專利名稱：利用無電鍍化學的深通孔晶種修復的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子處理領(lǐng)域，更具體地涉及在深通孔內(nèi)形成連續(xù)金屬膜的方法及其形成的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
在微電子器件制造中，現(xiàn)在正在實踐的技術(shù)是制備凹槽或通孔來連接襯底內(nèi)多級導電(通常是金屬)層。隨著器件尺寸縮減到1微米以下，要采用多個金屬化層來適應更高的密度。被廣泛用作通孔金屬化材料的一種金屬膜是銅。通常，銅晶種層12(見圖2)被濺射進通孔開口14內(nèi)，接著通過電鍍用銅填充層(未示出)填充通孔開口14。然而，將銅晶種層12濺射進通孔開口14內(nèi)存在一個嚴重的缺點，即銅晶種層12在通孔開口14的頂部拐角16附近的沉積速率大于在通孔開口14的側(cè)壁18和底部20附近的沉積速率。這樣導致在通孔開口14的頂部形成突出物22，其遮蔽(即減損)了銅在通孔開口14的側(cè)壁18和底部20上的沉積。由于通孔開口14頂部的突出物22往往會阻礙向通孔開口14內(nèi)的進一步濺射沉積，額外的濺射沉積也無法足以到達通孔開口14的底部20和側(cè)壁18，所以這種遮蔽效應可能導致通孔開口14內(nèi)形成空隙(void)24或者金屬不連續(xù)區(qū)域。
對于微電子器件內(nèi)縱橫比(aspect ratio)較高(即，大于3∶1)的通孔，在濺射沉積工藝過程中，由于這種遮蔽效應，在通孔的側(cè)壁和底部上濺射沉積出連續(xù)的晶種層非常困難或者根本不可能。換句話說，濺射出的晶種層在通孔內(nèi)將不會連續(xù)。這意味著當隨后電鍍銅膜來填充通孔時，通孔在通孔填充金屬化過程中將出現(xiàn)空隙，這種空隙可能給器件的可靠性和性能帶來負面影響。因此，希望能形成連續(xù)的晶種層，再在其上鍍金屬填充層，從而防止了縱橫比較高的通孔內(nèi)空隙的形成。本發(fā)明即提供了這種方法及其相關(guān)結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，本發(fā)明提供了一種形成晶種層的方法，包括在襯底中的凹槽內(nèi)形成非連續(xù)的金屬層；激活所述凹槽內(nèi)的所述非連續(xù)的金屬層和至少一個未沉積區(qū)域；以及在所述凹槽內(nèi)的所述非連續(xù)的金屬層上和所述至少一個未沉積區(qū)域上無電地沉積晶種層。
另一方面，本發(fā)明提供了一種形成微電子結(jié)構(gòu)的方法，包括在襯底中形成凹槽；在所述凹槽內(nèi)形成非連續(xù)的金屬層；激活所述凹槽內(nèi)的所述非連續(xù)金屬層和至少一個未沉積區(qū)域；在所述凹槽內(nèi)的所述非連續(xù)金屬層上和所述至少一個未沉積區(qū)域上無電地沉積晶種層；以及在所述晶種層上方形成金屬填充層。
另一方面，本發(fā)明提供了一種微電子結(jié)構(gòu)，包括襯底中的凹槽；設(shè)置在所述凹槽內(nèi)的非連續(xù)金屬層；設(shè)置在所述凹槽內(nèi)的所述非連續(xù)金屬層上和至少一個未沉積區(qū)域上的晶種層；和設(shè)置在所述晶種層上的金屬填充層。


雖然本說明書、權(quán)利要求書已經(jīng)具體指出并明確要求了本發(fā)明的權(quán)利要求，但結(jié)合附圖，閱讀下面對本發(fā)明的描述可更容易地理解本發(fā)明的優(yōu)點，其中附圖包括圖1A-1I表示當實施本發(fā)明方法實施例時，可以形成的結(jié)構(gòu)的橫截面。
圖2表示現(xiàn)有技術(shù)中結(jié)構(gòu)的橫截面。
具體實施例方式
在下面詳細的描述中，參照了附圖；為了說明起見，這些附圖示出了其中可以實施本發(fā)明的具體實施例。這些實施例被足夠詳細地描述出，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明。應該理解到，本發(fā)明的各種實施例雖然不同，但并不一定是相互排斥的。例如，這里結(jié)合一個實施例所描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性可以在其他的實施例中實現(xiàn)，而沒有偏離本發(fā)明的精神和范圍。此外，應該理解到，每個公開實施例中單個元件的位置或布置可以被修改，而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。因此，下面詳細的描述不應認為是限制性的，而本發(fā)明的范圍僅由被恰當解釋的所附權(quán)利要求以及該權(quán)利要求能夠要求的全部等同范圍來限定。在圖中，相同標號表示這幾幅視圖中相同或類似的功能元件。
下面將要描述到在縱橫比較大的凹槽內(nèi)形成銅膜的方法及其相關(guān)結(jié)構(gòu)。這些方法包括形成凹槽，在該凹槽內(nèi)形成非連續(xù)的金屬層，激活該凹槽內(nèi)非連續(xù)的金屬層和多個未沉積區(qū)域，在該凹槽內(nèi)無電地鍍出晶種層，以及在晶種層上電鍍金屬填充層，從而形成基本無空隙的、金屬填充的凹槽。濺射出非連續(xù)金屬層、接著在該非連續(xù)金屬層上無電地鍍出晶種層，這種組合的方法使得能夠在凹槽的底部和側(cè)壁上形成基本無空隙的、幾乎是100％的金屬覆蓋層。
圖1A-1F示出了制備微電子結(jié)構(gòu)的方法。在本發(fā)明的一個方法實施例中，圖1A示出了襯底102，其包括但不限于硅、二氧化硅、氮化硅、氧氮化硅等。當然，應該理解到，襯底102可以出現(xiàn)在微電子器件內(nèi)的任意位置處。如本領(lǐng)域所公知的，該襯底還可以包括對著主要器件面的一面，即硅晶片的“背面”。襯底102包括第一表面106。
如圖1B所示，接著，襯底102被本領(lǐng)域公知的方法圖案化并蝕刻，從而形成從襯底102的第一表面106向襯底102內(nèi)延伸的凹槽104(例如溝槽或通孔)。凹槽104包括內(nèi)壁108和底部110。凹槽104可以是縱橫比較大的凹槽，其中凹槽104的高度122與凹槽104的寬度120的比可以大于3∶1，即凹槽104的縱橫比優(yōu)選大于3∶1。
因為凹槽104是高縱橫比的凹槽，所以由前面討論的遮蔽效應會導致凹槽104內(nèi)可能形成非連續(xù)金屬層112。如本領(lǐng)域公知的，這種非連續(xù)金屬層112可以由濺射沉積工藝、或例如原子層沉積(ALD)的其他物理濺射沉積工藝、或例如等離子增強化學沉積(PECVD)的化學沉積工藝形成。沉積溫度可以是約100-200℃。壓力可以是約1-10mTorr，功率可以為5至約10KW。用來形成非連續(xù)金屬層112的材料可以包括但并不限于鉭、氮化鉭、氮化鉭硅、鎢、鈦、鈦鎢、氮化鈦、氮化鈦硅以及這些材料的組合。非連續(xù)金屬層112為隨后形成的銅層或銅合金層提供了擴散屏障(barrier)。非連續(xù)金屬層112的厚度可以為約300至約500埃，優(yōu)選為不到500埃。
因為凹槽104優(yōu)選是高縱橫比的凹槽，所以非連續(xù)金屬層112不可能充分形成在凹槽104的內(nèi)壁108和底部110上，或完全覆蓋這兩部分。由于濺射遮蔽效應的現(xiàn)象(前面所述的，見圖2)，凹槽104內(nèi)可能形成未沉積區(qū)域；其中，高縱橫比的凹槽(例如凹槽104)的頂部附近濺射層比該凹槽底部附近更厚，并且凹槽頂部附近的更厚層往往阻礙了高縱橫比凹槽內(nèi)完全的金屬覆蓋。因此，凹槽104內(nèi)可能存在多個沒有被非連續(xù)金屬層112覆蓋的未沉積區(qū)域，如圖1C中所示的未沉積內(nèi)壁區(qū)域109和未沉積底部區(qū)域111。這些凹槽104內(nèi)的未沉積區(qū)域上沒有非連續(xù)金屬層112。
如圖1D所示，凹槽104內(nèi)的非連續(xù)金屬層112、未沉積內(nèi)壁區(qū)域109和未沉積底部區(qū)域111可以通過在非連續(xù)金屬層112、未沉積內(nèi)壁區(qū)域109和未沉積底部區(qū)域111上形成活化層114而被激活?；罨瘜?14可以包括但不限于鈀或鉑，并且可以被包含在例如包括氯化鈀(PdCl2)或氯化鉑(PtCl2)的溶液中。
活化層114可以通過接觸置換法形成在非連續(xù)金屬層112上，在這種接觸置換法中，非連續(xù)金屬層112被置入溶液浴中，所述溶液可以包括Pd或Pt離子、還原劑(例如但不限于次磷酸鹽、二甲基胺硼烷或肼)、絡合劑(例如乙酸或檸檬酸)以及酸(例如但不限于氫氟酸、鹽酸或硝酸)或堿(例如但不限于氫氧化四甲基銨或氫氧化鉀)。活化層114可以不到300埃，并且通常為100埃?；罨瘜?14激活非連續(xù)金屬層112、未沉積內(nèi)壁區(qū)域109和未沉積底部區(qū)域111以進行自催化反應，例如無電沉積反應。
如圖1E所示，晶種層116可以通過無電沉積形成在活化層114上。晶種層116可以含有金屬材料，包括但不限于銅。晶種層116在活化層114上形成幾乎是100％連續(xù)的金屬膜覆蓋層(因此在凹槽104的內(nèi)壁108和底部110上提供了幾乎100％的臺階覆蓋)。無電鍍出的晶種層116包括多個其直徑118一般約為1微米或更大的晶粒117(見圖1F)。如本領(lǐng)域所公知的，活化層114可以在晶種層116的無電沉積過程中幾乎被包容(subsumed)(見圖1G)，或者可以如圖1E所繪的保持原樣不動。
各種已知的無電沉積方案的其中一種可用來無電地沉積出晶種層116。優(yōu)選實施例的無電溶液可包括提供Cu2+陽離子的硫酸銅、作為Cu2+陽離子絡合劑的乙二胺四乙酸(EDTA)、提供氫氧根陰離子的氫氧化季銨、作為還原劑的甲醛(HCHO)或乙醛酸、作為表面活性劑和潤濕劑的RHODAFAC RE 610TM或聚乙二醇、和作為穩(wěn)定劑和延展促進劑的氰化銨或2，2”-聯(lián)吡啶。在晶種層116的無電沉積之后，襯底102可以在去離子水中清洗以去除無電沉積溶液。應該認識到，晶種層116的形成需要控制時間，以使它不會充分地填充凹槽104。
如圖1H所示，金屬填充層120可以形成在晶種層116上。金屬填充層120可以包括金屬材料，其包括但不限于銅。如本領(lǐng)域所公知的，金屬填充層120可以利用電鍍工藝形成在晶種層116上。金屬填充層120形成在凹槽104內(nèi)的晶種層116上，這樣使得凹槽被金屬填充層充分填充120，而不存在空隙(如現(xiàn)有技術(shù)中在非連續(xù)金屬層112上沒有沉積無電晶種層116而存在的空隙)。
無電沉積的晶種層116防止了金屬填充層120中空隙的形成，這是因為金屬填充層120可以鍍在或形成在連續(xù)的電鍍晶種層膜上，例如晶種層116。利用直接沉積在非連續(xù)的金屬層112上的濺射晶種層(如現(xiàn)有技術(shù)中采用的)，無法形成這種連續(xù)的晶種層，這是因為由于前述的遮蔽效應，使用濺射出來的晶種層不能在凹槽內(nèi)形成連續(xù)膜。隨后，利用例如本領(lǐng)域公知的化學機械拋光技術(shù)，可以拋光金屬填充層120(見圖1I)。
如上所述，本發(fā)明提供了在高縱橫比的凹槽內(nèi)形成連續(xù)晶種層的方法和相關(guān)結(jié)構(gòu)，這樣能夠形成基本無空隙的金屬填充層，從而大大增強了根據(jù)本發(fā)明各種實施例所制得的微電子器件的可靠性和性能。
雖然前面的描述已經(jīng)指明了本發(fā)明方法中可以使用的某些步驟和材料，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到可以進行許多修改和替換。所有這樣的修改、變化、替換和添加都被視為落在所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。此外，應該認識到，在例如硅襯底的襯底上制備多個金屬層以制造微電子器件是本領(lǐng)域公知的。因此，應認識到，這里所提供的圖僅僅示出了示例性的、與實施本發(fā)明有關(guān)的微電子器件的部分。因此，本發(fā)明并不限于這里所述的結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種形成晶種層的方法，包括在襯底中的凹槽內(nèi)形成非連續(xù)的金屬層；激活所述凹槽內(nèi)的所述非連續(xù)的金屬層和至少一個未沉積區(qū)域；以及在所述凹槽內(nèi)的所述非連續(xù)的金屬層上和所述至少一個未沉積區(qū)域上無電地沉積晶種層。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中形成所述凹槽的步驟包括形成高縱橫比的凹槽，其縱橫比大于約3∶1。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中形成所述非連續(xù)金屬層的步驟包括形成至少一種下列材料的非連續(xù)層，所述材料包括鉭、氮化鉭、氮化鉭硅、鎢、鈦、鈦鎢、氮化鈦、氮化鈦硅及它們的組合。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中激活所述凹槽內(nèi)的所述非連續(xù)金屬層和所述至少一個未沉積區(qū)域的步驟包括在所述凹槽內(nèi)的所述非連續(xù)金屬層上和在所述至少一個未沉積區(qū)域上形成活化層。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中激活所述凹槽內(nèi)的所述非連續(xù)金屬層和所述至少一個未沉積區(qū)域的步驟包括在所述凹槽內(nèi)的所述非連續(xù)金屬層上和在所述至少一個未沉積區(qū)域上形成至少一個鈀層或鉑層。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述晶種層上形成金屬填充層。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，還包括利用化學機械拋光工藝來拋光所述金屬填充層。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中形成所述金屬填充層的步驟包括形成基本無空隙的金屬填充層。
9.一種形成微電子結(jié)構(gòu)的方法，包括在襯底中形成凹槽；在所述凹槽內(nèi)形成非連續(xù)的金屬層；激活所述凹槽內(nèi)的所述非連續(xù)金屬層和至少一個未沉積區(qū)域；在所述凹槽內(nèi)的所述非連續(xù)金屬層上和所述至少一個未沉積區(qū)域上無電地沉積晶種層；以及在所述晶種層上方形成金屬填充層。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中形成所述凹槽的步驟包括形成高縱橫比的凹槽，其縱橫比大于約3∶1。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其中形成所述非連續(xù)金屬層的步驟包括形成至少一種下列材料的非連續(xù)層，所述材料包括鉭、氮化鉭、氮化鉭硅、鎢、鈦、鈦鎢、氮化鈦、氮化鈦硅及它們的組合。
12.如權(quán)利要求9所述的方法，其中無電地沉積所述晶種層的步驟包括無電地沉積含有直徑約為1微米或更大的晶粒的銅層。
13.如權(quán)利要求9所述的方法，其中形成所述金屬填充層的步驟包括電鍍出所述金屬填充層。
14.如權(quán)利要求9所述的方法，其中形成所述金屬填充層的步驟包括形成基本無空隙的金屬填充層。
15.如權(quán)利要求9所述的方法，其中形成所述金屬填充層的步驟包括電鍍出銅層。
16.一種微電子結(jié)構(gòu)，包括襯底中的凹槽；設(shè)置在所述凹槽內(nèi)的非連續(xù)金屬層；設(shè)置在所述凹槽內(nèi)的所述非連續(xù)金屬層上和至少一個未沉積區(qū)域上的晶種層；和設(shè)置在所述晶種層上的金屬填充層。
17.如權(quán)利要求16所述的結(jié)構(gòu)，其中所述晶種層包括直徑約為1微米或更大的晶粒。
18.如權(quán)利要求16所述的結(jié)構(gòu)，其中所述非連續(xù)金屬層包括鉭、氮化鉭、氮化鉭硅、鎢、鈦、鈦鎢、氮化鈦、氮化鈦硅及它們的組合的至少其中之一。
19.如權(quán)利要求16所述的結(jié)構(gòu)，其中所述晶種層包括銅。
20.如權(quán)利要求16所述的結(jié)構(gòu)，其中所述凹槽包括高縱橫比的凹槽，其中所述高縱橫比包括大于約3∶1的縱橫比。
21.如權(quán)利要求16所述的結(jié)構(gòu)，其中所述金屬填充層包括基本無空隙的金屬填充層。
全文摘要
本發(fā)明描述了在縱橫比較大的通孔內(nèi)形成連續(xù)晶種層的方法及其相關(guān)結(jié)構(gòu)。這些方法包括在襯底中形成凹槽，在該凹槽內(nèi)形成非連續(xù)的金屬層，激活該凹槽內(nèi)非連續(xù)的金屬層和多個未沉積區(qū)域，在該凹槽內(nèi)經(jīng)激活的非連續(xù)金屬層和多個未沉積區(qū)域上無電地沉積晶種層，以及在晶種層上電鍍金屬填充層，從而形成基本無空隙的經(jīng)填充的凹槽。
文檔編號H01L21/768GK1614777SQ20041008069
公開日2005年5月11日 申請日期2004年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月25日
發(fā)明者托馬斯·S·多里, 肯尼思·N·黃 申請人:英特爾公司