本發(fā)明屬于半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，尤其涉及一種銅互連結(jié)構(gòu)及其制造方法。

背景技術(shù)：

隨著集成電路向著高速化和高集成度化發(fā)展，電路特征尺寸不斷縮小，對金屬連線的速度和性能提出更高的要求，銅具有低的電阻率和高的電遷移率，成為目前互連工藝的首選金屬。

在0.13μm到65nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)中，Ta/TaN的擴(kuò)散阻擋層應(yīng)用于銅互連中，通常的，在所需填充的溝槽和/通孔內(nèi)壁上先形成Ta/TaN的擴(kuò)散阻擋層，而后，填充金屬銅。Ta/TaN的擴(kuò)散阻擋層阻擋了銅向其他層的擴(kuò)散，然而，隨著技術(shù)節(jié)點(diǎn)的不斷推進(jìn)，器件尺寸不斷縮小，對工藝及速度提出更高的要求，采用ALD(原子層沉積)的方法形成的TaN的擴(kuò)散阻擋層，具有較好的臺階覆蓋性，但使得通孔內(nèi)的電阻增大，影響器件的速度，此外，TaN與銅的黏附性不好，影響銅種子層的晶粒取向，進(jìn)而影響銅互連結(jié)構(gòu)的性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種銅互連結(jié)構(gòu)及其制造方法，降低銅互連的電阻率。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種銅互連結(jié)構(gòu)的制造方法，包括步驟：

一種銅互連結(jié)構(gòu)的制造方法，包括步驟：

提供襯底，襯底上形成有介質(zhì)層；

在介質(zhì)層中形成通孔；

進(jìn)行氮化鉭層的沉積；

進(jìn)行反濺射工藝，同時，進(jìn)行鉭層的淀積；

填充金屬銅。

可選的，采用原子層沉積的方法進(jìn)行氮化鉭層的沉積。

可選的，進(jìn)行反濺射，以及進(jìn)行鉭層的淀積的步驟包括：采用PVD工藝，利用氬離子進(jìn)行反濺射，同時進(jìn)行鉭層的淀積。

可選的，在PVD工藝中，設(shè)置有偏置電源和側(cè)置電源。

可選的，填充金屬銅的步驟包括：

進(jìn)行釕種籽層的沉積；

進(jìn)行金屬銅的電鍍。

可選的，采用原子層沉積的方法進(jìn)行釕種籽層的沉積。

可選的，釕種籽層的厚度為3-30納米。

可選的，在填充金屬銅之后，還包括：

進(jìn)行熱退火工藝。

此外，本發(fā)明還提供了一種銅互連結(jié)構(gòu)，包括：

襯底，襯底上形成有介質(zhì)層；

在介質(zhì)層中形成的通孔；

在通孔的側(cè)壁上的氮化鉭層和鉭層；

填充通孔的金屬銅。

可選的，還包括釕層，形成在鉭層的側(cè)壁及通孔的底面與金屬銅之間。

本發(fā)明實(shí)施例提供的銅互連結(jié)構(gòu)的制造方法，在沉積氮化鉭層之后，對其進(jìn)行反濺射，反濺射工藝使得通孔底部的氮化鉭層反濺射到側(cè)壁上，從而減少或消除通孔底部的氮化鉭層，進(jìn)而減小互連結(jié)構(gòu)的電阻率，進(jìn)一步提高互連結(jié)構(gòu)的性能。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的銅互連結(jié)構(gòu)的制造方法的流程圖；

圖2-8為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例一的制造方法形成器件的過程中器件的截面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9-15為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例二的制造方法形成器件的過程中器件的截面結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式做詳細(xì)的說明。

在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是本發(fā)明還可以采用其他不同于在此描述的其它方式來實(shí)施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實(shí)施例的限制。

其次，本發(fā)明結(jié)合示意圖進(jìn)行詳細(xì)描述，在詳述本發(fā)明實(shí)施例時，為便于說明，表示器件結(jié)構(gòu)的剖面圖會不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應(yīng)限制本發(fā)明保護(hù)的范圍。此外，在實(shí)際制作中應(yīng)包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。

參考圖1所示，本發(fā)明提供了一種銅互連結(jié)構(gòu)的制造方法，包括：提供襯底，襯底上形成有介質(zhì)層；在介質(zhì)層中形成通孔；進(jìn)行氮化鉭層的沉積；對氮化鉭層進(jìn)行反濺射；進(jìn)行鉭層的淀積；填充金屬銅。

在該方法中，在沉積氮化鉭層之后，對其進(jìn)行反濺射，反濺射工藝使得通孔底部的氮化鉭層反濺射到側(cè)壁上，從而減少或消除通孔底部的氮化鉭層，進(jìn)而減小互連結(jié)構(gòu)的電阻率，進(jìn)一步提高互連結(jié)構(gòu)的性能。

為了更好的理解本發(fā)明的技術(shù)方案和技術(shù)效果，以下將結(jié)合具體的流程示意圖圖1對具體的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。

實(shí)施例一

首先，在步驟S101，提供襯底100，襯底上形成有介質(zhì)層，參考圖2和圖3所示。

在本發(fā)明中，所述襯底100可以為半導(dǎo)體襯底，例如可以為Si襯底、Ge襯底、SiGe襯底、SOI(絕緣體上硅，Silicon On Insulator)或GOI(絕緣體上 鍺，Germanium On Insulator)等。在其他實(shí)施例中，所述半導(dǎo)體襯底還可以為包括其他元素半導(dǎo)體或化合物半導(dǎo)體的襯底，例如GaAs、InP或SiC等，還可以為疊層結(jié)構(gòu)，例如Si/SiGe等，還可以其他外延結(jié)構(gòu)，例如SGOI(絕緣體上鍺硅)等。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述襯底上已形成有器件結(jié)構(gòu)，所述器件結(jié)構(gòu)可以包括晶體管、二極管或其他半導(dǎo)體組件、以及其他電學(xué)器件或互連結(jié)構(gòu)等。參考圖2所示，在一個具體的實(shí)施例中，在襯底100上形成了包括NMOS和PMOS的器件結(jié)構(gòu)，具體的，參考圖2所示，形成該器件結(jié)構(gòu)的步驟包括：

首先，在襯底中形成隔離結(jié)構(gòu)，可以通過刻蝕襯底形成溝槽，接著，通過氧化工藝，形成氧化物的襯墊層102，而后，進(jìn)行氧化物材料的淀積，在進(jìn)行平坦化工藝后，在溝槽中形成了包括襯墊層102和氧化層103的隔離結(jié)構(gòu)。

接著，形成分別用于形成N型器件如NMOS器件和P型器件如PMOS器件的阱區(qū)102、104，可以通過分別進(jìn)行離子注入，在N型器件區(qū)域形成p阱102，在P型器件區(qū)域形成n阱104。

而后，在襯底100上依次淀積柵介質(zhì)材料、柵極材料及蓋層，并進(jìn)行圖案化，形成柵介質(zhì)層104、柵極106及其上的蓋層108，柵介質(zhì)材料可以為氧化硅或高k介質(zhì)材料，高k介質(zhì)材料例如鉿基氧化物，柵極可以為金屬柵極或多晶硅等，柵極可以為一層或多層結(jié)構(gòu)，可以包括金屬材料或多晶硅或他們的組合，金屬材料例如Ti、TiAlx、TiN、TaNx、HfN、TiCx、TaCx等等，蓋層為柵極的保護(hù)層，可以為氮化硅、氧化硅或氮氧化硅等介質(zhì)材料。

接著，分別進(jìn)行傾角離子注入，在半導(dǎo)體襯底100內(nèi)分別形成n型器件的源漏延伸區(qū)111和p型器件的源漏延伸區(qū)113，在此步驟之前，可以在柵介質(zhì)層和柵極的側(cè)壁上形成一層側(cè)墻，如氮化硅。

而后，繼續(xù)淀積另一層或多層的側(cè)墻，如依次淀積氧化硅和氮化硅，并進(jìn)行RIE(反應(yīng)離子刻蝕)，從而，在柵介質(zhì)層和柵極的側(cè)壁上形成側(cè)墻結(jié)構(gòu)110。

接著，分別進(jìn)行離子注入，在半導(dǎo)體襯底100內(nèi)分別形成n型器件的源漏區(qū)112和p型器件的源漏區(qū)114，并進(jìn)行退火，以激活注入的離子。

而后，在源漏區(qū)112、114上形成金屬硅化物層116，可以淀積金屬材料，如W、Ni等，并進(jìn)行退火，反應(yīng)形成金屬硅化物層之后，去除未反應(yīng)的金屬材料，從而，形成金屬硅化物層116。

接著，可以覆蓋應(yīng)力材料，如氮化硅或氮氧化硅等，形成應(yīng)力層118。接著繼續(xù)覆蓋介質(zhì)材料，如未摻雜的氧化硅(SiO₂)、摻雜的氧化硅(如硼硅玻璃、硼磷硅玻璃等)、氮化硅(Si₃N₄)或其他低k介質(zhì)材料，而后進(jìn)行平坦化，例如CMP(化學(xué)機(jī)械拋光)，來形成所述層間介質(zhì)層(ILD)120。

而后，形成接觸塞，包括柵極上的接觸塞以及源漏區(qū)上的接觸塞，通常地，先刻蝕形成接觸孔，而后，淀積接觸襯墊層112，例如TiN、Ti、TaN或Ta或其他合適的材料，并進(jìn)一步填充金屬材料114，例如W、Cu、TiAl、Al或其他合適的金屬材料，并進(jìn)行平坦化，從而在接觸孔中形成接觸塞。

至此，形成了本實(shí)施例的器件結(jié)構(gòu)。

接著，在具有器件結(jié)構(gòu)的襯底100上形成介質(zhì)層，如圖3所示，介質(zhì)層可以為單層或多層介質(zhì)材料，可以為NDC、SiO₂、低k材料等及他們的組合，低k材料例如可以為SiOF、SiCOH、SiO、SiCO、SiCON等，該介質(zhì)層為上層材料的研磨停止層，也為相鄰金屬之間的隔離膜，考慮到研磨去除率以及電耦合損失等因素，本實(shí)施例中介質(zhì)層優(yōu)選為NDC層130和低k介質(zhì)層132的疊層，可以通過PECVD、HDPCVD等方法制備，NDC層為SiCN薄膜，可以作為刻蝕低k介質(zhì)層的停止層和防止Cu擴(kuò)散的阻擋層。

在本實(shí)施例中，所述介質(zhì)層形成在層間介質(zhì)層120之上，為用于形成第一金屬層的介質(zhì)層，在其他實(shí)施例中，還可以為后續(xù)工藝中形成其他金屬層和/或過孔的介質(zhì)層。

而后，在步驟S102，在介質(zhì)層中形成通孔134，參考圖3所示。

在本發(fā)明實(shí)施例中，該通孔134為大馬士革通孔，可以為單大馬士革通孔，如圖3所示，或者可以為雙大馬士革通孔，如圖9所示。

在本實(shí)施例中，在介質(zhì)層上形成掩膜后，通過RIE的方法進(jìn)行刻蝕，直至暴露出接觸塞112、114，形成通孔134，該通孔134為單大馬士革通孔，用于形成第一金屬層。

接著，在步驟S103，進(jìn)行氮化鉭層136的沉積，參考圖4所示。

在進(jìn)行氮化鉭材料的淀積之前，可以先進(jìn)行除氣工藝和預(yù)清洗工藝，在除氣(Degas)工藝中，去除晶圓表面吸附的水汽以及前道工序的殘留，如光阻和刻蝕殘留物，在預(yù)清洗(Pre-clean)工藝中，去除通孔底部的氧化物或其他的殘留物。

在進(jìn)行除氣工藝和預(yù)清洗工藝之后，進(jìn)行氮化鉭材料的淀積，通常的，可以采用PVD(物理氣相沉積)的方法進(jìn)行氮化鉭材料的淀積，在本實(shí)施例中，采用ALD(原子層沉積)的方法，進(jìn)行氮化鉭材料的淀積，形成氮化鉭層136如圖4所示，厚度可以為2～15nm,工藝溫度為260℃，采用TAIMATA作為前驅(qū)體，在氮?dú)獾倪\(yùn)載下到達(dá)晶圓表面與氫氣等離子體發(fā)生反應(yīng),過程主要控制前驅(qū)體脈沖時間(0.2～1.0s)，氫氣氣流速(2～20mL/min)，氮?dú)饬魉?30～300mL/min)，管道凈化時間(0.2～2.0s)等參數(shù)。該方法形成的氮化鉭層具有良好的階梯覆蓋率，保證通孔側(cè)壁的底部與頂部具有均勻厚度的氮化鉭層，并具有低的電阻率。

而后，在步驟S104，對氮化鉭層進(jìn)行反濺射，并進(jìn)行鉭層的淀積，參考圖5所示。

在本實(shí)施例中，采用PVD工藝，帶有偏置電源(AC-RF)和側(cè)置電源(ICP-RF)的磁控濺射腔體，側(cè)置電源產(chǎn)生高密度的等離子體，偏置電源在晶圓上形成較高的偏置電壓，使氬離子進(jìn)行反濺射(Re-sputter)工藝，刻蝕晶圓表面氮化鉭層，同時，在靶材表面加一定的功率，進(jìn)行Ta薄膜的濺射,沉積Ta薄膜，也就是說，在該P(yáng)VD工藝中，同步進(jìn)行了氬離子的反濺射和鉭層的淀積，通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，可以控制晶圓表面反濺射速率和Ta薄膜的沉積速率。這樣，氬離子轟擊通孔134底部的氮化鉭層1368和正在淀積的鉭層，將通孔底部材料反刻蝕掉，這樣，減少或者消除通孔134底部的氮化鉭層和鉭層，由于在鉭淀積的過程中同時進(jìn)行了反濺射工藝，根據(jù)不同的反濺射及淀積的工藝參數(shù)的不同，在該工藝步驟中，在一些實(shí)施例中，在通孔的側(cè)壁上形成了鉭層138，該鉭層138中可能會混合有由底部濺射至側(cè)壁的氮化鉭，在另一些實(shí)施例中，在通孔的側(cè)壁上沒有形成鉭層，僅在側(cè)壁的氮化鉭層上濺射有局部的鉭。在該實(shí)施例中，在反濺射的同時進(jìn)行鉭的淀積，這樣，可以同時減少或消除通孔底部的氮化鉭及正在淀積的鉭，降低通孔內(nèi)的接觸電阻。

接著，在步驟S105，填充金屬銅，參考圖8所示。

在本實(shí)施例中，先進(jìn)行釕種籽層140的淀積，如圖6所示，可以采用ALD工藝進(jìn)行釕的淀積，厚度可以為3-30nm，而后，進(jìn)行電鍍，可以采用硫酸銅的電鍍液進(jìn)行金屬銅的電鍍，形成金屬銅143，如圖7所示。而后，可以進(jìn)行熱退火，可以在H₂和He氣氛下，溫度為150-250℃，以改善銅的應(yīng)力分布以及內(nèi)部的缺陷，進(jìn)而提高器件性能。金屬釕具有好的導(dǎo)電性，且不容易氧化，氧化了的氧化釕仍是導(dǎo)體，且與銅具有好的粘附特性。此外，在釕種籽層上可以采用傳統(tǒng)的硫酸銅溶液進(jìn)行電鍍，工藝簡單且具有好的填充性，提高了通孔的填充質(zhì)量和性能。

在電鍍金屬銅后，進(jìn)行平坦化工藝，例如CMP工藝，直至暴露出介質(zhì)層132，從而，在通孔中形成了金屬銅的第一金屬層，如圖8所示。

在其他的實(shí)施例中，也可以采用傳統(tǒng)的在銅種籽層上電鍍銅的方法，進(jìn)行金屬銅的填充。

至此，形成了本實(shí)施例的單大馬士革通孔內(nèi)的第一金屬層的互連結(jié)構(gòu)，而后，根據(jù)需要形成后續(xù)的過孔、其他金屬層以及鈍化層。

實(shí)施例二

與實(shí)施例一不同的是，本實(shí)施例的通孔為雙大馬士革通孔，形成在第一金屬層之上的其他介質(zhì)層中，該通孔包括了過孔和過孔上的金屬層。以下將僅描述與實(shí)施例一不同的部分，其他相同的部分將不再贅述。

在步驟S201，提供襯底100，襯底100上形成有介質(zhì)層，參考圖9和圖10所示。

與實(shí)施例一不同的是，在本實(shí)施例中，襯底100上形成了器件結(jié)構(gòu)之后，在其上形成了第一金屬層143，在具有器件結(jié)構(gòu)和第一金屬層143的襯底100之上形成介質(zhì)層，如圖10所示，同實(shí)施例一，該介質(zhì)層優(yōu)選為NDC層150和低k介質(zhì)層152的疊層，該介質(zhì)層為層中介質(zhì)層(IMD)。

而后，在步驟S202，在介質(zhì)層中形成通孔154，參考圖10所示。

在本實(shí)施例中，該通孔154為雙大馬士革通孔，用于形成第一過孔及第二金屬層，當(dāng)然，其他實(shí)施例中，該通孔也可以為其他層的過孔及其上的金屬層。 可以通過兩次刻蝕來形成雙大馬士革通孔，先進(jìn)行過孔的刻蝕，而后進(jìn)行金屬層的刻蝕，從而形成通孔154，如圖10所示。

接著，在步驟S203，進(jìn)行氮化鉭層156的沉積，參考圖11所示。

該步驟同實(shí)施例一的步驟S103，可以采用ALD工藝，淀積氮化鉭層156。

而后，在步驟S204，進(jìn)行反濺射工藝，同時進(jìn)行鉭層的淀積，參考圖13所示。

在本實(shí)施例中，通過調(diào)節(jié)反濺射的速率和鉭沉積速率的相關(guān)工藝參數(shù)，使得僅通孔底部的氮化鉭被去除，其他部分的氮化鉭保留。

而后，在步驟S205，填充金屬銅，參考圖15所示。

該步驟同實(shí)施例一的步驟S105，可以通過先淀積釕種籽層160，如圖13所示，而后，采用電鍍的方法淀積金屬銅162，如圖14所示，接著，進(jìn)行平坦化工藝，直至暴露介質(zhì)層152，從而，在通孔中形成金屬銅的第一過孔164和其上的第二金屬層163，如圖15所示。

至此，形成了本實(shí)施例的雙大馬士革通孔內(nèi)的第一過孔和第二金屬層的互連結(jié)構(gòu)，而后，根據(jù)需要形成后續(xù)的過孔、其他金屬層以及鈍化層。

此外，本發(fā)明還提供了一種銅互連結(jié)構(gòu)，參考圖8所示，包括襯底100，襯底100上形成有介質(zhì)層132、130；在介質(zhì)層中形成的通孔；在通孔的側(cè)壁上的氮化鉭層130和鉭層138；填充通孔的金屬銅143。

在本發(fā)明實(shí)施例中，該通孔可以為形成金屬層的通孔，如圖8所示，或形成過孔和金屬層的通孔，如圖15所示。

在本發(fā)明實(shí)施例中，所述鉭層138中混合有氮化鉭。還包括釕層140，形成在鉭層的側(cè)壁及通孔的底面與金屬銅之間，如圖8所示。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制。

雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例披露如上，然而并非用以限定本發(fā)明。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于 本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。