一種銅互連結(jié)構(gòu)及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體集成電路制造工藝技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種銅互連結(jié)構(gòu)及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著CMOS晶體管尺寸不斷地縮小，在高效率，高密度集成電路中的晶體管數(shù)量上升到幾千萬個(gè)，這些數(shù)量龐大的有源元件的信號(hào)集成需要多大十層以上的高密度金屬連線，然而這些金屬互連線帶來的電阻和寄生電容已經(jīng)成為限制這種高效集成電路的主要因素，因此，半導(dǎo)體工業(yè)已經(jīng)從原來的鋁互連工藝逐漸發(fā)展為金屬銅互連。
[0003]圖1為現(xiàn)有的制備銅互連結(jié)構(gòu)的工藝流程圖，該方法包括以下步驟:
[0004]步驟S01，請(qǐng)參見圖la，提供一半導(dǎo)體襯底101，并在半導(dǎo)體襯底101上沉積低介電常數(shù)介質(zhì)層102，采用光刻和刻蝕工藝在低介電常數(shù)介質(zhì)層102上形成通孔103 ;
[0005]步驟S02，請(qǐng)參見圖lb，在通孔103的底部、側(cè)壁以及低介電常數(shù)介質(zhì)層102的上表面形成阻擋層104和銅籽晶層105。
[0006]步驟S03，請(qǐng)參見圖lc，在通孔103內(nèi)填充銅互連層106，且銅互連層106覆蓋銅籽晶層105的上表面；
[0007]步驟S04，請(qǐng)參見圖ld，去除通孔外的銅互連層106、銅籽晶層105以及阻擋層104，形成銅互連結(jié)構(gòu)107。
[0008]在目前的銅互連結(jié)構(gòu)的制備工藝中，具有以下缺陷:
[0009]首先，現(xiàn)有的銅互連工藝對(duì)于28nm技術(shù)及以下，阻擋層104的厚度占整個(gè)銅互連通孔特征尺寸的比例越來越高，導(dǎo)致整個(gè)銅導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的電阻上升，器件功耗上升(以阻擋層TaN為例，阻擋層TaN的電阻率為200 μ Ω cm, Cu導(dǎo)線的電阻率為1.69 μ Ω cm)。
[0010]其次，請(qǐng)參見圖2a，在沉積阻擋層104和銅軒晶層105時(shí)，通常米用物理氣相沉積(PVD)的方式，在通孔頂部會(huì)出現(xiàn)懸突201現(xiàn)象，使通孔輪廓形貌變化，導(dǎo)致通孔開口尺寸變小，對(duì)后續(xù)銅電鍍的填充造成困難，容易在通孔中產(chǎn)生空洞202等缺陷，影響銅互連結(jié)構(gòu)的可靠性。
[0011]此外，請(qǐng)參見圖2b，在去除通孔外的銅互連層106、銅籽晶層105以及阻擋層104的過程中，由于采用了機(jī)械性能較弱的低介電常數(shù)介質(zhì)層102，會(huì)因?yàn)閴毫蜋M向剪切力而導(dǎo)致低介電常數(shù)介質(zhì)層102出現(xiàn)斷裂或分層203 (delaminat1n)，使銅互連結(jié)構(gòu)良率降低；同時(shí)，請(qǐng)參見圖2c，由于阻擋層104(Ta/TaN)和銅互連層106之間存在電位差異，在CMP過程中會(huì)產(chǎn)生電偶腐蝕(galvanic corros1n)而使通孔中的部分銅缺失204，造成銅互連結(jié)構(gòu)可靠性降低。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需提供一種銅互連結(jié)構(gòu)及其制造方法，改善現(xiàn)有銅互連結(jié)構(gòu)的形貌，保證后續(xù)銅互連層的填充性，提高器件的良率和一致性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種銅互連結(jié)構(gòu)及其制造方法，改善現(xiàn)有銅互連結(jié)構(gòu)的形貌，保證后續(xù)銅互連層的填充性，提高器件的良率和良率。
[0013]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種銅互連結(jié)構(gòu)，所述銅互連結(jié)構(gòu)包括:
[0014]半導(dǎo)體襯底；
[0015]介質(zhì)層，所述介質(zhì)層覆蓋在所述襯底的上表面，且所述介質(zhì)層上具有一通孔；
[0016]石墨烯阻擋層，形成在所述通孔的底部以及側(cè)壁；
[0017]釕金屬阻擋層，覆蓋在所述石墨烯阻擋層的底部以及側(cè)壁；
[0018]金屬銅，填充在所述通孔內(nèi)，且所述金屬銅的上表面與所述介質(zhì)層的上表面平齊。
[0019]優(yōu)選的，所述介質(zhì)層的材料為Si02、SiN、低介電常數(shù)材料、超低介電常數(shù)材料或六方氮化硼層中的一種或多種。
[0020]優(yōu)選的，所述介質(zhì)層從下往上依次包括黑鉆石材料層以及六方氮化硼層。
[0021]本發(fā)明還提供一種制造銅互連結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟:
[0022]步驟S01，提供一具有介質(zhì)層的襯底，所述介質(zhì)層上形成一通孔；
[0023]步驟S02，在所述通孔中依次生長(zhǎng)石墨烯阻擋層以及釕金屬阻擋層；
[0024]步驟S03，在所述通孔內(nèi)形成第一光刻膠，并以其為掩膜去除所述石墨烯阻擋層上表面的釕金屬阻擋層；
[0025]步驟S04，去除所述第一光刻膠，并清洗襯底表面；
[0026]步驟S05，采用選擇性銅電鍍工藝在所述通孔內(nèi)填充金屬銅，且所述金屬銅的上表面與所述介質(zhì)層的上表面平齊；
[0027]步驟S06，在所述金屬銅的上表面形成與其寬度相等的第二光刻膠，并以所述第二光刻膠為掩膜去除所述介質(zhì)層上表面的石墨烯阻擋層；
[0028]步驟S07，去除所述第二光刻膠，形成銅互連結(jié)構(gòu)。
[0029]優(yōu)選的，步驟S02中，采用低溫化學(xué)氣相沉積法、原子氣相沉積法、SiC熱分解法或氧化還原法形成所述石墨烯阻擋層，所述石墨烯阻擋層的厚度為0.34-3.4nm。
[0030]優(yōu)選的，步驟S02中，采用原子氣相沉積法形成所述釕金屬阻擋層，所述釕金屬阻擋層的厚度為l_3nm。
[0031]優(yōu)選的，步驟S03中，采用濕法刻蝕工藝或反應(yīng)離子刻蝕工藝去除所述石墨烯阻擋層上表面的釕金屬阻擋層。
[0032]優(yōu)選的，采用濕法刻蝕工藝去除所述釕金屬阻擋層的刻蝕藥液為硝酸鈰銨和硝酸的混合液、順03和NH 4F的混合液、H2S04^P Η 202的混合液、稀HF的一種或多種。
[0033]優(yōu)選的，采用反應(yīng)離子刻蝕工藝去除所述釕金屬阻擋層的刻蝕氣體為含F(xiàn)、C1或XeF氣體中的一種或多種。
[0034]優(yōu)選的，步驟S06中，采用干法刻蝕工藝去除所述石墨烯阻擋層的刻蝕氣體為H2、02或C xFy氣體的一種或多種。
[0035]本發(fā)明提供了一種銅互連結(jié)構(gòu)及其制造方法，石墨烯阻擋層以及釕金屬阻擋層替代了現(xiàn)有的阻擋層，采用釕金屬阻擋層可以省去銅籽晶層，可直接進(jìn)行后續(xù)的選擇性銅電鍍工藝，由于釕金屬阻擋層較薄，其阻擋能力有限，但與其相配合的石墨烯阻擋層由于其所有的sp2雜化的碳原子均飽和成鍵，其原子排列呈蜂巢結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，能有效阻擋金屬銅向介質(zhì)層擴(kuò)散，并且其電阻率比銅更低，產(chǎn)生的電阻可忽略不記，從而使銅互連的整體電阻變化很小，器件功耗降低；同時(shí)，由于石墨烯阻擋層的厚度較薄，可以很好的保持通孔的輪廓形貌，不影響后續(xù)的銅電鍍工藝的填充性，避免金屬銅產(chǎn)生縫隙；此外，石墨烯阻擋層由于其導(dǎo)電性能，可以實(shí)現(xiàn)后續(xù)的選擇性銅電鍍工藝，即金屬銅只在通孔中的釕金屬阻擋層上電鍍沉淀，而避免在石墨烯阻擋層上進(jìn)行銅電鍍工藝。本發(fā)明采用選擇性銅電鍍工藝以及光刻、刻蝕工藝形成銅互連結(jié)構(gòu)，避免了傳統(tǒng)制備工藝中的化學(xué)機(jī)械研磨工藝，避免了在化學(xué)機(jī)械研磨工藝過程中產(chǎn)生的各種缺陷，提高器件的良率和良率。
【附圖說明】
[0036]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0037]圖la-圖1d為現(xiàn)有的銅互連結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖2a-圖2c為現(xiàn)有的銅互連結(jié)構(gòu)中的缺陷示意圖；
[0039]圖3為本發(fā)明提出的銅互連結(jié)構(gòu)的制造方法的流程示意圖；
[0040]圖4a_圖4g為本發(fā)明提出的形成銅互連結(jié)構(gòu)的工藝步驟的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0041]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的【具體實(shí)施方式】加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0042]上述及其它技術(shù)特征和有益效果，將結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明提出的銅互連結(jié)構(gòu)及其制造方法進(jìn)行詳細(xì)說明。圖3為本發(fā)明提出的銅互連結(jié)構(gòu)的制造方法的流程示意圖；圖4a_圖4g為本發(fā)明提出的形成銅互連結(jié)構(gòu)的工藝步驟的示意圖。
[0043]本發(fā)明提供了一種銅互連結(jié)構(gòu)，其包括半導(dǎo)體襯底401、介質(zhì)層402、石墨烯阻擋層404、釕金屬阻擋層405以及金屬銅407 ;其中，介質(zhì)層402覆蓋在襯底401的上表面，且介質(zhì)層401上具有一通孔403，石墨烯阻擋層404形成在通孔403的底部以及側(cè)壁，釕金屬阻擋層405覆蓋在石墨烯阻擋層404的底部以及側(cè)壁，金屬銅407填充在通孔403內(nèi)，且金屬銅407的上表面與介質(zhì)層402的上表面平齊。
[0044]本發(fā)明所公開的銅互連結(jié)構(gòu)可以通過許多方法制作，以下所述的是本法明所提出的制造如圖3所示一個(gè)實(shí)施例的工藝流程。如圖3所示，本發(fā)明實(shí)施例提供一種制造銅互連結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟:
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