金属层处理方法 【技术领域】
本发明涉及半导体制造领域， 特别涉及一种金属层处理方法。背景技术 在超大规模集成电路工艺中， 有着热稳定性、 抗湿性的二氧化硅一直是金属互连 线路间使用的主要绝缘材料， 金属铝则是芯片中电路互连导线的主要材料。 然而， 相对于元 件的微型化及集成度的增加， 电路中导体连线数目不断的增多， 使得导体连线架构中的电 阻 (R) 及电容 (C) 产生寄生效应， 造成严重的传输延迟 (RC Delay)， 在 130 纳米及更先进的 技术中成为电路中讯号传输速度受限的主要因素， 因此， 现有技术在半导体工艺中采用新 的低电阻材料铜和低介电常数的介电材料以降低传输延迟。
但由于金属铜刻蚀困难， 现有采用的铜的互连结构通常先形成沟槽， 然后在沟槽 内填充金属铜， 最后采用化学机械抛光工艺去除多余的金属铜层， 在公开号为 CN1866495A 的中国专利文件中能够发现更多的关于现有的铜的互连结构的形成方案。
下面结合附图简单的介绍互连结构的形成过程。图 1 至图 4 为现有技术中互连结 构的形成过程的示意图。
如图 1 所示， 提供衬底 100 ； 在所述衬底 100 表面形成金属层 110 ； 在金属层 110 上沉积一定厚度的第一介质层 120， 并利用光刻、 刻蚀技术去除对应接触孔处的第一介质层 120 直至露出金属层 110 表面， 以形成接触孔开口 121。
如图 2 所示， 利用物理气相沉积 (Physical Vapor Deposition， PVD) 方法在具有 接触孔开口 121 的第一介质层 120 表面沉积阻挡层 122。
如图 3 所示， 利用电镀工艺在阻挡层 122 表面沉积用于填充接触孔开口 121 的金 属层 123。
如图 4 所示， 采用化学机械抛光工艺去除部分金属层 123、 阻挡层 122 直至暴露出 第一介质层 120。
在现有互连结构的形成过程中， 金属层形成和退火在同一电镀设备中完成， 由于 退火后的金属层具有很大的应力， 由于电镀设备产能和化学机械抛光设备产能的差异性， 通常在电镀形成金属层 123 之后， 会等待比较长的时间才能进行化学机械抛光工艺， 随着 时间延长， 退火后的金属层在应力的作用下， 金属层 123 中的微缺陷会发生迁移并聚集成 大的孔隙状缺陷， 从而导致互连结构电学性能低下， 可靠性降低， 严重时会使得整个器件报 废。
发明内容
本发明解决的技术问题是电镀工艺完成后的金属层等待时间较长后金属层中的 微缺陷在应力作用下聚集， 在金属层内形成空隙的问题。
为解决上述问题， 本发明提供一种金属层处理方法， 包括 ： 提供基底， 所述基底包 括衬底和形成在衬底表面的介质层 ； 所述介质层内形成有暴露衬底的接触孔 ； 所述介质层表面和所述接触孔内形成有金属层 ； 对所述金属层退火 ； 控制退火和化学机械抛光之间的 时间间隔， 对所述退火后的金属层进行化学机械抛光， 直至暴露出介质层。
可选的， 退火和化学机械抛光之间的时间间隔小于 5 小时。
可选的， 对所述金属层退火的工艺参数为 ： 退火温度为 100 度至 400 度， 保护气体 为氮气和氢气的混合气体， 其中氮气与氢气的体积比为 100 ∶ 3.381， 氮气和氢气的混合气 体的流量为 50SCCM 至 200SCCM， 退火时间为 30 秒至 2 小时， 退火冷却温度为 40 度， 且退火 温度到退火冷却温度的冷却时间为 10 秒至 200 秒。
可选的， 金属层退火可以在独立的退火设备或者是与化学机械抛光的设备集成的 退火设备中完成。
可选的， 所述衬底为多层基片、 分级基片、 绝缘体上硅基片、 外延硅基片、 部分处理 的基片、 图案化或未被图案化的基片。
可选的， 所述介质层为金属前介质层或层间介质层。
可选的， 所述介质层的材料为 SiO2 或者掺杂的 SiO2。
可选的， 所述金属层材料为铜。
可选的， 所述金属层的形成方法为电镀工艺。 可选的， 所述电镀工艺的具体参数为 ： 电镀液选用 CuSO4 溶液， Cu2+ 浓度为 30g/L 至 50g/L， 并且在此溶液中加入浓度为 40mg/L 至 60mg/L 的含氯离子的无机添加剂， 电镀的电 流为 4.5 安培至 45 安培。
可选的， 对所述退火后的金属层进行化学机械抛光的具体参数为 ： 选用氧化硅作 为抛光颗粒， 抛光液的 PH 值为 10 至 11.5， 抛光液的流量为 200 毫升每分钟至 400 毫升每分 钟， 抛光工艺中研磨垫的转速为 83 转每分钟至 103 转每分钟， 研磨头的转速为 77 转每分钟 至 97 转每分钟， 抛光工艺的压力为 5500 帕至 6500 帕。
与现有技术相比， 本发明具有以下优点 ： 本发明通过控制退火和化学机械抛光之 间的时间间隔， 使得退火后的形成有所述金属层的基底能够直接进入化学机械抛光步骤， 而不需要长时间的等待 ； 避免了金属层在应力作用下产生的微缺陷聚集效应， 从而在金属 层内形成空隙， 导致互连结构电学性能和可靠性低下。
附图说明
图 1 至图 4 为现有技术中互连结构的形成过程的示意图 ；
图 5 为本发明金属层处理方法的一实施例的流程示意图 ；
图 6 至图 9 为本发明金属层处理方法的一实施例的过程示意图。 具体实施方式
由背景技术可知， 在现有互连结构的形成过程中， 金属层形成和退火在同一电镀 设备中完成， 由于退火后的金属层具有很大的应力， 由于电镀设备产能和化学机械抛光设 备产能的差异性， 通常在电镀形成金属层之后， 会等待比较长的时间才能进行化学机械抛 光工艺， 随着时间延长， 退火后的金属层在应力的作用下， 金属层中的微缺陷会发生迁移并 聚集成大的孔隙状缺陷， 从而导致互连结构电学性能低下， 可靠性降低， 严重时会使得整个 器件报废。为此， 本发明的发明人给出一种优化的金属层处理方法， 包括如下步骤 ： 提供基 底， 所述基底包括衬底和形成在衬底表面的介质层 ； 所述介质层内形成有暴露衬底的接触 孔； 所述介质层表面和所述接触孔内形成有金属层 ； 对所述金属层退火 ； 控制退火和化学 机械抛光之间的时间间隔， 对所述退火后的金属层进行化学机械抛光， 直至暴露出介质层。
可选的， 退火和化学机械抛光之间的时间间隔小于 5 小时。
可选的， 对所述金属层退火的工艺参数为 ： 退火温度为 100 度至 400 度， 保护气体 为氮气和氢气的混合气体， 其中氮气与氢气的体积比为 100 ∶ 3.381， 氮气和氢气的混合气 体的流量为 50SCCM 至 200SCCM， 退火时间为 30 秒至 2 小时， 退火冷却温度为 40 度， 且退火 温度到退火冷却温度的冷却时间为 10 秒至 200 秒。
可选的， 金属层退火可以在独立的退火设备或者是与化学机械抛光的设备集成的 退火设备中完成。
可选的， 所述衬底为多层基片、 分级基片、 绝缘体上硅基片、 外延硅基片、 部分处理 的基片、 图案化或未被图案化的基片。
可选的， 所述介质层为金属前介质层或层间介质层。
可选的， 所述介质层的材料为 SiO2 或者掺杂的 SiO2。
可选的， 所述金属层材料为铜。
可选的， 所述金属层的形成方法为电镀工艺。
可选的， 所述电镀工艺的具体参数为 ： 电镀液选用 CuSO4 溶液， Cu2+ 浓度为 30g/L 至 50g/L， 并且在此溶液中加入浓度为 40mg/L 至 60mg/L 的含氯离子的无机添加剂， 电镀的电 流为 4.5 安培至 45 安培。
可选的， 对所述退火后的金属层进行化学机械抛光的具体参数为 ： 选用氧化硅作 为抛光颗粒， 抛光液的 PH 值为 10 至 11.5， 抛光液的流量为 200 毫升每分钟至 400 毫升每分 钟， 抛光工艺中研磨垫的转速为 83 转每分钟至 103 转每分钟， 研磨头的转速为 77 转每分钟 至 97 转每分钟， 抛光工艺的压力为 5500 帕至 6500 帕。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。 但是本发明能够以 很多不同于在此描述的其它方式来实施， 本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况 下做类似推广， 因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
其次， 本发明利用示意图进行详细描述， 在详述本发明实施例时， 为便于说明， 表 示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大， 而且所述示意图只是实例， 其在此不应 限制本发明保护的范围。此外， 在实际制作中应包含长度、 宽度及深度的三维空间尺寸。
图 5 是本发明金属层处理方法的一实施例的流程示意图， 图 6 至图 9 为本发明金 属层处理方法的一实施例的过程示意图。下面结合图 5 至图 9 对本发明的金属层处理方法 进行说明。
步骤 S101， 提供基底， 所述基底包括衬底和形成在衬底表面的介质层 ； 所述介质 层内形成有暴露衬底的接触孔 ； 所述介质层表面和所述接触孔内形成有金属层。
参考图 6， 所述基底 200 包括衬底 210 和形成在衬底 210 表面的介质层 220。
所述衬底 210 可以为多层基片 ( 例如， 具有覆盖电介质和金属膜的硅衬底 )、 分级 基片、 绝缘体上硅基片 (SOI)、 外延硅基片、 部分处理的基片 ( 包括集成电路及其他元件的 一部分 )、 图案化或未被图案化的基片。所述介质层 220 用于隔离形成在介质层 220 内的金属层和半导体单元， 具体所 述介质层 220 可以是金属前介质层 (Pre-Metal Dielectric， PMD)， 也可以是层间介质层 (Inter-Metal Dielectric， ILD)， 需要特别指出的是， 所述介质层 220 还可以是单一覆层也 可以是多层堆叠结构。
金属前介质层是沉积在具有 MOS 器件的衬底上， 利用沉积工艺形成， 在金属前介 质层中会在后续工艺形成沟槽， 用金属填充沟槽形成连接孔， 所述连接孔用于连接 MOS 器 件的电极和上层互连层中的金属导线。
层间介质层是后道工艺在金属互连层之间的介电层， 层间介质层中会在后续工艺 中形成沟槽， 用金属填充沟槽形成连接孔， 所述连接孔用于连接相邻金属互连层中的导线。
所述介质层 220 的材料通常选自 SiO2 或者掺杂的 SiO2， 例如 USG(Undoped Silicon Glass， 没有掺杂的硅玻璃 )、 BPSG(Borophosphosilicate Glass， 掺杂硼磷的硅玻璃 )、 BSG(Borosilicate Glass， 掺杂硼的硅玻璃 )、 PSG(Phosphosilitcate Glass， 掺杂磷的硅 玻璃 ) 等。
所述介质层 220 在 130 纳米及以下的工艺节点一般选用低介电常数的介电材料， 所述介质层 220 的材料具体选自氟硅玻璃 (FSG)、 碳掺杂的氧化硅 (Black Diamond) 以及氮 掺杂的碳化硅 (BLOK)。 所述介质层 220 的形成工艺可以是任何常规真空镀膜技术， 例如原子沉积 (ALD)、 物理气相淀积 (PVD)、 化学气相淀积 (CVD)、 等离子体增强型化学气相淀积 (PECVD) 等等形 成在衬底 210 表面， 在这里不做赘述。
参考图 7， 在所述介质层 220 内形成暴露衬底 210 的接触孔 221。
所述接触孔 221 的形成步骤包括 ： 在所述介质层 220 表面旋涂光刻胶， 接着通过曝 光将掩膜版上的与所述接触孔 221 相对应的图形转移到光刻胶上， 然后利用显影液将相应 部位的光刻胶去除， 以形成光刻胶图形 ； 以所述光刻胶图形为掩膜， 刻蚀所述介质层 220 直 至形成所述接触孔 221。
刻蚀所述介质层 220 的工艺可以为公知的化学试剂刻蚀工艺或者等离子体刻蚀 工艺， 在本实施例中， 以等离子体刻蚀为例做示范性说明。
所述等离子体刻蚀工艺的具体工艺参数为 ： 刻蚀设备腔体压力为 30 毫托至 60 毫 托， 频率为 13.6M 的射频功率为 500 瓦至 1000 瓦， 频率为 2M 的射频功率为 200 瓦至 400 瓦， CF4 流量为每分钟 80 标准立方厘米至每分钟 120 标准立方厘米， CHF3 流量为每分钟 50 标准 立方厘米至每分钟 80 标准立方厘米， 以上述刻蚀工艺参数， 刻蚀所述介质层 220 直至形成 所述接触孔 221。
参考图 8， 在所述介质层 210 表面和所述接触孔 221 内形成金属层 230。
所述金属层 230 的材料可以为铝、 银、 铬、 钼、 镍、 钯、 铂、 钛、 钽、 铜中的一种或者几 种， 需要特别指出的是， 由于金属铜具有高熔点、 低电阻系数及高抗电子迁移的能力， 所述 金属层 230 材料较优选用铜， 但是需要特别说明的是， 选用其他导电物质形成的所述金属 层 230 仍然可以工作， 只是传输延迟比较大， 在此特地说明， 不应过分限制本发明的保护范 围。
本实施例以所述金属层 230 为金属铜为例， 做示范性说明。
在本实施例中， 选用金属铜的金属层 230 形成工艺为电镀工艺。 12. 所述电镀工艺
的具体参数为 ： 所述电镀工艺的具体参数为 ： 电镀液选用 CuSO4 溶液， Cu2+ 浓度为 30g/L 至 50g/L， 并且在此溶液中加入浓度为 40mg/L 至 60mg/L 的含氯离子的无机添加剂， 电镀的电 流为 4.5 安培至 45 安培。
需要特别指出的是， 在其他实施例中， 为了提高所述金属层 230 填充接触孔 221 的 电学性能， 会在形成金属层 230 步骤之前， 先在接触孔 221 侧壁和底部形成一层阻挡层， 然 后在所述阻挡层表面形成铜的籽晶层。
步骤 S102， 对所述金属层 230 退火。
现有的工艺步骤中， 电镀工艺完成后的金属层 230 的金属晶粒比较小， 随着时间 延长， 金属层 230 的金属晶粒互相接触长大， 在金属层 230 内形成空隙， 导致互连结构电学 性能低下， 严重时会使得整个器件报废。
为此， 本发明的发明人经过大量的实验， 采取对所述金属层 230 退火， 以避免出现 金属层 230 的金属晶粒互相接触长大， 在金属层 230 内形成空隙现象。
需要特别指出的是， 所述退火工艺的工艺参数尤为重要， 如果退火工艺的参数不 符合工艺要求， 本发明的发明人发现， 退火后的金属层 230 仍然会金属晶粒互相接触长大， 甚至会出现， 退火后的金属层 230 的金属颗粒退火生长现象出现。 为此， 本发明的发明人经过大量的创造性实验， 采用退火工艺的工艺参数包括 ： 退 火温度为 100 度至 400 度， 保护气体为氮气和氢气的混合气体， 其中氮气与氢气的体积比为 100 ∶ 3.381， 氮气和氢气的混合气体的流量为 50SCCM 至 200SCCM， 退火时间为 30 秒至 2 小 时， 退火冷却温度为 40 度， 且退火温度到退火冷却温度的冷却时间为 10 秒至 200 秒， 采用 上述的退火条件， 退火后的金属层 230 不会出现金属颗粒生长现象。
所述金属层退火可以在退火设备例如管式退火炉或者快速退火炉中进行， 为了更 进一步的避免出现金属颗粒退火生长现象， 金属层退火可以与化学机械抛光的设备集成的 退火设备中完成。
参考图 9， 如步骤 S103 所述， 控制退火和化学机械抛光之间的时间间隔， 对所述退 火后的金属层 230 进行化学机械抛光， 直至暴露出介质层 210。
为了提高形成的金属层 230 的质量， 所述退火后的金属层与对所述金属层 230 进 行化学机械抛光的工艺之间的间隔小于 5 小时， 所述控制退火和化学机械抛光之间的时间 间隔可以通过优化退火工艺参数和化学机械抛光工艺参数来实现。
所述化学机械抛光工艺选用选择性去除铜的抛光工艺， 所述化学机械抛光工艺具 体参数为 ： 选用氧化硅作为抛光颗粒， 抛光液的 PH 值为 10 至 11.5， 抛光液的流量为 200 毫 升每分钟至 400 毫升每分钟， 抛光工艺中研磨垫的转速为 83 转每分钟至 103 转每分钟， 研 磨头的转速为 77 转每分钟至 97 转每分钟， 抛光工艺的压力为 5500 帕至 6500 帕， 直至暴露 出介质层 210。
本发明通过采用优化的退火工艺对所述金属层 230 进行退火， 避免了金属层 230 的晶粒互相接触长大， 在金属层 230 内形成空隙， 导致互连结构电学性能低下现象出现。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上， 但本发明并非限定于此。任何本领域技术 人员， 在不脱离本发明的精神和范围内， 均可作各种更动与修改， 因此本发明的保护范围应 当以权利要求所限定的范围为准。