專(zhuān)利名稱(chēng)：具有金屬互連的半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件的金屬互連及其制造方法。
背景技術(shù)：
由于半導(dǎo)體器件已經(jīng)變得高度集成并以高速操作，所以銅互連得到了迅 速開(kāi)發(fā)。銅互連利用了電阻比鋁或鋁合金小的銅(銅已經(jīng)被廣泛用作半導(dǎo)體 器件中的互連材料)，并具有相對(duì)高的電阻率和高電遷移率。
由于半導(dǎo)體器件的尺寸已經(jīng)減小，所以需要利用銅的金屬互連的尺寸減
小。同樣，由于銅金屬互連的顆粒尺寸(grain size)也已在逐漸減小，所以 電流可集中于顆粒邊界處。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例提供一種半導(dǎo)體器件的金屬互連及其制造方法，其中沉 積用于銅金屬互連的銅籽晶層并隨后用離子注入法以鋁成分進(jìn)行摻雜，并通 過(guò)熱處理工藝形成Cu-Al合金層，從而使半導(dǎo)體器件的可靠性得以提高。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目標(biāo)，提供了一種用于制造半導(dǎo)體器件的金屬互連的 方法，該方法包括以下步驟在包含下部互連的半導(dǎo)體襯底上形成電介質(zhì)層； 在層間電介質(zhì)層中形成暴露出下部互連的溝槽；在溝槽中和電介質(zhì)層上形成 擴(kuò)散阻擋件；在擴(kuò)散阻擋件上形成銅籽晶層；將金屬摻雜劑注入銅籽晶層內(nèi)； 在內(nèi)部注入了金屬摻雜劑的銅籽晶層上形成銅金屬互連；以及由銅籽晶層和 金屬摻雜劑形成合金層。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目標(biāo)，提供了一種具有金屬互連的半導(dǎo)體器件，包括: 電介質(zhì)層，位于包含下部互連的半導(dǎo)體襯底上；溝槽，位于該電介質(zhì)層中； 擴(kuò)散阻擋件，位于該溝槽中并在該電介質(zhì)層上；合金層，位于該擴(kuò)散阻擋件 上；以及銅互連，位于該合金層上。


圖1至圖6是剖視圖，依序示出用于制造根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的半 導(dǎo)體器件的金屬互連的過(guò)程。
具體實(shí)施例方式
以下將參考附圖，詳細(xì)描述半導(dǎo)體器件的金屬互連及其制造方法。 圖6是剖視圖，示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的金屬互連。 參考圖6，層間電介質(zhì)層20形成于半導(dǎo)體襯底10上(下部互連15形成 于半導(dǎo)體襯底10中)。電介質(zhì)層20可包括一層或多層電介質(zhì)材料，例如二 氧化硅(可用氟或硼和/或磷摻雜，和/或可包括等離子體硅烷(plasma silane) 和/或TEOS基氧化物)、氮化硅(例如可起到蝕刻停止件作用)，富硅氧化 硅(silicon rich oxide，SRO)、"黑鉆石(black diamond)"(例如，硅和碳 的氧化物[SiCxOy，其中x—般小于l而y為從大約2到大約2^1+x)]，還可 包含氫)。在一個(gè)實(shí)施例中，層間電介質(zhì)層20包括連續(xù)疊置的氮化硅層、第 一氧化硅層(例如USG)、氟硅酸鹽玻璃(FSG)、及一個(gè)或多個(gè)第二氧化 硅層(例如USG/TEOS雙層)。
暴露出下部互連15的溝槽100 (例如參看圖1-4)形成于層間電介質(zhì)層 20中。在附圖所示實(shí)施例中，溝槽100包括"雙鑲嵌(dual damascene)" 結(jié)構(gòu)(即，電介質(zhì)層20中的溝槽以及位于暴露出下部互連15的溝槽中的導(dǎo) 孔)。
擴(kuò)散阻擋件30形成于層間電介質(zhì)層20上，包含于溝槽中，為的是防止 銅材料擴(kuò)散。典型地，擴(kuò)散阻擋件30包含TaN或TiN，優(yōu)選包含TaN，且 更優(yōu)選的是位于包含Ti、 Ta的粘合劑層或上面帶有另一種金屬(例如Ru) 的雙層上。
Cu-Al合金層60形成于擴(kuò)散阻擋件30上，而銅金屬互連70形成于Cu-Al 合金層60上。
如上所述，Cu-Al合金層60形成于擴(kuò)散阻擋件30上，并且上面再形成 銅金屬互連70，因此能夠提高擴(kuò)散阻擋件30與銅金屬互連70之間界面的粘 合力，從而提高器件的可靠性。
以下將參考圖1至圖6詳細(xì)描述制造半導(dǎo)體器件中具有如上所述結(jié)構(gòu)的 金屬互連的方法。參考圖1，在半導(dǎo)體襯底10上形成層間電介質(zhì)層20，在半導(dǎo)體襯底10 中形成下部互連，且隨后通過(guò)蝕刻工藝形成暴露出下部互連15的溝槽IOO(或 "雙鑲嵌"溝槽和導(dǎo)孔)，或在雙鑲嵌情況下完成兩道連續(xù)的光刻和蝕刻工 藝，其中一道工藝形成溝槽而另一道工藝形成導(dǎo)孔。例如，層間電介質(zhì)層20 可包括氧化物層和/或其它層，如上所述。此外，下部互連15可包含諸如鋁 或銅之類(lèi)材料(例如導(dǎo)體)。盡管圖中未示，可在半導(dǎo)體襯底10的場(chǎng)區(qū)上或場(chǎng)區(qū)中形成場(chǎng)氧化物層， 以便限定半導(dǎo)體襯底10的有源區(qū)，并可在有源區(qū)上或有源區(qū)中形成晶體管的 源極、漏極和柵極。隨后利用雙鑲嵌工藝，在電介質(zhì)層20中形成預(yù)定圖案， 從而形成暴露出下部互連15的溝槽100 (和導(dǎo)孔)。參考圖2，在層間電介質(zhì)層20上和溝槽100中形成擴(kuò)散阻擋件30，以便 防止其后填充到溝槽100中的銅擴(kuò)散到層間電介質(zhì)層20內(nèi)。例如，擴(kuò)散阻擋 件30可包含Ta、 TaN、 TiSiN或TaSiN，并且可用物理汽相沉積(PVD)、 化學(xué)氣相沉積(CVD)或原子層沉積(Atomic Layer Deposition, ALD)來(lái)形 成。隨后，沿?cái)U(kuò)散阻擋件30的階梯部分，在擴(kuò)散阻擋件30上形成銅籽晶層 40，以使得后續(xù)的金屬沉積工藝能夠容易地執(zhí)行。例如，銅籽晶層40可用 PVD工藝、CVD工藝或ALD工藝來(lái)形成。參考圖3和圖4，利用離子注入法將鋁摻雜劑50注入銅籽晶層40內(nèi)。 鋁摻雜劑50可通過(guò)蒸發(fā)Al2Cb、濺射元素Al或通過(guò)將三甲基鋁(Trimethyl Al， TMA)、氫化鋁(A12H6)或三鹵化鋁(例如A1F3、 A1C13)離子化來(lái)形成。 例如，根據(jù)離子注入的工藝條件，能量為3 KeV至7KeV，離子注入量為1015 至10"離子/cm2，而傾斜角為0。。因此，鋁摻雜劑50是在上述工藝條件下 注入的，所以鋁摻雜劑50均勻分布在銅籽晶層40上。注入鋁摻雜劑50的理由包括:鋁能夠形成像A1203這樣的高密度鈍化層， 并且鋁具有極好的粘合力，因而能在后續(xù)工藝中提高銅金屬互連70與擴(kuò)散阻 擋件30之間的粘合力。當(dāng)如上所述將鋁摻雜劑50注入銅籽晶層40內(nèi)的時(shí)候， 有些鋁摻雜劑50注入銅籽晶層40內(nèi)而其余鋁摻雜劑50則出現(xiàn)在銅籽晶層 40的表面上。
參考圖5，銅金屬互連70形成于內(nèi)部注入了鋁摻雜劑50的銅籽晶層40 上，包括層間電介質(zhì)層20上的溝槽100中。例如，可用電化學(xué)鍍(Electro Chemical Plating, ECP)法，化學(xué)鍍法或PVD法來(lái)形成銅金屬互連70。參考圖6，對(duì)上面形成了銅金屬互連70的層間電介質(zhì)層20執(zhí)行熱處理 工藝。隨著熱處理工藝的執(zhí)行，鋁摻雜劑50與銅金屬互連70反應(yīng)，從而形 成擴(kuò)散阻擋件30與銅金屬互連70之間的Cu-Al合金層60。鋁與銅以1: 2 的原子比發(fā)生反應(yīng)，從而形成Cu2Al。這是因?yàn)殂~和鋁具有相同的晶體結(jié)構(gòu) 和類(lèi)似的晶格常數(shù)，且因此而能通過(guò)熱反應(yīng)容易地形成Cu2Al。例如在熱處理工藝中，溫度可以從100。C至300 。C，可注射N(xiāo)2或其它 惰性氣體以防止氧化，和/或可在從103托至107托的真空氣氛中執(zhí)行工藝。 通過(guò)這種方式，即可通過(guò)熱處理工藝在擴(kuò)散阻擋件30與銅金屬互連70之間 形成Cu-Al合金層60，因此能夠提高擴(kuò)散阻擋件30與銅金屬互連70之間界 面的粘合力，從而提高器件的可靠性。盡管圖中未示，可通過(guò)化學(xué)機(jī)械平坦化(Chemical Mechanical Planarization, CMP)工藝將銅金屬互連70平坦化。在銅金屬互連70的平坦 化工藝中，可用層間電介質(zhì)層20或擴(kuò)散阻擋件30作為蝕刻停止層。在本發(fā)明的金屬互連及其制造方法中，在用鑲嵌或雙鑲嵌圖案在所形成 的溝槽中沉積擴(kuò)散阻擋件和銅籽晶層之后，通過(guò)離子注入工藝將鋁摻雜劑注 入銅籽晶層內(nèi)，并隨后通過(guò)熱處理工藝穩(wěn)定地形成Cu-Al合金層，因此能夠 提高銅金屬互連與擴(kuò)散阻擋件之間的粘合力，從而提高銅金屬互連的可靠性。在本說(shuō)明書(shū)中，任何對(duì)"一個(gè)實(shí)施例"、"一實(shí)施例"、"示例性實(shí)施 例"等等的引用都意味著，聯(lián)系該實(shí)施例描述的特定的特征、結(jié)構(gòu)、或特性 包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中。在本說(shuō)明書(shū)中多處出現(xiàn)的之類(lèi)用語(yǔ)并不 一定全都參考相同的實(shí)施例。此外，當(dāng)聯(lián)系任一實(shí)施例描述特定的特征、結(jié) 構(gòu)、或特性時(shí)，應(yīng)認(rèn)為聯(lián)系其它實(shí)施例來(lái)實(shí)現(xiàn)這類(lèi)特征、結(jié)構(gòu)、或特性處于 本領(lǐng)域技術(shù)人員的范圍內(nèi)。盡管以上參考多個(gè)說(shuō)明性實(shí)施例，描述了本發(fā)明的實(shí)施例，應(yīng)理解，本 領(lǐng)域技術(shù)人員可構(gòu)思出許多落入本說(shuō)明書(shū)所公開(kāi)原理的范圍內(nèi)的其它修改方 案和實(shí)施例。更具體地說(shuō)，在本發(fā)明的說(shuō)明書(shū)、附圖以及所附權(quán)利要求的范 圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明主題的組合設(shè)置中的構(gòu)件和/或設(shè)置方式可產(chǎn)生各種各樣的變
例和修改方案。除了對(duì)構(gòu)件和/或設(shè)置方式的變例和修改方案之外，對(duì)本領(lǐng)域 技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，替換用途也是顯而易見(jiàn)的。
權(quán)利要求
1.一種用于制造金屬互連的方法，包括以下步驟在包含下部互連的半導(dǎo)體襯底上形成電介質(zhì)層；在所述電介質(zhì)層中形成暴露出所述下部互連的溝槽；在所述電介質(zhì)層上和所述溝槽中形成擴(kuò)散阻擋件；在所述擴(kuò)散阻擋件上形成銅籽晶層；將金屬摻雜劑注入所述銅籽晶層內(nèi)；在內(nèi)部注入了所述金屬摻雜劑的所述銅籽晶層上形成銅金屬互連；及由所述銅籽晶層和所述金屬摻雜劑形成合金層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中形成所述合金層的步驟包括使用熱 處理工藝。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述金屬摻雜劑包含鋁離子。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述合金層包括Cu-Al合金層。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述鋁離子是由八1203或三甲基鋁 產(chǎn)生的。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述合金層包含CU2A1。
7. —種具有金屬互連的半導(dǎo)體器件，包括 電介質(zhì)層，位于包含下部互連的半導(dǎo)體襯底上； 溝槽，位于該電介質(zhì)層中；擴(kuò)散阻擋件，位于所述溝槽中和所述層間電介質(zhì)層上； 合金層，位于所述擴(kuò)散阻擋件上；以及 銅互連，位于所述合金層上。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體器件，其中所述合金層包括Cu-Al合金層。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體器件，其中所述合金層包含CU2A1。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種半導(dǎo)體器件及用于制造半導(dǎo)體器件的金屬互連的方法。上述方法包括以下步驟在包含下部互連的半導(dǎo)體襯底上形成電介質(zhì)層，在層間電介質(zhì)層中形成暴露出下部互連的溝槽，在溝槽中和在層間電介質(zhì)層上形成擴(kuò)散阻擋件，在擴(kuò)散阻擋件上形成銅籽晶層，將金屬摻雜劑注入銅籽晶層內(nèi)，在內(nèi)部注入了金屬摻雜劑的銅籽晶層上形成銅金屬互連，以及由銅籽晶層和金屬摻雜劑形成合金層。
文檔編號(hào)H01L21/768GK101211822SQ20071015372
公開(kāi)日2008年7月2日 申請(qǐng)日期2007年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月27日
發(fā)明者李漢春 申請(qǐng)人:東部高科股份有限公司