專利名稱：用于互連結(jié)構(gòu)的含氮金屬帽的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
在典型的互連結(jié)構(gòu)中，金屬過孔(via)與半導(dǎo)體村底垂直 并且金屬線與半導(dǎo)體襯底平行。在今天的IC產(chǎn)品芯片中，通過在具 有低于4.0的介電常數(shù)的介電材料中嵌入金屬線和金屬過孔(如導(dǎo)電 件)實現(xiàn)信號速度的進一步增強以及在相鄰的金屬線中信號(被稱為 "串?dāng)_")的減弱。[0005在半導(dǎo)體互連結(jié)構(gòu)中，電遷移(EM)已經(jīng)被確定為一種 金屬失效機理。電遷移是由于傳導(dǎo)電子和擴散金屬原子之間的動量傳 遞使得導(dǎo)體中由離子逐漸移動而引起的材料輸運。該效應(yīng)在使用高直 流密度的應(yīng)用中(例如在微電子學(xué)及相關(guān)的結(jié)構(gòu)中)是重要的。隨著 結(jié)構(gòu)尺寸減小，EM的實際重要性增加?！愕卣f，本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)包括
介電常數(shù)為約3.0或更小的介電材料，該介電材料具有至少一種 嵌入在該介電材料中的導(dǎo)電材料，并且該至少一種導(dǎo)電材料具有與該 介電材料的上表面共面的上表面；以及
基本上位于該至少一種導(dǎo)電材料的上表面上的含氮貴金屬帽，該 含氮貴金屬帽不延伸到該介電材料的上表面上。本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)中存在的介電材料可以是介電常數(shù)為 約3.0或更小的任何互連介電材料。示例性地，在本發(fā)明中采用的介 電材料包括硅倍半氧烷，至少包括Si、 C、 O和H原子的C摻雜氧 化物(即有機硅酸鹽)，熱固性聚芳醚，或多層上述材料。介電材料 可以是多孔的、無孔的，或者可以包含多孔的區(qū)域和/或表面以及無孔的其他區(qū)域和/或表面。除上述的互連結(jié)構(gòu)之外，本發(fā)明還提供制造上述互連結(jié)構(gòu) 的方法。 一般地說，本發(fā)明的方法包括
提供介電常數(shù)為約3.0或更小的介電材料，該介電材料具有至少 一種嵌入在該介電材料中的導(dǎo)電材料，并且該至少 一種導(dǎo)電材料具有 與該介電材料的上表面共面的上表面；以及
形成基本上位于該至少一種導(dǎo)電材料的上表面上的含氮貴金屬
10帽，該含氮貴金屬帽不延伸到該介電材料的上表面上，該含氮貴金屬 帽的形成在介電材料的上表面上不導(dǎo)致含氮貴金屬殘余，以及所述形
成包括在約200。C或更低的溫度下進行的化學(xué)沉積工藝。


圖4A-4E是示出經(jīng)過本發(fā)明的不同的工藝步驟的互連結(jié) 構(gòu)的圖示(通過截面圖)。在下列描述中，為了提供對本發(fā)明的深入了解，闡明許多 具體的細(xì)節(jié)，例如特定結(jié)構(gòu)、組件、材料、尺度、工藝步驟以及技術(shù)。 然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解不用這些具體細(xì)節(jié)也可以實施本發(fā)明。 在其他實例中，不詳細(xì)描述公知的結(jié)構(gòu)或工藝步驟以免模糊本發(fā)明。本發(fā)明還提供制造這樣的互連結(jié)構(gòu)的方法，其中與低k介 電材料一起使用低溫化學(xué)沉積工藝(約200。C或更低的溫度)以選擇 性地形成基本上在互連結(jié)構(gòu)的所述至少一種導(dǎo)電材料(即導(dǎo)電件 (feature))頂上的含氮貴金屬帽。注意，初始結(jié)構(gòu)50典型地位于襯底(在本申請的附圖中 未示出)上。襯底可以包括半導(dǎo)體材料、絕緣材料、導(dǎo)電材料、或包 括多層上述材料的任何組合。在襯底由半導(dǎo)電材料組成時，可以使用 任何半導(dǎo)體，例如Si、 SiGe、 SiGeC、 SiC、 Ge合金、GaAs、 InAs、 InP、及其他III/V或11/VI化合物半導(dǎo)體。除這些所列舉類型的半導(dǎo) 電材料之外，本發(fā)明也預(yù)期半導(dǎo)體襯底是分層的半導(dǎo)體的情形，例如 Si/SiGe、 Si/SiC、s絕緣體上硅(SOL)、或絕緣體上硅鍺(SGOI)。在襯底包括絕緣材料和導(dǎo)電材料的組合時，襯底可以表示 多層的互連結(jié)構(gòu)的第一互連層級。在一些實施例中，可以利用任何傳統(tǒng)沉積工藝形成襯墊疊 層54，傳統(tǒng)沉積工藝包括例如CVD、 PECVD、蒸發(fā)、化學(xué)溶液沉積、 物理汽相淀積(PVD)和原子層沉積。在其他實施例中，利用諸如熱 氧化、熱氮化和/或熱氧化氮化(oxynitridation )工藝的熱工藝形成 襯墊疊層54。在其他實施例中，利用沉積和熱工藝的結(jié)合形成襯墊疊 層54。在互連結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電區(qū)的形成中使用的導(dǎo)電材料60包括例 如多晶硅、導(dǎo)電金屬、包括至少一種導(dǎo)電金屬的合金、導(dǎo)電金屬硅化 物、或其組合。優(yōu)選地，在導(dǎo)電區(qū)的形成中使用的導(dǎo)電材料60是導(dǎo) 電金屬，例如Cu、 W或A1，在本發(fā)明中高度優(yōu)選Cu或Cu合金(諸 如AlCu)。利用包括諸如CVD、 PECVD、 PVD、濺射、鍍覆、化學(xué) 溶液沉積和無電鍍的任何傳統(tǒng)沉積工藝將導(dǎo)電材料60形成到襯有擴 散阻擋層58的每個開口 56中。在沉積導(dǎo)電材料60之后，該結(jié)構(gòu)經(jīng) 過平坦化工藝，例如化學(xué)機械拋光(CMP)和/或研磨。平坦化工藝
15提供例如在圖3C中示出的平坦的結(jié)構(gòu)，其中介電材料52、擴散阻擋 層58 (現(xiàn)在是U形的)和導(dǎo)電材料60的上表面彼此基本共面。注意， 在平坦化工藝期間，從該結(jié)構(gòu)移除殘余的襯墊疊層54。申請人:已確定在圖4E中示出的本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)比現(xiàn)有技術(shù)的其中金屬帽延伸到將嵌入的導(dǎo)電材料與介電材料分隔開的
擴散阻擋層上的互連結(jié)構(gòu)具有更好的泄漏控制。此外，申請人已確定在圖4中示出的本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)具有增加的EM抗性，這是由于本發(fā)明的含氮貴金屬帽比其中金屬帽由貴金屬或貴金屬合金組成的現(xiàn)有技術(shù)互連結(jié)構(gòu)更容易阻止下面的導(dǎo)電材料氧化。已經(jīng)就本發(fā)明的優(yōu)選實施例具體地示出本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可以在形式和細(xì)節(jié)方面作出前述的及其他的改變，而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。因此，本發(fā)明不限于所描述和示出的精確形式和細(xì)節(jié)，而是落在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種互連結(jié)構(gòu)，包括介電常數(shù)為約3.0或更小的介電材料，所述介電材料具有至少一種導(dǎo)電材料嵌入在所述介電材料中，所述至少一種導(dǎo)電材料具有與所述介電材料的上表面共面的上表面；和含氮貴金屬帽，基本上位于所述至少一種導(dǎo)電材料的所述上表面上，所述含氮貴金屬帽不延伸到所述介電材料的所述上表面上，并且在所述介電材料的上表面上沒有含氮貴金屬殘余存在。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中所述含氮貴金屬帽包括 雙層結(jié)構(gòu)，其包括含氮貴金屬的頂層； 包括多于兩層的多層結(jié)構(gòu)，其中至少其頂層包括含氮貴金屬； 包括含氣貴金屬的單層結(jié)構(gòu)；或 包括從下表面向上增加的氮濃度梯度的結(jié)構(gòu)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l的互連結(jié)構(gòu)，其中所述含氮貴金屬帽包括從由Ru、 Ir、 Rh、 Pt、 Co、及其合金組成的組中選出來的貴金屬。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的互連結(jié)構(gòu)，其中所述含氮貴金屬帽與所述導(dǎo) 電材料自對準(zhǔn)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，還包括位于所述介電材料和所述 含氮貴金屬帽頂上的電介質(zhì)帽層，所述電介質(zhì)帽是從由SiC、 Si4NH3、 Si02、碳摻雜的氧化物、氮和氫摻雜的碳化硅SiC(N，H)、和其多層組 成的組中選出來的。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中所述至少一種導(dǎo)電材料包括 多晶硅、導(dǎo)電金屬、導(dǎo)電金屬合金、導(dǎo)電金屬硅化物、或其組合和多層。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的互連結(jié)構(gòu)，其中所述至少一種導(dǎo)電材料是從 Cu、 W和Al之一中選擇出來的導(dǎo)電金屬。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7的互連結(jié)構(gòu)，其中所述至少一種導(dǎo)電材料是 Cu或Cu合金。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中所述介電材料包括硅倍半 氧烷，至少包括Si、 C、 O和H原子的C摻雜的氧化物，熱固聚芳醚， 或其多層。
10. —種互連結(jié)構(gòu)，包括介電常數(shù)為約3.0或更小的介電材料，所述介電材料具有至少一 種含Cu的導(dǎo)電材料嵌入在所述介電材料中，所述至少一種含Cu的 導(dǎo)電材料具有與所述介電材料的上表面共面的上表面；和RuN帽，基本上位于所述至少一種含Cu的導(dǎo)電材料的所述上表 面上，所述RuN帽不延伸到所述介電材料的上表面上，并且在所述 介電材料的上表面上沒有RuN殘余存在。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10的互連結(jié)構(gòu)，還包括位于所述介電材料和所 述RuN帽頂上的電介質(zhì)帽層，所述電介質(zhì)帽層是從由SiC、 Si4NH3、 Si02、碳摻雜的氧化物、氮和氫摻雜的碳化硅SiC(N，H)、和其多層組 成的組中選出來的。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10的互連結(jié)構(gòu)，其中所述RuN帽包括 包括RuN的頂層的雙層結(jié)構(gòu)；包括多于兩層的多層結(jié)構(gòu)，其中至少其頂層包括RuN;或包括RuN的單層結(jié)構(gòu)；或具有從下表面向 上增加的氮濃度梯度的包括Ru的結(jié)構(gòu)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10的互連結(jié)構(gòu)，其中所述RuN與所述至少一 種含Cu的導(dǎo)電材料自對準(zhǔn)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求10的互連結(jié)構(gòu)，其中所述介電材料包括硅倍 半氧烷，至少包括Si、 C、 O和H原子的C摻雜的氧化物，熱固聚芳 醚，或其多層。
15. —種形成互連結(jié)構(gòu)的方法，包括提供-介電常數(shù)為約3.0或更小的介電材料，所述介電材料具有至 少一種導(dǎo)電材料嵌入在所述介電材料中，所述至少一種導(dǎo)電材料具有 與所述介電材料的上表面共面的上表面；和形成基本上在所述至少一種導(dǎo)電材料的所述上表面上的含氬貴 金屬帽，所述含氮貴金屬帽不延伸到所述介電材料的所述上表面上， 所述含氮貴金屬帽的形成不導(dǎo)致所述介電材料的上表面上含氮貴金 屬殘余，并且所述形成包括在約200 。C或更低的溫度下進行的化學(xué)沉 積工藝。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中所述化學(xué)沉積工藝包括化學(xué)氣 相沉積工藝或原子層沉積。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中所述含氮貴金屬帽包括包括 含氮貴金屬的頂層的雙層結(jié)構(gòu)；包括多于兩層的多層結(jié)構(gòu)，其中至少 其頂層包括含氮貴金屬；或包括含氮貴金屬的單層結(jié)構(gòu)；或包括從下 表面向上增加的氮濃度梯度的結(jié)構(gòu)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中所述含氮貴金屬帽與所述至少 一種導(dǎo)電材料自對準(zhǔn)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求15的方法，還包括形成位于所述介電材料和所 述含氮貴金屬帽頂上的電介質(zhì)帽層，所述電介質(zhì)帽層是從由SiC、 Si4NH3、 Si02、碳摻雜的氧化物、氮和氫摻雜的碳化硅SiC(N，H)、和 其多層所組成的組中選出來的。
20. 根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中所述形成含氮貴金屬帽包括選 擇RuN、 IrN、 RhN、 PtN、 CoN及其合金中的一個。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中所述含氮貴金屬帽包括RuN 或Ru合金。
22. 根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中所述至少一種導(dǎo)電材料包括多 晶硅、導(dǎo)電金屬、導(dǎo)電金屬合金、導(dǎo)電金屬硅化物、或其組合和多層。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中所述至少一種導(dǎo)電材料是從 Cu、 W和Al之一中選擇出來的導(dǎo)電金屬。
24. 根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中所述介電材料包括硅倍半氧 烷，至少包括Si、 C、 O和H原子的C摻雜的氧化物，熱固聚芳醚， 或其多層。
25. 根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中將U形擴散阻擋層置于所述至 少一種導(dǎo)電材料和所述介電材料之間，所述U形擴散阻擋層包括Ta、 TaN、 Ti、 TiN、 Ru、 RuN、 RuTa、 RuTaN、 IrTa、 IrTaN、 W、 WN、或其組合及多層。
全文摘要
本發(fā)明提供一種互連結(jié)構(gòu)，其具有增強的電遷移可靠性而不使電路短路發(fā)生率惡化，并具有改善的技術(shù)可擴展性。本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)包括具有約3.0或更小的介電常數(shù)的介電材料。介電材料具有至少一種導(dǎo)電材料嵌入在其中。含氮貴金屬帽主要(即基本上)位于所述至少一個導(dǎo)電區(qū)的上表面上。含氮貴金屬帽不延伸到介電材料的上表面上。在一些實施例中，含氮貴金屬帽與嵌入的導(dǎo)電材料自對準(zhǔn)，而在其他實施例中，含氮貴金屬帽的一些部分延伸到將所述至少一種導(dǎo)電材料與介電材料分隔的擴散阻擋層的上表面上。本發(fā)明還提供利用低溫(約200℃或更低)化學(xué)沉積工藝制造這樣的互連結(jié)構(gòu)的方法。
文檔編號H01L23/532GK101651130SQ200910163320
公開日2010年2月17日 申請日期2009年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月12日
發(fā)明者楊智超, 胡朝坤 申請人:國際商業(yè)機器公司