[发明专利]一种半导体器件及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造工艺，具体而言涉及一种实施金属互连工艺时形成金属化合物覆盖层的方法以及具有该覆盖层的半导体器件。

背景技术

随着半导体制造技术越来越精密，集成电路也发生着重大的变革，集成在同一芯片上的元器件数量已从最初的几十、几百个增加到现在的数以百万个。为了达到复杂度和电路密度的要求，半导体集成电路芯片的制作工艺利用批量处理技术，在衬底上形成各种类型的复杂器件，并将其互相连接以具有完整的电子功能，目前大多采用在导线之间以低k层间介电层作为隔离各金属内连线的介电材料，互连结构用于提供在IC芯片上的器件和整个封装之间的布线。在该技术中，在半导体衬底表面首先形成例如场效应晶体管（FET）的器件，然后在BEOL（集成电路制造后段制程）中形成互连结构。在降低互连线的RC延迟、改善电迁移等方面，金属铜与金属铝相比具有低电阻系数，高熔点和优良的电迁移耐力，在较高的电流密度和低功率的条件下也可以使用。目前，由金属铜和低k层间介电层组成的互连结构具有金属互连线层数目少，芯片速度高、功耗低、制造成本低、高抗电迁移性能等优势。

在当前的铜互连工艺中，作为布线材料的铜具有几个严重的缺点：它可以快速进入相邻的层间介电质区域，可导致在两互连线之间形成导通路径，产生短路；同时铜与层间介电层的附着力也很差，很容易产生脱落（peeling）现象。目前，在铜互连结构形成后，需要在其上形成电介质覆盖层，由于铜与电介质覆盖层的附着力很差，仍然会有铜扩散的现象出现，进而使互连线之间的击穿电压降低，引发器件的可靠性问题。为了解决铜与电介质覆盖层的粘附性问题，同时减少铜的电迁移，人们已提出了一种金属覆盖层的概念，即在金属铜上覆盖一层其他的物质，然后再沉积上层的电介质覆盖层，以提高金属铜与上层的电介质覆盖层的附着力。

如图1A-1D所示，为根据现有技术制作具有金属化合物覆盖层的铜互连结构的相关步骤所获得的器件的剖视图。

如图1A所示，提供一半导体衬底100，在半导体衬底上自下而上依次形成刻蚀停止层101和低k层间介电层102。刻蚀所述低k层间介电层102和刻蚀停止层101以露出半导体衬底100，形成沟槽。在所述沟槽内形成扩散阻挡层（未示出），并填充金属铜，之后采用化学机械研磨工艺处理所述半导体衬底的表面，最后形成金属铜层103。金属铜层很容易被氧化成氧化铜，因此，采用氨气来处理金属铜层103，通入的氨气还原互连结构中的氧化铜，最终去除互连结构中的氧化铜。

如图1B所示，采用硅烷（SiH₄）处理所述金属铜层。将硅烷通入反应室内，经分解的硅烷中的硅与金属铜层103的表面发生反应，在金属铜层的表面形成硅化铜104。

如图1C所示，采用氮气或者氨气处理所述硅化铜104，以形成CuSiN金属化合物覆盖层105。使用氮气或者氨气的等离子体处理硅化铜层，氮气或者氨气经过等离子体分解，与硅化铜层发生反应生成CuSiN金属化合物覆盖层105，覆盖所述金属铜层103。CuSiN金属化合物覆盖层105不仅与金属铜有更好的粘附性，也可以有效减少铜的电迁移和提高了铜的温度依赖击穿特性。

如图1D所示，在所述CuSiN金属化合物覆盖层105和低k层间介电层102的表面形成电介质覆盖层106，可以采用等离子增强化学气相沉积工艺，电介质覆盖层的材料可以为氮化碳化硅。

然而，不断缩小的半导体器件的尺寸，以及在半导体衬底上由金属铜和低k层间介电层构成的互连结构所产生的电迁移（EM，electro migration）性能和线电阻（line resistance）两者之间的权衡已成为目前研究的重点。在半导体器件的互连结构中电迁移是重要的金属失效机理。根据现有技术在形成CuSiN金属化合物覆盖层的过程中提供了大量的硅原子在半导体器件中，硅原子可以使器件具有较长的电迁移寿命，但是，在形成CuSiN金属化合物覆盖层的过程中提供给半导体器件较多的硅原子时，过量的硅原子会扩散到金属铜连线中，将增加线电阻的阻值，影响互连结构的电学性能。

因此，急需一种新的金属覆盖层的制造方法，以克服现有技术中的不足。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。