專利名稱：半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路制造領(lǐng)域，特別是涉及一種半導(dǎo)體器件及其制造方法。
背景技術(shù)：
隨著集成電路集成度的不斷提高，鋁作為內(nèi)連線材料其性能已難以滿足集成電路的要求，銅較鋁具有低的電阻率和更高的抗電遷移能力，因此在深亞微米技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，銅又是導(dǎo)致半導(dǎo)體器件失效的元兇，這主要是因?yàn)殂~是一種重金屬，在高溫和加電場的情況下，可以在半導(dǎo)體硅片和二氧化硅中快速擴(kuò)散，引起器件可靠性方面的問題。因此，業(yè)界通常在銅布線層上形成擴(kuò)散阻擋層，所述擴(kuò)散阻擋層的材料通常選自氮化硅或碳化硅等比較致密的介電材料，以防止銅原子擴(kuò)散到銅布線層上方的鋁焊墊中或其它布線層中。具體請(qǐng)參考圖1，其為現(xiàn)有的半導(dǎo)體器件的示意圖。如圖1所示，現(xiàn)有的半導(dǎo)體器件包括半導(dǎo)體襯底110、形成于半導(dǎo)體襯底110上的介質(zhì)層120、貫穿介質(zhì)層120的開口、 填充在所述開口內(nèi)的銅布線層130、以及覆蓋所述銅布線層130和介質(zhì)層120的擴(kuò)散阻擋層 140。其中，所述擴(kuò)散阻擋層140的材料通常為氮化硅或碳化硅等比較致密的可防止銅擴(kuò)散的介電材料。然而，隨著芯片集成度越來越高，互連線變得更細(xì)、更窄、更薄，因此，其中的電流密度也越來越大。而銅布線層130與擴(kuò)散阻擋層140的粘附性不是十分理想，在較高的電流密度作用下，銅布線層130中的銅原子仍然會(huì)沿著銅布線層130與擴(kuò)散阻擋層140的邊界進(jìn)行擴(kuò)散和電遷移(EM)，導(dǎo)致在銅布線層130中出現(xiàn)空洞(void) 131，使得互連線在工作過程中產(chǎn)生短路或斷路現(xiàn)象，成為引起集成電路失效的一種重要機(jī)制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體器件及其制造方法，以解決現(xiàn)有的半導(dǎo)體器件中的銅原子易發(fā)生電遷移的問題。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體器件，所述半導(dǎo)體器件包括半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上形成有介質(zhì)層以及貫穿所述介質(zhì)層的開口 ；填充在所述開口內(nèi)的銅布線層和銅合金層，所述銅合金層覆蓋銅布線層；形成于所述介質(zhì)層和銅合金層上的擴(kuò)散阻擋層?？蛇x的，在所述的半導(dǎo)體器件中，所述銅合金層的材料為銅錳合金，所述銅錳合金中錳的重量百分比小于15%?？蛇x的，在所述的半導(dǎo)體器件中，所述銅合金層的材料為銅鋁合金，所述銅鋁合金中鋁的重量百分比小于15%?？蛇x的，在所述的半導(dǎo)體器件中，所述銅合金層的材料為銅銀合金，所述銅銀合金中銀的重量百分比小于15%。
可選的，在所述的半導(dǎo)體器件中，所述銅合金層的材料為銅錫合金，所述銅錫合金中錫的重量百分比小于15%?？蛇x的，在所述的半導(dǎo)體器件中，所述銅合金層的材料為銅鋯合金，所述銅鋯合金中鋯的重量百分比小于15%?？蛇x的，在所述的半導(dǎo)體器件中，所述銅合金層的材料為銅釕合金，所述銅釕合金中釕的重量百分比小于15%。可選的，在所述的半導(dǎo)體器件中，所述銅合金層的厚度為20A 100 A?？蛇x的，在所述的半導(dǎo)體器件中，擴(kuò)散阻擋層的材料為氮化硅或碳化硅或摻氮的碳化硅。相應(yīng)的，本發(fā)明還提供一種半導(dǎo)體器件制造方法，包括提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上形成有介質(zhì)層以及貫穿介質(zhì)層的開口 ；在所述開口內(nèi)形成銅布線層，所述銅布線層的表面低于介質(zhì)層的表面；在所述開口內(nèi)形成銅合金層，所述銅合金層覆蓋銅布線層； 在所述介質(zhì)層以及銅合金層上形成擴(kuò)散阻擋層。可選的，在所述的半導(dǎo)體器件制造方法中，在所述開口內(nèi)形成銅布線層的步驟包括在開口內(nèi)形成銅布線層薄膜，所述銅布線層薄膜的表面與介質(zhì)層的表面齊平；去除部分厚度的銅布線層薄膜，以在所述開口內(nèi)形成銅布線層?？蛇x的，在所述的半導(dǎo)體器件制造方法中，利用回刻蝕的方式去除部分厚度的銅布線層薄膜。可選的，在所述的半導(dǎo)體器件制造方法中，在所述開口內(nèi)形成銅合金層的步驟包括在開口內(nèi)形成銅合金層薄膜，所述銅合金層薄膜覆蓋銅布線層和介質(zhì)層表面；去除介質(zhì)層表面的銅合金層薄膜，以在所述開口內(nèi)形成銅合金層。可選的，在所述的半導(dǎo)體器件制造方法中，利用物理氣相沉積的方式在所述開口內(nèi)形成銅合金層薄膜?？蛇x的，在所述的半導(dǎo)體器件制造方法中，利用化學(xué)機(jī)械研磨的方式去除介質(zhì)層表面的銅合金層薄膜。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明在銅布線層上形成了銅合金層， 所述銅合金層與擴(kuò)散阻擋層的粘附性較好，且所述銅合金層在受熱情況下可析出合金的金屬，所述合金的金屬與擴(kuò)散阻擋層的粘附性優(yōu)于銅與擴(kuò)散阻擋層的粘附性，因此，可防止銅原子沿銅合金層與擴(kuò)散阻擋層的邊界進(jìn)行擴(kuò)散和電遷移，進(jìn)而防止銅布線層中出現(xiàn)空洞， 提高了半導(dǎo)體器件的性能。


圖1為現(xiàn)有的半導(dǎo)體器件的示意圖；圖2為本發(fā)明一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的示意圖；圖3為本發(fā)明一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件制造方法的流程圖；圖4A 4F為本發(fā)明一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件制造方法的剖面示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的核心思想在于，提供一種半導(dǎo)體器件及其制造方法，所述半導(dǎo)體器件在銅布線層上形成了銅合金層，由于所述銅合金層整體與擴(kuò)散阻擋層的粘附性較好，且所述銅合金層在受熱情況下可析出合金的金屬，所述合金金屬與擴(kuò)散阻擋層粘附性優(yōu)于銅與擴(kuò)散阻擋層的粘附性，因此，可防止銅原子沿銅合金層與擴(kuò)散阻擋層的邊界進(jìn)行擴(kuò)散和電遷移，進(jìn)而防止銅布線層中出現(xiàn)空洞，提高了半導(dǎo)體器件的性能。請(qǐng)參考圖2，其為本發(fā)明一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件示意圖。如圖2所示，半導(dǎo)體器件包括半導(dǎo)體襯底210，所述半導(dǎo)體襯底210上形成有介質(zhì)層220以及貫穿介質(zhì)層220的開口(未圖示)；填充在所述開口內(nèi)的銅布線層230和銅合金層250，所述銅合金層250覆蓋銅布線層230 ；以及形成于所述介質(zhì)層220和銅合金層250上的擴(kuò)散阻擋層M0。由于銅合金層250整體與擴(kuò)散阻擋層MO的粘附性較好，且所述銅合金層250在受熱情況下可析出合金的金屬，所述合金金屬與擴(kuò)散阻擋層MO的粘附性大大優(yōu)于銅與擴(kuò)散阻擋層MO的粘附性，所述銅合金層250的存在，可防止銅原子沿銅合金層250與擴(kuò)散阻擋層240的邊界進(jìn)行擴(kuò)散和電遷移，進(jìn)而防止銅布線層230中出現(xiàn)空洞，提高了半導(dǎo)體器件的性能。在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例中，銅合金層250的材料為銅錳合金(CuMn)，其中，所述銅錳合金中錳的重量百分比小于15%。所述銅錳合金在受熱情況下(例如通電流導(dǎo)致的受熱情況下)可析出錳，錳與擴(kuò)散阻擋層成鍵，使得銅合金層250與擴(kuò)散阻擋層240的粘附性更佳，可最大程度的防止銅原子通過銅合金層250與擴(kuò)散阻擋層240的邊界進(jìn)行擴(kuò)散和電遷移。在本發(fā)明的另一個(gè)具體實(shí)施例中，所述銅合金層的材料也可以為銅鋁合金 (CuAl)，所述銅鋁合金中鋁的重量百分比小于15%。在本發(fā)明的又一個(gè)具體實(shí)施例中，所述銅合金層的材料還可以為銅銀合金 (CuAg)，所述銅銀合金中銀的重量百分比小于15%。在本發(fā)明的再一個(gè)具體實(shí)施例中，所述銅合金層的材料還可以為銅錫合金 (CuSn)，所述銅錫合金中錫的重量百分比小于15%。當(dāng)然，本發(fā)明的銅合金層的材料并不局限于上述描述，只要是可與擴(kuò)散阻擋層具有較佳的粘附性能的銅合金材料均可。例如，所述銅合金層的材料還可以是銅鋯合金 (Cu&)，所述銅鋯合金中鋯的重量百分比小于15% ；或者，所述銅合金層的材料為銅釕合金 (CuRu)，所述銅釕合金中釕的重量百分比小于15%?？梢岳斫獾氖?，上述銅合金材料中銅與其它金屬的重量百分比不局限于上述描述的百分比，本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)實(shí)際要獲得粘附效果及電性能相應(yīng)的調(diào)整所述銅合金層中銅與其它金屬的重量百分比。在本實(shí)施例中，所述銅合金層250的厚度優(yōu)選為20人~100人,該較薄的厚度在防止銅原子沿銅合金層250與擴(kuò)散阻擋層MO的邊界進(jìn)行擴(kuò)散和電遷移的前提下，還可保證半導(dǎo)體器件具有較佳的導(dǎo)電性能，并且，較薄的銅金屬層250有利于加工制造。當(dāng)然，所述銅合金層250的厚度并不局限于上述描述，在本發(fā)明其它實(shí)施例中，也可根據(jù)實(shí)際要獲得器件電參數(shù)來調(diào)整銅合金層的厚度。在本實(shí)施例中，所述擴(kuò)散阻擋層MO的材料為氮化硅或碳化硅或摻氮的碳化硅， 所述氮化硅或碳化硅或摻氮的碳化硅比較致密，因此防擴(kuò)散效果較佳。當(dāng)然，所述擴(kuò)散阻擋層的材料還可以是其它與銅合金層具有較佳粘附性，且可防止銅原子擴(kuò)散的介電材料。相應(yīng)的，本發(fā)明還提供一種半導(dǎo)體器件的制造方法，具體請(qǐng)參考圖3，其為本發(fā)明一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件制造方法的流程示意圖，如圖3所示，所述半導(dǎo)體器件的制造方法包括以下步驟步驟S30，提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上形成有介質(zhì)層以及貫穿所述介質(zhì)層的開口 ；步驟S31，在開口內(nèi)形成銅布線層，所述銅布線層的表面低于介質(zhì)層的表面；步驟S32，在所述開口內(nèi)形成銅合金層，所述銅合金層覆蓋銅布線層；步驟S33，在所述介質(zhì)層以及銅合金層上形成擴(kuò)散阻擋層。下面將結(jié)合剖面示意圖對(duì)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件進(jìn)行更詳細(xì)的描述，其中表示了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，應(yīng)該理解本領(lǐng)域技術(shù)人員可以修改在此描述的本發(fā)明，而仍然實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的有利效果。因此，下列描述應(yīng)當(dāng)被理解為對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員的廣泛知道，而并不作為對(duì)本發(fā)明的限制。參照?qǐng)D4A，首先，提供半導(dǎo)體襯底410，所述半導(dǎo)體襯底410上形成有介質(zhì)層420 以及貫穿介質(zhì)層420的開口 421。其中，所述介質(zhì)層420可以為單層或多層，所述介質(zhì)層420的材料可以是二氧化硅、硼磷硅玻璃(BPSG)、磷硅玻璃(PSG)、氮化硅、氮氧化硅中的一種或其任意組合?？衫没瘜W(xué)氣相沉積的方式在半導(dǎo)體襯底410上形成介質(zhì)層420，并利用光刻和刻蝕工藝形成貫穿介質(zhì)層420的開口 421參照?qǐng)D4B，然后，在開口 421內(nèi)形成銅布線層薄膜431，所述銅布線層薄膜431的表面與介質(zhì)層420的表面齊平。在本實(shí)施例中，可利用電鍍的方式形成所述銅布線層薄膜 431。參照?qǐng)D4C，隨后，去除部分厚度的銅布線層薄膜，以在所述開口 421內(nèi)形成銅布線層430。在本實(shí)施例中，可利用回刻蝕(Etch Back)的方式去除部分厚度的銅布線層薄膜。 當(dāng)然，也可利用控制化學(xué)機(jī)械研磨工藝的工藝參數(shù)來實(shí)現(xiàn)去除部分厚度的銅布線層薄膜的目的。參照?qǐng)D4D，其后，在開口 421內(nèi)形成銅合金層薄膜451，所述銅合金層薄膜451覆蓋銅布線層430和介質(zhì)層420表面。在本實(shí)施例中，可利用傳統(tǒng)的物理氣相沉積(PVD)的方式在開口 421內(nèi)形成銅合金層薄膜，在此不再贅述。參照?qǐng)D4E，接著，去除介質(zhì)層420表面的銅合金層薄膜，以在所述開口 421內(nèi)形成銅合金層450。在本實(shí)施例中，利用化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)的方式去除介質(zhì)層表面的銅合金層薄膜，使得所述銅合金層450的表面與介質(zhì)層420的表面齊平，當(dāng)然，所述銅合金層450的表面也可略高或略低于介質(zhì)層420的表面。經(jīng)本申請(qǐng)發(fā)明人長期實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與銅布線層430 相比，所述銅合金層450與后續(xù)形成的擴(kuò)散阻擋層的粘附效果較佳。參照?qǐng)D4F，最后，在介質(zhì)層420以及銅合金層450上形成擴(kuò)散阻擋層440。其中， 所述擴(kuò)散阻擋層440的材料為氮化硅或碳化硅或摻氮的碳化硅，當(dāng)然，所述擴(kuò)散阻擋層440 的材料還可以是其它與銅合金層250具有較佳粘附性，又可防止銅原子擴(kuò)散的材料。在本實(shí)施例中，可利用物理氣相沉積(PVD)的方式形成擴(kuò)散阻擋層440，所述擴(kuò)散阻擋層440的厚度可以為20A 1000 A。在形成所述擴(kuò)散阻擋層440之后，還可利用公知的方法在所述擴(kuò)散阻擋層440上形成鋁焊墊或者其它布線層，所述擴(kuò)散阻擋層440可防止銅原子擴(kuò)散到其它布線層或鋁焊墊中。本發(fā)明并不涉及該部分的改進(jìn)，在此不予詳細(xì)描述。綜上所述，由于本發(fā)明在開口內(nèi)添加了銅合金層，所述銅合金層整體與擴(kuò)散阻擋層的粘附性較好，且所述銅合金層在受熱情況下可析出合金的金屬，所述合金金屬與擴(kuò)散阻擋層的粘附性大大優(yōu)于銅與擴(kuò)散阻擋層的粘附性，因此，可防止銅原子沿銅合金層與擴(kuò)散阻擋層的邊界進(jìn)行擴(kuò)散和電遷移，進(jìn)而防止銅布線層中出現(xiàn)空洞，提高了半導(dǎo)體器件的性能。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，包括半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上形成有介質(zhì)層以及貫穿所述介質(zhì)層的開口 ； 填充在所述開口內(nèi)的銅布線層和銅合金層，所述銅合金層覆蓋銅布線層； 形成于所述介質(zhì)層和銅合金層上的擴(kuò)散阻擋層。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述銅合金層的材料為銅錳合金，所述銅錳合金中錳的重量百分比小于15%。
3.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述銅合金層的材料為銅鋁合金，所述銅鋁合金中鋁的重量百分比小于15%。
4.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述銅合金層的材料為銅銀合金，所述銅銀合金中銀的重量百分比小于15%。
5.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述銅合金層的材料為銅錫合金，所述銅錫合金中錫的重量百分比小于15%。
6.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述銅合金層的材料為銅鋯合金，所述銅鋯合金中鋯的重量百分比小于15%。
7.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述銅合金層的材料為銅釕合金，所述銅釕合金中釕的重量百分比小于15%。
8.如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述銅合金層的厚度為20A 100 A。
9.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述擴(kuò)散阻擋層的材料為氮化硅或碳化硅或摻氮的碳化硅。
10.一種半導(dǎo)體器件制造方法，包括提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上形成有介質(zhì)層以及貫穿介質(zhì)層的開口 ； 在所述開口內(nèi)形成銅布線層，所述銅布線層的表面低于介質(zhì)層的表面； 在所述開口內(nèi)形成銅合金層，所述銅合金層覆蓋銅布線層； 在所述介質(zhì)層以及銅合金層上形成擴(kuò)散阻擋層。
11.如權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體器件制造方法，其特征在于，在所述開口內(nèi)形成銅布線層的步驟包括在開口內(nèi)形成銅布線層薄膜，所述銅布線層薄膜的表面與介質(zhì)層的表面齊平； 去除部分厚度的銅布線層薄膜，以在所述開口內(nèi)形成銅布線層。
12.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體器件制造方法，其特征在于，利用回刻蝕的方式去除部分厚度的銅布線層薄膜。
13.如權(quán)利要求10或12所述的半導(dǎo)體器件制造方法，其特征在于，在所述開口內(nèi)形成銅合金層的步驟包括在開口內(nèi)形成銅合金層薄膜，所述銅合金層薄膜覆蓋銅布線層和介質(zhì)層表面； 去除介質(zhì)層表面的銅合金層薄膜，以在所述開口內(nèi)形成銅合金層。
14.如權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體器件制造方法，其特征在于，利用物理氣相沉積的方式在所述開口內(nèi)形成銅合金層薄膜。
15.如權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體器件制造方法，其特征在于，利用化學(xué)機(jī)械研磨的方式去除介質(zhì)層表面的銅合金層薄膜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種半導(dǎo)體器件及其制造方法，所述半導(dǎo)體器件包括半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上形成有介質(zhì)層以及貫穿所述介質(zhì)層的開口；填充在所述開口內(nèi)的銅布線層和銅合金層，所述銅合金層覆蓋銅布線層；形成于所述介質(zhì)層和銅合金層上的擴(kuò)散阻擋層。本發(fā)明在銅布線層上形成了銅合金層，由于所述銅合金層與擴(kuò)散阻擋層的粘附性較好，且所述銅合金層在受熱情況下可析出合金的金屬，所述合金金屬與擴(kuò)散阻擋層的粘附性大大優(yōu)于銅與擴(kuò)散阻擋層的粘附性，可防止銅原子沿銅合金層與擴(kuò)散阻擋層的邊界進(jìn)行擴(kuò)散和電遷移，進(jìn)而防止銅布線層中出現(xiàn)空洞，提高了半導(dǎo)體器件的性能。
文檔編號(hào)H01L23/532GK102468266SQ20101053424
公開日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2010年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月5日
發(fā)明者何偉業(yè) 申請(qǐng)人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司