金属互连结构的形成方法技术

一种金属互连结构的形成方法，所述方法包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底的表面具有金属互连介质层；对所述金属互连介质层进行刻蚀，以形成金属沟槽；在所述金属沟槽内形成Mn薄膜，所述Mn薄膜覆盖所述金属沟槽的侧壁和底部表面；在所述金属沟槽内填充金属材料，以形成金属互连线，所述金属材料的扩散系数大于Mn的扩散系数。本发明专利技术方案可以采用更少的Mn薄膜即可形成扩散阻挡层，从而降低了金属互连结构中的电阻率，尤其降低了金属互连线中的电阻率。

Formation Method of Metal Interconnection Structure

【技术实现步骤摘要】
金属互连结构的形成方法
本专利技术涉及半导体制造
，尤其涉及一种金属互连结构的形成方法。
技术介绍
在现有的半导体制造技术中，为了更好的适应器件尺寸按比例缩小的要求，金属互连结构的线宽不断减小，导致容易发生电迁移的问题，进而影响半导体器件的品质及寿命。以所述金属互连结构采用金属铜为例，由于铜互连结构的线宽减小，微小空穴的尺寸与铜互连结构的线宽的比值明显增大，并且导致铜互连结构失效的空洞的临界尺寸减小，因此容易发生电迁移的问题；此外，由于铜互连结构的线宽较小，晶粒的尺寸也往往较小，导致晶界的面积增大，因此在电迁移应力的作用下，沿晶界的电迁移现象更为明显，也就更容易发生电迁移的问题。在现有的一种改进技术中，为了改善电迁移，在金属沟槽内先形成TaN薄膜和/或Ta薄膜，然后在TaN薄膜和/或Ta薄膜的表面形成金属互连线，以采用所述TaN薄膜和/或Ta薄膜阻挡铜金属向金属沟槽的侧壁扩散，降低金属铜的电迁移问题，然而，电迁移问题依然存在。在上述改进技术的基础上，进一步研发出在铜靶材中掺杂防扩散金属，例如锰(Mn)金属，通过形成扩散阻挡层以阻挡铜金属扩散的方法。具体地，Mn可以穿过铜金属层、TaN薄膜和/或Ta薄膜，到达金属沟槽的侧壁，也即金属互连介质层的界面，由于金属互连介质层通常为含氧介质层(例如SiO2)，则Mn、Ta可以与介质层中的氧发生反应，形成扩散阻挡层TaxMnyOz，可以更有效地阻挡铜金属向金属沟槽的侧壁扩散，降低金属铜的电迁移问题。然而在现有技术中，为了使得更多的Mn可以穿过铜金属层、TaN薄膜和/或Ta薄膜到达金属互连介质层的界面，需要提高铜靶材中掺杂的Mn的含量，导致半导体器件的运算速度下降；且在退火工艺中，也需要较长的退火时间，以及较高的退火温度，导致增加生产成本。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是提供一种金属互连结构及其形成方法，可以采用更少的Mn薄膜即可形成扩散阻挡层，从而降低了金属互连结构中的电阻率，尤其降低了金属互连线中的电阻率。为解决上述技术问题，本专利技术实施例提供一种金属互连结构的形成方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底的表面具有金属互连介质层；对所述金属互连介质层进行刻蚀，以形成金属沟槽；在所述金属沟槽内形成Mn薄膜，所述Mn薄膜覆盖所述金属沟槽的侧壁和底部表面；在所述金属沟槽内填充金属材料，以形成金属互连线，所述金属材料的扩散系数大于Mn的扩散系数。可选的，在所述金属沟槽内形成Mn薄膜包括：采用化学气相沉积工艺在所述金属沟槽内形成Mn(TMHD)2材料；在预设温度下，所述Mn(TMHD)2材料分解形成所述Mn薄膜。可选的，所述预设温度为300℃至600℃。可选的，在所述金属沟槽内填充金属材料之前，所述的金属互连结构的形成方法还包括：在所述金属沟槽内未被填充的部分形成Ta元素层，所述Ta元素层覆盖所述Mn薄膜。可选的，所述Ta元素层选自：TaN层以及Ta层的堆叠层、TaN材料以及Ta材料的混合层、TaN层以及Ta层。可选的，所述的金属互连结构的形成方法还包括：采用反溅射工艺，对所述金属沟槽底部的Mn薄膜以及所述Ta元素层进行轰击，以暴露出所述金属沟槽的底部表面；在所述金属沟槽内形成Ta薄膜，所述Ta薄膜覆盖所述金属沟槽的底部表面和侧壁。可选的，在所述金属沟槽内未被填充的部分形成Ta元素层之后，所述的金属互连结构的形成方法还包括：采用退火工艺，对所述Mn薄膜以及所述Ta元素层进行退火处理。可选的，所述退火工艺的工艺参数选自以下一项或多项：退火气氛为还原气体气氛或惰性气体气氛；退火时长为10分钟至30分钟；退火温度为150℃至400℃。可选的，在所述金属沟槽内填充金属材料，以形成金属互连线包括：在所述金属沟槽内沉积所述金属互连线的种子层；基于所述种子层，填充所述金属材料；对所述金属材料进行平坦化，以形成金属互连线。可选的，对所述金属互连介质层进行刻蚀，以形成金属沟槽包括：在所述金属互连介质层的表面形成硬掩膜层；对所述硬掩膜层以及所述金属互连介质层进行刻蚀，以形成金属沟槽。与现有技术相比，本专利技术实施例的技术方案具有以下有益效果：在本专利技术实施例中，提供半导体衬底，所述半导体衬底的表面具有金属互连介质层；对所述金属互连介质层进行刻蚀，以形成金属沟槽；在所述金属沟槽内形成Mn薄膜，所述Mn薄膜覆盖所述金属沟槽的侧壁和底部表面；在所述金属沟槽内填充金属材料，以形成金属互连线，所述金属材料的扩散系数大于Mn的扩散系数。采用上述方案，通过在所述金属沟槽内形成覆盖侧壁的Mn薄膜，且Mn薄膜的一部分和金属互连介质层中的氧发生反应形成扩散阻挡层，相比于现有技术中设置金属互连线包含有防扩散金属，可以使得Mn薄膜中的防扩散金属与金属互连介质层的距离更近，并且在到达金属互连介质层的界面的过程中需要经由的材料更少更薄，从而采用更少的Mn薄膜即可形成扩散阻挡层，从而降低了金属互连结构中的电阻率，尤其降低了金属互连线中的电阻率；进一步地，由于防扩散金属与金属互连介质层的距离更近，因此采用较低的退火温度以及较短的退火时长即可形成所述扩散阻挡层，甚至可以复用后续工艺中的高温工艺，去除本步骤中的退火工艺，也可以促使所述扩散阻挡层的形成，从而更有效地降低生产成本。进一步，在本专利技术实施例中，可以是采用化学气相沉积工艺在所述金属沟槽内形成Mn(TMHD)2材料以作为前驱体(Precursor)，进而在预设温度下，所述Mn(TMHD)2材料分解形成所述Mn薄膜的，相比于现有技术中，基于Mn金属靶材，采用物理气相沉积工艺形成所述Mn薄膜，采用本专利技术实施例的方案，形成的Mn薄膜可以具有更好的台阶覆盖性，且更有助于避免在沉积过程中在沟槽顶部发生过早收口(Merge)的问题。进一步，还可以在所述金属沟槽内未被填充的部分形成Ta元素层，所述Ta元素层覆盖所述Mn薄膜，在本专利技术实施例中，通过形成Ta元素层，可以利用Ta元素层阻挡金属互连线中的金属向金属沟槽的侧壁扩散，例如更有效地阻挡Cu金属向金属沟槽的侧壁扩散。进一步，采用反溅射工艺，对所述金属沟槽底部的Mn薄膜以及所述Ta元素层进行轰击，以暴露出所述金属沟槽的底部表面，可以避免由于Ta元素层以及Mn薄膜覆盖在金属沟槽的底部，导致金属互连线的电阻增大，影响器件的运算效率，进而在所述金属沟槽内形成Ta薄膜，所述Ta薄膜覆盖所述金属沟槽的底部表面和侧壁，可以利用新形成的Ta薄膜，更有效地阻挡金属互连线中的金属向金属互连介质层扩散，从而进一步降低金属的电迁移问题。附图说明图1是本专利技术实施例中一种金属互连结构的形成方法的流程图；图2至图9是本专利技术实施例中一种金属互连结构的形成方法中各步骤对应的器件剖面结构示意图。具体实施方式在现有技术中，在金属沟槽内先形成TaN薄膜和/或Ta薄膜，然后在铜靶材中掺杂防扩散金属，从而在TaN薄膜和/或Ta薄膜的表面形成金属互连线时，Mn、Ta可以与介质层中的氧发生反应，形成扩散阻挡层TaxMnyOz，从而阻挡铜金属向金属沟槽的侧壁扩散，降低金属铜的电迁移问题。本专利技术的专利技术人经过研究发现，在现有技术中，Mn需要穿过铜金属层、TaN薄膜和/或Ta薄膜到达金属互连介质层的界面，由于存在阻挡层TaN薄膜和/或Ta薄膜，为了使得更多的Mn可以穿过，需要提本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属互连结构的形成方法，其特征在于，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底的表面具有金属互连介质层；对所述金属互连介质层进行刻蚀，以形成金属沟槽；在所述金属沟槽内形成Mn薄膜，所述Mn薄膜覆盖所述金属沟槽的侧壁和底部表面；在所述金属沟槽内填充金属材料，以形成金属互连线，所述金属材料的扩散系数大于Mn的扩散系数。

【技术特征摘要】
1.一种金属互连结构的形成方法，其特征在于，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底的表面具有金属互连介质层；对所述金属互连介质层进行刻蚀，以形成金属沟槽；在所述金属沟槽内形成Mn薄膜，所述Mn薄膜覆盖所述金属沟槽的侧壁和底部表面；在所述金属沟槽内填充金属材料，以形成金属互连线，所述金属材料的扩散系数大于Mn的扩散系数。2.根据权利要求1所述的金属互连结构的形成方法，其特征在于，在所述金属沟槽内形成Mn薄膜包括：采用化学气相沉积工艺在所述金属沟槽内形成Mn(TMHD)2材料；在预设温度下，所述Mn(TMHD)2材料分解形成所述Mn薄膜。3.根据权利要求2所述的金属互连结构的形成方法，其特征在于，所述预设温度为300℃至600℃。4.根据权利要求1所述的金属互连结构的形成方法，其特征在于，在所述金属沟槽内填充金属材料之前，还包括：在所述金属沟槽内未被填充的部分形成Ta元素层，所述Ta元素层覆盖所述Mn薄膜。5.根据权利要求4所述的金属互连结构的形成方法，其特征在于，所述Ta元素层选自：TaN层以及Ta层的堆叠层、TaN材料以及Ta材料的混合层、TaN层以及Ta层。6.根据权利要求4所述的金属互连结构的形成方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴明，林宗贤，吴孝哲，吴龙江，赵培培，
申请(专利权)人：德淮半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32