專利名稱：在圖形化的電介質(zhì)上形成包含催化劑的層膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及集成電路制造領(lǐng)域，更特別地，涉及通過諸如無電鍍(electroless plating)的濕法化學(xué)沉積過程在諸如溝槽和通孔的圖形化的電介質(zhì)(patterned dielectric)上形成金屬層。
背景技術(shù)：
在集成電路中，諸如晶體管、電容器、電阻器等的巨量電路元件形成在適當(dāng)?shù)幕畠?nèi)或之上，通常是在基本上平坦的構(gòu)造中。由于集成電路的大量電路元件及所需要的復(fù)雜布局(layout)，通?？赡軣o法將單個(gè)電路元件的電連接建立在制備有電路元件的相同層(level)內(nèi)，而是需要一個(gè)或多個(gè)額外的“布線(wiring)”層，也稱為金屬化層(metallization layers)。這些金屬化層通常包括提供層內(nèi)(inner-level)電連接的金屬線，并且還包括多個(gè)層間(inter-level)連接，也稱為通孔，其中金屬線和通孔也可通稱為互連(interconnects)。
由于現(xiàn)代集成電路中電路元件的特征尺寸不斷縮小，使得特定芯片區(qū)域中的電路元件數(shù)目，亦即封裝密度，也增加，所以需要更大量增加電互連的數(shù)目，以提供所期望的電路功能。因此，堆疊金屬化層的數(shù)目可能會(huì)隨著每芯片區(qū)域中電路元件數(shù)目的變大而增加。由于制造多個(gè)金屬化層需要解決極富挑戰(zhàn)性的問題，諸如復(fù)雜的鋁基微處理器所需要的十二個(gè)堆疊金屬化層的機(jī)械、熱與電可靠性，越來越多的半導(dǎo)體制造商用可允許更高電流密度并因此可減小互連尺寸的金屬來取代熟知的金屬化金屬鋁。例如，通常認(rèn)為銅是取代鋁的可行的候選金屬，因?yàn)橥X相比，銅具有更高的電遷移阻力和顯著更低的電阻率的優(yōu)異特性。盡管有這些優(yōu)點(diǎn)，然而銅也會(huì)表現(xiàn)出有關(guān)半導(dǎo)體設(shè)備中加工和處理銅的大量缺點(diǎn)。舉例而言，通過成熟的沉積方法，諸如化學(xué)氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)，可能無法有效地將銅大量地施加到基片上，并且由于銅會(huì)形成非揮發(fā)性(non-volatile)反應(yīng)產(chǎn)物的特性，所以通過常用的各向異性蝕刻步驟可能無法將銅有效地圖形化。因此，在制造包含銅的金屬化層時(shí)，優(yōu)選使用所謂的鑲嵌技術(shù)(damascene technique)，其中先施加介電層，然后圖形化以定義溝槽和通孔，該溝槽和通孔隨后以銅填充。銅的另一個(gè)主要缺點(diǎn)是它在二氧化硅及其它介電材料中易于擴(kuò)散的傾向。
因此有必要與銅基的金屬化一起使用所謂的阻擋材料(barriermaterial)，以基本上避免銅向外擴(kuò)散至周圍的介電材料內(nèi)，因?yàn)殂~可能會(huì)輕易遷移到敏感的半導(dǎo)體區(qū)域，從而顯著地改變其特性。由于溝槽與通孔的尺寸目前接近約0.1μm和更小的寬度或直徑以及約5或更高的通孔縱橫比(aspect ratio)，因此，使阻擋層可靠地沉積在通孔與溝槽的所有表面上并隨后基本上沒有空隙(voids)地將其以銅填充是制備現(xiàn)代集成電路中最富挑戰(zhàn)性的問題之一。
目前，形成銅基的金屬化層是通過將適當(dāng)?shù)慕殡妼訄D形化并通過諸如濺射沉積的先進(jìn)PVD技術(shù)來沉積阻擋層，例如包含鉭和/或氮化鉭。對(duì)于在具有5或甚至更高縱橫比的通孔內(nèi)沉積10至50nm的阻擋層而言，通常使用增強(qiáng)的濺射工具。該工具提供了在靶原子(target atoms)濺射離開靶之后將所期望部分的靶原子電離的可能性，由此在某種程度上可控制通孔內(nèi)的底部覆蓋率(coverage)及側(cè)壁覆蓋率。之后，將銅填入通孔與溝槽內(nèi)，其中已證實(shí)電鍍(electroplating)是可行的過程技術(shù)，因?yàn)橥珻VD和PVD的速率相比，在所謂的由下至上的方式(bottom-upregime)中，其中以基本上無空隙的方式從底部開始填充開口，電鍍能以高沉積率填充通孔與溝槽。一般地，在電鍍金屬時(shí)，在待電鍍的表面與電鍍液(plating solution)之間必須施加外電場(chǎng)。由于用于制造半導(dǎo)體的基片可能是在限制的區(qū)域處接觸，通常是在基片的周邊處，因此不得不提供覆蓋基片及將要接收金屬的表面的導(dǎo)電層。盡管先前沉積在圖形化的電介質(zhì)上的阻擋層可作為電流分布層，然而，由于結(jié)晶性(crystallinity)、均勻性(uniformity)與附著(adhesion)特性，目前在后續(xù)電鍍過程中需要所謂的銅晶種層(seed layer)，以獲得具有所需電性能和機(jī)械性能的銅溝槽與通孔。使用同用于沉積阻擋層基本上相同的過程工具通過濺射沉積來典型地施加銅晶種層。
對(duì)于下一代器件中0.1μm及更小的通孔尺寸而言，濺射沉積具有如阻擋層及晶種層所要求的高保形度(high degree of conformity)的超薄金屬層可能會(huì)成為限制因素，因?yàn)樯鲜鱿冗M(jìn)濺射工具的覆蓋率特性在沒有顯著改變這些工具的情況下可能無法進(jìn)一步地提高，而此種改變似乎不是簡(jiǎn)單的開發(fā)。特別是晶種層的沉積可能無法通過PVD用簡(jiǎn)單的方式加以進(jìn)行，因?yàn)檫@里晶種層的均勻性——與阻擋層“僅”要求對(duì)開口內(nèi)表面的充分及完全覆蓋相反——在某種程度上會(huì)決定后續(xù)電鍍過程的均勻性。此外，當(dāng)制備適于阻擋層的超薄層膜的PVD技術(shù)用來形成晶種層時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致電阻增大，由此降低后續(xù)電鍍過程的初始沉積率。
在印刷線路板工業(yè)中，通常使用無電銅沉積在一般不導(dǎo)電的圖形化結(jié)構(gòu)上形成銅層。該無電沉積需要使電鍍液所含試劑的化學(xué)反應(yīng)主動(dòng)開始(active initiation)，以還原銅并在結(jié)構(gòu)上沉積銅層。該主動(dòng)開始可通過催化材料，或者如同目前印刷線路板中所使用的那樣通過包含膠體(colloids)的電鍍液來實(shí)現(xiàn)。雖然包含膠體的電鍍液可成功地用來涂覆具有數(shù)十微米(μm)的通孔的印刷板，但由于下列原因，該沉積方法相當(dāng)不適合復(fù)雜集成電路的金屬化層。膠狀電鍍液可能會(huì)輕易形成尺寸可能遠(yuǎn)超過所感興趣電路的特征尺寸的團(tuán)簇(clusters)。此外，電鍍銅的附著性能不符合半導(dǎo)體工業(yè)的要求，因?yàn)檫^量的銅(excess copper)通常是通過化學(xué)機(jī)械拋光加以去除的，該化學(xué)機(jī)械拋光需要銅具有高機(jī)械穩(wěn)定性以及對(duì)鄰接材料的高附著力。因此，團(tuán)簇的形成，即便其尺寸可維持在臨界水平以下，和減小的附著力一起，可能會(huì)使銅線及通孔承受更強(qiáng)的電遷移效應(yīng)，從而導(dǎo)致相應(yīng)的方法并不是所期望的。
鑒于上述情形，因此希望提供一種通過無電沉積能有效形成諸如銅和/或銅合金層的金屬層的技術(shù)，由此避免或至少減輕以上所確定問題中的一個(gè)或多個(gè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一般涉及通過無電鍍沉積在圖形化結(jié)構(gòu)上形成金屬層的改進(jìn)技術(shù)，其中通過CVD和/或PVD和/或原子層沉積(ALD)，至少在圖形化結(jié)構(gòu)的表面部分上提供催化材料，也就是，激活在電鍍液中還原欲沉積金屬的化學(xué)反應(yīng)的材料。該化學(xué)沉積的金屬層于是可作為電鍍過程的晶種層，該電鍍過程將大量金屬(bulk metal)填入圖形化結(jié)構(gòu)的溝槽與通孔內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示意性實(shí)施例，在圖形化電介質(zhì)上形成金屬層的方法包括在至少暫時(shí)包含催化材料的氣態(tài)沉積環(huán)境下，在圖形化電介質(zhì)上沉積第一材料層。將第一材料層暴露于包含待沉積金屬的離子的電鍍液，其中攙入到(incorporated)第一材料層中的催化材料使得還原金屬離子并在第一材料層上形成金屬層的反應(yīng)開始。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，形成金屬化層的方法包括通過化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積及原子層沉積中的至少一種，在圖形化結(jié)構(gòu)的表面部分上沉積催化材料。此外，通過使用電鍍液的無電鍍沉積在圖形化結(jié)構(gòu)上形成金屬層，其中催化材料使電鍍液的試劑之間的反應(yīng)開始。
根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)示意性實(shí)施例，集成電路內(nèi)的金屬化結(jié)構(gòu)包括其中形成有開口的介電層及填入開口的金屬。此外，金屬與介電層之間的至少一個(gè)界面包含鉑、鈀、銀、銅及鈷中的至少一種。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示意性實(shí)施例，集成電路內(nèi)的金屬化結(jié)構(gòu)包括其中形成有開口的介電層及填入開口的金屬。此外，在金屬與介電層之間形成阻擋層，其中金屬與阻擋層之間的至少一個(gè)界面包含鉑、鈀、銀、銅及鈷中的至少一種。


通過參照下面的說明和附圖可了解本發(fā)明，其中相同的參考數(shù)字代表相同的組件，以及其中圖1a-1c示意了根據(jù)本發(fā)明示意性實(shí)施例在不同制備階段期間的含銅金屬化結(jié)構(gòu)的橫截面圖；圖2示意了一個(gè)用于CVD或ALD的沉積工具，該沉積工具可用來形成如圖1a-1c所示的金屬化結(jié)構(gòu)；及圖3示意了一個(gè)PVD沉積工具，適當(dāng)配置該沉積工具以形成用于形成圖1a-1c所示的金屬化結(jié)構(gòu)的催化材料層。
雖然本發(fā)明易受到不同的變更和其它形式的影響，但是其特定的實(shí)施例已在圖中示例顯示并在此給予了詳細(xì)說明。然而，應(yīng)了解的是，此處對(duì)特定實(shí)施例的說明并不是要限制本發(fā)明于所公開的特定形式，相反，本發(fā)明意在涵括由隨附的權(quán)利要求所界定的落在本發(fā)明精神和范圍之內(nèi)的所有變更、等效及選擇。
具體實(shí)施例方式
下面說明本發(fā)明的示意性實(shí)施例。為了清楚起見，本說明書并未將實(shí)際實(shí)施本發(fā)明的所有特征都作了說明。當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)了解，在開發(fā)任何此種實(shí)際的實(shí)施例時(shí)，必須做出許多與實(shí)施相關(guān)的決定以達(dá)到開發(fā)者的特定目標(biāo)，諸如符合與系統(tǒng)相關(guān)和與商業(yè)相關(guān)的限制條件，而這些限制條件會(huì)隨著實(shí)施的不同而有所變化。此外，應(yīng)當(dāng)了解，這種開發(fā)努力可能是復(fù)雜而又耗時(shí)的，然而，對(duì)從本發(fā)明的公開中獲益的本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，不過是一種常規(guī)的工作。
現(xiàn)在參照附圖來說明本發(fā)明。雖然圖中的半導(dǎo)體器件的不同區(qū)域和結(jié)構(gòu)具有非常準(zhǔn)確、明顯的外形與輪廓，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員知道，實(shí)際上，這些區(qū)域和結(jié)構(gòu)并不象圖中所示的那么準(zhǔn)確。此外，相比于所制造的器件上的那些特征或區(qū)域的尺寸，圖中所畫出的種種特征和摻雜區(qū)的相對(duì)尺寸可能會(huì)被夸大或縮小。因此，附圖只是用以說明與解釋本發(fā)明的示意性實(shí)施例。應(yīng)以相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員所認(rèn)定的意義來理解和解釋本文中的詞匯與措詞。本文前后一致使用的術(shù)語和措詞并非暗示該術(shù)語或措詞的特別的定義，也就是與本領(lǐng)域的技術(shù)人員理解的普通慣用的含義所不同的定義。如果一個(gè)術(shù)語或措詞具有特別的含義，也就是不同于技術(shù)人員所理解的含義時(shí)，本說明書將會(huì)以定義的方式來清楚地闡明這樣一個(gè)特別的定義，直接且明確地提供該術(shù)語或措詞的特別的定義。
本發(fā)明是基于這樣一個(gè)概念，即通過使用諸如CVD、PVD及ALD的先進(jìn)沉積技術(shù)，可將催化材料攙入到介電層中或形成在電介質(zhì)上的阻擋層中，其中，然而，催化材料的沉積不一定要在覆蓋率與均勻性方面符合嚴(yán)格的要求，因?yàn)榕c電鍍?cè)?plating bath)相接觸的表面的微量催化材料已足以使還原反應(yīng)開始并沉積金屬。以這種方式，可產(chǎn)生高度保形的金屬層，由此避免了前述使用膠狀電鍍液的無電鍍過程的缺點(diǎn)，其中金屬層于是可作為沉積大量金屬的后續(xù)電鍍過程的晶種層。由于無電沉積的晶種層的優(yōu)異保形性與均勻性，因此同基于PVD沉積的晶種層的過程相比，可以優(yōu)異的均勻性進(jìn)行后續(xù)電鍍過程。此外，同高度復(fù)雜的先進(jìn)CVD和ALD技術(shù)相比，根據(jù)本發(fā)明的晶種層是以更高的沉積率形成的，因此縮短了形成金屬化層的總過程時(shí)間，同時(shí)高度保形的無電沉積能使器件尺寸按比例縮小至0.1μm及更小。
應(yīng)進(jìn)一步注意的是，在下列示意性實(shí)施例中，金屬化層包括銅和適當(dāng)?shù)慕殡姴牧?，諸如二氧化硅或，對(duì)于先進(jìn)半導(dǎo)體器件而言，低-k介電材料，因?yàn)橛绕涫倾~和低-k電介質(zhì)的結(jié)合似乎代表了進(jìn)一步發(fā)展集成電路的最有潛力的方式。然而，本發(fā)明的原理并不限于具有直徑約為0.1μm及更小的通孔的器件，而是可應(yīng)用于任何半導(dǎo)體器件，只要金屬層的電鍍沉積是CVD、PVD或ALD所實(shí)現(xiàn)的“干法”沉積的有潛力的替代方法。此外，本發(fā)明也可結(jié)合銅以外的金屬加以應(yīng)用，諸如銅合金、錫、鉛等。因此，不應(yīng)認(rèn)為本發(fā)明限于在此所公開的任何特定實(shí)施例，除非這些限制在隨附的權(quán)利要求中明確提出。
參考圖1a-1c、2和3，現(xiàn)在更詳細(xì)地說明本發(fā)明的另外示意性實(shí)施例。在圖1a中，金屬化結(jié)構(gòu)100包括其上形成有第一介電層102的基片101，該第一介電層102包括金屬線104，該金屬線104包括例如包含銅的金屬區(qū)103、第一阻擋層105及第二阻擋層106。金屬線104僅僅是示意性的，因?yàn)樗龛偳斗桨傅牡湫徒Y(jié)構(gòu)。然而，金屬線104可代表需要形成連接到電路元件本身的通孔或溝槽的任何電路元件。第二介電層107，例如包含二氧化硅或低-k材料，形成在第一介電層102上，其中連接到金屬區(qū)103的通孔108形成在第二介電層107內(nèi)。阻擋層109形成在介電層107上及通孔108的內(nèi)表面區(qū)域110上。阻擋層109可包括一個(gè)或多個(gè)子層，以提供所需的阻擋和附著特性。例如，阻擋層109可包括鉭層和/或氮化鉭層，具有能可靠地完全覆蓋表面區(qū)域110，特別是通孔108的底角111的厚度。
阻擋層109至少在背離表面區(qū)域110的表面部分包含催化材料112，其中選擇催化材料以便能使沉積后續(xù)金屬層的電鍍液中所含的金屬鹽與還原劑之間的化學(xué)反應(yīng)開始，其將說明如下。如果要通過無電鍍來沉積銅或銅合金，催化材料可包含鉑和/或鈀和/或銅和/或銀和/或鈷等。在某些實(shí)施例中，催化材料112可提供為阻擋層109上的基本上連續(xù)的層膜，而在其它實(shí)施例中，將微量的催化材料112攙入到阻擋層109中，以使阻擋層109的至少一個(gè)表面相對(duì)于阻擋材料而言包含約0.01或更高化學(xué)計(jì)量比(stoichiometric ratio)的催化材料112。
在另一個(gè)示意性實(shí)施例中，當(dāng)欲沉積到通孔108內(nèi)的金屬充分附著到介電層107上并且基本上不會(huì)在升高的溫度下擴(kuò)散時(shí)，阻擋層109可代表介電層或第二介電層107的表面層。例如，氮化硅相對(duì)于銅的擴(kuò)散提供優(yōu)異的阻擋性能，并且當(dāng)?shù)柘鄬?duì)較高的k所引起的寄生電容不會(huì)成為問題時(shí)，可用來作為介電擴(kuò)散阻擋物。
形成金屬化結(jié)構(gòu)100的典型工藝流程可包括下列過程。在制備第一介電層102內(nèi)的金屬線104之后，通過例如CVD沉積第二介電層107，其中在形成介電層107之前可沉積額外的蝕刻終止層(未顯示)。隨后，通過適當(dāng)?shù)墓饪膛c各向異性蝕刻技術(shù)形成通孔108。之后，通過適當(dāng)?shù)某练e技術(shù)形成阻擋層109，這將參考圖2和3更詳細(xì)地說明。
圖2示意了沉積工具200，配置該沉積工具200以通過化學(xué)氣相沉積來沉積金屬層。工具200包括具有連接到泵源(pump source)203的出口202的過程室201，調(diào)整該泵源203以積極維持過程室201內(nèi)所期望的壓力?；?04配置在淋浴頭(shower head)205下方，該淋浴頭205通過入口207連接到前體(precursor)與載氣源206。配置基片架204與過程室201，以分別在欲處理的基片上與室201內(nèi)建立所期望的溫度，由此得到基片上所需的沉積條件及室201內(nèi)適當(dāng)?shù)某练e環(huán)境。為了方便起見，并沒有顯示諸如散熱器和/或加熱器的相應(yīng)裝置。此外，淋浴頭205可包括等離子激發(fā)裝置(means)(未顯示)，以產(chǎn)生等離子增強(qiáng)CVD過程所需的等離子環(huán)境。
在操作時(shí)，將基片，諸如其上形成有圖形化介電層107的基片101，安裝在基片架204上，并操作泵源203以建立使特定的前體維持在它的蒸發(fā)狀態(tài)下所需要的壓力。例如，阻擋層109可形成為氮化鈦層，因此可從金屬有機(jī)前體沉積。在其它實(shí)施例中，阻擋層109可基本上包含氮化鉭，可通過源206提供適當(dāng)?shù)牡g前體。由于可事先確定一組給定參數(shù)的沉積率，因此可進(jìn)行沉積阻擋層109的主要阻擋材料的過程，直到達(dá)到所期望的阻擋層109厚度，特別是在底角111處。然后，將包含催化材料112的前體添加到沉積環(huán)境中，以便繼續(xù)沉積阻擋層109，同時(shí)在其表面部分?jǐn)v入催化材料。包含催化劑的前體的適當(dāng)候選物是形式為Pt(hfac)2(hexafluoroacetylacetonate platinum，六氟乙酰丙酮鉑)的絡(luò)合物，或相似的化合物，其中鉑為鈀所取代。如前所述，僅可將少量的包含催化劑的前體與包含阻擋材料的前體相混合，因?yàn)闃O微量的催化劑112已經(jīng)就可以在后續(xù)電化學(xué)過程中充分激活阻擋層109的表面。在其它實(shí)施例中，沉積阻擋層109使其具有所需厚度，之后，在適合于所使用的包含催化劑的前體的沉積環(huán)境下沉積催化材料112。由于可能不需要阻擋層109上催化材料112的連續(xù)層膜，因此在一個(gè)實(shí)施例中，催化材料112的沉積可在停止沉積阻擋層109之后立刻進(jìn)行，而不需精心清洗(purging)過程室201或甚至使用另一個(gè)沉積工具。適當(dāng)?shù)膲毫?或溫度條件可在供應(yīng)包含催化劑的前體期間建立，或可在沉積阻擋物之后且在供應(yīng)包含催化劑的前體之前加以調(diào)整。由于僅需要微量的催化劑112，因此沉積時(shí)間可在約1-10秒的范圍內(nèi)。例如，催化材料112相對(duì)于諸如阻擋層109的下面材料的表面覆蓋率約為5-15％，以及在某些實(shí)施例中約為10％，就足以在后續(xù)電鍍過程中提供所需的激活特性。選擇包含催化劑的前體的量以獲得所期望的表面覆蓋度。
在其它實(shí)施例中，催化材料112可提供為基本上連續(xù)的層膜，并因此可形成阻擋層109的表面部分。當(dāng)催化材料相對(duì)于阻擋層109上待形成的金屬顯示出優(yōu)異的附著和/或阻擋特性時(shí)，該實(shí)施例可能較為有利。
在其它實(shí)施例中，對(duì)于金屬化結(jié)構(gòu)100的不同形貌(topographies)以及常常在銅金屬線中用作阻擋層的某些阻擋材料，諸如氮化鉭，有關(guān)層膜沉積的保形性而不產(chǎn)生粒子(particles)及其電阻率的限制可能無法有效滿足。在這些情況下，原子層沉積(ALD)技術(shù)可代表較優(yōu)異的候選技術(shù)，因?yàn)樗踔聊軌蛟诟呖v橫比的通孔中生長(zhǎng)具有優(yōu)異保形性的薄膜，而基本上不產(chǎn)生任何粒子，所述粒子否則會(huì)通過CVD中所使用的反應(yīng)氣體的混雜而引起。此外，ALD與等離子增強(qiáng)ALD由于過程的數(shù)字本性(digital nature)因而能在原子尺度上控制層膜的厚度，其中每個(gè)沉積循環(huán)都需要連續(xù)提供至少兩種反應(yīng)物，所述至少兩種反應(yīng)物然后在基片表面上反應(yīng)以沉積所期望的阻擋材料，諸如氮化鉭。對(duì)于ALD過程或等離子增強(qiáng)ALD過程，原則上可使用類似于參考圖2所述的沉積工具，因此在下列說明中稱之為沉積工具200。
在第一循環(huán)期間，利用諸如氬的載氣，在適當(dāng)?shù)膲毫ο聦⒅T如TBTDET((Net2)3Ta)的氮化鉭前體供應(yīng)到基片101。之后，可進(jìn)行清洗步驟，接著供應(yīng)還原氣體，或者，在等離子增強(qiáng)ALD過程中，可通過等離子體產(chǎn)生還原自由基(radicals)。例如，可建立氫或氨等離子體以在金屬化結(jié)構(gòu)100上形成鉭層或氮化鉭層。之后，可進(jìn)行另一清洗步驟，并可重復(fù)上述序列直到獲得所期望的厚度。下一步，一旦建立了適當(dāng)?shù)某练e溫度和壓力，就可將包含催化劑的前體，諸如Pt(hfac)或Pd(hfac)，引入過程室內(nèi)。于是，在阻擋層109上形成了催化材料112的層膜，該層膜可能是或不是連續(xù)的(取決于催化劑沉積的持續(xù)時(shí)間)。
在其它實(shí)施例中，可將催化劑原子，諸如由等離子體產(chǎn)生的鉑或鈀原子，攙入到阻擋層109中，以形成后續(xù)電化學(xué)沉積銅的激活表面。在另一個(gè)實(shí)施例中，可以在存在微量的包含催化劑的前體時(shí)進(jìn)行最終沉積循環(huán)中的一個(gè)或多個(gè)，導(dǎo)致上面所指定的表面覆蓋率，由此將極微量的催化劑112攙入到層膜109中，而不顯著地影響層膜109的沉積動(dòng)力學(xué)以及阻擋特性。例如，可在供應(yīng)阻擋物前體期間和/或在供應(yīng)還原劑期間和/或在間歇進(jìn)行的清洗步驟期間，添加微量的包含催化劑的前體。因此，除了額外供應(yīng)少量的包含催化劑的前體氣體之外，可選擇過程參數(shù)來進(jìn)行沉積阻擋層109的過程，以獲得較優(yōu)異的過程性能和/或阻擋層109的增強(qiáng)特性。攙入催化劑的沉積時(shí)間可從約10-30秒變化。
參考圖3將說明其它實(shí)施例，其中通過諸如濺射沉積的物理氣相沉積(PVD)來形成阻擋層109與催化材料。在圖3中，濺射沉積工具300包括過程室301，該過程室301包括連接到適當(dāng)泵源(未顯示)的出口302和連接到前體氣體與載氣源(未顯示)的入口307?；?04配置在電離裝置303的下游，配置該電離裝置303以電離原子并將它們導(dǎo)向安裝在基片架304上的基片，該基片架304電連接到接地電位。等離子激發(fā)裝置306位于濺射靶305附近，在一個(gè)實(shí)施例中，該濺射靶305包含諸如鉭的阻擋材料的組分(component)308，其中諸如鉑、鈀等的催化材料309分布在那里。阻擋材料308與催化劑309之間的比率可從約100∶5變化。至少在靶305的表面部分，催化劑309可基本上均勻地分布，其中術(shù)語“均勻分布”涉及靶305的整體規(guī)模并用來描述催化劑原子基本上均勻的釋出(release)，也就是，對(duì)于濺射工具300一組給定的操作條件而言，基本上恒定數(shù)目的催化劑原子濺射離開靶305。因此，只要濺射率對(duì)于給定的工具操作條件而言基本上是恒定的，就可連續(xù)地或以離散的量來提供催化材料309，其中對(duì)于給定工具操作條件而言，催化劑原子在沉積環(huán)境中所占的分?jǐn)?shù)由靶305中的阻擋材料308與催化材料309的比率所確定。
在其它實(shí)施例中，靶305可由包含阻擋材料308的一個(gè)或多個(gè)部分和包含催化材料309的一個(gè)或多個(gè)部分形成，其中一個(gè)或多個(gè)阻擋材料部分308和一個(gè)或多個(gè)催化劑部分309的表面積比率基本上確定了通過轟擊靶305所釋出的濺射原子的比率。在一個(gè)實(shí)施例中，可將催化劑材料309配置在基本上為圓盤形的靶305的周邊，并可操作可能結(jié)合有磁鐵配件(magnet assembly)(未顯示)的等離子激發(fā)裝置306，以調(diào)整擊中靶305周邊的粒子量，由此控制所釋出的催化劑材料309的量。在另一個(gè)實(shí)施例中，靶305可包括可控的屏蔽物(未顯示)，用以覆蓋催化材料309的一個(gè)或多個(gè)部分，從而調(diào)整所釋出的催化原子的量。
應(yīng)了解，沉積工具300僅為示意性質(zhì)，因此可使用任何其它適當(dāng)?shù)臑R射工具。例如，可用中空的陰極構(gòu)造來配備某些常規(guī)的工具，其中形成該陰極，也就是靶，以獲得接近基片架304的原子和離子的高瞄準(zhǔn)度(high degree of collimating)。在其它工具中，可將任何類型的瞄準(zhǔn)儀配置在靶305和基片架304之間，以使靶離子基本上垂直地撞擊到基片上，如同具有高縱橫比通孔與溝槽的電路形貌所需的那樣。在這些工具中，可將催化材料309又或改為(additionally or instead)提供在瞄準(zhǔn)儀上，由此簡(jiǎn)化了靶305的構(gòu)造，因?yàn)榘?05所需要的催化材料309更少或甚至沒有。在其它濺射工具中，可將阻擋材料308與催化材料309涂在相應(yīng)的線圈上以產(chǎn)生等離子體。關(guān)于催化材料309的配置，可應(yīng)用上面參考圖3所示的靶305所給出的相同準(zhǔn)則。
在操作期間，調(diào)整過程參數(shù)，諸如供應(yīng)到等離子激發(fā)裝置306的功率、供應(yīng)到電離裝置303的功率、室301中的壓力等，以獲得具有所需方向性的靶離子和/或原子轟擊。由于根據(jù)一個(gè)或多個(gè)上述實(shí)施例的催化材料309的配置，因此特定百分率的該催化材料也出現(xiàn)在包圍基片架304的環(huán)境中，因而也出現(xiàn)在包圍放置在其上的諸如基片101的基片的環(huán)境中。所以，也沉積了催化材料309并攙入到阻擋層109中，從而形成部分112，在某些實(shí)施例中，部分112可基本上均勻地分布在阻擋層109的整體厚度中。
在其它實(shí)施例中，如上所述，可通過例如暫時(shí)遮蔽靶305的一個(gè)或多個(gè)包含催化劑的部分來控制催化材料309的釋出。因此，可在沉積過程的最后階段期間有利地沉積催化材料309，以便阻擋層109中的催化材料112基本上形成在它的表面區(qū)域，由此提供所需的催化性能，而不過度影響阻擋層109的整體特性。
在另一個(gè)實(shí)施例中，可在例如包含氮的適當(dāng)前體氣體存在時(shí)沉積阻擋層109，以便在阻擋層109中形成氮化物層或氮化物子層。同樣地，可一直(permanently)或在最后階段期間添加包含催化劑材料309的適當(dāng)前體氣體，諸如表面積增加的類似多孔態(tài)的鉑、鈀、銀、銅、鈷，以攙入催化劑309并在阻擋層109中形成部分112?？赏ㄟ^添加到室301沉積環(huán)境中的包含催化劑的前體的量，也就是流速，和/或供應(yīng)包含催化劑的前體的持續(xù)時(shí)間，來控制攙入到阻擋層109中的催化劑309的量。在一個(gè)實(shí)施例中，在沉積催化劑309期間，可用約10-100sccm的流速來添加包含鉑或鈀的hfac絡(luò)合物，對(duì)于類似CVD的過程，時(shí)間持續(xù)在約2-10秒的范圍內(nèi)，而對(duì)于類似ALD的過程，時(shí)間持續(xù)在約10-30秒的范圍內(nèi)，其中維持室301中的壓力遠(yuǎn)低于約0.15Torr的包含催化劑的前體的蒸氣壓。在一個(gè)實(shí)施例中，利用成熟的過程參數(shù)來進(jìn)行阻擋層109的沉積，直到獲得所期望的成分和厚度，以確保阻擋層109的所需特性和質(zhì)量。之后，添加包含催化劑的前體，以基本上在阻擋層109的表面形成部分112，由此保持層膜109的阻擋特性。
應(yīng)注意，本發(fā)明并不限于以鉭層、鈦層、氮化鉭層或氮化鈦層作為阻擋層109，而是可應(yīng)用于目前與將來金屬化結(jié)構(gòu)所需要的任何適當(dāng)?shù)膶幽せ驅(qū)幽ざ询B。然后可根據(jù)所考慮的沉積過程，來使用包含催化劑的適當(dāng)濺射靶和/或包含催化劑的適當(dāng)前體。在某些情況下，取決于阻擋層堆疊的復(fù)雜性，可能方便或需要將阻擋層109的沉積分成兩個(gè)或更多個(gè)沉積步驟，以至于只需要使最后的沉積步驟適合于將催化材料添加到阻擋層109即可。在其它實(shí)施例中，將催化材料的沉積作為相應(yīng)形成序列的最后步驟被認(rèn)為是適當(dāng)?shù)?，該形成序列包括用于形成阻擋?09的一或多個(gè)步驟，該阻擋層109基本上在表面區(qū)域中包含催化材料112。在一個(gè)特定的實(shí)施例中，沉積催化材料以形成催化部分112的最后步驟是在與形成阻擋層109或其一部分的先前步驟相同的過程室中進(jìn)行的，而不需破壞真空。例如，當(dāng)沉積室包括等離子激發(fā)裝置時(shí)，對(duì)于濺射沉積、等離子增強(qiáng)CVD及等離子增強(qiáng)ALD通常是這種情況，可建立包含催化劑的等離子環(huán)境，并且阻擋層109可由催化劑而“摻雜”，其中，例如，可通過等離子特性及施加到等離子體與基片之間的偏壓來控制催化劑離子的量和/或穿透深度(penetrationdepth)。用這種方法，可將所期望量的催化劑攙入到阻擋層109中可控的深度，這對(duì)于具有10nm或甚至更小的阻擋層厚度的高度復(fù)雜的金屬化結(jié)構(gòu)可能是有利的。通過控制所攙入的催化劑的量和/或深度，層膜109的阻擋與附著性能可基本上不受負(fù)面影響。
取決于形成阻擋層109的過程序列，在某些實(shí)施例中，可能適于結(jié)合兩個(gè)或更多個(gè)上述沉積技術(shù)，也就是，CVD、ALD及PVD，其中，在這些技術(shù)的一個(gè)或多個(gè)中，可用如上所述的方式形成催化部分112。
參考圖1b，金屬化結(jié)構(gòu)100包括金屬層113，諸如銅層，在一個(gè)特定實(shí)施例中，該金屬層113作為后續(xù)沉積過程的晶種層。通過將金屬化結(jié)構(gòu)100暴露于包含欲沉積金屬的鹽及還原劑的電解液浴(electrolyte bath)(未顯示)，而用無電沉積形成金屬層113。例如，對(duì)于銅層，可使用任何目前可用及認(rèn)可的浴液成分，諸如銅、EDTANaOH和HCHO，或是銅、酒石酸鉀鈉(KNa tartrate)、NaOH、HCHO。由于阻擋層109中的催化部分112，所以沉積反應(yīng)自動(dòng)開始并導(dǎo)致具有優(yōu)異結(jié)晶度的高度均勻的金屬沉積?？赏ㄟ^調(diào)整金屬化結(jié)構(gòu)100暴露于電解液浴的持續(xù)時(shí)間而輕易地控制金屬層113的厚度。相比于用來形成例如高縱橫比通導(dǎo)孔中的銅晶種層的常規(guī)沉積方法，諸如濺射沉積或CVD，通過無電鍍可獲得顯著更高的沉積率，同時(shí)仍提供濺射沉積幾乎難以達(dá)到的保形度。
為了最優(yōu)化金屬層113的形成過程，可進(jìn)行多次試運(yùn)轉(zhuǎn)以確定阻擋層109中催化劑材料112的適當(dāng)?shù)牧亢皖愋?，該適當(dāng)?shù)牧亢皖愋湍軐?dǎo)致具有所期望的金屬層113保形度和質(zhì)量的快速反應(yīng)。例如，如參考圖1a所指定的層膜109中鉑和阻擋材料的比率，使得能在直徑為0.1μm及更小和深度為1μm及甚至更大的通孔內(nèi)部，在約5-20秒的時(shí)間段內(nèi)，形成厚度在約2-50nm范圍內(nèi)的銅層。
圖1c示意了通過金屬電鍍填充通孔108，由此在結(jié)構(gòu)100的上部形成過量金屬層114之后的金屬化結(jié)構(gòu)100?？赏ㄟ^成熟的“由下至上”的電鍍沉積技術(shù)來實(shí)現(xiàn)金屬填充過程，其中金屬化結(jié)構(gòu)100插入在可包含適當(dāng)添加劑的電鍍?cè)?未顯示)中，以確保金屬的高度不保形沉積在通孔108中基本上沒有空隙和接縫。由于層膜113所提供的基本上均勻的厚度和由此得到的電流分布，因此，作為晶種層的金屬層113甚至可以提高電鍍過程的填充能力。接著可通過任何適當(dāng)?shù)倪^程，諸如CMP，來去除過量金屬層114，其中，由于同通過濺射沉積在高縱橫比通孔中所形成的晶種層相比，金屬層113的特性改進(jìn)了，因此填入通孔108內(nèi)的金屬的機(jī)械穩(wěn)定性可展現(xiàn)出與不用電化學(xué)形成晶種層的常規(guī)金屬化序列基本上相同的質(zhì)量，或甚至可顯示出較優(yōu)異的穩(wěn)定性。如前所述，可調(diào)整阻擋層109中催化層部分112的形成，以便在CMP過程及任何后續(xù)過程步驟期間基本上不會(huì)減損阻擋層109的附著性能。
盡管上述示意性實(shí)施例涉及通過用金屬層113作為晶種層的電鍍過程來形成金屬化結(jié)構(gòu)，由于電鍍過程中成熟的“由下至上”的技術(shù)，因此特別有利于具有尺寸在深亞微米級(jí)別特征的先進(jìn)微結(jié)構(gòu)，但是應(yīng)了解，也可通過無電沉積來形成金屬層114，其中，層膜113可在第一沉積步驟期間或在填充通孔108的單一沉積步驟的第一階段期間形成，特別是當(dāng)金屬化結(jié)構(gòu)100的形貌較不重要時(shí)。
上面所公開的特定的實(shí)施例僅僅用于示意，因?yàn)榭梢杂貌煌值刃У姆绞絹硇薷暮蛯?shí)施本發(fā)明，而這些方式對(duì)于已從本說明中獲益的本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言是顯而易見的。例如，上面提出的過程步驟可以用不同的順序來進(jìn)行。另外，除了下面的權(quán)利要求中說明的之外，并不欲對(duì)其中所示的構(gòu)建或設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)作限制。因此，很明顯，可以改變或修改上面所公開的特定的實(shí)施例，而所有此等變化都被認(rèn)為是在本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)。因此，在此尋求如下面的權(quán)利要求的保護(hù)。
權(quán)利要求
1.一種在形成在基片上的圖形化電介質(zhì)107上形成金屬層的方法，所述方法包括在至少暫時(shí)包含催化材料112的氣態(tài)沉積環(huán)境下，在所述圖形化電介質(zhì)上沉積第一材料層109；及將所述第一材料層109暴露于包含欲沉積金屬的離子的電鍍液，其中，攙入到所述第一材料層109中的所述催化材料112使得還原金屬離子并在所述第一材料層上形成金屬層的反應(yīng)開始。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述催化材料112包含鉑、鈀、銀、銅和鈷中的至少一種。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，沉積所述第一材料層109包括通過使所述第一材料的原子以及，至少暫時(shí)地，催化劑的原子濺射離開靶來建立所述氣態(tài)沉積環(huán)境。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述催化材料112基本上均勻地分布在所述靶中。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述催化材料112提供在所述靶的一個(gè)或多個(gè)不同部分上。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，沉積所述第一材料層109包括通過使所述第一材料的原子濺射離開靶并供應(yīng)包含所述催化材料的前體，來建立所述氣態(tài)沉積環(huán)境。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括調(diào)整所述氣態(tài)沉積環(huán)境中所述第一材料與所述催化材料的原子比率。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，沉積所述第一材料層包括通過供應(yīng)一種或多種前體氣體來建立所述氣態(tài)沉積環(huán)境，所述前體氣體中的至少一種包含所述催化材料。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，進(jìn)一步包括通過控制供應(yīng)所述包含催化材料的前體氣體的流速和持續(xù)時(shí)間中的至少一項(xiàng)，來控制攙入到所述第一材料層中的催化材料112的量。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述包含催化材料112的前體氣體是在沉積了預(yù)定厚度的所述第一材料層109之后供應(yīng)的。
11.如權(quán)利要求6或9所述的方法，其中，所述包含催化材料的前體氣體是在停止沉積所述第一材料層之后供應(yīng)的。
12.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，用數(shù)字控制方式連續(xù)供應(yīng)至少兩種不同的前體氣體，來沉積所述第一材料層。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一材料層109包括阻擋層，所述阻擋層基本上防止所述金屬擴(kuò)散到由所述阻擋層所覆蓋的基片部分內(nèi)。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括通過電鍍?cè)谒鼋饘賹由闲纬傻诙饘賹?，其中所述金屬層作為晶種層。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述金屬層包含銅。
全文摘要
通過電鍍過程可在下面材料的表面區(qū)域上形成金屬層，由于在沉積下面材料期間通過CVD、PVD或ALD至少部分地沉積或攙入催化劑，所以該電鍍過程被催化激活。用這種方法，在金屬化結(jié)構(gòu)的高縱橫比通孔中可形成優(yōu)異的金屬晶種層。
文檔編號(hào)H01L21/288GK1742368SQ200380109159
公開日2006年3月1日 申請(qǐng)日期2003年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月23日
發(fā)明者M·諾珀, A·普羅伊塞 申請(qǐng)人:先進(jìn)微裝置公司