[发明专利]一种形成铜互连的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种形成铜互连的方法，特别是使用低温回流技术（low temperature reflow），利用两步法制造铜互连的方法。

背景技术

随着集成电路产业的迅猛发展, 铜成为新一代的互连材料, 由于器件的尺寸不断缩小, 芯片的集成度不断提高, 互连线的可靠性问题一直是影响系统可靠性的重要因素。而互连线的电迁移一直是影响互连线可靠性的重要问题之一。铜互连电迁移现象与铝相似, 会在流动方向上的分叉处形成损耗或者产生积累从而形成空洞或者小丘, 使得电路失效。

为了解决这一问题，现有技术中在铜互连的暴露的表面覆盖蚀刻停止层作为钝化和Cu扩散阻挡层。也有技术提出在层间电介质层（ILD）与导体（铜互连）之间设置扩散阻挡衬层。

由于铜互连的电迁移可靠性与晶粒结构、几何结构、制造工艺以及介质材料等因素均有密切的关系。本发明的发明人经过潜心研究，提出了一种全新的方式来改善铜互连可靠性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的提供一种形成铜互连的方法，所述方法包括：

在半导体衬底上形成低介电材料层；

在所述低介电材料层中蚀刻出通孔和槽；

在所述通孔和槽中形成扩散阻挡层；

在所述扩散阻挡层上形成Cu层和Cu合金层；

回流退火所述Cu合金层，使Cu合金层中的合金元素扩散到下部的Cu层中。

所述扩散阻挡层为双层结构，包括选自Ta、Ti、W的难熔金属、或其难熔金属氮化物、或其组合构成的下层以及由Ru或Ru合金构成的上层。

形成所述扩散阻挡层的材料选自TaN/Ru_(1-x)Ta_x，或TaN/Ta/Ru。

所述扩散阻挡层的厚度为20~150 ?。

由Ru或Ru合金构成的上层的厚度为20~100 ?。

形成所述扩散阻挡层的工艺为物理气相沉积、化学气相沉积、原子层沉积、等离子体增强化学气相沉积、溅射、化学溶液沉积、或镀覆。

还包括利用CMP工艺去除槽外部的Cu合金层以及形成一覆盖层的步骤。

形成所述覆盖层的材料包括但不限于：氮化物、氧氮化物、碳化物、碳氮化物或其组合。

Cu合金层中的合金元素选自铝、锰、银或其组合。

形成所述Cu层的步骤包括采用PVD技术沉积Cu层，然后进行一回流退火。

所述回流退火的温度为200-350摄氏度。

本发明的形成铜互连的方法可用于形成后端（BEOL）金属化结构。

本发明提供了改善铜互连可靠性的方法，其利用低温回流技术，通过两步法制造铜互连。通过在铜线与覆盖层的界面引入合金元素，调节Cu原子在界面上的电迁移速率，从而有效改善铜互连的电迁移可靠性。同时，通过选用扩散阻挡层材料，降低工艺温度，使工艺成本和耗能大幅减少。所述低温回流工艺与沉积工艺可以在同一腔室里进行，不需要移动晶片，工艺简单、便捷，可行性高。

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。在附图中，

图1A~图1F示出了根据本发明的一个实施方式的形成铜互连的示范性工艺步骤。

附图标记说明： 

101 半导体衬底

102扩散阻挡层

103 铜线

104 蚀刻停止层

105 低介电材料层

106 低介电材料层

107 硬掩膜层

108 通孔

109 槽

110 扩散阻挡层

111 Cu层

112 Cu合金层

113 合金扩散层

114覆盖层。

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来说显而易见的是，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。

为了彻底了解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤和结构，以便说明本发明是如何解决铜互连可靠性的问题。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。