本申請涉及半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種銅金屬化工藝。

背景技術(shù)：

與金屬鋁相比，銅的電阻較小，使得銅互連結(jié)構(gòu)具有較小的互聯(lián)電阻，較小的RC延遲；另一方面，銅具有較高的電遷移抵抗力，能夠允許銅連結(jié)構(gòu)具有較高的電流密度。所以現(xiàn)有技術(shù)中IC芯片大多采用銅互連結(jié)構(gòu)，這樣可以獲得較快的處理速度。

金屬互連結(jié)構(gòu)是在已經(jīng)完成半導(dǎo)體前道工藝制程的基底上疊置多層金屬互連層而形成，各層金屬互連層包括層間介質(zhì)層和金屬布線層，現(xiàn)有技術(shù)中，通常采用雙鑲嵌銅金屬化工藝設(shè)置金屬布線層中的通孔，其工藝過程包括：步驟S1’，在基底100’上設(shè)置刻蝕停止層200’并刻蝕，形成圖1所示的結(jié)構(gòu)，基底100’內(nèi)設(shè)置有半導(dǎo)體前道工藝結(jié)構(gòu)且表面上設(shè)置有介質(zhì)層；步驟S2’，在圖1所示的結(jié)構(gòu)上設(shè)置保留介質(zhì)層300’并刻蝕，形成圖2所示的預(yù)通孔301’；步驟S3’，在圖2所示的保留介質(zhì)層300’的表面以及預(yù)通孔301’的表面上設(shè)置銅阻擋層400’，形成圖3所示的結(jié)構(gòu)；步驟S4’，采用PVD(Plasma Vapor Deposition，物理氣相沉積法PVD)在圖3所示的銅阻擋層400’的表面淀積銅籽晶層500’，形成圖4所示的結(jié)構(gòu)；步驟S5’，如圖5所示，采用ECP(Electro Chemical Plating化學(xué)電鍍法)在銅籽晶層500’的表面上淀積銅層700’；步驟S6，采用化學(xué)機(jī)械研磨法清除預(yù)通孔以外的銅與銅阻擋層，形成圖6所示的通孔302’結(jié)構(gòu)。

上述方法在形成銅籽晶層500’后，需要通過冷卻的過程使銅再結(jié)晶，使得銅籽晶層500’更加致密，導(dǎo)電性更好，但是此冷卻過程使得銅籽晶層500’的表面被氧化形成銅氧化層，并且表面吸附一些有機(jī)氣體雜質(zhì)。銅氧化層與其表面的雜質(zhì)使得銅籽晶層500’與銅層充700的粘結(jié)性較差，使得后續(xù)清除互聯(lián)槽與預(yù)通孔以外的銅時(shí)，很容易將銅層700拔出，如圖7所示，造成器件缺陷，降低了產(chǎn)品的良率。

為了避免上述銅層的拔出現(xiàn)象，現(xiàn)有技術(shù)中通常采用以下手段：(1)，對銅籽晶層冷卻過程的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，減少銅氧化層表面有機(jī)氣體的吸附；(2)，將淀積銅籽晶層與淀積銅層的間隔時(shí)間控制在12小時(shí)之內(nèi)，減小銅氧化層的厚度與減少其表面的有機(jī)氣體的吸附；(3)，控制化學(xué)電鍍法在鍍銅層時(shí)的壓力，使銅層與銅籽晶層緊密結(jié)合。這些方法雖然能起到一些作用，使得銅層拔出現(xiàn)象出現(xiàn)的幾率有微小的減小，但是并未大大降低銅層拔出現(xiàn)象的發(fā)生的幾率。

為了大大減小銅層拔出現(xiàn)象發(fā)生的幾率甚至從根本上消除銅層拔出現(xiàn)象的發(fā)生，需要一種有效的銅金屬化工藝。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本申請旨在提供一種銅金屬化工藝，以解決現(xiàn)有技術(shù)中銅層拔出現(xiàn)象的發(fā)生。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本申請的一個(gè)方面，提供了一種銅金屬化工藝，上述銅金屬化工藝包括：步驟S1，在形成預(yù)通孔的晶片的表面上設(shè)置金屬阻擋層；步驟S2，在上述金屬阻擋層的表面上設(shè)置銅籽晶層；步驟S3，在上述銅籽晶層上設(shè)置銅層；以及步驟S4，去除上述預(yù)通孔以外的金屬阻擋層、上述銅籽晶層與上述銅層，形成通孔；上述步驟S2包括：步驟S21，在上述金屬阻擋層的表面上淀積銅籽晶層；步驟S22，將上述銅籽晶層冷卻的同時(shí)向上述銅籽晶層通氧氣，形成銅氧化層；步驟S23，去除上述銅氧化層。

進(jìn)一步地，上述銅氧化層的厚度為3～12nm。

進(jìn)一步地，上述氧氣的濃度為15～25％，上述通氧氣的時(shí)間為20～40s。

進(jìn)一步地，上述步驟S23是在大于0V小于1V的電壓下，采用酸性溶液溶解上述銅氧化層。

進(jìn)一步地，上述步驟S3采用ECP設(shè)置上述銅層，上述ECP采用酸性電鍍?nèi)芤海鲜鏊嵝噪婂內(nèi)芤旱腍⁺的濃度為5～20g/L，優(yōu)選上述酸性溶液與上述酸性電鍍?nèi)芤合嗤?/p>

進(jìn)一步地，采用PVD淀積上述金屬阻擋層。

進(jìn)一步地，采用PVD淀積上述銅籽晶層。

進(jìn)一步地，上述銅籽晶層的厚度為50～150nm。

進(jìn)一步地，上述步驟S22在30～60s之內(nèi)將上述銅籽晶層冷卻至15～25℃。

進(jìn)一步地，上述銅金屬化工藝還包括上述預(yù)通孔的形成方法，上述形成方法包括：步驟S01，在上述晶片的基底表面上設(shè)置介質(zhì)層，上述基底內(nèi)形成有半導(dǎo)體前道工藝結(jié)構(gòu)；步驟S02，在上述介質(zhì)層遠(yuǎn)離上述基底的表面設(shè)置刻蝕停止層，并對上述刻蝕停止層進(jìn)行刻蝕使部分上述介質(zhì)層裸露；步驟S03，在上述刻蝕停止層和裸露的上述介質(zhì)層上依次設(shè)置保留介質(zhì)層和光刻膠層；以及步驟S04，對上述光刻膠層和上述保留介質(zhì)層刻蝕，形成上述預(yù)通孔。

進(jìn)一步地，上述介質(zhì)層為SiO₂層、Si₃N₄層或SiO₂與Si₃N₄的復(fù)合層。

進(jìn)一步地，上述金屬阻擋層為Ta層與TaN層的復(fù)合層。

應(yīng)用本申請的技術(shù)方案，步驟S2在淀積銅籽晶層后，首先將銅籽晶層冷卻的同時(shí)向上述銅籽晶層通氧氣，使其表面形成致密的銅氧化層，致密的銅氧化層可以避免了其內(nèi)部繼續(xù)被氧化；然后去除上述致密的銅氧化層，隨著銅氧化層的去除，其表面吸附的有機(jī)氣體雜質(zhì)脫落，這樣大大減少了后續(xù)淀積的銅層與銅籽晶層之間的氧化銅和有機(jī)雜質(zhì)氣體，使得二者的粘結(jié)性較好，大大減少了銅層拔出現(xiàn)象發(fā)生的幾率，甚至從根本上消除銅層拔出現(xiàn)象的產(chǎn)生。

附圖說明

構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進(jìn)一步理解，本申請的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本申請，并不構(gòu)成對本申請的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1至圖6為現(xiàn)有技術(shù)中的雙鑲嵌銅金屬化工藝步驟，其中，

圖1示出了在基底上設(shè)置刻蝕停止層并刻蝕后的晶片剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2示出了在圖1所示的結(jié)構(gòu)中設(shè)置保留介質(zhì)層并刻蝕形成預(yù)通孔后的晶片的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3示出了在圖2所示的結(jié)構(gòu)上設(shè)置銅阻擋層后的晶片的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4示出了在圖3所示的銅阻擋層的表面淀積銅籽晶層后的晶片的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5示出了在銅籽晶層的表面上淀積銅層后的晶片的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6示出了清除預(yù)通孔以外的銅與銅阻擋層后的晶片的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7示出了銅層拔出的現(xiàn)象；

圖8示出了本申請一種優(yōu)選實(shí)施方式中銅金屬化工藝的步驟S2的工藝流程示意圖；

圖9至圖16為本申請一種優(yōu)選實(shí)施方式中的銅金屬化工藝步驟，其中，

圖9示出了在基底上依次淀積刻蝕停止層并刻蝕后的晶片的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10示出了在圖9所示的結(jié)構(gòu)上設(shè)置保留介質(zhì)層并刻蝕形成預(yù)通孔后的晶片的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖11示出了在圖10所示的結(jié)構(gòu)的保留介質(zhì)層的表面淀積金屬阻擋層后的晶片的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖12示出了在圖11所示的結(jié)構(gòu)的上淀積銅籽晶層后的晶片的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖13示出了在圖12所示的結(jié)構(gòu)的表面形成銅氧化層后的的晶片的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖14示出了去除圖13所示的銅氧化層后的晶片的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖15示出了在圖14所示的銅籽晶層的表面上淀積銅層后的晶片的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；以及

圖16示出了去除圖15所示的以外的金屬阻擋層、銅籽晶層與銅層后的晶片的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說明都是例示性的，旨在對本申請?zhí)峁┻M(jìn)一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本申請所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請的示例性實(shí)施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時(shí)，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

為了便于描述，在這里可以使用空間相對術(shù)語，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用來描述如在圖中所示的一個(gè)器件或特征與其他器件或特征的空間位置關(guān)系。應(yīng)當(dāng)理解的是，空間相對術(shù)語旨在包含除了器件在圖中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附圖中的器件被倒置，則描述為“在其他器件或構(gòu)造上方”或“在其他器件或構(gòu)造之上”的器件之后將被定位為“在其他器件或構(gòu)造下方”或“在其他器件或構(gòu)造之下”。因而，示例性術(shù)語“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”兩種方位。該器件也可以其他不同方式定位(旋轉(zhuǎn)90度或處于其他方位)，并且對這里所使用的空間相對描述作出相應(yīng)解釋。

現(xiàn)在，將參照附圖更詳細(xì)地描述根據(jù)本申請的示例性實(shí)施方式。然而，這些示例性實(shí)施方式可以由多種不同的形式來實(shí)施，并且不應(yīng)當(dāng)被解釋為只限于這里所闡述的實(shí)施方式。應(yīng)當(dāng)理解的是，提供這些實(shí)施方式是為了使得本申請的公開徹底且完整，并且將這些示例性實(shí)施方式的構(gòu)思充分傳達(dá)給本領(lǐng)域普通技術(shù)人員，在附圖中，為了清楚起見，擴(kuò)大了層和區(qū)域的厚度，并且使用相同的附圖標(biāo)記表示相同的器件，因而將省略對它們的描述。

正如背景技術(shù)所介紹的，現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)手段只能使得銅填充拔出現(xiàn)象出現(xiàn)的幾率有微小的減小，并不能大幅度減小銅填充拔出現(xiàn)象發(fā)生的幾率，甚至從根本上消除銅層拔出現(xiàn)象的發(fā)生。

本申請?zhí)峁┝艘环N銅金屬化工藝，上述銅金屬化工藝包括：步驟S1，在形成預(yù)通孔的晶片的表面上設(shè)置金屬阻擋層；步驟S2，在上述金屬阻擋層的表面上設(shè)置銅籽晶層；步驟S3，在上述銅籽晶層上設(shè)置銅層；以及步驟S4，去除上述預(yù)通孔以外的金屬阻擋層、上述銅籽晶層與上述銅層，形成通孔；如圖8所示，上述步驟S2包括：步驟S21，在上述金屬阻擋層的表面上淀積銅籽晶層；步驟S22，將上述銅籽晶層冷卻的同時(shí)向上述銅籽晶層通氧氣，形成銅氧化層；步驟S23，去除上述銅氧化層。在完成上述金屬化工藝之后，位于預(yù)通孔中的金屬阻擋層、銅籽晶層與銅層即形成了通孔。

上述金屬化工藝，在步驟S2在淀積銅籽晶層后，首先將銅籽晶層冷卻的同時(shí)向上述銅籽晶層通氧氣，使其表面形成致密的銅氧化層，致密的銅氧化層可以避免了其內(nèi)部繼續(xù)被氧化；然后去除上述致密的銅氧化層，隨著銅氧化層的去除，其表面吸附的有機(jī)氣體雜質(zhì)脫落，這樣大大減少了后續(xù)淀積的銅層與銅籽晶層之間的氧化銅和有機(jī)雜質(zhì)氣體，使得二者的 粘結(jié)性較好，大大減少了銅層拔出現(xiàn)象發(fā)生的幾率，甚至從根本上消除銅層拔出現(xiàn)象的產(chǎn)生。本申請的又一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，優(yōu)選上述銅氧化層的厚度為3～12nm。當(dāng)銅氧化層的厚度在3～12nm之間時(shí)，一方面，該銅氧化層較致密，可以阻止上述銅籽晶層繼續(xù)被氧化；另一方面，此厚度范圍，使得后續(xù)可以均勻地去除該氧化銅層，同時(shí)該氧化層的厚度適中，使得后續(xù)去除時(shí)不會花費(fèi)較多時(shí)間，避免制作工藝的效率的降低。

為了在銅籽晶層表面形成較致密的銅氧化層，優(yōu)選上述氧氣的濃度為15～25％，同時(shí)為了使得銅氧化層的厚度適當(dāng)，上述通氧氣的時(shí)間為20～40s。

本申請的又一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，優(yōu)選上述步驟S23是在大于0V小于1V的電壓下，采用酸性溶液溶解上述銅氧化層。當(dāng)電壓大于0V小于1V時(shí)，可以更好地控制銅氧化層的溶解，電壓太大容易把氧化銅層下面的銅籽晶層也溶解掉，影響后續(xù)設(shè)置銅層的形貌的連續(xù)性。

為了避免設(shè)置銅層時(shí)銅籽晶層的表面又形成氧化銅層，進(jìn)而從根本上消除銅層拔出現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)為了提高銅層淀積的效率，優(yōu)選上述步驟S3采用ECP設(shè)置上述銅層，上述ECP采用酸性電鍍?nèi)芤?，上述酸性電鍍?nèi)芤旱腍⁺的濃度為5g/L～20g/L，H⁺的濃度太低，則有可能不能完全去除氧化銅層，H⁺的濃度太高，容易導(dǎo)致晶片的表面發(fā)生結(jié)晶現(xiàn)象。為了工藝簡化，優(yōu)選上述酸性溶液與上述酸性電鍍?nèi)芤合嗤?/p>

本申請的又一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，采用PVD濺射淀積上述金屬阻擋層，以獲得高純度和低電阻率的金屬阻擋層，進(jìn)而可以有效阻擋銅向介質(zhì)層擴(kuò)散。

為了使得淀積的銅籽晶層具有較高的純度與較低的電阻率，使其為后續(xù)銅層的淀積奠定良好的基礎(chǔ)，本申請優(yōu)選采用PVD濺射淀積上述銅籽晶層。

本申請的又一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，優(yōu)選上述銅籽晶層的厚度為50～150nm，當(dāng)銅籽晶層的厚度在50～150nm之間時(shí)，可以為后續(xù)銅層的淀積提供充分的成核點(diǎn)，保證了后續(xù)銅層淀積的均勻性。

為了獲得較好的冷卻效果且避免在冷卻過程出現(xiàn)其他預(yù)料不到的問題，本申請優(yōu)選步驟S22在30～60s之內(nèi)將上述銅籽晶層冷卻至15～25℃。

本申請的又一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，優(yōu)選上述銅金屬化工藝還包括上述預(yù)通孔的形成方法，上述形成方法包括：步驟S01，在上述晶片的基底表面上設(shè)置介質(zhì)層，上述基底內(nèi)形成有半導(dǎo)體前道工藝結(jié)構(gòu)；步驟S02，在上述介質(zhì)層遠(yuǎn)離上述基底的表面設(shè)置刻蝕停止層，并對上述刻蝕停止層進(jìn)行刻蝕使部分上述介質(zhì)層裸露；步驟S03，在上述刻蝕停止層和裸露的上述介質(zhì)層上依次設(shè)置保留介質(zhì)層和光刻膠層；以及步驟S04，對上述光刻膠層和上述保留介質(zhì)層刻蝕，形成上述預(yù)通孔。該預(yù)通孔的形成方法使得后續(xù)的銅金屬化工藝不需要進(jìn)行金屬刻蝕，提高了金屬化工藝的效率。

為了獲得較好的絕緣效果，本申請優(yōu)選上述介質(zhì)層為SiO₂層、Si₃N₄層或SiO₂與Si₃N₄的復(fù)合層。

本申請的又一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，優(yōu)選上述金屬阻擋層為Ta層與TaN層的復(fù)合層。金 屬阻擋層可以是Ta層、TaN層、TiN層或TiW層中的一種或兩種。而采用Ta層與TaN層的復(fù)合層作為金屬阻擋層不僅可以有效阻擋金屬銅向介質(zhì)層的擴(kuò)散，還可以增加介質(zhì)層與銅籽晶層的粘結(jié)力。

為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠更好地理解本申請的技術(shù)方案，以下結(jié)合附圖具體說明本申請的銅金屬化工藝。

首先，在形成有器件結(jié)構(gòu)的晶片的基底100上淀積Si₄N₃作為刻蝕停止層200并對其進(jìn)行刻蝕使得基底100中的部分介質(zhì)層裸露，形成圖9所示的結(jié)構(gòu)，其中，基底100中的器件省略示出，且基底表面設(shè)置有介質(zhì)層，

在圖9所示的結(jié)構(gòu)上設(shè)置SiO₂作為保留介質(zhì)層300并采用RIE干法刻蝕晶片形成預(yù)通孔301，如圖10所示。

在圖10所示的結(jié)構(gòu)的保留介質(zhì)層300與裸露的刻蝕停止層200的表面淀積TaN，形成圖11所示的金屬阻擋層400。

在圖11所示的晶片上采用PVD淀積厚度為80nm的銅籽晶層500，淀積時(shí)的溫度為-20℃，PVD的直流功率設(shè)置為38KW，如圖12所示，銅籽晶層500成為后續(xù)的第一銅層700的基底。

設(shè)定冷卻室的溫度為20℃，將圖11上述的晶片放置于冷卻室進(jìn)行冷卻，同時(shí)向冷卻室通氧氣，氧氣的濃度為20％，設(shè)置充氧氣的時(shí)間30s，使銅籽晶層表面形成致密的銅氧化層600，如圖13所示，為了充分冷卻銅籽晶層500，使得其更好地結(jié)晶，設(shè)置在45Ss內(nèi)冷卻至設(shè)定溫度。

冷卻后的晶片等待12個(gè)小時(shí)后，將其侵入含硫酸、硫酸銅和其他添加物的電鍍?nèi)芤褐?，設(shè)置ECP電鍍裝置陰陽極之間的電壓為0.5V，溶液中的H⁺的濃度為10g/L，利用溶液中的H⁺與銅氧化層600中的Cu²⁺離子之間的反應(yīng)將銅氧化層600全部溶解，如圖14所示。

然后，采用ECP在圖14中致密的銅籽晶層500的表面上淀積銅金屬，形成圖5所示的銅層700。電鍍時(shí)，電鍍?nèi)芤褐蠧u²⁺的濃度為40g/L，H⁺的濃度為15g/L，電鍍的時(shí)間35s、電壓12V。

采用CMP(Chemical Mechanical Polishing，化學(xué)機(jī)械研磨)去除圖15所示的預(yù)通孔以外的金屬阻擋層400、銅籽晶層500與銅層700，形成圖16所示的通孔302。

從以上的描述中，可以看出，本申請上述的實(shí)施方式實(shí)現(xiàn)了如下技術(shù)效果：步驟S2中將銅籽晶層冷卻的同時(shí)向上述銅籽晶層通氧氣，使其表面形成致密的銅氧化層，致密的銅氧化層可以避免了其內(nèi)部繼續(xù)被氧化；然后在銅的ECP溶液中將上述致密的銅氧化層溶解，隨著銅氧化層的溶解，其表面吸附的有機(jī)氣體雜質(zhì)脫落，并且當(dāng)晶片在ECP溶液中，銅籽晶層表面不會再形成氧化銅，且其表面不會吸附有機(jī)氣體雜質(zhì)。這樣使得后續(xù)淀積的填充銅與銅籽晶層之間不再具有氧化銅和有機(jī)雜質(zhì)氣體，二者的粘結(jié)性較好，從根本上消除了銅層拔出現(xiàn)象的產(chǎn)生。

以上所述僅為本申請的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本申請，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本申請的保護(hù)范圍之內(nèi)。