[发明专利]铜互连的扩散阻挡层、半导体器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种铜互连的扩散阻挡层、半导体器件及其制造方法。

背景技术

随着集成电路集成度的不断提高，Al作为内连线材料其性能已难以很好满足集成电路的要求。Cu较Al具有低的电阻率和高的抗电迁移能力在深亚微米技术中得到广泛的应用。然而，Cu又是导致器件失效的元凶，这主要因为Cu是一种重金属，在高温和加电场的情况下，可以在半导体硅片和二氧化硅中快速扩散，引起器件可靠性方面的问题。所以，在Cu布线层和介质隔离层之间，必须加上防止Cu扩散的扩散阻挡层材料，例如TaN、TiSiN、Ta等来实现防止Cu扩散的目的。

同时，随着芯片集成度的提高，互连引线变得更细、更窄、更薄，因此其中的电流密度越来越大。在较高的电流密度作用下，互连引线中的金属原子将会沿着电子运动方向进行迁移，这种现象就是电迁移(EM)。电迁移能使IC中的互连引线在工作过程中产生断路或短路，是引起集成电路失效的一种重要机制。所以，在Cu布线层和介质隔离层之间加上扩散阻挡层材料还可以阻止Cu发生电迁移，另外可以提高Cu和介质隔离层地粘附性。

以往公开的专利或者文献对Cu布线层和介质隔离层之间的扩散阻挡层有很多的公开和报道，如公开号为2004/0152301和2004/0152330以及2005/0023686的美国专利申请通过在Cu布线层和介质隔离层之间添加扩散阻挡层如Ta和TaN、金属氮化物以及WSiN材料来防止Cu向介质隔离层进行扩散，然而对于Cu向金属Al中的扩散未公开防止措施。在深亚微米工艺中，在顶层Cu布线层上制作的引出金属垫仍然采用Al，由于Cu会向Al 垫层中进行扩散，发生反应生成电阻率较大的CuAl₂，因此必须在顶层Cu布线层和金属 Al垫层之间引入防扩散层。

Ta是一种很有吸引力的Cu的扩散阻挡层，Ta的氮化物比如TaN是一种Cu和F离子的有效阻挡层，目前在Cu互连工艺中正得到广泛的应用。但是在通常工艺中，形成的TaN结构比较疏松，防止Cu扩散的能力较弱。

传统的铜互连结构如图1所示，包括在下层铜线100上形成的低介电常数介质层 101，在低介电常数介质层101中形成有互连接触孔，覆盖所述互连通孔的底壁和侧壁形成有抗铜扩散阻挡层103，在所述互连通孔内所述抗铜扩散阻挡103之上形成有铜互连接触孔102。如上所述，在集成电路中采用铜互连结构，必须使用扩散阻挡层来防止铜在低介电常数介质层101内和界面间的扩散，并提高上下层铜线的结合力，以提高抗电迁移和应力迁移能力，提高上下层互联的可靠性寿命。

随着半导体器件尺寸的不断缩小以及低机械强度的超低介电质材料的应用，使得扩散阻挡层起着越来越关键的作用，因此在现代铜互连集成电路中，扩散阻挡层与周边材料的黏附性和结合力也越来越重要。

然而，目前应用的扩散阻挡层多为单层钽薄膜材料或氮化钽-钽双层薄膜材料，但在可靠性测试中，特别容易在如图1中扩散阻挡层103与下层铜线100之间的界面处出现问题，严重影响产品的质量和寿命，尤其是电迁移性能和应力迁移性能。

发明内容

为了实现本发明的发明目的，本发明提供一种铜互连的扩散阻挡层、半导体器件及其制造方法，用来提高扩散阻挡层与下层铜线的粘附性和结合力，并提高铜互连抗电迁移和抗应力迁移等可靠性性能。

本发明提供的铜互连的扩散阻挡层，用于接触孔的铜集成应用中，该接触孔形成于低介电常数介质层中，所述低介电常数介质层位于下层铜线层之上，该接触孔的底部和侧壁形成有扩散阻挡层，该扩散阻挡层包括：

第一钽层，覆盖于该接触孔的底部；

氮化钽层，覆盖于该接触孔的侧壁；以及

第二钽层，覆盖于该第一钽层和氮化钽层之上。

进一步地，该接触孔底部上的第一钽层和第二钽层之间还覆盖有氮化钽层，形成接触孔底部的钽-氮化钽-钽的夹心层叠结构。

进一步地，该第一钽层、第二钽层和氮化钽层通过PVD、MOCVD或ALD方法沉积，厚度分别为0.5nm-200nm。

本发明还提供一种具有上述扩散阻挡层的铜互连半导体器件，其包括下层铜线层、铜线层之上的低介电常数介质层以及低介电常数介质层中形成的接触孔，该接触孔的底部和侧壁形成有扩散阻挡层，该扩散阻挡层包括：

第一钽层，覆盖于该接触孔的底部；

氮化钽层，覆盖于该接触孔的侧壁；以及

第二钽层，覆盖于该第一钽层和氮化钽层之上。