專利名稱：改進(jìn)的hdp氮化物基ild蓋層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到半導(dǎo)體器件的制作，更確切地說，是涉及到互連結(jié)構(gòu)如鑲嵌式互連結(jié)構(gòu)的層間介電(ILD)蓋層技術(shù)。
背景技術(shù)：
集成電路(IC)器件(亦稱為半導(dǎo)體芯片)可包含數(shù)百萬只晶體管和其他電路元件，這些元件都制作在一塊單晶硅襯底(晶片)上。在IC器件工作時(shí)，通常復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)信號將被路由選擇以連接分布在器件表面上的電路元件。隨著電路元件的復(fù)雜性增大，元件數(shù)增多，對器件上這些信號的有效路由選擇就越難。因此，更加希望形成多層面的互連方案，如雙鑲嵌引線(互連)結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@會(huì)在復(fù)雜IC上大量的晶體管與其他電路元件間有效地提供高速的信號路由圖形。
鑲嵌技術(shù)一般說來，鑲嵌技術(shù)包括淀積層間介電(ILD)層，如二氧化硅(SiO2；也簡稱為“氧化物”)；在ILD中制作開孔；用金屬例如銅(Cu)過填充此開孔；然后用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)法除去過多的金屬，而得到平面的互連結(jié)構(gòu)。這就在多層布線的全部“互連結(jié)構(gòu)”中得到了一個(gè)“引線層”(或“互連層”)。此互連層中的開孔可為與集成電路(IC)芯片表面平行延伸的溝槽，而填充的溝槽稱為“引線”或“線條”。引線被用來從晶片上第一處將信號路由選擇至遠(yuǎn)離該處的第二處。制作引線的溝槽可以只從其上表面平行地部分延伸到ILD的厚度中(例如，一半厚度)。在某種意義上，銅導(dǎo)體是“鑲嵌”在ILD中的。
作為替代，互連層中的開孔也可為垂直于IC表面完全穿過ILD層的通道，用來使較高引線層或本引線層的上層引線(在下面描述的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)中)與較低引線層的下層引線相連。填充的通道典型地簡稱為“通道”，有時(shí)也稱為“柱塞”，尤其是與下層的第一金屬化層(M1)或下層的MOS(金屬-氧化物-半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)元件連接時(shí)。通道和引線這里都稱為“導(dǎo)體”，因?yàn)槠淠康氖莻鬏旊娦盘枴?br> 在“雙”鑲嵌技術(shù)中，ILD中的開孔包括與上層溝槽部分連接的下接觸或通道孔部分，且通道孔和溝槽部分是同時(shí)填充的。
目前，制作在集成電路芯片上的互連結(jié)構(gòu)包括最小光刻特征尺寸(現(xiàn)在約為0.25μm(微米)，表示為1×(稱為“細(xì)線”))的至少約2-8個(gè)引線層，在這些層上面的約2-4個(gè)引線層(稱為“寬線”)，其線寬為約2×或約4×細(xì)線最小線寬。通道的典型寬度約為130nm(納米)，且通常有多余的通道來有效地連接上層和下層的引線。1μm(微米)＝1000nm(納米)。
在互連金屬化中銅(Cu)和Cu合金作為替代鋁(Al)和Al合金的候選者已受到顯著的注意。Cu較貴，易加工，且比Al有較低的電阻率。此外，與鎢(W)相比，Cu的電學(xué)性質(zhì)有改善，使之成為用作柱塞和導(dǎo)電引線所希望的金屬。這里所用的“Cu”包括高純元素銅及Cu基合金，例如含有少量錫、鋅、錳、鈦、鎂、鍺、鋁和硅的Cu合金。
由于Cu會(huì)通過層間介電層(ILD)材料如二氧化硅而擴(kuò)散，Cu互連結(jié)構(gòu)應(yīng)被擴(kuò)散阻擋層(或“襯層”)包圍。常規(guī)的作法是在ILD中制作鑲嵌開孔，然后在通道或引線淀積Cu之前，在ILD中開孔的側(cè)壁和底部襯以淀積的阻擋層如TaN。
典型的擴(kuò)散阻擋層金屬包括鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)、氮化鈦(TiN)、鈦-鎢(TiW)、鎢(W)、氮化鎢(WN)、Ti-TiN、氮化鈦硅(TiSiN)、氮化鎢硅(WSiN)、氮化鉭硅(TaSiN)、以及包圍Cu層的氮化硅。使用這樣的阻擋層材料來包圍Cu的優(yōu)點(diǎn)是不僅限于Cu與介電層之間的界面，也可包括Cu與其他金屬之間的界面。
任何Cu導(dǎo)體的上表面(典型地，一條指定的引線將總是由一通道與上層導(dǎo)體的下表面連接)也必須予以保護(hù)，例如防止氧化。為封蓋銅互連線的上表面，典型地使用介電材料的“蓋層”如氮化硅(Si3N4；也簡稱為“氮化物”)。蓋層也稱為“鈍化層”。通常鈍化層在后面的工藝中也必須起止蝕層的作用，然而，最佳的止蝕層材料卻往往不是最佳的鈍化層。例如，氮氧化硅(SiON)是有用的止蝕層，但因?yàn)樵阢~與氮氧化硅間會(huì)剝離(delamination)而不大希望用作鈍化層。氮化硅(SiN)避免了起層問題，因而是優(yōu)選的鈍化材料，但不大希望用作止蝕層。
圖1說明了利用上述的銅金屬化、阻擋層及保護(hù)蓋層的常規(guī)BEOL(后端線)互連結(jié)構(gòu)100。所說明的互連結(jié)構(gòu)100包含第一互連層110和第二互連層130，并表示為(作為實(shí)例)制作在襯底102如半導(dǎo)體晶片上，晶片含有多個(gè)邏輯電路元如晶體管。在襯底102中示出的一個(gè)“普通”接觸區(qū)104是，例如，制作在MOSFET(金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)源區(qū)或漏區(qū)的電極。
應(yīng)清楚地了解，圖1所說明的只是集成電路(IC)器件的一個(gè)極小(可用顯微鏡看到)部分，而半導(dǎo)體晶片包含有大量這樣的器件。例如，所示者可為半導(dǎo)體晶片上僅有幾個(gè)微米(μm)的寬度，而晶片的直徑為數(shù)英寸。再者，在“現(xiàn)實(shí)生活”中的事物并不如所示那樣整齊清楚，線性和均勻。然而，對于與本發(fā)明有密切關(guān)系的本領(lǐng)域的一名技術(shù)人員，當(dāng)考慮相關(guān)描述的正文的前后關(guān)系時(shí)，本專利申請中所示的此圖和其他圖對了解本發(fā)明將是很有用的。
第一互連層110包含層間介電層(ILD)112，例如用化學(xué)汽相沉積法(CVD)制備的氧化物，其典型厚度為8,000-10,000(埃)，或800-1000nm(納米)。(1nm＝10)在“先通道”的鑲嵌工藝中，例如用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)法制作通道116，使之延伸至ILD 112的下表面(在此情形下就是襯底102上的電極104)。然后，制作(也用RIE法)溝槽114，它從ILD 112的上表面(如圖所示)向ILD 112中擴(kuò)展，其深度通常為數(shù)(例如，4-5)千埃。
溝槽114和通道116構(gòu)成了ILD 112中的“開孔”。阻擋層118如TaN，用例如濺射或CVD法來淀積，使之襯在ILD 112中“開孔”的側(cè)壁和底部。阻擋層118的典型厚度為600-1000，而金屬阻擋層也淀積在ILD 112的上表面上。
然后在有襯層的開孔中淀積銅(Cu)120。接著進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)從ILD 112表面除去過量的阻擋層材料和銅，留下平整的表面以進(jìn)行下面的半導(dǎo)體制作工藝。銅120在溝槽114中形成引線(或線條)，而在通道116中形成了柱塞(或通道)。由于引線的上表面是曝露的，用CVD法在引線表面上淀積蓋層122，如氮化物，其典型厚度為500(50nm)。此蓋層122最終被圖形化，在淀積下一個(gè)介電層(132)后，用光致抗蝕劑(未示出)和常規(guī)的光刻技術(shù)制作開孔124，使后面(上層)引線層(130)的通道(136)可與溝槽114中的引線120接觸。
第二互連層130制作在第一互連層110上，并與之基本相同。兩個(gè)互連層110和130都是由雙鑲嵌工藝制作的。第二互連層130包含層間介電層(ILD)132，例如氧化物。用RIE法制作延伸至ILD 132下表面的通道136(對比116)。在ILD 132中制作溝槽134(對比114)。溝槽134和通道136構(gòu)成了ILD 132中的“開孔”。
制作通道136后，對蓋層122開孔124，使得在第二互連層130的通道136中填充的金屬140，可與下面第一互連層110的溝槽114中填充的金屬120形成電接觸。
淀積阻擋層138，例如TaN，使在ILD 132開孔的側(cè)壁和底部形成襯層，其工藝過程如上所述。在有襯層的開孔中淀積銅(Cu)140，其工藝過程如上所述。銅140在溝槽134中形成引線(或線條)，而在通道136中形成了柱塞(或通道)。在ILD 132和引線140表面上淀積蓋層142，例如氮化物。如有需要，將對蓋層142開孔(對比124)，以使后面的(上層)引線層(未示出)通道(未示出)與溝槽134中的引線140形成接觸。
圖1所示的雙鑲嵌互連結(jié)構(gòu)100是利用本領(lǐng)域技術(shù)熟練人員所知的常規(guī)鑲嵌工藝步驟制作的。由于這樣的技術(shù)是眾所周知的，且對了解本發(fā)明不是關(guān)鍵的，所以這里不對之作詳細(xì)討論。為了說明得清楚起見，應(yīng)知已省略了如籽層、粘附層、清洗步驟等各種步驟和材料。
介電層112和132可為相同或不同的無機(jī)或有機(jī)絕緣材料。合適的介電材料包括，但不限于SiO2、富碳氧化物、氟化SiO2、聚酰亞胺、金剛石、類金剛石的碳、硅聚合物、paralyene聚合物、氟化類金剛石的碳、以及其他類似的介電化合物。
低κ介電材料半導(dǎo)體器件典型地由互連結(jié)構(gòu)(例如，金屬引線)連接在一起而形成有用的電路，互連結(jié)構(gòu)包含導(dǎo)體材料如銅(Cu)或鋁(Al)及介電材料如二氧化硅(SiO2)。這些互連結(jié)構(gòu)的速度可粗略地設(shè)為與引線電阻(R)和線間電容(C)的乘積成反比。用銅(Cu)代替鋁(Al)可減小引線電阻(因而，提高速度)。為進(jìn)一步減少延遲和提高速度，也希望降低電容(C)。這里可用的一種方法是降低層間介電層(ILD)介電材料的介電常數(shù)“κ”。因此，很有興趣開發(fā)與集成電路技術(shù)兼容的“低κ”介電材料及其淀積方法。
通常用于層間介電層(ILD)的介電材料為二氧化硅(SiO2；也簡稱為“氧化物”)。氧化物的介電常數(shù)κ至少為3.85，典型地為4.1-4.3，或更高?？諝獾慕殡姵?shù)κ接近1.0。按照定義，真空的介電常數(shù)κ為1.0。
已經(jīng)知道各種低κ介電材料，并定義為介電常數(shù)κ小于3.85的材料，換言之，介電常數(shù)小于氧化物。有時(shí)，將κ＜2.5的材料稱為“超低κ”材料。這些低κ和超低κ介電材料一般可由其組分和/或其典型的淀積方法來表征。
淀積是一種工藝，借此工藝在半導(dǎo)體晶片表面上沉積電絕緣的(介電膜)或?qū)щ姷牟牧夏ぁ；瘜W(xué)汽相沉積法(CVD)通過反應(yīng)室中各種氣體間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而用來淀積介電膜和導(dǎo)體膜。等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積法(PECVD)使用感應(yīng)耦合等離子體來在淀積過程中產(chǎn)生各種不同的離子和原子物質(zhì)。與相應(yīng)的熱CVD工藝相比，PECVD典型地得到低溫淀積膜。旋轉(zhuǎn)涂敷淀積用來淀積如光致抗蝕劑之類的材料，也可用來淀積介電材料。晶片被敷以液態(tài)材料，然后以高達(dá)6000轉(zhuǎn)/分的速率自轉(zhuǎn)，在此期間，液體因離心力而均勻地分布在表面上，接著用低溫烘烤使材料固化。
旋轉(zhuǎn)涂敷低κ材料的實(shí)例包括-由Dow Chemical出售的BCB(二乙烯基硅氧烷雙苯并環(huán)丁烯)-由Dow Chemical出售的SiLKTM，一種κ＝2.65的有機(jī)聚合物，與BCB相似。
-由Honeywell出售的NANOGLASSTM，一種κ＝2.2的無機(jī)多孔聚合物。
-FLARE 2.0TM介電材料，一種有機(jī)低κ聚(芳基烯)醚，購自Allied Signal，Advanced Microelectronic Materials，Sunnyvale，Calif.
-無機(jī)材料如旋轉(zhuǎn)涂敷的玻璃(SOG)、氟化硅玻璃(FSG)以及，特別是，摻甲基的多孔石英，被專業(yè)技術(shù)人員稱為黑金剛石或BD。
-有機(jī)硅酸鹽材料，如JSR LKD 5109(一種旋轉(zhuǎn)涂敷材料，JapanSynthetic Rubber)。
-有機(jī)聚合物(氟化物或非氟化物)、無機(jī)聚合物(非多孔的)、無機(jī)-有機(jī)混合物、或多孔材料(干凝膠或氣凝膠)。
-聚對二甲苯族聚合物材料、聚萘族聚合物材料、或聚四氟乙烯。
低κ化學(xué)汽相沉積(CVD)和等離子體增強(qiáng)CVD(PECVD)低κ材料的實(shí)例包括-由Applied Materials Inc.出售的黑金剛石TM，一種Si-O-C-H型材料的有機(jī)硅玻璃(OSG)，介電常數(shù)κ為2.7-3.0(例如2.9)。
-由Novellus System，Inc.出售的CORALTM，也是一種Si-O-C-H型材料的有機(jī)硅玻璃(OSG)，介電常數(shù)κ為2.7-3.0。
-氟化SiO2玻璃(FSG)，以及-類金剛石的碳或摻氟的類金剛石碳(無定形C:F)。
也知道介電材料中的氣孔可降低介電常數(shù)。低κ介電材料可典型地從一開始就淀積為有或沒有氣孔，取決于工藝條件。由于空氣的介電常數(shù)接近1，多孔膜呈現(xiàn)出比其基材低的介電常數(shù)。一般說來，旋轉(zhuǎn)涂敷的材料(例如，SiLK，NANOGLASS)呈高度的多孔性。PECVD材料由于淀積方法而一般不呈這樣的高度多孔性。因此很難制備κ值＜2.5的CVD膜。對于有氣孔的低κ介電材料，重要的是在多孔介電層上覆蓋對其起濕氣阻擋作用的附加層或膜。
蓋層由于在淀積銅后需要低溫工藝，蓋層(也稱為“帽層”)典型地是在低于450℃的溫度下淀積的。因此，蓋層的淀積典型地是用等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積法(PECVD)或高密度等離子體化學(xué)汽相沉積法(HDP CVD)來實(shí)現(xiàn)的，其淀積溫度一般約為200-500℃。
PECVD已被用于半導(dǎo)體器件制作中的許多其他應(yīng)用。然而，在對銅互連使用帽層如氮化硅時(shí)，常規(guī)的PECVD氮化硅膜會(huì)產(chǎn)生可靠性問題。與PECVD氮化硅(或“PE氮化物”)相比，HDP氮化硅已表現(xiàn)出可靠性有改善。
HDP CVD膜，如氮化硅，與PECVD膜相比提供更優(yōu)越的電遷徙保護(hù)，因?yàn)镠DP CVD膜更易使銅原子在帽層中沿互連表面停止運(yùn)動(dòng)。然而，在常規(guī)的HDP淀積工藝過程中，在互連結(jié)構(gòu)形貌上的HDPCVD蓋層中會(huì)形成接縫，在此接縫處由于互連結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力常會(huì)在蓋層中產(chǎn)生裂痕。若裂痕發(fā)生在銅導(dǎo)體上的部分蓋層中，銅導(dǎo)體就易于曝露在濕氣和其他氧源中。若裂痕發(fā)生在ILD上的部分蓋層中，則銅導(dǎo)體就易于曝露在通過ILD擴(kuò)散的濕氣中。對于后一種情形，在用二氧化硅作為ILD材料的互連結(jié)構(gòu)中，接縫的影響較小，因?yàn)闈駳庠诙趸柚械臄U(kuò)散速率是很低的。然而，在用低κ聚合熱固化介電材料如SiLKTM的互連結(jié)構(gòu)中，這種接縫的影響就較大，因?yàn)闈駳馔ㄟ^大多數(shù)旋轉(zhuǎn)涂敷和CVD低κ材料的擴(kuò)散速率是較高的。
而且，蓋層中的任何裂痕都可導(dǎo)致銅通過接縫擴(kuò)散至ILD中。由于這種銅擴(kuò)散，可在蓋層下面經(jīng)接縫形成銅結(jié)節(jié)(nodule)。這種銅結(jié)節(jié)可引起相鄰互連線之間的漏電。
HDP氮化物是ILD蓋層的通用材料，因?yàn)樗鼘ο旅驺~(Cu)的擴(kuò)散有極好的控制。然而，已發(fā)現(xiàn)HDP氮化物會(huì)呈現(xiàn)接縫(seams)而使反應(yīng)物(例如，氧)由之進(jìn)入下面的銅(Cu)層。
由于HDP氮化物的接縫問題，在HDP氮化物上加一個(gè)附加層來封住接縫，例如已建議使用UV氮化物(紫外氮化物；“UVN”)或其他等離子體氮化物。(UVN類似于且有時(shí)稱為PECVD或簡稱為PE氮化物)。然而，PE氮化物對氧沒有選擇性，且將在通道RIE期間犧牲(compromise)。另一種辦法是改變RIE的選擇性，但是這會(huì)增大底腐蝕(underetched vias)通道的幾率。再一種辦法是改換氮化物蓋層，但這會(huì)失去Cu上的HDP氮化物在電遷徙方面的益處。
UV氮化物(UVN)是在某種選擇的條件下淀積的PE CVD(PE)氮化物的特殊形式；然而，所有的PE氮化物都可由處理壓力以及產(chǎn)生HD等離子體所用的硬件而區(qū)別于高密度等離子體(HDP)氮化物。PE氮化物典型地是在標(biāo)稱1Torr的壓力范圍下淀積的，而在HDPCVD中使用幾個(gè)mTorr(毫托)的壓力。一般主張，對于寬的RIE工藝窗口，PE氮化物比HDP氮化物容易腐蝕。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一般目的是對ILD提供改進(jìn)的HDP氮化物基蓋層，以得到較佳的電遷徙、較好的工藝窗口、及改善產(chǎn)量。本發(fā)明解決了因HDP氮化物的接縫而引起的Cu氧化或腐蝕的問題。
本發(fā)明一般涉及到氮化物蓋層疊層，它在保持Cu頂部上HDP氮化物在電遷徙方面益處的同時(shí)，能防止腐蝕透HDP氮化物。
按照本發(fā)明的一種實(shí)施方式，一種互連結(jié)構(gòu)的蓋層，該互連結(jié)構(gòu)包含層間介電(ILD)材料和鑲嵌在ILD表面中的銅導(dǎo)體，此蓋層包含由ILD表面和銅導(dǎo)體上的HDP氮化物構(gòu)成的第一層；以及在第一層上由Si-C-H化合物構(gòu)成的第二層。此Si-C-H化合物為，例如，BloK或N-BloK(Si-C-H-N)。關(guān)于使用N-BloK(或BloK)，在通道RIE期間這組材料是具有高選擇性的，使得RIE化學(xué)反應(yīng)不致穿通下一引線層。碳和氮是關(guān)鍵元素。所選的材料也必須能在接著進(jìn)行的溝槽RIE步驟的開通道孔期間被開孔(對比124)。ILD材料包括二氧化硅或低κ介電材料。
按照本發(fā)明的另一種實(shí)施方式，一種互連結(jié)構(gòu)的蓋層，該互連結(jié)構(gòu)包含層間介電(ILD)材料和鑲嵌在ILD表面中的銅導(dǎo)體，此蓋層包含由ILD表面和銅導(dǎo)體上的HDP氮化物構(gòu)成的第一層；在第一層上選擇由UVN構(gòu)成的第二層；以及在第二層上由HDP氮化物構(gòu)成的第三層。關(guān)于UVN層，也可使用任何其他的等離子體(PE)氮化物。ILD材料包括二氧化硅或低κ介電材料。


考慮到下面結(jié)合附圖的描述，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、工作和優(yōu)點(diǎn)將變得更加明顯。這些圖是為了說明而非對本發(fā)明進(jìn)行限制。
為了說明清楚起見，在某些圖中省略了一些部分，或是未按比例說明。各剖面圖可為“片段”或“近觀”剖面圖的形式，省略了在“真實(shí)”剖面圖中可以見到的一些背景線條，以求說明清楚。
在附圖中，參考數(shù)字和圖注(標(biāo)注，文字?jǐn)⑹?都可用于同樣的部分。如果提供了圖注，則只是為了幫助讀者而不應(yīng)認(rèn)為是限制。
在各個(gè)圖中，常以相似的數(shù)字表示相似的部分，其中典型地后兩位有效數(shù)字可以是相同的，而最重要的數(shù)字是圖號。
圖1為現(xiàn)有技術(shù)的多層引線互連結(jié)構(gòu)分解的剖面圖。
圖2為現(xiàn)有技術(shù)的互連結(jié)構(gòu)剖面圖，說明了HDP氮化物蓋層中的接縫。
圖3為現(xiàn)有技術(shù)的互連結(jié)構(gòu)剖面圖，說明了在HDP氮化物中用UVN來解決與蓋層中的接縫有關(guān)的問題。
圖4為現(xiàn)有技術(shù)的圖3互連結(jié)構(gòu)剖面圖，說明了HDP/UVN蓋層的問題。
圖5為本發(fā)明一種實(shí)施方式的互連結(jié)構(gòu)剖面圖，在HDP氮化物上使用NBLoK(或BLoK)。
圖6為本發(fā)明一種實(shí)施方式的互連結(jié)構(gòu)剖面圖，是在圖4HDP層的UVN層上添加HDP層。
具體實(shí)施例方式
在下面的描述中，為徹底了解本發(fā)明，闡明了許多細(xì)節(jié)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，可改變這些具體細(xì)節(jié)而仍能達(dá)到本發(fā)明的結(jié)果。然而，為避免對本發(fā)明的描述產(chǎn)生不必要的干擾，可不詳細(xì)描述熟知的工藝步驟。
各種材料(例如，二氧化硅)可由其正式的和/或通用的名稱及其化學(xué)式來表示。關(guān)于化學(xué)式，其中的數(shù)字可表示為正常的字體而非下標(biāo)。例如，二氧化硅可簡稱為“氧化物”，化學(xué)式為SiO2。例如，氮化硅(化學(xué)比為Si3N4，常簡化為“SiN”)可簡稱為“氮化物”。
在下面的描述中，可對說明的本發(fā)明實(shí)施方式給出示范的尺寸。這些尺寸不應(yīng)視作限制。只是為了感受實(shí)際比例。一般說來，這是各個(gè)部分的位置、其對照成分、有時(shí)是重要的相對尺寸的關(guān)系。
如上所述，已發(fā)現(xiàn)Cu金屬化的HDP氮化物蓋(或帽)層具有良好的電遷徙性質(zhì)。然而，對于HDP氮化物，已觀察到一些針孔(小破損)和接縫(互連結(jié)構(gòu)外表的裂痕)，這會(huì)引起產(chǎn)量問題，因?yàn)樵谕ǖ赖姆磻?yīng)離子刻蝕(RIE)和抗蝕劑剝離期間，能通過HDP氮化物接縫而到達(dá)Cu的O(氧)、F(氟)、和I(碘)可與Cu(銅)起反應(yīng)。
圖2以剖面描述了互連結(jié)構(gòu)(對比100)的兩個(gè)引線層210和230(對比110和130)，并且一般地說明了上述針孔和接縫引起的問題。
銅導(dǎo)體220(對比120)嵌在第一ILD層212(對比112)的溝槽中(見114)。銅導(dǎo)體下面的阻擋層218(對比118)保護(hù)著銅導(dǎo)體。在第一ILD層上淀積HDP氮化物蓋層222(對比122)。此HDP氮化物蓋層222是在ILD層212表面和銅導(dǎo)體220表面上。銅導(dǎo)體220的表面基本上與ILD層212的表面在同一平面上，典型地是化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)的結(jié)果。
第二ILD層232(對比132)制作在第一ILD層上，通道236(對比136)制作在第二ILD層中。此通道236典型地是用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)制作的。這里，稱之為“通道RIE”。在此實(shí)例中，ILD層212和232二者都為二氧化硅(SiO2；氧化物)。
互連結(jié)構(gòu)220與互連結(jié)構(gòu)110的差別在于，通道236是在上面的第二互連層230中，以單鑲嵌式完全穿透互連層230，而不是上面的互連層130中的雙鑲嵌式溝槽(134)?；ミB層是單鑲嵌式還是雙鑲嵌式的，對于本發(fā)明的討論沒有特別的關(guān)系。其理念是保護(hù)引線層(互連層)中下面的銅導(dǎo)體，借以提高可靠性。
HDP氮化物蓋層222是絕緣體，當(dāng)然，最后需要在通道236底部開孔，使填充通道236的金屬(未示出；對比140)能與第一互連層210中的銅導(dǎo)體220形成物理和電接觸。HDP氮化物蓋層222的示范厚度約為45-55nm。
如圖2所示，HDP氮化物蓋層222中的接縫“a”和“b”變成了濕氣進(jìn)入通道(見由通道進(jìn)入銅導(dǎo)體的彎曲向下箭頭d)，而使Cu與濕氣起反應(yīng)，這可導(dǎo)致Cu金屬體膨脹而使蓋層222斷裂。結(jié)果，通道236會(huì)被反應(yīng)的材料玷污，而不能在通道236底部的HDP氮化物上開孔。這會(huì)引起嚴(yán)重的可靠性問題。在圖中-“a”和“b”代表進(jìn)入通道，為銅導(dǎo)體220和ILD212邊界附近臺(tái)階處的接縫，以虛線表示。
-“c”代表因體膨脹而擴(kuò)散出來的Cu。
-“d”代表經(jīng)接縫、進(jìn)入通道由通道236擴(kuò)散至銅220的氧或水汽。
-“e”代表晶粒間界(不同銅金屬晶粒的界面)。
在阻擋層218突入HDP氮化物蓋層222處形貌上的小凹陷是CMP(化學(xué)機(jī)械拋光)工藝的人為結(jié)果，如同晶粒間界“e”處的凹陷一樣。
圖3以剖面描述了互連結(jié)構(gòu)300(對比200)的兩個(gè)引線層310和330(對比210和230)，并且說明了上述HDP氮化物蓋層接縫問題的可能解決辦法。
銅導(dǎo)體320(對比220)嵌在第一ILD層312(對比212)的溝槽中(見114)。銅導(dǎo)體下面的阻擋層318(對比218)保護(hù)著銅導(dǎo)體。銅導(dǎo)體220的表面基本上與ILD層212的表面在同一平面上，典型地是化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)的結(jié)果。
蓋層322(對比222)淀積在第一ILD層上。此蓋層322是在ILD312和銅導(dǎo)體320的表面上。
第二ILD層332(對比232)制作在第一ILD層312上，通道336(對比136)制作在第二ILD層中。在此實(shí)例中，ILD層312和332均可為二氧化硅(SiO2；氧化物)。
互連結(jié)構(gòu)300與互連結(jié)構(gòu)200的差別在于，第一ILD層312的蓋層322(對比222)包含兩層，第一HDP氮化物層324和第二紫外(UV)氮化物(UVN)層326。
HDP氮化物324的示范厚度約為5-70nm(有用范圍)，例如約為10-20nm(優(yōu)選范圍)，例如約為15nm。
UV氮化物(亦即，PE氮化物)326的示范厚度約為10-50nm(有用范圍)，例如約為30-40nm(優(yōu)選范圍)，例如約為35nm。
引入U(xiǎn)VN/HDP氮化物帽層322來蓋住接縫(例如，“a”，“b”)以修補(bǔ)上述問題。然而用UVN(上層膜)覆蓋接縫時(shí)遇到了問題，RIE在UV氮化物與SiO2間的選擇性不如在HDP氮化物與SiO2之間那樣好。由于這個(gè)問題，通道RIE穿通UVN 326，并引起與純HDP氮化物帽層(222)類似的化學(xué)反應(yīng)。雖然所述ILD層(312，332)均為氧化物，在用低κ介電材料時(shí)也會(huì)發(fā)生同樣的問題。
圖4說明了圖3的UVN/HDP雙層蓋層的問題，即通道RIE穿通UVN 326并到達(dá)HDP膜324。在通道326的這個(gè)區(qū)域，有時(shí)UVN也可被除去。在此圖中，表示在通道336下面完全除去了UVN 326，在這種情形下，通道RIE將到達(dá)HDP氮化物324，從而引起上面所述的問題。如圖2所示，HDP氮化物324中的接縫可變?yōu)檫M(jìn)入通道使Cu與濕氣反應(yīng)，導(dǎo)致體膨脹而使帽層斷裂。再者，在通道RIE經(jīng)過接縫期間也可能引起反應(yīng)。一般說來，圖3的“修補(bǔ)”是不合適的，如圖4所示。雖然在HDP上疊有UVN提供了寬的工藝窗口，并使所得的結(jié)構(gòu)減少了只用HDP(圖2)時(shí)發(fā)生問題的幾率，但它不是100％健全的(由于RIE選擇性的變化)。
本發(fā)明一般說來，上述UVN與SiO2間的不良選擇性問題，可通過在蓋層中的HDP氮化物層上用N-BloK(或BloK)代替UVN來解決。(BloK是Applied Material Tool制造的Si-C-H化合物。N-BloK是AppliedMaterial Tool制造的Si-C-H-N化合物。)由于N-BloK主要是Si-C-H-N的化合物，SiO2與N-BloK(或BloK)之間的選擇性大，通道RIE步驟會(huì)停止在N-BloK(或BloK)上而不會(huì)有損害HDP蓋層的風(fēng)險(xiǎn)。一般，BloK和N-BloK分別稱為碳化硅和碳氮化硅(或摻氮碳化硅)。
一般說來，重要的是在鑲嵌的銅導(dǎo)體上有HDP氮化物作為第一層，以求在Cu與氮化物蓋層之間有良好的界面。因此，在用作多層蓋層的第一層時(shí)，HDP氮化物是優(yōu)選的膜。隨后的各層可為在HDP第一層上的N-BloK、或在HDP第一層上的UVN之上再疊加HDP、或在HDP層上的N-BloK之上再疊加HDP，以解決通道氧化物RIE期間的選擇性問題。
圖5說明了本發(fā)明的一種實(shí)施方式?；ミB結(jié)構(gòu)500(對比300)引線層510和530(對比310和330)的構(gòu)成一般與圖3者相同。
銅導(dǎo)體520(對比320)嵌在第一ILD層512(對比312)的溝槽(見114)中。銅導(dǎo)體下面的阻擋層518(對比318)保護(hù)著銅導(dǎo)體。銅導(dǎo)體520的表面基本上與ILD 512的表面在同一平面上，這典型地是化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)的結(jié)果。
蓋層522(對比322)淀積在第一ILD層512上。蓋層522是在ILD 512表面以及銅導(dǎo)體520的表面上。
第二ILD層532(對比332)制作在第一ILD層512上，而通道536(對比336)制作在第二ILD層532中。在此實(shí)例中，ILD層512和532均可為二氧化硅(SiO2；氧化物)。然而，低κ材料也可用。任何上文列出的低κ材料都是良好的材料。
互連結(jié)構(gòu)500與互連結(jié)構(gòu)300類似之處在于，第一ILD層512的蓋層522(對比322)包含兩層，且第一蓋層534(對比334)都由HDP氮化物構(gòu)成。
互連結(jié)構(gòu)500與互連結(jié)構(gòu)300不同之處在于，全部蓋層522的第二蓋層526(對比326)包括N-BloK(或BloK)而非UVN。
HDP氮化物524的示范厚度約為5-70nm，例如約為10-20nm，例如約為15nm(一般，與324相同)。
N-BloK(或BloK)的示范厚度約為10-50nm，例如約為30-40nm，例如約為35nm(一般，與326相同)。
在HDP氮化物(524)上的N-BloK(526)雙層疊層(或組合蓋層)提供了較好的電遷徙、較好的工藝窗口，并改善了產(chǎn)量。
使用N-BloK而非UVN不僅是基于覆蓋接縫，這是UVN或N-BloK都可作到的，而且也是基于其在氧化物RIE與蓋層材料間的良好選擇性。對于這種情形，UVN不是氧化物RIE的良好止蝕材料，而N-BloK是氧化物RIE的良好止蝕材料，因?yàn)樵谘趸锱cN-BloK間有高選擇性。然而，RIE選擇性最好的材料是HDP。這就是可使用下面即將描述的三層疊層的原因。
關(guān)于使用N-BloK(或BloK)，這組材料在通道RIE期間具有高選擇性，使得RIE化學(xué)反應(yīng)不會(huì)穿通蓋層。碳和氮是關(guān)鍵元素。所選的材料在接著進(jìn)行的溝槽RIE步驟的開通道孔期間也必須能開孔(對比124)。
圖6說明了本發(fā)明的另一種實(shí)施方式?；ミB結(jié)構(gòu)600(對比500)有兩個(gè)引線層610和630(對比510和530)。
銅導(dǎo)體620(對比520)嵌在第一ILD層612(對比612)的溝槽(見114)中。銅導(dǎo)體下面的阻擋層618(對比518)保護(hù)著銅導(dǎo)體620。銅導(dǎo)體620的表面基本上與ILD 612的表面在同一平面上，典型地是化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)的結(jié)果。
蓋層622(對比522)淀積在第一ILD層612上。蓋層622是在ILD 612表面以及銅導(dǎo)體620的表面上。
第二ILD層632(對比532)制作在第一ILD層612上，而通道636(對比536)制作在第二ILD層632中。在此實(shí)例中，ILD層612和632均可為二氧化硅(SiO2；氧化物)。然而，低κ材料也可用。任何上文列出的低κ材料都是良好的材料。
互連結(jié)構(gòu)600與互連結(jié)構(gòu)500類似之處在于，第一ILD層612的蓋層622(對比522)包含多層，且第一蓋層634(對比534)都包括HDP氮化物。
互連結(jié)構(gòu)600與互連結(jié)構(gòu)500不同之處在于，多層蓋層622包含三層而非兩層。更確切地說，UVN層626淀積在HDP氮化物初始層624(HDP-1)上。然后，第二HDP氮化物層628(HDP-2)淀積在UVN層626上。第一HDP氮化物層624(HDP-1)是在ILD 612表面和銅導(dǎo)體620的表面上。
關(guān)于UVN層626，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，可使用任何等離子體氮化物。必須區(qū)分PE氮化物與高密度等離子體(HDP)氮化物，前者的UV氮化物是有特色的，而后者是不同化學(xué)組分和應(yīng)力并與下面的薄層有不同相互作用的氮化物。因此，我們看到了可靠性的改善和不同的RIE選擇性。
疊層的目的是使第一HDP層624厚至足以提供電遷徙保護(hù)，UVN626厚至足以蓋住HDP 624中的接縫，而頂層628厚至足以提供止蝕保護(hù)。所有三層的厚度將取決于用戶的技術(shù)。下面即將給出三個(gè)薄層的示范厚度。
第一HDP層624(HDP-1)的示范厚度約為5-20nm，例如約為10nm。
UVN層626的示范厚度約為10-20nm，例如約為15nm。
第三層628，即第二HDP層(HDP-2)的示范厚度約為10-35nm，例如約為10nm。
在一優(yōu)選的實(shí)施方式中，第一HDP層624的厚度約為15nm，UVN層626的厚度約為20nm，而第三層628的厚度約為15nm。構(gòu)成疊層的三層總厚度約為50nm。疊層的最小優(yōu)選總厚度至少為50nm，或500。
在此實(shí)施方式中，使用在HDP氮化物上疊置UVN再加HDP氮化物的三層疊層，而非在HDP氮化物上疊置N-BloK的雙層疊層(如圖5)。這是更實(shí)用的，因?yàn)閁VN和HDP氮化物都可在同一加工系統(tǒng)中淀積而無須從真空中取出晶片。在HDP氮化物上疊置N-BloK的雙層疊層則遇到在一個(gè)加工設(shè)備中淀積HDP氮化物而在另一個(gè)設(shè)備中淀積N-BloK的問題。必須從真空中取出晶片以完成這兩次淀積。因此，雖然從性能的觀點(diǎn)來看，HDP/N-BloK/HDP三層疊層是所希望的，但從加工考慮，它可能不是優(yōu)選的。(然而，可預(yù)期建立設(shè)備來制作三層疊層而不破壞真空)。最終，選擇制作圖5的雙層疊層還是圖6的三層疊層可簡單地取決于所用的通道RIE工藝。
在本發(fā)明這種實(shí)施方式的一種變通中，第二層(626)可為Si-C-H材料，如BloK或NBLoK。換言之，為HDP氮化物/Si-C-H/HDP氮化物的三層蓋層。然而，值得懷疑的是這樣的疊層會(huì)有任何有用的收益。其一是會(huì)受到所用工藝設(shè)備的限制。其二是沒有看到在NBLoK上淀積HDP氮化物有何優(yōu)點(diǎn)。一般認(rèn)為，在HDP/UVN(圖2)上得到的改善來自HDP/NBLoK(圖5)，或是HDP/UVN/HDP(圖6)。與UVN相比，NBLoK和HDP都是較好的氧化物RIE止蝕材料。但從整體看來，說明這樣一種實(shí)施方式(HDP/NBLoK/HDP)的圖看起來與圖6完全一樣，只是以NBLoK代替了UVN。多層蓋層的各層尺寸會(huì)在與上面討論的圖6實(shí)施方式者同樣的范圍內(nèi)。
適合HDP氮化物層(524、624)的材料為HDP CVD硅氮化物，其組分約為30-50％原子比的硅、40-65％原子比的氮、以及5-13％原子比的氫，例如約40％原子比的硅、52％原子比的氮、以及8％原子比的氫。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，HDP氮化物可代之以碳化硅或碳氮化硅或硼氮化硅的HDP層，也可為HDP氮化硼。一般認(rèn)為，有一些氮是優(yōu)選的，但不是絕對必須的(例如碳化硅的情形)。
雖然已用某一優(yōu)選實(shí)施方式或某些實(shí)施方式示出和描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域的其他技術(shù)人員在閱讀和理解此說明書和附圖的基礎(chǔ)上，將作出某些等效的變更和修改。特別是關(guān)于由上述部件(組件、器件、電路等)實(shí)現(xiàn)的各種功能，用于描述這樣的部件的術(shù)語(包括提及的“手段”)，除非另外指明，只是對應(yīng)于能實(shí)現(xiàn)所述部件具體功能的任何部件(亦即，功能相當(dāng))，即使其結(jié)構(gòu)上不同于所公開的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了這里說明的本發(fā)明示例實(shí)施方式的功能。此外，雖然只由幾個(gè)實(shí)施方式之一公開了本發(fā)明的特點(diǎn)，這樣的特點(diǎn)可與其他實(shí)施方式的一個(gè)或多個(gè)特點(diǎn)相結(jié)合，這對于任何指定的或特殊應(yīng)用可能是所希望的和有利的。
權(quán)利要求
1.一種用于互連結(jié)構(gòu)的蓋層，該互連結(jié)構(gòu)包含層間介電(ILD)材料及嵌在ILD表面中的銅導(dǎo)體，此蓋層包含第一層，置于ILD和銅導(dǎo)體表面上，其材料選自由HDP氮化物、碳化硅、碳氮化硅、硼氮化硅、以及HDP氮化硼構(gòu)成的組；以及第二層，置于第一層上，其材料在通道RIE期間具有高選擇性，使得RIE化學(xué)反應(yīng)不穿通第二層，且在其后的溝槽RIE步驟中開通道孔期間也能被開孔。
2.如權(quán)利要求1的蓋層，其中第一層包括HDP CVD氮化硅，其組分為約30-50％原子比的硅、約40-65％原子比的氮、以及約5-13％原子比的氫，例如約40％原子比的硅、約52％原子比的氮、以及約8％原子比的氫。
3.如權(quán)利要求2的蓋層，其中第二層包括選自由Si-C-H和Si-C-H-N構(gòu)成的組的材料。
4.如權(quán)利要求1的蓋層，其中第二層包括選自由Si-C-H和Si-C-H-N構(gòu)成的組的材料。
5.如權(quán)利要求1的蓋層，其中第一層的厚度為約5-70nm。
6.如權(quán)利要求1的蓋層，其中第一層的厚度為約10-20nm。
7.如權(quán)利要求1的蓋層，其中第二層的厚度為約10-50nm。
8.如權(quán)利要求1的蓋層，其中第二層的厚度為約30-40nm。
9.如權(quán)利要求1的蓋層，其中ILD材料包括二氧化硅。
10.如權(quán)利要求1的蓋層，其中ILD材料包括低κ介電材料。
11.一種用于互連結(jié)構(gòu)的蓋層，該互連結(jié)構(gòu)包含層間介電(ILD)材料及嵌在ILD表面中的銅導(dǎo)體。此蓋層包含第一層，置于ILD和銅導(dǎo)體表面上，其材料選自由HDP氮化物、碳化硅、碳氮化硅、硼氮化硅、以及HDP氮化硼構(gòu)成的組；及第二層包括置于第一層上的PE氮化物；以及第三層，置于第二層上，其材料選自由HDP氮化物、碳化硅、碳氮化硅、硼氮化硅、以及HDP氮化硼構(gòu)成的組。
12.如權(quán)利要求11的蓋層，其中第一層的厚度為約5-20nm。
13.如權(quán)利要求12的蓋層，其中第一層的厚度為約10nm。
14.如權(quán)利要求11的蓋層，其中第二層的厚度為約10-20nm。
15.如權(quán)利要求14的蓋層，其中第二層的厚度為約15nm。
16.如權(quán)利要求11的蓋層，其中第三層的厚度為約10-35nm。
17.如權(quán)利要求16的蓋層，其中第三層的厚度為約10nm。
18.如權(quán)利要求11的蓋層，其中第一層的厚度為約15nm；第二層的厚度為約20nm；以及第三層的厚度為約15nm。
19.如權(quán)利要求11的蓋層，其中三層的總厚度為至少50nm。
20.如權(quán)利要求11的蓋層，其中ILD材料包括選自由二氧化硅和低κ介電材料構(gòu)成的組的材料。
全文摘要
一種氮化物疊層蓋層，在保持Cu頂部上HDP氮化物電遷徙益處的同時(shí)，可防止腐蝕透HDP氮化物。在一種實(shí)施方式中，該疊層包含第一層HDP氮化物和在第一層上的Si－C－H化合物第二層。例如Si－C－H化合物為BloK或NBLoK(Si－C－H－N)，并選自在通道RIE期間有高選擇性的材料組，使得RIE化學(xué)反應(yīng)不致穿通下一引線層。碳和氮是關(guān)鍵元素。在另一種實(shí)施方式中，疊層包含第一層HDP氮化物，接著為第二層UVN(等離子體氮化物)，以及在第二層上的包含HDP氮化物的第三層。
文檔編號H01L23/522GK1790702SQ20051012466
公開日2006年6月21日 申請日期2005年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月1日
發(fā)明者王允愈, 理查德·A·康蒂, 伍仲平, 馬修·C·尼古拉斯 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司