專利名稱：具有金屬互連的半導體器件及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體器件的金屬互連及其制造方法。
背景技術：
由于半導體器件已經變得高度集成并以高速操作，所以銅互連得到了迅 速開發。銅互連利用了電阻比鋁或鋁合金小的銅(銅已經被廣泛用作半導體 器件中的互連材料)，并具有相對高的電阻率和高電遷移率。
由于半導體器件的尺寸已經減小，所以需要利用銅的金屬互連的尺寸減
小。同樣，由于銅金屬互連的顆粒尺寸(grain size)也已在逐漸減小，所以 電流可集中于顆粒邊界處。

發明內容
本發明的實施例提供一種半導體器件的金屬互連及其制造方法，其中沉 積用于銅金屬互連的銅籽晶層并隨后用離子注入法以鋁成分進行摻雜，并通 過熱處理工藝形成Cu-Al合金層，從而使半導體器件的可靠性得以提高。
為了實現本發明的目標，提供了一種用于制造半導體器件的金屬互連的 方法，該方法包括以下步驟在包含下部互連的半導體襯底上形成電介質層； 在層間電介質層中形成暴露出下部互連的溝槽；在溝槽中和電介質層上形成 擴散阻擋件；在擴散阻擋件上形成銅籽晶層；將金屬摻雜劑注入銅籽晶層內； 在內部注入了金屬摻雜劑的銅籽晶層上形成銅金屬互連；以及由銅籽晶層和 金屬摻雜劑形成合金層。
為了實現本發明的目標，提供了一種具有金屬互連的半導體器件，包括: 電介質層，位于包含下部互連的半導體襯底上；溝槽，位于該電介質層中； 擴散阻擋件，位于該溝槽中并在該電介質層上；合金層，位于該擴散阻擋件 上；以及銅互連，位于該合金層上。


圖1至圖6是剖視圖，依序示出用于制造根據本發明示例性實施例的半 導體器件的金屬互連的過程。
具體實施例方式
以下將參考附圖，詳細描述半導體器件的金屬互連及其制造方法。 圖6是剖視圖，示出根據本發明示例性實施例的半導體器件的金屬互連。 參考圖6，層間電介質層20形成于半導體襯底10上(下部互連15形成 于半導體襯底10中)。電介質層20可包括一層或多層電介質材料，例如二 氧化硅(可用氟或硼和/或磷摻雜，和/或可包括等離子體硅烷(plasma silane) 和/或TEOS基氧化物)、氮化硅(例如可起到蝕刻停止件作用)，富硅氧化 硅(silicon rich oxide，SRO)、"黑鉆石(black diamond)"(例如，硅和碳 的氧化物[SiCxOy，其中x—般小于l而y為從大約2到大約2^1+x)]，還可 包含氫)。在一個實施例中，層間電介質層20包括連續疊置的氮化硅層、第 一氧化硅層(例如USG)、氟硅酸鹽玻璃(FSG)、及一個或多個第二氧化 硅層(例如USG/TEOS雙層)。
暴露出下部互連15的溝槽100 (例如參看圖1-4)形成于層間電介質層 20中。在附圖所示實施例中，溝槽100包括"雙鑲嵌(dual damascene)" 結構(即，電介質層20中的溝槽以及位于暴露出下部互連15的溝槽中的導 孔)。
擴散阻擋件30形成于層間電介質層20上，包含于溝槽中，為的是防止 銅材料擴散。典型地，擴散阻擋件30包含TaN或TiN，優選包含TaN，且 更優選的是位于包含Ti、 Ta的粘合劑層或上面帶有另一種金屬(例如Ru) 的雙層上。
Cu-Al合金層60形成于擴散阻擋件30上，而銅金屬互連70形成于Cu-Al 合金層60上。
如上所述，Cu-Al合金層60形成于擴散阻擋件30上，并且上面再形成 銅金屬互連70，因此能夠提高擴散阻擋件30與銅金屬互連70之間界面的粘 合力，從而提高器件的可靠性。
以下將參考圖1至圖6詳細描述制造半導體器件中具有如上所述結構的 金屬互連的方法。參考圖1，在半導體襯底10上形成層間電介質層20，在半導體襯底10 中形成下部互連，且隨后通過蝕刻工藝形成暴露出下部互連15的溝槽IOO(或 "雙鑲嵌"溝槽和導孔)，或在雙鑲嵌情況下完成兩道連續的光刻和蝕刻工 藝，其中一道工藝形成溝槽而另一道工藝形成導孔。例如，層間電介質層20 可包括氧化物層和/或其它層，如上所述。此外，下部互連15可包含諸如鋁 或銅之類材料(例如導體)。盡管圖中未示，可在半導體襯底10的場區上或場區中形成場氧化物層， 以便限定半導體襯底10的有源區，并可在有源區上或有源區中形成晶體管的 源極、漏極和柵極。隨后利用雙鑲嵌工藝，在電介質層20中形成預定圖案， 從而形成暴露出下部互連15的溝槽100 (和導孔)。參考圖2，在層間電介質層20上和溝槽100中形成擴散阻擋件30，以便 防止其后填充到溝槽100中的銅擴散到層間電介質層20內。例如，擴散阻擋 件30可包含Ta、 TaN、 TiSiN或TaSiN，并且可用物理汽相沉積(PVD)、 化學氣相沉積(CVD)或原子層沉積(Atomic Layer Deposition, ALD)來形 成。隨后，沿擴散阻擋件30的階梯部分，在擴散阻擋件30上形成銅籽晶層 40，以使得后續的金屬沉積工藝能夠容易地執行。例如，銅籽晶層40可用 PVD工藝、CVD工藝或ALD工藝來形成。參考圖3和圖4，利用離子注入法將鋁摻雜劑50注入銅籽晶層40內。 鋁摻雜劑50可通過蒸發Al2Cb、濺射元素Al或通過將三甲基鋁(Trimethyl Al， TMA)、氫化鋁(A12H6)或三鹵化鋁(例如A1F3、 A1C13)離子化來形成。 例如，根據離子注入的工藝條件，能量為3 KeV至7KeV，離子注入量為1015 至10"離子/cm2，而傾斜角為0。。因此，鋁摻雜劑50是在上述工藝條件下 注入的，所以鋁摻雜劑50均勻分布在銅籽晶層40上。注入鋁摻雜劑50的理由包括:鋁能夠形成像A1203這樣的高密度鈍化層， 并且鋁具有極好的粘合力，因而能在后續工藝中提高銅金屬互連70與擴散阻 擋件30之間的粘合力。當如上所述將鋁摻雜劑50注入銅籽晶層40內的時候， 有些鋁摻雜劑50注入銅籽晶層40內而其余鋁摻雜劑50則出現在銅籽晶層 40的表面上。
參考圖5，銅金屬互連70形成于內部注入了鋁摻雜劑50的銅籽晶層40 上，包括層間電介質層20上的溝槽100中。例如，可用電化學鍍(Electro Chemical Plating, ECP)法，化學鍍法或PVD法來形成銅金屬互連70。參考圖6，對上面形成了銅金屬互連70的層間電介質層20執行熱處理 工藝。隨著熱處理工藝的執行，鋁摻雜劑50與銅金屬互連70反應，從而形 成擴散阻擋件30與銅金屬互連70之間的Cu-Al合金層60。鋁與銅以1: 2 的原子比發生反應，從而形成Cu2Al。這是因為銅和鋁具有相同的晶體結構 和類似的晶格常數，且因此而能通過熱反應容易地形成Cu2Al。例如在熱處理工藝中，溫度可以從100。C至300 。C，可注射N2或其它 惰性氣體以防止氧化，和/或可在從103托至107托的真空氣氛中執行工藝。 通過這種方式，即可通過熱處理工藝在擴散阻擋件30與銅金屬互連70之間 形成Cu-Al合金層60，因此能夠提高擴散阻擋件30與銅金屬互連70之間界 面的粘合力，從而提高器件的可靠性。盡管圖中未示，可通過化學機械平坦化(Chemical Mechanical Planarization, CMP)工藝將銅金屬互連70平坦化。在銅金屬互連70的平坦 化工藝中，可用層間電介質層20或擴散阻擋件30作為蝕刻停止層。在本發明的金屬互連及其制造方法中，在用鑲嵌或雙鑲嵌圖案在所形成 的溝槽中沉積擴散阻擋件和銅籽晶層之后，通過離子注入工藝將鋁摻雜劑注 入銅籽晶層內，并隨后通過熱處理工藝穩定地形成Cu-Al合金層，因此能夠 提高銅金屬互連與擴散阻擋件之間的粘合力，從而提高銅金屬互連的可靠性。在本說明書中，任何對"一個實施例"、"一實施例"、"示例性實施 例"等等的引用都意味著，聯系該實施例描述的特定的特征、結構、或特性 包含于本發明的至少一個實施例中。在本說明書中多處出現的之類用語并不 一定全都參考相同的實施例。此外，當聯系任一實施例描述特定的特征、結 構、或特性時，應認為聯系其它實施例來實現這類特征、結構、或特性處于 本領域技術人員的范圍內。盡管以上參考多個說明性實施例，描述了本發明的實施例，應理解，本 領域技術人員可構思出許多落入本說明書所公開原理的范圍內的其它修改方 案和實施例。更具體地說，在本發明的說明書、附圖以及所附權利要求的范 圍內，對本發明主題的組合設置中的構件和/或設置方式可產生各種各樣的變
例和修改方案。除了對構件和/或設置方式的變例和修改方案之外，對本領域 技術人員來說，替換用途也是顯而易見的。
權利要求
1.一種用于制造金屬互連的方法，包括以下步驟在包含下部互連的半導體襯底上形成電介質層；在所述電介質層中形成暴露出所述下部互連的溝槽；在所述電介質層上和所述溝槽中形成擴散阻擋件；在所述擴散阻擋件上形成銅籽晶層；將金屬摻雜劑注入所述銅籽晶層內；在內部注入了所述金屬摻雜劑的所述銅籽晶層上形成銅金屬互連；及由所述銅籽晶層和所述金屬摻雜劑形成合金層。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中形成所述合金層的步驟包括使用熱 處理工藝。
3. 根據權利要求1所述的方法，其中所述金屬摻雜劑包含鋁離子。
4. 根據權利要求1所述的方法，其中所述合金層包括Cu-Al合金層。
5. 根據權利要求3所述的方法，其中所述鋁離子是由八1203或三甲基鋁 產生的。
6. 根據權利要求1所述的方法，其中所述合金層包含CU2A1。
7. —種具有金屬互連的半導體器件，包括 電介質層，位于包含下部互連的半導體襯底上； 溝槽，位于該電介質層中；擴散阻擋件，位于所述溝槽中和所述層間電介質層上； 合金層，位于所述擴散阻擋件上；以及 銅互連，位于所述合金層上。
8. 根據權利要求7所述的半導體器件，其中所述合金層包括Cu-Al合金層。
9. 根據權利要求7所述的半導體器件，其中所述合金層包含CU2A1。
全文摘要
本發明公開一種半導體器件及用于制造半導體器件的金屬互連的方法。上述方法包括以下步驟在包含下部互連的半導體襯底上形成電介質層，在層間電介質層中形成暴露出下部互連的溝槽，在溝槽中和在層間電介質層上形成擴散阻擋件，在擴散阻擋件上形成銅籽晶層，將金屬摻雜劑注入銅籽晶層內，在內部注入了金屬摻雜劑的銅籽晶層上形成銅金屬互連，以及由銅籽晶層和金屬摻雜劑形成合金層。
文檔編號H01L21/768GK101211822SQ20071015372
公開日2008年7月2日 申請日期2007年9月14日 優先權日2006年12月27日
發明者李漢春 申請人:東部高科股份有限公司