CN102956539B - 铜互连结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种铜互连结构及其制造方法，利用含有硼和氮的化合物作为扩散阻挡层，由于含有硼和氮的化合物具有较低的介电常数，通常在4.0～4.5之间，此外，含有硼和氮的化合物能够与铜很好的粘结，并且具有较高的密度，从而能够很好的阻挡铜的扩散。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路制造工艺，特别涉及一种铜互连结构及其制造方法。
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线技术广泛使用。传统的金属互连线是由铝金属制成的，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，传统的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。
但是，金属铜作为互连线也有其缺点，由于铜在硅及其氧化物以及大部分介质中扩散相当快，且铜一旦进入器件结构中即形成深能级杂质，对器件中的载流子具有很强的陷阱效应，使器件性能退化甚至失效。因此，必须在铜互连线与介质层之间增加一层上扩散阻挡层，以阻止铜的扩散。
上扩散阻挡层要求能够较好地阻挡铜的扩散，并且具有较低的介电常数，以及能够与铜及介质层有良好的粘结。常用的上扩散阻挡层材料包括：SiOx、SiNx、SiOxNy、SiOF、Al2O3、SiCN。传统上，在半导体集成电路制造中使用SiO2和类似的氧化物来阻止器件内的金属互连线扩散导致器件早期失效。然而这些材料的阻挡作用较差，例如：SiOxNy作为阻挡层，在450℃时便开始有铜扩散入器件结构。此外，这些材料的介电常数也过大，其中，介电常数相对较低的SiCN也将达到4.5～5.0，从而导致介质电容增加，降低了集成电路的产品性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铜互连结构及其制造方法，以解决现有的扩散阻挡层不能有效阻挡铜扩散或者导致介质电容增加，降低了产品性能的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种铜互连结构的制造方法，包括：形成铜互连线；在所述铜互连线上形成上扩散阻挡层，所述上扩散阻挡层是含有硼和氮的化合物。
可选的，在所述的铜互连结构的制造方法中，所述上扩散阻挡层是含有硼、氮和碳的化合物。
可选的，在所述的铜互连结构的制造方法中，利用化学气相沉积工艺形成所述上扩散阻挡层，所述化学气相沉积工艺所使用的气体包括C3H12BN。
可选的，在所述的铜互连结构的制造方法中，所述化学气相沉积工艺所使用的气体还包括N2、NH2-H2N和NH3。
可选的，在所述的铜互连结构的制造方法中，所述化学气相沉积工艺所使用的气体还包括He和N2。
可选的，在所述的铜互连结构的制造方法中，所述化学气相沉积工艺中，功率为150w～1000w，压强为2torr～7torr。
可选的，在所述的铜互连结构的制造方法中，所述上扩散阻挡层的厚度为30埃～1000埃。
可选的，在所述的铜互连结构的制造方法中，在形成铜互连线之前，还包括如下步骤：形成下扩散阻挡层，所述下扩散阻挡层是含有硼和氮的化合物；在所述下扩散阻挡层上形成隔离结构，用以隔离铜互连线。
本发明还提供一种铜互连结构，包括：铜互连线；及位于所述铜互连线上的上扩散阻挡层，所述上扩散阻挡层是含有硼和氮的化合物。
可选的，在所述的铜互连结构中，所述上扩散阻挡层为含有硼、氮和碳的化合物。
可选的，在所述的铜互连结构中，所述上扩散阻挡层的厚度为30埃～1000埃。
可选的，在所述的铜互连结构中，还包括下扩散阻挡层，所述下扩散阻挡层与所述上扩散阻挡层相对设置，所述下扩散阻挡层是含有硼和氮的化合物。
可选的，在所述的铜互连结构中，还包括隔离结构，所述隔离结构位于所述上扩散阻挡层和下扩散阻挡层之间，并隔离所述铜互连线，所述隔离结构为低K介质。
在本发明提供的铜互连结构及其制造方法中，利用含有硼和氮的化合物作为扩散阻挡层，由于含有硼和氮的化合物具有较低的介电常数，通常在4.0～4.5之间，此外，含有硼和氮的化合物能够与铜很好的粘结，并且具有较高的密度，从而能够很好的阻挡铜的扩散。
附图说明
图1是本发明实施例的铜互连结构的制造方法的流程示意图；
图2a～2e是本发明实施例的铜互连结构的制造方法的剖面示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的铜互连结构及其制造方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
请参考图1，其为本发明实施例的铜互连结构的制造方法的流程示意图。如图1所示，在本实施例中，所述铜互连结构的制造方法具体包括如下步骤：
步骤S10：提供半导体衬底；
步骤S11：在所述半导体衬底上形成下扩散阻挡层；
步骤S12：在所述下扩散阻挡层上形成隔离结构；
步骤S13：在所述下扩散阻挡层上形成铜互连线，且所述隔离结构隔离所述铜互连线；
步骤S14：在所述铜互连线上形成上扩散阻挡层。
具体的，请参考图2a～2e，其为本发明实施例的铜互连结构的制造方法的剖面示意图。
如图2a所示，提供半导体衬底20，在本实施例中，所述半导体衬底20可以是一硅衬底层，也可以是一包括硅衬底层以及形成于所述硅衬底层上的多晶硅层、二氧化硅层等的多层结构，本申请对此不做限定。
如图2b所示，在所述半导体衬底20上形成下扩散阻挡层21。可利用化学气相沉积工艺形成所述上扩散阻挡层。在本实施例中，所述形成下扩散阻挡层21的工艺优选采用等离子体增强化学气相沉积法(Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition，PECVD)形成。具体的，所述PECVD工艺的反应气体为硼化合物C3H12BN(三甲氨基硼)，所述硼化合物C3H12BN的流量为50sccm～1000sccm；所述PECVD工艺所使用的功率为：150w～1000w；所述PECVD工艺所使用的压强为：2torr～7torr。在上述工艺条件下，所述反应气体C3H12BN将发生分解反应，具体为：
C3H12BN→CxByNz+其他气体；
其中，所述x、y、z为自然数，所述x比y的值小于等于3，所述x比z的值小于等于3。最终，利用生成的化合物CxByNz形成下扩散阻挡层21。利用上述工艺条件，生成物CxByNz中的B(硼)、N(氮)含量相对于反应物C3H12BN中的B、N含量更高，从而，所形成的下扩散阻挡层21具有更低的介电常数以及能够更好地与铜粘结，进一步有效地阻挡铜扩散。
在本发明的另一实施例中，所述PECVD工艺的反应气体为硼化合物C3H12BN和N2(氮气)，其中，所述硼化合物C3H12BN的流量为50sccm～1000sccm，所述N2的流量为50sccm～1000sccm；所述PECVD工艺所使用的功率为：150w～1000w；所述PECVD工艺所使用的压强为：2torr～7torr。在上述工艺条件下，所述反应气体C3H12BN和N2将发生反应，具体为：
C3H12BN+N2→CxByNz+n+其他气体；
其中，所述x、y、z、n为自然数，所述x比y的值小于等于3，所述x比z+n的值小于等于3。最终，利用生成的化合物CxByNz+n形成下扩散阻挡层21。利用上述工艺条件，生成物CxByNz+n中的B、N含量相对于反应物C3H12BN中的B、N含量更高，从而，所形成的下扩散阻挡层21具有更低的介电常数以及能够更好地与铜粘结，进一步有效地阻挡铜扩散。
在本发明的其他实施例中，还可以使用NH2-H2N(联肼)和NH3(氨气)作为反应气体，同样的，能够形成B、N含量更高的下扩散阻挡层21。
进一步的，在上述PECVD工艺中还可以使用载流气体以运输反应气体参加反应，所述载流气体可以为He(氦气)、N2等惰性气体。
通过上述工艺所形成的下扩散阻挡层21的厚度为30埃～1000埃。
接着，请参考图2c，在所述下扩散阻挡层21上形成隔离结构22，所述隔离结构22为低K介质，例如：Ta(钽)、TaN(氮化钽)。所述隔离结构22可以采用物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、脉冲激光沉积(PLD)、电子束蒸发等。具体的，先形成一隔离层；通过光刻、刻蚀工艺去除部分隔离层，形成后续用以隔离铜互连线的隔离结构22。
如图2d所示，接着，在所述下扩散阻挡层21上形成铜互连线23，且所述隔离结构22隔离所述铜互连线23。在本实施例中，所述铜互连线23可以通过物理气相沉积工艺形成。进一步的，在形成铜互连线23之后，可以对所述铜互连线进行化学机械研磨工艺，以进行平坦化处理。
最后，如图2e所示，在所述铜互连线23上形成上扩散阻挡层24。所述上扩散阻挡层24可以利用形成下扩散阻挡层21相同的工艺形成，本申请在此不再赘述。
请继续参考图2e，通过上述铜互连结构的制造方法，可形成铜互连结构2，所述铜互连结构2包括：
铜互连线23；
位于所述铜互连线23上的上扩散阻挡层24，所述上扩散阻挡层24是含有硼和氮的化合物；
下扩散阻挡层21，所述下扩散阻挡层21与所述上扩散阻挡层24相对设置，所述下扩散阻挡层21是含有硼和氮的化合物；
隔离结构22，所述隔离结构22位于所述上扩散阻挡层24和下扩散阻挡层21之间，并隔离所述铜互连线23，所述隔离结构22为低K介质。
所述铜互连结构2利用含有硼和氮的化合物作为扩散阻挡层，由于含有硼和氮的化合物具有较低的介电常数，通常在4.0～4.5之间，此外，含有硼和氮的化合物能够与铜很好的粘结，并且具有较高的密度，从而能够很好的阻挡铜的扩散。
上述铜互连结构及其制造方法只是一个较佳的实施例，在本发明的其他实施例中，铜互连结构也可只包括：铜互连线；及位于所述铜互连线上的上扩散阻挡层，所述上扩散阻挡层是含有硼和氮的化合物。从而，所述铜互连结构的制造方法也可相应的简化。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (3)
1.一种铜互连结构的制造方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底；
在所述半导体衬底上形成下扩散阻挡层，所述下扩散阻挡层是含有硼和氮的化合物；
在所述下扩散阻挡层上形成隔离结构；
在所述下扩散阻挡层上形成铜互连线，且所述隔离结构隔离所述铜互连线；
在所述铜互连线上形成上扩散阻挡层，所述上扩散阻挡层是含有硼、氮和碳的化合物；其中，
利用化学气相沉积工艺形成所述下扩散阻挡层和所述上扩散阻挡层，所述化学气相沉积工艺所使用的气体包括C3H12BN、N2、NH2-H2N和NH3，提高所述上扩散阻挡层和所述下扩散阻挡层中的B、N的含量。
2.如权利要求1所述的铜互连结构的制造方法，其特征在于，所述化学气相沉积工艺中，功率为150w～1000w，压强为2torr～7torr。
3.如权利要求1所述的铜互连结构的制造方法，其特征在于，所述上扩散阻挡层的厚度为30埃～1000埃。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |