[发明专利]铜互连的半导体器件的制造方法及其结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体器件的制造方法及其结构，特别涉及一种铜互连的半导体器件的制造方法及其结构。

背景技术

随着集成电路集成度的不断提高，Al作为内连线材料其性能已难以很好满足集成电路的要求。Cu较Al具有低的电阻率和高的抗电迁移能力在深亚微米技术中得到广泛的应用。然而Cu又是导致器件失效的元凶，这主要因为Cu是一种重金属，在高温和加电场的情况下，可以在半导体硅片和二氧化硅中快速扩散，引起器件可靠性方面的问题。所以，在Cu布线层和介质隔离层之间，必须加上防止Cu扩散的扩散阻挡层材料，例如TaN、TiSiN、Ta等来实现防止Cu扩散的目的。

同时，随着芯片集成度的提高，互连引线变得更细、更窄、更薄，因此其中的电流密度越来越大。在较高的电流密度作用下，互连引线中的金属原子将会沿着电子运动方向进行迁移，这种现象就是电迁移(EM)。电迁移能使IC中的互连引线在工作过程中产生断路或短路，是引起集成电路失效的一种重要机制。所以，在Cu布线层和介质隔离层之间加上扩散阻挡层材料还可以阻止Cu发生电迁移，另外可以提高Cu和介质隔离层的粘附性。

以往公开的专利或者文献对Cu布线层和介质隔离层之间的扩散阻挡层有很多的公开和报道，如公开号为2004/0152301和2004/0152330以及2005/0023686的美国专利申请通过在Cu布线层和介质隔离层之间添加扩散阻挡层如Ta和TaN、金属氮化物以及WSiN材料来防止Cu向介质隔离层进行扩散，然而对于Cu向金属Al中的扩散未公开防止措施。在深亚微米工艺中，在顶层Cu布线层上制作的引出金属垫仍然采用Al，由于Cu会向Al垫层中进行扩散，发生反应生成电阻率较大的CuAl₂，因此必须在顶层Cu布线层和金属Al垫层之间引入防扩散层。

Ta是一种很有吸引力的Cu的扩散阻挡层，Ta的氮化物比如TaN是一种Cu和F离子的有效阻挡层，目前在Cu互连工艺中正得到广泛的应用。但是在通常工艺中，形成的TaN结构比较疏松，防止Cu扩散的能力较弱。下面参照图1至图5举例说明，在90nm逻辑电路中，Cu布线层12形成在半导体衬底11上，接着在Cu布线层12上形成TaN作为防止Cu扩散的扩散阻挡层13，最后在扩散阻挡层13上形成Al垫层14，整个结构如图1所示，由于扩散阻挡层13的结构比较疏松，尤其是在金属台阶处覆盖性不好，形成“弱区”，顶层Cu布线层12中的Cu往往在此“弱区”穿过扩散阻挡层13，到达Al垫层14，同时在顶层Cu中形成的空洞15，扩散出来的Cu16和Al垫层14发生反应，生成电阻率大的CuAl₂，影响器件性能。

采用X射线衍射(XRD)确定现有技术制备的扩散阻挡层13的晶体结构，结果如图5所示，图5所示的横坐标为衍射角20，单位为度，纵坐标为衍射强度之比I/I₀。制备的TaN扩散阻挡层13分别在20为37°、53°和68°处出现比较强的衍射峰，和标准谱相对照，这些峰分别相应于(110)、(200)和(211)晶面的衍射，TaN的晶体结构为体心立方(bcc)结构。

采用HCl腐蚀部分Al垫层，利用光学显微镜观察剩下的Al垫层，结果如图2所示，在Al垫层表面存在许多黑色沾污21，众所周知，Cu不会和HCl反应，同时采用能谱仪(EDX)测试了这些黑色沾污21的成分，主要为Cu和O，表明Cu布线层12中的Cu穿过扩散阻挡层13扩散到了Al垫层14中而且部分被氧化，由此可以看出体心立方结构的TaN的防止Cu扩散能力较差。

采用离子束聚焦(FIB)切片测试了上述结构的顶层Cu布线层12的截面形貌，结果如图3所示，在Cu布线层12中出现空洞，此结果和上面光学显微镜以及EDX的结果相一致，即Cu布线层12中的Cu扩散出去导致在Cu布线中形成空洞15。

测试了同一晶片上从S31至S45的15个单元的电迁移(EM)特性来分析器件的失效，结果如图4所示，可以看出，单元S31最早在2小时就形成了电阻峰，其余单元在10小时之前均出现了电阻峰，表明这些单元在测试的10小时内出现了空洞，造成了器件失效。

由上面讨论可知，体心立方结构的TaN扩散阻挡层的防止Cu扩散和电迁移能力较弱。众所周知，Cu通过阻挡材料的电迁移和扩散主要沿着阻挡材料的晶粒边界出现，因此需要优化阻挡材料，从而最小化晶粒边界区和/或者延长沿晶粒边界的扩散路径。

发明内容