[发明专利]一种形成铜接触互连结构的方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种形成铜接触互连结构的方法。

背景技术

集成电路互连中的传统接触层是由金属钨填充而成的，但是随着器件尺寸的进一步缩小，钨塞的接触面积越来越小同时深宽比加剧，在这种结构下钨塞电阻显著增大，且由于钨塞本身电阻率大等因素，使电路延迟增大，严重影响了电路的速度和性能。采用电阻率低的铜作为接触层材料可以解决钨塞电阻大的问题，同时可以与铜互连工艺保持一致，即采用镶嵌工艺实现。

但是铜在硅、镍硅等材料中极易扩散，严重影响器件性能。用于铜互连中的铜导线通常都被扩散阻挡层包围，以防止或最大限度减缓其扩散。而接触层与器件源漏区域近距离接触，若采用铜作为接触层材料，则铜接触的扩散阻挡层性能则是关键。

对扩散阻挡层的要求因不同结构而各异。扩散阻挡层在确保对铜的扩散阻挡性能情况下，要与下面的材料层有很好的粘附和相近的热膨胀系数，以保证整个系统在热处理情况下的稳定性。用于铜接触的扩散阻挡层下面为源漏接触，一般为金属硅化物，不同于上层铜互连结构，因此需要一种在金属硅化物上有良好扩散阻挡性能的扩散阻挡层。目前用于铜互连中的扩散阻挡层有大量材料，如氮化硅，难溶金属氮化物(TaN，TiN，WN)等。本发明作者的工作已经报道了在硅化物(NiSi)上制备Ta/TaN，Ru/TaN等结构作为扩散阻挡层，形成铜接触工艺，但是实验发现氮化钽在金属硅化物(如NiSi等)上面的扩散阻挡性能会有所下降。因此需要一种与源漏接触材料有更好匹配的扩散阻挡层。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在半导体元件中源漏与互连之间形成高质量的、黏附性好的铜接触互连结构的方法。

本发明提出方法，其步骤包括，在介质孔露出源漏金属硅化物表面上依次淀积扩散阻挡层、黏附层/Cu籽晶层，并利用电镀工艺将金属层填进窗口，化学机械抛光后形成所需要的第一层接触工艺。

该方法中，这种扩散阻挡层材料是本发明的重点。该扩散阻挡层的材料包括含Si的三元金属氮化物，或含C的三元金属氮化物。其中金属为难熔金属，如钽、钛、钨等。该扩散阻挡层的电阻率在100-1000μΩ·cm之间，厚度在2-50纳米之间。可利用物理气相淀积、或者原子层淀积方法制备获得。上述三元金属氮化物如TaSiN、TiSiN、WSiN、TaCN、WCN等。

本发明中，物理气相淀积包括采用金属Ta、或Ti或W靶和Si靶在Ar/N₂气氛下共溅射方法，或采用TaSi、TiSi、WSi合金靶溅射方法。在制备三元金属氮化物后，一般在该金属氮化物上淀积一层黏附层，材料如金属Ti，Ta，Ru，Rh，Co，Mo，Pd，Os等，其厚度在1-20纳米之间。对于金属Ru，可以直接在其上进行无籽晶Cu电镀，而对于Ti和Ta材料，由于其氧化特性，不能在其上直接电镀铜，因此还需要再用物理气相淀积或者化学气相淀积一层铜籽晶层，厚度在5-100纳米之间。对于Ru，Rh，Co，Pd，Os等金属，可以直接进行铜的电镀工艺。然后再用电镀方法进行铜的自底而上的填充工艺。

附图说明

图1，铜接触样品结构示意图。1为介质层，2为接触孔，3为金属硅化物，4为扩散阻挡层，5为黏附层，6为铜籽晶层，7为电镀层。

图2(a)，具有Cu/Ru/TaSiN/NiSi/Si结构的平面铜接触工艺样品。

图2(b)，在线XRD测试谱(In-situ XRD)，在线退火升温速率为0.2℃/s。样品结构分别为Cu(50nm)/Ru(5nm)/TaSiN(10nm)/NiSi(40nm)/Si。

图3(a)，具有Cu/Ru/TaN/NiSi/Si结构的平面铜接触工艺样品。

图3(b)，在线XRD测试谱(In-situ XRD)，在线退火升温速率为0.2℃/s。样品结构分别为Cu(50nm)/Ru(5nm)/TaSiN(10nm)/NiSi(40nm)/Si。

图中标号：1为介质层，2为接触孔，3为金属硅化物，4为扩散阻挡层，5为黏附层，6为铜籽晶层，7为电镀层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方法作进一步描述，但本发明不仅限于实例。

实施例1