专利名称：一种金属互连方法
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：
目前，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。金属铜互连线已经逐渐替代了传统的半导体工艺中使用的金属铝互连线，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。下面对现有技术中金属铜互连线的金属互连方法进行介绍，现有技术中的金属互连方法如图1所示，包括以下步骤步骤101，图加为现有技术中金属互连方法的步骤101的剖面结构示意图，如图加所示，将化学机械研磨工艺(CMP)之后的第一金属层201放入反应腔，通入氨气(NH3) 202 进行预处理，其中，包括第一金属层201所在的第一介质200。本步骤中，在反应腔内通入NH3进行预处理之前，先升温，降压后达到稳定，其中， 反应腔内的温度为400摄氏度(°C )，压强为500帕斯卡(Pa)。本步骤中，通入NH3的预处理所用的NH3气体流量范围是300标准状态毫升每分到600标准状态毫升每分；通入时间范围是小于等于40秒；对金属层进行的NH3预处理过程中，金属层表面的铜原子与NH3反应，在金属层表面形成具有铜氮(Cu-N)键的Cu-N化合物，由于Cu-N键为不饱和键，因此能够与后续沉积的氮化硅的硅氮(Si-N)键相互作用，增强氮化硅在金属层表面的附着力。步骤102，图2b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 2b所示，在第一金属层上沉积氮化硅(Si3N4) 203。本步骤中，Si3N4203作为后续步骤对第二介质层进行刻蚀的停止层。在Si3N4203 沉积之后，反应腔降温升压。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103，图2c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 2c所示，在Si3N4203上沉积第二介质层204。本步骤中，第二介质层204为二氧化硅(SiO2),在二氧化硅上还可以沉积硅的氧化物(TEOS) 205作为后续刻蚀和去胶(ashing)步骤中二氧化硅的保护层。步骤104，图2d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 2d所示，在第二介质层上涂覆第一光阻胶(PR) 206,并对第一 PR206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通孔207的开口宽度。在实际应用中，在第一 PR206之下还涂覆有底部抗反射涂层(BARC)，用于减少在曝光过程中的光反射，未在图中画出。
步骤105，图加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 2e所示，按照第一光刻图案对第二介质层进行第一刻蚀，从而形成通孔207。本步骤中，Si3N4203作为刻蚀的停止层，在第一刻蚀之后，Si3N4203并没有完全刻蚀掉，其残留部分会在后续第二刻蚀后去除。在通孔207形成后，还要进行第一光刻图案剥离。具体来说，主要采用两种方法去除第一 PR206，第一，采用氧气(O2)进行干法刻蚀，氧气与I3R发生化学反应，可将第一PR206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第一 PR206去除。步骤106，图2f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 2f所示，涂覆第二冊209，对第二 PR209进行曝光、显影，从而形成第二光刻图案。其中，先在第二介质层上依次形成第一 BARC、低温的氧化硅(LTO) 208和第二 BARC 组成的三层薄膜，其过程为，先在第二介质层上涂覆BARC，后用LT0208填充通孔207，然后在LT0208上涂覆第二 BARC并在LT0208上形成平坦的第二 BARC表面，最后在第二 BARC上涂覆第二 1^209，第一 BARC和第二 BARC，都用于减少在曝光过程中的光反射，未在图中画出ο在实际应用中，还可以直接用第二 PR209涂覆第二介质层，其中，第二 PR209的一部分存在于第二介质层上，第二冊209的其他部分填充于通孔207中。其中，第二光刻图案用来定义后续步骤中的沟槽210的开口宽度。步骤107，图2g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 2g所示，按照第二光刻图案对第二介质层进行第二刻蚀，从而形成沟槽210。本步骤中，在形成沟槽210后，还有将第二光刻图案以及LT0208剥离和去除的步骤，并且将残留的氮化硅完全去除，露出第一金属层的表面。光刻胶剥离的方法可参照步骤 105中相关的描述。
步骤108，图池为现有技术中金属互连方法的步骤108的剖面结构示意图，如图池所示，沉积扩散阻挡层211。为了防止在后续步骤中沟槽210和通孔207中所沉积的金属铜落扩散至第二介质层中，采用物理气相沉积(PVD)工艺沉积扩散阻挡层211。步骤109，图2i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 2i所示，采用PVD工艺在扩散阻挡层211上沉积铜籽晶层212。步骤110，图2j为现有技术中金属互连方法的步骤110的剖面结构示意图，如图 2j所示，采用电化学镀工艺(ECP)在沟槽210和通孔207中生长金属铜213。步骤111，图业为现有技术中金属互连方法的步骤111的剖面结构示意图，如图业所示，采用CMP将金属铜213、铜籽晶层212和扩散阻挡层211抛光至第二介质层的表面， 形成第二金属层214。然而，在通孔中生长金属铜后，由于通孔207中的金属铜与第一金属层交界处的结合效果没有整体生成的通孔207和沟槽201中金属铜的结合效果好，因此，在检测金属铜互连线寿命的电迁移测试中，当电流流过通孔207中的金属铜与第一金属层的交界处时， 所述交界处的铜原子由于受到电子的撞击，使铜原子的晶界发生迁移，所述交界处称为电迁移测试中的薄弱点(weak point)。需要说明的是，晶粒与晶粒之间的接触界面被称为晶界。随着电流流过时间的增加，铜原子晶界的迁移使薄弱点的边缘扭折处(kinksites)出
4现空洞，空洞的面积逐渐扩大，导致金属铜互连线的损伤甚至断路，我们将由这种现象称为电迁移损伤(electronmigration fail)。上述步骤101中，通入NH3的预处理在金属铜的金属层表面形成铜氮化合物，一方面可以钝化使薄弱点的扭折处，另一方面还可以利用Cu-N键的键能使金属层表面的铜原子从扭折处脱离所需的能量增加，从而束缚金属层表面铜原子的晶界迁移，减小电迁移损伤。但是，由于Cu-N键的键能仅有30千焦每摩尔，因此，其对铜原子的束缚力不够，薄弱点的扭折处电迁移损伤现象依然严重，金属铜互连线的寿命仅为十几年。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种金属互连方法，能够改善由于电子的撞击使金属层与通孔的薄弱点扭折处的电迁移损伤，延长金属互连线的寿命。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，该方法包括在第一金属层表面形成键能大于30千焦每摩尔的金属无机物化合物；在所述金属无机物化合物表面沉积第二介质层；光刻和刻蚀所述第二介质层，形成通孔和沟槽；在所述通孔和沟槽中填充金属；采用电化学镀工艺生长金属铜；化学机械研磨工艺抛光金属铜到第二介质层表面，形成第二金属层。所述第一金属层是金属铜。所述金属无机化合物是铜硅化合物。所述形成金属无机物化合物的方法包括将所述第一金属层放入反应腔内，通入含硅烷的气体进行硅烷预处理。所述硅烷的流量范围是300标准状态毫升每分到600标准状态毫升每分。所述硅烷预处理的时间范围是1秒到5秒。所述反应腔内的温度范围是300摄氏度到600摄氏度。所述反应腔内的压力范围是400帕斯卡到800帕斯卡。由上述的技术方案可见，本发明提出的金属互连方法，对化学机械研磨之后的第一金属层进行金属无机物化合物预处理，使金属层表面的铜原子形成键能大于30千焦每摩尔离子键，一方面钝化金属层与通孔的交界面扭折处，另一方面利用离子键的键能，能够更好地束缚金属层表面的铜原子的晶界移动，减小电迁移损伤，延长了金属互连线寿命。
图1为现有技术金属互连方法的流程图；图加 业为现有技术金属互连方法的剖面结构示意图；图3为本发明金属互连方法的流程图；图如 41为本发明金属互连方法的剖面结构示意图。
具体实施例方式
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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。下面通过一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。图3为本发明所提供的一种以金属铜互连线为例的金属互连方法的流程图。图如 41为本发明以金属铜互连线为例的金属互连方法的剖面结构示意图。如图3所示，该方法包括步骤301，图如为本发明金属互连方法的步骤302的剖面结构示意图，如图4b所示，在化学机械研磨工艺(CMP)之后的第一金属层上进行硅烷预处理402，其中，包括第一金属层201所在的第一介质200。本步骤中，硅烷预处理402是在反应腔内通入含有氨气(NH3)和硅烷(SiH4)的混合气体。其中，硅烷预处理的时间范围是1秒到5秒，例如1秒，2. 5秒和5秒；硅烷预处理通入NH3的流量范围是300标准状态毫升每分到600标准状态毫升每分，例如，300标准状态毫升每分，150标准状态毫升每分和600标准状态毫升每分；本实施例中，硅烷预处理402在通入硅烷的同时通入氨气的作用是为后续步骤302中通入氨气沉积氮化硅稳定气氛；硅烷预处理通入SiH4的流量范围是300标准状态毫升每分到600标准状态毫升每分，例如，300标准状态毫升每分，150标准状态毫升每分和600标准状态毫升每分。在反应腔内进行硅烷预处理402之前，反应腔需要先升温，降压后达到稳定，使得反应腔内的温度范围是300摄氏度到600摄氏度，例如300摄氏度，500摄氏度和600摄氏度；压力范围是400帕斯卡到800帕斯卡，例如400帕斯卡，600帕斯卡和800帕斯卡。在硅烷预处理过程中，第一金属层表面的铜和硅烷发生化学反应生成铜硅化合物的化学反应方程式为2Cu+SiH4 — Cu2Si+2H2，在第一金属层的表面形成的铜硅化合物， 一方面不仅能钝化第一金属层与通孔的交界面扭折处，另一方面，铜硅化合物具有的铜硅 (Cu-Si)键的键能达到220千焦每摩尔，因此，Cu-Si键对铜原子的束缚能力显著增强，当后续步骤完成后，相比现有技术，本发明在通孔和第一金属层界面的电迁移损伤有显著的改
口 ο步骤302，图4b为现有技术中金属互连方法的步骤302的剖面结构示意图，如图 4b所示，在反应腔中通入氨气(NH3) 202进行预处理。本步骤中，通入NH3的预处理所用NH3的气体流量范围是300标准状态毫升每分到 600标准状态毫升每分；通入时间范围是小于等于40秒；步骤303，图如为现有技术中金属互连方法的步骤303的剖面结构示意图，如图 4c所示，在第一金属层上沉积氮化硅(Si3N4) 203。本步骤中，Si3N4203，作为后续步骤对第二介质层进行刻蚀的停止层。在Si3N4203 沉积之后，反应腔降温升压。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304，图4d为现有技术中金属互连方法的步骤304的剖面结构示意图，如图 4d所示，在Si3N4203上沉积第二介质层204。本步骤中，第二介质层204为二氧化硅(SiO2),在二氧化硅上还可以沉积硅的氧化物(TEOS) 205作为后续刻蚀和去胶(ashing)步骤中二氧化硅的保护层。步骤305，图如为现有技术中金属互连方法的步骤305的剖面结构示意图，如图 4e所示，在第二介质层上涂覆第一光阻胶(PR) 206,并对第一 PR206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通孔207的开口宽度。在实际应用中，在第一 PR206之下还涂覆有底部抗反射涂层(BARC)，用于减少在曝光过程中的光反射，未在图中画出。步骤306，图4f为现有技术中金属互连方法的步骤306的剖面结构示意图，如图 4f所示，按照第一光刻图案对第二介质层进行第一刻蚀，从而形成通孔207。本步骤中，Si3N4203作为刻蚀的停止层，在第一刻蚀之后，Si3N4203并没有完全刻蚀掉，其残留部分会在后续第二刻蚀后去除。在通孔207形成后，还要进行第一光刻图案剥离。具体来说，主要采用两种方法去除第一 PR206，第一，采用氧气(O2)进行干法刻蚀，氧气与I3R发生化学反应，可将第一冊206去除；此外，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第一 PR206去除。步骤307，图4g为现有技术中金属互连方法的步骤307的剖面结构示意图，如图 4g所示，涂覆第二冊209，对第二 PR209进行曝光、显影，从而形成第二光刻图案。其中，先在第二介质层上依次形成第一 BARC、LT0208和第二 BARC组成的三层薄膜，其过程为，先在第二介质层上涂覆BARC，再用LT0208填充通孔207，然后在LT0208上涂覆第二 BARC形成平坦的第二 BARC表面，最后在第二 BARC上涂覆第二冊209。其中，第一 BARC和第二 BARC，都用于减少在曝光过程中的光反射，未在图中画出。(先在通孔207中和第二介质层上依次涂覆依次为第一 BARC、LT0208和第二 BARC的三层薄膜，形成平坦的表面，然后在第二 BARC上涂覆第二 ra209。在实际应用中，还可以直接用第二 PR209涂覆第二介质层，其中，第二 PR209的一部分存在于第二介质层上，第二冊209的其他部分填充于通孔207中。其中，第二光刻图案用来定义后续步骤中的沟槽210的开口宽度。步骤308，图4h为现有技术中金属互连方法的步骤308的剖面结构示意图，如图 4h所示，按照第二光刻图案对第二介质层进行第二刻蚀，从而形成沟槽210。本步骤中，在形成沟槽210后，还有将第二光刻图案以及LT0208剥离和去除的步骤，并且将残留的氮化硅完全去除，露出第一金属层的表面。光刻胶剥离的方法可参照步骤 306中相关的描述。步骤309，图4i为现有技术中金属互连方法的步骤309的剖面结构示意图，如图 4i所示，沉积扩散阻挡层211。为了防止在后续步骤中沟槽210和通孔207中所沉积的金属铜落扩散至第二介质层中，采用物理气相沉积(PVD)工艺沉积扩散阻挡层211。步骤310，图4j为现有技术中金属互连方法的步骤310的剖面结构示意图，如图 4j所示，采用PVD工艺在扩散阻挡层211上沉积铜籽晶层212。步骤311，图4k为现有技术中金属互连方法的步骤311的剖面结构示意图，如图 4k所示，采用电化学镀工艺(ECP)在沟槽210和通孔207中生长金属铜213。步骤312，图41为现有技术中金属互连方法的步骤312的剖面结构示意图，如图41所示，采用CMP将金属铜213、铜籽晶层212和扩散阻挡层211抛光至第二介质层的表面， 形成第二金属层214。本发明提供了一种金属铜互连线的金属互连方法，其方法包括，金属层CMP之后， 对金属层进行硅烷预处理，在金属层表面形成具有Cu-Si键的铜硅化合物，然后再制作通孔。所述铜硅化合物一方面能够钝化金属层与通孔的交界面扭折处，另一方面由于Cu-Si 键的键能达到220千焦每摩尔，能够更好地束缚金属层和通孔的交界面扭折处的铜原子， 当有电流流过时，使金属铜晶界保持完整，显著改善了电迁移损伤的现象，金属铜互连线的寿命提高一个数量级，达到一百六十年左右。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
1.一种金属互连方法，其特征在于，该方法包括在第一金属层表面形成键能大于30千焦每摩尔的金属无机物化合物； 在所述金属无机物化合物表面沉积第二介质层； 光刻和刻蚀所述第二介质层，形成通孔和沟槽； 在所述通孔和沟槽中填充金属；化学机械研磨工艺抛光所述金属到第二介质层表面，形成第二金属层。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一金属层是金属铜。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属无机化合物是铜硅化合物。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成金属无机物化合物的方法包括 将所述第一金属层放入反应腔内，通入含硅烷的气体进行硅烷预处理。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述硅烷的流量范围是300标准状态毫升每分到600标准状态毫升每分。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述硅烷预处理的时间范围是1秒到5秒。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述反应腔内的温度范围是300摄氏度到 600摄氏度。
8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述反应腔内的压力范围是400帕斯卡到 800帕斯卡。
全文摘要
本发明提出一种金属互连方法，该方法在金属层CMP之后，于金属层表面形成键能大于30千焦每摩尔的金属无机物化合物，例如，在金属铜互连线的金属层表面形成铜硅化合物，然后再制作通孔。本发明形成的铜硅化合物一方面使金属铜互连线中的金属层与通孔交界面扭折处钝化，另一方面由于铜硅化合物具有的Cu-Si键的键能达到220千焦每摩尔，能够更好地束缚金属层和通孔界面的铜原子，当电流流过时，金属铜晶界保持完整，从而显著改善了电迁移损伤的现象，使金属铜互连线的寿命提高一个数量级，达到一百六十年左右。
文档编号H01L21/768GK102263056SQ20101019279
公开日2011年11月30日 申请日期2010年5月26日 优先权日2010年5月26日
发明者陈武佳, 陈玲, 黄飞 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司