專利名稱：導(dǎo)電體與絕緣體之間防止變質(zhì)的氟阻擋層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的說來涉及半導(dǎo)體器件及其制造工藝，更具體地說，涉及防止半導(dǎo)體器件布線變質(zhì)的方法和結(jié)構(gòu)。
金屬線與含氟的絕緣材料接觸會變質(zhì)。這種變質(zhì)是IC(集成電路)失靈的潛在機理，因而是應(yīng)該認真對待的問題。半導(dǎo)體工業(yè)對變質(zhì)問題付出的代價極大，因為隨之而來的是必須對工藝過程嚴加監(jiān)督、觀察，對設(shè)備進行維修。在本發(fā)明問世之前，人們對金屬線與含氟的絕緣層接觸會變質(zhì)的問題一無所知，更不用說解決問題了。
因此，本發(fā)明的目的是提供金屬與含氟絕緣材料接觸不致變質(zhì)的方法。
本發(fā)明的另一個目的提供使鋁線與含氟的氧化物絕緣體接觸不致腐蝕的方法。
本發(fā)明還有另一個目的，即防止氟毒化IC金屬化系統(tǒng)中使用的金屬，從而防止通路電阻不希望有的增長并增強通路填料中金屬化層與金屬之間的接觸。
本發(fā)明的上述和其它目的是通過下列措施達到的在含氟絕緣材料與金屬之間加上不含氟的阻擋層，以便有效地限制氟從絕緣材料往金屬中的擴散，從而防止金屬變質(zhì)。
對本發(fā)明來說，在金屬電氣觸點和以金屬為主的電導(dǎo)體方面使用的變質(zhì)”一詞包括金屬的“腐蝕”或“中毒”。金屬線或金屬觸點因暴露在氟中而引起的“腐蝕”是指氟與金屬通過化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生金屬氟化物。金屬因暴露在氟中而“中毒”是指氟作為污染物質(zhì)自然滲入金屬中的量足以提高受污染金屬介面的接觸電阻的情況。
雖然并不想拘泥于任何具體的理論，但我們認為，含氟的絕緣材料在金屬線和金屬導(dǎo)體形成線路圖形過程中具有釋放氟成分的傾向，特別是氟以元素氟(F)或氟氣體(F2)的形式出現(xiàn)時，起了引發(fā)和/或促進對諸如鋁或鈦之類的金屬的腐蝕和/或毒化作用，從而使金屬暴露在釋放出的氟中或為釋放出的氟所滲透。氟無論是有意識地作為絕緣材料的成分加入或甚至作為絕緣材料的污染物質(zhì)出現(xiàn)，都可以觀察到上述現(xiàn)象。例如，我們就曾經(jīng)觀察到氟作為污染物質(zhì)出現(xiàn)在通常使用的作為金屬導(dǎo)線間絕緣薄膜的以TEOS(即原硅酸四乙酯)為主的絕緣膜中。氟作為污染物質(zhì)在絕緣層中的出現(xiàn)，如果不用本發(fā)明采用的起調(diào)停作用的阻擋層加以阻止，一旦釋放出來，依然是鄰近各金屬導(dǎo)線變質(zhì)潛在的一個威脅。
本發(fā)明的研究人員發(fā)現(xiàn)，金屬暴露在氟中腐蝕的速度完全與鄰接的絕緣薄膜中氟的濃度有關(guān)，就是說，絕緣薄膜中的氟濃度低引起的金屬腐蝕比濃度高時小。
在本發(fā)明中，不含氟的阻擋層是在阻擋層上形成金屬電層和將金屬導(dǎo)線層制成一定的線路布線圖形之前在絕緣膜上形成的。其例子有氧化硅、氮化硅、硅或碳膜。在本發(fā)明中，不含氟的阻擋層材料本身必須是不含氟的，而且不應(yīng)在金屬腐蝕、抗蝕劑清除、凈化、退火和其它與金屬化操作有關(guān)的工序中產(chǎn)生氟或讓氟在各工序過程中遷移?！安缓币辉~是說沒有一點氟出現(xiàn)，雖然可能會有痕量的氟作為污染物質(zhì)存在，其量小得微不足道以致不會形成損害金屬導(dǎo)線和絕緣膜上或絕緣膜中形成的通路金屬的作用的真正變質(zhì)的威脅。因此，“不含氟”一詞應(yīng)這樣理解。不含氟的阻擋層材料的介電性能還符合BEOL(線路后端)加工工序的要求，而且材料本身應(yīng)與標準的通路工藝相適應(yīng)。
不含氟阻擋層可以按兩種不同的方法制取一種基本上是添加式的，另一種實質(zhì)上是減除式的。添加法是將阻擋層作為外加層淀積在含氟絕緣材料外露的表面上?？傻矸e成薄膜的不含氟阻擋層材料有不含氟的硅烷或制備得最大限度地減少氟污染物質(zhì)以TEOS為主材料的薄膜。其它在本發(fā)明的實踐中可淀積成薄膜的不含氟阻擋層材料有濺射淀積法制成的氧化物、等離子體增強化學(xué)汽相淀積法制成的氮化硅、本征物理汽相淀積法制成的硅、未摻雜的氧化硅、汽相淀積法制成的非晶質(zhì)碳和其它不含氟的類似材料。
形成不含氟阻擋層的減除法是通過改變含氟材料表面區(qū)的組成形成的，具體作法是除去被覆層中包含的氟，以便有效制取內(nèi)部富氟、外部無氟的阻擋層。要以這種方式制取不含氟的阻擋層，可以將含氟的絕緣材料在有或沒有等離子體的情況下在氫氣中退火，不然也可以將含氟的絕緣材料暴露在氧或臭氧的等離子體中，以減少和消除含氟絕緣材料表面區(qū)的氟，在絕緣材料表面區(qū)形成不含氟的表面層。在這種氫氣退火的情況下，我們認為從絕緣材料表面放出而產(chǎn)生HF氣體，從而形成不含氟區(qū)。另一方面，盡管這時真正的機理尚未搞清楚，理論上我們認為氧或臭氧的等離子體使絕緣材料的表面區(qū)放出而產(chǎn)生SiF或F氣體，為不含氟的SiO所取代。
無論用本發(fā)明的添加法抑或減除法，不含氟阻擋層的厚度必須足以防止氟通過阻擋層遷移。通常，不含氟阻擋層的厚度取決于阻擋層的材料及其特有的結(jié)構(gòu)。不含氟阻擋層的厚度通常在1納米至300納米的范圍。
在本發(fā)明的另一個實施例中，不含氟阻擋層在有意將絕緣膜摻以氟以減小絕緣膜的介電常數(shù)從而減少各鄰接金屬線之間的容性耦合的場合特別有用。在BEOL(線路后端)工藝中就有這種情況。在本發(fā)明的這個實施例中，不含氟阻擋層是在多氟絕緣膜與金屬線之間形成的，以阻止原本對金屬線腐蝕日益加劇的危險。
在本發(fā)明的另一實施例中，不含氟阻擋層用來通過加強通路中第一金屬化層與金屬的接觸來降低通路的電阻。例如，在本實施例中，可以在圍繞通路的含氟氧化層表面形成不含氟阻擋層以通過防止諸如AlCu/TiN/Ti/W、AlCu/Ti/AlCu或Cu/TaN/Cu之類的通路金屬的“中毒”和通路金屬粘結(jié)隨之而來的因暴露在氟中引起的污染消失來增強通路金屬與第一層金屬的接觸。此實施例有效地防止通路電阻提高。
用本發(fā)明加以保護免受氟腐蝕的金屬包括任何有氟存在時易受腐蝕的金屬或金屬合金。用本發(fā)明加以保護不致因氟而變質(zhì)的金屬包括例如鋁和象Al-Si、Al-Cu、Al-Si-Cu之類的鋁合金，銅和象Cu-Sn之類的銅合金、Au和以Au為主的合金(例如Au-Ge)、鎳和鎳合金、鉻、CrSi2、鍺、鉬、MoSi2、鈀、PdSi2、鉑、PiSi、鉭、TaSi2、鈦、TiN、Ti-Pt、Ti-W、TiSi2、鎢、WSi2、WN、ZrSi2等。特別是鋁或銅及其各自的合金，對硅、多晶硅、硅化物和表面石英層的歐姆接觸和鍵合極為理想，因而在VLSI(超大規(guī)模集成電路)技術(shù)中廣泛用在多層金屬化設(shè)計中。然而，鑒于含鋁的金屬和含銅的金屬還特別易受氟引起的腐蝕，因而本發(fā)明在保護這類金屬材料方面特別有用。
本發(fā)明不難與VSLI技術(shù)中極其重要的多層金屬化設(shè)計結(jié)合和配合使用。通常，需要結(jié)合使用工藝的只有一個工序，即不含氟阻擋層的形成工序本身。此外，由于本發(fā)明是在防止金屬布線和金屬化互連器件變質(zhì)方面特別有力的技術(shù)，因而因降低了廢品率和變質(zhì)監(jiān)控要求而節(jié)約成本。
參看附圖閱讀下面對本發(fā)明的詳細說明可以更好地理解上述和其它目的、各方面和優(yōu)點。附圖中

圖1是本發(fā)明的一個實施例有關(guān)添加法形成氟阻擋層各工序的流程圖；圖2A～2F示出了圖1的流程圖中所述的本發(fā)明的實施半導(dǎo)體器件的橫向剖視圖；圖3是本發(fā)明的一個實施例有關(guān)減除形成氟阻擋層各工序的流程圖；圖4A至4E示出了圖3的流程圖中所述有關(guān)含氟層表面改進的本發(fā)明另一實施例工序不同階段的半導(dǎo)體器件的橫向剖視圖。
各附圖沒有必要按比例繪制，各層的厚度僅僅是為清楚舉例說明起見示出的，不應(yīng)視為是對本發(fā)明的限制。
現(xiàn)在參看附圖，更具體地說，參看圖1，圖1示出了本發(fā)明的一個實施例有關(guān)添加法形成不含氟阻擋層的流程圖。本發(fā)明如圖1中所概括的加工順序按下列各工序的順序進行(a)形成金屬布線圖形，即順次履行下列子工序金屬淀積/光刻掩蔽/腐蝕/剝除/退火；(b)淀積氟阻擋層(下層)；(c)淀積氟化絕緣層；(d)絕緣層化學(xué)機械拋光；(e)淀積氟阻擋層(上層)；(f)通過下列子工序形成觸點光刻掩蔽/腐蝕法形成通道/用金屬填滿通道和形成第二層布線；且想形成其它的金屬化層時重復(fù)(a)～(f)各工序。
圖2A～2F分別示出了上述添加法的實施過程。圖2A中示出了金屬配線圖形24的形成，這是順次通過以下子工序進行的在襯底26(例如單晶半導(dǎo)體)上淀積一層金屬層，腐蝕形成布線圖形24時可采用一般的蝕刻法在金屬層上形成圖形和加掩模。接著剝除掩模并將金屬化襯底退火，使金相部分結(jié)晶。如圖2B中所示，接著在襯底26和金屬布線24外露的表面部分保護形成不含氟的阻擋層28。不含氟下阻擋層28可用一般的絕緣膜形成法淀積成，例如化學(xué)汽相淀積法(CVD)、等離子體增強化學(xué)汽相淀積法(PECVD)、低壓化學(xué)汽相淀積法(LPCVD)、HDPCVD或物理汽相淀積法(PVD)等。不含氟阻擋層材料可以是例如硅、二氧化硅、氮化硅或碳。不含氟阻擋層的厚度必須大于1納米，最好大于5納米左右，從實用和技術(shù)觀點出法，不含氟阻擋層的厚度沒有上限。氟阻擋層若太薄，氟就會通過阻擋層遷移，從而污染了位于阻擋層反面的金屬，這是我們所不希望發(fā)生的。
接著，如圖2C中所示，氟絕緣層22可以通過將一般的二氧化硅或無定形碳層摻氟進行淀積。這種摻雜可在形成氟絕緣層22的過程中通過用諸如SixFy(x和y為正值)例如SiF4或諸如CxFy例如CF4、CF6、C2F6、C6F12之類的氟源將形成絕緣膜的氣體摻氟進行。形成絕緣膜氣體可以是例如SiH4/O2、SiH4/O2/Ar、 SiH4/N2O、或TEOS/O2，例如以CVD、PECVD、HDPCVD或PVD法淀積。本發(fā)明的一些最佳實施例用摻SiF4的SiH4/O2/Ar HDPCVD或摻SiF4的TEOS/O2/HePECVD形成富氟絕緣層22。富氟絕緣層22的厚度通常取得比金屬絲24的厚度大和小于金屬絲厚度的四分之一的值。富氟絕緣層22可以是例如SiOzF2-z(其中O＜z＜2)。圖2D的這種中間結(jié)構(gòu)一般在增設(shè)金屬化層之前先經(jīng)過拋光以確保在同一平面上。
如圖2E所示，不含氟的上阻擋層28是在富氟絕緣層22表面形成的。上氟阻擋層28可用任何上述同一方法相對于下氟阻層28形成。如圖2E中所示，上氟阻擋層28 上用光刻法開了一孔，通路20則通過腐蝕穿過氟阻擋層28、富氟絕緣層22和下氟阻擋層28形成，一直到金屬絲24外露為止。
如圖2F所示，就時就可以按一般設(shè)計按下列順序填充以下金屬先是鈦，然后Ti-N(例如用PVD)，最后是鎢(例如用CVD法)。通路20中的通路金屬最好經(jīng)過腐蝕和拋光(例如用CMP法)使其與阻擋層28的表面齊平。接著，可以通過在上阻擋層膜膜28的表面和通路20上形成金屬膜、形成導(dǎo)線23圖形并將其腐蝕、再進行退火使金相結(jié)晶來形成第二級金屬化層23。
如圖2F中所示，完工后的金屬化部分包括通路20，且鎢通路20通過SiOzF2-z層22將埋設(shè)的鋁線24上覆的鋁線23互連起來。第一金屬化層的各鋁線24和各鋁線所在的襯底26上都形成有下氟阻擋層28。這種結(jié)構(gòu)的上氟阻擋層28還用作通路20中金屬填料和金屬層23的氟阻擋層。上阻擋層28保護金屬化層23使其不致因富氟絕緣層22在金屬化層23形成圖形過程中放出的氟而腐蝕掉，既加強了金屬線23與通路20中金屬填料的粘合，又使通路20中金屬填料的電阻因上阻擋膜28防止通路金屬中氟毒而增加。
綜上所述，對本發(fā)明對IC制造使用的易因氟而變質(zhì)的任何金屬有利，本發(fā)明對保護鋁、鋁合金、銅和銅合金材料持別有用。
圖3示出了本發(fā)明有關(guān)減除法形成不含氟阻擋層的第二實施例的流程圖。本發(fā)明在圖3中概括的加工順序按以下一系列步驟進行(a)通過順欠履行下列子工序形成金屬布線圖形淀積/光刻掩蔽/腐蝕/剝除掩模/退火；(b)淀積氟化絕緣層；(c)化學(xué)機械拋光絕緣層；(d)通過光刻掩蔽和腐蝕形成通路；(e)氟溶蝕工序；(f)用金屬填充通路和形成第二級層配線；要增設(shè)任何所要求的金屬化層時重復(fù)工序(a)～(e)。
圖4A至圖4E示出了圖3中概括的方案中用減除法形成不含氟阻擋層的形成的過程，其中從含氟層表面區(qū)清除氟。圖4A至圖4B中所示的各工序分別與圖2A至圖2B所示的相同。從圖4C中可以看到，通路40在襯底44(例如單晶半導(dǎo)體)上用SiOzF2-z絕緣體2形成(其中0＜Z＜2)。另一方面，本發(fā)明也適用于受氟成分子污染或可能受氟污染的絕緣層42。通路40底部是可以取金屬布線46形式的金屬。如圖4D中所示，所有的表面都暴露在臭氧等離子體48以便將氟從絕緣層42的表面區(qū)43溶蝕掉。
但應(yīng)該指出的是，氟溶蝕工序也可以用熱來激法或用等離子體增強的氣體與SiOzF2-z表面的反應(yīng)來進行。至于溶蝕氟使用的熱激發(fā)條件可以將含氟層的表面區(qū)暴露在400℃的環(huán)境中，并在大氣壓下令H2或Ar/H2氣通過爐管1至60分鐘，最好約30分鐘，來溶蝕氟。溶蝕氟使用的等離子體增強氣體工序條件則可以將含氟層的表面區(qū)在3毫乇至100乇的壓力范圍和400℃的溫度下在反應(yīng)室O2或O2/O3等離子體的環(huán)境下暴露10至300秒，最好約60秒。更具體地說，從含氟層的表面區(qū)溶蝕氟的一系列條件例如可以用400Sccm O3/3600SccmO2的原料混合氣、400℃的反應(yīng)室溫度和30乇壓力和600瓦射頻以及Applied Materials P500 Universal CVD反應(yīng)室中0.7厘米反應(yīng)器空間。作為另一種選擇方案，也可以在本發(fā)明中采用化學(xué)蝕法來溶蝕氟。
這個溶蝕工序?qū)⒔^緣材料42表面區(qū)43所含的全部氟完全清除掉。阻擋層43的厚度部分為臭氧等離子體的持續(xù)時間和強度的函數(shù)。氟清除之后，阻擋層43就可以防止駐留在絕緣層42其余部分的氟逸出而使金屬線46的金屬表面41或任何在通路40中形成與金屬線46接觸的金屬互連和其它級次的金屬化層暴露出來。
圖5示出了用例如金屬鑲嵌布線(例如金屬鑲嵌Al線或Cu線)和氟阻擋層若干不同的制備情況。具體地說，在此橫截面中，金屬鑲嵌線52部分埋置在SiOzF2-z層54中。就是說，這些金屬線52的上半部處在SiOzF2-z層54中，下半部部分埋置在襯底58中。不含氟的SiO2阻擋層51在其上淀積上第二SiOzF2-z層56之前按說明圖2A～2F的實施例時所述相同的方式在金屬線52上形成。接著，在絕緣層56淀積上第二不含氟SiO2阻擋層。阻擋層53是用掩模開辟的，通過腐蝕使金屬線52的表面通過各層53/56和51外露，如圖5中所示。在通路50中可淀積形成鋁或銅互連體通過SiOzF2-z層56與金屬線52的上表面接觸。
參看圖4D和圖5，可以看到在通路表面或溝道側(cè)壁成阻擋層可以保護淀積在其中或在其附近形成的金屬化層使其免受存在于絕緣層的氟污染物質(zhì)的侵蝕。應(yīng)該理解的是，上述實例中使用的氟阻擋層所示的特定形成方式僅僅是舉例而已，開成氟阻擋層的添加法或減除法都可應(yīng)用于以上所舉的任何實施例。大家知道，這個特點對有意將絕緣膜摻以氟以減小絕緣膜的介電常數(shù)從而減小鄰接的各金屬線之間的容性耦合的BEOL技術(shù)來說特別有利。在本發(fā)明的這個實施例中，不含氟阻擋層是(用本發(fā)明的添加法或減除法)置于多氟絕緣膜與金屬導(dǎo)線之間以降低原本金屬線擴大的變質(zhì)危險性。
上面已就本發(fā)明的一些最佳實施例本發(fā)明，但本技術(shù)領(lǐng)域的行家們都知道，在不脫離所附權(quán)利要求書的精神實質(zhì)和范圍的前提下是可以對本發(fā)明進行種種修改付諸實施的。
權(quán)利要求
1.一種提高金屬對自身因暴露在氟中而變質(zhì)的抵抗能力的方法，其特征在于，它包括下列步驟配備含氟的絕緣材料；在所述絕緣材料上形成氟阻擋層；在所述氟阻擋層上形成金屬。
2.一種提高金相抗變質(zhì)能力的方法，其特征在于，它包括下列步驟配備含氟的絕緣膜；在所述絕緣膜上沉積氟阻擋層；和在所述氟阻擋層上形成金屬線路圖形。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述不含氟阻擋層是選自由硅、二氧化硅、氮化硅和碳組成的材料群的不含氟材料。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述淀積不含氟阻擋層的步驟包括選自由PECVD、PVD、HDPCVD和LPCVD組成的方法群的淀積方法。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述絕緣膜是氧化物絕緣膜。
6.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述絕緣膜是SiOzF2-z，其中O＜z＜2。
7.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述金屬線路是由下列金屬組成的金屬群的金屬材料制成Al，Al-Si，Al-Cu，Al-Si-Cu，Cu，Cu-Sn，Cu-Si，Au，Au，Au-Zn，Au-Ge，Ni，Cr，CrSi2，Ge，Mo，MoSi2，Pd，PdSi2，Pt，PtSi，Ta，TaSi2，Ti，TiN，Ti-Pt，Ti-W，TiSi2，W、WSi2、WN和ZrSi2。
8.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述金屬線路是由下列金屬組成的金屬群的金屬材料制成含鋁材料，含鈦材料和含銅材料。
9.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述金屬線路為含鋁材料。
10.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述氟阻擋層的厚度在1納至300納米的范圍。
11.一種提供金相抗變質(zhì)能力的方法，其特征在于，它包括下列步驟配備具表面區(qū)的含氟絕緣膜；從所述絕緣膜的所述表面區(qū)除去氟以便在所述絕緣膜上形成不含氟阻擋層；和在所述不含氟阻擋層上形成金屬線路圖形。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，從所述表面區(qū)除去氟是通過將所述表面區(qū)暴露在氫中退火進行的。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，從所述表面區(qū)除去氟是通過將所述表面區(qū)暴露在臭氧等離子體中進行的。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述不含氟阻擋的厚度在1納米至300納米的范圍。
15.一種集成電路結(jié)構(gòu)，其特征在于，它包括一個襯底；圖形金屬化層，在所述襯底上形成；含氟絕緣層，在所述襯底上形成，且毗鄰所述圖形金屬化層；和氟阻擋層，在所述含氟絕緣層與所述圖形金屬化層之間；
16.如權(quán)利要求15所述的集成電路結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述含氟絕緣層上有一個孔，所述氟阻擋層位于所述含氟阻擋層所述孔的側(cè)壁上。
17.如權(quán)利要求16所述的集成電路結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述孔選自通路或溝道組成的通道群。
18.一種集成電路結(jié)構(gòu)，其特征在于，它包括一個襯底；圖形金屬化層，在所述襯底上形成；含氟絕緣層，在所述襯底上形成，且毗鄰所述圖形金屬化層；第一氟阻擋層，處在所述含氟絕緣層與所述圖形金屬化層之間；和第二氟阻擋層，在所述含氟絕緣上形成。
19.如權(quán)利要求18所述的集成電路結(jié)構(gòu)，其特征在于，有一個填充有金屬的通路孔通過所述第二氟阻擋層材料、所述絕緣層和所述第一氟阻擋層，其中填充金屬的通路孔與圖形金屬化層接觸。
20.如權(quán)利要求19所述的集成電路結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第二氟阻擋層上形成有第二級金屬化層，與所述充金屬通路孔接觸。
全文摘要
一種提高金屬對自身因暴露在從含氟材料釋放出來的氟而變質(zhì)的抵抗能力的方法,即在絕緣材料與金屬之間形成氟阻擋層。本發(fā)明材對提高半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中金相(例如鋁金相)抗腐蝕和抗中毒的能力特別有用。本發(fā)明還包括用這種方法制取的集成電路結(jié)構(gòu)。
文檔編號H01L21/314GK1182956SQ9712006
公開日1998年5月27日 申請日期1997年10月7日 優(yōu)先權(quán)日1996年11月8日
發(fā)明者E·C·庫內(nèi)三世, H·K·李, T·L·麥德維特, A·K·斯塔姆佩爾 申請人:國際商業(yè)機器公司