CN102054756A

CN102054756A - 铜互连结构及其形成方法

Info

Publication number: CN102054756A
Application number: CN2009101985866A
Authority: CN
Inventors: 聂佳相
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2009-11-10
Filing date: 2009-11-10
Publication date: 2011-05-11

Abstract

一种铜互连结构及其形成方法，所述形成方法包括：提供半导体基底，所述半导体基底表面形成有介质层，所述介质层内有开口，所述开口内形成有阻挡层并填充有金属铜；在所述开口上方形成金属帽盖，所述金属帽盖覆盖所述开口内的金属铜，所述金属帽盖的材料选自钽、氮化钽、钛、氮化钛或是它们的组合。本发明解决了金属帽盖形成过程中容易发生扩散污染的问题，提高了器件的可靠性。

Description

铜互连结构及其形成方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种铜互连结构及其形成方法。

背景技术

随着半导体技术的发展，超大规模集成电路芯片的集成度已经高达几亿乃至几十亿个器件的规模，两层以上的多层金属互连技术广泛使用。传统的金属互连是由铝金属制成的，但随着集成电路芯片中器件特征尺寸的不断减小，金属互连线中的电流密度不断增大，要求的响应时间不断减小，传统铝互连线已经不能满足要求，工艺尺寸小于130nm以后，铜互连线技术已经取代了铝互连线技术。与铝相比，金属铜的电阻率更低，铜互连线可以降低互连线的电阻电容(RC)延迟，改善电迁移，提高器件的可靠性。

金属铜作为互连线材料也有缺点，铜容易扩散进入衬底或者介质层中，在铜互连层形成后，需要在其上形成介质帽盖层来防止其扩散。但是铜与常用的介质帽盖层材料之间的附着力较差，因此仍会导致铜元素扩散进入其周围的介质层中，使得相邻的互连线之间的击穿电压(Voltage Breakdown，VBD)降低，导致器件的可靠性下降。

为了解决铜与介质帽盖层之间的粘附问题，常用的解决方法是形成金属帽盖来覆盖铜互连线，所述金属帽盖位于铜互连线和介质帽盖层之间。申请号为200510105104.x的中国专利公开了一种金属帽盖的形成方法，图1给出了该方法的结构示意图。

如图1所示，提供衬底12，在所述衬底12上形成绝缘层14，在绝缘层14内形成沟槽16，在沟槽16的侧壁和底部形成阻挡层18，所述阻挡层18的材料为钽、氮化钽或是CoWP合金，在所述沟槽16内填充有金属铜20。最后，在金属铜20上形成金属帽盖22，所述金属帽盖22的材料为CoWP。所述金属帽盖22的形成方法包括：在所述金属铜20上形成钯籽晶层；通过使用含钴、钨和磷的镀液无电镀敷所述金属铜20，形成金属帽盖22。

上述方法通过形成CoWP材质的金属帽盖解决了铜互连线与介质帽盖层之间的粘附问题，但是所述金属帽盖的形成过程使用了含钴、钨、磷的镀液，其中的钴、钨和磷离子容易发生扩散和污染，导致器件的击穿电压下降，从而降低器件的可靠性。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种铜互连结构及其形成方法，解决金属帽盖形成过程中容易发生扩散污染的问题，提高器件的可靠性。

本发明提供了一种铜互连结构的形成方法，包括：

提供半导体基底，所述半导体基底表面形成有介质层，所述介质层内形成有开口，所述开口内形成有阻挡层并填充有金属铜；

在所述开口上方形成金属帽盖，所述金属帽盖覆盖开口内的金属铜；

所述金属帽盖的材料选自钽、氮化钽、钛、氮化钛或是它们的组合。

可选的，所述金属帽盖的形成方法包括：在所述介质层表面和开口上方形成金属帽盖层；在所述金属帽盖层上形成光刻胶层，并图案化；以所述图案化的光刻胶层为掩膜对所述金属帽盖层进行刻蚀，形成金属帽盖，所述金属帽盖覆盖所述开口内的金属铜。

可选的，所述金属帽盖层的厚度为2nm至50nm。

可选的，所述金属帽盖层的形成方法为物理气相沉积(PVD)或者化学气相沉积(CVD)

可选的，所述物理气相沉积的功率为10000W至40000W，所述物理气相沉积的气氛为氩气或者氩气与氮气的混合气体，所述氩气的流量为4sccm(毫升/分钟)至40sccm，所述氮气的流量为10sccm至30sccm。

可选的，所述光刻胶层图案化所使用的掩膜版(mask)与形成所述介质层内开口的掩膜版为同一个。

可选的，所述金属帽盖层的刻蚀方法为干法刻蚀。

可选的，所述干法刻蚀中的源功率为500W至1500W，偏置功率为300W至800W。

可选的，所述干法刻蚀的主要反应物为氯气(Cl₂)，氯化硼(BCl₃)，甲烷(CH₄)，所述Cl₂的流量为150sccm至300sccm，所述BCl₃的流量为50sccm至200sccm，所述CH₄的流量为10sccm至30sccm。

可选的，在形成所述金属帽盖之后还包括在形成所述金属帽盖之后还包括在所述介质层和金属帽盖表面形成介质帽盖层。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种铜互连结构，包括：

半导体基底，所述半导体基底表面形成有介质层，所述介质层内形成有开口，所述开口内形成有阻挡层并填充有金属铜；

金属帽盖，所述金属帽盖覆盖所述开口内的金属铜，所述金属帽盖的材料选自钽、氮化钽、钛、氮化钛或是它们的组合；

介质帽盖层，所述介质帽盖层覆盖所述金属帽盖和介质层。

可选的，所述金属帽盖的厚度为2nm至50nm。

可选的，所述介质帽盖层的材料选自掺氮碳化硅或氮化硅。

可选的，所述介质帽盖层的厚度为30nm至70nm。

与现有技术相比，上述公开的技术方案有如下优点：

上述公开的技术方案中，金属帽盖的材料选自钽、氮化钽、钛、氮化钛或是它们的组合，解决了金属帽盖形成过程中容易发生扩散污染的问题，提高了器件的可靠性。

附图说明

图1是现有技术的铜互连结构形成方法的剖面结构示意图；

图2是本发明的一个实施例的铜互连结构形成方法的流程示意图；

图3至图9是本发明的一个实施例的铜互连结构形成方法的剖面结构示意图；

图10为本发明与现有技术形成的铜互连结构的击穿电压的威布尔分布对比图。

具体实施方式

本发明提供了一种铜互连结构及其形成方法，使用钽、氮化钽、钛、氮化钛或是它们的组合形成金属帽盖，解决了金属帽盖形成过程中容易发生扩散污染的问题，提高了器件的可靠性。

为使本发明的方法、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

图2给出了本发明的一个实施例的铜互连结构形成方法的流程示意图。

如图2所示，执行步骤S1，提供半导体基底，所述半导体基底表面形成有介质层，所述介质层内形成有开口，所述开口内形成有阻挡层并填充有金属铜；执行步骤S2，在所述介质层表面和开口上方形成金属帽盖层，所述金属帽盖层的材料选自钽、氮化钽、钛、氮化钛或是它们的组合；执行步骤S3，在所述金属帽盖层上形成光刻胶层，并图案化；执行步骤S4，以所述光刻胶层为掩膜对所述金属帽盖层进行刻蚀，形成金属帽盖；执行步骤S5，去除所述光刻胶层，在所述介质层和金属帽盖上形成介质帽盖层。

下面结合图3至图9对上述各步骤进行详细说明。

如图2所示，执行步骤S1，提供半导体基底，所述半导体基底表面形成有介质层，所述介质层内形成有开口，所述开口内形成有阻挡层并填充有金属铜。下面结合图3至图5对本步骤做具体说明。

如图3所示，提供半导体基底200，所述半导体基底200表面形成有介质层201，所述介质层201内形成有开口202。

所述半导体基底200的材质可以是单晶硅、多晶硅、非晶硅中的一种，所述半导体基底200的材质也可以是硅锗化合物，所述半导体基底200还可以是绝缘体上硅(SOI，Silicon On Insulator)结构或硅上外延层结构。在所述半导体基底200中形成有半导体器件(未示出)，例如具有栅极、源极和漏极的金属氧化物半导体器件。所述半导体基底200中还可以形成有金属互连结构(未示出)，如铜的通孔或互连线。

所述介质层201可以是氧化硅、硼硅玻璃、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃、掺碳氧化硅(CDO)，本实施例介质层201采用的是氧化硅(SiO₂)。

所述开口202的形成方法可以是在介质层201表面旋涂光刻胶，并图案化，然后再刻蚀形成开口202。刻蚀后通如氧气等离子体，灰化去除剩余的光刻胶。

如图4所示，在所述介质层201上和开口202内依次形成阻挡层203，铜籽晶层204和金属铜层205。

所述阻挡层203覆盖所述开口202的底部和侧壁并覆盖在所述介质层201的表面上。所述阻挡层203的材料选自钽、氮化钽、钛、或氮化钛，所述阻挡层203可以是单层结构也可以是叠层结构。本实施例中优选的阻挡层材料为钽，所述阻挡层203的形成方法为物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)，本实施例中选用的是物理气相沉积。所述阻挡层203的作用是防止所述铜籽晶层205中的铜原子向介质层201和半导体基底200中扩散，从而引起污染，降低器件的性能。

所述铜籽晶层204覆盖所述阻挡层203，包括所述开口202的底部和侧壁以及所述介质层201的表面。所述铜籽晶层204可以是单层结构，也可以是由晶粒直径不同的小晶粒层和大晶粒层构成的多层结构。选用多层结构的铜晶种层时，小晶粒层在大晶粒层之下，提高铜籽晶层204与阻挡层203之间的粘附性。所述铜籽晶层204的形成方法为物理气相沉积，与所述阻挡层203的沉积过程在同一物理气相沉积设备中完成。

所述金属铜层205的形成方法为物理气相沉积或电镀法，本实施例中优选的方法为电镀法。将所述半导体基底200转移至电镀装置中，所述电镀装置包括有电镀溶液和电源正负极，电镀过程中所述半导体基底200固定在负极，所述电镀溶液中包含加速剂、抑制剂、调整剂(leveler)等多种添加剂。在电镀过程中，金属铜填满所述开口202并有部分铜覆盖在所述介质层201上，形成金属铜层205。

优选的，在电镀形成金属铜层205之后，对所述半导体基底200进行退火。所述退火的温度为100℃至300℃；所述退火的持续时间为30秒至1小时；所述退火的气氛选自氮气(N₂)、氢气(H₂)。本实施例中优选的退火温度为250℃至280℃，持续时间为5分钟至10分钟，退火气氛为氮气和氢气的混合气体。

如图5所示，对所述半导体基底200进行化学机械抛光，研磨去除所述覆盖在介质层201表面的铜以及部分阻挡层203。开口202内余留的金属铜构成了铜互连线205a。

所述化学机械抛光过程主要包括：对覆盖在所述半导体基底200表面的铜进行研磨，使用终点(Endpoint)检测技术，研磨至所述阻挡层203；之后研磨去除覆盖在介质层201表面的阻挡层203以及部分介质层201。

如图2和图6所示，执行步骤S2，在所述介质层201表面和开口202上方形成金属帽盖层206，所述金属帽盖层206的材料选自钽、氮化钽、钛、氮化钛或是它们的组合。

所述金属帽盖层206的材料选自钽、氮化钽、钛、氮化钛或是它们的组合，本实施例中优选的材料为钽，与所述阻挡层203的材料相同。所述金属帽盖层的厚度为2nm至50nm。所述金属帽盖层的形成方法为物理气相沉积(PVD)或者化学气相沉积(CVD)。所述物理气相沉积的功率为10000W至40000W。所述物理气相沉积的气氛为氩气或者氩气与氮气的混合气体。所述氩气的流量为4sccm(毫升/分钟)至40sccm，所述氮气的流量为10sccm至30sccm。本实施例中所述金属帽盖层206的厚度优选为10nm，形成方法为物理气相沉积，使用的气氛为氩气，流量为10sccm，功率优选为10000W至20000W。

如图2和图7所示，执行步骤S3，在所述金属帽盖层206上形成光刻胶层207，并图案化。

所述图案化的过程主要包括曝光(Exposure)和显影(Development)，本实施例曝光过程中所使用掩膜版与所述开口202形成过程中使用的掩膜版为同一个，因此在掩膜版的制备方面不会对成本造成影响。

如图2和图8所示，执行步骤S4，以所述光刻胶层207为掩膜，对所述金属帽盖层206进行刻蚀，形成金属帽盖206a。所述金属帽盖206a覆盖所述开口202内的铜互连线205a。

所述刻蚀方法为干法刻蚀，所述干法刻蚀中的源功率为500W至1500W，偏置功率为300W至800W。所述源功率主要用来解离反应腔内的反应气体，从而控制反应腔内的等离子体浓度；所述偏置功率用来加速等离子体，通过物理轰击来实现刻蚀。本实施例中干法刻蚀的主要反应物为Cl₂，BCl₃，CH₄，所述Cl₂的流量为150sccm至300sccm，所述BCl₃的流量为50sccm至200sccm，所述CH₄的流量为10sccm至30sccm。本实施中优选的Cl₂的流量为200sccm，BCl₃的流量为100sccm，CH₄的流量为20sccm。由于之前的光刻过程中使用的掩膜版为形成开口202的掩膜版，因此本实施例中形成的金属帽盖206a还覆盖开口内的阻挡层203。

所述金属帽盖206a的材料选自钽、氮化钽、钛、氮化钛或是它们的组合，本实施例中为钽。由于上述材料与金属铜之间的粘附性很好，可以有效的覆盖在铜互连线上，阻挡金属铜向所述介质层201内扩散，避免由扩散引起的击穿电压下降等问题，提高器件的可靠性。与现有技术相比，本技术方案中并没有使用到含有Co、W和P离子的镀液，而且与上述材料相比，钽、氮化钽、钛和氮化钛材料也不易发生扩散，因此避免了金属帽盖的形成过程中的扩散污染问题。

如图2和图9所示，执行步骤S5，去除所述光刻胶层207，在所述介质层201和金属帽盖206a上形成介质帽盖层208。

所述介质帽盖层208的材料为掺氮碳化硅(NDC)或氮化硅，其厚度为30nm至70nm。所述介质帽盖层208的形成方法为化学气相沉积。

由此，本实施例得到了一种铜互连结构，包括：半导体基底，所述半导体基底表面形成有介质层，所述介质层内形成有开口，所述开口内形成有阻挡层并填充有金属铜；金属帽盖，所述金属帽盖覆盖所述开口内的金属铜，所述金属帽盖的材料选自钽、氮化钽、钛、氮化钛或是它们的组合；介质帽盖层，所述介质帽盖层覆盖所述金属帽盖和介质层。

图10给出了本发明和现有技术的铜互连结构的击穿电压的威布尔分布(Weibull distribution)，其中现有技术指的是未形成金属帽盖的铜互连结构，在铜互连线上直接形成介质帽盖层；而本发明则为上述实施例中形成的具有金属帽盖的铜互连结构。比较二者可见，本发明所得的铜互连结构击穿电压提高了约10V，器件的可靠性得到了改善。

综上，本发明提供了一种铜互连结构及其形成方法，使用钽、氮化钽、钛、氮化钛或是它们的组合形成金属帽盖，避免了使用CoWP材料形成金属帽盖过程中容易发生扩散污染的问题，提高了器件的可靠性。

本发明同时解决了铜与介质帽盖层之间的粘附问题，提高了器件的可靠性。

另外，本发明中的金属帽盖材料选自钽、氮化钽、钛、氮化钛或是它们的组合，其形成过程使用了常规的沉积、光刻和刻蚀工艺，且光刻过程并不需要增加额外的掩膜版，与现有技术中的无电镀敷相比，工艺较为简单。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims

1.一种铜互连结构的形成方法，包括：

其特征在于，所述金属帽盖的材料选自钽、氮化钽、钛、氮化钛或是它们的组合。

2.根据权利要求1所述的铜互连结构的形成方法，其特征在于，所述金属帽盖的形成方法包括：在所述介质层表面和开口上方形成金属帽盖层；在所述金属帽盖层上形成光刻胶层，并图案化；以所述图案化的光刻胶层为掩膜对所述金属帽盖层进行刻蚀，形成金属帽盖，所述金属帽盖覆盖开口内的金属铜。

3.根据权利要求2所述的铜互连结构的形成方法，其特征在于，所述金属帽盖层的厚度为2nm至50nm。

4.根据权利要求2所述的铜互连结构的形成方法，其特征在于，所述金属帽盖层的形成方法为物理气相沉积或者化学气相沉积。

5.根据权利要求4所述的铜互连结构的形成方法，其特征在于，所述物理气相沉积的功率为10000W至40000W，所述物理气相沉积的气氛为氩气或者氩气与氮气的混合气体，所述氩气的流量为4sccm至40sccm，所述氮气的流量为10sccm至30sccm。

6.根据权利要求2所述的铜互连结构的形成方法，其特征在于，所述光刻胶层的图案化过程使用的掩膜版与形成所述介质层内的开口使用的掩膜版为同一个。

7.根据权利要求2所述的铜互连结构的形成方法，其特征在于，所述金属帽盖层的刻蚀方法为干法刻蚀。

8.根据权利要求7所述的铜互连结构的形成方法，其特征在于，所述干法刻蚀中的源功率为500W至1500W，偏置功率为300W至800W。

9.根据权利要求8所述的铜互连结构的形成方法，其特征在于，所述干法刻蚀的主要反应物为Cl₂，BCl₃，CH₄，所述Cl₂的流量为150sccm至300sccm，所述BCl₃的流量为50sccm至200sccm，所述CH₄的流量为10sccm至30sccm。

10.根据权利要求1所述的铜互连结构的形成方法，其特征在于，在形成所述金属帽盖之后还包括在所述介质层和金属帽盖表面形成介质帽盖层。

11.根据权利要求10所述的铜互连结构的形成方法，其特征在于，所述介质帽盖层的材料选自掺氮碳化硅或氮化硅。

12.一种铜互连结构，包括：

金属帽盖，所述金属帽盖覆盖所述开口内的金属铜；

介质帽盖层，所述介质帽盖层覆盖所述金属帽盖和介质层；

13.根据权利要求12所述的铜互连结构，其特征在于，所述金属帽盖的厚度为2nm至50nm。

14.根据权利要求12所述的铜互连结构，其特征在于，所述介质帽盖层的材料选自掺氮碳化硅或氮化硅。

15.根据权利要求12所述的铜互连结构，其特征在于，所述介质帽盖层的厚度为30nm至70nm。