專利名稱：用于銅互連的犧牲金屬襯層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及半導體器件及其制造方法。本發(fā)明尤其涉及特別適用于銅冶金以犧牲元件為特征的改進的襯層結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
半導體器件的互連結(jié)構(gòu)由含有被層間電介質(zhì)層分隔的導線的層(布線層)構(gòu)成。導線被電介質(zhì)層在電路上相互分隔。各布線層中的導線通過導電通路孔相互連接，該導電通路孔從一布線層中的導線延伸，穿過層間電介質(zhì)層，到達第二布線層中的導線。在現(xiàn)代半導體器件中，導線部分地嵌入或鑲嵌在電介質(zhì)層中。
隨著現(xiàn)代半導體器件速度的增長，層間布線電容已成為束縛其增長的一個問題。已經(jīng)在尋求降低層間布線電容的方法。一個普遍的做法是使用低k電介質(zhì)材料如SILKTM(一種聚亞芳香醚(polyaryleneether)，可從Dow Chemical，Midland，MI公司得到)、自旋玻璃(spinon glass)、聚酰亞胺或其它聚合物。這些材料代替了如氧化硅和氮化硅的傳統(tǒng)電介質(zhì)材料。
低k電介質(zhì)材料存在的問題是它們不如傳統(tǒng)電介質(zhì)材料的剛度好。低k材料柔軟、可壓縮和韌性好，具有低模量和差的界面強度，如它們在機械應力和熱應力作用下傾向于分層或破裂，造成成品率低、可靠性差和成本高。一些低k材料是脆性的，在機械應力或熱應力下容易出現(xiàn)裂紋。它們用于半導體器件帶來兩個問題。第一，由于導線由金屬構(gòu)成(如銅和鎢)，低k電介質(zhì)和金屬之間的熱膨脹不匹配，造成制造過程或現(xiàn)場使用時低k材料的分層，斷裂或毀壞。第二，由于導線通過鑲嵌工藝形成，該工藝包括化學機械拋光(CMP)步驟，在CMP過程中機械應力被引發(fā)進入器件中，會帶來分層、斷裂或毀壞。
由于低k電介質(zhì)材料、鑲嵌布線層和CMP對于高性能半導體器件的制造來說是基礎(chǔ)，因此非常希望一種降低或消除應力造成的低k電介質(zhì)層的分層、斷裂或毀壞的方法。
通常，阻擋層或襯層結(jié)構(gòu)淀積在通路孔中，導電材料淀積在通路孔中的襯層結(jié)構(gòu)上面。在淀積襯層結(jié)構(gòu)之前，通常進行通路孔的凈化處理，一般采取向通路孔濺射氬離子。如參見美國專利US6177347。由于濺射刻蝕被施加到層間電介質(zhì)的側(cè)壁，這會導致電介質(zhì)材料的腐蝕，這會在通路孔與其下面的導線的界面處的通路孔底面上再淀積，導致可靠性差。
這樣，工業(yè)上需要尤其適用于具有低k電介質(zhì)的銅冶金結(jié)構(gòu)的改進的襯層結(jié)構(gòu)，和制造此結(jié)構(gòu)的方法。

發(fā)明內(nèi)容
在此發(fā)明背景下，本發(fā)明將一種犧牲元件引入襯層結(jié)構(gòu)和它的制造中，其對于具有低k電介質(zhì)的銅冶金結(jié)構(gòu)來說尤其有效。通常，改進的襯層結(jié)構(gòu)包括襯層的組合，其中在通路孔凈化前提供第一襯層。使用中，第一襯層保護通路孔側(cè)壁(通常是低k電介質(zhì))在隨后的工序中如濺射刻蝕過程中不被腐蝕。在這些工序中，僅僅第一襯層材料會被除去，而不是電介質(zhì)，這不會損害互連的可靠性、堅固性或電阻特性。進一步，在濺射刻蝕或凈化過程中，第一襯層從通路孔底面被除去，以避免在這些工序中互連污染并進一步提高其可靠性。根據(jù)本發(fā)明，在刻蝕過程中通路孔也延伸到下面的金屬組織中；提供第二襯層，該第二襯層提高與下面的金屬組織接觸的表面積。通路孔側(cè)壁上較厚的襯層結(jié)構(gòu)增強了機械強度，通路孔底面上的較大的粘結(jié)力提高了可靠性，例如在隨后的熱循環(huán)過程中。襯層結(jié)構(gòu)也提高了應力遷移特征，該特征尤其成為在銅互連中的問題。根據(jù)本發(fā)明，提供一種在制造半導體器件時在通路孔中形成襯層結(jié)構(gòu)的方法，包括在半導體襯底上方提供金屬線；在金屬線上方提供電介質(zhì)層；在電介質(zhì)層中形成具有側(cè)壁和裸露金屬線的底面的通路孔；在通路孔的側(cè)壁和底面上淀積第一襯層；從底面各向異性地除去第一襯層，同時保留側(cè)壁上的第一襯層并延伸通路孔以致于側(cè)壁的延伸部分和底面穿入金屬線；在側(cè)壁上保留的第一襯層和側(cè)壁的延伸部分以及穿入金屬線的底面上淀積第二襯層。
進一步，根據(jù)本發(fā)明，提供一種在制造半導體器件時形成金屬化結(jié)構(gòu)的方法，包括在半導體襯底上方提供金屬線；在金屬線上方提供電介質(zhì)層；在電介質(zhì)層中形成具有側(cè)壁和裸露金屬線的底面的通路孔；在通路孔的側(cè)壁和底面上淀積第一襯層；從底面各向異性地除去第一襯層，同時保留側(cè)壁上的第一襯層并延伸通路孔以致于側(cè)壁的延伸部分和底面穿入金屬線；在側(cè)壁上保留的第一襯層和側(cè)壁的延伸部分以及穿入金屬線的底面上淀積第二襯層以在通路孔中形成襯層結(jié)構(gòu)；和在襯層結(jié)構(gòu)上方淀積導體以填充通路孔。
另外，根據(jù)本發(fā)明，提供一種包括襯層結(jié)構(gòu)的半導體器件，包括在半導體襯底上方的金屬線；在金屬線上方的電介質(zhì)層；該電介質(zhì)層包括具有側(cè)壁和底面的通路孔，其中側(cè)壁的延伸部分和底面穿入金屬線；淀積在通路孔的側(cè)壁上但不在其底面上的第一襯層；在第一襯層和穿入金屬線的側(cè)壁部分以及通路孔底面上的第二襯層。
從下面對本發(fā)明實施例的尤其詳細的描述中本發(fā)明前述的和其它的特征與優(yōu)點將更清晰。


本發(fā)明的實施例將參照附圖被詳細描述，附圖中相同的標號代表相同的元件，其中圖1A-1E是圖解根據(jù)本發(fā)明的方法的示意剖面圖；和圖2A和2B分別是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明的金屬組織結(jié)構(gòu)的截面掃描電鏡(SEM)圖像。
具體實施例方式
參照附圖，圖1A顯示了包括襯底的半導體結(jié)構(gòu)1，襯底通常為硅、砷化鎵(GaAs)或類似物，在襯底上形成有如電容器和晶體管的器件和其上的絕緣體。在該結(jié)構(gòu)上方形成有金屬線2，其次是絕緣體層3，該絕緣體層通常為氮化硅或其它適合的材料。在絕緣體層3上方形成有一層或多層附加的電介質(zhì)層4以在金屬線2上方提供電介質(zhì)層。
可以采用任一適合的電介質(zhì)材料或材料形成電介質(zhì)層4，但優(yōu)選地是電介質(zhì)層4包括低k電介質(zhì)，即k＜3.5，如自旋玻璃，多孔氧化硅、聚酰亞胺、聚酰亞胺硅氧烷(polyimide siloxane)、倍半硅氧烷聚合物(polysilsesquioxane polymer)、苯并環(huán)丁烯(benzocyclobutene)、聚對二甲苯N(parylene N)、聚對二甲苯F(parylene F)、聚烯烴、聚萘(polynaphthalene)、無定形特氟綸(amorphorus teflon)、黑鉆石(Black Diamond)(可由AppliedMaterials，Santa Clara，CA公司得到)、聚合物泡沫(polymer foam)或氣凝膠，等等。在一個優(yōu)選實施例中，低k電介質(zhì)是低聚物、未固化處理的聚合物(uncured polymer)或固化的聚合物(curedpolymer)，該固化的聚合物包括以下化合物的反應產(chǎn)物包含兩個或更多個環(huán)戊二烯酮基團(cyclopentadienone group)的一種或多種多官能化合物，和包含兩個或更多個芳炔基(aromatic acetylene group)的至少一種多官能化合物，其中至少一種多官能化合物包含三個或更多個選自包括乙炔基和環(huán)戊二烯酮基的組中的基團。有效地，這樣一種材料具有填充間隙和使帶有圖樣的表面平坦化的能力，盡管固化處理時其具有相對高的熱穩(wěn)定性和高的玻璃轉(zhuǎn)變溫度和低的介電常數(shù)。有關(guān)此特定材料的其它細節(jié)參見美國專利US5965679，該專利的全部內(nèi)容連同有關(guān)其制造和應用的細節(jié)在這里作為參考文獻引用。本領(lǐng)域技術(shù)人員會獲悉可以使用的其它低k材料。優(yōu)選地，金屬線2由銅構(gòu)成，盡管也可以采用其它的金屬組織，如鋁、鋁-銅、鋁-銅-硅合金等。
參照圖1B，穿入電介質(zhì)層4和氮化硅層3形成有雙重鑲嵌開口或通路孔5，一般采用傳統(tǒng)的雙掩模工藝形成。例如，首先通過刻蝕未被隨后被去除的第一掩模覆蓋的區(qū)域，形成深度小于電介質(zhì)層4的總厚度的凹槽。然后，使用也要被去除的第二掩模在凹槽的底部刻蝕一較窄的開口，開口直到下面的氮化硅層3。接下來，位于較窄開口下面的氮化硅層3被除去，通常采用CHF3/O2干法刻蝕工藝。盡管圖1B所示的通路孔5具有雙重鑲嵌特征，但應當很明顯，能夠根據(jù)本發(fā)明形成其它的特征如單鑲嵌特征。
接下來，如圖1C所示，在通路孔5中形成導電層。首先，淀積由難熔金屬或其化合物構(gòu)成的層6，淀積層6通常與欲淀積的外形一致，這樣就覆蓋電介質(zhì)層4和通路孔5的側(cè)壁7和底面8的全部表面。優(yōu)選地，襯層6由鉭、氮化鉭、鈦、氮化鈦、鈦-鉭合金或它們的組合物形成。有效地，在任何的通路孔凈化處理之前，如濺射氬離子處理，淀積襯層6。這樣，襯層6保護通路孔側(cè)壁7免受侵蝕，尤其當電介質(zhì)層4中采用低k材料時。通過在側(cè)壁7上使用金屬膜層，實現(xiàn)侵蝕防護，并且任何敲擊或重濺射會除去金屬材料，這不會損害互連的可靠性、堅固性或阻抗。
參照圖1D，襯層6被從水平表面上除去，即從電介質(zhì)層4的上表面、通路孔中的任何水平表面上(如形成在雙重鑲嵌特征中的水平表面)和通路孔5的底面8。然而，應當提示的是，要選擇適合的各向異性的刻蝕條件以保留通路孔側(cè)壁7上的襯層6。在一優(yōu)選實施例中，可以通過執(zhí)行氬離子濺射刻蝕實現(xiàn)此目的。重要地，不僅襯層6從通路孔底部5除去，而且另外地對特征部件進行顯著的侵蝕直到金屬線2中。通路孔側(cè)壁7和底面8穿入金屬線2；這樣操作后，會起到消除前面工序帶來的污染和提供堅硬互連的可靠性能的作用。
在任何濺射刻蝕或凈化處理前，通過淀積襯層6，避免了通路孔側(cè)壁7、從而電介質(zhì)層4被侵蝕。沒有任何導電襯層存在時在側(cè)壁7上進行濺射凈化步驟可能會造成重淀積通路孔底面8時電介質(zhì)的侵蝕，導致與金屬線2的界面處的可靠性差。另外，避免了金屬(如銅)在側(cè)壁7上的重淀積，在重淀積中金屬可能遷移到電介質(zhì)層4中，從而引起可靠性的失靈或其它損壞。另一方面，通過在側(cè)壁7上首先淀積襯層6，任何重濺射的金屬聚積在襯層6的表面，而不是電介質(zhì)層4的表面。
接下來，在電介質(zhì)層4的上方和通路孔5中、在通路孔側(cè)壁7上保留的第一襯層6上和側(cè)壁7的延伸部分和穿入金屬線2的底面8上淀積第二襯層9，通常襯層9與欲淀積的表面一致，如圖1E所示。第二襯層9優(yōu)選地由難熔金屬或其化合物構(gòu)成，更為優(yōu)選地，由鉭、氮化鉭、鈦、氮化鈦、鈦-鉭合金或它們的組合構(gòu)成。
參照圖1F，如通過CMP方法從電介質(zhì)層4上除去第二襯層9后，，淀積導電材料10以填充通路孔5連同覆蓋電介質(zhì)層4的頂面。然后，進行另一CMP工序從電介質(zhì)層4的頂面除去導電材料10并形成導電材料10、襯層結(jié)構(gòu)和電介質(zhì)層4的共形表面。可以采用任何適合的導電材料10，然而，鎢、鋁、鋁-銅、鋁-銅-硅和銅是常用的導電材料。
優(yōu)選地，導電材料10包括銅，其中導電材料10的銅含量相當高，通常至少為50％，優(yōu)選地在大約65％以上，這樣導電材料10具有相對低的電阻。盡管通常純銅基本上是優(yōu)選的材料，銅中可以包含少量的其它材料以便，舉例來說，可以提高抗腐蝕能力。根據(jù)本發(fā)明的替代實施例可以采用的其它材料，包括金、銀、鎳等。
優(yōu)選地，通過電鍍淀積導電材料10，但也可以采用其它技術(shù)，如化學鍍，這對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是明顯的。根據(jù)圖1F的實施例，在第二襯層9上方淀積電鍍基底或籽晶層，采用濺射淀積的技術(shù)或其它類似技術(shù)，如化學氣相淀積、物理氣相淀積等。在此實施例中，籽晶層為銅，但根據(jù)所用電鍍技術(shù)的形式也可以使用其它的材料，如鎢、鈦、鉭等。然后采用電鍍技術(shù)在通路孔5中淀積導電材料10。特定地，將包含通路孔5的結(jié)構(gòu)放入電鍍液的容器中，施加外電流，導電材料10就在籽晶層上生長。由于在此例中籽晶層和導電材料10均為銅，隨著導電材料10在籽晶層上生長，籽晶層和導電材料10之間的間隔消除。一旦通路孔5被充以導電材料10，采用化學機械拋光或其它適合的技術(shù)使表面平坦。
應當指明，通過根據(jù)本發(fā)明形成導電襯層結(jié)構(gòu)，一個較厚的導電襯層形成在通路孔側(cè)壁7上，提供了增強的機械強度，進一步提高可靠性。另外，通過采用重劑量濺射，存在特征部件的嚴重侵蝕，侵蝕進入金屬線2中，如上所述。優(yōu)選地，當金屬線2由銅構(gòu)成時，通路孔側(cè)壁7的延伸部分和通路孔底面8穿入金屬線2達至少大約200的距離，優(yōu)選地是大約200～1000。由于導電襯層與金屬線2接觸的表面積更大，這使得在導電襯層中提高了互連的結(jié)合強度，從而進一步提高了可靠性，如在加工過程中來自熱循環(huán)的應力。
不局限于理論，我們認為，提高的應力遷移來源于重要的特征底面中的濺射刻蝕去除工藝，從而在金屬線2中提供具有臺階界面的凹進特征。這種應力遷移的提高尤其重要，因為在傳統(tǒng)的銅互連結(jié)構(gòu)中這是典型的失效模式。例如，銅應力遷移來源于銅中存在的空位的移動，空位通常沿晶粒邊界擴散。然而，這些空位沿銅/氮化硅的界面擴散得更快，尤其當銅與氮化硅之間的粘結(jié)力較差時。通過具有穿入銅線的帶臺階的通路孔側(cè)壁/底面邊界，沿銅/氮化硅界面的擴散被封堵，這樣就阻斷了空位移動通過此位置。參見圖2A和2B，其是根據(jù)本發(fā)明制造的金屬組織結(jié)構(gòu)(圖2B)和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)(圖2A)的比較。
盡管結(jié)合上述的特定實施例對本發(fā)明進行了描述，很明顯許多替代、改造和變體對所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見的。例如，本發(fā)明可以用于具有不同結(jié)構(gòu)如單鑲嵌孔的半導體結(jié)構(gòu)中，所以本發(fā)明絕對沒有想要將本發(fā)明限定在僅用于雙重鑲嵌結(jié)構(gòu)中。同樣應當理解，導電襯層可以包括除上述的難熔金屬或其化合物之外的其它金屬和金屬化合物，如氮化鎢WN、氮化鉬MoN、氮硅化鎢WSiN、硅化鎢WSi、鈮Nb、氮化鈮NbN、鉻Cr、氮化鉻CrN、碳化鉭TaC、氮硅化鉭TaSiN、氮硅化鈦TiSiN等。因此，如上面所闡述的本發(fā)明的實施例是示范性的而不是限定性的。可以進行各種改變但不脫離下面的權(quán)利要求書所界定的精神和保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種包含襯層結(jié)構(gòu)的半導體器件，包括在半導體襯底上方的金屬線；在所述金屬線上方的電介質(zhì)層；所述電介質(zhì)層包括具有側(cè)壁和底面的通路孔，其中側(cè)壁的延伸部分和底面穿入所述的金屬線；位于該通路孔的側(cè)壁上但不在其底面上的第一襯層；和在所述第一襯層、側(cè)壁穿入所述金屬線的部分和通路孔底面上的第二襯層。
2.如權(quán)利要求1所述的半導體器件，其特征在于，所述電介質(zhì)層包括低k電介質(zhì)。
3.如權(quán)利要求2所述的半導體器件，其特征在于，所述低k電介質(zhì)包括低聚體、未固化處理的聚合物或固化的聚合物，該固化的聚合物包括以下化合物的反應產(chǎn)物包含兩個或更多個環(huán)戊二烯酮基團(cyclopentadienone group)的一種或多種多官能化合物，和包含兩個或更多個芳炔基(aromatic acetylene group)的至少一種多官能化合物，其中至少一種多官能化合物包含三個或更多個選自包括乙炔基和環(huán)戊二烯酮基的組中的基團。
4.如權(quán)利要求1所述的半導體器件，其特征在于，所述的金屬線包括銅。
5.如權(quán)利要求4所述的半導體器件，其特征在于，通路孔的側(cè)壁延伸部分和底面穿入所述金屬線，其穿入距離為至少大約200。
6.如權(quán)利要求1所述的半導體器件，其特征在于，所述的襯層包括難熔金屬或其化合物。
7.如權(quán)利要求6所述的半導體器件，其特征在于，所述第二襯層包括難熔金屬或其化合物。
8.如權(quán)利要求1所述的半導體器件，其特征在于，所述的電介質(zhì)層包括低k電介質(zhì)；所述的金屬線包括銅；所述的第一襯層包括難熔金屬或其化合物；所述的第二襯層包括難熔金屬或其化合物；通路孔的側(cè)壁延伸部分和底面穿入所述金屬線，其穿入距離為大約200到大約1000。
9.如權(quán)利要求1所述的半導體器件，其特征在于，通路孔被導體填充。
10.如權(quán)利要求9所述的半導體器件，其特征在于，所述電介質(zhì)層的表面與填充通路孔的導體共面。
11.如權(quán)利要求10所述的半導體器件，其特征在于，所述導體包括銅。
12.如權(quán)利要求11所述的半導體器件，其特征在于，所述導體包括電鍍銅。
13.如權(quán)利要求12所述的半導體器件，其特征在于，所述金屬線包括銅；通路孔的側(cè)壁延伸部分和底面穿入所述金屬線，其穿入距離為至少大約200。
14.如權(quán)利要求13所述的半導體器件，其特征在于，所述的電介質(zhì)層包括低k電介質(zhì)；所述的第一襯層包括難熔金屬或其化合物；所述的第二襯層包括難熔金屬或其化合物；通路孔的側(cè)壁延伸部分和底面穿入所述金屬線，其穿入距離為大約200到大約1000。
15.如權(quán)利要求14所述的半導體器件，其特征在于，銅填充通路孔具有雙重鑲嵌特征。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種包含改進的襯層結(jié)構(gòu)的半導體器件，該襯層結(jié)構(gòu)形成在通路孔(5)中，該通路孔具有穿入金屬線(7)的延伸的側(cè)壁部分和底面(8)。該襯層結(jié)構(gòu)包括兩襯層，第一襯層(6)存在于通路孔側(cè)壁上，但不存在于底面上，和第二襯層(9)位于第一襯層和通路孔的延伸側(cè)壁部分與底面上。本發(fā)明也揭示了一種制造該襯層結(jié)構(gòu)的方法，其中在刻蝕或凈化處理前淀積第一襯層，該襯層結(jié)構(gòu)從通路孔延伸進入金屬線。
文檔編號H01L21/768GK1745471SQ200480003364
公開日2006年3月8日 申請日期2004年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月3日
發(fā)明者安托尼·K·斯塔姆波爾, 艾德華·C·考尼三世, 羅伯特·M·格弗肯, 杰弗里·R·馬里諾, 安德魯·H·西蒙 申請人:國際商業(yè)機器公司