專利名稱：銅互連線的形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導體技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種銅互連線的形成方法。
背景技術(shù)：
隨著半導體技術(shù)的發(fā)展，超大規(guī)模集成電路的芯片集成度已經(jīng)高達幾億乃至幾十億個器件的規(guī)模，兩層以上的多層金屬互連技術(shù)廣泛得以使用。傳統(tǒng)的金屬互連是由鋁金屬制成的，但隨著集成電路芯片中器件特征尺寸的不斷減小，金屬互連線中的電路密度不斷增加，要求的響應時間不斷減小，傳統(tǒng)的鋁互連線已經(jīng)不能滿足要求。工藝尺寸小于130納米以后，銅互連技術(shù)已經(jīng)取代了鋁互連技術(shù)。與鋁相比，金屬銅的電阻率更低可以降低互連線的電阻電容(RC)延遲，改善電遷移，提高器件穩(wěn)定性。 圖1 圖5為現(xiàn)有技術(shù)銅互連線形成方法的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。參考圖1，提供半導體襯底100，在所述半導體襯底100上形成有介質(zhì)層101，所述介質(zhì)層101中形成有開口 102，所述開口露出所述半導體襯底100。然后，參考圖2，在所述半導體襯底100上形成覆蓋所述介質(zhì)層101表面和所述開口 102側(cè)壁和底部的擴散阻擋層103。所述擴散阻擋層103材料為氮化鉭和鉭，所述擴散阻擋層103厚度為7 10納米。參考圖3,在所述半導體襯底100上形成銅籽晶層(Seed Layer) 104,所述銅籽晶層104覆蓋所述擴散阻擋層103表面。所述銅籽晶層104的形成方法可以是化學氣相沉積(CVD)或物理氣相沉積(PVD)，銅籽晶層104的厚度為2 4納米。參考圖4，將所述半導體襯底100放入電鍍設(shè)備中，在所述銅籽晶層104上電鍍形成銅金屬層105，所述銅金屬層105填滿所述開口 102(圖3所示)并溢出覆蓋在所述銅籽晶層104上。參考圖5，進行化學機械研磨，去除溢出所述開口 102 (圖3所示)的銅和部分所述擴散阻擋層103以及銅籽晶層104，形成銅互連線105a。更多關(guān)于銅互連線的形成方法請參考公開號為“US2006/0055060A1”的美國專利。現(xiàn)有銅互連線工藝，隨著集成電路尺寸的持續(xù)減小，尤其半導體工藝進入亞微米領(lǐng)域后，為了使得電鍍銅能夠有良好的填充特性，要求銅互連結(jié)構(gòu)中的擴散阻擋層、銅籽晶層的厚度非常薄。然而，如果將Ta/TaN擴散阻擋層和銅籽晶層的厚度做薄的話，又會使得銅的粘附性變差并且增加了電遷移的可能性，影響器件的穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題是提供一種銅互連線的形成方法，提高了銅的粘附性和抗電遷移的能力，增強了器件的穩(wěn)定性。為解決上述問題，本發(fā)明提供一種銅互連線的形成方法，包括步驟提供半導體襯底，所述半導體襯底上形成有介質(zhì)層，所述介質(zhì)層中形成有開口 ；在所述介質(zhì)層上、所述開口側(cè)壁和底部形成鈷錳合金層；
在所述開口內(nèi)填充滿金屬銅層，形成銅互連線?？蛇x的，所述鈷錳合金層中鈷的質(zhì)量百分比為95% 99%、錳的質(zhì)量百分比為
1% 5%?？蛇x的，所述鈷錳合金層的厚度為I 3納米?？蛇x的，所述鈷錳合金層的形成方法為物理氣相沉積。
可選的，所述物理氣相沉積為采用鈷錳合金靶材濺射方法或鈷靶材和錳靶材共濺射方法?？蛇x的，所述鈷錳合金層和介質(zhì)層之間形成有擴散阻擋層?？蛇x的，所述擴散阻擋層的材料選自鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭、氮化鎢、碳化鎢或它們的混合物?？蛇x的，所述擴散阻擋層厚度為I 6納米。可選的，形成所述擴散阻擋層的方法為物理氣相沉積法或化學氣相沉積?？蛇x的，在所述開口內(nèi)填充滿金屬銅層的步驟包括在所述鈷錳合金層上形成金屬銅層，并將金屬銅層填充滿開口 ；用化學機械研磨法研磨所述金屬銅層至露出介質(zhì)層?？蛇x的，形成所述金屬銅層的方法為電鍍法。可選的，用化學機械研磨法研磨所述金屬銅層至露出介質(zhì)層步驟之前，還包括步驟對所述電鍍有金屬銅的半導體襯底進行退火工藝。可選的，所述退火工藝的溫度為300 350攝氏度?？蛇x的，所述退火工藝時間為3 5分鐘?？蛇x的，在形成介質(zhì)層之前還包括步驟在所述半導體襯底上形成金屬布線層。可選的，所述介質(zhì)層內(nèi)的開口露出部分所述金屬布線層。可選的，在所述介質(zhì)層上、所述開口側(cè)壁和底部形成鈷錳合金層步驟之前，還包括步驟對所述開口進行預清洗?？蛇x的，所述預清洗方法為等離子體刻蝕工藝?？蛇x的，所述等離子體刻蝕采用氣體為氬氣。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案具有以下優(yōu)點在形成金屬銅層之前，先于開口內(nèi)形成鈷錳合金層，由所述鈷錳合金層代替現(xiàn)有的擴散層和銅籽晶層，厚度比現(xiàn)有的擴散層和銅籽晶層總厚度薄。鈷錳合金層中的鈷具有提高銅粘附性、防止后續(xù)銅金屬層擴散至介質(zhì)層中的作用，而錳則具有防止銅電遷移的特性，因此所述鈷錳合金層既能作為銅互連結(jié)構(gòu)中的擴散阻擋層又能作為銅籽晶層。進一步，所述鈷錳合金層的厚度為I 3納米，小于現(xiàn)有擴散阻擋層厚度7 10納米和銅籽晶層厚度2 4納米的厚度總和，使后續(xù)金屬銅層的填充能力增強。更進一步，所述鈷錳合金層為一步沉積，相比現(xiàn)有技術(shù)擴散阻擋層和銅籽晶層兩步沉積簡化了工藝步驟，提高了效率。


圖1 圖5為現(xiàn)有技術(shù)銅互連線形成方法的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明銅互連線形成方法流程示意圖；圖7 圖10為本發(fā)明銅互連線形成方法第一實施例剖面結(jié)構(gòu)示意圖11 圖14為本發(fā)明銅互連線形成方法第二實施例剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有銅互連線工藝，隨著集成電路尺寸的持續(xù)減小，尤其半導體工藝進入亞微米領(lǐng)域后，為了使得電鍍銅能夠有良好的填充特性，要求銅互連結(jié)構(gòu)中的擴散阻擋層、銅籽晶層的厚度非常薄。然而，如果將Ta/TaN擴散阻擋層和銅籽晶層的厚度做薄的話，又會使得銅的粘附性變差并且增加了電遷移的可能性，影響器件的穩(wěn)定性。為解決上述問題，發(fā)明人經(jīng)過不斷研究，提出一種銅互連線的形成方法。參考圖6為本發(fā)明銅互連線的形成方法的流程示意圖。執(zhí)行步驟S201，提供半導體襯底，所述半導體襯底上形成有介質(zhì)層，所述介質(zhì)層中 形成有開口；執(zhí)行步驟S202，在所述介質(zhì)層上、所述開口側(cè)壁和底部形成鈷錳合金層；執(zhí)行步驟S203，在所述開口內(nèi)填充滿金屬銅層，形成銅互連線；圖7 圖10為本發(fā)明第一實施例剖面結(jié)構(gòu)示意圖。參考圖7，提供半導體襯底300，在所述半導體襯底300上形成有介質(zhì)層301，所述介質(zhì)層301中形成有開口 302，所述開口 302露出所述半導體襯底300。在形成所述介質(zhì)層301之前，在所述半導體襯底300上還形成有金屬布線層(圖中未示出)，所述開口 302露出部分所述金屬布線層，所述露出部分的金屬布線層用于與待形成的銅互連線相連。 所述半導體襯底300材料為單晶硅、多晶硅、非晶硅中的一種，所述半導體襯底300材料也可以是娃鍺化合物或是絕緣體上娃(SOI, Silicon On Insulator)。所述介質(zhì)層301是氧化硅、硼硅玻璃、磷硅玻璃，硼磷硅玻璃等的一種，本實施例所述介質(zhì)層301采用的是氧化硅(SiO2)。所述開口 302的形成方法可以為采用旋轉(zhuǎn)涂膠工藝，形成覆蓋所述介質(zhì)層302的光刻膠層；圖形化所述光刻膠層；以圖形化的所述光刻膠層為掩膜，刻蝕所述介質(zhì)層301，直至露出所述半導體襯底300，形成開口 302。參考圖8，采用沉積的方法形成覆蓋所述介質(zhì)層301表面、所述開口 302側(cè)壁和底部的鈷猛合金層304。沉積所述鈷錳合金層304之前，可以對所述開口 302進行預清洗，所述預清洗的作用是去除開口 302內(nèi)露出的部分所述金屬布線層上的氧化物，提高金屬布線層與銅互連線的電學性能。所述預清洗采用等離子體刻蝕工藝，所述等離子體刻蝕工藝采用的氣體為氬氣。所述鈷錳合金層304中鈷的質(zhì)量百分比為95% 99%、錳的質(zhì)量百分比為1% 5%，本實施例中鈷的質(zhì)量百分比為99%、錳的質(zhì)量百分比為1%。所述沉積的方法為物理氣相沉積(PVD)，所述物理氣相沉積(PVD)可以采用鈷錳合金靶濺射方法。所述鈷錳合金靶中鈷的質(zhì)量百分比為95% 99%、錳的質(zhì)量百分比為I % 5 %，本實施例中所述鈷錳合金靶中鈷質(zhì)量百分比為99 %、錳的質(zhì)量百分比為I %。所述濺射采用氣體為氬氣，壓強為I 20Mtorr，濺射功率為500 30000瓦。所述鈷錳合金層304的厚度為I 3納米，通過控制濺射時間來控制所述鈷錳合金層304的沉積厚度。所述鈷錳合金層304的厚度為I 3納米，遠小于現(xiàn)有擴散阻擋層厚度7 10納米和銅籽晶層厚度2 4納米的厚度總和，使后續(xù)金屬銅層的填充能力增強。所述物理氣相沉積(PVD)還可以采用多靶共濺射方法，即鈷靶和錳靶共濺射。所述濺射方法可采用RF射頻磁控濺射，也可采用DC直流磁控濺射。所述鈷錳合金層304中鈷錳的質(zhì)量比例通過調(diào)節(jié)鈷靶和錳靶的濺射功率獲得，所述鈷錳合金層304的厚度通過沉積時間控制。所述鈷錳合金層304中的鈷具有提高銅粘附性、防止后續(xù)銅金屬層擴散至介質(zhì)層中的作用，而錳則具有防止銅電遷移的特性，因此所述鈷錳合金層既能作為銅互連結(jié)構(gòu)中的擴散阻擋層又能作為銅籽晶層。參考圖9，將所述半導體襯底300轉(zhuǎn)移至電鍍反應池中，電鍍形成銅金屬層305。在電鍍的過程中，金屬銅填充滿所述開口 302，另外部分金屬銅溢出開口覆蓋在所述鈷錳合金層304表面，形成塊銅。 所述電鍍反應池中有電鍍?nèi)芤?、金屬銅陽極和電源正負極。所述電鍍?nèi)芤褐饕闪蛩徙~、硫酸和水組成，所述電鍍?nèi)芤褐羞€包含有催化劑、抑制劑、調(diào)整劑等多種添加劑。所述電鍍的過程為所述半導體襯底300連接電源的負極，所述金屬銅陽極連接電源的正極，位于所述金屬銅陽極上的銅原子發(fā)生氧化反應形成金屬銅離子，位于所述半導體襯底300上鈷錳合金層304表面附近的金屬銅離子發(fā)生還原反應，生成的銅原子沉積在所述鈷猛合金層304表面形成銅金屬層305。參考圖10，對所述半導體襯底300進行化學機械拋光，去除溢出所述開口 302 (圖9所示)的銅和所述開口 302外的鈷錳合金層304，形成銅互連線305a。對所述半導體襯底300進行化學機械拋光步驟之前，可以對所述電鍍有金屬銅的半導體襯底300進行一步退火工藝。所述退火工藝的目的是使所述鈷錳合金層304錳原子擴散到金屬銅中，提高所述鈷猛合金層304的抗電遷移能力。所述退火工藝的溫度為300 350攝氏度。所述退火工藝時間為3 5分鐘。圖11 圖14為本發(fā)明第二實施例剖面結(jié)構(gòu)示意圖。參考圖11，提供半導體襯底300，在所述半導體襯底300上形成有介質(zhì)層301，所述介質(zhì)層301中形成有開口 302，所述開口露出所述半導體襯底300。在形成所述介質(zhì)層301之前，在所述半導體襯底300上還形成有金屬布線層(圖中未示出)，所述開口 302露出部分所述金屬布線層，所述露出部分的金屬布線層用于與待形成的銅互連線相連。所述半導體襯底300材料為單晶硅、多晶硅、非晶硅中的一種，所述半導體襯底300材料也可以是娃鍺化合物或是絕緣體上娃(SOI, Silicon On Insulator)。所述介質(zhì)層301是氧化硅、硼硅玻璃、磷硅玻璃，硼磷硅玻璃等中的一種，本實施例所述介質(zhì)層301采用的是氧化硅(SiO2)。所述開口 302的形成方法可以為采用旋轉(zhuǎn)涂膠工藝，形成覆蓋所述介質(zhì)層302的光刻膠層；圖形化所述光刻膠層；以圖形化的所述光刻膠層為掩膜，刻蝕所述介質(zhì)層301，直至露出所述半導體襯底300，形成開口 302。參考圖12，依次形成覆蓋所述介質(zhì)層301表面、開口 302側(cè)壁和底部的擴散阻擋層303和鈷錳合金層304。所述擴散阻擋層303的形成方法為物理氣象沉積(PVD)或化學氣相沉積(CVD)。所述擴散阻擋層303的材料選自鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭、氮化鎢、碳化鎢或是它們的混合物。所述擴散阻擋層303作用在后續(xù)待形成的鈷錳合金層的基礎(chǔ)上進一步提高銅粘附性、防止銅金屬層的銅原子的擴散。所述擴散阻擋層303厚度為I 6納米。 所述鈷錳合金層304形成方法為物理氣相沉積(PVD)，所述物理氣相沉積(PVD)可以采用鈷錳合金靶濺射方法。所述鈷錳合金靶中鈷的質(zhì)量百分比為95% 99%、錳的質(zhì)量百分比為1% 5%，本實施例中所述鈷錳合金靶中鈷質(zhì)量百分比為99%、錳的質(zhì)量百分比為1%。所述濺射采用氣體為氬氣，壓強為I 20Mtorr，濺射功率為500 30000瓦。所述鈷錳合金層304中鈷的質(zhì)量百分比為95% 99%、錳的質(zhì)量百分比為1% 5%，本實施例中鈷的質(zhì)量百分比為99%、錳的質(zhì)量百分比為1%。所述鈷錳合金層304的厚度為I 3納米，通過控制沉積時間來控制所述鈷錳合金層304的沉積厚度。所述鈷錳合金層304中的鈷具有提高銅粘附性、防止后續(xù)銅金屬層擴散至介質(zhì)層中的作用，而錳則具有防止銅電遷移的特性。所述物理氣相沉積(PVD)也可以采用多靶共濺射方法，即鈷靶和錳靶共濺射。所述濺射可采用RF射頻磁控濺射，也可采用DC直流磁控濺射。所述鈷錳合金層304中鈷錳的質(zhì)量比例通過調(diào)節(jié)鈷靶和錳靶的濺射功率獲得，所述鈷錳合金層304的厚度通過沉積時間控制。所述擴散阻擋層303的厚度I 6納米和鈷錳合金層304厚度I 3納米厚度之 和小于現(xiàn)有擴散阻擋層厚度7 10納米和銅籽晶層厚度2 4納米的厚度總和，使后續(xù)金屬銅層的填充能力增強。參考圖13,將所述半導體襯底300轉(zhuǎn)移至電鍍反應池中，電鍍形成銅金屬層305。在電鍍的過程中，金屬銅填充滿所述開口 302，另外部分金屬銅溢出開口覆蓋在所述鈷錳合金層304表面,形成塊銅。所述電鍍反應池中有電鍍?nèi)芤?、金屬銅陽極和電源正負極。所述電鍍?nèi)芤褐饕闪蛩徙~、硫酸和水組成，所述電鍍?nèi)芤褐羞€包含有催化劑、抑制劑、調(diào)整劑等多種添加劑。具體的電鍍過程請參照實施例一，在此不在描述。參考圖14，對所述半導體襯底300進行化學機械拋光，去除溢出所述開口 302的銅和所述開口 302外的鈷錳合金層304和擴散阻擋層303，形成銅互連線305a。對所述半導體襯底300進行化學機械拋光步驟之前，可以對所述電鍍有金屬銅的半導體襯底300進行一步退火工藝。所述退火工藝的目的是使所述鈷錳合金層304錳原子擴散到金屬銅中，提高鈷錳合金層的抗電遷移能力。所述退火工藝的溫度為300 350攝氏度。所述退火工藝時間為3 5分鐘。綜上，本發(fā)明提供了一種銅互連線的形成方法，采用該方法形成的鈷錳合金層，所述鈷錳合金層既能作為銅互連結(jié)構(gòu)中的擴散阻擋層又能作為籽晶層，具有提高銅粘附性的和防止銅電遷移的雙重特性，并且能夠滿足電路尺寸的持續(xù)減小的先進工藝要求。本發(fā)明雖然已以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案做出可能的變動和修改，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)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案 的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種銅互連線的形成方法，其特征在于，包括步驟提供半導體襯底，所述半導體襯底上形成有介質(zhì)層，所述介質(zhì)層中形成有開口 ；在所述介質(zhì)層上、所述開口側(cè)壁和底部形成鈷錳合金層；在所述開口內(nèi)填充滿金屬銅層，形成銅互連線。
2.如權(quán)利要求1所述銅互連線的形成方法，其特征在于，所述鈷錳合金層中鈷的質(zhì)量百分比為95% 99%、錳的質(zhì)量百分比為1% 5%。
3.如權(quán)利要求1所述銅互連線的形成方法，其特征在于，所述鈷錳合金層的厚度為I 3納米。
4.如權(quán)利要求1所述銅互連線的形成方法，其特征在于，所述鈷錳合金層的形成方法為物理氣相沉積。
5.如權(quán)利要求4所述銅互連線的形成方法，其特征在于，所述物理氣相沉積為采用鈷錳合金靶材濺射方法或鈷靶材和錳靶材共濺射方法。
6.如權(quán)利要求1所述銅互連線的形成方法，其特征在于，所述鈷錳合金層和介質(zhì)層之間形成有擴散阻擋層。
7.如權(quán)利要求6所述銅互連線的形成方法，其特征在于，所述擴散阻擋層的材料選自鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭、氮化鎢、碳化鎢或它們的混合物。
8.如權(quán)利要求6所述銅互連線的形成方法，其特征在于，所述擴散阻擋層厚度為I 6 納米。
9.如權(quán)利要求6所述銅互連線的形成方法，其特征在于，形成所述擴散阻擋層的方法為物理氣相沉積法或化學氣相沉積。
10.如權(quán)利要求1所述銅互連線的形成方法，其特征在于，在所述開口內(nèi)填充滿金屬銅層的步驟包括在所述鈷錳合金層上形成金屬銅層，并將金屬銅層填充滿開口 ；用化學機械研磨法研磨所述金屬銅層至露出介質(zhì)層。
11.如權(quán)利要求10所述銅互連線的形成方法，其特征在于，形成所述金屬銅層的方法為電鍍法。
12.如權(quán)利要求10所述銅互連線的形成方法，其特征在于，用化學機械研磨法研磨所述金屬銅層至露出介質(zhì)層步驟之前，還包括步驟對所述電鍍有金屬銅的半導體襯底進行退火工藝。
13.如權(quán)利要求12所述銅互連線的形成方法，其特征在于，所述退火工藝的溫度為 300 350攝氏度。
14.如權(quán)利要求12所述銅互連線的形成方法，其特征在于，所述退火工藝時間為3 5 分鐘。
15.如權(quán)利要求1所述銅互連線的形成方法，其特征在于，在形成介質(zhì)層之前還包括步驟在所述半導體襯底上形成金屬布線層。
16.如權(quán)利要求15所述銅互連線的形成方法，其特征在于，所述介質(zhì)層內(nèi)的開口露出部分所述金屬布線層。
17.如權(quán)利要求1所述銅互連線的形成方法，其特征在于，在所述介質(zhì)層上、所述開口側(cè)壁和底部形成鈷錳合金層步驟之前，還包括步驟對所述開口進行預清洗。
18.如權(quán)利要求17所述銅互連線的形成方法，其特征在于，所述預清洗方法為等離子體刻蝕工藝。
19.如權(quán)利要求18所述銅互連線的形成方法，其特征在于，所述等離子體刻蝕采用氣體為氬氣。
全文摘要
一種銅互連線的形成方法，包括步驟提供半導體襯底，所述半導體襯底上形成有介質(zhì)層，所述介質(zhì)層中形成有開口；在所述介質(zhì)層上、所述開口側(cè)壁和底部形成鈷錳合金層；在所述開口內(nèi)填充滿金屬銅層，形成銅互連線。所述鈷錳合金層具有提高銅粘附性的和防止銅電遷移的雙重特性，能夠滿足先進工藝要求。
文檔編號H01L21/768GK103000570SQ20111027628
公開日2013年3月27日 申請日期2011年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月16日
發(fā)明者彭冰清 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司