一種用于形成銅互連層的銅籽晶層的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于形成銅互連層的銅籽晶層的制備方法，采用包含銅鹽和絡(luò)合劑的堿性電鍍液，在溝槽的超薄粘附層上直接電鍍形成銅籽晶層，通過調(diào)節(jié)電鍍液的pH值為堿性以降低超薄粘附層在電鍍液中的腐蝕，通過在電鍍液中添加絡(luò)合劑以有效抑制對超薄粘附層的置換反應(yīng)，并通過調(diào)節(jié)電鍍液中的Cu離子濃度和電流密度降低電鍍時的邊緣效應(yīng)，以提高銅籽晶層薄膜的均勻性，為后續(xù)在傳統(tǒng)的酸性電鍍液中高速無縫隙電鍍銅提供了一層可靠的銅籽晶層，解決了傳統(tǒng)PVD技術(shù)制備銅籽晶層時無法得到均勻的銅籽晶層、以及在粘附層上采用酸性電鍍液電鍍銅時造成的粘附層厚度損失和置換銅層疏松的問題，并有效地擴大了溝槽填充工藝的工藝窗口。
【專利說明】—種用于形成銅互連層的銅籽晶層的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路制造工藝領(lǐng)域，更具體地，涉及一種在超薄粘附層上用于形成銅互連層的銅籽晶層的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著半導(dǎo)體芯片集成度的提高，互連引線的尺寸也變得更小，芯片互連質(zhì)量已成為影響芯片性能的關(guān)鍵因素。
[0003]目前，銅取代鋁作為金屬互連線已廣泛應(yīng)用于芯片互連工藝中。但是，銅在硅和介質(zhì)材料中的擴散速度很快，在較大電流密度的作用下，銅互連線中的銅原子很容易隨著電子的運動方向而發(fā)生遷移，即產(chǎn)生電遷移現(xiàn)象。銅一旦擴散進入器件中，就會成為深能級受主雜質(zhì)，使器件性能退化；同時，銅的電遷移也會導(dǎo)致互連線的短路或斷路，引起1C失效。
[0004]因此，為了改善銅互連的電遷移現(xiàn)象，需要利用覆蓋層或粘附層/擴散阻擋層將銅進行隔離。在銅的互連工藝中，銅的表面遷移可以通過在其上的覆蓋層來顯著地減少；而銅與溝槽中的粘附層/擴散阻擋層之間的界面，則成為銅電遷移的主要途徑。
[0005]為了改善銅與粘附層/擴散阻擋層之間的界面特性，一些惰性金屬如Ru、Mo、Co、Os等作為銅與擴散阻擋層之間的超薄粘附層得到研究。其中，Co及其化合物作為粘附層/擴散阻擋層的研究得到了學(xué)業(yè)界與工業(yè)界的廣泛關(guān)注和報道，被認(rèn)為是在20納米節(jié)點以下最有可能應(yīng)用的超薄粘附層材料。
[0006]在傳統(tǒng)的銅互連雙鑲嵌工藝中，需要在粘附層/擴散阻擋層材料表面采用物理氣相沉積(PVD)濺射一層銅作為后續(xù)銅電鍍填充時的籽晶層。銅籽晶層的作用是為電鍍銅提供良好的生長層，使電鍍過程能夠在溝槽表面均勻地進行。
[0007]然而，隨著器件尺寸的不斷減小，溝槽寬度也隨之在縮小，由于PVD技術(shù)在較小的溝槽中臺階覆蓋特性不好，使得淀積的銅籽晶層容易出現(xiàn)不連續(xù)的情況，無法得到均勻的銅籽晶層；與此同時，濺射完銅籽晶層后留給后續(xù)電鍍的空間也越來越小，這就很難在溝槽中實現(xiàn)無孔洞的銅填充。因此，研究在粘附層/擴散阻擋層材料上的直接電鍍銅籽晶層，在實際應(yīng)用及科學(xué)研究領(lǐng)域都具有重大意義。
[0008]關(guān)于在粘附層/擴散阻擋層材料上直接電鍍銅的文章已經(jīng)有相關(guān)報道。但是，現(xiàn)有直接電鍍銅時采用的電鍍液為酸性電鍍液，而構(gòu)成粘附層的金屬，例如Co，其本身是相對比較活潑的金屬，在電鍍銅過程中一方面會受到酸性電鍍液的腐蝕，另一方面會和傳統(tǒng)的酸性電鍍液中的CuS04發(fā)生置換反應(yīng)，造成超薄Co粘附層厚度的損失甚至產(chǎn)生孔洞；并且，采用上述方法將生成疏松的置換銅層，從而影響了互連線的可靠性。
[0009]因此，需要繼續(xù)研究在粘附層/擴散阻擋層材料上直接電鍍生長一層銅籽晶層的新方法，以滿足半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)日益發(fā)展的需要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種用于形成銅互連層的銅籽晶層的制備方法，通過采用包含銅鹽和絡(luò)合劑的堿性電鍍液，在溝槽的超薄粘附層上直接電鍍形成銅籽晶層，解決了傳統(tǒng)PVD技術(shù)制備銅籽晶層時的不連續(xù)問題，以及采用硫酸銅酸性電鍍液在粘附層上直接電鍍銅時的粘附層厚度損失和置換銅層疏松的問題。
[0011]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0012]一種用于形成銅互連層的銅籽晶層的制備方法，包括:
[0013]提供一襯底，在所述襯底上形成銅互連溝槽；
[0014]在所述溝槽中沉積一阻擋層及超薄粘附層；
[0015]采用包含銅鹽和絡(luò)合劑的堿性電鍍液，在所述超薄粘附層上電鍍形成銅籽晶層。
[0016]優(yōu)選地，所述堿性電鍍液中的所述銅鹽為硫酸銅，所述絡(luò)合劑為乙二胺和三乙醇胺。
[0017]優(yōu)選地，所述堿性電鍍液中銅鹽的銅離子濃度為0.03?0.06摩爾每升。
[0018]優(yōu)選地，通過調(diào)整所述乙二胺和三乙醇胺的濃度，來調(diào)節(jié)所述堿性電鍍液的pH值為堿性。
[0019]優(yōu)選地，所述堿性電鍍液中乙二胺的濃度為0.06?0.12摩爾每升，三乙醇胺的濃度為0.03?0.05摩爾每升。
[0020]優(yōu)選地，所述堿性電鍍液的pH值為9?11。
[0021]優(yōu)選地，在所述超薄粘附層上電鍍形成銅籽晶層時的電鍍電流密度為1?5mA/
2
cm ο
[0022]優(yōu)選地，所述溝槽的寬度為30?45nm。
[0023]優(yōu)選地，所述阻擋層以氮化鉭、氮化鈦或氮化釕形成。
[0024]優(yōu)選地，所述超薄粘附層以Co形成。
[0025]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明采用添加有乙二胺和三乙醇胺絡(luò)合劑的硫酸銅堿性電鍍液，在溝槽的超薄粘附層上直接電鍍形成銅籽晶層，一方面通過調(diào)節(jié)電鍍液的pH值為堿性，可降低超薄粘附層在電鍍液中的腐蝕；另一方面通過在電鍍液中添加絡(luò)合劑，能夠有效地抑制對超薄粘附層的置換反應(yīng)；并通過調(diào)節(jié)電鍍液中較低的Cu離子濃度和電流密度，降低了電鍍時的邊緣效應(yīng)，從而提高了電鍍形成銅薄膜的均勻性，為下一步在傳統(tǒng)的酸性電鍍液中高速無縫隙電鍍銅互連層提供了一層可靠的銅籽晶層，解決了傳統(tǒng)PVD技術(shù)制備銅籽晶層時無法得到均勻的銅籽晶層、以及在粘附層上采用酸性電鍍液電鍍銅時造成的粘附層厚度損失和置換銅層疏松的問題，并有效地擴大了溝槽填充工藝的工藝窗口。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明一種用于形成銅互連層的銅籽晶層的制備方法的流程圖；
[0027]圖2?圖5是根據(jù)圖1的方法制備用于形成銅互連層的銅籽晶層的一實施例的器件結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步的詳細(xì)說明。
[0029]在傳統(tǒng)的銅互連雙鑲嵌工藝中，通常采用物理氣相沉積(PVD)技術(shù)，在銅互連溝槽的粘附層/擴散阻擋層材料表面濺射一層銅，作為后續(xù)銅電鍍并填充形成銅互連層時的籽晶層。但是，由于PVD技術(shù)在較小的溝槽中的臺階覆蓋特性不好，使得淀積的銅籽晶層容易出現(xiàn)不連續(xù)的情況，無法得到均勻的銅籽晶層；同時，濺射完銅籽晶層后留給后續(xù)電鍍銅的空間也越來越小，這就很難在溝槽中實現(xiàn)無孔洞的銅填充。
[0030]也有采用在粘附層/擴散阻擋層材料上直接電鍍銅的方法。但是，現(xiàn)有的直接電鍍銅時采用的電鍍液為酸性電鍍液，而構(gòu)成粘附層的金屬，例如Co，其本身是相對比較活潑的金屬，在電鍍銅過程中一方面會受到酸性電鍍液的腐蝕，另一方面會和傳統(tǒng)的酸性電鍍液中的CuS04發(fā)生置換反應(yīng)，造成超薄Co粘附層厚度的損失甚至產(chǎn)生孔洞；并且，采用上述方法將生成疏松的置換銅層，從而影響了互連線的可靠性。
[0031]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種在粘附層/擴散阻擋層材料上直接電鍍銅籽晶層的新方法，通過采用包含銅鹽和絡(luò)合劑的堿性電鍍液，在溝槽的超薄粘附層上直接電鍍形成均勻的銅籽晶層，解決了傳統(tǒng)PVD技術(shù)制備銅籽晶層時的不連續(xù)問題，以及采用硫酸銅酸性電鍍液在粘附層上直接電鍍銅時的粘附層厚度損失和置換銅層疏松的問題。
[0032]在本發(fā)明的以下【具體實施方式】中，請參閱圖1，圖1是本發(fā)明一種用于形成銅互連層的銅籽晶層的制備方法的流程圖；同時，請對照參閱圖2?圖5，圖2?圖5是根據(jù)圖1的方法制備用于形成銅互連層的銅籽晶層的一實施例的器件結(jié)構(gòu)示意圖。圖2?圖5中示意的器件結(jié)構(gòu)，可與圖1中方法的各制作步驟相對應(yīng)，以便于對本發(fā)明方法的理解。
[0033]需要說明的是，在本發(fā)明下述的【具體實施方式】中，在詳述本發(fā)明的實施方式時，為了清楚地表示本發(fā)明的結(jié)構(gòu)以便于說明，特對附圖中的結(jié)構(gòu)不依照一般比例繪圖，并進行了局部放大、變形及簡化處理，因此，應(yīng)避免以此作為對本發(fā)明的限定來加以理解。
[0034]如圖1所示，本發(fā)明提供了一種用于形成銅互連層的銅籽晶層的制備方法，包括:
[0035]如框S01所示，提供一襯底，在所述襯底上形成銅互連溝槽。
[0036]請參考圖2，首先，在半導(dǎo)體襯底1上形成銅互連溝槽2。所述襯底1可采用半導(dǎo)體硅或介質(zhì)材料形成。形成銅互連溝槽2的方法可采用公知的CMOS半導(dǎo)體平面工藝來實現(xiàn)，例如包括在所述襯底1上進行光刻、刻蝕步驟，從而形成所需的銅互連溝槽2結(jié)構(gòu)。可選地，在刻蝕形成溝槽2結(jié)構(gòu)時，將所述溝槽2的寬度尺寸控制在30?45nm，以形成合適的溝槽填充工藝窗口，并利于后續(xù)采用本發(fā)明的方法在所述溝槽2中直接電鍍形成銅籽晶層。
[0037]如框S02所示，在所述溝槽中沉積一阻擋層及超薄粘附層。
[0038]請參考圖3，在上述形成的所述溝槽2中，使用化學(xué)氣相沉積或者原子層沉積的方法，制備一層銅擴散阻擋層3及阻擋層上的超薄粘附層4。銅擴散阻擋層3的制備，可通過在所述溝槽2中使用化學(xué)氣相沉積或者原子層沉積方法沉積的例如氮化鉭、氮化鈦或氮化釕材料來形成。超薄粘附層4的制備，可通過在所述溝槽2中使用化學(xué)氣相沉積或者原子層沉積方法沉積的例如金屬Co (鈷)材料來形成。阻擋層3及超薄粘附層4的具體沉積工藝及厚度可以與現(xiàn)有的常規(guī)工藝相同。
[0039]如框S03所示，采用包含銅鹽和絡(luò)合劑的堿性電鍍液，在所述超薄粘附層上電鍍形成銅籽晶層。
[0040]請參考圖4，在上述的超薄粘附層4例如超薄Co粘附層上采用包含銅鹽和絡(luò)合劑的堿性電鍍液直接電鍍形成銅籽晶層5。
[0041]本發(fā)明將現(xiàn)有的在粘附層/擴散阻擋層材料上直接電鍍銅時采用的硫酸銅酸性電鍍液改為包含銅鹽的堿性電鍍液，以減小電鍍液對超薄粘附層4例如超薄Co粘附層的腐蝕所帶來的厚度損失甚至出現(xiàn)孔洞的問題。同時，本發(fā)明在所述堿性電鍍液中添加了電鍍絡(luò)合劑，能夠有效地抑制置換反應(yīng)，避免超薄粘附層4例如超薄Co粘附層由于置換反應(yīng)所帶來的厚度損失。
[0042]作為本發(fā)明的一個可選實施例，所述堿性電鍍液可采用硫酸銅作為銅鹽；在所述堿性電鍍液中可添加乙二胺和三乙醇胺作為絡(luò)合劑。其中，以乙二胺為主絡(luò)合劑、三乙醇胺為輔助絡(luò)合劑。這樣，即可組成一種新的含有銅鹽(例如硫酸銅)、絡(luò)合劑(例如乙二胺和三乙醇胺)的堿性電鍍液。電鍍液的配制方法可采用電鍍行業(yè)常規(guī)的配制工藝來得到。
[0043]作為本發(fā)明進一步的優(yōu)選實施例，在配制上述堿性電鍍液時，調(diào)整電鍍液中銅鹽(例如硫酸銅)的銅離子濃度為0.03?0.06摩爾每升。通過調(diào)節(jié)電鍍液中的Cu離子濃度在較低的范圍，可以降低Cu膜在電鍍時產(chǎn)生的邊緣效應(yīng)，提高電鍍形成Cu薄膜的均勻性。
[0044]作為本發(fā)明進一步的優(yōu)選實施例，在上述配制形成的堿性電鍍液中，乙二胺的濃度為0.06?0.12摩爾每升，三乙醇胺的濃度為0.03?0.05摩爾每升。以該濃度范圍的乙二胺為主絡(luò)合劑、三乙醇胺為輔助絡(luò)合劑添加在上述堿性電鍍液中，即可有效抑制置換反應(yīng)，避免超薄粘附層4例如超薄Co粘附層由于置換反應(yīng)所帶來的厚度損失。
[0045]此外，為了得到具有堿性的電鍍液，以減小電鍍液對超薄粘附層4例如超薄Co粘附層的腐蝕所帶來的厚度損失甚至出現(xiàn)孔洞的問題，需要調(diào)整所述堿性電鍍液的PH值至堿性。作為本發(fā)明的可選實施例，可將含有銅鹽(例如硫酸銅)和絡(luò)合劑(例如乙二胺和三乙醇胺)的所述堿性電鍍液的pH值調(diào)整為9?11。優(yōu)選地，可通過調(diào)整所述乙二胺和三乙醇胺的濃度方式，來調(diào)節(jié)所述堿性電鍍液的pH值為堿性，例如調(diào)節(jié)至pH值為9?11的較弱堿性狀態(tài)。進一步優(yōu)選地，可通過將所述乙二胺、三乙醇胺的濃度高低在其上述各自濃度范圍內(nèi)合理調(diào)整，來實現(xiàn)使所配制的電鍍液具有堿性(例如pH值為9?11的較弱堿性)，以減小對粘附層產(chǎn)生的腐蝕。
[0046]同時，為了進一步減小電鍍制備Cu籽晶膜5過程中產(chǎn)生的邊緣效應(yīng)，保證電鍍形成Cu籽晶膜5的均勻性，優(yōu)選地，在所述超薄粘附層4上電鍍形成銅籽晶層5時，將電鍍電流密度控制在較小的I?5mA/cm2范圍，目的是在此步驟減慢Cu的沉積速度，提高Cu的沉積質(zhì)量，從而得到在超薄粘附層4上的連續(xù)、均勻、致密Cu籽晶膜5。
[0047]接著，請參考圖5，在按照本發(fā)明的上述步驟，得到連續(xù)、均勻、致密的Cu籽晶膜5后，即可在所述銅籽晶層5上繼續(xù)進行常規(guī)的酸性電鍍。例如可采用硫酸銅酸性電鍍液，在所述銅籽晶層5上繼續(xù)電鍍銅并填滿所述溝槽，以形成銅互連層并平坦化。
[0048]本發(fā)明的所述銅籽晶層的形成，為后續(xù)在溝槽進行銅互連層填充時的電鍍銅步驟提供了良好的生長層。此時，即可在形成的所述銅籽晶層5上，采用常規(guī)的硫酸銅酸性電鍍液繼續(xù)電鍍銅。并且，利用本發(fā)明所述銅籽晶層5的連續(xù)、均勻、致密性基礎(chǔ)，可以加快電鍍時Cu的沉積速度，而不會影響后續(xù)電鍍Cu膜的形成質(zhì)量。例如，可將電鍍時的電流密度提高到20?50mA/cm2的范圍，此時的電鍍過程能夠沿溝槽表面高速、均勻無縫隙地進行，直至Cu填滿整個溝槽。再經(jīng)過化學(xué)機械拋光平坦化電鍍銅層后，最終形成致密、可靠的銅互連層6。
[0049]綜上所述，本發(fā)明采用包含銅鹽(例如硫酸銅)和絡(luò)合劑(例如乙二胺和三乙醇胺)的堿性電鍍液，在溝槽的超薄粘附層上直接電鍍形成銅籽晶層，一方面通過調(diào)節(jié)電鍍液的PH值為堿性，可降低超薄粘附層在電鍍液中的腐蝕；另一方面通過在電鍍液中添加絡(luò)合劑，能夠有效地抑制對超薄粘附層的置換反應(yīng)；并通過調(diào)節(jié)電鍍液中的Cu離子濃度和電流密度，降低了電鍍時的邊緣效應(yīng)，從而提高了電鍍形成銅薄膜的均勻性，為下一步在傳統(tǒng)的酸性電鍍液中高速無縫隙電鍍銅提供了一層可靠的銅籽晶層，解決了傳統(tǒng)PVD技術(shù)制備銅籽晶層時無法得到均勻的銅籽晶層、以及在粘附層上采用酸性電鍍液電鍍銅時造成的粘附層厚度損失和置換銅層疏松的問題，并有效地擴大了溝槽填充工藝的工藝窗口。
[0050]以上所述的僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，所述實施例并非用以限制本發(fā)明的專利保護范圍，因此凡是運用本發(fā)明的說明書及附圖內(nèi)容所作的等同結(jié)構(gòu)變化，同理均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于形成銅互連層的銅籽晶層的制備方法，其特征在于，包括: 提供一襯底，在所述襯底上形成銅互連溝槽； 在所述溝槽中沉積一阻擋層及超薄粘附層； 采用包含銅鹽和絡(luò)合劑的堿性電鍍液，在所述超薄粘附層上電鍍形成銅籽晶層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅籽晶層的制備方法，其特征在于，所述堿性電鍍液中的所述銅鹽為硫酸銅，所述絡(luò)合劑為乙二胺和三乙醇胺。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的銅籽晶層的制備方法，其特征在于，所述堿性電鍍液中銅鹽的銅離子濃度為0.03?0.06摩爾每升。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的銅籽晶層的制備方法，其特征在于，通過調(diào)整所述乙二胺和三乙醇胺的濃度，來調(diào)節(jié)所述堿性電鍍液的pH值為堿性。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的銅籽晶層的制備方法，其特征在于，所述堿性電鍍液中乙二胺的濃度為0.06?0.12摩爾每升，三乙醇胺的濃度為0.03?0.05摩爾每升。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或4所述的銅籽晶層的制備方法，其特征在于，所述堿性電鍍液的pH值為9?11。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅籽晶層的制備方法，其特征在于，在所述超薄粘附層上電鍍形成銅籽晶層時的電鍍電流密度為I?5mA/cm2。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅籽晶層的制備方法，其特征在于，所述溝槽的寬度為30?45nm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅籽晶層的制備方法，其特征在于，所述阻擋層以氮化鉭、氮化鈦或氮化釕形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅籽晶層的制備方法，其特征在于，所述超薄粘附層以Co形成。
【文檔編號】H01L21/768GK104465503SQ201410723614
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月3日
【發(fā)明者】徐文忠 申請人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司, 上海華虹（集團）有限公司