一種使用雙大馬士革工藝同時形成銅接觸孔和第一層金屬的方法

2023-04-23 05:00:46

專利名稱：一種使用雙大馬士革工藝同時形成銅接觸孔和第一層金屬的方法
技術領域：
本發明涉及半導體製造領域，尤其涉及一種使用雙大馬士革工藝同時形成銅接觸孔和第一層金屬的方法。
背景技術：
如圖1所示，現今的集成電路製作工藝中，後道工藝(Back End Of Line，簡稱 BEOL)集成方案一般採用鎢(W)作為接觸孔1的材料。隨著工藝的持續縮微，BEOL的延遲特性已經超越器件的延遲特性成為主導因素，其中，由於鎢的電阻率和晶格常數都比較大， 由鎢材料作為主要導電材料的接觸孔結構，對整個BEOL延遲的貢獻比例越來越大。美國專利(申請號US20090641945，一種銅接觸孔的生產方法(METHOD FOR PRODUCING A COPPER CONTACT))中雖然公開了一種採用單大馬士革工藝的銅接觸孔的生產方法，但是他是採用單大馬士革工藝來完成銅接觸孔的形成，需要較多的工藝步驟來完成。2006 ip it % ^ ff Φ (Interuniversity Microelectronics Centre, IMEC)報導了 S. Demuynck等撰寫的一種銅(copper)接觸孔(contact,簡稱CT)的方案，該方案中採用TaN/Ta及Ti/TiN作為擴散阻擋層的材料，但是文章同時表明，該方案極易發生銅 (Cu)的擴散。而 2008 年國際電子器件大會anternational Electron Devices Meeting, 簡稱IEDM)報導了 J. Kawahara等撰寫的一種採用雙大馬士革工藝(dual-damascene，簡稱 DD)的銅接觸孑L結構(RF Performance Boostiong for 40nm_node CMOS Device by Low-k/ Cu Dual Damascene Contact)，其中使用的擴散阻擋層材質也為TaN/Ta，同樣極易發生銅的擴散。美國專利(專利號US2003034560，WIRING STRUCTURE OF SEMICONDUCTOR DEVICE, ELECTRODE, AND METHOD FOR FORMING THEM)公開了一種用於半導體器件的結構，其使用的擴散阻擋層的材質為WSiN，互聯材料為Cu或W。而電化學學會雜誌(journal of the electrochemical society)報導了 Μ. Τ. Wang等撰寫的使用WSiN結構對於Cu的擴散阻擋特性的文章(Barrier Capabilities of Chemical Vapor Deposited W Films and WSiN/ WSix/ff Stacked Layers Against Cu Diffusion)，其文章中指出電學結果顯示，經過 750C 的高溫退火，採用WSiN擴散阻擋層的樣品漏電沒有發生很大的變化，表明WSiN具有良好的對Cu擴散阻擋特性。但文章使用的結構為WSiN/Wsix/W結構，這種結構在現在的深亞微米工藝中是不存在的。並且，其結果顯示，純W樣品在700C時依然有良好的電學特性，所以， 並不能完全說明WSiN對於Cu的良好的擴散阻擋特性。Qing-Tang Jiang等人公開了 TaSiN材料對銅的擴散阻擋特性的文章，其中指出由於TaSiN為一種非晶化的材料，以及TaSiN和銅(Cu)之間有較強的鍵和力，都表明了 TaSiN材料可以單獨作為具有良好黏附性的擴散阻擋層材料使用
發明內容
本發明公開了一種使用雙大馬士革工藝同時形成銅接觸孔和第一層金屬的方法， 其前層為完成器件形成及金屬矽化物澱積的晶圓，在一襯底中形成的阱區及STI隔離區的上方設置有第一、二柵極，並且在第一、二柵極的側壁上覆蓋有偏移側牆，金屬矽化物層覆蓋第一、二柵極的上表面及第一柵極的源漏極，且第一柵極和其阱區之間設置有一柵氧化層，其中，包括以下步驟
步驟Sl 澱積電介質層以覆蓋薄氧化層金屬矽化物層、第一柵極的源漏極、第一柵極偏移側牆和第二柵極偏移側牆。步驟S2 採用雙大馬士革工藝，刻蝕位於第一柵極源漏極上方的電介質層分別至第一柵極的源漏極上的金屬矽化物層，形成第一柵極源極接觸孔及其第一層金屬凹槽和第一柵極漏極接觸孔及其第一層金屬凹槽，同時刻蝕位於第二柵極上方的電介質層至金屬矽化物層，形成第二柵極接觸孔及其第一層金屬凹槽。步驟S3 澱積粘附層，覆蓋第一柵極的源漏極接觸孔及其第一層金屬凹槽和第二柵極接觸孔及其第一層金屬凹槽的側壁及其底部；之後，澱積擴散阻擋層覆蓋粘附層後，再澱積金屬銅並對其進行平坦化處理。上述的使用雙大馬士革工藝同時形成銅接觸孔和第一層金屬的方法，其中，採用電化學鍍銅工藝澱積銅，以充滿第一柵極的源漏極接觸孔及其第一層金屬凹槽和第二柵極接觸孔及其第一層金屬凹槽。上述的使用雙大馬士革工藝同時形成銅接觸孔和第一層金屬的方法，其中，採用化學機械研磨工藝對澱積的金屬銅進行平坦化處理。上述的使用雙大馬士革工藝同時形成銅接觸孔和第一層金屬的方法，其中，所述雙大馬士革工藝中，製備接觸孔與第一金屬層凹槽的順序可以倒置。上述的使用雙大馬士革工藝同時形成銅接觸線和第一層金屬的方法，其中，所述粘附層材質為TaN或TaSiN，所述擴散阻擋層的材質為WSiN，以形成TaN/WSiN或TaSiN/ WSiN阻擋層。綜上所述，由於採用了本發明一種使用雙大馬士革工藝同時形成銅接觸孔和第一層金屬的方法，通過雙大馬士革工藝同時形成接觸孔和第一金屬層，及使用銅取代鎢作為接觸孔的材質，同時利用TaN/WSiN或者TaSiN/WSiN材料代替TaN/Ta作為阻擋層的材料， 不僅簡化了工藝步驟，減小接觸孔的接觸電阻，以有效改善後道工藝的延遲特性，且有效的增加了阻擋層對於銅擴散的阻擋能力，以避免銅擴散對於半導體器件的損傷。


圖1是本發明背景技術中採用鎢作為接觸孔材料的傳統後道工藝的結構示意圖； 圖2-7是本發明使用雙大馬士革工藝同時形成銅接觸孔和第一層金屬的方法的流程
示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步的說明
如圖2-7所示，一種使用雙大馬士革工藝同時形成銅接觸孔和第一層金屬的方法，在襯底2中形成的阱區206的上方設置第一柵極201、在襯底2中形成的STI隔離區28上設置第二柵極202，且在第一柵極201和第二柵極202的側壁上覆蓋有第一柵極偏移側牆203 和第二柵極偏移側牆204，金屬矽化物(silicide) 205覆蓋第一柵極201、第二柵極202的上表面及第一柵極的源漏極，其中，第一柵極201和第一柵極201的阱區206之間設置柵氧化層207，見圖2。澱積電介質層(dielectric) 208，以覆蓋金屬矽化物層205、第一柵極201的源漏極、第一柵極偏移側牆203和第二柵極偏移側牆204，見圖3 ；之後，採用雙大馬士革工藝 (dual-damascene，簡稱DD)，刻蝕位於第一柵極源漏極上方的電介質層分別至第一柵極的源漏極上的金屬矽化物205\2052，形成第一柵極源極接觸孔210及其第一層金屬凹槽209 和第一柵極漏極接觸孔212及其第一層金屬凹槽211，同時刻蝕位於第二柵極202上方的電介質層，形成第二柵極接觸孔孔214及其第一層金屬凹槽213。其中，通過控制刻蝕工藝保證接觸孔210，212，214停在金屬矽化物層205上工藝中，可以先製備第一柵極源極接觸孔210、第一柵極漏極接觸孔212和第二柵極接觸孔214，之後製備第一柵極源極接觸孔210 的第一層金屬凹槽209、第一柵極漏極接觸孔孔212的第一層金屬凹槽211和第二柵極接觸孔孔214的第一層金屬凹槽213 ；也可先製備第一柵極源極接觸孔210的第一層金屬凹槽 209、第一柵極漏極接觸孔孔212的第一層金屬凹槽211和第二柵極接觸孔214的第一層金屬凹槽213 ；後，再製備第一柵極源極接觸孔210、第一柵極漏極接觸孔212和第二柵極接觸孔214，見圖4。之後，澱積粘附層215，以覆蓋剩餘的電介質層2081的上表面、第一柵極源極接觸孔210及其第一層金屬凹槽209、第一柵極漏極接觸孔212及其第一層金屬凹槽211和第二柵極接觸孔214及其第一層金屬凹槽213的側壁及其底部上刻蝕剩餘的電介質層後，澱積擴散阻擋層216覆蓋粘附層215 ；其中，粘附層215的材質為TaN或TaSiN，擴散阻擋層216 的材質為WSiN，以形成TaN/WSiN或TaSiN/WSiN阻擋層，見圖5。^ffl(electrochemical plating copper process,
ECP)澱積銅(Cu) 217，以充滿覆蓋有擴散阻擋層216和粘附層215的第一柵極源極接觸孔 2101及其第一層金屬凹槽2091、第一柵極漏極接觸孔2121及其第一層金屬凹槽2111和第二柵極接觸孔2141及其第一層金屬凹槽2131，見圖6 ；採用化學機械研磨工藝(Chemical Mechanical Polishing,簡稱CMP)對澱積的金屬銅217進行平坦化處理，去除剩餘的電介質層2081的上表面上方的金屬銅、擴散阻擋層和粘附層，形成第一柵極源極互連線218、第一柵極漏極互連線219、第二柵極互連線220和接觸孔221、222、223，見圖7。綜上所述，由於採用了上述技術方案，本發明提出用雙大馬士革工藝同時形成銅接觸孔和第一層金屬的方法及結構，通過採用雙大馬士革工藝同時形成接觸孔和第一金屬層，及使用銅取代鎢作為接觸孔的材質，同時利用TaN/WSiN或者TaSiN/WSiN材料代替TaN/ Ta作為阻擋層的材料，不僅簡化了工藝步驟，減小接觸孔的接觸電阻，以有效改善後道工藝的延遲特性，且有效的增加了阻擋層對於銅擴散的阻擋能力，以避免銅擴散對於半導體器件的損傷。以上對本發明的具體實施例進行了詳細描述，但其只是作為範例，本發明並不限制於以上描述的具體實施例。對於本領域技術人員而言，任何對本發明進行的等同修改和替代也都在本發明的範疇之中。因此，在不脫離本發明的精神和範圍下所作的均等變換和修改，都應涵蓋在本發明的範圍內。
權利要求
1.一種使用雙大馬士革工藝同時形成銅接觸孔和第一層金屬的方法，其前層為完成器件形成及金屬矽化物澱積的晶圓，在一襯底中形成的阱區及STI隔離區的上方設置有第一、二柵極，並且在第一、二柵極的側壁上覆蓋有偏移側牆，金屬矽化物層覆蓋第一、二柵極的上表面及第一柵極的源漏極，且第一柵極和其阱區之間設置有一柵氧化層，其特徵在於， 包括以下步驟步驟Sl 澱積電介質層以覆蓋薄氧化層金屬矽化物層、第一柵極的源漏極、第一柵極偏移側牆和第二柵極偏移側牆；步驟S2 採用雙大馬士革工藝，刻蝕位於第一柵極源漏極上方的電介質層分別至第一柵極的源漏極上的金屬矽化物層，形成第一柵極源極接觸孔及其第一層金屬凹槽和第一柵極漏極接觸孔及其第一層金屬凹槽，同時刻蝕位於第二柵極上方的電介質層至金屬矽化物層，形成第二柵極接觸孔及其第一層金屬凹槽；步驟S3 澱積粘附層，覆蓋第一柵極的源漏極接觸孔及其第一層金屬凹槽和第二柵極接觸孔及其第一層金屬凹槽的側壁及其底部；之後，澱積擴散阻擋層覆蓋粘附層後，再澱積金屬銅並對其進行平坦化處理。
2.根據權利要求1所述的使用雙大馬士革工藝同時形成銅接觸孔和第一層金屬的方法，其特徵在於，採用電化學鍍銅工藝澱積銅，以充滿第一柵極的源漏極接觸孔及其第一層金屬凹槽和第二柵極接觸孔及其第一層金屬凹槽。
3.根據權利要求1所述的使用雙大馬士革工藝同時形成銅接觸孔和第一層金屬的方法，其特徵在於，採用化學機械研磨工藝對澱積的金屬銅進行平坦化處理。
4.根據權利要求1所述的使用雙大馬士革工藝同時形成銅接觸孔和第一層金屬的方法，其特徵在於，所述雙大馬士革工藝中，製備接觸孔與第一金屬層凹槽的順序可以倒置。
5.根據權利要求1所述的使用雙大馬士革工藝同時形成銅接觸線和第一層金屬的方法，其特徵在於，所述粘附層材質為TaN或TaSiN，所述擴散阻擋層的材質為WSiN，以形成 TaN/WSiN 或 TaSiN/WSiN 阻擋層。
全文摘要
本發明涉及半導體製造領域，尤其涉及一種使用雙大馬士革工藝同時形成銅接觸孔和第一層金屬的方法。本發明公開了一種使用雙大馬士革工藝同時形成銅接觸孔和第一層金屬的方法，通過雙大馬士革工藝同時形成接觸孔和第一金屬層，及使用銅取代鎢作為接觸孔的材質，同時利用TaN/WSiN或者TaSiN/WSiN材料代替TaN/Ta作為阻擋層的材料，不僅簡化了工藝步驟，減小接觸孔的接觸電阻，以有效改善後道工藝的延遲特性，且有效的增加了阻擋層對於銅擴散的阻擋能力，以避免銅擴散對於半導體器件的損傷。
文檔編號H01L21/768GK102437100SQ201110265308
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月8日 優先權日2011年9月8日
發明者曹永峰 申請人:上海華力微電子有限公司