專利名稱:形成可靠銅互連器的方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明是有關(guān)于在半導(dǎo)體裝置中的銅(Cu)及/或Cu合金金屬化,特別是有關(guān)于形成可靠Cu或Cu合金互連器的方法,例如在低介電常數(shù)材料中的單或雙鑲嵌結(jié)構(gòu)。本發(fā)明特別可應(yīng)用于制造具有亞微米設(shè)計(jì)部件(features)與有改善的電子遷移(electromigration)電阻的高導(dǎo)電率互連器的高速集成電路。
背景技術(shù):
對(duì)于高密度與操作性的逐漸上升的需求,造成對(duì)半導(dǎo)體制造技術(shù)的嚴(yán)格要求,特別是提供具電子遷移電阻的低R×C(電阻×電容)互連圖形的互連技術(shù),其中亞微米級(jí)通孔(via)、觸點(diǎn)及溝槽具高深寬比(aspect ratio)。常規(guī)半導(dǎo)體裝置包括半導(dǎo)體基材、典型摻雜單晶硅、及大量順序形成的層間介電材料以及導(dǎo)電圖形。集成電路的形成包含許多導(dǎo)電圖形,該導(dǎo)電圖形包括由線路間間隔(interwiring spacing)所分離的導(dǎo)線以及許多互連線路,例如總線、位線、字線與邏輯互連線路。典型地,在不同層,例如上層與下層的導(dǎo)電圖形是通過導(dǎo)電塞填充于通孔(via hole)中來(lái)電連接,而導(dǎo)電塞填充接觸孔建立在半導(dǎo)體基材,例如源/漏區(qū)上具有活性區(qū)域的電連接。于溝槽中形成的導(dǎo)線一般基本上是相對(duì)于半導(dǎo)體基材水平延伸。當(dāng)裝置幾何收縮至亞微米級(jí)時(shí),半導(dǎo)體“芯片(chip)”包括五級(jí)或更多級(jí)金屬化變得更為普遍。
填充于通孔的導(dǎo)電塞的形成一般是通過沉積層間介電材料(interlayer dielectric)于包括至少一導(dǎo)電圖形的導(dǎo)電層上,通過常規(guī)的光刻(photolithographic)及蝕刻技術(shù)形成穿過層間介電材料的開口,以及以例如鎢(W)的導(dǎo)電材料填充該開口。在層間介電材料表面的多余導(dǎo)電材料一般是通過化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)加以移除。其中常規(guī)的方法為鑲嵌方法且其基本上包括在層間介電材料中形成開口以及以金屬填充該開口。雙鑲嵌技術(shù)包括形成一開口,該開口包括一下部觸點(diǎn)或通孔部分用以連通至上部溝槽部分,其中該開口中填充導(dǎo)電材料,一般為金屬,以同時(shí)與導(dǎo)線電接觸的成導(dǎo)電塞。
高性能的微處理器應(yīng)用需要快速的半導(dǎo)體電路。半導(dǎo)體電路的控制速度與互連圖形的電阻及電容是呈反向變化。當(dāng)集成電路變得更加復(fù)雜以及特征尺寸與間距變得更小時(shí),該集成電路速度變得更少地依靠晶體管本身,而更加依賴該互連圖形。微型化需要具有小觸點(diǎn)與小截面的長(zhǎng)互連器。當(dāng)金屬互連器的長(zhǎng)度增加且截面面積及互連器之間的距離減小,則由互連線路產(chǎn)生的電阻×電容(R×C)延遲增加。假使互連節(jié)點(diǎn)是安排在一相當(dāng)大的距離上,例如在亞微米技術(shù)中的數(shù)百微米或更多,該互連電容限制電路節(jié)點(diǎn)的電容負(fù)載,以及進(jìn)而限制該電路速度。當(dāng)設(shè)計(jì)規(guī)格減小至約0.12微米或更小時(shí),由于集成電路速度延遲引起的抑制率(rejection rate)明顯減小產(chǎn)量以及增加制造成本。再者,由于線寬減少導(dǎo)電性,而電子遷移電阻變得更重要。
Cu或Cu合金已受到相當(dāng)大的注意,以作為取代在互連器金屬化中鋁的替代候選材料。Cu相對(duì)價(jià)格低廉、容易加工以及具有較Al為小的電阻(resistively)。此外,Cu相較于W具有改良電性能,使Cu成為用作導(dǎo)電塞以及導(dǎo)電線路的令人滿意的金屬材料。
形成Cu塞及線路的方法包括利用CMP的鑲嵌(damascene)結(jié)構(gòu)的使用。然而,由于Cu會(huì)穿過介電層材料間擴(kuò)散,例如二氧化硅,Cu互連結(jié)構(gòu)必須用擴(kuò)散阻障層包覆。典型的擴(kuò)散阻障金屬包括鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)、氮化鈦(TiN)、鈦(Ti)、鈦鎢(TiW)、鎢(W)、氮化鎢(WN)、鈦-氮化鈦(Ti-TiN)、氮硅化鈦(TiSiN)、氮硅化鎢(WSiN)、氮硅化鉭(TaSiN)以及氮化硅(silicon nitride)用以包覆Cu。使用該阻障材料包覆Cu,并非限制Cu與介電層間的界面(interface),而同樣地包含有其它金屬的界面。
還有額外問題伴隨常規(guī)互連方法。例如當(dāng)特征尺寸降低至深亞微米范圍,該深寬比增加且通常在互連器中產(chǎn)生空隙。參閱圖1,在下面的部件,例如金屬線,是形成在介電層10中,其上具有蓋層12(cappinglayer 12)。上方介電層13及15是插入蝕刻擋止層14(etch stop layer 14)而形成。雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的形成是通過在介電層13及15中蝕刻形成開口,沉積阻障金屬層16,沉積Cu或Cu合金以填充該開口,以及實(shí)施CMP以形成Cu線路17A,以連通下部的Cu通孔(Cu via)17B,而其電連接至下部的金屬部件11。接著沉積氮化硅蓋層18。空隙19的形成一般是不利地影響電路可靠性以及減少電子遷移的電阻。該空隙的形成是可能由于各種的原因,例如在完全填充具有降低尺寸的開口時(shí)的顯著困難,例如通孔開口約為0.21到0.23微米。
當(dāng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則延伸至更深亞微米范圍,該互連圖形的可靠性變成特別重要且電子遷移變得更加有問題。因此,需要方法使得能夠形成包覆的Cu及Cu合金互連器,以用于具更準(zhǔn)確的垂直金屬化水平,改良可靠性,增加電子遷移電阻以及降低接觸電阻。特別需要的方法是能夠形成Cu或Cu合金雙鑲嵌結(jié)構(gòu),其形成在具有低介電常數(shù)(k)的介電材料中,具有改良可靠性和電子遷移電阻以及降低的接觸電阻。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是具有高度可靠的Cu或Cu合金互連器的半導(dǎo)體裝置的制造方法,其改善電子遷移電阻與降低接觸電阻。
本發(fā)明的另外優(yōu)點(diǎn)與其它特征將于接下的說(shuō)明書中提出,同時(shí)部分將對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員依據(jù)接下來(lái)的查閱或由本發(fā)明的實(shí)施例中所學(xué)習(xí)而更加清楚。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)可在權(quán)利要求書所特別指出而予以了解與獲得。
根據(jù)本發(fā)明,該前述的與其它特點(diǎn)部分是通過制造半導(dǎo)體裝置的方法達(dá)到,該方法包括在介電層中形成開口;沉積Cu或Cu合金以填充該開口;以及于氨(NH3)中激光加溫退火(laser thermal annealing)該沉積的Cu或Cu合金。
本發(fā)明的具體實(shí)施方案包括在約0.28到約0.34焦耳/cm2的輻射通量(radiant fluence)下,通過在沉積的Cu或Cu合金上照射脈沖激光光束Cu或Cu合金進(jìn)行激光加溫退火,利用的NH3流速為約200到約2000sccm,將沉積的Cu或Cu合金的溫度提高到約983℃至約1183℃,由此回流(reflow)沉積的Cu或Cu合金且消除空隙。在激光加溫退火期間使用NH3有利地還原在回流之前及回流期間的銅氧化物(copper oxide),從而減少接觸電阻及改良裝置可靠性。
本發(fā)明的實(shí)施方案包括在激光加溫退火后接著執(zhí)行CMP以進(jìn)行平面化(planarizing),以使曝露的Cu或Cu合金表面基本上與介電層的上表面同平面,在包含NH3的等離子體中處理該曝露Cu或Cu合金表面,以移除銅氧化物,以及接著通過等離子體強(qiáng)化化學(xué)氣相沉積(PECVD)沉積氮化硅蓋層于該等離子體處理的表面上。
本發(fā)明的實(shí)施方案進(jìn)一步包括單及雙鑲嵌技術(shù),其包括在基片(wafer)上的一個(gè)或更多個(gè)層間介電材料中形成開口,沉積下方擴(kuò)散阻障層,例如包括內(nèi)襯該開口的氮化鉭層以及該氮化鉭層上的α-鉭(α-Ta)層的復(fù)合材料。接著可沉積晶種層(seed layer)。接著沉積Cu或Cu合金層以填充該開口。接著進(jìn)行在NH3中的激光加溫退火,以還原銅氧化物且回流該沉積Cu或Cu合金以消除空隙。接著進(jìn)行CMP以移除超出該開口的Cu或Cu合金而使曝露的表面氧化。接著將基片輸送至匣室(chamber),以在其中使Cu或Cu合金層的曝露表面在NH3中以等離子體處理,以移除在CMP中任何的銅氧化物。接著導(dǎo)入硅烷(SiH4)并通過PECVD將氮化硅蓋層沉積于該等離子體處理的表面上。
本發(fā)明另外的特點(diǎn)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員通過接下來(lái)詳細(xì)說(shuō)明將變得顯而易見,其中本發(fā)明所述的實(shí)施方案,僅為介紹實(shí)施本發(fā)明的最佳模式。而應(yīng)當(dāng)了解,本發(fā)明能應(yīng)用于其它及不同實(shí)施方案,且其一些細(xì)節(jié)能夠在各個(gè)方面進(jìn)行,而全部皆不脫離本發(fā)明。因此,附圖及說(shuō)明在本質(zhì)上是視為例示說(shuō)明而非限制。
圖1是顯示在Cu互連器中空隙的形成;以及圖2-4是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的方法的連續(xù)步驟,其中相似部件或組件是以相同參考符號(hào)標(biāo)記。
發(fā)明的描述本發(fā)明可達(dá)到且解決伴隨著形成亞微米Cu或Cu合金互連器的空隙問題,從而在減低接觸電阻時(shí)改善裝置可靠性與電子遷移性能。如本領(lǐng)域中所用的,符號(hào)“Cu”是用于包含高純度元素銅和Cu-基合金,例如包含小部分鉭、銦、錫、鋅、錳、鈦、鎂、鉻、鈦、鍺、鍶、鉑、鎂、鋁、或鋯的Cu合金。
當(dāng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則比例縮小至深亞微米范圍時(shí),例如約0.12微米及更小,將變得難以完全填充金屬于介電層的開口中,例如以Cu填充單及雙鑲嵌開口,而不會(huì)產(chǎn)生有空隙。在2001年6月27日提出共同申請(qǐng)案連續(xù)號(hào)09/894,167中,該Cu空隙問題可通過激光加溫退火該沉積的Cu而達(dá)成。本發(fā)明通過在NH3中實(shí)施激光加溫退火來(lái)構(gòu)成對(duì)該方法的進(jìn)一步改良或精化,從而在沉積的Cu回流之前或期間還原銅氧化物,并伴隨接觸電阻的減低。認(rèn)為在激光加溫退火期間,NH3分離成氮與氫。該釋放的氫還原銅氧化物,從而提供基本上均勻的互連與減少的接觸電阻。
根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方案,該沉積的Cu受到激光加溫退火是通過照射脈沖激光光束于其上,在約0.28到約0.34焦耳/cm2的輻射通量下,利用約為200到約2000sccm的NH3流速,在短暫時(shí)間內(nèi),例如約10到約100納秒。在激光加溫退火期間,銅氧化物被還原且沉積的Cu溫度提高至約983℃到約1183℃,此時(shí)沉積的Cu回流將可消除空隙。
接著,實(shí)施CMP,以使該沉積的Cu的上表面基本上與介電層上表面齊平。由于使用CMP,麻煩的銅氧化物通常會(huì)形成而阻止后續(xù)沉積的蓋層的充分粘合。因此本發(fā)明的實(shí)施方案包括在用含NH3的等離子體CMP后對(duì)Cu表面的處理以移除其銅氧化物,然后用PECVD在等離子體處理的表面上沉積氮化硅蓋層。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案使用激光加溫退火可減少互連器空隙以及減低接觸電阻從而提供許多優(yōu)點(diǎn)。例如激光加溫退火能夠準(zhǔn)標(biāo)定鑲嵌銅的曝露表面,從而避免非必要的提高基片其余部分溫度而導(dǎo)致不同問題,例如摻雜雜質(zhì)擴(kuò)散問題。
在實(shí)施本發(fā)明的實(shí)施方案時(shí),任何不同商業(yè)上可獲得的激光工具都可加以應(yīng)用,例如那些利用能夠在約10到2000mJ/cm2/脈沖的能量下操作的激光源,例如約100到約400mJ/cm2/脈沖。存在商業(yè)上可獲得的工具,它可執(zhí)行該激光退火,可具有、或沒有屏蔽(mask)。VerdantTechnologies激光退火工具是為一實(shí)例,其在曝光波長(zhǎng)為308nm下操作。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案形成的Cu互連器可以是,但非限制為通過鑲嵌技術(shù)形成的互連器。因此,本發(fā)明的實(shí)施方案包含形成層間介電材料于基材上,形成開口,例如鑲嵌開口,于該層間介電材料中,形成包含起始沉積的氮化鉭層以及在該氮化鉭層上的α-Ta層的復(fù)合擴(kuò)散阻障層,以及以Cu填充該開口。有益地是,在該層間介電材料中的開口可以通過起始沉積晶種層以及接著電鍍或無(wú)電鍍覆Cu而加以填充。一般晶種層包括含有適量鎂、鋁、鋅、鋯、錫、鎳、鈀、銀或金的Cu合金,例如約0.3%到約12at.%。該沉積的Cu接著在NH3中受到激光加溫退火,以此還原任何銅氧化物,因此減低接觸電阻,以及回流該沉積的Cu從而消除空隙。接著實(shí)施CMP以使該鑲嵌Cu(inlaid Cu)的上表面基本上與層間介電材料上表面同平面。通過CMP通??尚纬摄~氧化物薄膜。該Cu的曝露的氧化表面接著在NH3中以等離子體處理以移除該銅氧化物,并通過PECVD沉積氮化硅蓋層。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案,該鑲嵌開口亦可通過PVD在大約50℃到大約150℃的溫度,或者通過CVD在低于大約200℃的溫度填充Cu。在本發(fā)明不同的實(shí)施方案中,常規(guī)的基材及層間介電材料可加以應(yīng)用。例如該基材可以是摻雜單晶硅或鎵-砷化物。本發(fā)明所利用的層間介電材料可包括任意常規(guī)用于制造半導(dǎo)體裝置的介電材料。例如介電材料可例如為二氧化硅、磷摻雜硅酸鹽玻璃(phosphorous doped silicate-glass,PSG)、硼和磷摻雜硅酸鹽玻璃(boron-and phosphorus doped silicate glass,BPSG)、以及由衍生自原硅酸四乙酯(TEOS)的二氧化硅或者由PECVD所得的硅烷(silane)都可以使用。形成于介電層中的開口是由常規(guī)的光刻以及蝕刻技術(shù)引起。
有益地是,根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案中用以作為層間介電材料的介電材料可包括具低介電常數(shù)(permitivity)值的介電材料以及先前所提及的那些,以降低互連器電容。“低k”材料是包括具有介電常數(shù)小于約3.9的特性材料,例如約為3.5或更低。在此所表示的該介電常數(shù)值是以真空值(1)作為基準(zhǔn)。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案中是可應(yīng)用廣泛不同的低k材料,可為有機(jī)及無(wú)機(jī)材料。適合的有機(jī)材料包括各種聚酰亞胺和BCB,其它適合的低k材料包括聚(芳撐)醚(poly(arylene)ethers)、聚(芳撐)醚吡咯(poly(arylene)ethers azoles)、聚對(duì)亞苯基二甲基-N(parylene-N)、聚酰亞胺、聚萘-N、聚苯基喹喔啉(polyphenylquinoxalines)(PPQ)、聚苯醚、聚乙烯以及聚丙烯。其它適合使用于本發(fā)明的實(shí)施方案的低k材料包括FOxTM(HSQ為基底)、XLKTM(HSQ為基底)、多孔SILKTM、芳烴聚合物(每一材料得自Dow Chemical Co.,Midland,MI);CoralTM、碳摻雜氧化硅(得自Novellus Systems,San Jose,CA)、硅碳氧氫(SiCOH)有機(jī)介電材料、Black-DiamondTM介電材料、FlareTM、有機(jī)聚合物、HOSPTM、混合索羅肯有機(jī)聚合物(hybrid sioloxane-organic polymer)、以及NanoglassTM、納米級(jí)多孔二氧化硅(Nanoporous silica)(每一材料得自Honeywell Electronic Materials),以及衍生自原硅酸四乙酯(TEOS)的鹵素?fù)诫s(例如氟摻雜)二氧化硅,和氟摻雜硅酸鹽玻璃(FSG)。
本發(fā)明的實(shí)施方案如圖2-4所概示。參閱圖2,在21的下部金屬部件,例如Cu線,是形成于下方的介電層20中,例如為低k介電層。接著形成氮化硅或碳化硅蓋層22,并接著依次形成介電層23,氮化硅或碳化硅蝕刻擋止層24以及介電層25。介電層23和25可包括低k介電材料,如含氟氧化硅,例如衍生自氟摻雜原硅酸四乙酯(F-TEOS)的含氟氧化硅。復(fù)合阻障層26包括起始氮化鉭層以及接著沉積其上的α-Ta層,以內(nèi)襯該開口。并可沉積晶種層(未示)。接著沉積Cu27以填充雙鑲嵌開口并過量。所產(chǎn)生Cu互連器包含空隙28,其不利地影響裝置可靠性及電子遷移性能。在Cu沉積過程中,一些銅氧化物亦跟著形成。如圖2所示,該沉積的Cu27通過照射脈沖激光束而在流動(dòng)NH3中受到激光加溫退火,如箭號(hào)29所略示。有益地是,由于NH3的使用而還原銅氧化物,因此降低接觸電阻,而該脈沖激光束提高沉積的Cu27溫度,引起融化且回流,以消除空隙28。在激光加溫退火完成后的結(jié)構(gòu)如圖3所示。
其后,實(shí)施CMP,使曝露的Cu表面于NH3中用等離子體處理,且沉積氮化硅蓋層40,如圖4所示。所形成Cu互連器結(jié)構(gòu)包括Cu線27A以連通至其下的Cu通孔27B,其與下面的金屬部件21電接觸。
有利的是,本發(fā)明的方法能夠制造在深亞微米區(qū)有可靠Cu互連器的特征尺寸的半導(dǎo)體裝置,其具有降低的接觸電阻以及改善的電子遷移性能。在CMP前,在NH3中使用激光加溫退火可有利地還原銅氧化物,從而降低接觸電阻且產(chǎn)生沉積Cu的回流,以消除空隙,導(dǎo)致基本均勻的填充的開口,展示改善裝置可靠性,降低電子遷移失敗及增加電路速度。
本發(fā)明具有制作不同形式鑲嵌Cu金屬化互連器圖形的工業(yè)應(yīng)用。本發(fā)明特別可應(yīng)用于制造具有亞微米部件及高深寬比開口的半導(dǎo)體裝置。
在先前的描述中,已提出許多特定的細(xì)節(jié),例如特定的材料、結(jié)構(gòu)、化學(xué)品、方法等,以提供對(duì)于本發(fā)明的更好了解。然而,本發(fā)明是可不憑借先前提出的特定細(xì)節(jié)而加以應(yīng)用。在其它例子中,熟知的方法與材料并未詳加描述,以避免不必要地混淆本發(fā)明。
本發(fā)明中僅顯示與描述有關(guān)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案以及一些變化實(shí)施例??梢粤私獗景l(fā)明能夠應(yīng)用在不同其它結(jié)合與環(huán)境中,并且能夠在于此表達(dá)的本發(fā)明概念的范圍內(nèi)加以改變或修改。
權(quán)利要求
1.一種制造半導(dǎo)體裝置的方法,所述方法包括在介電層(23,25)中形成開口;沉積銅(Cu)或Cu合金以填充所述開口(27);以及在氨(NH3)中激光加溫退火(29)所述沉積的Cu或Cu合金。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其包括在約0.28到約0.34焦耳/cm2的輻射通量下,通過在所述沉積的Cu或Cu合金(27)上照射脈沖激光光束(29)Cu或Cu合金進(jìn)行激光加溫退火。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法,其包括激光加溫退火(29)以加熱所述沉積的Cu或Cu合金(27)到約983℃至約1183℃的溫度,從而回流所述沉積的Cu或Cu合金Cu或Cu合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其包括使用NH3流速為約200至約2000sccm的激光加溫退火(29)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其包括在沉積所述Cu或Cu合金前,沉積內(nèi)襯所述開口的阻障層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其包括進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光(CMP),以使所述沉積的Cu或Cu合金(27)的上表面基本上與所述介電層(25)的上表面同平面。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法,其包括在含NH3的等離子體中處理所述Cu或Cu合金(27)的上表面以從那里除去銅氧化物;和Cu或Cu合金通過等離子體強(qiáng)化的化學(xué)氣相沉積,在等離子體處理的表面上沉積氮化硅蓋層(40)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中所述開口為包含下部通孔部分以連通至上部溝槽部分的雙鑲嵌開口,所述方法包括沉積所述Cu或Cu合金(27)以填充該開口而形成上部線路(27A)其連通至下部通孔(27B)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法,其中所述介電層(23,25)包括氧化物。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法,其中所述氧化物(23,25)為衍生自氟摻雜原硅酸四乙酯的含氟氧化硅。
全文摘要
一種可靠Cu互連器的形成,是通過將Cu(27)填充介電層(23,25)中的開口,以及接著在NH
文檔編號(hào)H01L21/70GK1582491SQ02821998
公開日2005年2月16日 申請(qǐng)日期2002年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月8日
發(fā)明者M·V·恩戈, A·哈利韋爾, E·佩頓 申請(qǐng)人:先進(jìn)微裝置公司