電鍍銅的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種電鍍銅的方法，應(yīng)用于半導(dǎo)體制造工序中，將電鍍銅過程分為三個(gè)階段，第一電鍍階段中的晶圓轉(zhuǎn)速均高于第二和第三電鍍階段的晶圓轉(zhuǎn)速，且第三電鍍階段的晶圓轉(zhuǎn)速高于第二電鍍階段的晶圓轉(zhuǎn)速。采用本發(fā)明能夠提高銅電鍍層的性能。
【專利說明】電鍍銅的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件制造技術(shù)，特別涉及一種電鍍銅的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前，在半導(dǎo)體器件的后段（back-end-o f-1 ine，BE0L)工藝中，可根據(jù)不同需要在 半導(dǎo)體襯底上生長(zhǎng)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 對(duì)上述絕緣層制造溝槽（trench)和連接孔，然后在上述溝槽和連接孔內(nèi)填充金屬,填充的 金屬即為金屬互連線，一般選用銅作為金屬互連線材料。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)形成金屬互連線的方法包括以下步驟：
[0004] 步驟11、通過物理氣相沉積（PVD)方法，在溝槽的底部和側(cè)壁上、連接孔的底部和 側(cè)壁上，濺射形成阻擋層，例如由氮化鉭（TaN)和鉭（Ta)構(gòu)成的疊層阻擋層。上述由TaN和 Ta構(gòu)成的疊層阻擋層，只是其中一種具體實(shí)施例，顯然，還有多種形成阻擋膜的實(shí)現(xiàn)方法。
[0005] 步驟12,在阻擋層的表面，通過濺射的方法形成銅種子層（seed layer)。
[0006] 步驟13,通過電化學(xué)電鍍（Electrical Chemical Plating, ECP)的方法在銅種子 層的表面形成銅電鍍層。詳細(xì)地，如圖1所示，圖1為電鍍?cè)O(shè)備示意圖。將形成有銅種子層 的晶圓，置入電鍍?cè)O(shè)備的包含有銅離子的電鍍液中，一般為硫酸銅（CuS0 4)等，然后將晶圓 接陰極，電鍍液接陽(yáng)極，并在陰極和陽(yáng)極之間通電，在電場(chǎng)作用下，銅種子層的表面，即溝槽 和連接孔的內(nèi)部，就形成了銅電鍍層。
[0007] 步驟14,對(duì)銅電鍍層進(jìn)行原位熱處理。
[0008] 現(xiàn)有技術(shù)步驟13中電鍍過程通電之后，晶圓的轉(zhuǎn)速始終保持在125轉(zhuǎn)每分鐘 (rpm)，為了很好地控制銅電鍍層的方塊電阻（Rs)均勻性，通過人工調(diào)整晶圓到電鍍?cè)O(shè)備槽 底部的距離來改善，距離越近，Rs均勻性越高。但是由于硬件位置的設(shè)定，這樣調(diào)整的空間 并不大，同時(shí)也需要避免調(diào)整過度，對(duì)硬件可能造成的磨損傷害。所以如何提高銅電鍍層的 性能，成為目前需要解決的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 有鑒于此，本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：如何提高銅電鍍層的性能。
[0010] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案具體是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0011] 一種電鍍銅的方法，應(yīng)用于半導(dǎo)體制造工序中，將電鍍銅過程分為三個(gè)階段，第一 電鍍階段中的晶圓轉(zhuǎn)速高于第二和第三電鍍階段的晶圓轉(zhuǎn)速，且第三電鍍階段的晶圓轉(zhuǎn)速 高于第二電鍍階段的晶圓轉(zhuǎn)速。
[0012] 在第一電鍍階段中，晶圓的轉(zhuǎn)速為50?300rpm ;
[0013] 在第二電鍍階段中，晶圓的轉(zhuǎn)速為0?lrpm ;
[0014] 在第三電鍍階段中，晶圓的轉(zhuǎn)速5?30rpm。
[0015] 在第一電鍍階段中，晶圓的轉(zhuǎn)速為124?126rpm ;
[0016] 在第二電鍍階段中，晶圓的轉(zhuǎn)速為Orpm;
[0017] 在第三電鍍階段中，晶圓的轉(zhuǎn)速10?12rpm。
[0018] 所述第一電鍍階段的時(shí)間為10?15秒。
[0019] 所述第二電鍍階段的時(shí)間為2?10秒。
[0020] 所述電鍍銅過程在測(cè)試晶圓上進(jìn)行，所述測(cè)試晶圓上預(yù)先依次形成有氧化硅基底 層、阻擋層和銅種子層。
[0021] 該方法進(jìn)一步包括：將在電鍍過程中形成的銅電鍍層進(jìn)行原位熱處理的步驟。
[0022] 由上述的技術(shù)方案可見，本發(fā)明實(shí)施例將電鍍銅過程分為三個(gè)階段進(jìn)行，第二和 第三階段采用較低的晶圓轉(zhuǎn)速，保持電鍍液與晶圓間溶液界面層的厚度較厚，減少了銅電 鍍層內(nèi)雜質(zhì)的含量，從而有效提高銅電鍍層方塊電阻均勻性，有效減小銅電鍍層內(nèi)應(yīng)力，有 效降低晶圓表面凹陷缺陷（pitsdefect)的數(shù)量，最終達(dá)到提高銅電鍍層性能的目的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1為電鍍?cè)O(shè)備示意圖。
[0024] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例提高銅電鍍層性能的方法流程示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0025] 為使本發(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(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0026] 本發(fā)明利用示意圖進(jìn)行了詳細(xì)描述，在詳述本發(fā)明實(shí)施例時(shí)，為了便于說明，表示 結(jié)構(gòu)的示意圖會(huì)不依一般比例作局部放大，不應(yīng)以此作為對(duì)本發(fā)明的限定，此外，在實(shí)際的 制作中，應(yīng)包含長(zhǎng)度、寬度及深度的三維空間尺寸。
[0027] 現(xiàn)有技術(shù)中所述的銅電鍍層形成在產(chǎn)品晶圓上，為了測(cè)試銅電鍍層的性能，本發(fā) 明實(shí)施例提高銅電鍍層性能的方法，一般在測(cè)試晶圓上進(jìn)行，流程示意圖如圖2所示，其包 括以下步驟：
[0028] 步驟21、在測(cè)試晶圓上形成氧化硅基底層。
[0029] 其中，氧化硅基底層采用化學(xué)氣相沉積方法形成，厚度為8000?9000埃。
[0030] 步驟22、在氧化硅基底層表面形成阻擋層。
[0031] 其中，阻擋層采用物理氣相沉積方法形成，厚度為200?300埃，可以為氮化鉭 (TaN)層或者鉭（Ta)層，或者TaN和Ta構(gòu)成的疊層阻擋層。
[0032] 步驟23、在阻擋層的表面形成銅種子層。
[0033] 其中，銅種子層通過物理氣相沉積方法濺射形成，厚度為900?1000埃。
[0034] 步驟24、通過ECP的方法分三個(gè)階段在銅種子層表面形成銅電鍍層。
[0035] 其中，銅電鍍層的厚度為7000?8000埃。具體形成方法為，將形成有銅種子層的 晶圓，置入電鍍?cè)O(shè)備的包含有銅離子的電鍍液中，一般為硫酸銅等，然后將晶圓接陰極，電 鍍液接陽(yáng)極，并在陰極和陽(yáng)極之間通電，在電場(chǎng)作用下，銅種子層的表面，就形成了銅電鍍 層。
[0036] 本發(fā)明實(shí)施例銅電鍍層分為三個(gè)階段形成，其中第一電鍍階段中的晶圓轉(zhuǎn)速均遠(yuǎn) 高于第二和第三電鍍階段的晶圓轉(zhuǎn)速，且第三電鍍階段的晶圓轉(zhuǎn)速略高于第二電鍍階段的 晶圓轉(zhuǎn)速。具體地：
[0037] 在第一電鍍階段中，即通電電流的起始階段，電流為0. 5?2安培，使晶圓高速運(yùn) 轉(zhuǎn)，晶圓的轉(zhuǎn)速為50?300轉(zhuǎn)每分鐘（rpm)，電鍍時(shí)間為10?15秒；該電鍍階段中，優(yōu)選 地，晶圓的轉(zhuǎn)速為124?126rpm ;
[0038] 在第二電鍍階段中，即通電電流的穩(wěn)定階段，電流為2?4安培，將晶圓的轉(zhuǎn)速降 低為0?lrpm，電鍍時(shí)間為2?10秒；該電鍍階段中，優(yōu)選地，晶圓的轉(zhuǎn)速為Orpm ;
[0039] 在第三電鍍階段中，即大電流的正式電鍍階段，電流為15?20安培，采用晶圓的 轉(zhuǎn)速為5?30rpm，由于該階段為正式電鍍階段，電鍍層的厚度主要在該階段形成，所以該 階段的電鍍時(shí)間可以根據(jù)要形成的銅電鍍層的厚度靈活調(diào)整。該電鍍階段中，優(yōu)選地，晶圓 的轉(zhuǎn)速為10?12rpm。
[0040] 本發(fā)明關(guān)鍵在于將電鍍銅過程分為三個(gè)階段進(jìn)行，且第二和第三階段的晶圓轉(zhuǎn)速 都比較低，其中，第二電鍍階段中將晶圓的轉(zhuǎn)速降為Orpm，目的是為了在大電流的正式電鍍 之前能夠盡可能地增加溶液界面層的厚度以及晶圓與溶液界面層反應(yīng)的時(shí)間和面積，然后 在大電流電鍍的第三階段，繼續(xù)采用低轉(zhuǎn)速10?12rpm，這樣的話仍然保持了第二階段相 對(duì)穩(wěn)定的溶液界面層條件。
[0041] 下面詳細(xì)說明溶液界面層的厚度與銅電鍍層性能之間的關(guān)系。
[0042] 電鍍時(shí)CuS04電鍍液從電鍍?cè)O(shè)備的底部進(jìn)入電鍍槽中，充斥整個(gè)電鍍槽，當(dāng)電鍍 液與晶圓接觸時(shí)形成層流，層流的存在導(dǎo)致了電鍍液與晶圓間界面層的產(chǎn)生。在界面層內(nèi)， 有機(jī)添加劑（Additives)主要以擴(kuò)散（diffusion)的方式運(yùn)動(dòng)。而晶圓的旋轉(zhuǎn)速度會(huì)影響 晶圓與溶液界面層厚度的大小，進(jìn)而影響有機(jī)添加劑的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。其中，有機(jī)添加劑是在電 鍍?nèi)芤褐屑尤氲?，如果銅電鍍層中含有的有機(jī)添加劑越多，則意味著銅電鍍層中的雜質(zhì)越 多。
[0043] 公式：δ =1.61 ω4/ν、1/3,其中，δ為溶液界面層的厚度；ω為晶圓的旋轉(zhuǎn)速度； r為粘性系數(shù)，與電鍍?cè)O(shè)備的結(jié)構(gòu)有關(guān)；D為擴(kuò)散常數(shù)，與電鍍溫度有關(guān)。
[0044] 根據(jù)上述公式可知，在電鍍溫度(影響D)及電鍍?cè)O(shè)備結(jié)構(gòu)(影響r)一定的條件下， 晶圓在電鍍過程中的旋轉(zhuǎn)速度直接決定了溶液界面層的厚度。晶圓旋轉(zhuǎn)速度越快，溶液界 面層越??；反之，晶圓旋轉(zhuǎn)速度越小，溶液界面層越厚，有機(jī)添加劑越不容易擴(kuò)散到晶圓的 表面，參與晶圓表面反應(yīng)被生長(zhǎng)到晶圓表面的有機(jī)添加劑越少，晶圓表面的雜質(zhì)也就越少， 所以電阻率也就越小。
[0045] 另一方面，對(duì)于內(nèi)應(yīng)力而言，當(dāng)晶圓的旋轉(zhuǎn)速度越小時(shí)，進(jìn)入銅電鍍晶格的有機(jī)雜 質(zhì)越少，有機(jī)雜質(zhì)對(duì)晶格的運(yùn)動(dòng)有釘扎的作用。晶粒會(huì)在雜質(zhì)釘扎的部位產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng) 力，雜質(zhì)越多，內(nèi)應(yīng)力越大，最終從在宏觀應(yīng)力上表現(xiàn)出來，即轉(zhuǎn)速越高，內(nèi)應(yīng)力越大，轉(zhuǎn)速 越低，內(nèi)應(yīng)力越小。
[0046] 再者，在高轉(zhuǎn)速的情況下，有較多的有機(jī)雜質(zhì)進(jìn)入晶格，限制了晶粒的生長(zhǎng)，使得 熱處理前，高轉(zhuǎn)速的電鍍的晶粒較低轉(zhuǎn)速的小。在后續(xù)的熱處理（anneal)過程中，晶粒會(huì) 慢慢張大，互相吞并，進(jìn)行二次再結(jié)晶，最終長(zhǎng)大成為較大晶粒。而在晶粒長(zhǎng)大、相互吞并的 階段，晶格的總體積減少，從而會(huì)在某些區(qū)域會(huì)有空位（Void)的產(chǎn)生。初始晶粒越小，生長(zhǎng) 成大晶粒時(shí)，產(chǎn)生的空位就會(huì)越多。在高溫下，內(nèi)應(yīng)力會(huì)推動(dòng)空位在晶界聚集，最終在晶圓 表面形成pits defect。而在低轉(zhuǎn)速的條件下，晶界上雜質(zhì)較少，對(duì)晶界的釘扎作用也較少， 晶粒較大，在后續(xù)的熱處理過程中，晶格總體積變化小，留下的空位較少，從而降低了 pits defect的產(chǎn)生。
[0047] 所以，在第二和第三電鍍階段，采用較低的晶圓轉(zhuǎn)速，有效地提高了銅電鍍層的性 能。
[0048] 步驟25、對(duì)銅電鍍層進(jìn)行原位熱處理，熱處理溫度約為200攝氏度。
[0049] 至此，完成了本發(fā)明提高銅電鍍層性能的方法。
[0050] 本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例以第一電鍍階段中，晶圓的轉(zhuǎn)速為125rpm;第二電鍍階段中， 晶圓的轉(zhuǎn)速為Orpm ;第三電鍍階段中，晶圓的轉(zhuǎn)速為12rpm為例，在測(cè)試晶圓上形成銅電鍍 層后，對(duì)晶圓進(jìn)行電性測(cè)試，并采用掃描電子顯微鏡觀測(cè)表面缺陷的形態(tài)，從而發(fā)現(xiàn)，采用 本發(fā)明的電鍍銅的方法，銅電鍍層的內(nèi)應(yīng)力顯著下降，由現(xiàn)有技術(shù)的400兆帕（MPa)下降為 340MPa ;方塊電阻均勻性明顯提高，由現(xiàn)有技術(shù)的2. 3下降為1. 2,均勻性越高，該值越低； 而且掃描獲得的pits defect數(shù)量也大大減少。另一方面，通過本發(fā)明的方法，已經(jīng)大大提 高了銅電鍍層的方塊電阻均勻性，所以在產(chǎn)品使用一段時(shí)間后，在臨近預(yù)防性保養(yǎng)（PM)之 前，微調(diào)晶圓與電鍍?cè)O(shè)備槽底部之間的距離，就可以實(shí)現(xiàn)方塊電阻均勻性的顯著提高。
[0051] 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)。
【權(quán)利要求】
1. 一種電鍍銅的方法，應(yīng)用于半導(dǎo)體制造工序中，其特征在于，將電鍍銅過程分為三個(gè) 階段，第一電鍍階段中的晶圓轉(zhuǎn)速高于第二和第三電鍍階段的晶圓轉(zhuǎn)速，且第三電鍍階段 的晶圓轉(zhuǎn)速高于第二電鍍階段的晶圓轉(zhuǎn)速。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于， 在第一電鍍階段中，晶圓的轉(zhuǎn)速為50?300rpm ; 在第二電鍍階段中，晶圓的轉(zhuǎn)速為〇?lrpm ; 在第三電鍍階段中，晶圓的轉(zhuǎn)速5?30rpm。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于， 在第一電鍍階段中，晶圓的轉(zhuǎn)速為124?126rpm ; 在第二電鍍階段中，晶圓的轉(zhuǎn)速為Orpm ; 在第三電鍍階段中，晶圓的轉(zhuǎn)速10?12rpm。
4. 如權(quán)利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述第一電鍍階段的時(shí)間為10?15 秒。
5. 如權(quán)利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述第二電鍍階段的時(shí)間為2?10 秒。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述電鍍銅過程在測(cè)試晶圓上進(jìn)行，所述測(cè) 試晶圓上預(yù)先依次形成有氧化硅基底層、阻擋層和銅種子層。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，該方法進(jìn)一步包括：將在電鍍過程中形成的 銅電鍍層進(jìn)行原位熱處理的步驟。
【文檔編號(hào)】H01L21/768GK104120473SQ201310145100
【公開日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2013年4月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月24日
【發(fā)明者】李廣寧 申請(qǐng)人:中芯國(guó)際集成電路制造(上海)有限公司