專利名稱：用于窄互連開口的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制造方法。更具體地，本發(fā)明涉及一種單鑲嵌或雙鑲嵌型的互連結(jié)構(gòu)，其中采用大晶粒尺寸的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)來降低導(dǎo)電線路和/或過孔(尤其是具有低于75nm的特征尺寸的窄導(dǎo)電線路和/或過孔)的電阻率。
背景技術(shù)：
通常，半導(dǎo)體器件包括多個(gè)電路，所述多個(gè)電路形成被制造于半導(dǎo)體襯底上的集成電路。通常將對(duì)信號(hào)路徑的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行路由(route)以連接分布于襯底表面上的電路元件。跨越該器件對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行有效的路由需要形成多級(jí)(multilevel)或多層 (multilayered)體系，諸如單鑲嵌布線結(jié)構(gòu)或雙鑲嵌布線結(jié)構(gòu)。該布線結(jié)構(gòu)典型地包括銅 (Cu)，因?yàn)榕c基于以鋁(Al)的互連相比，基于Cu的互連能在復(fù)雜半導(dǎo)體芯片上的大量晶體管之間提供較高速度的信號(hào)傳輸。在典型的互連結(jié)構(gòu)內(nèi)，金屬過孔垂直于半導(dǎo)體襯底延伸，且金屬線路平行于半導(dǎo)體襯底延伸。在現(xiàn)今的IC產(chǎn)品芯片中通過在介電常數(shù)小于二氧化硅的介電常數(shù)的介電材料中掩埋金屬線路和金屬過孔(例如，導(dǎo)電特征)來實(shí)現(xiàn)信號(hào)速度的進(jìn)一步提高以及在鄰近的金屬線路中的信號(hào)(被稱為“串?dāng)_”)的降低?，F(xiàn)有技術(shù)的互連結(jié)構(gòu)的一個(gè)主要問題在于由于導(dǎo)電區(qū)域內(nèi)部的大量電遷移路徑，導(dǎo)電區(qū)域內(nèi)的導(dǎo)電材料具有低的抗電遷移性。大量路徑據(jù)信為導(dǎo)電材料的微結(jié)構(gòu)和平均晶粒尺寸所導(dǎo)致的結(jié)果。本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知，電遷移主要通過以下兩者驅(qū)使(1)在導(dǎo)電材料與介電帽蓋之間的界面擴(kuò)散；以及( 沿著導(dǎo)電材料的晶粒邊界的體擴(kuò)散。由于對(duì)這些器件所作的按比例縮放，預(yù)期在未來的半導(dǎo)體技術(shù)中電遷移問題會(huì)增大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的一個(gè)問題為針對(duì)導(dǎo)電線路和過孔所呈現(xiàn)的高電阻率。隨著導(dǎo)電線路和/或過孔的特征尺寸下降至低于75nm，此問題成為顯著問題。高電阻率的大部分可歸因于諸如銅(Cu)特征的導(dǎo)電特征中的小晶粒尺寸(約0. 02微米或更低)。晶粒邊界散射可導(dǎo)致導(dǎo)電金屬中的電阻的增加。在導(dǎo)電特征內(nèi)的導(dǎo)電材料的小晶粒尺寸是由在形成導(dǎo)電特征時(shí)所使用的先前工藝技術(shù)所導(dǎo)致的。由于來自上覆層(overburden)的晶粒邊界運(yùn)動(dòng)不會(huì)向下延伸至小特征中，因此在極小特征中看不到在較大尺寸產(chǎn)生中所觀察到的晶粒生長。根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種形成互連結(jié)構(gòu)的方法，該方法顯著降低了(且在一些情況下消除了)通過先前技術(shù)的互連結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)的高電阻。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中， 該方法包括在介電材料中形成至少一個(gè)開口。此后，在所述至少一個(gè)開口內(nèi)形成晶粒生長促進(jìn)層。在形成所述晶粒生長促進(jìn)層之后，在所述晶粒生長促進(jìn)層的暴露表面上形成凝聚的鍍敷籽晶層(agglomerated plating seed layer)。通過沉積和隨后的第一退火而形成所述凝聚的鍍敷籽晶層。在導(dǎo)致所沉積的鍍敷籽晶層在所述至少一個(gè)開口內(nèi)凝聚的條件下進(jìn)行所述第一退火。所述凝聚的很大部分發(fā)生在所述至少一個(gè)開口內(nèi)部，而非在所述結(jié)構(gòu)的頂部水平表面上。在所述第一退火之后，在所述至少一個(gè)開口內(nèi)形成導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。通過沉積包含金屬的導(dǎo)電材料且接著進(jìn)行第二退火而形成所述導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，所述第二退火使得所述包含金屬的導(dǎo)電材料的晶粒生長。在一個(gè)實(shí)施例中，在所述至少一個(gè)開口內(nèi)形成所述晶粒生長促進(jìn)層之前，在所述至少一個(gè)開口內(nèi)形成擴(kuò)散阻擋層。在另一實(shí)施例中，在所述形成所述凝聚的鍍敷籽晶層的步驟與所述形成所述導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的步驟之間，可在所述至少一個(gè)開口內(nèi)形成另一鍍敷籽晶層。上文所描述的方法在所述至少一個(gè)開口內(nèi)產(chǎn)生導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，所述導(dǎo)電結(jié)構(gòu)具有竹節(jié)微結(jié)構(gòu)(bamboo microstructure)和大于0. 05微米的平均晶粒尺寸。在一些實(shí)施例中，所述至少一個(gè)開口內(nèi)的所述導(dǎo)電結(jié)構(gòu)包括具有(111)晶向的晶粒。在本發(fā)明的另一方面中，提供一種具有降低的電阻的互連結(jié)構(gòu)。所述互連結(jié)構(gòu)包括介電材料，所述介電材料在其中包括至少一個(gè)開口。所述至少一個(gè)開口被填充有晶粒生長促進(jìn)層、位于所述晶粒生長促進(jìn)層的上表面上的凝聚的鍍敷籽晶層以及位于所述凝聚的鍍敷籽晶層的上表面上方的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。包括包含金屬的導(dǎo)電材料(典型地為Cu)的所述導(dǎo)電結(jié)構(gòu)具有竹節(jié)微結(jié)構(gòu)和大于0. 05微米的平均晶粒尺寸。在一些實(shí)施例中，所述導(dǎo)電結(jié)構(gòu)包括具有(111)晶向的晶粒。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，在所述至少一個(gè)開口內(nèi)存在擴(kuò)散阻擋層。所述擴(kuò)散阻擋層位于包括所述至少一個(gè)開口的所述介電材料的暴露側(cè)壁與所述晶粒生長促進(jìn)層之間。 在本發(fā)明的另外的實(shí)施例中，另一鍍敷籽晶層被設(shè)置在所述凝聚的鍍敷籽晶層與所述導(dǎo)電結(jié)構(gòu)之間。


下面將參考附圖僅僅通過實(shí)例描述本發(fā)明的實(shí)施例，在附圖中圖1為(通過橫截面圖)示例根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的經(jīng)歷初始階段的互連結(jié)構(gòu)的圖示，其中，至少一個(gè)開口被設(shè)置在介電材料中；圖2為(通過橫截面圖)示例在至少一個(gè)開口內(nèi)形成可選的擴(kuò)散阻擋層之后的圖 1的互連結(jié)構(gòu)的圖示；圖3為(通過橫截面圖)示例在至少一個(gè)開口內(nèi)形成晶粒生長促進(jìn)層之后的圖2 的互連結(jié)構(gòu)的圖示；圖4為(通過橫截面圖)示例在形成鍍敷籽晶層之后的圖3的互連結(jié)構(gòu)的圖示；圖5為(通過橫截面圖)示例在進(jìn)行使鍍敷籽晶層凝聚的第一退火之后的圖4的互連結(jié)構(gòu)的圖示；圖6為(通過橫截面圖)示例在至少一個(gè)開口內(nèi)形成導(dǎo)電結(jié)構(gòu)之后的圖5的互連結(jié)構(gòu)的圖示。在所示例的結(jié)構(gòu)中，在右側(cè)示例了封閉式過孔底部(closed-via bottom)；以及圖7A和圖7B為(通過橫截面圖)示出可在本發(fā)明中形成的替代互連結(jié)構(gòu)的圖示； 圖7A包括具有敞開式過孔底部(open-via bottom)結(jié)構(gòu)的互連結(jié)構(gòu)，而圖7B包括具有錨定式過孔底部(anchored-via bottom)結(jié)構(gòu)的互連結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式在以下描述中，闡述諸如特定結(jié)構(gòu)、部件、材料、尺寸、處理步驟和技術(shù)的許多具體細(xì)節(jié)，以便提供對(duì)本發(fā)明的一些方面的理解。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)了解，可在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)踐本發(fā)明。在其它情況下，沒有詳細(xì)描述公知結(jié)構(gòu)或處理步驟，以避免使本發(fā)明模糊。應(yīng)理解，當(dāng)如層、區(qū)域或襯底的一部件被稱為“在另一部件上”或“在另一部件上方”時(shí)，該部件可直接在該另一部件上，或者也可以存在居間部件。相比而言，當(dāng)一部件被稱為“直接在另一部件上”或“直接在另一部件上方”時(shí)，不存在居間部件。還應(yīng)理解，當(dāng)一部件被稱為“在另一部件下方”或“在另一部件下”時(shí)，該部件可直接在該另一部件下方或直接在該另一部件下，或可存在居間部件。相比而言，當(dāng)一部件被稱為“直接在另一部件下方” 或“直接在另一部件下”時(shí)，不存在居間部件。 現(xiàn)將通過參考以下論述和本申請(qǐng)的附圖來更詳細(xì)地描述本發(fā)明的實(shí)施例。下面在本文中更詳細(xì)地參考的本申請(qǐng)的附圖是出于說明性目的而被提供，因而，其未按比例繪制。首先參看圖1，其示例了可用于本發(fā)明的一些實(shí)施例中的初始互連結(jié)構(gòu)10。具體地，圖1所示的初始互連結(jié)構(gòu)10包括多級(jí)互連，該多級(jí)互連包括通過介電帽蓋層14而部分地分隔的下互連級(jí)12和上互連級(jí)16。下互連級(jí)12 (其可位于包括一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體襯底上方)包含具有至少一個(gè)導(dǎo)電特征(即，導(dǎo)電區(qū)域)20的第一介電材料18，該至少一個(gè)導(dǎo)電特征20通過阻擋層22而與第一介電材料18分隔。上互連級(jí)16包含第二介電材料M，第二介電材料M具有位于其中的至少一個(gè)開口。在圖1中，示出了兩個(gè)開口 ；參考標(biāo)號(hào)沈表示用于單鑲嵌結(jié)構(gòu)的線路開口，參考標(biāo)號(hào)28A和28B分別表示用于雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的過孔開口和線路開口。盡管圖1示例了獨(dú)立的線路開口以及用于過孔和線路的開口，但本發(fā)明還涵蓋僅存在線路開口的情況或者存在用于組合的過孔和線路的開口的情況。該至少一個(gè)開口的特征尺寸可變化。在一些實(shí)施例中，該至少一個(gè)開口的特征尺寸低于75nm?？衫迷诒绢I(lǐng)域中公知的標(biāo)準(zhǔn)互連處理來制造圖1所示的初始互連結(jié)構(gòu)10。例如，可通過將第一介電材料18施加到襯底(未示出)的表面而形成初始互連結(jié)構(gòu)10。未示出的襯底可包括半導(dǎo)電材料、絕緣材料、導(dǎo)電材料或其任何組合。當(dāng)襯底包含半導(dǎo)電材料時(shí)，可使用諸如 Si、SiGe、SiGeC、SiC、Ge 合金、GaAs、InAs、InP 及其它 III/V 或 II/VI 化合物半導(dǎo)體的任何半導(dǎo)體。除了這些所列出類型的半導(dǎo)電材料以外，本發(fā)明還涵蓋半導(dǎo)體襯底為諸如Si/SiGe、Si/SiC、絕緣體上硅(SOI)或絕緣體上硅鍺(SGOI)的多層半導(dǎo)體的情況。當(dāng)襯底為絕緣材料時(shí)，絕緣材料可為有機(jī)絕緣體、無機(jī)絕緣體或其包括多層的組合。當(dāng)襯底為導(dǎo)電材料時(shí)，襯底可包括例如多晶硅、元素金屬、元素金屬的合金、金屬硅化物、金屬氮化物或其包括多層的組合。當(dāng)襯底包含半導(dǎo)電材料時(shí)，可在其上制造諸如互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CM0Q器件的一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體器件。下互連級(jí)12的第一介電材料18可包括任何級(jí)間(interlevel)或級(jí)內(nèi) (intralevel)互連電介質(zhì)，所述電介質(zhì)包括無機(jī)電介質(zhì)或有機(jī)電介質(zhì)。第一介電材料18可為多孔的或無孔的。可用作第一介電材料18的適當(dāng)電介質(zhì)的一些實(shí)例包括但不限于=SiO2 ； 硅倍半氧烷(silsesquioxane)；摻C的氧化物(即，有機(jī)硅酸鹽)，其包含Si、C、0和H的原子；熱固性聚亞芳基醚；或其多層。術(shù)語“聚亞芳基”在本申請(qǐng)中用以表示通過諸如氧、硫、 砜、亞砜、羰基及其類似物的鍵、稠環(huán)或惰性連接基團(tuán)而被連接在一起的芳基部分(moiety) 或被惰性取代的芳基部分。第一介電材料18典型地具有約4. 0或更低的介電常數(shù)，其中約2. 8或更低的介電常數(shù)更為典型。與具有高于4.0的介電常數(shù)的介電材料相比，這些電介質(zhì)通常具有較低的寄生串?dāng)_。第一介電材料18的厚度可依賴于所使用的介電材料以及在下互連級(jí)12內(nèi)的電介質(zhì)的確切數(shù)目而變化。典型地，且對(duì)于正?；ミB結(jié)構(gòu)，第一介電材料18具有200nm至 450nm的厚度。下互連級(jí)12還具有掩埋于第一介電材料18中(即，位于第一介電材料18內(nèi))的至少一個(gè)導(dǎo)電特征20。導(dǎo)電特征20包含通過阻擋層22而與第一介電材料18分隔的導(dǎo)電區(qū)域?？赏ㄟ^以下步驟形成導(dǎo)電特征20:光刻(即，將光致抗蝕劑施加到第一介電材料18 的表面、將光致抗蝕劑暴露至希望的輻射圖案，且利用常規(guī)抗蝕劑顯影劑來顯影經(jīng)曝光的抗蝕劑)；在第一介電材料18中蝕刻(干法蝕刻或濕法蝕刻)開口 ；以及用阻擋層22填充該經(jīng)蝕刻區(qū)域，且接著用形成導(dǎo)電區(qū)域的導(dǎo)電材料填充經(jīng)蝕刻區(qū)域。典型地通過諸如原子層沉積(ALD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)、物理氣相沉積 (PVD)、濺射、化學(xué)溶液沉積或鍍敷的沉積工藝來形成阻擋層22，阻擋層22可包含Ta、TaN, Ti、TiN、Ru、RuN、W、WN，或可用作阻擋層以防止導(dǎo)電材料擴(kuò)散通過的任何其它材料。阻擋層22的厚度可依賴于沉積工藝的確切方式以及所使用的材料而變化。典型地，阻擋層22具有4nm至40nm的厚度，其中7nm至20nm的厚度更為典型。在形成阻擋層22之后，用形成導(dǎo)電區(qū)域的導(dǎo)電材料填充第一介電材料18內(nèi)的開口的剩余區(qū)域。在形成導(dǎo)電區(qū)域時(shí)所使用的導(dǎo)電材料包括例如多晶硅、導(dǎo)電金屬、包含至少一個(gè)導(dǎo)電金屬的合金、導(dǎo)電金屬硅化物或其組合。優(yōu)選地，可在形成導(dǎo)電區(qū)域時(shí)使用的導(dǎo)電材料為包含金屬的導(dǎo)電材料，例如Cu、W或Al，其中Cu或Cu合金(例如AlCu)在本發(fā)明的一些實(shí)施例中是優(yōu)選的?？衫冒ǖ幌抻贑VD、PECVD、濺射、化學(xué)溶液沉積或鍍敷的常規(guī)沉積工藝將導(dǎo)電材料填充島第一介電材料18中的剩余開口中。在沉積之后，可使用諸如化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)的常規(guī)平面化工藝來提供這樣的結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，阻擋層22和導(dǎo)電特征20各自具有與第一介電材料18的上表面基本上共面的(coplanar)上表面。盡管未具體說明，但可使用下文中所描述的本發(fā)明方法來設(shè)置導(dǎo)電特征20，該導(dǎo)電特征20的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)具有竹節(jié)微結(jié)構(gòu)和大于0. 05微米的平均晶粒尺寸。貫穿本申請(qǐng)，術(shù)語“平均晶粒尺寸”用以表示導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電材料的平均晶粒尺寸。平均晶粒尺寸是利用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)測(cè)得的，例如，通過將經(jīng)拋光且經(jīng)蝕刻的樣品放置于顯微鏡下且對(duì)在特定面積內(nèi)的晶粒的數(shù)目進(jìn)行計(jì)數(shù)，這些技術(shù)已為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知。接著，基于已知的放大率、 晶粒的數(shù)目及所檢查的面積來計(jì)算微結(jié)構(gòu)內(nèi)部的平均晶粒尺寸。在形成至少一個(gè)導(dǎo)電特征20之后，可利用諸如CVD、PECVD、化學(xué)溶液沉積或蒸發(fā)的常規(guī)沉積工藝而在下互連級(jí)12的表面上形成介電帽蓋層14。在一些實(shí)施例中，省略介電帽蓋層14。介電帽蓋層14包括任何適當(dāng)?shù)慕殡娒鄙w材料，例如，SiC、Si4NH3、SiO2、摻碳的氧化物、摻氮和氫的碳化硅SiC(N，H)或其多層。帽蓋層14的厚度可依賴于用以形成帽蓋層14的技術(shù)以及構(gòu)成該層的材料而變化。典型地，帽蓋層14具有15nm至55nm的厚度，其中25nm至45nm的厚度更為典型。
上互連級(jí)16是通過以下方式形成將第二介電材料M施加于介電帽蓋層14(若存在)的上部暴露表面；或當(dāng)不存在介電帽蓋層14時(shí)，將第二介電材料對(duì)直接施加于下互連級(jí)12的頂部上。第二介電材料M可包含與下互連級(jí)12的第一介電材料18的介電材料相同或不同(優(yōu)選地相同)的介電材料。用于第一介電材料18的處理技術(shù)和厚度范圍在此處也適用于第二介電材料24。利用光刻(如上所述)和蝕刻將至少一個(gè)開口形成至第二介電材料M中。蝕刻可包含干法蝕刻工藝、濕法化學(xué)蝕刻工藝或其組合。術(shù)語“干法蝕刻” 在本文中用以表示諸如反應(yīng)離子蝕刻、離子束蝕刻、等離子體蝕刻或激光燒蝕的蝕刻技術(shù)。 在圖1中，示出了兩個(gè)開口 ；參考標(biāo)號(hào)沈表示用于單鑲嵌結(jié)構(gòu)的線路開口，參考標(biāo)號(hào)28A和 28B分別表示用于雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的過孔開口和線路開口。再次強(qiáng)調(diào)，本發(fā)明涵蓋僅包括開口 26或開口 ^A和^B的結(jié)構(gòu)。在形成過孔開口 28A和線路開口 28B的情況下，蝕刻步驟還去除介電帽蓋層14的位于導(dǎo)電特征20的頂部上的部分，以在互連級(jí)12與互連級(jí)16之間進(jìn)行電接觸?？赏ㄟ^在第二介電材料M的所有暴露表面(包括在開口內(nèi)的壁表面)上形成具有擴(kuò)散阻擋層特性的可選的擴(kuò)散阻擋層30而提供可選的擴(kuò)散阻擋層30。例如，圖2中示出了包括可選的阻擋層30的所得結(jié)構(gòu)。可選的擴(kuò)散阻擋層30包含與阻擋層22的材料相同或不同的材料。因此，可選的擴(kuò)散阻擋層30可包含1^、1&111、1^1 11、1 1^、1、1隊(duì)或可用作阻擋層以防止導(dǎo)電材料擴(kuò)散通過的任何其它材料。還涵蓋形成多層層疊的擴(kuò)散阻擋層的這些材料的組合?？衫弥T如原子層沉積(ALD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)、物理氣相沉積(PVD)、濺射、化學(xué)溶液沉積或鍍敷的沉積工藝來形成可選的擴(kuò)散阻擋層30。當(dāng)存在可選的擴(kuò)散阻擋層時(shí)，可選的擴(kuò)散阻擋層30的厚度可依賴于在該阻擋層內(nèi)的材料層的數(shù)目、在形成該阻擋層時(shí)所使用的技術(shù)以及該擴(kuò)散阻擋層本身的材料而變化。典型地，可選的擴(kuò)散阻擋層30具有4nm至40nm的厚度，其中7nm至20nm的厚度更為典型。圖3示出了在可選的擴(kuò)散阻擋層30的頂部上形成晶粒生長促進(jìn)層(GGPL) 32之后的圖2的結(jié)構(gòu)。在不存在可選的擴(kuò)散阻擋層30的實(shí)施例中，將在第二介電材料M的暴露表面上(包括在這些開口中的每一個(gè)中)形成GGPL 32。GGPL 32包含有助于形成具有大于0. 05微米的平均晶粒尺寸的導(dǎo)電材料的任何材料，典型地為金屬或金屬合金。用于GGPL 32的適當(dāng)材料的實(shí)例包括但不限于如、&)、11~、他^0、徹、!^、他及其合金。在一些實(shí)施例中，優(yōu)選地將Ru、Ir、Co或Rh用作GGPL 32?？赏ㄟ^包括例如化學(xué)氣相沉積(CVD)、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)、原子層沉積(ALD)和物理氣相沉積(PVD)的常規(guī)沉積工藝來形成GGPL 32。GGPL 32的厚度可依賴于許多因素而變化，這些因素包括例如GGPL 32的組成材料及在形成GGPL 32時(shí)所使用的技術(shù)。典型地，GGPL 32具有0.5nm至IOnm的厚度，其中小于6nm的厚度更為典型。據(jù)信，GGPL 32有助于通過GGPL 32與稍后沉積的鍍敷籽晶層/包含金屬的導(dǎo)電材料之間的低界面能而形成具有竹節(jié)微結(jié)構(gòu)和大于0. 05微米的平均晶粒尺寸的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。圖4示出了在形成鍍敷籽晶層34之后所形成的所得結(jié)構(gòu)。鍍敷籽晶層34有助于使隨后形成的包含金屬的導(dǎo)電材料在至少一個(gè)開口內(nèi)生長。鍍敷籽晶層34可包含導(dǎo)電金屬或金屬合金，例如在形成將在下文中更詳細(xì)地描述的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)38時(shí)所使用的導(dǎo)電金屬或金屬合金。典型地，且當(dāng)導(dǎo)電結(jié)構(gòu)38包括Cu作為包含金屬的導(dǎo)電材料時(shí)，鍍敷籽晶層34 包含Cu、CuAUCuIr, CuTa, CuRh或其它Cu合金，即，含Cu的合金?？赏ㄟ^包括例如ALD、CVD、PECVD, PVD、化學(xué)溶液沉積及其它類似沉積工藝的常規(guī)沉積工藝來形成鍍敷籽晶層34。鍍敷籽晶層34的厚度可變化，且其在為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的范圍內(nèi)。典型地，鍍敷籽晶層34具有2nm至SOnm的厚度。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，在30°C或更低的沉積溫度下形成鍍敷籽晶層34，其中優(yōu)選20°C至-30°C的沉積溫度。這樣的低溫沉積避免了后續(xù)導(dǎo)電材料在至少一個(gè)開口內(nèi)凝
聚ο圖5示出了在對(duì)圖4所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行第一退火之后所形成的結(jié)構(gòu)。在引起鍍敷籽晶層；34的實(shí)質(zhì)凝聚(substantial agglomeration)的條件下進(jìn)行第一退火。在圖5中，通過該第一退火形成的凝聚的鍍敷籽晶層被標(biāo)示為34'。盡管圖5將凝聚的鍍敷籽晶層34' 描繪為連續(xù)層，但凝聚的鍍敷籽晶層34'可以為不連續(xù)的，在該層內(nèi)可以包括中斷。當(dāng)凝聚的鍍敷籽晶層34'不連續(xù)時(shí)，可暴露下伏的擴(kuò)散阻擋層或第二介電材料的部分。觀察到，鍍敷籽晶層34的凝聚的很大部分發(fā)生在至少一個(gè)開口內(nèi)，而非在互連結(jié)構(gòu)的水平表面上。據(jù)信，凝聚的鍍敷籽晶層34'具有在至少一個(gè)開口內(nèi)部的相當(dāng)大的金屬晶粒。這些大金屬晶粒為用于稍后沉積的包含金屬的導(dǎo)電材料的晶粒生長的籽微晶(seed crystallite)。因?yàn)檫@些大金屬晶粒(例如，籽微晶)已經(jīng)存在于至少一個(gè)開口內(nèi)，所以可在導(dǎo)電材料沉積后的退火期間獲得具有大晶粒尺寸的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。典型地在200°C至400°C的溫度下進(jìn)行引起鍍敷籽晶層34的實(shí)質(zhì)凝聚的第一退火，其中250°C至300°C的溫度更典型。在一個(gè)實(shí)施例中，在諸如H2A2或其混合物的還原氣氛中進(jìn)行第一退火。在另一實(shí)施例中，在真空下進(jìn)行第一退火。進(jìn)行第一退火持續(xù)使得鍍敷籽晶層34在至少一個(gè)開口內(nèi)充分凝聚的時(shí)長。典型地，進(jìn)行退火持續(xù)小于等于100分鐘的時(shí)長，其中小于等于30分鐘的時(shí)長更典型。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，可在凝聚的鍍敷籽晶層34'的頂部上形成另一鍍敷籽晶層(未示出)。該另一鍍敷籽晶層可包含與鍍敷籽晶層34相同或不同的鍍敷籽晶材料。 典型地，該另一鍍敷籽晶層(未示出)包含與鍍敷籽晶層34相同的鍍敷籽晶材料。可利用針對(duì)鍍敷籽晶層34而在上面提及的沉積技術(shù)中的一種來形成該另一鍍敷籽晶層。并且，該另一鍍敷籽晶層可具有針對(duì)鍍敷籽晶層34而在上面提及的范圍內(nèi)的厚度。該另一鍍敷籽晶層系用以確保在導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的后續(xù)形成期間不暴露下伏的擴(kuò)散阻擋層或第二介電材料的任何部分。圖6示出了在至少一個(gè)開口內(nèi)形成導(dǎo)電結(jié)構(gòu)38之后的結(jié)構(gòu)。圖6所示的互連結(jié)構(gòu)表示本發(fā)明的一個(gè)可能的實(shí)施例，而圖7A和7B所示的互連結(jié)構(gòu)表示本發(fā)明的另外的可能的實(shí)施例。在圖6中，示出了封閉式過孔底部互連結(jié)構(gòu)。在圖7A中，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)38形成于敞開式過孔底部結(jié)構(gòu)內(nèi)。通過在沉積其它部件之前利用離子轟擊或另一類似的定向蝕刻工藝而從過孔28k的底部去除可選的擴(kuò)散阻擋層30，形成該敞開式過孔互連結(jié)構(gòu)。在圖7B 中，示出了錨定式過孔底部互連結(jié)構(gòu)。通過利用選擇性蝕刻工藝首先將凹陷蝕刻至導(dǎo)電特征20中，形成該錨定式過孔底部互連結(jié)構(gòu)。接著形成可選的擴(kuò)散阻擋層30，且通過利用這些上述技術(shù)中的一種而從過孔和凹陷的底部選擇性地去除該可選的擴(kuò)散阻擋層30。接著如本文中所述來形成其它部件，即，GGPL 32、凝聚的鍍敷籽晶層34'和導(dǎo)電結(jié)構(gòu)38。
在這些所示例的結(jié)構(gòu)的每一者中，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)38可包含與導(dǎo)電特征20相同或不同 (優(yōu)選相同)的包含金屬的導(dǎo)電材料；應(yīng)注意，在形成導(dǎo)電結(jié)構(gòu)38時(shí)所使用的導(dǎo)電材料不包括多晶硅。優(yōu)選地，將Cu、Al、W或其合金用作導(dǎo)電結(jié)構(gòu)38的包含金屬的導(dǎo)電材料，其中最優(yōu)選Cu或AlCu。利用與上文在形成導(dǎo)電特征20時(shí)所描述的沉積工藝相同的沉積工藝來形成導(dǎo)電結(jié)構(gòu)38的包含金屬的導(dǎo)電材料。在至少一個(gè)開口內(nèi)沉積包含金屬的導(dǎo)電材料之后，進(jìn)行導(dǎo)致形成導(dǎo)電結(jié)構(gòu)38的第二退火。典型地在80°C至300°C的溫度下進(jìn)行在形成導(dǎo)電結(jié)構(gòu)38時(shí)所使用的第二退火，其中100°C至200°C的溫度更典型。典型地在諸如N2、He 和/Ar的惰性環(huán)境中進(jìn)行第二退火。第二退火的持續(xù)時(shí)間可以變化。典型地，例如，進(jìn)行第二退火持續(xù)小于等于60分鐘的時(shí)長。由此形成的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)38包括如上文所提及的包含金屬的導(dǎo)電材料。導(dǎo)電結(jié)構(gòu)38 進(jìn)一步具有竹節(jié)微結(jié)構(gòu)和大于0. 05微米的平均晶粒尺寸。在一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)38 的平均晶粒尺寸為0. 05微米至0. 5微米。在另一實(shí)施例中，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)38的平均晶粒尺寸為0.08微米至0.2微米。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)38包括具有(111)晶向的導(dǎo)電晶粒。術(shù)語“竹節(jié)微結(jié)構(gòu)”在本文中用以表示導(dǎo)電結(jié)構(gòu)38的導(dǎo)電材料由這樣的晶粒構(gòu)成，所有的所述晶粒都大于互連的橫截面尺寸。竹節(jié)微結(jié)構(gòu)不同于近竹節(jié)微結(jié)構(gòu)(near bamboo microstructure)，近竹節(jié)微結(jié)構(gòu)為沿著互連結(jié)構(gòu)的長度的竹節(jié)微結(jié)構(gòu)與多晶微結(jié)構(gòu)的混合物。在沉積導(dǎo)電材料之后，可對(duì)互連結(jié)構(gòu)進(jìn)行平面化?？稍诘诙嘶鹬盎蛑蟀l(fā)生的平面化工藝去除存在于上互連級(jí)16的上部水平表面上方的可選的擴(kuò)散阻擋層30、GGPL 32、凝聚的鍍敷籽晶層34'和導(dǎo)電結(jié)構(gòu)38。本申請(qǐng)的方法適用于形成諸如在互連結(jié)構(gòu)的任一互連級(jí)或所有互連級(jí)中的導(dǎo)電特征的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。可使用相同的基本處理步驟來形成諸如場(chǎng)效晶體管的其它半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)， 在場(chǎng)效晶體管中，導(dǎo)電材料為具有本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)和平均晶粒尺寸的柵電極。 導(dǎo)電結(jié)構(gòu)38的在互連結(jié)構(gòu)內(nèi)的晶粒尺寸和形態(tài)的效果包括以下各者⑴導(dǎo)電結(jié)構(gòu)38的相對(duì)大晶粒尺寸提供與其它形態(tài)相比具有低數(shù)目晶粒邊界、具有低電子散射效應(yīng) (比現(xiàn)有技術(shù)的電子散射效應(yīng)低大約10%至30% )且具有相對(duì)低電阻(比現(xiàn)有技術(shù)的電阻低大約10%至30%)的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)38。由于這些特性，本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)比常規(guī)互連結(jié)構(gòu)更佳的性能。(ii)竹節(jié)微結(jié)構(gòu)在導(dǎo)電結(jié)構(gòu)內(nèi)部提供較少的電遷移路徑、提供高抗電遷移性，且可耐受(大于6mA/μ m2的)電流密度，因而提供更佳的電路可靠性。
雖然已關(guān)于本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而具體地示出和描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可進(jìn)行形式及細(xì)節(jié)上的前述及其它改變。因此，本發(fā)明不旨在受限于所描述和示例的確切形式和細(xì)節(jié)，而是落入所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種互連結(jié)構(gòu)，其包括介電材料，在其中包括至少一個(gè)開口 ； 晶粒生長促進(jìn)層，其位于所述至少一個(gè)開口內(nèi)； 凝聚的鍍敷籽晶層，其位于所述晶粒生長促進(jìn)層的上表面上方；以及導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，其位于所述至少一個(gè)開口內(nèi)和所述凝聚的鍍敷籽晶層的上表面的頂部上， 包括包含金屬的導(dǎo)電材料的所述導(dǎo)電結(jié)構(gòu)具有竹節(jié)微結(jié)構(gòu)和大于0. 05微米的平均晶粒尺寸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中，所述導(dǎo)電結(jié)構(gòu)包括具有(111)晶向的導(dǎo)電晶粒。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的互連結(jié)構(gòu)，其中，所述介電材料為SiO2、硅倍半氧烷、包含Si、 C、0和H的原子的摻C的氧化物、或熱固性聚亞芳基醚中的一者。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的互連結(jié)構(gòu)，其中，所述至少一個(gè)開口為線路開口、過孔開口、組合的線路開口和過孔開口、或其組合。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的互連結(jié)構(gòu)，其中，所述晶粒生長促進(jìn)層包含Ru、Co、 Ir、Rh、Mo、Re、Hf、Nb 或其合金。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的互連結(jié)構(gòu)，其中，所述晶粒生長促進(jìn)層具有0.5nm至 IOnm的厚度。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的互連結(jié)構(gòu)，其還包括位于所述晶粒生長促進(jìn)層下方的擴(kuò)散阻擋層，所述擴(kuò)散阻擋層包含Ta、TaN, Ti、TiN、Ru、RuN, W、WN、或能夠用作阻擋層以防止導(dǎo)電材料擴(kuò)散通過的任何其它材料。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的互連結(jié)構(gòu)，其中，所述凝聚的鍍敷籽晶層包含Cu或含 Cu合金ο
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的互連結(jié)構(gòu)，其中，另一鍍敷籽晶層位于所述凝聚的鍍敷籽晶層與所述導(dǎo)電結(jié)構(gòu)之間。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的互連結(jié)構(gòu)，其中，所述導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的所述包含金屬的導(dǎo)電材料包括導(dǎo)電金屬、包含至少一種導(dǎo)電金屬的合金、或?qū)щ娊饘俟杌铩?br> 11.根據(jù)權(quán)利要求10的互連結(jié)構(gòu)，其中，所述包含金屬的導(dǎo)電材料為選自Cu、Al、W和 AlCu的導(dǎo)電金屬。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的互連結(jié)構(gòu)，其中，所述導(dǎo)電結(jié)構(gòu)存在于敞開式過孔底部、錨定式過孔底部結(jié)構(gòu)或封閉式底部過孔中。
13.一種互連結(jié)構(gòu)，包括介電材料，在其中包括至少一個(gè)開口 ； 擴(kuò)散阻擋層，其位于所述至少一個(gè)開口內(nèi)； 晶粒生長促進(jìn)層，其位于所述擴(kuò)散阻擋層上； 凝聚的鍍敷籽晶層，其位于所述晶粒生長促進(jìn)層上； 另一鍍敷籽晶層，其位于所述凝聚的鍍敷籽晶層上；以及含銅的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，其位于所述至少一個(gè)開口內(nèi)，所述含銅的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)具有竹節(jié)微結(jié)構(gòu)、 大于0.05微米的平均晶粒尺寸以及具有(111)晶向的銅晶粒。
14.一種形成互連結(jié)構(gòu)的方法，包括 在介電材料中形成至少一個(gè)開口；在所述至少一個(gè)開口內(nèi)形成晶粒生長促進(jìn)層； 在所述至少一個(gè)開口內(nèi)形成凝聚的鍍敷籽晶層；以及在所述至少一個(gè)開口內(nèi)在所述凝聚的鍍敷籽晶層的頂部上形成導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，包括包含金屬的導(dǎo)電材料的所述導(dǎo)電結(jié)構(gòu)具有竹節(jié)微結(jié)構(gòu)和大于0. 05微米的平均晶粒尺寸。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，還包括在形成所述晶粒生長促進(jìn)層之前在所述至少一個(gè)開口內(nèi)形成擴(kuò)散阻擋層。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15的方法，其中，所述形成所述晶粒生長促進(jìn)層發(fā)生在400°C 或更低的沉積溫度下。
17.根據(jù)權(quán)利要求14至16中任一項(xiàng)的方法，其中，所述形成所述凝聚的鍍敷籽晶層包括沉積鍍敷籽晶層；以及對(duì)所述鍍敷籽晶層進(jìn)行退火。
18.根據(jù)權(quán)利要求14至17中任一項(xiàng)的方法，其中，在還原氣氛中或在真空下在200°C 至400°C的溫度下進(jìn)行所述退火。
19.根據(jù)權(quán)利要求14至18中任一項(xiàng)的方法，還包括在所述凝聚的鍍敷籽晶層的頂部上形成另一鍍敷籽晶層。
20.根據(jù)權(quán)利要求14至19中任一項(xiàng)的方法，其中，所述形成所述導(dǎo)電結(jié)構(gòu)包括在所述至少一個(gè)開口內(nèi)沉積所述包含金屬的導(dǎo)電材料；以及對(duì)所述包含金屬的導(dǎo)電材料進(jìn)行退火。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中，在80°C至300°C的溫度下進(jìn)行所述退火。
22.根據(jù)權(quán)利要求14至21中任一項(xiàng)的方法，其中所述導(dǎo)電結(jié)構(gòu)包括具有(111)晶向的晶粒。
23.一種形成互連結(jié)構(gòu)的方法，包括 在介電材料中形成至少一個(gè)開口；在所述至少一個(gè)開口內(nèi)形成擴(kuò)散阻擋層； 在所述擴(kuò)散阻擋層的上表面上形成晶粒生長促進(jìn)層； 在所述至少一個(gè)開口內(nèi)形成凝聚的鍍敷籽晶層； 在所述凝聚的鍍敷籽晶層的頂部上形成另一鍍敷籽晶層；以及在所述至少一個(gè)開口內(nèi)形成含銅的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，所述含銅的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)具有竹節(jié)微結(jié)構(gòu)、 大于0.05微米的平均晶粒尺寸以及具有(111)晶向的銅晶粒。
全文摘要
提供了一種具有降低的電阻的互連結(jié)構(gòu)和一種形成這樣的互連結(jié)構(gòu)的方法。所述互連結(jié)構(gòu)包括介電材料(24)，所述介電材料(24)包括在其中的至少一個(gè)開口。所述至少一個(gè)開口被填充有可選的阻擋擴(kuò)散層(30)、晶粒生長促進(jìn)層(32)、凝聚的鍍敷籽晶層(34’)、可選的第二鍍敷籽晶層和導(dǎo)電結(jié)構(gòu)(38)。包括包含金屬的導(dǎo)電材料(典型地為Cu)的所述導(dǎo)電結(jié)構(gòu)具有竹節(jié)微結(jié)構(gòu)和大于0.05微米的平均晶粒尺寸。在一些實(shí)施例中，所述導(dǎo)電結(jié)構(gòu)包括具有(111)晶向的導(dǎo)電晶粒。
文檔編號(hào)H01L21/768GK102498560SQ201080040789
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2010年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月16日
發(fā)明者C-c·楊, D·埃德爾斯坦, S·羅斯納格爾, 野上毅 申請(qǐng)人:國際商業(yè)機(jī)器公司