CN114725007A - 一种铜互连层及铜互连层大马士革工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种铜互连层及铜互连层大马士革工艺方法。形成铜互连线的通孔及沟槽的侧壁和底部形成有阻挡层，该阻挡层包含金属晶体粘附层或者包含石墨烯层。金属晶体粘附层可以晶体Co层或者晶体Ru层或者晶体Os层。金属晶体粘附层能够增强与Cu的粘附性，有效抑制Cu向介质层中扩散，有利于提高Cu的电子迁移性能。上述金属晶体粘附层的形成能够有效减小阻挡层和第一阻挡层的总体厚度，有效降低通孔电阻。石墨烯层为无定型碳/石墨烯复合层。由于石墨烯层的形成，使得Cu互连层具有更低的电阻率石墨烯层的形成同样能够有效减小阻挡层或者阻挡层和第一阻挡层的总体厚度，有效降低通孔电阻。

Description

一种铜互连层及铜互连层大马士革工艺方法

技术领域

本发明涉及半导体器件领域，特别是涉及一种铜互连层及铜互连层大马士革工艺方法。

背景技术

互连电路的电阻电容(resistance–capacitance，RC)延迟是逻辑电路速度性能的主要影响因素。自0.13μm CMOS技术节点以来，铜(Cu)因其较低的电阻率而被用作互连材料。但是，Cu容易扩散到低k电介质中，并且还会降低Cu的电子迁移(Electro-migration，EM)性能。

传统工艺中，通常采用Ta/TaN作为双大马士革工艺中Cu互连层的阻挡层，以阻止Cu扩散。然而，随着BEOL中的CMOS连续减小，用于双大马士革(DD)结构中铜互连的传统的Ta/TaN衬垫层和阻挡层，在阻止Cu扩散、降低通孔电阻以及与Cu的粘附性以实现Cu的电子迁移(EM)性能方面的效果不佳。因此需要用于互连层的更好的材料来增强或替换常规的Ta/TaN叠层。

发明内容

鉴于双大马士革工艺中铜互连层中存在的上述问题及缺陷，本发明提供一种铜互连层及铜互连层大马士革工艺方法。在形成铜互连层的通孔及凹槽的侧壁及底部形成阻挡层，该阻挡层包括金属晶体粘附层或者石墨烯层。金属晶体粘附层可以是晶体Co层或晶体Ru层或晶体Os层，并且金属晶体成六方密排或面心立方结构。石墨烯层为无定形碳和石墨烯复合层。上述金属晶体粘附层或石墨烯层均能够增强与Cu的粘附性，能够有效抑制Cu向介质层尤其第k介质层中扩散，由此提高Cu的电子迁移性能。

为实现上述目的及其它相关目的，本发明提供了一种铜互连层大马士革工艺方法，该方法包括：

在衬底上形成介质层；

在所述介质层中形成通孔及沟槽；

在所述通孔的侧壁及底部以及所述沟槽的侧壁和底部形成阻挡层，所述阻挡层包含金属晶体粘附层或者包含石墨烯层；

在所述通孔及沟槽中填充铜，形成铜互连层。

可选地，当所述阻挡层包含金属晶体粘附层时，在所述通孔的侧壁及底部以及所述沟槽的侧壁和底部形成阻挡层还包括以下步骤：

在所述通孔的侧壁及底部以及所述沟槽的侧壁和底部形成金属和/或金属化合物作为第一阻挡层；

在所述通孔的侧壁以及所述沟槽的侧壁上的所述第一阻挡层上方通过物理气相沉积形成金属晶体粘附层。

可选地，当所述阻挡层包含金属晶体粘附层时，在所述通孔的侧壁及底部以及所述沟槽的侧壁和底部形成阻挡层还包括以下步骤：

在所述通孔的侧壁及底部以及所述沟槽的侧壁和底部形成金属和/或金属化合物作为第一阻挡层；

在所述通孔的侧壁以及所述沟槽的侧壁上的所述第一阻挡层上方通过化学气相沉积形成无定型金属衬垫层；

在所述无定型金属衬垫层上方通过物理气相沉积形成金属晶体粘附层。

可选地，所述金属晶体粘附层为晶体Co层或者晶体Ru层或者晶体Os层。

可选地，所述无定型金属衬垫层为无定型Co层或者无定型Ru层或者无定型Os层。

可选地，所述无定型金属衬垫层的厚度介于1nm～3nm，所述金属晶体粘附层的厚度介于1nm～2nm。

可选地，所述金属晶体粘附层的厚度介于1nm～5nm。

可选地，所述金属晶体粘附层中的金属晶体具有六方密排结构或者面心立方结构。

可选地，当所述阻挡层包含石墨烯层时，在所述通孔的侧壁及底部以及所述沟槽的侧壁和底部形成阻挡层还包括以下步骤：

在所述通孔的侧壁及底部以及所述沟槽的侧壁和底部经化学气相沉积形成无定型碳，在所述无定型碳和所述介质层的界面处形成石墨烯层，所述阻挡层为无定型碳/石墨烯复合层。

可选地，当所述阻挡层包含石墨烯层时，在所述通孔的侧壁及底部以及所述沟槽的侧壁和底部形成阻挡层还包括以下步骤：

在所述通孔的侧壁及底部以及所述沟槽的侧壁和底部经化学气相沉积形成无定型碳层，在所述无定型碳和所述介质层的界面处形成石墨烯层，所述阻挡层为无定型碳/石墨烯复合层；

在所述通孔的侧壁以及所述沟槽的侧壁上的所述无定型碳/石墨烯复合层上方沉积金属和/或金属化合物作为第一阻挡层。

可选地，化学气相沉积的温度介于300℃～400℃。

可选地，所述石墨烯层的厚度小于1nm。

可选地，所述第一阻挡层为TaN层或者TaN/Ta叠层。

根据本发明的另一方面，提供了一种铜互连层，所述铜互连层形成在衬底的介质层中的通孔及沟槽中，该铜互连层包括：形成在所述通孔的侧壁及底部以及所述沟槽的侧壁和底部的阻挡层，以及形成在所述阻挡层上方填充所述通孔及沟槽的铜互连线，所述阻挡层包含金属晶体粘附层或者包含石墨烯层。

可选地，所述金属晶体粘附层为晶体Co层或者晶体Ru层或者晶体Os层。

可选地，所述金属晶体粘附层的厚度介于1nm～5nm。

可选地，所述金属晶体粘附层中的金属晶体具有六方密排结构或者面心立方结构。

可选地，所述金属晶体粘附层与所述通孔及所述沟槽之间还形成有第一阻挡层。

可选地，所述金属晶体粘附层与所述第一阻挡层之间还形成有无定型金属衬垫层。

可选地，所述无定型金属衬垫层为无定型Co层或者无定型Ru层或者无定型Os层。

可选地，所述无定型金属衬垫层的厚度介于1nm～3nm，所述金属晶体粘附层的厚度介于1nm～2nm。

可选地，所述金属晶体粘附层的厚度介于1nm～5nm。

可选地，所述金属晶体粘附层中的金属晶体具有六方密排结构或者面心立方结构。

可选地，所述石墨烯层为无定型碳层/石墨烯复合层，所述石墨烯层形成在所述无定型碳层和所述通孔及所述沟槽的界面处。

可选地，所述无定型碳层/石墨烯复合层的上方还形成有第一阻挡层。

可选地，所述石墨烯层的厚度小于1nm。

可选地，所述第一阻挡层为TaN层或者TaN/Ta叠层。

如上所述，本发明提供的铜互连层及铜互连层大马士革工艺方法，至少具备如下有益技术效果：

在形成铜互连层时，首先在介质层的通孔及凹槽的侧壁和底部形成阻挡层，该阻挡层包含金属晶体粘附层或者包含石墨烯层。金属晶体粘附层可以晶体Co层或者晶体Ru层或者晶体Os层，本发明中可以首先在通孔及凹槽的侧壁和底部形成第一阻挡层，然后通过物理气相沉积直接形成上述金属晶体粘附层。其中，第一阻挡层能够有效消除介质层中杂质元素对形成金属晶体的影响，通过物理气相沉积形成的金属晶体粘附层晶体材料纯度高，能量大，能够获得具有倾向有序的晶体。或者可以首先通过化学气相沉积在通孔和沟槽的侧壁及底部形成无定型金属衬垫层，然后再通过物理气相沉积形成金属晶体粘附层。上述金属晶体粘附层能够增强与Cu的粘附性，有效抑制Cu向介质层中扩散，有利于提高Cu的电子迁移性能。上述金属晶体粘附层的形成能够有效减小阻挡层和第一阻挡层的总体厚度，有效降低通孔电阻。

在不同实施例中，阻挡层包含石墨烯层，该石墨烯层为无定型碳和石墨烯的复合层。在300℃～400℃的温度下，在通孔和沟槽的侧壁及底部形成无定型碳，在此过程中，在无定型碳和介质层的界面处形成石墨烯薄层。无定型碳层和石墨烯层与Cu之间可以形成第一阻挡层，也可以不形成该第一阻挡层。由于石墨烯层的形成，使得Cu互连层具有更低的电阻率；石墨烯层和Cu之间的界面改善，从而使得Cu互连层具有更高的击穿电流密度和更长的电子迁移寿命，从而改善了互连层的可靠性。石墨烯层的形成同样能够有效减小阻挡层或者阻挡层和第一阻挡层的总体厚度，有效降低通孔电阻。

附图说明

图1显示为本发明实施例一提供的铜互连层大马士革工艺方法的流程示意图。

图2显示为在衬底上方的介质层中形成的通孔及沟槽的结构示意图。

图3显示为在通孔及沟槽的侧壁和底部形成第一阻挡层的结构示意图。

图4显示为在第一阻挡层上方形成金属晶体粘附层的结构示意图。

图5显示为在图4所示结构中填充铜形成铜互连层的结构示意图。

图6显示为在实施例的可选实施例中在第一阻挡层上方形成无定型金属衬垫层的结构示意图。

图7显示为在图6所示的无定型金属衬垫层上方形成金属晶体粘附层的结构示意图。

图8显示为在图7所示结构中填充铜形成铜互连层的结构示意图。

图9显示为本发明实施例二提供的铜互连层大马士革工艺方法的流程示意图。

图10显示为在衬底介质层的通孔和沟槽中的侧壁及底部形成石墨烯层的结构示意图。

图11显示为在图10所示结构中填充铜形成铜互连层的结构示意图。

图12显示为在图10所示的石墨烯层上方形成第一阻挡层的结构示意图。

图13显示为在图12所示结构中填充铜形成铜互连层的结构示意图。

图14显示为现有技术中Cu互连层的结构示意图。

附图标记列表

100 衬底 110 铜

101 第一介质层 201 石墨烯层

102 第一刻蚀停止层 202 铜

103 第二刻蚀停止层 203 第一阻挡层

104 第二介质层 01 衬底

105 通孔 02 介质层

106 沟槽 03 阻挡层

107 第一阻挡层 04 铜

108 金属晶体粘附层 05 顶部阻挡层

109 无定型金属衬垫层

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量、位置关系及比例可在实现本方技术方案的前提下随意改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

实施例一

在大马士革工艺形成铜互连层工艺中，如图14所示，铜互连层形成在衬底01上方的介质层02中，该介质层通常为低k介质层，而铜互连层中的铜04极易向周围的低k介质层中迁移或扩散，进而降低铜的电子迁移性能。为了阻止铜向介质层的迁移或扩散，现有技术中通常在形成互连层的通孔或沟槽的侧壁上形成阻挡层03。如图14所示，以通孔为例，在通孔的侧壁以及底部形成有金属阻挡层03，该阻挡层通常为Ta、TaN或Ta及TaN叠层。在传统的通互连层中，上述金属阻挡层能够有效抑制铜的迁移或扩散。但是随着CMOS器件尺寸的连续缩小，Ta、TaN或Ta及TaN叠层的厚度也相应地减小，此时，上述金属阻挡层在降低通孔电阻、与铜的粘附性以及保证铜的电子迁移性能方面所起的作用大大降低，无法满足器件的要求。因此需要寻找替换材料以满足尺寸日益减小的CMOS器件对阻挡层性能的要求。

鉴于以上需求，本实施例提供一种铜互连层大马士革工艺方法，在形成铜互连层的通孔及沟槽的侧壁和底部形成包括金属晶体粘附层的阻挡层，以有效抑制铜向周围介质层的迁移和扩散。如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤S101：在衬底上形成介质层；

本实施例的衬底可以根据器件的实际需求进行选择，例如，可以包括硅衬底、锗(Ge)衬底、锗硅(SiGe)衬底、SOI(Silicon-on-insulator，绝缘体上硅)衬底或GOI(Germanium-on-Insulator，绝缘体上锗)衬底等等。如图2所示，在本实施例的优选实施例中，衬底100为硅衬底。该衬底可以是尚未形成器件层的衬底100，也可以是形成有半导体器件的衬底100。在衬底上方形成介质层，该介质层可以包括用于形成通孔的第一介质层101以及用于形成沟槽的第二介质层104。第一介质层101和衬底100之间还可以形成有第一刻蚀停止层102，第二介质层104和第一介质层101之间可以形成有第二刻蚀停止层103。上述介质层(第一介质层和第二介质层)为第k介质层，例如可以是SiCOH或SiOF。第一和第二刻蚀停止层可以是氮化硅层。

步骤S102：在所述介质层中形成通孔及沟槽；

如图3所示，分别在第一介质层101和第二介质层104中形成通孔105及沟槽106，通孔105贯穿第一介质层及第一刻蚀阻挡层，与衬底连通。在形成有器件的衬底中，上述通孔与衬底中的器件连通。沟槽贯穿第二介质层及第二刻蚀停止层，与通孔连通。在双大马士革工艺中，可以首先形成上述通孔105，然后形成沟槽106，也可以先形成沟槽106再形成通孔105，还可以同时形成通孔105和沟槽106。

步骤S103：在所述通孔的侧壁及底部以及所述沟槽的侧壁和底部形成阻挡层，所述阻挡层包含金属晶体粘附层；

形成上述金属晶体粘附层需具备两个条件：有金属或者金属化合物作为阻挡层，以消除介质层中杂质元素对形成金属晶体的影响；通过物理气相沉积(PVD)技术得到金属晶体材料，因为PVD技术得到的材料纯度很高，且能量大，能获得具有倾向有序的晶体。基于此，在本实施例中，首先，如图3所示，在通孔105及沟槽106的侧壁及底部形成一层金属层或金属化合物层，作为第一阻挡层107。在可选实施例中该第一阻挡层107可以是金属Ta层、TaN层或Ta及TaN的叠层。

然后，如图4所示，在第一阻挡层上方经PVD技术沉积一层金属晶体粘附层108。优选地，在通孔和沟槽的侧壁上的第一阻挡层上方形成金属晶体粘附层。该金属晶体粘附层可以是晶体Co层或者晶体Ru层或者晶体Os层。可选实施例中，具体可以采用超高频溅射(VHF Sputter)、射频溅射(RF Sputter)、脉冲溅射(Pulse Sputter)或者直流溅射(DCSputter)等实现金属晶体粘附层的形成。形成的金属晶体粘附层108的厚度大约为1nm～5nm。

在金属晶体粘附层中，金属晶体具有六方密排或者面心立方结构，该密排结构使得金属浸提具有更低的表面能，因此具有更高的粘附性。

步骤S104：在所述通孔及沟槽中填充铜，形成铜互连层。

形成上述金属晶体粘附层108之后，如图5所示，在通孔及沟槽中填充铜110形成铜互连层。例如首先在通孔及沟槽中填充铜，然后进行化学机械研磨获得图5所示的铜互连层。

在本实施例的一可选实施例中，如图6所示，在通孔105及沟槽106的侧壁及底部形成第一阻挡层107之后，首先采用化学气相沉积(CVD)技术在第一阻挡层上方形成无定型金属衬垫层109，该无定型金属衬垫层与后续形成的金属晶体粘附层为相同的金属元素。优选地，该无定型金属衬垫层109形成在通孔及沟槽的侧壁上的第一阻挡层上方。该无定型金属衬垫层能够提高沟槽和通孔的上下覆盖率。然后，如图7所示，同样通过PVD技术在无定型金属衬垫层109上方形成金属晶体粘附层108。无定型金属衬垫层的厚度可以为1nm～3nm，金属晶体粘附层108的厚度大约为1nm～2nm。

本实施例的上述方法能够形成纯度高、能量高、长程有序的金属晶体粘附层，在金属晶体粘附层中，金属晶体具有六方密排或者面心立方结构，该密排结构使得金属浸提具有更低的表面能，因此具有更高的粘附性。该金属晶体粘附层增强了与铜的粘附力，能够有效抑制铜向介质层中扩散，有利于提高铜的电子迁移性能。同时还可以减小阻挡层的整体厚度，有效降低通孔电阻。

本实施例同样提供经上述方法获得的铜互连层。同样参照图5，该铜互连层形成在衬底上方的介质层中。铜互连层包括在所述通孔的侧壁及底部以及所述沟槽的侧壁和底部的阻挡层以及形成在所述阻挡层上方填充所述通孔及沟槽的铜互连线。该阻挡层包括金属晶体粘附层108，所述金属晶体粘附层为晶体Co层或者晶体Ru层或者晶体Os层，优选地，金属晶体粘附层108形成在通孔及沟槽的侧壁上。在金属晶体粘附层中，金属晶体具有六方密排或者面心立方结构，该密排结构使得金属浸提具有更低的表面能，因此具有更高的粘附性。金属晶体粘附层的厚度介于1nm～5nm，可以减小阻挡层的整体厚度，有效降低通孔电阻。

金属晶体粘附层与所述通孔及所述沟槽之间还形成有第一阻挡层107，该第一阻挡层形成在通孔及沟槽的侧壁和底部。该第一阻挡层107能够有效抑制介质层中的杂质元素对金属晶体粘附层的影响。

在本实施例的一可选实施例中，金属晶体粘附层108与铜110之间还形成有无定型金属衬垫层109，该无定型金属衬垫层109可以是无定型Co层或者无定型Ru层或者无定型Os层。并且，形成该无定型金属衬垫层与金属晶体粘附层的金属元素相同。无定型金属衬垫层的形成有利于提高通孔及沟槽的上下覆盖均匀性。在该可选实施例中，无定型金属衬垫层的厚度可以为1nm～3nm，金属晶体粘附层108的厚度大约为1nm～2nm。该可选实施例中，阻挡层的整体厚度不会增加，同时还有利于提高通孔及沟槽的上下覆盖均匀性。

实施例二

本实施例同样提供一种铜互连层大马士革工艺方法，在形成铜互连层的通孔及沟槽的侧壁和底部形成包括金属晶体粘附层的阻挡层，以有效抑制铜向周围介质层的迁移和扩散。如图9所示，该方法包括如下步骤：

步骤S201：在衬底上形成介质层；

步骤S202：在所述介质层中形成通孔及沟槽；

步骤S203：在所述通孔的侧壁及底部以及所述沟槽的侧壁和底部形成阻挡层，所述阻挡层包含石墨烯层；及

步骤S204：在所述通孔及沟槽中填充铜，形成铜互连层。

上述步骤S201、步骤S202及步骤S204与实施例一的步骤S101、步骤S102及步骤S104相同，在此不再赘述。本实施例与实施一的不同之处主要在于步骤S203，具体如下：

本实施例中，形成图2所示的通孔105及沟槽106之后，如图10所示，在通孔及沟槽的侧壁和底部沉积一层无定型碳层。具体的，在300℃～400℃的温度下，采用CVD技术沉积该无定型碳层，在无定型碳的沉积过程中，会在无定型碳和形成通孔及沟槽的介质层的界面处形成一薄层石墨烯层，因此本实施例中石墨烯层实际形成为无定型碳/石墨烯复合层201。无定型碳/石墨烯复合层201的整体厚度介于1nm～5nm，形成的石墨烯层的厚度小于1nm。

形成上述石墨烯层之后，进行步骤S204，如图11所示，在通孔及沟槽中填充铜202，形成铜互连线。本实施例中，无定型碳/石墨烯复合层单独作为铜与介质层之间的阻挡层，由于石墨烯及无定型碳的良好的界面性能，能够有效抑制铜的迁移或者扩散。同时有利于降低阻挡层的厚度，降低通孔电阻。

在本实施例的可选实施例中，形成上述石墨烯层之后，如图12所示，还包括在石墨烯层上方形成金属和/或金属化合物层，作为第一阻挡层203，该第一阻挡层同样可以是金属Ta层、TaN层或Ta及TaN的叠层。优选地，该第一阻挡层形成在通孔及沟槽的侧壁上的石墨烯层上方。

形成上述石墨烯层及第一阻挡层之后，如图13所示，在沟槽及通孔中填充铜202，形成铜互连层。在该可选实施例中，由于石墨烯层良好的阻挡作用，该第一阻挡层的厚度可以做到尽量小，由此在不增加整体阻挡层的厚度下，实现更好的阻挡效果，同时降低通孔电阻。

经上述方法获得的铜互连层。同样参照图11，该铜互连层形成在衬底上方的介质层中。铜互连层包括在所述通孔的侧壁及底部以及所述沟槽的侧壁和底部的阻挡层以及形成在所述阻挡层上方填充所述通孔及沟槽的铜互连线。该阻挡层包括石墨烯层201，在本实施例中，该石墨烯层实际上为无定形碳/石墨烯复合层。无定型碳/石墨烯复合层201的整体厚度介于1nm～5nm，形成的石墨烯层的厚度小于1nm。无定型碳/石墨烯复合层单独作为铜与介质层之间的阻挡层，由于石墨烯及无定型碳的良好的界面性能，能够有效抑制铜的迁移或者扩散。同时有利于降低阻挡层的厚度，降低通孔电阻。

在本实施例的一可选实施例中，石墨烯层和铜之间还形成有第一阻挡层203，优选地，该第一阻挡层形成在通孔及沟槽的侧壁上的石墨烯层上方。该第一阻挡层同样可以是金属Ta层、TaN层或Ta及TaN的叠层。在该可选实施例中，由于石墨烯层良好的阻挡作用，该第一阻挡层的厚度可以做到尽量小，由此在不增加整体阻挡层的厚度下，实现更好的阻挡效果，同时降低通孔电阻。

如上所述，本发明提供的铜互连层及铜互连层大马士革工艺方法，至少具备如下有益技术效果：

在形成铜互连层时，首先在介质层的通孔及凹槽的侧壁和底部形成阻挡层，该阻挡层包含金属晶体粘附层或者包含石墨烯层。金属晶体粘附层可以晶体Co层或者晶体Ru层或者晶体Os层，本发明中可以首先在通孔及凹槽的侧壁和底部形成第一阻挡层，然后通过物理气相沉积直接形成上述金属晶体粘附层。其中，第一阻挡层能够有效消除介质层中杂质元素对形成金属晶体的影响，通过物理气相沉积形成的金属晶体粘附层晶体材料纯度高，能量大，能够获得具有倾向有序的晶体。或者可以首先通过化学气相沉积在通孔和沟槽的侧壁及底部形成无定型金属衬垫层，然后再通过物理气相沉积形成金属晶体粘附层。上述金属晶体粘附层能够增强与Cu的粘附性，有效抑制Cu向介质层中扩散，有利于提高Cu的电子迁移性能。上述金属晶体粘附层的形成能够有效减小阻挡层和第一阻挡层的总体厚度，有效降低通孔电阻。

在不同实施例中，阻挡层包含石墨烯层，该石墨烯层为无定型碳和石墨烯的复合层。在300℃～400℃的温度下，在通孔和沟槽的侧壁及底部形成无定型碳，在此过程中，在无定型碳和介质层的界面处形成石墨烯薄层。无定型碳层和石墨烯层与Cu之间可以形成第一阻挡层，也可以不形成该第一阻挡层。由于石墨烯层的形成，使得Cu互连层具有更低的电阻率；石墨烯层和Cu之间的界面改善，从而使得Cu互连层具有更高的击穿电流密度和更长的电子迁移寿命，从而改善了互连层的可靠性。石墨烯层的形成同样能够有效减小阻挡层或者阻挡层和第一阻挡层的总体厚度，有效降低通孔电阻。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (27)

1.一种铜互连层大马士革工艺方法，其特征在于，包括：

在衬底上形成介质层；

在所述介质层中形成通孔及沟槽；

在所述通孔的侧壁及底部以及所述沟槽的侧壁和底部形成阻挡层，所述阻挡层包含金属晶体粘附层或者包含石墨烯层；

在所述通孔及沟槽中填充铜，形成铜互连层。

2.根据权利要求1所述的铜互连层大马士革工艺方法，其特征在于，当所述阻挡层包含金属晶体粘附层时，在所述通孔的侧壁及底部以及所述沟槽的侧壁和底部形成阻挡层还包括以下步骤：

在所述通孔的侧壁及底部以及所述沟槽的侧壁和底部形成金属和/或金属化合物作为第一阻挡层；

在所述通孔的侧壁以及所述沟槽的侧壁上的所述第一阻挡层上方通过物理气相沉积形成金属晶体粘附层。

3.根据权利要求1所述的铜互连层大马士革工艺方法，其特征在于，当所述阻挡层包含金属晶体粘附层时，在所述通孔的侧壁及底部以及所述沟槽的侧壁和底部形成阻挡层还包括以下步骤：

在所述通孔的侧壁及底部以及所述沟槽的侧壁和底部形成金属和/或金属化合物作为第一阻挡层；

在所述通孔的侧壁以及所述沟槽的侧壁上的所述第一阻挡层上方通过化学气相沉积形成无定型金属衬垫层；

在所述无定型金属衬垫层上方通过物理气相沉积形成金属晶体粘附层。

4.根据权利要求2或3所述的铜互连层大马士革工艺方法，其特征在于，所述金属晶体粘附层为晶体Co层或者晶体Ru层或者晶体Os层。

5.根据权利要求3所述的铜互连层大马士革工艺方法，其特征在于，所述无定型金属衬垫层为无定型Co层或者无定型Ru层或者无定型Os层。

6.根据权利要求3所述的铜互连层大马士革工艺方法，其特征在于，所述无定型金属衬垫层的厚度介于1nm～3nm，所述金属晶体粘附层的厚度介于1nm～2nm。

7.根据权利要求1所述的铜互连层大马士革工艺方法，其特征在于，所述金属晶体粘附层的厚度介于1nm～5nm。

8.根据权利要求1所述的铜互连层大马士革工艺方法，其特征在于，所述金属晶体粘附层中的金属晶体具有六方密排结构或者面心立方结构。

9.根据权利要求1所述的铜互连层大马士革工艺方法，其特征在于，当所述阻挡层包含石墨烯层时，在所述通孔的侧壁及底部以及所述沟槽的侧壁和底部形成阻挡层还包括以下步骤：

在所述通孔的侧壁及底部以及所述沟槽的侧壁和底部经化学气相沉积形成无定型碳，在所述无定型碳和所述介质层的界面处形成石墨烯层，所述阻挡层为无定型碳/石墨烯复合层。

10.根据权利要求1所述的铜互连层大马士革工艺方法，其特征在于，当所述阻挡层包含石墨烯层时，在所述通孔的侧壁及底部以及所述沟槽的侧壁和底部形成阻挡层还包括以下步骤：

在所述通孔的侧壁及底部以及所述沟槽的侧壁和底部经化学气相沉积形成无定型碳层，在所述无定型碳和所述介质层的界面处形成石墨烯层，所述阻挡层为无定型碳/石墨烯复合层；

在所述通孔的侧壁以及所述沟槽的侧壁上的所述无定型碳/石墨烯复合层上方沉积金属和/或金属化合物作为第一阻挡层。

11.根据权利要求9或10所述的铜互连层大马士革工艺方法，其特征在于，化学气相沉积的温度介于300℃～400℃。

12.根据权利要求9或10所述的铜互连层大马士革工艺方法，其特征在于，所述石墨烯层的厚度小于1nm。

13.根据权利要求2或3或10所述的铜互连层大马士革工艺方法，其特征在于，所述第一阻挡层为TaN层或者TaN/Ta叠层。

14.一种铜互连层，所述铜互连层形成在衬底的介质层中的通孔及沟槽中，其特征在于，所述铜互连层包括形成在所述通孔的侧壁及底部以及所述沟槽的侧壁和底部的阻挡层，以及形成在所述阻挡层上方填充所述通孔及沟槽的铜互连线，所述阻挡层包含金属晶体粘附层或者包含石墨烯层。

15.根据权利要求14所述的铜互连层，其特征在于，所述金属晶体粘附层为晶体Co层或者晶体Ru层或者晶体Os层。

16.根据权利要求14或15所述的铜互连层，其特征在于，所述金属晶体粘附层的厚度介于1nm～5nm。

17.根据权利要求14或15所述的铜互连层，其特征在于，所述金属晶体粘附层中的金属晶体具有六方密排结构或者面心立方结构。

18.根据权利要求14所述的铜互连层，其特征在于，所述金属晶体粘附层与所述通孔及所述沟槽之间还形成有第一阻挡层。

19.根据权利要求18所述的铜互连层，其特征在于，所述金属晶体粘附层与所述第一阻挡层之间还形成有无定型金属衬垫层。

20.根据权利要求19所述的铜互连层大马士革工艺方法，其特征在于，所述无定型金属衬垫层为无定型Co层或者无定型Ru层或者无定型Os层。

21.根据权利要求20所述的铜互连层大马士革工艺方法，其特征在于，所述无定型金属衬垫层的厚度介于1nm～3nm，所述金属晶体粘附层的厚度介于1nm～2nm。

22.根据权利要求14所述的铜互连层大马士革工艺方法，其特征在于，所述金属晶体粘附层的厚度介于1nm～5nm。

23.根据权利要求14所述的铜互连层大马士革工艺方法，其特征在于，所述金属晶体粘附层中的金属晶体具有六方密排结构或者面心立方结构。

24.根据权利要求14所述的铜互连层大马士革工艺方法，其特征在于，所述石墨烯层为无定型碳层/石墨烯复合层，所述石墨烯层形成在所述无定型碳层和所述通孔及所述沟槽的界面处。

25.根据权利要求24所述的铜互连层大马士革工艺方法，其特征在于，所述无定型碳层/石墨烯复合层的上方还形成有第一阻挡层。

26.根据权利要求24所述的铜互连层大马士革工艺方法，其特征在于，所述石墨烯层的厚度小于1nm。

27.根据权利要求18或25所述的铜互连层大马士革工艺方法，其特征在于，所述第一阻挡层为TaN层或者TaN/Ta叠层。

Images