[發明專利]半導體器件的制造方法

有效

• 申請號: 201110208194.0
• 申請日: 2011-07-25
• 公開（公告）號: CN102903666A
• 公開（公告）日: 2013-01-30
• 發明（設計）人: 鮑宇
• 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
• 代理公司: 北京市磐華律師事務所 11336
• 代理人: 高偉;徐金紅

技術領域

本發明涉及一種半導體器件的制造方法，特別是一種銅金屬互連中銅合金工藝的改進方法。

背景技術

隨著半導體器件尺寸的不斷減小，半導體器件中驅動電流的密度和開關頻率不斷增大。在高電流密度和高頻率變化的銅互連結構上，很容易發生電遷移（Electro?Migration，EM）。眾所周知，電遷移是影響銅互連結構的可靠性的重要因素之一，電遷移可能導致銅互連結構減薄，并使其電阻率增大，更嚴重的還可能使銅互連結構斷裂。

為此，現有方法通常是在銅互連結構中摻雜雜質，例如鋁、銀、鈦或錳等，在退火過程中雜質擴散到晶界和界面處，進而降低銅的擴散。實踐證明，該方法可以將電遷移壽命提高至原來的十倍以上。現有技術中制作銅合金主要有三種方法：一、從種晶層到銅合金的摻雜物擴散，這種通過摻雜劑注入種晶層來實現銅合金摻雜的方法，會明顯提高銅線電阻，使得銅導線的抗電致遷移性降低；二、從覆蓋層到銅合金的摻雜物擴散，例如將鋁或鈦摻雜擴散層沉積在銅金屬頂部并退火，使雜質擴散進入銅金屬；三、電鍍銅合金方法。

圖1所示為一種現有的銅金屬互連結構制造方法，通過覆蓋層向下的摻雜物擴散來實現銅合金的沉積。首先參照圖1a，在半導體基底100上有若干半導體組件，例如一保護層110和下部互連結構120，以及阻擋層130。在阻擋層130上形成一電介質層140，利用微刻蝕技術在介電層140上形成一溝槽，并在溝槽內壁沉積一阻障層150，例如氮化鈦（TiN）或氮化鉭（TaN），以防止銅的氧化和擴散并提高銅金屬的附著力。在形成阻障層150的溝槽內沉積銅金屬層160。接下來參照圖1b，在銅金屬層160表面覆蓋生長一摻雜擴散層170，并通過后續工藝例如退火處理使摻雜物向下擴散，形成銅合金層180。最后參照圖1c，先通過濕法刻蝕或干法刻蝕去掉銅合金層180頂部覆蓋的摻雜擴散層170，再通過拋光技術去掉多余的銅合金層180，最后在電介質層140和銅合金層180上覆蓋生長一覆蓋層190，以用于后續工藝。

這種方法通過摻雜擴散層170使摻雜物在銅金屬層160中擴散形成銅合金層180，與上述種晶層的摻雜物擴散形成銅合金的方法相比，其優點是幾乎不會提高銅線電阻。然而，由于需要先沉積一摻雜擴散層170，再通過濕法刻蝕或干法刻蝕去掉頂部覆蓋的摻雜擴散層170，才能通過研磨技術去掉多余的銅合金層180，使得工序復雜程度提高。

圖2所示為另一種銅金屬互連結構制造方法，通過在電鍍槽中加入銅合金成分來實現。首先參照圖2a，在半導體基底200上有若干半導體組件，例如一保護層210和下部互連結構220，以及阻擋層230。在阻擋層230上形成一電介質層240，利用微刻蝕技術在電介質層240上形成一溝槽，并在溝槽內壁沉積一阻障層250。接下來參照圖2b，在形成阻障層250的溝槽內沉積銅合金層260。最后參照圖2c，通過研磨技術去掉多余的銅合金層260，然后在電介質層240和銅合金層260上生長一覆蓋層270，以用于后續工藝。這種方法的優點是互聯結構內部銅合金的摻雜濃度處處相等。但是，通過電鍍過程摻雜銅合金的方法較難控制雜質的摻雜濃度，因此采用該方法制作金屬互連結構的工藝尚有待進一步研究。

為了防止純銅金屬的氧化和擴散、保持銅的低阻抗特性并簡化工序，銅金屬互連結構的制造方法仍有改善空間。

發明內容

本發明提供了一種半導體器件的制造方法，特別是一種金屬互連結構中銅合金工藝的改進方法，包括下述步驟：

提供一半導體基底，該半導體基底包含下部互連；在所述半導體基底上形成一電介質層；在所述電介質層上形成暴露出所述下部互連的溝槽；在所述電介質層上和所述溝槽中形成阻障層和種晶層；采用化學電鍍法沉積一銅金屬層，填滿所述溝槽；采用化學電鍍法沉積一銅合金層，覆蓋于所述銅金屬層上；執行一退火處理。

優選地，所述銅合金層的摻雜元素為銀，鋁，錳中的至少一種。

優選地，采用化學電鍍法沉積所述銅金屬層和/或銅合金層的電解液中包含五水合硫酸銅溶液和硫酸溶液。

優選地，所述五水合硫酸銅溶液濃度范圍為20～100g/L，硫酸溶液濃度范圍為100～300g/L。

優選地，采用化學電鍍法沉積所述銅合金層的電解液中還包含硝酸銀溶液。

優選地，所述硝酸銀溶液濃度范圍為0～0.5g/L。

優選地，所述退火處理的條件為：退火溫度范圍100～400℃，退火時間范圍1～60分鐘。

優選地，在所述退火處理后還包括去除所述銅合金層的多余部分直至露出所述電介質層表面的步驟。