金屬層處理方法
2023-06-29 07:47:26 1
專利名稱：金屬層處理方法
技術領域：
本發明涉及半導體製造領域，特別涉及一種金屬層處理方法。
背景技術：
在超大規模集成電路工藝中，有著熱穩定性、抗溼性的二氧化矽一直是金屬互連 線路間使用的主要絕緣材料，金屬鋁則是晶片中電路互連導線的主要材料。然而，相對於元 件的微型化及集成度的增加，電路中導體連線數目不斷的增多，使得導體連線架構中的電 阻(R)及電容(C)產生寄生效應，造成嚴重的傳輸延遲(RC Delay)，在130納米及更先進的 技術中成為電路中訊號傳輸速度受限的主要因素，因此，現有技術在半導體工藝中採用新 的低電阻材料銅和低介電常數的介電材料以降低傳輸延遲。但由於金屬銅刻蝕困難，現有採用的銅的互連結構通常先形成溝槽，然後在溝槽 內填充金屬銅，最後採用化學機械拋光工藝去除多餘的金屬銅層，在公開號為CN1866495A 的中國專利文件中能夠發現更多的關於現有的銅的互連結構的形成方案。下面結合附圖簡單的介紹互連結構的形成過程。圖1至圖4為現有技術中互連結 構的形成過程的示意圖。如圖1所示，提供襯底100 ；在所述襯底100表面形成金屬層110 ；在金屬層110 上沉積一定厚度的第一介質層120，並利用光刻、刻蝕技術去除對應接觸孔處的第一介質層 120直至露出金屬層110表面，以形成接觸孔開口 121。如圖2所示，利用物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition, PVD)方法在具有 接觸孔開口 121的第一介質層120表面沉積阻擋層122。如圖3所示，利用電鍍工藝在阻擋層122表面沉積用於填充接觸孔開口 121的金 屬層123。如圖4所示，採用化學機械拋光工藝去除部分金屬層123、阻擋層122直至暴露出 第一介質層120。在現有互連結構的形成過程中，金屬層形成和退火在同一電鍍設備中完成，由於 退火後的金屬層具有很大的應力，由於電鍍設備產能和化學機械拋光設備產能的差異性， 通常在電鍍形成金屬層123之後，會等待比較長的時間才能進行化學機械拋光工藝，隨著 時間延長，退火後的金屬層在應力的作用下，金屬層123中的微缺陷會發生遷移並聚集成 大的孔隙狀缺陷，從而導致互連結構電學性能低下，可靠性降低，嚴重時會使得整個器件報 廢。
發明內容
本發明解決的技術問題是電鍍工藝完成後的金屬層等待時間較長後金屬層中的 微缺陷在應力作用下聚集，在金屬層內形成空隙的問題。為解決上述問題，本發明提供一種金屬層處理方法，包括提供基底，所述基底包 括襯底和形成在襯底表面的介質層；所述介質層內形成有暴露襯底的接觸孔；所述介質層表面和所述接觸孔內形成有金屬層；對所述金屬層退火；控制退火和化學機械拋光之間的 時間間隔，對所述退火後的金屬層進行化學機械拋光，直至暴露出介質層。可選的，退火和化學機械拋光之間的時間間隔小於5小時。可選的，對所述金屬層退火的工藝參數為退火溫度為100度至400度，保護氣體 為氮氣和氫氣的混合氣體，其中氮氣與氫氣的體積比為100 3. 381，氮氣和氫氣的混合氣 體的流量為50SCCM至200SCCM，退火時間為30秒至2小時，退火冷卻溫度為40度，且退火 溫度到退火冷卻溫度的冷卻時間為10秒至200秒。可選的，金屬層退火可以在獨立的退火設備或者是與化學機械拋光的設備集成的 退火設備中完成。可選的，所述襯底為多層基片、分級基片、絕緣體上矽基片、外延矽基片、部分處理 的基片、圖案化或未被圖案化的基片。可選的，所述介質層為金屬前介質層或層間介質層。可選的，所述介質層的材料為SiA或者摻雜的Si02。可選的，所述金屬層材料為銅。可選的，所述金屬層的形成方法為電鍍工藝。可選的，所述電鍍工藝的具體參數為電鍍液選用CuSO4溶液，Cu2+濃度為30g/L至 50g/L,並且在此溶液中加入濃度為40mg/L至60mg/L的含氯離子的無機添加劑，電鍍的電 流為4. 5安培至45安培。可選的，對所述退火後的金屬層進行化學機械拋光的具體參數為選用氧化矽作 為拋光顆粒，拋光液的PH值為10至11. 5，拋光液的流量為200毫升每分鐘至400毫升每分 鍾，拋光工藝中研磨墊的轉速為83轉每分鐘至103轉每分鐘，研磨頭的轉速為77轉每分鐘 至97轉每分鐘，拋光工藝的壓力為5500帕至6500帕。與現有技術相比，本發明具有以下優點本發明通過控制退火和化學機械拋光之 間的時間間隔，使得退火後的形成有所述金屬層的基底能夠直接進入化學機械拋光步驟， 而不需要長時間的等待；避免了金屬層在應力作用下產生的微缺陷聚集效應，從而在金屬 層內形成空隙，導致互連結構電學性能和可靠性低下。
圖1至圖4為現有技術中互連結構的形成過程的示意圖；圖5為本發明金屬層處理方法的一實施例的流程示意圖；圖6至圖9為本發明金屬層處理方法的一實施例的過程示意圖。
具體實施例方式由背景技術可知，在現有互連結構的形成過程中，金屬層形成和退火在同一電鍍 設備中完成，由於退火後的金屬層具有很大的應力，由於電鍍設備產能和化學機械拋光設 備產能的差異性，通常在電鍍形成金屬層之後，會等待比較長的時間才能進行化學機械拋 光工藝，隨著時間延長，退火後的金屬層在應力的作用下，金屬層中的微缺陷會發生遷移並 聚集成大的孔隙狀缺陷，從而導致互連結構電學性能低下，可靠性降低，嚴重時會使得整個 器件報廢。
為此，本發明的發明人給出一種優化的金屬層處理方法，包括如下步驟提供基 底，所述基底包括襯底和形成在襯底表面的介質層；所述介質層內形成有暴露襯底的接觸 孔；所述介質層表面和所述接觸孔內形成有金屬層；對所述金屬層退火；控制退火和化學 機械拋光之間的時間間隔，對所述退火後的金屬層進行化學機械拋光，直至暴露出介質層。可選的，退火和化學機械拋光之間的時間間隔小於5小時。可選的，對所述金屬層退火的工藝參數為退火溫度為100度至400度，保護氣體 為氮氣和氫氣的混合氣體，其中氮氣與氫氣的體積比為100 3. 381，氮氣和氫氣的混合氣 體的流量為50SCCM至200SCCM，退火時間為30秒至2小時，退火冷卻溫度為40度，且退火 溫度到退火冷卻溫度的冷卻時間為10秒至200秒。可選的，金屬層退火可以在獨立的退火設備或者是與化學機械拋光的設備集成的 退火設備中完成。可選的，所述襯底為多層基片、分級基片、絕緣體上矽基片、外延矽基片、部分處理 的基片、圖案化或未被圖案化的基片。可選的，所述介質層為金屬前介質層或層間介質層。可選的，所述介質層的材料為S^2或者摻雜的Si02。可選的，所述金屬層材料為銅。可選的，所述金屬層的形成方法為電鍍工藝。可選的，所述電鍍工藝的具體參數為電鍍液選用CuSO4溶液，Cu2+濃度為30g/L至 50g/L,並且在此溶液中加入濃度為40mg/L至60mg/L的含氯離子的無機添加劑，電鍍的電 流為4. 5安培至45安培。可選的，對所述退火後的金屬層進行化學機械拋光的具體參數為選用氧化矽作 為拋光顆粒，拋光液的PH值為10至11. 5，拋光液的流量為200毫升每分鐘至400毫升每分 鍾，拋光工藝中研磨墊的轉速為83轉每分鐘至103轉每分鐘，研磨頭的轉速為77轉每分鐘 至97轉每分鐘，拋光工藝的壓力為5500帕至6500帕。在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明。但是本發明能夠以 很多不同於在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況 下做類似推廣，因此本發明不受下面公開的具體實施的限制。其次，本發明利用示意圖進行詳細描述，在詳述本發明實施例時，為便於說明，表 示器件結構的剖面圖會不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是實例，其在此不應 限制本發明保護的範圍。此外，在實際製作中應包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。圖5是本發明金屬層處理方法的一實施例的流程示意圖，圖6至圖9為本發明金 屬層處理方法的一實施例的過程示意圖。下面結合圖5至圖9對本發明的金屬層處理方法 進行說明。步驟S101，提供基底，所述基底包括襯底和形成在襯底表面的介質層；所述介質 層內形成有暴露襯底的接觸孔；所述介質層表面和所述接觸孔內形成有金屬層。參考圖6，所述基底200包括襯底210和形成在襯底210表面的介質層220。所述襯底210可以為多層基片(例如，具有覆蓋電介質和金屬膜的矽襯底)、分級 基片、絕緣體上矽基片(SOI)、外延矽基片、部分處理的基片(包括集成電路及其他元件的 一部分)、圖案化或未被圖案化的基片。
所述介質層220用於隔離形成在介質層220內的金屬層和半導體單元，具體所 述介質層220可以是金屬前介質層(Pre-Metal Dielectric，PMD)，也可以是層間介質層 (Inter-Metal Dielectric，ILD)，需要特別指出的是，所述介質層220還可以是單一覆層也可以是多層堆疊結構。金屬前介質層是沉積在具有MOS器件的襯底上，利用沉積工藝形成，在金屬前介 質層中會在後續工藝形成溝槽，用金屬填充溝槽形成連接孔，所述連接孔用於連接MOS器 件的電極和上層互連層中的金屬導線。層間介質層是後道工藝在金屬互連層之間的介電層，層間介質層中會在後續工藝 中形成溝槽，用金屬填充溝槽形成連接孔，所述連接孔用於連接相鄰金屬互連層中的導線。所述介質層220的材料通常選自SiO2或者摻雜的SiO2，例如USG⑴ndoped Silicon Glass,沒有摻雜的矽玻璃)、BPSG(Borophosphosilicate Glass,摻雜硼磷的矽玻璃)、 BSG(Borosilicate Glass，摻雜硼的矽玻璃)、PSG(Phosphosilitcate Glass，摻雜磷的矽 玻璃)等。所述介質層220在130納米及以下的工藝節點一般選用低介電常數的介電材料， 所述介質層220的材料具體選自氟矽玻璃(FSG)、碳摻雜的氧化矽(Black Diamond)以及氮 摻雜的碳化矽(BLOK)。所述介質層220的形成工藝可以是任何常規真空鍍膜技術，例如原子沉積(ALD)、 物理氣相澱積(PVD)、化學氣相澱積(CVD)、等離子體增強型化學氣相澱積(PECVD)等等形 成在襯底210表面，在這裡不做贅述。參考圖7，在所述介質層220內形成暴露襯底210的接觸孔221。所述接觸孔221的形成步驟包括在所述介質層220表面旋塗光刻膠，接著通過曝 光將掩膜版上的與所述接觸孔221相對應的圖形轉移到光刻膠上，然後利用顯影液將相應 部位的光刻膠去除，以形成光刻膠圖形；以所述光刻膠圖形為掩膜，刻蝕所述介質層220直 至形成所述接觸孔221。刻蝕所述介質層220的工藝可以為公知的化學試劑刻蝕工藝或者等離子體刻蝕 工藝，在本實施例中，以等離子體刻蝕為例做示範性說明。所述等離子體刻蝕工藝的具體工藝參數為刻蝕設備腔體壓力為30毫託至60毫 託，頻率為13. 6M的射頻功率為500瓦至1000瓦，頻率為2M的射頻功率為200瓦至400瓦， CF4流量為每分鐘80標準立方釐米至每分鐘120標準立方釐米，CHF3流量為每分鐘50標準 立方釐米至每分鐘80標準立方釐米，以上述刻蝕工藝參數，刻蝕所述介質層220直至形成 所述接觸孔221。參考圖8，在所述介質層210表面和所述接觸孔221內形成金屬層230。所述金屬層230的材料可以為鋁、銀、鉻、鉬、鎳、鈀、鉬、鈦、鉭、銅中的一種或者幾 種，需要特別指出的是，由於金屬銅具有高熔點、低電阻係數及高抗電子遷移的能力，所述 金屬層230材料較優選用銅，但是需要特別說明的是，選用其他導電物質形成的所述金屬 層230仍然可以工作，只是傳輸延遲比較大，在此特地說明，不應過分限制本發明的保護範 圍。本實施例以所述金屬層230為金屬銅為例，做示範性說明。在本實施例中，選用金屬銅的金屬層230形成工藝為電鍍工藝。12.所述電鍍工藝的具體參數為所述電鍍工藝的具體參數為電鍍液選用CuSO4溶液，Cu2+濃度為30g/L至 50g/L,並且在此溶液中加入濃度為40mg/L至60mg/L的含氯離子的無機添加劑，電鍍的電 流為4. 5安培至45安培。需要特別指出的是，在其他實施例中，為了提高所述金屬層230填充接觸孔221的 電學性能，會在形成金屬層230步驟之前，先在接觸孔221側壁和底部形成一層阻擋層，然 後在所述阻擋層表面形成銅的籽晶層。步驟S102，對所述金屬層230退火。現有的工藝步驟中，電鍍工藝完成後的金屬層230的金屬晶粒比較小，隨著時間 延長，金屬層230的金屬晶粒互相接觸長大，在金屬層230內形成空隙，導致互連結構電學 性能低下，嚴重時會使得整個器件報廢。為此，本發明的發明人經過大量的實驗，採取對所述金屬層230退火，以避免出現 金屬層230的金屬晶粒互相接觸長大，在金屬層230內形成空隙現象。需要特別指出的是，所述退火工藝的工藝參數尤為重要，如果退火工藝的參數不 符合工藝要求，本發明的發明人發現，退火後的金屬層230仍然會金屬晶粒互相接觸長大， 甚至會出現，退火後的金屬層230的金屬顆粒退火生長現象出現。為此，本發明的發明人經過大量的創造性實驗，採用退火工藝的工藝參數包括退 火溫度為100度至400度，保護氣體為氮氣和氫氣的混合氣體，其中氮氣與氫氣的體積比為 100 3. 381，氮氣和氫氣的混合氣體的流量為50SCCM至200SCCM，退火時間為30秒至2小 時，退火冷卻溫度為40度，且退火溫度到退火冷卻溫度的冷卻時間為10秒至200秒，採用 上述的退火條件，退火後的金屬層230不會出現金屬顆粒生長現象。所述金屬層退火可以在退火設備例如管式退火爐或者快速退火爐中進行，為了更 進一步的避免出現金屬顆粒退火生長現象，金屬層退火可以與化學機械拋光的設備集成的 退火設備中完成。參考圖9，如步驟S103所述，控制退火和化學機械拋光之間的時間間隔，對所述退 火後的金屬層230進行化學機械拋光，直至暴露出介質層210。為了提高形成的金屬層230的質量，所述退火後的金屬層與對所述金屬層230進 行化學機械拋光的工藝之間的間隔小於5小時，所述控制退火和化學機械拋光之間的時間 間隔可以通過優化退火工藝參數和化學機械拋光工藝參數來實現。所述化學機械拋光工藝選用選擇性去除銅的拋光工藝，所述化學機械拋光工藝具 體參數為選用氧化矽作為拋光顆粒，拋光液的PH值為10至11. 5，拋光液的流量為200毫 升每分鐘至400毫升每分鐘，拋光工藝中研磨墊的轉速為83轉每分鐘至103轉每分鐘，研 磨頭的轉速為77轉每分鐘至97轉每分鐘，拋光工藝的壓力為5500帕至6500帕，直至暴露 出介質層210。本發明通過採用優化的退火工藝對所述金屬層230進行退火，避免了金屬層230 的晶粒互相接觸長大，在金屬層230內形成空隙，導致互連結構電學性能低下現象出現。雖然本發明已以較佳實施例披露如上，但本發明並非限定於此。任何本領域技術 人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護範圍應 當以權利要求所限定的範圍為準。
權利要求
1.一種金屬層處理方法，其特徵在於，包括提供基底，所述基底包括襯底和形成在襯底表面的介質層；所述介質層內形成有暴露 襯底的接觸孔；所述介質層表面和所述接觸孔內形成有金屬層； 對所述金屬層退火；控制退火和化學機械拋光之間的時間間隔，對所述退火後的金屬層進行化學機械拋 光，直至暴露出介質層。
2.如權利要求1所述的金屬層處理方法，其特徵在於，退火和化學機械拋光之間的時 間間隔小於5小時。
3.如權利要求1所述的金屬層處理方法，其特徵在於，對所述金屬層退火的工藝參數 為退火溫度為100度至400度，保護氣體為氮氣和氫氣的混合氣體，其中氮氣與氫氣的體 積比為100 3. 381，氮氣和氫氣的混合氣體的流量為50SCCM至200SCCM，退火時間為30 秒至2小時，退火冷卻溫度為40度，且退火溫度到退火冷卻溫度的冷卻時間為10秒至200秒。
4.如權利要求1所述的金屬層處理方法，其特徵在於，金屬層退火可以在獨立的退火 設備或者是與化學機械拋光的設備集成的退火設備中完成。
5.如權利要求1所述的金屬層處理方法，其特徵在於，所述襯底為多層基片、分級基 片、絕緣體上矽基片、外延矽基片、部分處理的基片、圖案化或未被圖案化的基片。
6.如權利要求1所述的金屬層處理方法，其特徵在於，所述介質層為金屬前介質層或 層間介質層。
7.如權利要求1所述的金屬層處理方法，其特徵在於，所述介質層的材料為SiA或者 摻雜的SiO2。
8.如權利要求1所述的金屬層處理方法，其特徵在於，所述金屬層材料為銅。
9.如權利要求1所述的金屬層處理方法，其特徵在於，所述金屬層的形成方法為電鍍工藝。
10.如權利要求6所述的金屬層處理方法，其特徵在於，所述電鍍工藝的具體參數為 電鍍液選用CuSO4溶液，Cu2+濃度為30g/L至50g/L，並且在此溶液中加入濃度為40mg/L至 60mg/L的含氯離子的無機添加劑，電鍍的電流為4. 5安培至45安培。
11.如權利要求1所述的金屬層處理方法，其特徵在於，對所述退火後的金屬層進行化 學機械拋光的具體參數為選用氧化矽作為拋光顆粒，拋光液的PH值為10至11. 5，拋光液 的流量為200毫升每分鐘至400毫升每分鐘，拋光工藝中研磨墊的轉速為83轉每分鐘至 103轉每分鐘，研磨頭的轉速為77轉每分鐘至97轉每分鐘，拋光工藝的壓力為5500帕至 6500 帕。
全文摘要
一種金屬層處理方法，提供基底，所述基底包括襯底和形成在襯底表面的介質層；所述介質層內形成有暴露襯底的接觸孔；所述介質層表面和所述接觸孔內形成有金屬層；對所述金屬層退火；控制退火和化學機械拋光之間的時間間隔，對所述退火後的金屬層進行化學機械拋光，直至暴露出介質層。本發明能夠避免金屬層因承受較大的張應力而導致金屬層內的微孔隙產生聚集，而在金屬層內形成大的空隙，從而降低晶片的良率和可靠性。
文檔編號C25D3/38GK102054747SQ20091019811
公開日2011年5月11日 申請日期2009年11月2日 優先權日2009年11月2日
發明者聶佳相 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司