[发明专利]铜金属覆盖层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种铜金属覆盖层的制备方法。

背景技术

随着科学技术的不断进步，后道互连在半导体芯片制造领域发挥着越来越重要的作用。另外，在先进制程中，图形的关键尺寸也越来越小。为了获得更低的信号延时和高性能的响应特性，45纳米技术结点以下的铜互连层所用的介质材料的介电常数越来越低，孔隙率越来越高，结构更为疏松。线宽的减小和多孔介质材料应用对互连结构的可靠性提出更大挑战。

铜互连结构的可靠性问题主要涉及抗电迁移，介质击穿，应力迁移，静电累积放电等离子引发的击穿及封装相关的可靠性等多个方面。作为导电、动力供应和信号传递的互连结构，其抗电迁移性能是铜互连可靠性能中最重要的一个方面。但是，在工作状态下，温度和电场的双重因素会使得铜互连线中的铜原子在电子风的撞击下产生定向移动，从而使得金属铜从阴极端向阳极端发生移动，导致阴极端出现空洞和阳极端出现金属挤出，最后引发互连结构的电阻变大，甚至断路和短路，使整个芯片失效。对于铜互连结构而言，其电迁移的主导模式是界面扩散，因而伴随着线宽的减少，界面的比例不断增大，保障抗电迁移性能的难度也越来越达。由于集成电路芯片的应用范围日益扩大，性能的要求也越来越高，因此保障可靠性性能，特别是提高抗电迁移性能成为芯片制造的重要问题。

目前，研究者从多方面提出了提高铜互连结构的抗电迁移性能的途径，比如采用制造导向性设计（Designfor Manufacture）从设计规则方面进行图形优化，对容易出现电迁移问题的结构或图形进行约束或禁止，从设计上给出金属互连所能承受的最大电流密度；采用多层介质覆盖层以提高结合力和密封性能以降低铜的界面扩散系数；以及在铜的顶部生长金属覆盖层提高抗电迁移性能和应力迁移性能的方法。

如专利申请号为200310124737.6的中国专利所揭露的具有双覆盖层的半导体器件的互连及其制造方法，所述半导体器件的互连是一种铜金属镶嵌互连，在用化学机械抛光加工过的铜层上形成覆盖层，该覆盖层是氮化硅层和碳化硅层的双层结构。因此，有可能在提供优良的漏电流抑制作用的同时维持碳化硅层的高刻蚀选择性和低介电常数。该覆盖层是由顺序淀积的氮化硅层和碳化硅层形成的双层结构。该专利发明人认为，由于提高了界面间表面的界面特性，所以在界面间表面中不会出现孔洞；由于界面性能得到强化，因而可以提高其抗电迁移性能。但是，所述方法忽略了金属铜和介质阻挡层的界面，而金属铜和介质阻挡层直接接触的界面结合力较差，因此该方法可用于降低漏电流而对电迁移性能的提高相当有限。

又如专利申请号为200980138541.8的中国专利所揭露的用于形成钌金属覆盖层的方法，所述方法通过沉积钌（Ru）金属于半导体器件制造中以改善铜（Cu）金属中的电迁移和应力迁移。该专利的实施例包括用NH_x（x≤3）自由基和H自由基处理包括金属层和低K电介质材料的图案化衬底，以提高Ru金属层在金属铜层上相对于在低K电介质材料上的沉积选择比。另外，在专利号为00810831.5的中国专利所揭露的具有高抗电迁移的导体的制作方法及其结构中提出采用涂覆的方法选择性的将金属覆盖层CoWP（钴钨磷）沉积到铜表面，提高的抗电迁移性能和抗应力迁移性能。上述两个中国专利均涉及到金属覆盖层的选择性沉积。即，淀积所述金属覆盖层在所述铜金属层和所述介质保护层之间形成一个过渡层，可以明显的提高两者的结合力，能极大地提高互连结构的抗电迁移性能。上述两个专利的技术方案均理想化的通过选择性生长仅在铜结构上形成金属覆盖层。但是，在实际生产工艺中，仅依靠涂覆过程或沉积过程的选择性生长均无法避免金属覆盖层在电介质材料上的沉积。势必会导致金属覆盖层对电介质材料，特别是疏松的多孔介质材料的金属粘污，导致漏电流大增，击穿特性锐减。

为此，如何能够采用简单有效的方法实现在金属铜表面形成金属覆盖层，而不会在绝缘介质上产生不需要的金属残留，实现完全选择性的生长铜金属覆盖层成为本领域亟待解决的问题。

故针对现有技术存在的问题，本案设计人凭借从事此行业多年的经验，积极研究改良，于是有了本发明一种铜金属覆盖层的制备方法。

发明内容

本发明是针对现有技术中，传统的铜金属覆盖层的制备方法仅用于降低漏电流，而对电迁移性能的提高相当有限；另一方面，仅依靠涂覆过程或沉积过程的选择性生长均无法避免金属覆盖层在电介质材料上的沉积，导致金属覆盖层对电介质材料，特别是疏松的多孔介质材料的金属粘污，进而使得漏电流大增，击穿特性锐减等缺陷提供一种铜金属覆盖层的制备方法。