專(zhuān)利名稱(chēng)：用于在基材上制備多功能介電層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在基材上，特別是在基材上的未經(jīng)覆蓋的金屬互連系統(tǒng)上制備多功能介電層的方法。
在迄今已經(jīng)揭示的基于硅基材的半導(dǎo)體組件中，主要是銅互連件承擔(dān)各單獨(dú)功能層或平面內(nèi)以及平面之間的功能元件的電接觸-連接。在使用銅互連件時(shí)出現(xiàn)的一個(gè)特別的問(wèn)題是銅原子可擴(kuò)散到周?chē)娊橘|(zhì)中并因而改變半導(dǎo)體組件的電性質(zhì)，甚至到達(dá)導(dǎo)致其失效的程度。
當(dāng)然，除了Si基材以外，其他基材，例如玻璃、GaAs、InP、電路板、印刷線(xiàn)路板等也可以考慮作為基材。
為了防止銅原子擴(kuò)散到電介質(zhì)中，通常使用擴(kuò)散阻隔層，它們引入到銅互連件的側(cè)壁，即引入到銅互連件和周?chē)娊橘|(zhì)(SiO2)之間并且例如由Ta(N)構(gòu)成。在本文中后面所用的術(shù)語(yǔ)Ta(N)應(yīng)理解為包含鉭和任意期望比例氮的具有任意期望化學(xué)計(jì)量的化合物。通過(guò)該方式確保足以防止擴(kuò)散。
然而，因?yàn)樵诶脴?biāo)準(zhǔn)CMP(化學(xué)機(jī)械拋光)工藝進(jìn)行銅互連件的圖案化之后銅層在表面未經(jīng)覆蓋，所以為了防止任何氧化必須對(duì)所述銅層進(jìn)行鈍化。這通過(guò)向未經(jīng)覆蓋的互連件表面(Cu層)提供合適的介電層(例如SiN-PECVD層)得以實(shí)現(xiàn)。
然而，這種界面的缺陷在于在電遷移和應(yīng)力遷移方面的弱點(diǎn)和所述結(jié)合劣于最優(yōu)值的事實(shí)。作為實(shí)例，已經(jīng)嘗試通過(guò)非電電解工藝在未經(jīng)覆蓋的金屬表面選擇性沉積鈷，其意在這一方面取得改進(jìn)，但是迄今為止該方法沒(méi)有獲得理想的成功程度。
本發(fā)明基于下面的目標(biāo)提供一種易于實(shí)施的用于制備銅互連件的多功能鈍化層的方法，所述層具有改善的電遷移和應(yīng)力遷移和經(jīng)改善的所施加介電層的結(jié)合。
本發(fā)明所基于的目標(biāo)已經(jīng)通過(guò)在前序部分所記載類(lèi)型的方法得以實(shí)現(xiàn)，這是依據(jù)以下事實(shí)進(jìn)一步的金屬層被沉積在未經(jīng)覆蓋的金屬互連件的整個(gè)表面上，并且該進(jìn)一步的金屬層隨后被至少部分轉(zhuǎn)化成不導(dǎo)電的金屬氧化物，即轉(zhuǎn)化為絕緣體。
通過(guò)這種方式可以實(shí)現(xiàn)介電層對(duì)金屬互連件特別是對(duì)銅層的顯著改善的結(jié)合，和改善的電遷移和應(yīng)力遷移。
在本發(fā)明的第一構(gòu)造中，將所述金屬互連件包埋在基材上的絕緣體中且在側(cè)壁配備有擴(kuò)散阻隔層。在化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)后將進(jìn)一步的金屬層施加在未經(jīng)覆蓋的可以由銅構(gòu)成的金屬互連件上。
在本發(fā)明的第二構(gòu)造中，所述金屬互連件具有精簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)(subtractive architecture)，鑒于已經(jīng)被沉積在基材上的絕緣體的整個(gè)表面上的金屬層已經(jīng)隨后被圖案化，其中圖案化例如通過(guò)TIE(反應(yīng)離子蝕刻)或者舉離(lift-off)方法等進(jìn)行，并且進(jìn)一步的金屬層已經(jīng)被沉積在其上面的事實(shí)。在這種情況下該金屬互連件由例如鋁構(gòu)成。
本發(fā)明的第三構(gòu)造的特征在于將進(jìn)一步的金屬層施加到金屬互連件上，該金屬互連件已經(jīng)通過(guò)“圖案電鍍”(即將金屬電解沉積到抗蝕劑掩膜中并隨后去除抗蝕劑掩膜)施加到基材上的絕緣體上。
通過(guò)在20-500℃的后端相容溫度范圍內(nèi)進(jìn)行陽(yáng)極、熱或者等離子-化學(xué)氧化將進(jìn)一步的金屬層轉(zhuǎn)化為非導(dǎo)電性的金屬氧化物是有利的。
在本發(fā)明的一個(gè)特定構(gòu)造中，所述進(jìn)一步的金屬層由PVD方法制備。
優(yōu)選沉積鉭或者氮化鉭。
根據(jù)本發(fā)明的另一構(gòu)造，沉積Ta(N)/Ta或者Ta/Ta(N)層序列。也可以沉積其他材料或者材料組合例如Ti、Al、Ti/Al、Zr、Hf、Nb、Ru、Rh、Ir。
最后，在隨后的氧化過(guò)程中制備了非導(dǎo)電性的金屬氧化物層，例如在使用Ta(N)時(shí)由五氧化二鉭(Ta2O5)構(gòu)成的金屬氧化物層，目標(biāo)是獲得層的更高密度和品質(zhì)，良好的結(jié)合和明確界定的界面。
在本發(fā)明的一個(gè)變型方案中，可以在隨后的氧化過(guò)程中除去進(jìn)一步的金屬層的區(qū)域，使得在此位置形成由Ta(N)形成的電阻器且通過(guò)下面的金屬層(例如Cu)接觸連接。
優(yōu)選部分進(jìn)一步的金屬層用SiO2或者Si3N4層覆蓋。
最后，在本發(fā)明的另一構(gòu)造中，五氧化二鉭部分地作為用于MIM電容器集成的MIM電介質(zhì)形成。
所述Ta(N)電阻器和MIM電容器可以被分別或者同時(shí)集成。
在下面本發(fā)明通過(guò)基于使用Ta(N)的示例性實(shí)施方案進(jìn)行更詳細(xì)地闡述。在下面附圖中

圖1示出了在CMP和PVD-Ta(N)層作為進(jìn)一步的金屬層沉積于銅層上后的位于基材上的銅層；圖2示出了在Ta(N)層上沉積確定界限的SiO2層后的來(lái)自圖1的基材；圖3示出氧化裸露的Ta(N)層以形成五氧化二鉭后的基材，而已經(jīng)被SiO2覆蓋的Ta(N)層保持不變并隨后形成Ta(N)電阻器；圖4示出了在沉積進(jìn)一步的金屬層和圖案化該進(jìn)一步的金屬層從而與之前已經(jīng)制備的Ta(N)電阻器一起形成MIM電容器的上電極之后的基材；圖5示出了在沉積進(jìn)一步的SiO2層之后的基材，該SiO2層用作金屬間電介質(zhì)；和圖6示出了在處理另一互連件平面和兩個(gè)平面之間貫穿接觸處理后的基材。
圖1示出了具有Cu金屬?lài)婂?的例如由硅構(gòu)成的基材1，Cu金屬?lài)婂?已經(jīng)包埋在SiO2層2(大馬士革)中并已經(jīng)通過(guò)由Cu或者其他金屬例如鎢制成的貫穿接觸件4電連接到位于下面的Cu平面。未經(jīng)覆蓋的Cu金屬?lài)婂?在CMP(化學(xué)機(jī)械拋光)工藝后已經(jīng)通過(guò)PVD工藝被進(jìn)一步的金屬層5(例如Ta(N)層)覆蓋。PVD-Ta(N)金屬層的結(jié)合通常要優(yōu)于使用CVD工藝制備的層體系，這是因?yàn)?，例如在PVD工藝中消除了在界面上的不希望出現(xiàn)的化學(xué)過(guò)程，并且在濺射微粒第一次撞擊其要沉積的表面時(shí)，濺射微粒的動(dòng)能較高。
在這種情況下產(chǎn)生的邊界層相當(dāng)于周?chē)韪魧樱@意味著可以預(yù)期對(duì)于電遷移有相當(dāng)?shù)淖枇?。在Cu金屬?lài)婂?下也存在任選的SiN層6作為擴(kuò)散阻隔層和蝕刻停止層。
例如PVD Ta、PVD Ta(N)、PVD Ta(N)/Ta、PVD Ta/Ta(N)或者其他材料和材料組合(例如Ti、Al、Ti/Al、Zr、Hf、Nb、Ru、Rh、Ir)的沉積對(duì)于進(jìn)一步的金屬層5是適合的。但是由于該進(jìn)一步的金屬層5作為金屬覆蓋層將使得在該平面中的所有互連件短路，所以將該層完全轉(zhuǎn)化成金屬氧化物7(例如五氧化二鉭)的非導(dǎo)電層。這可以通過(guò)例如熱氧化輕易地進(jìn)行，其中熱氧化可以在20-500℃的末端相容溫度下進(jìn)行。
在該情況下上述材料被轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的金屬氧化物，即電介質(zhì)，例如Ta2O5、Al2O3、HfO2、Nb2O5、RuO2、Rh2O3、Ir2O3等(圖2)。
然而，如果要在兩個(gè)貫穿接觸件4之間制備例如Ta(N)電阻器8(TFR電阻器)，那么在氧化之前進(jìn)一步的金屬層5的對(duì)應(yīng)區(qū)域用SiO2層覆蓋(圖3)。
另一選擇方案在于，在MIM(MIM＝金屬、絕緣體、金屬)電容器9中使用和整合陽(yáng)極/熱氧化Ta/N。為了實(shí)現(xiàn)該目的，已經(jīng)沉積在大區(qū)域上的Ta(N)在待形成MIM電容器的范圍不進(jìn)行保護(hù)，使得該范圍被氧化形成Ta2O5并用作MIM電容器的電介質(zhì)(圖4，5)。
圖6顯示了Cu平面，其已經(jīng)用五氧化二鉭鈍化并包括Ta(N)電阻器8和用Ta2O5作為電介質(zhì)的MIM電容器9。
本發(fā)明使得通過(guò)金屬鍍層方法制備具有顯著改善的金屬互連系統(tǒng)的阻隔界面成為可能，其中該金屬鍍層在隨后的工藝中被基本完全氧化，從而形成非導(dǎo)電性金屬氧化物。
本發(fā)明的內(nèi)在理念在于將所施加的金屬層(進(jìn)一步的金屬層5)轉(zhuǎn)化成電介質(zhì)(金屬氧化物7)和使用以該方法制備的介電層用于各種用途(鈍化、停止層、MIM電介質(zhì)等)。
Al2O3、HfO2、Nb2O5等也可以用作MIM電介質(zhì)。
標(biāo)識(shí)列表1.基材2.SiO23.Cu金屬?lài)婂?金屬互連件4.貫穿接觸件5.進(jìn)一步的金屬層6.Si-N層7.金屬氧化物8.Ta(N)電阻器9.MIM電容器
權(quán)利要求
1.一種用于在基材上、特別是在基材上的未經(jīng)覆蓋的金屬互連系統(tǒng)上制備多功能介電層的方法，其特征在于，在未經(jīng)覆蓋的金屬互連件(3)的整個(gè)表面上沉積進(jìn)一步的金屬層(5)，且該進(jìn)一步的金屬層隨后至少部分轉(zhuǎn)化成為非導(dǎo)電性的金屬氧化物(7)，即介電層。
2.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述金屬互連件(3)已經(jīng)被包埋在基材(1)上的絕緣體中和在側(cè)壁配備有擴(kuò)散阻隔層，并在化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)后將所述進(jìn)一步的金屬層(5)施加到未經(jīng)覆蓋的金屬互連件(3)上。
3.權(quán)利要求2的方法，其特征在于，所述金屬互連件(3)由銅、鋁、鎢、金或者其他導(dǎo)電性材料構(gòu)成。
4.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，將所述進(jìn)一步的金屬層(5)沉積在金屬互連件(3)上，由于已經(jīng)沉積到基材(1)上的絕緣體的整個(gè)表面上的金屬層隨后被圖案化，該金屬互連件具有精簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)。
5.權(quán)利要求4的方法，其特征在于，所述金屬互連件(3)由鋁、銅、鎢、硅化物、氮化物或者其他導(dǎo)電性材料構(gòu)成。
6.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，將所述進(jìn)一步的金屬層(5)施加到已經(jīng)由圖案電鍍?cè)诨纳系慕^緣體上制備的金屬互連件(3)上。
7.權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，將所述進(jìn)一步的金屬層(5)轉(zhuǎn)化成非導(dǎo)電性金屬氧化物(7)是通過(guò)熱和/或陽(yáng)極和/或等離子化學(xué)氧化進(jìn)行的。
8.權(quán)利要求7的方法，其特征在于，所述氧化在20-500℃的末端相容溫度下進(jìn)行。
9.權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，所述進(jìn)一步的金屬層(5)由PVD工藝制備。
10.權(quán)利要求9的方法，其特征在于沉積鉭。
11.權(quán)利要求9的方法，其特征在于沉積Ta(N)。
12.權(quán)利要求9的方法，其特征在于沉積Ta(N)/Ta的層序列。
13.權(quán)利要求9的方法，其特征在于沉積Ta/Ta(N)的層序列。
14.權(quán)利要求10-13中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，作為T(mén)a(N)的替代物沉積其他材料/材料組合，例如Ti、Al、Zr、Hf、Nb、Ru、Rh、Ir。
15.權(quán)利要求1-14中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，所述氧化產(chǎn)生金屬氧化物(7)的導(dǎo)電層。
16.權(quán)利要求1-15中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，在氧化過(guò)程中除去該進(jìn)一步的金屬層區(qū)域。
17.權(quán)利要求16的方法，其特征在于，為了形成金屬薄膜電阻器，在熱氧化前部分進(jìn)一步的金屬層(5)被覆蓋。
18.權(quán)利要求17的方法，其特征在于，將部分進(jìn)一步的金屬層(5)用SiO2或者Si3N4層覆蓋。
19.權(quán)利要求1-18中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，金屬氧化物部分地作為用于MIM電容器集成的MIM電介質(zhì)形成。
20.權(quán)利要求17-19中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，分別或者同時(shí)集成金屬薄膜電阻器和MIM電容器。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于在基材上，特別是在基材上的裸露金屬條導(dǎo)體系統(tǒng)上制備多功能介電層的方法。本發(fā)明的目的在于提供一種用于銅條導(dǎo)體的多功能鈍化層的方法，該方法易于實(shí)施并提供了改善的電遷移、應(yīng)力遷移和改善的結(jié)合。根據(jù)本發(fā)明，這一目的通過(guò)在裸露金屬條導(dǎo)體(3)的整個(gè)表面沉積額外金屬層(5)得以實(shí)現(xiàn)。隨后將所述金屬層至少部分轉(zhuǎn)化成非導(dǎo)電性的金屬氧化物，介電層。
文檔編號(hào)H01L23/52GK1856876SQ200480027795
公開(kāi)日2006年11月1日 申請(qǐng)日期2004年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月25日
發(fā)明者J·赫爾內(nèi)德, M·施維爾德, T·格貝爾, A·米切爾, H·克爾納, M·霍梅爾 申請(qǐng)人:英飛凌科技股份公司