一種半導體器件的制造方法

一種半導體器件的制造方法
【專利摘要】本發明提供一種半導體器件的制造方法，涉及半導體【技術領域】。該方法包括：步驟S101：在半導體襯底上形成凹槽；步驟S102：在所述半導體襯底上及凹槽中形成擴散阻擋層和種子層；步驟S103：對所述種子層進行以氯為基礎的表面處理；步驟S104：利用含銅電解液對所述半導體襯底進行電化學電鍍，以在所述凹槽中形成金屬層。本發明的半導體器件的制造方法，通過在進行電化學電鍍形成金屬層的步驟之前增加對種子層進行以氯為基礎的表面處理的步驟，改善了電化學電鍍工藝的間隙填充能力，提高了形成的銅金屬層的良率，進而提高了半導體器件的良率。
【專利說明】一種半導體器件的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體【技術領域】，具體而言涉及一種半導體器件的制造方法。
【背景技術】
[0002]在半導體【技術領域】中，尤其在超大規模集成電路制程中，金屬互連工藝是后段制程(BEOL)的關鍵工藝。由于金屬銅具有高熔點、低電阻系數及高抗電子遷移的能力，已被廣泛地應用于金屬互連線路架構中作為金屬互連線路的金屬層的材料。在使用銅材料制造金屬層時，一般可使用物理氣相沉積法和電化學電鍍法(Electro chemicalPlating,ECP)。由于成本低廉、沉積速率快，電化學電鍍法(ECP)已經成為本領域最常用的形成金屬層的方法。
[0003]金屬銅的電化學電鍍法主要是以兩個電極之間的電流通過硫酸銅溶液或是其他含銅的電解液的方式進行。當電解液中的電流為離子狀態時，電流以電子形式傳送到電極。在以金屬銅組成的陽極產生電化學氧化反應時，陰極產生電化學還原反應。在此種狀況下，陰極分離的銅離子被在陽極制造出來的銅離子取代。利用電性的漂移、擴散以及對流方式將銅離子傳送至陰極。在給半導體晶片電鍍時，將晶片的周圍利用數個接觸點使晶片與電源供應器形成電性連接，然后通以固定電流一段時間，在晶片表面形成特定厚度的銅金屬層。
[0004]如圖1A至IC所示，現有技術中常用的半導體器件的制造方法，采用電化學電鍍法形成銅金屬層的工藝，一般包括如下步驟:
[0005]步驟E1、在半導體襯底100上形成凹槽101，形成的圖形如圖1A所示。
[0006]示例性的，所述半導體襯底100為形成了前端器件的半導體襯底，所述凹槽101 —般形成在形成于半導體襯底100上的電介質層上，形成凹槽101的方法為光刻。
[0007]步驟E2、在半導體襯底100上形成擴散阻擋層(barrier layer) 102和種子層(seed layer)103，形成的圖形如圖1B所示。其中，種子層103在凹槽101側壁的上部形成有凸起(overhang) 1031。
[0008]其中，形成擴散阻擋層是為了防止銅擴散入半導體襯底上的器件內部，造成器件性能下降或不良。而種子層則是銅電化學電鍍沉積反應(通常又稱為“銅填充”)的必要條件。
[0009]步驟E3、利用含銅電解液(也稱ECP溶液)對所述半導體襯底進行電化學電鍍(ECP)0在現有技術中，含銅電解液(ECP溶液)中一般含有氯離子。
[0010]經過上述工藝流程，即可形成銅金屬層104。然而，由于在現有技術中，凹槽101內壁的種子層103的各個區域的銅的沉積率比較一致，而在凹槽101側壁上部的種子層103形成有凸起(overhang) 1031，因此導致前述方法的間隙填充能力比較差，很容易出現半導體襯底的凹槽不能被良好填充的情況，即形成的金屬層104的中間存在縫隙1041，如圖1C所示。這就導致了形成的銅金屬層的良率下降，進而造成半導體器件的良率下降。
[0011]因此，有必要提出一種新的半導體器件的制造方法，以解決現有技術中出現的上 述問題。

【發明內容】

[0012]針對現有技術的不足，本發明提供一種半導體器件的制造方法，包括:
[0013]步驟SlOl:在半導體襯底上形成凹槽；
[0014]步驟S102:在所述半導體襯底上及凹槽中形成擴散阻擋層和種子層；
[0015]步驟S103:對所述種子層進行以氯為基礎的表面處理；
[0016]步驟S104:利用含銅電解液對所述半導體襯底進行電化學電鍍，以在所述凹槽中形成金屬層。
[0017]其中，在所述步驟S102中所形成的種子層在所述凹槽的側壁的上部形成有凸起。
[0018]其中，在所述步驟S103中，所述對所述種子層進行以氯為基礎的表面處理工藝采用的方法為:采用含氯等離子體處理所述種子層的表面。
[0019]其中，在所述步驟S103中，僅對所述種子層位于所述凹槽之外的部分以及所述種子層的凸起進行表面處理。
[0020]其中，在所述步驟S104中，所述含銅電解液包括促進劑、抑制劑和平坦化劑中的
至少一種。
[0021]其中，所述促進劑為有機硫化物，其含量為5?50ml/L。
[0022]其中，所述有機硫化物的分子通式為H-S-C-C-C-S03-。
[0023]其中，所述抑制劑為含氧聚合物，其含量為l-10ml/L。
[0024]其中，所述含氧聚合物的分子通式為0-[C-C-0-C-C-C-0]n。
[0025]其中，所述平坦化劑為含有硫酸和氮的官能團的大分子量單體或聚合物，其含量為 l-10ml/L。
[0026]其中，在所述步驟S 104之后還包括步驟S105:對所述金屬層進行CMP。
[0027]其中，在所述步驟S105之后還包括步驟S106:在所述金屬層上形成電介質阻擋層。
[0028]本發明的半導體器件的制造方法，通過在進行電化學電鍍形成金屬層的步驟之前增加對種子層進行以氯為基礎的表面處理的步驟，改善了電化學電鍍工藝的間隙填充能力，提高了形成的銅金屬層的良率，進而提高了半導體器件的良率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]本發明的下列附圖在此作為本發明的一部分用于理解本發明。附圖中示出了本發明的實施例及其描述，用來解釋本發明的原理。
[0030]附圖中:
[0031]圖1A-圖1C為現有技術的半導體器件的制造方法的各步驟完成后形成的結構的示意圖；
[0032]圖2A-圖2E為本發明實施例的半導體器件的制造方法的各步驟完成后形成的結構的示意圖；
[0033]圖3為本發明實施例提出的一種半導體器件的制造方法的流程圖。【具體實施方式】
[0034]在下文的描述中，給出了大量具體的細節以便提供對本發明更為徹底的理解。然而，對于本領域技術人員而言顯而易見的是，本發明可以無需一個或多個這些細節而得以實施。在其他的例子中，為了避免與本發明發生混淆，對于本領域公知的一些技術特征未進行描述。
[0035]應當理解的是，本發明能夠以不同形式實施，而不應當解釋為局限于這里提出的實施例。相反地，提供這些實施例將使公開徹底和完全，并且將本發明的范圍完全地傳遞給本領域技術人員。在附圖中，部件(層、區等)的比例關系并不代表各部件的真實尺寸和比例；為了清楚，層和區的尺寸以及相對尺寸可能被夸大。自始至終相同附圖標記表示相同的元件。
[0036]應當明白，當元件或層被稱為“在...上”、“與...相鄰”、“連接到”或“耦合到”其它元件或層時，其可以直接地在其它元件或層上、與之相鄰、連接或耦合到其它元件或層，或者可以存在居間的元件或層。相反，當元件被稱為“直接在...上”、“與...直接相鄰”、“直接連接到”或“直接耦合到”其它元件或層時，則不存在居間的元件或層。應當明白，盡管可使用術語第一、第二、第三等描述各種元件、部件、區、層和/或部分，這些元件、部件、區、層和/或部分不應當被這些術語限制。這些術語僅僅用來區分一個元件、部件、區、層或部分與另一個元件、部件、區、層或部分。因此，在不脫離本發明教導之下，下面討論的第一元件、部件、區、層或部分可表示為第二元件、部件、區、層或部分。
[0037]空間關系術語例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之
上”、“上面的”等，在這里可為了方便描述而被使用從而描述圖中所示的一個元件或特征與其它元件或特征的關系。應當明白，除了圖中所示的取向以外，空間關系術語意圖還包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附圖中的器件翻轉，然后，描述為“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征將取向為在其它元件或特征“上”。因此，示例性術語“在...下面”和“在...下”可包括上和下兩個取向。器件可以另外地取向(旋轉90度或其它取向)并且在此使用的空間描述語相應地被解釋。
[0038]在此使用的術語的目的僅在于描述具體實施例并且不作為本發明的限制。在此使用時，單數形式的“一”、“一個”和“所述/該”也意圖包括復數形式，除非上下文清楚指出另外的方式。還應明白術語“組成”和/或“包括”，當在該規格書中使用時，確定所述特征、整數、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一個或更多其它的特征、整數、步驟、操作、元件、部件和/或組的存在或添加。在此使用時，術語“和/或”包括相關所列項目的任何及所有組合。
[0039]這里參考作為本發明的理想實施例(和中間結構)的示意圖的橫截面圖來描述發明的實施例。這樣，可以預期由于例如制造技術和/或容差導致的從所示形狀的變化。因此，本發明的實施例不應當局限于在此所示的區的特定形狀，而是包括由于例如制造導致的形狀偏差。例如，顯示為矩形的注入區在其邊緣通常具有圓的或彎曲特征和/或注入濃度梯度，而不是從注入區到非注入區的二元改變。同樣，通過注入形成的埋藏區可導致該埋藏區和注入進行時所經過的表面之間的區中的一些注入。因此，圖中顯示的區實質上是示意性的，它們的形狀并不意圖顯示器件的區的實際形狀且并不意圖限定本發明的范圍。
[0040]除非另外定義，在此使用的所有術語(包括技術和科學術語)具有與本發明領域的普通技術人員所通常理解的相同的含義。還將理解，諸如普通使用的字典中所定義的術語應當理解為具有與它們在相關領域和/或本規格書的環境中的含義一致的含義，而不能在理想的或過度正式的意義上解釋，除非這里明示地這樣定義。
[0041]為了徹底理解本發明，將在下列的描述中提出詳細的步驟以及詳細的結構，以便闡釋本發明提出的半導體器件及其制造方法。本發明的較佳實施例詳細描述如下，然而除了這些詳細描述外，本發明還可以具有其他實施方式。
[0042]下面，參照圖2A至圖2E和圖3來描述本發明提出的半導體器件的制造方法一個示例性方法的詳細步驟。其中，圖2A-圖2E為本發明實施例的半導體器件的制造方法的各步驟完成后形成的結構的示意圖；圖3為本發明實施例提出的一種半導體器件的制造方法的流程圖。
[0043]本發明實施例的半導體器件的制造方法，包括如下步驟:
[0044]步驟1、在半導體襯底200上形成凹槽201，形成的圖形如圖2A所示。
[0045]示例性的，半導體襯底200為形成了前端器件的半導體襯底，所述凹槽201形成在形成于半導體襯底200上的電介質層上。
[0046]其中，形成凹槽201的方法為光刻工藝。
[0047]步驟2、在半導體襯底200上形成擴散阻擋層(barrier layer)202和種子層(seedlayer)203,形成的圖形如圖2B所示。其中，種子層203在凹槽201側壁的上部形成有凸起(overhang) 2031,如圖 2B 所不。
[0048]其中，形成擴散阻擋層203是為了防止銅擴散入半導體襯底上的器件內部，造成器件性能下降或不良。而種子層202則是銅電化學電鍍沉積反應(通常又稱為“銅填充”)的必要條件。
[0049]步驟3、對種子層203進行以氯為基礎(Cl-base)的表面處理工藝。
[0050]經過該步驟，會在種子層203的表面形成一層改性層204，如圖2C所示。改性層204 一般為氯化銅，還可能包括一些氧化銅。
[0051]在本發明實施例中，所述的對種子層203進行以氯為基礎(Cl-base)的表面處理，優選為采用含氯等離子體處理種子層203的表面。
[0052]優選的，前述表面處理工藝是有選擇的表面處理工藝，其僅作用于種子層203的凸起2031以及種子層203位于凹槽201之外的部分，即僅對所述種子層位于所述凹槽之外的部分以及所述種子層的凸起進行表面處理，以保證后續在電化學電鍍形成銅金屬層時，可以更好的填充凹槽201，并避免在凹槽區域之外形成過量的金屬。顯然，當采用這一優選的實施方式時，種子層的改性層204將僅位于凹槽201之外的區域以及種子層的凸起2031位置處。
[0053]在后續進行電化學電鍍時，本步驟形成的氯化銅很容易溶解在ECP溶液中，使得氯離子聚集在種子層203 (以及后續形成的電鍍的銅)的表面。這些高濃度的氯離子將加速和加強ECP溶液中的抑制劑(suppressor)被種子層202吸收,而抑制劑可以抑制銅在種子層表面的沉積。在種子層202的凸起2031位置處沉積。這就可以避免種子層202的凸起2031位置處由于空間小而先被銅沉積填充進而導致其下方的凹槽201的間隙不能被填充的現象發生(即可以避免形成現有技術圖1C所示的金屬層104的縫隙1041)，改善了電化學電鍍工藝的間隙填充能力，提高了形成的銅金屬層的良率，進而提高了半導體器件的良率。尤其當在本步驟中僅對所述種子層位于所述凹槽之外的部分以及所述種子層的凸起進行表面處理時，抑制劑將聚集在凹槽之外的部分以及所述種子層的凸起處，可以更好地抑制和阻止銅在種子層202的凸起2031位置處沉積，提供最終形成的銅金屬層的良率。
[0054]步驟4、利用含銅電解液(也稱ECP溶液，或電鍍液)對所述半導體襯底200進行電化學電鍍(ECP)，以在凹槽201中形成金屬層205，如圖2E所示。
[0055]示例性的，本發明實施例中選用的含銅電解液由硫酸銅(CuS04 )、硫酸和水組成。并且，在該含銅電解液中，還可以包括一定含量的抑制劑(suppressor)、促進劑(accelerator)以及平坦化劑(lever),三者可以同時存在,可以組合使用，也可以單獨使用。
[0056]其中，促進劑的作用在于降低電鍍反應電化學反應勢，促進快速沉積反應。抑制劑的作用與此相反。而平坦化劑主要起平坦化作用。
[0057]在本實施例中，利用含銅電解液對所述半導體襯底200進行電化學電鍍時，位于凹槽201下部的改性層204會先被電解液溶解，并且，會在凹槽201的下部先形成一層金屬層205’，而此時種子層202的凸起2031位置處的銅沉積被抑制，形成的圖形如圖2D所示。然后，隨著電化學電鍍的進行，位于凹槽201上部的改性層204繼續被電解液溶解，并在凹槽201內形成良好的金屬層205，形成的圖形如圖2E所示。
[0058]在本發明實施例中，促進劑(accelerator)優選采用有機硫化物(Organicsulfide)，示例性的，可以采用分子通式為H-S-C-C-C-S03-的有機硫化物。其中，使用的促進劑的含量為5?50ml/L。
[0059]抑制劑(suppressor)可以采用含氧聚合物(Oxygencontainingpolymers),示例性的，可以采用分子通式為0-[C-C-0-C-C-C-0]n的含氧聚合物。其中，使用的抑制劑的含量為 l-10ml/L。
[0060]平坦化劑(lever)可以采用含有硫酸和氮的官能團的大分子量單體或聚合物(High molecular weight monomer or polymer with bothsulfonic acid and nitrogencontaining functional groups),使用的平坦化劑的含量為 l-10ml/L。
[0061]一般的，在形成金屬層205之后，還可以包括如下步驟:
[0062]步驟5、對金屬層205進行CMP。進行CMP可以使金屬層205平坦化，便于后續繼續在半導體襯底上形成其他膜層。
[0063]其中，進行CMP時，一般需要去除位于半導體襯底200表面的擴散阻擋層202、種子層203、改性層204以及金屬層205等膜層，即高于半導體襯底表面的膜層一并被去除。
[0064]步驟6、在半導體襯底200上形成電介質阻擋層。即在CMP處理后的金屬層205上覆蓋一層電介質材料形成的阻擋層，以保護金屬層，并使其與后續形成的其他金屬層相隔離。
[0065]本發明實施例的半導體器件的制造方法，通過在進行電化學電鍍形成金屬層的步驟之前增加對種子層進行以氯為基礎的表面處理的步驟，改善了電化學電鍍工藝的間隙填充能力，提高了形成的銅金屬層的良率，進而提高了半導體器件的良率。
[0066]參照圖3，其中示出了本發明提出的半導體器件的制造方法中的一種典型方法的流程圖，用于簡要示出整個制造工藝的流程。該方法具體包括:
[0067]步驟SlOl:在半導體襯底上形成凹槽；[0068]步驟S102:在所述半導體襯底上及凹槽中形成擴散阻擋層和種子層；
[0069]步驟S103:對所述種子層進行以氯為基礎的表面處理工藝；
[0070]步驟S104:利用含銅電解液對所述半導體襯底進行電化學電鍍，以在所述凹槽中形成金屬層。
[0071]本發明已經通過上述實施例進行了說明，但應當理解的是，上述實施例只是用于舉例和說明的目的，而非意在將本發明限制于所描述的實施例范圍內。此外本領域技術人員可以理解的是，本發明并不局限于上述實施例，根據本發明的教導還可以做出更多種的變型和修改，這些變型和修改均落在本發明所要求保護的范圍以內。本發明的保護范圍由附屬的權利要求書及其等效范圍所界定。
【權利要求】
1.一種半導體器件的制造方法，其特征在于，所述方法包括: 步驟SlOl:在半導體襯底上形成凹槽； 步驟S102:在所述半導體襯底上及凹槽中形成擴散阻擋層和種子層； 步驟S103:對所述種子層進行以氯為基礎的表面處理； 步驟S104:利用含銅電解液對所述半導體襯底進行電化學電鍍，以在所述凹槽中形成金屬層。
2.如權利要求1所述的半導體器件的制造方法，其特征在于，在所述步驟S102中所形成的種子層在所述凹槽的側壁的上部形成有凸起。
3.如權利要求1所述的半導體器件的制造方法，其特征在于，在所述步驟S103中，所述對所述種子層進行以氯為基礎的表面處理工藝采用的方法為:采用含氯等離子體處理所述種子層的表面。
4.如權利要求1所述的半導體器件的制造方法，其特征在于，在所述步驟S103中，僅對所述種子層位于所述凹槽之外的部分以及所述種子層的凸起進行表面處理。
5.如權利要求1所述的半導體器件的制造方法，其特征在于，在所述步驟S104中，所述含銅電解液包括促進劑、抑制劑和平坦化劑中的至少一種。
6.如權利要求5所述的半導體器件的制造方法，其特征在于，所述促進劑為有機硫化物，其含量為5?50ml/L。
7.如權利要求6所述的半導體器件的制造方法，其特征在于，所述有機硫化物的分子通式為 H_S_C_C_C_S03_ο
8.如權利要求5所述的半導體器件的制造方法，其特征在于，所述抑制劑為含氧聚合物，其含量為l-10ml/L。
9.如權利要求8所述的半導體器件的制造方法，其特征在于，所述含氧聚合物的分子通式為 O-[C_C_0_C_C_C_0]η。
10.如權利要求5所述的半導體器件的制造方法，其特征在于，所述平坦化劑為含有硫酸和氮的官能團的大分子量單體或聚合物，其含量為l-10ml/L。
11.如權利要求1至10任一項所述的半導體器件的制造方法，其特征在于，在所述步驟S104之后還包括步驟S105:對所述金屬層進行CMP。
12.如權利要求11所述的半導體器件的制造方法，其特征在于，在所述步驟S105之后還包括步驟S106:在所述金屬層上形成電介質阻擋層。
【文檔編號】H01L21/768GK103839872SQ201210476902
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年11月21日 優先權日:2012年11月21日
【發明者】鮑宇, 譚晶晶, 白凡飛 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司