[发明专利]金属插塞制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路的金属插塞制作方法。

背景技术

IC制造业转到铜金属化对所有芯片制造商来说都只是刚刚起步。首先，高性能微处理器和快速静态存储器正在转向铜工艺。因为铜有具有较低的电阻率(铜的电阻率为1.69μΩ·cm)和较高的抗电迁移性(可增加约两个数量级)，故铜是深亚微米和纳米集成电路多层互连线的一种首选材料。

采用电化学电镀铜金属层具有成本低，形成速度较快的优点。电化学电镀铜金属的基本原理是将具有导电表面的硅片沉浸在硫酸铜溶液中，这个溶液包含需要被淀积的铜。硅片和种子层作为带负电荷的平板或阴极电连接到外电源。固体铜块沉浸在溶液中并构成带正电荷的阳极。电流从铜阳极进入溶液到达硅片。当电流流动时，在硅片表面发生化学反应以淀积铜金属。电镀过程中，金属铜离子在硅片表面阴极被还原成金属铜结晶粒子，同时在铜阳极发生氧化反应，以此平衡阴极电流。这个反应维持了溶液中的电中和。

如图1A所示，在已形成铜互连层1的硅片上使用化学气相沉积上形成介电层2；如图1B所示，依序进行光刻，蚀刻等工艺形成设计所需的沟槽3；如图1C，采用物理气相沉积在硅片上形成阻挡层4和种子层5；如图1D，将硅片浸入硫酸铜溶液，由于电镀化学反应，在种子层表面形成铜金属层6；铜金属层6中的相邻的铜结晶粒子7存在间隙，所以如果铜结晶粒子7排列过于疏散会增加铜金属层的电阻率而严重影响器件的性能，此外后续工艺需要采用化学机械研磨来平坦化多余的铜金属层，为了能够控制铜金属层的硬度所以目前采用退火工艺将上述问题解决，如图1E所示，将硅片进行退火，由于铜金属层的温度膨胀系数比其它所述介电层、阻挡层和种子层的要大，所以在退火结束硅片冷却到常温后，使得铜金属层6快速收缩较快而其它所述介电层2、阻挡层4和种子层5收缩较慢，形成了弯曲的硅片表面；如图1F所示，由于退火过程中相邻铜结晶粒子合并形成一个更大的金属结晶粒子8地同时也将原有的铜结晶粒子的间隙合并在一起形成空洞9，而弯曲的硅片表面使得铜金属层6获得的比退火之前更大的应力并将所述空洞9迁移到铜金属层与种子层的交接处；当采用化学机械研磨平坦化多余的铜金属层6后形成金属插塞10，如图1G所示，当空洞9迁移到沟槽内侧时，平坦化后的金属插塞存在空洞9而使得铜电路传送信号时出现断路这种影响器件性能可靠性和良率的问题。

发明内容

本发明解决的问题是由于铜金属层的退火过程中温度膨胀系数大于硅片中其它层而受到较大应力，使得空洞迁移到沟槽内侧影响器件性能和良率。

本发明提供了一种金属插塞制作方法，其特征在于，包括：提供已形成铜电路互连层的硅片，在铜电路互连层上形成介电层；依序进行光刻，蚀刻等工艺形成设计所需的沟槽；在介电层和沟槽上形成阻挡层和种子层；在种子层上电镀形成第一铜金属层；第一次退火；在第一铜金属层上电镀形成第二铜金属层；第二次退火；平坦化第一铜金属层和第二铜金属层，形成金属插塞。

优选的，所述第一铜金属层形成的厚度为1000～3000埃。

优选的，所述第二铜金属层形成的厚度为3000～4000埃。

优选的，所述平坦化是指采用化学机械研磨去除第二铜金属层以及部分第一铜金属层、种子层和阻挡层。

优选的，所述阻挡层的材料采用氮化钽、氮化钛、钛或钽中的一种或者混合物。

优选的，所述种子层的材料为籽晶铜。

优选的，所述退火的目标温度为100～300摄氏度，退火时间为20～80秒。

由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明避免了由于在退火过程中，所述空洞迁移到沟槽内侧，使得金属插塞表面存在空洞而使得铜电路传送信号时出现断路或漏电流这种影响器件性能可靠性和良率的问题。

附图说明

图1A到1G为现有的铜金属层电子化学镀膜的结构示意图；

图2为本发明的铜金属层电子化学镀膜的流程图；

图3A到3H为本发明的铜金属层电子化学镀膜的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

包括如下步骤S200：提供已形成铜电路互连层的硅片，在铜电路互连层上形成介电层；S201：依序进行光刻，蚀刻等工艺形成设计所需的沟槽；S202，在介电层和沟槽上形成阻挡层和种子层；S203，在种子层上电镀第一铜金属层；S204，第一次退火；S205，在第一铜金属层上电镀第二铜金属层；S206，第二次退火；S207，平坦化第一铜金属层和第二铜金属层，形成金属插塞。