CN102468266A

CN102468266A - 半导体器件及其制造方法

Info

Publication number: CN102468266A
Application number: CN2010105342435A
Authority: CN
Inventors: 何伟业
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2010-11-05
Filing date: 2010-11-05
Publication date: 2012-05-23

Abstract

本发明公开了一种半导体器件及其制造方法，所述半导体器件包括：半导体衬底，所述半导体衬底上形成有介质层以及贯穿所述介质层的开口；填充在所述开口内的铜布线层和铜合金层，所述铜合金层覆盖铜布线层；形成于所述介质层和铜合金层上的扩散阻挡层。本发明在铜布线层上形成了铜合金层，由于所述铜合金层与扩散阻挡层的粘附性较好，且所述铜合金层在受热情况下可析出合金的金属，所述合金金属与扩散阻挡层的粘附性大大优于铜与扩散阻挡层的粘附性，可防止铜原子沿铜合金层与扩散阻挡层的边界进行扩散和电迁移，进而防止铜布线层中出现空洞，提高了半导体器件的性能。

Description

半导体器件及其制造方法

技术领域

本发明涉及集成电路制造领域，特别是涉及一种半导体器件及其制造方法。

背景技术

随着集成电路集成度的不断提高，铝作为内连线材料其性能已难以满足集成电路的要求，铜较铝具有低的电阻率和更高的抗电迁移能力，因此在深亚微米技术中得到了广泛的应用。然而，铜又是导致半导体器件失效的元凶，这主要是因为铜是一种重金属，在高温和加电场的情况下，可以在半导体硅片和二氧化硅中快速扩散，引起器件可靠性方面的问题。

因此，业界通常在铜布线层上形成扩散阻挡层，所述扩散阻挡层的材料通常选自氮化硅或碳化硅等比较致密的介电材料，以防止铜原子扩散到铜布线层上方的铝焊垫中或其它布线层中。

具体请参考图1，其为现有的半导体器件的示意图。如图1所示，现有的半导体器件包括：半导体衬底110、形成于半导体衬底110上的介质层120、贯穿介质层120的开口、填充在所述开口内的铜布线层130、以及覆盖所述铜布线层130和介质层120的扩散阻挡层140。其中，所述扩散阻挡层140的材料通常为氮化硅或碳化硅等比较致密的可防止铜扩散的介电材料。

然而，随着芯片集成度越来越高，互连线变得更细、更窄、更薄，因此，其中的电流密度也越来越大。而铜布线层130与扩散阻挡层140的粘附性不是十分理想，在较高的电流密度作用下，铜布线层130中的铜原子仍然会沿着铜布线层130与扩散阻挡层140的边界进行扩散和电迁移(EM)，导致在铜布线层130中出现空洞(void)131，使得互连线在工作过程中产生短路或断路现象，成为引起集成电路失效的一种重要机制。

发明内容

本发明提供一种半导体器件及其制造方法，以解决现有的半导体器件中的铜原子易发生电迁移的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种半导体器件，所述半导体器件包括：半导体衬底，所述半导体衬底上形成有介质层以及贯穿所述介质层的开口；填充在所述开口内的铜布线层和铜合金层，所述铜合金层覆盖铜布线层；形成于所述介质层和铜合金层上的扩散阻挡层。

可选的，在所述的半导体器件中，所述铜合金层的材料为铜锰合金，所述铜锰合金中锰的重量百分比小于15％。

可选的，在所述的半导体器件中，所述铜合金层的材料为铜铝合金，所述铜铝合金中铝的重量百分比小于15％。

可选的，在所述的半导体器件中，所述铜合金层的材料为铜银合金，所述铜银合金中银的重量百分比小于15％。

可选的，在所述的半导体器件中，所述铜合金层的材料为铜锡合金，所述铜锡合金中锡的重量百分比小于15％。

可选的，在所述的半导体器件中，所述铜合金层的材料为铜锆合金，所述铜锆合金中锆的重量百分比小于15％。

可选的，在所述的半导体器件中，所述铜合金层的材料为铜钌合金，所述铜钌合金中钌的重量百分比小于15％。

可选的，在所述的半导体器件中，所述铜合金层的厚度为

可选的，在所述的半导体器件中，扩散阻挡层的材料为氮化硅或碳化硅或掺氮的碳化硅。

相应的，本发明还提供一种半导体器件制造方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有介质层以及贯穿介质层的开口；在所述开口内形成铜布线层，所述铜布线层的表面低于介质层的表面；在所述开口内形成铜合金层，所述铜合金层覆盖铜布线层；在所述介质层以及铜合金层上形成扩散阻挡层。

可选的，在所述的半导体器件制造方法中，在所述开口内形成铜布线层的步骤包括：在开口内形成铜布线层薄膜，所述铜布线层薄膜的表面与介质层的表面齐平；去除部分厚度的铜布线层薄膜，以在所述开口内形成铜布线层。

可选的，在所述的半导体器件制造方法中，利用回刻蚀的方式去除部分厚度的铜布线层薄膜。

可选的，在所述的半导体器件制造方法中，在所述开口内形成铜合金层的步骤包括：在开口内形成铜合金层薄膜，所述铜合金层薄膜覆盖铜布线层和介质层表面；去除介质层表面的铜合金层薄膜，以在所述开口内形成铜合金层。

可选的，在所述的半导体器件制造方法中，利用物理气相沉积的方式在所述开口内形成铜合金层薄膜。

可选的，在所述的半导体器件制造方法中，利用化学机械研磨的方式去除介质层表面的铜合金层薄膜。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明在铜布线层上形成了铜合金层，所述铜合金层与扩散阻挡层的粘附性较好，且所述铜合金层在受热情况下可析出合金的金属，所述合金的金属与扩散阻挡层的粘附性优于铜与扩散阻挡层的粘附性，因此，可防止铜原子沿铜合金层与扩散阻挡层的边界进行扩散和电迁移，进而防止铜布线层中出现空洞，提高了半导体器件的性能。

附图说明

图1为现有的半导体器件的示意图；

图2为本发明一实施例的半导体器件的示意图；

图3为本发明一实施例的半导体器件制造方法的流程图；

图4A～4F为本发明一实施例的半导体器件制造方法的剖面示意图。

具体实施方式

本发明的核心思想在于，提供一种半导体器件及其制造方法，所述半导体器件在铜布线层上形成了铜合金层，由于所述铜合金层整体与扩散阻挡层的粘附性较好，且所述铜合金层在受热情况下可析出合金的金属，所述合金金属与扩散阻挡层粘附性优于铜与扩散阻挡层的粘附性，因此，可防止铜原子沿铜合金层与扩散阻挡层的边界进行扩散和电迁移，进而防止铜布线层中出现空洞，提高了半导体器件的性能。

请参考图2，其为本发明一实施例的半导体器件示意图。如图2所示，半导体器件包括：半导体衬底210，所述半导体衬底210上形成有介质层220以及贯穿介质层220的开口(未图示)；填充在所述开口内的铜布线层230和铜合金层250，所述铜合金层250覆盖铜布线层230；以及形成于所述介质层220和铜合金层250上的扩散阻挡层240。由于铜合金层250整体与扩散阻挡层240的粘附性较好，且所述铜合金层250在受热情况下可析出合金的金属，所述合金金属与扩散阻挡层240的粘附性大大优于铜与扩散阻挡层240的粘附性，所述铜合金层250的存在，可防止铜原子沿铜合金层250与扩散阻挡层240的边界进行扩散和电迁移，进而防止铜布线层230中出现空洞，提高了半导体器件的性能。

在本发明的一个具体实施例中，铜合金层250的材料为铜锰合金(CuMn)，其中，所述铜锰合金中锰的重量百分比小于15％。所述铜锰合金在受热情况下(例如通电流导致的受热情况下)可析出锰，锰与扩散阻挡层成键，使得铜合金层250与扩散阻挡层240的粘附性更佳，可最大程度的防止铜原子通过铜合金层250与扩散阻挡层240的边界进行扩散和电迁移。

在本发明的另一个具体实施例中，所述铜合金层的材料也可以为铜铝合金(CuAl)，所述铜铝合金中铝的重量百分比小于15％。

在本发明的又一个具体实施例中，所述铜合金层的材料还可以为铜银合金(CuAg)，所述铜银合金中银的重量百分比小于15％。

在本发明的再一个具体实施例中，所述铜合金层的材料还可以为铜锡合金(CuSn)，所述铜锡合金中锡的重量百分比小于15％。

当然，本发明的铜合金层的材料并不局限于上述描述，只要是可与扩散阻挡层具有较佳的粘附性能的铜合金材料均可。例如，所述铜合金层的材料还可以是铜锆合金(CuZr)，所述铜锆合金中锆的重量百分比小于15％；或者，所述铜合金层的材料为铜钌合金(CuRu)，所述铜钌合金中钌的重量百分比小于15％。

可以理解的是，上述铜合金材料中铜与其它金属的重量百分比不局限于上述描述的百分比，本领域技术人员可根据实际要获得粘附效果及电性能相应的调整所述铜合金层中铜与其它金属的重量百分比。

在本实施例中，所述铜合金层250的厚度优选为

该较薄的厚度在防止铜原子沿铜合金层250与扩散阻挡层240的边界进行扩散和电迁移的前提下，还可保证半导体器件具有较佳的导电性能，并且，较薄的铜金属层250有利于加工制造。当然，所述铜合金层250的厚度并不局限于上述描述，在本发明其它实施例中，也可根据实际要获得器件电参数来调整铜合金层的厚度。

在本实施例中，所述扩散阻挡层240的材料为氮化硅或碳化硅或掺氮的碳化硅，所述氮化硅或碳化硅或掺氮的碳化硅比较致密，因此防扩散效果较佳。当然，所述扩散阻挡层的材料还可以是其它与铜合金层具有较佳粘附性，且可防止铜原子扩散的介电材料。

相应的，本发明还提供一种半导体器件的制造方法，具体请参考图3，其为本发明一实施例的半导体器件制造方法的流程示意图，如图3所示，所述半导体器件的制造方法包括以下步骤：

步骤S30，提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有介质层以及贯穿所述介质层的开口；

步骤S31，在开口内形成铜布线层，所述铜布线层的表面低于介质层的表面；

步骤S32，在所述开口内形成铜合金层，所述铜合金层覆盖铜布线层；

步骤S33，在所述介质层以及铜合金层上形成扩散阻挡层。

下面将结合剖面示意图对本发明的半导体器件进行更详细的描述，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。

参照图4A，首先，提供半导体衬底410，所述半导体衬底410上形成有介质层420以及贯穿介质层420的开口421。

其中，所述介质层420可以为单层或多层，所述介质层420的材料可以是二氧化硅、硼磷硅玻璃(BPSG)、磷硅玻璃(PSG)、氮化硅、氮氧化硅中的一种或其任意组合。可利用化学气相沉积的方式在半导体衬底410上形成介质层420，并利用光刻和刻蚀工艺形成贯穿介质层420的开口421

参照图4B，然后，在开口421内形成铜布线层薄膜431，所述铜布线层薄膜431的表面与介质层420的表面齐平。在本实施例中，可利用电镀的方式形成所述铜布线层薄膜431。

参照图4C，随后，去除部分厚度的铜布线层薄膜，以在所述开口421内形成铜布线层430。在本实施例中，可利用回刻蚀(Etch Back)的方式去除部分厚度的铜布线层薄膜。当然，也可利用控制化学机械研磨工艺的工艺参数来实现去除部分厚度的铜布线层薄膜的目的。

参照图4D，其后，在开口421内形成铜合金层薄膜451，所述铜合金层薄膜451覆盖铜布线层430和介质层420表面。在本实施例中，可利用传统的物理气相沉积(PVD)的方式在开口421内形成铜合金层薄膜，在此不再赘述。

参照图4E，接着，去除介质层420表面的铜合金层薄膜，以在所述开口421内形成铜合金层450。在本实施例中，利用化学机械研磨(CMP)的方式去除介质层表面的铜合金层薄膜，使得所述铜合金层450的表面与介质层420的表面齐平，当然，所述铜合金层450的表面也可略高或略低于介质层420的表面。经本申请发明人长期实验发现，与铜布线层430相比，所述铜合金层450与后续形成的扩散阻挡层的粘附效果较佳。

参照图4F，最后，在介质层420以及铜合金层450上形成扩散阻挡层440。其中，所述扩散阻挡层440的材料为氮化硅或碳化硅或掺氮的碳化硅，当然，所述扩散阻挡层440的材料还可以是其它与铜合金层250具有较佳粘附性，又可防止铜原子扩散的材料。在本实施例中，可利用物理气相沉积(PVD)的方式形成扩散阻挡层440，所述扩散阻挡层440的厚度可以为

在形成所述扩散阻挡层440之后，还可利用公知的方法在所述扩散阻挡层440上形成铝焊垫或者其它布线层，所述扩散阻挡层440可防止铜原子扩散到其它布线层或铝焊垫中。本发明并不涉及该部分的改进，在此不予详细描述。

综上所述，由于本发明在开口内添加了铜合金层，所述铜合金层整体与扩散阻挡层的粘附性较好，且所述铜合金层在受热情况下可析出合金的金属，所述合金金属与扩散阻挡层的粘附性大大优于铜与扩散阻挡层的粘附性，因此，可防止铜原子沿铜合金层与扩散阻挡层的边界进行扩散和电迁移，进而防止铜布线层中出现空洞，提高了半导体器件的性能。

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。

Claims

1.一种半导体器件，包括：

半导体衬底，所述半导体衬底上形成有介质层以及贯穿所述介质层的开口；

填充在所述开口内的铜布线层和铜合金层，所述铜合金层覆盖铜布线层；

形成于所述介质层和铜合金层上的扩散阻挡层。

2.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述铜合金层的材料为铜锰合金，所述铜锰合金中锰的重量百分比小于15％。

3.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述铜合金层的材料为铜铝合金，所述铜铝合金中铝的重量百分比小于15％。

4.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述铜合金层的材料为铜银合金，所述铜银合金中银的重量百分比小于15％。

5.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述铜合金层的材料为铜锡合金，所述铜锡合金中锡的重量百分比小于15％。

6.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述铜合金层的材料为铜锆合金，所述铜锆合金中锆的重量百分比小于15％。

7.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述铜合金层的材料为铜钌合金，所述铜钌合金中钌的重量百分比小于15％。

8.如权利要求1至7中任一项所述的半导体器件，其特征在于，所述铜合金层的厚度为

9.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述扩散阻挡层的材料为氮化硅或碳化硅或掺氮的碳化硅。

10.一种半导体器件制造方法，包括：

提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有介质层以及贯穿介质层的开口；

在所述开口内形成铜布线层，所述铜布线层的表面低于介质层的表面；

在所述开口内形成铜合金层，所述铜合金层覆盖铜布线层；

在所述介质层以及铜合金层上形成扩散阻挡层。

11.如权利要求10所述的半导体器件制造方法，其特征在于，在所述开口内形成铜布线层的步骤包括：

在开口内形成铜布线层薄膜，所述铜布线层薄膜的表面与介质层的表面齐平；

去除部分厚度的铜布线层薄膜，以在所述开口内形成铜布线层。

12.如权利要求11所述的半导体器件制造方法，其特征在于，利用回刻蚀的方式去除部分厚度的铜布线层薄膜。

13.如权利要求10或12所述的半导体器件制造方法，其特征在于，在所述开口内形成铜合金层的步骤包括：

在开口内形成铜合金层薄膜，所述铜合金层薄膜覆盖铜布线层和介质层表面；

去除介质层表面的铜合金层薄膜，以在所述开口内形成铜合金层。

14.如权利要求13所述的半导体器件制造方法，其特征在于，利用物理气相沉积的方式在所述开口内形成铜合金层薄膜。

15.如权利要求13所述的半导体器件制造方法，其特征在于，利用化学机械研磨的方式去除介质层表面的铜合金层薄膜。