專利名稱：銅互連線的形成方法及電鍍裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉 及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種銅互連線的形成方法及電鍍裝置。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，甚大規(guī)模集成電路芯片的集成度已經(jīng)高達(dá)幾億乃至幾十 億個(gè)器件的規(guī)模，兩層以上的多層金屬互連技術(shù)廣泛使用。傳統(tǒng)的金屬互連是由鋁金屬制 成的，但隨著集成電路芯片中器件特征尺寸的不斷減小，金屬互連線中的電流密度不斷增 大，要求的響應(yīng)時(shí)間不斷減小，傳統(tǒng)鋁互連線已經(jīng)不能滿足要求。工藝尺寸小于130nm以 后，銅互連線技術(shù)已經(jīng)取代了鋁互連線技術(shù)。與鋁相比，金屬銅的電阻率更低可以降低互連 線的電阻電容(RC)延遲，改善電遷移，提高器件的可靠性。在申請(qǐng)?zhí)枮?00680006603. 6的中國(guó)專利中公開了一種銅互連線的形成方法。圖 1至圖5給出了該方法形成銅互連線的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，提供半導(dǎo)體基底100，所述半導(dǎo)體基底100上形成有介質(zhì)層101，所述 介質(zhì)層101中具有開口 102，所述開口 102露出所述半導(dǎo)體基底100。如圖2所示，在所述半導(dǎo)體基底100上形成阻擋層103，所述阻擋層103覆蓋在開 口 102的側(cè)壁、底部以及介質(zhì)層101的表面上。阻擋層103的材料可以是鉭或氮化鉭，鉭或 氮化鉭可以是單層結(jié)構(gòu)也可以是疊層結(jié)構(gòu)，阻擋層的形成方法為物理氣相沉積(PVD)。如圖3所示，在所述半導(dǎo)體基底100上形成銅籽晶層(seed layer) 104，所述銅籽 晶層104覆蓋所述阻擋層103、開口 102的側(cè)壁、底部。所述銅籽晶層104的形成方法可以 是化學(xué)氣相沉積(CVD)或者物理氣相沉積(PVD)，一般選擇物理氣相沉積，這樣可以和阻擋 層103在同一臺(tái)物理氣相沉積設(shè)備中完成。如圖4所示，將所述半導(dǎo)體基底100放入電鍍?cè)O(shè)備中，在所述銅籽晶層104上電鍍 形成銅金屬層105，所述銅金屬層105填滿開口并溢出覆蓋在所述阻擋層103上。如圖5所示，使用化學(xué)機(jī)械拋光，對(duì)所述半導(dǎo)體基底100的表面進(jìn)行研磨，將溢出 開口的銅和部分阻擋層103以及銅籽晶層104研磨去除，形成銅互連線105a，完成銅互連線 的制造過程。所述中國(guó)專利200680006603. 6公開的方案中使用了大晶粒層和小晶粒層結(jié)合的 多層銅籽晶層結(jié)構(gòu)，改善了銅籽晶層104和阻擋層103之間的粘附性。但是，由于銅籽晶層 104的形成過程和銅金屬層105的電鍍過程是在不同的設(shè)備中完成的，因此，銅籽晶層104 形成后需要將所述半導(dǎo)體基底100轉(zhuǎn)移至電鍍?cè)O(shè)備中完成電鍍，在轉(zhuǎn)移的過程中，如圖6所 示，銅籽晶層104會(huì)較長(zhǎng)時(shí)間的與空氣接觸，形成氧化銅顆粒104a。所述氧化銅顆粒104a在 電鍍的過程中會(huì)溶解在電鍍?nèi)芤褐校瑢?dǎo)致所述銅籽晶層104的均勻性和平整性變差。隨著 器件特征尺寸(⑶，critical dimension)的不斷減小，所述銅籽晶層104的厚度也隨之減 小，氧化銅顆粒104a的溶解會(huì)導(dǎo)致銅籽晶層104的不連續(xù)，使得電鍍形成的銅互連線105a 中存在電鍍?nèi)毕荩缈障?void)等，影響器件的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題是提供一種銅互連線的形成方法及電鍍裝置，避免銅籽晶層與 空氣接觸形成氧化銅顆粒，防止在電鍍過程中氧化銅顆粒溶解造成的電鍍?nèi)毕?。本發(fā)明提供了 一種電鍍裝置，包括酸性反應(yīng)池和電鍍反應(yīng)池。所述酸性反應(yīng)池中的溶液為酸性溶液，所述酸性溶液為鹽酸、硫酸或它們的組合。所述酸性反應(yīng)池中酸性溶液的濃度為0. 2mol/L至2mol/L。所述酸性反應(yīng)池中酸性溶液的溫度為20攝氏度至25攝氏度。所述酸性反應(yīng)池具有排氣裝置，反應(yīng)產(chǎn)生的氣體可以通過所述排氣裝置排出。本發(fā)明還提供了一種銅互連線的形成方法，包括如下步驟提供半導(dǎo)體基底，所述半導(dǎo)體基底上有介質(zhì)層，所述介質(zhì)層中形成有開口 ；在所述介質(zhì)層上和開口內(nèi)依次形成阻擋層和銅籽晶層；在所述銅籽晶層上形成保護(hù)層；將所述半導(dǎo)體基底浸入電鍍裝置中的酸性反應(yīng)池內(nèi)去除所述保護(hù)層；將所述半導(dǎo)體基底轉(zhuǎn)移至電鍍裝置中的電鍍反應(yīng)池中，在所述開口內(nèi)填充金屬 銅，將填充過程中溢出所述開口的銅和所述介質(zhì)層表面的阻擋層和銅籽晶層研磨去 除，形成銅互連線。所述保護(hù)層的材料選自鋁(Al)、鎂(Mg)、鋅(Zn)、鉻(Cr)、鈦(Ti)、鎵(Ga)、鋇 (Ba)、鈣(Ca)或是它們的合金。所述銅籽晶層的形成方法為物理氣相沉積。所述保護(hù)層的形成方法為物理氣相沉積。上述阻擋層、銅籽晶層、保護(hù)層的形成過程是在同一臺(tái)物理氣相沉積設(shè)備中完成 的。所述保護(hù)層的厚度為Inm至IOnm ；所述保護(hù)層的形成方法為物理氣相沉積(PVD)； 所述物理氣相沉積的氣氛為氬氣(Ar)；所述物理氣相沉積的壓強(qiáng)為ImTorr(毫托)至 20mTorr ；所物理氣相沉積的濺射功率為500瓦至30000瓦。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案有如下優(yōu)點(diǎn)通過在電鍍裝置中加入一個(gè)酸性反應(yīng)池，并在銅互連線形成過程中在銅籽晶層上 形成保護(hù)層，避免了銅籽晶層與空氣接觸形成氧化銅顆粒，防止了在電鍍過程中氧化銅顆 粒溶解造成的電鍍?nèi)毕?，提高了器件的可靠性?br>

圖1至圖5是現(xiàn)有技術(shù)的銅互連線的形成方法的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是現(xiàn)有技術(shù)的銅互連線形成方法中銅籽晶層與空氣接觸形成氧化銅顆粒的 示意圖；圖7是本發(fā)明的電鍍裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的銅互連線形成方法的流程示意圖； 圖9至圖15是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的銅互連線形成方法的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí) 施方式本發(fā)明提供了 一種銅互連線的形成方法及電鍍裝置，在電鍍裝置中加入一個(gè)酸性 反應(yīng)池，并在銅互連線形成過程中在銅籽晶層上形成保護(hù)層，避免了銅籽晶層與空氣接觸 形成氧化銅顆粒，防止了在電鍍過程中氧化銅顆粒溶解造成的電鍍?nèi)毕?，提高了器件的可靠性。為使本發(fā)明的方法、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具 體實(shí)施方式做詳細(xì)的說明。圖7給出了本發(fā)明電鍍裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖7所示，所述電鍍裝置主要由酸性反應(yīng)池301和電鍍反應(yīng)池302構(gòu)成。所述 酸性反應(yīng)池301和電鍍反應(yīng)池302之間相互隔離，避免了酸性反應(yīng)池301中的酸性溶液泄 漏至電鍍反應(yīng)池302中，因此不會(huì)對(duì)電鍍反應(yīng)池302中的電鍍反應(yīng)過程造成影響。所述酸性反應(yīng)池具有排氣裝置(未示出)，反應(yīng)產(chǎn)生的氣體可以通過所述排氣裝 置排出。所述酸性反應(yīng)池301中的溶液為鹽酸(HCl)、硫酸(H2SO4)或是它們的組合。本實(shí) 施例中優(yōu)選為鹽酸。所述酸性反應(yīng)池301中鹽酸(HC1)、硫酸(H2SO4)或其他酸性溶液的濃度為 0. 2mol/L (摩爾/升)至2mol/L。在本實(shí)施例中，優(yōu)選的鹽酸溶液濃度為lmol/L。所述酸性反應(yīng)池中鹽酸(HCl)、硫酸(H2SO4)或其他酸性溶液的溫度為20攝氏度 至25攝氏度。圖8給出了本發(fā)明銅互連線的形成方法的流程圖，圖9至圖15為相應(yīng)的實(shí)施例對(duì) 應(yīng)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。如圖8所示，執(zhí)行步驟Si，提供半導(dǎo)體基底，所述半導(dǎo)體基底上形成有介質(zhì)層，所 述介質(zhì)層中有開口，開口底部露出基底；執(zhí)行步驟S2，在所述介質(zhì)層上和開口內(nèi)依次形成 阻擋層和銅籽晶層；執(zhí)行步驟S3，在所述銅籽晶層上形成保護(hù)層；執(zhí)行步驟S4，在酸性反應(yīng) 池中去除所述保護(hù)層；執(zhí)行步驟S5，在電鍍反應(yīng)池中在所述開口內(nèi)電鍍填充金屬銅；執(zhí)行 步驟S6，對(duì)所述半導(dǎo)體基底進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，形成銅互連線。下面結(jié)合圖9至圖15對(duì)上述各步驟進(jìn)行詳細(xì)說明。如圖9所示，提供半導(dǎo)體基底200，所述半導(dǎo)體基底200上形成有介質(zhì)層201，所述 介質(zhì)層201中上有開口 202，所述開口 202底部露出所述基底200。所述基底200的材質(zhì)可以是單晶硅、多晶硅、非晶硅中的一種，所述基底200的材 質(zhì)也可以是硅鍺化合物，所述基底200還可以是絕緣體上硅(S0I，Silicon On Insulator) 結(jié)構(gòu)或硅上外延層結(jié)構(gòu)。在所述基底200中形成有半導(dǎo)體器件(未示出)，例如具有柵極、 源極和漏極的金屬氧化物半導(dǎo)體器件。所述介質(zhì)層201可以是氧化硅、硼硅玻璃、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃等，本實(shí)施例介 質(zhì)層201采用的是氧化硅(SiO2)。所述開口 202的形成方法可以是在介質(zhì)層201表面旋涂光刻膠，并圖案化，然后再 刻蝕形成開口 202。刻蝕后通入氧氣等離子體，灰化去除剩余的光刻膠。如圖10所示，在所述介質(zhì)層201上和開口 202內(nèi)形成阻擋層203。阻擋層203的 作用是防止銅籽晶層中的銅原子向介質(zhì)層201和半導(dǎo)體基底200中擴(kuò)散，從而引起污染，降低器件性能。所述阻 擋層203的材料選自鉭或氮化鉭，鉭或氮化鉭可以是單層結(jié)構(gòu)也可以是疊 層結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例中優(yōu)選的阻擋層材料為鉭。所述阻擋層203的形成方法為物理氣相沉積(PVD)。如圖11所示，在所述半導(dǎo)體基底200上形成銅籽晶層204。所述銅籽晶層204可以是單層結(jié)構(gòu)，也可以是由晶粒直徑不同的小晶粒層和大晶 粒層構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)。選用多層結(jié)構(gòu)的銅籽晶層時(shí)，小晶粒層在大晶粒層之下，提高銅籽晶 層204與阻擋層203之間的粘附性。所述銅籽晶層204的形成方法為物理氣相沉積，與上一步驟阻擋層203的沉積過 程在同一物理氣相沉積設(shè)備中完成。如圖12所示，在所述半導(dǎo)體基底200上形成保護(hù)層205。所述保護(hù)層205的材料可以是鋁(Al)、鎂(Mg)、鋅(Zn)、鉻(Cr)、鈦(Ti)、鎵(Ga)、 鋇(Ba)、鈣(Ca)或是它們的合金。選擇這些材料作為保護(hù)層，主要原因是它們的金屬活動(dòng) 性比銅高，在電鍍反應(yīng)前可以通過與鹽酸、硫酸等酸性溶液反應(yīng)后完全去除，而同時(shí)酸性溶 液不會(huì)對(duì)銅籽晶層204造成損傷，保證了銅籽晶層的平整性和連續(xù)性。本實(shí)施例中優(yōu)選的 保護(hù)層材料為鋁。所述保護(hù)層205的形成方法為物理氣相沉積，優(yōu)選與上一步驟銅籽晶層204的沉 積過程在同一物理氣相沉積設(shè)備中完成。阻擋層203、銅籽晶層204、保護(hù)層205使用同一 物理氣相沉積設(shè)備，一方面減少了設(shè)備方面的開銷，降低了成本；另一方面可以避免所述半 導(dǎo)體基底200在不同設(shè)備間轉(zhuǎn)移時(shí)，銅籽晶層204與空氣長(zhǎng)時(shí)間接觸而被氧化。所述保護(hù)層205的厚度為Inm至lOnm，本實(shí)施例中優(yōu)選的沉積厚度為5nm。所述 形成保護(hù)層205的濺射法的氣氛為氬氣(Ar)，壓強(qiáng)為lmTorr (毫托)至20mTorr，本實(shí)施例 中優(yōu)選的壓強(qiáng)為5mTorr。所述形成保護(hù)層205的濺射法使用的功率為500瓦至30000瓦， 本實(shí)施例中優(yōu)選的功率為1000瓦。之后，將半導(dǎo)體基底200轉(zhuǎn)移至圖7所示的電鍍裝置300中，置于酸性反應(yīng)池301 內(nèi)，在酸性反應(yīng)池301處理后半導(dǎo)體基底200的剖面結(jié)構(gòu)如圖13所示，所述保護(hù)層205與 酸性溶液發(fā)生反應(yīng)后被去除。在轉(zhuǎn)移的過程中，所述半導(dǎo)體基底200較長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中，保護(hù)層205被部分 氧化，由于保護(hù)層205覆蓋在銅籽晶層204之上，避免了銅籽晶層204被氧化。在將所述 半導(dǎo)體基底20浸入酸性反應(yīng)池301后，位于最上層的保護(hù)層205與酸性溶液反應(yīng)，反應(yīng)的 產(chǎn)物為氣體和可以溶于水的電解質(zhì)，反應(yīng)結(jié)束后保護(hù)層205被完全去除。本實(shí)施例中的反 應(yīng)物以鋁和鹽酸為例，反映過程如下A1+HCL — H2丨+AlCl3, A1203+HCL — A1C13+H20。反應(yīng) 過程中產(chǎn)生的氫氣經(jīng)過所述的排氣裝置排出。氣體停止產(chǎn)生后，表明反應(yīng)已經(jīng)結(jié)束，保護(hù)層 205已經(jīng)被全部去除，經(jīng)過此步驟后，所述半導(dǎo)體基底200的剖面結(jié)構(gòu)如圖13所示。如圖14所示，將所述半導(dǎo)體基底200轉(zhuǎn)移至電鍍反應(yīng)池302中，電鍍形成銅金屬 層。在電鍍的過程中，銅填充至所述開口 202中形成銅互連線206a，另外，會(huì)有部分金屬銅 溢出開口 202覆蓋在所述半導(dǎo)體基底200表面，形成塊銅(bulk Cu) 206b。所述電鍍反應(yīng)池302中有電鍍?nèi)芤汉碗娫凑?fù)極，所述半導(dǎo)體基底200與負(fù)極相 連，所述電鍍?nèi)芤褐邪呋瘎?、抑制劑、調(diào)整劑(Ieveler)等多種添加劑。
如圖15所示，對(duì)所述半導(dǎo)體基底200進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，將所述半導(dǎo)體基底200 表面的塊銅206b研磨去除，同時(shí)去除開口 202兩側(cè)介質(zhì)層201表面的部分保護(hù)層203和 204。在化學(xué)機(jī)械拋光之后，對(duì)半導(dǎo)體基底200的表面進(jìn)行清洗，完成銅互連線206a的制造過程。綜上，本發(fā)明提供了一種銅互連線的形成方法及電鍍裝置，在電鍍裝置中加入一 個(gè)酸性反應(yīng)池，并在銅互連線形成過程中在銅籽晶層上形成保護(hù)層，避免了銅籽晶層與空 氣接觸形成氧化銅顆粒，防止了在電鍍過程中氧化銅顆粒溶解造成的電鍍?nèi)毕荩岣吡似?件的可靠性。雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領(lǐng)域技術(shù) 人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，均可作各種更動(dòng)與修改，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng) 當(dāng)以權(quán)利要求所限定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種電鍍裝置，其特征在于，所述電鍍裝置包括酸性反應(yīng)池和電鍍反應(yīng)池。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電鍍裝置，其特征在于所述酸性反應(yīng)池中的溶液為酸性溶液。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電鍍裝置，其特征在于所述酸性溶液為鹽酸、硫酸或它們的組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電鍍裝置，其特征在于所述酸性反應(yīng)池中鹽酸、硫酸或其他 酸性溶液的濃度為0. 2mol/L至2mol/L。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電鍍裝置，其特征在于所述酸性溶液的溫度為20攝氏度至 25攝氏度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電鍍裝置，其特征在于所述酸性反應(yīng)池具有排氣裝置，反應(yīng) 產(chǎn)生的氣體通過所述排氣裝置排出。
7.一種使用權(quán)利要求1的電鍍裝置形成銅互連線的方法，其特征在于，包括 提供半導(dǎo)體基底，所述半導(dǎo)體基底上形成有介質(zhì)層，所述介質(zhì)層中有開口 ； 在所述介質(zhì)層上和開口內(nèi)依次形成阻擋層和銅籽晶層；在所述銅籽晶層上形成保護(hù)層；將所述半導(dǎo)體基底浸入電鍍裝置中的酸性反應(yīng)池內(nèi)，去除所述保護(hù)層； 將所述半導(dǎo)體基底轉(zhuǎn)移至電鍍裝置中的電鍍反應(yīng)池中，在所述開口內(nèi)填充金屬銅。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的形成銅互連線的方法，其特征在于所述保護(hù)層的材料選自 鋁、鎂、鋅、鉻、鈦、鎵、鋇、鈣或是它們的合金。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的形成銅互連線的方法，其特征在于所述阻擋層和銅籽晶層 的形成過程是在同一臺(tái)物理氣相沉積設(shè)備中完成的。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的形成銅互連線的方法，其特征在于所述保護(hù)層的厚度為 Inm至IOnm ；所述保護(hù)層的形成方法為物理氣相沉積，所述物理氣相沉積的氣氛為氬氣；所 述物理氣相沉積的反應(yīng)壓強(qiáng)為ImTorr至20mTorr ；所述物理氣相沉積的濺射功率為500瓦 至30000瓦。
全文摘要
一種銅互連線的形成方法及電鍍裝置，所述電鍍裝置包括酸性反應(yīng)池和電鍍反應(yīng)池。所述銅互連線的形成方法包括提供半導(dǎo)體基底，所述半導(dǎo)體基底上形成有介質(zhì)層，所述介質(zhì)層中有開口；在所述介質(zhì)層上和開口內(nèi)依次形成阻擋層和銅籽晶層；在所述銅晶種上形成保護(hù)層；將所述半導(dǎo)體基底浸入電鍍裝置中的酸性反應(yīng)池內(nèi)，去除所述保護(hù)層；在酸性反應(yīng)池中去除所述保護(hù)層；將所述半導(dǎo)體基底轉(zhuǎn)移至電鍍裝置中的電鍍反應(yīng)池中，在所述開口內(nèi)填充金屬銅。本發(fā)明避免了銅籽晶層與空氣接觸形成氧化銅顆粒，防止了在電鍍過程中氧化銅顆粒溶解造成的電鍍?nèi)毕?，提高了器件的可靠性?br> 文檔編號(hào)H01L23/52GK102044427SQ20091019693
公開日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2009年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月9日
發(fā)明者盧炯平, 聶佳相 申請(qǐng)人:中芯國(guó)際集成電路制造(上海)有限公司