專利名稱：應(yīng)用于選擇性蓋頂和化學(xué)鍍層的銅凹陷工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般性地涉及集成電路結(jié)構(gòu)的外部互連層上的銅引線連接上方的絕緣體/導(dǎo)體，并且特別涉及用于形成此類互連層的改進的工藝和結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
集成電路工藝處理可一般性地分為線前端(FEOL)和線后端(BEOL)工藝。在FEOL處理期間，制造各種邏輯和功能器件。FEOL處理通常將形成邏輯和功能器件的多個層?；ミB層在BEOL處理期間形成于此類邏輯和功能層上方，從而完成集成電路結(jié)構(gòu)。因此，BEOL處理一般包括形成絕緣體和導(dǎo)電的引線與接觸。
目前，具有較低介電常數(shù)(并且較軟)的絕緣體(電介質(zhì))正在取代舊有的、較硬的、具有較高介電常數(shù)的絕緣體。低介電常數(shù)材料通常具有低于3.0的介電常數(shù)，并且包括諸如Dow Chemical Company(NY，USA)提供的SiLK、Honeywell(NJ，USA)提供的FLARE的聚合低K值電介質(zhì)商業(yè)產(chǎn)品、諸如Honeywell，Inc.(NJ，USA)提供的Nanoglass(多孔SiO2)以及AppliedMaterial(CA，USA)提供的Black Diamond(摻碳SiO2)的多微孔玻璃、NovellusSystems，Inc.(CA，USA)提供的Coral(碳化硅基電介質(zhì))、以及AlliedSignal(NJ，USA)提供的Xerogel。這些低介電常數(shù)絕緣體稱作“低K”電介質(zhì)。這些低K電介質(zhì)由于其減小了整體電容而具有好處，這將增加器件速度并允許采用較低的電壓(使器件更小更便宜)。
通常將金屬(諸如銅、鎢等)作為BEOL互連層中的引線和電連接。在BEOL互連層中使用低K電介質(zhì)的一個缺點在于低K電介質(zhì)對金屬遷移(migration)(如銅遷移)比較高K電介質(zhì)對金屬遷移更加敏感。解決此問題的一種傳統(tǒng)方法是使用覆蓋介電帽層(具有高介電常數(shù))作為用于金屬部件上低K介電材料的金屬擴散阻擋層。此覆蓋介電帽層還起到了用于防止低K介電材料中的氧氧化金屬的氧阻擋層的作用。
然而，此介電帽層通常具有較高的介電常數(shù)，并且將極大地影響金屬部件之間全部介電材料的有效介電常數(shù)。另外，介電帽層為了有效而有一個最小厚度(例如，250)。然而，若介電帽層形成超過一定厚度，將超過期望水平地從本質(zhì)上扭曲互連層的介電常數(shù)。因此，需要一種新型的互連層，其無需覆蓋介電帽層。下面介紹的本發(fā)明正提供了一種用于制造此類互連層的方法和結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種集成電路結(jié)構(gòu)，其具有至少一層邏輯和功能器件，以及位于邏輯和功能器件層上的至少一層互連層。互連層具有襯底、襯底中的導(dǎo)電部件、以及僅沉積在導(dǎo)電部件上的帽層。
本發(fā)明還可具有導(dǎo)電部件與帽層之間的阻擋層。阻擋層可為導(dǎo)電材料。互連層包括上表面，而帽層沿該上表面設(shè)置。本發(fā)明具有沿該上表面并臨近導(dǎo)電部件的掩模材料。襯底具有比掩模更低，并低于3.0的介電常數(shù)。
本發(fā)明還提供了一種用于為互連結(jié)構(gòu)的金屬部件選擇性地蓋頂(capping)的方法。所述互連結(jié)構(gòu)位于至少一層邏輯和功能器件之上。本發(fā)明凹陷金屬部件、在互連結(jié)構(gòu)上沉積帽層。隨后，本發(fā)明平整化互連結(jié)構(gòu)以形成僅位于金屬部件上的帽層。


通過下面參照附圖對本發(fā)明優(yōu)選實施例進行的詳細描述將使本發(fā)明得到更好的理解，附圖中圖1為部分地完成的根據(jù)本發(fā)明的集成電路結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2為部分地完成的根據(jù)本發(fā)明的集成電路結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3為部分地完成的根據(jù)本發(fā)明的集成電路結(jié)構(gòu)的示意圖；圖4為部分地完成的根據(jù)本發(fā)明的集成電路結(jié)構(gòu)的示意圖；圖5為部分地完成的根據(jù)本發(fā)明的集成電路結(jié)構(gòu)的示意圖；圖6為部分地完成的根據(jù)本發(fā)明的集成電路結(jié)構(gòu)的示意圖；圖7為部分地完成的根據(jù)本發(fā)明的集成電路結(jié)構(gòu)的示意圖；圖8為部分地完成的根據(jù)本發(fā)明的集成電路結(jié)構(gòu)的示意圖；圖9為部分地完成的根據(jù)本發(fā)明的集成電路結(jié)構(gòu)的示意圖；圖10為部分地完成的根據(jù)本發(fā)明的集成電路結(jié)構(gòu)的示意圖；
圖11為部分地完成的根據(jù)本發(fā)明的集成電路結(jié)構(gòu)的示意圖；以及圖12為部分地完成的根據(jù)本發(fā)明的集成電路結(jié)構(gòu)的示意圖。
具體實施例方式
如上所述，傳統(tǒng)的高K介電帽層的使用帶來了諸多的缺點。本發(fā)明通過僅在諸如引線和層間互連的金屬區(qū)域上形成帽層材料來克服這些缺點。更具體地說，如下所示，本發(fā)明將互連層向下拋光至預(yù)定的水平、形成金屬部分頂部中的凹陷、在整個互連層上沉積帽層材料、并隨后拋光互連層使得帽層材料僅保留在金屬部分上的凹陷中。進行這樣的處理，本發(fā)明明顯地降低了結(jié)構(gòu)中高K介電帽層材料的用量，從而避免了在使用介電帽層材料的覆蓋層時帶來的問題(上面討論過的)。
用于實現(xiàn)本發(fā)明結(jié)構(gòu)的處理工藝在圖1至12中示出，其表現(xiàn)了本發(fā)明的多個實施例。圖1開始于部分完成的BEOL互連結(jié)構(gòu)，其包括形成于低K電介質(zhì)121中的導(dǎo)電部件122。導(dǎo)電部件122可以是任何通用的導(dǎo)體，諸如銅、鎢等，依據(jù)具體應(yīng)用和設(shè)計用作引線、接觸、接線柱、通孔等、并且此處有時被稱作“金屬”或“銅”部件/導(dǎo)體。
襯里120在金屬部件122的周圍，用于防止金屬部件122擴散入低K電介質(zhì)121中。圖1還示了化學(xué)機械拋光(CMP)硬掩模125和反應(yīng)離子蝕刻(RIE)掩模123、124。用于形成圖1所示結(jié)構(gòu)的方法和材料是公知的，在此為簡短而不再討論，并且并不模糊本發(fā)明的顯著特點。
對圖1中所示的結(jié)構(gòu)進行化學(xué)機械拋光工藝，以去除金屬部件122的最頂部和所有的RIE掩模123、124。此拋光工藝包括(或繼以)短暫的非研磨漿料拋光，其去除了金屬殘余物并且使表面130基本均勻。此工藝將結(jié)構(gòu)的高度降低至圖2中130所示的水平。此水平130在正常的CMP拋光端點126(在圖1和圖2中以虛線示出)上方。通常，將該結(jié)構(gòu)向下拋光至水平126，并隨后以覆蓋高K介電帽層(其具有前面討論的缺點)覆蓋。
未如傳統(tǒng)方法中那樣形成覆蓋高K介電帽層，本發(fā)明使金屬結(jié)構(gòu)122凹陷(使用將現(xiàn)下面討論的各種不同工藝)，并且隨后以帽層材料(可以為絕緣體或?qū)w)填充凹陷的部分。凹陷金屬結(jié)構(gòu)的一種方法在圖3中示出。在此工藝中，氧化金屬部件122的上部從而建立硬掩模125附近的氧化部分140。此氧化部分隨后被利用侵蝕氧化物的濕法或干法化學(xué)反應(yīng)(RIE)去除(如圖4所示)。這產(chǎn)生了圖4所示的結(jié)構(gòu)，其包括金屬部件122上的凹陷150。凹陷的深度約等于硬掩模125的厚度。例如，硬掩?？梢詾榧s500□厚，而凹陷可以為約500□。依據(jù)應(yīng)用和期望的總介電常數(shù)，凹陷可制得更深(例如，大于1000□)。
或者，不是建立氧化物140，而是對圖2所示的結(jié)構(gòu)進行額外的化學(xué)蝕刻或侵蝕金屬部件122但基本不影響硬掩模125的干法蝕刻，以建立凹陷150(從而繞過圖3所示的處理步驟)。例如，上面討論的非研磨漿料拋光持續(xù)額外的一個時間段，從而去除相似量的導(dǎo)體122以產(chǎn)生凹陷150，并形成圖4中所示的結(jié)構(gòu)。
在任何情況下，一旦建立了圖4中所示的結(jié)構(gòu)，在本發(fā)明的一些實施例中，在該結(jié)構(gòu)上方并且在凹陷150中沉積阻擋層160。在其它的一些實施例中，未形成層160，并且工藝直接從圖4所示的結(jié)構(gòu)前進至圖7所示的結(jié)構(gòu)(等在下面詳細介紹)，其中帽層材料180直接沉積在凹陷150中。阻擋層160可沉積在所有的表面上(包括垂直表面165)?；蛘?，可僅在水平表面上(不包括垂直表面165)沉積擴散阻擋層160，同樣這是依據(jù)具體的應(yīng)用。優(yōu)選，使阻擋層160按保形工藝沉積(例如化學(xué)鍍、直接物理汽相沉積等)，這避免了在凹陷150中形成空隙。
依據(jù)每個具體設(shè)計，阻擋材料160將采用不同的化學(xué)組成。例如，在一個實施例中，層160包括電遷移抑制金屬帽層/擴散阻擋金屬帽層(例如，CoWP、鈀、鎳、鈷、銻、鉻、鉬、鉑、釕、銠、鈹、鉿、鈣、銦、鎘、鋅、錫、鉭和鈦)，其防止導(dǎo)體材料122擴散入帽層材料180中(將在下面介紹)。
阻擋層160允許帽層形成得甚至更薄(由于阻擋層防止金屬從金屬部件122擴散進入帽層180中)。通過減少帽層180與導(dǎo)體122之間的遷移，阻擋層160增強了電遷移壽命(electromigration lifetime)(降低導(dǎo)體122的遷移)，這也降低了由這種遷移引入的應(yīng)力。
電遷移壽命和引入的應(yīng)力是依據(jù)導(dǎo)體122與阻擋層160之間的界面處的原子輸運。阻擋層160降低了這類原子輸運，從而提供了最大的可靠性。導(dǎo)體遷移速率(漂移速度)是遷移率(D/kT)·F的產(chǎn)物；其中D為導(dǎo)體的有效擴散率，T為開氏絕對溫度，k為波爾茲曼常數(shù)，以及F為來自施加的電場或應(yīng)力梯度的驅(qū)動力。
阻擋層160還改善了導(dǎo)體122與金屬(或電介質(zhì))180之間的附著力，并起到了腐蝕保護層的作用。阻擋層160為導(dǎo)電的，并且對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)是無用的，因為其將造成整個互連層的短路。
在一個實施例中，阻擋層160直接沉積在凹陷中，并在圖5中示出。在另一個實施例中，在形成阻擋層160之前，沉積等離子體汽相沉積(PVD)Pd種層170，如圖6所示?？稍赑d種層170沉積前進行預(yù)清潔處理(例如，酸性預(yù)清潔、形成氣體退火、氫等離子體處理等)。預(yù)清潔和Pd種植增加了CoWP層160的均勻度。圖7示出了帽層180的形成/沉積。如前面提到的，帽層180可直接形成于圖5所示的凹陷150中，各阻擋層160、170可選地在沉積帽層180之前包括進來，如圖6所示。優(yōu)選使帽層180在阻擋層160、170沉積之后沉積，而不將襯底暴露于空氣中。
帽層可為導(dǎo)體或絕緣體。帽層可由包括SiO2、硼摻雜SiO2、BPSG(硼磷硅酸鹽玻璃)、碳化硅、氮摻雜碳化硅、氧化物、Si3N4等的絕緣材料構(gòu)成，其通常具有明顯高于低K電介質(zhì)121或諸如TaN、TiN、TiSiN、Ta、W等的金屬材料的較高的介電常數(shù)，且通常具有與低K介電材料的良好的粘合，并且是銅和氧的良好的阻擋層。如圖8所示，化學(xué)機械拋光工藝向下平整化結(jié)構(gòu)至水平126，從而僅在導(dǎo)體122上的凹陷150中保留帽層180(以及任意可選的層160、170)，并且沿互連層的上表面建立多個帽層。因此，利用本發(fā)明的工藝，帽層材料180不包括覆蓋層，而是在整個互連層上包括區(qū)別的、分離的、僅位于導(dǎo)體122上的帽層。如上所述，這明顯減少了包括在BEOL互連層內(nèi)的帽層材料的體積。
圖9至12示出了本發(fā)明的另一實施例，其中形成了凹陷151，而完整地保留了RIE掩模123、124。因此，本實施例與圖2所示的實施例不同，因為圖1所示的RIE掩模123、124在形成凹陷151之前未被去除(如圖9所示)。形成凹陷151的工藝與前面討論的相同，并且無需圖2中所示的去除RIE掩模123、124的步驟。
圖10示出了阻擋層160的形成。然而，本實施例說明了阻擋層無需形成在凹陷151的側(cè)壁165上。而在前面的實施例中，阻擋層160可形成于所有的表面上或僅形成于水平表面上。另外，本實施例未使用可選的Pd種層170(然而，也可以使用)。在圖11中，沉積了帽層材料180(如前面介紹的)，并且圖12中，將結(jié)構(gòu)平整化以產(chǎn)生基本與圖8所示結(jié)構(gòu)相似的結(jié)果。
如上所示，使用覆蓋介電帽層意外地改變了BEOL互連層的介電常數(shù)，由于帽層必須為一定的厚度才能成為有效的阻擋層。然而，這樣的厚度通常不是以線寬決定，并且厚度被減小(從一個工藝發(fā)生到另一個工藝發(fā)生)。本發(fā)明使用了選擇性帽層工藝(如上所述)從而僅在金屬部件上(未在金屬部件間)保留帽層材料。這種工藝和結(jié)構(gòu)極大地減小了BEOL互連層中較K介電帽層材料的用量。
另外，本發(fā)明的一些實施例包括金屬部件122與帽層180之間的阻擋層160。通過減少導(dǎo)體122的表面擴散，阻擋層160增強了電遷移壽命(減少導(dǎo)體122的遷移)，其同樣減小了由此類遷移引入的應(yīng)力。阻擋層160還改進了導(dǎo)體122與金屬或介電帽層180之間的粘合，并且起到了腐蝕保護層的作用。阻擋層160是導(dǎo)電的，并且對于傳統(tǒng)的覆蓋型結(jié)構(gòu)是無用的，因為導(dǎo)電覆蓋層將導(dǎo)致整個互連層上的短路。本發(fā)明結(jié)構(gòu)對于嵌入蝕刻停止層同樣是有用的，因為帽層材料不干擾蝕刻停止層的效果，而傳統(tǒng)的覆蓋介電帽層會干擾。
雖然本發(fā)明以通過優(yōu)選實施例介紹如上，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到本發(fā)明可在權(quán)利要求的范圍和精神內(nèi)以各種改動實施。
權(quán)利要求
1.一種集成電路結(jié)構(gòu)，包括至少一層邏輯和功能器件；以及所述邏輯和功能器件層上的至少一個互連層；其中，所述互連層包括襯底；所述襯底中的導(dǎo)電部件；以及僅沉積在所述導(dǎo)電部件上的帽層。
2.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，還包括所述導(dǎo)電部件與所述帽層之間的阻擋層。
3.如權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述阻擋層由導(dǎo)電材料構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述互連層包括一上表面，而所述帽層沿所述上表面設(shè)置。
5.如權(quán)利要求4所述的結(jié)構(gòu)，還包括沿著所述上表面并臨近所述導(dǎo)電部件的掩模材料。
6.如權(quán)利要求5所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述襯底具有比所述掩模更低的介電常數(shù)。
7.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述襯底具有低于3.0的介電常數(shù)。
8.一種用于集成電路結(jié)構(gòu)的互連層結(jié)構(gòu)，所述互連層結(jié)構(gòu)在至少一層邏輯和功能器件上，所述互連層包括襯底；所述襯底中的導(dǎo)電部件；以及僅沉積在所述導(dǎo)電部件上的帽層。
9.如權(quán)利要求8所述的結(jié)構(gòu)，還包括所述導(dǎo)電部件與所述帽層之間的阻擋層。
10.如權(quán)利要求9所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述阻擋層由導(dǎo)電材料構(gòu)成。
11.如權(quán)利要求8所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述互連層包括一上表面，而所述帽層沿所述上表面設(shè)置。
12.如權(quán)利要求11所述的結(jié)構(gòu)，還包括沿著所述上表面并臨近所述導(dǎo)電部件的掩模材料。
13.如權(quán)利要求12所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述襯底具有比所述掩模更低的介電常數(shù)。
14.如權(quán)利要求8所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述襯底具有低于3.0的介電常數(shù)。
15.一種集成電路結(jié)構(gòu)，包括至少一層邏輯和功能器件；以及所述邏輯和功能器件層上的至少一個互連層，其中所述互連層包括襯底；所述襯底中的導(dǎo)電部件；僅沉積在所述導(dǎo)電部件上的帽層；以及所述導(dǎo)電部件與所述帽層之間的導(dǎo)電阻擋層。
16.如權(quán)利要求15所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述互連層包括一上表面，而所述帽層沿所述上表面設(shè)置。
17.如權(quán)利要求16所述的結(jié)構(gòu)，還包括沿著所述上表面并臨近所述導(dǎo)電部件的掩模材料。
18.如權(quán)利要求17所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述襯底具有比所述掩模更低的介電常數(shù)。
19.如權(quán)利要求15所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述襯底具有低于3.0的介電常數(shù)。
20.一種用于為互連結(jié)構(gòu)的金屬部件選擇性地蓋頂?shù)姆椒?，其中，所述互連結(jié)構(gòu)位于至少一層邏輯和功能器件之上，所述方法包括凹陷所述金屬部件；在所述互連結(jié)構(gòu)上沉積帽層；以及平整化所述互連結(jié)構(gòu)以形成僅位于所述金屬部件上的帽層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種集成電路結(jié)構(gòu)，其具有一層邏輯和功能器件，以及位于邏輯和功能器件層上的互連層。該互連層具有襯底、襯底中的導(dǎo)電部件、以及僅沉積在導(dǎo)電部件上的帽層。
文檔編號H01L21/768GK1508869SQ0315875
公開日2004年6月30日 申請日期2003年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月16日
發(fā)明者陳行聰, J 多爾頓, 蒂莫西·J·多爾頓, M 戴維斯, 肯尼思·M·戴維斯, そ苊錐, 胡朝坤, K 卡爾多, 芬·F·杰米恩, 斯蒂芬·K·卡爾多, 韋耶 克里什南, 庫馬, 馬哈德韋耶·克里什南, F 洛法羅, 考?？恕祚R, G 馬洛特拉, 邁克爾·F·洛法羅, 塞卡 納拉延, 桑德拉·G·馬洛特拉, L 拉思, 錢德拉塞卡·納拉延, M 魯比諾, 戴維·L·拉思, L 薩恩格, 朱迪思·M·魯比諾, H 西蒙, 凱瑟琳·L·薩恩格, P E 史密斯, 安德魯·H·西蒙, 西恩·P·E·史密斯, 曾偉志 申請人:國際商業(yè)機器公司