一种铜互连结构及其制造方法技术

本发明专利技术公开一种铜互连结构：半导体衬底上形成介质层，介质层上有一个或多个开口，每个开口对应衬底内部的沟槽，沟槽内沉积阻挡层后电镀金属铜；金属铜的裸露表面覆盖金属盖帽，然后由上层阻挡层全覆盖衬底。本发明专利技术还公开一种铜互连结构的制造方法，对开口于所述半导体表面介质层沟槽内电镀的金属铜的裸露表面进行锗的注入，在铜裸露表面形成自对准的铜锗合金CuGe；再与经等离子分解氨气NH3所形成N的自由基继续结合成自对准的CuGeN金属帽盖。本发明专利技术公开的铜互连结构及其制造方法，与业界标准工艺和通用设备完全兼容，工艺简单，没有污染，且在铜互连结构电阻增加有限的前提下，显著改善铜与上层阻挡层的粘附性，实现降低制造成本，提高产量的最终目的。

Copper interconnect structure and manufacturing method thereof

The invention discloses a copper interconnect structure forming a dielectric layer on a semiconductor substrate, the dielectric layer has one or a plurality of openings, each opening groove corresponding to the inner substrate, depositing a barrier layer within the trench after electroplating copper; bare metal cap covering the surface of the copper, then the upper barrier layer covering the whole substrate. The invention also discloses a manufacturing method of a copper interconnect structure, on the bare surface opening metal copper on the semiconductor surface of the dielectric layer in the trench of the electroplating germanium implantation, in copper exposed surface formed from copper germanium alloy CuGe alignment; and by plasma decomposition of ammonia formed by NH3 N free radicals continue to combine self aligned CuGeN metal cap cover. The invention discloses a copper interconnect structure and its manufacturing method, fully compatible with the industry standard technology and equipment has the advantages of simple process, no pollution, and increase the resistance of the copper interconnect structure under the premise of limited, significantly improve the adhesion of copper and the upper barrier layer, reduce manufacturing cost, so as to improve the yield of.

【技术实现步骤摘要】
一种铜互连结构及其制造方法
本专利技术涉及集成电路制造领域，特别涉及一种铜互连结构及其制造方法。
技术介绍
在当前的铜互连工艺中，作为布线材料,铜有几个明显的缺点：首先，铜会快速扩散进入相邻的介质或衬底区域，使不同连线之间产生导通路径，形成电迁移，造成短路或低击穿电压，因此标准工艺中，通过在其表面覆盖上层阻挡层防止铜扩散；其次，铜的附着力较差，很容易产生脱落(peeling)或同其上表面覆盖的上层阻挡层粘附不良的现象。为了优化铜与其上表面覆盖的上层阻挡层的粘附性，现有技术中常用的解决方法是在作为布线的金属铜上先覆盖一层其他的金属性物质，然后再淀积上层阻挡层，即加一层金属帽盖，所述金属帽盖位于铜互连线和阻挡层之间，利用金属盖帽的良好粘附力，提高铜与上层阻挡层的附着力。同时，该金属盖帽的材料必须拥有自身电阻率低，不易扩散等特点，以控制添加金属盖帽后的铜互连结构的电阻增加。目前已有的金属帽盖材料中，最常见是CoWP。CoWP制造一般采用化学镀的方法，利用氧化还原反应使铜金属离子被还原沉积在基片表面，再形成CoWP。然而，采用化学镀制造CoWP的金属盖帽存在如下缺点：首先，由于化学镀是一种顺序工艺，包括先进行CuO清洗，随后是CoWP淀积。CuO的清洗工艺和如何使CoWP溶液一直保持最佳的性能一直是业界一个较大的难题，其结果直接造成工艺的可重复性不稳定。其次，化学镀铜通常采用甲醛作为还原剂，存在环境污染的问题。再次，由于在金属线间的任何金属沉积都可能降低漏电流特性，而形成CoWP金属帽盖必须使用含金属钴、钨、磷的镀液，其中的钴、钨和磷离子容易发生扩散和污染，从而导致器件的击穿电压下降，影响器件的可靠性。如果采用CVD的方式来制作，也涉及污染方面的问题，还需要使用专门设备，增加了集成难度和制造成本。因此，需要提出一种可以取代现有技术使用CoWP金属帽盖的铜互连结构及其制造方法，与业界标准工艺和通用设备完全兼容，工艺简单，没有污染，且在铜互连结构电阻增加有限的前提下，显著改善铜与上层阻挡层的粘附性，实现降低制造成本，提高产量。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是使铜互连结构制造与业界标准工艺和通用设备完全兼容，工艺简单，没有污染，且在铜互连结构电阻增加有限的前提下，显著改善铜与上层阻挡层的粘附性，实现降低制造成本，提高产量的最终目的。为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种铜互连结构,包括：半导体衬底，所述半导体衬底表面长有介质层，所述介质层上有一个或多个开口，每个开口对应所述半导体内部的沟槽，所述沟槽内沉积有阻挡层并填充有金属铜；金属盖帽，所述金属盖帽覆盖所述开口内的金属铜；上层阻挡层，所述上层阻挡层覆盖全部半导体衬底；其特征在于，金属盖帽为CuGeN薄膜；可选的，所述的一种金属盖帽的铜互连结构，其特征在于，所述CuGeN薄膜的金属盖帽为铜自对准结构；优选的，所述的一种金属盖帽的铜互连结构，其特征在于，所述CuGeN薄膜的厚度为5nm～10nm；本专利技术还提出铜互连结构的制造方法，其步骤包括：步骤S01：提供半导体衬底，所述半导体衬底表面形成介质层，所述介质层上形成一个或多个开口，对应每个开口于所述半导体内部形成沟槽，在所述沟槽内沉积阻挡层并填充金属铜；步骤S02：涂布光刻胶，并图形化；步骤S03：进行锗Ge注入；步骤S04：去胶，然后退火，开口内的金属铜裸露表面形成铜锗合金CuGe；步骤S05：通入氨气NH3，经由等离子分解，开口内的金属铜裸露表面形成CuGeN薄膜的金属帽盖；步骤S06：淀积上层阻挡层；可选的，步骤S01中，电镀填充金属铜，在填充所述沟槽的同时金属铜也覆盖所述半导体衬底的整个表面，随后进行化学机械研磨CMP，仅保留所述沟槽内的金属铜，且金属铜的裸露表面低于所述半导体衬底表面的水平面，或与所述半导体衬底表面的水平面等高；可选的，步骤S02中，所述图形化是将开口内的金属铜上覆盖的光刻胶显影去除；可选的，步骤S03中，所述锗Ge注入的工艺参数为，注入能量:10Kev～30Kev,注入剂量:1e13～1e14；可选的，步骤S04中，步骤S04中，所述退火的工艺参数为，退火温度：300C～480C，退火时间：5s～15s；可选的，步骤S05中通入的氨气NH3在等离子体的作用下分解成N的自由基，所述开口内的金属铜裸露表面的铜锗CuGe合金进一步与N的自由基结合形成金属盖帽CuGeN薄膜，并与金属铜自对准；可选的，所述通入氨气NH3的工艺参数为，流量：50sccm～150sccm，所述等离子分解的功率为100W～200W。本专利技术提出了一种铜互连结构，在半导体衬底表面有介质层，所述介质层上有一个或多个开口，每个开口对应于所述半导体内部的沟槽，所述沟槽内沉积有阻挡层并填充有金属铜，所述金属铜为铜互连的连线。由CuGeN薄膜构成的金属盖帽覆盖所述开口内的金属铜，所述半导体衬底全部覆盖有上层阻挡层。本专利技术用CuGeN薄膜替代现有技术中的CoWP作为金属盖帽是基于材料本身特质以及对工艺制造，成本控制的考虑出发。现有技术一般采用化学镀的方法制造含CoWP金属盖帽的铜互连结构。利用氧化还原反应使铜金属离子被还原沉积在基片表面，再形成CoWP。采用化学镀制造CoWP的金属盖帽存在如下缺点：首先，由于化学镀是一种顺序工艺，包括先进行CuO清洗，随后是CoWP淀积。CuO的清洗工艺和如何使CoWP溶液一直保持最佳的性能一直是业界一个较大的难题，其结果直接造成工艺的可重复性不稳定。其次，化学镀铜使用甲醛作为还原剂，污染环境。再次，由于在金属线间的任何金属沉积都可能降低漏电流特性，而形成CoWP金属帽盖必须使用含金属钴、钨、磷离子的镀液，其中的钴、钨和磷离子容易发生扩散，导致器件的击穿电压下降，影响器件的可靠性。如果改用采用CVD的方式来制作CoWP金属盖帽的铜互连结构，因为涉及交叉污染，需要使用专门设备，增加了集成难度和制造成本。本专利技术提出的CuGeN金属盖帽的铜互连结构，工艺简单，仅需要在铜的裸露上表面注入Ge，由退火便能形成铜自对准的CuGe合金，进一步，在NH3气氛下，通过常用的等离子分解工艺，便生成了同样铜自对准的CuGeN金属盖帽。实现本专利技术的方案，无需使用特殊设备，且Ge注入工艺也与标准工艺完全兼容，没有引入电镀液，故而不存在污染问题。因此，能够实现降低制造成本，提高产量的最终目的。目前，铜互连工艺中，上层阻挡层通常使用掺氮碳化硅NDC，CuGeN对上述阻挡层材料的粘附性明显好于CoWP，而且CuGeN材料比纯铜金属的电阻增减不到3％，而CoWP则比纯铜金属的电阻增加超过5％。因此，采用CuGeN金属盖帽比采用CoWP盖帽有明显的限制铜互连结构电阻阻值增加的优势。本专利技术还提出了上述铜互连结构的制造方法，提供半导体衬底，所述半导体衬底表面形成介质层，所述介质层上形成一个或多个开口，对应每个开口于所述半导体内部形成沟槽，所述沟槽内沉积有阻挡层并填充有金属铜；涂布光刻胶，并图形化，仅将开口内的金属铜部分显出；锗Ge注入；去胶，然后退火，开口内的金属铜裸露表面形成铜锗合金CuGe；通入氨气NH3，经由等离子分解形成N的自由基，继而该自由基与铜锗合金CuGe结合在开口内的金属铜裸露表面最终形成CuGeN薄膜的金属帽盖；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铜互连结构,包括：半导体衬底，所述半导体衬底表面长有介质层，所述介质层上有一个或多个开口，每个开口对应所述半导体内部的沟槽，所述沟槽内沉积有阻挡层并填充有金属铜；金属盖帽，所述金属盖帽覆盖所述开口内的金属铜；上层阻挡层，所述上层阻挡层覆盖全部半导体衬底；其特征在于，金属盖帽为CuGeN薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种铜互连结构,包括：半导体衬底，所述半导体衬底表面长有介质层，所述介质层上有一个或多个开口，每个开口对应所述半导体内部的沟槽，所述沟槽内沉积有阻挡层并填充有金属铜；金属盖帽，所述金属盖帽覆盖所述开口内的金属铜；上层阻挡层，所述上层阻挡层覆盖全部半导体衬底；其特征在于，金属盖帽为CuGeN薄膜。2.如权利要求1所述的一种铜互连结构，其特征在于，所述CuGeN薄膜的金属盖帽为铜自对准结构。3.如权利要求2所述的一种铜互连结构，其特征在于，所述CuGeN薄膜的厚度为5nm～10nm。4.一种铜互连结构的制造方法，其步骤包括：步骤S01：提供半导体衬底，所述半导体衬底表面形成介质层，所述介质层上形成一个或多个开口，对应每个开口于所述半导体内部形成沟槽，在所述沟槽内沉积阻挡层并填充金属铜；步骤S02：涂布光刻胶，并图形化；步骤S03：进行锗Ge注入；步骤S04:去胶，然后退火，开口内的金属铜裸露表面形成铜锗合金CuGe；步骤S05：通入氨气NH3，经等离子分解，开口内的金属铜裸露表面形成CuGeN薄膜的金属帽盖；步骤S06：淀积上层阻挡层。5.如权利要求4所述的一种铜互连结构的制造方法，其特征在于，步骤S01中，电镀填充金属铜，在填...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾绍海，李铭，
申请(专利权)人：上海集成电路研发中心有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31