TWI546862B - 用於互連之裝置及用以形成金屬互連體的方法 - Google Patents

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Description

用於互連之裝置及用以形成金屬互連體的方法 發明領域
本發明之實施例大致上係有關於半導體製程、積體電路、金屬電氣互連體、及用於金屬互連體之襯墊層。
 發明背景
不斷地縮小積體電路(IC)的期望需求對用來組成IC裝置的材料造成巨大的效能要求。概略言之，積體電路晶片又稱作為微晶片、矽晶片、或晶片。IC晶片係出現於多種常見裝置，諸如電腦、汽車、電視機、CD播放器、及行動電話的微處理器。多個IC晶片典型地建在矽晶圓(具有例如300毫米直徑的薄型矽圓片)上，及在該晶圓的製程處理後，經切割晶粒來形成個別晶片。具有特徵結構大小約為90奈米的一平方厘米IC晶片可能包含數以萬萬計的組件。目前技術正在朝特徵結構甚至小於45奈米方向推進。
依據本發明之一實施例，係特地提出一種裝置包含一基體具有於該基體之一表面上之一層介電材料，該介電材料具有形成於其中之一凹部，其中該凹部具有至少一側，及該凹部之該側係接觸一金屬合金層，其中該金屬合金層係包含銀及選自於由鑭、鈦、鎢、鋯、銻、及鈣所組成之組群中之一第二成分，其中該凹部係以銅填充，及其中該金屬層係在該銅與該介電材料間。
圖式簡單說明
第1圖顯示用於積體電路晶片之互連體結構具有在該金屬互連體與組成該積體電路晶片之其它組件(例如介電材料)間之襯墊層。
第2A至2E圖示範說明一種用以形成可用於積體電路晶片之金屬互連體結構的襯墊層之方法。
第3圖描述一種用以形成可用於積體電路晶片之金屬互連體結構的襯墊層之方法。
 較佳實施例之詳細說明
積體電路(IC)晶片中介於電子裝置(例如電晶體)間之電子連結目前典型地係使用銅金屬或銅金屬合金製成。IC晶片的裝置不僅只可配置於IC晶片表面上，同時也可以多層堆疊在IC晶片上。組成IC晶片的電子裝置間之電氣互連係使用以傳導性材料填充的通孔及溝槽建立。絕緣材料且經常地為低k介電材料層隔開IC晶片中的各個組件及裝置。
IC電路晶片之裝置建構於其上之基體例如為矽晶圓或絕緣體上矽基體。矽晶圓乃典型地用在半導體製程工業的基體，但本發明之實施例並非取決於所使用的基體型別。基體也可包含鍺、銻化銦、碲化鉛、砷化銦、磷化銦、砷化鎵、銻化鎵、及或其它III-V族材料，或為單獨使用或組合矽或二氧化矽或其它絕緣材料使用。組成IC晶片的裝置係建構在基體表面上。
至少一個電介質層係沈積在基體上。介電材料包括但非限於二氧化矽(SiO2)、低k電介質、矽氮化物、及或矽氧氮化物。電介質層選擇性地包含孔隙或其它空隙來更進一步減低其介電常數。典型地，低k薄膜被視為具有介電常數小於二氧化矽的介電常數之任何薄膜，二氧化矽具有約3.9之介電常數。目前半導體製程典型使用具有約3至約2.7之介電常數的低k薄膜。積體電路裝置結構的製造經常也包括於低k(低介電常數)層間電介質(ILD)薄膜表面上設置二氧化矽(SiO2)薄膜或層或蓋層。低k薄膜可以是例如硼、磷、或摻碳矽氧化物。摻碳矽氧化物也可稱作為摻碳氧化物(CDO)及有機矽酸鹽玻璃(OSG)。
為了形成電氣互連體，電介質層係經製作圖案來製成一或多個溝槽及或通孔，在其中形成金屬互連體。溝槽及通孔等詞用於此處原因在於此等術語為聯結用來形成金屬互連體的特徵結構常用的術語。一般而言，用來形成金屬互連體的特徵結構乃具有任何形狀的凹部形成於基體內或沈積在基體的層內。該特徵結構係以傳導性互連體材料填充。溝槽及或通孔可使用習知濕或乾蝕刻半導體製程技術製作圖案(製作)。介電材料係用來將金屬互連體與周圍組件電氣絕緣。襯墊層係用在金屬互連體與介電材料間來防止金屬(諸如銅)遷移至周圍材料內。裝置故障例如可能發生於銅金屬接觸介電材料之情況時，原因在於銅金屬可能解離而穿透入介電材料內。此外，襯墊層係設置於介電材料、矽、及或其它材料與銅互連體間來加強銅與其它材料間之黏合。離層(由於材料間之黏著性不良所致)也是IC晶片製造上遭逢的困難，結果導致裝置故障。
本發明之實施例提供作為銅結構與電介質層間之襯墊的材料層。優異地，本發明之實施例提供具有比習知襯墊材料諸如，鉭(Ta)、TaN、鈦(Ti)、TiN、及WN更低電阻係數之材料層。本發明之實施例無需使用習知襯墊層，諸如TaN、TiN、及WN。此外，由於具有改良潤濕性質，本發明之實施例允許在銅沈積入通孔及或溝槽期間使用較薄的銅晶種層。當特徵結構尺寸縮小時，襯墊層尺寸放大允許在通孔及或溝槽內完成間隙的填補。
第1圖提供一種電氣互連體結構具有可用作為襯墊層的材料層。於第1圖中，積體電路晶片的金屬通孔105(或溝槽)係藉襯墊層110而與該裝置之其它組件分開，該襯墊層110襯墊通孔105(或溝槽)的底部及側部。金屬合金層110係位在電介質層115與金屬通孔105(或溝槽)間。電介質層115可以是例如俗稱為層間電介質層(ILD)。此外，於本實施例中，裝置額外具有蝕刻阻擋層120之特徵結構，該蝕刻阻擋層120係因裝置製造上的製程所致。蝕刻阻擋層可從介電材料例如氮化矽、氧氮化矽、及或碳化矽製成。選擇性地，第1圖之金屬互連體係與額外金屬互連體結構116(通孔或溝槽)及建構在通孔105(或溝槽)上方的額外金屬互連體結構(圖中未顯示)電氣通訊。互連體使用的金屬例如為銅、鋁(Al)、金(Au)、銀(Ag)及或其合金。於本發明之若干實施例中，用於互連體之金屬為銅，或該金屬為銅合金。
於第1圖中，金屬合金層110係由銀金屬合金薄層組成，該銀金屬合金包含銀及第二材料諸如，鑭(La)、鈦(Ti)、鎢(W)、鋯(Zr)、銻(Sb)、或鈣(Ca)。於其它實施例中，金屬合金層110額外地包含第三成分諸如，氮(N)、磷(P)、碳(C)、硫(S)、矽(Si)、鍺(Ge)、鋁(Al)、或硼(B)。金屬合金層110可阻斷銅遷移入相鄰電介質層。銀合金層110具有一單層至10奈米間之厚度。於額外實施例中，銀合金層110具有1奈米至10奈米間之厚度。第二材料係以0.1至66原子莫耳百分比之銀之數量存在於該襯墊層。於本額外實施例中，第二材料係以1至50原子莫耳百分比之銀之數量存在於該襯墊層。選擇性的第三成分係以0.1至66原子莫耳百分比之銀之數量存在於該襯墊層。於本額外實施例中，第三材料係以1至50原子莫耳百分比之銀之數量存在於該襯墊層。
於額外實施例中，第1圖之裝置包括在銀金屬合金層110與電介質層115間之額外層(圖中未顯示)。該額外層為諸如RuPx層(此處x為1至2間之數目且含)或其它襯墊材料諸如，鉭、氮化鉭、鈦、氮化鈦、及氮化鎢。由於金屬合金層110具有較低電阻係數值，此項組合提供比較具有相等厚度的習知襯墊材料更減低的電阻。
於本發明之實施例中，第二(及或第三)材料並不必要均勻分布於銀層內部。舉例言之，第二(及或第三)合金材料優先積聚在溝槽或通孔側壁表面上(例如在其中形成溝槽或通孔的介電材料表面上，或在銀合金層與介電材料間之一層表面上)。
優異地於本發明之實施例中，並無任何鉭或氮化鉭黏合層係用在銀合金層。使用包含Ta、TaN、Ti、TiN、或WN的襯墊層於金屬互連體結構，比較不含Ta、TaN、Ti、TiN、或WN襯墊層的互連體可提高互連體結構之電阻。此外，於本發明之實施例中，於互連體結構之形成期間，可使用相當薄的銅晶種。銅晶種層厚度的弛張要求允許使用金屬填補技術諸如電沈積(電鍍)形成更小型特徵結構及具有較高縱橫比的特徵結構。
第2A-E圖例示說明形成金屬互連體結構之襯墊層之方法。於第2A圖中，欲以傳導性材料填補來形成電氣互連體的凹部205(例如通孔或溝槽、或間隙)係設置於基體210。凹部205典型地屬於在後端金屬化製程期間被填補的該型通孔，於該製程中半導體裝置(例如電晶體、電阻器、電容器)係在積體電路晶片內互連。凹部205例如係蝕刻入電介質層215(例如ILD層)。電介質層材料例如為二氧化矽、低k電介質、及或其它介電材料。第2圖之層220為於裝置製造期間產生的蝕刻阻擋層。金屬結構225乃電氣裝置互連體且包含傳導性金屬諸如銅金屬及銅金屬合金。薄銀合金層230例如係藉原子層沈積(ALD)、化學氣相沈積(CVD)、或物理氣相沈積(PVD)沈積，而獲得第2B圖之結構。取決於合金材料，230也可藉電解沈積或電鍍而沈積。薄銀合金層230係包含銀金屬與第二材料之合金，該第二材料諸如，鑭、鈦、鎢、鋯、銻、或鈣。於其它實施例中，薄銀合金層230額外地包含第三成分諸如，氮、磷、碳、硫、矽、鍺、鋁、或硼。於本發明之實施例中，薄銀合金層230係以單次沈積而從包含該層成分之前驅物沈積。於其它實施例中，薄金屬合金層係沈積為不同材料層而該等材料例如當退火時變成組合。銀合金層110具有一單層至10奈米間之厚度。於額外實施例中，銀合金層110具有1奈米至10奈米間之厚度。
銅晶種層235係沈積在第2B圖之結構上，及獲得第2C圖之結構。於其它實施例中，銅晶種層包含摻雜劑。選擇性地，摻雜劑例如為合金成分，諸如鑭、鈦、鎢、鋯、銻、或鈣。於本實施例中，其中銅晶種層含有摻雜劑，薄銀合金層230選擇性地為銀金屬層。於又其它實施例中，銅晶種層中的摻雜劑為金屬合金層的第三成分，諸如氮、磷、碳、硫、矽、鍺、鋁、或硼。當結構退火時，銅晶種層內的摻雜劑遷移入銀層而形成合金或混合物。選擇性摻雜劑係以占晶種層0.1至20原子莫耳百分比(at.%)之數量存在於銅晶種層。晶種層例如係藉PVD、CVD、沈積、或ALD沈積。選擇性地，晶種層為具有一單層至10奈米厚度之薄層。於額外實施例中，晶種層具有1奈米至10奈米之厚度。
然後電沈積銅互連體240材料(或其它傳導性材料)，及結構經退火而提供第2D圖之裝置。例如藉將結構加熱至250-400℃歷經2小時而完成退火。其它退火溫度及時間週期亦屬可能。化學機械研磨製程將銅互連體240頂部與電介質層215頂部平坦化而形成第2E圖之結構。然後例如額外互連體層(圖中未顯示)建構在第2E圖之結構上來形成已完成的IC裝置。
第3圖描述形成用於後端金屬化之襯墊層之方法，例如形成銅互連體用於積體電路晶片的電晶體裝置。於第3圖中，提供欲以傳導性金屬填補而形成導電互連體的溝槽或通孔。溝槽或通孔乃凹部，典型地係透過半導體工業使用的蝕刻製程而形成於電介質層諸如ILD層。溝槽或通孔的壁面及底部(凹部側壁)係以薄銀合金層被覆。該薄銀合金層係包含銀金屬與第二材料之合金，該第二材料諸如，鑭、鈦、鎢、鋯、銻、或鈣。於其它實施例中，薄銀合金層230額外地包含第三成分諸如，氮、磷、碳、硫、矽、鍺、鋁、或硼。於本發明之實施例中，薄銀合金層例如係藉ALD、CVD、或PVD沈積。然後沈積銅晶種層。銅晶種層例如係藉ALD、PVD、沈積或CVD而沈積。於本發明之實施例中，銅晶種層具有一單層至10奈米間之厚度。於額外實施例中，晶種層具有1奈米至10奈米間之厚度。然後透過電沈積程序(電化學鍍覆)溝槽或通孔係以金屬填補。結構的退火提供具有襯墊層的電氣互連體結構，防止金屬互連體材料之遷移入周圍材料。典型地，進一步製程處理包括化學機械研磨，平坦化互連體與層間介電材料，使得二者為大致上等高。
於其它實施例中，銅晶種層包含摻雜劑。摻雜劑可以是第二材料，諸如鑭、鈦、鎢、鋯、銻、或鈣其遷移而在退火時與銀形成合金。於其中銀合金層包含第三成分之其它實施例中，摻雜劑選擇性地為該第三成分，諸如氮、磷、碳、硫、矽、鍺、鋁、或硼。同理，當退火時，第三成分遷移入而與銀形成合金。
大致言之，電沈積程序包含金屬從包含欲沈積的金屬離子之電解液中沈積至半導體基體上。在基體上設置負偏壓。電解質溶液可稱作為鍍覆浴或電鍍浴。金屬正離子係被吸引至負偏壓基體。負偏壓基體還原該等離子，金屬沈積至基體上。
熟諳技藝人士將瞭解全部揭示及所示及所述各個組件之組合及取代可有修改及變化。本說明書全文中述及「一個實施例」或「一實施例」表示就該實施例描述的特定特徵、結構、材料或特性係含括於至少一個本發明之實施例，但非必要表示存在於每個實施例。此外，特定特徵、結構、材料或特性可以任一種適當方式組合於一或多個實施例。於其它實施例中可含括多個額外層或結構及或可刪除所描述的特徵結構。
105．．．金屬通孔、通孔
110．．．襯墊層、金屬合金層、銀合金層
115、215‧‧‧電介質層
116‧‧‧金屬互連體結構(通孔或溝槽)
120‧‧‧蝕刻阻擋層
205‧‧‧凹部
210‧‧‧基體
220‧‧‧層
225‧‧‧金屬結構
230‧‧‧薄銀合金層
235‧‧‧銅晶種層
240‧‧‧銅互連體
第1圖顯示用於積體電路晶片之互連體結構具有在該金屬互連體與組成該積體電路晶片之其它組件(例如介電材料)間之襯墊層。
第2A至2E圖示範說明一種用以形成可用於積體電路晶片之金屬互連體結構的襯墊層之方法。
第3圖描述一種用以形成可用於積體電路晶片之金屬互連體結構的襯墊層之方法。
105．．．金屬通孔
110．．．金屬合金層
115．．．電介質層
116．．．金屬互連體結構
120．．．蝕刻阻擋層

Claims (21)

  1. 一種用於互連之裝置，其包含：一基體，其包含一層介電材料，該層介電材料包含形成於其中之一凹部，一金屬合金層，其中該凹部具有至少一側，及包含該凹部之該側之該層介電材料係直接接觸該金屬合金層，其中該金屬合金層係包含有銀及選自於由鑭、鈦、鎢、鋯、銻、及鈣所組成之組群中的一第二成分，以及於該凹部內之一銅層，其中該金屬合金層係於該銅層與該層介電材料之間，且其中該金屬合金層係直接接觸在該凹部中的該銅層。
  2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該第二成分係以1至50原子莫耳百分比之數量存在於該金屬合金層。
  3. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該凹部不具有包含鉭的一層，該凹部不具有包含氮化鉭的一層，該凹部不具有包含氮化鈦的一層，且該凹部不具有包含鎢的一層。
  4. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該金屬合金層為介於1奈米至10奈米厚。
  5. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該金屬合金層額外地包含選自於由氮、磷、碳、硫、矽、鍺、鋁、或硼所組成之組群中的一第三成分。
  6. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該凹部為一溝槽或通孔。
  7. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該第二成分係非均勻地分散遍布該金屬合金層。
  8. 一種用以形成金屬互連體的方法，該方法係包含以下步驟：提供一基體，其中該基體包含一介電層，其中在該介電層中有一凹部，且其中該凹部具有至少一個表面，直接地沈積一金屬合金層於在該介電層中的該凹部上，其中該金屬合金層係包含銀及選自於由鑭、鈦、鎢、銻、及鈣所組成之組群中的一第二成分，沈積一銅晶種層至該金屬合金層上，及沈積銅至該凹部內部。
  9. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該第二成分係以1至50原子莫耳百分比之數量存在於該金屬合金層。
  10. 如申請專利範圍第8項之方法，其中該銅係藉電沈積而沈積至該凹部內部。
  11. 如申請專利範圍第8項之方法，其中退火係出現在銅晶種層沈積之後、或出現在在銅沈積在該凹部內之後。
  12. 如申請專利範圍第8項之方法，其中從如申請專利範圍第8項之方法所得的銅填充凹部不具有包含鉭的一層，不具有包含氮化鉭的一層，不具有包含氮化鈦的一層，且不具有包含鎢的一層。
  13. 如申請專利範圍第8項之方法，其中該凹部為一溝槽或一通孔。
  14. 如申請專利範圍第8項之方法，其中該金屬合金層額外 地包含選自於由氮、磷、碳、硫、矽、鍺、鋁、或硼所組成之組群中的一第三成分。
  15. 一種用於互連之裝置，其包含：一基體，其包含一層介電材料，該層介電材料包含形成於其中之一凹部，一金屬合金層，其中該凹部具有至少一側，及該凹部的該側係直接接觸該金屬合金層，其中該金屬合金層係包含有銀及選自於由鑭、鈦、鎢、銻、及鈣所組成之組群中的一第二成分，以及於該凹部內之一銅層，其中該金屬合金層係於該銅層與該層介電材料之間，且該金屬合金層係直接接觸該銅層。
  16. 如申請專利範圍第15項之裝置，其中該第二成分係以1至50原子莫耳百分比之數量存在於該金屬合金層。
  17. 如申請專利範圍第15項之裝置，其中該凹部不具有包含鉭的一層，該凹部不具有包含氮化鉭的一層，該凹部不具有包含氮化鈦的一層，且該凹部不具有包含鎢的一層。
  18. 如申請專利範圍第15項之裝置，其中該金屬合金層為介於1奈米至10奈米厚。
  19. 如申請專利範圍第15項之裝置，其中該金屬合金層額外地包含選自於由氮、磷、碳、硫、矽、鍺、鋁、或硼所組成之組群中的一第三成分。
  20. 如申請專利範圍第15項之裝置，其中該凹部為一溝槽或 通孔。
  21. 如申請專利範圍第15項之裝置，其中該第二成份係不平均地分布於整個該金屬合金層。
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