[发明专利]半导体器件的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体器件的制造方法，特别是一种铜金属互连中铜合金工艺的改进方法。

背景技术

随着半导体器件尺寸的不断减小，半导体器件中驱动电流的密度和开关频率不断增大。在高电流密度和高频率变化的铜互连结构上，很容易发生电迁移（Electro Migration，EM）。众所周知，电迁移是影响铜互连结构的可靠性的重要因素之一，电迁移可能导致铜互连结构减薄，并使其电阻率增大，更严重的还可能使铜互连结构断裂。

为此，现有方法通常是在铜互连结构中掺杂杂质，例如铝、银、钛或锰等，在退火过程中杂质扩散到晶界和界面处，进而降低铜的扩散。实践证明，该方法可以将电迁移寿命提高至原来的十倍以上。现有技术中制作铜合金主要有三种方法：一、从种晶层到铜合金的掺杂物扩散，这种通过掺杂剂注入种晶层来实现铜合金掺杂的方法，会明显提高铜线电阻，使得铜导线的抗电致迁移性降低；二、从覆盖层到铜合金的掺杂物扩散，例如将铝或钛掺杂扩散层沉积在铜金属顶部并退火，使杂质扩散进入铜金属；三、电镀铜合金方法。

图1所示为一种现有的铜金属互连结构制造方法，通过覆盖层向下的掺杂物扩散来实现铜合金的沉积。首先参照图1a，在半导体基底100上有若干半导体组件，例如一保护层110和下部互连结构120，以及阻挡层130。在阻挡层130上形成一电介质层140，利用微刻蚀技术在介电层140上形成一沟槽，并在沟槽内壁沉积一阻障层150，例如氮化钛（TiN）或氮化钽（TaN），以防止铜的氧化和扩散并提高铜金属的附着力。在形成阻障层150的沟槽内沉积铜金属层160。接下来参照图1b，在铜金属层160表面覆盖生长一掺杂扩散层170，并通过后续工艺例如退火处理使掺杂物向下扩散，形成铜合金层180。最后参照图1c，先通过湿法刻蚀或干法刻蚀去掉铜合金层180顶部覆盖的掺杂扩散层170，再通过抛光技术去掉多余的铜合金层180，最后在电介质层140和铜合金层180上覆盖生长一覆盖层190，以用于后续工艺。

这种方法通过掺杂扩散层170使掺杂物在铜金属层160中扩散形成铜合金层180，与上述种晶层的掺杂物扩散形成铜合金的方法相比，其优点是几乎不会提高铜线电阻。然而，由于需要先沉积一掺杂扩散层170，再通过湿法刻蚀或干法刻蚀去掉顶部覆盖的掺杂扩散层170，才能通过研磨技术去掉多余的铜合金层180，使得工序复杂程度提高。

图2所示为另一种铜金属互连结构制造方法，通过在电镀槽中加入铜合金成分来实现。首先参照图2a，在半导体基底200上有若干半导体组件，例如一保护层210和下部互连结构220，以及阻挡层230。在阻挡层230上形成一电介质层240，利用微刻蚀技术在电介质层240上形成一沟槽，并在沟槽内壁沉积一阻障层250。接下来参照图2b，在形成阻障层250的沟槽内沉积铜合金层260。最后参照图2c，通过研磨技术去掉多余的铜合金层260，然后在电介质层240和铜合金层260上生长一覆盖层270，以用于后续工艺。这种方法的优点是互联结构内部铜合金的掺杂浓度处处相等。但是，通过电镀过程掺杂铜合金的方法较难控制杂质的掺杂浓度，因此采用该方法制作金属互连结构的工艺尚有待进一步研究。

为了防止纯铜金属的氧化和扩散、保持铜的低阻抗特性并简化工序，铜金属互连结构的制造方法仍有改善空间。

发明内容

本发明提供了一种半导体器件的制造方法，特别是一种金属互连结构中铜合金工艺的改进方法，包括下述步骤：

提供一半导体基底，该半导体基底包含下部互连；在所述半导体基底上形成一电介质层；在所述电介质层上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阻障层和种晶层；采用化学电镀法沉积一铜金属层，填满所述沟槽；采用化学电镀法沉积一铜合金层，覆盖于所述铜金属层上；执行一退火处理。

优选地，所述铜合金层的掺杂元素为银，铝，锰中的至少一种。

优选地，采用化学电镀法沉积所述铜金属层和/或铜合金层的电解液中包含五水合硫酸铜溶液和硫酸溶液。

优选地，所述五水合硫酸铜溶液浓度范围为20～100g/L，硫酸溶液浓度范围为100～300g/L。

优选地，采用化学电镀法沉积所述铜合金层的电解液中还包含硝酸银溶液。

优选地，所述硝酸银溶液浓度范围为0～0.5g/L。

优选地，所述退火处理的条件为：退火温度范围100～400℃，退火时间范围1～60分钟。

优选地，在所述退火处理后还包括去除所述铜合金层的多余部分直至露出所述电介质层表面的步骤。