專(zhuān)利名稱(chēng)：多級(jí)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中對(duì)準(zhǔn)帶帽金屬線和互連的形成的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用會(huì)表現(xiàn)出擴(kuò)散和電遷移性能的金屬例如銅(Cu)作為半導(dǎo)體集成電路中線和互連中的金屬導(dǎo)體的領(lǐng)域，尤其是介質(zhì)材料內(nèi)的這種集成電路中該材料的導(dǎo)體的形成，并且具有具有自對(duì)準(zhǔn)金屬帽層。
背景技術(shù)：
本領(lǐng)域很好地發(fā)展了互連技術(shù)，作為集成電路和半導(dǎo)體芯片結(jié)構(gòu)中的通路、線和其它圖形以及互連之用。在這些結(jié)構(gòu)中，多級(jí)布線圖形埋在介質(zhì)材料中，由具有不同介電性能的介質(zhì)材料分隔的布線圖形和通路。
例如銅(Cu)的材料在本領(lǐng)域正引起人們的注意，因?yàn)樗哂心軌蛲ㄟ^(guò)減小導(dǎo)體電阻改進(jìn)性能的潛在能力。然而，由增加性能的愿望驅(qū)動(dòng)而導(dǎo)致的越來(lái)越小的尺寸和不斷增加電流的物理?xiàng)l件下，這種材料的擴(kuò)散和電遷移性能難以解決污染和泄漏控制問(wèn)題和可靠性問(wèn)題。
通常以術(shù)語(yǔ)“襯墊”、“阻擋”或者“帽”相稱(chēng)的保護(hù)層正在被采用，試圖限制外擴(kuò)散和電遷移。然而，任何保護(hù)材料還必須對(duì)結(jié)構(gòu)中其它各種介質(zhì)材料具有好的粘結(jié)性。
在目前的技術(shù)狀態(tài)，在一個(gè)方案中，通過(guò)下列方式解決上述問(wèn)題，對(duì)于硅襯底上的銅導(dǎo)體線來(lái)說(shuō)，使用二氧化硅作為互連介質(zhì)材料，氮化硅材料作為帽材料。然而，目前依賴(lài)的氮化硅材料在具有理想的高電阻率性能的同時(shí)，還具有7至8的相當(dāng)高的介電常數(shù)，因此增加了結(jié)構(gòu)的有效介電常數(shù)(Keff)，也不利地影響了級(jí)內(nèi)電容(intralevel capacitance)。
在另一個(gè)方案中，也涉及材料Cu的擴(kuò)散和電遷移問(wèn)題，所實(shí)現(xiàn)的理想結(jié)果包括進(jìn)一步能夠選擇保持理想的低(Keff)的帽材料，該帽材料通過(guò)環(huán)繞的介電材料建立。該技術(shù)在Hu等人于7/27/99申請(qǐng)的申請(qǐng)序列號(hào)No.09/361,573中描述了，該申請(qǐng)轉(zhuǎn)讓給了本申請(qǐng)的受讓人。在該技術(shù)中，在包括鈷鎢磷(CoWP)淀積的兩步工序中生成自對(duì)準(zhǔn)金屬帽。所淀積的材料覆蓋和保護(hù)頂部銅表面，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)中理想的粘結(jié)，并且起到阻抗電遷移的作用。
當(dāng)在本領(lǐng)域?qū)で蟾蟮倪M(jìn)步時(shí)，低介電常數(shù)(低K)金屬間(intermetal)的介質(zhì)材料表現(xiàn)出更有前途的性能。
在集成電路技術(shù)中需要更簡(jiǎn)單的加工方法，其中保護(hù)導(dǎo)體材料例如Cu免受電遷移和擴(kuò)散的影響，并且能夠定位在可選擇的低Keff介電結(jié)構(gòu)中。

發(fā)明內(nèi)容
在集成電路技術(shù)中，提供了一種電遷移和擴(kuò)散敏感金屬例如銅的導(dǎo)體元件及其加工程序，其中在平整化的化學(xué)機(jī)械加工了的界面處，導(dǎo)電元件的金屬定位在可選擇的Keff介質(zhì)材料中。該金屬由具有抗原子擴(kuò)散出所述金屬的性能并且作為膜厚度帽的源的材料環(huán)繞，該膜厚度帽將形成在該金屬上。該帽提供環(huán)境保護(hù)并且提供催化有效性，用于進(jìn)一步加工。本發(fā)明的技術(shù)提供一種中間導(dǎo)電元件產(chǎn)品和制造方法，該產(chǎn)品能夠用作許多半導(dǎo)體集成結(jié)構(gòu)中的布線導(dǎo)體或者互連。該導(dǎo)電元件通過(guò)下列方式制造在可選擇的、優(yōu)選(低K)介質(zhì)中，在將被化學(xué)機(jī)械加工(CMP)的界面中形成容納溝槽。用由一種材料或者多種材料的一層或者多層構(gòu)成的區(qū)作溝槽的襯墊，所述一種材料或者多種材料能夠控制所述金屬外擴(kuò)散到優(yōu)選的(低K)介質(zhì)材料中，并且還能夠提供擴(kuò)散劑源，當(dāng)通過(guò)例如退火操作擴(kuò)散劑源擴(kuò)散到金屬表面時(shí)，形成了金屬上的自對(duì)準(zhǔn)保護(hù)帽。用金屬填充襯墊內(nèi)側(cè)的溝槽部分。在形成保護(hù)帽過(guò)程中，對(duì)帶襯墊的溝槽結(jié)構(gòu)中的金屬進(jìn)行退火溫度循環(huán)。然后可以沿著CMP平整表面平整化導(dǎo)電元件的結(jié)構(gòu)，以便除去平整表面上剩余的任何襯墊材料和任何過(guò)剩的金屬材料。如果需要，可以從遠(yuǎn)離平整表面的一側(cè)腐蝕掉介質(zhì)部件，以便露出溝槽的底部，用于進(jìn)一步的接觸。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是本發(fā)明的帶帽擴(kuò)散-電遷移保護(hù)的導(dǎo)電元件的截面圖。
圖2A至2G表明在本發(fā)明的帶帽導(dǎo)電元件的形成中，在幾個(gè)加工步驟的部分制造的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的描述在目前的技術(shù)狀態(tài)，在利用擴(kuò)散和電遷移敏感金屬例如銅作為布線導(dǎo)體和互連的集成電路的發(fā)展中，問(wèn)題的主要根源來(lái)自金屬外擴(kuò)散到介質(zhì)中從而在支撐介質(zhì)界面處造成污染，以及金屬與下一級(jí)的界面處的跟其它材料反應(yīng)。
參考圖1，圖1示出了本發(fā)明的擴(kuò)散-遷移保護(hù)導(dǎo)電元件的截面圖。在圖1中，介質(zhì)2在平面化學(xué)機(jī)械加工(CMP)的平整表面3下延伸，在延伸到介質(zhì)2中的溝槽1中，沿著溝槽1的側(cè)面和底部在襯墊5內(nèi)定位本發(fā)明的擴(kuò)散-電遷移保護(hù)導(dǎo)電元件4。襯墊5中的銅導(dǎo)體6具有與襯墊5的外側(cè)側(cè)表面8對(duì)準(zhǔn)的帽7，并且能夠加工成與(CMP)平整表面3齊平。在進(jìn)一步的使用中，如果需要，可以進(jìn)一步從下面CMP加工介質(zhì)材料2，以便在示為點(diǎn)劃線9A和9B的將被平整化的表面中露出導(dǎo)體6的底部，點(diǎn)劃線9A所示的表面用于被露出導(dǎo)體，點(diǎn)劃線9B所示的表面具有與帽7對(duì)應(yīng)的帽。
參考圖2A-2G，在本發(fā)明的使用金屬銅(Cu)作為導(dǎo)體的擴(kuò)散-遷移保護(hù)導(dǎo)體元件的形成中，在說(shuō)明性的制造步驟中提供了結(jié)構(gòu)的部分產(chǎn)品圖。其中適當(dāng)采用了與較早的圖中所用的參考標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)的參考標(biāo)號(hào)。
參考圖1和2，從圖2A開(kāi)始，介質(zhì)材料2的層11已經(jīng)淀積在例如氧化硅材料的襯底上，該介質(zhì)材料2的層11的介質(zhì)材料2例如選自通常由Si、C、O和H構(gòu)成、具有如CORAL和Black DIAMOND等商標(biāo)的SiO2、SILK、FSG、SiCOH和Si基低k介質(zhì)，其深度例如達(dá)到大約1000-10000埃，該深度大約比將形成的導(dǎo)體6的設(shè)計(jì)高度在同一數(shù)量級(jí)或稍大。暴露表面12。至此在用于層11的介質(zhì)材料2的性能選擇上存在靈活性，使得可以選擇低k介質(zhì)。
參考圖2B，用掩模材料13平版印刷覆蓋露出的表面12，使得留下暴露的區(qū)域14，以便制造加工。掩模材料13應(yīng)能夠抵抗通過(guò)區(qū)域14對(duì)介質(zhì)11的任何想要的腐蝕操作，例如化學(xué)或者反應(yīng)離子蝕刻。
參考圖2C，圖2C示出了層11中溝槽15的形成，該溝槽通過(guò)表面12利用例如化學(xué)或者反應(yīng)離子蝕刻已經(jīng)形成，深度大約為1000-10000埃，該深度比將形成的導(dǎo)體6的設(shè)計(jì)高度在同一數(shù)量級(jí)或稍大。
在圖2D中，標(biāo)為部件16的襯墊區(qū)可淀積在溝槽15中，采用的淀積技術(shù)例如有物理汽相淀積(PVD)即濺射等、化學(xué)汽相淀積(CVD)、原子層淀積(ALD)、化學(xué)或者電解淀積。區(qū)域16將覆蓋溝槽15的側(cè)面和底部，并且最初允許覆蓋表面12。部件16可以是結(jié)構(gòu)中一個(gè)或者多個(gè)單獨(dú)的層、合金或者相，并且可以形成為例如由鎢(W)與釕(Ru)構(gòu)成的雙層?；蛘呖蛇x擇的組合可以是TaN/Ta/Ru、TiW/Ru、TiN/Ru。區(qū)域16中材料的擴(kuò)散源性能產(chǎn)生了在結(jié)構(gòu)中還能夠起催化作用的金屬帽。該性能給予成份是Ru，它能夠由如Pd、Rh、Co、Pt、Ir和Ag元素代替。
區(qū)域16的作用是提供對(duì)于包含在溝槽15中的導(dǎo)體金屬的外擴(kuò)散和電遷移抑制能力，并且區(qū)域16的作用還包括作為擴(kuò)散劑元素源，后來(lái)該擴(kuò)散劑元素穿過(guò)所述將提供的導(dǎo)體金屬擴(kuò)散出區(qū)域16，然后作為其上面的自對(duì)準(zhǔn)帽。襯墊區(qū)域?qū)?6可以選自下面的成份對(duì)于疊層襯墊A/BA可以選自W、Ta或者Ti、它們的氮化物和硅化物及其組合，B可以選自Pd、Rh、Co、Pt、Ir、Ru和Ag，B層的厚度＜100A。對(duì)于合金襯墊A(B)來(lái)說(shuō)，保持上面的成份關(guān)系，且合金中B的比例＜75％。對(duì)于大約0.1微米的襯墊寬度跨距來(lái)說(shuō)，總的襯墊區(qū)部件16的厚度在大約30-300埃范圍內(nèi)。
參考圖2E，描述了已經(jīng)進(jìn)行了填充操作，其中利用標(biāo)為部件17的導(dǎo)體材料的淀積操作填充溝槽15內(nèi)襯墊16的開(kāi)放部分。淀積操作可以是本領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，例如電解鍍或者化學(xué)鍍。當(dāng)選擇的導(dǎo)體金屬是銅時(shí)，在活化任何電鍍操作中可以需要或者不需要籽晶。導(dǎo)體材料17的淀積操作填充了襯了襯墊16的溝槽15的開(kāi)口18，可能有延伸區(qū)延伸到襯墊16的部分表面上。
參見(jiàn)圖2F，已進(jìn)行平整化操作，其中利用如化學(xué)-機(jī)械拋光技術(shù)的技術(shù)，除去所有的材料，直到表面12，留下包含襯墊16、繼而用導(dǎo)體材料17填充的溝槽15，所有都與表面12齊平。
參考圖2G，對(duì)圖2F所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火熱循環(huán)操作，以便使成帽材料擴(kuò)散，例如已經(jīng)包含在襯墊16中的釕穿過(guò)填充溝槽15開(kāi)口的導(dǎo)體材料17到達(dá)表面12，由此在表面形成帽18，帽18在表面12處與襯墊16的邊緣自對(duì)準(zhǔn)。帽18的厚度可以大約為5-50埃，對(duì)于環(huán)境保護(hù)或者作為大約50-500埃厚量級(jí)的電鍍或化學(xué)鍍操作的催化劑來(lái)說(shuō)，上述帽18的厚度足夠了。
圖2G所示的中間產(chǎn)物可以用作表面12處的電襯墊，或者通過(guò)使用帽18作為更多帽層的籽晶或者催化劑，或者進(jìn)一步通過(guò)從下面腐蝕加工該中間產(chǎn)物例如CMP，腐蝕到所示的點(diǎn)劃線19，從而露出擴(kuò)散和電遷移保護(hù)和帶帽的線或者互連，用于其它用途。
已經(jīng)描述的技術(shù)是提供在介質(zhì)中具有自對(duì)準(zhǔn)帽的一種具有的擴(kuò)散和電遷移保護(hù)的導(dǎo)電元件，介質(zhì)中的導(dǎo)體由抗外擴(kuò)散并且作為成帽材料源的材料圍繞，該成帽材料能夠擴(kuò)散到帽位置。
權(quán)利要求
1.一種電遷移和擴(kuò)散敏感金屬的集成電路導(dǎo)電元件，該元件由保護(hù)帽覆蓋，并且定位在介質(zhì)的平整表面中的溝槽中，在所述溝槽中，由抗該電遷移和擴(kuò)散敏感金屬的外擴(kuò)散的、并且作為所述帽材料的擴(kuò)散源的材料構(gòu)成的襯墊環(huán)繞所述導(dǎo)電元件的金屬。
2.權(quán)利要求1的集成電路導(dǎo)電元件，其中所述介質(zhì)是從本領(lǐng)域已知的SiO2基介質(zhì)中選取的至少一種材料例如SiCOH或SILK材料。
3.權(quán)利要求2的集成電路導(dǎo)電元件，其中所述導(dǎo)電元件的金屬是銅。
4.權(quán)利要求3的集成電路導(dǎo)電元件，其中所述襯墊是由來(lái)自組A和B的至少一種元素構(gòu)成的襯墊疊層或一種合金，其中A選自W、Ta、Ti、它們的氮化物和硅化物；B選自Ru、Rh、Pd、Pt、Ag、Co和Ir。
5.權(quán)利要求4的集成電路導(dǎo)電元件，其中所述帽是Ru、Pd、Rh、Ir、Ag、Pt和Co中的至少一個(gè)元素。
6.帶帽集成電路導(dǎo)體線和互連部件的制造方法，包括步驟在介質(zhì)的平整化表面中形成具有側(cè)面和底部的溝槽，在所述溝槽中定位襯墊材料，使其在所述側(cè)面和底部上延伸，所述襯墊材料具有抗原子擴(kuò)散通過(guò)所述襯墊材料的性能，所述襯墊材料進(jìn)一步具有作為成帽材料的擴(kuò)散原子源的性能，用導(dǎo)體金屬填充所述帶襯墊的溝槽，平整化所述填充了的帶襯墊的溝槽，直到所述介質(zhì)的所述平整化表面，和在以下溫度循環(huán)中對(duì)所述介質(zhì)中所述填充了的帶襯墊的溝槽進(jìn)行退火，該溫度循環(huán)有效地?cái)U(kuò)散足夠的所述成帽材料的原子，以便在所述平整表面處在所述導(dǎo)體材料上形成層。
7.權(quán)利要求6的方法，其中所述導(dǎo)體金屬是Cu。
8.權(quán)利要求7的方法，其中所述介質(zhì)是從本領(lǐng)域已知的SiO2基介質(zhì)中選取的至少一種材料如SiCOH或SILK材料。
9.權(quán)利要求8的方法，其中所述襯墊是由來(lái)自組A和B的至少一個(gè)元素構(gòu)成的襯墊疊層或一種合金，其中A選自W、Ta、Ti、它們的氮化物和硅化物；B選自Ru、Rh、Pd、Pt、Ag、Co和Ir。
10.權(quán)利要求9的方法，其中來(lái)自所述組B的元素的所述擴(kuò)散原子在后續(xù)的CoWP層的淀積中起到催化層的作用。
11.在介質(zhì)層型集成電路導(dǎo)電元件中提供抗環(huán)境和抗電遷移和擴(kuò)散的方法，其改進(jìn)在于在所述介質(zhì)中的溝槽中形成導(dǎo)體和互連部件的金屬部分，用襯墊給所述溝槽作襯，所述襯墊抵抗原子擴(kuò)散通過(guò)所述襯墊，并且所示襯墊起到成帽材料的原子源的作用，對(duì)所述金屬和所述襯墊施加擴(kuò)散增強(qiáng)退火熱循環(huán)。
全文摘要
在集成電路技術(shù)中，提供了例如銅的金屬的電遷移和擴(kuò)散敏感導(dǎo)體及其加工程序，其中在平整化的化學(xué)機(jī)械加工的界面處，在可選擇的低Keff介質(zhì)材料的用一種材料圍繞的區(qū)中定位該導(dǎo)體金屬。選擇所述一種材料以便防止外擴(kuò)散并且作為膜形成厚度帽的源，該膜形成厚度帽將形成在導(dǎo)體金屬上和/或起到催化層的作用，用于CoWP成帽層的化學(xué)選擇淀積。
文檔編號(hào)H01L23/532GK1507047SQ0317862
公開(kāi)日2004年6月23日 申請(qǐng)日期2003年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月11日
發(fā)明者S·R·徹拉斯, M·W·萊恩, S·G·瑪爾霍特拉, F·R·麥克菲利, R·羅森博格, C·J·薩姆巴塞迪, P·M·懷瑞根, └ , S R 徹拉斯, 懷瑞根, 瑪爾霍特拉, 萊恩, 薩姆巴塞迪, 麥克菲利 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司