铜互连结构及其制备方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种铜互连结构及其制备方法。

背景技术：

在90nm及以下铜工艺制程中，为了得到较好的电路响应速度、较短的rc延迟，通孔(via)金属层间介质层(imd)一般采用低介电常数(lowk)电介质，以避免过高的寄生电容。但是，低介电常数电介质的引入亦带来另一种常见的互连线(inter-connect)失效模式，即低介电常数电介质吸附的水汽和极性键，导致通孔底部的阻挡层氧化，最终造成互连线电性漂移或器件失效。

这种失效机制对互连线即通孔的布局(layout)设计提出了较多要求，例如，在设计电路时，在互连线周围必须留有较多的区域设置空置图案(dummypattern)，以最小化水汽或极性健对阻挡层的影响。但是，该方式占用了较多的区域，从而降低了芯片内单位面积的利用率，对设计提出了较多的限制。

技术实现要素：

基于此，有必要针对因空置图案的设置导致的芯片内单位面积利用率低的问题，提供一种铜互连结构及其制备方法。

一种铜互连结构的制备方法，包括：

形成铜互连槽；

在铜互连槽内沉积mn-co-cu合金；

对mn-co-cu合金进行热处理，以通过mn-co-cu合金中的mn在铜互连槽内形成扩散阻挡层，通过mn-co-cu合金中的cu在铜互连槽内形成籽晶层，以获得铜互连结构。

上述的铜互连结构的制备方法，先形成铜互连槽，然后在铜互连槽内沉积mn-co-cu合金，并对mn-co-cu合金进行热处理，以通过mn-co-cu合金中的mn在铜互连槽内形成扩散阻挡层，通过mn-co-cu合金中的cu在铜互连槽内形成籽晶层，以获得铜互连结构。其中，通过利用mn-co-cu合金形成的扩散阻挡层，可以有效防止水汽和极性键侵蚀，使得电路设计无需大量的空置图案，大大提高了芯片内单位面积的利用率，突破了互连线失效模式对设计的限制。

在其中一个实施例中，扩散阻挡层形成于铜互连槽的内壁。

在其中一个实施例中，采用物理气相沉积方式沉积mn-co-cu合金。

在其中一个实施例中，采用真空紫外线对晶面和/或晶背加热，以对mn-co-cu合金进行热处理。

在其中一个实施例中，热处理的温度取值范围为150℃～250℃。

在其中一个实施例中，热处理的时间为20min～30min。

在其中一个实施例中，mn-co-cu合金中的mn含量为15％～35％，co含量为0.5％～3.5％。

在其中一个实施例中，在形成铜互连槽之前，方法还包括：

提供衬底；

在衬底上依次形成刻蚀停止层和介质层，介质层形成于刻蚀停止层上；扩散阻挡层形成于介质层和籽晶层之间。

在其中一个实施例中，介质层的材料为低介电常数介质。

一种铜互连结构，形成于铜互连槽内，包括：

籽晶层，为mn-co-cu合金材质；

扩散阻挡层，包围所述籽晶层，所述扩散阻挡层至少包括锰氧化物。

上述的铜互连结构，包括籽晶层和扩散阻挡层，其中籽晶层为mn-co-cu合金材质，扩散阻挡层包围籽晶层，扩散阻挡层至少包括锰氧化物，由于扩散阻挡层包括锰氧化物，因而可以有效防止水汽和极性键侵蚀，使得电路设计无需大量的空置图案，大大提高了芯片内单位面积的利用率，突破了互连线失效模式对设计的限制。

附图说明

图1为相关技术中铜互连结构被侵蚀前后的示意图；

图2为相关技术中空置图案的布局示意图；

图3为一个实施例中铜互连结构的制备方法的流程图；

图4为一个实施例中铜互连结构的工艺制程示意图；

图5为另一个实施例中铜互连结构的制备方法的流程图；

图6为一个实施例中铜互连结构的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

已有数据表明，在90nm及以下铜(cu)工艺制程中，为了得到较好的电路响应速度、较短的rc延迟，通孔(via)金属层间介质层一般采用低介电常数(lowk)电介质，以避免过高的寄生电容。但是，低介电常数电介质的引入亦带来另一种常见的互连线失效模式，即低介电常数电介质吸附的水汽和极性键，会导致通孔内壁的阻挡层氧化，最终造成互连线电性漂移或器件失效。具体来说，参考图1所示，多孔电介质易于吸附水汽和极性键，同时吸收游离电荷，电介质中的水汽与阻挡层的钽(ta)发生氧化反应，生成taox(钽氧化物)，导致阻挡层的体积变大，同时吸附介质中的游离电荷，导致通孔连线阻值变大，影响器件的性能。

这种失效机制对互连线即通孔的布局设计提出了较多要求，例如，在设计电路时，在互连线周围必须留有较多的区域设置空置图案(dummypattern)，以最小化水汽或极性健对阻挡层的影响。例如，参考图2所示，在金属线(metal1和metal2)的附近加入了大量的空置图案，以最小化对阻挡层的氧化。但是，该方式占用了较多的区域，降低了芯片内单位面积的利用率，对设计提出了较多的限制。

为了解决此种失效问题，fab同时也采用了其它方法，例如，在低介电常数电介质沉积前，形成防水气较好的薄层(film)如sro(氧化锶)或sion(氮氧化硅)等，但是，由于低介电常数电介质与sro或sion的机械强度及性质差异较大，因而存在应力匹配的问题，导致晶边剥落(peeling)现象常有发生，而且sro及sion对极性键的阻挡作用相对较弱，另外，多种薄层的沉积也增加了工艺的复杂程度和后续蚀刻(etch)的控制难度。

因此，通过上述分析可知，相关技术中解决失效机制的方法均存在一定的缺陷：1)会占用较大的区域，导致芯片内单位面积利用率低，进而对设计提出更多的限制；2)容易产生晶边剥落，导致在线异常率高；3)多种薄层的沉积增加了工艺的复杂程度和后续蚀刻的控制难度。基于此，本申请提出了一种铜互连结构及其制备方法。

图3为一个实施例中铜互连结构的制备方法的流程图，如图3所示，铜互连结构的制备方法包括：

步骤302，形成铜互连槽。

具体地，可采用现有技术形成铜互连槽，具体这里就不再赘述，如图4所示，形成的铜互连槽可包括互连线沟槽和通孔(或接触孔)。

步骤304，在铜互连槽内沉积mn-co-cu合金，例如，采用物理气相沉积方式沉积mn-co-cu合金。

具体而言，在铜互连槽形成后，可在常温下(如25℃)，采用物理气相沉积方式(pvd)在铜互连槽内沉积mn-co-cu合金。在一个实施例中，mn-co-cu合金中的mn含量为15％～35％，co含量为0.5％～3.5％，具体配比可根据材料物性和工艺性能进行选择，例如，mn-co-cu合金中的mn含量为15％，co含量为0.5％，cu含量为84.5％；或者，mn含量为35％，co含量为2％，cu含量为63％；或者，mn含量为20％，co含量为3.5％，cu含量为76.5％。

步骤306，对mn-co-cu合金进行热处理，以通过mn-co-cu合金中的mn在铜互连槽内形成扩散阻挡层，通过mn-co-cu合金中的cu在铜互连槽内形成籽晶层，以获得铜互连结构。其中，扩散阻挡层形成于铜互连槽的内壁。

在一个实施例中，可采用真空紫外线对mn-co-cu合金进行热处理，热处理的时间为20min～30min。

具体而言，在mn-co-cu合金沉积后，可采用真空紫外线(uv)灯对晶面或者晶背或者晶背和晶面进行加热，加热时间一般控制在20min～30min，其中通过对晶背和晶面进行加热，效果更好。在mn-co-cu合金中，mn在热动力下的迁移率最高，cu次之，co最差，由于co的存在，晶界相对增加，有利于mn在热动力下较好的扩散至cu的外围，并在与介质层的交界处，与介质层中的o(氧)形成薄且致密的氧化层mnox(锰氧化物)，其中，氧化层即为扩散阻挡层，分布在铜互连槽的内壁，cu分布在铜互连槽内，以形成籽晶层。由于形成的氧化层具备较好的防湿气和电荷隔绝功能，因而可以有效避免介质层中的水汽和极性键的侵蚀。

在一个实施例中，热处理的温度取值范围为150℃～250℃，优选地，热处理的温度取值范围为150℃～200℃。其中，加热温度最好不要超过250℃，因为过高的温度下，mn-co-cu合金中的mn会与si(硅)和o(氧)形成部分mnsiox(猛硅氧化物)络合物，而此种物质对湿气和电荷隔绝的能力并不突出，所以通过选择合适的温度，尽量减少该类物质的生成。

本实施例中，通过利用mn-co-cu合金形成扩散阻挡层，可以有效防止水汽和极性键的侵蚀，从而使得电路设计无需大量的空置图案，减少了区域的使用，大大提高了芯片内单位面积的利用率，突破了失效模式对设计的限制，而且不会出现晶边剥落的问题，也不会增加工艺的复杂程度和刻蚀的控制难度。

在一个实施例中，如图5所示，在形成铜互连槽之前，铜互连结构的制备方法还包括：

步骤502，提供衬底。

步骤504，在衬底上依次形成刻蚀停止层和介质层，介质层形成于刻蚀停止层上，扩散阻挡层形成于介质层和籽晶层之间，其中，介质层的材料为低介电常数介质。

具体而言，参考图4所示，可先准备好衬底，然后在衬底上淀积刻蚀停止层，例如氮化硅层(sin)，并在刻蚀停止层上形成介质层，介质层的材料为低介电常数介质，例如介质层为含有硅、氧、碳、氢元素的类似氧化物的黑砖石(blackdiamond，bd)，接着在介质层上采用现有技术形成铜互连槽。然后，在常温下采用物理气相沉积方式，在形成的铜互连槽内沉积mn-co-cu合金，并通过真空紫外线对mn-co-cu合金进行热处理，热处理方式为晶背及晶面uv灯加热，加热时间在20min～30min。在mn-co-cu合金中，mn会扩散至cu的外围并与介质层中的0(氧)发生化学反应，在铜互连槽的内壁形成薄且致密的氧化层mnox(锰氧化物)，即扩散阻挡层，同时cu形成籽晶层，扩散阻挡层形成于介质层和籽晶层之间。由于形成的氧化层具备较好的防湿气和电荷隔绝功能，因而可突破水汽侵蚀对电路设计的限制。

本实施例中，通过利用mn-co-cu合金中的mn扩展自成型致密的氧化层，以代替原有的扩散阻挡层，可以有效防止湿气、极性键以及游离电荷的侵蚀，从而无需大量的空置图案，节省了区域的使用，大大提高了芯片内单位面积的利用率，突破了互连线失效模式对设计的限制，而且不会出现晶边剥落的问题，也不会增加工艺的复杂程度和刻蚀的控制难度。

在一个实施例中，提出了一种铜互连结构，如图6所示，铜互连结构形成于铜互连槽内，铜互连结构包括：籽晶层210和扩散阻挡层220，籽晶层210为mn-co-cu合金材质，扩散阻挡层220包围籽晶层210，扩散阻挡层220至少包括锰氧化物。

关于铜互连结构的具体限定可以参见上文中对于铜互连结构的制备方法的限定，在此不再赘述。

上述的铜互连结构，包括籽晶层和扩散阻挡层，其中籽晶层为mn-co-cu合金材质，扩散阻挡层包围籽晶层，扩散阻挡层至少包括锰氧化物，由于扩散阻挡层包括锰氧化物，因而可以有效防止水汽和极性键侵蚀，使得电路设计无需大量的空置图案，大大提高了芯片内单位面积的利用率，突破了互连线失效模式对设计的限制。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。另外，应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。