銅互連結構的製作方法
2023-04-27 10:45:46
專利名稱：銅互連結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體製造工藝，尤其涉及一種銅互連結構的製作方法。
背景技術：
隨著半導體器件尺寸的不斷減小，半導體器件中驅動電流的密度和開關頻率不斷增大。在高電流密度和高頻率變化的銅互連結構上，很容易發生電遷移(ElectroMigration, EM)。眾所周知，電遷移是影響銅互連結構的可靠性的重要因素之一，電遷移可能導致銅互連結構減薄，並使其電阻率增大，更嚴重的還可能使銅互連結構斷裂。電遷移是由於電子按電流的方向推移金屬原子所引起的，且推移速度由電流密度決定。對於服役條件下的銅互連結構，由於電子流的運動將驅使金屬原子在導線中發生飄移或移動，由此萌生的微小空穴將逐漸堆積形成空洞。當空洞的體積達到某一臨界值後，銅 互連結構中會發生通道中斷、物質流無法傳遞的現象，導致了銅互連結構的突然失效並影響整個系統的運行。我們將微小空穴聚集形成具有所述臨界尺寸的空洞所需要的時間稱為銅互連結構的電遷移壽命(Electro Migration Lifetime)。隨著銅互連結構的線寬不斷減小，導致其電遷移壽命縮短的因素有很多種，其中主要的兩個因素如下第一，由於銅互連結構的線寬減小，微小空穴的尺寸與銅互連結構的線寬的比值明顯增大，並且導致銅互連結構失效的空洞的臨界尺寸減小，因此電遷移壽命縮短；第二，在線寬較小的銅互連結構中晶粒的尺寸也較小，導致晶界的面積增大，因此在電遷移應力的作用下，沿晶界的電遷移現象明顯，從而導致電遷移壽命縮短。為此，現有方法通常是在銅互連結構中摻雜雜質，例如鋁、銀、鈦或錳等，在退火過程中雜質擴散到晶界和界面處，進而降低銅的擴散。實踐證明，該方法可以將電遷移壽命提高至原來的十倍以上。但是該方法卻損害了銅互連結構的薄層電阻(Rs)。為了解決上述問題，現有的方法通常是在介電層上直接形成銅的晶種層。圖1A-1D為採用現有方法製作銅互連結構的工藝流程中各步驟所獲得的器件的剖視圖。如圖IA所示，提供半導體襯底100，在半導體襯底100中形成有導電構件101。導電構件101可以為電晶體的柵極、源極或漏極，也可以為與電晶體電連接的銅互連結構。在半導體襯底100上依次形成有刻蝕停止層102和介電層103，且在刻蝕停止層102和介電層103中形成有位於導電構件101上方的雙鑲嵌溝槽110。如圖IB所示，在介電層103上和雙鑲嵌溝槽110內形成CuMn的晶種層104。如圖IC所示，在晶種層104上形成銅金屬層105，並對圖IC所示的半導體器件進行退火，以使Mn擴散到晶界和界面處。如圖ID所示，去除介電層103上面多餘的晶種層104和金屬層105，以形成銅互連結構。採用上述方法雖然可以解決薄層電阻增大的問題，但是在退火過程中，會在介電層103和晶種層104的界面處形成較厚的反應層(該反應層可以作為防止銅擴散的阻擋層)，該反應層的厚度可以達到6nm以上。隨著半導體器件尺寸的不斷縮小，銅互連結構之間的間距不斷縮短，該較厚的反應層可能會導致相鄰的銅互連結構之間發生電洩漏，而影響半導體器件的可靠性。
因此，需要一種銅互連結構的製作方法，以解決現有技術中存在的問題。
發明內容
為了解決現有技術中在介電層與金屬層的界面處形成的用於防止銅擴散的反應層較厚的問題，本發明提出了一種銅互連結構的製作方法，包括a)提供半導體襯底，所述半導體襯底的上表面形成有含氧介電層，在所述含氧介電層中形成有用於形成銅互連結構的溝槽；b)在所述含氧介電層上和所述溝槽內形成鉭金屬層；c)在所述鉭金屬層上形成銅錳晶種層；d)在所述溝槽內的所述銅錳晶種層上形成所述銅互連結構，並執行退火工藝。
優選地，所述含氧介電層的材料為氟矽玻璃或黑鑽石。優選地，所述鉭金屬層的厚度在3nm以下。
優選地,所述銅猛晶種層中猛的含量為1%_2%。優選地，所述退火工藝的退火溫度為200°C_400°C。優選地，所述退火工藝的保溫時間為20-40分鐘。優選地，所述方法在執行所述步驟b)之前還包括預清洗步驟。優選地，所述d)步驟包括在所述銅錳晶種層上形成銅金屬層；執行所述退火工藝，以在所述銅金屬層和所述含氧介電層之間形成含鉭-錳-氧的擴散阻擋層；以及去除所述含氧介電層上的所述擴散阻擋層和所述銅金屬層，以形成所述銅互連結構。優選地，所述方法在所述d)步驟之後還包括在所述銅互連結構和所述含氧介電層上形成蓋帽層。本發明通過在含氧介電層與銅錳晶種層之間形成鉭金屬層，並執行退火工藝使含氧介電層中的氧、銅錳晶種層中的錳和鉭金屬層反應形成較薄的擴散阻擋層，不但有效防止銅向含氧介電層擴散，而且不影響其薄層電阻。此外，由於銅錳晶種層中的一部分錳擴散到銅互連結構內的晶界處以及銅互連結構與其周圍結構的界面處，使銅原子不易沿晶界流動，因此有效抑制了電遷移現象，提高了銅互連結構的可靠性。
本發明的下列附圖在此作為本發明的一部分用於理解本發明。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。在附圖中，
圖1A-1D為採用現有方法製作銅互連結構的工藝流程中各步驟所獲得的器件的剖視
圖2A-2G為根據本發明一個實施方式製作銅互連結構的工藝流程中各步驟所獲得的器件的剖視圖。
具體實施例方式接下來，將結合附圖更加完整地描述本發明，附圖中示出了本發明的實施例。但是，本發明能夠以不同形式實施，而不應當解釋為局限於這裡提出的實施例。相反地，提供這些實施例將使公開徹底和完全，並且將本發明的範圍完全地傳遞給本領域技術人員。在附圖中，為了清楚，層和區的尺寸以及相對尺寸可能被誇大。自始至終相同附圖標記表示相同的元件。
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。圖2A-2G為根據本發明一個實施方式製作銅互連結構的工藝流程中各步驟所獲得的器件的剖視圖。下面將結合圖2A-2G來詳細說明本發明的製作方法。應當注意的是，圖2A-2G以在雙鑲嵌溝槽中填充銅來形成大馬士革結構的銅互連結構為例來說明本發明的原理，而並非要構成對本發明的限制，只要在含氧介電層的溝槽中填充金屬銅均可以採 用本發明的方法，而不管溝槽的形狀為何。首先，提供半導體襯底，該半導體襯底的上表面形成含氧介電層，在含氧介電層中形成有用於形成銅互連結構的溝槽。如圖2A所示，在半導體襯底200的上表面形成有含氧介電層203，在含氧介電層203中形成有用於形成銅互連結構的溝槽210。其中，半導體襯底200可以是以下所提到的材料中的至少一種矽、絕緣體上矽(SOI)、絕緣體上層疊矽(SS0I)、絕緣體上層疊鍺化矽(S-SiGeOI)、絕緣體上鍺化矽(SiGeOI)以及絕緣體上鍺(GeOI)等。在半導體襯底200中可以形成有隔離結構(未示出)，所述隔離結構為淺溝槽隔離(STI)結構或者局部氧化矽(LOCOS)隔離結構等。半導體襯底200中還可以形成有CMOS器件，CMOS器件例如是電晶體(例如，NMOS和/或PM0S)等。為了簡化，此處僅以一空白來表示半導體襯底。此外，半導體襯底200中可以形成有導電構件201。導電構件201可以代表電晶體的柵極、源極或漏極，也可以代表與電晶體電連接的金屬互連結構，等等。可以理解的是，為了使導電構件201與後續工藝形成的銅互連結構電連接，溝槽210位於導電構件201的上方，且溝槽210的底部露出導電構件201的至少一部分。進一步，在半導體襯底200與含氧介電層203之間還可以形成有用於形成溝槽210的刻蝕停止層202。蝕刻停止層202可以由例如含矽材料、含氮材料、含碳材料或相似物的介電材料所形成。含氧介電層203較佳地由低介電常數的含氧材料所形成，例如摻雜碳的(carbon-doped)氧化娃、氟娃玻璃(FSG)、碳氧化娃(silicon oxycarbide)、SiCOH 類介電材料、摻雜氟的氧化矽、旋塗玻璃、黑鑽石(BD)等等。更優選地，含氧介電層203為介電常數低於4的介電材料，例如包括美商應材所開發的黑鑽石、氟矽玻璃等。優選地，在執行隨後的工序之前，對圖2A的半導體器件結構進行預清洗工藝，以去除其表面的雜質和氧化物。所述預清洗工藝可以包括反應性(reactive)預清洗工藝或非反應性(non-reactive)預清洗工藝。舉例來說,反應性預清洗工藝例如為採用含氫的等離子體對半導體器件表面進行清洗，而非反應性預清洗工藝例如為採用含氬的等離子體對半導體器件表面進行清洗。接著，在含氧介電層上和溝槽內形成鉭金屬層。如圖2B所示，含氧介電層203上和溝槽210內形成有鉭金屬層204。形成鉭金屬層204的方法可以為等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)或化學氣相沉積(CVD)等等。在含氧介電層203上和溝槽210內形成鉭金屬層204，鉭金屬層204可以在後續的退火工藝中與含氧介電層203中的氧以及銅錳晶種層中的錳反應生成較薄的擴散阻擋層，以防止銅原子向含氧介電層203中擴散。為了避免待形成的擴散阻擋層的厚度過大而影響半導體器件的可靠性，優選地，鉭金屬層204的厚度在3nm以下。然後，在鉭金屬層上形成銅錳晶種層。如圖2C所示，鉭金屬層204上形成有銅錳晶種層205。在銅錳晶種層205中摻雜錳可以使得在退火過程中，一部分錳擴散到銅互連結構內的晶界處以及銅互連結構與其周圍結構的界面處，使銅原子不易沿晶界流動，而造成電遷移現象；另一部分錳將和含氧介電層203中的氧一起與鉭金屬層204反應而形成擴散阻擋層，以防止銅原子向含氧介電層203中擴散。考慮到錳的上述兩種作用，優選地，銅錳晶種層205中錳的含量約為1%_2%。最後，在溝槽內的銅錳晶種層上形成銅互連結構，並執行退火工藝。根據本發明一個實施例，在溝槽內的銅錳晶種層上形成銅互連結構並執行退火工藝可以包括以下三個步驟，下面將結合圖2D-2F進行詳細描述。步驟一，如圖2D所示，在銅錳晶種層205上形成銅金屬層206。銅金屬層206的形成方法可以為電化學鍍(ECP)。由於銅金屬層206的形成方法已為本領域所熟知，因此不再 詳述。步驟二，如圖2E所示，執行退火工藝，以在銅金屬層206和含氧介電層203之間形成含鉭-錳-氧的擴散阻擋層207。在退火過程中，一部分錳擴散到銅互連結構內的晶界處以及銅互連結構與其周圍結構的界面處，另一部分錳則與來自含氧介電層203中的氧和鉭金屬層204反應而形成擴散阻擋層207。該擴散阻擋層207的主要成分為鉭-錳-氧，對銅的擴散具有良好的阻擋作用。此外，反應生成的擴散阻擋層207的厚度與鉭金屬層204的厚度相比，基本保持不變，因此本發明的方法可以很好地控制擴散阻擋層207的厚度，在銅金屬層206和含氧介電層203之間形成較薄的擴散阻擋層207，進而保證半導體器件的可靠性。由此可見，與現有的將金屬層直接形成在介電層上而在退火過程中形成較厚的反應層(該反應層可以作為防止銅擴散的阻擋層)相比，本發明的擴散阻擋層的厚度較薄，進而保證了半導體器件的可靠性，並且其厚度更容易控制。此外，由於所述溝槽的底部不含有氧原子，上述含有鉭-錳-氧的擴散阻擋層207不會在所述溝槽的底部形成，因此所述銅互連結構與所述導電構件201之間的導電性良好，進而不會影響其薄層電阻。優選地，所述退火工藝的退火溫度為200°C-400°C，優選地，所述退火溫度為300°C。所述退火工藝的保溫時間為20-40分鐘，優選地，所述退火工藝的保溫時間為30分鐘。步驟三，如圖2F所示，去除含氧介電層203上的擴散阻擋層207和銅金屬層206，以形成銅互連結構220。該步驟可以採用本領域常用的方法，例如化學機械研磨(CMP)等。應當注意的是，上面所提供的步驟以及各步驟之間的次序僅為示範性的，本領域的技術人員可以調整各步驟之前的次序，或者採用替代步驟來實現目的。例如，可以將步驟二與步驟三的次序互換等等。此外，本發明的方法還可以包括在銅互連結構和含氧介電層上形成蓋帽層的步驟。如圖2G所示，蓋帽層208覆蓋銅互連結構220和含氧介電層203。作為示例，蓋帽層208的厚度可以約為10-60nm，其材料可以為氮化矽、氮氧化矽、碳化矽、富矽氧化物、矽碳氫化合物或矽碳氮化合物等。至此，完成了形成銅互連結構的全部步驟。本發明通過在含氧介電層與銅錳晶種層之間形成鉭金屬層，並執行退火工藝使含氧介電層中的氧、銅錳晶種層中的錳和鉭金屬層反應形成較薄的擴散阻擋層，不但有效防止銅向含氧介電層擴散，而且不影響其薄層電阻。此外，由於銅錳晶種層中的一部分錳擴散到銅互連結構內的晶界處以及銅互連結構與其周圍結構的界面處，使銅原子不易沿晶界流動，因此有效抑制了電遷移現象，提高了銅互連結構的可靠性。本發明已經通過上述實施例進行了說明，但應當理解的是，上述實施例只是用於舉例和說明的目的，而非意在將本發明限制於所描述的實施例範圍內。此外本領域技術人 員可以理解的是，本發明並不局限於上述實施例，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範圍以內。本發明的保護範圍由附屬的權利要求書及其等效範圍所界定。
權利要求
1.一種銅互連結構的製作方法，包括 a)提供半導體襯底，所述半導體襯底的上表面形成有含氧介電層，在所述含氧介電層中形成有用於形成銅互連結構的溝槽； b)在所述含氧介電層上和所述溝槽內形成鉭金屬層； c)在所述鉭金屬層上形成銅錳晶種層； d)在所述溝槽內的所述銅錳晶種層上形成所述銅互連結構，並執行退火工藝。
2.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述含氧介電層的材料為氟矽玻璃或黑鑽O
3.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述鉭金屬層的厚度在3nm以下。
4.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述銅錳晶種層中錳的含量為1%_2%。
5.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述退火工藝的退火溫度為200°C-400°C。
6.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述退火工藝的保溫時間為20-40分鐘。
7.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述方法在執行所述步驟b)之前還包括預清洗步驟。
8.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述d)步驟包括 在所述銅錳晶種層上形成銅金屬層； 執行所述退火工藝，以在所述銅金屬層和所述含氧介電層之間形成含鉭-錳-氧的擴散阻擋層；以及 去除所述含氧介電層上的所述擴散阻擋層和所述銅金屬層，以形成所述銅互連結構。
9.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述方法在所述d)步驟之後還包括在所述銅互連結構和所述含氧介電層上形成蓋帽層。
全文摘要
本發明公開了一種銅互連結構的製作方法，包括a)提供半導體襯底，所述半導體襯底的上表面形成有含氧介電層，在所述含氧介電層中形成有用於形成銅互連結構的溝槽；b)在所述含氧介電層上和所述溝槽內形成鉭金屬層；c)在所述鉭金屬層上形成銅錳晶種層；d)在所述溝槽內的所述銅錳晶種層上形成所述銅互連結構，並執行退火工藝。本發明通過在含氧介電層與銅錳晶種層之間形成鉭金屬層，並執行退火工藝使含氧介電層中的氧、銅錳晶種層中的錳和鉭金屬層反應形成較薄的擴散阻擋層，不但有效防止銅向含氧介電層擴散，而且不影響其薄層電阻。
文檔編號H01L21/768GK102881633SQ20111019805
公開日2013年1月16日 申請日期2011年7月15日 優先權日2011年7月15日
發明者彭冰清 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司