專利名稱：一種提高銅互連可靠性的表面處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種表面處理方法，尤其是一種半導(dǎo)體制造領(lǐng)域制造金屬互連線過程中提高銅互連可靠性的表面處理方法。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體集成電路工業(yè)中，高性能的集成電路芯片需要盡可能低的連線電容電阻信號延遲和信號串?dāng)_。為此，需要低電阻率的銅金屬線以及連線的層間及線間填充低介電常數(shù)介質(zhì)材料來達到降低寄生電容，提高器件性能的目的。而目前普遍采用的低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)材料是摻碳的多孔氧化硅。伴隨著介電常數(shù)要求的不斷降低，介電材料的孔隙率和含碳量不斷增加，結(jié)構(gòu)越來越疏松，在工藝過程中更容易受到的損傷而使介電常數(shù)升高。此外，工藝的損傷和不良的表面結(jié)合力會造成銅金屬線易被氧化，容易擴散到介質(zhì)絕緣層，從而使金屬更容易發(fā)生電遷移和應(yīng)力遷移，絕緣層更容易被擊穿，總而言之，可靠性性能明顯降低。因此如何有效地避免低介電常數(shù)材料損傷，提高介質(zhì)層介電擊穿壽命， 以及如何改善金屬層表面狀態(tài)，提高與下層的結(jié)合力，從而提高電遷移和應(yīng)力遷移性能，成為一個尤為重要的課題。當(dāng)前通用的技術(shù)有三種，一種是采用氫氣的原位等離子體預(yù)處理，達到修復(fù)金屬層的目的，如中國專利(公開號1490852A)低介電常數(shù)材料的表面處理方法。但這種方法中，氫的等離子體基團活性較高，容易對低介電常數(shù)介電層帶來損傷，從而使整體介電常數(shù)增大，不利于器件的性能。而且氫的原位等離子處理對化學(xué)機械研磨的殘余物清除能力有限。第二種是采用氨氣的原位等離子體預(yù)處理，達到去除介電層表面的化學(xué)機械研磨的殘留物，從而獲得較好的表面，改善后續(xù)薄膜與其的結(jié)合力。但是這種方法，氨的等離子體對銅金屬層表面的作用有限，僅能改善介質(zhì)層表面，結(jié)果依然不令人滿意。第三種是采用二者的結(jié)合，亦即氫氣等離子處理和氨氣等離子處理相結(jié)合。這種方法較之前兩種要更為有效，但是缺點是成本高，產(chǎn)量低，不利于大量生產(chǎn)。此外，這三種方法由于都是采用反應(yīng)腔內(nèi)的原位等離子體處理，對多孔的電解質(zhì)都有較大損傷，也不利獲得最佳的器件性能。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造領(lǐng)域制造金屬互連線過程中的表面處理技術(shù)所帶來的問題，本發(fā)明提供一種可以提高金屬互連的可靠性，并減少介電常數(shù)的損傷性增加的表面處理方法。本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)手段為
一種提高銅互連可靠性的表面處理方法，其中，包括以下步驟 步驟a、在一介電層上形成圖案化溝槽，并在所述溝槽內(nèi)鑲嵌金屬； 步驟b、去除所述步驟a鑲嵌過程中多余的金屬；步驟C、通過混合氣體去除所述步驟b中殘留在介電層及金屬表面的殘留物和金屬的氧化物；
步驟d、在所述介電層及金屬表面形成一層致密阻擋層。在一實施方式中，含碳原子的混合氣體(例如含氫氣，氨氣和甲烷)除了清除金屬表面的金屬的氧化物之外，還同時用于抑制含碳的上述介電層(例如介電層為低介電常數(shù)材料)的碳損失量，以減少介電層的損傷和抑制其介電常數(shù)的增大。上述一種提高銅互連可靠性的表面處理方法，其中，步驟d完成后，于所述致密阻擋層表面形成新的介電層。此時，在新的介電層中還可以進行其他的工藝步驟，例如再次以步驟a-d而形成新的互連線或其他大馬士革結(jié)構(gòu)。上述一種提高銅互連可靠性的表面處理方法，其中，所述步驟a中形成圖案化溝槽的方法為在一介電層表面形成一光阻材料層；通過光刻在所述光阻材料層上形成預(yù)定圖案(例如形成帶圖案的開口)；并利用所述圖案化光阻材料層(例如通過帶圖案的開口)刻蝕所述介電層以形成圖案化溝槽。上述一種提高銅互連可靠性的表面處理方法，其中，所述步驟a中在圖案化溝槽內(nèi)鑲嵌金屬的方法為在所述溝槽的側(cè)壁和底部物理汽相淀積或原子層淀積形成一層粘附層，一層擴散阻擋層以及一層金屬的籽晶層；采用電化學(xué)鍍在上述形貌基礎(chǔ)上生長金屬層。上述一種提高銅互連可靠性的表面處理方法，其中，所述步驟a中鑲嵌的金屬為銅。上述一種提高銅互連可靠性的表面處理方法，其中，所述步驟b中去除多余金屬的方法為化學(xué)機械研磨。上述一種提高銅互連可靠性的表面處理方法，其中，所述步驟d中形成所述致密阻擋層的方法為化學(xué)汽相淀積。上述一種提高銅互連可靠性的表面處理方法，其中，所述步驟d中形成的所述致密阻擋層為含氮阻擋層和/或含碳阻擋層。上述一種提高銅互連可靠性的表面處理方法，其中，所述步驟c中通過混合氣體去除殘留物和金屬的氧化物的方法為使混合氣體與所述介電層及金屬表面進行反應(yīng)。上述一種提高銅互連可靠性的表面處理方法，其中，所述反應(yīng)的反應(yīng)方式為將所述混合還原性氣體經(jīng)遠程等離子化形成等離子體活性基團；將所述等離子體活性基團通入真空反應(yīng)腔與所述介電層及其上金屬表面進行反應(yīng)。上述一種提高銅互連可靠性的表面處理方法，其中，所述混合還原性氣體為氫氣、 氨氣和一種含碳還原性氣體以體積比為X :Υ :Ζ=(Γ100 :(Γ100 :(Γ100的比例進行混合形成。上述一種提高銅互連可靠性的表面處理方法，其中，所述含碳還原性氣體為甲烷。上述一種提高銅互連可靠性的表面處理方法，其中，所述反應(yīng)參數(shù)為所述等離子化的離子體的工作功率范圍為5 O瓦 8 O O瓦；真空反應(yīng)腔的真空度為O 5 O毫托; 反應(yīng)溫度范圍為5(Γ500攝氏度。本發(fā)明的有益效果是
通過本發(fā)明的表面處理方法，能夠去除銅金屬層表面的氧化物以及化學(xué)機械研磨工藝過程中殘留物。從而獲得原子級的清潔表面，且該表面與下層的含氮阻擋層結(jié)合力提高，因此使銅互連的抗電遷移性能提高，抗應(yīng)力遷移性能提高，介質(zhì)層的介電擊穿壽命提高，并且同時可以減少現(xiàn)有技術(shù)對介質(zhì)層的損傷，有利于芯片整體性能的提高。


圖1是本發(fā)明一種提高銅互連可靠性的表面處理方法的流程框圖2是本發(fā)明一種提高銅互連可靠性的表面處理方法步驟a和步驟b完成后的狀態(tài)結(jié)構(gòu)圖3是本發(fā)明一種提高銅互連可靠性的表面處理方法步驟c完成后的狀態(tài)結(jié)構(gòu)圖； 圖4是本發(fā)明一種提高銅互連可靠性的表面處理方法步驟d鑲嵌金屬過程中的狀態(tài)結(jié)構(gòu)圖5是本發(fā)明一種提高銅互連可靠性的表面處理方法步驟d完成后形成另一層低介電常數(shù)介質(zhì)層的狀態(tài)結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不作為本發(fā)明的限定。如圖1所示，本發(fā)明一種提高銅互連可靠性的表面處理方法包括如下步驟如圖2 所示，步驟a在以化學(xué)汽相淀積或旋轉(zhuǎn)涂覆法形成的低介電常數(shù)介電層1表面形成一光阻材料層；通過光刻在光阻材料層上形成預(yù)定圖案；利用圖案化光阻材料層刻蝕介電層以形成圖案化溝槽2，形成的圖案化溝槽2可以是單層大馬士革結(jié)構(gòu)或雙層大馬士革結(jié)構(gòu)。在溝槽2的側(cè)壁和底部以物理汽相淀積或原子層淀積依次形成一層粘附層、一層擴散阻擋層以及一層金屬的籽晶層組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)3。采用電化學(xué)鍍在復(fù)合結(jié)構(gòu)3形貌基礎(chǔ)上生長金屬層4，金屬層4沉積或填充在側(cè)壁和底部形成有粘附層、擴散阻擋層、金屬籽晶層的圖案化溝槽2中。金屬層4為銅或者其他可用于金屬互連線的金屬材料。金屬層4生長完畢后進行步驟b去除步驟c鑲嵌階段產(chǎn)生的多余金屬，此處使用化學(xué)機械研磨CMP進行去除，經(jīng)化學(xué)機械研磨后的介電層1及金屬層4表面會形成由殘留物和金屬氧化層組成的薄層5，例如金屬層4為銅則銅的表面容易被氧化而形成金屬氧化層，薄層5緊密依附在化學(xué)機械研磨后的介電層及金屬表面，會影響到后續(xù)添加層與該表面的結(jié)合力，從而使結(jié)合不緊密，造成外界濕氣侵入，金屬層被氧化和擴散，最終導(dǎo)致器件性能減弱，可靠性降低。因此，必須將該不穩(wěn)定的薄層5去除，在進行后續(xù)制程前獲得結(jié)合力高的清潔表面。如圖3所示，步驟c去除步驟b中形成的薄層5，此處采用的方法為采用三種還原性氣體組合成反應(yīng)氣體，如氫氣、氨氣、和一種含碳還原性氣體以體積比為O 1 ο O O 1 O O O 1 O O進行混合，此處含碳還原性氣體可以選擇甲烷。將上述混合氣體經(jīng)過遠程等離子化形成等離子體活性基團，將相關(guān)等離子體活性基團通入真空度為O 5 O 毫托的反應(yīng)腔與被介電層及金屬表面進行反應(yīng)。該過程中去除殘留物，并還原金屬氧化物， 從而獲得干凈清潔的表面狀態(tài)。上述反應(yīng)的反應(yīng)溫度為5(Γ500攝氏度，等離子體的工作功率范圍在5 O瓦 8 O O瓦。通過選擇不同的氣體組分和不同功率的匹配可以獲得最大產(chǎn)量與最優(yōu)性能的組合。由于等離子體是在遠離反應(yīng)腔的其他位置產(chǎn)生，然后通入反應(yīng)腔的， 因此既保持了極高的反應(yīng)活性，可以還原氧化層和清除殘留層，又能盡量減少高能離子對低介電常數(shù)介質(zhì)層1的損傷。混合氣體中的碳原子可以抑制含碳低介電常數(shù)材料的介質(zhì)層1中的碳損失，減少介質(zhì)層1的損傷和介電常數(shù)的增大，即對多孔低介電常數(shù)介質(zhì)層1的損傷較低。同時，由于反應(yīng)氣體中存在碳、氮原子，可以在表面形成一過渡層，進一步提高結(jié)合力，使銅互連的抗電遷移性能提高，抗應(yīng)力遷移性能提高，介質(zhì)層的介電擊穿壽命提高，有利于芯片整體性能的提高。如圖4所示，步驟d、在介電層及金屬表面形成一層致密且含氮以及含碳的阻擋層 6，形成阻擋層6的方法為化學(xué)汽相淀積。如圖5所示，當(dāng)步驟d結(jié)束后可以阻擋層6上形成新的介電層，為后續(xù)制程做準備，圖5上顯示阻擋層6上以化學(xué)汽相淀積或旋轉(zhuǎn)涂覆法形成新的低介電常數(shù)介電層11。以上所述僅為本發(fā)明較佳的實施例，并非因此限制本發(fā)明的申請專利范圍，所以凡運用本發(fā)明說明書及圖示內(nèi)容所作出的等效結(jié)構(gòu)變化、利用公知的與本發(fā)明中提到具等同作用的物質(zhì)進行代替或者利用公知的與本發(fā)明中提到的手段方法具等同作用的手段方法進行替換，所得到的實施方式或者實施結(jié)果均包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種提高銅互連可靠性的表面處理方法，其特征在于，包括以下步驟步驟a、在一介電層上形成圖案化溝槽，并在所述溝槽內(nèi)鑲嵌金屬；步驟b、去除所述步驟a鑲嵌過程中多余的金屬；步驟C、通過混合氣體去除所述步驟b中殘留在介電層及金屬表面的殘留物和金屬的氧化物；步驟d、在所述介電層及金屬表面形成一層致密阻擋層。
2.如權(quán)利要求1所述一種提高銅互連可靠性的表面處理方法，其特征在于，步驟d完成后，于所述致密阻擋層表面形成新的介電層。
3.如權(quán)利要求1所述一種提高銅互連可靠性的表面處理方法，其特征在于，所述步驟a 中形成圖案化溝槽的方法為在一介電層表面形成一光阻材料層；通過光刻在所述光阻材料層上形成預(yù)定圖案；利用所述圖案化光阻材料層刻蝕所述介電層以形成圖案化溝槽。
4.如權(quán)利要求1所述一種提高銅互連可靠性的表面處理方法，其特征在于，所述步驟a 中在圖案化溝槽內(nèi)鑲嵌金屬的方法為在所述溝槽的側(cè)壁和底部物理汽相淀積或原子層淀積形成一層粘附層，一層擴散阻擋層以及一層金屬的籽晶層；采用電化學(xué)鍍在上述形貌基礎(chǔ)上生長金屬層。
5.如權(quán)利要求1所述一種提高銅互連可靠性的表面處理方法，其特征在于，所述步驟a 中鑲嵌的金屬為銅。
6.如權(quán)利要求1所述一種提高銅互連可靠性的表面處理方法，其特征在于，所述步驟b 中去除多余金屬的方法為化學(xué)機械研磨。
7.如權(quán)利要求1所述一種提高銅互連可靠性的表面處理方法，其特征在于，所述步驟d 中形成所述致密阻擋層的方法為化學(xué)汽相淀積。
8.如權(quán)利要求1所述一種提高銅互連可靠性的表面處理方法，其特征在于，所述步驟d 中形成的所述致密阻擋層為含氮阻擋層和含碳阻擋層。
9.如權(quán)利要求1所述一種提高銅互連可靠性的表面處理方法，其特征在于，所述步驟 c中通過混合氣體去除殘留物和金屬的氧化物的方法為使混合氣體與所述介電層及金屬表面進行反應(yīng)。
10.如權(quán)利要求9所述一種提高銅互連可靠性的表面處理方法，其特征在于，所述反應(yīng)的反應(yīng)方式為將所述混合還原性氣體經(jīng)遠程等離子化形成等離子體活性基團；將所述等離子體活性基團通入真空反應(yīng)腔與所述介電層及其上金屬表面進行反應(yīng)。
11.如權(quán)利要求10所述一種提高銅互連可靠性的表面處理方法，其特征在于，所述混合還原性氣體為氫氣、氨氣和一種含碳還原性氣體以體積比為X :Υ :Ζ=(Γ100 :(Γ100 :(Γ100 的比例進行混合形成。
12.如權(quán)利要求11所述一種提高銅互連可靠性的表面處理方法，其特征在于，所述含碳還原性氣體為甲烷。
13.如權(quán)利要求10-12中任一所述一種提高銅互連可靠性的表面處理方法，其特征在于，所述反應(yīng)參數(shù)為所述等離子化的離子體的工作功率范圍為5 O瓦 8 O O瓦；真空反應(yīng)腔的真空度為O 5 O毫托；反應(yīng)溫度范圍為5(Γ500攝氏度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種提高銅互連可靠性的表面處理方法，其中，包括以下步驟步驟a、在一介電層上形成圖案化溝槽，并在所述溝槽內(nèi)鑲嵌金屬；步驟b、去除所述步驟a鑲嵌過程中多余的金屬；步驟c、通過混合氣體去除表面的殘留物和金屬的氧化物。本發(fā)明的有益效果是能夠去除銅金屬層表面的氧化物以及化學(xué)機械研磨工藝過程中殘留物。從而獲得原子級的清潔表面，且該表面與下層的含氮阻擋層結(jié)合力提高，因此使銅互連的抗電遷移性能提高，抗應(yīng)力遷移性能提高，介質(zhì)層的介電擊穿壽命提高，并且同時可以減少現(xiàn)有技術(shù)對介質(zhì)層的損傷，有利于芯片整體性能的提高。
文檔編號H01L21/768GK102420173SQ201110150700
公開日2012年4月18日 申請日期2011年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月7日
發(fā)明者姬峰, 張亮, 李磊, 胡友存, 陳玉文 申請人:上海華力微電子有限公司