成电路(ASIC)、合并式 DRAM逻辑集成电路(掩埋式DRAM)或任意其它电路器件。根据本发明的IC芯片可用于例 如用户电子产品，如个人计算机、便携式计算机、游戏机、蜂窝式电话、个人数字助理、摄像 机、数码相机、手机等各种电子产品中，尤其是射频产品中。本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于 举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人 员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的 变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由 附属的权利要求书及其等效范围所界定。
权利要求
1.一种形成金属互连的方法，所述方法包括 在前端器件层上沉积层间介电层；在所述层间介电层上形成金属互连层； 对所述金属互连层进行化学机械研磨； 对所述金属互连层进行退火。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤 在退火步骤之后在所述金属互连层上沉积介电层。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属互连层是铜层。
4.根据权利要求3所述的方法，其中利用电镀方法形成所述铜层。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述退火步骤在退火装置中进行。
6.根据权利要求2所述的方法，其中所述退火步骤在形成所述介电层的反应腔室中进行。
7.根据权利要求1所述的方法，其中在所述退火步骤进行时通入氮气、氦气或氩气中 的一种或几种作为保护气体。
8.根据权利要求1所述的方法，其中退火温度为300 400°C，保温时间为45 60s。
9.根据权利要求7所述的方法，其中氦气的流速为60 lOOsccm，氮气的流速为 1000 1500sccm。
10.一种根据权利要求1所述的方法制造的电子设备，其中所述电子设备选自个人计 算机、便携式计算机、游戏机、蜂窝式电话、个人数字助理、摄像机和数码相机。
全文摘要
本发明提出了一种形成半导体器件的金属互连的方法，所述方法包括如下步骤在前端器件层上沉积层间介电层，在所述层间介电层上形成金属互连层；对所述金属互连层进行化学机械研磨；对所述金属互连层进行退火。根据本发明的工艺能够有效减少金属互连中的空洞，提高工艺生产的良品率。
文档编号H01L23/532GK102136450SQ20101010240
公开日2011年7月27日 申请日期2010年1月27日 优先权日2010年1月27日
发明者刘盛 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司