專利名稱：互連結(jié)構(gòu)及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及高速半導(dǎo)體微處理器、專用集成電路(ASIC)和其它高速集成電路器件的制造。更具體地說，本發(fā)明涉及包括具有低k介電常數(shù)并由非晶的氫化碳化硅(Si-C-H)構(gòu)成的帽層的半導(dǎo)體器件的先進(jìn)制造方法。
背景技術(shù)：
超大規(guī)模集成(VLSI)或特大規(guī)模集成(ULSI)電路中的金屬互連典型地由包括金屬布線構(gòu)圖層的互連結(jié)構(gòu)構(gòu)成。典型的集成電路(IC)器件包括三至十五個(gè)金屬布線層。隨著特征尺寸減小以及器件密度增加，預(yù)期互連層的數(shù)量會(huì)增加。
這些互連結(jié)構(gòu)的材料和布局優(yōu)選地選擇為使信號(hào)傳輸延遲最小，從而使總的電路速度最大。互連結(jié)構(gòu)中的信號(hào)傳輸延遲表示為各金屬布線層的RC時(shí)間常數(shù)，其中R為布線電阻，C為多層互連結(jié)構(gòu)中的選定信號(hào)線(即導(dǎo)體)與周圍導(dǎo)體之間的有效電容。通過降低布線材料的電阻可以減小RC時(shí)間常數(shù)。因?yàn)槠湎鄬?duì)低的電阻，Cu因此是IC互連的優(yōu)選材料。通過采用具有較低介電常數(shù)k的介電材料，也可以減小RC時(shí)間常數(shù)。
D.Edelstein等在Proceedings of the IEEE 2004 InternationalInterconnect Technology Conference，pp.214-216的“Reliability，Yield，and Performance of a 90nm SOI/Cu/SiCOH”中說明了包括低k介電材料和銅互連的現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)的雙鑲嵌互連結(jié)構(gòu)。圖1示出了一種采用低k介電材料和銅互連的典型互連結(jié)構(gòu)。該互連結(jié)構(gòu)包括下襯底10，其可包括邏輯電路元件，例如晶體管。介電層12，公知為層間電介質(zhì)(ILD)，覆蓋在襯底10上方。在襯底10與ILD層12之間可以設(shè)置附著促進(jìn)劑層11。在ILD層12上可以設(shè)置硬掩模層13。該硬掩模層13典型地由氮化硅構(gòu)成，但也可以由氧化硅或碳化硅構(gòu)成。硬掩模層13可以用作構(gòu)圖層以輔助稍后對(duì)ILD層12的蝕刻，而且它還可以用作在隨后的化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)步驟以去除多余的金屬期間的拋光停止層。
在ILD層12中嵌入至少一個(gè)導(dǎo)體15。導(dǎo)體15在先進(jìn)互連結(jié)構(gòu)中典型地為銅，但是可以可選地為鋁或其它導(dǎo)電材料。可以在ILD層12與導(dǎo)體15之間設(shè)置擴(kuò)散阻擋襯里(liner)14。擴(kuò)散阻擋襯里14典型地由鉭、鈦、鎢或這些金屬的氮化物構(gòu)成。通常通過化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)步驟，使導(dǎo)體15的頂面與硬掩模層13的頂面共面。在導(dǎo)體15和硬掩模層13上設(shè)置同樣典型地由氮化硅構(gòu)成的帽層16。該帽層也可以由碳化硅或二氧化硅構(gòu)成。帽層16用作擴(kuò)散阻擋層，以防止來自導(dǎo)體15的銅擴(kuò)散到周圍的介電材料中。帽層16還在進(jìn)一步處理期間保護(hù)銅不被氧化。
第一互連級(jí)由圖1中示出的互連結(jié)構(gòu)中的附著促進(jìn)劑層11、ILD層12、硬掩模層13、擴(kuò)散阻擋襯里14、導(dǎo)體15和帽層16限定。在圖1中第一互連級(jí)上方示出的第二互連級(jí)包括附著促進(jìn)劑層17、ILD層18、硬掩模層19、擴(kuò)散阻擋襯里20、導(dǎo)體21和帽層22。各互連級(jí)中的互連線以及連接級(jí)和級(jí)的過孔可以通過本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的常規(guī)單或雙鑲嵌工藝形成。
第二互連級(jí)的形成從沉積附著促進(jìn)劑層17開始。接著，在附著促進(jìn)劑層17上沉積ILD層18。可以通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)或通過旋涂來沉積ILD材料18。PECVD ILD的實(shí)例包括摻氟和摻碳的氧化硅，旋涂ILD的實(shí)例是聚合熱固性材料，例如SiLKTM。接著，在ILD上沉積硬掩模層19。選定的ILD和集成方案指示是否采用附著和硬掩模層以及這些層由哪類材料構(gòu)成。然后采用常規(guī)光刻和蝕刻工藝，構(gòu)圖硬掩模層19、ILD層18、附著促進(jìn)劑層17和帽層16，以形成至少一個(gè)溝槽和過孔。溝槽和過孔典型地襯有擴(kuò)散阻擋襯里20。然后，在常規(guī)雙鑲嵌工藝中，用例如銅的金屬填充溝槽和過孔，以形成導(dǎo)體21。通過CMP工藝去除多余的金屬。最后，在銅導(dǎo)體21和硬掩模層19上沉積帽層22。
重點(diǎn)在于帽層材料，氮化硅具有約6至7的相對(duì)高的介電常數(shù)。已知在其中存在較高k的帽/擴(kuò)散阻擋膜例如氮化硅的銅區(qū)域中，在銅導(dǎo)體之間存在邊緣電場(chǎng)。當(dāng)具有約2至3的低介電常數(shù)的材料用于ILD時(shí)，通過采用較高k的氮化硅帽/擴(kuò)散阻擋層，金屬導(dǎo)體的有效電容增加，導(dǎo)致總的互連速度降低。有效電容還可以通過采用較高k的氮化硅拋光停止層而增加。
帽層16和22的可選材料是非晶的氫化碳化硅材料(SixCyHz)，一個(gè)實(shí)例是已知為BlokTM的材料。(一種由硅、碳和氫構(gòu)成的非晶膜，從Applied Materials，Inc.可得)。SixCyHz的介電常數(shù)小于5，比氮化硅的介電常數(shù)低。因此，在采用SixCyHz作為帽層的互連結(jié)構(gòu)中，金屬導(dǎo)體的有效電容降低，總的互連速度增加。
然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，Si-C-H不是良好的氧阻擋，這導(dǎo)致相對(duì)高的電遷移速率。這些高電遷移速率不利地影響IC芯片的可靠性。
作為另一選擇，可以將氮添加到Si-C-H材料，形成非晶氮化氫化碳化硅材料(Si-C-N-H)。盡管在特定環(huán)境下，Si-C-N-H是優(yōu)于Si-C-H的氧阻擋，但Si-C-N-H仍然不具有希望的氮化硅所擁有的氧阻擋特性。而且，在大多數(shù)常規(guī)半導(dǎo)體制造條件下，Si-C-N-H具有比Si-C-H略高的介電常數(shù)。在典型的半導(dǎo)體制造條件下，Si-C-H的介電常數(shù)為4.5，而Si-C-N-H的介電常數(shù)為5.0-5.5。Si-C-N-H的氧阻擋特性可以通過提高沉積溫度改善，然而，這導(dǎo)致帽層的更高的介電常數(shù)。例如，當(dāng)沉積溫度從350℃提高到400℃時(shí)，介電常數(shù)從5.0增加到5.5。另外，較高的沉積溫度可以造成在銅金屬化(metallization)中形成小丘，這可造成級(jí)間短路。
因此，盡管采用Si-C-H和Si-C-N-H材料作為帽層具有一些優(yōu)點(diǎn)，本領(lǐng)域中仍然需要這樣的互連結(jié)構(gòu)，該互連結(jié)構(gòu)利用銅或鋁導(dǎo)體、其介電常數(shù)約為2至3的低k ILD、以及具有最優(yōu)阻擋特性同時(shí)使其介電常數(shù)最小的帽層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種改善的半導(dǎo)體互連結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的另一目的是提供一種具有帽層的互連結(jié)構(gòu)，該帽層具有約5.0至5.5的介電常數(shù)且提供有效的氧阻擋特性。這通過優(yōu)化帽膜的密度實(shí)現(xiàn)。
采用互連結(jié)構(gòu)和形成互連結(jié)構(gòu)的方法實(shí)現(xiàn)這些和其它目的。所述互連結(jié)構(gòu)包括嵌入介電層中的導(dǎo)體例如銅；以及在所述導(dǎo)體上的低k介電帽層，所述帽層包括Si、C、H和可選的N。
根據(jù)參考附圖給出的下面的詳細(xì)說明的考慮，本發(fā)明的其它好處和優(yōu)點(diǎn)將變得明顯，附圖詳細(xì)說明和示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。


圖1是部分制造的集成電路器件的示意性截面圖，示出了現(xiàn)有技術(shù)的互連結(jié)構(gòu)。
圖2是部分制造的集成電路器件的示意性截面圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的互連結(jié)構(gòu)。
圖3(a)-3(i)示出了形成圖2的互連結(jié)構(gòu)的優(yōu)選方法。
圖4是具有與現(xiàn)有技術(shù)一致的密度的350℃空氣退火的Si-C-N-H膜的元素俄歇深度分布圖，示出了氧滲透該膜進(jìn)入下伏的Cu。
圖5是具有比圖4中的膜增加了的膜密度的400℃空氣退火的Si-C-N-H膜的元素俄歇深度分布圖，示出了氧滲入該膜厚度的50％。這表明阻擋膜抗氧的特性改善，防止氧到達(dá)下伏的Cu。
圖6是具有與圖5的膜類似的膜密度的改善的350℃空氣退火的Si-C-N-H膜的元素俄歇深度分布圖，示出了與圖5中的膜等效的氧阻擋性能。
圖7示出了與400℃膜相比改善的350℃膜的小丘的顯著減少，這是采用在下一處理級(jí)的ILD沉積和蝕刻之后的暗場(chǎng)晶片檢測(cè)由缺陷密度探測(cè)到的。插圖示出了小丘缺陷的自頂向下的SEM圖像，該小丘缺陷被在下一級(jí)的ILD沉積覆蓋，直接在上一級(jí)上的Cu線上方。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參考

本發(fā)明。在附圖中，以簡化方式示出和示意性表示了結(jié)構(gòu)的不同方面，以更清楚地說明和示出本發(fā)明。例如，附圖不旨在按比例繪制。另外，結(jié)構(gòu)的不同方面的垂直截面示出為矩形形狀。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，對(duì)于實(shí)際結(jié)構(gòu)，這些方面將很可能包括更多錐形(tapered)的技術(shù)特征。此外，本發(fā)明不限于任何特定形狀的構(gòu)造。
盡管將關(guān)于包括Cu的結(jié)構(gòu)說明本發(fā)明的特定方面，本發(fā)明不局限于此。盡管銅是優(yōu)選導(dǎo)電材料，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可以包括任何合適的導(dǎo)電材料，例如鋁。
參考圖2，本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例包括下襯底110，該襯底110可以包括特定的邏輯電路單元，例如晶體管。公知為層間電介質(zhì)(ILD)的介電層112覆蓋在襯底110上。在襯底110與ILD層112之間可以設(shè)置附著促進(jìn)劑層111。在ILD層112中嵌入至少一個(gè)導(dǎo)體115。在ILD層112與導(dǎo)體115之間可以設(shè)置擴(kuò)散阻擋襯里114。通常通過化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)步驟，使導(dǎo)體115的頂面與ILD層112的頂面共面。在導(dǎo)體115上設(shè)置帽層116。
第一互連級(jí)由圖2中示出的互連結(jié)構(gòu)中的附著促進(jìn)劑層111、ILD層112、擴(kuò)散阻擋襯里114、導(dǎo)體115和帽層116限定。在圖2中的第一互連級(jí)上方示出的第二互連級(jí)包括附著促進(jìn)劑層117、ILD層118、擴(kuò)散阻擋襯里120、導(dǎo)體121和帽層122。
雖然優(yōu)選低k介電材料，ILD層112和118可以由任何合適的介電材料形成。合適的介電材料包括摻碳的二氧化硅(也稱為氧碳化硅或SiCOH電介質(zhì))；摻氟的氧化硅(也稱為氟硅酸鹽玻璃，或FSG)；旋涂玻璃；硅倍半氧烷(silsesquioxane)，包括氫硅倍半氧烷(HSQ)、甲基硅倍半氧烷(MSQ)以及HSQ與MSQ的混合物或共聚物；以及任何含硅的低k電介質(zhì)。具有利用硅倍半氧烷化學(xué)的SiCOH型組分的旋涂低k膜的實(shí)例包括HOSPTM(從Honeywell可得)、JSR 5109和5108(從Japan SyntheticRubber可得)、ZirkonTM(從Shipley Microelectronics可得)，以及多孔低k(ELk)材料(從Applied Materials可得)。具有有機(jī)組分的旋涂低k膜是聚合熱固性材料，主要包含碳、氧和氫。優(yōu)選的有機(jī)介電材料包括已知為SiLKTM的低k聚亞芳基醚聚合材料(從The Dow ChemicalCompany可得)，以及已知為FLARETM的低k聚合材料(從Honeywell可得)。
對(duì)于本實(shí)施例，優(yōu)選的介電材料是通過PECVD沉積的摻碳的氧化硅(SiCOH)。對(duì)于該特定的ILD，采用了原位附著層(也稱為過渡層)。在ILD材料的頂上沉積犧牲硬掩模(圖2中未示出)，以輔助RIE構(gòu)圖并在處理期間保護(hù)ILD材料；該犧牲硬掩模在CMP平面化期間被去除。ILD層112和118均可以為約100nm至約1000nm厚，但是這些層均優(yōu)選約600nm厚。ILD層112和118的介電常數(shù)優(yōu)選為約1.8至約3.5，更優(yōu)選為約2.5至約2.9。
可選地，ILD層112和118可以由包含孔的具有硅倍半氧烷型組分的材料或有機(jī)聚合熱固性材料形成。如果ILD層112和118由這樣的多孔介電材料形成，這些層的介電常數(shù)優(yōu)選小于約2.6，更優(yōu)選約1.5至2.5。特別優(yōu)選采用介電常數(shù)為約1.8至2.2的多孔介電材料。
附著促進(jìn)劑的選擇取決于選定的特定ILD材料。在美國專利申請(qǐng)公開20050059258中，將薄的PECVD沉積的過渡層用于SiCOH ILD。當(dāng)正在沉積的膜的前體被引入反應(yīng)室的同時(shí)，在反應(yīng)室中表面預(yù)處理步驟的等離子體仍然存在并起作用時(shí)，形成由圖2中的層111和117表示的過渡層。在這種情況下，采用硅氧烷或其它含氧的有機(jī)硅前體，形成厚度為5-20nm的過渡層。
本實(shí)施例采用犧牲硬掩模層113和119(稍后將結(jié)合圖3說明)，以輔助RIE構(gòu)圖并在RIE處理期間保護(hù)ILD材料。硬掩模材料的選擇取決于ILD的選擇，硬掩模材料可以是以下任何一種或它們的多個(gè)層氧化硅、氮化硅、氧氮化硅、碳化硅、氮化碳化硅、碳氧化硅或改性的SiCOH。硬掩模層113和119應(yīng)該分別與ILD層112和118形成強(qiáng)有力的附著接觸。硬掩模層113和119優(yōu)選在約20至約100nm厚的范圍內(nèi)，更優(yōu)選在約25至約70nm厚的范圍內(nèi)。
盡管我們對(duì)優(yōu)選的ILD SiCOH的附著層和犧牲硬掩模層的采用進(jìn)行了說明，但本發(fā)明不限于該特定集成方案。附著和硬掩模層的材料的采用和選擇由ILD和對(duì)該ILD合適的集成方案的選擇來確定，無論是否利用附著層或硬掩模層，都保持本發(fā)明的精神。
導(dǎo)體115和121可以由任何合適的導(dǎo)電材料例如銅或鋁形成。由于其相對(duì)低的電阻，特別優(yōu)選銅作為導(dǎo)電材料。銅導(dǎo)體115和121可以包含低濃度的其它元素。擴(kuò)散阻擋襯里114和120可以包括以下材料中的一種或多種鉭、鈦、鎢和這些金屬的氮化物。帽層116和122優(yōu)選由包括硅、碳、氮和氫的非晶氮化氫化碳化硅材料(Si-C-N-H)形成。
更具體地說，這些帽層優(yōu)選由約20至34原子％的硅、約12至34原子％的碳、約5至30原子％的氮以及約20至50原子％的氫構(gòu)成。換言之，帽層116和122優(yōu)選具有組分SixCyNwHz，其中x為約0.2至約0.34，y為約0.12至約0.34，w為約0.05至約0.3，以及z為約0.2至約0.5。
帽層116和122的特別優(yōu)選的組分為約22至30原子％的硅、約15至30原子％的碳、約10至25原子％的氮以及約30至45原子％的氫。該特別優(yōu)選的組分可以表示為SixCyNwHz，其中x為約2.2至約3，y為約1.5至約3，w為約1至約2.5，以及z為約3至約4.5。帽層116和122應(yīng)該分別與導(dǎo)體115和121及ILD層112和118形成強(qiáng)有力的附著接觸。帽層116和122優(yōu)選在約5至約120nm厚的范圍內(nèi)，更優(yōu)選在約20至約70nm厚的范圍內(nèi)。
本發(fā)明的帽層，例如帽層116和122，提供了改善的對(duì)從銅導(dǎo)體遷移出的銅原子或離子的阻擋，還提供了改善的對(duì)移動(dòng)到導(dǎo)體中的氧物類(例如O2和H2)的擴(kuò)散的阻擋。相信后一種氧化物類是互連結(jié)構(gòu)在加速應(yīng)力條件下失效的主要來源。
在帽層與導(dǎo)體之間例如帽層116與導(dǎo)體115之間的界面處，帽層優(yōu)選包含小于約1原子％的氧。例如，通過俄歇電子光譜(AES)或通過透射電子顯微鏡(TEM)中的電子能量損耗光譜，可以測(cè)得該界面處的氧濃度?；ミB結(jié)構(gòu)在加速應(yīng)力條件下的可靠性可以通過使該界面處的氧含量保持在小于約1原子％而得到顯著改善。這可以通過對(duì)導(dǎo)體表面進(jìn)行氨等離子體預(yù)清洗步驟而實(shí)現(xiàn)，這將在下面更詳細(xì)說明。
可選地，在帽層與導(dǎo)體之間例如帽層116與導(dǎo)體115之間的界面處，帽層可以包含比存在于帽層的其它部分的氮濃度高的氮濃度。換言之，帽層的底面，即帽層與導(dǎo)體接觸的那個(gè)表面，可以比帽層本體富有氮。優(yōu)選該界面處的氮濃度在約5至20原子％的范圍內(nèi)，更優(yōu)選在約10至15原子％的范圍內(nèi)。該界面處的富氮是由氨等離子體預(yù)清洗步驟導(dǎo)致的，這將在下面更詳細(xì)說明。通過俄歇電子光譜(AES)深度分布圖，其中由盧瑟福反向散射光譜(RBS)校準(zhǔn)信號(hào)，可以測(cè)得該界面處的氮濃度。
圖2的互連結(jié)構(gòu)可以通過單或雙鑲嵌工藝?yán)鐖D3(a)-3(i)中示出的工藝形成。該工藝優(yōu)選從在襯底110上沉積附著促進(jìn)劑層111開始，隨后在附著促進(jìn)劑層111上沉積ILD層112，如圖3(a)所示。根據(jù)所采用的ILD，附著促進(jìn)層111和ILD層112可以通過任何合適的方法沉積。
然后在ILD層112上沉積犧牲硬掩模層113，如圖3(a)所示。犧牲硬掩模層可以通過任何合適的方法沉積，但優(yōu)選通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)直接沉積在ILD層112上。
在圖3(b)中，采用常規(guī)光刻構(gòu)圖和蝕刻工藝形成至少一個(gè)溝槽115a。在典型的光刻工藝中，在犧牲硬掩模層113上沉積光致抗蝕劑材料(未示出)。光刻材料通過掩模被暴露至紫外(UV)輻照，然后顯影光致抗蝕劑材料。根據(jù)采用的光致抗蝕劑材料的類型，可以使光致抗蝕劑的曝光部分在顯影期間可溶解或不可溶解。然后去除光致抗蝕劑的這些可溶解部分，留下與希望的溝槽圖形匹配的光致抗蝕劑圖形。然后，在未被光致抗蝕劑保護(hù)的區(qū)域中，通過例如反應(yīng)離子蝕刻(RIE)去除犧牲硬掩模層113和部分ILD層112，形成溝槽115a。犧牲硬掩模層113可以如下地輔助該蝕刻步驟。犧牲硬掩模層113可以首先在未被抗蝕劑的覆蓋區(qū)域中被蝕刻，然后抗蝕劑可以被去除，留下與光致抗蝕劑圖形匹配的已構(gòu)圖的犧牲硬掩模層113。然后，可以在未被犧牲硬掩模層113覆蓋的區(qū)域中蝕刻ILD層112。
參考圖3(c)，在形成溝槽115a之后，溝槽優(yōu)選襯有擴(kuò)散阻擋襯里114，然后在溝槽115a中沉積導(dǎo)電材料以形成導(dǎo)體115。擴(kuò)散阻擋襯里114可以通過任何合適的方法例如物理氣相沉積(PVD)或“濺射”或者通過化學(xué)氣相沉積(CVD)沉積而成。沉積擴(kuò)散阻擋襯里114的優(yōu)選方法是離子化的PVD。擴(kuò)散阻擋襯里可以是通過PVD和/或CVD沉積的金屬和金屬氮化物的多個(gè)層。導(dǎo)電材料115可以通過任何合適的方法例如通過電鍍、PVD或CVD，在溝槽115a中沉積而成。電鍍是沉積銅導(dǎo)電材料115的最優(yōu)選的方法。多余的襯里114、導(dǎo)電材料115和犧牲硬掩模113在CMP工藝中被去除，其中使導(dǎo)體115的頂面與ILD層112共面。
在沉積帽層116之前，優(yōu)選在PECVD反應(yīng)室中進(jìn)行等離子體清洗步驟。對(duì)于200mm PECVD反應(yīng)室，典型的等離子體清洗步驟采用氫源例如NH3或H2，流速在約50至500sccm范圍內(nèi)，并且該等離子體清洗步驟在約150℃至500℃范圍內(nèi)的襯底溫度下，更優(yōu)選在約300℃至400℃范圍內(nèi)的襯底溫度下，進(jìn)行約5至500秒更優(yōu)選約10至100秒的時(shí)間。在該清洗步驟期間，RF功率在約100至700瓦特的范圍內(nèi)，更優(yōu)選在約200至500瓦特的范圍內(nèi)?？蛇x擇地，可以以在約50至500sccm范圍內(nèi)的流速添加其它氣體，例如He、氬(Ar)或N2。對(duì)于300mm PECVD反應(yīng)室，優(yōu)選的NH3或H2流速在500-2000sccm的范圍內(nèi)，其它可選擇的氣體例如He、Ar或N2在500-2000sccm的范圍內(nèi)，以及RF功率在200-800瓦特的范圍內(nèi)。
然后在導(dǎo)體115和ILD層112上沉積帽層116，如圖3(d)所示。采用可以包括但不限于SiH4、NH3、N2、He、3MS、4MS和其它甲基硅烷的氣體的結(jié)合，在約0.1至20乇范圍內(nèi)，更優(yōu)選在約1至10乇范圍內(nèi)的壓力下的反應(yīng)室中，優(yōu)選采用PECVD工藝沉積帽層116。
優(yōu)選采用流速在約50至500sccm范圍內(nèi)的3MS或4MS以及流速在約50至2000sccm范圍內(nèi)的He沉積帽層116。沉積溫度優(yōu)選在約150℃至500℃的范圍內(nèi)，更優(yōu)選在約300℃至400℃的范圍內(nèi)。通過N2或NH3氣體，將氮包含在膜中。對(duì)于200mm PECVD反應(yīng)室，N2或NH3流速在約50至500sccm的范圍內(nèi)，RF功率優(yōu)選在約100至700瓦特的范圍內(nèi)，更優(yōu)選在約200至500瓦特的范圍內(nèi)。對(duì)于300mm PECVD反應(yīng)室，N2或NH3流速在約800至2000sccm的范圍內(nèi)，RF功率最優(yōu)選在約400至800瓦特的范圍內(nèi)。最終的沉積厚度優(yōu)選在約10至100nm的范圍內(nèi)，最優(yōu)選在約25至70nm的范圍內(nèi)。
圖3(a)-(d)示出了第一互連級(jí)的形成，第一互連級(jí)由附著促進(jìn)劑層111、ILD層112、擴(kuò)散阻擋襯里114、導(dǎo)體115和帽層116構(gòu)成。在圖3(e)中，第二互連級(jí)的形成從附著促進(jìn)劑層117、ILD層118和犧牲硬掩模層119的沉積開始。附著促進(jìn)劑層117可以采用與附著促進(jìn)劑層111的相同的方法沉積。同樣地，ILD層118可以采用與ILD層112的相同的方法沉積，以及犧牲硬掩模層119可以采用與犧牲硬掩模層113的相同的方法沉積。
圖3(f)和3(g)示出了過孔121a和溝槽121b的形成。首先，可以采用常規(guī)光刻構(gòu)圖和蝕刻工藝，在犧牲硬掩模層119、ILD層118、附著促進(jìn)劑層117和帽層116中形成至少一個(gè)過孔121a，如圖3(f)所示。然后，可以采用常規(guī)光刻工藝，在犧牲硬掩模層119和部分ILD層118中形成至少一個(gè)溝槽121b，如圖3(g)所示。過孔121a和溝槽121b可以采用與用于形成溝槽115a相同的光刻工藝形成。
可選地，過孔121a和溝槽121b可以通過首先構(gòu)圖和蝕刻在犧牲硬掩模119和ILD層118中的溝槽形成，其中該溝槽的深度等于溝槽121b的深度，但其長度等于溝槽121b的長度與過孔121a的寬度之和。然后可以通過蝕刻穿過剩余的ILD層118、附著促進(jìn)劑層117和帽層116，形成過孔121a。
如圖3(h)所示，在形成過孔121a和溝槽121b之后，過孔和溝槽優(yōu)選襯有擴(kuò)散阻擋襯里120，然后在過孔和溝槽中沉積導(dǎo)電材料以形成導(dǎo)體121。擴(kuò)散阻擋襯里120可以通過與用于擴(kuò)散阻擋襯里114的相同的方法沉積，導(dǎo)電材料121可以通過與用于導(dǎo)體115的相同的方法沉積。多余的襯里120、導(dǎo)電材料121和犧牲硬掩模119在CMP工藝中被去除，其中使導(dǎo)體121的頂面與ILD層118共面。
然后，在導(dǎo)體121和ILD層118上沉積帽層122，如圖3(i)所示。帽層122可以采用與帽層116的相同的PECVD工藝沉積而成。
提供下面的非限制性實(shí)例，以便本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以更容易地理解本發(fā)明。
實(shí)例1當(dāng)利用300mm PECVD反應(yīng)室時(shí)，最優(yōu)的工藝范圍已經(jīng)在前面列出并在此總結(jié)。

對(duì)于400℃的沉積溫度，具體條件是450sccm的3MS流量、1740sccm的NH3流量、730sccm的He流量和480瓦特的RF等離子體功率。較高的沉積溫度導(dǎo)致這樣的膜，其具有比美國專利申請(qǐng)公開20030134495中所述的對(duì)于200mm PECVD反應(yīng)室的1.97g/cm3高的通過X射線反射(XRR)測(cè)得的2.10g/cm3的密度，并具有5.5的較高的介電常數(shù)。盡管這是介電常數(shù)的折衷，但較高的膜密度導(dǎo)致較好的對(duì)氧和銅物類的阻擋特性。帽層的提高的密度的另一個(gè)好處是，該帽層是用于過孔第一次處理的良好的蝕刻停止層。提高的密度還允許阻擋膜厚度在未來半導(dǎo)體代中減小，因?yàn)樾枰^小的膜厚度來阻止擴(kuò)散物類穿過膜遷移到ILD或金屬線中。
圖4和5示出了改善的阻擋質(zhì)量，圖中示出了空氣中爐退火之后在兩個(gè)Si-C-N-H層中幾種元素的濃度與深度的關(guān)系。為了在俄歇電子光譜(AES)深度分布之后檢查帽層是否是良好的氧阻擋，通過在310-320℃下將樣品在空氣中退火約10-24小時(shí)進(jìn)行該分析。因?yàn)榭諝獍酰绻睂硬皇橇己玫难踝钃?，高溫退火將造成氧擴(kuò)散穿過帽層。該實(shí)驗(yàn)?zāi)M了工藝條件，其中在FTEOS沉積或CVD低k沉積期間，晶片處在高溫的氧環(huán)境中。圖4是在襯里/Si襯底上的厚Cu層上沉積的300mm Si-C-N-H樣品，該樣品具有與美國專利申請(qǐng)公開20030134495中的200mm膜類似的膜密度。在x軸的左側(cè)的0mm深度表示帽表面，在x軸上向右的移動(dòng)表示在膜中的垂直深度，直到到達(dá)厚Cu層。圖5是300mm 400℃樣品在空氣退火后的深度分布圖。對(duì)這些圖的比較示出了改善的膜密度顯著改善了Si-C-N-H對(duì)氧擴(kuò)散的阻抗。
從對(duì)圖4中的較低密度樣品的俄歇電子光譜分析可知，氧一直向下擴(kuò)散到Cu表面。當(dāng)氧擴(kuò)散到Cu表面時(shí)，氧在Si-C-N-H與Cu之間的界面處形成CuOx。CuOx促進(jìn)了電遷移，因?yàn)槿绻蒀uOx層引起的Cu與Si-C-N-H之間的附著差，則Cu沿著該界面擴(kuò)散。對(duì)于在本實(shí)例中示出的這個(gè)問題的解決方案是提高沉積溫度，從而增大膜密度和阻擋穩(wěn)定性。除了介電常數(shù)的適度增加以外，該工藝的不利之處是在沉積期間較高的Cu小丘出現(xiàn)幾率，這可導(dǎo)致級(jí)間短路。
實(shí)例2對(duì)于最優(yōu)的350℃工藝，具體的300m PECVD條件是300sccm的3MS流量、1200sccm的NH3流量、1200sccm的He流量和640瓦特的RF等離子體功率。在這些處理?xiàng)l件下沉積的膜具有與實(shí)例1中所述的400℃膜類似的膜密度，即通過XRR測(cè)得的2.15g/cm3。這些膜的介電常數(shù)略低于400℃膜，即5.4，表明密度是確定介電常數(shù)值的一個(gè)因素。因此，擴(kuò)散阻擋有效性正比于膜密度和介電常數(shù)。
圖6示出了通過空氣退火和AES深度分布得到的該350℃膜的氧阻擋特性。比較圖6和圖5表明，改善的350℃處理?xiàng)l件重復(fù)了400℃膜的密度和阻擋有效性。通過降低沉積溫度，在沉積期間發(fā)生的小丘的數(shù)量減少。這可以從圖7中看出，圖7示出了通過采用暗場(chǎng)晶片檢測(cè)進(jìn)行缺陷探測(cè)獲得的400℃和最優(yōu)的350℃工藝的加權(quán)缺陷密度的比較。降低沉積溫度導(dǎo)致在下一處理級(jí)在蝕刻后(post-etch)ILD材料上的“嵌入污染”降低86％。大的Cu小丘被在下一級(jí)的ILD覆蓋，看起來好像是直接在上一級(jí)的Cu線上方的凸起或嵌入的外來材料，如圖7的插圖所示。
降低的處理溫度的其它好處包括減小的總的熱預(yù)算以及通過AppliedMaterials ProducerTMPECVD反應(yīng)室的性質(zhì)改善的整個(gè)晶片的均勻性。另外，也許由于減少的小丘數(shù)量，與400℃工藝相比，電遷移略有改善。
盡管結(jié)合特定優(yōu)選實(shí)施例和其它可選實(shí)施例具體說明了本發(fā)明，很明顯，根據(jù)上述說明，許多替換、修改和變化對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言是顯而易見的。因此，所附的權(quán)利要求旨在包含落入本發(fā)明的真正范圍和精神的所有這些替換、修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種在襯底上形成的互連結(jié)構(gòu)，包括介電層，覆蓋所述襯底；至少一個(gè)導(dǎo)體，嵌入所述介電層并具有與所述介電層的頂面基本上共面的表面；以及帽層，在所述至少一個(gè)導(dǎo)體和所述介電層上，所述帽層具有與所述導(dǎo)體附著接觸的底面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，還包括導(dǎo)電襯里，其設(shè)置在所述至少一個(gè)導(dǎo)體與所述介電層之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，還包括附著促進(jìn)劑層，其設(shè)置在所述介電層與所述襯底之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中所述介電層由介電常數(shù)為約2.0至約3.5的氧碳化硅(SiCOH)或摻氟的氧化硅形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中所述帽層由選自硅、碳、氮和氫的材料形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的互連結(jié)構(gòu)，其中所述帽層的材料是非晶氮化氫化碳化硅并具有約5.0至約5.5的介電常數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的互連結(jié)構(gòu)，其中所述帽層的材料包括約20至約34原子％的硅、約12至約34原子％的碳、約5至約30原子％的氮和約20至約50原子％的氫。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的互連結(jié)構(gòu)，其中所述帽層的材料包括約22至約30原子％的硅、約15至約30原子％的碳、約10至約25原子％的氮和約30至約45原子％的氫。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中所述導(dǎo)體由銅形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求5的互連結(jié)構(gòu)，其中所述帽層在所述底面處包括小于1原子％的氧。
11.根據(jù)權(quán)利要求5的互連結(jié)構(gòu)，其中所述帽層具有在所述帽層底面處的第一氮濃度和在所述帽層中心處的第二氮濃度，并且所述第一氮濃度大于所述第二氮濃度。
12.根據(jù)權(quán)利要求5的互連結(jié)構(gòu)，其中所述帽層具有約2.1克/cm3的膜密度，從而提供改善的蝕刻停止特性。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的互連結(jié)構(gòu)，其中所述帽層具有在約5nm至120nm范圍內(nèi)的減小的厚度。
14.一種在襯底上形成互連結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟在襯底上沉積附著促進(jìn)劑層或過渡層；在所述附著層上沉積介電材料，從而形成介電層；在所述介電層上沉積犧牲硬掩模材料，從而形成硬掩模層，所述硬掩模層具有被去除的頂面；在所述硬掩模和介電層中形成至少一個(gè)開口；用導(dǎo)電材料填充所述開口，從而形成至少一個(gè)導(dǎo)體，所述導(dǎo)體的表面與所述介電層的頂面基本上共面；以及在所述導(dǎo)體上沉積帽層。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中所述頂面通過CMP平面化被去除。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中所述帽材料選自硅、碳、氮和氫。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述帽層通過包括以下步驟的方法形成利用等離子體清洗工藝清洗所述襯底，所述清洗工藝包括將所述襯底加熱到約150℃至約500℃的溫度，并將所述襯底暴露到氫源約5至約500秒的時(shí)間；以及利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)工藝沉積所述帽材料，所述沉積工藝包括將所述襯底置于溫度為約150℃至約500℃且壓力為約0.1乇至約20乇的反應(yīng)室中，將所述襯底暴露到至少一種甲基硅烷化合物，并施加約100瓦特至約800瓦特的RF功率。
全文摘要
一種后段制程(BEOL)互連結(jié)構(gòu)和一種形成互連結(jié)構(gòu)的方法。所述互連結(jié)構(gòu)包括嵌入介電層的導(dǎo)體例如銅，以及在所述導(dǎo)體上用作擴(kuò)散阻擋層的低k介電帽層。公開了一種形成BEOL互連結(jié)構(gòu)的方法，其中所述帽層是利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)沉積而成，且由Si、C、H和N構(gòu)成。所述互連結(jié)構(gòu)提供了改善的氧擴(kuò)散阻抗和改善的阻擋質(zhì)量，允許膜厚度的減小。
文檔編號(hào)H01L21/768GK1976020SQ200610148518
公開日2007年6月6日 申請(qǐng)日期2006年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月22日
發(fā)明者H·L·巴克斯, 劉晃, J·T·凱利赫爾 申請(qǐng)人:國際商業(yè)機(jī)器公司, 特許半導(dǎo)體制造有限公司