一种改善铜填充质量的方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 104112697 A (43)申请公布日 2014.10.22 CN 104112697 A (21)申请号 201310136098.9 (22)申请日 2013.04.18 H01L 21/768(2006.01) (71)申请人 中芯国际集成电路制造 （上海） 有限 公司 地址 201203 上海市浦东新区张江路 18 号 (72)发明人 周鸣 (74)专利代理机构 上海光华专利事务所 31219 代理人 余明伟 (54) 发明名称 一种改善铜填充质量的方法 (57) 摘要 本发明提供一种改善铜填充质量的方法， 包 括步骤 ： 1）于前端器件结构中形成大马士革。

2、结 构 ； 2） 于大马士革结构及前端器件结构表面形成 阻挡层 / 铜种子层 ； 3） 于大马士革结构内部及前 端器件结构表面形成光刻胶 ； 4） 采用 O 等离子体 对上述结构进行处理， 去除前端器件结构表面及 大马士革结构顶部的光刻胶， 并使前端器件结构 表面及大马士革结构顶部的铜种子层氧化形成氧 化铜 ； 5） 去除大马士革结构内部的光刻胶 ； 6） 于 大马士革结构内部沉积金属铜。本发明通过将大 马士革结构顶部的铜种子层氧化成氧化铜， 大大 降了低大马士革结构顶部铜种子层对后续铜沉积 工艺的影响， 可以实现高质量金属铜的填充。 本发 明步骤简单， 与常规工艺兼容， 适用于工业生产。 (。

3、51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 5 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图5页 (10)申请公布号 CN 104112697 A CN 104112697 A 1/1 页 2 1. 一种改善铜填充质量的方法， 其特征在于， 至少包括以下步骤 ： 1） 提供一前端器件结构， 于该前端器件结构中形成大马士革结构 ； 2） 于所述大马士革结构表面及前端器件结构表面形成阻挡层 / 铜种子层 ； 3） 于所述大马士革结构内部及前端器件结构表面形成光刻胶 ； 4） 采用 O 等离子体对上述结构进行处理， 去除前端器件。

4、结构表面及大马士革结构顶部 的光刻胶， 并使所述前端器件结构表面及大马士革结构顶部的铜种子层氧化形成氧化铜 ； 5） 去除所述大马士革结构内部的光刻胶 ； 6） 于所述大马士革结构内部及前端器件结构表面沉积金属铜。 2. 根据权利要求 1 所述的改善铜填充质量的方法， 其特征在于 ： 所述前端器件结构至 少包括依次层叠的 NDC 层、 超低 k 介质层、 低 k 介质层、 硬掩膜层及 TiN 层。 3. 根据权利要求 2 所述的改善铜填充质量的方法， 其特征在于 ： 所述大马士革结构贯 穿所述 NDC 层、 超低 k 介质层、 低 k 介质层及硬掩膜层。 4. 根据权利要求 1 所述的改善铜填。

5、充质量的方法， 其特征在于 ： 步骤 2） 采用物理气相 沉积法形成所述阻挡层 / 铜种子层。 5. 根据权利要求 1 所述的改善铜填充质量的方法， 其特征在于 ： 所述阻挡层 / 铜种子 层包括 Ti/Cu、 Ta/Cu、 TiN/Cu 及 TaN/Cu 中的一种。 6. 根据权利要求 5 所述的改善铜填充质量的方法， 其特征在于 ： 所述光刻胶为采用原 子转移自由基聚合方法聚合而成的辛油稀。 7. 根据权利要求 1 所述的改善铜填充质量的方法， 其特征在于 ： 步骤 4） 中 O 等离子体 处理采用的功率为 100 2000W， 气压为 0.1 100mtorr， O2气体流量为 100 。

6、3000sccm。 8. 根据权利要求 1 所述的改善铜填充质量的方法， 其特征在于 ： 步骤 5） 采用 UV 光照 及湿法清洗工艺去除所述光刻胶。 9. 根据权利要求 8 所述的改善铜填充质量的方法， 其特征在于 ： 所述湿法清洗工艺采 用的溶液为 Na2CO3及 NaOH 的一种或两种组成的混合溶液。 权 利 要 求 书 CN 104112697 A 2 1/4 页 3 一种改善铜填充质量的方法 技术领域 0001 本发明涉及一种半导体铜互连线工艺， 特别是涉及一种改善铜填充质量的方法。 背景技术 0002 随着科学技术的突飞猛进 , 半导体制造技术面临曰新月异的变化， 其中 12 英寸。

7、、 90 纳米技术和铜工艺被称为引导半导体发展趋势的三大浪潮。传统的半导体工艺是主要 采用铝作为金属互联材料 (Interconnect)， 在信号延时 (signal delay) 上已经受到限制。 人们寻找到了新的材料来满足对电阻的要求， 这种材料就是铜。 简单地说， 铜工艺就是指以 铜作为金属互联材料的一系列半导体制造工艺。 将铜工艺融入集成电路制造工艺可以提高 芯片的集成度， 提高器件密度， 提高时钟频率以及降低消耗的能量。 0003 铜作为互连线的材料具有低电阻率和较好的抗电迁移能力等优点， 因而被广泛应 用于集成电路前端器件结构的互连线工艺中。 0004 现有的一种前端器件结构包括。

8、依次层叠的氮掺杂的碳化硅NDC层、 超低k介质层、 低 k 介质层及硬掩膜层， 在这种前端器件结构中制备铜互连线的方法是， 通过光刻工艺在 所述前端器件结构中形成大马士革结构， 然后于所述大马士革结构表面及前端器件结构表 面形成阻挡层 / 铜种子层， 然后通过沉积工艺于所述大马士革结构内填充金属铜。 0005 这种方法制备的铜互连线结构中， 所述大马士革结构顶部形成的铜种子层会对后 续沉积铜的工艺造成较大的影响， 导致填充于所述大马士革结构内的金属铜出现孔洞， 从 而影响器件的最终性能。 0006 因此， 提供一种能改善铜填充质量的方法实属必要。 发明内容 0007 鉴于以上所述现有技术的缺点。

9、， 本发明的目的在于提供一种改善铜填充质量的方 法， 用于解决现有技术中铜填充过程中会出现孔洞等问题。 0008 为实现上述目的及其他相关目的， 本发明提供一种改善铜填充质量的方法， 至少 包括以下步骤 ： 0009 1） 提供一前端器件结构， 于该前端器件结构中形成大马士革结构。 0010 2） 于所述大马士革结构表面及前端器件结构表面形成阻挡层 / 铜种子层 ； 0011 3） 于所述大马士革结构内部及前端器件结构表面形成光刻胶 ； 0012 4） 采用 O 等离子体对上述结构进行处理， 去除前端器件结构表面及大马士革结构 顶部的光刻胶， 并使所述前端器件结构表面及大马士革结构顶部的铜种子。

10、层氧化形成氧化 铜 ； 0013 5） 去除所述大马士革结构内部的光刻胶 ； 0014 6） 于所述大马士革结构内部及前端器件结构表面沉积金属铜。 0015 作为本发明的改善铜填充质量的方法的一种优选方案， 所述前端器件结构至少包 括依次层叠的 NDC 层、 超低 k 介质层、 低 k 介质层、 硬掩膜层及 TiN 层。 说 明 书 CN 104112697 A 3 2/4 页 4 0016 作为本发明的改善铜填充质量的方法的一种优选方案， 所述大马士革结构贯穿所 述 NDC 层、 超低 k 介质层、 低 k 介质层及硬掩膜层。 0017 作为本发明的改善铜填充质量的方法的一种优选方案， 步骤。

11、 2） 采用物理气相沉积 法形成所述阻挡层 / 铜种子层。 0018 作为本发明的改善铜填充质量的方法的一种优选方案， 所述阻挡层 / 铜种子层包 括 Ti/Cu、 Ta/Cu、 TiN/Cu 及 TaN/Cu 中的一种。 0019 作为本发明的改善铜填充质量的方法的一种优选方案， 所述光刻胶为采用原子转 移自由基聚合方法聚合而成的辛油稀。 0020 作为本发明的改善铜填充质量的方法的一种优选方案， 步骤 4） 中 O 等离子体处理 采用的功率为 100 2000W， 气压为 0.1 100mtorr， O2气体流量为 100 3000sccm。 0021 作为本发明的改善铜填充质量的方法的一。

12、种优选方案， 步骤 5） 采用 UV 光照及湿 法清洗工艺去除所述光刻胶。 0022 作为本发明的改善铜填充质量的方法的一种优选方案， 所述湿法清洗工艺采用的 溶液为 Na2CO3及 NaOH 的一种或两种组成的混合溶液。 0023 如上所述， 本发明提供一种改善铜填充质量的方法， 包括步骤 ： 1） 提供一前端器件 结构， 于该前端器件结构中形成大马士革结构 ； 2） 于所述大马士革结构表面及前端器件结 构表面形成阻挡层 / 铜种子层 ； 3） 于所述大马士革结构内部及前端器件结构表面形成光刻 胶 ； 4） 采用 O 等离子体对上述结构进行处理， 去除前端器件结构表面及大马士革结构顶部 的光。

13、刻胶， 并使所述前端器件结构表面及大马士革结构顶部的铜种子层氧化形成氧化铜 ； 5） 去除所述大马士革结构内部的光刻胶 ； 6） 于所述大马士革结构内部及前端器件结构表面 沉积金属铜。本发明通过光刻胶填充进行保护后， 将大马士革结构顶部的铜种子层氧化成 氧化铜， 再通过沉积工艺填充金属铜， 可以大大降低大马士革结构顶部铜种子层对后续铜 沉积工艺的影响， 可以实现高质量无孔洞的金属铜的填充。 本发明步骤简单， 与常规的铜互 连线工艺兼容， 适用于工业生产。 附图说明 0024 图 1 图 4 显示为本发明的改善铜填充质量的方法步骤 1） 所呈现的结构示意图。 0025 图 5 显示为本发明的改善。

14、铜填充质量的方法步骤 2） 所呈现的结构示意图。 0026 图 6 显示为本发明的改善铜填充质量的方法步骤 3） 所呈现的结构示意图。 0027 图 7 图 8 显示为本发明的改善铜填充质量的方法步骤 4） 所呈现的结构示意图。 0028 图 9 显示为本发明的改善铜填充质量的方法步骤 5） 所呈现的结构示意图。 0029 图 10 显示为本发明的改善铜填充质量的方法步骤 6） 所呈现的结构示意图。 0030 元件标号说明 0031 101 NDC 层 0032 102 超低 k 介质层 0033 103 低 k 介质层 0034 104 硬掩膜层 0035 105 TiN 层 0036 10。

15、6 光刻图形 说 明 书 CN 104112697 A 4 3/4 页 5 0037 107 大马士革结构 0038 108 阻挡层 / 铜种子层 0039 109 光刻胶 0040 110 氧化铜 0041 111 金属铜 具体实施方式 0042 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式， 本领域技术人员可由本说明书 所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。 本发明还可以通过另外不同的具体实 施方式加以实施或应用， 本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用， 在没有背离 本发明的精神下进行各种修饰或改变。 0043 请参阅图 1 图 10。需要说明的是， 本实施例中所提供的图示仅。

16、以示意方式说明 本发明的基本构想， 遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数 目、 形状及尺寸绘制， 其实际实施时各组件的型态、 数量及比例可为一种随意的改变， 且其 组件布局型态也可能更为复杂。 0044 如图 1 图 10 所示， 本实施例提供一种改善铜填充质量的方法， 至少包括以下步 骤 ： 0045 如图 1 图 4 所示， 首先进行步骤 1） ， 提供一前端器件结构， 于该前端器件结构中 形成大马士革结构 107。 0046 作为示例， 所述前端器件结构至少包括依次层叠的 NDC 层 101、 超低 k 介质层 102、 低 k 介质层 103、 硬掩膜层 104。

17、 及 TiN 层 105。 0047 作为示例， 所述大马士革结构 107 贯穿所述 NDC 层 101、 超低 k 介质层 102、 低 k 介 质层 103 及硬掩膜层 104。 0048 作为示例， 所示应掩膜层 104 为正硅酸乙酯 TEOS。 0049 具体地， 在本实施例中， 包括以下步骤 ： 0050 1-1） 于所述前端器件结构表面制作在欲刻蚀处具有开口的光刻图形 106， 刻蚀去 除部分的 TiN 层 105 形成刻蚀窗口， 如图 1 图 3 所示 ； 0051 1-2） 去除所述光刻图形 106 ； 0052 1-3） 以所述 TiN 层 105 为掩膜， 刻蚀出贯穿所述 。

18、NDC 层 101、 超低 k 介质层 102、 低 k 介质层 103 及硬掩膜层 104 的大马士革结构 107， 如图 4 所示。 0053 如图5所示， 然后进行步骤2） ， 于所述大马士革结构107表面及前端器件结构表面 形成阻挡层 / 铜种子层 108。 0054 作为示例， 采用物理气相沉积法形成所述阻挡层 / 铜种子层 108。具体地， 采用溅 射沉积法依次于所述大马士革结构 107 表面形成阻挡层及铜种子层。 0055 作为示例， 所述阻挡层 / 铜种子层 108 包括 Ti/Cu、 Ta/Cu、 TiN/Cu 及 TaN/Cu 中的 一种。当然， 在其他的实施例中， 所述阻。

19、挡层 / 铜种子层 108 也可以是其它预期的材料。所 述阻挡层可以防止 Cu 往器件内部的扩散， 提高器件的稳定性。 0056 如图6所示， 接着进行步骤3） ， 于所述大马士革结构107内部及前端器件结构表面 形成光刻胶 109。 说 明 书 CN 104112697 A 5 4/4 页 6 0057 作为示例， 所述光刻胶 109 为采用原子转移自由基聚合方法聚合而成的辛油稀。 当然， 在其它的实施例中， 所述光刻胶 109 也可以是其预期的光刻胶 109 材料。 0058 如图 7 图 8 所示， 然后进行步骤 4） ， 采用 O 等离子体对上述结构进行处理， 去除 前端器件结构表面及。

20、大马士革结构 107 顶部的光刻胶 109， 并使所述前端器件结构表面及 大马士革结构 107 顶部的铜种子层氧化形成氧化铜 110。 0059 作为示例， 产生 O 等离子体的气体可以为 O2或 O3。 0060 作为示例， O 等离子体处理采用的功率为 100 2000W， 气压为 0.1 100mtorr， O2气体流量为 100 3000sccm。 0061 本步骤将所述大马士革结构 107 顶部铜种子层氧化成氧化铜 110， 可以降低该处 的铜种子层对大马士革结构 107 内部沉积质量的降低， 从而提高铜填充的质量。 0062 如图 9 所示， 接着进行步骤 5） ， 去除所述大马士。

21、革结构 107 内部的光刻胶 109。 0063 作为示例， 采用 UV 光照及湿法清洗工艺去除所述光刻胶 109。 0064 作为示例， 所述湿法清洗工艺采用的溶液为Na2CO3及NaOH的一种或两种组成的混 合溶液。当然， 在其他的实施例中， 也可以使用其它的碱性或弱碱性溶液对所述光刻胶 109 进行湿法清洗以将其去除， 并不限于此处所列举的几种。 0065 如图 10 所示， 最后进行步骤 6） ， 于所述大马士革结构 107 内部及前端器件结构表 面沉积金属铜 111。 0066 综上所述， 本发明提供一种改善铜填充质量的方法， 包括步骤 ： 1） 提供一前端器件 结构， 于该前端器件。

22、结构中形成大马士革结构 107 ； 2） 于所述大马士革结构 107 表面及前端 器件结构表面形成阻挡层 / 铜种子层 108 ； 3） 于所述大马士革结构 107 内部及前端器件结 构表面形成光刻胶 109 ； 4） 采用 O 等离子体对上述结构进行处理， 去除前端器件结构表面及 大马士革结构107顶部的光刻胶109， 并使所述前端器件结构表面及大马士革结构107顶部 的铜种子层氧化形成氧化铜 110 ； 5） 去除所述大马士革结构 107 内部的光刻胶 109 ； 6） 于所 述大马士革结构 107 内部及前端器件结构表面沉积金属铜 111。本发明通过光刻胶 109 填 充进行保护后， 将。

23、大马士革结构 107 顶部的铜种子层氧化成氧化铜 110， 再通过沉积工艺填 充金属铜 111， 可以大大降低大马士革结构 107 顶部铜种子层对后续铜沉积工艺的影响， 可 以实现高质量无孔洞的金属铜 111 的填充。本发明步骤简单， 与常规的铜互连线工艺兼容， 适用于工业生产。 所以， 本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。 0067 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效， 而非用于限制本发明。任何熟 悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下， 对上述实施例进行修饰或改变。因 此， 举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完 成的一切等效修饰或改变， 仍应由本发明的权利要求所涵盖。 说 明 书 CN 104112697 A 6 1/5 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 104112697 A 7 2/5 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 104112697 A 8 3/5 页 9 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 104112697 A 9 4/5 页 10 图 7 图 8 说 明 书 附 图 CN 104112697 A 10 5/5 页 11 图 9 图 10 说 明 书 附 图 CN 104112697 A 11 。