包括相對低的電阻率的芯的互連導(dǎo)線的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開內(nèi)容涉及諸如互連線之類的導(dǎo)線，該導(dǎo)線包括嵌入在護套內(nèi)的芯，并且具體而言，涉及包括呈現(xiàn)出與護套相比相對較低的電阻率的芯的導(dǎo)線。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著集成電路特征按比例縮小并且密度增大，影響所觀察到的電阻的諸如電阻率之類的材料性質(zhì)會呈現(xiàn)出相對更顯著的影響。例如，隨著特征尺寸的減小，互連線延遲可以超過門延遲，并且形成總器件延遲的相對大的部分?；ミB線延遲被理解為至少部分地由電阻-電容延遲引起。電阻-電容延遲或RC延遲被理解為隨電阻變化并隨絕緣體電容變化的信號傳播的延遲，所述電阻部分取決于金屬導(dǎo)線成分的電阻率，所述絕緣體電容部分取決于層間電介質(zhì)的電容率。用于減少RC延遲的現(xiàn)有解決方案包括導(dǎo)線幾何形狀的優(yōu)化。
[0003]此外，集成電路的可靠性受隨著特征尺寸降低和密度增大而增大的若干應(yīng)力的影響。這些應(yīng)力包括電應(yīng)力、熱應(yīng)力、機械應(yīng)力以及環(huán)境應(yīng)力。電迀移是降低半導(dǎo)體可靠性、導(dǎo)致互連線故障、并且隨著特征尺寸減小和功率密度增大而變得相對更顯著的現(xiàn)象的示例。電迀移被理解為由于導(dǎo)體中離子的運動而引起的材料的傳輸。電迀移會導(dǎo)致在互連線中形成小丘(hillock)或孔隙，并且最終導(dǎo)致故障。
[0004]為了減少電迀移和其它應(yīng)力引起的故障，難熔金屬已經(jīng)用于互連線制造中。然而，難熔金屬呈現(xiàn)出增大的電阻率，并且因此導(dǎo)致電阻增大，從而增加了電阻-電容延遲。為了進一步減少電迀移和其它應(yīng)力引起的故障，已經(jīng)在包含互連線的層間電介質(zhì)中的開口的側(cè)壁和底壁上沉積了擴散屏障(barrier)。擴散屏障被理解為占據(jù)互連導(dǎo)線的橫截面面積中的一小部分(通常為20%或更少)。利用諸如氮化硅之類的絕緣體來涂覆在給定電介質(zhì)層的表面處所暴露的互連線的部分。然而，這種布置會對諸如電容之類的導(dǎo)線性質(zhì)造成負(fù)面影響。
[0005]因此，隨著特征尺寸持續(xù)減小，在一些實例中，在強調(diào)各種應(yīng)力(諸如導(dǎo)致電迀移和熱機械故障的那些應(yīng)力)的互連線延遲和電阻的互連線設(shè)計中仍有提升的空間。
【附圖說明】
[0006]通過結(jié)合附圖參考對本文中所述實施例的以下描述，本公開內(nèi)容的上述和其它特征以及實現(xiàn)它們的方式可以變得更加顯而易見且更好理解，在附圖中:
[0007]圖la示出了在層間電介質(zhì)中的開口中形成的多條導(dǎo)線的實施例的圖lb的橫截面，其中，導(dǎo)線包括芯和護套；
[0008]圖lb示出了在層間電介質(zhì)中的開口中形成的多條導(dǎo)線的實施例的頂視圖；
[0009]圖2示出了在層間電介質(zhì)中的開口中形成的導(dǎo)線的實施例的橫截面，所述層間電介質(zhì)具有應(yīng)用于層間電介質(zhì)與導(dǎo)線之間的開口中的擴散屏障；
[0010]圖3示出了在包括芯和護套的基板中沉積導(dǎo)線的方法的實施例；
[0011]圖4a示出了在將導(dǎo)線沉積在層間電介質(zhì)中形成的開口中之前的層間電介質(zhì)的實施例的橫截面；
[0012]圖4b示出了包括護套材料的第一層的共形涂層的層間電介質(zhì)的實施例的橫截面；
[0013]圖4c示出了在對形成導(dǎo)線芯的材料進行沉積和回流之后的層間電介質(zhì)的實施例的橫截面；
[0014]圖4d示出了在沉積護套材料的剩余部分之后的層間電介質(zhì)的實施例的橫截面；
[0015]圖4e示出了在對護套材料進行平坦化從而使層間電介質(zhì)的表面暴露之后的層間電介質(zhì)的實施例的橫截面；
[0016]圖5示出了具有相同直徑的銅芯和鈷的導(dǎo)線電阻與導(dǎo)線長度相對比的示例；
[0017]圖6示出了由A)鈷護套和銅芯;B)鈷；以及C)銅形成的具有不同直徑的導(dǎo)線的最大電流密度的示例；
[0018]圖7示出了在包括芯和護套的層間電介質(zhì)中形成的導(dǎo)線的實施例的橫截面的透射電子顯微鏡圖像；以及
[0019]圖8示出了在包括芯和護套的層間電介質(zhì)中形成的導(dǎo)線的實施例的橫截面的電子色散光譜圖像。
【具體實施方式】
[0020]本公開內(nèi)容涉及包括形成在護套內(nèi)的芯的互連導(dǎo)線的形成。芯呈現(xiàn)出與護套相比相對較低的電阻率，這提供了擴散屏障和抗散射性質(zhì)(即，芯表面處的電子散射)。如上所指出的，隨著集成電路按比例縮小，某些材料性質(zhì)(例如電阻率)呈現(xiàn)出相對更顯著的效應(yīng)。例如，互連線延遲可以超過門延遲并且形成總器件延遲的相對大的部分?；ミB線或互連導(dǎo)線(本文中也被稱為導(dǎo)線)可以被理解為例如在集成電路上的部件之間的連接。部件包括例如:晶體管、二極管、電源、電阻器、電容器、電感器、傳感器、收發(fā)器、接收器、天線等。互連線延遲被理解為至少部分地由電阻-電容延遲或RC延遲、由于互連線材料的電阻-電容效應(yīng)而產(chǎn)生的信號延遲導(dǎo)致。可以通過使用較低電阻率互連線材料來減少電阻-電容延遲。另外，材料性質(zhì)和電流密度影響電迀移，這被理解為是由于導(dǎo)體中離子的運動而引起的材料的傳輸。電迀移可能產(chǎn)生在互連線中形成的小丘(hillock)或孔隙，從而導(dǎo)致故障。本公開內(nèi)容涉及使用本文所述的導(dǎo)線以及形成這種導(dǎo)線的方法來提供減少RC延遲和電迀移的導(dǎo)線。
[0021]圖la和圖lb示出了包括形成在諸如層間電介質(zhì)的金屬化層104中的開口103中的諸如互連線之類的多條導(dǎo)線102的實施例。開口 102具有長度、寬度、和高度并且表現(xiàn)為若干橫截面幾何形狀，例如U形溝道、V形溝道等。金屬化層包括電介質(zhì)材料，該電介質(zhì)材料被理解為是絕緣體但一旦施加電場就被極化的材料。在實施例中，電介質(zhì)包括低k電介質(zhì)，8卩，介電常數(shù)低于3.9 (二氧化硅的介電常數(shù))、包括從1.5到3.8的所有值和范圍(例如1.7、1.9、2.1、2.8、2.7等)的材料?？梢詮闹羞x擇電介質(zhì)材料的非限制性示例包括氟摻雜的二氧化硅、碳摻雜的二氧化硅、有機硅酸鹽玻璃、碳氧化硅、氫化碳氧化硅、多孔二氧化硅、以及諸如聚酰亞胺、聚四氟乙烯、聚降冰片烯、苯并環(huán)丁烯、氫倍半硅氧烷和甲基倍半硅氧烷之類的有機聚合物電介質(zhì)。金屬化層可以具有在50nm到300nm的范圍內(nèi)的厚度，包括其中的所有值和范圍，例如50nm到1 OOnm、50nm到200nm等。
[0022]導(dǎo)線102包括包圍在第二材料的護套108中的第一材料的芯106。在實施例中，金屬化層104中的開口 103的寬度W可以在5nm到1 OOnm的范圍內(nèi)，包括其中的所有值和范圍，例如10nm、20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、45nm、50nm等，并且因此導(dǎo)線102的寬度也在該范圍內(nèi)。開口 103的高度Η可以在10nm到200nm的范圍內(nèi)，包括其中的所有值和范圍，例如10nm、20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、45nm、50nm等，并且因此導(dǎo)線102的高度也在該范圍內(nèi)。導(dǎo)線的長度L(見圖lb)的范圍可以從亞微米到幾微米，包括從0.0Ιμπι到5.Ομπι的所有值和范圍，例如0.05μπι、0.Ιμπι、1μηι、2μηι等。
[0023]盡管導(dǎo)線幾何形狀被示出為通常為正方形或矩形并且具有相對尖的角，但是導(dǎo)線的幾何形狀可以是圓形的、橢圓形的，或者呈現(xiàn)出半徑變化的圓角。此外，芯的幾何形狀可以與護套的幾何形狀不同。例如，芯可以是矩形而護套可以是正方形的，或者芯可以是正方形的而護套是矩形的。如果護套和芯呈現(xiàn)出類似的幾何形狀，護套幾何形狀的長寬比(aspect rat1)可以與芯幾何形狀的長寬比相同或不同。另外，芯相對于導(dǎo)線的橫截面可以是居中的或者有偏移的。
[0024]如圖所示，護套108包圍芯材料106的外部表面110，從而接觸導(dǎo)線芯106的側(cè)面。護套108存在于金屬化層104與芯106之間，以及存在于導(dǎo)線102的上表面114處(其中，該特定金屬化層的電介質(zhì)材料不存在)。在實施例中，護套108通過護套和芯材料的內(nèi)擴散或者由于護套與芯材料之間的化學(xué)鍵合來接合到芯106的外表面110。護套108占據(jù)導(dǎo)線102的體積的25 %到75 %，包括在其中的所有值和范圍，例如導(dǎo)線102的體積的50 %至75 %。并且芯占據(jù)導(dǎo)線10 2的體積的2 5 %至7 5 %，包括其中的所有值和范圍，例如導(dǎo)線10 2的體積的2 5 %到50%。
[0025]在實施例中，護套108占據(jù)導(dǎo)線102的橫截面面積的25%或更多，包括從25%到75%的所有值和范圍，并且具體而言為50%到75%等。垂直于導(dǎo)線的長度L或者垂直于導(dǎo)線的呈現(xiàn)出如圖la和圖lb中所示的最大尺寸的其它方面(長度、寬度或高度)來測量橫截面面積。芯106占據(jù)導(dǎo)線102的橫截面面積的75 %或更小，包括從25 %到75 %的所有值和范圍，并且具體而言為25%到50%。此外，如圖所示，芯106設(shè)在金屬化層104的臺面或上表面112