一種銅互連的形成方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種銅互連的形成方法，包括以下步驟：首先提供一半導(dǎo)體襯底，對(duì)其進(jìn)行光刻和刻蝕工藝，以形成溝槽；然后在溝槽內(nèi)沉積擴(kuò)散阻擋層以及粘附層；接著對(duì)粘附層進(jìn)行電化學(xué)還原工藝，以還原其表面的金屬氧化物；再接著在還原后的粘附層的表面形成銅籽晶層；同時(shí)在溝槽內(nèi)充滿金屬銅；最后采用平坦化工藝去除溝槽外多余的擴(kuò)散阻擋層、粘附層、銅籽晶層以及金屬銅。本發(fā)明通過(guò)電化學(xué)還原工藝去除粘附層表面的金屬氧化物，降低了粘附層表面的電阻率，有利于后續(xù)電鍍工藝形成均勻的銅籽晶層，同時(shí)提高了銅籽晶層在粘附層表面的成核率，有利于形成致密且電阻率較低的銅籽晶層，同時(shí)使兩者之間的粘附性更好。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種銅互連的形成方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路制造【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地，涉及一種銅互連的形成方法。

【背景技術(shù)】
[0002]銅互連技術(shù)是指在半導(dǎo)體集成電路互連層的制作中采用銅金屬材料取代傳統(tǒng)鋁金屬互連材料的新型半導(dǎo)體制造工藝。由于采用銅互連線可以降低互連層的厚度，使得互連層間的分布電容降低，從而使得頻率提高成為可能。但是，隨著晶片尺寸越來(lái)越大，工藝技術(shù)代越來(lái)越小，集成度越來(lái)越高，對(duì)器件的可靠性要求越發(fā)嚴(yán)格，對(duì)現(xiàn)有銅互連工藝也提出了更高的要求。
[0003]但是，隨著芯片集成度的提高，互連引線的尺寸也變得更小，同時(shí)，在較大電流密度的作用下，銅互連線中的Cu原子容易隨著電子運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生迀移，產(chǎn)生電迀移現(xiàn)象，所謂電迀移現(xiàn)象是金屬線在電流和溫度作用下產(chǎn)生的金屬迀移現(xiàn)象，它可能使金屬線斷裂，從而影響芯片的正常工作。
[0004]在目前的銅互連工藝中，銅與擴(kuò)散阻擋層之間的界面可以采用粘附層來(lái)解決銅金屬電迀移的問(wèn)題。一般粘附層采用惰性金屬如Ru、Mo、Co、Os等，其中，由于Co金屬的電阻率較低，且與Cu的表面晶格失配度最低，粘附性最好，Co已經(jīng)被認(rèn)為是20nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)及以下最有可能應(yīng)用的粘附層材料。
[0005]但是，Co是一種非?；顫姷慕饘?，它暴露在空氣中時(shí)容易在表面形成鈷的氧化物。Co作為銅互連中的粘附層，厚度通常只有幾個(gè)納米，表面氧化物的存在會(huì)增大粘附層的電阻率，造成在沉積過(guò)程中樣品的邊緣和中間的過(guò)電位不一致，如此，電鍍工藝后的樣品就會(huì)出現(xiàn)粘附層中間薄，兩邊厚。此外，Cu在Co上的成核是一個(gè)異質(zhì)成核，氧化物的存在會(huì)大大降低Cu在Co上的成核密度，進(jìn)而影響兩者之間的粘附性，從而導(dǎo)致電迀移現(xiàn)象。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需提供一種銅互連的形成方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中粘附層表面存在金屬氧化物的問(wèn)題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)以上問(wèn)題，為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種銅互連的形成方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中粘附層表面存在金屬氧化物的問(wèn)題。
[0007]為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種銅互連的形成方法，包括以下步驟:
[0008]步驟SOl:提供一半導(dǎo)體襯底，對(duì)所述半導(dǎo)體襯底進(jìn)行光刻和刻蝕工藝，以形成溝槽；
[0009]步驟S02:在所述溝槽內(nèi)沉積擴(kuò)散阻擋層以及粘附層；
[0010]步驟S03:對(duì)所述粘附層進(jìn)行電化學(xué)還原工藝，以還原所述粘附層表面的金屬氧化物；
[0011]步驟S04:在還原后的粘附層的表面形成銅籽晶層；
[0012]步驟S05:在所述溝槽內(nèi)充滿金屬銅并覆蓋所述銅籽晶層的表面；
[0013]步驟S06:采用平坦化工藝去除所述溝槽外多余的擴(kuò)散阻擋層、粘附層、銅籽晶層以及金屬銅。
[0014]優(yōu)選的，所述步驟S03中，所述電化學(xué)還原工藝包括以下步驟:
[0015]步驟S031:將所述粘附層在放入到電解質(zhì)溶液中，以粘附層為陰極，對(duì)其施加5?1V的負(fù)電位，持續(xù)時(shí)間為600s以上；
[0016]步驟S032:對(duì)所述粘附層進(jìn)行清洗并干燥。
[0017]優(yōu)選的，所述步驟S031中，所述電解質(zhì)溶液包括去離子水以及濃度為0.03?0.05mol/L的四甲基氫氧化胺。
[0018]優(yōu)選的，所述電解質(zhì)溶液的pH值為10?12。
[0019]優(yōu)選的，所述步驟S032中，對(duì)所述粘附層通過(guò)去離子水清洗并通過(guò)氮?dú)飧稍铩?br> [0020]優(yōu)選的，在步驟S04中，所述銅籽晶層采用電鍍工藝沉積形成。
[0021]優(yōu)選的，所述電鍍工藝中采用的電鍍液包括濃度為0.03?0.06mol/L的硫酸銅、濃度為0.06?0.12mol/L的乙二胺絡(luò)合劑以及濃度為0.03?0.05mol/L的三乙醇胺絡(luò)合劑；其中，所述乙二胺絡(luò)合劑的配比大于所述三乙醇胺絡(luò)合劑。
[0022]優(yōu)選的，所述電鍍工藝中電流密度為ImA/cm2到5mA/cm2。
[0023]優(yōu)選的，所述電鍍液的pH值為9?11。
[0024]優(yōu)選的，所述粘附層的材料為Co。
[0025]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明提供的一種銅互連的形成方法，通過(guò)在電解質(zhì)溶液中對(duì)粘附層采用電化學(xué)還原工藝去除其表面的金屬氧化物，一方面降低了粘附層表面的電阻率，有利于后續(xù)電鍍工藝形成均勻的銅籽晶層，另一方面金屬氧化物的去除可以有效地提高銅籽晶層在粘附層表面的成核率，有利于形成致密且電阻率較低的銅籽晶層，同時(shí)兩者之間的粘附性更好。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026]結(jié)合附圖，并通過(guò)參考下面的詳細(xì)描述，將會(huì)更容易地對(duì)本發(fā)明有更完整的理解并且更容易地理解其伴隨的優(yōu)點(diǎn)和特征，其中:
[0027]圖1是本發(fā)明提供的一種銅互連的形成方法的優(yōu)選實(shí)施例的流程示意圖；
[0028]圖2-圖6是本發(fā)明提供的一種銅互連的形成方法的優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0029]為使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚易懂，以下結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖，對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步說(shuō)明。當(dāng)然本發(fā)明并不局限于該具體實(shí)施例，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。其次，本發(fā)明利用示意圖進(jìn)行了詳細(xì)的表述，在詳述本發(fā)明實(shí)例時(shí)，為了便于說(shuō)明，示意圖不依照一般比例局部放大，不應(yīng)以此作為對(duì)本發(fā)明的限定。
[0030]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的一種銅互連的形成方法作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，需說(shuō)明的是，附圖均采用非常簡(jiǎn)化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比例，僅用以方便、明晰地輔助說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的目的。
[0031]請(qǐng)參閱圖1，圖1是本發(fā)明提供的一種銅互連的形成方法的優(yōu)選實(shí)施例的流程示意圖；同時(shí)，請(qǐng)對(duì)照參考圖2-圖6，圖2-圖6是本發(fā)明提供的一種銅互連的形成方法的優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明提供一種銅互連的形成方法，包括以下步驟:
[0033]如圖2所示，步驟SOl:提供一半導(dǎo)體襯底10，對(duì)半導(dǎo)體襯底10進(jìn)行光刻和刻蝕工藝，以形成溝槽20。
[0034]具體的，本實(shí)施例中，所述半導(dǎo)體襯底10的材料可以為單晶硅、多晶硅、非晶硅中的一種，所述半導(dǎo)體襯底10的材料還可以是絕緣體上娃(SOI，Silicon On Insulator),或者其他半導(dǎo)體材料或硅上外延結(jié)構(gòu)。此外，溝槽20的寬度優(yōu)選為40nm?50nm。
[0035]如圖3所示，步驟S02:在溝槽20內(nèi)沉積擴(kuò)散阻擋層30以及粘附層40。
[0036]本實(shí)施例中，擴(kuò)散阻擋層30以及粘附層40可采用原子層淀積或者化學(xué)氣相沉積工藝形成；其中，粘附層40材料優(yōu)選為Co、Ta或Ru等惰性金屬，擴(kuò)散阻擋層30的材料優(yōu)選為為氮化鉭、氮化鈦或氮化釕，擴(kuò)散阻擋層30的材料也可以是包括Ta、TaN、Ru、Co或Mn，以及其氧化物、氮氧化物。擴(kuò)散阻擋層30以及粘附層40的厚度優(yōu)選為I?2納米。
[0037]具體的，溝槽20內(nèi)首先沉積擴(kuò)散阻擋層30，擴(kuò)散阻擋層30覆蓋在溝槽20的側(cè)壁以及底部，同時(shí)覆蓋在襯底10的表面；擴(kuò)散阻擋層30可以為單層或疊層結(jié)構(gòu)，本實(shí)施例中，粘附層40的材料優(yōu)選為Co。
[0038]步驟S03:對(duì)粘附層40進(jìn)行電化學(xué)還原工藝，以還原粘附層40表面的金屬氧化物。
[0039]具體的，電化學(xué)還原工藝包括以下步驟:步驟S031:將粘附層40在放入到電解質(zhì)溶液中，以粘附層為陰極，對(duì)其施加5?1V的負(fù)電位，持續(xù)時(shí)間為600s以上；步驟S032:對(duì)粘附層40進(jìn)行清洗并干燥。
[0040]本實(shí)施例中，步驟S031中，電解質(zhì)溶液包括去離子水以及濃度為0.03?0.05mol/L的四甲基氫氧化胺，電解質(zhì)溶液的pH值優(yōu)選為10?12。步驟S032中，對(duì)粘附層40通過(guò)去離子水清洗并通過(guò)氮?dú)飧稍?。電化學(xué)還原工藝的整個(gè)過(guò)程是在常溫下進(jìn)行。
[0041]如圖4所示，步驟S04:在還原后的粘附層40的表面形成銅籽晶層50。
[0042]具體的，銅籽晶層50采用電鍍工藝沉積形成，電鍍工藝中采用的電鍍液包括濃度為0.03?0.06mol/L的硫酸銅、濃度為0.06?0.12mol/L的乙二胺絡(luò)合劑以及濃度為0.03?0.05mol/L的三乙醇胺絡(luò)合劑；其中，所述乙二胺絡(luò)合劑的配比大于所述三乙醇胺絡(luò)合劑。其中，電鍍液的PH值優(yōu)選為9?11 ;電鍍工藝中電流密度為ImA/cm2到5mA/cm2。
[0043]如圖5所示，步驟S05:在溝槽20內(nèi)充滿金屬銅60并覆蓋銅籽晶層50的表面。
[0044]具體的，金屬銅60采用電鍍工藝沉積形成，采用常規(guī)酸性電鍍液繼續(xù)在銅籽晶層50上進(jìn)行填充，填充金屬銅60采用的電流密度為20mA/cm2到50mA/cm2。
[0045]如圖6所示，步驟S06:采用平坦化工藝去除溝槽20外多余的擴(kuò)散阻擋層30、粘附層40、銅籽晶層50以及金屬銅60。
[0046]具體的，對(duì)溝槽20外多余的擴(kuò)散阻擋層30、粘附層40、銅籽晶層50以及金屬銅60可采用化學(xué)機(jī)械研磨方法(chemical mechanical planarizat1n，CMP)去除。本實(shí)施例中，可先采用Cu拋光液去除表面大量的Cu，再用阻擋層拋光液對(duì)阻擋層進(jìn)行拋光，最后獲得平整的表面。
[0047]綜上所述，本發(fā)明提供的一種銅互連的形成方法，通過(guò)在電解質(zhì)溶液中對(duì)粘附層采用電化學(xué)還原工藝去除其表面的金屬氧化物，一方面降低了粘附層表面的電阻率，有利于后續(xù)電鍍工藝形成均勻的銅籽晶層，另一方面金屬氧化物的去除可以有效地提高銅籽晶層在粘附層表面的成核率，有利于形成致密且電阻率較低的銅籽晶層，同時(shí)兩者之間的粘附性更好。
[0048]可以理解的是，雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例披露如上，然而上述實(shí)施例并非用以限定本發(fā)明。對(duì)于任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作出許多可能的變動(dòng)和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種銅互連的形成方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟SOl:提供一半導(dǎo)體襯底，對(duì)所述半導(dǎo)體襯底進(jìn)行光刻和刻蝕工藝，以形成溝槽； 步驟S02:在所述溝槽內(nèi)沉積擴(kuò)散阻擋層以及粘附層； 步驟S03:對(duì)所述粘附層進(jìn)行電化學(xué)還原工藝，以還原所述粘附層表面的金屬氧化物； 步驟S04:在還原后的粘附層的表面形成銅籽晶層； 步驟S05:在所述溝槽內(nèi)充滿金屬銅并覆蓋所述銅籽晶層的表面； 步驟S06:采用平坦化工藝去除所述溝槽外多余的擴(kuò)散阻擋層、粘附層、銅籽晶層以及金屬銅。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅互連的形成方法，其特征在于，所述步驟S03中，所述電化學(xué)還原工藝包括以下步驟: 步驟S031:將所述粘附層在放入到電解質(zhì)溶液中，以粘附層為陰極，對(duì)其施加5?1V的負(fù)電位，持續(xù)時(shí)間為600s以上； 步驟S032:對(duì)所述粘附層進(jìn)行清洗并干燥。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的銅互連的形成方法，其特征在于，所述步驟S031中，所述電解質(zhì)溶液包括去離子水以及濃度為0.03?0.05mol/L的四甲基氫氧化胺。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的銅互連的形成方法，其特征在于，所述電解質(zhì)溶液的pH值為10 ?12。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的銅互連的形成方法，其特征在于，所述步驟S032中，對(duì)所述粘附層通過(guò)去離子水清洗并通過(guò)氮?dú)飧稍铩?br> 6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅互連的形成方法，其特征在于，在步驟S04中，所述銅籽晶層采用電鍍工藝沉積形成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的銅互連的形成方法，其特征在于，所述電鍍工藝中采用的電鍍液包括濃度為0.03?0.06mol/L的硫酸銅、濃度為0.06?0.12mol/L的乙二胺絡(luò)合劑以及濃度為0.03?0.05mol/L的三乙醇胺絡(luò)合劑；其中，所述乙二胺絡(luò)合劑的配比大于所述三乙醇胺絡(luò)合劑。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的銅互連的形成方法，其特征在于，所述電鍍工藝中電流密度為 ImA/cm2 到 5mA/cm 2。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的銅互連的形成方法，其特征在于，所述電鍍液的pH值為9?Ilo
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅互連的形成方法，其特征在于，所述粘附層的材料為Co。
【文檔編號(hào)】H01L21/768GK104465507SQ201410849545
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月26日
【發(fā)明者】徐文忠 申請(qǐng)人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司, 上海華虹（集團(tuán)）有限公司