专利名称：铜金属层化学机械抛光后的表面处理方法
技术领域：
本发明涉及半导体工艺领域，特别涉及一种铜金属层化学机械抛光后的表面处理 方法。
背景技术：
随着半导体技术的不断发展，半导体器件的几何尺寸持续缩小，目前已达到32nm 量级，随半导体器件尺寸的不断缩小，新的寄生效应不断出现。其中RC延迟是影响器件反 应速度的重要因素之一。为解决这一问题，需要改进金属互连结构以减小RC延迟。相应的 技术方案包括提高互连金属的电导率和降低介质层的介电常数(k)值。在90nm以下的工艺 中，铜已经全面取代铝成为互连金属。铜比铝具有更好的导电性，而且电迁移效应也较小。 关于介质层物质，低介电常数(low k)的新型材料(k < 2. 7)也已广泛应用，以取代传统的 氧化层。但与氧化层相比，低介电常数材料在结构上通常疏松多孔，与填充材料的附着性也 略差。在集成电路制造中，双镶嵌(dual damascene)工艺用于在介质层上形成铜互连 线。其中一个重要步骤是化学机械抛光(CMP)，用于去除介质层表面多余的铜，实现平坦化。 但在CMP工艺中，硅片表面会残留抛光液的粒子、反应副产物等污染物。因此在CMP工艺后 通常都需经过清洗以除去这些污染物，避免将缺陷引入器件而引起可靠性问题。在双镶嵌工艺中，向沟槽内填充铜之前通常在沟槽底部和侧壁淀积一层金属阻挡 层(barrier)，其成分为氮化钛(TiN)、钽(Ta)或氮化钽(TaN)。其作用是防止铜扩散到介 质层中。而在铜线表面也需要类似的介质阻挡层以防止铜的扩散。对于器件中金属-绝缘 体-半导体(MIS)这样的结构，通常选用氮化硅(Si3N4)或磷硅玻璃(PSG)作为扩散阻挡 层以防止铜离子扩散至硅和介质层中。因此，铜和介质层的表面状态对低介电常数介质层 的可靠性有较大的影响，主要表现在击穿电压(VBD)、时间相关介质击穿(time dependent dielectric breakdown :TDDB)等参数上。基于上述内容，在65nm以下的半导体工艺中，低介电常数介质层的可靠性问题是 影响器件性能的一个重要因素。公开号为20080047592的美国专利申请提出了一种在CMP 后用清洗硅片表面的方法，该方法适用于介质层为传统氧化层或是低介电常数材料的情 况，对于低介电常数材料的情况，则主要探讨了该清洗方法对器件形貌的影响，未提及对电 学参数方面的改善。因此，需要提出一种在CMP工艺后清洗及表面处理的有效方法，改善低介电常数 介质层的电学性能。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种铜金属层化学机械抛光后的表面处理方法，能提高 低介电常数介质层的可靠性，延长介质层的击穿寿命。为解决上述问题，本发明提供一种铜金属层化学机械抛光后的表面处理方法，CMP后的清洗液为碱性制剂，在刻蚀停止层形成之前进行气体等离子体预处理。包含下列步 骤提供半导体衬底，所述半导体衬底表面具有介质层，所述介质层中形成有开口，所 述开口内填充有金属铜；对所述半导体衬底进行化学机械抛光，至所述开口内的金属铜与介质层表面齐 平；使用碱性制剂对所述介质层和金属铜的表面进行清洗；对所述介质层和金属铜的表面等离子体预处理；在所述介质层和金属铜的表面形成刻蚀停止层。可选的，所述碱性制剂的PH值为9 13。可选的，所述气体等离子体预处理的气体选自氨(NH3)、氮气(N2)、氦气(He)、氢气 (H2)。可选的，所述氨气的流量为100 200sccm。可选的，所述气体等离子体预处理的反应温度为360 400°C。可选的，所述气体等离子体预处理的工艺时间为15 20seC。可选的，所述介质层为低介电常数材料。可选的，所述刻蚀停止层为氮化硅(Si3N4)、掺氮碳化硅(NDC)。可选的，所述刻蚀停止层的形成方法为低压化学气相淀积(LPCVD)、等离子体增强 化学气相淀积(PECVD)。与现有技术相比，上述方案具有以下优点通过对工艺流程的简单调整，CMP之后 使用碱性制剂进行清洗，再在刻蚀停止层形成至前进行气体等离子体预处理，避免了铜表 面的氧化以及铜离子在介质层中的漂移扩散，并在一定程度上修复了介质层的晶格和表面 状态，改善了击穿电压、时间相关介质击穿参数(TDDB)等电学性能参数，提高了器件性能。
通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其他目 的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。附图的绘制 并未刻意按照实际比例，重点在于示出本发明的主旨。在附图中，为清楚明了，部分层和区 域被加以放大。图1是本发明的一个实施例的铜金属层化学机械抛光后的表面处理方法的流程 示意图；图2至图3是本发明的一个实施例的铜金属层化学机械抛光后的表面处理方法的 剖面结构示意图；图4是介质层击穿测试的结构示意图；图5、6是现有技术和本发明的电性能测试结果的威布尔分布图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明 的具体实施方式
做详细的说明。
在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不 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。本发明提供的方法不仅适用于介质层为低介电常数材料的铜金属层CMP后处理 工艺，也适用于介质层材料为其他物质类型的情况。首先简要介绍一下相关的工艺流程，本实施例中选取的是中间层金属 (inter-metal)的介质层。另外，还可相应推广到其他层次的CMP工艺，对其他金属层如第 一金属层(Metal 1)、顶层金属层(top metal)的介质层也与此类同。图1示出了本发明的 一个实施例的铜金属层化学机械抛光后的表面处理方法的工艺流程示意图。如图1所示，执行步骤S110，提供半导体衬底，所述半导体衬底表面具有介质层， 所述介质层中形成有开口，所述开口内填充有金属铜，所述金属铜填满所述开口并覆盖在 所述介质层表面上；执行步骤S120，对所述半导体衬底进行化学机械抛光，至所述开口内 的金属铜与所述介质层表面齐平；执行步骤S130，使用碱性制剂对所述金属铜和介质层表 面进行清洗；执行步骤S140，对所述金属层和介质层表面进行气体等离子体预处理；执行 步骤S150，在所述金属铜和介质层表面上形成刻蚀停止层。图2和图3给出了本发明的一个实施例的铜金属层化学机械抛光后的表面处理方 法的剖面结构示意图。参照图2，提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有刻蚀停止层210和低介电常 数介质层220，所述介质层220上形成有氧化层230，在所述介质层220和氧化层230中存 在沟槽，所述沟槽开至刻蚀停止层210以下，露出所述半导体衬底。所述沟槽内形成有阻挡 层M0，所述阻挡层240可以为钽(Ta)、氮化钽(TaN)，本实施例中为氮化钽。其作用是防止 沟槽内的金属铜向低介电常数介质层220内漂移扩散。然后向沟槽内填充金属铜，形成铜 金属层250，形成方法有物理气相淀积(PVD)、化学气相淀积(CVD)、电离PVD、电镀，在此选 用物理气相淀积，在铜金属层250形成后，会有部分多余的铜溢出沟槽覆盖在介质层220表 面上。参照图3，之后进行化学机械抛光，去掉沟槽以外多余的铜以及位于沟槽两侧顶部 的阻挡层M0、氧化层230以及部分介质层220，形成铜金属层250’、介质层220’和阻挡层 M0’，使得所述沟槽内的金属铜层250’与所述介质层220’的表面齐平。由于CMP过程中 抛光液、反应副产物等污染物都会残留在抛光表面，甚至会渗入介质层220’中，对介质层 220’造成破坏，因此有必要在CMP工艺后进行清洗以去除衬底表面的污染物。现有技术中，主要采用酸性制剂去除衬底表面的污染物，所述酸性制剂的PH值约 在1 2，其有效成分主要是柠檬酸，单片硅片的用量为38 4^11，清洗时间为160 170 秒。从理论上说，在酸性环境中，酸根离子的氧化能力较强，具有较强的氧化性，容易 将沟槽表面的铜氧化成Cu+或Cu2+，若有氧元素存在，会在铜金属层250’的表面形成氧化铜 (CuO)和氧化亚铜(Cu2O)的混合物。此外，后续工艺中会在铜金属层250’和介质层220’ 上形成刻蚀停止层(stop layer)，其成分通常为氮化硅(Si3N4)，而形成氮化硅的反应气体 之一是硅烷(SiH4),在反应过程中，硅烷容易与铜发生反应形成铜的硅化物CuSix。于是在 铜金属层250’的表面会存在氧化铜、氧化亚铜、铜的硅化物等多种物质形态。这些物质中的铜离子(Cu2+、Cu+)容易被激活并向所述介质层220内扩散。另外，由于CMP过程会对介 质层220’表面的晶格结构造成一定的损伤，存在一些断裂的链键，这更加剧了铜离子向介 质层220’中的扩散。在CMP工艺之后，要进行多项电学参数测试，其中主要的一项为击穿电压。如图4 所示，在测试介质层220’的击穿电压时，会将相邻两个沟槽内的铜金属作为测试电极，其中 一个接地，另一个施加正电压，测试沟槽间介质层220’的击穿电压。由于铜金属层250’的 表面存在不同价态的铜离子(Cu+、Cu2+)，而处于沟槽之间的介质层220’表面由于CMP工艺 造成了一定的晶格损伤，会有部分铜离子扩散进入所述介质层220’的表面部分。由于介质 层220’表面存在铜离子，降低了器件的击穿电压，对器件性能造成不利的影响。如上所述，为改善低介电常数介质层的击穿特性，提高其击穿寿命，需要尽量减少 或消除铜离子的生成，因而就要减少铜的氧化物和硅化物的产生，另外还须修复CMP对介 质层造成的损伤。因此，CMP后的清洗工艺显得尤为重要，本发明中通过将清洗液由原来的 酸性制剂更换为碱性制剂，减少铜的氧化物以及硅化物的产生。所用碱性试剂的具体成分 为氨水，苯并三唑(BTA)，双氧水，表面活性剂(本实施例中具体为辛烷磺酸钠)，PH缓冲 剂等，其PH值约为9 13，本实施例中优选的范围为12 13。单片硅片所需碱性制剂用 量约为30 3&ι1，清洗时间为145 150秒，与现有技术相比，清洗时间缩短了约15sec， 这有利于产能的提高。经过测算，所需清洗液的费用支出也有一定程度的下降，有利于降低 生产成本。使用碱性制剂进行CMP后的表面清洗，碱性环境中的酸根离子的活性受到抑制， 铜不易被氧化，因此不易形成铜的氧化物，从而可以避免铜离子在介质层中的扩散漂移。此 外，碱性制剂清洗液还有助于减少介质层220’和铜金属层250’表面的晶格损伤，这也有利 于提高介质层220’的击穿电压。
在清洗工艺完成后，其后要在介质层220 ’和铜金属层250 ’上形成刻蚀停止层。其 材料选自氮化硅(Si3N4)或掺氮碳化硅(NDC)，本实施例选用氮化硅。形成方法有低压化学 气相淀积(LPCVD)、等离子体增强化学气相淀积(PECVD)，在此选用等离子体增强化学气相 淀积。其反应气体主要有氨气(NH3)和硅烷(SiH4),如前文所述，硅烷与铜作用会产生硅化 物，这也是铜离子漂移的因素之一，因此需要防止铜的硅化物的形成。为避免硅化物形成，需要在氮化硅形成前对铜表面进行一定的预处理工艺。为此 更为优化地，在氮化硅淀积前加入一个工艺步骤用氨气(NH3)等离子体对介质层220’和 铜金属层250’表面进行预处理。该步骤可以直接在形成氮化硅的反应腔中进行，因此对 工艺的成本没有大的影响。该预处理的相关工艺参数是氨气流量100 200sCCm，优选 为150SCCm ；反应压强为5torr ；反应温度为360 400°C，优选为370°C ；工艺时间为15 20sec，优选为18sec。由于工艺时间较短，因此对产能的影响较小。所述半导体衬底表面在经过氨气等离子体预处理后，所述沟槽表面的铜金属层 250’与等离子体中的氮元素会形成铜的氮化物。其化学键键能比氧化铜和铜的硅化物大， 不容易被电离，防止了铜离子在介质层中的漂移扩散。同时等离子体预处理反应生成的氮 化亚铜(Cu3N)膜层相当于一个阻挡层，在后续形成氮化硅时能避免铜金属层250’与硅烷 反应生成金属硅化物，从而避免了铜离子的生成。另一方面，在等离子体预处理过程中，等 离子体还能对受损的介质层220’的晶格作一定的修复，改善介质层220’的表面状态，减弱铜离子在其中的飘逸扩散。除利用氨等离子体进行预处理外，其他化学性质不活泼的气体等离子体也可以起 到修复介质层表面特性的作用，例如氮气(N2)、氢气(H2)或惰性气体，所述惰性气体可以为 氦气(He)。这些气体能修复介质层受损的晶格结构，减弱铜离子在其中的漂移扩散。为评估改进的技术效果，对于现有技术和本发明形成的器件分别进行电学性能测 试。测试结构参照图3，测试的对象是形成有第一金属层(Ml)的半导体衬底，两个沟槽之 间的介质层间隔长度为0. 12 μ m。图5是现有技术所得的器件老化试验失效时间的威布尔 分布(Weibull distribution)，图6是本发明所得的器件老化试验失效时间的威布尔分布 图。测试环境温度是125°C，测试偏压分别选取MV、56V、58V三种条件，得到三条拟合的直 线。横轴代表器件失效时间，纵轴代表在整片芯片中所占比例。比较两图可见，以54V测试 电压为例，现有技术所得线性斜率是2. 99，而采用本发明所得线性斜率是4. 04，本发明对 应的斜率明显增大，这表明测试点的收敛性有较大改善。另外，对时间相关介质击穿参数(TDDB)的测试也显示了本发明的改进之处。测试 长度为3. 45cm,电压加速因子为0. 42，用外推法推算现有技术下，有1%。的概率硅片寿命低 于3160年，而对于本发明则有1%。的概率硅片寿命低于4780年。再外推到IOOm长的测试 结果现有技术下，有1%。的概率硅片寿命低于227年，而对于本发明则有1%。的概率硅片寿 命低于658年。如果外推到225m长，测试结果分别为现有技术下，有1%。的概率硅片寿命 低于147年，而对于本发明则有1%。的概率硅片寿命低于538年。由此可见，相比于现有技 术，本发明的TDDB增加了 2 3倍，器件寿命得到了显著延长。本发明通过对工艺流程的简单调整，将CMP后清洗液由酸性更换为碱性制剂，再 在刻蚀停止层氮化硅淀积前进行氨等离子处理，避免了铜表面的氧化以及铜离子在介质层 中的漂移扩散，并在一定程度修复了低介电常数介质层的晶格和表面状态，改善了击穿电 压、时间相关介质击穿参数(TDDB)等电学性能参数，提高了器件性能。本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但并不是用来限定本发明，任何本领域技 术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明 技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的 技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的 保护范围。
权利要求
1.一种铜金属层化学机械抛光后的表面处理方法，其特征在于，包括提供半导体衬底，所述半导体衬底表面具有介质层，所述介质层中形成有开口，所述开 口内填充有金属铜；对所述半导体衬底进行化学机械抛光，至所述开口内的金属铜与介质层表面齐平；使用碱性制剂对所述介质层和金属铜的表面进行清洗；对所述介质层和金属铜的表面等离子体预处理；在所述介质层和金属铜的表面形成刻蚀停止层。
2.根据权利要求1所述的铜金属层化学机械抛光后的表面处理方法，其特征在于，所 述碱性制剂的PH值为9 13，其主要成分包括氨水、苯并三唑、双氧水、辛烷磺酸钠。
3.根据权利要求1所述的铜金属层化学机械抛光后的表面处理方法，其特征在于，所 述气体等离子体预处理的气体选自氨气、氮气、氦气、氢气。
4.根据权利要求3所述的铜金属层化学机械抛光后的表面处理方法，其特征在于，所 述氨气的流量为100 200sccm。
5.根据权利要求3所述的铜金属层化学机械抛光后的表面处理方法，其特征在于，所 述气体等离子体预处理的反应温度为360 400°C。
6.根据权利要求3所述的铜金属层化学机械抛光后的表面处理方法，其特征在于，所 述气体等离子体预处理的工艺时间为15 20seC。
7.根据权利要求1所述的铜金属层化学机械抛光后的表面处理方法，其特征在于，所 述介质层的材料为低介电常数介质。
8.根据权利要求1所述的铜金属层化学机械抛光后的表面处理方法，其特征在于，所 述刻蚀停止层选自氮化硅、掺氮碳化硅。
9.根据权利要求8所述的铜金属层化学机械抛光后的表面处理方法，其特征在于，所 述刻蚀停止层的形成方法为低压化学气相淀积、等离子体增强化学气相淀积。
全文摘要
一种铜金属层化学机械抛光后的表面处理方法，包括提供半导体衬底，所述半导体衬底表面具有介质层，所述介质层中形成有开口，所述开口内填充有金属铜；对所述半导体衬底进行化学机械抛光，至所述开口内的金属铜与所述介质层表面齐平；使用碱性制剂对所述介质层和金属铜的表面进行清洗；对所述介质层和金属铜的表面等离子体预处理；在所述介质层和金属铜的表面形成刻蚀停止层。本发明通过对工艺流程的简单调整，避免了铜表面的氧化以及铜离子在介质层中的漂移扩散，并在一定程度修复了介质层的晶格和表面状态，改善了击穿电压、时间相关介质击穿参数(TDDB)等电学性能参数，提高了器件性能。
文档编号C23G1/14GK102044474SQ20091019708
公开日2011年5月4日 申请日期2009年10月13日 优先权日2009年10月13日
发明者邓武锋 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司