[发明专利]互连结构及其形成方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种互连结构及其形成方法。

背景技术

现有半导体工艺中，通常采用铝作为互连结构的材料；但是，由于铜具有更高的电导率和更好的抗电迁移特性，因此铜逐步取代铝而被广泛地应用在超大规模集成电路的互连线中。然而，在铜作为互连线的过程中，发现铜易在介质层内快速扩散，可能会导致很高的泄漏电流和介质层击穿，为此，需要在铜互连线与介质层之间设置防止铜扩散的阻挡层。

随着超大规模集成电路的发展，特别是高性能逻辑器件尺寸的不断减小，阻挡层也无法完全阻止铜从互连线顶部扩散至介质层中，使得介质层同样易被击穿。

上述击穿可分为两种类型。一种是本征击穿，即电压一加到铜互连结构中，电场强度就达到或超过铜互连结构的介质层击穿临界场强，介质层中的电流瞬间变得很大，介质层马上被击穿。另一种是与可靠性相关的时间相关介质击穿（Time Dependent Dielectric Breakdown，TDDB），即施加在介质层上的电场低于其本征击穿场强，并未引起本征击穿，但经历一定时间后介质层仍发生了击穿。

造成与时间相关介质击穿的原因是由于芯片的集成度提高，互连线变得很细，在通电状态下，其中的电流密度很大，在较高的电流密度作用下，互连线金属层中的金属离子会沿着电子运动反方向进行迁移，这种现象称之为电迁移，电迁移会使得金属层因金属离子的迁移在局部区域由质量堆积(Pileup)而出现小丘(Hillocks)，或由质量亏损出现空洞(Voids)而造成的器件或互连性能退化甚至失效。

因此，抑制铜互连线金属层中铜离子的流失可以改善与时间相关介质击穿。由于铜互连线在形成过程中会接触到氧化性刻蚀气体，并难免会暴露在空气中，所以铜表面的铜原子极易被氧化形成CuO，目前也有相关报道采用N₂或H₂等离子还原铜离子Cu，详见Tsung-Kuei Kang等人于2004年发表在Journal of The Electrochemical Society上题目为Avoiding Cu Hillocks during the Plasma Process的文章。但是，采用N₂或H₂等离子还原的原理是基于：等离子体在高压下电离成离子原子等，与铜互连线表面发生还原反应，将CuO还原成Cu，但是金属原子仍处于不稳定状态，对抑制铜离子的流失、以及改善与时间相关介质击穿效果不明显。

一种互连结构或者互连结构的形成方法，以抑制铜互连线中铜离子的流失，改善互连结构的电学性能成为目前亟待解决的问题之一。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种互连结构及其形成方法，防止互连结构中金属原子发生电迁移，提高包含所述互连结构的半导体器件的电学性能。

为解决上述问题，本发明提供了一种互连结构，包括：半导体衬底；位于所述半导体衬底上的介质层；位于所述半导体衬底上的第一金属层，所述第一金属层位于介质层内且第一金属层的上表面低于所述介质层的上表面，即第一金属层上方具有凹槽；位于凹槽内的第二金属层，所述第二金属层防止第一金属层扩散。

可选的，所述第二金属层位于凹槽的侧壁以及底部上。

可选的，所述第二金属层填满凹槽。

可选的，所述第二金属层的材质为钴。

可选的，所述第二金属层的厚度为10~100埃。

可选的，所述互连结构还包括阻挡层，所述阻挡层位于介质层和第二金属层的上表面。

可选的，所述阻挡层的材质为碳氮化硅。

相应的，本发明还提供了一种互连结构的形成方法，包括：提供半导体衬底；在所述半导体衬底上形成介质层；刻蚀介质层至露出半导体衬底，形成沟槽；于沟槽内填充满第一金属层；刻蚀第一金属层，使所述第一金属层的上表面低于介质层的上表面，于第一金属层上方形成凹槽；于凹槽内形成第二金属层，所述第二金属层防止第一金属层扩散。

可选的，于凹槽的侧壁以及底部上形成所述第二金属层。

可选的，于凹槽内填充满所述第二金属层。

可选的，所述第二金属层的材质为钴，所述第二金属层的厚度为10~100埃。

可选的，形成第二金属层的方法为物理气相沉积工艺。

可选的，刻蚀第一金属层的方法为湿法刻蚀法，采用的溶液为硫酸和双氧水的混合溶液。

可选的，所述硫酸和双氧水的混合溶液的温度为25~90℃，硫酸和双氧水的体积比为100：1~1000:1，湿法刻蚀法的刻蚀时间为10~180s。