銅電鍍薄膜方法
2023-06-08 20:15:51 2
專利名稱：銅電鍍薄膜方法
技術領域：
本發明涉及半導體製造技術領域，尤其涉及一種可對銅籽晶層進行表面處理的銅電鍍薄膜方法。
背景技術：
在半導體銅(Cu)布線工藝中，為了進行銅薄膜的電鍍，首先需要在阻擋層上沉積一層薄的銅籽晶層，然後再在Cu籽晶層上以電化學電鍍(ECP)方法來生長出一層Cu薄膜層。
圖1是半導體晶圓上的阻擋層、銅(Cu)籽晶層及Cu電鍍薄膜的結構示意圖；當然，在實際生產中，半導體晶圓上往往包含有成千上萬的元器件或多層結構，本發明為說明問題，只是舉了帶有一個介層洞的例子。請看圖1所示，半導體晶圓的氧化矽層100上有一個介層洞110，首先通過物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition，PVD)製程生長出阻擋層101，其成分比如是鉭(Ta)；然後需要在阻擋層101上同樣以PVD製程沉積一層薄的銅籽晶層102，一般約為100至150nm；最後再在Cu籽晶層102上以電化學電鍍(Electrical Chemical Plating，ECP)方法來生長出期望厚度的Cu薄膜層103。圖2給出了製備Cu電鍍薄膜方法的流程圖，首先用PVD製程生長阻擋層和Cu籽晶層、然後再在Cu籽晶層上用ECP製程生長Cu薄膜層。但是，通過這種方法所得到的Cu薄膜層103包含有很高數量的薄膜中缺陷，例如孔洞。
通過對這種缺陷的研究發現，就剛形成的PVD Cu籽晶層而言，使用物理氣相沉積(PVD)方法製得的Cu籽晶層102是很不穩定的；而隨著Cu籽晶層的自發退火，其籽晶層表面不僅會發生結構演變，同時還會在其表面生成幾個原子層的氧化物，這些都將提高Cu籽晶層表面與ECP電鍍所使用的化學試劑之間的潤溼能力，使薄膜層103的缺陷密度急劇下降，一直降到生產的臨界水平，甚至完全避免ECP Cu薄膜層103中的缺陷。例如，在PVD沉積Cu籽晶層後，如果僅僅在空氣中進行自發退火處理，此時，隨電鍍Cu薄膜之前在空氣中停留的時間，銅薄膜中缺陷數目的變化如下在40分鐘後2790個；在60分鐘後1643個；在70分鐘後560個；在90分鐘後102個。
因此，由上述內容可以得出結論在製備Cu電鍍薄膜過程中，ECP薄膜中缺陷密度取決於PVD Cu籽晶層的表麵條件，具體地說，取決於PVDCu籽晶層的表面晶粒結構和氧化物構成；且通過PVD Cu籽晶層的自發退火，可改善PVD Cu籽晶層的表麵條件，將ECP薄膜中的缺陷降低。
但是，這段在從PVD到ECP製程之間所需要的自發退火時間，在空氣中要至少兩小時，而在晶圓罩(Pod)內則要很多天。因此，將該PVD Cu籽晶層的自發退火方法應用於任何實際的生產環境中都是不可行的。
發明內容
為了克服上述現有技術中的不足，本發明的目的就是在銅電鍍薄膜的生產中提供一種在較短時間內減少甚至完全避免薄膜中缺陷的方法。
為了達成上述目的，本發明的技術方案為一種銅電鍍薄膜方法，包括先在阻擋層上沉積銅籽晶層，然後對銅籽晶層進行表面處理，最後再在該銅籽晶層上以電化學電鍍方法生長出電鍍銅薄膜層。上述表面處理的步驟可以是用氣體衝刷Cu籽晶層、對Cu籽晶進行退火處理、或用加熱後的溫水對Cu籽晶層進行衝洗或浸泡。
使用本發明方法處理後的Cu籽晶層，其表面是經過了結構重組或/和在幾個原子層上經過了氧化了的結構，這種表面處理方法會減少銅薄膜的表面張力，從而有效地提高了ECP Cu薄膜與ECP電鍍化學試劑之間的潤溼能力，其結果是降低或甚消除ECP Cu薄膜中的缺陷；且根據本發明提出的表面處理方法，對Cu籽晶層進行表面處理所需要的時間大大少於在空氣中所需要的時間，從而縮短了生產周期。
圖1是半導體晶圓上的阻擋層，Cu籽晶層及Cu電鍍薄膜的結構示意圖；圖2是傳統技術製備Cu電鍍薄膜的方法流程圖；圖3是本發明的製備Cu電鍍薄膜的方法流程圖；圖4A是本發明的氣體衝刷法或水衝刷法處理晶圓支架(wafer holder)上的晶圓的示意圖；圖4B是是本發明的氣體衝刷法或水衝刷法處理多個晶圓的示意圖；圖5是根據本發明的退火處理晶圓的示意圖。
具體實施例方式
下面，我們將對本發明提出的對PVD Cu籽晶層進行表面處理的方法進行詳細的描述。
本發明的主要原理是在傳統的製備Cu電鍍薄膜的方法基礎上，在如圖2所示的PVD和ECP兩製程之間，加上一道「銅籽晶層表面處理」製程，使得銅籽晶層表面進行重構，並形成較穩定的氧化膜層，以減少銅籽晶層表面與下一步驟中的電鍍化學試劑之間的表面張力；具體請看圖3的本發明提出的製備Cu電鍍薄膜的過程的流程圖。
為了得到本發明經過了結構重組或/和在幾個原子層上經過了氧化了的銅表面，圖3中的「銅籽晶層表面處理」可以通過以下三種不同的實施方式完成。
1、實施方式一————氣體衝刷法圖4A是本發明的氣體衝刷法處理晶圓支架上的晶圓的示意圖；晶圓支架410的圓盤(wafer holder)的下表面固定有晶圓1000，該晶圓1000的表面已經過PVD製程而生長出一層銅籽晶層102。本氣體衝刷法就是用含有氧氣的氣體從下向上對該晶圓1000進行衝刷，以促進如圖1所示的銅籽晶層102表面的重構和氧化。氣體的衝刷角度可以是垂直於晶圓1000，也可以傾斜地吹向晶圓1000，完全視生產現場的進氣管路的安裝情況。
本實施例中，晶圓1000是在大氣之中。因此，氣體的流速只要使壓力大於一個大氣壓，都應該能夠達到本方案的效果。關於氣體的衝刷時間，則以衝刷時間大於20或30秒鐘為佳；經實驗，採用上述方法用空氣衝刷後，銅薄膜中缺陷會在30秒鐘後就大大降低甚至為零。
關於衝刷用的含有氧氣的氣體，可以是普通空氣、可以是水蒸氣、也可以是混合氣體。為了使銅籽晶層102表面能夠進行適當的氧化，其中O2的含量最佳範圍是15-25％，因為在O2的含量較小(小於15％)情況下，Cu籽晶層表面很難發生氧化，所以，如果再從成本的角度加以考慮的話，衝刷氣體的最佳選擇就是O2含量大約為20％的普通空氣。
圖4B是本發明的氣體衝刷法處理多個晶圓的示意圖；將多個晶圓水平地碼放在一個容器420中，氣體如箭頭所示從上而下對晶圓進行衝刷，晶圓之間的間距為5-15公分。
當然，本發明的氣體衝刷法並不限於上述兩個例子，比如說圖4B中晶圓在容器420中也可以是豎直碼放，只要能夠用上述氣體衝刷到其表面，任何方式的擺放都能夠達到本發明的目的，也都應屬於本發明的保護範圍之內。
2、實施方式二————溫水衝刷法溫水衝刷法的原理與上述的氣體衝刷法的原理相同，我們同樣也可用圖4A和圖4B來說明本溫水衝刷法。
如圖4A中所示，本實施例是先將水由室溫加熱，所以該水溫應該是高於室溫而低於100℃；用溫水從下向上對該晶圓1000進行衝刷，以促進如圖1所示的銅籽晶層102表面的重構和氧化。該溫水的衝刷角度可以是垂直於晶圓1000，也可以傾斜地衝向晶圓1000，完全視生產現場的進水管路的安裝情況。
上述水洗工藝中，之所以要將室溫溫度的水先行加熱，是因為若水溫過低將會導致如圖1中介層洞110中的水分不容易去除，從而在ECP的製程中，在介層洞110中很難生長成完整的銅薄膜，這將使得產品的合格率和可靠性降低。所以本發明採用的水溫為高於20℃低於100℃。應該指出，最好將水加熱至50-80℃。
關於溫水的衝刷時間和流量，則以衝刷時間大於2秒鐘以及0.5升/分鐘為佳；經實驗，採用上述方法用溫水衝刷後，銅薄膜中缺陷會在幾秒鐘後就大大降低甚至為零。
再請看圖4B，本發明的溫水衝刷法也可用於處理多個晶圓，將多個晶圓水平地碼放在一個容器420中，溫水從上而下對晶圓進行衝刷；或者，也可將晶圓直接浸泡在溫水中，晶圓之間的間距為5-15公分。
當然，本發明的溫水衝刷法並不限於上述兩個例子，比如說圖4B中晶圓在容器420中也可以是豎直或其他方向地碼放，只要能夠用上述溫水接觸到其表面，不管這種接觸是衝刷、還是浸泡，或是任何方式的擺放都能夠達到本發明的目的，也都應屬於本發明的保護範圍之內。
3、實施方式三————退火法如背景技術中所述，從PVD到ECP製程之間的自發退火因時間過長而不能用於實際生產，而本退火法的方案就是對退火條件進行幹預，從而使退火時間大大縮短。
經實驗，我們所採用的退火工藝採用了在溫度低於180℃的混合氣體中對Cu籽晶層實施表面處理，所述混合氣體應含有O2且O2的含量要小於1％。O2的含量之所以要小於1％，是因為如果O2含量過高，會使得Cu籽晶層表面發生嚴重的氧化，反而不利於Cu籽晶層的表面重構；而在O2的含量小於1％的情況下，Cu籽晶層表面較少發生氧化，而能夠更加有利於實現本發明的目的。上述混合氣體選自下列之一包括O2與N2的混合氣體，包括O2與N2+H2的混合氣體，包括O2與氦氣的混合氣體、或包括O2與氬氣的混合氣體。
還有，之所以選擇溫度低於180℃，是因為若處理溫度太高，尤其是在200℃或以上，會導致薄膜銅晶粒結構生長的太大，使Cu籽晶層表面集聚成團，並在Cu籽晶層中產生微孔，從而就很容易在下一步製程的ECP電鍍薄膜中產生孔洞。而在低於180℃的溫度下，則上述缺點會被克服，銅籽晶層的表面不會集聚成團，也不會產生微孔，只會重構出我們希望的Cu籽晶層。
圖5是本發明提出的對Cu籽晶層進行表面退火處理的示意圖。
首先，將一個生長有Cu籽晶層的晶圓放置到退火室510中，使退火室510中的溫度為高於40℃度而低於180℃。在這種情況下，從入氣口520通入N2和O2的混合氣體(O2的含量＜1％)，直到退火室中的壓力達到高於一個大氣壓，在這種氛圍中，對新鮮的PVD Cu籽晶層進行退火表面處理，所需時間大概為30分鐘。當然，圖5隻舉出了對一個晶圓進行處理的例子，本方法也完全可同時對2個以上的晶圓進行處理。
綜合上述三種實施方式，用PVD方法沉積出的銅籽晶層是非常不穩定的，任何化學或/和熱的激活都會使之發生變化，例如表面重構和表面氧化。本發明所提出的對PVD Cu籽晶層進行的表面處理方法，將增強PVDCu籽晶層的表面重構，並且與傳統自發退火相比，可以使Cu籽晶層表面發生更加快速的表面重構或氧化，用本發明方法處理後，Cu籽晶層的表面是經過了結構重組或/和在幾個原子層上經過了氧化了的結構，這種結構會減少銅與ECP電鍍Cu薄膜中所使用的電鍍化學試劑之間的表面張力，從而很大地改善了Cu基層與電鍍化學試劑之間的潤溼能力，使ECP Cu薄膜中的缺陷也將被有效地減少。
本發明的方法具有非常顯著的在極短的時間內減少ECP Cu電鍍薄膜中的缺陷的作用。即使是對於非常新鮮的Cu基層薄膜，在經過上述處理方法的處理之後，也可以使得ECP Cu電鍍薄膜中的缺陷降為零。
儘管本發明是參照其特定的優選實施方式來描述的，但本領域的技術人員應該理解，在不脫離由所附權利要求限定的本發明的精神和範圍的情況下，可以對其進行形式和細節的各種修改。
權利要求
1.一種銅電鍍薄膜方法，包括先在阻擋層上沉積銅籽晶層，然後再在該銅籽晶層上以電化學電鍍方法生長出電鍍銅薄膜層；其特徵是該方法在上述兩步驟之間還包括對銅籽晶層進行表面處理的步驟。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵是所述表面處理的步驟是用含有氧氣的氣體衝刷Cu籽晶層。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵是所述氣體是空氣、或水蒸氣、或空氣和水蒸氣的混合氣體。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵是所述表面處理的步驟是對Cu籽晶進行退火處理。
5.如權利要求4所述的方法，其特徵是所述退火處理是在低於180℃的溫度範圍內進行。
6.如權利要求4或5所述的方法，其特徵是所述退火處理是在含有O2且O2含量低於1％的混合氣體中進行。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵是所述混合氣體選自下列之一包括O2與N2的混合氣體，包括O2與N2+H2的混合氣體，包括O2與氦氣的混合氣體，包括O2與氬氣的混合氣體。
8.如權利要求1所述的方法，其特徵是所述表面處理的步驟是用水對Cu籽晶層進行衝洗或浸泡。
9.如權利要求8所述的方法，其特徵是先將室溫溫度的水加熱後再對Cu籽晶層進行衝洗或浸泡。
10.如權利要求9所述的方法，其特徵是所述加熱後的水溫高於20℃低於100℃。
全文摘要
一種銅電鍍薄膜方法，涉及半導體銅布線工藝中的銅薄膜的電鍍，具體步驟為先在阻擋層上沉積銅籽晶層，然後對銅籽晶層進行表面處理，最後再在該銅籽晶層上以電化學電鍍方法生長出電鍍銅薄膜層；上述表面處理的步驟可以是用氣體衝刷Cu籽晶層、對Cu籽晶進行退火處理、或用加熱後的溫水對Cu籽晶層進行衝洗；使用本發明方法處理後的Cu籽晶層，其表面是經過了結構重組或/和在幾個原子層上經過了氧化了的結構，這種表面處理方法會減少銅薄膜的表面張力，從而有效地提高了ECP Cu薄膜與ECP電鍍化學試劑之間的潤溼能力，其結果是在極短的時間內降低或甚消除ECP Cu薄膜中的缺陷。
文檔編號H01L21/288GK1590597SQ03150640
公開日2005年3月9日 申請日期2003年8月29日 優先權日2003年8月29日
發明者張開軍, 職春星, 徐根保 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司