專利名稱：含有鎢合金阻擋層的結(jié)構(gòu)及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到電子器件如集成電路(IC)芯片的互連線，更確切地說是涉及到封裝在集成電路中的銅互連線。
背景技術(shù)：
過去，Al-Cu及其有關(guān)合金是制作電子器件如集成電路芯片互連線的優(yōu)選合金。Al-Cu中的Cu含量典型地為0.3-4％。
用Cu和Cu合金代替Al-Cu作為芯片的互連材料在性能上有許多優(yōu)點(diǎn)。由于Cu和某些銅合金的電阻率低于Al-Cu，使性能得到改善，這樣就可使用較窄的線條，并實(shí)現(xiàn)較高的引線密度。
Cu金屬化的優(yōu)點(diǎn)已為半導(dǎo)體工業(yè)界所認(rèn)識(shí)。事實(shí)上，由于其高電導(dǎo)率和改善可靠性，半導(dǎo)體工業(yè)正在迅速地舍棄鋁而選用銅作為芯片互連材料。
制作芯片互連包括許多相關(guān)的工序。具體說來，銅互連是使用所謂的雙嵌入(Dual Damascene)工藝，其中一個(gè)通道和一條引線是在一個(gè)工序中一起制作的。成功地制作雙嵌入銅互連線需要克服的幾個(gè)重要的綜合問題是阻擋層和籽層膜的連續(xù)性和銅電鍍工藝的能力，以在沿雙嵌入溝槽側(cè)壁、底面以及沿引線中間得到無縫和無孔的沉積層。此外，1999年版的International Technology Roadmap forSemiconductors呼喚在未來的互連金屬化中需要直徑小的孔和高的長(zhǎng)寬比。
在許多現(xiàn)有技術(shù)中，銅是電沉積在銅籽層上的，而銅籽層沉積在擴(kuò)散層上。擴(kuò)散阻擋層和Cu籽層二者典型地都是用物理汽相沉積(PVD)、離化物理汽相沉積(IPVD)、或化學(xué)汽相沉積(CVD)技術(shù)(Hu et al.，Mat.Chem.Phys.，52(1998)5)來沉積的。所有這些方法，PVD、IPVD、和CVD都需要專用的真空設(shè)備。而且，擴(kuò)散阻擋層常由兩層(例如，Ti/TiN雙層阻擋層)組成。
因此，為簡(jiǎn)化工藝和/或所需的層，現(xiàn)有技術(shù)還有改進(jìn)的余地。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明使用某些鎢的擴(kuò)散阻擋層，使得能夠?qū)崿F(xiàn)完全封裝的集成電路銅互連線。本發(fā)明是關(guān)于使用電沉積的含鈷和/或鎳的鎢合金擴(kuò)散阻擋層的。
本發(fā)明也使在阻擋層上用電化學(xué)方法直接沉積銅成為可能。
尤其是，本發(fā)明涉及到一種電子學(xué)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)含有襯底，襯底的介電層中有通道開孔；此通道開孔具有底層，是將鈷、鎳或二者沉積在通道開孔的側(cè)壁、下表面而成的；在底層側(cè)壁和下表面上的阻擋層；其中阻擋層包括電沉積的鎢合金層，鎢合金層至少包括選自鈷、鎳及其混合物組中的一種。
本發(fā)明的另一方面涉及到一種電子學(xué)結(jié)構(gòu)的制作方法，包括在襯底上制作絕緣材料層；在絕緣材料層中用光刻確定和制作引線和/或通道凹槽，互連導(dǎo)體材料將沉積在其中；覆蓋沉積鈷、鎳或二者的底層；在底層上電沉積鎢合金阻擋層，該阻擋層至少包括選自鈷、鎳及其混合物組中的一種。
從下面的詳細(xì)描述，本技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員將容易明了本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點(diǎn)。在下面的描述中，通過簡(jiǎn)單地說明實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所設(shè)想的最佳模式，表示和描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。將認(rèn)識(shí)到，此發(fā)明可有其他的和不同的實(shí)施方式，其幾處詳情也可在明顯不同的方面作出修改而沒有背離本發(fā)明。因此，其描述只是說明而不是限制。


圖1-6為根據(jù)本發(fā)明的電子學(xué)結(jié)構(gòu)在不同的制作階段的示意圖。
具體實(shí)施例方式
將參照附圖以便于了解本發(fā)明。如圖1所示，在襯底1(例如，半導(dǎo)體晶片襯底)上提供絕緣材料層2如二氧化硅可得到本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。
用圖2所示的熟知技術(shù)在絕緣材料層2中光刻確定和制作引線和/或通道開孔3。根據(jù)本發(fā)明，在此結(jié)構(gòu)上覆蓋沉積鈷和/或鎳底層4，優(yōu)選地為鈷，如圖3所示。此沉積典型地用CVD(化學(xué)汽相沉積)法來實(shí)現(xiàn)，或優(yōu)選地用濺射法。濺射法典型地為PVD(物理汽相沉積)或IPVD(離化物理汽相沉積)。濺射典型地是在約1-5kW的電功率和的10-80mTorr的惰性氣體(例如氬)壓強(qiáng)下進(jìn)行的。不必進(jìn)一步討論底層的沉積，因?yàn)檫@是本技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員明白了此項(xiàng)公開后容易弄清楚的。
鈷和/或鎳底層典型地約為10-200nm厚，更典型地約為50-100nm厚。
下面，在底層4上沉積阻擋層5，如圖4所示。此阻擋層5為鈷和/或鎳的合金。所選的鎢合金優(yōu)選地含有與底層4相同的金屬。例如，當(dāng)?shù)讓?為鈷時(shí)，阻擋層5則為鈷和鎢的合金。此合金也可包含次要合金量的其他材料如磷。
此合金典型地含有至少約2％原子比的鎢，更典型地約為15-20％原子比的鎢。
能夠含有超過10％原子比的鎢是十分令人驚訝的。例如，在現(xiàn)有技術(shù)的Co-W(P)合金中，無電鍍沉積的，W的含量只有7％(Lopatin et al.，Mat.Res.Soc.Symp.Proc.Vol.451(1997)463)。使用本發(fā)明能得到W含量約達(dá)20％原子比的Co-W(P)合金，和W含量約達(dá)15％原子比的Co-W合金。
阻擋層5典型地約為5-200nm厚，更典型地約為10-100nm厚。
阻擋層5典型地用電沉積在濺射的底層4上。電沉積阻擋層5用的溶液包含鎢離子源如(NH4)2WO4和(NH4)10W12O41；鈷離子源如CoCl2或CoSO4或鎳離子源如NiCl2、Ni(NO3)2或NiSO4；絡(luò)合劑，表面活性劑和pH值調(diào)節(jié)劑。例如，一種電沉積Co-W合金的合適溶液含有(NH4)2WO4(或(NH4)10W12O41)，CoCl2(或CoSO4)，檸檬酸鈉(Na3-citrate)，NH4Cl，Triton X-114，加NH4OH至pH9.26。一種電沉積Co-W(P)合金的溶液含有(NH4)2WO4，CoCl2，檸檬酸鈉，硼酸，Triton X-114，加NH4OH至pH8.90，以及Na2H2PO2。Co2+離子的絡(luò)合度和溶液的pH值被調(diào)節(jié)至得到所需的合金結(jié)構(gòu)和所需粘附強(qiáng)度，這對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員一旦明白了本公開是很容易調(diào)節(jié)的。在合金的電沉積中，沉積金屬量的比值(M1/M2)或電流密度的比值(i1/i2)取決于交換電流密度、轉(zhuǎn)換系數(shù)、平衡電位、以及界面的電位差。平衡電位，在某些情形下的交換電流密度和轉(zhuǎn)換系數(shù)，可由溶液中絡(luò)合的金屬離子和改變pH值來改變。按照能斯脫方程(Nernst equation)，平衡電位與金屬離子及配合基的濃度(活性)、該離子的絡(luò)合劑有關(guān)。這樣，在合金的電沉積中，合金的組分可由改變?nèi)芤褐薪饘匐x子的濃度和pH值來改變。本技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員可用此法和改變界面的電位差(超電位)來得到所需的結(jié)構(gòu)和合金性質(zhì)。
W的含量可由改變沉積的電流密度來控制。此電流密度典型地為約5-20mA/cm2。擴(kuò)散阻擋層防止Cu從互連線擴(kuò)散入絕緣體(例如，SiO2或其他具有低介電常數(shù)的絕緣體)和Si襯底。
然后在擴(kuò)散阻擋層5上沉積銅或銅合金層6，如圖5所示。銅可直接沉積在阻擋層5上，無須任何附加的籽層，籽層是用電化學(xué)沉積法如電鍍或無電鍍來沉積的。合適的電鍍液成分的實(shí)例公開在序號(hào)為09/348632的美國專利中，這里引入作為參考。用鍍銅來填充引線和/或通道的開孔3。
在襯底上表面上的任何層4、5和6都可如圖6所示用例如化學(xué)機(jī)械拋光法來除去，以提供平整的結(jié)構(gòu)，使銅與襯底齊平，并達(dá)到各引線和/或通道的電隔離。
如果需要，化學(xué)機(jī)械拋光可在沉積銅之前進(jìn)行，如果是無電鍍銅的話。
本發(fā)明的技術(shù)可用于單嵌入和雙嵌入結(jié)構(gòu)。
下面介紹一些非限定實(shí)例以進(jìn)一步說明本發(fā)明。
實(shí)例1Co-W襯層從下列成分的堿性溶液電沉積在有圖形的晶片上，晶片上覆蓋濺射有100nm的Co(NH4)10W12O41·H2O 5-30g/LCoCl2·6H2O 10-40g/LNa3-citrate·2H2O 20-80g/LNH4Cl15/40g/LpH9.26，用NH4OH調(diào)節(jié)Triton X-114 0.05-1.0mL/L溫度 20-35℃Co陽極電沉積是在10mA/cm2的沉積率下進(jìn)行的。
沉積成分的俄歇分析表明，沉積的合金含有15.1％的W。沉積的0.35im寬的引線(互連線)是保形的，厚約200nm。
實(shí)例2重復(fù)實(shí)例1，除了沉積率為20mA/cm2外。沉積成分的俄歇分析表明，沉積的合金含有7.6％的W。沉積的0.35im寬的引線是保形的，厚約160nm。
實(shí)例3Co-W襯層從下列成分的堿性溶液電沉積在有圖形的晶片上，晶片上覆蓋濺射有100nm的Co(NH4)2WO45-25g/LCoCl2·6H2O10-40g/LNa3-citrate·2H2O 20-80g/LNH4Cl 15-40g/LNa2H2PO25-20g/L
pH8.11，用NH4OH調(diào)節(jié)Triton X-114 0.05-1.0mL/L溫度 60-85℃Co陽極電沉積是在5mA/cm2的沉積率下進(jìn)行的。
沉積層的俄歇分析表明，沉積的合金含有12.3％的W和2.9％的P。沉積層厚約75nm。
實(shí)例4重復(fù)實(shí)驗(yàn)3，除了沉積率為10mA/cm2外。
沉積層的俄歇分析表明，沉積的合金含有18.8％的W和2.4％的P。沉積層厚約70nm。
前面的描述說明和描述了本發(fā)明。此外，此公開表示和描述的只是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但如上所述，應(yīng)知本發(fā)明能用于各種其他的組合、變更、和場(chǎng)合，也能在這里所表達(dá)的發(fā)明概念范圍內(nèi)作出與上述講述和/或相關(guān)技術(shù)的技藝或知識(shí)相稱的改變或修改。還打算由上述的實(shí)施方式來說明實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式，并使本技術(shù)領(lǐng)域的其他熟練人員能夠以這種或其他實(shí)施方式以及此發(fā)明的特殊應(yīng)用或使用所需的各種修改來利用此發(fā)明。因此，此描述不欲將此發(fā)明限于這里所公開的形式。權(quán)利要求也可被解釋為包括可能的實(shí)施方式。
權(quán)利要求
1.一種電子結(jié)構(gòu)包含具有介電層的襯底，介電層中有通道開孔；通道開孔具有鈷、鎳或二者的底層，所述底層沉積在通道開孔的側(cè)壁和下表面；以及在底層側(cè)壁和下表面上的阻擋層；其中阻擋層包括電沉積的合金層，合金層包含選自由鈷、鎳、及其混合物組成的組之中的至少一種；和鎢。
2.權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)，還包含在阻擋層上填充通道開孔的銅或銅合金。
3.權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)，其中介電層包括二氧化硅。
4.權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)，其中通道開孔約100-500nm深。
5.權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)，其中底層約10-200nm厚。
6.權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)，其中底層包括鈷。
7.權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)，其中阻擋層包括鈷-鎢合金。
8.權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)，其中合金包含至少約2％原子比的鎢。
9.權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)，其中合金包含約15％原子比的鎢。
10.權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)，其中合金包含約19％原子比的鎢，且為鈷-鎢和磷的合金。
11.權(quán)利要求10的結(jié)構(gòu)，其中合金包含約2-10％的磷。
12.權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)，其中阻擋層厚約5-200nm。
13.一種電子結(jié)構(gòu)的制作方法，包括在襯底上制作絕緣材料層；在絕緣材料層中光刻確定和制作用于引線和/或通道的凹槽，互連導(dǎo)體材料將沉積在其中；覆蓋沉積鈷、鎳或二者的底層；在底層上電沉積合金阻擋層，合金包含選自由鈷、鎳、及其混合物組成的組中的至少一種；和鎢。
14.權(quán)利要求1的方法，還包括在阻擋層上沉積銅或銅合金來填充凹槽。
15.權(quán)利要求14的方法，其中銅或銅合金是用化學(xué)汽相沉積法直接沉積在阻擋層上的。
16.權(quán)利要求14的方法，還包括使該結(jié)構(gòu)平面化。
17.權(quán)利要求13的方法，其中覆蓋沉積是用濺射或CVD法。
18.權(quán)利要求13的方法，其中底層包含鈷。
19.權(quán)利要求13的方法，其中阻擋層包含鈷-鎢合金。
20.權(quán)利要求13的方法，其中合金包含至少約2％原子比的鎢。
21.權(quán)利要求13的方法，其中合金包含約15％原子比的鎢。
22.權(quán)利要求13的方法，其中合金包含約19％原子比的鎢，且為鈷-鎢和磷的合金。
23.權(quán)利要求22的方法，其中合金包含約2-10％的磷。
24.權(quán)利要求13的方法，其中阻擋層厚約5-200nm。
25.權(quán)利要求13的方法，其中介電層包括二氧化硅。
26.權(quán)利要求13的方法，其中通道開孔約100-500nm深。
27.權(quán)利要求13的方法，其中底層約10-200nm厚。
28.權(quán)利要求13的方法，其中覆蓋淀是用PVD或IPVD法。
29.采用權(quán)利要求13的方法得到的電子結(jié)構(gòu)。
全文摘要
互連線結(jié)構(gòu)包含具有介電層的襯底，介電層中有通道開孔；其中的開孔中有鈷和/或鎳底層、鈷和/或鎳合金阻擋層；并提供鎢。
文檔編號(hào)H01L21/3205GK1505141SQ20031011973
公開日2004年6月16日 申請(qǐng)日期2003年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月4日
發(fā)明者帕納約蒂斯·安德里察考斯, 史蒂文·H·貝徹, 桑德拉·G·馬爾霍特拉, 米蘭·保諾維奇, 克雷格·蘭塞姆, G 馬爾霍特拉, H 貝徹, 蘭塞姆, 保諾維奇, 帕納約蒂斯 安德里察考斯 申請(qǐng)人:國際商業(yè)機(jī)器公司