專利名稱：帶難熔金屬襯里的銅栓結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在元件內(nèi)具有電互連結(jié)構(gòu)的電子元件，如半導(dǎo)體器件、多層薄膜結(jié)構(gòu)和多層陶瓷結(jié)構(gòu)等，特別涉及將結(jié)構(gòu)的一層上的金屬化敷層電連接到另一層上的金屬化敷層的垂直互連結(jié)構(gòu)，并且該互連結(jié)構(gòu)和電子元件具有增加的電遷移壽命。
多層電子元件向如計算機(jī)、通訊、軍事和消費應(yīng)用等中的高性能系統(tǒng)提供了一種有吸引力的封裝解決辦法。這些電子元件可在給定電子元件尺寸下提供高密度的互連和增加電路的能力。
一般來說，多層電子元件包括多個電介質(zhì)材料層，在每層上具有通孔、焊盤、將焊盤連接到通孔的帶以及布線形式的金屬化敷層。介質(zhì)層中的通孔或其它開口從一層延伸到另一層，并且這些開口填充有導(dǎo)電材料并將一層上的金屬化敷層電連接到另一層上的金屬化敷層，用于現(xiàn)今工業(yè)中使用的高密度電子元件裝置。
多層電子元件的一個重要方案是層之間的通孔或開口，在其中施加導(dǎo)電材料以提供不同層上金屬化敷層之間的電接觸。概括地說，典型的多層電子元件由許多介質(zhì)材料層構(gòu)成，例如硅氧化物、氟化硅氧化物、包括聚酰亞胺和氟化聚酰亞胺的高聚物、陶瓷、碳以及其它介質(zhì)材料。在現(xiàn)有技術(shù)中稱做“金屬鑲嵌工藝(Damascene Process)”的加工順序中，使用已知的技術(shù)如使用曝光后限定出布線圖案的光刻膠材料構(gòu)圖介質(zhì)層。顯影后，光刻膠起掩模的作用，通過它用如等離子體腐蝕或反應(yīng)離子腐蝕等的去雜質(zhì)腐蝕工藝穿過掩模除去介質(zhì)材料的圖案。使用金屬鑲嵌工藝，在介質(zhì)層中形成限定布線圖案的開口，由介質(zhì)層的一個表面延伸到介質(zhì)層的另一表面。然后使用如電鍍、化學(xué)鍍、化學(xué)汽相淀積、物理汽相淀積或這些方法的組合等填充技術(shù)用金屬填充這些布線圖案。該工藝包括通過用如化學(xué)機(jī)械拋光的方法去除過量材料使金屬平面化。在單金屬鑲嵌工藝中，在介質(zhì)層中附加地形成有通孔或開口并在其中填充金屬化敷層以提供布線級的層之間的電接觸。在雙金屬鑲嵌工藝中，在填充金屬化敷層之前，通孔和布線圖案開口都形成在介質(zhì)層中。該工藝簡化了工序并消除了一些內(nèi)部界面。對電子元件中的每一層繼續(xù)進(jìn)行這些工序直到完成電子元件。
在圖4中，顯示出了現(xiàn)有技術(shù)的雙金屬鑲嵌線。示出介質(zhì)層11a和11b，其上有水平阻擋層16，層11b上有金屬化敷層12，層11a內(nèi)有金屬化敷層12a和栓14。示出的栓14和金屬化敷層12a由擴(kuò)散阻擋襯里15的垂直壁以及包括為栓14的底部和金屬化敷層12的上表面之間提供擴(kuò)散阻擋的栓的底部襯里的水平襯里15a包圍。已顯示出這種類型的結(jié)構(gòu)提供具有低電遷移壽命的互連電子元件。
介質(zhì)材料提供了銅布線元件之間的電絕緣和電隔離。介質(zhì)層中的開口統(tǒng)稱為通孔，當(dāng)填充有導(dǎo)電材料時，通常稱做栓。栓提供了電子元件的不同層上水平銅金屬化敷層之間的垂直互連。
為避免金屬和介質(zhì)之間的金屬擴(kuò)散，也稱做襯里的阻擋層包括在結(jié)構(gòu)中以容納銅或其它金屬，并提供銅襯里和栓與介質(zhì)或其它金屬化敷層的改善的附著力。
對于通孔，阻擋層通常為如Ta或TaN的難熔金屬，不但對通孔和介質(zhì)之間銅金屬的擴(kuò)散形成阻擋，而且在銅金屬和導(dǎo)體布線級下面或上面的金屬化敷層之間形成阻擋。通常阻擋層形成在通孔內(nèi)的兩個側(cè)壁上及其底部，形成阻擋層。當(dāng)鍍銅并填充通孔時，阻擋層將栓與介質(zhì)、栓與和它進(jìn)行電連接的下和上層金屬化敷層分離?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)當(dāng)電子元件中的銅布線暴露在高電路密度中很長一段時間時，阻擋層會在銅栓或金屬化敷層中產(chǎn)生孔隙(取決于電流的方向)，并導(dǎo)致電路開路的故障。發(fā)生該故障需要的時間稱做電遷移壽命，它隨栓和金屬化敷層材料以及阻擋層材料而變。
相關(guān)的申請由本發(fā)明的受讓人于1997年5月19日申請，題目為“在通孔中形成自對準(zhǔn)銅擴(kuò)散阻擋層的方法”，目的在于在通孔的側(cè)壁上形成銅擴(kuò)散阻擋層。
考慮到現(xiàn)有技術(shù)的問題和不足，因此本發(fā)明的一個目的是提供一種包含使用單金屬鑲嵌工藝或雙金屬鑲嵌工藝制成的元件的多層電子元件，所述多層電子元件包括至少一層具有通孔或開口的層，通孔或開口內(nèi)填充有導(dǎo)電材料形成栓，該栓電連接層上的金屬化敷層，并且栓和電子元件的電遷移壽命增加。
本發(fā)明的另一目的是提供一種制造多層電子元件的方法，所述多層電子元件具有栓互連并包括使用單金屬鑲嵌工藝或雙金屬鑲嵌工藝制成的元件，其中栓和電子元件的電遷移壽命增加。
通過說明書，本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點將變得顯而易見。
本發(fā)明中實現(xiàn)了將對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員可理解的以上和其它目的，本發(fā)明的一個方案的多層電子元件包括至少一個介質(zhì)層，在該層的兩個表面上有金屬化敷層；和延伸穿過該層并將一個表面上的金屬化敷層連接到另一表面上的金屬化敷層的開口(通孔)，這些開口包括一開口側(cè)壁上的擴(kuò)散阻擋材料，優(yōu)選地為難熔金屬如鉭、鎢、氮化鉭、氮化鎢、氮化硅、氮化鎢硅、氮化鈦、氮化鈦硅；和一側(cè)壁內(nèi)的導(dǎo)體，該導(dǎo)體填充開口并接觸金屬化敷層。
在本發(fā)明的另一方案中，電子元件的介質(zhì)材料為多層氧化物、陶瓷或聚酰亞胺(高聚物)，并且氧化層、陶瓷層或其它介質(zhì)層表面上的金屬化敷層為相同的金屬，優(yōu)選為銅。電子元件的介質(zhì)包括多種材料，通常為硅氧化物、氟氧化物、高聚物、類金剛石碳或旋涂玻璃。
在本發(fā)明的又一方案中，在通孔金屬化敷層和表面金屬化敷層之間提供有一附著層。附著層的作用不是通孔金屬化敷層的擴(kuò)散阻擋層，附著層很薄并且不連續(xù)。優(yōu)選的附著層是鋁或鉻，最好在電子元件的制造或使用期間附著層融化在通孔和/或表面金屬化敷層內(nèi)。
在本發(fā)明的再一方案中，在介質(zhì)的表面和介質(zhì)表面的金屬化敷層之間形成有一水平的擴(kuò)散阻擋層，例如當(dāng)在雙金屬鑲嵌工藝中腐蝕通孔時可作為腐蝕終止擴(kuò)散阻擋層。
在附帶的權(quán)利要求書中對相信是新穎的本發(fā)明的特征和本發(fā)明的元件特性進(jìn)行了詳細(xì)的說明。附圖僅為圖示的目的，并沒有按比例畫出。然而，參考結(jié)合附圖進(jìn)行的詳細(xì)說明可對關(guān)于結(jié)構(gòu)和操作方法的本發(fā)明自身有更好地理解。


圖1為本發(fā)明的電互連多層電子元件的局部剖面透視圖。
圖2A-2E示出了根據(jù)本發(fā)明的方法形成雙金屬鑲嵌線的步驟順序。
圖3示出了在互連栓的底部和層金屬化敷層之間具有不連續(xù)的附著層的本發(fā)明電互連多層電子元件的局部剖面透視圖。
圖4示出了具有雙金屬鑲嵌互連栓且擴(kuò)散阻擋層位于栓的底部和元件的相鄰下層上金屬化敷層的上表面之間的現(xiàn)有技術(shù)多層電子元件的剖面圖。
下面參考圖1-3介紹本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其中本發(fā)明的類似特征用類似的數(shù)字表示。在圖中不必按比例顯示出本發(fā)明的特征。
參考圖1，以局部剖面透視示意性地示出多層電子元件10的部分，該部分包括集中顯示為11和分別顯示為11a、11b和11c的層。根據(jù)電子元件的應(yīng)用，層11可以由任何合適的介質(zhì)材料制成，包括如硅氧化物、氟氧化物、如聚酰亞胺的高聚物、類金剛石碳或旋涂玻璃等材料。示出的層其上具有布線或線12和12a以及互連通孔或栓14形式的金屬化敷層?？梢钥闯鏊?4電連接布線12a與布線12。金屬化敷層12、12a和14由如銅等的導(dǎo)體形成。
示出的層11a-11c分別由水平阻擋層16和28分隔，阻擋層16和28可以相同或不同且可以防止銅金屬化敷層從一層擴(kuò)散到下一層。層28可以是當(dāng)化學(xué)腐蝕元件時也起腐蝕終止作用的材料。示出的垂直阻擋擴(kuò)散層(襯里)15形成金屬化敷層12和12a以及栓14的外壁?？梢栽谒?4和金屬化敷層12或金屬化敷層12a中任意一個之間避免襯里15，以增加所有金屬層的電遷移壽命并由此增加元件的使用壽命。下面參考圖2A-2E介紹垂直襯里15的形成。
襯里15可以是提供布線和/或栓金屬化敷層以及介質(zhì)之間擴(kuò)散阻擋的任何適宜材料。優(yōu)選的襯里材料為難熔材料如鉭、鎢、氮化鉭、氮化鎢、氮化硅、氮化鉭硅、氮化鎢硅、氮化鈦、氮化鈦硅，優(yōu)選含鉭的材料。襯里的厚度通常為2nm到100nm。
關(guān)于圖2A-2E，顯示了在含有雙金屬線的多層電子元件10中本發(fā)明的互連栓的制造步驟順序。在圖2A中，顯示出的現(xiàn)有技術(shù)公知的典型的雙金屬線包括絕緣(介質(zhì))層11a、11b和11c，其中的水平表面上具有擴(kuò)散阻擋層16和28。當(dāng)在用于金屬線的層11a中腐蝕開口時，擴(kuò)散阻擋層28也起腐蝕終止的作用。襯里層15形成在雙金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的所有暴露表面上。水平表面上的襯里用15A表示。最好襯里材料15與水平擴(kuò)散阻擋層16和28不同。可以看出襯里15也覆蓋在通孔14底部的金屬化敷層12的上表面。在圖2B中，箭頭所示的選擇性腐蝕用來從通孔14的下水平表面和終止于腐蝕終止層28的介質(zhì)11a和11b的水平表面腐蝕水平襯里15a。選擇性腐蝕優(yōu)選使用如能產(chǎn)生揮發(fā)性腐蝕產(chǎn)物的氯氣等氣體的活性離子腐蝕。選擇性腐蝕形成側(cè)壁間隔層15，這在本領(lǐng)域是公知的。有必要使腐蝕劑終止于腐蝕終止層28，以便保留該層提供擴(kuò)散阻擋層。
然后使用公知的技術(shù)如薄鍍、物理汽相淀積、化學(xué)汽相淀積或化學(xué)鍍施加銅籽晶層(seed layer)19，如圖2C所示，籽晶層19覆蓋介質(zhì)11a、阻擋層28、通孔14的側(cè)壁和通孔的底部。然后如圖2D所示電鍍銅層24，填充槽22和通孔14。也可以通過化學(xué)汽相淀積或物理汽相淀積來淀積銅24。此外，可以使用化學(xué)鍍形成金屬化敷層。在這些情況中，通常不需要單獨的銅籽晶層。
然后將銅層24平面化到層11a的表面，形成完成的栓14和金屬化敷層12a。為清楚起見，金屬化敷層12a和銅籽晶層19與淀積的銅24一起顯示為金屬化敷層12a和栓14。在金屬化敷層12和栓14之間或金屬化敷層12a和栓14之間沒有無銅層。因此，栓14和兩個金屬化敷層的連接可以避免其擴(kuò)散阻擋，增加了電遷移壽命。
可以就在淀積銅籽晶層19之前或如果不使用銅籽晶層，就在CU層14之前使用附著層。在被鍍的元件中，如果使用了銅籽晶層(未顯示在圖3中)，銅將填充和銅籽晶層19一起的開口14，并僅通過不連續(xù)的附著層18與金屬化敷層12分離(如圖3所示)。附著層不是阻擋層，通常為如鋁或鉻等的金屬。附著層18的厚度約0.5到20nm，優(yōu)選約5nm。如果使用附著層，附著層最好在制造元件或使用元件期間通過加熱溶解在加熱時的栓金屬和/或金屬化敷層中。因此，在最終的電子元件結(jié)構(gòu)中，即使使用了附著層18，栓材料將基本上直接連接(粘接)到金屬線12。
雖然結(jié)合具體的優(yōu)選實施例詳細(xì)地介紹了本發(fā)明，但顯而易見，根據(jù)以上的介紹作出許多替換、修改和變形對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是顯然的。因此附帶的權(quán)利要求書將包含落入本發(fā)明實際范圍和精神的任何這些替換、修改和變形。
權(quán)利要求
1．一種用于將一層上的金屬化敷層連接到延伸至所述金屬化敷層的槽或通孔的電子元件中的互連結(jié)構(gòu)，電子元件的電遷移壽命增加，特征在于包括包括第一材料的第一導(dǎo)體層；所述第一導(dǎo)體層上的一介質(zhì)；一槽或通孔，穿過所述介質(zhì)延伸到所述第一導(dǎo)體層；第一襯里，沿所述槽或通孔的側(cè)壁，用于向所述介質(zhì)提供一擴(kuò)散阻擋層；包括所述第一材料的第二導(dǎo)體層，所述第一材料填充電接觸所述第一導(dǎo)體層的所述槽或通孔，所述第一襯里不位于所述第一和第二導(dǎo)體層之間。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的互連，特征在于所述第一導(dǎo)體層和第二導(dǎo)體層包括銅。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的互連，特征在于所述介質(zhì)包括硅氧化物、氟氧化物、高聚物、類金剛石碳和旋涂玻璃中的一種。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的互連，特征在于一附著層位于所述第一和所述第二導(dǎo)體層之間。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的互連，特征在于所述附著層不是對銅的擴(kuò)散阻擋層。
6．根據(jù)權(quán)利要求5的互連，特征在于所述附著層不連續(xù)。
7．根據(jù)權(quán)利要求5的互連，特征在于所述附著層為一種不是阻擋銅擴(kuò)散的材料。
8．根據(jù)權(quán)利要求7的互連，特征在于所述附著層為鋁和鉻中的一種。
9．根據(jù)權(quán)利要求1的互連，特征在于一水平層為沿槽中一暴露的水平表面，水平層由第二介質(zhì)形成，水平層提供所述第二導(dǎo)體和所述第一介質(zhì)之間一擴(kuò)散阻擋層，所述水平層由不同于第一襯里的材料形成。
10．根據(jù)權(quán)利要求9的互連，特征在于所述水平層是對第一介質(zhì)的腐蝕終止層。
11．一種具有一增加的電遷移壽命的多層電子元件，特征在于包括具有金屬化敷層于其上的多個介質(zhì)層；槽或通孔形式的開口，延伸穿過至少一層，并連接槽或通孔的下表面上的金屬化敷層；沿所述槽或通孔側(cè)壁的第一襯里，用于向介質(zhì)提供一擴(kuò)散阻擋層；以及一導(dǎo)體，填充電接觸所述金屬化敷層的所述槽或通孔，所述第一襯里不位于所述第一和第二導(dǎo)體層之間。
12．根據(jù)權(quán)利要求11的多層電子元件，特征在于金屬化敷層和導(dǎo)體為銅。
13．根據(jù)權(quán)利要求12的多層電子元件，特征在于具有雙金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)。
14．根據(jù)權(quán)利要求11的多層電子元件，特征在于介質(zhì)是硅氧化物、氟氧化物、高聚物、類金剛石碳或旋涂玻璃。
15．根據(jù)權(quán)利要求11的多層電子元件，特征在于在金屬化敷層和導(dǎo)體層之間存在附著層。
16．根據(jù)權(quán)利要求15的多層電子元件，特征在于所述附著層不是對銅的擴(kuò)散阻擋層。
17．根據(jù)權(quán)利要求16的多層電子元件，特征在于所述附著層不連續(xù)。
18．根據(jù)權(quán)利要求15的多層電子元件，特征在于附著層是制造電子元件或使用電子元件期間溶解在導(dǎo)體或金屬化敷層內(nèi)的材料。
19．根據(jù)權(quán)利要求18的多層電子元件，特征在于附著層為鋁、鉻。
20．根據(jù)權(quán)利要求11的多層電子元件，特征在于一水平擴(kuò)散阻擋層設(shè)置在層之間，用于提供它的表面上金屬化敷層和介質(zhì)之間的擴(kuò)散阻擋，所述水平層由不同于第一襯里的材料形成。
21．根據(jù)權(quán)利要求20的多層電子元件，特征在于水平層是對介質(zhì)的腐蝕終止層。
22．一種制造具有增加的電遷移壽命的多層電子元件的方法，特征在于包括在做電子元件時，用金屬化敷層形成其上的介質(zhì)層層疊層地形成多層電子元件，并形成延伸穿過至少一層的開口以連接層表面上的金屬化敷層；在開口內(nèi)形成一擴(kuò)散阻擋層襯里；使用選擇性腐蝕從開口的底部腐蝕襯里，保留開口側(cè)壁上的襯里；以及用一導(dǎo)體填充開口以提供接觸金屬化敷層的導(dǎo)體。
23．根據(jù)權(quán)利要求22的方法，特征在于金屬化敷層和導(dǎo)體為銅。
24．根據(jù)權(quán)利要求23的方法，特征在于元件內(nèi)部為雙金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)。
25．根據(jù)權(quán)利要求22的方法，特征在于介質(zhì)包括硅氧化物、氟氧化物、高聚物、類金剛石碳或旋涂玻璃。
26．根據(jù)權(quán)利要求22的方法，特征在于在金屬化敷層和導(dǎo)體層之間存在一附著層。
27．根據(jù)權(quán)利要求26的方法，特征在于附著層不是對銅的擴(kuò)散阻擋層。
28．根據(jù)權(quán)利要求26的方法，特征在于附著層不連續(xù)。
29．根據(jù)權(quán)利要求28的方法，特征在于附著層為鋁、鉻。
30．根據(jù)權(quán)利要求22的方法，特征在于沿每個介質(zhì)層的表面存在一水平介質(zhì)層，將它的表面上的金屬化敷層與介質(zhì)分離。
全文摘要
提供一種具有增加電遷移壽命的多層互連電子元件。互連為栓的形式,包括具有一沿側(cè)壁的難熔金屬擴(kuò)散阻擋襯里的垂直側(cè)壁。在栓的底部沒有阻擋層,栓的底部接觸元件介質(zhì)層上的金屬化敷層。附著層形成于栓的底部和金屬化敷層的表面之間,附著層可以連續(xù)或不連續(xù)。附著層優(yōu)選在元件的制備或使用期間通過加熱溶解在栓或金屬化敷層的金屬如鋁。優(yōu)選的元件利用了雙金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)。
文檔編號H01L21/768GK1213851SQ98119730
公開日1999年4月14日 申請日期1998年9月29日 優(yōu)先權(quán)日1997年9月30日
發(fā)明者J·M·E·哈柏, R·M·格夫肯 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司