專利名稱：一種金屬互連方法
技術領域：
本發明涉及半導體制造領域，特別涉及一種金屬互連方法。
背景技術：
目前，隨著半導體制造工藝的發展，半導體芯片的面積越來越小，同時，在一個半導體芯片上的半導體器件的數量也越來越多。在半導體電路中，半導體器件之間的信號傳輸需要高密度的金屬互連線。金屬銅互連線已經逐漸替代了傳統的半導體工藝中使用的金屬鋁互連線，這是因為金屬銅與金屬鋁相比具有較小的電阻值，采用金屬銅互連線可提高半導體器件之間信號的傳輸速度。下面對現有技術中金屬銅互連線的金屬互連方法進行介紹，現有技術中的金屬互連方法如圖1所示，包括以下步驟步驟101，圖加為現有技術中金屬互連方法的步驟101的剖面結構示意圖，如圖加所示，將化學機械研磨工藝(CMP)之后的第一金屬層201放入反應腔，通入氨氣(NH3) 202 進行預處理，其中，包括第一金屬層201所在的第一介質200。本步驟中，在反應腔內通入NH3進行預處理之前，先升溫，降壓后達到穩定，其中， 反應腔內的溫度為400攝氏度(°C )，壓強為500帕斯卡(Pa)。本步驟中，通入NH3的預處理所用的NH3氣體流量范圍是300標準狀態毫升每分到600標準狀態毫升每分；通入時間范圍是小于等于40秒；對金屬層進行的NH3預處理過程中，金屬層表面的銅原子與NH3反應，在金屬層表面形成具有銅氮(Cu-N)鍵的Cu-N化合物，由于Cu-N鍵為不飽和鍵，因此能夠與后續沉積的氮化硅的硅氮(Si-N)鍵相互作用，增強氮化硅在金屬層表面的附著力。步驟102，圖2b為現有技術中金屬互連方法的步驟102的剖面結構示意圖，如圖 2b所示，在第一金屬層上沉積氮化硅(Si3N4) 203。本步驟中，Si3N4203作為后續步驟對第二介質層進行刻蝕的停止層。在Si3N4203 沉積之后，反應腔降溫升壓。在此，僅以第一金屬層為例對現有技術中的金屬互連方法進行說明，所示第一金屬層在實際應用中可為任意一層金屬層。步驟103，圖2c為現有技術中金屬互連方法的步驟103的剖面結構示意圖，如圖 2c所示，在Si3N4203上沉積第二介質層204。本步驟中，第二介質層204為二氧化硅(SiO2),在二氧化硅上還可以沉積硅的氧化物(TEOS) 205作為后續刻蝕和去膠(ashing)步驟中二氧化硅的保護層。步驟104，圖2d為現有技術中金屬互連方法的步驟104的剖面結構示意圖，如圖 2d所示，在第二介質層上涂覆第一光阻膠(PR) 206,并對第一 PR206進行曝光、顯影，從而形成第一光刻圖案。其中，第一光刻圖案用來定義后續步驟中的通孔207的開口寬度。在實際應用中，在第一 PR206之下還涂覆有底部抗反射涂層(BARC)，用于減少在曝光過程中的光反射，未在圖中畫出。
步驟105，圖加為現有技術中金屬互連方法的步驟105的剖面結構示意圖，如圖 2e所示，按照第一光刻圖案對第二介質層進行第一刻蝕，從而形成通孔207。本步驟中，Si3N4203作為刻蝕的停止層，在第一刻蝕之后，Si3N4203并沒有完全刻蝕掉，其殘留部分會在后續第二刻蝕后去除。在通孔207形成后，還要進行第一光刻圖案剝離。具體來說，主要采用兩種方法去除第一 PR206，第一，采用氧氣(O2)進行干法刻蝕，氧氣與I3R發生化學反應，可將第一PR206去除；第二，還可采用濕法去膠法，例如，采用硫酸和雙氧水的混合溶液可將第一 PR206去除。步驟106，圖2f為現有技術中金屬互連方法的步驟106的剖面結構示意圖，如圖 2f所示，涂覆第二冊209，對第二 PR209進行曝光、顯影，從而形成第二光刻圖案。其中，先在第二介質層上依次形成第一 BARC、低溫的氧化硅(LTO) 208和第二 BARC 組成的三層薄膜，其過程為，先在第二介質層上涂覆BARC，后用LT0208填充通孔207，然后在LT0208上涂覆第二 BARC并在LT0208上形成平坦的第二 BARC表面，最后在第二 BARC上涂覆第二 1^209，第一 BARC和第二 BARC，都用于減少在曝光過程中的光反射，未在圖中畫出ο在實際應用中，還可以直接用第二 PR209涂覆第二介質層，其中，第二 PR209的一部分存在于第二介質層上，第二冊209的其他部分填充于通孔207中。其中，第二光刻圖案用來定義后續步驟中的溝槽210的開口寬度。步驟107，圖2g為現有技術中金屬互連方法的步驟107的剖面結構示意圖，如圖 2g所示，按照第二光刻圖案對第二介質層進行第二刻蝕，從而形成溝槽210。本步驟中，在形成溝槽210后，還有將第二光刻圖案以及LT0208剝離和去除的步驟，并且將殘留的氮化硅完全去除，露出第一金屬層的表面。光刻膠剝離的方法可參照步驟 105中相關的描述。
步驟108，圖池為現有技術中金屬互連方法的步驟108的剖面結構示意圖，如圖池所示，沉積擴散阻擋層211。為了防止在后續步驟中溝槽210和通孔207中所沉積的金屬銅落擴散至第二介質層中，采用物理氣相沉積(PVD)工藝沉積擴散阻擋層211。步驟109，圖2i為現有技術中金屬互連方法的步驟109的剖面結構示意圖，如圖 2i所示，采用PVD工藝在擴散阻擋層211上沉積銅籽晶層212。步驟110，圖2j為現有技術中金屬互連方法的步驟110的剖面結構示意圖，如圖 2j所示，采用電化學鍍工藝(ECP)在溝槽210和通孔207中生長金屬銅213。步驟111，圖業為現有技術中金屬互連方法的步驟111的剖面結構示意圖，如圖業所示，采用CMP將金屬銅213、銅籽晶層212和擴散阻擋層211拋光至第二介質層的表面， 形成第二金屬層214。然而，在通孔中生長金屬銅后，由于通孔207中的金屬銅與第一金屬層交界處的結合效果沒有整體生成的通孔207和溝槽201中金屬銅的結合效果好，因此，在檢測金屬銅互連線壽命的電遷移測試中，當電流流過通孔207中的金屬銅與第一金屬層的交界處時， 所述交界處的銅原子由于受到電子的撞擊，使銅原子的晶界發生遷移，所述交界處稱為電遷移測試中的薄弱點(weak point)。需要說明的是，晶粒與晶粒之間的接觸界面被稱為晶界。隨著電流流過時間的增加，銅原子晶界的遷移使薄弱點的邊緣扭折處(kinksites)出
4現空洞，空洞的面積逐漸擴大，導致金屬銅互連線的損傷甚至斷路，我們將由這種現象稱為電遷移損傷(electronmigration fail)。上述步驟101中，通入NH3的預處理在金屬銅的金屬層表面形成銅氮化合物，一方面可以鈍化使薄弱點的扭折處，另一方面還可以利用Cu-N鍵的鍵能使金屬層表面的銅原子從扭折處脫離所需的能量增加，從而束縛金屬層表面銅原子的晶界遷移，減小電遷移損傷。但是，由于Cu-N鍵的鍵能僅有30千焦每摩爾，因此，其對銅原子的束縛力不夠，薄弱點的扭折處電遷移損傷現象依然嚴重，金屬銅互連線的壽命僅為十幾年。
發明內容
有鑒于此，本發明提供一種金屬互連方法，能夠改善由于電子的撞擊使金屬層與通孔的薄弱點扭折處的電遷移損傷，延長金屬互連線的壽命。為達到上述目的，本發明的技術方案具體是這樣實現的一種金屬互連方法，該方法包括在第一金屬層表面形成鍵能大于30千焦每摩爾的金屬無機物化合物；在所述金屬無機物化合物表面沉積第二介質層；光刻和刻蝕所述第二介質層，形成通孔和溝槽；在所述通孔和溝槽中填充金屬；采用電化學鍍工藝生長金屬銅；化學機械研磨工藝拋光金屬銅到第二介質層表面，形成第二金屬層。所述第一金屬層是金屬銅。所述金屬無機化合物是銅硅化合物。所述形成金屬無機物化合物的方法包括將所述第一金屬層放入反應腔內，通入含硅烷的氣體進行硅烷預處理。所述硅烷的流量范圍是300標準狀態毫升每分到600標準狀態毫升每分。所述硅烷預處理的時間范圍是1秒到5秒。所述反應腔內的溫度范圍是300攝氏度到600攝氏度。所述反應腔內的壓力范圍是400帕斯卡到800帕斯卡。由上述的技術方案可見，本發明提出的金屬互連方法，對化學機械研磨之后的第一金屬層進行金屬無機物化合物預處理，使金屬層表面的銅原子形成鍵能大于30千焦每摩爾離子鍵，一方面鈍化金屬層與通孔的交界面扭折處，另一方面利用離子鍵的鍵能，能夠更好地束縛金屬層表面的銅原子的晶界移動，減小電遷移損傷，延長了金屬互連線壽命。
圖1為現有技術金屬互連方法的流程圖；圖加 業為現有技術金屬互連方法的剖面結構示意圖；圖3為本發明金屬互連方法的流程圖；圖如 41為本發明金屬互連方法的剖面結構示意圖。
具體實施例方式
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為使本發明的目的、技術方案、及優點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例， 對本發明進一步詳細說明。下面通過一個實施例對本發明所提供的一種金屬互連方法進行詳細介紹。圖3為本發明所提供的一種以金屬銅互連線為例的金屬互連方法的流程圖。圖如 41為本發明以金屬銅互連線為例的金屬互連方法的剖面結構示意圖。如圖3所示，該方法包括步驟301，圖如為本發明金屬互連方法的步驟302的剖面結構示意圖，如圖4b所示，在化學機械研磨工藝(CMP)之后的第一金屬層上進行硅烷預處理402，其中，包括第一金屬層201所在的第一介質200。本步驟中，硅烷預處理402是在反應腔內通入含有氨氣(NH3)和硅烷(SiH4)的混合氣體。其中，硅烷預處理的時間范圍是1秒到5秒，例如1秒，2. 5秒和5秒；硅烷預處理通入NH3的流量范圍是300標準狀態毫升每分到600標準狀態毫升每分，例如，300標準狀態毫升每分，150標準狀態毫升每分和600標準狀態毫升每分；本實施例中，硅烷預處理402在通入硅烷的同時通入氨氣的作用是為后續步驟302中通入氨氣沉積氮化硅穩定氣氛；硅烷預處理通入SiH4的流量范圍是300標準狀態毫升每分到600標準狀態毫升每分，例如，300標準狀態毫升每分，150標準狀態毫升每分和600標準狀態毫升每分。在反應腔內進行硅烷預處理402之前，反應腔需要先升溫，降壓后達到穩定，使得反應腔內的溫度范圍是300攝氏度到600攝氏度，例如300攝氏度，500攝氏度和600攝氏度；壓力范圍是400帕斯卡到800帕斯卡，例如400帕斯卡，600帕斯卡和800帕斯卡。在硅烷預處理過程中，第一金屬層表面的銅和硅烷發生化學反應生成銅硅化合物的化學反應方程式為2Cu+SiH4 — Cu2Si+2H2，在第一金屬層的表面形成的銅硅化合物， 一方面不僅能鈍化第一金屬層與通孔的交界面扭折處，另一方面，銅硅化合物具有的銅硅 (Cu-Si)鍵的鍵能達到220千焦每摩爾，因此，Cu-Si鍵對銅原子的束縛能力顯著增強，當后續步驟完成后，相比現有技術，本發明在通孔和第一金屬層界面的電遷移損傷有顯著的改
口 ο步驟302，圖4b為現有技術中金屬互連方法的步驟302的剖面結構示意圖，如圖 4b所示，在反應腔中通入氨氣(NH3) 202進行預處理。本步驟中，通入NH3的預處理所用NH3的氣體流量范圍是300標準狀態毫升每分到 600標準狀態毫升每分；通入時間范圍是小于等于40秒；步驟303，圖如為現有技術中金屬互連方法的步驟303的剖面結構示意圖，如圖 4c所示，在第一金屬層上沉積氮化硅(Si3N4) 203。本步驟中，Si3N4203，作為后續步驟對第二介質層進行刻蝕的停止層。在Si3N4203 沉積之后，反應腔降溫升壓。在此，僅以第一金屬層為例對現有技術中的金屬互連方法進行說明，所示第一金屬層在實際應用中可為任意一層金屬層。步驟304，圖4d為現有技術中金屬互連方法的步驟304的剖面結構示意圖，如圖 4d所示，在Si3N4203上沉積第二介質層204。本步驟中，第二介質層204為二氧化硅(SiO2),在二氧化硅上還可以沉積硅的氧化物(TEOS) 205作為后續刻蝕和去膠(ashing)步驟中二氧化硅的保護層。步驟305，圖如為現有技術中金屬互連方法的步驟305的剖面結構示意圖，如圖 4e所示，在第二介質層上涂覆第一光阻膠(PR) 206,并對第一 PR206進行曝光、顯影，從而形成第一光刻圖案。其中，第一光刻圖案用來定義后續步驟中的通孔207的開口寬度。在實際應用中，在第一 PR206之下還涂覆有底部抗反射涂層(BARC)，用于減少在曝光過程中的光反射，未在圖中畫出。步驟306，圖4f為現有技術中金屬互連方法的步驟306的剖面結構示意圖，如圖 4f所示，按照第一光刻圖案對第二介質層進行第一刻蝕，從而形成通孔207。本步驟中，Si3N4203作為刻蝕的停止層，在第一刻蝕之后，Si3N4203并沒有完全刻蝕掉，其殘留部分會在后續第二刻蝕后去除。在通孔207形成后，還要進行第一光刻圖案剝離。具體來說，主要采用兩種方法去除第一 PR206，第一，采用氧氣(O2)進行干法刻蝕，氧氣與I3R發生化學反應，可將第一冊206去除；此外，第二，還可采用濕法去膠法，例如，采用硫酸和雙氧水的混合溶液可將第一 PR206去除。步驟307，圖4g為現有技術中金屬互連方法的步驟307的剖面結構示意圖，如圖 4g所示，涂覆第二冊209，對第二 PR209進行曝光、顯影，從而形成第二光刻圖案。其中，先在第二介質層上依次形成第一 BARC、LT0208和第二 BARC組成的三層薄膜，其過程為，先在第二介質層上涂覆BARC，再用LT0208填充通孔207，然后在LT0208上涂覆第二 BARC形成平坦的第二 BARC表面，最后在第二 BARC上涂覆第二冊209。其中，第一 BARC和第二 BARC，都用于減少在曝光過程中的光反射，未在圖中畫出。(先在通孔207中和第二介質層上依次涂覆依次為第一 BARC、LT0208和第二 BARC的三層薄膜，形成平坦的表面，然后在第二 BARC上涂覆第二 ra209。在實際應用中，還可以直接用第二 PR209涂覆第二介質層，其中，第二 PR209的一部分存在于第二介質層上，第二冊209的其他部分填充于通孔207中。其中，第二光刻圖案用來定義后續步驟中的溝槽210的開口寬度。步驟308，圖4h為現有技術中金屬互連方法的步驟308的剖面結構示意圖，如圖 4h所示，按照第二光刻圖案對第二介質層進行第二刻蝕，從而形成溝槽210。本步驟中，在形成溝槽210后，還有將第二光刻圖案以及LT0208剝離和去除的步驟，并且將殘留的氮化硅完全去除，露出第一金屬層的表面。光刻膠剝離的方法可參照步驟 306中相關的描述。步驟309，圖4i為現有技術中金屬互連方法的步驟309的剖面結構示意圖，如圖 4i所示，沉積擴散阻擋層211。為了防止在后續步驟中溝槽210和通孔207中所沉積的金屬銅落擴散至第二介質層中，采用物理氣相沉積(PVD)工藝沉積擴散阻擋層211。步驟310，圖4j為現有技術中金屬互連方法的步驟310的剖面結構示意圖，如圖 4j所示，采用PVD工藝在擴散阻擋層211上沉積銅籽晶層212。步驟311，圖4k為現有技術中金屬互連方法的步驟311的剖面結構示意圖，如圖 4k所示，采用電化學鍍工藝(ECP)在溝槽210和通孔207中生長金屬銅213。步驟312，圖41為現有技術中金屬互連方法的步驟312的剖面結構示意圖，如圖41所示，采用CMP將金屬銅213、銅籽晶層212和擴散阻擋層211拋光至第二介質層的表面， 形成第二金屬層214。本發明提供了一種金屬銅互連線的金屬互連方法，其方法包括，金屬層CMP之后， 對金屬層進行硅烷預處理，在金屬層表面形成具有Cu-Si鍵的銅硅化合物，然后再制作通孔。所述銅硅化合物一方面能夠鈍化金屬層與通孔的交界面扭折處，另一方面由于Cu-Si 鍵的鍵能達到220千焦每摩爾，能夠更好地束縛金屬層和通孔的交界面扭折處的銅原子， 當有電流流過時，使金屬銅晶界保持完整，顯著改善了電遷移損傷的現象，金屬銅互連線的壽命提高一個數量級，達到一百六十年左右。以上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種金屬互連方法，其特征在于，該方法包括在第一金屬層表面形成鍵能大于30千焦每摩爾的金屬無機物化合物； 在所述金屬無機物化合物表面沉積第二介質層； 光刻和刻蝕所述第二介質層，形成通孔和溝槽； 在所述通孔和溝槽中填充金屬；化學機械研磨工藝拋光所述金屬到第二介質層表面，形成第二金屬層。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一金屬層是金屬銅。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬無機化合物是銅硅化合物。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成金屬無機物化合物的方法包括 將所述第一金屬層放入反應腔內，通入含硅烷的氣體進行硅烷預處理。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述硅烷的流量范圍是300標準狀態毫升每分到600標準狀態毫升每分。
6.如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述硅烷預處理的時間范圍是1秒到5秒。
7.如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述反應腔內的溫度范圍是300攝氏度到 600攝氏度。
8.如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述反應腔內的壓力范圍是400帕斯卡到 800帕斯卡。
全文摘要
本發明提出一種金屬互連方法，該方法在金屬層CMP之后，于金屬層表面形成鍵能大于30千焦每摩爾的金屬無機物化合物，例如，在金屬銅互連線的金屬層表面形成銅硅化合物，然后再制作通孔。本發明形成的銅硅化合物一方面使金屬銅互連線中的金屬層與通孔交界面扭折處鈍化，另一方面由于銅硅化合物具有的Cu-Si鍵的鍵能達到220千焦每摩爾，能夠更好地束縛金屬層和通孔界面的銅原子，當電流流過時，金屬銅晶界保持完整，從而顯著改善了電遷移損傷的現象，使金屬銅互連線的壽命提高一個數量級，達到一百六十年左右。
文檔編號H01L21/768GK102263056SQ20101019279
公開日2011年11月30日 申請日期2010年5月26日 優先權日2010年5月26日
發明者陳武佳, 陳玲, 黃飛 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司