專利名稱：含有低k介電阻擋膜的互連結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到將具有低介電常數(shù)(k≤3.3)和阻擋性質(zhì)的介電層用于阻擋金屬擴(kuò)散。更確切地說(shuō)，是在作為集成電路和微電子器件部件的金屬互連結(jié)構(gòu)中使用介電阻擋層。本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是降低了導(dǎo)電金屬特征如銅引線間的電容，從而提升了芯片的總體性能。
背景技術(shù)：
對(duì)金屬起擴(kuò)散阻擋作用的材料可被加入作為集成電路一部分的金屬互連結(jié)構(gòu)中。為得到可靠的器件，對(duì)金屬的擴(kuò)散阻擋是典型的要求，因?yàn)榈蚹層間介電層一般不阻止金屬的擴(kuò)散。在互連結(jié)構(gòu)中配置的金屬擴(kuò)散阻擋層材料可以不同，這常取決于金屬擴(kuò)散阻擋的性質(zhì)及其工藝方法。由金屬和介電材料構(gòu)成的阻擋層常用于互連結(jié)構(gòu)中。
由金屬構(gòu)成的擴(kuò)散阻擋層包括，但不限于鉭、鎢、釕、氮化鉭、氮化鈦TiSiN等。擴(kuò)散阻擋層常作為襯層，因而成為金屬導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的保形界面。這些材料一般用化學(xué)汽相沉積(CVD)、等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積(PECVD)、原子層淀積(ALD)、濺射、熱蒸發(fā)、以及其他相關(guān)的方法來(lái)制作。為了用這些材料作阻擋層，金屬阻擋層對(duì)導(dǎo)電的金屬引線必須是保形的，不能作為覆蓋層，否則會(huì)成為導(dǎo)電通道。
實(shí)現(xiàn)這種阻擋層的途徑有很多。這種阻擋層的一個(gè)限定條件是，它對(duì)導(dǎo)電金屬引線電阻率的貢獻(xiàn)不能過(guò)高；否則，金屬導(dǎo)電結(jié)構(gòu)總電阻的增大會(huì)導(dǎo)致性能下降。
由介電材料構(gòu)成的擴(kuò)散阻擋層也用于微電子器件中，這類介電材料包括，但不限于氮化硅、碳化硅、及氮碳化硅。這些材料通常用化學(xué)汽相沉積(CVD)和等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積(PECVD)法來(lái)淀積，且可淀積為連續(xù)膜。與金屬的擴(kuò)散阻擋層不同，這種介電層可淀積為覆蓋層，且可置于導(dǎo)電金屬引線之間。這樣，這些介電層就對(duì)金屬引線間的電容有貢獻(xiàn)。對(duì)此系統(tǒng)的一個(gè)限制條件是其較高的介電常數(shù)(k＝4.5-7.0)，這會(huì)使金屬引線間的有效介電常數(shù)顯著增大，導(dǎo)致器件性能下降。減小這些阻擋層的膜厚也可降低有效介電常數(shù)“k”；然而，層厚不夠會(huì)不可靠，而且對(duì)介電常數(shù)還會(huì)有很大的負(fù)面影響。此系統(tǒng)的另一缺點(diǎn)是與其淀積設(shè)備和工藝有關(guān)的成本和復(fù)雜性。
也已提出用旋轉(zhuǎn)涂敷介電材料，或其他基于溶劑的方法制作阻擋層膜，這種膜與銅有適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合部分來(lái)阻止銅的擴(kuò)散。此系統(tǒng)是基于用銅的結(jié)合部分作為添加劑的，因而有幾個(gè)潛在的缺點(diǎn)。由于結(jié)合部分與介電材料基體沒(méi)有共價(jià)鍵，結(jié)合部分可由擴(kuò)散過(guò)程、溶劑排出、以及熱解而被從基體逐出，從而失去了對(duì)銅的阻擋性質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及到具有低介電常數(shù)(例如，k≤3.3)陶瓷擴(kuò)散阻擋層的互連結(jié)構(gòu)，陶瓷擴(kuò)散阻擋層用于阻擋金屬的擴(kuò)散，且由基于溶劑的方法，例如，旋轉(zhuǎn)涂敷來(lái)制作。此發(fā)明可用于任何使用金屬互連結(jié)構(gòu)的微電子器件中，包括，但不限于高速微處理器、專用集成電路(ASICs)、以及記憶存儲(chǔ)器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，使用旋轉(zhuǎn)涂敷的低k陶瓷擴(kuò)散阻擋層是優(yōu)越的，因?yàn)檫@可易于經(jīng)濟(jì)地得到擴(kuò)散阻擋層，并可使微電子器件通過(guò)降低導(dǎo)電金屬引線間的電容而提高性能。
此互連結(jié)構(gòu)可包含至少一個(gè)制作在襯底上的導(dǎo)電金屬特征，襯底還包含至少一個(gè)包圍著導(dǎo)電金屬特征的絕緣層。此絕緣層從底面、上面和側(cè)面包圍著至少一個(gè)導(dǎo)電金屬特征。此結(jié)構(gòu)還可包含至少一個(gè)導(dǎo)電的阻擋層，該阻擋層制作在絕緣層與導(dǎo)電金屬特征間的至少一個(gè)界面上?？芍貜?fù)導(dǎo)電金屬特征與絕緣層的組合而生成多層疊置的互連。
互連結(jié)構(gòu)可為含微電子器件的硅晶片、陶瓷芯片座、有機(jī)芯片座、玻璃基片、砷化鎵晶片、碳化硅晶片、鎵晶片、或其他半導(dǎo)體晶片之一。
在本發(fā)明的第一種實(shí)施方式中，描述了具有陶瓷擴(kuò)散阻擋層的一種互連結(jié)構(gòu)。一般說(shuō)來(lái)，所發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)包含制作在襯底上的至少一個(gè)導(dǎo)電金屬特征；包圍著至少一個(gè)導(dǎo)電金屬特征的至少一個(gè)層間介電層；以及制作在至少一個(gè)層間介電層與至少一個(gè)導(dǎo)電金屬特征之間的陶瓷擴(kuò)散阻擋層，所述陶瓷擴(kuò)散阻擋層的組分為SivNwCxOyHz，其中0.1≤v≤0.9，0≤w≤0.5，0.01≤x≤0.9，0≤y≤0.7，0.01≤z≤0.8，而v+w+x+y+z＝1。
在第一種實(shí)施方式的第一個(gè)實(shí)例中，用基于溶劑的方法(例如，旋轉(zhuǎn)涂敷)來(lái)施加聚合陶瓷(preceramic)前體，以生成陶瓷擴(kuò)散阻擋層，也稱為阻擋層蓋膜。余下的互連結(jié)構(gòu)可包括通孔介電層、引線層介電層、硬掩模層、以及止蝕埋層。
在第一種實(shí)施方式的第二個(gè)實(shí)例中，用與上述相同的方法施加聚合陶瓷前體來(lái)生成阻擋層蓋膜，并同時(shí)用作低k阻擋層蓋膜和通孔介電膜。此方法制作的互連結(jié)構(gòu)具有混合的層間介電層，其引線層介電層可為任何介電膜，而通孔層介電層與陶瓷擴(kuò)散阻擋層可合為一層。
在第一種實(shí)施方式的第三個(gè)實(shí)例中，用與上述相同的方法施加聚合陶瓷前體來(lái)生成陶瓷擴(kuò)散阻擋層，并同時(shí)用作低k陶瓷擴(kuò)散阻擋層、通孔層的層間介電層、以及引線層的層間介電層。此方法制作的互連結(jié)構(gòu)的層間介電層，其通孔層和引線層的介電層與陶瓷擴(kuò)散阻擋層結(jié)合，形成一連續(xù)的層間介電層。
在第一種實(shí)施方式的第四個(gè)實(shí)例中，用與上述相同的方法施加聚合陶瓷前體，以在互連結(jié)構(gòu)上生成陶瓷擴(kuò)散阻擋層，互連結(jié)構(gòu)的層間介電層包括至少兩個(gè)介電層，其中在金屬引線下面的介電層在化學(xué)上不同于其他區(qū)域的介電層。
陶瓷擴(kuò)散阻擋層具有小于大約3.3的低介電常數(shù)，優(yōu)選地小于大約2.8，更優(yōu)選地為大約2.6。陶瓷擴(kuò)散阻擋層也阻止金屬(優(yōu)選地為銅)的擴(kuò)散，且在大約300℃的溫度下是穩(wěn)定的。陶瓷擴(kuò)散阻擋層也可為多孔的，這可進(jìn)一步降低介電常數(shù)“k”至小于大約2.6，最優(yōu)選地為大約1.6?？捎贸奚糠?，這部分可以是聚合物，來(lái)產(chǎn)生氣孔。也可用一種包含去除高沸點(diǎn)溶劑的工藝來(lái)產(chǎn)生氣孔。氣孔的尺寸為大約0.5-20nm，其形貌可為封閉的小室。
在本發(fā)明的第二種實(shí)施方式中，描述了陶瓷擴(kuò)散阻擋層的一種制作方法。一般說(shuō)來(lái)，所發(fā)明的方法包括以下步驟在襯底上施加聚合陶瓷前體涂層，此襯底至少有一個(gè)金屬區(qū)和一個(gè)絕緣區(qū)，其中聚合陶瓷前體的組分為SivNwCxOyHz，其中0.1≤v≤0.8，0≤w≤0.8，0.05≤x≤0.8，0≤y≤0.3，0.05≤z≤0.8，而v+w+x+y+z＝1；以及將聚合陶瓷前體轉(zhuǎn)變?yōu)樽柚菇饘贁U(kuò)散的陶瓷擴(kuò)散阻擋層。
在第二種實(shí)施方式中所用聚合陶瓷前體的組分也可為SivNwCxOyHz，其中0.1＜v＜0.8，0＜w＜0.8，0.05＜x＜0.8，0＜y＜0.3，0.05＜z＜0.8，而v+w+x+y+z＝1。
更具體地，先將聚合陶瓷前體溶在合適的溶劑中，再旋轉(zhuǎn)涂敷在互連結(jié)構(gòu)上，該互連結(jié)構(gòu)具有露出的金屬和介電材料的最上表面，以形成陶瓷擴(kuò)散阻擋層。可升高溫度，例如，由大約200℃升至大約400℃，對(duì)陶瓷擴(kuò)散阻擋層進(jìn)行退火來(lái)除去殘留的溶劑，并使材料交聯(lián)?？捎贸Ｒ?guī)工藝生成陶瓷擴(kuò)散阻擋層來(lái)制作互連結(jié)構(gòu)，使之具有低k的阻擋層膜，而將金屬引線與層間介電層隔開。
涂敷后，通過(guò)使用一種工藝或任何合適的工藝組合將聚合陶瓷前體膜轉(zhuǎn)變?yōu)樘沾蓴U(kuò)散阻擋層，這些工藝包括熱固化、電子照射、離子照射、紫外和/或可見光照射等。在此工藝期間，聚合陶瓷前體可交聯(lián)成堅(jiān)硬的不溶物而生成陶瓷擴(kuò)散阻擋層。所得陶瓷擴(kuò)散阻擋層的介電常數(shù)小于大約3.3，它是熱穩(wěn)定的，具有低漏電流，高擊穿場(chǎng)值，并阻止金屬(優(yōu)選地為銅)擴(kuò)散。對(duì)于由含硅聚合陶瓷前體生成的系統(tǒng)，陶瓷擴(kuò)散阻擋層的組分為SivNwCxOyHz，其中0.1≤v≤0.9，0≤w≤0.5，0.01≤x≤0.9，0≤y≤0.7，0.01≤z≤0.8，而v+w+x+y+z＝1。陶瓷擴(kuò)散阻擋層的組分也可為SivNwCxOyHz，其中0.1＜v＜0.9，0＜w＜0.5，0.01＜x＜0.9，0＜y＜0.7，0.01＜z＜0.8，而v+w+x+y+z＝1。
在本發(fā)明的第三種實(shí)施方式中，描述了制作的陶瓷擴(kuò)散阻擋層的組分。聚合陶瓷前體是一種用來(lái)生成陶瓷擴(kuò)散阻擋層的分子，使陶瓷擴(kuò)散阻擋層具有低介電常數(shù)(k≤3.3)、阻止金屬擴(kuò)散、且在大約300℃的溫度下是熱穩(wěn)定的。聚合陶瓷前體可具有任何鏈狀結(jié)構(gòu)(包括線狀、網(wǎng)絡(luò)狀、支鏈狀、枝蔓狀)，并可包含以任何順序排列(不規(guī)則的、交替的、嵌段的、錐形的等等)的一種或多種單體元。聚合陶瓷前體也可為兩種或多種聚合物成分的物理混合物。
聚合陶瓷前體可選自有硅作為部分構(gòu)架結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，包括聚硅氮烷、聚碳硅烷、聚硅硅氮烷(polysilasilazane)、聚硅烷、聚硅碳硅烷(polysilacarbosilane)、聚環(huán)氧硅氮烷、聚碳硅氮烷、以及聚硅羰硅氮烷(polysilacarbosilazane)。聚合陶瓷前體的鏈狀構(gòu)架也可連有懸掛官能團(tuán)包括，但不限于氫化基(hydrido)、乙烯基、烯丙基、烷氧基、以及烷基團(tuán)。聚合陶瓷前體也可包括有碳架構(gòu)和懸掛官能團(tuán)的系統(tǒng)，懸掛官能團(tuán)至少包含Si和N，也可有C、O和H。一個(gè)這樣的材料實(shí)例為聚甲硅烷基羰二酰亞胺[poly(silylcarbodiimide)]。一般說(shuō)來(lái)，這些含硅聚合陶瓷前體可使陶瓷擴(kuò)散阻擋層的組分為SivNwCxOyHz，其中0.1≤v≤0.9，0≤w≤0.5，0.01≤x≤0.9，0≤y≤0.7，0.01≤z≤0.8，而v+w+x+y+z＝1。含硅聚合陶瓷前體也可使陶瓷擴(kuò)散阻擋層的組分為SivNwCxOyHz，其中0.1＜v＜0.9，0＜w＜0.5，0.01＜x＜0.9，0＜y＜0.7，0.01＜z＜0.8，而v+w+x+y+z＝1。


圖1為本發(fā)明一種半導(dǎo)體器件的剖面圖。
圖2為本發(fā)明另一種半導(dǎo)體器件的剖面圖。
圖3為本發(fā)明制作陶瓷擴(kuò)散阻擋層的一般工藝流程。
圖4(a)和4(b)為本發(fā)明陶瓷擴(kuò)散阻擋層的電學(xué)特性實(shí)例。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參照附圖更詳細(xì)地討論涉及本發(fā)明陶瓷擴(kuò)散阻擋層的結(jié)構(gòu)、方法和組分。注意，在附圖中，同樣的和相應(yīng)的部分是用同樣的參考數(shù)字表示的。
根據(jù)本發(fā)明，提供的互連結(jié)構(gòu)含有金屬和介電材料部分，其中的陶瓷擴(kuò)散阻擋層是由阻擋金屬擴(kuò)散的低介電常數(shù)(k＜3.3)的介電材料制成的。陶瓷擴(kuò)散阻擋層由聚合陶瓷前體生成，聚合陶瓷前體由基于溶劑的工藝淀積在待制作的互連結(jié)構(gòu)上，這些工藝包括，但不限于旋轉(zhuǎn)涂敷、掃描涂敷、噴涂、滴涂、使用刮片等。膜的厚度可為大約5-1000nm。合適的溶劑包括任何涂敷中通用的那些溶劑，包括，但不限于丙二醇甲醚醋酸酯(propylene glycol methyl ether acetate)(PGMEA)、丙二醇單甲醚(propylene glycol methyl ether)(PGME)、甲苯、二甲苯、均三甲基苯、丁內(nèi)酯、酮類、環(huán)己酮、己酮、庚酮、以及乳酸乙酯。
在淀積聚合陶瓷前體之前可用任何熟知的合適工藝對(duì)互連結(jié)構(gòu)進(jìn)行清洗。此清洗可為濕法清洗，包括曝露于酸、堿和有機(jī)溶劑中。此清洗也可包括熟知的干法腐蝕工藝。
然后用一種工藝或任何合適的工藝組合將聚合陶瓷前體膜轉(zhuǎn)變?yōu)樘沾蓴U(kuò)散阻擋層，這些工藝包括，但不限于熱固化、電子照射、離子照射、紫外和/或可見光照射。熱退火可在超過(guò)大約400℃的溫度下以及惰性氣氛中進(jìn)行。在此期間，聚合陶瓷前體可交聯(lián)成堅(jiān)硬的不溶物而生成阻擋層蓋膜，其介電常數(shù)可小于大約3.3。此外，陶瓷擴(kuò)散阻擋層典型地為熱穩(wěn)定的，具有低漏電流，高擊穿場(chǎng)值，并阻止金屬(優(yōu)選地為銅)擴(kuò)散通過(guò)此膜。
參見圖1，圖中示出了第一種實(shí)施方式中互連結(jié)構(gòu)40的一個(gè)實(shí)例，該互連結(jié)構(gòu)包括多個(gè)層面1000，其中每個(gè)層面都可包含通孔層1100和引線層1200。此互連結(jié)構(gòu)含有橫向通過(guò)此結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電金屬特征33，并可與含阻擋層的襯層金屬(lining metal containing barrier)34有界面。此導(dǎo)電金屬特征33和含襯里阻擋層的襯層金屬34都被介電層包圍著。通孔層1100中的介電層包括通孔層介電層32和陶瓷擴(kuò)散阻擋層36。引線層1200中的介電層包括引線層介電層31和可選的硬掩模介電層41。在通孔層介電層32與引線層介電層31之間還可可選地設(shè)置介電止蝕層37。引線層介電層31可包含硬掩模介電層41，其組分不同于其余的引線層介電層31。
此互連結(jié)構(gòu)可由多個(gè)工序來(lái)制作，包括使用光刻、化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)、反應(yīng)離子刻蝕、熱退火、濕法化學(xué)清洗、用基于溶劑的涂敷法淀積薄膜、用化學(xué)汽相沉積法淀積薄膜、以及這些工藝的組合。
陶瓷擴(kuò)散阻擋層36是由在互連結(jié)構(gòu)上施加的聚合陶瓷前體生成的，可用任何基于溶劑的涂敷方案施加聚合陶瓷前體，這包括，但不限于旋轉(zhuǎn)涂敷、掃描涂敷、滴涂、噴涂、及其組合。然后通過(guò)使用一種工藝或任何合適的工藝組合將聚合陶瓷前體轉(zhuǎn)變?yōu)樘沾蓴U(kuò)散阻擋層36，這些工藝包括熱固化、電子照射、離子照射、紫外和/或可見光照射等。在此工藝期間，聚合陶瓷前體可交聯(lián)成堅(jiān)硬的不溶物。所得的陶瓷擴(kuò)散阻擋層36具有低介電常數(shù)(k＜3.3)，阻止金屬(優(yōu)選地為銅)擴(kuò)散，且在大約300℃的溫度下是熱穩(wěn)定的。
聚合陶瓷前體可具有任何鏈狀結(jié)構(gòu)(包括線狀、網(wǎng)絡(luò)狀、支鏈狀、枝蔓狀)，并可包含以任何順序排列(均聚物、不規(guī)則共聚物、交替的、嵌段共聚物、錐形的、聚合物的混合等)的一種或多種單體元。聚合陶瓷前體也可為兩種或多種聚合物成分的混合物。聚合陶瓷前體的分子量約為500-1000000。
聚合陶瓷前體可選自以硅作為部分架構(gòu)的系統(tǒng)包括聚硅氮烷、聚碳硅烷、聚硅硅氮烷(polysilasilazane)、聚硅烷、聚硅碳硅烷(polysilacarbosilane)、聚環(huán)氧硅氮烷、聚碳硅氮烷、聚甲硅烷基羰二酰亞胺(polysilylcarbodiimide)、以及聚硅羰硅氮烷(polysilacarbosilazane)。聚合陶瓷前體的結(jié)構(gòu)中也可有一些聚硅氧烷或聚倍半硅氧烷(polysilsesquioxane)的成分。聚合陶瓷前體也可為聚脲甲基乙烯基硅氮烷(polyureamethylvinylsilazane)或聚脲甲基乙烯基硅氮烷(KiON)。聚合陶瓷前體的鏈狀架構(gòu)上也可連有懸掛的官能團(tuán)，包括氫化物(hydrido)、乙烯基、烯丙基、烷氧基、甲硅烷基、以及烷基團(tuán)。聚合陶瓷前體也可包括有碳架構(gòu)和懸掛官能團(tuán)的系統(tǒng)，懸掛官能團(tuán)至少包含Si和N，也可有C、O和H。一個(gè)這樣的材料實(shí)例為聚甲硅烷基羰二酰亞胺。
聚合陶瓷前體的鏈狀架構(gòu)上也可連有與金屬親合的懸掛官能團(tuán)，包括胺、酰胺、酰亞胺、硫酯、硫醚、尿素、尿烷、腈、異氰酸酯、硫醇、砜、膦、氧化膦、膦酰亞胺、苯并三唑、吡啶、咪唑、酰亞胺、噁唑、苯并噁唑、噻唑、吡唑、三唑、噻吩、噁二唑、噻嗪、噻唑、喹喔啉(quionoxaline)、苯并咪唑、羥吲哚、以及二氫吲哚。一般說(shuō)來(lái)，這些含硅聚合陶瓷前體的組分可為SivNwCxOyHz，其中0.1≤v≤0.8，0≤w≤0.8，0.05≤x≤0.8，0≤y≤0.3，0.05≤z≤0.8，而v+w+x+y+z＝1。含硅聚合陶瓷前體的組分也可為SivNwCxOyHz，其中0.1＜v＜0.8，0＜w＜0.8，0.05＜x＜0.8，0＜y＜0.3，0.05＜z＜0.8，而v+w+x+y+z＝1。
對(duì)于由含硅聚合陶瓷前體生成的系統(tǒng)，陶瓷擴(kuò)散阻擋層的組分可為SivNwCxOyHz，其中0.1≤v≤0.9，0≤w≤0.5，0.01≤x≤0.9，0≤y≤0.7，0.01≤z≤0.8，而v+w+x+y+z＝1。陶瓷擴(kuò)散阻擋層的組分也可為SivNwCxOyHz，其中0.1＜v＜0.9，0＜w＜0.5，0.01＜x＜0.9，0＜y＜0.7，0.01＜z＜0.8，而v+w+x+y+z＝1。此陶瓷擴(kuò)散阻擋層的一種優(yōu)選組分的實(shí)例為Si0.16N0.17C0.17H0.5。
引線層介電層和通孔層介電層都是具有低介電常數(shù)(k＜3)和在高于大約300℃的溫度下熱穩(wěn)定的介電材料。引線層介電層32和通孔層介電層31的優(yōu)選材料為聚硅氧烷、聚倍半硅氧烷、聚亞芳基(polyarylene)、聚(亞芳基乙醚)[poly(arylene ether)]、以及用化學(xué)汽相沉積法生成的組分為SivNwCxOyHz的介電材料，其中0.05≤v≤0.8，0≤w≤0.9，0.05≤x≤0.8，0≤y≤0.8，0.05≤z≤0.8，而v+w+x+y+z＝1。介電材料的組分也可為SivNwCxOyHz，其中0.05＜v＜0.8，0＜w＜0.9，0.05＜x＜0.8，0＜y＜0.8，0.05＜z＜0.8，而v+w+x+y+z＝1?？蛇x地，介電材料也可為空氣或惰性氣體。此低介電常數(shù)材料也可為多孔的。在一種實(shí)施方式中，引線層介電層具有第一組分，通孔層介電層具有第二組分，其中第一組分與第二組分不同。
可選地，也可使用硬掩模介電層41。硬掩模介電層的厚度可為大約5-100nm。硬掩模介電層的優(yōu)選材料為聚硅氧烷、聚倍半硅氧烷、或CVD法淀積的組分為SivNwCxOyHz的介電材料，其中0.05≤v≤0.8，0≤w≤0.9，0.05≤x≤0.8，0≤y≤0.8，0.05≤z≤0.8，而v+w+x+y+z＝1。介電材料的組分也可為SivNwCxOyHz，其中0.05＜v＜0.8，0＜w＜0.9，0.05＜x＜0.8，0＜y＜0.8，0.05＜z＜0.8，而v+w+x+y+z＝1。
可選地，介電止蝕層37也可置于通孔層介電層32與引線層介電層31之間。介電止蝕層的厚度可為大約5-100nm。介電止蝕層的優(yōu)選材料為聚硅氧烷、聚倍半硅氧烷、或CVD法淀積的組分為SivNwCxOyHz的介電材料，其中0.05≤v≤0.8，0≤w≤0.9，0.05≤x≤0.8，0≤y≤0.8，0.05≤z≤0.8，而v+w+x+y+z＝1。SivNwCxOyHz，其中0.05＜v＜0.8，0＜w＜0.9，0.05＜x＜0.8，0＜y＜0.8，0.05＜z＜0.8，而v+w+x+y+z＝1，也可為柵介電層和引線層介電層的組分。
導(dǎo)電金屬特征的優(yōu)選材料為銅、金、銀、鋁及其合金。導(dǎo)電金屬特征的上表面可有多個(gè)層來(lái)減少電遷徙，其材料包括鈷、鎢、和磷。導(dǎo)電金屬特征的上表面還可有一部分用來(lái)減弱金屬的氧化，其材料包括苯并三唑、胺、酰胺、酰亞胺、硫酯、硫醚、尿素、尿烷、腈、異氰酸酯、硫醇膦、砜、膦、氧化膦、膦酰亞胺、吡啶、咪唑、酰亞胺、噁唑、苯并噁唑、噻唑、吡唑、三唑、噻吩、噁二唑、噻嗪、噻唑、喹喔啉、苯并咪唑、羥吲哚、以及二氫吲哚。含阻擋層的襯層金屬優(yōu)選材料為鉭、氮化鉭、鎢、鈦、氮化鈦、釕、TiSiN、及其組合。
參見圖2，圖中示出了第一種實(shí)施方式中互連結(jié)構(gòu)40的另一個(gè)實(shí)例，該互連結(jié)構(gòu)包括多個(gè)層面1000，其中每個(gè)層面都可包含通孔層1100和引線層1200。此互連結(jié)構(gòu)含有橫向通過(guò)此結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電金屬特征33，并可與含阻擋層的襯層金屬34有界面。此導(dǎo)電金屬特征33和含阻擋層的襯層金屬34都被介電層包圍著。引線層1200中的介電層包括引線層介電層43和可選的硬掩模介電層。通孔層1100中的介電層包括在導(dǎo)電金屬引線下面的通孔層介電層42、在通孔層上沒(méi)有金屬引線區(qū)域中的引線層介電層43、和陶瓷擴(kuò)散阻擋層36?？蛇x地，介電止蝕層37可置于通孔層介電層42與引線層介電層43之間。
參見圖3，此圖表示制作陶瓷擴(kuò)散阻擋層的一般工藝流程。在步驟1中，使用任何通用的涂敷溶劑來(lái)制備含聚合陶瓷前體的溶液，這些溶劑包括，但不限于丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)、丙二醇單甲醚(PGME)、甲苯、二甲苯、苯甲醚、均三甲基苯、丁內(nèi)酯、酮類、環(huán)己酮、己酮、乳酸乙酯、以及庚酮。
在含聚合陶瓷前體的溶液中也可共溶可選的抗輝條劑以得到高均勻性的膜?？箺l紋劑的含量可小于含聚合陶瓷前體溶液的1％。
在含聚合陶瓷前體的溶液中也可共溶可選的助粘劑，助粘劑可在施加聚合陶瓷前體期間析出至膜界面處。助粘劑可少于含聚合陶瓷前體溶液的2％。
在可選的步驟2中，可在淀積聚合陶瓷前體之前對(duì)互連結(jié)構(gòu)進(jìn)行清洗。可用濕法清洗，包括將互連結(jié)構(gòu)曝露于酸、堿、和/或有機(jī)溶劑中。此清洗工藝步驟也可包括任何熟知的干法腐蝕工藝。在可選的步驟3中，可將助粘劑施于襯底表面(例如，互連結(jié)構(gòu)上)。一種優(yōu)選助粘劑的組分為SixLyRz，其中L選自羥基、甲氧基、乙氧基、乙酰氧基、烷氧基、羧基、胺、鹵素，R則選自氫化基(hydrido)、甲基、乙基、乙烯基、以及苯基(任何烷基或芳香基)。助粘劑也可為六甲基二硅氮烷(hexamethyldisilazane)、乙烯基三乙酰氧基硅烷(vinyltriacetoxysilane)、氨丙基三甲氧基硅烷(aminopropyltrimethoxysilane)、乙烯基三甲氧基硅烷(vinyltrimethoxysilane)、或其組合。
在步驟4中，對(duì)要用的襯底涂敷聚合陶瓷前體，使用基于溶劑的工藝方法，包括旋轉(zhuǎn)涂敷、掃描涂敷、噴涂、滴涂、使用刮片或其組合。聚合陶瓷前體的厚度可為5-1000nm。在步驟5中，助粘劑可施于聚合陶瓷前體膜的上表面。優(yōu)選的助粘劑包括上述那些。
在步驟6中，使用一種工藝或任何合適的聯(lián)合工藝將聚合陶瓷前體轉(zhuǎn)變?yōu)樘沾蓴U(kuò)散阻擋層，這些工藝包括熱固化、電子照射、離子照射、紫外和/或可見光照射等。在熱退火時(shí)，可在超過(guò)大約400℃的溫度下及在包括氮、形成氣體和氬的惰性氣氛中進(jìn)行退火的。在此期間，聚合陶瓷前體交聯(lián)成堅(jiān)硬的不溶物。若使用可選的共溶助粘劑，在此轉(zhuǎn)變過(guò)程中助粘劑可析出至膜的界面處。在可選的步驟7中，助粘劑可施加到陶瓷擴(kuò)散阻擋層的上表面。優(yōu)選的助粘劑包括上述那些。
含聚合陶瓷前體的溶液也可包含一些產(chǎn)生氣孔的部分，包括犧牲聚合物材料，在聚合陶瓷前體轉(zhuǎn)變?yōu)樘沾蓴U(kuò)散阻擋層期間，這部分材料退化為低分子量的副產(chǎn)物和/或高沸點(diǎn)溶劑而從膜中排出。此犧牲聚合物材料選自聚(苯乙烯)、聚(酯)、聚(甲基丙烯酸酯)、聚(丙烯酸酯)、聚(乙二醇)、聚(酰胺)、以及聚(降冰片烯)。
陶瓷擴(kuò)散阻擋層優(yōu)選地具有介電常數(shù)小于大約3.3，熱穩(wěn)定，具有低漏電流、高擊穿場(chǎng)值，且阻止金屬(優(yōu)選地為銅)通過(guò)膜層擴(kuò)散。參見圖4(a)和4(b)，驗(yàn)證了由聚硅氮烷聚合陶瓷前體制成的膜的合適擊穿特性和漏電流特性，觀察到在場(chǎng)強(qiáng)低于7MV/cm時(shí)的低百分率擊穿(圖4(a))，及在室溫和150℃下都有小于10-7A/cm2的漏電流(圖4(b))。
雖然我們已根據(jù)我們的發(fā)明表示和描述了幾種實(shí)施方式，本技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員顯然可以了解，作出許多改變是可以接受的。因此，我們不愿限于所示和所述的詳情，但欲使一切改變和修改都在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種互連結(jié)構(gòu)包含制作在襯底上的至少一個(gè)導(dǎo)電金屬特征；包圍著所述至少一個(gè)金屬特征的至少一個(gè)層間介電層；以及在所述至少一個(gè)層間介電層和至少一個(gè)導(dǎo)電金屬特征之間的陶瓷擴(kuò)散阻擋層，其組分為SivNwCxOyHz，其中0.1≤v≤0.9，0≤w≤0.5，0.01≤x≤0.9，0≤y≤0.7，0.01≤z≤0.8，而v+w+x+y+z＝1。
2.如權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中所述陶瓷擴(kuò)散阻擋層的介電常數(shù)小于大約3.3。
3.如權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中所述陶瓷擴(kuò)散阻擋層還包含引線層介電層。
4.如權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中所述陶瓷擴(kuò)散阻擋層還包含引線層介電層和通孔層介電層。
5.如權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中所述至少一個(gè)層間介電層還包含第一組分的引線層介電層和第二組分的通孔層介電層，其中所述第一組分與所述第二組分不同。
6.如權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)，其中所述至少一個(gè)層間介電層的組分包括空氣或惰性氣體。
7.如權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中所述至少一個(gè)層間介電層的組分包括SivNwCxOyHz，其中0.05≤v≤0.8，0≤w≤0.9，0.05≤x≤0.8，0≤y≤0.8，0.05≤z≤0.8，而v+w+x+y+z＝1。
8.如權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，還包括含阻擋層的襯層金屬，其中所述含阻擋層的襯層金屬在所述至少一個(gè)導(dǎo)電金屬特征與所述至少一個(gè)層間介電層之間形成一個(gè)界面，其中所述含阻擋層的襯層金屬包括鉭、氮化鉭、鎢、鈦、氮化鈦、釕、TiSiN、或其組合。
9.如權(quán)利要求4的互連結(jié)構(gòu)，其中所述至少一個(gè)介電層還包括置于所述引線層介電層和所述通孔層介電層之間的介電止蝕層。
10.如權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中所述陶瓷擴(kuò)散阻擋層的組分為Si0.16N0.17C0.17H0.5。
11.一種制作陶瓷擴(kuò)散阻擋層的方法，包括在半導(dǎo)體襯底上涂敷聚合陶瓷前體，其中所述聚合陶瓷前體的組分為SivNwCxOyHz，其中0.1≤v≤0.8，0≤w≤0.8，0.05≤x≤0.8，0≤y≤0.3，0.05≤z≤0.8，而v+w+x+y+z＝1；以及將所述聚合陶瓷前體轉(zhuǎn)變?yōu)樘沾蓴U(kuò)散阻擋層，所述陶瓷擴(kuò)散阻擋層阻止金屬的擴(kuò)散。
12.如權(quán)利要求11的方法，其中所述聚合陶瓷前體包括聚硅氮烷、聚碳硅烷、聚硅硅氮烷、聚硅烷、聚硅碳硅烷、聚環(huán)氧硅氮烷、聚碳硅氮烷、聚甲硅烷基羰二酰亞胺、或聚硅羰硅氮烷。
13.如權(quán)利要求11的方法，其中所述施加聚合陶瓷前體涂層包括制備含所述聚合陶瓷前體與溶劑的溶液；然后用基于溶劑的工藝涂敷所述溶液。
14.如權(quán)利要求13的方法，其中所述基于溶劑的工藝包括旋轉(zhuǎn)涂敷、噴涂、掃描涂敷、滴涂、或其組合。
15.如權(quán)利要求13的方法，其中所述溶液還包括助粘劑，共溶在含所述聚合陶瓷前體的所述溶劑中，此處所述助粘劑的組分為SixLyRz，其中L選自羥基、甲氧基、乙氧基、乙酰氧基、烷氧基、羧基、胺或鹵素構(gòu)成的組，R則選自氫化基、甲基、乙基、乙烯基、以及苯基構(gòu)成的組。
16.如權(quán)利要求13的方法，其中所述溶劑包括丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)、丙二醇單甲醚(PGME)、甲苯、二甲苯、苯甲醚、均三甲基苯、丁內(nèi)酯、環(huán)己酮、己酮、乳酸乙酯、庚酮、或其組合。
17.如權(quán)利要求11的方法，其中將所述聚合陶瓷前體轉(zhuǎn)變?yōu)樗鎏沾蓴U(kuò)散阻擋層的工藝包括熱固化、電子照射、離子照射、紫外線照射、可見光照射、或其組合。
18.如權(quán)利要求13的方法，其中產(chǎn)生氣孔的犧牲部分共溶在含所述聚合陶瓷前體的所述溶液中，所述犧牲部分為犧牲聚合物，選自聚(苯乙烯)、聚(酯)、聚(甲基丙烯酸酯)、聚(丙烯酸酯)、聚(乙二醇)、聚(酰胺)、以及聚(降冰片烯)的一組。
19.如權(quán)利要求13的方法，其中構(gòu)成在含所述聚合陶瓷前體的所述溶液中共溶抗條紋劑。
20.如權(quán)利要求11的方法，其中所述半導(dǎo)體襯底包含至少一個(gè)金屬區(qū)和至少一個(gè)介電材料區(qū)，所述陶瓷擴(kuò)散阻擋層位于所述至少一個(gè)金屬區(qū)和所述至少一個(gè)介電材料區(qū)之間。
全文摘要
本發(fā)明包括一種互連結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包含金屬、介電中間層、以及制作在其間的陶瓷擴(kuò)散阻擋層，陶瓷阻擋層的組份為Si
文檔編號(hào)H01L23/48GK1745476SQ200480002878
公開日2006年3月8日 申請(qǐng)日期2004年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月29日
發(fā)明者斯蒂芬·A·科恩, 斯特凡·M·蓋茨, 杰弗里·C·海德里克, 埃爾伯特·E·黃遏明, 德克·菲弗爾 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司