专利名称：具有金属互连的半导体器件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体器件的金属互连及其制造方法。
背景技术：
由于半导体器件已经变得高度集成并以高速操作，所以铜互连得到了迅 速开发。铜互连利用了电阻比铝或铝合金小的铜(铜已经被广泛用作半导体 器件中的互连材料)，并具有相对高的电阻率和高电迁移率。
由于半导体器件的尺寸已经减小，所以需要利用铜的金属互连的尺寸减
小。同样，由于铜金属互连的颗粒尺寸(grain size)也已在逐渐减小，所以 电流可集中于颗粒边界处。
发明内容
本发明的实施例提供一种半导体器件的金属互连及其制造方法，其中沉 积用于铜金属互连的铜籽晶层并随后用离子注入法以铝成分进行掺杂，并通 过热处理工艺形成Cu-Al合金层，从而使半导体器件的可靠性得以提高。
为了实现本发明的目标，提供了一种用于制造半导体器件的金属互连的 方法，该方法包括以下步骤在包含下部互连的半导体衬底上形成电介质层； 在层间电介质层中形成暴露出下部互连的沟槽；在沟槽中和电介质层上形成 扩散阻挡件；在扩散阻挡件上形成铜籽晶层；将金属掺杂剂注入铜籽晶层内； 在内部注入了金属掺杂剂的铜籽晶层上形成铜金属互连；以及由铜籽晶层和 金属掺杂剂形成合金层。
为了实现本发明的目标，提供了一种具有金属互连的半导体器件，包括: 电介质层，位于包含下部互连的半导体衬底上；沟槽，位于该电介质层中； 扩散阻挡件，位于该沟槽中并在该电介质层上；合金层，位于该扩散阻挡件 上；以及铜互连，位于该合金层上。
图1至图6是剖视图，依序示出用于制造根据本发明示例性实施例的半 导体器件的金属互连的过程。
具体实施例方式
以下将参考附图，详细描述半导体器件的金属互连及其制造方法。 图6是剖视图，示出根据本发明示例性实施例的半导体器件的金属互连。 参考图6，层间电介质层20形成于半导体衬底10上(下部互连15形成 于半导体衬底10中)。电介质层20可包括一层或多层电介质材料，例如二 氧化硅(可用氟或硼和/或磷掺杂，和/或可包括等离子体硅烷(plasma silane) 和/或TEOS基氧化物)、氮化硅(例如可起到蚀刻停止件作用)，富硅氧化 硅(silicon rich oxide，SRO)、"黑钻石(black diamond)"(例如，硅和碳 的氧化物[SiCxOy，其中x—般小于l而y为从大约2到大约2^1+x)]，还可 包含氢)。在一个实施例中，层间电介质层20包括连续叠置的氮化硅层、第 一氧化硅层(例如USG)、氟硅酸盐玻璃(FSG)、及一个或多个第二氧化 硅层(例如USG/TEOS双层)。
暴露出下部互连15的沟槽100 (例如参看图1-4)形成于层间电介质层 20中。在附图所示实施例中，沟槽100包括"双镶嵌(dual damascene)" 结构(即，电介质层20中的沟槽以及位于暴露出下部互连15的沟槽中的导 孔)。
扩散阻挡件30形成于层间电介质层20上，包含于沟槽中，为的是防止 铜材料扩散。典型地，扩散阻挡件30包含TaN或TiN，优选包含TaN，且 更优选的是位于包含Ti、 Ta的粘合剂层或上面带有另一种金属(例如Ru) 的双层上。
Cu-Al合金层60形成于扩散阻挡件30上，而铜金属互连70形成于Cu-Al 合金层60上。
如上所述，Cu-Al合金层60形成于扩散阻挡件30上，并且上面再形成 铜金属互连70，因此能够提高扩散阻挡件30与铜金属互连70之间界面的粘 合力，从而提高器件的可靠性。
以下将参考图1至图6详细描述制造半导体器件中具有如上所述结构的 金属互连的方法。参考图1，在半导体衬底10上形成层间电介质层20，在半导体衬底10 中形成下部互连，且随后通过蚀刻工艺形成暴露出下部互连15的沟槽IOO(或 "双镶嵌"沟槽和导孔)，或在双镶嵌情况下完成两道连续的光刻和蚀刻工 艺，其中一道工艺形成沟槽而另一道工艺形成导孔。例如，层间电介质层20 可包括氧化物层和/或其它层，如上所述。此外，下部互连15可包含诸如铝 或铜之类材料(例如导体)。尽管图中未示，可在半导体衬底10的场区上或场区中形成场氧化物层， 以便限定半导体衬底10的有源区，并可在有源区上或有源区中形成晶体管的 源极、漏极和栅极。随后利用双镶嵌工艺，在电介质层20中形成预定图案， 从而形成暴露出下部互连15的沟槽100 (和导孔)。参考图2，在层间电介质层20上和沟槽100中形成扩散阻挡件30，以便 防止其后填充到沟槽100中的铜扩散到层间电介质层20内。例如，扩散阻挡 件30可包含Ta、 TaN、 TiSiN或TaSiN，并且可用物理汽相沉积(PVD)、 化学气相沉积(CVD)或原子层沉积(Atomic Layer Deposition, ALD)来形 成。随后，沿扩散阻挡件30的阶梯部分，在扩散阻挡件30上形成铜籽晶层 40，以使得后续的金属沉积工艺能够容易地执行。例如，铜籽晶层40可用 PVD工艺、CVD工艺或ALD工艺来形成。参考图3和图4，利用离子注入法将铝掺杂剂50注入铜籽晶层40内。 铝掺杂剂50可通过蒸发Al2Cb、溅射元素Al或通过将三甲基铝(Trimethyl Al， TMA)、氢化铝(A12H6)或三卤化铝(例如A1F3、 A1C13)离子化来形成。 例如，根据离子注入的工艺条件，能量为3 KeV至7KeV，离子注入量为1015 至10"离子/cm2，而倾斜角为0。。因此，铝掺杂剂50是在上述工艺条件下 注入的，所以铝掺杂剂50均匀分布在铜籽晶层40上。注入铝掺杂剂50的理由包括:铝能够形成像A1203这样的高密度钝化层， 并且铝具有极好的粘合力，因而能在后续工艺中提高铜金属互连70与扩散阻 挡件30之间的粘合力。当如上所述将铝掺杂剂50注入铜籽晶层40内的时候， 有些铝掺杂剂50注入铜籽晶层40内而其余铝掺杂剂50则出现在铜籽晶层 40的表面上。
参考图5，铜金属互连70形成于内部注入了铝掺杂剂50的铜籽晶层40 上，包括层间电介质层20上的沟槽100中。例如，可用电化学镀(Electro Chemical Plating, ECP)法，化学镀法或PVD法来形成铜金属互连70。参考图6，对上面形成了铜金属互连70的层间电介质层20执行热处理 工艺。随着热处理工艺的执行，铝掺杂剂50与铜金属互连70反应，从而形 成扩散阻挡件30与铜金属互连70之间的Cu-Al合金层60。铝与铜以1: 2 的原子比发生反应，从而形成Cu2Al。这是因为铜和铝具有相同的晶体结构 和类似的晶格常数，且因此而能通过热反应容易地形成Cu2Al。例如在热处理工艺中，温度可以从100。C至300 。C，可注射N2或其它 惰性气体以防止氧化，和/或可在从103托至107托的真空气氛中执行工艺。 通过这种方式，即可通过热处理工艺在扩散阻挡件30与铜金属互连70之间 形成Cu-Al合金层60，因此能够提高扩散阻挡件30与铜金属互连70之间界 面的粘合力，从而提高器件的可靠性。尽管图中未示，可通过化学机械平坦化(Chemical Mechanical Planarization, CMP)工艺将铜金属互连70平坦化。在铜金属互连70的平坦 化工艺中，可用层间电介质层20或扩散阻挡件30作为蚀刻停止层。在本发明的金属互连及其制造方法中，在用镶嵌或双镶嵌图案在所形成 的沟槽中沉积扩散阻挡件和铜籽晶层之后，通过离子注入工艺将铝掺杂剂注 入铜籽晶层内，并随后通过热处理工艺稳定地形成Cu-Al合金层，因此能够 提高铜金属互连与扩散阻挡件之间的粘合力，从而提高铜金属互连的可靠性。在本说明书中，任何对"一个实施例"、"一实施例"、"示例性实施 例"等等的引用都意味着，联系该实施例描述的特定的特征、结构、或特性 包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书中多处出现的之类用语并不 一定全都参考相同的实施例。此外，当联系任一实施例描述特定的特征、结 构、或特性时，应认为联系其它实施例来实现这类特征、结构、或特性处于 本领域技术人员的范围内。尽管以上参考多个说明性实施例，描述了本发明的实施例，应理解，本 领域技术人员可构思出许多落入本说明书所公开原理的范围内的其它修改方 案和实施例。更具体地说，在本发明的说明书、附图以及所附权利要求的范 围内，对本发明主题的组合设置中的构件和/或设置方式可产生各种各样的变
例和修改方案。除了对构件和/或设置方式的变例和修改方案之外，对本领域 技术人员来说，替换用途也是显而易见的。
权利要求
1.一种用于制造金属互连的方法，包括以下步骤在包含下部互连的半导体衬底上形成电介质层；在所述电介质层中形成暴露出所述下部互连的沟槽；在所述电介质层上和所述沟槽中形成扩散阻挡件；在所述扩散阻挡件上形成铜籽晶层；将金属掺杂剂注入所述铜籽晶层内；在内部注入了所述金属掺杂剂的所述铜籽晶层上形成铜金属互连；及由所述铜籽晶层和所述金属掺杂剂形成合金层。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中形成所述合金层的步骤包括使用热 处理工艺。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中所述金属掺杂剂包含铝离子。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中所述合金层包括Cu-Al合金层。
5. 根据权利要求3所述的方法，其中所述铝离子是由八1203或三甲基铝 产生的。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中所述合金层包含CU2A1。
7. —种具有金属互连的半导体器件，包括 电介质层，位于包含下部互连的半导体衬底上； 沟槽，位于该电介质层中；扩散阻挡件，位于所述沟槽中和所述层间电介质层上； 合金层，位于所述扩散阻挡件上；以及 铜互连，位于所述合金层上。
8. 根据权利要求7所述的半导体器件，其中所述合金层包括Cu-Al合金层。
9. 根据权利要求7所述的半导体器件，其中所述合金层包含CU2A1。
全文摘要
本发明公开一种半导体器件及用于制造半导体器件的金属互连的方法。上述方法包括以下步骤在包含下部互连的半导体衬底上形成电介质层，在层间电介质层中形成暴露出下部互连的沟槽，在沟槽中和在层间电介质层上形成扩散阻挡件，在扩散阻挡件上形成铜籽晶层，将金属掺杂剂注入铜籽晶层内，在内部注入了金属掺杂剂的铜籽晶层上形成铜金属互连，以及由铜籽晶层和金属掺杂剂形成合金层。
文档编号H01L21/768GK101211822SQ20071015372
公开日2008年7月2日 申请日期2007年9月14日 优先权日2006年12月27日
发明者李汉春 申请人:东部高科股份有限公司