[發明專利]銅互連的半導體器件的制造方法及其結構

有效

• 申請號: 200610030628.1
• 申請日: 2006-08-31
• 公開（公告）號: CN101136356A
• 公開（公告）日: 2008-03-05
• 發明（設計）人: 高建峰;王曉艷;劉艷吉;汪釘崇
• 申請（專利權）人: 中芯國際集成電路制造（上海）有限公司
• 主分類號: H01L21/768
• 分類號: H01L21/768;H01L23/532
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司
• 代理人: 逯長明

技術領域

本發明涉及一種半導體器件的制造方法及其結構，特別涉及一種銅互連的半導體器件的制造方法及其結構。

背景技術

隨著集成電路集成度的不斷提高，Al作為內連線材料其性能已難以很好滿足集成電路的要求。Cu較Al具有低的電阻率和高的抗電遷移能力在深亞微米技術中得到廣泛的應用。然而Cu又是導致器件失效的元兇，這主要因為Cu是一種重金屬，在高溫和加電場的情況下，可以在半導體硅片和二氧化硅中快速擴散，引起器件可靠性方面的問題。所以，在Cu布線層和介質隔離層之間，必須加上防止Cu擴散的擴散阻擋層材料，例如TaN、TiSiN、Ta等來實現防止Cu擴散的目的。

同時，隨著芯片集成度的提高，互連引線變得更細、更窄、更薄，因此其中的電流密度越來越大。在較高的電流密度作用下，互連引線中的金屬原子將會沿著電子運動方向進行遷移，這種現象就是電遷移(EM)。電遷移能使IC中的互連引線在工作過程中產生斷路或短路，是引起集成電路失效的一種重要機制。所以，在Cu布線層和介質隔離層之間加上擴散阻擋層材料還可以阻止Cu發生電遷移，另外可以提高Cu和介質隔離層的粘附性。

以往公開的專利或者文獻對Cu布線層和介質隔離層之間的擴散阻擋層有很多的公開和報道，如公開號為2004/0152301和2004/0152330以及2005/0023686的美國專利申請通過在Cu布線層和介質隔離層之間添加擴散阻擋層如Ta和TaN、金屬氮化物以及WSiN材料來防止Cu向介質隔離層進行擴散，然而對于Cu向金屬Al中的擴散未公開防止措施。在深亞微米工藝中，在頂層Cu布線層上制作的引出金屬墊仍然采用Al，由于Cu會向Al墊層中進行擴散，發生反應生成電阻率較大的CuAl₂，因此必須在頂層Cu布線層和金屬Al墊層之間引入防擴散層。

Ta是一種很有吸引力的Cu的擴散阻擋層，Ta的氮化物比如TaN是一種Cu和F離子的有效阻擋層，目前在Cu互連工藝中正得到廣泛的應用。但是在通常工藝中，形成的TaN結構比較疏松，防止Cu擴散的能力較弱。下面參照圖1至圖5舉例說明，在90nm邏輯電路中，Cu布線層12形成在半導體襯底11上，接著在Cu布線層12上形成TaN作為防止Cu擴散的擴散阻擋層13，最后在擴散阻擋層13上形成Al墊層14，整個結構如圖1所示，由于擴散阻擋層13的結構比較疏松，尤其是在金屬臺階處覆蓋性不好，形成“弱區”，頂層Cu布線層12中的Cu往往在此“弱區”穿過擴散阻擋層13，到達Al墊層14，同時在頂層Cu中形成的空洞15，擴散出來的Cu16和Al墊層14發生反應，生成電阻率大的CuAl₂，影響器件性能。

采用X射線衍射(XRD)確定現有技術制備的擴散阻擋層13的晶體結構，結果如圖5所示，圖5所示的橫坐標為衍射角20，單位為度，縱坐標為衍射強度之比I/I₀。制備的TaN擴散阻擋層13分別在20為37°、53°和68°處出現比較強的衍射峰，和標準譜相對照，這些峰分別相應于(110)、(200)和(211)晶面的衍射，TaN的晶體結構為體心立方(bcc)結構。

采用HCl腐蝕部分Al墊層，利用光學顯微鏡觀察剩下的Al墊層，結果如圖2所示，在Al墊層表面存在許多黑色沾污21，眾所周知，Cu不會和HCl反應，同時采用能譜儀(EDX)測試了這些黑色沾污21的成分，主要為Cu和O，表明Cu布線層12中的Cu穿過擴散阻擋層13擴散到了Al墊層14中而且部分被氧化，由此可以看出體心立方結構的TaN的防止Cu擴散能力較差。

采用離子束聚焦(FIB)切片測試了上述結構的頂層Cu布線層12的截面形貌，結果如圖3所示，在Cu布線層12中出現空洞，此結果和上面光學顯微鏡以及EDX的結果相一致，即Cu布線層12中的Cu擴散出去導致在Cu布線中形成空洞15。

測試了同一晶片上從S31至S45的15個單元的電遷移(EM)特性來分析器件的失效，結果如圖4所示，可以看出，單元S31最早在2小時就形成了電阻峰，其余單元在10小時之前均出現了電阻峰，表明這些單元在測試的10小時內出現了空洞，造成了器件失效。

由上面討論可知，體心立方結構的TaN擴散阻擋層的防止Cu擴散和電遷移能力較弱。眾所周知，Cu通過阻擋材料的電遷移和擴散主要沿著阻擋材料的晶粒邊界出現，因此需要優化阻擋材料，從而最小化晶粒邊界區和/或者延長沿晶粒邊界的擴散路徑。

發明內容