專利名稱：金屬插塞的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路的金屬插塞的制作方法。
背景技術(shù)：
IC制造業(yè)轉(zhuǎn)到銅金屬化對(duì)所有芯片制造商來說都只是剛剛起步。首先，高性能微 處理器和快速靜態(tài)存儲(chǔ)器正在轉(zhuǎn)向銅工藝。因?yàn)殂~有具有較低的電阻率(銅的電阻率為 1.69 μ Ω -cm)和較高的抗電遷移性(可增加約兩個(gè)數(shù)量級(jí))，故銅是深亞微米和納米集成 電路多層互連線的一種首選材料。電鍍銅金屬的基本原理是將具有導(dǎo)電表面的硅片沉浸在硫酸銅溶液中，這個(gè)溶液 包含需要被淀積的銅。硅片和種子層作為帶負(fù)電荷的平板或陰極電連接到外電源。固體銅 塊沉浸在溶液中并構(gòu)成帶正電荷的陽(yáng)極。電流從銅陽(yáng)極進(jìn)入溶液到達(dá)硅片。當(dāng)電流流動(dòng)時(shí)， 在硅片表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以淀積銅金屬。電鍍過程中，金屬銅離子在硅片表面陰極被還原 成金屬銅結(jié)晶粒子，同時(shí)在銅陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，以此平衡陰極電流。這個(gè)反應(yīng)維持了溶液 中的電中和。如圖IA所示，在已形成銅互連層1的硅片上使用化學(xué)氣相沉積形成介電層2 ；如 圖IB所示，依序進(jìn)行光刻，蝕刻工藝形成設(shè)計(jì)所需的溝槽3 ；如圖1C，采用物理氣相沉積在 硅片上形成阻擋層4和種子層5 ；如圖1D，將硅片放入硫酸銅溶液中進(jìn)行電鍍，由于電鍍化 學(xué)反應(yīng)，在種子層5表面形成銅金屬層6 ；銅金屬層6中的相鄰的銅結(jié)晶粒子存在間隙，所 以如果銅結(jié)晶粒子排列過疏散的話會(huì)增加銅金屬層的電阻率而嚴(yán)重影響器件的性能，此外 后續(xù)工藝需要采用化學(xué)機(jī)械研磨來平坦化多余的銅金屬層，為了能夠控制銅金屬層的硬度 所以目前采用退火工藝將上述問題解決，如圖IE所示，將硅片進(jìn)行退火，由于銅金屬層的 溫度膨脹系數(shù)比其它所述介電層、阻擋層和種子層的要大，所以在退火結(jié)束硅片冷卻到常 溫后，使得銅金屬層6收縮較快而其它所述介電層2、阻擋層4和種子層5收縮較慢，形成了 彎曲的硅片表面；如圖IF所示，由于退火過程中相鄰銅結(jié)晶粒子合并形成一個(gè)更大的金屬 結(jié)晶粒子的同時(shí)也將原有的銅結(jié)晶粒子的間隙合并在一起形成空洞7，而彎曲的硅片表面 使得銅金屬層6獲得的比退火之前更大的應(yīng)力并隨著時(shí)間的推移(例如，六小時(shí)之后)，所 述空洞7遷移到溝槽內(nèi)銅金屬層與種子層的交接處；當(dāng)采用化學(xué)機(jī)械研磨平坦化多余的銅 金屬層6后形成金屬插塞8，如圖IG所示，當(dāng)空洞9遷移到溝槽內(nèi)側(cè)時(shí)，平坦化后的金屬插 塞存在空洞9而使得銅電路傳送信號(hào)時(shí)出現(xiàn)斷路這種影響器件性能可靠性和良率的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題是平坦化后的金屬插塞存在空洞而使得銅電路傳送信號(hào)時(shí)出 現(xiàn)斷路這種影響器件性能可靠性和良率的問題。本發(fā)明提供了一種金屬插塞的制作方法，其特征在于，包括提供已形成銅電路互 連層的硅片，在銅電路互連層上形成介電層；依序進(jìn)行光刻，蝕刻工藝形成設(shè)計(jì)所需的溝 槽；在介電層和溝槽上形成阻擋層和種子層；在種子層上電鍍銅金屬層；第一次退火；第二次退火；平坦化銅金屬層，形成金屬插塞。優(yōu)選的，所述電鍍銅金屬層采用的是硫酸銅溶液材料。優(yōu)選的，所述退火的工藝參數(shù)為目標(biāo)溫度為100 250攝氏度，退火時(shí)間為20 300 秒。優(yōu)選的，所述介電層采用氧化硅為材料，厚度為2500 3500埃。優(yōu)選的，所述平坦化是指采用化學(xué)機(jī)械研磨去除部分銅金屬層、種子層和阻擋層。優(yōu)選的，所述阻擋層的材料采用氮化鉭、氮化鈦、鈦或鉭中的一種或者混合物。由于采用了上述技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1、第二次退火避免了由于第一次退火后長(zhǎng)時(shí)間等待化學(xué)機(jī)械研磨設(shè)備而產(chǎn)生的 空洞；2、能夠防止平坦化后的金屬插塞因存在空洞而使得銅電路傳送信號(hào)時(shí)出現(xiàn)斷路 這種影響器件性能可靠性和良率的問題。


圖IA到IG為現(xiàn)有金屬插塞的制作方法結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的金屬插塞的制作方法的流程圖；圖3A到3G為本發(fā)明金屬插塞的制作方法的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(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。包括如下步驟S200 提供已形成銅電路互連層的硅片，在銅電路互連層上形成介 電層；S201 依序進(jìn)行光刻、蝕刻工藝形成設(shè)計(jì)所需的溝槽；S202，在介電層和溝槽上形成 阻擋層和種子層；S203，在種子層上電鍍銅金屬層；S204，第一次退火；S205，第二次退火； S206，平坦化銅金屬層，形成金屬插塞。步驟S200，提供已形成銅電路互連層的硅片，在銅電路互連層上形成介電層。如圖3A所示，在銅電路互連層301上采用化學(xué)氣相沉積形成介電層302。所述介 電層采用氧化硅為材料，厚度為2500 3500埃。步驟S201，依序進(jìn)行光刻、蝕刻工藝形成設(shè)計(jì)所需的溝槽。如圖:3B所示，在介電層覆蓋一層光刻膠，曝光和顯影后刻蝕介電層302出露銅互 連層301，形成溝槽303。步驟S202，在介電層和溝槽內(nèi)形成阻擋層和種子層。在介電層和溝槽303內(nèi)采用物理氣相沉積的方法形成阻擋層304和種子層305。 阻擋層304可以采用氮化鉭、氮化鈦、鈦或鉭中的一種或者混合物，防止金屬原子擴(kuò)散到其 它層中(形成阻擋層為現(xiàn)有常見工藝，本發(fā)明不特別指出)；而種子層305是為了在電化學(xué) 鍍膜(ECP)中工藝中起到導(dǎo)電的作用，該工藝將高價(jià)銅離子還原成銅原子，所以種子層305 采用籽晶銅為材料。S203，在種子層上電鍍銅金屬層。如圖3D所示，在將覆蓋種子層305的硅片浸入硫酸銅電鍍?nèi)芤?，并將硅片接地后?硫酸銅溶液中的銅原子還原形成銅結(jié)晶粒子307，形成銅金屬層306。銅金屬層306形成的厚度4000 7000埃。S204，第一次退火。如圖3E所示，將硅片放入爐管中進(jìn)行退火，相鄰的銅結(jié)晶粒子合并形成較大的銅 結(jié)晶粒子307a，而由于相鄰的銅結(jié)晶粒子307合并后銅結(jié)晶粒子307之間的間隙將產(chǎn)生空 洞。由于銅金屬層306的溫度膨脹系數(shù)較介電層302大，所以全部空洞受到銅金屬層306 的收縮應(yīng)力集中遷移到溝槽303表面形成一個(gè)較大的空洞308。第一次退火的目標(biāo)溫度為 100 250攝氏度，退火時(shí)間為20 300秒。退火過程中，同時(shí)通入氮?dú)?、氬氣或者氫氣?的一種或者多種的混合氣體，防止在退火過程中銅金屬層306表面氧化。S205，第二次退火。如圖3F所示，在后序工藝的化學(xué)機(jī)械研磨之前，對(duì)于硅片進(jìn)行第二次退火。由于 空洞308再次受到高溫影響使得所形成的空洞308向周圍分裂并遷移，溝槽內(nèi)側(cè)的不再有 明顯空洞。第二次退火與第一次退火的目標(biāo)溫度為100 250攝氏度，退火時(shí)間為20 300秒的工藝參數(shù)一致。退火過程中，同時(shí)通入氮?dú)?、氬氣或者氫氣中的一種或者多種的混 合氣體，防止在退火過程中銅金屬層306表面氧化。S206，平坦化銅金屬層，形成金屬插塞。如圖3G，平坦化去除介電層302上的部分銅金屬層306、部分種子層305以及部分 阻擋層304，形成金屬插塞310。由于銅金屬層306中不存在較大體積的空洞308，平坦化銅金屬層后銅金屬層306 內(nèi)的銅電路連接不會(huì)出現(xiàn)斷路影響器件性能的問題。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
1.一種金屬插塞的制作方法，其特征在于，包括提供已形成銅電路互連層的硅片，在銅電路互連層上形成介電層；依序進(jìn)行光刻、蝕刻工藝形成設(shè)計(jì)所需的溝槽；在介電層和溝槽上形成阻擋層和種子層；在種子層上電鍍銅金屬層；第一次退火；第二次退火；平坦化銅金屬層，形成金屬插塞。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬插塞的制作方法，其特征在于，所述電鍍銅金屬層采用 的是硫酸銅溶液材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬插塞的制作方法，其特征在于，所述退火的工藝參數(shù)為 目標(biāo)溫度為100 250攝氏度，退火時(shí)間為20 300秒。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬插塞的制作方法，其特征在于，所述介電層采用氧化硅 為材料，厚度為2500 3500埃。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬插塞的制作方法，其特征在于，所述平坦化是指采用化 學(xué)機(jī)械研磨去除部分銅金屬層、種子層和阻擋層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬插塞的制作方法，其特征在于，所述阻擋層的材料采用 氮化鉭、氮化鈦、鈦或鉭中的一種或者混合物。
全文摘要
一種金屬插塞的制造方法，其特征在于，包括提供已形成銅電路互連層的硅片，在銅電路互連層上形成介電層；依序進(jìn)行光刻，蝕刻工藝形成設(shè)計(jì)所需的溝槽；在介電層和溝槽上形成阻擋層和種子層；在種子層上電鍍銅金屬層；第一次退火；第二次退火；平坦化銅金屬層，形成金屬插塞。本發(fā)明防止平坦化后的金屬插塞存在空洞而使得銅電路傳送信號(hào)時(shí)出現(xiàn)斷路這種影響器件性能可靠性和良率的問題。
文檔編號(hào)H01L21/768GK102044477SQ200910197110
公開日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2009年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月13日
發(fā)明者何偉業(yè), 劉盛, 楊瑞鵬, 聶佳相 申請(qǐng)人:中芯國(guó)際集成電路制造(上海)有限公司