專利名稱：一種銅互連結(jié)構(gòu)的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件的制造方法，特別涉及一種銅互連結(jié)構(gòu)的制造方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體工藝材料的發(fā)展、集成電路制造設(shè)備的改進(jìn)和集成度的提高，半導(dǎo)體器件已經(jīng)具有深亞微米結(jié)構(gòu)，器件之間的高性能、高密度連接不僅在單個互連層中進(jìn)行，而且要在多層之間進(jìn)行互聯(lián)。因此，通常提供多層互連結(jié)構(gòu)，其中多個互聯(lián)層互相堆疊，并且層間絕緣膜置于其間，用于連接半導(dǎo)體器件。特別是利用雙鑲嵌(dual-damascence)工藝形成的多層互連結(jié)構(gòu)，其預(yù)先在層間絕緣膜中形成溝槽(trench)和接觸孔(via)，然后用導(dǎo)電材料填充所述溝槽和接觸孔。由于雙鑲嵌結(jié)構(gòu)能夠避免重疊誤差以及解決公知金屬工藝的限制，多層互連結(jié)構(gòu)已成為金屬互聯(lián)結(jié)構(gòu)的主流技術(shù)。當(dāng)半導(dǎo)體集成電路最小線寬減小到28nm時，后段制程中的接觸孔和溝道的關(guān)鍵尺寸隨之縮小，意味著銅互連結(jié)構(gòu)的電鍍工藝變得更加困難。在制造工藝中采用普通的電鍍銅金屬互聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖1A所示，由于電鍍銅的過程中在邊角處的銅金屬沉積速率較快，如圖1BlC所示，因而會在銅金屬互聯(lián)結(jié)構(gòu)中形成空隙，如圖1D所示，從而導(dǎo)致電性參數(shù)和良率的降低，以及產(chǎn)生電遷移率不足等問題。因此，目前急需一種銅金屬互連的制作方法，來解決上述問題。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種銅互連結(jié)構(gòu)的制作方法，包括:
提供半導(dǎo)體基底；
在所述半導(dǎo)體基底上沉積 電介質(zhì)層；
進(jìn)行溝槽和/或接觸孔的刻蝕；
在所述電介質(zhì)層上以及溝槽和/或接觸孔內(nèi)壁上沉積阻障層和種晶層；
采用無電鍍銅的方法填充溝槽和/或接觸孔，形成銅金屬層。所述無電鍍銅的方法采用銀(Ag)、鈀(Pd)或鎳(Ni)作為催化劑。所述無電鍍銅的方法采用次磷酸鈉、甲醛或肼(N2H4)作為還原劑。所述無電鍍銅的方法采用硫酸銅作為銅離子源。在進(jìn)行所述無電鍍銅的過程中，采用間斷電解法保證填充溝槽和/或接觸孔的打開。所述電解法的總電解時間為1(Γ60秒，電流密度為f 5A/cm2。在所述無電鍍銅的方法之后，還包括采用電鍍銅的方法形成銅金屬層，使銅金屬薄膜達(dá)到指定厚度的步驟。還包括進(jìn)行銅金屬層的化學(xué)機(jī)械研磨的步驟。在沉積電介質(zhì)層之前還包括形成銅阻擋層的步驟。本發(fā)明在濺射形成Ta/TaN阻障層后，濺射銀金屬作為化學(xué)鍍銅的催化劑；由于無電鍍銅的各向同性，因而不會導(dǎo)致產(chǎn)生空隙的瓶頸。在無電鍍銅的過程中間斷電解，從而保證接觸孔和溝道打開。在無電鍍銅填充間隙后，采用電鍍銅的方法達(dá)到指定厚度，從而降低成本。研究表明，采用化學(xué)鍍銅的方法，相對于電鍍銅的方法而言，可以更好地填充間隙并且提高銅金屬互連結(jié)構(gòu)與氮化鉭(TaN)擴(kuò)散阻擋層之間的粘合力。


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)明的一個實(shí)施例及其描述，用來解釋本發(fā)明的原理。在附圖中，
圖1A-1D是現(xiàn)有技術(shù)中采用普通的化學(xué)電鍍銅金屬互聯(lián)結(jié)構(gòu)的截面 圖2A-2H是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例制作銅金屬互連結(jié)構(gòu)的方法流程中各步驟的截面
圖3是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例制作銅金屬互連結(jié)構(gòu)的工藝流程圖。符號說明:
圖1
100:阻擋層、110:電介質(zhì)層、120:阻障層和種晶層、130:銅金屬層 圖2
200:半導(dǎo)體襯底、210:阻擋層、220:電介質(zhì)層、230:溝槽和/或接觸孔、250:阻障層和種晶層、260:銅金屬層、270:鋁離子注入后的合金層。
具體實(shí)施例方式接下來，將結(jié)合附圖更加完整地描述本發(fā)明，附圖中示出了本發(fā)明的實(shí)施例。但是，本發(fā)明能夠以不同形式實(shí)施，而不應(yīng)當(dāng)解釋為局限于這里提出的實(shí)施例。相反地，提供這些實(shí)施例將使公開徹底和完全，并且將本發(fā)明的范圍完全地傳遞給本領(lǐng)域技術(shù)人員。在附圖中，為了清楚，層和區(qū)的尺寸以及相對尺寸可能被夸大。自始至終相同附圖標(biāo)記表示相同的元件。應(yīng)當(dāng)明白，當(dāng)元件或?qū)颖环Q為“在...上”、“與...相鄰”、“連接到”或“耦合到”其它元件或?qū)訒r，其可以直接地在其它元件或?qū)由?、與之相鄰、連接或耦合到其它元件或?qū)樱蛘呖梢源嬖诰娱g的元件或?qū)?。相反，?dāng)元件被稱為“直接在...上”、“與...直接相鄰”、“直接連接到”或“直接耦合到”其它元件或?qū)訒r，則不存在居間的元件或?qū)?。首先，如圖2A所示，提供一半導(dǎo)體襯底200，所述半導(dǎo)體襯底200包括下部互聯(lián)?？梢杂米饕r底的含Si半導(dǎo)體材料的例證性例子包括:S1、SiGe、SiC、SiGeC、絕緣體上硅(SOI)或絕緣體上SiGe(SGOI),但不限于此。所述半導(dǎo)體沉底可以為多層基片(例如，具有覆蓋電介質(zhì)和金屬膜的硅襯底)、分級基片、絕緣體上硅(SOI)基片、外延硅基片、部分處理的基片(包括集成電路及其它元件的一部分)、圖案化或未被圖案化的基片。為了簡化，此處僅以一空白半導(dǎo)體基底圖不。接下來，如圖2B所示，在所述一半導(dǎo)體襯底200上沉積一阻擋層210。優(yōu)選地，所述阻擋層210為碳氮化硅(SiNC)材料。接下來，如圖2C所示，在所述覆蓋層210上沉積電介質(zhì)層220。所述電介質(zhì)層220為低介電常數(shù)材料(介電常數(shù)k〈4)層。所述低介電常數(shù)材料層采用化學(xué)氣相沉積(CVD)或者旋轉(zhuǎn)涂布(Spin-coating deposition, SOD)的方式沉積在半導(dǎo)體基底上,然后經(jīng)過固化形成電介質(zhì)層。所述低介電常數(shù)材料層例如為含氫娃酸鹽類(Hydrogen silsesquioxane,HSQ)、含甲基娃酸鹽類(Methylsilsesquioxane, MSQ)、芳香族碳?xì)浠衔?SiLK)、干凝膠(Xeroge I)、超微孔玻璃(Nanoglass)、綜合含氫娃酸鹽類HSQ和含甲基娃酸鹽類MSQ所合成的混合式有機(jī)娃氧燒聚合物(Hybrid Organic Siloxane Polymer, HOSP)、基于化學(xué)氣相沉積碳換雜氧化娃的黑鉆石(Black Diamond, BD)等。接著，如圖2D所示，在所述電介質(zhì)層220上進(jìn)行溝槽和/或接觸孔230的刻蝕。所述刻蝕工藝為干法刻蝕。接下來，如圖2E所示，在電介質(zhì)層220上和溝槽和/或接觸孔230內(nèi)壁上沉積一阻障層和一種晶層250。所述阻障層的作用是防止純銅金屬向電介質(zhì)層的擴(kuò)散、純銅金屬的氧化，并提高純銅金屬的附著力。由于氮化鉭對純銅金屬擴(kuò)散的阻擋效果好，但結(jié)合力差，為了提高所述阻障層與電介質(zhì)層和金屬銅之間的結(jié)合力，優(yōu)選地，在純銅金屬和氮化鉭之間沉積一層鉭，形成低介電材料-氮化鉭-鉭-純銅金屬結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，所述阻障層為氮化鉭(TaN)和鉭(Ta)的雙層結(jié)構(gòu)。所述一種晶層作為化學(xué)鍍銅過程中的催化劑。優(yōu)選地，所述種晶層為銀(Ag)金屬材料。當(dāng)然，不局限于此，所述阻障層和種晶層250也可采用其它材料。接下來，如圖2F 2G所示,采用無電鍍銅(electroless-plated)的方法填充溝槽和/或接觸孔230，形成銅金屬層260。無電鍍銅溶液主要是由銅鹽、還原劑和催化劑組成，還可以包括、絡(luò)合劑、穩(wěn)定劑、pH值調(diào)節(jié)劑和其它添加劑。其中包括:金屬離子源(metalions),為鍍層金屬的來源；還原劑(reducing agent),將金屬離子還原成金屬；催化劑(catalyst),使基材表面具有催化性；絡(luò)合劑(complexing agent),防止氫氧化物沈淀、調(diào)節(jié)析出速率、防止鍍浴分解，使鍍浴安定；穩(wěn)定劑 (stabilizer),吸著微粒雜質(zhì)防止鍍浴自然分解，以延長鍍浴壽命；緩沖劑(buffer),控制pH值在操作范圍內(nèi)；潤濕劑(wettingagent),使表面作用良好；光澤劑(brightener),使鍍層具有良好光澤性。根據(jù)本發(fā)明所述的方法，優(yōu)選地，采用銀(Ag)、鈀(Pd)或鎳(Ni)作為催化劑，采用次磷酸鈉、甲醛或肼(N2H4)作為還原劑，采用硫酸銅作為銅離子源。根據(jù)本發(fā)明所述的方法，優(yōu)選地，在化學(xué)鍍銅工藝之前以及化學(xué)鍍銅的過程中，采用間斷電解法保證填充溝槽和/或接觸孔240打開，電解時間為1(Γ60秒，電流密度為f 5A/cm2。接下來，如圖2H所示，采用電鍍銅的方法形成銅金屬層270，使銅金屬薄膜達(dá)到指定厚度，從而降低成本。電鍍法通常分為三步，電流由低到高依次為:步驟一、電流3 6安培，通電時間3 8秒；步驟二、電流5 10安培，通電時間25 60秒；步驟三、電流20 60安培，通電時間10 40秒。優(yōu)選地，電鍍銅金屬層370的電解液配比例如滿足:五水合硫酸銅(CuSO4.5H20)溶液濃度范圍為20 100g/L，硫酸(H2SO4)溶液濃度范圍為100 300g/L。最后，通過化學(xué)機(jī)械研磨(Chemical Mechanic Polishing, CMP)法將銅金屬層260和270的表面拋光，將大部分多余的銅除去。此化學(xué)機(jī)械研磨工藝可采用一般傳統(tǒng)技術(shù)中的研磨劑。如圖3所示，為根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例制作銅互連結(jié)構(gòu)的工藝流程圖。在步驟301中，首先提供一半導(dǎo)體襯底。在步驟302中，沉積一阻擋層。在步驟303中，在所述阻擋層上沉積電介質(zhì)層。在步驟304中，在所述電介質(zhì)層上進(jìn)行溝槽和/或接觸孔的刻蝕。在步驟305中，沉積一阻障層和一種晶層。在步驟306中，采用無電鍍銅的方法填充所述溝槽和/或接觸孔，形成銅金屬層。在步驟307中，采用電鍍銅的方法使銅金屬層達(dá)到指定厚度。在步驟308中，通過化學(xué)機(jī)械研磨法將電鍍銅的表面拋光。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
1.一種銅互連結(jié)構(gòu)的制作方法，包括: 提供半導(dǎo)體基底； 在所述半導(dǎo)體基底上沉積電介質(zhì)層； 進(jìn)行溝槽和/或接觸孔的刻蝕； 在所述電介質(zhì)層上以及溝槽和/或接觸孔內(nèi)壁上沉積阻障層和種晶層； 采用無電鍍銅的方法填充溝槽和/或接觸孔，形成銅金屬層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述無電鍍銅的方法采用銀(Ag)、鈀(Pd)或鎳(Ni)作為催化劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述無電鍍銅的方法采用次磷酸鈉、甲醛或肼(N2H4)作為還原劑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述無電鍍銅的方法采用硫酸銅作為銅離子源。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在進(jìn)行所述無電鍍銅的過程中，采用間斷電解法保證填充溝槽和/或接 觸孔的打開。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述電解法的總電解時間為1(Γ60秒，電流密度為f5A/cm2。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述無電鍍銅的方法之后，還包括采用電鍍銅的方法形成銅金屬層，使銅金屬薄膜達(dá)到指定厚度的步驟。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括進(jìn)行銅金屬層的化學(xué)機(jī)械研磨的步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在沉積電介質(zhì)層之前還包括形成銅阻擋層的步驟。
全文摘要
本發(fā)明提供一種銅互連結(jié)構(gòu)的制作方法，包括提供半導(dǎo)體基底；在所述阻擋層上沉積電介質(zhì)層；進(jìn)行溝槽和/或接觸孔的刻蝕；在所述電介質(zhì)層上以及溝槽和/或接觸孔內(nèi)壁上沉積阻障層和種晶層；采用無電鍍銅的方法填充溝槽和/或接觸孔，形成銅金屬層。隨后，采用化學(xué)電鍍銅的方法形成銅金屬層，使銅金屬薄膜達(dá)到指定厚度。最后進(jìn)行銅金屬層的化學(xué)機(jī)械研磨。
文檔編號H01L21/768GK103094193SQ201110340740
公開日2013年5月8日 申請日期2011年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月2日
發(fā)明者周鳴 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司