專利名稱：通過包含無電和供電的階段的濕式化學(xué)沉積而在圖案化的電介質(zhì)上形成金屬層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上關(guān)于制造集成電路的領(lǐng)域，且尤關(guān)于在包含溝槽和 通孔的圖案化電介質(zhì)材料之上，用濕式化學(xué)沉積工藝形成金屬層。
背景技術(shù)：
在集成電路中，大量的電路元件，譬如晶體管、電容器、電阻器 等形成在適當?shù)囊r底內(nèi)或襯底上，通常以大致的平面構(gòu)形。由于大量 的電路元件和所需復(fù)雜的用于先進應(yīng)用的集成電路布局，個別電路元
件的電性連接一般不建構(gòu)在所制造電路元件的相同的層級(level)中，但 需要一個或多個額外的"接線"層，亦稱之為金屬化層。這些金屬化 層通常包括提供層內(nèi)(inner-level)電性連接的金屬線，并亦包括稱之為 通孔(via)的多個層間連接(inter-level connection),其中該等金屬線和通 孑L亦可共同稱之為互連(interconnect)。
由于在現(xiàn)代集成電路中持續(xù)縮小電路元件的特征(feature)尺寸，因 此對于指定芯片面積的電路元件的數(shù)目(亦即裝填密度(packing density)) 亦增加，因而甚至需要更增多的電性互連數(shù)目，以提供所希望的電路 功能。因此，當對于每芯片面積的電路元件的數(shù)目變得較大時，堆疊 的金屬化層的數(shù)目可增加。因為制造多個金屬化層需要解決極富挑戰(zhàn) 性的問題，例如像是用于復(fù)雜的微處理器基礎(chǔ)的多個堆疊金屬層的機 械、熱和電可靠性，因此半導(dǎo)體制造者愈益通過允許較高電流密度的 金屬來替代已熟知的金屬化金屬鋁，并因此允許減少互連的尺寸。舉 例來說，銅為一般考慮用來取代鋁的可執(zhí)行的候選金屬，這是因為當 他們與鋁相比較時，他們有較高的抗電遷移性(resistance against electromigration)和相當?shù)偷碾娮杪?electrical resistivity)的優(yōu)越特性。關(guān) 于在半導(dǎo)體工廠中的處理和操作，銅雖然有這些優(yōu)點，但是其亦呈現(xiàn) 了許多的缺點。例如，由于銅的形成非易失性反應(yīng)產(chǎn)品的特性，銅不
能用廣為接受的沉積方法(譬如化學(xué)氣相沉積法(CVD)和物理氣相沉積 法(PVD))來有效地大量應(yīng)用到襯底上，并亦不能用常用的各向異性蝕
刻(anisotropic eteh)過程來有效地圖案化。在制造包含銅的金屬化層時， 因此最好是使用所謂的金屬鑲嵌(damascene inlaid)技術(shù)，其中首先應(yīng)用 電介質(zhì)層，然后圖案化以定義在其中的溝槽和通孔(via)，接著將該等 溝槽和通孔用譬如銅的金屬將其填滿。
銅的進一步主要缺點是其易擴散在二氧化硅和其他電介質(zhì)材料中 的傾向。因此通常需要使用所謂的阻擋材料(barrier material)結(jié)合銅基金 屬化(copper-based metallization)以實質(zhì)避免銅任何的向外擴散 (out-diffusion)進入周圍的電介質(zhì)材料，如此則銅可容易遷移至敏感的半 導(dǎo)體區(qū)域，因而明顯地改變其特性。再者，由于銅的完整性(integrity)， 可選擇阻擋材料以抑制不需要的材料譬如氧、氟等的向銅擴散，因而 減少腐蝕和氧化作用的風險。因為溝槽和通孔的尺寸現(xiàn)已達到約O.lpm 和甚至更短的寬度或直徑，具有大約5或更大的通孔縱橫比，在通孔 和溝槽的所有表面上的阻擋層的可靠沉積，及后續(xù)的用銅填滿其通孔 而大致沒有空斷void)是現(xiàn)代集成電路制造中最大挑戰(zhàn)的問題。
現(xiàn)今，通過圖案化適當?shù)碾娊橘|(zhì)層和通過譬如濺鍍沉積(sputter deposition)的先進物理氣相沉積(PVD)技術(shù)沉積阻擋層(例如，包含鉭(Ta) 和/或氮化鉭(TaN))，而完成銅基金屬化層的形成。對于沉積大約10至 50 nm的阻擋層在具有5或更大縱橫比的通孔中，通常使用增強的濺鍍 工具。此等工具在將耙材(target)原子濺鍍離開靶材后，提供離子化希 望比值的靶材原子的可能性，因而使得能夠控制在通孔中底部覆蓋范 圍和側(cè)壁覆蓋范圍至某一程度。其后，銅被填滿在通孔和溝槽中，其 中已證明電鍍是可用的工藝技術(shù)，因為電鍍相較于CVD和PVD的速 率，能夠以一種所謂的自底向上方式(bottom-up regime)以高的沉積速率 填滿通孔和溝渠，其中開口以實質(zhì)上無空隙方式從底部開始充填。一 般而言，在電鍍金屬時，外部電場施加在將被電鍍的表面和電鍍?nèi)芤?之間。因為用于半導(dǎo)體生產(chǎn)的襯底能接觸于受限制的區(qū)域(通常在襯底 的周邊)，因此必須提供涵蓋襯底和接收金屬的表面的導(dǎo)電層。雖然先 前沉積在圖案化電介質(zhì)上的阻擋層可作用為電流分布層，然而，結(jié)果 是，鑒于結(jié)晶度(crystallinity)、 一致性和粘著特性，所謂的籽晶層(seed
layer)通常要求在后續(xù)的電鍍工藝中獲得具有所需電和機械特性的銅溝 槽和通孔。通常包括銅的籽晶層一般通過濺鍍沉積而實施，該濺鍍沉 積使用與用于阻擋層的沉積實質(zhì)相同的工藝工具。
在未來世代器件的O.lpm和更小尺寸的通孔中，具有高度符合阻 擋層和籽晶層需求的極薄金屬層的濺鍍沉積可變成限制因素，因為若 沒有明顯修正這些工具則也許不會進一步增強上述先進濺鍍工具的階 梯覆蓋特性(step coverage characteristic),此情況似乎并非簡單的發(fā)展。 尤其是，籽晶層的沉積可不由PVD以簡單的方式實施，如此處籽晶層 的一致性決定后續(xù)的電鍍工藝的一致性至某一程度，相反于阻擋層 "僅"要求開口的內(nèi)表面的充分和完全的覆蓋。而且，產(chǎn)生適用于阻 擋層的極薄層的PVD技術(shù)當應(yīng)用于形成籽晶層時可造成增加的電阻， 因而減少后續(xù)電鍍工藝的初始沉積率。
結(jié)果，已提出用于高度復(fù)雜應(yīng)用的替代沉積技術(shù)用于銅基線的阻 擋沉積和籽晶沉積。例如，已發(fā)展出CVD技術(shù)用來形成高度共形 (conformal)阻擋和籽晶層，因而利用有關(guān)相較于濺鍍沉積的階梯覆蓋 CVD固有優(yōu)越性能的優(yōu)點。同樣情況，已發(fā)展己知為原子層沉積(atomic layer deposition ; ALD)的自我限制基于CVD沉積(self-limiting CVD-based deposition)技術(shù)用于數(shù)種材料以便在高縱橫比開口內(nèi)提供 極薄但可靠的阻擋或籽晶層。然而，雖然本身提供了所謂的層粘稠和 覆蓋(layer consistency and coverage)的優(yōu)點，在后續(xù)的電f度工藝后，〈以 乎這些技術(shù)造成較不希望的銅金屬性能。尤其是，由于引入了相當?shù)?污染，籽晶層也許較差于共同使用的PVD籽晶層，因而造成較高的電 阻和較弱的材質(zhì)(texture)從而依次需要幾乎任意組構(gòu)的金屬膜。
有鑒于上述的情況，因此需要一種增強的技術(shù)使能在高縱橫比開 口內(nèi)通過濕式化學(xué)沉積工藝有效地沉積金屬，因而避免或至少減少上 述的一個或多個問題。

發(fā)明內(nèi)容
以下提出本發(fā)明的簡化概要以提供本發(fā)明的一些態(tài)樣的基礎(chǔ)了 解。此概要不是本發(fā)明徹底的概觀。該概要并非要識別本發(fā)明的關(guān)鍵 或緊要元件或描述本發(fā)明的范圍。其唯一目的為以簡化的方式提出一
些概念作為前言，而更詳細的說明會稍后討論。
一般而言，本發(fā)明為針對一種能夠形成填滿金屬的開口的技術(shù)， 該等開口形成在圖案化電介質(zhì)層中，其中使用濕式化學(xué)沉積工藝至少
用于在基體金屬(bulk metal)填滿，其中，在一些例示實施例中，在一 些應(yīng)用中也許需要的阻擋層亦可通過濕式化學(xué)沉積工藝來形成。如此 一來，可克服用來形成阻擋和/或籽晶層的譬如濺鍍沉積的物理氣相沉 積技術(shù)的限制，因而提供進一步器件縮放尺寸而實質(zhì)上不會過度減損 效能的可能。在本發(fā)明的一些實施例中，通過形成適度薄的共形層(其 可作用為籽晶層)，可沉積譬如銅、銀等的適當金屬在個別開口中，然 后可在原位改變各自的沉積參數(shù)以達成其余沉積工藝所希望的自底至 頂充填行為(bottom-to-up fill behavior)。結(jié)果，以此種方式，因為可獲 得最終沉積金屬所希望的結(jié)晶度(crystallinity)，因此可達成增強的效 能，而另一方面，對于在習知技術(shù)中在形成籽晶層后可能遭遇到的金 屬腐蝕或氧化作用的任何不良的影響，可實質(zhì)避免掉或至少顯著地減 少。
依照本發(fā)明的一個例示實施例， 一種方法包括:通過施加電解液 和進行無電濕式化學(xué)沉積工藝而在半導(dǎo)體器件的圖案化層之上沉積金 屬。再者，該方法包括在施加電解液以便進一步沉積金屬時，在電解 液中建立外部產(chǎn)生電場。
依照本發(fā)明的另一個例示實施例， 一種方法包括通過濕式化學(xué)
沉積工藝在半導(dǎo)體器件的電介質(zhì)層中所形成的開口的表面部分之上形 成阻擋層。而且，通過濕式化學(xué)沉積工藝在阻擋層之上形成籽晶層， 并最后通過使用該籽晶層的電鍍工藝用金屬填滿該開口。


通過參照上述的說明配合所附的圖式可以了解本發(fā)明，在各圖式
中相同的元件符號表示相同的元件，且其中
圖la至ld示意地顯示依照本發(fā)明的例示實施例在填滿形成在圖
案化電介質(zhì)層中的開口的各種制造階段期間半導(dǎo)體器件的剖面圖。
雖然本發(fā)明容許作各種的修飾和替代形式，但在此為由圖式中的 例子顯示及詳細說明本發(fā)明的特定實施例。然而，應(yīng)暸解到此處特定
實施例的圖式及詳細說明并不意欲用來限制本發(fā)明為所揭示的特定形 式，反之，本發(fā)明將涵蓋所有落在如所附權(quán)利要求書內(nèi)所界定的本發(fā) 明的精神和范圍內(nèi)的修飾、等效和替代內(nèi)容。
具體實施例方式
以下說明本發(fā)明的例示實施例。為求清楚，本說明書并未說明實 際實作的所有特征。當然，我們當了解，在開發(fā)任何此種實際的實施 例時，必須作出許多與實施例相關(guān)的決定，以便達到開發(fā)者的特定目 標，譬如符合隨著實施例的不同而有所變化的與系統(tǒng)相關(guān)及與商業(yè)相 關(guān)的限制條件。此外，我們應(yīng)當了解，此種開發(fā)工作可能是復(fù)雜且耗 時的，然而，對已從本發(fā)明的揭示事項獲益的該技術(shù)領(lǐng)域中具有通常 知識者而言，仍將是一種例行工作。
現(xiàn)將參考附圖來說明本發(fā)明。各種結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和器件示意地繪示 于圖式中僅為了說明的目的，以便不會由熟悉此項技術(shù)者已熟知的細 部而模糊了本發(fā)明。不過，仍包括附圖來說明與解釋本發(fā)明的實例。 應(yīng)以熟悉該項技藝者所認定的意義來了解與解釋本文中的字匯與詞。 本文前后一致使用的術(shù)語以及詞匯并無暗示特別的定義，特別定義是 指與熟悉該項技藝者認知的普通慣用的定義所不同的定義。如果一個 術(shù)語或詞匯具有特別定義，亦即非為熟悉該項技藝者所了解的意義時， 本說明書將會以定義的方式直接且明確地提供其特殊定義。
本發(fā)明提供一種根據(jù)鑲嵌或金屬鑲嵌技術(shù)形成金屬填滿開口的改 進技術(shù)，其中首先圖案化層以收容任何開口，譬如溝槽、通孔、柵極 開口等，該等開口將后續(xù)用譬如銅、銀、他們的合金等的高導(dǎo)電金屬 填滿。如前面的說明，雖然具有關(guān)于材料污染及成本效益的優(yōu)點，習 知技術(shù)事實上存在著明顯的缺點，如物理氣相沉積技術(shù)對于包含明顯
小于O.l拜特征尺寸的器件世代會遭到嚴重的困難。結(jié)果，譬如銅籽 晶層(其為有效填入(fill-in)工藝的基礎(chǔ))的籽晶層的可靠和高均勻沉積 也許不易通過現(xiàn)今的濺鍍沉積技術(shù)而予完成。同樣狀況，譬如CVD、 ALD等的高度先進的沉積技術(shù)也許造成減少的結(jié)晶度和增加污染程 度，由此增加所得金屬區(qū)的全部電阻值，此情況直接轉(zhuǎn)化成減少整個 半導(dǎo)體器件的效能。
本發(fā)明通過提供可由濕式化學(xué)沉積工藝形成籽晶層的技術(shù)而防止 或至少減少上述討論的一些問題。其中，在一些例示實施例中，額外 地，適當?shù)淖钃鯇右嗫筛鶕?jù)濕式化學(xué)沉積工藝而形成。如此一來，可 完成形成阻擋層和籽晶層的高度一致性和可靠性，即使對于高度縮放 尺寸的半導(dǎo)體器件亦然，同時在另一方面，可根據(jù)濕式化學(xué)沉積工藝 而獲得籽晶層的所希望的表面材質(zhì)，因而提供了用于后續(xù)充填在基體
金屬的有效的基底層(baselayer)。在本發(fā)明的其他實施例中，充填的金 屬譬如銅、銀等，可在濕式化學(xué)沉積工藝中完成，其中可由催化劑反 應(yīng)(catalytic reaction)初始或至少明顯地促進金屬沉積，然后催化劑反應(yīng) 在沉積工藝的稍后階段由電鍍沉積方式(electroplating deposition regime) 所"超控(overmle)"，其中適當?shù)剡x擇工藝參數(shù)以獲得所希望的自底至 頂充填行為，以便提供實質(zhì)的無空隙高度導(dǎo)電金屬區(qū)，在此區(qū)中可明 顯地減少譬如氧化作用、腐蝕等的任何的不良效果，這是因為金屬的 初始沉積材料層可作用為籽晶層用于沉積工藝的電鍍主導(dǎo)階段 (electroplating-dominated phase)。在一些例示實施例中，充填的金屬可 以在原位工藝(insituprocess)完成，其中第一階段為無電沉積工藝，其 中金屬沉積由將被充填的開口的暴露表面部分上所提供的催化劑材料 所驅(qū)動。其后，可在濕式化學(xué)沉積環(huán)境內(nèi)建立外部產(chǎn)生的電場，以根 據(jù)電場(亦即，根據(jù)被驅(qū)動流經(jīng)沉積環(huán)境的電流)和根據(jù)包含在該濕式化 學(xué)沉積環(huán)境中任何適當選擇的附加條件來實質(zhì)控制沉積動能。
應(yīng)了解到本發(fā)明高度有利于結(jié)合具有O.lpm和明顯更小的關(guān)鍵尺 寸(critical dimension)的高度縮放尺寸的半導(dǎo)體器件或任何其他的微結(jié) 構(gòu)，例如可在具有50nm和甚至更短的柵極長度的場效應(yīng)晶體管的復(fù)雜 集成電路中的情況時。然而，本發(fā)明亦可應(yīng)用在較不緊要的設(shè)備，其 中任何金屬化層的優(yōu)異品質(zhì)可明顯地貢獻這些較不緊要半導(dǎo)體器件增 進的可靠性和效能。結(jié)果，除非在其他方面特定在進一步實施方式中 和在所附權(quán)利要求書中，否則本發(fā)明不應(yīng)被推斷為受限于特定的器件 尺寸。
在圖la中顯示半導(dǎo)體器件100并表示收容具有典型用于微結(jié)構(gòu)的 尺寸的填滿金屬的特征的任何的適當器件。在本實施例中，半導(dǎo)體器 件100可表示含有多個電路元件(譬如晶體管、電容器、電阻器等)的集
成電路，其中至少一些該等電路元件具有大約50nm或甚至更小的關(guān)鍵 尺寸。為了方便，任何的此等電路元件都未顯示在圖la中。再者，半 導(dǎo)體器件IOO包括襯底101，該襯底101上形成有譬如指示為102的電 介質(zhì)層的第一層，該第一層可包含導(dǎo)電線或含有金屬區(qū)103的區(qū)104。 例如，在復(fù)雜的應(yīng)用設(shè)備中，金屬區(qū)103可包括銅、銅合金、銀、鎢、 或一般用在半導(dǎo)體器件的任何其他適當?shù)膶?dǎo)電金屬。在一個例示實施 例中，金屬區(qū)103可包括銅、銀等，其中該金屬區(qū)103可通過阻擋層 105而與層102的周圍的電介質(zhì)材料分隔。阻擋層105可包括任何適當 的材料，譬如鉭、氮化鉭、鈦、氮化鈦、鎢、氮化鎢，或任何其他具 有關(guān)于幫助金屬區(qū)103擁有所需機械和化學(xué)完整性所希望特性的適當 的化合物。在一些例示實施例中，阻擋層105可由一種或多種下列化 合物組成鈷、鎢、磷(CoWP);和/或鈷、鎢、硼(CoWB)和/或鈷、硼 (CoB)和/或鉬、鎳、硼(MoNiB)，等等。應(yīng)了解到，導(dǎo)電線104僅例示 性質(zhì)，其可表示一種依照金屬鑲嵌技術(shù)，用于形成先進的半導(dǎo)體器件 的金屬化層所形成的典型的結(jié)構(gòu)。在其他的實施例中，導(dǎo)電線104可 表示任何需要形成通孔或連接至該通孔的溝槽的電路元件。例如，導(dǎo) 電線104可表示直接連接到電路元件的接觸區(qū)的接觸插塞(contact plug)，或?qū)щ娋€可表示譬如漏極或源極區(qū)、柵極電極等的電路元件的 接觸區(qū)。
第二電介質(zhì)層107，其可包括任何適當?shù)牟牧?譬如二氧化硅、氮 化硅)，或任何低k材料(譬如SiCOH)，或任何其他的材料(譬如適當?shù)?聚合物)，而可形成在第一電介質(zhì)層102之上，其中連接至金屬區(qū)103 的譬如溝槽或通孔的開口 108形成在第二電介質(zhì)層107中。如前面的 說明，在一些例示實施例中，開口 108可以表示高縱橫比開口，該開 口在至少一個橫向尺寸(譬如寬或直徑)明顯地小于開口 108的深度。如 此一來，橫向尺寸(亦即，在圖la中開口 108的水平延伸區(qū))可以約 100nm和明顯更小，而開口 108的深度可為幾百nm。然而，應(yīng)了解到， 在其他例示實施例中，開口 108可以有其他的尺寸，而對應(yīng)的縱橫比 也許少于大約5。
再者，在電介質(zhì)層107的暴露表面部分107A和開口 108內(nèi)，提供 有催化活化材料的區(qū)域112。在一個實施例中，可表示暴露表面部分107A的區(qū)域的區(qū)域112可已包含任何催化劑材料在其中，該任何催化 劑材料適用于初始阻擋材料的后續(xù)濕化學(xué)沉積。在另外其他的實施例
中，面積112可表示實質(zhì)連續(xù)的材料層，其可包括具有適用于作用為 用于將充填在開口 108中的金屬(譬如銅、銀等)的阻擋材料的特性的適 當?shù)膶?dǎo)電材料。以此方式，層112亦可包含某一數(shù)量的催化劑材料， 譬如鈷、銀、鈀、鉑、銅等等，該材料可用在后續(xù)的銅、銀等濕式化 學(xué)沉積。應(yīng)了解到，在此情況，催化劑材料可不以大致連續(xù)的方式覆 蓋所有的暴露表面部分107A，但是可以并入足夠的密度用在初始后續(xù) 的濕式化學(xué)沉積。在另外其他的例示實施例中，區(qū)域112可表示具有 一層催化劑材料形成在其上的阻擋層，該催化劑材料包括上述特定種 類的至少其中一種作用為用于后續(xù)沉積銅、銀等充填該開口 108。
在另外其他的例示實施例中，催化活化區(qū)域112可表示連續(xù)的層， 或具有鈀并入于其中的至少表面部分，在一個實施例中，或可作用為 用于阻擋材料的后續(xù)濕式化學(xué)沉積的催化劑材料的其他適當?shù)拇呋?劑。
用來形成顯示在圖la中半導(dǎo)體器件100的典型工藝流程可包括下 列工藝。在襯底101中或上制造任何電路元件或其他微結(jié)構(gòu)特征之后， 導(dǎo)電線104可形成在第一電介質(zhì)層102，其中，在一些例示實施例中， 導(dǎo)電線104可依照亦將稍后說明在當參照充填該開口 108的沉積工藝 的相同的工藝技術(shù)而形成。因此，關(guān)于形成阻擋層105和金屬區(qū)103， 可應(yīng)用如稍后討論的相同的標準。然而，應(yīng)了解到，在其他的例示實 施例中，導(dǎo)電線104可依照廣為接受用以形成電路元件、接觸區(qū)等的 習知的工藝技術(shù)形成。其后，依在用于層107的材料或各材料的類型， 可通過例如CVD、旋涂(spin-on)技術(shù)等而沉積第二電介質(zhì)層107。應(yīng)了 解到電介質(zhì)層107可依照器件需求而包括二種或多種不同的材料，其 中可在形成電介質(zhì)層107之前沉積額外的蝕刻終止層(未顯示)。隨后， 可根據(jù)廣為接受的工藝方法的適當光刻術(shù)(photolithography)和各向異 性蝕刻(anisotropic)技術(shù)而形成開口 108。其后，在一個例示實施例中， 半導(dǎo)體器件100可經(jīng)受催化活化工藝116以便形成區(qū)域112。為此目的， 活化工藝116可包括浸沒(immersion)或噴灑(spray)工藝，根據(jù)接受的技 術(shù)應(yīng)用適當?shù)拇呋瘎┎牧显诒┞兜谋砻娌糠?07A。在一個例示實施例
中，含鈀溶液可用來形成催化活化區(qū)域]12。在其他例示實施例中，活
化工藝116可進行為沉積工藝，例如根據(jù)CVD、 ALD、 PVD，以便形 成包括譬如鈀的適當催化劑材料的薄材料層，其中只要足夠量的催化 劑材料提供在暴露表面部分107A，則工藝的階梯覆蓋較不緊要。例如， 可根據(jù)CVD技術(shù)形成高度均勻且薄的層，其中，在一些實施例中，在 工藝116之前，可進行對應(yīng)的清洗工藝(例如從金屬區(qū)103的暴露表面 去除任何的污染和氧化部分)，因而減少在后續(xù)的工藝期間并入污染物 的風險。在另外其他的例示實施例中，區(qū)域112可形成為阻擋層，例 如根據(jù)鉭、氮化鉭、鈦、氮化鈦、鎢，并可由廣為接受的濺鍍沉積技 術(shù)形成，其中適當?shù)拇呋瘎┎牧峡刹⑷雽?12中，使能進行后續(xù)用于 高導(dǎo)電金屬(譬如銅、銀等)的濕式化學(xué)沉積工藝，然后其可以單一充填 工藝沉積，如將在稍后說明者。
圖lb示意地顯示在進一步先進制造階段的半導(dǎo)體器件100。在此 例示實施例中，阻擋層110形成在電介質(zhì)層107的暴露表面部分107A 上和開口 108內(nèi)。在一個例示實施例中，阻擋層110可包括可根據(jù)濕 式化學(xué)沉積工藝117沉積的材料。在一個例示實施例中，阻擋層110 可由包括鈷鎢磷(CoWP)和/或鈷鎢硼(CoWB);鈷硼(CoB)，鉬鎳硼 (MoNiB)的一個或多個化合物組成。依照工藝和器件需求，阻擋層110 能設(shè)以適當?shù)暮穸?。例如，在?fù)雜的應(yīng)用中，厚度在約5至50 nm的 范圍也許適當。
如參照區(qū)域112的前面的討論，在與濕式化學(xué)沉積環(huán)境117接觸 后，其中催化活化表面部分初始減少包含在該環(huán)境117中的對應(yīng)金屬 離子，該環(huán)境117可以適當電解液的形式提供，因而形成阻擋層110。 可基于譬如電鍍反應(yīng)器、噴灑工具等的可取得的工藝工具，而由浸沒 或噴灑工藝的方式提供電解液117。層110的材料的沉積例如可以基于 沉積速率而控制，該沉積速率可根據(jù)進行的測試而事先建立。再者， 在其他的例示實施例中，可根據(jù)環(huán)境117和/或襯底101的溫度而控制 工藝，其中可有效地控制正與區(qū)域112接觸的電解液的溫度。為達此 目的，當以電解池(electrolytebath)形式建立環(huán)境117時，池溫度可保持 在稍微低于自行催化反應(yīng)的臨界溫度的特定溫度，因而避免了在對應(yīng) 的反應(yīng)室中金屬的任何過度的自發(fā)創(chuàng)生(spontaneous creation)。為了初
始反應(yīng)，可加熱襯底101以便提供所希望的表面溫度，因而亦升高正 與區(qū)域112接觸的電解液的溫度至所需的活化溫度以初始電化學(xué)沉積。 當沉積層110的所希望的厚度后，襯底101溫度可降低，因而明 顯放慢或甚至完全停止任何進一步的沉積。因為可在適度短的時間間 隔內(nèi)建立襯底101的溫度改變，因此可有效地控制基于襯底溫度的沉
積工藝117。而且，當以電解池的形式提供沉積環(huán)境117時，可持續(xù)地
保持池溫度低于臨界溫度，同時仍然允許高度有效的材料沉積，只要
襯底溫度維持在所希望的工藝溫度即可。例如，在電化學(xué)沉積層110 可使用典型約50至9(TC的工藝溫度，其中池溫度可維持在大約40至 50°C,同時襯底101溫度增加至例如50至9(TC。當根據(jù)噴灑工藝工具 建立沉積環(huán)境117時，可以特定的工藝溫度或高于特定的工藝溫度的 溫度施加對應(yīng)的電解液，以便一旦接觸催化活化區(qū)域112便初始材料 沉積。在其他的實施例中，可用噴灑工藝工具以低于臨界溫度的溫度 來供應(yīng)電解液，而可控制襯底101溫度以便"接通(switch on)或關(guān)斷 (switch off)"沉積工藝。例如，可以大致"立即地"冷卻和加熱電解 液容積的方式而適當?shù)剡x擇電解液容積。例如，對每個襯底可使用大 約達200ml的電解液容積。
在一些例示實施例中，可配置濕式化學(xué)沉積工藝117而使得所希 望的催化劑材料并入層110中(至少在其表面部分)，以便制備阻擋層 110，用于后續(xù)的濕式化學(xué)沉積工藝，以高導(dǎo)電金屬填滿開口 108。例 如，環(huán)境117的電解液可包括鈷、銀、鈀、鉑、銅其中的一種或多種， 該等金屬可作用為后續(xù)金屬沉積的催化材料。又在其他的實施例中， 在沉積層110后，和在任何清洗和干燥工藝后，可對阻擋層110進行 進一步的催化活化工藝以提供適度的活化表面部分用于后續(xù)的導(dǎo)電金 屬的充填。如前面參照圖la的解釋，當區(qū)域112己說明也作用為阻擋 層時，亦可進行對應(yīng)的工藝以提供具有所希望的催化劑特性的阻擋層 110。例如，在一個例示實施例中，可通過CVD、 ALD或PVD而沉積 額外的層，其中，如前面的討論，因為對應(yīng)形成的催化劑材料可不需 繼續(xù)覆蓋阻擋層110，故階梯覆蓋較不緊要。在其他例示實施例中，阻 擋層110可暴露在包含至少一種催化劑種類的等離子體環(huán)境中，該催 化劑可并入該阻擋層110的表面部分中。
圖1C示意地顯示在進一步先進制造階段的半導(dǎo)體器件100。在一 個例示實施例中，半導(dǎo)體器件100經(jīng)受濕式化學(xué)沉積環(huán)境118，該環(huán)境 配置以使能夠沉積譬如銅的高導(dǎo)電金屬，而又在其他的實施例中，譬
如銀等的其他金屬可包含在環(huán)境118中?？梢噪娊庖旱男问教峁袷?化學(xué)沉積環(huán)境118，該電解液通過譬如電解池反應(yīng)器(bath reactor)、噴 灑工具等任何適當?shù)墓に嚬ぞ叨┘又疗骷?00的暴露表面。因此， 環(huán)境118的電解液可包括將被沉積的金屬鹽和適當減少的媒介。例如， 當將要沉積銅時，可使用銅、EDTA、 NaOH禾PHCHO;銅、KNa酒石 酸(tartrate)、 NaOH、 HCHO、等等形式的適當?shù)碾娊庖航M合物。再者， 環(huán)境118的電解液可包括適當?shù)奶砑觿?，該添加劑能明顯改變沉積動 能，表現(xiàn)在外部產(chǎn)生的電場，稍后將作更詳細的說明。
如所熟知的，對于可靠的充填在電介質(zhì)材料中的高縱橫比開口， 例如用銅或銅合金， 一般需要所謂的自底至頂充填行為，其可根據(jù)適 當?shù)拿}沖電流方式和個別的添加劑而達成。已了解到所需的填入行為 可通過引入添加劑于電解液中來控制在通孔(譬如開口 108)內(nèi)的沉積動 能以影響銅離子沉積在個別位置的速率而獲得。例如，包括相對大、 擴散慢的分子(譬如聚乙二醇)的有機媒介可加至電解液中，而使得對應(yīng) 的分子能優(yōu)先地在平坦表面和角落部分吸收，因而減少銅離子在這些 區(qū)域的接觸，而因此亦減少沉積速率。對應(yīng)作用媒介時常稱之為"抑 制劑(suppressor)"。另一方面，可使用包括較小和較快速擴散分子的另 外的添加劑，該添加劑優(yōu)先地在高縱橫比開口(譬如開口 108)內(nèi)吸收， 而通過補償抑制劑添加劑的效果而增強沉積率。對應(yīng)的添加劑經(jīng)常稱 之為"加速劑(accelerator)"。而且，依照工藝和器件需要，可并入其他 的添加劑至環(huán)境118的電解液中。選用以上述方式能明顯改變沉積動 能的添加齊[]，而使得在典型的苛堿環(huán)境(caustic environment)亦獲得所希 望的加速和抑制特性，如在環(huán)境118中的初始沉積階段所需者。
如前面的說明，當暴露在濕式化學(xué)環(huán)境118時，阻擋層110可包 含(至少在其表面部分)作用為用于金屬沉積的催化劑的材料。如此一 來，根據(jù)環(huán)境118的電解液與催化活化阻擋層110的接觸，可形成層 113，其中，由于沉積行為，層113可以高度共形方式形成，因為在此 階段的沉積工藝，環(huán)境118可視為用于無電沉積工藝的濕式化學(xué)沉積
環(huán)境。于是，在此初始沉積階段期間形成金屬化層113可視為用于后 續(xù)沉積階段的籽晶層，在適當?shù)耐獠慨a(chǎn)生的電場中可進行該金屬化層 113以依照所需電鍍方式建立電流流動。在一個例示實施例中，可維持
濕式化學(xué)沉積工藝118的無電階段以形成具有厚度約1至50 nm的層 113。根據(jù)工藝時間控制可完成對應(yīng)的厚度控制，可通過產(chǎn)生特定的電 流流動，在環(huán)境118中沒有外部產(chǎn)生電場而經(jīng)過特定沉積時間后，而 達成此工藝時間控制。在用來形成籽晶層113的金屬沉積的初始階段， 可控制環(huán)境118的工藝溫度以使能夠有效的材料沉積。關(guān)于溫度控制， 應(yīng)用如前面參照沉積環(huán)境117說明的相同的準則。也就是說，在一些 例示實施例中，可控制環(huán)境118的電解液的溫度禾n/或襯底101溫度以 達成特定的工藝溫度，例如，其可以是在約60至IO(TC的范圍。在一 個例示實施例中，電解液的溫度(其可以電解池等的形式提供)可以維持 低于特定的臨界工藝溫度，譬如約6(TC，同時襯底101溫度可以維持 在或高于特定的工藝溫度。如此一來，只要器件100的暴露表面部分 的緊鄰附近的電解液的溫度是在或高于特定的工藝溫度時，即獲得有 效的金屬沉積，其中可根據(jù)工藝溫度而有效地控制此階段期間實質(zhì)的 共形沉積，使得在形成籽晶層113的所希望的共形沉積階段后，工藝 溫度可顯著地降低，以便有效地減少或避免進一步的共形沉積。應(yīng)了 解到，包含在環(huán)境118的電解液中的添加劑可大致表示雙極(dipole)分 子，對外部產(chǎn)生的電場反應(yīng)，同時實質(zhì)上不影響在初始沉積階段用來 形成籽晶層113的沉積行為，除了與其他組成部分和暴露表面部分C亦 即，暴露在環(huán)境118的層110)建立吸收/脫附(desorption)平衡之外。
其后，可建立適當?shù)碾娏髁鲃右岳^續(xù)進一步的金屬沉積，與具有 自底至頂充填行為的廣為接受的電鍍工藝中已知者相似。在一些例示 實施例中，可根據(jù)外部產(chǎn)生電場建立濕式化學(xué)沉積工藝118，其中可適 當?shù)乜刂瓶山?jīng)由導(dǎo)電阻擋層110獲得的對應(yīng)電流流動，以通過調(diào)整影 響無電沉積方式和電鍍沉積方式的比值而稍微修改在形成籽晶層113 期間的沉積行為。也就是說，通過對應(yīng)地調(diào)整工藝溫度和建立適當?shù)?電流流動(其可被選擇以便仍保持由無電方式所主導(dǎo)的沉積行為)，可完 成更各向異性的沉積行為。例如，由于外部產(chǎn)生的電場，添加劑的性 質(zhì)可被"活化"至某程度，因而，例如，提高增加的沉積在開口 108
的底部111，同時仍提供適當?shù)墓残纬练e在器件100的其他表面部分。 當經(jīng)考慮認為適當時，可在沉積工藝的任何時間點建立對應(yīng)共存的無 電和電鍍方式。例如，可如上的討論建立高度共形初始沉積階段，而 其后可建立某一轉(zhuǎn)移階段，以便通過增強在開口 108的底部111的傷: 積率而進一步增加籽晶層113的厚度，同時仍放松對于后續(xù)自底至頂 充填工藝的抑制。最后，當獲得所希望的籽晶層113的厚度時，工藝 控制可被"切換"至純電鍍方式。
圖ld示意地顯示半導(dǎo)體器件100，其中濕式化學(xué)沉積環(huán)境118是 處在電鍍方式。于是，外部產(chǎn)生的電場119建立在環(huán)境118中，因而 引發(fā)電流120流經(jīng)環(huán)境118的電解液。此外，根據(jù)電鍍方式，形成金 屬層114以實質(zhì)上完全填滿開口 108，其中過多的材料亦可沉積在器件 100的水平表面部分。在圖ld中所示電鍍方式期間，可根據(jù)任何適當 的策略(譬如電位-靜態(tài)/動態(tài)(potentio-static/ dynamic)或電流-靜態(tài)/動態(tài) (galvano-static/dynamic)沉積技術(shù))，而建立電場119和因此引發(fā)的電流 120。在對應(yīng)的電流脈沖方式期間，包含在沉積環(huán)境118中的添加劑5見 在提供所需的自底至頂充填行為，如由習知和廣為接受的電鍍工藝所 已知者。在一個例示實施例中，當從無電控制方式轉(zhuǎn)移至圖ld的電,度 方式時，降低了環(huán)境118的電解液的溫度和襯底101溫度，因而有效 地減少或消除任何的共形沉積行為，使得沉積動能實質(zhì)由電鍍方式所 控制。例如，電解液和襯底101的溫度可降低至約4(TC或更低，以實 質(zhì)終止無電沉積工藝。
結(jié)果，可根據(jù)具有所希望的表面材質(zhì)的籽晶層113而形成金屬層 114，其中，如經(jīng)常在先進CVD或ALD技術(shù)中所遭遇的，由于形成籽 晶層113和最終金屬層114的工藝的原位的性質(zhì)，而可明顯地減少茅子 晶層的污染。
在另外其他的實施例中，可基于阻擋層110而在分離沉積工藝中 形成籽晶層113，該籽晶層113亦可基于濕式化學(xué)沉積工藝而形成，例 如，當籽晶層113可由相較于金屬層114的不同的材料組成時。在此 種工藝策略中，由于阻擋層110與籽晶層113的電化學(xué)沉積而可獲得 明顯的優(yōu)點，因而提供了進一歩的器件縮小的可能性，同時關(guān)于形成 金屬層114仍達成高度的工藝彈性，因為此處可在高度共形且可靠的
籽晶層113上進行分離的沉積工藝。
在另外其他的例示實施例中，根據(jù)如上述參照圖lc和Id的濕式
化學(xué)沉積工藝118，籽晶層113和金屬層114的沉積亦可用于結(jié)合根據(jù) 其他沉積技術(shù)(譬如CVD、 ALD或PVD)所形成的阻擋層，如前面參照 圖la的說明當有關(guān)催化活化區(qū)域112作為阻擋層時。如上的討論，在 此等情況中，阻擋層112然后可包括個別的催化劑材料，或?qū)?yīng)的催 化劑材料可形成在層112上。
因此，本發(fā)明提供了一種根據(jù)嵌入技術(shù)用來形成高導(dǎo)電金屬區(qū)的 加強技術(shù)，其中根據(jù)濕式化學(xué)沉積工藝而形成籽晶層，在一個例示實 施例中當連續(xù)地暴露該器件在適當設(shè)計的電解液中時該濕式化學(xué)沉積 工藝結(jié)合后續(xù)的電鍍工藝。在此情況，提供原位工藝(in situ process), 其中在電鍍方式期間適當選擇的添加劑提供所希望的自底至頂充填行 為，同時此等添加劑在形成籽晶層期間實質(zhì)上"不作用(inactive)"。而 且，可根據(jù)濕式化學(xué)沉積工藝而形成阻擋層，然后該阻擋層可作用為 籽晶層或催化層用于初始欲將充填入甚至高度縮小半導(dǎo)體器件的個別 開口的高導(dǎo)電金屬的濕式化學(xué)沉積。如此一來，當使用廣為接受的整 合概念時，本發(fā)明能夠形成金屬化用于45 nm技術(shù)模式以及甚至更窄 的互連結(jié)構(gòu)，而實質(zhì)上不會減損器件效能。再者，本發(fā)明可使用結(jié)合 多種金屬，譬如銅、銀等。
以上揭示的特定實施例僅為例示性的說明，然對于熟悉此項技術(shù) 者在了解本說明書的內(nèi)容后可很顯然地了解本發(fā)明可用不同但等效的
方式作修改或?qū)嵶?。舉例來說，前述的處理步驟可以不同的順序來執(zhí) 行。再者，除了后述的權(quán)利要求書所描述者外，其在此顯示的詳細構(gòu) 造或設(shè)計并非要用來限制本發(fā)明。因此很明顯的，以上所揭露的特定 實施例可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下進行修飾與改變，而所有的 此等改變皆考慮在本發(fā)明的精神與范圍內(nèi)。由是，本發(fā)明的權(quán)利保護 范圍，應(yīng)如后述的權(quán)利要求書。
權(quán)利要求
1、一種方法，包括下列步驟通過施加電解液(118)和進行無電濕式化學(xué)沉積工藝而在半導(dǎo)體器件(100)的圖案化層之上沉積金屬(114)；以及在施加該電解液(118)以便進一步沉積該金屬(114)時，在該電解液(118)中建立外部產(chǎn)生電場(119)。
2、 如權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括在進行該無電濕式化學(xué)沉 積工藝之前，先對該圖案化層(107)的暴露表面區(qū)域(107A)進行催化活 化工藝(116)。
3、 如權(quán)利要求1所述的方法，進一歩包括在沉積該金屬(114)之前， 在圖案化電介質(zhì)材料(107)上形成阻擋層(110)，該圖案化電介質(zhì)材料 (107)和該阻擋層(110)形成該圖案化層。
4、 如權(quán)利要求3所述的方法，進一步包括將鉑、鈀、銀、銅和鈷的 其中至少一種并入該阻擋層(110)中。
5、 如權(quán)利要求3所述的方法，進一步包括在沉積該金屬(114)之前， 在該阻擋層(110)之上形成催化層(112)。
6、 如權(quán)利要求3所述的方法，其中該阻擋層(110)通過無電沉積工藝 所形成。
7、 如權(quán)利要求6所述的方法，進一步包括在形成該阻擋層(110)之前， 對該圖案化電介質(zhì)材料(107)的暴露表面區(qū)域(107A)進行初始催化活化 工藝(U6)，以將用來初始沉積該阻擋層(110)的材料的催化劑材料(112) 并入該暴露表面C 107A)部分內(nèi)。
8、 如權(quán)利要求1所述的方法，其中該電解液(118)包括一種或多種添 加劑，用于在進一步沉積期間根據(jù)該電場(l 19)控制沉積行為。
9、 如權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括當根據(jù)該電場(119)進一步沉積該金屬(114)時，降低該電解液(118)的溫度低于該無電沉積工藝的特定工藝溫度。
10、 如權(quán)利要求9所述的方法，其中在建立該外部產(chǎn)生電場(119)之前 降低該溫度。
11、 如權(quán)利要求1所述的方法，其中該圖案化層包括電介質(zhì)層(107)，且該方法進一步包括下列步驟通過濕式化學(xué)沉積工藝在電介質(zhì)層(107)中所形成的開口(108)的表 面部分(107A)之上形成阻擋層G10):通過濕式化學(xué)沉積工藝在該阻擋層(110)之上形成籽晶層(113);以及使用該籽晶層(113)用該金屬(114)填滿該開口(108)。
12、 如權(quán)利要求11所述的方法，進一步包括在用于形成該籽晶層(113) 的該濕式化學(xué)沉積工藝期間，對該阻擋層(110)進行催化活化工藝(116) 以用于初始金屬沉積。
13、 如權(quán)利要求12所述的方法，其中，在填滿該開口(108)期間，降 低用來形成該籽晶層(113)和用來填滿該開口(108)的電解液(118)的工藝溫度。
14、 如權(quán)利要求13所述的方法，其中，在形成該籽晶層(113)期間至 少暫時地建立外部產(chǎn)生電場(119)。
全文摘要
本發(fā)明為通過在原位(in situ)進行無電沉積和電沉積工藝，而可提供高度可靠的金屬化作用，其中可克服由用來形成籽晶層的習知化學(xué)氣相沉積(CVD)、原子層沉積(ALD)和物理氣相沉積(PVD)技術(shù)所遭遇到的關(guān)于污染和器件縮放尺寸(device scaling)的限制。在一些實施例中，亦根據(jù)濕式化學(xué)沉積工藝而沉積阻擋層(barrier layer)。
文檔編號H01L21/768GK101351869SQ200680049489
公開日2009年1月21日 申請日期2006年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月30日
發(fā)明者A·普羅伊塞, M·諾普, S·魏納 申請人:先進微裝置公司