專利名稱：包括通孔的結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總地涉及集成電路(IC)芯片制造，更特別地，涉及在銅布線和 介電層無襯界面處具有難熔金屬環(huán)的包括通孔的結(jié)構(gòu)及相關(guān)方法。
背景技術(shù)：
在集成電路芯片制造工業(yè)中，電遷移(electromigration， EM )導(dǎo)致的故 障是高級線后端(back end of line)技術(shù)的主要關(guān)注點。特別地，早期電遷 移導(dǎo)致的故障顯著減小產(chǎn)品芯片在操作條件下的預(yù)期電流限制。 一種電遷移 導(dǎo)致的故障是"線損耗(line-depletion )"。如圖1A-1C所示，線損耗電遷移 包括從向上延伸的通孔10向下流入下面的金屬布線12的電流。當(dāng)電流流動 時，原子移動造成"狹縫空缺(slitvoid)"故障14 (圖1C)，其例如始于通 孔IO與無襯界面18之間的位點(site) 16 (圖IB),無襯界面18在金屬線 12與其上的介電層20之間。眾所周知，該狹縫空缺會在電路運行期間在電 遷移條件下造成非常早的故障，因為不用多長時間就可形成這樣的小空缺。 圖IA和IB中的箭頭顯示了電遷移流的方向(例如電遷移期間的原子流)。 一般地，狹縫空缺故障14 (圖1C)在通孔10與金屬布線12之間的界面附 近的缺陷位點16 (圖IB )開始(或成核)，且生長到通孔10的底部22，直 到它延伸在整個界面上且造成電開口 24,如圖1C所示。狹縫空缺故障14 出現(xiàn)在有(如圖所示)或沒有通孔刨槽(via gouging)(即通孔IO延伸到金 屬線12中)的結(jié)構(gòu)中。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)及相關(guān)方法，該結(jié)構(gòu)包括在金屬布線和介電層的無 襯界面處的難熔金屬環(huán)(collar)。在一實施例中， 一結(jié)構(gòu)包括與其上的介 電層具有無襯界面的銅布線；通孔，從該銅布線向上延伸穿過該介電層；以 及難熔金屬環(huán)，從該通孔的側(cè)面部分沿著該無襯界面延伸。難熔金屬環(huán)通過 改善通孔周圍的界面來防止電遷移造成的狹縫空缺，并防止空缺成核出現(xiàn)在通孔附近。另外，在通孔和介電層無襯界面附近存在空缺時，難熔金屬環(huán)提 供電冗余。本發(fā)明的第一方面提供一種結(jié)構(gòu)，包括與其上的介電層具有無襯界面 的銅布線；通孔，從該銅布線向上延伸穿過該介電層；以及難熔金屬環(huán)，從 該通孔的側(cè)面部分沿著該無襯界面延伸。本發(fā)明的第二方面提供一種方法，包括提供銅布線于第一介電層中； 在該銅布線上形成第二介電層，以在該銅布線和該第二介電層之間形成無襯 界面；形成開口貫穿該第二介電層且到該銅布線中；在該第二介電層下從該開口產(chǎn)生底切(undercut);形成難熔金屬環(huán)于該底切中；以及用金屬填充該 開口以形成通孔。本發(fā)明的第三方面提供一種結(jié)構(gòu)，包括與其上的介電層具有無襯界面 的銅布線；通孑L，從該銅布線向上延伸穿過該介電層，該通孑L包括在該銅布 線中的基本截頭圓錐形的部分；在該通孔周圍的第一襯墊，該第一襯墊包括 難熔金屬；以及難熔金屬環(huán)，從該通孔的側(cè)面部分沿著該無襯界面延伸。本發(fā)明的示例性方面用于解決這里描述的問題和/或未論述的其他問題。


本發(fā)明的這些和其他特征將從下面結(jié)合附圖對本發(fā)明各方面的詳細(xì)描 述變得更易于理解，附圖示出本發(fā)明的各實施例，附圖中圖1A-1C示出其中電遷移導(dǎo)致故障的常規(guī)通孔和金屬布線界面； 圖2示出根據(jù)本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)。 圖3-7示出形成圖2結(jié)構(gòu)的方法。注意，本發(fā)明的附圖不是按比例的。該附圖僅意在表現(xiàn)本發(fā)明的一般方 面，因此不應(yīng)認(rèn)為是對本發(fā)明的范圍的限定。在附圖中，類似的附圖標(biāo)記代 表類似的元件。
具體實施方式
圖2示出根據(jù)本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)100。結(jié)構(gòu)100包括通孔110，其從 金屬布線112 (例如銅)向上延伸穿過介電層120。在一實施例中，通孔IIO 包括在金屬布線112中的基本截頭圓錐形的部分122。但是，本發(fā)明的教導(dǎo) 不限于此類通孔。金屬布線112位于另一介電層124中，且包括在金屬布線112和介電層124之間的襯墊(liner) 126。襯墊126可包括任意現(xiàn)在已知的 或?qū)黹_發(fā)的金屬擴散阻擋材料，例如鉭、氮化鉭、鈦、氮化鈦、鎢、氮化 鎢、釕、氮化釕等。但是需要注意的是，襯墊126僅沿著金屬布線112的底 部128和側(cè)面130將金屬布線112和介電層124分隔開。因此，金屬布線112 包括與其上的介電層120的無襯界面118。介電層120包括與金屬布線112形成無襯界面118的阻擋層132、以及 在阻擋層132上的層間電介質(zhì)134。阻擋層132可包括任意現(xiàn)在已知的或?qū)?來開發(fā)的介電阻擋層，諸如碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3Nj、 二氧化硅(Si()2)、 氮或氫摻雜的碳化硅(SiC(N，H))等。層間電介質(zhì)134可包括任意現(xiàn)在已知 的或?qū)黹_發(fā)的多孔或非多孔層間電介質(zhì)材料，諸如硅氧化物，硅氮化物， 氫化碳氧化硅(SiCOH ),倍半硅氧烷(silsesquioxane ),包含硅、碳、氧、 和/或氫原子的碳4參雜氧化物(即有積i硅酸酯)，熱固性聚芳醚(polyarylene ether )， SiLK (可從Dow Chemical Corporation得到的聚芳醚)，JSR (可從 JSR Corporation得到的旋涂含硅碳聚合物材料)，其它低介電常數(shù)(< 3.9) 材料，或其層。結(jié)構(gòu)100還包括難熔金屬環(huán)140，其從通孔110的側(cè)面142部分沿著無 襯界面118延伸。另外，第一襯墊144可形成于通孔110周圍，第一襯墊144 包括相同的難熔金屬。在一實施例中，該難熔金屬包括釕，但是，其它難熔 金屬諸如鉭(Ta)、鈦(Ti)、鎮(zhèn)(W)、銥(Ir)、銠(Rh)、鈾(Pt)等或其 混合物也可被采用。通孔IIO還可包括在通孔周圍的第二襯墊146，其中第 二襯墊146包括至少一金屬擴散阻擋層150 (即襯墊)和為形成通孔110的 金屬158做種的金屬籽層152。在一實施例中，金屬158包括銅，但是，其 它金屬諸如銅合金、鋁(Al)、鋁合金、銀(Ag)等可被采用。金屬擴散阻 擋層(或多層)150可包括例如鉭/氮化鉭、鈦/氮化鈦、鴒/氮化鴒、釕/氮化 釕等。當(dāng)金屬158是銅時，金屬籽層152可包括銅(Cu)或其它合金材料， 例如銅、銅鋁合金、以及其它銅合金諸如銅銥、銅鎳、和/或銅釕。難熔金屬環(huán)140和金屬布線112界面有一慢電遷移路徑，其中電遷移流 (即電遷移期間的原子流)被迫向下至金屬布線112中(如箭頭所示)而不 是聚集在無襯界面118附近(如圖1A-1B所示)。特別地，由于界面處的粘 合相較于金屬和電介質(zhì)基阻擋層132材料間的粘合有很大的提高，因此金屬 布線112 (例如銅)和難熔金屬環(huán)140之間的界面對電遷移導(dǎo)致的空缺形成有很強的抵抗性。因此，在通孔110周圍的無襯界面118處的局部電遷移流大大減少。另外，由于難熔金屬環(huán)140只形成于通孔110周圍，而不是直接 在通孔IIO和金屬線112接觸處的下方，所以通孔接觸電阻不受該特征影響。 即使空缺形成于通孔110之下，通孔IIO周圍的難熔金屬環(huán)140也用作冗余 導(dǎo)電路徑，因此防止結(jié)構(gòu)100電斷開。結(jié)構(gòu)IOO還減少了熱循環(huán)故障。熱循環(huán)測試是反映產(chǎn)品經(jīng)歷的溫度偏移 的必要的可靠性試驗。由于金屬和它周圍電介質(zhì)(或多種電介質(zhì))之間的熱 膨脹不匹配，故障或裂紋會發(fā)生在通孔和金屬布線界面處，導(dǎo)致電斷開。難 熔金屬環(huán)140 (機械上遠(yuǎn)強于銅)用作錨(anchor)以防止通孔110在應(yīng)力 下拉出金屬布線112。下面將結(jié)合圖3-7描述形成結(jié)構(gòu)100 (圖2)的方法的實施例。要理解 的是，多種方法可被采用，下面是一個示例。在圖3中，使用任意現(xiàn)在已知 的或?qū)黹_發(fā)的技術(shù)將金屬布線112設(shè)置在介電層124中。例如，將介電層 124沉積在基板(未顯示)上，圖案化(包括光刻) 一掩膜(未顯示)，蝕刻 該掩膜，蝕刻一開口，沉積襯墊126，沉積一金屬(布線112)，以及化學(xué)機 械拋光(CMP)。如前所指，襯墊126僅沿著金屬布線112的底部128和側(cè) 面130將金屬布線112和介電層124分隔開。圖3還示出在金屬布線112 (和介電層124)上方形成介電層120以形 成金屬布線112和介電層124之間的無襯界面118。如前所指，介電層120 可包括與金屬布線112形成無襯界面118的介電阻擋層132 (例如氮化硅)、 以及位于介電阻擋層132之上的層間電介質(zhì)134 (例如SiCOH)。圖3還示 出形成穿過介電層134和介電阻擋層132到金屬布線112的開口 160。盡管 開口 160示出為使用雙鑲嵌工藝形成，但是需要理解的是，可以使用單個通 孔開口 (單鑲嵌工藝)。如果需要，開口 160還可延伸到金屬布線112中。圖4示出將開口160延伸到金屬布線112中的可選工藝即氣體濺射工藝。 在該濺射工藝中使用的氣體可包括氬(Ar)、氦(He)、氖(Ne)、氮(Xe)、 氮(N2)、氫(H2)、氨(NH3)、 二氮烯(N2H2)、或其混合物中的一種，優(yōu) 選地包括氬?；窘仡^圓錐形的開口 162產(chǎn)生在金屬布線112中。圖5示出在介電層120下(即在介電阻擋層132下)從開口 160制作底 切164。在一實施例中，制作底切可包括進行各向異性濕法/干法蝕刻。圖6示出例如通過原子層沉積(ALD)和/或化學(xué)氣相沉積(CVD)在底切164(圖5)中形成難熔金屬環(huán)140。如前所指，難熔金屬可包括鉭(Ta)、 鈦(Ti)、鴒(W)、釕(Ru)、銥(Ir)、銠(Rh)和/或鉑(Pt)等，或其混 合物。圖6還示出在用金屬填充開口 160 (圖2)之前在開口 160內(nèi)形成第 一村墊144。在該情況下，第一襯墊144可包括用于難熔金屬環(huán)140的難熔金屬。圖7示出在用金屬填充開口 160之前在開口 160內(nèi)形成第二襯墊146。 如前所指，第二襯墊146可包括至少一金屬擴散阻擋層150 (即襯墊)和金 屬籽層152。如前所指，金屬擴散阻擋層(或多層)150可包括例如鉭/氮化 鉭、鈦/氮化鈦、鎢/氮化鎢、釕/氮化釕等。又如前所指，當(dāng)金屬158(圖2) 是銅時，金屬籽層152可包括例如銅，銅鋁合金，以及其它銅合金諸如銅銥、 銅鎳、和/或銅釕?；氐綀D2，用金屬158例如諸如銅的金屬填充開口 160 (圖7)以形成通 孔110，以及任何必需的平坦化完成結(jié)構(gòu)100。需要理解的是，本發(fā)明的教 導(dǎo)可在IC芯片的層級內(nèi)重復(fù)多次，且可對于IC芯片的不同層級重復(fù)多次。上述結(jié)構(gòu)和方法用于集成電路芯片的制造。所得集成電路芯片可由制造 者以原始晶片(rawwafer)形式(即作為具有多個未封裝芯片的單個晶片) 作為棵芯片分發(fā)，或以封裝形式分發(fā)。在后一情況中，該芯片安裝在單芯片 封裝中(諸如塑料載具，用連接到主板(motherboard)或其它更高級別載具 的引線)，或安裝在多芯片封裝中(諸如具有任一表面互聯(lián)或兩表面互連、 或者埋設(shè)互連的陶瓷載具)。在任何情況中，芯片又與其它芯片、離散電路 元件、和/或其它信號處理裝置集成，作為(a)中間產(chǎn)品諸如主板或(b)最 終產(chǎn)品的一部分。最終產(chǎn)品可以是包括集成電路芯片的任意產(chǎn)品，涵蓋從玩 具和其他低端應(yīng)用到具有顯示器、鍵盤或其它輸入設(shè)備、以及中央處理器的 高級計算機產(chǎn)品。前面對本發(fā)明各方面的描述是用于示例和說明，其無意詳盡本發(fā)明或?qū)?本發(fā)明限制到所公開的精確形式，顯然地，許多修改或變型是可行的。這樣 的修改和變型，其對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯然的，意在被包括在所附權(quán)利 要求定義的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種結(jié)構(gòu)，包括金屬布線，與其上的介電層具有無襯界面；通孔，從該金屬布線向上延伸穿過該介電層；以及難熔金屬環(huán)，從該通孔的側(cè)面部分沿著該無襯界面延伸。
2. 如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中該通孔包括在該金屬布線中的基本截 頭圓錐形的部分。
3. 如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中該難熔金屬環(huán)包括選自由鉭(Ta)、 鈦(Ti)、鴒(W)、釕(Ru)、 4衣(Ir)、銠(Rh)和柏(Pt)中的至少一種 構(gòu)成的組的材料。
4. 如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，還包括在該通孔周圍的第一襯墊，該第一 襯墊包括該難熔金屬。
5. 如權(quán)利要求4所述的結(jié)構(gòu)，還包括在該通孔周圍形成第二襯墊，該第 二襯墊包括至少一金屬擴散阻擋層和金屬籽層。
6. 如權(quán)利要求5所述的結(jié)構(gòu)，其中該至少一金屬擴散阻擋層選自包括 鉭、氮化鉭、鈦、氮化鈦、鴒、氮化鴒、釕、以及氮化釕的組。
7. 如權(quán)利要求5所述的結(jié)構(gòu)，其中該金屬布線包括銅，該金屬籽層選自 包括銅、銅鋁、銅銥、銅鎳、以及銅釕中的至少一種的組。
8. 如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中該金屬布線位于另一介電層中，且還 包括在該金屬布線和該另 一介電層之間的襯墊。
9. 如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中該介電層包括與該金屬布線形成無襯 界面的阻擋層、以及在該阻擋層上方的層間電介質(zhì)。
10. —種方法，包括 設(shè)置金屬布線于第一介電層中；在該金屬布線上形成第二介電層以在該金屬布線和該第二介電層之間 形成無襯界面；形成穿過該第二介電層且到該金屬布線中的開口 ； 在該第二介電層下從該開口制作底切；形成難熔金屬環(huán)于該底切中；以及用金屬填充該開口以形成通孔。
11. 如權(quán)利要求IO所述的方法，其中所述設(shè)置包括僅沿該金屬布線的底 部和側(cè)面設(shè)置襯墊于該金屬布線和該第一介電層之間。
12. 如權(quán)利要求IO所述的方法，其中所述形成開口包括進行鑲嵌工藝以在該第 一介電層中形成所述開口 ，且進行氣體濺射工藝以將該開口延伸到該 金屬布線中。
13. 如權(quán)利要求IO所述的方法，其中所述制作底切包括進行各向異性濕 法/干法蝕刻。
14. 如權(quán)利要求IO所述的方法，還包括在所述填充之前形成第一襯墊于 該開口中，該第一襯墊包括該難熔金屬。
15. 如權(quán)利要求14所述的方法，還包括在所述填充之前形成第二襯墊于 該開口中，該第二襯墊包括至少一金屬擴散阻擋層和金屬籽層。
16. 如權(quán)利要求15所述的方法，其中該至少一金屬擴散阻擋層選自包括 鉭、氮化^旦、鈦、氮化鈦、鴒、氮化鉤、釕、以及氮化釕的組。
17. 如權(quán)利要求15所述的方法，其中該金屬布線包括銅，該金屬籽層選 自包括銅、銅鋁、銅銥、銅鎳、以及銅釕中的至少一種的組。
18. —種結(jié)構(gòu)，包括銅布線，與其上的介電層具有無襯界面；通孔，從該銅布線向上延伸穿過該介電層，該通孔包括在該銅布線中的 基本截頭圓錐形的部分；在該通孔周圍的第一襯墊，該第一襯墊包括難熔金屬；以及 難熔金屬環(huán)，從該通孔的側(cè)面部分沿該無襯界面延伸。
19. 如權(quán)利要求18所述的結(jié)構(gòu)，其中該難熔金屬環(huán)包括選自由鉭(Ta)、 鈦(Ti)、鴒(W)、釕(Ru)、銥(Ir)、銠(Rh)和柏(Pt)中的至少一種 構(gòu)成的組的材料。
20. 如權(quán)利要求18所述的結(jié)構(gòu)，其中該介電層包括與該銅布線形成該無 襯界面的阻擋層、以及在該阻擋層上方的層間電介質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)及相關(guān)方法，該結(jié)構(gòu)包括在銅布線和介電層的無襯界面處的難熔金屬環(huán)。在一實施例中，一結(jié)構(gòu)包括銅布線，與其上的介電層具有無襯界面；通孔，從該銅布線向上延伸穿過該介電層；以及難熔金屬環(huán)，從該通孔的側(cè)面部分沿該無襯界面延伸。難熔金屬環(huán)通過改善通孔周圍的界面來防止電遷移造成的狹縫空缺，并防止空缺成核出現(xiàn)在通孔附近。另外，在通孔和介電層無襯界面附近存在空缺時，難熔金屬環(huán)提供電冗余。
文檔編號H01L23/522GK101257000SQ200810074179
公開日2008年9月3日 申請日期2008年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月27日
發(fā)明者丹尼爾·C·埃德爾斯坦, 楊智超, 王允愈, 王平川, 野上毅 申請人:國際商業(yè)機器公司