[发明专利]一种铜互连结构的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体器件的制造方法，特别涉及一种铜互连结构的制造方法。 

背景技术

随着半导体工艺材料的发展、集成电路制造设备的改进和集成度的提高，半导体器件已经具有深亚微米结构，器件之间的高性能、高密度连接不仅在单个互连层中进行，而且要在多层之间进行互联。因此，通常提供多层互连结构，其中多个互联层互相堆叠，并且层间绝缘膜置于其间，用于连接半导体器件。特别是利用双镶嵌（dual-damascence）工艺形成的多层互连结构，其预先在层间绝缘膜中形成沟槽（trench）和接触孔（via），然后用导电材料填充所述沟槽和接触孔。由于双镶嵌结构能够避免重叠误差以及解决公知金属工艺的限制，多层互连结构已成为金属互联结构的主流技术。

在现有技术中，铜互连结构的上表面和碳氮化硅（SiCN）覆盖层之间的无氧界面会提高粘合力和耐磨性，避免了由于界面处的空隙扩散导致的电迁移和应力诱生空洞。铜金属互连结构和钽金属材料构成的阻障层之间的界面被认为是另一个关键扩散路径，会导致电阻升高和/或接触孔打开失败。由于钽金属比铜更容易氧化，在结晶退火过程中，电化学沉积铜金属薄膜中的氧原子会扩散到钽金属阻障层当中。

因此，目前急需一种铜金属互连的制作方法，来解决上述问题。

发明内容

本发明提出一种铜互连结构的制造方法，改进了铜互连结构的可靠性。

根据本发明提出的方法，包括：

提供半导体基底；

在所述半导体基底上沉积电介质层；

进行沟槽和/或接触孔的刻蚀；

在所述电介质层上以及沟槽和/或接触孔内壁上沉积阻障层和种晶层；

在所述阻障层和种晶层上化学电镀铜金属层；

将铝离子注入到所述铜金属层中；

进行退火处理；

进行铜金属层的化学机械研磨。

其中还包括在沉积所述电介质层之前沉积一覆盖层的步骤。

其中所述电介质层为低介电常数材料。

其中所述阻障层为氮化钽和钽（Ta），或者为氮化钛和钛的双层结构。

其中所述种晶层为纯铜材料。

其中所述种晶层为铜-铝（Cu-Al）合金或铜-锰（Cu-Mn）合金。

铝或锰杂质的原子百分比为0%~3 %。

铝离子注入的参数范围为：注入能量20~100keV，注入剂量1×10¹⁰~1×10²⁰/cm²。

其中所述覆盖层为碳氮化硅材料。

其中所述退火处理的条件为：温度范围150～300℃，时间范围1～10分钟。

在进行化学机械研磨步骤后还包括在所述铜金属层上沉积一顶覆盖层的步骤。

进行沟槽和/或接触孔的刻蚀步骤之前还包括在所述电介质层上形成硬掩膜层，以及在刻蚀之后去除所述硬掩膜层的步骤。

在化学电镀形成铜金属互连结构之后，进行铝离子注入，形成合金层。研究表明，在高温退火过程中，电镀铜金属层表面的铝铜合金层会吸收电镀铜金属层中的氧原子。因此，根据本发明提出的方法，在结晶退火过程中，电镀铜金属互联结构中的氧原子被选择性吸收到铝铜合金层中，从而提高铜金属互连结构的可靠性。 

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的一个实施例及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，

图1A-1K是根据本发明一个实施例制作铜金属互连结构的方法流程中各步骤的截面图；

图2是根据本发明一个实施例制作铜金属互连结构的工艺流程图。

符号说明：

图1

100：半导体衬底、110：覆盖层、120：电介质层、130：硬掩膜层、140：沟槽和/或接触孔、150：阻障层、160：种晶层、170：铜金属层、180：铜铝合金层、190：顶覆盖层。 

具体实施方式

接下来，将结合附图更加完整地描述本发明，附图中示出了本发明的实施例。但是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。