铜金属化工艺制造技术

本申请提供了一种铜金属化工艺。该铜金属化工艺包括：步骤S1，在形成预通孔的晶片的表面上设置金属阻挡层；步骤S2，在金属阻挡层的表面上设置铜籽晶层；步骤S3，在铜籽晶层上设置铜层；以及步骤S4，去除预通孔以外的金属阻挡层、铜籽晶层与铜层，形成通孔；其中，步骤S2包括：步骤S21，在金属阻挡层的表面上淀积铜籽晶层；步骤S22，将铜籽晶层冷却的同时向铜籽晶层通氧气，形成铜氧化层；步骤S23，去除铜氧化层。该铜金属化工艺使得铜层与铜籽晶层之间不再具有氧化铜和有机杂质气体，二者的粘结性较好，大大减小了铜层拔出现象的发生的几率，甚至从根本上消除铜层拔出现象的产生。

【技术实现步骤摘要】

本申请涉及半导体制造
，具体而言，涉及一种铜金属化工艺。
技术介绍
与金属铝相比，铜的电阻较小，使得铜互连结构具有较小的互联电阻，较小的RC延迟；另一方面，铜具有较高的电迁移抵抗力，能够允许铜连结构具有较高的电流密度。所以现有技术中IC芯片大多采用铜互连结构，这样可以获得较快的处理速度。金属互连结构是在已经完成半导体前道工艺制程的基底上叠置多层金属互连层而形成，各层金属互连层包括层间介质层和金属布线层，现有技术中，通常采用双镶嵌铜金属化工艺设置金属布线层中的通孔，其工艺过程包括：步骤S1’，在基底100’上设置刻蚀停止层200’并刻蚀，形成图1所示的结构，基底100’内设置有半导体前道工艺结构且表面上设置有介质层；步骤S2’，在图1所示的结构上设置保留介质层300’并刻蚀，形成图2所示的预通孔301’；步骤S3’，在图2所示的保留介质层300’的表面以及预通孔301’的表面上设置铜阻挡层400’，形成图3所示的结构；步骤S4’，采用PVD(Plasma Vapor Deposition，物理气相沉积法PVD)在图3所示的铜阻挡层400’的表面淀积铜籽晶层500’，形成图4所示的结构；步骤S5’，如图5所示，采用ECP(Electro Chemical Plating化学电镀法)在铜籽晶层500’的表面上淀积铜层700’；步骤S6，采用化学机械研磨法清除预通孔以外的铜与铜阻挡层，形成图6所示的通孔302’结构。上述方法在形成铜籽晶层500’后，需要通过冷却的过程使铜再结晶，使得铜籽晶层500’更加致密，导电性更好，但是此冷却过程使得铜籽晶层500’的表面被氧化形成铜氧化层，并且表面吸附一些有机气体杂质。铜氧化层与其表面的杂质使得铜籽晶层500’与铜层充700的粘结性较差，使得后续清除互联槽与预通孔以外的铜时，很容易将铜层700拔出，如图7所示，造成器件缺陷，降低了产品的良率。为了避免上述铜层的拔出现象，现有技术中通常采用以下手段：(1)，对铜籽晶层冷却过程的环境进行监控，减少铜氧化层表面有机气体的吸附；(2)，将淀积铜籽晶层与淀积铜层的间隔时间控制在12小时之内，减小铜氧化层的厚度与减少其表面的有机气体的吸附；(3)，控制化学电镀法在镀铜层时的压力，使铜层与铜籽晶层紧密结合。这些方法虽然能起到一些作用，使得铜层拔出现象出现的几率有微小的减小，但是并未大大降低铜层拔出现象的发生的几率。为了大大减小铜层拔出现象发生的几率甚至从根本上消除铜层拔出现象的发生，需要一种有效的铜金属化工艺。
技术实现思路
本申请旨在提供一种铜金属化工艺，以解决现有技术中铜层拔出现象的发生。为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种铜金属化工艺，上述铜金属化工艺包括：步骤S1，在形成预通孔的晶片的表面上设置金属阻挡层；步骤S2，在上述金属阻挡层的表面上设置铜籽晶层；步骤S3，在上述铜籽晶层上设置铜层；以及步骤S4，去除上述预通孔以外的金属阻挡层、上述铜籽晶层与上述铜层，形成通孔；上述步骤S2包括：步骤S21，在上述金属阻挡层的表面上淀积铜籽晶层；步骤S22，将上述铜籽晶层冷却的同时向上述铜籽晶层通氧气，形成铜氧化层；步骤S23，去除上述铜氧化层。进一步地，上述铜氧化层的厚度为3～12nm。进一步地，上述氧气的浓度为15～25％，上述通氧气的时间为20～40s。进一步地，上述步骤S23是在大于0V小于1V的电压下，采用酸性溶液溶解上述铜氧化层。进一步地，上述步骤S3采用ECP设置上述铜层，上述ECP采用酸性电镀溶液，上述酸性电镀溶液的H+的浓度为5～20g/L，优选上述酸性溶液与上述酸性电镀溶液相同。进一步地，采用PVD淀积上述金属阻挡层。进一步地，采用PVD淀积上述铜籽晶层。进一步地，上述铜籽晶层的厚度为50～150nm。进一步地，上述步骤S22在30～60s之内将上述铜籽晶层冷却至15～25℃。进一步地，上述铜金属化工艺还包括上述预通孔的形成方法，上述形成方法包括：步骤S01，在上述晶片的基底表面上设置介质层，上述基底内形成有半导体前道工艺结构；步骤S02，在上述介质层远离上述基底的表面设置刻蚀停止层，并对上述刻蚀停止层进行刻蚀使部分上述介质层裸露；步骤S03，在上述刻蚀停止层和裸露的上述介质层上依次设置保留介质层和光刻胶层；以及步骤S04，对上述光刻胶层和上述保留介质层刻蚀，形成上述预通孔。进一步地，上述介质层为SiO2层、Si3N4层或SiO2与Si3N4的复合层。进一步地，上述金属阻挡层为Ta层与TaN层的复合层。应用本申请的技术方案，步骤S2在淀积铜籽晶层后，首先将铜籽晶层冷却的同时向上述铜籽晶层通氧气，使其表面形成致密的铜氧化层，致密的铜氧化层可以避免了其内部继续被氧化；然后去除上述致密的铜氧化层，随着铜氧化层的去除，其表面吸附的有机气体杂质脱落，这样大大减少了后续淀积的铜层与铜籽晶层之间的氧化铜和有机杂质气体，使得二者的粘结性较好，大大减少了铜层拔出现象发生的几率，甚至从根本上消除铜层拔出现象的产生。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：图1至图6为现有技术中的双镶嵌铜金属化工艺步骤，其中，图1示出了在基底上设置刻蚀停止层并刻蚀后的晶片剖面结构示意图；图2示出了在图1所示的结构中设置保留介质层并刻蚀形成预通孔后的晶片的剖面结构示意图；图3示出了在图2所示的结构上设置铜阻挡层后的晶片的剖面结构示意图；图4示出了在图3所示的铜阻挡层的表面淀积铜籽晶层后的晶片的剖面结构示意图；图5示出了在铜籽晶层的表面上淀积铜层后的晶片的剖面结构示意图；图6示出了清除预通孔以外的铜与铜阻挡层后的晶片的剖面结构示意图；图7示出了铜层拔出的现象；图8示出了本申请一种优选实施方式中铜金属化工艺的步骤S2的工艺流程示意图；图9至图16为本申请一种优选实施方式中的铜金属化工艺步骤，其中，图9示出了在基底上依次淀积刻蚀停止层并刻蚀后的晶片的剖面结构示意图；图10示出了在图9所示的结构上设置保留介质层并刻蚀形成预通孔后的晶片的剖面结构示意图；图11示出了在图10所示的结构的保留介质层的表面淀积金属阻挡层后的晶片的剖面结构示意图；图12示出了在图11所示的结构的上淀积铜籽晶层后的晶片的剖面结构示意图；图13示出了在图12所示的结构的表面形成铜氧化层后的的晶片的剖面结构示意图；图14示出了去除图13所示的铜氧化层后的晶片的剖面结构示意图；图15示出了在图14所示的铜籽晶层的表面上淀积铜层后的晶片的剖面结构示意图；以及图16示出了去除图15所示的以外的金属阻挡层、铜籽晶层与铜层后的晶片的剖面结构示意图。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铜金属化工艺，所述铜金属化工艺包括：步骤S1，在形成预通孔的晶片的表面上设置金属阻挡层；步骤S2，在所述金属阻挡层的表面上设置铜籽晶层；步骤S3，在所述铜籽晶层上设置铜层；以及步骤S4，去除所述预通孔以外的金属阻挡层、所述铜籽晶层与所述铜层，形成通孔；其特征在于，所述步骤S2包括：步骤S21，在所述金属阻挡层的表面上淀积铜籽晶层；步骤S22，将所述铜籽晶层冷却的同时向所述铜籽晶层通氧气，形成铜氧化层；步骤S23，去除所述铜氧化层。

【技术特征摘要】
1.一种铜金属化工艺，所述铜金属化工艺包括：步骤S1，在形成预通孔的晶片的表面上设置金属阻挡层；步骤S2，在所述金属阻挡层的表面上设置铜籽晶层；步骤S3，在所述铜籽晶层上设置铜层；以及步骤S4，去除所述预通孔以外的金属阻挡层、所述铜籽晶层与所述铜层，形成通孔；其特征在于，所述步骤S2包括：步骤S21，在所述金属阻挡层的表面上淀积铜籽晶层；步骤S22，将所述铜籽晶层冷却的同时向所述铜籽晶层通氧气，形成铜氧化层；步骤S23，去除所述铜氧化层。2.根据权利要求1所述的铜金属化工艺，其特征在于，所述铜氧化层的厚度为3～12nm。3.根据权利要求2所述的铜金属化工艺，其特征在于，所述氧气的浓度为15～25％，所述通氧气的时间为20～40s。4.根据权利要求1所述的铜金属化工艺，其特征在于，所述步骤S23是在大于0V小于1V的电压下，采用酸性溶液溶解所述铜氧化层。5.根据权利要求1或4所述的铜金属化工艺，其特征在于，所述步骤S3采用ECP设置所述铜层，所述ECP采用酸性电镀溶液，所述酸性电镀溶液的H+的浓度为5～20g/L，优选所述酸性溶液与所述酸性电镀溶液相同。6.根据权利要求1所述的铜金...

【专利技术属性】
技术研发人员：何朋，蒋剑勇，孙日辉，
申请(专利权)人：中芯国际集成电路制造上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31