专利名称：金属层表面处理方法
技术领域：
本发明涉及集成电路制造领域，特别是涉及一种金属层表面处理方法。
背景技术：
在集成电路制造中，常应用铜作为金属互连线的材料。由于铜金属互连可减小高 电阻，因此成为未来制造0. 18微米或更小尺寸的集成电路装置的重要技术。一般而言，铜 金属互连常利用镶嵌或双镶嵌工艺来制作。铜金属互连制程包括在镶嵌开口中沉积金属 层、对所述金属层进行平坦化处理，以及在铜金属层上沉积阻挡层，以避免铜金属扩散至上 层，所述阻挡层还可作为后续蚀刻制程的停止层。所述阻挡层包括但不局限于氮化硅层。通常，在利用化学机械研磨法研磨所述金属层后，即使得所述金属层具有平坦的 表面后，晶圆暴露在空气中时，氧化铜会自然形成于所述金属层表面。目前，业界通常在沉 积阻挡层前，使用氮气处理所述金属层表面，即使用氨气将氧化铜还原为铜金属，以提高后 续工艺沉积的阻挡层与铜金属层的粘附性。但是，在实际的氮气处理过程中，当处理工艺结束时，仍存在大量的氧化铜残留在 金属层表面，而这些氧化铜残留，将造成后续工艺沉积的阻挡层与铜的粘附性不理想，在金 属层和阻挡层之间具有较多的气泡(bubble)，这将导致形成较弱点(weak point)，铜可从 这些气泡处扩散至上层，造成电性能变化，严重时，这些气泡将导致阻挡层脱落，使得半导 体器件的产率严重下降。如何减少氧化铜残留，避免形成气泡，是金属互连制程中，本领域技术人员一直希 望解决但却没有解决的问题之一。
发明内容
鉴于上述问题，本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够有效去除氧化铜 残留物，减少由于氧化铜残留而造成的气泡，提高金属层和阻挡层的粘附性的金属层表面 处理方法。为解决上述问题，本发明提供一种金属层表面处理方法，包括提供一具有金属层 的半导体衬底；以及使用弱酸溶液清洗所述金属层表面。可选的，所述弱酸的PH值介于5 7。可选的，所述弱酸为碳酸。可选的，所述清洗时间为20秒 50秒。可选的，在清洗所述金属层表面后，还包括在所述金属层上沉积阻挡层。可选的，所述阻挡层为氮化硅层。可选的，所述阻挡层的厚度为450埃 550埃。可选的，所述阻挡层通过物理气相沉积或化学气相沉积方式形成。可选的，所述金属层具有平坦表面。可选的，所述金属层为铜金属层。
可选的，所述金属层的厚度为4000埃 5000埃。可选的，所述金属层通过物理气相沉积、化学气相沉积或电镀方式形成。与现有技术相比，本发明所提供的金属层表面处理方法具有以下有益效果1、弱酸溶液提供氢离子，可将氧化铜还原为铜金属，进而有效的去除金属层表面 的氧化铜，减少气泡的产生，解决了由于气泡所造成的金属层和阻挡层粘附性差，导致半导 体器件的产率下降等问题，并且不会对金属互连制程带来任何副作用。2、使用弱酸溶液清洗金属层表面，还可去除其它附着于金属层表面的碱性杂质， 提高半导体器件的电学性能。
图1为现有的半导体器件沉积阻挡层后的剖面示意图；图2为采用本发明一实施例所提供的处理方法的半导体器件沉积阻挡层后的剖 面示意图；图3为采用本发明一实施例所提供的处理方法的步骤流程图；图4为现有的处理步骤之后与采用本发明一实施例所提供的处理方法之后的气 泡的比较图。
具体实施例方式为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式
作 进一步的说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方 便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。请参考图1，其为现有的半导体器件沉积阻挡层后的剖面示意图。在背景技术中已经提及，在金属互连制程中，半导体衬底11上沉积的铜金属在进 行平坦化处理后，形成了金属层12，具有金属层12的晶圆暴露在空气中时，氧化铜会自然 形成于金属层12的表面，目前，业界通常在沉积阻挡层13前，使用氮气处理金属层12的表 面，即使用氨气将氧化铜还原为铜金属。但是，如图1所示，在实际的氮气处理过程中，当处理工艺结束时，仍存在大量的 氧化铜14残留在金属层12表面，而这些残留的氧化铜将导致后续工艺沉积的阻挡层13与 金属层12的粘附性不理想，在金属层12和氮化硅层13之间具有气泡15，进而导致形成弱 点(weak point)，铜可从这些气泡处扩散至上层，严重时，这些气泡将导致阻挡层13脱落， 使得半导体器件的产率下降。业界曾尝试通过增强氨气处理的强度的方式，来减少气泡的 产生，但仍不能有效的去除氧化铜，且氨气处理的强度过大，还会影响半导体器件的电学性 能。本发明的核心思想在于，通过分析气泡产生的原因，对现有工艺进行改进，有效的 去除金属层表面的氧化铜，减少气泡的产生，解决由于气泡造成的金属层和阻挡层粘附性 差，导致半导体器件的产率下降等问题，并且不会对金属互连制程带来任何副作用。由于本发明主要涉及半导体器件的后段制程，即进行金属层的表面处理，以进行 后续的阻挡层沉积工序，所以对在晶圆表面或者中间形成半导体器件结构的过程不予介 绍，但是本领域技术人员对此应是知晓的。
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下面将结合剖面示意图对本发明提供的金属层表面处理方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明， 而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛 知道，而并不作为对本发明的限制。请参考图2至图3，其中，图2为采用本发明一实施例所提供的处理方法的半导体 器件沉积阻挡层后的剖面示意图，图3为本发明一实施例所提供的金属层表面处理方法的 流程图。其中，图2所示的实施例是采用铜金属互连制程的半导体器件，其仅仅示出了一 层金属层结构，但是显而易见，本发明所提供的金属层表面处理方法可以适用于任何一层 的金属层，尤其在实际中，多层互连结构得到越来越广泛的应用，即本发明不限定所示的金 属层为单层还是多层的金属互连结构。另外，图2所示的实施例中没有示出金属层之下的具体的器件结构(例如，具体的 电容器或者晶体管结构)，本发明不涉及该部分的改进，因此，本发明对此不再赘述。如图2所示，半导体衬底21上沉积的铜金属在进行平坦化处理后，形成了金属层 22，使用弱酸溶液清洗金属层22表面后，有效的去除了金属层22表面的氧化铜，因此，后续 工艺沉积的阻挡层23和金属层22之间没有气泡产生，解决了半导体器件的产率下降的问 题，并且不会对金属互连制程带来任何副作用。详细的，本发明一实施例所提供的金属层表面处理方法包括以下步骤步骤31，提供一具有金属层的半导体衬底。所述金属层可以通过物理气相沉积、化学气相沉积或电镀方式形成，由于铜金属 互连可减小高电阻，所述金属层优选为铜金属层。在沉积铜金属层后，可以通过化学机械研 磨方式对所述金属层进行平坦化处理，使其具有平坦表面，用以保证后续光刻制程顺利进 行。所述金属层的厚度根据实际的半导体器件需要设定，本领域技术人员可以通过实 验获得具体的工艺参数，例如，金属层厚度为4000埃 5000埃。步骤32，使用弱酸溶液清洗所述金属层表面。在本发明一实施例中，将表面沉积有金属层的晶圆放置于晶圆擦洗装置(wafer scrubber)中清洗，并在清洗过程中不断地向去离子水中通入二氧化碳，形成PH值介于5 7之间的碳酸。较佳的，还可将所述弱酸溶液的PH值控制在6 7以内，可更好的去除氧化 铜残留。由于碳酸电解产生氢离子=H2CO3 — H++HCCV，氢离子将所述氧化铜还原为铜金属， 在清洗过程中，直接被去离子水冲洗掉，可以有效的去除金属层表面的氧化铜残留。所述清洗时间根据需要达到的去除效果设定，本领域技术人员可以通过实验获得 具体的工艺参数，例如，清洗时间为20秒 50秒。在本发明的其它实施例中，所采用的弱酸不限于碳酸，只要是满足PH值的范围要 求即可，且清洗步骤也可在其它清洗装置中进行，例如晶圆清洗槽(tank)。另外，通过弱酸溶液清洗的方式，还可以去除附着在金属层表面的其他碱性杂质， 且使用弱酸溶液清洗金属层表面，不会对金属互连制程带来任何副作用。本发明一实施例所提供的表面处理方法还包括
步骤33，在所述金属层上沉积阻挡层。由于铜的扩散速度很快，很容易在电介质内部移动使半导体器件“中毒”，因此， 在清洗金属层表面后，在所述金属层表面沉积一层阻挡层，以避免铜扩散至上层，且所述阻 挡层可作为后续蚀刻制程的停止层，所述阻挡层为氮化硅层。所述阻挡层的厚度可为450 埃 550埃，所述阻挡层可以通过物理气相沉积或化学气相沉积方式形成。由于使用弱酸清洗所述金属层表面，可以有效的去除金属层表面的氧化铜，因此 在沉积阻挡层后，大大减少了气泡，氮化硅具有较好的粘附性，可有效的防止铜扩散，提高 了半导体器件的良率，本发明一实施例所提供的表面处理方法进行较小的改进，就可以杜 绝由于气泡造成的产率下降等问题，并且不会对金属互连制程带来任何副作用。请继续参考图4，其为现有的处理步骤之后与采用本发明一实施例所提供的处理 方法之后的气泡分布的比较图，其中，图4a为现有的处理步骤完成之后的气泡的分布图， 图4b是采用本发明一实施例所提供的处理方法之后的气泡的分布图。图4是通过电子显微镜观察所得，比较图4a和图4b可以明显看出，采用本发明一 实施例所提供的表面处理方法的效果是非常突出的，由于去除了所有的氧化物，因此几乎 没有气泡出现。可以得知，本发明虽然进行较小的改进，但是由于找到了问题发生的根本原 因，所以达到了极佳的表面处理效果，并且不会对金属互连制程带来任何副作用，还可去除 其它附着于金属层表面的碱性杂质，提高了半导体器件的电学性能。综上所述，本发明所提供的金属层表面处理方法包括提供一具有金属层的半导 体衬底；以及使用弱酸溶液清洗所述金属层表面，本发明可以有效的去除金属层表面的氧 化铜，减少气泡的产生，解决了由于气泡造成的半导体器件产率下降的问题，并且不会对金 属互连制程带来任何副作用，本发明还可去除其它附着于金属层表面的碱性杂质，提高了 半导体器件的电学性能。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精 神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围 之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
一种金属层表面处理方法，包括提供一具有金属层的半导体衬底；以及使用弱酸溶液清洗所述金属层表面。
2.如权利要求1所述的金属层表面处理方法，其特征在于，所述弱酸的PH值介于5 7。
3.如权利要求1所述的金属层表面处理方法，其特征在于，所述弱酸为碳酸。
4.如权利要求1所述的金属层表面处理方法，其特征在于，所述清洗时间为20秒 50秒。
5.如权利要求1所述的金属层表面处理方法，其特征在于，在清洗所述金属层表面后， 还包括在所述金属层上沉积阻挡层。
6.如权利要求1所述的金属层表面处理方法，其特征在于，所述阻挡层为氮化硅层。
7.如权利要求1所述的金属层表面处理方法，其特征在于，所述阻挡层的厚度为450埃 550埃。
8.如权利要求1所述的金属层表面处理方法，其特征在于，所述阻挡层通过物理气相 沉积或化学气相沉积方式形成。
9.如权利要求1所述的金属层表面处理方法，其特征在于，所述金属层具有平坦表面。
10.如权利要求1所述的金属层表面处理方法，其特征在于，所述金属层为铜金属层。
11.如权利要求1所述的金属层表面处理方法，其特征在于，所述金属层的厚度为4000 埃 5000埃。
12.如权利要求1所述的金属层表面处理方法，其特征在于，所述金属层通过物理气相 沉积、化学气相沉积或电镀方式形成。
全文摘要
本发明提供一种金属层表面处理方法，包括提供一具有金属层的半导体衬底；以及使用弱酸溶液清洗所述金属层表面，本发明可以有效的去除金属层表面的氧化铜，避免气泡的产生，解决了由于气泡造成的半导体器件产率下降的问题，并且不会对金属互连制程带来任何副作用，本发明还可去除其它附着于金属层表面的碱性杂质，提高了半导体器件的电学性能。
文档编号H01L21/3213GK101872722SQ20091004999
公开日2010年10月27日 申请日期2009年4月24日 优先权日2009年4月24日
发明者周俊, 李彬, 谭宇琦, 赵东涛 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司