專利名稱：一種去除銅籽晶表面氧化膜及增強銅層黏附力的前處理工藝的制作方法
技術領域：
本發明屬集成電路芯片制造技術領域，具體涉及一種去除銅籽晶層表面氧化膜及籽晶層前處理的新工藝，以增強鍍層和籽晶層之間的黏附力，減輕銅布線中的熱應力誘導失效。
背景技術：
伴隨芯片制造技術的快速發展，制約電路速度的主要因素，已由柵延遲(gate delay)變成由連線的電阻(R)和連線間的電容(C)造成的RC延遲。銅的電阻率(1.7μΩcm)明顯低于傳統采用的鋁(3.0μΩcm)，選用銅做連線可大大降低連線電阻；而應用low k材料取代氧化層做連線間的絕緣層，則可降低連線間的電容，這就能有效降低RC延遲，提高電路速度。另一方面，由于連線越來越細，鋁條越來越容易受電遷移效應的影響而形成空洞甚至斷裂，嚴重影響芯片的可靠性，而銅的電遷移性能遠好于鋁，這也是它能取代鋁的一個主要原因。因此，到目前為止，銅已經成為標準的新一代互聯材料。
在傳統的鋁互聯技術中，鋁線條由刻蝕而成，相鄰層的鋁線由通孔中的鎢連接。由于銅很難刻蝕，所以銅互聯采用了一種新的工藝，稱為‘大馬士革’(damascene)技術。其中，第一層金屬采用用‘單大馬士革’(single damascene)技術，第二層以上金屬采用‘雙大馬士革’技術(dual damascene)，可將其具體制備工藝簡述如下1.阻擋層及銅仔晶層淀積(PVD)。銅阻擋層及仔晶層的淀積，主要包含以下4個步驟除氣(degas)；氬氣預清洗(Ar pre-clean)；阻擋層淀積(barrier deposition)；仔晶層淀積(seed layer deposition)。
2.銅填充(電鍍)3.銅磨平(CMP)上述工藝步驟中，銅籽晶層的淀積是為了電鍍銅的需要。由于其電阻很高，很難在阻擋層上直接電鍍，因此需預淀積一層高導電的銅仔晶層，為鍍銅提供良好的生長層，使得電鍍過程在在硅片表面均勻進行。為了保證銅鍍層的質量，需要制備良好的籽晶層，除了嚴格控制其厚度、均勻性以及材料結構組成之外，籽晶層表面的氧化是一個嚴重影響銅鍍層質量及銅互連線穩定性的因素。
按工藝流程，在籽晶層制備完成，電鍍之前，硅片通常要等待一段時間，只有15nm厚的籽晶層在空氣中極易氧化，其表面會形成CuO，這層氧化膜會嚴重影響銅鍍層和籽晶層的粘附力，使得銅在后續制備工藝中更容易由于熱應力誘導而失效，降低產品良率。因此需要通過有效的方法去除CuO，目前經過嘗試的方法有兩種1、電鍍前，硅片在鍍液中浸泡一段時間。由于鍍液是強酸性的，利用如下反應可以去除CuO。這種方法容易去掉CuO，但很容易損傷籽晶銅層，已有實驗證明這種方法處理效果不理想。
2、電鍍前，在退火爐中通入H2/N2去除CuO，反應為。這種方法的缺點是經處理過的銅層表面粗糙，費用也高，而且由于反應需要升溫，容易造成籽晶層退火，銅層變粗糙，嚴重影響鍍層質量。
發明內容
本發明的目的在于提出一種有效去除籽晶層表面CuO及增強籽晶和鍍層黏附力的前處理工藝。
電鍍之前，若在電源斷開的情況下，將硅片浸泡在鍍液中，由于氫(H+/H2)氧化還原對的平衡電位EH+/H2高于銅(Cu2+/Cu)氧化還原對的平衡電位ECu2+/Cu，因而不僅銅表面的CuO會被腐蝕掉，銅基體也會被腐蝕，考慮到PVD淀積的銅籽晶層在布線的通孔或溝槽的厚度并不是均勻的，容易造成局部的CuO殘留及局部的過腐蝕而損傷銅。
本發明在對原有硬件設備不做任何改變的基礎上，通過準確調控相關電極反應參數，可使得CuO被完全去除，而不損傷籽晶層本體，同時，還能在籽晶層和正常鍍層之間形成過度層，有效改善銅層黏附力。
現有鍍銅工藝的陰極電流密度通常為1A/dm2～6A/dm2，陰極包括如下兩個反應(1)(2)其中(2)為負反應，占整個電流的很少部分(＜2％)，因而銅的淀積效率很高。
本發明通過確定相應的工藝參數，使陰極電流密度控制在0.5mA/dm2～30mA/dm2內，并通入氮氣，去處鍍液中的氧氣，以防止銅被重新氧化。此時陰極包括如下反應(1)
(2)(3)由于電流很小，反應(1)，(2)的速度均很小，而反應(3)的速度要遠大于(1)，(2)，這樣就能完全去掉CuO，在外加陰極電流及氮氣的保護下，籽晶層本體則不會被腐蝕。同時，由于氫(H2/H+)析出反應和Cu2+還原為Cu反應的極化率不同，在本發明的工藝控制條件下，(1)和(2)速度相當，銅的淀積速度及效率均很低，因此不會造成CuO被埋在Cu層下的結果。
因此，本發明是將硅片浸泡在鍍液中后，通過施加陰極電流、陽極電流，控制鍍液溫度及硅片轉速，依靠鍍液中的H+去除籽晶層表面的CuO，保護銅籽晶層本體。通過調整上述施加的陰極電流的大小來達到更好的保護銅籽晶層本體。
施加的陰極電流的調節范圍為0.5mA/dm2～30mA/dm2，上述施加的陽極電流范圍為10mA/dm250mA/dm2。
施加陰極電流的大小調節過程是起始第一步施加陰極電流范圍為.05mA/dm2～10mA/dm2；第二步施加陰極電流范圍為5mA/dm220mA/dm2；第三步施加陰極電流范圍為10mA/dm2～30mA/dm2；第四步施加陰極電流范圍為50mA/dm2～100mA/dm2，以上各步陰極電流施加的持續時間均為0.5S~5S。
上述過程中，第一步及第四步處理中全程施加陰極電流，不施加陽極電流；第二和第三步，陰極電流和陽極電流的持續時間之比例分別為1.8S1.2S；1.5S0.5S。
在整個工藝過程中，硅片轉速均為30～50RPM；溫度20～40℃，其中起始第一步可通過施加氮氣保護。
本發明的好處還在于，能在籽晶層和銅鍍層之間形成一層致密的過渡層，增強銅層和籽晶層的黏附力。其原理在于，在低電流密度下，銅的生長速度很慢，使得析出的銅有足夠的成晶時間，材料結構比較完美。
圖1是阻擋層，籽晶層和氧化層分布示意圖。
圖2是電化學反應原理示意圖。
圖3是鍍槽工藝結構示意圖。
圖中標號1為TaN阻擋層、2為Cu籽晶層、3為CuO、4為硅襯底；5為陰極、6為陽極、7為鍍液、8為電源；9為陰極(硅片)、10為鍍液回流孔、11為鍍液分配板、12為鍍液流入槽、12為陽極(磷銅)。
具體實施例方式
本發明的實施步驟如下1、按標準工藝制備阻擋層(barrier layer)，籽晶層(seed layer)。
2、將硅片浸入鍍液，加陰極電流約為5mA/dm2，硅片旋轉，轉速為40RPM，持續時間為2S，通N2保護，溫度25℃3、硅片加陰極電流約為10mA/dm2，持續時間為1.8S，之后硅片加陽極電流約為30mA/dm2，持續時間為0.2S，硅片旋轉，轉速為40RPM.。溫度25℃4、硅片加陰極電流約為20mA/dm2，持續時間為1.5S，之后硅片加陽極電流約為30mA/dm2，持續時間為0.5S，硅片旋轉，轉速為40RPM。溫度25℃5、硅片加陰極電流約為75mA/dm2，持續時間為2S，硅片旋轉，轉速為40RPM。溫度25℃6、開始正常填充銅工藝。
權利要求
1.一種去除銅籽晶表面氧化銅及增強銅層黏附力的前處理工藝，其特征是通過施加陰極電流、陽極電流，控制鍍液溫度及硅片轉速，依靠鍍液中的H+去除籽晶層表面的CuO，保護銅籽晶層本體。
2.根據權利要求1所述的前處理工藝，其特征是通過調整所施加的陰極電流的大小來更好的保護銅籽晶層本體。
3.根據權利要求1、2所述的前處理工藝，其特征是施加的陰極電流的調節范圍為0.5mA/dm2～30mA/dm2，施加的陽極電流范圍為10mA/dm2～50mA/dm2。
4.根據權利要求1、2、3所述的前處理工藝，其特征是施加陰極電流的大小調節過程為起始第一步施加陰極電流范圍為.05mA/dm2～10mA/dm2；第二步施加陰極電流范圍為5mA/dm2～20mA/dm2；第三步施加陰極電流范圍為10mA/dm2～30mA/dm2；第四步施加陰極電流范圍為50mA/dm2～100mA/dm2，以上各步陰極電流施加的持續時間均為0.5S~5S。
5.根據權利要求4所述的前處理工藝，其特征是第一步及第四步處理中全程施加陰極電流，不施加陽極電流；第二和第三步，陰極電流和陽極電流的持續時間之比例分別為1.8S∶0.2S；1.5S∶0.5S。
6.根據權利要求4、5所述的前處理工藝，其特征是硅片轉速均為30～50RPM；溫度20～40℃，其中起始第一步施加氮氣保護。
全文摘要
在銅互連技術中，籽晶層表面的氧化是一個嚴重影響銅鍍層質量及銅互連線穩定性的因素。目前去除CuO的方法，有的很容易損傷籽晶銅本體；有的則容易造成籽晶層退火，銅層變粗糙，影響鍍層質量，均有很大缺陷。本發明提出一種去除銅籽晶層表面氧化膜及對籽晶層前處理的新工藝，具體是通過施加并調節陰極電流、陽極電流，控制鍍液溫度和硅片轉速，依靠鍍液中的H
文檔編號H01L21/326GK1547245SQ20031010945
公開日2004年11月17日 申請日期2003年12月16日 優先權日2003年12月16日
發明者朱建軍 申請人:上海華虹(集團)有限公司, 上海集成電路研發中心有限公司