[發明專利]銅互連結構及其形成方法

有效

• 申請號: 201010573225.8
• 申請日: 2010-12-03
• 公開（公告）號: CN102487038A
• 公開（公告）日: 2012-06-06
• 發明（設計）人: 張海洋;胡敏達
• 申請（專利權）人: 中芯國際集成電路制造（北京）有限公司
• 主分類號: H01L21/768
• 分類號: H01L21/768;H01L21/288
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 駱蘇華

技術領域

本發明涉及半導體制造技術，尤其涉及一種銅互連結構及其形成方法。

背景技術

隨著半導體技術的發展，超大規模集成電路芯片的集成度已經高達幾億乃至幾十億個器件的規模，兩層以上的多層金屬互連技術廣泛使用。傳統的金屬互連是由鋁金屬制成的，但隨著集成電路芯片中器件特征尺寸的不斷減小，金屬互連線中的電流密度不斷增大，要求的響應時間不斷減小，傳統鋁互連線已經不能滿足要求，工藝尺寸小于130nm以后，銅互連線技術已經取代了鋁互連線技術。與鋁相比，金屬銅的電阻率更低，銅互連線可以降低互連線的電阻電容(RC)延遲，改善電遷移，提高器件的可靠性。

金屬銅作為互連線材料也有缺點，銅容易擴散進入襯底或者介質層中，在銅互連層形成后，需要在其上形成介質帽蓋層來防止其擴散。但是銅與常用的介質帽蓋層材料之間的附著力較差，因此仍會導致銅元素擴散進入其周圍的介質層中，使得相鄰的互連線之間的擊穿電壓(Voltage?Breakdown，VBD)降低，導致器件的時間相關電介質擊穿(TDDB，Time?Dependent?DielectricBreakdown)問題。

為了解決銅與介質帽蓋層之間的粘附問題，常用的解決方法是在銅栓塞上形成鈷鎢磷材質的金屬帽蓋，以此來防止銅擴散，避免電遷移，具體可以參見申請號為200510105104.x的中國專利公開的一種金屬帽蓋的形成方法。

圖1示出了現有技術形成的一種銅互連結構的剖面示意圖，包括：半導體襯底10；介質層11，覆蓋所述半導體襯底10，所述介質層11一般為低k(low?k)介質層或超低k(ultra?low?k)介質層；所述介質層11中形成有開口，所述開口可以是通孔，或雙鑲嵌結構中的通孔和溝槽的組合結構，所述開口中填充有銅栓塞12；所述銅栓塞的表面覆蓋有鈷鎢磷13。所述鈷鎢磷13的形成方法一般是使用含鈷、含鎢和含磷的鍍液無電鍍敷形成的，由于在刻蝕形成所述開口過程中會對開口側壁的介質層11造成損傷，金屬離子14特別是鈷離子容易擴散進入所述介質層11中。由于低k材料和超低k材料比較疏松，其中具有大量的空洞，因此更容易導致金屬離子14的擴散，造成TDDB問題，影響銅互連結構的可靠性。

發明內容

本發明解決的問題是在形成鈷鎢磷的過程中，金屬離子容易擴散進入介質層，影響銅互連結構的可靠性。

為解決上述問題，本發明提供了一種銅互連結構的形成方法，包括：

提供半導體襯底，所述半導體襯底上覆蓋有第一介質層，所述第一介質層上形成有第一開口；

在所述第一開口中填充金屬銅，形成銅栓塞，所述銅栓塞的表面與所述第一介質層的表面齊平；

對所述第一介質層進行刻蝕，去除與所述銅栓塞的側壁相接的部分第一介質層，在所述銅栓塞和第一介質層之間形成空隙；

形成第二介質層，覆蓋所述第一介質層和銅栓塞的表面并密封所述空隙；

在所述銅栓塞上方的第二介質層上形成第二開口，所述第二開口的寬度小于等于所述銅栓塞的寬度，所述開口的底部暴露出所述銅栓塞；

在所述第二開口中填充鈷鎢磷。

可選的，所述第一介質層的材料為低k材料或超低k材料。

可選的，使用濕法刻蝕去除與所述銅栓塞的側壁相接的部分第一介質層。

可選的，所述濕法刻蝕使用的反應溶液為氫氟酸溶液。

可選的，所述氫氟酸溶液中，H₂O∶HF為280∶1至320∶1。

可選的，所述第二介質層的材料為低k材料或超低k材料。

可選的，在所述第二開口中填充鈷鎢磷之后，所述銅互連結構的形成方法還包括：刻蝕去除所述第二介質層的表面部分。

可選的，使用濕法刻蝕去除所述第二介質層的表面部分。

可選的，所述濕法刻蝕使用的反應溶液為氫氟酸溶液。

可選的，所述氫氟酸溶液中，H₂O∶HF為280∶1至320∶1。

可選的，使用非共形(non-conformal)化學氣相沉積形成所述第二介質層。

本發明還提供了一種銅互連結構，包括：

半導體襯底；

第一介質層，覆蓋所述半導體襯底，其上形成有第一開口；

銅栓塞，填充所述第一開口，且所述銅栓塞與所述第一介質層之間具有空隙；

第二介質層，覆蓋所述第一介質層和銅栓塞的表面并密封所述空隙；

第二開口，形成于所述銅栓塞上方的第二介質層中，其寬度小于等于所述銅栓塞的寬度，所述第二開口中填充有鈷鎢磷。