[发明专利]降低铜电镀工艺中边缘效应的方法及铜互连结构制造方法有效

申请号：	201110126350.9	申请日：	2011-05-16
公开（公告）号：	CN102790009A	公开（公告）日：	2012-11-21
发明（设计）人：	鲍宇;平延磊	申请（专利权）人：	中芯国际集成电路制造（上海）有限公司
主分类号：	H01L21/768	分类号：	H01L21/768
代理公司：	北京集佳知识产权代理有限公司 11227	代理人：	骆苏华
地址：	201203 ***	国省代码：	上海;31
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摘要：
搜索关键词：	降低电镀工艺边缘效应方法互连结构制造
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【说明书】：

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及降低铜电镀工艺中边缘效应的方法及其对应的铜互连结构制造方法。

背景技术

在现有技术中，利用双大马士革工艺制作铜互连结构的方法包括以下步骤：在衬底表面形成阻挡层；在阻挡层表面形成一层铜籽晶层；利用电镀工艺在金属籽晶层表面形成铜金属层；利用化学机械抛光(CMP)平坦化铜金属层。

现有技术中电镀铜的装置的结构示意图请参考图1，包括：充满硫酸铜溶液18的电镀容器11；电镀容器11的一面设置有作为阳极的铜片16，在铜片16相对的另一面设置有作为阴极的晶圆12，所述铜片16和晶圆12完全浸没在硫酸铜溶液18中；外电源17的正极电连接铜片16，外电源17的负极利用环形电极电连接在晶圆12的边缘位置121。在电镀过程中，铜片16发生氧化反应形成金属铜离子，所述金属铜离子在晶圆12的表面被还原成金属铜原子并沉积形成铜金属层，在晶圆12表面沉积铜金属的速率与电流密度的大小有关。

由于容器中间硫酸铜溶液的电阻15加晶圆边缘到晶圆中心的电阻13之和比容器边缘硫酸铜溶液的电阻14要大，晶圆中心位置122的电流密度比晶圆边缘位置121的电流密度要小，晶圆中心位置122的铜沉积速度比晶圆边缘位置121的铜沉积速度要小，导致最后在晶圆中心位置的铜金属层比在晶圆边缘位置的铜金属层要薄，这就是所谓的边缘效应(terminal effect)。

随着半导体器件集成度的不断增加、特征尺寸的不断减小，铜籽晶层的厚度也在不断减小，铜籽晶层的电阻会不断增大，晶圆边缘到晶圆中心的电阻值也会不断增大，受到边缘效应的影响也更大，更难控制铜金属层的均匀性。

而且，相对于200mm的晶圆，300mm的晶圆会因为更大的半径，晶圆边缘到晶圆中心的电阻更大，受到边缘效应的影响也更大，也更难控制铜金属层的均匀性。

公开号为US2005/0153548的美国专利文件公开了一种在铜电镀工艺中降低边缘效应的方法，流程图请参考图2，具体包括：步骤S101，在刻蚀好的介质层表面形成阻挡层；步骤S102，在阻挡层表面形成银籽晶层，形成银籽晶层的方法为把形成有阻挡层的晶圆放入含有NH₃和AgNO₃的溶液，在加热的条件下，利用一种还原剂在旋转的晶圆表面形成银籽晶层；步骤S103，利用电镀工艺在银籽晶层表面形成一层铜；步骤S104，对晶圆进行退火处理，然后用化学机械平坦(CMP)工艺清除额外的铜，形成铜互连层。

由于银的电阻率(1.5μΩ/cm)低于铜的电阻率(1.6μΩ/cm)，利用银做籽晶层可降低籽晶层的电阻，有利于减小铜在电镀时受边缘效应(terminaleffect)的影响。

但是银的电阻率比铜的电阻率并没有相差太多，籽晶层电阻值的降低幅度有限，并且银的价格比铜的价格高得多，不利于控制生产成本，而且所述现有技术需要增加额外的工艺步骤(把晶圆放入溶液中进行反应，旋转晶圆等)和额外的用于还原反应的物质(AgNO₃、还原剂等)，更容易造成晶圆沾污，且提高了工艺复杂度和生产成本。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种能大幅减小金属籽晶层的电阻，降低铜电镀工艺中的边缘效应的方法及其对应的铜互连结构制造方法。

为解决上述问题，本发明技术方案提供了一种降低铜电镀工艺中边缘效应的方法，包括以下步骤：

在基底表面形成第一金属籽晶层；

对所述第一金属籽晶层进行退火处理；

在所述第一金属籽晶层表面形成第二金属籽晶层；

在所述第二金属籽晶层表面形成铜金属层。

可选的，所述第一金属籽晶层的材料为铜、银、金、铜合金、银合金或金合金。

可选的，所述第一金属籽晶层厚度为10nm～40nm。

可选的，所述退火处理为低温退火工艺。

可选的，当所述第一金属籽晶层的材料为铜时，所述退火处理的工艺参数为：退火温度为150℃～400℃，退火时间为30s～180s，所述退火处理过程中O₂含量小于5ppm。

可选的，所述第二金属层籽晶层的材料为铜、银、金、铜合金、银合金或金合金。