[发明专利]一种采用新型合金籽晶层的铜互连结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体集成电路制造技术领域，具体涉及一种铜互连结构及其制备方法。

背景技术

IC制造技术在2000年进入了纳米科技时代，当时制造出集成电路的最小特征尺寸已小于100nm,IC工业每两年应用一种新制造技术，使特征尺寸缩小30%，同时使每一代的器件的集成度提高两倍（摩尔定律）。已经展示的IC晶体管的尺寸可以一直缩小到10nm以下有效地运行，然而，需要对很多材料进行替换或者改进以用于更先进的制造工艺，纳米结构的材料为延续硅技术和摩尔定律到本世纪的第二个十年提供了革新的机会，但是还存在一些重大的挑战性问题需要加以克服。

随着晶体管特征尺寸的缩小，互连线的尺寸和间距都在减小，而互连线的电阻和相邻金属互连线间的耦合电容会增大，为了降低互连线的电阻，业界已采用金属铜来代替铝，但是必须将铜包裹在阻挡层中来防止铜扩散到硅中并损伤晶体管。层间介质用机械强度较弱的低介电常数材料所取代。

互连中另一个主要挑战是要显著减小包裹互连线的阻挡层厚度。当互联线的特征尺寸减小时，电阻较大的阻挡层将成为互连线剖面的重要部分，使其导电性能退化，因此，需要一种更薄的阻挡层，但仍能保持有效且与可能的纳米多孔低介质材料兼容。这就需要采用能对组分和厚度进行原子层控制新的生长工艺技术。随着超大规模集成电路（VLSI）的发展，封装密度不断提高使得电路元器件越来越密，导致了VLSI金属互连线的截面积和线间距持续下降。增加的互连线电阻R和寄生电容C使得互连线的时间常数RC大幅度的提高。这时，IC的速度将会从逻辑门延时时间控制变为由互连线的时间常数RC起主要的控制作用。而要从根本上来解决这个问题需要用更低的电阻率材料来取代目前的铝。

与铝相比，铜具有电阻率低，抗电迁移和应力迁移特性好等优点，因此铜是一种比较理想的互连材料。铜的导电性比铝好，铜除了低电阻的特性外，还有较好的抗电迁移能力和无应力迁移的特性。并且导热性也比铝好，但铜也有很多缺点，容易在硅和氧化物中扩散，在制造器件过程中，铜的这些特性会使器件性能退化甚至失效。因此，必须防止铜污染。为了解决这些问题，需要找到能够阻止铜向硅或介质中扩散的阻挡层材料，可以使用PVD技术生长TaN/Ta阻挡层。

目前，电镀铜籽晶层采用PVD技术生长一层籽晶层薄膜，而采用PEALD技术来生长Co-Ru材料作为籽晶层，可以提电镀铜与籽晶层的粘附特性。

发明内容  

本发明的目的在于提供一种采用新型合金籽晶层的铜互连结构及其制备方法，以改善电镀铜与籽晶层的粘附特性。

本发明提供的铜互连结构，是以现有铜互连结构为基础，其改进之处在于利用等离子原子层淀积(PEALD)技术在沟槽或通孔上生长一层Co-Ru，作为电镀铜籽晶层，以改善集成电路特征尺寸不断减少导致RC延迟大的缺点，提升半导体芯片的性能。 

本发明提供的铜互连结构的制备方法，具体步骤如下：

化学清洗硅基衬底； 

在硅基衬底上依次形成一层刻蚀阻挡层、绝缘介质层；

通过光刻、刻蚀工艺，定义出互连位置，形成金属沟槽、接触孔或通孔；

在上述步骤形成的结构上，利用PVD设备生长TaN/Ta薄膜，作为扩散阻挡层；

利用等离子原子层淀积(PEALD)技术在沟槽或通孔上生长一层Co-Ru，作为电镀铜籽晶层； 

再直接电镀铜，获得铜互连结构；

最后用化学机械抛光工艺平整化晶片表面。

进一步地，上述方法中所述的刻蚀阻挡层材料为氮化硅。所述的绝缘介质层材料为SiO₂、SiOF、SiCOH或多孔的SiCOH。 

所述的Co-Cu薄膜，采用PEALD生长技术，使用的Co-Cu反应前驱体为Co(Cp)₂和

Ru(Cp)₂，再通入NH₃或H₂等还原气体，生长温度为200~400^oC, 反应的基压在1~4 Torr。