用于銅結(jié)構(gòu)化的中間層及其形成方法
【專利摘要】本公開的實(shí)施方式涉及用于銅結(jié)構(gòu)化的中間層及其形成方法。一種在半導(dǎo)體襯底之上形成金屬化層的方法包括:在層級間電介質(zhì)層之上沉積擴(kuò)散阻擋襯墊的毯式層,以及在擴(kuò)散阻擋襯墊之上沉積中間層的毯式層。包含銅的功率金屬層的毯式層沉積在中間層之上。中間層包括主要元素和銅的固溶體。中間層具有與功率金屬層不同的蝕刻選擇性。在沉積功率金屬層之后,對功率金屬層、中間層和擴(kuò)散阻擋襯墊進(jìn)行結(jié)構(gòu)化。
【專利說明】
用于銅結(jié)構(gòu)化的中間層及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明總體涉及銅金屬化,并且在特定實(shí)施例中,涉及用于銅結(jié)構(gòu)化的中間層及其形成方法。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體器件被用在各種各樣的電子和其他應(yīng)用中。半導(dǎo)體器件除其他以外包括通過在半導(dǎo)體晶片之上沉積一個(gè)或多個(gè)類型的材料薄膜并且將材料薄膜圖案化以形成集成電路而形成在半導(dǎo)體上的集成電路或分立器件。
[0003]在在半導(dǎo)體襯底內(nèi)制作了各種器件之后,這些器件可以通過金屬互連而互連。金屬互連形成在器件區(qū)之上并且形成在稱作金屬化層級(metallizat1n level)的多個(gè)層和層級中。金屬互連在傳統(tǒng)工藝中由鋁制成。
[0004]技術(shù)縮放(technology scaling)要求積極地減小較低金屬化層級中的金屬互連的厚度。減小了的厚度導(dǎo)致這些金屬線的增加的電阻。作為結(jié)果,較低的金屬化層級已用具有較低電阻的銅替換。然而,常規(guī)器件中的最上金屬化層級由鋁制成。這歸因于將銅集成到要求厚金屬線的最上金屬化層級內(nèi)的復(fù)雜性。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例,一種在半導(dǎo)體襯底之上形成金屬化層的方法包括:在層級間電介質(zhì)層之上沉積擴(kuò)散阻擋襯墊的毯式層,以及在擴(kuò)散阻擋襯墊之上沉積中間層的毯式層。包含銅的功率金屬層的毯式層沉積在中間層之上。中間層包括主要元素和銅的固溶體。中間層具有與功率金屬層不同的蝕刻選擇性。在沉積功率金屬層之后,對功率金屬層、中間層和擴(kuò)散阻擋襯墊進(jìn)行結(jié)構(gòu)化。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例,一種在半導(dǎo)體襯底之上形成金屬化層的方法包括:提供包括層堆疊的晶片,層堆疊包括擴(kuò)散阻擋襯墊、包含鋁的中間層和包含銅的金屬層。使用濕法化學(xué)蝕刻,通過對金屬層、中間層和擴(kuò)散阻擋襯墊進(jìn)行蝕刻而形成金屬線。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例,一種在半導(dǎo)體襯底之上形成金屬化層的方法包括:形成包括擴(kuò)散阻擋襯墊、中間層和包含銅的功率金屬層的層堆疊。通過連續(xù)地使用相同濕法化學(xué)蝕刻工藝對功率金屬層和中間層進(jìn)行蝕刻而形成金屬線。濕法化學(xué)蝕刻在中間層和功率金屬層之間是選擇性的。擴(kuò)散阻擋層是對來自功率金屬層的銅原子的擴(kuò)散阻擋層。
【附圖說明】
[0008]為了更完整地理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)在對結(jié)合附圖進(jìn)行的以下描述做出參考,其中:
[0009]圖1圖示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的截面圖;
[0010]圖2A至圖2G圖示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的在處理的各個(gè)階段中的半導(dǎo)體器件的截面圖;
[0011]圖3A和圖3B圖示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的在處理的各個(gè)階段中的半導(dǎo)體器件的截面圖;以及
[0012]圖4A至圖4D圖示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的在晶片層級處理的各個(gè)階段中的半導(dǎo)體器件的截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]將相對于具體背景下的、即銅電化學(xué)沉積之后的金屬堆疊的蝕刻中的各種實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行描述。然而,本發(fā)明也可以應(yīng)用于當(dāng)厚的金屬層或其他材料層必須在不傷害到相鄰結(jié)構(gòu)的情況下被去除時(shí)的其他實(shí)例。類似地,本發(fā)明的實(shí)施例可以應(yīng)用于諸如用于形成將片上系統(tǒng)器件中的相鄰電路連接的重分布線的晶片層級工藝等的其他工藝。
[0014]通過連續(xù)縮小集成電路芯片的物理尺寸,獲得了性能增強(qiáng)、能量高效、生產(chǎn)成本上的降低等。雖然芯片高效地執(zhí)行,但熱能的耗散仍然是個(gè)挑戰(zhàn)。對此的主要原因是芯片的單位面積電流上的巨大增加。
[0015]在常規(guī)器件中,最上金屬線由鋁制成。因此,諸如銅等的金屬開始用在功率金屬(電流密度最高所在的最上金屬層)中。然而,存在有與形成厚的結(jié)構(gòu)化的銅相關(guān)聯(lián)的主要問題。這是因?yàn)榕c鋁不一樣,銅不能使用等離子體蝕刻技術(shù)進(jìn)行蝕刻。該復(fù)雜性被放大,因?yàn)閷τ谧钌辖饘倬€所需的厚金屬線必須用例如大于大約5μπι的厚金屬線來制作。
[0016]銅結(jié)構(gòu)化中所使用的各種技術(shù)具有許多挑戰(zhàn)。例如,厚銅線可以沉積在結(jié)構(gòu)化的(經(jīng)圖案化的)抗蝕劑線之間。然而,這要求用于銅沉積和隨后的光致抗蝕劑層的剝離的很長時(shí)間。特別地,形成厚銅線要求較厚抗蝕劑層的沉積,因?yàn)榭刮g劑層必須比銅線厚。隨后,在形成銅線之后,這些厚光致抗蝕劑層必須在不損害相鄰露出的銅線和種子層的情況下被剝離沒有殘余。此外,形成平面表面是有問題的,因?yàn)殂~沉積速率取決于光致抗蝕劑中的孔的大小而變化,導(dǎo)致變化的厚度的銅線的形成。
[0017]諸如反應(yīng)離子蝕刻等的傳統(tǒng)各向異性蝕刻方法可以用于蝕刻銅。因此,備選地,銅必須被沉積并接著使用濕法化學(xué)蝕刻技術(shù)而被結(jié)構(gòu)化。然而,沒有用于銅蝕刻的良好的各向異性濕法蝕刻化學(xué)物質(zhì)。結(jié)果,濕法蝕刻取決于抗蝕劑層(蝕刻掩模)中的開口而以不均勻的速率豎直地和橫向地去除銅。例如,使用常規(guī)銅蝕刻化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行的厚銅層(?3μπι至
1μ m)的濕法化學(xué)蝕刻可以形成高的橫向底切(橫向上的銅的蝕刻)、蝕刻缺口( m ο u s ebite)(歸因于不均勻的橫向蝕刻的粗糙側(cè)壁)和其他影響,這增加了線粗糙度并使得難以創(chuàng)建小結(jié)構(gòu)。
[0018]蝕刻缺口的根本原因還不是很清楚。為避免這些問題,在擴(kuò)散阻擋層與銅之間使用諸如鉭、氮化鉭、鈦等的不同蝕刻停止材料。然而,所有這些蝕刻停止都遭受某些缺點(diǎn)。在各種實(shí)施例中,本發(fā)明通過使用包括鋁的層作為在銅阻擋層與厚銅之間的蝕刻停止克服了這些和其他限制。
[0019]在一個(gè)圖示實(shí)施例中,本公開教導(dǎo)了功率金屬(銅)與阻擋層(例如,包括鈦鎢)之間的中間層的使用,以使得能夠使用濕法化學(xué)蝕刻實(shí)現(xiàn)功率金屬的結(jié)構(gòu)化。常規(guī)地,由銅制成的功率金屬如果被直接接觸金屬阻擋層沉積則不能被很好地結(jié)構(gòu)化。另外,存在有金屬阻擋層與功率金屬之間的粘合的嚴(yán)重問題。本公開的發(fā)明人已發(fā)現(xiàn),濕法化學(xué)蝕刻導(dǎo)致功率金屬的高的欠蝕刻以及不同質(zhì)或不規(guī)則的蝕刻輪廓。本公開的發(fā)明人已發(fā)現(xiàn),該不期望的結(jié)果可以在當(dāng)引入中間層時(shí)被消除。中間層的存在顯著地改進(jìn)了使用濕法化學(xué)蝕刻被結(jié)構(gòu)化之后的功率金屬的蝕刻輪廓。包括銅的功率金屬與包括TiW的阻擋層之間的包括鋁的附加中間層導(dǎo)致功率金屬的同質(zhì)蝕刻和在蝕刻之上的控制,由此產(chǎn)生的結(jié)果是濕法化學(xué)蝕刻之后的功率金屬的均勻輪廓。
[0020]圖1圖示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的半導(dǎo)體芯片的截面圖。
[0021 ]半導(dǎo)體芯片1 (未按比例示出)包含布置在其內(nèi)部的有源電路。有源電路可以形成在襯底110中和/或之上并且包括有源器件區(qū)105且包括必要的晶體管、電阻器、電容器、電感器或用來形成集成電路的其他部件。例如,包括晶體管(例如,CMOS晶體管)的有源區(qū)域可以通過隔離區(qū)、例如淺溝槽隔離彼此分開。在各種實(shí)施例中,半導(dǎo)體芯片10可以形成在硅襯底110上。備選地,在其他實(shí)施例中,半導(dǎo)體芯片10可以已經(jīng)形成在碳化硅(SiC)上。在一個(gè)實(shí)施例中,半導(dǎo)體芯片10可以至少部分地已經(jīng)形成在氮化鎵(GaN)上。例如,半導(dǎo)體芯片10可以是形成在位于硅上的GaN上的橫向晶體管。在另一實(shí)施例中,半導(dǎo)體芯片10可以是形成在位于體GaN襯底上的GaN上的豎直晶體管。在備選實(shí)施例中,襯底110可以包括在諸如SOI等的絕緣體襯底上的半導(dǎo)體以及諸如6&45、11^、11^13、31311^及其他等的化合物半導(dǎo)體。
[0022]襯底110可以包括包含異質(zhì)或同質(zhì)層的外延層。襯底110的一些示例是體單晶娃襯底(或者生長于其上或以其他方式形成于其中的層)、(100)硅晶片上的(110)硅層、絕緣體上硅(SOI)晶片的層或者絕緣體上鍺(GeOI)晶片的層。在其他實(shí)施例中,諸如硅鍺、鍺、砷化鎵、砷化銦、銦砷化鎵、銻化銦或其他等的其他半導(dǎo)體可以被用作襯底110。
[0023]接下來,金屬化層布置于有源器件區(qū)105之上以使有源器件電接觸和互連。金屬化層和有源器件區(qū)105—起形成完整的功能性集成電路。換言之,芯片10的電功能可以由互連的有源電路執(zhí)行。在邏輯器件中,金屬化可以包括許多(例如九個(gè)或更多)銅或者備選地其他金屬的層。在諸如DRAW等的存儲(chǔ)器器件中,金屬層級的數(shù)量可以較少并且可以是鋁。
[0024]圖1中的圖示示出了兩個(gè)金屬化的金屬層級,其包括接觸層CA、第一金屬層級Ml、第一過孔層級V1、第二金屬層級M2、第二過孔層級V2和第三金屬層級M3。參見圖1,第一絕緣層131布置在襯底110之上。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中,第一絕緣層131可以包括蝕刻停止層。
[0025]第一絕緣層131包括諸如使用正硅酸乙酯(TEOS)或氟化的TEOS(FTEOS)等沉積的S12,但是在各種實(shí)施例中可以作為示例包括在層級間電介質(zhì)(ILD)層的半導(dǎo)體制造中典型使用的絕緣材料,諸如經(jīng)過摻雜的玻璃(BPSG、PSG、BSG)、有機(jī)硅酸鹽玻璃(OSG)、摻雜碳的氧化物(CDO)、氟硅玻璃(FSG)、旋涂玻璃(SOG)或例如具有大約4或更小的介電常數(shù)的低k絕緣材料、或者諸如氮化硅(SiN)、氮氧化硅(S1N)、碳化硅(SiC)或碳氮化硅(SiCN)等的例如具有大約4或更高的介電常數(shù)的電介質(zhì)擴(kuò)散阻擋層或蝕刻停止層、或者它們的組合或多個(gè)層,但是備選地,絕緣材料層131可以包括其他材料。第一絕緣層131也可以作為示例包括致密SiCOH或者具有大約3或更低的k值的多孔電介質(zhì)。第一絕緣層131也可以包括具有例如大約2.3或更低的k值的超低k(ULK)材料。第一絕緣層131可以包括例如大約500nm或更小的厚度,但是備選地,第一絕緣層131可以包括其他尺寸。
[0026]多個(gè)接觸塞形成在第一絕緣層131內(nèi)以耦合至襯底110的包括有源器件105的各個(gè)區(qū)域。多個(gè)接觸塞111可以作為示例被耦合至襯底110的被硅化區(qū)。
[0027]第一金屬層級被耦合至多個(gè)接觸塞111并且形成在第二絕緣層131內(nèi)。第二絕緣層132可以包括層級間電介質(zhì)層并且可以例如如上所述地被合適地選擇用于第一絕緣層131。
[0028]多個(gè)金屬線形成在第二絕緣層132內(nèi)以形成第一金屬層級Ml。金屬線可以包括多個(gè)層、例如第一金屬襯墊141、第二金屬襯墊142,并且填充有填充金屬143。
[0029]隨后的層可以使用雙大馬士革工藝形成,但是在各種實(shí)施例中也可以使用大馬士革工藝。例如,具有金屬層級和過孔層級的各層級包括具有上面的導(dǎo)電線和較低的導(dǎo)電過孔的雙層級開口。上面的導(dǎo)電線可以是諸如溝槽等的開口(但也可是孔),并且可以填充有金屬。導(dǎo)電過孔可以是諸如孔(但也可以是溝槽)等的開口并且也可以填充有金屬。
[0030]第一過孔層級Vl和第二金屬層級M2可以作為包括第三金屬襯墊151、第四金屬襯墊152并且具有第二填充金屬153的單個(gè)結(jié)構(gòu)被形成在第三絕緣層133內(nèi)。
[0031]類似地,第二過孔層級V2和第三金屬層級M3可以作為包括第五金屬襯墊161、第六金屬襯墊162并且具有第三填充金屬163的單個(gè)結(jié)構(gòu)被形成第四絕緣層134內(nèi)。
[0032]多個(gè)導(dǎo)電焊盤173A、173B和173C形成在第四絕緣層134之上。多個(gè)導(dǎo)電焊盤173A、173B和173C可以被嵌入絕緣層內(nèi)。導(dǎo)電襯墊186可以形成在多個(gè)導(dǎo)電焊盤173A、173B和173C之上,并且可以包括凸塊下金屬化層(under bump metallizat1n layer) 186。在各種實(shí)施例中,多個(gè)導(dǎo)電焊盤173A、173B和173C也可以包括第一金屬阻擋襯墊171和種子層172。
[0033]在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中,凸塊下金屬化層186可以包括蝕刻停止層、粘合層、焊料金屬阻擋層和焊料金屬層中的一個(gè)或多個(gè)。例如,蝕刻停止層可以包括諸如鎢、鈦和鈦鎢等的導(dǎo)電材料。類似地,如果存在的話的粘合層可以包括鈦層。焊料金屬阻擋層可以被配置成防止焊料金屬擴(kuò)散到導(dǎo)電焊盤173A、173B和173C內(nèi),并且在一些實(shí)施例中也可作為焊料可潤濕的層。在一些實(shí)施例中,焊料金屬阻擋層可以包括鎳和釩、例如NiV合金層。在其他實(shí)施例中,焊料金屬阻擋層可以包括包含純鎳層的其他組合物。
[0034]焊料金屬層可以被配置為形成附著有另一材料的焊料。焊料金屬層可在一個(gè)實(shí)施例中包括銀。在其他實(shí)施例中,焊料金屬層可以包括諸如銅、Pb-Sn及其他等的其他焊料材料。因此,在導(dǎo)電焊盤173A、173B和173C之上的焊料金屬層的頂表面可以提供用于與另一襯底形成焊料接點(diǎn)的表面。
[0035]在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中,多個(gè)導(dǎo)電焊盤173A、173B和173C可以包括可包含微量雜質(zhì)的純金屬以及金屬的另一材料的合金。
[0036]圖2A至圖2G圖示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的在處理的不同階段中的半導(dǎo)體器件的截面圖。
[0037]參見圖2A,器件區(qū)105形成在半導(dǎo)體襯底110之上。器件區(qū)105可以在各種實(shí)施例中包括晶體管、二極管和其他有源或無源器件。對器件區(qū)105做出觸點(diǎn),其可以包括形成硅化物區(qū)。接下來,器件經(jīng)歷的后端制程制造,其中,對半導(dǎo)體本體做出觸點(diǎn)并使用金屬線和過孔進(jìn)行互連。
[0038]如圖2A所圖示出的,第一金屬層級Ml和第一過孔層級Vl形成在襯底110之上。第一絕緣層131被沉積在襯底110之上。在各種實(shí)施例中,第一金屬層級Ml和第一過孔層級Vl可以是并非最低金屬層級和過孔層級的金屬層級。其他金屬層級可以被布置在例如第一金屬層級Ml與襯底110之間。
[0039]在各種實(shí)施例中,第一金屬層級Ml和第一過孔層級Vl可以使用大馬士革或雙大馬士革工藝而形成。此外在備選實(shí)施例中,第一金屬層級Ml和第一過孔層級Vl可以使用填充工藝和/或硅化物工藝而形成。
[0040]第二絕緣材料層132接著形成在蝕刻停止襯墊121之上,該蝕刻停止襯墊也是防止金屬擴(kuò)散到電介質(zhì)材料內(nèi)的擴(kuò)散阻擋層。蝕刻停止襯墊121被沉積在半導(dǎo)體本體110之上。例如,氮化物膜(例如,氮化硅)被沉積。在各種實(shí)施例中,這樣的層也可以用來為金屬線加帽并且可以包括電介質(zhì)材料,諸如氮化硅(SiN)、碳化硅(SiC)、碳氮化硅(SiCN)或其他合適的電介質(zhì)阻擋層或者它們的組合。在各種實(shí)施例中,蝕刻停止襯墊121可以包括諸如二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅及其他的氧化物、氮化物或氮氧化物。在備選實(shí)施例中,蝕刻停止襯墊121可以包括摻雜硼的層,包括BPSG、氮化硼、硼氮化硅、碳氮化硅、硅鍺、鍺、諸如無定形碳等的基于碳的層。在進(jìn)一步的實(shí)施例中,蝕刻停止襯墊121可以包括碳化硅,該碳化硅包括含有 C-H、S1-H、S1-CH3、S1-(CH2)n 和 S1-C 的各種組合的 SiC: H。
[0041]第二絕緣材料層132作為示例包括包含層間電介質(zhì)(ILD)材料的絕緣材料,諸如Si02、正硅酸乙酯(TEOS)、氟化的TEOS(FTEOS)、經(jīng)過摻雜的玻璃(BPSG、PSG、BSG)、有機(jī)硅酸鹽玻璃(OSG)、氟硅玻璃(FSG)、旋涂玻璃(SOG)、SiN、S1N或例如具有大約4或更小的介電常數(shù)的低k絕緣材料或者它們的組合或多個(gè)層,但是備選地,第二絕緣材料層132可以包括其他材料。第二絕緣材料層132也可以作為示例包括致密SiCOH或具有大約3或更低的k值的多孔介質(zhì)。第二絕緣材料層132也可以例如包括具有大約2.3或更低的k值的超低k(ULK)材料。第二絕緣材料層132可以例如包括大約500nm或更小的厚度,但是備選地,第二絕緣材料層132可以包括其他尺寸。
[0042]用于金屬線的開口和用于第二金屬化層的過孔形成在第二絕緣材料層132中。例如,第二絕緣材料層132接著使用諸如反應(yīng)離子蝕刻等的標(biāo)準(zhǔn)蝕刻技術(shù)被向下蝕刻到蝕刻停止襯墊121。
[0043]在各種實(shí)施例中,形成在開口中的金屬線包括導(dǎo)電材料和外部導(dǎo)電襯墊以使隨后的熱處理期間的導(dǎo)電材料的外擴(kuò)散最小化。導(dǎo)電材料包括銅,但是在一些實(shí)施例中可以包括鋁、鎢、銀、金或其他導(dǎo)電材料。外部導(dǎo)電襯墊包括諸如氮化鈦、鈦、鉭、氮化鉭、氮化鎢、鎢碳氮(WCN)、釕或其他合適的導(dǎo)電氮化物或氧化物等的擴(kuò)散阻擋金屬。
[0044]第一導(dǎo)電襯墊141和第二導(dǎo)電襯墊142可以在用導(dǎo)電填充材料143填充開口之前被沉積。第一導(dǎo)電襯墊151是保形的,并且可以作為示例包括一個(gè)或多個(gè)層的1&3&1胃1¥51、TiN、Ru和它們的組合。可以用于第一導(dǎo)電襯墊151的材料的進(jìn)一步的示例包括硅氮化鉭、鎢、鈦鎢或類似物。
[0045]第一導(dǎo)電襯墊141可以典型地用作用于防止金屬擴(kuò)散到下層的半導(dǎo)體材料或第一絕緣層131內(nèi)的阻擋層。第一導(dǎo)電襯墊141可以例如使用化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)或原子層沉積(ALD)工藝被沉積。
[0046]第二導(dǎo)電材料襯墊142接著類似地使用例如CVD、PVD或ALD工藝被沉積在第一導(dǎo)電材料襯墊141之上。第二導(dǎo)電材料襯墊142可以是用于隨后的銅的電鍍的例如包括銅的種子層。
[0047]在各種實(shí)施例中,第一和第二導(dǎo)電襯墊141、142使用保形沉積工藝被沉積,從而沿著第二絕緣層132中的開口的內(nèi)壁留下保形襯墊或擴(kuò)散阻擋層。在一個(gè)實(shí)施例中,第一導(dǎo)電襯墊141包括通過物理氣相沉積(PVD)沉積的氮化鉭。備選地,第一導(dǎo)電襯墊141可以包括可例如使用CVD、PVD工藝或化學(xué)鍍被保形地沉積的氮化鈦、氮化鎢、難熔金屬或其他阻擋層。第一導(dǎo)電襯墊141可以包括例如包括阻擋層和保形種子層的雙層的材料,其可以包括銅、鋁、其他金屬或它們的組合。
[0048]第二導(dǎo)電材料襯墊142可以包括金屬材料。第二導(dǎo)電材料襯墊142可以例如包括純金屬或合金??梢岳斫獾氖侨魏渭兘饘倏梢寻ㄒ恍┝康奈⒘侩s質(zhì)。合金可以包括至少兩個(gè)金屬元素。合金可以包括金屬元素和非金屬元素。第二導(dǎo)電材料襯墊142可以包括元素Cu(銅)、A1(鋁)、Au(金)、Ag(銀)和W(鎢)中的一個(gè)或多個(gè)。材料的示例包括純銅、銅合金、純鋁、鋁合金、純金、金合金、純銀、銀合金、純鎢和鎢合金。第二導(dǎo)電材料襯墊142可以通過物理氣相沉積或?yàn)R射工藝形成。
[0049]導(dǎo)電填充材料143被沉積在第一和第二導(dǎo)電襯墊141、142之上。導(dǎo)電填充材料在各種實(shí)施例中包括導(dǎo)電材料。導(dǎo)電填充材料可以包括金屬材料。導(dǎo)電填充材料可以包括純金屬或合金。導(dǎo)電填充材料可以在一個(gè)實(shí)施例中包括鎢,但是在其他實(shí)施例中也可以使用銅、鋁、Al-Cu-S1、其他金屬和它們的組合。在各種實(shí)施例中,導(dǎo)電填充材料143可以包括元素Cu(銅)、A1(鋁)、Au(金)、Ag(銀)和W(鎢)中的一個(gè)或多個(gè)。材料的示例包括純銅、銅合金、純鋁、鋁合金、純金、金合金、純銀、銀合金、純鎢和鎢合金。導(dǎo)電填充材料143可以通過電鍍(或電沉積)工藝形成。如果導(dǎo)電填充材料143包括鎢,則優(yōu)選地、包括CVD氮化鈦和摻雜硅的鎢的雙層種子層可以被用作第一和第二導(dǎo)電襯墊141、142。在其他實(shí)施例中,開口被填充有銅。
[0050]導(dǎo)電填充材料的多余部分例如使用形成金屬線的化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝被從第二絕緣層132的頂表面中去除。CMP工藝也可以將布置在第二絕緣層132的頂表面之上的任何露出的第一和第二導(dǎo)電襯墊141、142去除。
[0051]隨后的金屬層由此與在第三絕緣層133和第四絕緣層134中形成金屬線和過孔類似地形成。
[0052]圖2B圖示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的在形成最上金屬化層之后的制作期間的半導(dǎo)體器件的截面圖。
[0053]接下來,最上金屬化層在各種實(shí)施例中被如下面進(jìn)一步描述地那樣制造出。最上金屬化層中的金屬線充當(dāng)用于外部觸點(diǎn)例如以耦合至電路板的焊區(qū)焊盤。因?yàn)橥ㄟ^幾個(gè)外部觸點(diǎn)接觸的大量晶體管或器件,所以通過最上層級金屬線的電流比較低層級的金屬線大。結(jié)果,最上金屬化層中的金屬線比較低金屬化層級中的金屬線厚。歸因于制作厚金屬線的復(fù)雜性,常規(guī)器件的最上層級使用鋁線來制作。
[0054]毯式阻擋層171的毯式層被沉積,隨后是粘合促進(jìn)層172、種子層173和銅層174的層。這些層被沉積為毯式層,即全局地在晶片或襯底110的整個(gè)主表面之上。在各種實(shí)施例中,毯式阻擋層171是針對來自銅層173的銅原子的擴(kuò)散阻擋層。毯式阻擋層171可以作為示例包括鈦、鎢、TiW、TaN/T及其他。
[0055]在各種實(shí)施例中,粘合促進(jìn)層172包括鋁層。在一個(gè)實(shí)施例中,粘合促進(jìn)層172包括純鋁層。在其他實(shí)施例中,粘合促進(jìn)層172包括鋁的合金。在一個(gè)或多個(gè)示例實(shí)施例中,鋁層是包括鋁、硅和銅的鋁硅銅層。例如,鋁層在一個(gè)實(shí)施例中包括按原子百分率計(jì)至少50%的鋁,并且在各種實(shí)施例中包括按原子百分率計(jì)大約95%至98%的鋁。在各種實(shí)施例中,鋁層包括按原子百分率計(jì)在I %至3%之間的硅,和按原子百分率計(jì)0.1%至I %的銅。在一個(gè)實(shí)施例中,鋁層包括按原子百分率計(jì)2%的硅,和按原子百分率計(jì)0.5%的銅。
[0056]在各種實(shí)施例中,粘合促進(jìn)層172被選擇為對于上層的種子層173和銅層174的選擇性蝕刻停止。換言之,粘合促進(jìn)層172在蝕刻銅層174時(shí)未被蝕刻(或者被以相對于銅層174的較低速率蝕刻)。另外,粘合促進(jìn)層172提供了對于上層的種子層173和銅層174以及下層的阻擋層171的良好的粘合。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中,粘合促進(jìn)層172提供了低歐姆電阻。例如,粘合促進(jìn)層172的電阻率小于10—5歐姆cm2。
[0057]在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中,形成具有銅的固溶體的任何元素可以用作粘合促進(jìn)層172。例如,在一個(gè)示例中,可以選擇形成具有銅且具有毯式阻擋層171的材料的金屬間材料的元素。例如,在另一示例中,可以選擇形成具有銅且具有毯式阻擋層171的材料的合金的元素。在一個(gè)實(shí)施例中,粘合促進(jìn)層172是主要元素和銅的固溶體。主要元素的示例包括招、鎢、鈦、鎳、錳、鉬、鉭和包括非晶硅和多晶硅的硅。
[0058]在各種實(shí)施例中,越式阻擋層171在厚度上是大約10nm至大約500nm,而粘合促進(jìn)層172在厚度上是大約5]11]1至大約20011111。
[0059]毯式阻擋層172、粘合促進(jìn)層172和種子層173在一個(gè)實(shí)施例中可以通過濺射沉積形成。
[0060]在其他實(shí)施例中,諸如化學(xué)氣相沉積等的其他沉積技術(shù)可以用來形成種子層173。種子層173在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中包括銅層。種子層173在各種實(shí)施例中具有大約20nm至大約300nm的厚度,并且在一個(gè)實(shí)施例中具有大約50nm至大約150nm的厚度。
[0061]在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中,銅層174使用電化學(xué)沉積工藝進(jìn)行沉積。在備選實(shí)施例中,可以使用包括化學(xué)鍍、濺射及其他等的其他沉積技術(shù)。
[0062]在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中,在粘合促進(jìn)層172的形成期間原子鋁、銅和硅的濺射以及在種子層173的形成期間銅原子的濺射的溫度被控制以防止在蝕刻停止層與功率金屬層之間的界面處的金屬間相的形成。在進(jìn)一步的實(shí)施例中,原子鋁、銅和硅的濺射及銅原子的濺射的溫度是在25°C至500°C之間,并且在一個(gè)實(shí)施例中是200°C至大約400°C。
[0063]電化學(xué)沉積之后的銅層174的厚度在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中是大約2μπι至大約15μπι,并且在一個(gè)實(shí)施例中是大約5μπι。電化學(xué)沉積之后的銅層174的厚度在一個(gè)實(shí)施例中是大約104111至大約5(^1]1。
[0064]圖2C圖示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的在形成抗蝕劑層之后的制作期間的半導(dǎo)體器件的截面圖。
[0065]光致抗蝕劑層180形成在銅層174之上。在一個(gè)實(shí)施例中,光致抗蝕劑層180是負(fù)性抗蝕劑,但是在其他實(shí)施例中也可以使用正性抗蝕劑。光致抗蝕劑層180被使用光刻掩模曝光并且被顯影以便形成經(jīng)圖案化的抗蝕劑。經(jīng)圖案化的抗蝕劑使銅層174的一些區(qū)域曝光,用于通過覆蓋銅層174的剩余區(qū)域而形成金屬線。光致抗蝕劑層180在各種實(shí)施例中具有大約5μηι至大約50μηι的厚度,并且在一個(gè)實(shí)施例中是大約5μηι至大約25μηι。
[0066]圖2D圖示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的在形成結(jié)構(gòu)化的抗蝕劑層之后的制作期間的半導(dǎo)體器件的截面圖。
[0067]光致抗蝕劑層180如圖2D中圖示出地被結(jié)構(gòu)化。在各種實(shí)施例中,在光致抗蝕劑層180的顯影之后,可以執(zhí)行附加的等離子體處理以改進(jìn)被顯影的光致抗蝕劑層180的輪廓。例如,等離子體處理可以將可能在顯影之后形成的抗蝕劑根部去除。
[0068]圖2Ε圖示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的在將銅層蝕刻之后的制作期間的半導(dǎo)體器件的截面圖。
[0069]如圖2E中圖示出的,使用結(jié)構(gòu)化的抗蝕劑層180,銅層174被結(jié)構(gòu)化以形成諸如金屬線或焊盤173A、173B等的圖案。在各種實(shí)施例中,銅層174、種子層173和粘合促進(jìn)層172同時(shí)使用濕法化學(xué)蝕刻工藝被結(jié)構(gòu)化。
[0070]在抗蝕劑層180下方的銅層174的橫向底切根據(jù)濕法化學(xué)蝕刻的化學(xué)物質(zhì)以及銅層174和下層的粘合促進(jìn)層172的選擇性而變化。
[0071]在各種實(shí)施例中,粘合促進(jìn)層172被選擇為使銅層174的底切最小化并且還減小整體襯底110的應(yīng)力(例如,如通過襯底110的彎曲測量的)。在沒有粘合促進(jìn)層172的情況下,銅層172的圖案化導(dǎo)致節(jié)距(在相鄰的金屬特征之間的距離)上的很大變化。例如,在將ΙΟμπι厚的銅層174結(jié)構(gòu)化時(shí),在多個(gè)臨界尺寸(CD)(例如5μπι和15μπι)處的特征以不同速率蝕刻。在最小CD處,濕法蝕刻化學(xué)物質(zhì)可以在銅層174在較大CD處被蝕刻之前到達(dá)粘合促進(jìn)層172的表面。
[0072]在不存在粘合促進(jìn)層172時(shí),一旦濕法蝕刻化學(xué)物質(zhì)使阻擋層171的表面露出或到達(dá)該表面,蝕刻就會(huì)更有力地橫向進(jìn)行。粘合促進(jìn)層172的存在降低了銅層174的有力的橫向蝕刻。在一個(gè)實(shí)施例中,粘合促進(jìn)層172可以降低蝕刻速率或者甚至使銅層174的橫向蝕刻延緩。在各種實(shí)施例中,粘合促進(jìn)層172具有與銅層174不同的選擇性,例如,粘合促進(jìn)層172蝕刻比銅層174慢至少50 %,并且在銅層174的蝕刻速率的0.0I倍至0.5倍之間。
[0073]在各種實(shí)施例中,包括鋁和銅的粘合促進(jìn)層172使用濕法化學(xué)蝕刻工藝進(jìn)行蝕刻。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中,包括鋁和銅的粘合促進(jìn)層172使用包括像HF混合物一樣的其他蝕刻化學(xué)物質(zhì)的濕法化學(xué)蝕刻工藝進(jìn)行蝕刻。在各種實(shí)施例中,磷酸是濕法蝕刻化學(xué)物質(zhì)中的主要成分。硝酸和乙酸被添加以改善高粘度的磷酸的粘度。高粘度液體因?yàn)榕c通過噴射工具的噴嘴噴射液體相關(guān)聯(lián)的難度而不是優(yōu)選的。減少乙酸會(huì)增加蝕刻速率。但作為用于銅蝕刻的氧化成分的硝酸的量對反應(yīng)的速度具有最大影響。然而,太多硝酸、太多乙酸和太多水對蝕刻工藝期間抗蝕劑層180的粘合具有壞影響。相應(yīng)地,濕法蝕刻化學(xué)物質(zhì)是種折衷并且包括磷酸、硝酸和乙酸。作為說明,在蝕刻混合物中,磷酸可以在50%至60%之間,硝酸可以在0.1 %至0.2 %之間,乙酸可以在約30 %至40 %之間,該混合物可以用水進(jìn)一步稀釋。
[0074]在各種實(shí)施例中,磷酸、硝酸和乙酸的混合物可以用來蝕刻銅層174而氫氟酸可以用來僅蝕刻中間層172,該中間層在一個(gè)實(shí)施例中可以是Al SiCu。
[0075]對于為什么包括鋁和銅的粘合促進(jìn)層172在銅蝕刻期間很好地工作(降低了的橫向各項(xiàng)同性蝕刻)的機(jī)制的根本原因這時(shí)并不是很清楚。在一個(gè)實(shí)施例中,粘合促進(jìn)層172形成了防止橫向底切的在被蝕刻的銅層174的側(cè)壁上的保護(hù)性耐蝕刻涂層。在另一實(shí)施例中,粘合促進(jìn)層172將增加了不均勻蝕刻速率的在被蝕刻的銅層174的側(cè)壁上的雜質(zhì)去除,由此使線邊緣粗糙度上的變化最小化。
[0076]雖然不限于任何特定物理機(jī)制,但發(fā)明人推測在粘合促進(jìn)層172和銅層174的沉積期間,鋁原子與銅原子發(fā)生反應(yīng)以便形成固溶體。鋁原子可以優(yōu)先分凝至銅晶粒的晶界,限制了當(dāng)隨后被暴露于濕法蝕刻化學(xué)物質(zhì)時(shí)的銅層174的有力蝕刻。例如,在一些實(shí)施例中,豎直蝕刻的速率也可以因?yàn)檎澈洗龠M(jìn)層172的原子的摻入而隨著蝕刻朝向銅層174的底側(cè)進(jìn)行被減小。這導(dǎo)致蝕刻工藝的改進(jìn)的控制,從而致使被蝕刻的功率金屬的均勻輪廓。
[0077]然而,在不存在粘合促進(jìn)層172時(shí),銅層174被以如圖2F所示增加形成圓角的狀態(tài)進(jìn)行蝕刻。這樣的圓角特征可以導(dǎo)致工藝參數(shù)失效并導(dǎo)致產(chǎn)率損失。
[0078]圖2G圖示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的在對粘合促進(jìn)層蝕刻之后的制作期間的半導(dǎo)體器件的截面圖。
[0079]如圖2G所圖示,任何剩余的粘合促進(jìn)層172通過繼續(xù)蝕刻工藝被去除。隨后的處理如傳統(tǒng)半導(dǎo)體處理中那樣進(jìn)行。例如,凸塊下金屬化層可以形成在銅層174之上并且可以形成鈍化層。
[0080]圖3A和圖3B圖示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的在處理的各個(gè)階段中的半導(dǎo)體器件的截面圖。
[0081]在備選實(shí)施例中,本發(fā)明的實(shí)施例可以被應(yīng)用于半導(dǎo)體器件的任何金屬層級的任何結(jié)構(gòu)化。為了說明,圖3A示出在通過濕法化學(xué)蝕刻工藝結(jié)構(gòu)化之前的半導(dǎo)體器件的任意金屬層級。
[0082]圖3A圖示出如先前實(shí)施例中所描述的毯式阻擋層171、粘合促進(jìn)層172、種子層173和銅層174??刮g劑層180已經(jīng)被結(jié)構(gòu)化以形成多個(gè)不同大小的開口,例如第一開口302、第二開口 304和第三開口 306。
[0083]使用本發(fā)明的實(shí)施例,下層的銅層174、種子層173、粘合促進(jìn)層172通過可在一個(gè)示例中是鋁層的合適的粘合促進(jìn)層172而在沒有顯著橫向蝕刻或抗蝕劑剝離的情況下被蝕刻,由此被蝕刻的功率金屬的輪廓和臨界尺寸的寬度被保持在準(zhǔn)許的限制內(nèi)。例如,在具有至少2x的節(jié)距上的變化的區(qū)域(例如,節(jié)距X處的第一區(qū)和具有節(jié)距2x的第二區(qū))之間的銅層174的臨界尺寸上的變化小于1 %,并且在一個(gè)實(shí)施例中在I %至1 %之間。
[0084]該申請的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了銅的蝕刻顯著地且不期望地受到下層的中間層的材料以及厚度的影響。
[0085]圖4A至圖4D圖示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的在晶片層級處理的各個(gè)階段中的半導(dǎo)體器件的截面圖。
[0086]本發(fā)明的實(shí)施例可以使用嵌入式晶片層級處理(WLP)組裝工藝來應(yīng)用。在WLP工藝中,在完成半導(dǎo)體處理之后,將半導(dǎo)體襯底減薄并切片成個(gè)體半導(dǎo)體芯片。將這些半導(dǎo)體芯片封裝在包封材料內(nèi)并且形成重構(gòu)的晶片。在重構(gòu)的晶片中,包封材料500支撐諸如第一芯片510和第二芯片520(圖4A)等的多個(gè)半導(dǎo)體芯片。
[0087]重構(gòu)的晶片可以被處理以形成諸如一個(gè)或多個(gè)電介質(zhì)層550中的金屬線540(圖4B)等的重分布線。參見圖4C,阻擋層171的毯式層堆疊、包括鋁、銅和硅的粘合促進(jìn)層172、種子層173及銅層174形成于重分布線540之上。經(jīng)圖案化的180形成于毯式阻擋層堆疊之上。參見圖4D,毯式層堆疊使用如各種實(shí)施例中所描述的濕法蝕刻工藝進(jìn)行蝕刻。
[0088]雖然已經(jīng)參照說明性實(shí)施例描述了該發(fā)明,但該描述不意在以限制的意義來解釋。說明性實(shí)施例的各種變型和組合以及發(fā)明的其他實(shí)施例對于本領(lǐng)域技術(shù)人員在參照描述時(shí)是顯而易見的。作為說明,圖1至圖4中描述的實(shí)施例可以在各種實(shí)施例中彼此組合。因此意在所附權(quán)利要求涵蓋任何這樣的變型或?qū)嵤├?br>【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種在半導(dǎo)體襯底之上形成金屬化層的方法,所述方法包括: 在層級間電介質(zhì)層之上沉積擴(kuò)散阻擋襯墊的毯式層; 在所述擴(kuò)散阻擋襯墊之上沉積中間層的毯式層; 在所述中間層之上沉積包含銅的功率金屬層的毯式層,其中所述中間層包括主要元素和銅的固溶體,其中所述中間層具有與所述功率金屬層不同的蝕刻選擇性;以及 在沉積所述功率金屬層之后,對所述功率金屬層、所述中間層和所述擴(kuò)散阻擋襯墊進(jìn)行結(jié)構(gòu)化。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中所述主要元素包括鋁、鎢、鈦、鎳、錳、鉬、鉭和硅中的一個(gè)或多個(gè)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中對所述功率金屬層、所述中間層和所述擴(kuò)散阻擋襯墊進(jìn)行結(jié)構(gòu)化包括: 在所述功率金屬層之上形成蝕刻掩模;以及 使用濕法蝕刻化學(xué)物質(zhì)對所述功率金屬層和所述中間層進(jìn)行蝕刻。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法,其中所述功率金屬層使用包括磷酸、硝酸、乙酸的混合物進(jìn)行蝕刻,并且其中所述中間層使用氫氟酸進(jìn)行蝕刻。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法,其中所述磷酸是所述濕法蝕刻化學(xué)物質(zhì)中的主要成分。6.—種在半導(dǎo)體襯底之上形成金屬化層的方法,所述方法包括: 提供包括層堆疊的晶片,所述層堆疊包括擴(kuò)散阻擋襯墊、包含鋁的中間層和包含銅的金屬層;以及 使用濕法化學(xué)蝕刻,通過對所述金屬層、所述中間層和所述擴(kuò)散阻擋襯墊進(jìn)行蝕刻而形成金屬線。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法,其中所述濕法化學(xué)蝕刻的化學(xué)物質(zhì)包括磷酸、硝酸、乙酸和氫氟酸中的一個(gè)或多個(gè),其中所述金屬層使用包括磷酸、硝酸、乙酸的混合物進(jìn)行蝕亥IJ,并且其中所述中間層使用氫氟酸進(jìn)行蝕刻。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法,其中所述磷酸是所述濕法化學(xué)蝕刻的所述化學(xué)物質(zhì)中的主要成分。9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法,其中所述金屬層至少三百納米厚。10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法,其中所述中間層是包括鋁和銅的鋁層。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法,其中所述鋁層包括按原子百分率計(jì)至少50%的鋁。12.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法,其中所述中間層包括鋁、鎢、鈦、鎳、錳、鉬、鉭和硅中的一個(gè)或多個(gè)。13.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法,其中所述中間層是包括鋁、硅和銅的鋁硅銅層。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法,其中所述鋁硅銅層包括按原子百分率計(jì)至少50%的招O15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法,其中所述鋁硅銅層包括按原子百分率計(jì)在1%至3%之間的硅,并且其中所述鋁硅銅層包括按原子百分率計(jì)0.1 %至I %的銅。16.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法,其中所述中間層進(jìn)一步包括具有銅和所述擴(kuò)散阻擋襯墊的材料的合金。17.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法,其中所述擴(kuò)散阻擋襯墊包括鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭、鎢及其組合。18.—種在半導(dǎo)體襯底之上形成金屬化層的方法,所述方法包括: 形成包括擴(kuò)散阻擋襯墊、中間層和包含銅的功率金屬層的層堆疊;以及 通過連續(xù)地使用濕法化學(xué)蝕刻工藝對所述功率金屬層和所述中間層進(jìn)行蝕刻而形成金屬線,其中所述濕法化學(xué)蝕刻在所述中間層和所述功率金屬層之間是選擇性的,并且其中所述擴(kuò)散阻擋層是對來自所述功率金屬層的銅原子的擴(kuò)散阻擋層。19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法,其中形成所述層堆疊包括: 濺射鋁、銅和硅的原子以形成所述中間層,隨后濺射銅原子以形成所述功率金屬層。20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法,其中所述鋁、銅和硅的原子的所述濺射和所述銅原子的所述濺射的溫度在200°C至大約400°C之間。21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法,其中所述濕法化學(xué)蝕刻工藝的所述化學(xué)物質(zhì)包括磷酸、硝酸、乙酸和氫氟酸中的一個(gè)或多個(gè),其中所述功率金屬層使用包括磷酸、硝酸、乙酸的混合物進(jìn)行蝕刻,并且其中所述中間層使用氫氟酸進(jìn)行蝕刻。
【文檔編號】H01L21/768GK105826246SQ201610055011
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年1月27日
【發(fā)明人】R·K·喬施, C·法赫曼, P·費(fèi)希爾, R·羅思, J·斯泰恩布倫納
【申請人】英飛凌科技股份有限公司