[发明专利]形成金属互连层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件互连层制造技术，特别涉及一种形成金属互连层的方法。

背景技术

目前，在半导体器件的后段(back-end-of-line，BEOL)工艺中，可根据不同需要在半导体衬底上生长多层金属互连层，每层金属互连层包括金属互连线和绝缘层，这就需要对上述绝缘层制造沟槽(trench)和连接孔，然后在上述沟槽和连接孔内沉积金属，沉积的金属即为金属互连线，一般选用铜作为金属互连线材料。现有技术中为了防止铜扩散进入绝缘层，更好地限制在沟槽和连接孔内，一般采用钽(Ta)和氮化钽(TaN)的叠层结构，作为金属互连线和绝缘层之间的阻挡膜。而且，金属互连线的制作是通过在叠层结构上形成铜种子层，然后在铜种子层表面电镀铜层形成的。

现有技术中形成金属互连层的方法，请参阅图1a至图1c。

如图1a所示，在绝缘层100上刻蚀形成沟槽101和连接孔102，所述连接孔102与下层的铜互连线103连接。一般采用先制作连接孔(via first)的方法，即先制作连接孔，再制作沟槽。

然后通过物理气相沉积(PVD)方法，在沟槽101的底部和侧壁上、连接孔102的底部和侧壁上，依次溅射氮化钽(TaN)层、钽(Ta)层；依次刻蚀连接孔底部上的Ta层和TaN层，形成开口，露出下层的铜互连线103；在开口处及Ta层的表面继续溅射金属Ta层，覆盖露出的下层的铜互连线103，而且与之前形成的Ta层相连为一体。上述由TaN和Ta构成的叠层阻挡膜104，只是其中一种具体实施例，显然，还有多种形成叠层阻挡膜的实现方法。

接下来如图1b所示，在叠层阻挡膜104的表面，通过溅射的方法形成铜种子层(seed layer)105。

然后如图1c所示，将形成有铜种子层105的半导体器件，置入电镀设备的包含有铜离子的电镀液中，一般为硫酸铜等，然后将半导体器件接阴极，电镀液接阳极，并在阴极和阳极之间通电，在电场作用下，铜种子层105的表面，即沟槽和连接孔的内部，就形成了铜电镀层106。

需要注意的是，由于图1a和1b所示的半导体器件都是在高真空的反应腔内形成的，而铜电镀层106是置入常压下的电镀设备中形成，这样将形成有铜种子层105的半导体器件从高真空的反应腔内取出，置入常压下的电镀设备的过程中，铜种子层105就很容易被空气中的氧气氧化，被氧化的成分为氧化铜，同时，在此过程中，大气中的很多挥发性的有机物质，也很容易粘附在铜种子层105的表面，与铜种子层105发生反应，污染铜种子层105。形成的污染物107如图1b中的示意图所示。随着半导体技术的不断提高，器件的特征尺寸在不断减小，铜种子层的溅射厚度也越来越薄，所以一旦铜种子层105受到污染，污染物将会侵蚀到其整个厚度范围内。

这样在置入电镀液中时，由于电镀液含有氢离子，呈酸性，污染物107就会与电镀液反应，溶解在电镀液中，污染物107消失之后，就会导致铜种子层105表面的不连续，即出现一个个小孔洞，铜电镀层是无法形成在没有铜种子层的表面的，在电镀液中形成了铜电镀层106之后的示意图如图1c所示。

在后续对上述半导体器件进行测试时发现，半导体器件的可靠性比较低，出现应力迁移(SM)等问题，甚至导致器件失效。在高温下对半导体器件施加应力进行测试时，在铜种子层105表面出现的小孔洞，很容易在应力作用下，空洞边缘扩张，造成更大的孔洞，那么接触电阻Rc就会变得很大，一定程度下，就会导致器件失效。

发明内容

有鉴于此，本发明解决的技术问题是：铜种子层在空气中被污染。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案具体是这样实现的：

本发明公开了一种形成金属互连层的方法，包括：

在反应腔中执行在半导体衬底的绝缘层上形成沟槽和连接孔，并在沟槽的底部和侧壁上、连接孔的底部和侧壁上形成叠层阻挡膜；

在所述叠层阻挡膜的表面形成铜种子层；

从所述反应腔内取出后，置入预处理反应腔，对被空气污染的铜种子层进行氧化还原预处理；

在电镀设备中执行在所述铜种子层的表面形成铜电镀层。

所述预处理在预处理反应腔内进行，采用的气体为氢气或者氨气。

所述预处理在采用氢气时，进一步包括氦气。

所述氢气与氦气的比例为10∶90～2∶98。

所述氢气的流量为60～100标准立方厘米每分钟sccm。

所述预处理反应腔内所施加的高频射频功率为400～1000瓦；低频射频功率为5～200瓦。