铜互连结构及其形成方法技术

一种铜互连结构及其形成方法，本发明专利技术所提供的铜互连结构的形成方法包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底表面形成有第一介质层以及贯穿所述第一介质层的第一互连结构；在所述第一介质层和第一互连结构表面形成第二介质层，所述第二介质层的材料含有氧原子，所述第二介质层具有暴露所述第一互连结构的通孔；在所述通孔的侧壁和底部形成合金阻挡层；在所述合金阻挡层表面形成填充满所述通孔的铜层。本发明专利技术工艺简单、成本低，并且可以降低铜互连结构的电阻率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体领域，特别涉及。
技术介绍
随着半导体技术的发展，超大规模集成电路芯片的集成度已经高达几亿乃至几十亿个器件的规模，两层以上的多层金属互连技术广泛使用。传统的金属互连是由铝金属制成的，但随着集成电路芯片中器件特征尺寸的不断减小，金属互连线中的电流密度不断增大，要求的响应时间不断减小，传统铝互连线已经不能满足要求，工艺尺寸小于130nm以后，铜互连线技术已经取代了铝互连线技术。与铝相比，金属铜的电阻率更低，铜互连线可以降低互连线的电阻电容(RC)延迟，改善电迁移，提高器件的可靠性。在公开号为US2006/0286797A1的美国专利中公开了一种铜互连结构的形成方法，包括参考图1，提供半导体衬底100，所述半导体衬底100表面形成有第一互连结构110，所述第一互连结构110表面形成第一介质层120，所述第一介质层120具有暴露所述第一互连结构Iio的通孔130 ；参考图2，在所述通孔130的侧壁和底部形成阻挡层140，所述阻挡层140包括依次形成的氮化钽层和钽层；参考图3，采用PVD的方法在所述阻挡层140的表面形成合金种子层150，所述合金种子层150的材料是铜铝合金或者铜锰合金，所述合金种子层150采用合金材料的好处是可以提高后续形成的铜互连结构的电子迁移可靠性；参考图4，在所述合金种子层150表面形成填充满所述通孔的金属铜层160，后续过程中还包括对所述金属铜层160进行平坦处理，直至暴露第一介质层120，形成由阻挡层、合金种子层150和金属铜层160组成的铜互连结构。所述氮化钽层的作用是隔离后续形成铜互连结构与第一介质层120，所述钽层可以增加铜互连结构与所述氮化钽层之间的结合力。但是上述方法工艺复杂，并且所形成的铜互连结构的阻值比较大。
技术实现思路
本专利技术解决的问题是提供一种，以解决现有铜互连结构阻值大，形成工艺复杂的问题。为解决上述问题，本专利技术一种铜互连结构的形成方法，包括 提供半导体衬底，所述半导体衬底表面形成有第一介质层以及贯穿所述第一介质层的第一互连结构；在所述第一介质层和第一互连结构表面形成第二介质层，所述第二介质层的材料含有氧原子，所述第二介质层具有暴露所述第一互连结构的通孔；在所述通孔的侧壁和底部形成合金阻挡层；在所述合金阻挡层表面形成填充满所述通孔的铜层。可选地，还包括对所述铜互连结构进行退火处理，使所述氧原子与合金阻挡层内的金属原子扩散并发生反应。可选地，所述合金阻挡层在所述通孔的侧壁的厚度是20-50埃，在所述通孔底部的厚度是50-100埃。可选地，所述合金阻挡层的材料是锰-钽合金，或者铝-钽合金，或者钛-钽合金。可选地，所述退火处理的温度是100-400摄氏度，退火时长为1-30分钟，退火气体是氢气和氮气。·可选地，所述退火气体中，氢气所占的体积比例为0-20%。可选地，所述第二介质层是低k材料。 可选地，还包括在所述铜互连结构表面形成覆盖层，所述覆盖层的材料是硅碳氮。相应地，本专利技术还提供一种铜互连结构，包括半导体衬底，所述半导体衬底表面形成有第一介质层和贯穿所述第一介质层的第一互连结构；位于所述第一介质层和第一互连结构表面的第二介质层，所述第二介质层的材料含有氧原子，所述第二介质层具有暴露所述第一互连结构的通孔；位于所述通孔侧壁和底部的合金阻挡层；位于所述合金阻挡层表面，且填充满所述通孔的铜层。可选地，还包括所述合金阻挡层和第二介质层中的氧原子反应生成的合金氧化物。可选地，所述合金阻挡层的材料是锰-钽合金，或者铝-钽合金，或者钛-钽合金。可选地，所述合金阻挡层在所述通孔的侧壁的厚度是20-50埃，在所述通孔底部的厚度是50-100埃。可选地，所述第二介质层的材料是低k材料。与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有以下优点本专利技术实施例的铜互连结构的形成方法在所述合金阻挡层表面形成铜层，所述铜层的材料为铜，避免了现有技术合金的金属种子层的铜之外的金属原子聚集迁移到金属种子层和阻挡层之间，引起铜互连结构阻值增加的缺陷；本专利技术实施例的所述合金阻挡层的材料为金属合金，与现有技术的氮化钽层和钽层阻挡层相比，具有电阻低的优点，从而能够降低本专利技术实施例的铜互连结构形成方法形成的铜互连结构的电阻率。进一步的，本专利技术实施例的铜互连结构的形成方法先在位于第二介质层内的通孔表面形成合金阻挡层；再在所述合金阻挡层表面形成铜层；形成铜层后进行退火处理；在退火处理中，所述第二介质层内的氧原子和所述合金阻挡层中的金属原子朝各个方向扩散，氧原子与金属原子在扩散的过程中在第二介质层与合金阻挡层的界面处相遇并发生反应，形成可以阻挡铜层中铜原子向第二介质层扩散，同时阻挡第二介质层中的氧原子向铜层扩散的合金氧化物，并且所形成的合金氧化物电阻率小，从而可以降低铜互连结构的电阻率。更进一步的，所述合金阻挡层中的金属原子扩散到铜层中，可以降低铜互连结构的电迁移，提高铜互连结构的可靠性。再进一步的，本专利技术的合金阻挡层是单层结构，形成合金阻挡层的工艺简单，效率闻。本专利技术实施例的铜互连结构以合金阻挡层取代现有结构中的氮化钽/钽双层结构，合金阻挡层的电阻率小，所以降低了铜互连结构的电阻率。进一步本专利技术实施例的铜互连结构还包括合金阻挡层与第二介质层反应形成的合金氧化物，所述合金氧化物可以提高合金阻挡层的扩散阻挡作用，并且本专利技术实施例所提供的铜互连结构可靠性高。附图说明图I至图4是现有铜互连结构形成过程的剖面结构示意图；图5是本专利技术的实施例所提供的铜互连结构形成方法的流程示意图； 图6至图10是本专利技术的实施例所提供的铜互连结构形成过程的剖面结构示意图。具体实施例方式由
技术介绍
可知，现有方法所形成的铜互连结构电阻值比较大，并且工艺复杂。请继续参考图4，专利技术人针对上述问题进行研究，认为现有方法所形成的铜互连结构电阻值比较大的主要原因为金属种子层150中的铜之外的金属原子(比如铜铝合金中的铝或铜锰合金中的锰)会聚集起来并迁移到金属种子层150与阻挡层140之间，从而引起铜互连结构的阻值增加；此外，由于位于铜互连结构底部的氮化钽的阻值比较大，所以铜互连结构底部电阻会比较大。专利技术人针对上述问题进行进一步研究，在本专利技术的实施例中提供一种铜互连结构形成方法，图5是本专利技术所提供的铜互连结构形成方法的流程示意图，包括步骤S101，提供半导体衬底，所述半导体衬底表面形成有第一介质层以及贯穿所述第一介质层的第一互连结构；步骤S102，在所述第一介质层和第一互连结构表面形成第二介质层，所述第二介质层的材料含有氧原子，所述第二介质层具有暴露所述第一互连结构的通孔；步骤S103，在所述通孔的侧壁和底部形成合金阻挡层；步骤S104，在所述合金阻挡层表面形成填充满所述通孔的铜层；步骤S105，对所述铜互连结构进行退火处理，使所述氧原子与合金阻挡层内的金属原子扩散并发生反应。为了进一步说明本专利技术的精神和实质，在下文中，结合附图和实施例对本专利技术进行详细阐述。图6至图10是本专利技术的实施例所提供的铜互连结构形成过程的剖面结构示意图。参考图6,提供半导体衬底200,所述半导体衬底200表面形成有第一介质层220以及贯穿所述第一介质层220的第一互连结构210。本实施例中，所述半导体衬底200是硅衬底或者SOI衬底，所述半导体衬底200内和/或表面还本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铜互连结构的形成方法，其特征在于，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底表面形成有第一介质层以及贯穿所述第一介质层的第一互连结构；在所述第一介质层和第一互连结构表面形成第二介质层，所述第二介质层的材料含有氧原子，所述第二介质层具有暴露所述第一互连结构的通孔；在所述通孔的侧壁和底部形成合金阻挡层；在所述合金阻挡层表面形成填充满所述通孔的铜层。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：鲍宇，
申请(专利权)人：中芯国际集成电路制造上海有限公司，
类型：发明
国别省市：