CN102738117A

CN102738117A - 互连结构及其形成方法

Info

Publication number: CN102738117A
Application number: CN2011100921262A
Authority: CN
Inventors: 钟汇才; 梁擎擎; 朱慧珑; 赵超
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Priority date: 2011-04-13
Filing date: 2011-04-13
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2031-04-13
Also published as: CN102738117B

Abstract

一种互连结构及其形成方法，所述互连结构包括：半导体衬底；形成于所述半导体衬底上的介质层，所述介质层上形成有开口；覆盖所述开口的底部和侧壁的阻挡层；填充所述开口的填充金属，所述填充金属位于所述阻挡层上且其上表面与所述介质层的上表面齐平；所述阻挡层的材料包括碳、掺碳铜、掺碳硅铜、石墨、碳纳米管薄膜、钌其中一种或任意几种的组合。本发明有利于减小互连结构的电阻，避免或减弱电迁移现象。

Description

互连结构及其形成方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种互连结构及其形成方法。

背景技术

随着半导体技术的不断发展，铜互连工艺得到了广泛的应用。和相同工艺尺寸的铝互连技术相比，金属铜的电阻率较低，而且对电迁移(electromigration)现象具有更强的抵抗力。电迁移现象指的是互连结构受到流过其中的电流的不断影响，其形貌逐渐发生改变直至发生短路或断路，导致电路失效。此外，为了减小器件的电阻-电容延迟(RC delay)，铜互连工艺中往往采用低介电常数(lowk)材料作为绝缘材料。

图1示出了现有技术中一种互连结构的剖面结构示意图，包括：半导体衬底10，所述半导体衬底10可以是硅衬底、硅锗衬底、III-V族元素化合物衬底等，其中可以形成有MOS场效应晶体管等半导体器件；介质层11，覆盖所述半导体衬底10的表面，所述介质层11的材料可以是氧化硅、掺杂的硅玻璃、低k介质材料等，所述介质层11上形成有开口，在双镶嵌工艺中，所述开口为沟槽和通孔相接的结构；阻挡层12，覆盖所述开口的底部和侧壁，其材料一般为氮化钽或钽；金属铜13，形成于所述阻挡层12之上，填充所述开口，其表面与介质层11的表面齐平，所述金属铜13的形成方法一般是电镀法，在填充金属铜13之前，一般还需要使用物理气相沉积(PVD)等方法形成籽晶层(图中未示出)，所述籽晶层覆盖阻挡层12的表面。

但是，随着半导体工艺水平的进一步提高，器件特征尺寸(CD，CriticalDimension)进一步减小，互连结构的尺寸也相应的减小，由于钽、氮化钽以及金属铜的电阻率以及其本身性质的限制，使得现有技术中基于铜互连工艺的互连结构的电阻增大，电迁移现象较为严重，影响整个芯片的性能。

发明内容

本发明解决的问题是现有技术中的互连结构电阻较大，电迁移现象较为严重的问题。

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；

形成于所述半导体衬底上的介质层，所述介质层上形成有开口；

覆盖所述开口的底部和侧壁的阻挡层；

填充所述开口的填充金属，所述填充金属位于所述阻挡层上且其上表面与所述介质层的上表面齐平；

所述阻挡层的材料包括碳、掺碳铜(carbon-containing copper)、掺碳硅铜(carbon-and-silicon-containing copper)、石墨、碳纳米管薄膜(carbon-nanotubenetwork film)、钌其中一种或任意几种的组合。

可选地，所述阻挡层为第一阻挡层和第二阻挡层的叠层结构，所述第一阻挡层的材料选自碳、掺碳铜、掺碳硅铜、石墨、碳纳米管薄膜、钌其中一种或任意几种的组合，所述第二阻挡层的材料选自钽和/或氮化钽，所述第一阻挡层位于所述第二阻挡层之上或之下。

可选地，所述填充金属的材料为掺碳铜，其中碳的含量为1％至10％。

可选地，所述填充金属包括籽晶层和位于其上的互连结构主体，所述籽晶层的材料选自铜、掺碳铜、掺碳硅铜、石墨、碳纳米管薄膜其中一种或任意几种的组合。

可选地，所述籽晶层为第一籽晶层和第二籽晶层的叠层结构，所述第一籽晶层的材料选自掺碳铜、掺碳硅铜、石墨、碳纳米管薄膜其中一种或任意几种的组合，所述第二籽晶层的材料为铜，所述第一籽晶层位于所述第二籽晶层之上或之下。

可选地，所述互连结构主体的材料为选自铜、掺碳铜或二者的组合。

可选地，所述互连结构主体的材料为掺碳铜，其中碳的含量为1％至10％。

可选地，所述开口为沟槽、通孔或二者的组合。

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，所述半导体衬底上形成有介质层；

在所述介质层上形成开口；

在所述开口的底部和侧壁形成阻挡层；

在所述开口中形成填充金属，所述填充金属位于所述阻挡层上并填充所述开口，且其上表面与所述介质层的上表面齐平；

所述阻挡层的材料选自碳、掺碳铜、掺碳硅铜、石墨、碳纳米管薄膜、钌其中一种或任意几种的组合。

可选地，所述在所述开口的底部和侧壁形成阻挡层包括：

在所述开口的底部和侧壁依次形成第一阻挡层和第二阻挡层，或依次形成第二阻挡层和第一阻挡层，所述第一阻挡层的材料选自碳、掺碳铜、掺碳硅铜、石墨、碳纳米管薄膜、钌其中一种或任意几种的组合，所述第二阻挡层的材料选自钽和/或氮化钽。

可选地，使用化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)或原子层沉积(ALD)形成所述第一阻挡层。

可选地，所述在所述开口中形成填充金属包括：

形成籽晶层，所述籽晶层覆盖所述阻挡层，所述籽晶层的材料选自铜、掺碳铜、掺碳硅铜、石墨、碳纳米管薄膜其中一种或任意几种的组合；

在所述籽晶层上形成互连结构主体，所述互连结构主体填充所述开口。

可选地，所述形成籽晶层包括：

在所述阻挡层上依次形成第一籽晶层和第二籽晶层，或依次形成第二籽晶层和第一籽晶层，所述第一籽晶层的材料选自掺碳铜、掺碳硅铜、石墨、碳纳米管薄膜其中一种或任意几种的组合，所述第二籽晶层的材料为铜。

可选地，使用化学气相沉积或物理气相沉积或原子层沉积形成所述第一籽晶层。

可选地，使用电镀法形成所述互连结构主体。

可选地，所述开口为沟槽、通孔或二者的组合。

与现有技术相比，本发明的实施例有如下优点：

本发明实施例的互连结构及其形成方法中，阻挡层的材料包括碳、掺碳铜、掺碳硅铜、石墨、碳纳米管薄膜、钌其中一种或任意几种的组合，有利于减小整个互连结构的电阻，避免或减弱电迁移现象。此外，本发明实施例的互连结构中的籽晶层的材料选自铜、掺碳铜、掺碳硅铜、石墨、碳纳米管薄膜其中一种或任意几种的组合，互连结构主体的材料可以是铜、掺碳铜或二者的组合，从而进一步减小互连结构的电阻，避免或减弱电迁移现象。

此外，本发明实施例的互连结构的形成方法中，所述阻挡层和籽晶层可以是叠层结构，即可以将材质为碳、掺碳铜、掺碳硅铜、石墨、碳纳米管薄膜、钌其中一种或任意几种的组合的第一阻挡层形成在传统的钽和/或氮化钽材质的第二阻挡层之上或之下，将材质为掺碳铜、掺碳硅铜、石墨、碳纳米管薄膜其中一种或任意几种的组合的第一籽晶层形成在传统的金属铜材质的第二籽晶层之上或之下，从而减少对现有技术中传统的铜互连工艺流程的改变。

附图说明

图1是现有技术的一种互连结构的剖面结构示意图；

图2是本发明的互连结构的形成方法的实施例的流程示意图；

图3至图14是本发明互连结构的形成方法实施例的剖面结构示意图及局部放大图。

具体实施方式

现有技术中的铜互连结构随着尺寸的不断减小，受到其中所使用到的钽、氮化钽以及金属铜材料本身性质的限制，电阻较大，容易发生电迁移现象。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

图2示出了本发明的互连结构的形成方法的实施例的流程示意图，包括：

步骤S21，提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有介质层；

步骤S22，在所述介质层上形成开口；

步骤S23，在所述开口的底部和侧壁形成阻挡层，所述阻挡层的材料包括碳、掺碳铜、掺碳硅铜、石墨、碳纳米管薄膜、钌其中一种或任意几种的组合；

步骤S24，在所述开口中形成填充金属，所述填充金属位于所述阻挡层上并填充所述开口，且其上表面与所述介质层的上表面齐平。

图3至图14示出了本发明的互连结构的形成方法的实施例的剖面示意图及局部放大图，下面结合图2和图3至图14对该实施例进行详细说明。

结合图2和图3，执行步骤S21，提供半导体衬底20，所述半导体衬底20上形成有介质层21。所述半导体衬底20可以是硅衬底、硅锗衬底、III-V族元素化合物衬底、碳化硅衬底或其叠层结构，或本领域技术人员公知的其他半导体材料衬底，在本实施例中，所述半导体衬底20为硅衬底，其中可以形成有MOS场效应晶体管等半导体器件。所述介质层21的材料可以是氧化硅、掺杂的硅玻璃、低k材料等绝缘材料，在本实施例中为低k材料，其形成方法具体可以为化学气相沉积等。

结合图2和图4，执行步骤S22，在所述介质层21上形成开口21a。所述开口21a可以是沟槽、通孔或二者的组合，本实施例中具体为沟槽和通孔相接的结构，其形成方法可以采用现有技术的双镶嵌工艺中沟槽和通孔结构的形成方法，包括光刻、刻蚀等。

结合图2和图5，执行步骤S23，在所述开口21a的底部和侧壁形成阻挡层22，所述阻挡层22的材料包括碳、掺碳铜、掺碳硅铜、石墨、碳纳米管薄膜、钌其中一种或任意几种的组合。本实施例中，所述阻挡层22还覆盖所述介质层21的上表面。选择碳、掺碳铜、掺碳硅铜、石墨、碳纳米管薄膜、钌其中一种或任意几种的组合作为阻挡层22的材质，由于上述材料的电阻率较低，对电迁移现象有较高的抵抗力，因而有利于降低互连结构的电阻，避免或减弱电迁移现象，改善整个芯片的性能。

依据具体实施例的不同，图6至图8分别示出了图5中区域23中的阻挡层22局部放大后的三种结构。

结合图5和图6，依据具体实施例的不同，所述阻挡层22可以是第一阻挡层22a构成的单层结构，其材料选自碳、掺碳铜、掺碳硅铜、石墨、碳纳米管薄膜、钌其中一种或任意几种的组合，形成方法可以是化学气相沉积或物理气相沉积或原子层沉积。

结合图5和图7，依据具体实施例的不同，所述阻挡层22可以是第一阻挡层22a以及位于第一阻挡层22a之上的第二阻挡层22b的叠层结构。其中第一阻挡层22a的材料选自碳、掺碳铜、掺碳硅铜、石墨、碳纳米管薄膜、钌其中一种或任意几种的组合，形成方法可以是化学气相沉积或物理气相沉积或原子层沉积；第二阻挡层22b的材料选自钽和/或氮化钽，形成方法可以是化学气相沉积或物理气相沉积或原子层沉积。

结合图5和图8，依据具体实施例的不同，所述阻挡层22可以是第二阻挡层22b以及位于第二阻挡层22b之上的第一阻挡层22a的叠层结构。其中第一阻挡层22a的材料选自碳、掺碳铜、掺碳硅铜、石墨、碳纳米管薄膜、钌其中一种或任意几种的组合，形成方法可以是化学气相沉积或物理气相沉积或原子层沉积；第二阻挡层22b的材料选自钽和/或氮化钽，形成方法可以是化学气相沉积或物理气相沉积或原子层沉积。

采用叠层结构的阻挡层22可以使得本实施例的工艺流程与现有技术的铜互连工艺的工艺流程之间的差别较小，即在现有技术中形成传统材质的第二阻挡层22b的步骤之前或之后，增加形成第一阻挡层22a的步骤。

结合图2和图14，执行步骤S24，在所述开口中形成填充金属，所述填充金属位于所述阻挡层上并填充所述开口，其上表面与所述介质层21的上表面齐平。本实施例中所述填充金属包括覆盖在阻挡层22上的籽晶层24以及位于籽晶层24上的互连结构主体26，所述互连结构主体26填充所述开口。

具体地，首先参考图9，形成籽晶层24，所述籽晶层24覆盖所述阻挡层22，所述籽晶层24的材料选自铜、掺碳铜、掺碳硅铜、石墨、碳纳米管薄膜其中一种或任意几种的组合。由于上述材料的电阻率较低，对电迁移现象有较高的抵抗力，因而有利于降低互连结构的电阻，避免或减弱电迁移现象，改善整个芯片的性能。

根据具体实施例的不同，图10至图12分别示出了图9中区域25中的籽晶层24局部放大后的三种结构。

结合图9和图10，依据具体实施例的不同，所述籽晶层24可以是第一籽晶层24a的单层结构，其材料选自掺碳铜、掺碳硅铜、石墨、碳纳米管薄膜其中一种或任意几种的组合，形成方法可以是化学气相沉积或物理气相沉积或原子层沉积。

结合图9和图11，依据具体实施例的不同，所述籽晶层24可以是第一籽晶层24a和位于第一籽晶层24a之上的第二籽晶层24b的叠层结构。其中第一籽晶层24a的材料选自掺碳铜、掺碳硅铜、石墨、碳纳米管薄膜其中一种或任意几种的组合，形成方法可以是化学气相沉积或物理气相沉积或原子层沉积；第二籽晶层24b的材料为金属铜，其形成方法可以是化学气相沉积或物理气相沉积或原子层沉积。

结合图9和图12，依据具体实施例的不同，所述籽晶层24可以是第二籽晶层24b和位于第二籽晶层24b之上的第一籽晶层24a的叠层结构。其中第一籽晶层24a的材料选自掺碳铜、掺碳硅铜、石墨、碳纳米管薄膜其中一种或任意几种的组合，形成方法可以是化学气相沉积或物理气相沉积或原子层沉积；第二籽晶层24b的材料为金属铜，其形成方法可以是化学气相沉积或物理气相沉积或原子层沉积。

采用叠层结构的籽晶层24可以使得本实施例的工艺流程与现有技术的铜互连工艺的工艺流程之间的差别较小，即在现有技术中形成传统材质的第二籽晶层24b的步骤之前或之后，增加形成第一籽晶层24a的步骤。

之后参考图13，在所述开口中填充互连结构主体26，所述互连结构主体26位于籽晶层24上，其材料选自铜、掺碳铜或二者的组合，形成方法可以是电镀法。本实施例中互连结构主体26的材料优选为掺碳铜，所述掺碳铜中碳的含量为1％至10％，有利于降低整个互连结构的电阻，提高对电迁移现象的抵抗力。经过电镀填充之后，所述互连结构主体26还溢出所述开口，并覆盖在介质层21上表面上方的籽晶层24上。之后对所述介质层21上表面上的阻挡层22、籽晶层24和互连结构主体26进行平坦化，至暴露出所述介质层21的上表面，使得所述互连结构主体26的上表面与所述介质层21的上表面齐平。所述平坦化方法可以是化学机械抛光(CMP)等。另外，本文中，术语“齐平”指的是二者表面的高度差在工艺误差范围内。

至此，本实施例形成的互连结构如图14所示，包括：半导体衬底20；形成于所述半导体衬底20上的介质层21，所述介质层21上形成有开口；覆盖所述开口的底部和侧壁的阻挡层22，所述阻挡层22的材料包括碳、掺碳铜、掺碳硅铜、石墨、碳纳米管薄膜、钌其中一种或任意几种的组合；填充所述开口的填充金属，所述填充金属位于所述阻挡层22上且其上表面与所述介质层21的上表面齐平。本实施例中，所述填充金属包括覆盖阻挡层22的籽晶层24，以及位于籽晶层24上的互连结构主体26。所述阻挡层22和籽晶层24可以是叠层结构，其详细信息请参考前文，这里不再赘述。

需要说明的是，在本发明的其他具体实施例中，也可以在形成阻挡层22之后，直接在所述开口中形成填充金属，而省略形成籽晶层24的步骤，类似的，所述填充金属的材料可以是铜或掺碳铜，优选为碳含量占1％至10％的掺碳铜。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种互连结构，包括：

半导体衬底；

覆盖所述开口的底部和侧壁的阻挡层；

其特征在于，

所述阻挡层的材料包括碳、掺碳铜、掺碳硅铜、石墨、碳纳米管薄膜、钌其中一种或任意几种的组合。

2.根据权利要求1所述的互连结构，其特征在于，所述阻挡层为第一阻挡层和第二阻挡层的叠层结构，所述第一阻挡层的材料选自碳、掺碳铜、掺碳硅铜、石墨、碳纳米管薄膜、钌其中一种或任意几种的组合，所述第二阻挡层的材料选自钽和/或氮化钽，所述第一阻挡层位于所述第二阻挡层之上或之下。

3.根据权利要求1或2所述的互连结构，其特征在于，所述填充金属的材料为掺碳铜，其中碳的含量为1％至10％。

4.根据权利要求1所述的互连结构，其特征在于，所述填充金属包括籽晶层和位于其上的互连结构主体，所述籽晶层的材料选自铜、掺碳铜、掺碳硅铜、石墨、碳纳米管薄膜其中一种或任意几种的组合。

5.根据权利要求4所述的互连结构，其特征在于，所述籽晶层为第一籽晶层和第二籽晶层的叠层结构，所述第一籽晶层的材料选自掺碳铜、掺碳硅铜、石墨、碳纳米管薄膜其中一种或任意几种的组合，所述第二籽晶层的材料为铜，所述第一籽晶层位于所述第二籽晶层之上或之下。

6.根据权利要求4或5所述的互连结构，其特征在于，所述互连结构主体的材料为选自铜、掺碳铜或二者的组合。

7.根据权利要求4或5所述的互连结构，其特征在于，所述互连结构主体的材料为掺碳铜，其中碳的含量为1％至10％。

8.根据权利要求1所述的互连结构，其特征在于，所述开口为沟槽、通孔或二者的组合。

9.一种互连结构的形成方法，包括：

提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有介质层；

在所述介质层上形成开口；

在所述开口的底部和侧壁形成阻挡层；

其特征在于，

10.根据权利要求9所述的互连结构的形成方法，其特征在于，所述在所述开口的底部和侧壁形成阻挡层包括：

11.根据权利要求10所述的互连结构的形成方法，其特征在于，使用化学气相沉积或物理气相沉积或原子层沉积形成所述第一阻挡层。

12.根据权利要求9或10所述的互连结构的形成方法，其特征在于，所述填充金属的材料为掺碳铜，其中碳的含量为1％至10％。

13.根据权利要求9所述的互连结构的形成方法，其特征在于，所述在所述开口中形成填充金属包括：

14.根据权利要求13所述的互连结构的形成方法，其特征在于，所述形成籽晶层包括：

15.根据权利要求14所述的互连结构的形成方法，其特征在于，使用化学气相沉积或物理气相沉积或原子层沉积形成所述第一籽晶层。

16.根据权利要求13或14所述的互连结构的形成方法，其特征在于，所述互连结构主体的材料为选自铜、掺碳铜或二者的组合。

17.根据权利要求16所述的互连结构的形成方法，其特征在于，使用电镀法形成所述互连结构主体。

18.根据权利要求9所述的互连结构的形成方法，其特征在于，所述开口为沟槽、通孔或二者的组合。