[发明专利]金属互连结构及其形成方法

说明书

一种金属互连结构及其形成方法，所述方法包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底的表面具有金属互连介质层；对所述金属互连介质层进行刻蚀，以形成金属沟槽；在所述金属沟槽内形成合金薄膜，所述合金薄膜覆盖所述金属沟槽的侧壁；在所述金属沟槽内填充金属材料，以形成金属互连线；其中，所述合金薄膜的材料包括Ta与防扩散金属，所述防扩散金属的扩散系数低于所述金属材料的扩散系数。本发明方案可以降低金属互连线中的电阻率以及降低生产成本。

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种金属互连结构及其形成方法。

背景技术

在现有的半导体制造技术中，为了更好的适应器件尺寸按比例缩小的要求，金属互连结构的线宽不断减小，导致容易发生电迁移的问题，进而影响半导体器件的品质及寿命。

以所述金属互连结构采用金属铜为例，由于铜互连结构的线宽减小，微小空穴的尺寸与铜互连结构的线宽的比值明显增大，并且导致铜互连结构失效的空洞的临界尺寸减小，因此容易发生电迁移的问题；此外，由于铜互连结构的线宽较小，晶粒的尺寸也往往较小，导致晶界的面积增大，因此在电迁移应力的作用下，沿晶界的电迁移现象更为明显，也就更容易发生电迁移的问题。

在现有的一种改进技术中，为了改善电迁移，在金属沟槽内先形成TaN薄膜和/或Ta薄膜，然后在TaN薄膜和/或Ta薄膜的表面形成金属互连线，以采用所述TaN薄膜和/或Ta薄膜阻挡铜金属向金属沟槽的侧壁扩散，降低金属铜的电迁移问题，然而，电迁移问题依然存在。

在上述改进技术的基础上，进一步研发出在铜靶材中掺杂防扩散金属，例如锰(Mn)金属，通过形成扩散阻挡层以阻挡铜金属扩散的方法。具体地，Mn可以穿过铜金属层、TaN薄膜和/或Ta薄膜，到达金属沟槽的侧壁，也即金属互连介质层的界面，由于金属互连介质层通常为含氧介质层(例如SiO₂)，则Mn、Ta可以与介质层中的氧发生反应，形成扩散阻挡层Ta_xMn_yO_z，可以更有效地阻挡铜金属向金属沟槽的侧壁扩散，降低金属铜的电迁移问题。

然而在现有技术中，为了使得更多的Mn可以穿过铜金属层、TaN薄膜和/或Ta薄膜到达金属互连介质层的界面，需要提高铜靶材中掺杂的Mn的含量，导致半导体器件的运算速度下降；且在退火工艺中，也需要较长的退火时间，以及较高的退火温度，导致增加生产成本。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种金属互连结构及其形成方法，可以降低金属互连线中的电阻率以及降低生产成本。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种金属互连结构的形成方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底的表面具有金属互连介质层；对所述金属互连介质层进行刻蚀，以形成金属沟槽；在所述金属沟槽内形成合金薄膜，所述合金薄膜覆盖所述金属沟槽的侧壁；在所述金属沟槽内填充金属材料，以形成金属互连线；其中，所述合金薄膜的材料包括Ta与防扩散金属，所述防扩散金属的扩散系数低于所述金属材料的扩散系数。本发明方案可以降低金属互连线中的电阻率以及降低生产成本。

可选的，在所述金属沟槽内形成合金薄膜之前，所述金属互连结构的形成方法还包括：在所述金属沟槽的底部形成TaN沉积层；在所述金属沟槽内形成合金薄膜包括：在所述金属沟槽的底部形成合金沉积层，所述合金沉积层覆盖所述TaN沉积层，所述合金沉积层的材料与所述合金薄膜的材料相同；采用反溅射工艺，对所述金属沟槽内的合金沉积层进行轰击，以在所述金属沟槽的侧壁形成合金薄膜；采用反溅射工艺继续对所述TaN沉积层进行轰击，以在所述合金薄膜的表面形成TaN薄膜。

可选的，在所述金属沟槽内填充金属材料，以形成金属互连线之前，所述的金属互连结构的形成方法还包括：在所述金属沟槽内形成TaN薄膜，所述TaN薄膜覆盖所述合金薄膜。