一種制作半導(dǎo)體器件的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種制作半導(dǎo)體器件的方法，包括：提供半導(dǎo)體襯底，在所述半導(dǎo)體襯底上形成溝槽結(jié)構(gòu)；在所述半導(dǎo)體襯底上及所述溝槽結(jié)構(gòu)中形成銅晶種層；采用轟擊工藝和熱回流法處理所述銅晶種層。根據(jù)本發(fā)明的制造工藝可以有效避免在后段制程中出現(xiàn)銅孔洞問題。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造工藝，尤其涉及一種避免在后段制程（BE0L)中出現(xiàn)銅孔洞 (Void)的方法。 一種制作半導(dǎo)體器件的方法

【背景技術(shù)】
[0002] 在半導(dǎo)體制造工藝中，隨著集成電路制造工藝的不斷進步，芯片集成度的不斷提 高，在降低互連線的RC延遲、改善電遷移等方面，金屬銅與金屬鋁相比具有低電阻系數(shù)，高 熔點和優(yōu)良的電遷移耐力，在較高的電流密度和低功率的條件下也可以使用。同時，在雙嵌 入式工藝（Dual damascene)，又稱雙大馬革工藝，以及電化學(xué)電鍍工藝中，銅互連具有成本 低、較好性能和穩(wěn)定性。因此，銅材料已被廣泛地應(yīng)用于前沿的集成電路制造工藝中，尤其 對于先進的技術(shù)工藝，金屬銅材料是最好的選擇代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋁/銅合金的互連結(jié)構(gòu)。其中， 在高性能的銅互連結(jié)構(gòu)中檢測缺陷和減少缺陷是最關(guān)鍵的，缺陷的減少最終能夠提高半導(dǎo) 體器件的可靠性和良品率。
[0003] 通常采用被動電壓對比度（Passive Voltage Contrast, PVC)的方法對缺陷的進 行測試。具體的測試方法為在分析接觸孔的失效機制時，采用反應(yīng)離子刻蝕（RIE)工藝將 接觸孔上層的覆蓋層去除，使所要觀測的接觸孔的上端剛好暴露出來，被動電壓對比度技 術(shù)結(jié)合聚焦離子束（FIB)和掃描電鏡（SEM)電子束對器件的缺陷定位和分析。
[0004] 圖1A-1C為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)制作銅填充的相關(guān)步驟所獲得的器件的剖視圖。
[0005] 如圖1A所示，提供半導(dǎo)體襯底(未示出），在半導(dǎo)體襯底上形成介質(zhì)層(未示出），刻 蝕所述介質(zhì)層形成溝槽結(jié)構(gòu)，接著，采用選擇性離子化物理氣相沉積（selective ionized PVD)的方法在半導(dǎo)體襯底上和溝槽結(jié)構(gòu)中沉積形成擴散阻擋層100和銅晶種層101，以形 成溝槽結(jié)構(gòu)102。在采用選擇性離子化物理氣相沉積的方法依次沉積擴散阻擋層100和銅 晶種層101的過程中，沉積材料從溝槽的頂部和側(cè)壁入口沉積，其中在溝槽結(jié)構(gòu)頂部沉積 的速率為X，在溝槽結(jié)構(gòu)底部沉積的速率為Y，在溝槽結(jié)構(gòu)頂部沉積的速率大于在底部沉積 的速率，即X>Y。這樣會先在溝槽結(jié)構(gòu)的頂部沉積形成銅層，產(chǎn)生突懸，縮小了溝槽結(jié)構(gòu)開口 尺寸。
[0006] 如圖1Β所示，在沉積形成溝槽結(jié)構(gòu)102之后，采用熱回流法（thermal reflow)使 銅晶種層101的表面變的平坦，通過加熱和回旋的方式使沉積形成在銅晶種層101上的填 充材料在重力和自身張力的作用下，消除銅晶種層101表面的起伏形貌，以形成銅晶種層 103。其中，在溫度為200?300°C的條件下執(zhí)行熱回流工藝。
[0007] 如圖1C所示，使用電化學(xué)電鍍（electroplating)的方法對溝槽結(jié)構(gòu)102進行填 充，即在銅晶種層103的表面形成銅金屬層105,通過對有機物和無機物水浴成分和補給的 即時分析可以維持穩(wěn)定的電鍍工藝。或者，可以采用電化學(xué)電鍍的方法直接填充溝槽結(jié)構(gòu) 102,即不使用熱回流工藝處理銅晶種層101，直接使用電化學(xué)電鍍的方法在銅金屬層101 上沉積形成銅金屬層105。
[0008] 在現(xiàn)有技術(shù)中，制作的邏輯產(chǎn)品（logic produce)很容易產(chǎn)生銅孔洞。如圖1A-1C 所示，在采用選擇等離子化物理氣相沉積的方法填充溝槽結(jié)構(gòu)時，由于在溝槽結(jié)構(gòu)頂部沉 積的速率大于底部沉積的速率，會現(xiàn)在半導(dǎo)體襯底上和溝槽結(jié)構(gòu)的頂部形成銅層，產(chǎn)生突 懸，影響后續(xù)的填充工藝，在形成的互連結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生孔洞104和孔洞106。在銅互連結(jié)構(gòu)中 產(chǎn)生的銅孔洞將影響銅互連結(jié)構(gòu)的電連接特性和機械特性，從而降低銅互連的壽命和良品 率。
[0009] 因此，目前急需一種避免在后段制程（BE0L)中出現(xiàn)銅孔洞（Void)的方法，以解決 上述問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 在
【發(fā)明內(nèi)容】
部分中引入了一系列簡化形式的概念，這將在【具體實施方式】部分中進 一步詳細說明。本發(fā)明的
【發(fā)明內(nèi)容】
部分并不意味著要試圖限定出所要求保護的技術(shù)方案的 關(guān)鍵特征和必要技術(shù)特征，更不意味著試圖確定所要求保護的技術(shù)方案的保護范圍。
[0011] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種制作半導(dǎo)體器件的方法，包 括：提供半導(dǎo)體襯底，在所述半導(dǎo)體襯底上形成溝槽結(jié)構(gòu)；在所述半導(dǎo)體襯底上及所述溝 槽結(jié)構(gòu)中形成銅晶種層；采用轟擊工藝和熱回流法處理所述銅晶種層。
[0012] 優(yōu)選地，多次采用所述轟擊工藝和所述熱回流法處理所述銅晶種層。
[0013] 優(yōu)選地，執(zhí)行所述轟擊工藝和所述熱回流法的次數(shù)至少為3次。
[0014] 優(yōu)選地，所述轟擊工藝的轟擊功率為100瓦?2000瓦。
[0015] 優(yōu)選地，所述轟擊工藝的真空腔室內(nèi)的壓強小于0. 1毫托。
[0016] 優(yōu)選地，所述轟擊工藝采用的氣體為氬。
[0017] 優(yōu)選地，所述熱回流法的溫度為200°C?400°C。
[0018] 優(yōu)選地，還包括在所述溝槽結(jié)構(gòu)中沉積形成銅金屬層的步驟。
[0019] 優(yōu)選地，采用電化學(xué)電鍍的方法沉積所述銅金屬層。
[0020] 優(yōu)選地，采用選擇性離子化物理氣相沉積的方法形成所述銅晶種層。
[0021] 優(yōu)選地，還包括在所述銅晶種層與所述溝槽結(jié)構(gòu)之間形成擴散阻擋層的步驟。
[0022] 優(yōu)選地，采用選擇性離子化物理氣相沉積的方法形成所述擴散阻擋層。
[0023] 綜上所示，根據(jù)本發(fā)明的制造工藝可以有效避免在后段制程中出現(xiàn)銅孔洞問題。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 本發(fā)明的下列附圖在此作為本發(fā)明的一部分用于理解本發(fā)明。附圖中示出了本發(fā) 明的實施例及其描述，用來解釋本發(fā)明的原理。在附圖中，
[0025] 圖1A-圖1C為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)制作銅填充的相關(guān)步驟所獲得的器件的剖視圖；
[0026] 圖2A-圖2E為根據(jù)本發(fā)明制作銅填充的相關(guān)步驟所獲得的器件的剖視圖；
[0027] 圖3為根據(jù)本發(fā)明一個實施方式制作銅填充的工藝流程圖。

【具體實施方式】
[0028] 在下文的描述中，給出了大量具體的細節(jié)以便提供對本發(fā)明更為徹底的理解。然 而，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的是，本發(fā)明可以無需一個或多個這些細節(jié)而得以 實施。在其他的例子中，為了避免與本發(fā)明發(fā)生混淆，對于本領(lǐng)域公知的一些技術(shù)特征未進 行描述。
[0029] 為了徹底了解本發(fā)明，將在下列的描述中提出詳細的步驟，以便說明本發(fā)明中的 銅填充工藝是如何有效避免在后段制程中出現(xiàn)銅孔洞問題。顯然本發(fā)明的較佳實施例詳細 的描述如下，然而去除這些詳細描述外，本發(fā)明還可以具有其他實施方式。
[0030] 為了克服在后段制程中出現(xiàn)銅填充的孔洞問題，本發(fā)明提出了一種改進的銅填充 的方法。參照圖2A至圖2E，示出根據(jù)本發(fā)明一個方面的實施例的相關(guān)步驟的剖視圖。
[0031] 如圖2A所示，提供半導(dǎo)體襯底(未示出），半導(dǎo)體襯底包括前段工藝中所形成的器 件結(jié)構(gòu)層，例如金屬互連結(jié)構(gòu)層等。具體舉例為導(dǎo)線層形成于襯底內(nèi)，導(dǎo)線層是需要引出到 器件表面的金屬層。接著，在半導(dǎo)體襯底上形成刻蝕停止層（未示出）和層間介質(zhì)層(未示 出），刻蝕所述層間介質(zhì)層形成溝槽結(jié)構(gòu)(未示出）。然后，在所述半導(dǎo)體襯底上和溝槽結(jié)構(gòu) 中依次沉積形成擴散阻擋層200和種子層201a，形成溝槽結(jié)構(gòu)202。通常采用物理氣相沉 積（PVD)的方法制備擴散阻擋層，擴散阻擋層可于介于-40°C?400°C的溫度與約介于0. 1 毫托（mTorr)?100毫托（mTorr)的壓力下形成。銅晶種層的制備方法也通常選用物理 氣相沉積。但是，采用物理氣相沉積的方法制備擴散阻擋層200和銅晶種層20al會更容 易地導(dǎo)致后續(xù)工藝形成銅孔洞。因此，在本實施例中優(yōu)選采用選擇性離子化物理氣相沉積 (selective ionized PVD)的方法制備擴散阻擋層200和銅晶種層201a。選擇離子化物理 氣相沉積能夠控制離子沉積的方向，在一定的程度上可以減少孔洞的形成。作為一個實例， 圖案化的襯底被置于選擇性離子化物理氣相沉積的系統(tǒng)中的處理室內(nèi)的晶片臺上，用低凈 沉積工藝沉積擴散阻擋層，在處理室中生成高密度等離子體氣體，包括惰性氣體和金屬氣 體。擴散阻擋層通常為金屬或金屬化合物層的材質(zhì)，例如，鉭、氮化鉭、鈦、氮化鈦、氮化鋯、 氮化鈦鋯、鎢、氮化鎢、其合金或其組成物。此外，擴散阻擋層亦可能包括多個膜層。優(yōu)選在 擴散阻擋層上先形成一層鈷（Co)增強層（enhancement layer)(未示出）然后再形成銅晶 種層201a。鈷增強層能夠提高銅互連的電遷移耐力，同時可以有效地加強在較小幾何溝槽 /結(jié)構(gòu)中的銅填充能力。采用無凈沉積工藝沉積銅種子層。沉積材料從溝槽結(jié)構(gòu)的頂部和 側(cè)壁入口沉積，其中在溝槽結(jié)構(gòu)頂部沉積的速率為X，在溝槽結(jié)構(gòu)底部沉積的速率為Y，在 溝槽結(jié)構(gòu)頂部沉積的速率大于在底部沉積的速率，即X>Y。這樣會先在半導(dǎo)體的襯底上和溝 槽結(jié)構(gòu)的頂部沉積形成銅層，產(chǎn)生突懸，縮小了溝槽結(jié)構(gòu)202開口尺寸無法進行再填充。
[0032] 如圖2Β所示，采用惰性氣體等離子體轟擊（bombardment)圖案化襯底上的銅布線 層以形成溝槽結(jié)構(gòu)203和銅晶種層201b，即轟擊擴散阻擋層200和銅晶種層201a，所述惰 性氣體為氦、氖、氦、氪和氣。作為一個實例，將上述半導(dǎo)體襯底放入反應(yīng)室內(nèi)與電極的一端 相連接，惰性氣體在電場的作用下電離產(chǎn)生惰性氣體等離子體，所述惰性氣體等離子體轟 擊上述半導(dǎo)體襯底中的銅晶種層。優(yōu)選惰性氣體為氬，轟擊的深度范圍為30埃?70埃，氬 等離子體的流量為2立方厘米/分鐘（seem)?20立方厘米/分鐘（seem)，襯底的溫度范 圍為20°C?100°C，真空腔內(nèi)的氣壓小于0. 1毫托（mTorr)，轟擊功率范圍為100瓦?2000 瓦。通過采用氬等離子體轟擊溝槽結(jié)構(gòu)202中的擴散阻擋層200和銅晶種層201a將溝槽 結(jié)構(gòu)202頂部拐角處已經(jīng)沉積的較厚的擴散阻擋層和銅晶種層薄膜重新轟擊剝離，調(diào)整已 經(jīng)沉積在溝槽結(jié)構(gòu)中填充薄膜臺階覆蓋的狀態(tài)，從而起到緩解溝槽結(jié)構(gòu)頂部突懸的問題。
[0033] 如圖2C所示，采用平坦化技術(shù)對溝槽結(jié)構(gòu)203中的擴散阻擋層200和銅晶種層 201b進行平坦化，形成溝槽結(jié)構(gòu)204中的擴散阻擋層200和銅晶種層201c。平坦化是實現(xiàn) 多層布線和解決孔洞問題的關(guān)鍵。常用的平坦化技術(shù)包括，旋涂玻璃、低壓化學(xué)氣相沉積、 電子環(huán)繞共振法和熱回流法（thermal reflow)。其中優(yōu)選采用熱回流法（thermal reflow) 使擴散阻擋層和銅晶種層的表面變的平坦，通過加熱和回旋的方式使沉積形成在銅晶種層 201b上的填充材料在重力和自身張力的作用下，消除銅晶種層201b表面的起伏形貌，以形 成銅晶種層201c。作為一個實例，在0. 28焦耳/平方厘米?0. 34焦耳/平方厘米的輻射 通量的條件下，通過在已沉積形成的銅晶種層201b上照射脈沖激光光束銅進行激光加溫 退火，利用的氨氣的流量為200立方厘米/分鐘（seem)?2000立方厘米/分鐘（seem)，在 溫度范圍為200°C?400°C的條件下執(zhí)行熱回流工藝，由此回流沉積銅金屬層且消除孔洞。
[0034] 如圖2D所示，再次采用惰性氣體轟擊（bombardment)圖案化襯底上的銅布線層 以形成溝槽結(jié)構(gòu)，即轟擊擴散阻擋層200和銅晶種層201c，所述惰性氣體為氬、氖、氦、氪和 氙。作為一個實例，優(yōu)選惰性氣體氬，轟擊的深度范圍為30埃?70埃，氬的流量為2立方 厘米/分鐘（seem)?20立方厘米/分鐘（seem)，襯底的溫度范圍為20°C?100°C，真空腔 內(nèi)的氣壓小于〇. 1毫托（mTorr)，轟擊功率范圍為100瓦?2000瓦。通過采用惰性氣體氦 轟擊溝槽結(jié)構(gòu)204中的擴散阻擋層200和銅晶種層201c將溝槽結(jié)構(gòu)204頂部拐角處已經(jīng) 沉積的較厚的擴散阻擋層和銅金屬薄膜重新轟擊剝離，調(diào)整已經(jīng)沉積在溝槽結(jié)構(gòu)中填充薄 膜臺階覆蓋的狀態(tài)，從而起到緩解溝槽結(jié)構(gòu)頂部突懸的問題。
[0035] 然后，再次采用平坦化技術(shù)對經(jīng)上述轟擊工藝處理過的溝槽結(jié)構(gòu)中的擴散阻擋層 和銅晶種層進行平坦化。平坦化是實現(xiàn)多層布線和解決孔洞問題的關(guān)鍵。常用的平坦化技 術(shù)包括，旋涂玻璃、低壓化學(xué)氣相沉積、電子環(huán)繞共振法和熱回流法（thermal reflow)。其 中優(yōu)選采用熱回流法（thermal reflow)使擴散阻擋層和銅晶種層的表面變的平坦，通過加 熱和回旋的方式使沉積形成在銅晶種層上的填充材料在重力和自身張力的作用下，消除銅 晶種層表面的起伏形貌。作為一個實例，在0. 28焦耳/平方厘米?0. 34焦耳/平方厘米 的輻射通量的條件下，通過在已沉積形成的銅晶種層上照射脈沖激光光束銅進行激光加溫 退火，利用的氨氣的流量為200立方厘米/分鐘（seem)?2000立方厘米/分鐘（seem)，在 溫度范圍為200°C?400°C的條件下執(zhí)行熱回流工藝，由此回流沉積銅金屬層且消除孔洞。
[0036] 綜上所述，多次采用惰性氣體轟擊工藝和熱回流法工藝處理溝槽結(jié)構(gòu)202中的擴 散阻擋層200和銅晶種層201a，以形成已經(jīng)填充了一定深度的擴散阻擋層200和銅晶種層 201d的溝槽結(jié)構(gòu)205。其中，采用惰性氣體轟擊工藝和熱回流法工藝的次數(shù)至少為三次。
[0037] 如圖2E所示，進行銅電化學(xué)電鍍工藝，在已經(jīng)填充了一定深度的擴散阻擋層200 和銅晶種層201d的溝槽結(jié)構(gòu)205中，完成剩余的銅金屬層的溝槽結(jié)構(gòu)205的填充，這樣欲 填充的溝槽結(jié)構(gòu)205就被銅金屬層206填充滿了。通過對有機物和無機物水浴成分和補給 的即時分析可以維持穩(wěn)定的電鍍工藝。作為一個實例，提供一個多槽銅電鍍裝置，包括具有 可溶陽極的主槽，具有不可溶陽極的模擬電解槽，及在主槽和模擬電解槽之間連接的循環(huán) 管，該循環(huán)管使所述主槽和模擬電解槽之間流體連通，在主槽中提供銅電鍍?nèi)芤?，使待電?的具有溝槽結(jié)構(gòu)205的圖案化的半導(dǎo)體襯底與主槽中的銅電鍍?nèi)芤航佑|。將電流密度施加 在可溶陽極上以在所述圖案化的半導(dǎo)體襯底上沉積銅，用循環(huán)管將銅電鍍?nèi)芤簭闹鞑奂尤?模擬電解槽，使銅電鍍?nèi)芤哼M行模擬電解，然后用循環(huán)管將銅電鍍?nèi)芤簭哪M電解槽加入 主槽。
[0038] 圖3是根據(jù)本發(fā)明一個實施方式制作銅填充的流程圖，用于簡要示出整個制造工 藝的流程。
[0039] 在步驟301中，在半導(dǎo)體襯底上形成介質(zhì)層，刻蝕所述介質(zhì)層以形成溝槽結(jié)構(gòu)，在 所述溝槽結(jié)構(gòu)中沉積形成擴散阻擋層和銅晶種層，以形成溝槽結(jié)構(gòu)202。在步驟302中，采 用惰性氣體轟擊溝槽結(jié)構(gòu)202,以形成溝槽結(jié)構(gòu)203。在步驟303中，采用熱回流法處理溝 槽結(jié)構(gòu)203,使擴散阻擋層和銅晶種層的表面變的平坦，以形成溝槽結(jié)構(gòu)204。在步驟304 中，繼續(xù)采用惰性氣體轟擊和熱回流法工藝處理溝槽結(jié)構(gòu)204,形成溝槽結(jié)構(gòu)205。在步驟 305中，在溝槽結(jié)構(gòu)205中采用電化學(xué)電鍍的方法沉積形成銅金屬層206。
[0040] 綜上所示，本發(fā)明提出了一種改進的銅填充的方法，根據(jù)本發(fā)明工藝形成的銅互 連結(jié)構(gòu)具有良好的電學(xué)性能和較長的使用壽命，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的后段制程中出現(xiàn) 的銅孔洞問題。
[0041] 本發(fā)明已經(jīng)通過上述實施例進行了說明，但應(yīng)當理解的是，上述實施例只是用于 舉例和說明的目的，而非意在將本發(fā)明限制于所描述的實施例范圍內(nèi)。此外本領(lǐng)域技術(shù)人 員可以理解的是，本發(fā)明并不局限于上述實施例，根據(jù)本發(fā)明還可以做出更多種的變型和 修改，這些變型和修改均落在本發(fā)明所要求保護的范圍以內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種制作半導(dǎo)體器件的方法，包括： 提供半導(dǎo)體襯底，在所述半導(dǎo)體襯底上形成溝槽結(jié)構(gòu)； 在所述半導(dǎo)體襯底上及所述溝槽結(jié)構(gòu)中形成銅晶種層； 采用轟擊工藝和熱回流法處理所述銅晶種層。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，多次采用所述轟擊工藝和所述熱回流法處 理所述銅晶種層。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，執(zhí)行所述轟擊工藝和所述熱回流法的次數(shù) 至少為3次。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述轟擊工藝的轟擊功率為100瓦?2000 瓦。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述轟擊工藝的真空腔室內(nèi)的壓強小于0. 1 暈托。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述轟擊工藝采用的氣體為氬。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述熱回流法的溫度為200°C?400°C。
8. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括在所述溝槽結(jié)構(gòu)中沉積形成銅金屬 層的步驟。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，采用電化學(xué)電鍍的方法沉積所述銅金屬層。
10. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，采用選擇性離子化物理氣相沉積的方法形 成所述銅晶種層。
11. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括在所述銅晶種層與所述溝槽結(jié)構(gòu)之 間形成擴散阻擋層的步驟。
12. 如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，采用選擇性離子化物理氣相沉積的方法 形成所述擴散阻擋層。
【文檔編號】H01L21/768GK104124196SQ201310143122
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2013年4月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月23日
【發(fā)明者】周鳴 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司