專利名稱：一種形成銅互連的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種形成銅互連的方法,特別是使用低溫回流技術(shù)(low temperatureref I ow ),利用兩步法制造銅互連的方法。
背景技術(shù)：
隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，銅成為新一代的互連材料，由于器件的尺寸不斷縮小，芯片的集成度不斷提高，互連線的可靠性問題一直是影響系統(tǒng)可靠性的重要因素。而互連線的電遷移一直是影響互連線可靠性的重要問題之一。銅互連電遷移現(xiàn)象與鋁相似，會在流動方向上的分叉處形成損耗或者產(chǎn)生積累從而形成空洞或者小丘，使得電 路失效。為了解決這一問題，現(xiàn)有技術(shù)中在銅互連的暴露的表面覆蓋蝕刻停止層作為鈍化和Cu擴(kuò)散阻擋層。也有技術(shù)提出在層間電介質(zhì)層(ILD)與導(dǎo)體(銅互連)之間設(shè)置擴(kuò)散阻擋襯層。由于銅互連的電遷移可靠性與晶粒結(jié)構(gòu)、幾何結(jié)構(gòu)、制造工藝以及介質(zhì)材料等因素均有密切的關(guān)系。本發(fā)明的發(fā)明人經(jīng)過潛心研究，提出了一種全新的方式來改善銅互連
可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的提供一種形成銅互連的方法，所述方法包括 在半導(dǎo)體襯底上形成低介電材料層；
在所述低介電材料層中蝕刻出通孔和槽；
在所述通孔和槽中形成擴(kuò)散阻擋層；
在所述擴(kuò)散阻擋層上形成Cu層和Cu合金層；
回流退火所述Cu合金層，使Cu合金層中的合金元素?cái)U(kuò)散到下部的Cu層中。所述擴(kuò)散阻擋層為雙層結(jié)構(gòu)，包括選自Ta、Ti、W的難熔金屬、或其難熔金屬氮化物、或其組合構(gòu)成的下層以及由Ru或Ru合金構(gòu)成的上層。形成所述擴(kuò)散阻擋層的材料選自TaN/Ru(1_x)Tax，或TaN/Ta/Ru。所述擴(kuò)散阻擋層的厚度為20 150 L由Ru或Ru合金構(gòu)成的上層的厚度為2(Tl00 A0形成所述擴(kuò)散阻擋層的工藝為物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、原子層沉積、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積、濺射、化學(xué)溶液沉積、或鍍覆。還包括利用CMP工藝去除槽外部的Cu合金層以及形成一覆蓋層的步驟。形成所述覆蓋層的材料包括但不限于氮化物、氧氮化物、碳化物、碳氮化物或其組合。Cu合金層中的合金元素選自鋁、錳、銀或其組合。形成所述Cu層的步驟包括采用PVD技術(shù)沉積Cu層，然后進(jìn)行一回流退火。
所述回流退火的溫度為200-350攝氏度。本發(fā)明的形成銅互連的方法可用于形成后端(BEOL)金屬化結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提供了改善銅互連可靠性的方法，其利用低溫回流技術(shù)，通過兩步法制造銅互連。通過在銅線與覆蓋層的界面引入合金元素，調(diào)節(jié)Cu原子在界面上的電遷移速率，從而有效改善銅互連的電遷移可靠性。同時(shí)，通過選用擴(kuò)散阻擋層材料，降低工藝溫度，使工藝成本和耗能大幅減少。所述低溫回流工藝與沉積工藝可以在同一腔室里進(jìn)行，不需要移動晶片，工藝簡單、便捷，可行性高。


本發(fā)明的下列附圖在此作為本發(fā)明的一部分用于理解本發(fā)明。附圖中示出了本發(fā)明的實(shí)施例及其描述，用來解釋本發(fā)明的原理。在附圖中， 圖IA 圖IF示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方式的形成銅互連的示范性工藝步驟。附圖標(biāo)記說明
101半導(dǎo)體襯底 102擴(kuò)散阻擋層 103銅線
104蝕刻停止層 105低介電材料層 106低介電材料層 107硬掩膜層 108通孔 109槽
110擴(kuò)散阻擋層
111Cu 層
112Cu合金層 113合金擴(kuò)散層
114覆蓋層。
具體實(shí)施例方式在下文的描述中，給出了大量具體的細(xì)節(jié)以便提供對本發(fā)明更為徹底的理解。然而，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的是，本發(fā)明可以無需一個或多個這些細(xì)節(jié)而得以實(shí)施。在其他的例子中，為了避免與本發(fā)明發(fā)生混淆，對于本領(lǐng)域公知的一些技術(shù)特征未進(jìn)行描述。為了徹底了解本發(fā)明，將在下列的描述中提出詳細(xì)的步驟和結(jié)構(gòu)，以便說明本發(fā)明是如何解決銅互連可靠性的問題。顯然，本發(fā)明的施行并不限定于半導(dǎo)體領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟習(xí)的特殊細(xì)節(jié)。本發(fā)明的較佳實(shí)施例詳細(xì)描述如下，然而除了這些詳細(xì)描述外，本發(fā)明還可以具有其他實(shí)施方式。參考圖1A，提供半導(dǎo)體襯底101，所述半導(dǎo)體襯底101的構(gòu)成材料可以采用未摻雜的單晶硅、摻雜有雜質(zhì)的單晶硅、絕緣體上硅(SOI)等。作為示例，在本實(shí)施例中，所述半導(dǎo)體襯底101選用單晶娃材料構(gòu)成。所述單晶娃襯底可以具有〈110〉、<100>或其它各種晶向。在所述半導(dǎo)體襯底101中形成有銅線103以及擴(kuò)散阻擋層102。在所述半導(dǎo)體襯底上依序形成蝕刻停止層104、低介電材料層105和106、硬掩膜層107。上述各層的材料可選擇本領(lǐng)域常用的各種材料，在這里就不一一贅述了。通過蝕刻形成槽109和通孔108。參考圖1B，形成擴(kuò)散阻擋層110。所述擴(kuò)散阻擋層為雙層結(jié)構(gòu)，作為下層擴(kuò)散阻擋層的材料，可以使用Ta、Ti、W的難熔金屬、或其難熔金屬氮化物。作為上層擴(kuò)散阻擋層的材料選自Ru、Pd或其合金，優(yōu)選為Ru。擴(kuò)散阻擋襯層的上層和下層都是為了防止Cu擴(kuò)散，不同在于上層材料與Cu所形成的界面有較好的熱力學(xué)性質(zhì)，能夠防止Cu在表面擴(kuò)散工藝中團(tuán)聚。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，對于低溫回流退火而言，這種性質(zhì)也是有利的。在本實(shí)施方式中，使用TaN/Ru(1_x)Tax，或 TaN/Ta/Ru 作為擴(kuò)散阻擋層。形成擴(kuò)散阻擋層的技術(shù)可以是物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、原子層沉積(ALD)、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)、濺射、化學(xué)溶液沉積、或鍍覆?？梢愿鶕?jù)需要而選擇，例如從工件尺寸考慮，可以選用PVD、CVD或ALD。從所形成的層的純度和工藝溫度考慮，優(yōu)選為PVD。所述擴(kuò)散阻擋層上層的厚度為2(Γ100 Α，擴(kuò)散阻擋層的總的厚度為20^150 A
參考圖1C，在所形成的擴(kuò)散阻擋層上形成Cu層以填充槽109和通孔108，厚度不填滿槽109。形成所述Cu層的步驟包括采用PVD工藝在所述擴(kuò)散阻擋層上形成銅層后，再在250 °C下回流退火30min。參考圖1D，利用PVD方法在所形成的Cu層上形成Cu合金層112，填滿槽109并覆蓋整個Cu層111和擴(kuò)散阻擋層110。在250°C下回流退火30min。所述銅合金層中摻雜的合金元素例如為銀、鋁、錳元素。參考圖1E，合金元素在上述回流退火工藝中擴(kuò)散到Cu層中形成合金擴(kuò)散層113。在一般的沉積方法，例如PVD方法中，傾向于形成大的Cu籽晶，這樣可以降低銅線的電阻，同時(shí)銅線上表面由于合金元素的導(dǎo)入，可以有效降低銅原子在此界面上的電遷移速率，從而有效改善銅互連的可靠性(銅線與覆蓋層的界面，即銅線的上表面是銅原子電遷移的主要路徑)。因?yàn)楹辖鹪氐膶?dǎo)入會在一定程度上增加銅線的電阻率，所以要避免合金元素的過量導(dǎo)入，此方法只在銅線上表面導(dǎo)入少量合金元素，所以對電阻影響不大，兼顧了界面電遷移速率與導(dǎo)體電阻之間的平衡。參考圖1F，利用CMP進(jìn)行平面化工藝，將銅合金層表面拋光，將大部分多余的銅合金層除去。在低電介質(zhì)材料層和合金擴(kuò)散層上形成一覆蓋層114，作為阻擋層、擴(kuò)散屏蔽層和氧化保護(hù)層，以保護(hù)銅互連結(jié)構(gòu)并用于后續(xù)工藝。形成所述覆蓋層114的材料可以氮化物、氧氮化物、碳化物、碳氮化物或其組合。較佳的覆蓋層114可為摻有碳雜質(zhì)的氮化硅(SiN)。綜上所述，本發(fā)明提供了改善銅互連可靠性的方法，其利用低溫回流技術(shù)，通過兩步法制造銅互連。通過在銅線與作為蝕刻停止層的覆蓋層界面引入合金元素，調(diào)節(jié)Cu原子在界面上的電遷移速率，從而有效改善銅互連的電遷移可靠性。同時(shí)，通過選用擴(kuò)散阻擋層材料，降低工藝溫度，使工藝成本和耗能大幅減少。所述低溫回流工藝與沉積工藝可以在同一腔室里進(jìn)行，不需要移動晶片，工藝簡單、便捷，可行性高。
本發(fā)明已經(jīng)通過上述實(shí)施例進(jìn)行了說明，但應(yīng)當(dāng)理解的是，上述實(shí)施例只是用于舉例和說明的目的，而非意在將本發(fā)明限制于所描述的實(shí)施例范圍內(nèi)。此外本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施例，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)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(fā)明所要求保護(hù)的范圍以內(nèi)。本發(fā)明的保護(hù)范圍由 附屬的權(quán)利要求書及其等效范圍所界定。
權(quán)利要求
1.一種形成銅互連的方法，其包括在半導(dǎo)體襯底上形成低介電材料層；在所述低介電材料層中蝕刻出通孔和槽；在所述通孔和槽中形成擴(kuò)散阻擋層；在所述擴(kuò)散阻擋層上形成Cu層和Cu合金層；回流退火所述Cu合金層，使Cu合金層中的合金元素?cái)U(kuò)散到下部的Cu層中。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述擴(kuò)散阻擋層為雙層結(jié)構(gòu)，包括選自Ta、Ti、W的難熔金屬、或其難熔金屬氮化物、或其組合構(gòu)成的下層以及由Ru或Ru合金構(gòu)成的上層。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，形成所述擴(kuò)散阻擋層的材料選自TaN/Ru(1_x)Tax,或 TaN/Ta/Ru。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述擴(kuò)散阻擋層的厚度為2(T150A0
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，由Ru或Ru合金構(gòu)成的上層的厚度為2(Γ100A0
6.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，形成所述擴(kuò)散阻擋層的工藝為物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、原子層沉積、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積、濺射、化學(xué)溶液沉積、或鍍覆。
7.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，還包括利用CMP工藝去除槽外部的Cu合金層以及形成一覆蓋層的步驟。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，形成所述覆蓋層的材料包括但不限于氮化物、氧氮化物、碳化物、碳氮化物或其組合。
9.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，Cu合金層中的合金元素選自鋁、錳、銀或其組合。
10.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，形成所述Cu層的步驟包括采用PVD技術(shù)沉積Cu層，然后進(jìn)行一回流退火。
11.如權(quán)利要求I或10所述的方法，其特征在于，所述回流退火的溫度為200-350攝氏
全文摘要
本發(fā)明涉及一種形成銅互連的方法，所述方法包括在半導(dǎo)體襯底上形成低介電材料層；在所述低介電材料層中蝕刻出通孔和槽；在所述通孔和槽中形成擴(kuò)散阻擋層；在所述擴(kuò)散阻擋層上形成Cu層和Cu合金層；回流退火所述Cu合金層，使Cu合金層中的合金元素?cái)U(kuò)散到下部的Cu層中，從而有效改善銅互連的電遷移可靠性。
文檔編號H01L21/768GK102956541SQ20111023923
公開日2013年3月6日 申請日期2011年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月19日
發(fā)明者鮑宇 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司