[发明专利]在半导体器件中形成铜布线的方法

说明书

本申请是2009年5月14日提交的、名为“在半导体器件中形成铜布线的方法”的中国专利申请200910143122.5的分案申请。

技术领域

本发明涉及在半导体器件中形成铜布线的方法，更具体涉及可防止在对铜层实施CMP(化学机械抛光)工艺之后铜(Cu)离子随时间进行迁移的在半导体器件中形成铜布线的方法。

背景技术

随着半导体器件设计规则减小，正在使用多层布线结构(wiring structure)设计电路。在这点上，随着半导体器件设计规则减小至130nm以下和晶体管的特征尺寸减小，半导体器件的操作应该随着设计规则减小而相适应地改进。然而，由于半导体器件金属布线之间的间隙减小，金属布线之间产生的寄生电容增加。结果，半导体器件的操作趋于劣化。

为了处理该问题，近来采用铜(Cu)替代铝(Al)作为半导体器件金属布线的材料。由于与铝和钨相比时铜具有极好的电导率和低电阻，所以能够解决在具有高度集成和高操作速度的半导体器件中与RC信号延迟相关的问题。

然而，铜不容易蚀刻。因此，为了形成铜布线，使用镶嵌工艺。镶嵌工艺分为单镶嵌工艺和双镶嵌工艺。在双镶嵌工艺的情况下，能够同时形成铜布线和用于使得与下层进行电连接的接触塞。因此，与单镶嵌工艺相比，双镶嵌工艺在加工上是有利的。

在由铜形成的金属布线中，EM(电迁移)特性、SM(应力迁移)特性和TDDB(时间相关的电介质击穿)特性是重要的方面。特别地，在TDDB特性的情况下，当使用现有金属诸如铝和钨作为布线材料时，避免了严重的问题。然而，当使用铜时，由于活跃地发生铜离子的扩散，所以TDDB特性是重要的。例如，对铜层实施CMP工艺之后，铜离子随时间的迁移是引起相邻铜布线之间桥接现象、漏电流特性劣化以及出现TDDB失效的重要因素。

发明内容

本发明的实施方案涉及在半导体器件中形成铜布线的方法，其可防止对铜层实施CMP工艺之后铜离子随着时间流逝而迁移。

本发明的实施方案还涉及在半导体器件中形成铜布线的方法，其可抑制铜离子的迁移，由此防止相邻铜布线之间发生桥接现象、漏电流特性劣化以及所导致的TDDB失效。

此外，本发明的实施方案涉及在半导体器件中形成铜布线的方法，其可改善半导体器件的可靠性。

在本发明的一个实施方案中，在半导体器件中形成铜布线的方法包括对已经进行CMP工艺的铜层实施后清洗工艺的步骤，所述后清洗工艺包括以下步骤：通过使用柠檬酸基化学品实施一次化学清洗；和通过使用抗坏血酸基化学品对已经进行一次化学清洗的铜层进行二次化学清洗。

在实施一次化学清洗步骤之前，后清洗工艺还包括实施兆频超声波清洗的步骤。

兆频超声波清洗通过使用去离子水和设定兆频超声波功率为5～1000W来实施。

柠檬酸基化学品的pH值为6.7～12.7，电化学势为-0.4～0.4V。

通过在抗坏血酸基化学品中加入去离子水、乙醇胺和TMAH来实施二次化学清洗。

抗坏血酸基化学品以整个化学品的1～10wt％的量混合，去离子水以整个化学品的70～90wt％的量混合，乙醇胺以整个化学品的1～10wt％的量混合，TMAH以整个化学品的1～15wt％的量混合。

在实施二次化学清洗步骤之后，后清洗工艺还包括实施IPA干燥的步骤。

在本发明的另一个实施方案中，在半导体器件中形成铜布线的方法包括以下步骤：在半导体衬底上形成具有布线形成区域(wiring forming area)的层间电介质；沉积铜层以填充布线形成区域；通过CMP工艺移除铜层直至暴露层间电介质；和对已经进行CMP工艺的铜层实施后清洗工艺，所述后清洗工艺包括通过使用柠檬酸基化学品的一次化学清洗和通过使用抗坏血酸基化学品的二次化学清洗。

在形成层间电介质的步骤之后和沉积铜层的步骤之前，所述方法还包括：在包括布线形成区域的表面的所述层间电介质上形成阻挡层的步骤。

阻挡层包括选自Ti、TiN、Ta、TaN和Ru层中的至少一种并且具有的厚度。

后清洗工艺还包括在一次化学清洗之前的兆频超声波清洗。

兆频超声波清洗通过使用去离子水和设定兆频超声波功率为5～1000W来实施。

柠檬酸基化学品的pH值为6.7～12.7，电化学势为-0.4～0.4V。

通过在抗坏血酸基化学品中加入去离子水、乙醇胺和TMAH来实施二次化学清洗。