铜层及铜镶嵌结构的形成方法技术

本发明专利技术公开了一种铜层的形成方法，包括步骤：提供表面已形成铜晶种层的衬底；将所述衬底传送至铜电镀设备中；向所述铜电镀设备中的退火装置通入保护气体，对所述衬底进行第一热退火处理；利用所述电镀设备中的电镀装置对所述衬底进行铜电镀处理；利用所述电镀设备中的洗边装置对所述衬底进行洗边处理；利用所述铜电镀设备中的退火装置对所述衬底进行第二热退火处理，完成铜的电镀。本发明专利技术还公开了一种相应的铜镶嵌结构的形成方法，采用本发明专利技术的铜层或铜镶嵌结构的形成方法，可以有效减少铜层内孔隙的数量，提高了铜层或铜镶嵌结构的形成质量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体制造
，特别涉及一种铜层及铜镶嵌结构 的形成方法。
技术介绍
随着集成电路的制作向超大规模集成电路(ULSI)发展，其内部的 电路密度越来越大，所含元件数量不断增加，使得晶片的表面无法提供 足够的面积来制作所需的互连线(Interconnect)。为了配合元件缩小后 所增加的互连线需求，利用通孔实现的两层以上的多层金属互连线的设 计，成为超大规;漠集成电路技术所必须采用的方法。传统的金属互连是由铝金属制作实现的，但随着集成电路芯片中器 件特征尺寸的不断缩小，金属连线中的电流密度不断增大，响应时间不 断缩短，传统铝互连线已达到工艺极限。当工艺尺寸小于130nm以后，传 统的铝互连线技术已逐渐被铜互连线技术所取代。与铝金属相比，铜金 属的电阻率更低、电迁移寿命更长，利用铜工艺制作金属互连线可以降 低互连线的RC延迟、改善电迁移等引起的可靠性问题。但是，采用铜工 艺制作互连线也存在两个问题 一是铜的扩散速度较快，二是铜的刻蚀 困难，因此，其所适用的工艺制作方法与铝工艺完全不同，通常会釆用 镶嵌结构实现。图1为说明现有的铜镶嵌结构的形成方法的器件剖面示意图，如图1 所示，首先，在衬底101上沉积层间介质层102; *接着，在该层间介质层 102上光刻出通孔图案，并刻蚀形成通孔；再接着，为使填充的铜金属与 通孔侧壁的介质层102粘附性良好，同时，防止铜金属向介质层102内扩 散，在填充金属前先沉积一层粘附层103,该粘附层103通常可由Ta/TaN 组合物形成。然后，在粘附层103上形成铜的晶种层104，再利用电镀的 方法在通孔内填充铜金属105,形成铜层。该铜层的形成质量对电路的性能影响很大，会直接影响到电路的多 个性能参数。在形成铜层的过程中，要注意避免产生图l中所示的空洞 110。 一旦在铜层中产生了该空洞110,在进行后续的平坦化处理时，就 会在铜金属表面形成凹陷。图2为现有的铜镶嵌结构的形成方法中平坦化铜层后的器件剖面示意图，如图2所示，在对铜金属层进行平坦化处理后， 对应于铜层内的空洞110,在铜金属层的表面出现了凹陷120,而通过应 力迁牙多(SM， Stress Migration)及电子迁牙多(EM, Electronic Migration) 实验表明，其会影响到铜层的可靠性及寿命。为解决这一铜层内空洞引起的可靠性及寿命问题，于2003年9月24日 公开的公开号为CN1444258A的中国专利申请提出了 一种新的铜沉积的 方法，该方法在电镀槽内加入了缺陷减少剂，通过降低晶粒的重结晶及 生长速度而减少铜生长过程中的内应力，从而减少了因生长不均匀而导 致的铜层内的空洞。但是该方法并不能解决因杂质等其他原因在铜层内 引起空洞的问题。实际生产中，除了上述因生长不均匀而在铜层内产生的空洞，衬底 表面在传送过程中被玷污也是在铜层内产生空洞的重要原因之一由于 铜层的生长分为两步，先利用沉积的方法(如，物理气相沉积的方法) 在沉积设备中形成一层铜的晶种层，然后，再利用铜电镀设备在该晶种 层上生长铜层。在这两步之间，需要在两个不同的设备间进行村底的传 送，而此时易在村底的晶种层上附着一些挥发性有机化合物(VOC, volatile organic compounds )。图3为现有的铜镶嵌结构的形成方法中形成晶种层后的器件剖面示 意图，如图3所示，在衬底301上沉积层间介质层302;接着，刻蚀该层间 介质层302形成通孔；再接着，沉积一层粘附层303;然后，在该粘附层 303上，利用物理气相沉积i殳备形成铜的晶种层304。将形成晶种层304后的衬底传送至电镀设备中，此时，空气中存在的VOC可能会如图中310所 示，附着于晶种层304上。图4为现有的铜镶嵌结构的形成方法中电镀铜层后的器件剖面示意 图，如图4所示，在随后进行电镀时，晶种层表面附着有该VOC的区域就 不能顺利地进行铜的生长，在该区域附近就会形成图中320所示的非正常 结构。图5为现有的铜镶嵌结构的形成方法中平坦化铜层后的器件剖面示 意图，如图5所示，最终形成的铜镶嵌结构的铜层表面具有孔隙330，其 必然会对器件的可靠性及寿命造成影响，而上述专利申请中的方法并不 能解决产生该类孔隙330的问题。
技术实现思路
本专利技术提供一种，以改善现有的形成 方法中易在铜层或铜镶嵌结构内出现孔隙的问题。本专利技术提供的一种铜层的形成方法，包括步骤提供表面已形成铜晶种层的衬底；将所述衬底传送至铜电镀设备中；向所述铜电镀设备中的退火装置通入保护气体，对所述衬底进行第 一热退火处理；利用所述电镀设备中的电镀装置对所述衬底进行铜电镀处理；利用所述电镀设备中的洗边装置对所述衬底进行洗边处理；利用所述铜电镀设备中的退火装置对所述衬底进行第二热退火处 理，完成铜的电镀。其中，所述第一热退火处理的温度在150至300。C之间，时间在10 至100秒之间。其中，所述通入的保护气体为氢气、氮气、氦气或氩气中的一种，且流量在200至300sccm之间。本专利技术具有相同或相应技术特征的一种铜镶嵌结构的形成方法，包 括步骤提供衬底；在所述衬底上形成通孔开口 ； 在所述衬底表面及所述通孔开口内形成粘附层； 在所述粘附层上形成铜的晶种层； 将形成晶种层后的衬底传送至铜电镀设备中； 向所述铜电镀设备中的退火装置通入保护气体，对所述衬底进行第 一热退火处理；利用所述电镀设备中的电镀装置对所述衬底进行铜电镀处理； 利用所述电镀设备中的洗边装置对所述衬底进行洗边处理； 利用所述铜电镀设备中的退火装置对所述衬底进行第二热退火处理；对所述衬底进行平坦化处理，去除所述通孔开口外的铜金属，形成 铜镶嵌结构。其中，所述第一热退火处理的温度在150至300。C之间，时间在10 至IOO秒之间。其中，所述通入的保护气体为氬气、氮气、氦气或氩气中的一种， 且流量在200至300sccm之间。其中，在所述衬底表面及所述通孔开口内形成粘附层，包括步骤将所述衬底传送至物理气相沉积i殳备中；在所述衬底表面及所述通孔开口内形成粘附层。其中，在所述粘附层上形成铜的晶种层，包括步骤在所述粘附层上形成铜的晶种层；将所述衬底由所述物理气相沉积设备中取出。其中，所述粘附层包含Ta/TaN。 与现有技术相比，本专利技术具有以下优点本专利技术提供的，在衬底表面形成铜的 晶种层后，为了去除衬底传送过程中附着于晶种层上的VOC,增加了 对村底进行热退火的处理步骤，该步热退火可以将该挥发性的有机化合 物挥发去除，避免了在随后进行的电镀铜的过程中，在该VOC存在的 区域上难以生长铜，导致铜的内部形成孔隙的后果。本专利技术的方法操作 简单，不需要额外的设备及原料，有效地减少了铜层内孔隙的数量，提 高了铜层或铜镶嵌结构的形成质量。 附图说明图1为说明现有的铜镶嵌结构的形成方法的器件剖面示意图； 图2为现有的铜镶嵌结构的形成方法中平坦化铜层后的器件剖面示 意图3为现有的铜镶嵌结构的形成方法中形成晶种层后的器件剖面示 意图4为现有的铜镶嵌结构的形成方法中电镀铜层后的器件剖面示意图5为现有的铜镶嵌结构的形成方法中平坦化铜层后的器件剖面示 意图6为本专利技术采用的用于电镀铜层的设备示意图7为本专利技术铜层的形成方法的具体实施例的流程图8为本专利技术铜镶嵌结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铜层的形成方法，其特征在于，包括步骤：　提供表面已形成铜晶种层的衬底；　将所述衬底传送至铜电镀设备中；　向所述铜电镀设备中的退火装置通入保护气体，对所述衬底进行第一热退火处理；　利用所述电镀设备中的电镀装置对所述衬底进行铜电镀处理；　利用所述电镀设备中的洗边装置对所述衬底进行洗边处理；　利用所述铜电镀设备中的退火装置对所述衬底进行第二热退火处理，完成铜的电镀。

【技术特征摘要】
1、一种铜层的形成方法，其特征在于，包括步骤提供表面已形成铜晶种层的衬底；将所述衬底传送至铜电镀设备中；向所述铜电镀设备中的退火装置通入保护气体，对所述衬底进行第一热退火处理；利用所述电镀设备中的电镀装置对所述衬底进行铜电镀处理；利用所述电镀设备中的洗边装置对所述衬底进行洗边处理；利用所述铜电镀设备中的退火装置对所述衬底进行第二热退火处理，完成铜的电镀。2、 如权利要求1所述的形成方法，其特征在于所述第一热退火 处理的温度在150至300°C之间。3、 如权利要求1所述的形成方法，其特征在于所述第一热退火 处理的时间在10至100秒之间。4、 如权利要求1所述的形成方法，其特征在于所述通入的保护 气体为氢气、氮气、氦气或氩气中的一种。5、 如权利要求1所述的形成方法，其特征在于所述通入的保护 气体流量在200至300sccm之间。6、 一种铜镶嵌结构的形成方法，其特征在于，包括步骤 提供衬底；在所述衬底上形成通孔开口 ； 在所述衬底表面及所述通孔开口内形成粘附层； 在所述粘附层上形成铜的晶种层； 将形成晶种层后的村底传送至铜电镀设备中； 向所述铜电镀设备中的退火装置通入保护气体，对所述衬底进行第 一热退火处理； 利用所述电...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文琦，聂佳相，康芸，杨瑞鹏，
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：31[]