后道工序（beol）互連方案的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種形成后道工序金屬互連層的方法。通過(guò)在半導(dǎo)體襯底上沉積一個(gè)或多個(gè)自組裝單層以限定金屬互連層區(qū)域來(lái)實(shí)施該方法。在金屬互連層區(qū)域內(nèi)的半導(dǎo)體襯底上形成具有多個(gè)金屬結(jié)構(gòu)的金屬互連層。然后，在多個(gè)金屬結(jié)構(gòu)之間的區(qū)域中的半導(dǎo)體襯底的表面上形成層間介電層。本發(fā)明還公開(kāi)了后道工序互連方案。
【專利說(shuō)明】后道工序(BEOL)互連方案
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地，涉及后道工序互連方案。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代集成芯片包含成百萬(wàn)個(gè)半導(dǎo)體器件。通過(guò)形成在集成芯片上的器件上方的后道工序(back-end-of-the line)金屬互連層來(lái)電互連半導(dǎo)體器件。典型的集成芯片包括多個(gè)后道工序金屬互連層，該多個(gè)后道工序金屬互連層包括與金屬接觸件(即通孔)垂直連接在一起的不同尺寸的金屬線。
[0003]通常使用雙鑲嵌工藝來(lái)形成后道工序金屬互連層。在雙鑲嵌工藝中，在半導(dǎo)體襯底的表面上沉積介電材料(例如，低k電介質(zhì)、極低k電介質(zhì))。然后選擇性地蝕刻介電材料以在用于通孔層和鄰接的金屬層的介電材料中形成空腔。在典型的先通孔雙鑲嵌工藝中，首先在介電材料中蝕刻通孔，然后在通孔的頂部形成金屬線溝槽。在形成通孔和溝槽之后，在空腔內(nèi)沉積擴(kuò)散阻擋層和晶種層。然后使用電化學(xué)鍍層工藝用金屬(例如銅)同時(shí)填充通孔和金屬溝槽。最后，使用化學(xué)機(jī)械拋光工藝平坦化襯底的表面以去除任何多余的金屬。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問(wèn)題，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種形成金屬后道工序互連層的方法，包括:
[0005]在半導(dǎo)體襯底上沉積一個(gè)或多個(gè)自組裝單層以限定金屬互連層區(qū)域；
[0006]在所述金屬互連層區(qū)域內(nèi)的半導(dǎo)體襯底上選擇性地沉積包括多個(gè)金屬結(jié)構(gòu)的金屬互連層；以及
[0007]在所述多個(gè)金屬結(jié)構(gòu)之間的區(qū)域中的半導(dǎo)體襯底上沉積層間介電層。
[0008]在可選實(shí)施例中，沉積所述一個(gè)或多個(gè)自組裝單層包括:在下面的層間介電層上選擇性地沉積第一自組裝單層(SAM);在下面的金屬互連層上選擇性地沉積第二自組裝單層(SAM);將所述半導(dǎo)體襯底選擇性地暴露于紫外輻射圖案，其中所述紫外輻射圖案降解所述第一 SAM的一部分或所述第二 SAM的一部分；以及，去除所述第一 SAM或所述第二 SAM的被降解部分以形成金屬互連層區(qū)域。
[0009]在可選實(shí)施例中，所述第一 SAM包括:頭基，包含三氯化硅(SiCl3)或三甲氧基甲硅烷(Si (OCH3)3);烷基鏈；以及，端基，包含甲基。
[0010]在可選實(shí)施例中，所述第二 SAM包括:頭基，包含巰基或硫醇；烷基鏈；以及，端基，包含甲基。
[0011]在可選實(shí)施例中，所述金屬互連層包括通過(guò)化學(xué)鍍工藝沉積的銅金屬或合金。
[0012]在可選實(shí)施例中，所述方法進(jìn)一步包括:在所述金屬互連層區(qū)域中沉積鈀層。
[0013]在可選實(shí)施例中，所述方法進(jìn)一步包括:在所述化學(xué)鍍工藝期間在銅金屬中加入合金摻雜物，其中所述合金摻雜物被配置成與層間介電材料反應(yīng)以在所述金屬互連層和所述層間介電材料之間形成自成形阻擋層。[0014]在可選實(shí)施例中，所述合金摻雜物包括鎂(Mg)、鋁(Al)、鉻(Cr)、錳(Mn)、鈦(Ti)、鋯(Zr)、銀(Ag)、鈮(Nb)、硼(B)、銦(In)、錫(Sn)和鑰(Mo)中的一種或多種。
[0015]在可選實(shí)施例中，所述方法進(jìn)一步包括:在形成所述層間介電材料之后對(duì)所述半導(dǎo)體襯底進(jìn)行退火，對(duì)所述半導(dǎo)體襯底進(jìn)行退火形成所述自成形阻擋層。
[0016]在可選實(shí)施例中，所述第一 SAM和所述第二 SAM沉積為具有基本相同的厚度。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供了一種形成后道工序(BEOL)金屬互連層的方法，包括:
[0018]在位于襯底上的下面的第一層間介電層上選擇性地沉積第一自組裝單層膜(SAM)；
[0019]在位于所述襯底上的下面的金屬互連層上選擇性地沉積第二自組裝單層膜(SAM)；
[0020]將所述第一 SAM或所述第二 SAM選擇性地暴露于輻射，其中所述輻射使所述第一SAM或所述第二 SAM的一部分被降解；
[0021 ] 去除所述第一 SAM或所述第二 SAM的被降解部分；
[0022]化學(xué)鍍金屬和合金摻雜物以在所述第一 SAM或所述第二 SAM的被去除區(qū)域形成包括一個(gè)或多個(gè)金屬結(jié)構(gòu)的第一金屬互連層；
[0023]在所述多個(gè)金屬結(jié)構(gòu)之間的區(qū)域中的襯底上選擇性地形成第二層間介電層；以及
[0024]在形成所述第二層間介電層之后對(duì)所述襯底進(jìn)行退火，對(duì)所述襯底進(jìn)行退火在所述多個(gè)金屬結(jié)構(gòu)和所述第二層間介電層之間形成自成形阻擋層。
[0025]在可選實(shí)施例中，所述方法進(jìn)一步包括:在去除所述第一 SAM或所述第二 SAM的被降解部分之后選擇性地沉積鈀層。
[0026]在可選實(shí)施例中，所述方法進(jìn)一步包括:通過(guò)重復(fù)選擇性沉積所述第一 SAM和所述第二 SAM、選擇性暴露所述第一 SAM或所述第二 SAM、去除所述第一 SAM或所述第二 SAM的被降解部分以及所述化學(xué)鍍工藝，在所述BEOL金屬互連層上方形成另外的BEOL金屬互連層。
[0027]在可選實(shí)施例中，所述方法進(jìn)一步包括:在所述另外的BEOL金屬互連層的多個(gè)金屬結(jié)構(gòu)之間的區(qū)域中的襯底上選擇性沉積第二層間介電層。
[0028]根據(jù)本發(fā)明的又一方面，還提供了一種集成芯片，包括:
[0029]第一金屬互連層，設(shè)置在第一層間介電層內(nèi)；
[0030]第一自組裝單層(SAM)，設(shè)置在所述第一層間介電層上方并且具有一個(gè)或多個(gè)開(kāi)Π ；
[0031]第二層間介電層，設(shè)置在所述第一 SAM上；以及
[0032]第二金屬互連層，設(shè)置在所述第二層間介電層中并且位于所述第一 SAM的一個(gè)或多個(gè)開(kāi)口中。
[0033]在可選實(shí)施例中，所述集成芯片進(jìn)一步包括:第二自組裝單層(SAM)，選擇性地位于部分所述第一金屬互連層或所述第二金屬互連層上方。
[0034]在可選實(shí)施例中，所述第一 SAM和所述第二 SAM包括:親水的頭基；烷基鏈；以及，疏水的端基。
[0035]在可選實(shí)施例中，所述第一 SAM和所述第二 SAM具有基本相同的厚度。[0036]在可選實(shí)施例中，所述集成芯片進(jìn)一步包括:鈀層，垂直設(shè)置在所述第一層間介電層和所述第二金屬互連層之間并且橫向設(shè)置在所述第一 SAM的一個(gè)或多個(gè)開(kāi)口之一內(nèi)。
[0037]在可選實(shí)施例中，所述集成芯片進(jìn)一步包括:自成形阻擋層，包括金屬氧化物或者金屬硅酸鹽氧化物，所述自成形阻擋層設(shè)置在所述第一金屬互連層和所述第一層間介電層之間。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0038]圖1示出使用自組裝單層形成的后道工序堆疊件的一些實(shí)施例的截面圖；
[0039]圖2是用于形成后道工序金屬互連層的方法的一些實(shí)施例的流程圖；
[0040]圖3是用于形成后道工序金屬互連層的方法的一些實(shí)施例的流程圖；
[0041]圖4-圖16是對(duì)其實(shí)施形成后道工序金屬互連層的方法的示例半導(dǎo)體襯底的一些實(shí)施例的截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042]參考附圖作出本文的描述，其中相似的參考編號(hào)通常用于指代相似的元件，并且各種結(jié)構(gòu)不必按比例繪制。在以下的描述中，為了說(shuō)明的目的，給出許多具體細(xì)節(jié)以便于理解。應(yīng)該理解，附圖的細(xì)節(jié)不旨在用于限制本發(fā)明，而是非限制性實(shí)施例。然而，例如可以用這些具體細(xì)節(jié)的較少部分來(lái)實(shí)行本文所描述的一個(gè)或多個(gè)方面，這對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的。在其他情況下，以框圖的形式示出已知的結(jié)構(gòu)和器件以便于理解。
[0043]雙鑲嵌金屬化工藝會(huì)存在許多潛在的可能影響金屬互連層質(zhì)量的蝕刻缺陷。例如，為了阻止金屬線溝槽進(jìn)一步蝕刻下方的通孔，在蝕刻金屬線溝槽之前在通孔中插入光刻膠塞。如果所形成的光刻膠塞的高度過(guò)高，則介電材料可能蝕刻不足而留下柵欄缺陷(fence defects)。與此相反,如果所形成的光刻膠插件的高度過(guò)低,則介電材料可能過(guò)蝕刻而留下小平面缺陷(facet defects)。而且,在PR剝離期間，蝕刻可能損傷介電材料(例如，損傷介電溝槽側(cè)壁)。這樣的蝕刻缺陷可能產(chǎn)生對(duì)金屬互連線的可靠性造成負(fù)面影響的空隙或凹陷缺陷。
[0044]因此，本發(fā)明涉及一種形成后道工序金屬互連層的方法，其降低了對(duì)金屬互連層周圍的介電材料的損傷。該方法通過(guò)在半導(dǎo)體襯底上沉積一個(gè)或多個(gè)自組裝單層以限定金屬互連層區(qū)域來(lái)實(shí)施。在金屬互連層區(qū)域內(nèi)的半導(dǎo)體襯底上形成具有多個(gè)金屬結(jié)構(gòu)的金屬互連層。然后在位于多個(gè)金屬結(jié)構(gòu)之間的區(qū)域中的半導(dǎo)體襯底上形成層間介電層。通過(guò)在沉積層間介電層之前使用一個(gè)或多個(gè)自組裝單層來(lái)形成金屬互連層，降低了對(duì)層間介電層的蝕刻損傷。
[0045]圖1示出具有所公開(kāi)的后道工序金屬互連堆疊件的集成芯片的一些實(shí)施例的截面圖100。
[0046]集成芯片包括半導(dǎo)體襯底102。在半導(dǎo)體襯底102上設(shè)置第一層間介電(ILD)層104a，并且在第一 ILD層104a內(nèi)設(shè)置包括多個(gè)金屬結(jié)構(gòu)的第一金屬互連層V0。第一金屬互連層VO可以包括接觸/通孔層，其提供延伸穿過(guò)第一 ILD層104a的垂直互連。在一些實(shí)施例中，第一金屬互連層VO可以包括多個(gè)導(dǎo)電接觸件(例如鎢、銅等)，其將后道工序金屬互連堆疊件(例如，金屬互連層M1、V1等)連接至半導(dǎo)體襯底102內(nèi)的多個(gè)半導(dǎo)體器件。[0047]在第一ILD 層 104a 上方設(shè)置第一自組裝單層(self-assembled monolayer, SAM)106。第一 SAM106包括有序組裝的有機(jī)分子，其含有與第一 ILD層104a接觸的頭基，和通過(guò)分子鏈連接至頭基的端基。第一 SAM106沿第一 ILD層104a的頂面延伸并且包括暴露下面的材料的多個(gè)開(kāi)口 114a-114b。在第一 SAM106上方設(shè)置第二 ILD層104b。在第二 ILD層104b內(nèi)和第一 SAM106中的多個(gè)開(kāi)口 114a-114b的至少一個(gè)內(nèi)設(shè)置包括多個(gè)金屬結(jié)構(gòu)的第二金屬互連層Ml。第二金屬互連層Ml可以包括第一薄銅金屬層。
[0048]在一些實(shí)施例中，在多個(gè)開(kāi)口 114a_114b的一個(gè)或多個(gè)內(nèi)的第二金屬互連層Ml的底部設(shè)置金屬催化層110。金屬催化層110將第二金屬互連層Ml與下面的材料隔開(kāi)。例如，金屬催化層110可以位于設(shè)置在第一 ILD層104a上方的銅或合金互連層Ml的底部，或者位于設(shè)置在由導(dǎo)電材料(例如，鎢、銅等)構(gòu)成的第一金屬互連層VO上方的銅互連層Ml的底部。在一些實(shí)施例中，金屬催化層110包括鈀。
[0049]還在第二 ILD層104b的上方設(shè)置第一自組裝單層(SAM)106。第一 SAM106沿第二ILD層104b的頂面延伸并且包括暴露下面的材料的多個(gè)開(kāi)口 116a-116b。還在第一 SAM106中的至少一個(gè)開(kāi)口 116b中的第二金屬互連層Ml上方設(shè)置第二自組裝單層(SAM) 112。第二 SAMl 12包括有序組裝的有機(jī)分子，該有機(jī)分子包含與第二金屬互連層Ml接觸的頭基和通過(guò)分子鏈連接至頭基的端基。
[0050]第一 SAM106和第二 SAM112包括頭基(位于底面上)和端基(位于頂面上)。在一些實(shí)施例中，第一 SAM106和第二 SAM112包括疏水(即防止粘附)的端基。例如，金屬催化層110不能粘附在第一 SAM106和第二 SAM112的疏水表面上，因此金屬催化層110形成在第
一SAM106或第二 SAM112的開(kāi)口(例如114或116)中。在一些實(shí)施例中，第一 SAM106和第
二SAM112包括決定SAM是否粘附至下方的金屬表面或下方的電介質(zhì)表面的頭基。例如，第
一SAM106可以包括允許其粘附至下面的電介質(zhì)表面的頭基，而第二 SAMl 12可以包括允許其粘附至下面的金屬表面的頭基。
[0051]在第一 SAM106中的開(kāi)口 116a中的第二金屬互連層Ml上方設(shè)置包括多個(gè)金屬結(jié)構(gòu)的第三金屬互連層VI。第三金屬互連層Vl垂直連接至下面的第二金屬互連層Ml并且垂直延伸穿過(guò)第三ILD層104c和第一 SAM106。第三ILD層104c設(shè)置在第一 SAM106上且位于第三金屬互連層Vl的多個(gè)金屬結(jié)構(gòu)之間的區(qū)域中。
[0052]在一些實(shí)施例中，兩個(gè)相鄰的金屬互連層可以包括相同的材料。例如，第二金屬互連層Ml和第三金屬互連層Vl可以包括銅。在這樣的實(shí)施例中，相鄰的金屬互連層形成連續(xù)的金屬結(jié)構(gòu)(例如，第二金屬互連層Ml和第三金屬互連層Vl形成連續(xù)的銅材料且它們之間沒(méi)有設(shè)置金屬催化層)。
[0053]在金屬互連層V0、M1、Vl和ILD層104a_104c之間設(shè)置自成形的阻擋層108。自成形的阻擋層108阻止金屬互連層W、Ml、Vl內(nèi)的金屬分子擴(kuò)散至ILD層104a_104c。在一些實(shí)施例中，自成形的阻擋層108包括金屬氧化物或者金屬硅酸鹽氧化物。
[0054]圖2示出用于在集成芯片上形成后道工序互連層的方法200的一些實(shí)施例的流程圖。應(yīng)該理解，可以反復(fù)實(shí)施方法200的操作204-208以在后道工序金屬互連堆疊件內(nèi)形成多個(gè)金屬互連層。
[0055]操作202中，提供半導(dǎo)體襯底。
[0056]操作204中，使用一個(gè)或多個(gè)自組裝單層(SAM)在半導(dǎo)體襯底上限定金屬互連層區(qū)域。金屬互連層區(qū)域是后續(xù)將形成金屬互連層的金屬結(jié)構(gòu)(例如，金屬溝槽或金屬通孔)的區(qū)域。通過(guò)在半導(dǎo)體襯底的表面上沉積一個(gè)或多個(gè)自組裝單層來(lái)限定金屬互連層區(qū)域。
[0057]在一些實(shí)施例中，通過(guò)在金屬互連層區(qū)域的外面沉積SAM來(lái)限定金屬互連層區(qū)域，SAM具有阻止金屬容易地粘附至SAM的界面特性的頭基。在這樣的實(shí)施例中，SAM將使得金屬在金屬互連層區(qū)域內(nèi)累積而阻止金屬在金屬互連層區(qū)域外面累積。
[0058]在一些其他的實(shí)施例中，通過(guò)在半導(dǎo)體襯底上沉積一個(gè)或多個(gè)SAM并且隨后在半導(dǎo)體襯底的表面上對(duì)金屬互連層區(qū)域開(kāi)口來(lái)限定金屬互連層區(qū)域。一個(gè)或多個(gè)SAM具有不允許金屬容易地粘附至該一個(gè)或多個(gè)SAM的界面特性的端基，而金屬互連層區(qū)域的開(kāi)口具有允許金屬容易地粘附至金屬互連層區(qū)域的開(kāi)口的界面特性。
[0059]操作206中，在金屬互連層區(qū)域內(nèi)的半導(dǎo)體襯底上選擇性地沉積包括多個(gè)金屬結(jié)構(gòu)的金屬互連層。金屬互連層可以包括被配置以提供橫向互連的金屬線層或者被配置以提供垂直互連的金屬通孔層。在一些實(shí)施例中，使用化學(xué)鍍工藝來(lái)形成金屬互連層，該化學(xué)鍍工藝由設(shè)置在金屬互連層區(qū)域中的晶種材料生成多個(gè)金屬結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施例中，晶種材料可以包括下面的金屬互連層，而在其他實(shí)施例中晶種材料可以包括金屬催化層。在一些實(shí)施例中，金屬互連層可以包括摻雜有摻雜合金的第一金屬(例如銅)，摻雜合金包含濃度低于第一金屬的第二金屬(例如鑰)。
[0060]操作208中，在半導(dǎo)體襯底上形成ILD層。以填充在金屬互連層的多個(gè)金屬結(jié)構(gòu)之間的區(qū)域中的方式在半導(dǎo)體襯底上形成ILD層。在一些實(shí)施例中，ILD層可以包括低k介電層或者極低k介電層。
[0061]操作210中，加熱半導(dǎo)體襯底以形成自成形的阻擋層。通過(guò)摻雜合金和ILD層之間的反應(yīng)在金屬互連層和ILD層之間的界面處形成自成形的阻擋層。自成形的阻擋層阻止金屬互連層擴(kuò)散至ILD層中。
[0062]因此，方法200通過(guò)在由一個(gè)或多個(gè)自組裝單層限定的區(qū)域中形成金屬結(jié)構(gòu)以及隨后在金屬結(jié)構(gòu)之間形成ILD層來(lái)生成金屬互連層。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，由于在金屬結(jié)構(gòu)上形成ILD層，所以消除了傳統(tǒng)的雙鑲嵌工藝中出現(xiàn)的蝕刻問(wèn)題(例如，過(guò)蝕刻ULK、小平面缺陷、柵欄缺陷等)。
[0063]圖3示出用于在集成芯片上形成后道工序(BEOL)金屬互連層的示例性方法300的一些實(shí)施例的流程圖。
[0064]雖然以下示出和描述了所公開(kāi)的方法(例如方法200和300)的一系列操作或事件，但是應(yīng)該理解，所示出的這些行為或事件的順序不作限制性解釋。例如，一些行為可以以不同的順序發(fā)生和/或與不同于本文中所示出和/或所描述的其他操作或事件同時(shí)發(fā)生。此外，可以不需要所示出的所有行為來(lái)實(shí)施本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面或?qū)嵤├６?，可以以一個(gè)或多個(gè)分離的操作和/或階段來(lái)執(zhí)行本文所描述的一個(gè)或多個(gè)操作。
[0065]操作302中，提供半導(dǎo)體襯底。半導(dǎo)體襯底可以包括任何類型的半導(dǎo)體基體(例如，硅、SiGe、S0I)，諸如半導(dǎo)體晶圓和/或晶圓上的一個(gè)或多個(gè)管芯，以及任何其他類型的半導(dǎo)體和/或與此相關(guān)聯(lián)的外延層。在一些實(shí)施例中，半導(dǎo)體襯底包括硅原料，諸如具有〈100〉取向的單晶硅。在其他實(shí)施例中，半導(dǎo)體襯底可以是生長(zhǎng)在半導(dǎo)體的表面上的外延層。
[0066]操作304中，在設(shè)置在半導(dǎo)體襯底上方的第一 ILD層內(nèi)形成第一金屬互連層。在一些實(shí)施例中，第一金屬互連層可以包括通孔/接觸層，其將后道工序金屬互連堆疊件(例如，金屬互連層M1、V1等)連接至半導(dǎo)體襯底內(nèi)的多個(gè)半導(dǎo)體器件。
[0067]操作306中，在第一 ILD層上選擇性地沉積第一自組裝單層(SAM)。第一 SAM包括通過(guò)分子鏈連接至端基的頭基。在一些實(shí)施例中，頭基包括使第一 SAM吸引至第一 ILD層的親水的界面特性，從而允許第一 SAM容易地粘附至第一 ILD層而不是第一金屬互連層。在一些實(shí)施例中，端基提供疏水的界面特性。疏水的界面特性排斥金屬，從而阻止金屬粘附至第一 SAM。
[0068]操作308中，在第一金屬互連層上選擇性地沉積第二自組裝單層(SAM)。第二 SAM包括通過(guò)分子鏈連接至端基的頭基。在一些實(shí)施例中，頭基包括使第二 SAM吸引至第一金屬互連層的親水的界面特性，從而允許第二 SAM容易地粘附至第一金屬互連層而不是第一ILD層。在一些實(shí)施例中，端基提供了排斥金屬的疏水的界面特性，從而阻止金屬粘附至第
二SAM。
[0069]操作310中，將第一 SAM和/或第二 SAM選擇性地暴露于輻射源以光圖案化第一SAM和第二 SAM。在一些實(shí)施例中，輻射源可以包括生成紫外(UV)輻射圖案的紫外輻射源。將第一 SAM和/或第二 SAM選擇性地暴露于紫外輻射圖案的操作使得暴露區(qū)域降解，從而可以在不去除未暴露的第一 SAM和第二 SAM的區(qū)域的情況下選擇性地去除暴露區(qū)域。
[0070]操作312中，選擇性地去除第一 SAM和第二 SAM的暴露(即被降解)區(qū)域以形成一個(gè)或多個(gè)開(kāi)口，一個(gè)或多個(gè)開(kāi)口限定將要形成第二金屬互連層的金屬互連層區(qū)域。
[0071]操作314中，可以在金屬互連層區(qū)域中選擇性地沉積金屬催化層。金屬催化層起晶種層的作用，通過(guò)金屬鍍工藝可以由晶種層形成金屬互連層。在一些實(shí)施例中，金屬催化層可以包括鈀層。
[0072]操作316中，實(shí)施化學(xué)鍍工藝以形成第二金屬互連層，第二金屬互連層包括位于金屬互連層區(qū)域中的多個(gè)獨(dú)立的金屬結(jié)構(gòu)。使用化學(xué)鍍工藝和金屬鍍工藝(不使用電極)形成第二金屬互連層。
[0073]操作318中，在位于第二金屬互連層的多個(gè)獨(dú)立的金屬結(jié)構(gòu)之間的區(qū)域中的半導(dǎo)體上形成第二 ILD層。
[0074]在一些實(shí)施例中，可以在操作320中平坦化半導(dǎo)體襯底。半導(dǎo)體襯底的平坦化從襯底去除了多余的電介質(zhì)和金屬材料以實(shí)現(xiàn)具有合適的高度和平坦化表面的金屬互連層，可以在該平坦化表面上形成后續(xù)的金屬互連層。在一些實(shí)施例中，可以反復(fù)重復(fù)操作304-320以在半導(dǎo)體襯底上形成多個(gè)金屬互連層(例如，第一金屬互連層、位于第一金屬互連層上方的第二金屬互連層等)。
[0075]操作322中，對(duì)半導(dǎo)體襯底進(jìn)行退火以形成自成形的阻擋層。在退火期間，半導(dǎo)體襯底暴露于提升的溫度中。自成形的阻擋層阻止了金屬結(jié)構(gòu)至相鄰的介電材料中的擴(kuò)散。
[0076]圖4-15的截面圖示出了方法300在其上實(shí)施的示例性半導(dǎo)體襯底的一些實(shí)施例。
[0077]圖4示出了對(duì)應(yīng)于操作302的截面圖400的一些實(shí)施例。截面圖400示出了半導(dǎo)體襯底102的一個(gè)實(shí)例。半導(dǎo)體襯底102包括非外延的硅襯底。
[0078]圖5示出了對(duì)應(yīng)于操作304的截面圖500的一些實(shí)施例。如截面圖500所示，在半導(dǎo)體襯底102上形成第一 ILD層104a。在第一 ILD層104a內(nèi)形成第一金屬互連層V0。在一些實(shí)施例中，第一金屬互連層VO包括接觸/通孔層。接觸/通孔層可以包括例如鎢材料。
[0079]圖6示出對(duì)應(yīng)于操作306和308的截面圖600的一些實(shí)施例。如截面圖600所示，在第一 ILD層104a上選擇性地沉積第一自組裝單層(SAM) 106，并且在第一金屬互連層VO上沉積第二自組裝單層(SAM) 112。在一些實(shí)施例中，所沉積的第一 SAM106和第二 SAM112的厚度基本上相同。
[0080]在一些實(shí)施例中，第一 SAM106包括粘附至第一 ILD層104a而不是第一金屬互連層VO的頭基，而第二 SAM112包括粘附至第一金屬互連層VO的頭基。在這樣的實(shí)施例中，可以通過(guò)旋涂在半導(dǎo)體襯底102上沉積第一 SAM106和第二 SAMl 12。一旦被旋涂在半導(dǎo)體襯底上，第一 SAM106將粘附至第一 ILD104a而不是第一金屬互連層V0。然后第二 SAM112旋涂在位于半導(dǎo)體襯底102上方的第一金屬互連層VO上。
[0081]圖7A-7B示出本文所提供的第一 SAM和第二 SAM的一些實(shí)施例。
[0082]如圖7A中的700所示，在包括ILD層104的襯底上形成第一 SAM106。第一 SAM106包括通過(guò)分子鏈704 (即尾巴)的方式連接至端基706 (即官能團(tuán))的頭基702。頭基702具有使第一 SAM106吸引至ILD層104的親水的界面特性。在一些實(shí)施例中，頭基702可以包括三氯化硅(SiCl3)或者三甲氧基甲硅烷(Si (OCH3)3),其提供親水的界面特性。在一些實(shí)施例中，分子鏈704可以包括烷基鏈，諸如亞甲基(CH2)n。端基706具有排斥金屬的疏水的界面特性，從而阻止金屬粘附至第一 SAM106。在一些實(shí)施例中，端基706可以包括甲基(CH3),其提供疏水的界面特性。
[0083]如圖7B中的708所示，第二 SAM112形成在包括金屬互連層716的襯底上。第二SAMl 12包括通過(guò)分子鏈712 (即尾巴)的方式連接至端基714 (即官能團(tuán))的頭基710。頭基710具有使第二 SAMl 12吸引至金屬互連層716的親水的界面特性。在一些實(shí)施例中，頭基710可以包括巰基或者硫醇，其提供親水的界面特性。在一些實(shí)施例中，分子鏈712可以包括烷基鏈，諸如亞甲基(CH2)n。端基714具有排斥金屬的疏水的界面特性，從而阻止金屬粘附至第二 SAM112。在一些實(shí)施例中，端基714可以包括甲基(CH3)，其提供疏水的界面特性。
[0084]圖8示出對(duì)應(yīng)于操作312的截面圖800的一些實(shí)施例。如截面圖800所示，光刻膠802用于選擇性地將第一 SAM106和第二 SAMl 12暴露于紫外輻射804。在第一 SAM106和第二 SAMl 12的暴露于紫外輻射804的區(qū)域中，SAM分子被光氧化，這減少了 SAM層。
[0085]圖9示出了對(duì)應(yīng)于操作312的截面圖900的一些實(shí)施例。如截面圖900所示，從襯底去除暴露于紫外輻射804的第一 SAM106和第二 SAM112的區(qū)域，從而產(chǎn)生多個(gè)開(kāi)口114a-114b。在一些實(shí)施例中，可以使用極性溶劑沖洗掉暴露于紫外輻射804的第一 SAM106和第二 SAM112的區(qū)域的SAM分子。在從第一 ILD層104a上方去除第一 SAM106之后，第一 ILD層104a的暴露表面可以包括OH鍵。第一 SAM106和第二 SAM112中的多個(gè)開(kāi)口114a-114b限定將形成第二金屬互連層的金屬互連層區(qū)域。
[0086]圖10示出對(duì)應(yīng)于操作314的截面圖1000的一些實(shí)施例。如截面圖1000所示，在第一 SAM106和第二 SAM112中的開(kāi)口 114a_114b內(nèi)沉積金屬催化層110。在一些實(shí)施例中，第一 SAM106和第二 SAM112的端基(例如，CH3)包括疏水表面，該疏水表面阻止金屬催化層(例如鈀)粘附至被第一 SAM106和第二 SAM112覆蓋的區(qū)域中的襯底。在這樣的實(shí)施例中，可以在已經(jīng)去除第一 SAM106和第二 SAM112的親水區(qū)域中選擇性地沉積金屬催化層(例如鈀)。
[0087]圖11示出對(duì)應(yīng)于操作316的截面圖1100的一些實(shí)施例。如截面圖1100所示，化學(xué)鍍工藝形成獨(dú)立于金屬催化層110的第二金屬互連層Ml的金屬結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施例中，將襯底浸入包括金屬離子1104 (例如，銅離子)和還原劑的化學(xué)鍍?nèi)芤?102中。在不施加外部電源的情況下，化學(xué)鍍?nèi)芤褐械倪€原劑使得化學(xué)鍍?nèi)芤?102中的金屬離子1104沉積到金屬催化層110上。在一些實(shí)施例中，金屬離子1104包括銅離子。在其他實(shí)施例中，金屬離子1104可以包括例如鋁、鎢、鑰、鈦、氮化鈦、氮化鉭或者金屬硅化物。
[0088]在一些實(shí)施例中，化學(xué)鍍?nèi)芤?102進(jìn)一步包括合金摻雜物1106。合金摻雜物1106與金屬離子1104混合從而得到包含金屬離子1104和合金摻雜物1106的獨(dú)立的金屬結(jié)構(gòu)。隨后可以通過(guò)退火激活(例如，操作320)合金摻雜物1106以形成自成形的阻擋層。在各種實(shí)施例中，合金摻雜物1106包括鎂(Mg)、鋁(Al)、鉻(Cr)、錳(Mn)、鈦(Ti)、鋯(Zr)、銀(Ag)、鈮(Nb)、硼(B)、銦(In)、錫(Sn)和鑰(Mo)中的一種或多種。
[0089]圖12示出對(duì)應(yīng)于操作318的截面圖1200的一些實(shí)施例。如截面圖1200所示，第二 ILD層104b填充在第二金屬互連層Ml的獨(dú)立的金屬結(jié)構(gòu)之間的區(qū)域中。在一些實(shí)施例中，第二 ILD層104b可以包括極低k (ULK)旋涂玻璃(例如，具有介電常數(shù)k ^ 2.2)。這樣的ULK旋涂玻璃(SOG)是可以以液態(tài)形式施加到襯底中的層間介電材料。ULK旋涂玻璃可以通過(guò)旋涂沉積到襯底表面，并且填充在獨(dú)立的金屬結(jié)構(gòu)之間的區(qū)域中，從而在既有的金屬和/或接觸結(jié)構(gòu)周圍形成基本上平坦化的極低k介電材料。
[0090]在一些實(shí)施例中，可以在沉積第二 ILD層104b之后平坦化半導(dǎo)體襯底的表面。在一些實(shí)施例中，例如 可以使用化學(xué)機(jī)械拋光工藝(CMP)平坦化半導(dǎo)體襯底以從執(zhí)行在先的加工操作后保留的襯底表面去除多余的材料(例如，金屬、介電材料)。CMP工藝形成基本上平坦的襯底表面。
[0091]圖13-15示出截面圖1300-1500的一些實(shí)施例，示出方法300的重復(fù)操作以在后道工序堆疊件中形成另外的金屬互連層(例如VI)。
[0092]參考截面圖1300，在第二 ILD層104b上沉積第一 SAM106，并且在第二金屬互連層Ml上沉積第二 SAM112。從開(kāi)口 116a處的第二金屬互連層Ml上方去除第二 SAM112，開(kāi)口116a限定將要形成第三金屬互連層的金屬互連層區(qū)域。
[0093]參考截面圖1400，在開(kāi)口 116a處的第二金屬互連層Ml上形成第三金屬互連層VI。由于第二金屬互連層Ml是導(dǎo)電或催化材料，所以沒(méi)有必要在開(kāi)口 116a中沉積金屬催化層。因此，所得到的金屬堆疊件不包括位于第二金屬互連層Ml和第三金屬互連層Vl之間的金屬催化層。而且，由于不在第二金屬互連層Ml上方形成第三金屬互連層VI，所以并不從第二金屬互連層Ml上方去除第二 SAM112。
[0094]參考截面圖1500，第三ILD層104c填充在第三金屬互連層Vl的金屬結(jié)構(gòu)之間的區(qū)域中。
[0095]圖16是對(duì)應(yīng)于操作320的截面圖1600。如截面圖1600所示，通過(guò)將襯底暴露于增加襯底溫度的熱能1602中來(lái)對(duì)襯底退火。退火使得金屬互連層V0、M1和Vl中的合金摻雜物與周圍的層間介電層104a、104b和104c反應(yīng)以形成自成形的阻擋層108。在金屬互連層和層間介電層之間設(shè)置自成形的阻擋層108。在一些實(shí)施例中，自成形的阻擋層108包括金屬氧化物或者金屬硅酸鹽氧化物。[0096]在一些實(shí)施例中，將半導(dǎo)體襯底暴露于小于或等于400 V的溫度下?？梢愿鶕?jù)用于形成自成形的阻擋層的合金摻雜物元素來(lái)改變退火時(shí)間?？梢酝ㄟ^(guò)改變退火的溫度和時(shí)間長(zhǎng)度來(lái)改變自成形的阻擋層的厚度。
[0097]應(yīng)該理解，整個(gè)說(shuō)明書(shū)是參考示例性結(jié)構(gòu)論述本文所描述的方法的各方面，這些方法不受所給出的相應(yīng)結(jié)構(gòu)的限制。例如，圖15中列出的方法不限于圖6-15中所示出的結(jié)構(gòu)。相反，可以彼此獨(dú)立和單獨(dú)地實(shí)施方法和結(jié)構(gòu)，而不必考慮附圖中所描述的任何具體方面。此外，可以以任何合適的方式來(lái)形成本文所描述的層，諸如旋涂、濺射、生長(zhǎng)和/或沉積技術(shù)等。
[0098]而且，本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀和/或理解說(shuō)明書(shū)和附圖的基礎(chǔ)上可以作出等同的更改和/或修改。本發(fā)明包括所有這樣的修改和更改并且通常不旨在用于限制。例如，盡管本文中示出和描述的附圖具有具體的摻雜類型，但是應(yīng)該理解本領(lǐng)域技術(shù)人員可以采用可選的摻雜類型。
[0099]此外，雖然參考若個(gè)實(shí)施例中的一個(gè)已公開(kāi)具體的特征或方面，然而如所期望的可以將這些特征或方面與其他實(shí)施方式的一個(gè)或多個(gè)其他特征和/或方面結(jié)合。而且，本文所使用的術(shù)語(yǔ)“包含”、“具有”、“帶有”、“有”和/或它們的派生詞意圖包括在類似“包括”的含義內(nèi)。而且，“示例性”僅意味著一個(gè)實(shí)例而不是最好的。還應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，為簡(jiǎn)單和易于理解的目的，本文所描述的部件、層和/或元件相對(duì)于另一個(gè)部件、層和/或元件具有具體的尺寸和/或方位，但實(shí)際尺寸和/或方位可以與本文所示出的不同。
[0100]因此，本發(fā)明涉及一種形成后道工序金屬互連層的方法，其降低了對(duì)金屬互連層周圍的介電材料的損傷。
[0101]在一些實(shí)施例中，本發(fā)明涉及一種形成金屬后道工序互連層的方法。該方法包括在半導(dǎo)體襯底上沉積一個(gè)或多個(gè)自組裝單層以限定金屬互連層區(qū)域。該方法進(jìn)一步包括在金屬互連層區(qū)域內(nèi)的半導(dǎo)體襯底上選擇性地沉積包括多個(gè)金屬結(jié)構(gòu)的金屬互連層。該方法進(jìn)一步包括在多個(gè)金屬結(jié)構(gòu)之間的區(qū)域中的半導(dǎo)體襯底上沉積層間介電層。
[0102]在其他實(shí)施例中，本發(fā)明涉及一種形成后道工序金屬互連層的方法。該方法包括在設(shè)置在襯底上的下面的第一層間介電層上選擇性地沉積第一自組裝單層(SAM)，并且在設(shè)置在襯底上的下面的金屬互連層上選擇性地沉積第二自組裝單層(SAM)。該方法進(jìn)一步包括選擇性地將第一 SAM或第二 SAM暴露于輻射，其中輻射降解第一 SAM或者第二 SAM的一部分。該方法進(jìn)一步包括去除第一 SAM或第二 SAM的降解部分。該方法進(jìn)一步包括在第一 SAM或第二 SAM的去除區(qū)域化學(xué)鍍包含一種或多種金屬的金屬互連層。該方法進(jìn)一步包括在多個(gè)金屬結(jié)構(gòu)之間的區(qū)域中的襯底上選擇性地形成第二層間介電層。該方法進(jìn)一步包括在形成第二層間介電層之后對(duì)襯底進(jìn)行退火，其中對(duì)襯底進(jìn)行退火形成在多個(gè)金屬結(jié)構(gòu)和第二層間介電層之間的自成形的阻擋層。
[0103]在其他實(shí)施例中，本發(fā)明涉及集成芯片，該集成芯片包括設(shè)置在第一層間介電層內(nèi)的第一金屬互連層。第一自組裝單層(SAM)位于第一層間介電層上方并且具有一個(gè)或多個(gè)開(kāi)口。第二層間介電層位于第一 SAM上。第二金屬互連層設(shè)置在第二層間介電層中并且位于第一 SAM中的一個(gè)或多個(gè)開(kāi)口中。
【權(quán)利要求】
1.一種形成金屬后道工序互連層的方法，包括: 在半導(dǎo)體襯底上沉積一個(gè)或多個(gè)自組裝單層以限定金屬互連層區(qū)域； 在所述金屬互連層區(qū)域內(nèi)的半導(dǎo)體襯底上選擇性地沉積包括多個(gè)金屬結(jié)構(gòu)的金屬互連層；以及 在所述多個(gè)金屬結(jié)構(gòu)之間的區(qū)域中的半導(dǎo)體襯底上沉積層間介電層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，沉積所述一個(gè)或多個(gè)自組裝單層包括: 在下面的層間介電層上選擇性地沉積第一自組裝單層(SAM); 在下面的金屬互連層上選擇性地沉積第二自組裝單層(SAM); 將所述半導(dǎo)體襯底選擇性地暴露于紫外輻射圖案，其中所述紫外輻射圖案降解所述第一SAM的一部分或所述第二 SAM的一部分；以及 去除所述第一 SAM或所述第二 SAM的被降解部分以形成金屬互連層區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述第一SAM包括: 頭基，包含三氯化硅(SiCl3)或三甲氧基甲硅烷(Si (OCH3)3)； 烷基鏈；以及 端基，包含甲基。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述第二SAM包括: 頭基，包含疏基或硫醇； 烷基鏈；以及 端基，包含甲基。
5.一種形成后道工序(BEOL)金屬互連層的方法，包括: 在位于襯底上的下面的第一層間介電層上選擇性地沉積第一自組裝單層膜(SAM)；在位于所述襯底上的下面的金屬互連層上選擇性地沉積第二自組裝單層膜(SAM)；將所述第一 SAM或所述第二 SAM選擇性地暴露于輻射，其中所述輻射使所述第一 SAM或所述第二 SAM的一部分被降解； 去除所述第一 SAM或所述第二 SAM的被降解部分； 化學(xué)鍍金屬和合金摻雜物以在所述第一 SAM或所述第二 SAM的被去除區(qū)域形成包括一個(gè)或多個(gè)金屬結(jié)構(gòu)的第一金屬互連層； 在所述多個(gè)金屬結(jié)構(gòu)之間的區(qū)域中的襯底上選擇性地形成第二層間介電層；以及在形成所述第二層間介電層之后對(duì)所述襯底進(jìn)行退火，對(duì)所述襯底進(jìn)行退火在所述多個(gè)金屬結(jié)構(gòu)和所述第二層間介電層之間形成自成形阻擋層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，進(jìn)一步包括: 在去除所述第一 SAM或所述第二 SAM的被降解部分之后選擇性地沉積鈀層。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，進(jìn)一步包括: 通過(guò)重復(fù)選擇性沉積所述第一 SAM和所述第二 SAM、選擇性暴露所述第一 SAM或所述第二SAM、去除所述第一 SAM或所述第二 SAM的被降解部分以及所述化學(xué)鍍工藝，在所述BEOL金屬互連層上方形成另外的BEOL金屬互連層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，進(jìn)一步包括: 在所述另外的BEOL金屬互連層的多個(gè)金屬結(jié)構(gòu)之間的區(qū)域中的襯底上選擇性沉積第二層間介電層。
9.一種集成芯片，包括: 第一金屬互連層，設(shè)置在第一層間介電層內(nèi)； 第一自組裝單層(SAM),設(shè)置在所述第一層間介電層上方并且具有一個(gè)或多個(gè)開(kāi)口 ； 第二層間介電層，設(shè)置在所述第一 SAM上 ；以及 第二金屬互連層，設(shè)置在所述第二層間介電層中并且位于所述第一 SAM的一個(gè)或多個(gè)開(kāi)口中。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的集成芯片，進(jìn)一步包括: 第二自組裝單層(SAM)，選擇性地位于部分所述第一金屬互連層或所述第二金屬互連層上方。
【文檔編號(hào)】H01L21/768GK103996652SQ201310190400
【公開(kāi)日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2013年5月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月20日
【發(fā)明者】郭啟良, 郭子駿, 李香寰 申請(qǐng)人:臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司