一种半导体器件的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种半导体器件的制造方法，涉及半导体【技术领域】。该方法包括：步骤S101：在半导体衬底上形成凹槽；步骤S102：在所述半导体衬底上及凹槽中形成扩散阻挡层和种子层；步骤S103：对所述种子层进行以氯为基础的表面处理；步骤S104：利用含铜电解液对所述半导体衬底进行电化学电镀，以在所述凹槽中形成金属层。本发明的半导体器件的制造方法，通过在进行电化学电镀形成金属层的步骤之前增加对种子层进行以氯为基础的表面处理的步骤，改善了电化学电镀工艺的间隙填充能力，提高了形成的铜金属层的良率，进而提高了半导体器件的良率。
【专利说明】一种半导体器件的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体【技术领域】，具体而言涉及一种半导体器件的制造方法。
【背景技术】
[0002]在半导体【技术领域】中，尤其在超大规模集成电路制程中，金属互连工艺是后段制程(BEOL)的关键工艺。由于金属铜具有高熔点、低电阻系数及高抗电子迁移的能力，已被广泛地应用于金属互连线路架构中作为金属互连线路的金属层的材料。在使用铜材料制造金属层时，一般可使用物理气相沉积法和电化学电镀法(Electro chemicalPlating,ECP)。由于成本低廉、沉积速率快，电化学电镀法(ECP)已经成为本领域最常用的形成金属层的方法。
[0003]金属铜的电化学电镀法主要是以两个电极之间的电流通过硫酸铜溶液或是其他含铜的电解液的方式进行。当电解液中的电流为离子状态时，电流以电子形式传送到电极。在以金属铜组成的阳极产生电化学氧化反应时，阴极产生电化学还原反应。在此种状况下，阴极分离的铜离子被在阳极制造出来的铜离子取代。利用电性的漂移、扩散以及对流方式将铜离子传送至阴极。在给半导体晶片电镀时，将晶片的周围利用数个接触点使晶片与电源供应器形成电性连接，然后通以固定电流一段时间，在晶片表面形成特定厚度的铜金属层。
[0004]如图1A至IC所示，现有技术中常用的半导体器件的制造方法，采用电化学电镀法形成铜金属层的工艺，一般包括如下步骤:
[0005]步骤E1、在半导体衬底100上形成凹槽101，形成的图形如图1A所示。
[0006]示例性的，所述半导体衬底100为形成了前端器件的半导体衬底，所述凹槽101 —般形成在形成于半导体衬底100上的电介质层上，形成凹槽101的方法为光刻。
[0007]步骤E2、在半导体衬底100上形成扩散阻挡层(barrier layer) 102和种子层(seed layer)103，形成的图形如图1B所示。其中，种子层103在凹槽101侧壁的上部形成有凸起(overhang) 1031。
[0008]其中，形成扩散阻挡层是为了防止铜扩散入半导体衬底上的器件内部，造成器件性能下降或不良。而种子层则是铜电化学电镀沉积反应(通常又称为“铜填充”)的必要条件。
[0009]步骤E3、利用含铜电解液(也称ECP溶液)对所述半导体衬底进行电化学电镀(ECP)0在现有技术中，含铜电解液(ECP溶液)中一般含有氯离子。
[0010]经过上述工艺流程，即可形成铜金属层104。然而，由于在现有技术中，凹槽101内壁的种子层103的各个区域的铜的沉积率比较一致，而在凹槽101侧壁上部的种子层103形成有凸起(overhang) 1031，因此导致前述方法的间隙填充能力比较差，很容易出现半导体衬底的凹槽不能被良好填充的情况，即形成的金属层104的中间存在缝隙1041，如图1C所示。这就导致了形成的铜金属层的良率下降，进而造成半导体器件的良率下降。
[0011]因此，有必要提出一种新的半导体器件的制造方法，以解决现有技术中出现的上 述问题。
【发明内容】
[0012]针对现有技术的不足，本发明提供一种半导体器件的制造方法，包括:
[0013]步骤SlOl:在半导体衬底上形成凹槽；
[0014]步骤S102:在所述半导体衬底上及凹槽中形成扩散阻挡层和种子层；
[0015]步骤S103:对所述种子层进行以氯为基础的表面处理；
[0016]步骤S104:利用含铜电解液对所述半导体衬底进行电化学电镀，以在所述凹槽中形成金属层。
[0017]其中，在所述步骤S102中所形成的种子层在所述凹槽的侧壁的上部形成有凸起。
[0018]其中，在所述步骤S103中，所述对所述种子层进行以氯为基础的表面处理工艺采用的方法为:采用含氯等离子体处理所述种子层的表面。
[0019]其中，在所述步骤S103中，仅对所述种子层位于所述凹槽之外的部分以及所述种子层的凸起进行表面处理。
[0020]其中，在所述步骤S104中，所述含铜电解液包括促进剂、抑制剂和平坦化剂中的
至少一种。
[0021]其中，所述促进剂为有机硫化物，其含量为5?50ml/L。
[0022]其中，所述有机硫化物的分子通式为H-S-C-C-C-S03-。
[0023]其中，所述抑制剂为含氧聚合物，其含量为l-10ml/L。
[0024]其中，所述含氧聚合物的分子通式为0-[C-C-0-C-C-C-0]n。
[0025]其中，所述平坦化剂为含有硫酸和氮的官能团的大分子量单体或聚合物，其含量为 l-10ml/L。
[0026]其中，在所述步骤S 104之后还包括步骤S105:对所述金属层进行CMP。
[0027]其中，在所述步骤S105之后还包括步骤S106:在所述金属层上形成电介质阻挡层。
[0028]本发明的半导体器件的制造方法，通过在进行电化学电镀形成金属层的步骤之前增加对种子层进行以氯为基础的表面处理的步骤，改善了电化学电镀工艺的间隙填充能力，提高了形成的铜金属层的良率，进而提高了半导体器件的良率。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]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。
[0030]附图中:
[0031]图1A-图1C为现有技术的半导体器件的制造方法的各步骤完成后形成的结构的示意图；
[0032]图2A-图2E为本发明实施例的半导体器件的制造方法的各步骤完成后形成的结构的示意图；
[0033]图3为本发明实施例提出的一种半导体器件的制造方法的流程图。【具体实施方式】
[0034]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而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，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。
[0035]应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，部件(层、区等)的比例关系并不代表各部件的真实尺寸和比例；为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。
[0036]应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。
[0037]空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之
上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
[0038]在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该规格书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
[0039]这里参考作为本发明的理想实施例(和中间结构)的示意图的横截面图来描述发明的实施例。这样，可以预期由于例如制造技术和/或容差导致的从所示形状的变化。因此，本发明的实施例不应当局限于在此所示的区的特定形状，而是包括由于例如制造导致的形状偏差。例如，显示为矩形的注入区在其边缘通常具有圆的或弯曲特征和/或注入浓度梯度，而不是从注入区到非注入区的二元改变。同样，通过注入形成的埋藏区可导致该埋藏区和注入进行时所经过的表面之间的区中的一些注入。因此，图中显示的区实质上是示意性的，它们的形状并不意图显示器件的区的实际形状且并不意图限定本发明的范围。
[0040]除非另外定义，在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明领域的普通技术人员所通常理解的相同的含义。还将理解，诸如普通使用的字典中所定义的术语应当理解为具有与它们在相关领域和/或本规格书的环境中的含义一致的含义，而不能在理想的或过度正式的意义上解释，除非这里明示地这样定义。
[0041]为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明提出的半导体器件及其制造方法。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他实施方式。
[0042]下面，参照图2A至图2E和图3来描述本发明提出的半导体器件的制造方法一个示例性方法的详细步骤。其中，图2A-图2E为本发明实施例的半导体器件的制造方法的各步骤完成后形成的结构的示意图；图3为本发明实施例提出的一种半导体器件的制造方法的流程图。
[0043]本发明实施例的半导体器件的制造方法，包括如下步骤:
[0044]步骤1、在半导体衬底200上形成凹槽201，形成的图形如图2A所示。
[0045]示例性的，半导体衬底200为形成了前端器件的半导体衬底，所述凹槽201形成在形成于半导体衬底200上的电介质层上。
[0046]其中，形成凹槽201的方法为光刻工艺。
[0047]步骤2、在半导体衬底200上形成扩散阻挡层(barrier layer)202和种子层(seedlayer)203,形成的图形如图2B所示。其中，种子层203在凹槽201侧壁的上部形成有凸起(overhang) 2031,如图 2B 所不。
[0048]其中，形成扩散阻挡层203是为了防止铜扩散入半导体衬底上的器件内部，造成器件性能下降或不良。而种子层202则是铜电化学电镀沉积反应(通常又称为“铜填充”)的必要条件。
[0049]步骤3、对种子层203进行以氯为基础(Cl-base)的表面处理工艺。
[0050]经过该步骤，会在种子层203的表面形成一层改性层204，如图2C所示。改性层204 一般为氯化铜，还可能包括一些氧化铜。
[0051]在本发明实施例中，所述的对种子层203进行以氯为基础(Cl-base)的表面处理，优选为采用含氯等离子体处理种子层203的表面。
[0052]优选的，前述表面处理工艺是有选择的表面处理工艺，其仅作用于种子层203的凸起2031以及种子层203位于凹槽201之外的部分，即仅对所述种子层位于所述凹槽之外的部分以及所述种子层的凸起进行表面处理，以保证后续在电化学电镀形成铜金属层时，可以更好的填充凹槽201，并避免在凹槽区域之外形成过量的金属。显然，当采用这一优选的实施方式时，种子层的改性层204将仅位于凹槽201之外的区域以及种子层的凸起2031位置处。
[0053]在后续进行电化学电镀时，本步骤形成的氯化铜很容易溶解在ECP溶液中，使得氯离子聚集在种子层203 (以及后续形成的电镀的铜)的表面。这些高浓度的氯离子将加速和加强ECP溶液中的抑制剂(suppressor)被种子层202吸收,而抑制剂可以抑制铜在种子层表面的沉积。在种子层202的凸起2031位置处沉积。这就可以避免种子层202的凸起2031位置处由于空间小而先被铜沉积填充进而导致其下方的凹槽201的间隙不能被填充的现象发生(即可以避免形成现有技术图1C所示的金属层104的缝隙1041)，改善了电化学电镀工艺的间隙填充能力，提高了形成的铜金属层的良率，进而提高了半导体器件的良率。尤其当在本步骤中仅对所述种子层位于所述凹槽之外的部分以及所述种子层的凸起进行表面处理时，抑制剂将聚集在凹槽之外的部分以及所述种子层的凸起处，可以更好地抑制和阻止铜在种子层202的凸起2031位置处沉积，提供最终形成的铜金属层的良率。
[0054]步骤4、利用含铜电解液(也称ECP溶液，或电镀液)对所述半导体衬底200进行电化学电镀(ECP)，以在凹槽201中形成金属层205，如图2E所示。
[0055]示例性的，本发明实施例中选用的含铜电解液由硫酸铜(CuS04 )、硫酸和水组成。并且，在该含铜电解液中，还可以包括一定含量的抑制剂(suppressor)、促进剂(accelerator)以及平坦化剂(lever),三者可以同时存在,可以组合使用，也可以单独使用。
[0056]其中，促进剂的作用在于降低电镀反应电化学反应势，促进快速沉积反应。抑制剂的作用与此相反。而平坦化剂主要起平坦化作用。
[0057]在本实施例中，利用含铜电解液对所述半导体衬底200进行电化学电镀时，位于凹槽201下部的改性层204会先被电解液溶解，并且，会在凹槽201的下部先形成一层金属层205’，而此时种子层202的凸起2031位置处的铜沉积被抑制，形成的图形如图2D所示。然后，随着电化学电镀的进行，位于凹槽201上部的改性层204继续被电解液溶解，并在凹槽201内形成良好的金属层205，形成的图形如图2E所示。
[0058]在本发明实施例中，促进剂(accelerator)优选采用有机硫化物(Organicsulfide)，示例性的，可以采用分子通式为H-S-C-C-C-S03-的有机硫化物。其中，使用的促进剂的含量为5?50ml/L。
[0059]抑制剂(suppressor)可以采用含氧聚合物(Oxygencontainingpolymers),示例性的，可以采用分子通式为0-[C-C-0-C-C-C-0]n的含氧聚合物。其中，使用的抑制剂的含量为 l-10ml/L。
[0060]平坦化剂(lever)可以采用含有硫酸和氮的官能团的大分子量单体或聚合物(High molecular weight monomer or polymer with bothsulfonic acid and nitrogencontaining functional groups),使用的平坦化剂的含量为 l-10ml/L。
[0061]一般的，在形成金属层205之后，还可以包括如下步骤:
[0062]步骤5、对金属层205进行CMP。进行CMP可以使金属层205平坦化，便于后续继续在半导体衬底上形成其他膜层。
[0063]其中，进行CMP时，一般需要去除位于半导体衬底200表面的扩散阻挡层202、种子层203、改性层204以及金属层205等膜层，即高于半导体衬底表面的膜层一并被去除。
[0064]步骤6、在半导体衬底200上形成电介质阻挡层。即在CMP处理后的金属层205上覆盖一层电介质材料形成的阻挡层，以保护金属层，并使其与后续形成的其他金属层相隔离。
[0065]本发明实施例的半导体器件的制造方法，通过在进行电化学电镀形成金属层的步骤之前增加对种子层进行以氯为基础的表面处理的步骤，改善了电化学电镀工艺的间隙填充能力，提高了形成的铜金属层的良率，进而提高了半导体器件的良率。
[0066]参照图3，其中示出了本发明提出的半导体器件的制造方法中的一种典型方法的流程图，用于简要示出整个制造工艺的流程。该方法具体包括:
[0067]步骤SlOl:在半导体衬底上形成凹槽；[0068]步骤S102:在所述半导体衬底上及凹槽中形成扩散阻挡层和种子层；
[0069]步骤S103:对所述种子层进行以氯为基础的表面处理工艺；
[0070]步骤S104:利用含铜电解液对所述半导体衬底进行电化学电镀，以在所述凹槽中形成金属层。
[0071]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】
1.一种半导体器件的制造方法，其特征在于，所述方法包括: 步骤SlOl:在半导体衬底上形成凹槽； 步骤S102:在所述半导体衬底上及凹槽中形成扩散阻挡层和种子层； 步骤S103:对所述种子层进行以氯为基础的表面处理； 步骤S104:利用含铜电解液对所述半导体衬底进行电化学电镀，以在所述凹槽中形成金属层。
2.如权利要求1所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，在所述步骤S102中所形成的种子层在所述凹槽的侧壁的上部形成有凸起。
3.如权利要求1所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，在所述步骤S103中，所述对所述种子层进行以氯为基础的表面处理工艺采用的方法为:采用含氯等离子体处理所述种子层的表面。
4.如权利要求1所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，在所述步骤S103中，仅对所述种子层位于所述凹槽之外的部分以及所述种子层的凸起进行表面处理。
5.如权利要求1所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，在所述步骤S104中，所述含铜电解液包括促进剂、抑制剂和平坦化剂中的至少一种。
6.如权利要求5所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，所述促进剂为有机硫化物，其含量为5?50ml/L。
7.如权利要求6所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，所述有机硫化物的分子通式为 H_S_C_C_C_S03_ο
8.如权利要求5所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，所述抑制剂为含氧聚合物，其含量为l-10ml/L。
9.如权利要求8所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，所述含氧聚合物的分子通式为 O-[C_C_0_C_C_C_0]η。
10.如权利要求5所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，所述平坦化剂为含有硫酸和氮的官能团的大分子量单体或聚合物，其含量为l-10ml/L。
11.如权利要求1至10任一项所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，在所述步骤S104之后还包括步骤S105:对所述金属层进行CMP。
12.如权利要求11所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，在所述步骤S105之后还包括步骤S106:在所述金属层上形成电介质阻挡层。
【文档编号】H01L21/768GK103839872SQ201210476902
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年11月21日 优先权日:2012年11月21日
【发明者】鲍宇, 谭晶晶, 白凡飞 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司