在不使用化学机械抛光的情况下形成平坦的Cu互连的方法

专利名称：在不使用化学机械抛光的情况下形成平坦的Cu互连的方法
技术领域：
本发明一般涉及半导体，更具体地涉及铜的电镀和平坦化。
背景技术：
在集成电路的制造中，在基板中制造出单独的器件(例如，晶体管)之后，必须将它们连接到一起以实现所需的电路功能。这种连接工艺通常称作互连金属化工艺，并使用一些不同的光刻和淀积技术来实现。
一种用来完成线路/过孔互连金属化过程的方法称作双镶嵌方法。在通过金属化过程来填充线路或过孔之前用光刻和反应离子蚀刻方法形成线路和过孔的形状。然后通过所希望的金属化过程来填充线路和过孔。填充线路和过孔的金属为铜，在用铜填充线路和过孔之前必须进行额外的步骤。铜(Cu)通常电镀到线路和过孔中，通常淀积籽晶层以利于电镀。除了线路/过孔铜扩散阻挡(衬里)层以外，通常淀积籽晶层。一旦淀积了铜籽晶层，随后可以将铜电镀到线路/过孔内。
在Cu互连金属化(互连结构，features)的形成中存在难题。Cu互连结构的尺寸逐渐减小，而互连结构的密度逐渐增加。
除了由减小Cu互连结构尺寸引起的制造复杂性之外，一组称为低k电介质的介电常数最大约3.0(K≤3.0)的较软、更柔顺的介电材料在用于制造铜金属半导体互连结构时会引起特殊的问题。因为低k电介质往往不像在传统半导体互连制造中使用的高介电常数材料那样具有机械弹性，所以在化学机械抛光(CMP)期间更容易被损坏。结果，不得不开发平坦化金属互连的替代方法。
由于器件的收缩，不仅对于在保证没有孔隙的情况下填充小的互连结构的过孔和沟槽，而且对于在窄的互连结构中镀覆之后生长竹子形的铜晶粒都很具有挑战性。通常，镀覆的Cu接受低温退火(100-200℃大约60分钟)，以便“生长”直径大于沟槽宽度的铜晶粒。这种类型生长称作竹子形铜晶粒生长，并且可以增强可靠性。但是，开发人员预测，随着互连结构尺寸的缩小，在低温退火下在窄的互连结构中生长竹子形晶粒存在限制。因此，需要在较高的温度下退火(200-400℃)，以便在窄的互连结构(＜90nm)中实现竹子形晶粒的生长。但是，较高温度退火的缺点是在过孔的底部，铜可能会反浸润，导致过孔链中电路开路。
此外，具有可预测、预定的Cu晶粒尺寸是很有利的，有助于确保铜互连结构的可靠性。随着互连结构尺寸的缩小，低温退火步骤之后残余小尺寸晶粒铜的可能性相应增加。由于该原因，希望在铜的镀覆期间控制影响晶粒生长尺寸的因素。
使用低k介电材料并不是半导体设计人员和制造人员所要面对的唯一的挑战。随着在金属半导体互连中互连结构尺寸的减小，在窄的和宽的线路中的相符地填充和实现平坦镀覆填充变得更加困难。对于窄的互连结构来说，它意味着高的高宽比互连。例如，当在铜镀液中镀覆用于铜互连的开口时，如果镀覆持续的时间足以填充宽的铜互连结构，则窄的和/或嵌套的(nested)开口互连结构可能会得到“面包块”形溢出。在铜镀液中使用均化剂(levelers)可以减轻这些影响。即使这样，在某些情况下，最宽的互连结构表现出被称作凹陷或未充满的现象。
由于许多原因不希望地出现了厚的溢出。另一个原因是平坦化时间是溢出厚度的函数。溢出得越厚，平坦化铜所花费的时间越长。其中最重要的原因是如果给与机会的话，晶粒生长将从互连结构的顶部开始。溢出区域将产生导致晶粒生长成核作用的区域。由于希望在高温下促进在窄的互连结构内进行晶粒生长，有利于至少减小和最佳消除溢出。因此，需要在低k电介质中提供平坦的、可靠的大晶粒铜互连。

发明内容
本发明的一个目的是提供平坦化镀覆的铜互连的方法。
本发明的另一个目的是提供在铜互连的镀覆期间减少出现过填充(溢出)的方法。
本发明的再一个方法是在不使用CMP的情况下提供设置在低k电介质中的平坦镀覆的铜互连的方法。


图1为现有技术的剖面图，示出了通过铜金属化过程填充产生的开口。
图2为现有技术的剖面图，示出了用于半导体互连的铜电镀工艺的第一中间工艺步骤。
图3为现有技术的剖面图，示出了用于半导体互连的铜电镀工艺的第二中间工艺步骤。
图3a为现有技术的剖面图，示出了淀积工艺期间各开口的状态。
图4示出了本发明的第一工艺步骤的剖面图。
图5示出了使用本发明获得的最终结构的剖面图。
具体实施例方式
本发明的方法提供了一种平坦化Cu互连同时对周围的电介质产生的机械应力最小的方法，还提供了一种在窄的互连结构中改善再结晶的方法。也就是说，本发明的方法在不使用CMP情况下提供了平坦化的Cu互连。参考图1，与所有的图类似，图1仅为图示目的而没有按比例画出，示出了电介质中部分填充的铜互连。示出了设置在电介质5中的窄和宽互连结构7，10。使用电镀液镀覆图1中的铜互连结构。更具体地，使用酸电镀液形成部分填充的铜互连结构。可以看出(分别参见窄和宽互连结构5和7)，铜填充窄互连结构比宽互连结构更快。在当前阶段的铜互连形成中，可以使用多种方法来尝试和控制镀铜的速率。控制形成铜的一个方法是使用促进剂(accelerator)、抑制剂(suppressor)以及均化剂。
抑制剂通常为聚合物，均匀地吸附在铜表面上，用于有效地减小用于吸收促进剂的自由点的数量，并抑制整个铜表面上的铜淀积。促进剂为通常的有机二硫化物，由于铜表面上的强吸附并通过本领域中公知的复杂的电化学和化学机理增强或加速了铜淀积。在促进剂和抑制剂之间的吸收存在竞争，通常促进剂往往减弱了聚合物的吸收并从表面将其剥离。促进剂的反应产物往往随着时间聚积在窄互连结构上，导致了自底向上的填充或超填充现象。
由于使用了促进剂和抑制剂，快速填充了窄互连结构并由于电镀液中窄互连结构上促进剂的局部作用出现了面包块。然而，宽互连结构(高宽比小于1的互连结构)显示出保形的电镀。使用均化剂以减小窄和宽互连结构中的溢出形貌。通常，增加均化剂浓度能使电镀填充出现问题。由此，平衡所有的添加剂以在保证没有孔隙的情况下完全填充小互连结构，但要显著降低形貌，从而CMP仍然能平坦化所有的互连结构。CMP之后显著的未充满会造成凹陷问题，当建立多层铜布线时，会产生大量的问题。
本领域中现已公知不会均匀地发生镀铜填充。镀铜填充在窄互连结构中比在宽互连结构中更快。例如，如图2所示，在电镀工艺期间，铜开始镀在籽电介质17上。随着电镀的继续，铜继续镀在籽电介质17上15a。根据当前的铜电镀技术，产生图3所示具有不同形状的铜互连20a，20b。从图3中可以看出，镀铜突点25a延伸超出籽电介质17的上表面22产生的平面，窄的铜互连20a设置在籽电介质17内。此外，从图3a中可以看出，不是所有的当前层铜互连20a，20b都具有相同的形状。图3a也示出了溢出区18和“未填满区”19。溢出通常由“域”23开始测量。“域”意味着由没有开口的电介质表面开始的镀层厚度。不同的形状使CMP变得更困难，是由于CMP的终点在其它区域之前先达到一些区域。传统的电介质通常机械方面很坚固，足以承受CMP周期的需要。
选择铜互连形成工艺时的另一考虑是与电镀之后的铜退火有关的热应变。通常，铜退火在约100-200℃的温度进行约60分钟。设计人员预计将来需要更高的温度，至少部分是由于各铜互连的尺寸减小并且铜互连的密度增加。
热处理铜互连以改变最终的铜晶粒尺寸。可以在铜互连形成的不同阶段改变铜互连的晶粒尺寸。例如，现已发现镀覆的铜的晶粒生长由溢出或尖角开始形成晶核。图3a中的20a示出了溢出，35a示出了发生成核的尖角。当晶粒生长发生在互连结构的顶部时，铜会反浸润或“停止”在过孔40(特别是窄的过孔)的底部，并造成不同铜互连级之间的电开路。如果减小溢出厚度，那么Cu晶粒生长会主要发生在较高温度的互连结构内，并降低了过孔底部的反浸润。
在本发明中，本实施例的一个要素是形成基本上平坦的铜层，用于窄和宽线/过孔。优选但不是必须的，平坦的铜层基本上与其内设置有互连结构的电介质顶面共平面。减小溢出可以减少原料处理时间，这是由于它可以减少与常规的平坦化技术(CMP)相关的时间。
如下所述，当电镀时，对于窄和宽互连结构来说铜填充时间各不相同。在本发明的第一实施例中，通过本领域中的任何已知方式，在电介质的当前层中产生将变成当前层布线和过孔的当前层开口。优选地，电介质为低k电介质，并且使用光刻和反应离子蚀刻方法形成开口。然后处理开口以加强以后的电镀。优选地，包括金属元素的衬里淀积在开口和此后淀积的籽晶层中。更优选，衬里包括铜扩散层，例如含钽的化合物，籽晶层包括允许电镀的导电层，例如铜。接下来，在铜电镀液中，铜被镀入开口内。优选地，电镀液可以是酸电镀液，并且可以根据需要使用电镀添加剂(例如促进剂、抑制剂和/或均化剂)。
决定铜镀液中互连填充量的一个因素是电镀时间。使用正向电流电镀常规地镀铜以确保填充窄和宽的互连结构的时间量应称做总的电镀时间。本发明的一个要素是在溢出结束的时间之前停止正向电流电镀。溢出相被定义为溢出开始时间-溢出完成时间。优选地，当窄互连结构上的铜深度大于没有开口的电介质顶面上的铜的预计“域”厚度时，停止正向电流电镀。本发明的另一要素为不是所有的互连结构开口都要在停止正向电流电镀时填充。优选地，正向电流电镀包括DC电镀，并且继续直到填充了一些窄的互连结构(至少20％和最多80％的总的电镀时间)。
例如，在形成任何溢出之前或窄互连结构(20a)具有图3所示的溢出并且宽互连结构(20b)具有图示的未充满时，开始PPR相。此外，当窄互连结构20a和宽互连结构20b为图2所示时，开始PPR相。也就是说窄互连结构还没有生长任何显著的溢出。在优选实施例中，至少一些溢出已形成在窄开口中。本发明的一个要素是继续铜电镀直到使用周期性的脉冲反向(PPR)电镀工艺基本上填充了所有开口。优选地，使用的正向电流电镀是直流电镀(DC电镀)。
PPR组合了正向电流(电镀模式)和反向电流的脉冲(耗尽/蚀刻模式)。用于反向电镀的电流为正向电流的2-5倍，反向电镀时间为正向电镀时间的至少5％最多33％。优选的正向电镀电流为正向电镀电流的3倍。此外，优选地，每个正向和反向模式的持续时间为毫秒到秒的范围。此外，优选地，一旦开始PPR相，对于正向电镀的每一秒，存在20毫秒的反向脉冲。例如，在200mm直径的晶片上通常的DC电镀(正向电流电镀)以热入口(hot entry)开始，然后进到3-5安培电镀步骤持续20-40秒。对于PPR相，DC电镀应为3-5安培20毫秒用于填充0.09-0.20μm的互连结构。每个20毫秒DC电镀之后接9-15安培的反向脉冲1毫秒。优选地，在用于PPR相周期的相同条件下重复这种顺序。然而，发明人预计DC电镀与PPR的比例是可变的。可以改变电镀期间的反向脉冲条件，因此，对于PPR相具有多种不同的PPR模式。虽然由于在PPR中存在来自PPR电源的延迟而不能精确预测PPR的处理时间应当是多少，但是下面的公式将给出使用PPR工艺的预测的溢出溢出厚度＝(cf×cft-cr×crt)×dr×(dep rate/电流)其中cf＝正向电流cft＝正向电流的持续时间cr＝周期性脉冲反向电流crt＝周期电流持续时间dr＝脉冲数量其中dr＝[(cft+crt)/总的PPR时间]，dep rate＝(厚度/时间)优选地，当至少填充一些窄互连结构并且产生图3的20a所示的溢出形貌时结束DC电镀工艺。PPR工艺步骤完成之后，对20a和20b的互连填充如图4所示。如图4所示，在互连形成期间淀积的铜50是平坦的。不用说，铜与在其中形成互连的电介质45的顶面在同一个平面中。事实上，虽然优选，但是根据互连的尺寸和密度，可能不能仅使用正向电流电镀和PPR产生与互连的表面共面的铜互连结构。在铜必须延伸到由其中放置铜互连的电介质的顶面产生的平面之上的地方，不得不采用额外的步骤产生与其中放置铜互连的电介质共面的铜互连结构。应当注意，在电镀工艺和平坦化工艺步骤之间可能进行其它工艺步骤。具体的，预计在平坦化之前可以退火镀覆的铜互连。可以采用在现有技术中已知的任何方式进行退火步骤。本发明的方法独立于任何可以采用的退火。
一种实现平坦表面的方法是CMP。在本发明中，优选地不进行CMP。优选地，用电蚀刻代替CMP来产生与其中放置铜互连的电介质共面的铜的表面。电蚀刻也可以称作电抛光。可以采用在现有技术中已知的任何方式进行电抛光。优选地，使用反向DC电镀和PPF(正向周期脉冲)电抛光中的至少一种电抛光。如果最终的溢出基本上平坦了(如在下文中对图4的介绍)，则可以通过反极性进行电抛光。但是，最终的溢出可能仍然具有一些起伏，并且可以采用PPF优先去掉较高的表面，并平坦化表面，同时去掉溢出的铜。PPR去镀层步骤将是PPR电镀条件的反转。首先，反转电极的极性，并且蚀刻周期之后为PPR。虽然难以精确预测蚀刻步骤持续多长时间，但是下面的公式给出了理想情况下的长度。
要去掉的溢出厚度＝((cr×crt)-(cf×cft))×dr×(蚀刻速度/电流)其中cf＝正向电流cft＝正向电流的持续时间cr＝周期性脉冲反向电流crt＝周期电流持续时间
dr＝脉冲数量其中dr＝[(cft+crt)/总的PPR时间]，蚀刻速度＝(厚度/时间)电抛光将持续到至少完成设计人员所希望的铜互连的最终形状。也就是说，电抛光将持续到铜互连结构能够与在随后的工艺步骤中形成的铜互连结构有效电连接。在图5中示出了最佳的最终结构，该结构可以不用电抛光来实现，如下文中所述。在最佳的最终结构中，填充在放在籽晶电介质17中的窄互连结构60和宽互连结构65中的铜(50)将与籽电介质的顶面45共面。
此外，通过在质量传递控制下施加适当的阴极电位淀积铜并施加阳极电位以溶解铜进行PPR步骤。当使用该备选方法时，优选地，在铜溶解期间控制阳极电位，以确定质量传递控制条件下的铜传递。
在本发明的第二实施例中，在完成DC电镀之后和开始PPR之前，可以改变铜电镀液中的成分。以此方式，可以引入半导体设计人员认为有益的杂质。此外，为设计者提供了抑制被认为对电镀工艺有害的杂质和副产品的机会。例如，添加物会影响铜的电镀速率、镀覆的铜的晶粒尺寸，引入将留在镀覆的铜互连中或与电镀副产品化学地结合的杂质。
例如，在本发明的该实施例中，促进剂占优势的铜镀液使用正向电镀电流。在开始溢出的时间(溢出开始时间)停止工艺步骤。优选地，正向电流电镀为DC电镀。此外本实施例的一个要素为促进剂占优势的铜镀液中的DC电镀持续直到至少一些窄互连结构被填充，并且在该时间不是所有的开口被填充。促进剂占优势的铜镀液为仅含促进剂和抑制剂的溶液或含有促进剂、抑制剂以及低浓度适量的均化剂的溶液。通常，促进剂占优势的镀液化学试剂往往淀积具有很少量杂质的纯铜。
因此，对于填充宽互连结构和减小溢出，均化剂占优势的铜镀液更有利。均化剂占优势的镀液通常含有强均化剂(有机含氮化合物)并且铜淀积物具有重量范围每百万10-100份的淀积杂质。因此，PPR相期间可以有利地改变促进剂、抑制剂以及均化剂的比例或引入添加剂。可以调节的抑制剂的例子为例如聚氧乙烯、聚氧丙烯的聚合醚化合物、如聚乙二醇、聚丙二醇、聚氧乙烯醇的聚乙二醇或具有改善浸润性的其它类型的表面活性剂。可以调节的促进剂包括含有硫醇、硫化物、二硫化物基团的小有机化合物，如二硫化二(磺丙基)二钠(SPS)、二硫化3，3’-二丙烷磺酸、4，5-二硫杂辛烷-1，8-二磺酸或其它烷烃硫醇。可以添加/调节的均化剂包括具有氨基(animo)或胺基或咪唑基的含氮化合物。这些化合物的例子为三乙醇胺、4，5，6-三氨基嘧啶、硫代羰基-二咪唑、巯基苯并咪唑以及这类化合物的其它衍生物。
虽然结合具体的最佳方式介绍了本发明，但应该理解鉴于以上说明，许多修改、替换和变化对于本领域中的技术人员来说是显而易见的。因此，本发明意在包含在附带的权利要求书的精神和范围内的所有这些修改、替换和变化。
权利要求
1.一种控制铜互连结构的形状的方法，包括以下步骤1)使用第一镀覆方法在一镀液中以第一镀覆时间在铜籽晶层上镀覆具有预定最终形状的铜互连结构，其中第一镀覆时间小于镀覆全部最终形状所必需的总时间；以及2)在铜镀液中以第二时间段电处理镀覆的铜互连结构，第二时间段至少足够形成预定最终形状。
2.根据权利要求1的方法，其中第一镀覆方法包括正向电流电镀。
3.根据权利要求2的方法，其中电处理包括使用第二镀覆方法镀覆来自步骤1的铜互连结构。
4.根据权利要求2的方法，其中第二镀覆方法包括周期性脉冲反向。
5.根据权利要求4的方法，其中第一镀覆时间是总时间长度的最少约20％，最多约80％。
6.根据权利要求5的方法，其中第二时间段小于足够形成全部预定的最终形状的总时间长度。
7.根据权利要求6的方法，还包括在电处理镀覆的铜互连结构之后以第三时间段电抛光铜互连结构的步骤。
8.根据权利要求7的方法，其中第三时间段足够形成预定的最终形状。
9.根据权利要求8的方法，其中电抛光步骤包括直流(DC)电镀和PPR电抛光中的至少一个。
10.一种形成半导体互连的方法，包括以下步骤1)在电介质层中形成至少一个开口，该电介质具有顶面，该开口以金属材料作衬里，能够在其上面电镀铜；2)使用第一电镀方法在一镀液中用第一镀覆时间在至少一个开口中镀覆至少一个铜互连结构，所述互连结构具有预定的最终形状，其中第一镀覆时间小于镀覆所有的最终形状所须的总的时间；以及3)以第二时间段在铜镀液中电处理至少一个镀覆的铜互连结构，该第二时间段至少足够填充至少一个镀覆的铜互连结构。
11.根据权利要求10的方法，其中第一镀覆方法包括正向电流电镀。
12.根据权利要求11的方法，其中第二时间段足够在电介质的上表面上形成相当平坦的铜层。
13.根据权利要求11的方法，其中电处理包括使用第二镀覆方法镀覆来自步骤1的铜互连结构。
14.根据权利要求13的方法，其中第二镀覆方法包括周期性脉冲反向。
15.根据权利要求14的方法，其中第一镀覆时间是总时间长度的最少约20％，最多约80％。
16.根据权利要求15的方法，其中第二时间段大于足够形成预定的最终形状的时间长度。
17.根据权利要求16的方法，还包括在电处理镀覆的铜互连结构之后以第三时间段电抛光铜互连结构的步骤。
18.根据权利要求17的方法，其中第三时间段足够形成预定的最终形状。
19.根据权利要求18的方法，其中电抛光步骤包括至少DC电抛光和PPR电抛光中的一个。
20.根据权利要求17的方法还包括在电抛光步骤之前的退火步骤，其中在至少大约60℃的温度下退火至少一个铜互连结构。
全文摘要
本发明提供了一种在不使用化学机械抛光的情况下形成平坦的Cu互连的方法，即控制铜互连结构的形状的方法，该方法具有以下步骤使用第一镀覆方法在一镀液中以第一镀覆时间在铜籽晶层上镀覆具有预定最终形状的铜互连结构，其中第一镀覆时间小于镀覆全部最终形状所必需的总时间；以及在铜镀液中以第二时间段电处理镀覆的铜互连结构，第二时间段至少足够形成预定最终形状。
文档编号H01L21/321GK1503345SQ20031010345
公开日2004年6月9日 申请日期2003年11月3日 优先权日2002年11月20日
发明者徐顺天, 曾伟志, D·D·雷斯塔伊诺, J·E·弗吕格尔, R·O·亨利, J·M·科特, M·克里希南, H·德利吉安尼, P·M·韦雷肯, S·E·格雷科, 亨利, 弗吕格尔, 材, 格雷科, 科特, 锵Ｄ, 雷斯塔伊诺, 韦雷肯 申请人:国际商业机器公司