形成金屬互連的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種形成金屬互連的方法，在原子層沉積前，首先利用預(yù)清潔步驟，將接觸孔底部暴露的金屬銅表面的氧化銅去除，然后通過預(yù)處理步驟，使接觸孔底部暴露的金屬銅表面懸掛氫鍵，由于氮化鉭在懸掛氫鍵的金屬銅表面成核困難，因此，在接觸孔側(cè)壁形成第一擴(kuò)散阻擋層時(shí)，在經(jīng)過預(yù)清潔和預(yù)處理后的接觸孔底壁表面不會(huì)形成第一擴(kuò)散阻擋層，由此，降低了接觸電阻。
【專利說明】
形成金屬互連的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種形成金屬互連的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著半導(dǎo)體制造工藝的發(fā)展，半導(dǎo)體芯片的面積越來越小，同時(shí)，在一個(gè)半導(dǎo)體芯片上的半導(dǎo)體器件的數(shù)量也越來越多。在半導(dǎo)體電路中，半導(dǎo)體器件之間的信號傳輸需要高密度的金屬互連線，然而這些金屬互連線帶來的大電阻和寄生電容已經(jīng)成為限制半導(dǎo)體電路速度的主要因素。
[0003]在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝中，由于金屬銅相比具有較小的電阻值，以及更高的抗電迀移能力，采用金屬銅互連線可提高半導(dǎo)體器件之間信號的傳輸速度；在另一方面，低介電常數(shù)絕緣材料(low k)被用作金屬層間的介質(zhì)層，減少了金屬層之間的寄生電容。
[0004]但是以金屬銅用作互連線在實(shí)際應(yīng)用時(shí)也存在著相應(yīng)的問題，由于金屬銅的擴(kuò)散性很高，使用金屬銅填充接觸孔(via)時(shí)，接觸孔中的銅原子很容易擴(kuò)散入介質(zhì)層，導(dǎo)致介質(zhì)層的性能降低，影響半導(dǎo)體器件的性能。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)中為了解決銅互連線的擴(kuò)散現(xiàn)象通常在接觸孔底壁及側(cè)壁表面形成擴(kuò)散阻擋層，作為現(xiàn)有技術(shù)的典型實(shí)施例如圖1a?Ib所示:在互連金屬層10表面沉積低介電常數(shù)絕緣材料形成介質(zhì)層11后，在介質(zhì)層11中形成接觸孔12，利用PVD (Physical VaporDeposit1n，物理氣相沉積)沉積擴(kuò)散阻擋層13，如金屬鉭和/或氮化鉭；沉積金屬銅14，以填充接觸孔12 ;最后執(zhí)行化學(xué)機(jī)械研磨暴露介質(zhì)層11表面，并高溫退火。利用上述工藝，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)避免金屬銅互連線擴(kuò)散至介質(zhì)層，但是，由于物理氣相沉積的階梯覆蓋能力在接觸孔側(cè)壁最差，為保證側(cè)壁有足夠厚度的氮化鉭存在以滿足防止金屬銅擴(kuò)散，因此，接觸孔側(cè)壁處的氮化鉭厚度不能太薄，在滿足上述需求的同時(shí)，接觸孔底部的氮化鉭會(huì)生長比較厚，由于氮化鉭電阻比較高，這樣就導(dǎo)致比較高的接觸電阻，影響器件性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種形成金屬互連的方法，在避免金屬銅金屬線向介質(zhì)層擴(kuò)散的同時(shí)，降低接觸電阻。
[0007]本發(fā)明提供了一種形成金屬互連的方法，包括:
[0008]提供包括互連金屬層的基底，所述互連金屬層的材料為金屬銅；
[0009]在所述互連金屬層的表面形成介質(zhì)層；
[0010]于所述介質(zhì)層中形成底部暴露所述互連金屬層表面的接觸孔；
[0011]對暴露的互連金屬層表面進(jìn)行預(yù)清潔，以去除所述互連金屬層表面的氧化銅；
[0012]對暴露的互連金屬層表面進(jìn)行預(yù)處理，以使暴露的所述互連金屬層表面的銅懸掛氫鍵；
[0013]采用原子層沉積氮化鉭，以使所述接觸孔側(cè)壁形成第一擴(kuò)散阻擋層；
[0014]沉積金屬銅以填充所述接觸孔；
[0015]執(zhí)行化學(xué)機(jī)械研磨，以暴露所述介質(zhì)層表面。
[0016]進(jìn)一步，在采用原子層沉積氮化鉭，以使所述接觸孔側(cè)壁形成第一氮化鉭層之后，沉積金屬銅以填充所述接觸孔之前還包括采用物理氣相沉積氮化鉭和/或金屬鉭，以在所述第一擴(kuò)散阻擋層和所述接觸孔底壁上形成第二擴(kuò)散阻擋層的步驟。
[0017]進(jìn)一步，對暴露的互連金屬層表面進(jìn)行預(yù)清潔包括:在第一處理室內(nèi)通入惰性氣體，以惰性氣體的等離子體轟擊暴露的互連金屬層表面。
[0018]進(jìn)一步，所述惰性氣體包括氬氣、氦氣和氖氣的混合氣體，氣體流量為4-lOOsccm，偏置電壓為500-1500V，控制功率為200-500W，氣壓為0.5-10torr，控制溫度為0_50°C。
[0019]進(jìn)一步，對暴露的互連金屬層表面進(jìn)行預(yù)處理，以使暴露的所述互連金屬層表面的銅懸掛氫鍵包括:在第二處理室內(nèi)，通入氫氣和氫自由基的混合氣體，并對所述基底進(jìn)行退火處理。
[0020]進(jìn)一步，所述混合氣源中，所述氫自由基體積比為5 % -10 %，所述混合氣體的流量為100-800sccm，所述處理時(shí)間為30-100秒。
[0021]進(jìn)一步，采用原子層沉積氮化鉭，以使所述接觸孔側(cè)壁形成第一擴(kuò)散阻擋層包括:
[0022]步驟1:在第三處理室，通入含鉭前驅(qū)體；
[0023]步驟2:通入惰性氣體對所述基底執(zhí)行第一次惰性氣體吹掃；
[0024]步驟3:通入含氮前驅(qū)體與所述含鉭前驅(qū)體反應(yīng)生成氮化鉭；
[0025]步驟4:再次通入惰性氣體對所述基底執(zhí)行第二次惰性氣體吹掃；
[0026]循環(huán)執(zhí)行步驟I至步驟4至預(yù)定次數(shù)，以使所述接觸孔側(cè)壁形成預(yù)定厚度的第一擴(kuò)散阻擋層。
[0027]進(jìn)一步，所述含鉭前驅(qū)體為五(二甲氨基)鉭；所述含氮前驅(qū)體為氨氣。
[0028]進(jìn)一步，所述第一擴(kuò)散阻擋層的預(yù)定厚度為小于等于10埃。
[0029]采用本發(fā)明提供的形成金屬互連的方法，在原子層沉積前，首先利用預(yù)清潔步驟，將接觸孔底部暴露的金屬銅表面的氧化銅去除，然后通過預(yù)處理步驟，使接觸孔底部暴露的金屬銅表面懸掛氫鍵，由于氮化鉭在懸掛氫鍵的金屬銅表面成核困難，因此，在接觸孔側(cè)壁形成第一擴(kuò)散阻擋層時(shí)，在經(jīng)過預(yù)清潔和預(yù)處理后的接觸孔底壁表面不會(huì)形成第一擴(kuò)散阻擋層，由此，降低了接觸電阻。
【附圖說明】
[0030]圖1a至圖1b為現(xiàn)有技術(shù)中反向工藝流程的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖2為本申請研磨方法流程示意圖；
[0032]圖3a_3f為本申請研磨方法典型實(shí)施例的流程結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下參照附圖并舉實(shí)施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0034]本發(fā)明是基于以下考慮實(shí)現(xiàn)的:
[0035]金屬銅互連線向介質(zhì)層擴(kuò)散是由于接觸孔的側(cè)壁與金屬銅互連線直接接觸，通過在接觸孔的側(cè)壁表面形成擴(kuò)散阻擋層是避免金屬銅擴(kuò)散至介質(zhì)層的主要手段，然而，現(xiàn)有技術(shù)使用PVD進(jìn)行擴(kuò)散阻擋層的沉積不能做到選擇性沉積，并且由于現(xiàn)有的PVD工藝的限制，在同一 PVD制程過程中，接觸孔底壁沉積的擴(kuò)散阻擋層較接觸孔側(cè)壁厚度更厚，而厚度增加的擴(kuò)散阻擋層如氮化鉭，會(huì)導(dǎo)致接觸電阻的增加。因此，降低接觸電阻的關(guān)鍵在于找到合適的工藝實(shí)現(xiàn)氮化鉭的選擇性沉積。
[0036]由上述考慮，本申請?zhí)峁┝艘环N形成金屬互連的方法，如圖2所示，包括:
[0037]提供包括互連金屬層的基底，所述互連金屬層的材料為金屬銅；
[0038]在所述互連金屬層的表面形成介質(zhì)層；
[0039]于所述介質(zhì)層中形成底部暴露所述互連金屬層表面的接觸孔；
[0040]對暴露的互連金屬層表面進(jìn)行預(yù)清潔，以去除所述互連金屬層表面的氧化銅；
[0041]對暴露的互連金屬層表面進(jìn)行預(yù)處理，以使暴露的所述互連金屬層表面的銅懸掛氫鍵；
[0042]采用原子層沉積氮化鉭，以使所述接觸孔側(cè)壁形成第一擴(kuò)散阻擋層；
[0043]沉積金屬銅以填充所述接觸孔；
[0044]執(zhí)行化學(xué)機(jī)械研磨，以暴露所述介質(zhì)層表面。
[0045]以下結(jié)合附圖3a?3f對本申請進(jìn)行詳細(xì)說明:
[0046]如圖3a所示，提供包括互連金屬層21的基底20，互連金屬層21的材料為金屬銅；在互連金屬層21的表面形成介質(zhì)層22，介質(zhì)層22優(yōu)選采用低介電常數(shù)絕緣材料(low k);在介質(zhì)層22中形成底部暴露互連金屬層21表面的接觸孔23 ;本領(lǐng)域技術(shù)人員常用的，可以在介質(zhì)層22上形成光刻膠，并對光刻膠進(jìn)行圖案化后，以圖案化的光刻膠作為掩膜，對介質(zhì)層22進(jìn)行干法刻蝕，如等離子刻蝕，由此可形成接觸孔23，在此不再贅述。
[0047]如圖3b所示，由于暴露的互連金屬層表面的銅會(huì)于空氣中的氧氣接觸發(fā)生反應(yīng)，生成氧化銅，而后續(xù)原子層沉積形成的氮化鉭在氧化銅表面容易成核，因此，需對暴露的互連金屬層表面進(jìn)行預(yù)清潔，以去除互連金屬層21表面的氧化銅；在本實(shí)施例中，優(yōu)選的在第一處理室內(nèi)通入惰性氣體，以惰性氣體的等離子體轟擊暴露的互連金屬層21表面，以去除互連金屬層21表面的氧化銅，惰性氣體包括氬氣、氦氣和氖氣的混合氣體，氣體流量為4-100sccm，偏置電壓為500-1500V，控制功率為200-500W，氣壓為0.5-lOtorr，控制溫度為0-50 0C ；
[0048]如圖3c所示，對暴露的互連金屬層21表面進(jìn)行預(yù)處理，以使暴露的互連金屬層21表面的銅懸掛氫鍵；在本實(shí)施例中，在第二處理室內(nèi)，通入氫氣和氫自由基的混合氣體，并對基底20進(jìn)行退火處理，優(yōu)選的，混合氣體中，氫自由基體積比為5 % -10 %，混合氣體的流量為100-800sccm，處理時(shí)間為30-100秒。
[0049]如圖3d所示，采用原子層沉積氮化鉭，以使所述接觸孔側(cè)壁形成第一擴(kuò)散阻擋層；在本實(shí)施例中，形成第一擴(kuò)散阻擋層的步驟包括:
[0050]步驟1:在第三處理室，通入含鉭前驅(qū)體；
[0051]步驟2:通入惰性氣體對基底20執(zhí)行第一次惰性氣體吹掃；
[0052]步驟3:通入含氮前驅(qū)體與含鉭前驅(qū)體反應(yīng)生成氮化鉭；
[0053]步驟4:再次通入惰性氣體對基底20執(zhí)行第二次惰性氣體吹掃；
[0054]循環(huán)執(zhí)行步驟I至步驟4至預(yù)定次數(shù)，以使接觸孔側(cè)壁形成預(yù)定厚度的第一擴(kuò)散阻擋層24 ;作為優(yōu)選的，含鉭前驅(qū)體為五(二甲氨基)鉭(PDMAT);含氮前驅(qū)體為氨氣(NH3);第一擴(kuò)散阻擋層24的預(yù)定厚度小于等于10埃；由于暴露的互連金屬層21表面去除了易于氮化鉭成核的氧化銅，并使得暴露的互連金屬層21表面的金屬銅懸掛氫鍵，從而在原子層沉積氮化鉭時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)選擇性沉積，沉積的由氮化鉭組成的第一擴(kuò)散阻擋層24只形成于接觸孔23的側(cè)壁處；
[0055]由于采用原子層沉積的第一擴(kuò)散阻擋層24的致密性低于傳統(tǒng)的物理氣相沉積的擴(kuò)散阻擋層，在本實(shí)施例中，優(yōu)選的，如圖3e所示，在采用原子層沉積氮化鉭，以使接觸孔側(cè)壁形成第一氮化鉭層24之后，采用物理氣相沉積氮化鉭和/或金屬鉭，以在第一擴(kuò)散阻擋層24和接觸孔23底壁上形成第二擴(kuò)散阻擋層25的步驟；
[0056]如圖3f所示，沉積金屬銅以填充接觸孔23，并執(zhí)行化學(xué)機(jī)械研磨，以暴露介質(zhì)層22表面，高溫退火，從而形成互連金屬線26。
[0057]采用本發(fā)明提供的形成金屬互連的方法，在原子層沉積前，首先利用預(yù)清潔步驟，將接觸孔底部暴露的金屬銅表面的氧化銅去除，然后通過預(yù)處理步驟，使接觸孔底部暴露的金屬銅表面懸掛氫鍵，由于氮化鉭在懸掛氫鍵的金屬銅表面成核困難，因此，在接觸孔側(cè)壁形成第一擴(kuò)散阻擋層時(shí)，在經(jīng)過預(yù)清潔和預(yù)處理后的接觸孔底壁表面不會(huì)形成第一擴(kuò)散阻擋層，由此，降低了接觸電阻。
[0058]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)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(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明保護(hù)的范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種形成金屬互連的方法，其特征在于，包括: 提供包括互連金屬層的基底，所述互連金屬層的材料為金屬銅； 在所述互連金屬層的表面形成介質(zhì)層； 于所述介質(zhì)層中形成底部暴露所述互連金屬層表面的接觸孔； 對暴露的互連金屬層表面進(jìn)行預(yù)清潔，以去除所述互連金屬層表面的氧化銅； 對暴露的互連金屬層表面進(jìn)行預(yù)處理，以使暴露的所述互連金屬層表面的銅懸掛氫鍵; 采用原子層沉積氮化鉭，以使所述接觸孔側(cè)壁形成第一擴(kuò)散阻擋層； 沉積金屬銅以填充所述接觸孔； 執(zhí)行化學(xué)機(jī)械研磨，以暴露介質(zhì)層表面，并高溫退火。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在采用原子層沉積氮化鉭，以使所述接觸孔側(cè)壁形成第一氮化鉭層之后，沉積金屬銅以填充所述接觸孔之前還包括采用物理氣相沉積氮化鉭和/或金屬鉭，以在所述第一擴(kuò)散阻擋層和所述接觸孔底壁上形成第二擴(kuò)散阻擋層的步驟。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，對暴露的互連金屬層表面進(jìn)行預(yù)清潔包括:在第一處理室內(nèi)通入惰性氣體，以惰性氣體的等離子體轟擊暴露的互連金屬層表面。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述惰性氣體包括氬氣、氦氣和氖氣的混合氣體，氣體流量為4-100sccm，偏置電壓為500-1500V，控制功率為200-500W，氣壓為0.5-10torr，控制溫度為 0_50°C。5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，對暴露的互連金屬層表面進(jìn)行預(yù)處理，以使暴露的所述互連金屬層表面的銅懸掛氫鍵包括:在第二處理室內(nèi)，通入氫氣和氫自由基的混合氣體，并對所述基底進(jìn)行退火處理。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述混合氣體中，所述氫自由基體積比為5% -10%，所述混合氣體的流量為100-800sccm，所述處理時(shí)間為30-100秒。7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，采用原子層沉積氮化鉭，以使所述接觸孔側(cè)壁形成第一擴(kuò)散阻擋層包括: 步驟1:在第三處理室，通入含鉭前驅(qū)體； 步驟2:通入惰性氣體對所述基底執(zhí)行第一次惰性氣體吹掃； 步驟3:通入含氮前驅(qū)體與所述含鉭前驅(qū)體反應(yīng)生成氮化鉭； 步驟4:再次通入惰性氣體對所述基底執(zhí)行第二次惰性氣體吹掃； 循環(huán)執(zhí)行步驟I至步驟4至預(yù)定次數(shù)，以使所述接觸孔側(cè)壁形成預(yù)定厚度的第一擴(kuò)散阻擋層。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述含鉭前驅(qū)體為五(二甲氨基)鉭；所述含氮前驅(qū)體為氨氣。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一擴(kuò)散阻擋層的預(yù)定厚度為小于等于10埃。
【文檔編號】H01L21/768GK105990221SQ201510057248
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月4日
【發(fā)明人】劉繼全, 徐建華, 荊學(xué)珍
【申請人】中芯國際集成電路制造(上海)有限公司