CN104658967A - 一种半导体器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半导体器件及其制造方法，所述方法包括：提供半导体衬底，在其上依次形成蚀刻停止层和第一超低k介电层，在第一超低k介电层中形成铜金属互连层；回蚀刻第一超低k介电层，在铜金属互连层的两侧形成凹槽；沉积具有压应力的覆盖层，覆盖铜金属互连层和凹槽；在覆盖层上沉积第二超低k介电层，并执行化学机械研磨直至露出位于铜金属互连层顶部的覆盖层；沉积第三超低k介电层，覆盖第二超低k介电层和覆盖层；对第三超低k介电层和第二超低k介电层实施紫外光固化处理，以使覆盖层位于铜金属互连层的顶部和上部侧壁上的部分具有张应力。根据本发明，可以形成具有双应力的覆盖层，有效抑制铜的扩散行为，提高紫外光固化的效率。

Description

一种半导体器件及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体制造工艺，具体而言涉及一种实施铜互连工艺时形成具有双应力的覆盖层的方法以及具有该覆盖层的半导体器件。

背景技术

对于半导体器件中的逻辑电路而言，铜金属互连层的层数达到数层乃至十数层。随着半导体器件特征尺寸的不断减小，各金属互连层之间的电容性串音的影响日益显著；为了解决电容性串音的问题，在各金属互连层之间布置超低k介电层（k代表介电常数，其通常小于2.5）是一种很好的解决问题的方式。如图1A所示，在形成有前端器件的半导体衬底100上形成有自下而上层叠的蚀刻停止层101和第一超低k介电层102，在第一超低k介电层102中形成有与所述前端器件连通的第一铜金属互连结构103，在第一铜金属互连结构103中形成有第一铜金属互连层104。

在第一铜金属互连层104的上方可以形成连通其的第二铜金属互连层。首先，如图1B所示，依次形成覆盖第一超低k介电层102和第一铜金属互连层104的覆盖层101’和第二超低k介电层102’；接着，在第二超低k介电层102’中形成连通第一铜金属互连层104的第二铜金属互连层。

形成第二超低k介电层102’之后在其中形成用于填充第二铜金属互连层的第二铜金属互连结构之前，通常采用紫外辐照使其固化以进一步提升其机械强度。由于第二超低k介电层102’一般具有多孔性，其仅能吸收大约40％的紫外辐照所产生的紫外光，其余大约60％的紫外光穿透到第二超低k介电层102’下方的覆盖层101’，进而造成下述问题：第一，导致紫外光固化效率的下降，造成固化时间的增加以及晶圆产出量的下降；第二，导致覆盖层101’的应力状态的改变，即从原有的压应力转变为张应力，造成覆盖层101’和第二超低k介电层102’之间的界面特性变差，削弱第二超低k介电层102’的机械强度；第三，造成第二超低k介电层102’下方的各个材料层之间的附着性变差。

因此，需要提出一种方法，以解决上述问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种半导体器件的制造方法，包括：提供半导体衬底，在所述半导体衬底上依次形成蚀刻停止层和第一超低k介电层，并在所述第一超低k介电层中形成铜金属互连层；回蚀刻所述第一超低k介电层，以在所述铜金属互连层的两侧形成凹槽；沉积具有压应力的覆盖层，以覆盖所述铜金属互连层的顶部以及所述凹槽的底部和侧壁；在所述覆盖层上沉积第二超低k介电层，并执行化学机械研磨直至露出位于所述铜金属互连层顶部的覆盖层；沉积第三超低k介电层，以覆盖所述第二超低k介电层和位于所述铜金属互连层顶部的覆盖层；对所述第三超低k介电层和所述第二超低k介电层实施紫外光固化处理，以使所述覆盖层位于所述铜金属互连层的顶部和上部侧壁上的部分具有张应力。

进一步，所述蚀刻为反应离子蚀刻或者湿法蚀刻，所述凹槽的深度为200-1000埃。

进一步，所述凹槽的深度为400-800埃。

进一步，所述覆盖层的厚度为150-500埃，所述覆盖层由单层材料构成。

进一步，所述第三超低k介电层对所述紫外光的折射率大于所述第二超低k介电层对所述紫外光的折射率。

进一步，所述紫外光固化的工艺参数为：产生所述紫外光的紫外灯的旋转速率为2-4deg/sec，温度为300-400℃，压力为2-12Torr，通入氦气和氩气的流量均为5000-20000sccm，处理时间为60-240min。

进一步，形成所述铜金属互连层之前，还包括在所述铜金属互连层所在的铜金属互连结构的底部和侧壁上依次形成铜金属扩散阻挡层和铜金属种子层的步骤。

进一步，形成所述铜金属互连层之后，还包括执行化学机械研磨直至露出所述第一超低k介电层的步骤。

进一步，所述第一超低k介电层、所述第二超低k介电层和所述第三超低k介电层的介电常数均小于2.5。

本发明还提供一种如上述制造方法中的任一方法制造的半导体器件。

根据本发明，可以形成所述具有双应力的覆盖层，其位于所述铜金属互连层的顶部和上部侧壁上的部分具有张应力，位于所述铜金属互连层的其余部分所在的第一超低k介电层上的部分具有压应力，有效抑制所述铜金属互连层的扩散行为的同时，提高对形成在所述覆盖层上的第二超低k介电层以及第三超低k介电层的紫外光固化效率。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1A示出了根据现有技术形成连通前端器件层的第一铜金属互连层之后的器件的示意性剖面图；

图1B示出了在图1A中示出的第一铜金属互连层和第一超低k介电层之上形成自下而上层叠的覆盖层和第二超低k介电层之后的器件的示意性剖面图；

图2A-图2F为根据本发明示例性实施例的方法依次实施的步骤所分别获得的器件的示意性剖面图；

图3为根据本发明示例性实施例的方法依次实施的步骤的流程图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤，以便阐释本发明提出的实施铜互连工艺时形成具有双应力的覆盖层的方法以及具有该覆盖层的半导体器件。显然，本发明的施行并不限定于半导体领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。

[示例性实施例]

下面，参照图2A-图2F和图3来描述根据本发明示例性实施例的方法实施铜互连工艺时形成具有双应力的覆盖层的详细步骤。

参照图2A-图2F，其中示出了根据本发明示例性实施例的方法依次实施的步骤所分别获得的器件的示意性剖面图。

首先，如图2A所示，其示出了根据现有技术在半导体衬底200上形成第一层铜金属互连层203之后的器件的示意性剖面图。根据现有技术的一个优选实施例，采用双大马士革工艺形成铜金属互连层203。

首先，提供半导体衬底200，采用化学气相沉积工艺在半导体衬底200上依次形成蚀刻停止层201和第一超低k介电层202。

在半导体衬底200上形成有前端器件，为了简化，图例中未予示出。所述前端器件是指实施半导体器件的后端制造工艺（BEOL）之前形成的器件，在此并不对前端器件的具体结构进行限定。所述前端器件包括栅极结构，作为一个示例，栅极结构包括自下而上依次层叠的栅极介电层和栅极材料层。在栅极结构的两侧形成有侧壁结构，在侧壁结构两侧的半导体衬底200中形成有源/漏区，在源/漏区之间是沟道区；在栅极结构的顶部以及源/漏区上形成有自对准硅化物。

蚀刻停止层201的材料优选SiCN、SiC或SiN，其作为后续蚀刻第一超低k介电层202以在其中形成用于填充铜金属互连层203的铜金属互连结构的蚀刻停止层的同时，可以防止铜金属互连层203中的铜扩散到所述前端器件所在的层间介电层中。

第一超低k介电层202的构成材料可以选自本领域常见的介电常数（k值）小于2.5的材料，例如k值为2.2的甲基硅酸盐化合物(MethylSilsesquioxane，简称MSQ)。

接下来，在第一超低k介电层202中形成连通所述前端器件的铜金属互连结构。形成所述铜金属互连结构的步骤包括：在第一超低k介电层202上依次形成缓冲层和硬掩膜层，缓冲层的作用是在后续研磨形成的铜金属互连层203时避免机械应力对第一超低k介电层202的多孔化结构造成损伤；在硬掩膜层中形成第一开口，以露出下方的缓冲层，所述第一开口用作所述铜金属互连结构中的沟槽的图案；在缓冲层和第一超低k介电层202中形成第二开口，所述第二开口用作所述铜金属互连结构中的通孔的图案;以硬掩膜层为掩膜，同步蚀刻缓冲层和第一超低k介电层202，以在第一超低k介电层202中形成所述铜金属互连结构，即同步形成所述铜金属互连结构中的沟槽和通孔，所述蚀刻于露出蚀刻停止层201时终止；去除通过所述铜金属互连结构露出的蚀刻停止层201，以使所述铜金属互连结构与所述前端器件连通，在本实施例中，采用干法蚀刻工艺实施所述蚀刻停止层201的去除；执行蚀刻后处理过程，以去除前述蚀刻过程所产生的残留物质和杂质。

上述形成所述铜金属互连结构的工艺过程仅是双大马士革工艺中的一种，本领域技术人员应当知晓的是，采用双大马士革工艺中的其它实施方式同样可以形成所述铜金属互连结构，例如先形成所述铜金属互连结构的通孔部分再形成所述铜金属互连结构的沟槽部分，在此不再赘述其详细的实施步骤。

接下来，在所述铜金属互连结构中形成铜金属互连层203。形成铜金属互连层203可以采用本领域技术人员所熟习的各种适宜的工艺技术，例如物理气相沉积工艺或者电镀工艺。

形成铜金属互连层203之前，需在所述铜金属互连结构的底部和侧壁上依次形成铜金属扩散阻挡层和铜金属种子层，为了简化，图示中未予示出。铜金属扩散阻挡层可以防止铜金属互连层203中的铜向第一超低k介电层202中的扩散，铜金属种子层可以增强铜金属互连层203与铜金属扩散阻挡层之间的附着性。形成铜金属扩散阻挡层和铜金属种子层可以采用本领域技术人员所熟习的各种适宜的工艺技术，例如，采用物理气相沉积工艺形成铜金属扩散阻挡层，采用溅射工艺或者化学气相沉积工艺形成铜金属种子层。铜金属扩散阻挡层的材料为金属、金属氮化物或者其组合，优选Ta和TaN的组合或者Ti和TiN的组合。

然后，执行化学机械研磨工艺，直至露出第一超低k介电层202。在此过程中，硬掩膜层和缓冲层均被去除。

接着，如图2B所示，回蚀刻第一超低k介电层202，以在铜金属互连层203的两侧形成凹槽208。在本实施例中，所述蚀刻为反应离子蚀刻或者湿法蚀刻，凹槽208的深度为200-1000埃，优选400-800埃。

接着，如图2C所示，沉积具有压应力的覆盖层204，以覆盖铜金属互连层203的顶部以及凹槽208的底部和侧壁。在本实施例中，采用共形沉积工艺实施所述沉积，以使覆盖层204具有均一的厚度。覆盖层204的厚度为150-500埃，其通常由单层材料构成，包括SiCN等。

接着，如图2D所示，在覆盖层204上沉积第二超低k介电层205，并执行化学机械研磨直至露出位于铜金属互连层203顶部的覆盖层204。在本实施例中，采用化学气相沉积工艺实施所述沉积。

接着，如图2E所示，沉积第三超低k介电层206，以覆盖第二超低k介电层205和位于铜金属互连层203顶部的覆盖层204。在本实施例中，采用化学气相沉积工艺实施所述沉积。第三超低k介电层206对紫外光的折射率大于第二超低k介电层205对紫外光的折射率，二者的介电常数均小于2.5且前者的介电常数小于后者的介电常数。

接着，如图2F所示，对第三超低k介电层206和第二超低k介电层205实施紫外光固化处理207，使二者多孔化以进一步降低其介电常数，同时提高二者的机械强度。在所述紫外光固化过程中，由于第二超低k介电层205对紫外光的折射率小于第三超低k介电层206对紫外光的折射率，紫外光不会穿透第二超低k介电层205到达其下方的覆盖层204，而紫外光则会穿透第三超低k介电层206到达其下方的覆盖层204，因此，位于第二超低k介电层205下方的覆盖层204仍然具有压应力，位于第三超低k介电层206下方以及位于铜金属互连层203的侧壁上的覆盖层204吸收紫外光发生应力状态的改变，由原来的压应力转变为张应力。在本实施例中，所述紫外光固化的工艺参数为：产生紫外光的紫外灯的旋转速率为2-4deg/sec，温度为300-400℃，压力为2-12Torr，通入氦气和氩气的流量均为5000-20000sccm，处理时间为60-240min，其中，deg/sec代表度/秒，Torr代表毫米汞柱，sccm代表立方厘米/分钟，min代表分钟。

至此，完成了根据本发明示例性实施例的方法实施的工艺步骤，接下来，可以通过后续工艺完成整个半导体器件的制作，包括在第三超低k介电层206中形成连通铜金属互连层203的另一铜金属互连结构以及填充另一铜金属互连层于所述另一铜金属互连结构。根据本发明，可以形成具有双应力的覆盖层204，其位于铜金属互连层203的顶部和上部侧壁上的部分具有张应力，位于铜金属互连层203的其余部分所在的第一超低k介电层202上的部分具有压应力，有效抑制铜金属互连层203的扩散行为的同时，提高对形成在覆盖层204上的第二超低k介电层205以及第三超低k介电层206的紫外光固化效率。

参照图3，其中示出了根据本发明示例性实施例的方法依次实施的步骤的流程图，用于简要示出整个制造工艺的流程。

在步骤301中，提供半导体衬底，在半导体衬底上依次形成蚀刻停止层和第一超低k介电层，并在第一超低k介电层中形成铜金属互连层；

在步骤302中，回蚀刻第一超低k介电层，以在铜金属互连层的两侧形成凹槽；

在步骤303中，沉积具有压应力的覆盖层，以覆盖铜金属互连层的顶部以及凹槽的底部和侧壁；

在步骤304中，在覆盖层上沉积第二超低k介电层，并执行化学机械研磨直至露出位于铜金属互连层顶部的覆盖层；

在步骤305中，沉积第三超低k介电层，以覆盖第二超低k介电层和位于铜金属互连层顶部的覆盖层；

在步骤306中，对第三超低k介电层和第二超低k介电层实施紫外光固化处理，以使覆盖层位于铜金属互连层的顶部和上部侧壁上的部分具有张应力。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (10)

1.一种半导体器件的制造方法，包括：

提供半导体衬底，在所述半导体衬底上依次形成蚀刻停止层和第一超低k介电层，并在所述第一超低k介电层中形成铜金属互连层；

回蚀刻所述第一超低k介电层，以在所述铜金属互连层的两侧形成凹槽；

沉积具有压应力的覆盖层，以覆盖所述铜金属互连层的顶部以及所述凹槽的底部和侧壁；

在所述覆盖层上沉积第二超低k介电层，并执行化学机械研磨直至露出位于所述铜金属互连层顶部的覆盖层；

沉积第三超低k介电层，以覆盖所述第二超低k介电层和位于所述铜金属互连层顶部的覆盖层；

对所述第三超低k介电层和所述第二超低k介电层实施紫外光固化处理，以使所述覆盖层位于所述铜金属互连层的顶部和上部侧壁上的部分具有张应力。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述蚀刻为反应离子蚀刻或者湿法蚀刻，所述凹槽的深度为200-1000埃。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述凹槽的深度为400-800埃。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述覆盖层的厚度为150-500埃，所述覆盖层由单层材料构成。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第三超低k介电层对所述紫外光的折射率大于所述第二超低k介电层对所述紫外光的折射率。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述紫外光固化的工艺参数为：产生所述紫外光的紫外灯的旋转速率为2-4deg/sec，温度为300-400℃，压力为2-12Torr，通入氦气和氩气的流量均为5000-20000sccm，处理时间为60-240min。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述铜金属互连层之前，还包括在所述铜金属互连层所在的铜金属互连结构的底部和侧壁上依次形成铜金属扩散阻挡层和铜金属种子层的步骤。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述铜金属互连层之后，还包括执行化学机械研磨直至露出所述第一超低k介电层的步骤。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一超低k介电层、所述第二超低k介电层和所述第三超低k介电层的介电常数均小于2.5。

10.一种如权利要求1-9中的任一方法制造的半导体器件。