專利名稱：處理溝槽內銅電鍍層的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體制造技術領域，特別涉及一種處理溝槽內銅電鍍層的方法。
背景技術：
目前，在半導體器件的后段(back-end-of-line，BE0L)工藝中，可根據不同需要在半導體襯底上生長多層金屬互連層，每層金屬互連層包括金屬互連線和絕緣層，這就需要在上述絕緣層內制造溝槽(trench)和連接孔，然后在上述溝槽和連接孔內沉積金屬，沉積的金屬即為金屬互連線，一般選用銅作為金屬互連線材料。結合圖Ia至圖lc，對現有技術處理溝槽內銅電鍍層的方法進行說明，其包括以下步驟步驟11、請參閱圖la，通過電化學電鍍(ECP)的方法在溝槽100內銅種子層的表面(圖中未示)形成銅電鍍層101，所填充的銅電鍍層101的高度高于溝槽外絕緣層102的
高度；步驟12、請參閱圖lb，對銅電鍍層101進行平坦化(CMP)，至顯露出絕緣層102，絕
緣層一般為氧化硅；一般地，也可以在形成銅電鍍層之后，未對其進行研磨之前，在大約200攝氏度溫度下進行退火處理，用于加速銅晶格的自退火過程；步驟13、對CMP后的銅電鍍層101表面進行預處理，去除銅表面由于暴露在空氣中而可能生成的氧化銅。預處理的具體操作為在400攝氏度左右(350 450攝氏度)的溫度下的氨氣環(huán)境中，等離子體轟擊銅電鍍層表面，至將氧化銅清除，該處理一般在下一層絕緣層例如氮化硅阻擋層淀積開始前，在淀積工藝腔體內完成。請參閱圖lc，在400攝氏度的高溫下，金屬銅會再次結晶，由于高溫時金屬銅的熱膨脹系數遠遠高于氧化硅中硅的熱膨脹系數，所以在限定的溝槽內，金屬銅會因膨脹而外溢，在銅表面出現凸起(hillock) 103。另一方面，溝槽內填充的銅電鍍層由一個個晶粒構成，每個晶粒包含多個銅原子，在高溫下，晶粒交界處104的能量較高，該處的銅原子比晶粒內部的銅原子更容易在應力作用下發(fā)生遷移，最終在銅表面形成凸起103。那么當溫度恢復到室溫時在原來的晶粒交界處，就會出現空洞(void)。因此半導體器件的可靠性就比較差，出現應力遷移(SM)、電致遷移(EM)等問題，甚至導致器件失效。在應力作用下，銅電鍍層中間的微缺陷以此小空洞為中心，聚集成更大的空洞，互連線的有效導電面積變得更小， 電阻變大，SM和EM又會在有效導電面積變小處變得更為嚴重，最終甚至發(fā)生斷路，就會導致器件失效。在電壓作用下，由于晶粒具有一個個表面，根據電流的特性，晶粒交界處的電流密度比較高，該處的void在電流作用下也會越來越大，一定程度下，同樣會導致器件失效。進一步地，在步驟13之后，為防止溝槽內的銅擴散，以及作為制作連接孔時的刻蝕終止層，會在銅電鍍層表面沉積阻擋層，例如氮化硅層等。如果連接孔恰好位于凸起的位置，則在刻蝕連接孔時，由于該位置處的氮化硅層高于其他位置上的氮化硅層，刻蝕不會在氮化硅層停止，而是繼續(xù)刻蝕至顯露出溝槽內的金屬銅，因此刻蝕氣體及后續(xù)的清洗過程會損傷溝槽內的金屬銅，從而進一步降低了器件的性能。

發(fā)明內容
有鑒于此，本發(fā)明解決的技術問題是避免預處理銅電鍍層時，在銅表面處出現凸起，從而導致半導體器件失效。為解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案具體是這樣實現的本發(fā)明公開了一種處理溝槽內銅電鍍層的方法，該方法包括提供一半導體襯底，所述半導體襯底上形成有絕緣層，所述絕緣層中形成有溝槽；在所述溝槽內填充銅電鍍層，所述銅電鍍層的高度高于所述絕緣層的高度；對所述銅電鍍層進行第一次平坦化；對所述銅電鍍層進行熱處理；對第一次平坦化后的銅電鍍層進行第二次平坦化，并露出所述絕緣層；對第二次平坦化后的銅電鍍層進行預處理，去除銅表面的氧化銅。所述對所述銅電鍍層進行熱處理的設備為爐管、快速熱退火設備或化學氣相沉積設備。所述對所述銅電鍍層進行熱處理的溫度為350 450攝氏度。對所述銅電鍍層進行第一次平坦化后，所述絕緣層上的銅電鍍層被去除一半以上。對第二次平坦化后的銅電鍍層進行預處理的溫度為350 450攝氏度。由上述的技術方案可見，本發(fā)明為避免預處理銅電鍍層時出現凸起，在平坦化銅電鍍層的過程中就對銅電鍍層進行高溫處理，雖然高溫處理時會出現凸起缺陷，但該缺陷會在平坦化過程中被研磨掉。而后續(xù)預處理銅電鍍層時的溫度還達不到再結晶出現凸起缺陷的溫度，因此簡單有效地避免了預處理銅電鍍層時銅表面處還出現凸起的可能，大大提高了半導體器件的可靠性。


圖Ia至圖Ic為現有技術處理溝槽內銅電鍍層的方法的剖面示意圖；圖2為本發(fā)明處理溝槽內銅電鍍層的方法流程示意圖；圖加至圖2d為本發(fā)明處理溝槽內銅電鍍層的方法的剖面示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案、及優(yōu)點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例， 對本發(fā)明進一步詳細說明。本發(fā)明的核心思想是，將銅電鍍層分為兩步研磨，即進行兩次平坦化，更為重要的是，在銅電鍍層的兩步研磨之間加入熱處理步驟，在熱處理過程中，銅再次結晶，出現如現有技術所述的凸起，因此在第二次研磨銅電鍍層時將所述凸起研磨去除。由于銅在熱處理過程中銅結晶達到在熱處理溫度附近的平衡狀態(tài)，如果再次發(fā)生結晶，即打破原來的平衡
4狀態(tài)達到新的平衡，則需要很高的溫度，而后續(xù)預處理去除銅表面的氧化銅時的溫度不足以達到銅的再結晶溫度，所以在后續(xù)預處理去除銅表面的氧化銅時，就不會發(fā)生再結晶現象，也就不會出現現有技術所述的凸起缺陷。本發(fā)明處理溝槽內銅電鍍層的方法的流程示意圖如圖2所示，包括以下步驟步驟21、請參閱圖2a，提供一半導體襯底(圖中未示)，所述半導體襯底上形成有絕緣層，所述絕緣層中形成有溝槽；在所述溝槽內填充銅電鍍層，所述銅電鍍層的高度高于所述絕緣層的高度。具體地，通過電化學電鍍(ECP)的方法在溝槽200內銅種子層的表面(圖中未示) 形成銅電鍍層201，所填充的銅電鍍層201的高度高于溝槽外絕緣層202的高度；步驟22、請參閱圖2b，對銅電鍍層201進行第一次平坦化(CMP)。優(yōu)選的，對所述銅電鍍層進行第一次平坦化后，所述絕緣層上的銅電鍍層被去除一半以上。該步驟的銅電鍍層去除厚度不作具體限定，由于銅電鍍層201與半導體襯底的硬度存在較大差異，在進行第一次平坦化時產生的應力就存在很大差異，則容易在后續(xù)的平坦化過程中產生半導體破片，所以，該步驟主要目的是減少在后續(xù)平坦化過程中銅電鍍層201與半導體襯底之間的應力差異。一種實施例如圖2b所示，所述絕緣層上的銅電鍍層被去除1/2 ；—種實施例為所述絕緣層上的銅電鍍層被全部去除，露出絕緣層。一般地，也可以在形成銅電鍍層之后，未對其進行研磨之前，在大約200攝氏度溫度下進行退火處理，用于修復電鍍的銅晶格；步驟23、對所述銅電鍍層進行熱處理。具體操作為在270 500攝氏度的高溫下，對銅電鍍層進行加熱，使得金屬銅再次結晶，高溫下形成的凸起203如圖2c所示。由于高溫時金屬銅的熱膨脹系數遠遠高于氧化硅中硅的熱膨脹系數，所以在限定的溝槽內，金屬銅會在再結晶過程中膨脹外溢，在銅表面出現凸起203。另一方面，溝槽內填充的銅電鍍層由一個個晶粒構成，每個晶粒包含多個銅原子，在高溫下，晶粒交界處204的能量較高， 該處的銅原子比晶粒內部的銅原子更容易在應力作用下發(fā)生遷移，形成凸起203。熱處理設備可以有多種，可以在爐管、快速熱退火設備或化學氣相沉積設備等；該步驟中主要目的是給銅電鍍層加熱，所以操作起來簡單易實現。加熱步驟使得金屬銅再結晶出現凸起，后續(xù)就不會再出現了。步驟M、請參閱圖2d，對第一次平坦化后的銅電鍍層201進行第二次CMP，并露出絕緣層202。絕緣層一般為氧化硅。根據步驟22的說明，如果第一次平坦化后絕緣層上仍然有銅電鍍層剩余，則第二次平坦化不但去除絕緣層上剩余的銅電鍍層，而且恰好將步驟23中產生的凸起203研磨掉；如果第一次平坦化后就顯露出絕緣層，則第二次平坦化只需將將步驟23中產生的凸起研磨掉即可。步驟25、對第二次平坦化后的銅電鍍層201表面進行預處理，去除銅表面由于暴露在空氣中而可能生成的氧化銅。預處理的具體操作為在400攝氏度左右(350 450攝氏度)的溫度下的氨氣環(huán)境中，等離子體轟擊銅電鍍層表面，至將氧化銅清除。銅電鍍層在熱處理過程中已經再次結晶，因此在清除氧化銅的預處理過程中，雖然溫度在400攝氏度，但還不足以使銅電鍍層再次結晶，所以不會再次出現凸起，經過預處理后仍然如圖2d所示，也就不會出現現有技術所述的SM或者EM缺陷。進一步地，后續(xù)沉積在銅電鍍層表面的氮化硅層就比較平坦，不會像現有技術那樣，在刻蝕形成連接孔時，將凸起位置上的氮化硅層打開，損傷到金屬銅，而是刻蝕剛好在氮化硅層停止。綜上所述，本發(fā)明避免預處理銅電鍍層時出現凸起的方法，簡單易實現，提高了器件的可靠性。需要說明的是，本發(fā)明的熱處理是對晶片(wafer)進行的，晶片上形成有具有互連層的半導體器件，所以對晶片進行加熱，主要為了對其上的銅電鍍層加熱。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明保護的范圍之內。
權利要求
1.一種處理溝槽內銅電鍍層的方法，該方法包括提供一半導體襯底，所述半導體襯底上形成有絕緣層，所述絕緣層中形成有溝槽； 在所述溝槽內填充銅電鍍層，所述銅電鍍層的高度高于所述絕緣層的高度； 對所述銅電鍍層進行第一次平坦化； 對所述銅電鍍層進行熱處理；對第一次平坦化后的銅電鍍層進行第二次平坦化，并露出所述絕緣層； 對第二次平坦化后的銅電鍍層進行預處理，去除銅表面的氧化銅。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述對所述銅電鍍層進行熱處理的設備為爐管、快速熱退火設備或化學氣相沉積設備。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述對所述銅電鍍層進行熱處理的溫度為 ；350 450攝氏度。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，對所述銅電鍍層進行第一次平坦化后，所述絕緣層上的銅電鍍層被去除一半以上。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，對第二次平坦化后的銅電鍍層進行預處理的溫度為350 450攝氏度。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種處理溝槽內銅電鍍層的方法，該方法包括提供一半導體襯底，所述半導體襯底上形成有絕緣層，所述絕緣層中形成有溝槽；在所述溝槽內填充銅電鍍層，所述銅電鍍層的高度高于所述絕緣層的高度；對所述銅電鍍層進行第一次平坦化；對所述銅電鍍層進行熱處理；對第一次平坦化后的銅電鍍層進行第二次平坦化，并露出所述絕緣層；對第二次平坦化后的銅電鍍層進行預處理，去除銅表面的氧化銅。采用本發(fā)明的方法能夠避免預處理銅電鍍層時銅表面出現凸起。
文檔編號H01L21/768GK102339786SQ20101023324
公開日2012年2月1日 申請日期2010年7月16日 優(yōu)先權日2010年7月16日
發(fā)明者葉菁 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司