專利名稱：用于雙重鑲嵌式金屬線的最佳襯層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于雙重鑲嵌(dual damascene)式金屬芯片級(jí)互連結(jié)構(gòu)的襯層薄膜的形成。
背景技術(shù)：
在普通的雙重鑲嵌金屬工藝中，在下凹特征(feature)中濺射入薄襯層，比如難熔襯層，然后該下凹特征涂覆更厚且導(dǎo)電性更好的薄膜，比如銅，所述薄膜可以在器件工作時(shí)傳輸電流。
在Cu與SiO2電介質(zhì)互連的情況下，例如通過隨后沉積疊加的互連薄膜或結(jié)構(gòu)，可以涂布第一金屬襯層薄膜，比如Ta或Ti，以提供粘著力、低接觸電阻，以及減輕周圍電介質(zhì)的污染?？梢栽谏厦嫱坎嫉诙饘俚镆r層薄膜，比如TaN、TiN或WNx，以提高阻擋性能。涂布下一層薄膜，比如Cu晶粒，以有利于互連結(jié)構(gòu)的形成，例如電鍍的Cu填料。最后，將晶片輸送到另一設(shè)備，完成互連結(jié)構(gòu)的形成。
對(duì)于Cu與氟化電介質(zhì)互連的情況，省略Ta或Ti的沉積步驟，金屬氮化物直接沉積在電介質(zhì)上，因?yàn)榧兘饘俦热鏣a或Ti可以與氟反應(yīng)而形成化合物，該化合物使電介質(zhì)和襯層薄膜之間的界面弱化而薄膜分層。這同樣適用于其他可能存在于電介質(zhì)中的活性反應(yīng)組分。
襯層薄膜通常通過普通的物理氣相沉積(PVD)進(jìn)行沉積，該工藝導(dǎo)致下凹表面特征比如觸點(diǎn)、溝槽和通道與晶片的上表面相比，覆蓋率較差。對(duì)于高縱橫比的特征尤其是這樣?，F(xiàn)已研究了離子化PVD和化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝，它們提供了具有比普通PVD形成的特性更好的不同特性的薄膜。尤其是，離子化PVD大大增加了所述特征底部的覆蓋率，并增加了側(cè)壁的覆蓋率。通常，如本領(lǐng)域所公知，離子化PVD包括從源濺射顆粒并通過高密度等離子體將所述顆粒轉(zhuǎn)換成正離子，然后施加電場(chǎng)或偏壓，而通過電勢(shì)差使所述離子進(jìn)入所述凹入特征。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，現(xiàn)有多種設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)離子化PVD，其中的一個(gè)示例在在審申請(qǐng)09/442600中描述，題目為“離子化物理氣相沉積的方法和設(shè)備”，在此通過引用而包括。
也可使用CVD沉積薄膜。這種薄膜具有不同于PVD薄膜的特征。CVD工藝使用反應(yīng)前體，所述反應(yīng)前體可包括鹵素，比如氟和氯。所述前體擴(kuò)散到基片表面上，在表面上它們反應(yīng)，并留下含金屬的薄膜。所述反應(yīng)可以通過熱或等離子增強(qiáng)的機(jī)理實(shí)現(xiàn)。熱CVD可以形成整個(gè)特征的均勻覆蓋。通常，如本領(lǐng)域所公知，熱CVD是一種高溫工藝，其中反應(yīng)前體經(jīng)過加熱的基片，在反應(yīng)器的高溫環(huán)境中，它們易于分解并重新組合，而在加熱的基片上形成保形的含金屬薄膜。等離子增強(qiáng)的CVD提供了類似于離子化PVD提供的覆蓋率，但在所述特征開口附近外伸較小。等離子增強(qiáng)的CVD引入了等離子體，以便從反應(yīng)前體生成反應(yīng)性化學(xué)組分，這些組分組合而在基片表面上沉積所需的薄膜。等離子增強(qiáng)的CVD提供的能量增強(qiáng)可以使待沉積層在與單獨(dú)的熱CVD方法沉積相比，在明顯更低的溫度下沉積。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，現(xiàn)有多種設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)熱和/或等離子增強(qiáng)的CVD，其中的一個(gè)示例在在審申請(qǐng)09/300632中描述，題目為“由鹵化鉭前體集成Ta和TaNx薄膜的CVD”，在此通過引用而包括。
通常，導(dǎo)電性難熔金屬氮化物，比如Ta2N、TaSiN、TiN、WNx和WSiN可以用作擴(kuò)散阻擋層，以防止外界顆粒遷移進(jìn)入電介質(zhì)中或線路下方的半導(dǎo)體基片中。在高約450℃的普通工藝溫度下，這種薄膜是中等導(dǎo)電的，穩(wěn)定的且不會(huì)熱降解和化學(xué)反應(yīng)，且如果在沿所述特征的所有位置薄膜的厚度足夠，則可有效地阻擋有害的原子遷移。然而，擴(kuò)散阻擋層薄膜的厚度應(yīng)當(dāng)處處最小，以為導(dǎo)電的銅填料或其他導(dǎo)電金屬填料提供更大的空間，且通過化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)而易于從上表面上去除，尤其是在所述特征底部，以使器件的接觸電阻較低。實(shí)際上，薄膜產(chǎn)品的電阻率和厚度必須設(shè)計(jì)成對(duì)于0.1μm的IC產(chǎn)品節(jié)點(diǎn)而言，器件的接觸電阻規(guī)格例如約為每觸點(diǎn)2-4歐姆。因此，必須打破具有足夠的擴(kuò)散阻擋層材料，以阻擋來自金屬層、電介質(zhì)和互連金屬的擴(kuò)散原子通過，和具有足夠薄的層以實(shí)現(xiàn)良好的電接觸以及低成本制造之間的平衡。
對(duì)于含有無定形三元化合物比如TaSiN和WsiN、無定形的TaN的更高接觸電阻的金屬氮化物，以及絕緣的擴(kuò)散阻擋層比如Si3N4而言，高接觸電阻的問題更嚴(yán)重，其中所有這些阻擋層具有非常牢固的擴(kuò)散阻擋性能。
盡管已有在晶片上形成各種層的不同方法，但仍需要提供一種用于形成雙重鑲嵌式布線的襯層的有效方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種與用于互連結(jié)構(gòu)中的電介質(zhì)成為一體的擴(kuò)散阻擋疊層，所述電介質(zhì)外形具有表面特征，比如觸點(diǎn)、溝槽和通孔，且本發(fā)明還提供了一種用于在電介質(zhì)上形成擴(kuò)散阻擋疊層的方法，所述方法包括沉積由金屬和電阻性的擴(kuò)散阻擋層，比如金屬氮化物或絕緣的氮化硅，而形成的交互層。每層具有足以在所述結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)所需功能的厚度。內(nèi)部金屬層具有足以起到促進(jìn)接觸層作用的厚度。所述電阻性擴(kuò)散阻擋層具有足以使電流通過所述層的單層厚度，和足以阻擋擴(kuò)散原子通過的所有擴(kuò)散阻擋層的總厚度。所述疊層的末層起互連金屬穩(wěn)定層的作用。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明綜合了多種涂覆技術(shù)形成最佳的襯層，所述襯層具有優(yōu)于普通的襯層集成方案的優(yōu)點(diǎn)。為此，根據(jù)本發(fā)明，用于雙重鑲嵌式金屬芯片級(jí)互連結(jié)構(gòu)的金屬基襯層薄膜包括一或多個(gè)金屬和電阻性擴(kuò)散阻擋層比如金屬氮化物薄膜或絕緣體構(gòu)成的疊層，其中不同的薄膜具有適于其在器件中的功能的不同厚度。通過促進(jìn)互連金屬晶粒層的形成可以設(shè)置較寬的電鍍工藝窗口，其中所述互連金屬晶粒層形態(tài)穩(wěn)定，且不會(huì)過度地在所述特征開口上外伸。通過利用堅(jiān)固的阻擋材料并確保沿整個(gè)特征表面保持足夠的阻擋層覆蓋率，可以提供良好的擴(kuò)散阻擋性能。通過在至少一個(gè)串聯(lián)層中分配阻擋層薄膜的厚度，可以提供良好的接觸電阻，以便通過直接傳導(dǎo)或隧道效應(yīng)(tunneling)使電流通過，其中所述串聯(lián)層足夠薄，且由金屬隔開。通過選擇第一襯層薄膜以及沉積順序提供良好的附著力，且不會(huì)導(dǎo)致電介質(zhì)襯層界面上形成不良的副產(chǎn)品。增強(qiáng)保形性有利于CMP，其中對(duì)于側(cè)壁上給定的覆蓋率，所述保形性致使銅表面上的阻擋層厚度較小。在本發(fā)明的實(shí)施例中，所有襯層和晶粒薄膜都利用同一真空平臺(tái)沉積，從而防止晶片暴露于薄膜沉積過程中間的污染物。在另一實(shí)施例中，所有襯層薄膜在同一沉積室內(nèi)利用串行CVD工藝進(jìn)行沉積。
在本發(fā)明實(shí)施例的第一示例中，TaN/Ta/TaN/Ta擴(kuò)散阻擋疊層與氟化電介質(zhì)成為一體。因?yàn)殡娊橘|(zhì)是氟化的，所以第一襯層是金屬氮化物或絕緣材料，以便防止電介質(zhì)-襯層界面上形成副產(chǎn)品。在所述第一示例中，擴(kuò)散阻擋層材料是TaN，金屬是Ta。例如，假定需要約50的總阻擋層厚度，尤其是在特征側(cè)壁上，從而獲得良好的擴(kuò)散阻擋性能，并且假定隧道電流不能通過厚度大于約25的單個(gè)TaN薄膜層。如果需要不同的總擴(kuò)散阻擋層厚度，那么疊層的襯層可以相應(yīng)成比例變化。而且，如果電流不足以通過給定的阻擋層厚度，那么可以減小單個(gè)阻擋層的厚度，且可以對(duì)末層金屬層下方的疊層增加另外的阻擋層/金屬系列，以恢復(fù)阻擋性能。中間金屬層應(yīng)當(dāng)在下凹的表面特征比如觸點(diǎn)、溝槽和通孔的底部處足夠厚，以形成類似金屬的電學(xué)狀態(tài)，從而有利于經(jīng)相鄰電阻性薄膜的隧道效應(yīng)，起到促進(jìn)接觸層的作用。末層金屬層可以是擴(kuò)散阻擋層或金屬，且應(yīng)當(dāng)在所述特征的側(cè)壁和底部上足夠厚，以起到互連金屬穩(wěn)定層的作用。如果不足夠厚，則互連薄膜的形態(tài)較差。例如，末層金屬層至少約20。然而，如果可以保持良好的形態(tài)，它則可以象單層或數(shù)個(gè)單層一樣薄。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，末層的側(cè)壁厚度約25-50。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的第一示例的集成目的，用于晶片特征的薄膜應(yīng)當(dāng)具有下述襯層疊層排布和在指示位置處的大致層厚表1

為了實(shí)現(xiàn)表1所示最需要的覆蓋，且仍然有利于電鍍填充和CMP，或其他互連結(jié)構(gòu)形成技術(shù)，使用熱和等離子工藝組合是有效的。對(duì)于Ta的等離子增強(qiáng)的CVD工藝，得到約8％的側(cè)壁覆蓋率，而TaN的熱CVD工藝表現(xiàn)出約90％的側(cè)壁覆蓋率。然而，Ta的等離子增強(qiáng)的CVD工藝提供了40％的底部覆蓋率，TaN的熱CVD工藝提供了90％的底部覆蓋率。為了論述，梯級(jí)覆蓋率(step coverage)定義為在一特征的側(cè)壁(沿側(cè)壁的最薄點(diǎn)處)或底部的涂覆厚度與所述特征附近的上表面上的涂覆厚度的比值(乘100)。因此，對(duì)于使用等離子增強(qiáng)的CVD沉積Ta層和熱CVD沉積TaN層的上述薄膜順序，晶片將具有下述沉積薄膜覆蓋率和厚度。
表2

側(cè)壁的梯級(jí)覆蓋率約21％，而底部的梯級(jí)覆蓋率約48％。薄膜2是金屬夾層，其厚度由接觸電阻要求確定。薄膜2必須足夠厚，以便在兩層TaN層之間的底部觸點(diǎn)處形成導(dǎo)電層，從而形成隧道穿透的金屬電子狀態(tài)。為此，在所述特征底部足夠的金屬厚度應(yīng)約5-20。因?yàn)樵诳v橫比約5的接觸孔中，鉭的等離子增強(qiáng)的CVD工藝的底部覆蓋率約40％，所以在所述特征底部的15 Ta規(guī)定了基片上表面對(duì)應(yīng)的38和所述特征側(cè)壁上的3。因此，上表面的薄膜厚度約25 TaN/38 Ta/25 TaN/250 Ta，該疊層的保形性約21％，這是通過側(cè)壁薄膜大致厚度的總和(25+3+25+20)被上表面薄膜大致厚度的總和(28+38+28+250)除而計(jì)算出來的。這大約是普通的離子化PVD工藝的兩倍。
在本發(fā)明實(shí)施例的第二示例中，使用不釋放氟的電介質(zhì)，例如有機(jī)硅酸鹽玻璃(OSG)或SILK(Dow Chemical Corp)。而且，使用TaN作為擴(kuò)散阻擋層材料，而Ta作為金屬。薄膜疊層由在電介質(zhì)基片上表面的約38 Ta/28 TaN/250 Ta構(gòu)成。其中鉭通過等離子增強(qiáng)的CVD沉積，而氮化鉭通過熱CVD沉積，側(cè)壁薄膜具有約3 Ta/25 TaN/20 Ta的相應(yīng)厚度。第一層Ta層起促進(jìn)接觸層的作用，它在所述特征底部具有約15的厚度。側(cè)壁的梯級(jí)覆蓋率和疊層的保形性約15％，而底部的梯級(jí)覆蓋率約44％。該示例在表3中進(jìn)一步示出。
表3

與前一示例相比較，由于非氟化的電介質(zhì)基片，取消了金屬氮化物擴(kuò)散阻擋層構(gòu)成的第一層薄膜，鉭層直接沉積在電介質(zhì)上。結(jié)果是約25的金屬氮化物擴(kuò)散阻擋層材料來阻擋擴(kuò)散的原子，且是薄到足以實(shí)現(xiàn)隧道傳導(dǎo)的擴(kuò)散阻擋層。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)使用非氟化基片時(shí)，金屬或擴(kuò)散阻擋層可以沉積為第一襯層。還應(yīng)當(dāng)理解的是，如果使用氟化基片，但電介質(zhì)以某種方式進(jìn)行處理而使氟不與難熔金屬反應(yīng)，那么難熔金屬可以沉積為第一襯層。這些原理同樣適用于可能具有除氟之外的反應(yīng)組分的電介質(zhì)。
在本發(fā)明實(shí)施例的另一示例中，對(duì)前一實(shí)施例增加另外的阻擋層/金屬系列。所述薄膜疊層由在非氟化電介質(zhì)基片上表面的約38 Ta/28TaN/38 Ta/28 TaN/250 Ta構(gòu)成。特征側(cè)壁具有約3 Ta/25 TaN/3Ta/25 TaN/20 Ta的相應(yīng)厚度，且薄膜疊層的保形性和側(cè)壁的梯級(jí)覆蓋率約20％。底部的梯級(jí)覆蓋率約48％。該示例在表4中進(jìn)一步示出。附加的阻擋層/金屬系列增加了總的擴(kuò)散阻擋層材料以及所述疊層的保形性和梯級(jí)覆蓋率，同時(shí)保證單個(gè)阻擋層具有可以使隧道電流通過的厚度。
表4

在本發(fā)明實(shí)施例的另一示例中，使用熱CVD沉積金屬氮化物或絕緣擴(kuò)散阻擋層，同時(shí)使用離子化PVD沉積金屬層。所述薄膜疊層由氟化的或非氟化的電介質(zhì)基片上表面上約28 TaN/200 Ta構(gòu)成。所述特征側(cè)壁具有約25 TaN/20 Ta的相應(yīng)厚度，而所述薄膜疊層的保形性和側(cè)壁梯級(jí)覆蓋率約20％。底部的梯級(jí)覆蓋率約64％。該示例在表5中進(jìn)一步給出。
表5

關(guān)于在此所述的離子化PVD、等離子增強(qiáng)的CVD和熱CVD，有許多涉及可用于沉積上述層的沉積參數(shù)、氣體和源前體、靶材及構(gòu)造的文獻(xiàn)。使用適當(dāng)?shù)某练e參數(shù)和材料實(shí)現(xiàn)本發(fā)明在互連結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域的普通技術(shù)人員的常規(guī)技術(shù)內(nèi)。
在上述內(nèi)容中，已經(jīng)論述了用于沉積交互的金屬和電阻性擴(kuò)散阻擋層的離子化PVD、熱CVD和等離子增強(qiáng)的CVD工藝。通常，為了沉積金屬層，等離子增強(qiáng)的CVD或離子化的PVD最適于獲得擴(kuò)散阻擋疊層的最優(yōu)厚度。等離子增強(qiáng)的CVD和離子化PVD工藝保形性較差。通常，它們得到不超過約10％的側(cè)壁梯級(jí)覆蓋率。對(duì)于起促進(jìn)接觸層作用的金屬層，例如鉭夾層，僅要求在所述特征底部的厚度。如上所述，金屬夾層必須足夠厚，以在兩擴(kuò)散阻擋層之間的底部觸點(diǎn)處形成導(dǎo)電層，從而形成隧道穿透的金屬電子狀態(tài)。然而所述厚度可以與單層一樣薄，更合理的是至少兩個(gè)單層。更合理的是，所述特征底部的厚度應(yīng)當(dāng)約5-20。在所述特征側(cè)壁上金屬夾層的厚度并不嚴(yán)格要求。實(shí)際上，希望側(cè)壁的厚度最小，從而可以使更多的銅沉積在所述特征上。這可以通過使用沉積金屬夾層的低梯級(jí)覆蓋率的方法實(shí)現(xiàn)，其中側(cè)壁的厚度可以更薄。等離子增強(qiáng)的CVD和離子化PVD是可以實(shí)現(xiàn)側(cè)壁厚度最小化的低梯級(jí)覆蓋率的方法。對(duì)于末層金屬層，如果所述表面特征的底部和側(cè)壁的厚度不足夠厚，那么銅的形態(tài)可能較差。因此，與金屬夾層相反，希望末層金屬層具有更厚的側(cè)壁覆層。在等離子增強(qiáng)的CVD或離子化PVD中使用的參數(shù)可以針對(duì)末層進(jìn)行調(diào)節(jié)，而提供比其他層更厚或更薄的側(cè)壁覆層。例如，在使用一個(gè)CVD室涂布所有襯層時(shí)，等離子體密度可以變化而在側(cè)壁上沉積更多或更少的金屬，或者晶片的偏移可以變化而提供或大或小的方向性，以增加側(cè)壁的覆蓋率。
至于電阻性擴(kuò)散阻擋層的沉積，可以使用離子化PVD、熱CVD或等離子增強(qiáng)的CVD中的任一種。然而，對(duì)于這些阻擋層，可能更希望較高的保形性，以確保整個(gè)晶片外形上均勻的擴(kuò)散阻擋性能、以及較小的上表面厚度。熱CVD能實(shí)現(xiàn)高達(dá)100％的保形性。離子化PVD和等離子增強(qiáng)的CVD將比引導(dǎo)到所述特征側(cè)壁更多的顆粒引導(dǎo)到所述特征底部，且通常在鄰接所述特征的上表面上得到更大的厚度。所以雖然可以使用三種方法的任一種，但熱CVD產(chǎn)生了較高保形性的擴(kuò)散阻擋層，可以使整個(gè)結(jié)構(gòu)更堅(jiān)固而不會(huì)擴(kuò)散退化。
至于擴(kuò)散阻擋疊層所沉積的電介質(zhì)，集成電路制造領(lǐng)域的示例性電介質(zhì)包括氧化物，比如氧化硅、氟氧化硅、多孔氧化硅和滲碳的氧化硅；有機(jī)硅酸鹽玻璃(OSG)；旋壓玻璃，比如SILK或FLARE(AlliedsignalInc.)；聚合物，比如干凝膠、氣凝膠、甲基倍半硅氧烷(MSQ)，和氫倍半硅氧烷(HSQ)；以及氟化的無定形碳(CFx)。眾所周知，干凝膠和氣凝膠是多孔聚合物制成的玻璃，具有較低的介電常數(shù)，而CFx是含有原子百分?jǐn)?shù)約4的氟的無定形碳。電介質(zhì)通常在基片上逐漸形成或沉積，所述基片可以是集成電路制造領(lǐng)域中使用的任何類型的基片，包括硅、鍺砷化物，或四乙基原硅酸鹽(TEOS)。
在本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)過程中，交互的金屬和金屬氮化物層數(shù)、以及每層厚度是由整個(gè)結(jié)構(gòu)中最終需要的性能決定的。首先決定電介質(zhì)上的第一層會(huì)是什么。在有可與純金屬反應(yīng)的氟或其他活性反應(yīng)組分時(shí)，比如基片被氟化的情況下，為了避免在界面生成副產(chǎn)品，沉積在電介質(zhì)上的第一層應(yīng)當(dāng)是擴(kuò)散阻擋層，比如絕緣的氮化硅或難熔金屬氮化物。在電介質(zhì)不包含能與金屬生成副產(chǎn)品的氟時(shí)，比如電介質(zhì)是非氟化的，或者在氟化的電介質(zhì)已經(jīng)通過某種方法進(jìn)行處理而不呈現(xiàn)活性時(shí)，第一層襯層可以是金屬或擴(kuò)散阻擋層。一旦第一層確定，那么根據(jù)整個(gè)結(jié)構(gòu)所需的擴(kuò)散阻擋性能可以確定總阻擋層厚度，該厚度是所有單個(gè)阻擋層的總和。如果形成的接觸電阻大于所需的，那么確定單個(gè)阻擋層的最大厚度是多少，該厚度將使足夠的電流流過所述層。然后總阻擋層厚度分成等于或小于所述最大厚度的單個(gè)層的厚度，然而多層時(shí)可以提供對(duì)每層而言基本上均勻的厚度。然后這些阻擋層設(shè)置居間金屬層，以便如果對(duì)于選擇的阻擋層厚度而言隧道效應(yīng)是有效的傳導(dǎo)機(jī)理，則能隧道式穿過所述阻擋層。金屬夾層的厚度通過確定所述特征底部所需的金屬厚度決定，以起到相鄰擴(kuò)散阻擋層的促進(jìn)接觸層的作用。襯層疊層的末層可以是金屬或金屬氮化物，但已經(jīng)發(fā)現(xiàn)金屬可以形成比金屬氮化物更平滑的銅疊層。無論如何，末層厚度通過確定特征側(cè)壁所需的厚度而決定，以便足以使末層起到互連金屬穩(wěn)定層的作用。在確定了襯層疊層的沉積順序和每層厚度時(shí)，襯層疊層或擴(kuò)散阻擋疊層與電介質(zhì)成為一體，而成為互連結(jié)構(gòu)中的最佳襯層。整個(gè)結(jié)構(gòu)具有良好的電學(xué)性能，堅(jiān)固而不會(huì)擴(kuò)散退化。
雖然上述論述包括涉及鉭和氮化鉭的示例，但本發(fā)明適用于任何擴(kuò)散阻擋層厚度控制所述結(jié)構(gòu)的接觸電阻的結(jié)構(gòu)。通過采用所述結(jié)構(gòu)所需的整個(gè)擴(kuò)散阻擋層厚度、并通過居間金屬將所述阻擋層分成更薄的單個(gè)阻擋層、且通過利用適當(dāng)?shù)某练e技術(shù)，可以得到優(yōu)異的整體結(jié)構(gòu)。因此，本發(fā)明適用于其他的難熔金屬/難熔金屬氮化物襯層，比如Ti/TiN或W/WN，且適用于非導(dǎo)電性阻擋層比如Si3N5。在給出關(guān)于Ta/TaN系統(tǒng)的詳細(xì)描述的情況下，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以將本發(fā)明用于其他的類似系統(tǒng)。而且，雖然在現(xiàn)有器件中主要使用銅布線，但本發(fā)明適用于任何公知的或此后研制的互連器件。
雖然已經(jīng)通過實(shí)施例的描述解釋了本發(fā)明，且已經(jīng)相當(dāng)詳細(xì)地描述了所述實(shí)施例，但并不意味著所附權(quán)利要求的范圍約束或以任何方式限制在這些細(xì)節(jié)上。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，其他的優(yōu)點(diǎn)和改進(jìn)是顯而易見的。從更寬的方面而言，本發(fā)明不限于所示和所述的具體細(xì)節(jié)、典型設(shè)備和方法。因此，可以從這些細(xì)節(jié)作出變更，而不脫離本申請(qǐng)的總發(fā)明思想的范圍和主旨。
權(quán)利要求
1.一種用于形成與互連結(jié)構(gòu)中使用的電介質(zhì)材料成為一體的擴(kuò)散阻擋疊層的方法，所述方法包括提供具有一外形的電介質(zhì)材料，所述外形包括頂面和至少一個(gè)下凹表面特征，所述下凹表面特征包括至少一側(cè)壁和底部；在所述電介質(zhì)材料外形上沉積由金屬和電阻性擴(kuò)散阻擋層構(gòu)成的至少一系列交互層；其中除金屬末層外的每一交互金屬層在所述特征底部具有對(duì)鄰近的擴(kuò)散阻擋層足以起到促進(jìn)接觸層作用的厚度；并且其中每一交互的擴(kuò)散阻擋層具有小于基本上限制電流通過該層的厚度的厚度，且交互的擴(kuò)散阻擋層的合計(jì)總厚度足以阻擋來自鄰近的金屬層、所述電介質(zhì)材料外形或隨后施加的互連層的擴(kuò)散原子通過。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，這種電流通過借助于隧道效應(yīng)的幫助。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述襯層疊層中的末層在所述特征側(cè)壁處具有足以起到互連穩(wěn)定層作用的厚度。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，金屬層是通過等離子增強(qiáng)的化學(xué)氣相沉積工藝沉積的。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，金屬層是通過離子化物理氣相沉積工藝沉積的。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，擴(kuò)散阻擋層是通過熱化學(xué)氣相沉積工藝沉積的。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述擴(kuò)散阻擋層是金屬氮化物。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述擴(kuò)散阻擋層是難熔金屬氮化物。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，難熔金屬氮化物是氮化鉭、氮化鎢、氮化鈦。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，難熔金屬氮化物是氮化鉭。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述擴(kuò)散阻擋層是絕緣材料。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述絕緣材料是氮化硅。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬是從鉭、鎢和鈦中選擇的難熔金屬。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬是鉭。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，除金屬末層之外的每一交互金屬層在所述特征底部具有約5-20的厚度。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述電介質(zhì)材料被氟化，且電介質(zhì)材料上的第一層是金屬氮化物擴(kuò)散阻擋層。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述襯層疊層中的末層是金屬末層。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述末層是鉭，它在所述特征側(cè)壁處具有至少約20的厚度。
19.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述擴(kuò)散阻擋層是TaN，在所述特征側(cè)壁處所述交互擴(kuò)散阻擋層的合計(jì)厚度約為5至50。
20.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述擴(kuò)散阻擋層是TaN，在所述特征側(cè)壁處每一交互擴(kuò)散阻擋層的厚度不大于約25。
21.一種用于形成與銅互連結(jié)構(gòu)中使用的電介質(zhì)材料成為一體的擴(kuò)散阻擋疊層的方法，所述方法包括提供具有一外形的電介質(zhì)材料，所述外形包括頂面和至少一個(gè)下凹表面特征，所述下凹表面特征包括至少一側(cè)壁和底部；以及在所述電介質(zhì)材料外形上沉積由金屬和電阻性擴(kuò)散阻擋層構(gòu)成的至少一系列交互層；其中如果所述電介質(zhì)材料含有活性反應(yīng)組分，則電介質(zhì)材料上的第一層是擴(kuò)散阻擋層；其中所述襯層疊層中的末層是難熔金屬層，難熔金屬層在所述特征側(cè)壁具有足以起到銅穩(wěn)定層作用的厚度；其中除末層外的每一交互金屬層在所述特征底部具有對(duì)鄰近擴(kuò)散阻擋層足以起到促進(jìn)接觸層作用的厚度；以及其中每一交互擴(kuò)散阻擋層具有小于基本上限制電流通過該層的厚度的厚度，且所述交互擴(kuò)散阻擋層的合計(jì)總厚度足以阻擋來自鄰近金屬層、所述電介質(zhì)材料外形或隨后施加的銅層的擴(kuò)散原子通過。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，這種電流通過借助于隧道效應(yīng)的幫助。
23.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，金屬層是通過等離子增強(qiáng)的化學(xué)氣相沉積工藝沉積的。
24.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，金屬層是通過離子化物理氣相沉積工藝沉積的。
25.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，擴(kuò)散阻擋層是通過熱化學(xué)氣相沉積工藝沉積的。
26.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述擴(kuò)散阻擋層是金屬氮化物。
27.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述擴(kuò)散阻擋層是難熔金屬氮化物。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，難熔金屬氮化物是氮化鉭、氮化鎢、氮化鈦。
29.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，難熔金屬氮化物是氮化鉭。
30.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述擴(kuò)散阻擋層是絕緣材料。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，所述絕緣材料是氮化硅。
32.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述金屬是從鉭、鎢和鈦中選擇的難熔金屬。
33.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述金屬是鉭。
34.如權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于，除末層之外的每一交互金屬層在所述特征底部具有約5-20的厚度。
35.如權(quán)利要求2 1所述的方法，其特征在于，所述末層是鉭，它在所述特征側(cè)壁處具有至少約20的厚度。
36.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述擴(kuò)散阻擋層是TaN，在所述特征側(cè)壁處所述交互擴(kuò)散阻擋層的合計(jì)厚度約為5至50。
37.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述擴(kuò)散阻擋層是TaN，在所述特征側(cè)壁處每一交互擴(kuò)散阻擋層的厚度不大于約25。
38.一種用于形成與銅互連結(jié)構(gòu)中使用的電介質(zhì)材料成為一體的擴(kuò)散阻擋疊層的方法，所述方法包括提供具有一外形的電介質(zhì)材料，所述外形包括頂面和至少一個(gè)下凹表面特征，所述下凹表面特征包括至少一側(cè)壁和底部；在所述電介質(zhì)材料外形上沉積由鉭和氮化鉭電阻性擴(kuò)散阻擋層構(gòu)成的一系列交互層；其中如果所述電介質(zhì)材料含有活性反應(yīng)組分，則電介質(zhì)材料上的第一層是氮化鉭；其中所述襯層疊層中的末層是鉭，它在所述特征側(cè)壁處具有足以起到銅穩(wěn)定層作用的厚度；其中除末層外的每一交互鉭層在所述特征底部具有對(duì)鄰近擴(kuò)散阻擋層足以起到促進(jìn)接觸層作用的厚度；以及其中每一交互氮化鉭擴(kuò)散阻擋層具有小于基本上限制電流通過該層的厚度的厚度，且所述交互的擴(kuò)散阻擋層的合計(jì)總厚度足以阻擋來自鄰近鉭層、所述電介質(zhì)材料外形或隨后施加的銅層的擴(kuò)散原子通過。
39.如權(quán)利要求38所述的方法，其特征在于，這種電流通過借助于隧道效應(yīng)的幫助。
40.如權(quán)利要求38所述的方法，其特征在于，所述鉭層是通過等離子增強(qiáng)的化學(xué)氣相沉積工藝沉積的。
41.如權(quán)利要求38所述的方法，其特征在于，所述鉭層是通過離子化物理氣相沉積工藝沉積的。
42.如權(quán)利要求38所述的方法，其特征在于，所述氮化鉭層是通過熱化學(xué)氣相沉積工藝沉積的。
43.如權(quán)利要求38所述的方法，其特征在于，除末層之外的每一交互鉭層在所述特征底部具有約5-20的厚度。
44.如權(quán)利要求38所述的方法，其特征在于，所述末層在所述特征側(cè)壁處具有至少約20的厚度。
45.如權(quán)利要求38所述的方法，其特征在于，在所述特征側(cè)壁處所述交互的擴(kuò)散阻擋層的合計(jì)厚度為5至50，而在所述特征側(cè)壁處每一交互的擴(kuò)散阻擋層的厚度不大于約25。
46.一種與互連結(jié)構(gòu)中使用的電介質(zhì)材料成為一體的擴(kuò)散阻擋疊層，所述疊層包括具有一外形的電介質(zhì)材料，所述外形包括頂面和至少一個(gè)下凹表面特征，所述下凹表面特征包括至少一側(cè)壁和底部；以及在所述電介質(zhì)材料外形上由金屬和電阻性擴(kuò)散阻擋層構(gòu)成的至少一系列交互層；其中所述襯層疊層中的末層在所述特征側(cè)壁處具有足以起到互連穩(wěn)定層作用的厚度；其中除金屬末層外的每一交互金屬層在所述特征底部具有對(duì)鄰近擴(kuò)散阻擋層足以起到促進(jìn)接觸層作用的厚度；以及其中每一交互擴(kuò)散阻擋層具有小于基本上限制電流通過該層的厚度的厚度，且所述交互的擴(kuò)散阻擋層的合計(jì)總厚度足以阻擋來自鄰近金屬層、所述電介質(zhì)材料外形或隨后施加的互連層的擴(kuò)散原子通過。
47.如權(quán)利要求46所述的疊層，其特征在于，所述擴(kuò)散阻擋層是金屬氮化物。
48.如權(quán)利要求46所述的疊層，其特征在于，所述擴(kuò)散阻擋層是難熔金屬氮化物。
49.如權(quán)利要求48所述的疊層，其特征在于，難熔金屬氮化物是氮化鉭、氮化鎢、氮化鈦。
50.如權(quán)利要求48所述的疊層，其特征在于，難熔金屬氮化物是氮化鉭。
51.如權(quán)利要求46所述的疊層，其特征在于，所述擴(kuò)散阻擋層是絕緣材料。
52.如權(quán)利要求51所述的疊層，其特征在于，所述絕緣材料是氮化硅。
53.如權(quán)利要求46所述的疊層，其特征在于，所述金屬是從鉭、鎢和鈦中選擇的難熔金屬。
54.如權(quán)利要求46所述的疊層，其特征在于，所述金屬是鉭。
55.如權(quán)利要求54所述的疊層，其特征在于，除難熔金屬末層之外的每一交互金屬層在所述特征底部具有約5-20的厚度。
56.如權(quán)利要求46所述的疊層，其特征在于，所述電介質(zhì)材料被氟化，且電介質(zhì)材料上的第一層是金屬氮化物擴(kuò)散阻擋層。
57.如權(quán)利要求46所述的疊層，其特征在于，所述襯層疊層中的末層是金屬末層。
58.如權(quán)利要求46所述的疊層，其特征在于，所述末層是鉭，它在所述特征側(cè)壁處具有至少約20的厚度。
59.如權(quán)利要求46所述的疊層，其特征在于，所述擴(kuò)散阻擋層是TaN，在所述特征側(cè)壁處所述交互擴(kuò)散阻擋層的合計(jì)厚度約為5至50。
60.如權(quán)利要求46所述的疊層，其特征在于，所述擴(kuò)散阻擋層是TaN，在所述特征側(cè)壁處每一交互擴(kuò)散阻擋層的厚度不大于約25。
61.一種與銅互連結(jié)構(gòu)中使用的電介質(zhì)材料成為一體的擴(kuò)散阻擋疊層，所述疊層包括具有一外形的電介質(zhì)材料，所述外形包括頂面和至少一個(gè)下凹表面特征，所述下凹表面特征包括至少一側(cè)壁和底部；在所述電介質(zhì)材料外形上由鉭和氮化鉭電阻性擴(kuò)散阻擋層構(gòu)成的一系列交互層；其中如果所述電介質(zhì)材料含有活性反應(yīng)組分，則電介質(zhì)材料上的第一層是氮化鉭；其中所述襯層疊層中的末層是鉭，它在所述特征側(cè)壁處具有足以起到銅穩(wěn)定層作用的厚度；其中除末層外的每一交互的鉭層在所述特征底部具有對(duì)鄰近擴(kuò)散阻擋層足以起到促進(jìn)接觸層作用的厚度；其中每一交互的氮化鉭擴(kuò)散阻擋層具有小于基本上限制電流通過該層的厚度的厚度，且所述交互的擴(kuò)散阻擋層的合計(jì)總厚度足以阻擋來自鄰近鉭層、所述電介質(zhì)材料外形或隨后施加的銅層的擴(kuò)散原子通過。
62.如權(quán)利要求61所述的疊層，其特征在于，除末層之外的每一交互的鉭層在所述特征底部處具有約5-20的厚度。
63.如權(quán)利要求61所述的疊層，其特征在于，所述末層在所述特征側(cè)壁處具有至少約20的厚度。
64.如權(quán)利要求61所述的疊層，其特征在于，在所述特征側(cè)壁處所述交互的擴(kuò)散阻擋層的合計(jì)厚度為5至50，而在所述特征側(cè)壁處每一擴(kuò)散阻擋層的厚度不大于約25。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在用于雙重鑲嵌式金屬芯片級(jí)互連結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)上形成擴(kuò)散阻擋疊層的方法、以及因此生產(chǎn)的擴(kuò)散阻擋疊層。金屬和電阻性擴(kuò)散阻擋層形成的交互層沉積在電介質(zhì)基片上，其中不同的層具有適于其在器件中的功能的不同厚度。在本發(fā)明的一示例中，鉭和氮化鉭形成的交互層沉積在電介質(zhì)基片上。
文檔編號(hào)H01L23/532GK1608319SQ01819539
公開日2005年4月20日 申請(qǐng)日期2001年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月28日
發(fā)明者約瑟夫·T·希爾曼, 托馬斯·J·利卡塔 申請(qǐng)人:東京毅力科創(chuàng)株式會(huì)社