專利名稱：在用于半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)中的第二材料中嵌入的第一材料的表面上形成層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在用于半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)中的第二材料中嵌入的第 一材料的表面上形成層的方法。本發(fā)明尤其但不具有排他性地涉及在 嵌入互連結(jié)構(gòu)中的電介質(zhì)中的金屬線上形成擴散阻擋層的方法。
背景技術(shù)：
在集成電路裸片的標(biāo)準(zhǔn)銅互連集成方案中，在化學(xué)機械拋光(CMP)步驟之后，在層間電介質(zhì)(ILD)和銅線的頂部整層沉積電 介質(zhì)阻擋層。該阻擋層有兩個作用，1)防止銅擴散進電介質(zhì)以及2) 起通孔蝕刻停止層的作用。在公知的SiN和SiC阻擋層的情況下，通常的一個問題是銅線 和覆在上面阻擋層的弱界面。這種弱界面導(dǎo)致早期的可靠性由于電子 遷移電阻降低而失效。而且，在銅線頂部附近的電場集中是最大的， 這增強了局部銅遷移和應(yīng)力導(dǎo)致的空洞。只在集成電路生產(chǎn)過程中在選擇的位置上沉積材料的能力是有 利的，這是因為它消除了對限定沉積區(qū)域的昂貴的圖案成型步驟的需 求。例如，設(shè)想所謂的自對準(zhǔn)阻擋層(self-aligned barrier, SAB)將 在先進Cu雙面嵌入工藝中取代用于金屬線覆蓋的阻擋層薄膜。SAB(CoWP等)主要應(yīng)用于改善電遷移電阻和降低鄰近金屬線之間的電^孝禺^ o當(dāng)前的用于自對準(zhǔn)阻擋層的集成方案采用選擇性的無電工藝， 該工藝基于要被覆蓋的金屬表面的催化活化作用。首先，將催化劑(通 常為鈀)主導(dǎo)性地沉積在金屬線上，然后，在無電電鍍槽中，在線上 沉積阻擋層。鈀對線上的阻擋層的選擇性自對準(zhǔn)生長進行催化。必須 小心地去除沉積在金屬線之間的任何鈀，以避免在使用時線上的過量的電流泄漏。由于鈀活化不是100%針對銅而選擇的，在集成過程中， 活化和清洗步驟非常關(guān)鍵。在這種方法中，通過使表面的金屬化部分 發(fā)生催化反應(yīng)，實現(xiàn)這種選擇性。這種方法的缺點是只有金屬化薄膜 可以被沉積在金屬化表面的頂部。公知的無電CoWP沉積工藝導(dǎo)致了線高度的增加，這會使電容 方面的任何收益部分地?fù)p失掉。另外，無電生長的薄膜傾向于在橫向 生長，從而減小了電介質(zhì)間隔。這導(dǎo)致了線間電容耦合的增大，并從 而降低了可靠性。這些工藝還可能導(dǎo)致金屬線間的金屬化沉積，這導(dǎo) 致了泄漏電流特性的下降。在本領(lǐng)域公知采用物理氣相沉積(Physical Vapour Deposition, PVD)來在銅線上沉積金屬化TaN/Ta阻擋層?，F(xiàn)在已知有兩種不同 的方法。簡要地，第一種方法涉及金屬化阻擋層的光刻圖案成形，以 便去除銅線間的金屬化阻擋層。第二種方法涉及在銅線中生成凹槽， 并用阻擋層填充這些區(qū)域。在第一種方法中，需要一種昂貴的額外掩 模步驟。而且，任何未對準(zhǔn)誤差導(dǎo)致在線的一側(cè)上的阻擋層完全去除。 在第二種方法中，通過CMP過拋光或濕法化學(xué)蝕刻對銅線進行凹進 處理。然后，在電介質(zhì)和金屬線上沉積PVD阻擋層。在第二種CMP 步驟中，去除該區(qū)域的阻擋層，而在凹進的銅線上留下TaN/Ta阻擋 覆蓋層。這種方法的缺點是1)難以控制銅凹進，特別是對于不同 線寬的銅凹進，2)銅的回蝕會消耗Cu的間隔，這增大了電阻率，3) 需要兩個昂貴的CMP步驟，4)回蝕步驟可能使金屬間電介質(zhì)的低k 特性擴散/破壞。發(fā)明內(nèi)容希望提供新的選擇性沉積工藝，來在電介質(zhì)或金屬上選擇性地 生長金屬化或非金屬化薄膜，這種方法至少會緩解一些上述問題。根據(jù)本發(fā)明，提供了在嵌入用于半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)的第二材料 中的第一材料的表面上形成層的方法，在這種方法中，通過氣相沉積 步驟，將該層選擇性地沉積在第一材料的表面上，以及其中，在氣相 沉積步驟之前，對第二材料的表面進行處理，以在氣相沉積過程中禁止在該層上進行沉積。在優(yōu)選實施例中，氣相沉積步驟包括原子層沉積步驟。 處理步驟可以將第二材料的表面從親水表面轉(zhuǎn)化為疏水表面。 在一個實施例中，處理步驟可以將為電介質(zhì)的第二材料的表面從親水表面轉(zhuǎn)化為疏水表面。在處理步驟之前，第二材料的表面的端基基本上是羥基，在處理步驟之后，第二材料的表面的端基基本上是甲基。將第二材料的表面暴露于六甲基二硅胺垸(HMDS)蒸氣，可以實現(xiàn)這種處理。在一個可替換實施例中，用酸性清洗劑(例如，HF濕式清洗劑 或HF蒸氣清洗劑)處理第二材料的表面，以使該表面疏水。在一個可替換實施例中，處理步驟包括橫跨第一材料的表面 和橫跨第二材料的表面沉積抗蝕劑材料層，用光刻通量照射該抗蝕劑 材料層，以便第一材料反射的通量使基本上位于第一材料上的抗蝕劑 區(qū)域在基本上位于第二材料上的抗蝕劑材料的一個或多個區(qū)域之前 顯影，在沒有去除基本上位于第二材料上的抗蝕劑材料的一個或多個 區(qū)域的情況下，去除基本上位于第一材料上的抗蝕劑材料區(qū)域。本發(fā)明對于在用于半導(dǎo)體器件的互連結(jié)構(gòu)中的金屬線上沉積擴 散阻擋層是特別有用的。


現(xiàn)在，只參照附圖，通過示例，對本發(fā)明的一個實施例進行描 述，其中，圖la-圖lf是圖示說明制造用于半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2圖示說明了沉積在表面上的HMDS蒸氣；圖3圖示說明了作為在不同的表面類型上用ALD沉積的周期數(shù) 的函數(shù)的Ta數(shù)量的圖；圖4圖示說明了示出作為不同表面處理函數(shù)的ALD薄膜的表面 覆蓋的圖；圖5a-圖5k是圖示說明了制造用于半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)的示意圖。
具體實施方式
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，原子層沉積(ALD)用于在半導(dǎo)體 基板中的金屬互連線上選擇性地沉積阻擋層。ALD是一種沉積技術(shù)， 其由于它的均勻性、保形性以及極易控制的沉積性能而廣為人知。 ALD技術(shù)包括每次一個地與晶片表面反應(yīng)的氣態(tài)反應(yīng)物(或前驅(qū)物) 的連續(xù)脈沖。由于在可用表面反應(yīng)位置上的反應(yīng)物的吸收，在前驅(qū)物 脈沖過程中，層的生長是自約束的。ALD極其依賴晶片表面上的配 合基的密度、有效性和可達(dá)性以及他們與ALD反應(yīng)物的反應(yīng)性能。通過局部鈍化吸收表面，可以進行選擇性原子層沉積，換句話 說，使吸收表面的被選擇部分不與提供的前驅(qū)物化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)。很多ALD前驅(qū)物對自然出現(xiàn)在電介質(zhì)層表面的諸如羥基和基于 胺的配合基之類的親水基有很強的反應(yīng)性。在實施ALD之前，在電 介質(zhì)表面的這些親水基被轉(zhuǎn)化為疏水基，這些疏水基不與ALD前驅(qū) 物反應(yīng)。因此，實施ALD時，局部生長沒有出現(xiàn)在電介質(zhì)表面，只 出現(xiàn)在要被覆蓋的金屬表面。參照圖la-lf，雙嵌入結(jié)構(gòu)形成的部分1包括電介質(zhì)層2、在電 介質(zhì)層2中形成的金屬通孔3以及隔開電介質(zhì)層2和金屬通孔3的金 屬擴散阻擋層4?？梢愿鶕?jù)標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程形成結(jié)構(gòu)1。在已經(jīng)沉積通孔3和已經(jīng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程執(zhí)行化學(xué)機械拋光 (CMP)之后，用等離子處理(例如，基于氫的等離子處理)去除 阻蝕劑5。等離子處理暴露了疏水基，例如羥基或基于胺的配合基，這是 電介質(zhì)層2的端基。在優(yōu)選實施例中，將電介質(zhì)層2暴露于六甲基二 硅胺烷(HMDS)蒸氣，對暴露的羥基進行鈍化/去活性。如圖2所 示，HMDS蒸氣20用甲基硅配合基23代替電介質(zhì)表面的羥基21， 在ALD過程中通常采用的溫度下，甲基硅配合基23是不與各種ALD 前驅(qū)物反應(yīng)的。然后，采用PDMAT和NH3作為前驅(qū)物，在200-275攝氏度的 溫度范圍內(nèi)優(yōu)選地執(zhí)行原子層沉積。前驅(qū)物接觸時間通常長于每個脈8沖0.5秒，以使所有反應(yīng)位置完全飽和。在大約40個周期的接觸之后，在金屬通孔上獲得大約2nm厚的Ta3N5阻擋層6，這對于覆蓋目 的足夠了。由于對金屬有很大的選擇性，用阻擋層6充分覆蓋金屬線。 只有很少量的阻擋層6a被沉積在電介質(zhì)上的金屬線之間(< lel5at/cm2)。阻擋層的生長性能取決于表面上的活性基的密度。如圖3所示， 我們觀察到，在20-100個連續(xù)的前驅(qū)物接觸周期之后，沉積在Cu 表面上的Ta的數(shù)量比在甲基化(例如，CVD SiOC)類型材料上的 Ta的數(shù)量大15-20倍。對前驅(qū)物吸收的選擇性源于在SiOC表面上的少量活性表面基 (主要是未反應(yīng)的甲基的出現(xiàn))。因此，在最初的生長階段中，少量 的前驅(qū)物分子被化學(xué)吸收在比擬于銅的甲基化表面，從而，解釋了 ALD工藝的選擇性。如果在SiOC上實施了大量的周期，沉積將主要 發(fā)生在已經(jīng)沉積的材料上，將出現(xiàn)島狀類型的生長性能。如果活性表 面基的最初密度比較低，在這些島彼此接觸之前，需要大量的沉積周 期。在圖4中，示出了作為不同表面預(yù)處理函數(shù)的ALD薄膜的表面 覆蓋。氬或氫等離子的應(yīng)用可以增強最初吸收位置的數(shù)量。只要避免 了任何等離子表面處理，每個周期的生長速率依然保持很小。返回參見圖le和lf，最后的HF浸泡用于去除沉積在電介質(zhì)層 的任何阻擋層6a，以避免形成潛在的泄漏通路。最后，以標(biāo)準(zhǔn)方式 在第一電介質(zhì)層2和阻擋層6上沉積另一個電介質(zhì)層7。在一個沒有采用HMDS的可替換實施例中，電介質(zhì)層2本質(zhì)上 是疏水的，但作為(例如)等離子處理的結(jié)果而具有親水表面。在該 實施例中，在沉積阻擋層6之前，用酸性(例如HF濕法清洗劑或蒸 氣清洗劑)對電介質(zhì)層2進行處理，以使電介質(zhì)層2的表面疏水。然 后，可以如上所述地在金屬線上選擇性地沉積阻擋層6。用ALD阻擋層以這種方式覆蓋這些線具有很多優(yōu)點，尤其是比 擬于疏水表面的金屬化表面上的ALD阻擋層的良好的選擇性。ALD 的其他優(yōu)點包括它的生長速率的原子級控制以及沉積過程的保形性。 另外，可以采用比擬于CoWP的非常薄的阻擋層，提供了最小的外9形，以及增大了電容。還提供了阻擋層的最小的向外生長?，F(xiàn)在對本發(fā)明的另一個實施例進行描述，該實施例的工藝是基 于在反射金屬線上的局部的樹脂顯影，以生成用于沉積阻擋層的自對 準(zhǔn)開放區(qū)域。自對準(zhǔn)抗蝕劑顯影利用金屬線和金屬間電介質(zhì)層的反射 率差異。在掩模的低照明步驟中，由于在金屬-樹脂界面處的光反射 ("局部雙倍曝光")而在金屬線上局部達(dá)到了顯影的閾值。調(diào)整照明 劑量，以便在金屬線上獲得顯影的閾值劑量，而在光線被吸收的金屬線之間沒有達(dá)到該閾值劑量。優(yōu)選地抗蝕劑是標(biāo)準(zhǔn)的193nm負(fù)抗蝕 劑，以便可以去除達(dá)到顯影閾值的地方的抗蝕劑。在去除抗蝕劑之后， 優(yōu)選地采用ALD沉積方法，選擇性地沉積選擇的金屬化或電介質(zhì)阻 擋層。剩余的抗蝕劑不與ALD前驅(qū)物反應(yīng)，以便阻擋層生長主要只 發(fā)生在金屬線上。對關(guān)于圖5a-圖5k的工藝進行更詳細(xì)地描述。在形成互連結(jié)構(gòu) 的第一步驟中，在電介質(zhì)層100上沉積防反射電介質(zhì)材料層101，例 如，低k絕緣材料。防反射電介質(zhì)材料，例如，底部防反射涂層(BARC) 是公知的材料，其充分地吸收而不是反射光刻光通量。然后，以標(biāo)準(zhǔn) 方式，在防反射電介質(zhì)材料層101上沉積硬掩模102。在標(biāo)準(zhǔn)抗蝕劑旋轉(zhuǎn)步驟中采用掩模103，來在硬掩模102上沉積 負(fù)抗蝕劑104的圖案，執(zhí)行光刻曝光。以標(biāo)準(zhǔn)方式，通過硬掩模102轉(zhuǎn)印抗蝕劑圖案，形成一個或多 個通孔105，以及例如通過等離子蝕刻去除抗蝕劑圖案104。以標(biāo)準(zhǔn)方式在通孔105的側(cè)壁上和在硬掩模102上形成擴散阻 擋層106。接下來，沉積金屬層107 (在該示例中為銅)來填充通孔 105。以標(biāo)準(zhǔn)方式，通過沉積最初的銅種子層，然后通過電化學(xué)電鍍 用銅填充通孔105來實現(xiàn)這個目的。然后，以標(biāo)準(zhǔn)方式，通過化學(xué)機械拋光(CMP)去除通孔105 上的任何過量的銅、阻擋層106在硬掩模102上的部分以及硬掩模自 身。此后，在防反射電介質(zhì)材料層101和銅107上沉積通常的193mn 的負(fù)抗蝕劑層108。接下來，在不采用掩模的情況下，將負(fù)抗蝕劑層108曝光于光刻光通量109。如圖5h所示，該通量基本上垂直入射層 108。已經(jīng)通過負(fù)抗蝕劑層108并入射在銅線107上的通量通過層108 反射回來。然而，已經(jīng)通過負(fù)抗蝕劑層108并入射在銅線107上的通 量被那種材料吸收。結(jié)果，負(fù)抗蝕劑層108的基本上直接在銅通孔 107上的區(qū)域比負(fù)抗蝕劑層108的基本上直接在防反射電介質(zhì)材料 101上的區(qū)域曝光于更多的光通量。選擇入射光通量109的強度和持 續(xù)時間，以便在基本上直接在銅線107上的部分中達(dá)到負(fù)抗蝕劑層 108的顯影閾值，但在基本上直接在防反射電介質(zhì)材料101上的那些 部分未達(dá)到該顯影閾值。接下來，以標(biāo)準(zhǔn)方式去除抗蝕劑層108的己被顯影的部分，來 顯露銅線107。然后，采用ALD在銅線107上選擇性地沉積阻擋層 110。抗蝕劑層108的區(qū)域不與ALD前驅(qū)物反應(yīng)，在這些區(qū)域上出現(xiàn) 了很少生長或者沒有出現(xiàn)生長。用于實施ALD的條件可以與參照圖 1-圖4所描述的實施例中的條件相同，也就是說，在200-275攝氏度 的溫度范圍內(nèi)，采用PDMAT和NH3作為前驅(qū)物，前驅(qū)物接觸時間 通常長于每個脈沖0.5秒。此后，例如，通過等離子蝕刻或濕法化學(xué)方法去除抗蝕劑層108 的剩余區(qū)域，使阻擋層110局部地位于銅線107上，這些阻擋層只具 有很少的橫向突出。最后，可以在第一電介質(zhì)層100和阻擋層110上以標(biāo)準(zhǔn)方式沉 積另一個電介質(zhì)層(未示出)。這種方法形成了對準(zhǔn)良好和限定良好的阻擋層，該阻擋層具有 很小的橫向生長物。在選擇性阻擋層沉積之后，可以很容易地去除抗 蝕劑和任何殘余物，以避免形成潛在的泄漏通路。另外，由于沒有采 用已知方法中的SiC或SiCN覆蓋和/或蝕刻停止層和USG硬掩模， 所以減小了金屬通孔之間的電容。而且，由于線的完全金屬化密封， 這種方法導(dǎo)致了電介質(zhì)可靠性和電遷移壽命的顯著改善。應(yīng)當(dāng)理解的是，可以在本發(fā)明的實施例中采用不是ALD的其他 氣相沉積技術(shù)，例如，CVD。雖然上述的實施例涉及互連結(jié)構(gòu)中的 擴散阻擋層的沉積，但是，應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明的實施例可以用于沉積用于半導(dǎo)體器件的各種結(jié)構(gòu)中的其他類型的層。己經(jīng)通過優(yōu)選實施例這樣描述了本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)很容易理解的是， 討論的實施例只是示范性的，在不脫離由所附的權(quán)利要求及其等同物 所設(shè)定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進行那些擁有適當(dāng)知識 和技術(shù)的人員可以能想到的變型和變種。在權(quán)利要求中，括號中的任 何參考標(biāo)號不應(yīng)當(dāng)被理解為對權(quán)利要求的限制。"包含"、"包括"以及 類似的詞不排除沒有在權(quán)利要求或說明書中作為整體列出的元件或 步驟的出現(xiàn)。元件的單個參考不排除同樣元件的多個參考的出現(xiàn)。本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易認(rèn)識到，可以對描述中公開的多個參數(shù) 進行修改，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以組合各種公開和/ 或主張的實施例。
權(quán)利要求
1.一種在用于半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)中的第二材料中嵌入的第一材料的表面上形成層的方法，在所述方法中，通過氣相沉積步驟在第一材料的表面上選擇性地沉積所述層，以及其中在氣相沉積步驟之前，對第二材料的表面進行處理，以在氣相沉積過程中禁止在所述層上進行沉積。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述氣相沉積步驟包括原子層沉積步驟。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述處理步驟使第二材 料的表面基本上不與在氣相沉積步驟中采用的至少一種化學(xué)成分反 應(yīng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法， 料的表面從親水表面轉(zhuǎn)化為疏水表面。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法， 第二材料的表面基本上以羥基為端基，料的表面基本上以甲基為端基。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法， 二材料的表面與HMDS蒸氣接觸。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法， 第二材料的表面。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法， 濕法清洗或酸性蒸氣清洗。其中，所述處理步驟將第二材其中，在所述處理步驟之前， 在所述處理步驟之后，第二材其中，所述處理步驟包括使第其中，所述處理步驟包括清洗其中，所述清洗步驟包括酸性
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其包括HF濕法清洗和HF蒸氣 清洗。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中，所述處理步驟包括在第 二材料的表面上沉積第三材料，所述第三材料不與氣相沉積步驟中采 用的至少一種成分反應(yīng)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述處理步驟包括，橫 跨第一材料的表面和橫跨第二材料的表面沉積抗蝕劑材料層，用光刻 通量照射該抗蝕劑材料層，以便第一材料反射的通量使基本上位于第 一材料上的抗蝕劑區(qū)域在基本上位于第二材料上的抗蝕劑材料的一 個或多個區(qū)域之前顯影，在沒有去除基本上位于第二材料上的抗蝕劑 材料的一個或多個區(qū)域的情況下，去除基本上位于第一材料上的抗蝕 劑材料區(qū)域。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，防反射材料層位于第 二材料和抗蝕劑材料層之間。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，第一材料是金屬。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述金屬是銅。
15. 根據(jù)之前任何一項權(quán)利要求所述的方法，其中第二材料是電介質(zhì)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，第二材料是超低k材料。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述層是擴散阻擋層。
18.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，在ALD過程中采用的 前驅(qū)物是PDMAT和NH3。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述結(jié)構(gòu)是互連結(jié)構(gòu)。
全文摘要
描述了一種在銅線(3，107)的表面上形成阻擋層(6，110)的方法，該銅線嵌入在用于半導(dǎo)體器件的互連結(jié)構(gòu)中的電介質(zhì)材料(2，100)中。通過氣相沉積步驟將阻擋層(6，110)選擇性地沉積在銅線(3，107)的表面上，在氣相沉積步驟之前對電介質(zhì)材料(2，100)的表面進行處理，以在氣相沉積步驟過程中抑制在阻擋層(6，110)上的沉積。優(yōu)選地，氣相沉積過程包括原子層沉積。
文檔編號H01L21/768GK101326630SQ200680045917
公開日2008年12月17日 申請日期2006年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月7日
發(fā)明者索納里斯·春, 維姆·貝斯林 申請人:Nxp股份有限公司