專(zhuān)利名稱(chēng)：用于互連應(yīng)用的冗余金屬阻擋結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制造方法。更特別地，本發(fā)明涉及用于互連應(yīng)用的冗余阻擋結(jié)構(gòu)及其制造方法。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可被用于中段制程(middle-of-the-line)互連應(yīng)用或后段制程(BEOL，back-end-of-the-line)互連應(yīng)用。
背景技術(shù)：
一般而言，半導(dǎo)體器件包括多個(gè)電路，這些電路形成制造于半導(dǎo)體襯底上的集成電路。信號(hào)路徑的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)一般被引導(dǎo)而連接分布在襯底表面上的各電路元件。有效地將這些信號(hào)引導(dǎo)跨過(guò)器件需要形成多級(jí)或多層體系，例如單鑲嵌或雙鑲嵌布線結(jié)構(gòu)。該布線結(jié)構(gòu)典型地包括銅(Cu)，這是因?yàn)椋c基于鋁(Al)的互連相比，基于Cu的互連在復(fù)雜半導(dǎo)體芯片上的大量晶體管之間提供更高速的信號(hào)傳輸。在典型的互連結(jié)構(gòu)中，金屬過(guò)孔(via)垂直于半導(dǎo)體襯底而延伸，金屬線路平行于半導(dǎo)體襯底而延伸。在當(dāng)前的IC產(chǎn)品芯片中，通過(guò)將金屬線路和金屬過(guò)孔(例如導(dǎo)電部件(conductive feature))嵌入具有小于4. 0的介電常數(shù)的介電材料中，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)速度的進(jìn)一步提高和在鄰近的金屬線路中的信號(hào)減退(稱(chēng)為“串?dāng)_”)。在某些互連結(jié)構(gòu)中，采用包括TaN和Ta的擴(kuò)散阻擋層。這種包括TaN/Ta擴(kuò)散阻擋層的互連結(jié)構(gòu)具有良好的抗氧化特性。在其它互連結(jié)構(gòu)中，已經(jīng)提出了包括TaN和Ru的擴(kuò)散阻擋層。使用包括TaN和Ru的擴(kuò)散阻擋層的一個(gè)原因在于，薄Cu籽晶層(具有小于 300人的厚度)在Ru上比在Ta上具有更好的潤(rùn)濕性。Ru可適用于與薄Cu籽晶相關(guān)的應(yīng)用，但Ta則不可。與薄Cu籽晶相關(guān)的應(yīng)用為未來(lái)技術(shù)的趨勢(shì)，并且與技術(shù)可擴(kuò)展性密切相關(guān)。同時(shí)，Ru可通過(guò)等離子體氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)和原子層沉積(ALD)而進(jìn)行沉積，但iTa則僅可通過(guò)PVD而進(jìn)行沉積，而PVD在保形性(conformality)方面具有大的技術(shù)可擴(kuò)展性問(wèn)題。然而，由于作為外擴(kuò)散阻擋層的Ru不是良好的抗氧化阻擋層，TaN/ Ru擴(kuò)散阻擋層的使用是有問(wèn)題的。因此，仍持續(xù)需要提供這樣的包括擴(kuò)散阻擋結(jié)構(gòu)的互連結(jié)構(gòu)，在該互連結(jié)構(gòu)中使用Ru且避免了與Ru氧化相關(guān)的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了用于互連結(jié)構(gòu)中的冗余金屬擴(kuò)散阻擋層，其改善了互連結(jié)構(gòu)的可靠性和可擴(kuò)展性。該冗余金屬擴(kuò)散阻擋層位于在介電材料中的開(kāi)口中。具體地，該冗余金屬擴(kuò)散阻擋層位于擴(kuò)散阻擋層與導(dǎo)電材料之間，該擴(kuò)散阻擋層與該導(dǎo)電材料也存在于所述開(kāi)口中。該冗余擴(kuò)散阻擋層包括單層或多層結(jié)構(gòu)，該單層或多層結(jié)構(gòu)包括Ru和含Co材料，所述含Co材料包括純Co或Co合金，所述Co合金包含N、B和P中的至少一者。—般而言，本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其包括介電材料，其具有約4.0或更小的介電常數(shù)并位于襯底上方，所述介電材料具有位于其中的至少一個(gè)開(kāi)口；
擴(kuò)散阻擋層，其位于所述至少一個(gè)開(kāi)口中；冗余擴(kuò)散阻擋層，其包括Ru和含Co材料并位于所述至少一個(gè)開(kāi)口中的所述擴(kuò)散阻擋層上；以及導(dǎo)電材料，其位于所述至少一個(gè)開(kāi)口中的所述冗余擴(kuò)散阻擋層的頂上，其中所述擴(kuò)散阻擋層、所述冗余擴(kuò)散阻擋層、以及所述導(dǎo)電材料各自具有與所述介電材料的上表面共面的上表面。所述冗余擴(kuò)散阻擋層的所述含Co材料可為純Co或Co合金，所述Co合金包含N、 B和P中的至少一者。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，所述冗余擴(kuò)散阻擋層為雙層結(jié)構(gòu)，所述雙層結(jié)構(gòu)包括由Ru構(gòu)成的頂層以及至少包括所述含Co材料的底層。在本發(fā)明的另外的實(shí)施例中，所述冗余擴(kuò)散阻擋層為單層結(jié)構(gòu)，所述單層結(jié)構(gòu)包括從下面的含Co表面向上增加的Ru的梯度濃度。在本發(fā)明的進(jìn)一步另外的實(shí)施例中，所述冗余擴(kuò)散阻擋層為多層結(jié)構(gòu)，所述多層結(jié)構(gòu)包括多于兩個(gè)交替的Ru層和含Co層。除了提供上述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)之外，本發(fā)明還提供了一種用于制造該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法。一般而言，本發(fā)明的方法包括設(shè)置具有約4. 0或更小的介電常數(shù)并位于襯底上方的介電材料，所述介電材料具有位于其中的至少一個(gè)開(kāi)口；在所述至少一個(gè)開(kāi)口中形成擴(kuò)散阻擋層；在所述至少一個(gè)開(kāi)口中的所述擴(kuò)散阻擋層上形成包括Ru和含Co材料的冗余擴(kuò)散阻擋層；用導(dǎo)電材料填充所述至少一個(gè)開(kāi)口的剩余部分；以及平面化所述擴(kuò)散阻擋層、所述冗余擴(kuò)散阻擋層、以及所述導(dǎo)電材料，以提供這樣的結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，所述擴(kuò)散阻擋層、所述冗余擴(kuò)散阻擋層以及所述導(dǎo)電材料各自具有與所述介電材料的上表面共面的上表面。所述冗余擴(kuò)散阻擋層的所述含Co材料可為純Co或Co合金，所述Co合金包含N、 B和P中的至少一者。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，所述冗余擴(kuò)散阻擋層為雙層結(jié)構(gòu)，所述雙層結(jié)構(gòu)包括由Ru構(gòu)成的頂層以及至少包括所述含Co材料的底層。在本發(fā)明的另外的實(shí)施例中，所述冗余擴(kuò)散阻擋層為單層結(jié)構(gòu)，所述單層結(jié)構(gòu)包括從下面的含Co表面向上增加的Ru的梯度濃度。在本發(fā)明的進(jìn)一步另外的實(shí)施例中，所述冗余擴(kuò)散阻擋層為多層結(jié)構(gòu)，所述多層結(jié)構(gòu)包括多于兩個(gè)交替的Ru層和含Co層。本發(fā)明的所述冗余擴(kuò)散阻擋層可利用物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD) 或原子層沉積(ALD)而形成。當(dāng)采用PVD時(shí)，采用包括Ru靶和含Co材料靶的共濺射工藝。 當(dāng)采用CVD或ALD時(shí)，采用含Ru前體(precursor)和含Co材料的前體。


圖1為(通過(guò)截面圖)描繪可在本發(fā)明中采用的初始結(jié)構(gòu)的圖示；圖2為(通過(guò)截面圖)描繪在圖1中示出的初始結(jié)構(gòu)的暴露表面上形成擴(kuò)散阻擋層之后所形成的結(jié)構(gòu)的圖示；
圖3為(通過(guò)截面圖)描繪在圖2中示出的結(jié)構(gòu)上形成包括Ru和含Co材料的冗余擴(kuò)散阻擋層之后所形成的結(jié)構(gòu)的圖示；圖4A-4C為(通過(guò)截面圖)描繪可在圖3中示例的結(jié)構(gòu)中采用的各種冗余擴(kuò)散阻擋層的圖示；圖5為(通過(guò)截面圖)描繪在圖3中示出的結(jié)構(gòu)上形成可選的籽晶層和導(dǎo)電材料之后所形成的結(jié)構(gòu)的圖示；以及圖6為(通過(guò)截面圖)描繪將圖5中示出的結(jié)構(gòu)平面化之后所形成的結(jié)構(gòu)的圖示。
具體實(shí)施例方式下面將參考以下討論和本申請(qǐng)的附圖更詳細(xì)地說(shuō)明提供了用于互連應(yīng)用的冗余金屬阻擋結(jié)構(gòu)及其制造方法的本發(fā)明。注意，僅為了示例的目的而提供本申請(qǐng)的附圖，因此附圖并未按比例繪制。在以下說(shuō)明中，闡述了許多具體細(xì)節(jié)，例如特定的結(jié)構(gòu)、組件、材料、尺寸、處理步驟和技術(shù)，以提供對(duì)本發(fā)明的徹底了解。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，可以沒(méi)有這些具體細(xì)節(jié)而實(shí)施本發(fā)明。在其它實(shí)例中，為了避免使本發(fā)明模糊，沒(méi)有詳細(xì)說(shuō)明公知的結(jié)構(gòu)或處理步驟。應(yīng)理解，當(dāng)將作為層、區(qū)域、或襯底的要素稱(chēng)為在另一要素“上”或“上方”時(shí)，其可直接位于該另一要素上、或者也可以存在居間要素(intervening element)。相對(duì)地，當(dāng)將一要素稱(chēng)為“直接在”另一要素“上”或“直接在”另一要素“上方”時(shí)，則不存在居間要素。 還應(yīng)理解，當(dāng)一要素被稱(chēng)為“連接”或“耦合”至另一要素時(shí)，其可直接連接或耦合至該另一要素，或者可存在居間要素。相對(duì)地，當(dāng)一要素被稱(chēng)為“直接連接”或“直接耦合”至另一要素時(shí)，則不存在居間要素。如上所述，本發(fā)明提供用于互連結(jié)構(gòu)中的冗余金屬擴(kuò)散阻擋層，其改善了互連結(jié)構(gòu)的可靠性和可擴(kuò)展性。該冗余金屬擴(kuò)散阻擋層位于介電材料中的開(kāi)口中，且該冗余金屬擴(kuò)散阻擋層位于擴(kuò)散阻擋層與導(dǎo)電材料之間，所述擴(kuò)散阻擋層和導(dǎo)電材料同樣存在于所述開(kāi)口中。該冗余擴(kuò)散阻擋層包括單層或多層結(jié)構(gòu)，該單層或多層結(jié)構(gòu)包括Ru和含Co材料， 所述含Co材料包括純Co或Co合金，所述Co合金包含N、B和P中的至少一者。一般而言，本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其包括具有約4. 0或更小的介電常數(shù)并位于襯底上的介電材料。該介電材料具有位于其中的至少一個(gè)開(kāi)口。擴(kuò)散阻擋層、冗余擴(kuò)散阻擋層、以及導(dǎo)電材料位于所述至少一個(gè)開(kāi)口中。冗余擴(kuò)散阻擋層包括Ru和含Co材料。 在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中，擴(kuò)散阻擋層、冗余擴(kuò)散阻擋層、以及導(dǎo)電材料各自具有與介電材料的上表面共面的上表面。本發(fā)明的工藝流程始于提供如圖1所示的初始互連結(jié)構(gòu)10。具體地，圖1中所示的初始互連結(jié)構(gòu)10包括多級(jí)互連，該多級(jí)互連包括通過(guò)介電帽層14部分地分隔的下互連級(jí)12和上互連級(jí)16。下互連級(jí)12可位于半導(dǎo)體襯底(未示出)上方，該半導(dǎo)體襯底包括一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體器件，該下互連級(jí)12包括第一介電材料18，第一介電材料18具有至少一個(gè)導(dǎo)電部件(即，導(dǎo)電區(qū)域)20，通過(guò)阻擋層19使導(dǎo)電部件20與第一介電層18分隔。上互連級(jí)16包括其中具有至少一個(gè)開(kāi)口的第二介電材料M。所述至少一個(gè)開(kāi)口可為過(guò)孔(via) 開(kāi)口、線路開(kāi)口、組合的過(guò)孔/線路開(kāi)口、或其任何組合。如在示例性實(shí)施例中所示，在第二介電材料對(duì)內(nèi)存在線路開(kāi)口 26A和組合的過(guò)孔/線路開(kāi)口 ^B。組合的過(guò)孔/線路開(kāi)口 26B使存在于下互連級(jí)12內(nèi)的導(dǎo)電部件20的一部分暴露出來(lái)。利用本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的常規(guī)技術(shù)制成圖1所示的初始結(jié)構(gòu)10。例如，初始互連結(jié)構(gòu)10可通過(guò)首先將第一介電材料18施加到襯底(未示出)的表面而形成。未示出的襯底可包括半導(dǎo)體材料、絕緣材料、導(dǎo)電材料、或其任何組合。當(dāng)襯底由半導(dǎo)體材料構(gòu)成時(shí)， 可使用諸如 Si、SiGe、SiGeC, SiC、Ge 合金、GaAs、InAs, InP,以及其它 III/V 族或 II/VI 族化合物半導(dǎo)體的任何半導(dǎo)體。除了這些列出的類(lèi)型的半導(dǎo)體材料之外，本發(fā)明還預(yù)期其中半導(dǎo)體襯底為諸如Si/SiGe、Si/SiC、絕緣體上硅(SOI)或絕緣體上硅鍺(SGOI)的層疊半導(dǎo)體的情況。當(dāng)襯底為絕緣材料時(shí)，絕緣材料可為有機(jī)絕緣體、無(wú)機(jī)絕緣體、或包括多層的其組合。當(dāng)襯底為導(dǎo)電材料時(shí)，襯底可包括例如多晶Si、元素金屬(elemental metal)、至少一種元素金屬的合金、金屬硅化物、金屬氮化物、或包括多層的其組合。當(dāng)襯底包括半導(dǎo)體材料時(shí)，可在襯底上制造一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體器件，例如互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CM0Q器件。下互連級(jí)12的第一介電材料18可包括任何級(jí)間或級(jí)內(nèi)的電介質(zhì)，該電介質(zhì)包括無(wú)機(jī)電介質(zhì)或有機(jī)電介質(zhì)。第一介電材料18可為多孔性或非多孔性的，而在本發(fā)明的某些實(shí)施例中高度優(yōu)選具有約2. 8或更小的介電常數(shù)的多孔性電介質(zhì)。可被用作第一介電材料 18的合適電介質(zhì)的一些實(shí)例包括但不限于SiO2，硅倍半氧烷(silsesquioxane)，包含Si、 C、0、H的原子的C摻雜的氧化物(即，有機(jī)硅酸鹽)，熱固性聚亞芳基醚，或其多層。術(shù)語(yǔ) “聚亞芳基”在本申請(qǐng)中用于表示芳基部分(aryl moiety)或經(jīng)惰性取代的芳基部分，其由鍵(bond)、稠環(huán)、或惰性連結(jié)基(例如氧、硫、砜、亞砜、羰基等)而被連接在一起。第一介電材料18典型地具有約4. 0或更小的介電常數(shù)，其中約2. 8或更小的介電常數(shù)更典型。與具有高于4.0的介電常數(shù)的電介質(zhì)材料相比，這些電介質(zhì)通常具有較低的寄生串?dāng)_。第一介電材料18的厚度可依賴(lài)于所使用的介電材料以及在下互連級(jí)12中的確切的電介質(zhì)數(shù)目而變化。典型地，對(duì)于普通的互連結(jié)構(gòu)而言，第一介電材料18具有200到 450nm的厚度。下互連級(jí)12還具有至少一個(gè)導(dǎo)電部件20，所述導(dǎo)電部件20被嵌入第一介電材料 18中(S卩，位于其內(nèi))。所述至少一個(gè)導(dǎo)電部件20包括通過(guò)阻擋層19而與第一介電材料18 分隔的導(dǎo)電材料。通過(guò)光刻(即，對(duì)第一介電材料18的表面施加光致抗蝕劑，將光致抗蝕劑曝光至希望的輻射圖形，并利用常規(guī)的抗蝕劑顯影劑對(duì)經(jīng)曝光的抗蝕劑顯影)，在第一介電材料18中蝕刻(干法蝕刻或濕法蝕刻)開(kāi)口，并先用阻擋層19、然后用形成導(dǎo)電區(qū)域的導(dǎo)電材料來(lái)填充蝕刻后的區(qū)域，從而形成導(dǎo)電部件20。阻擋層19可包括Ta、TaN、Ti、TiN、 Ru、RuN、W、WN、或可以用作阻擋層的任何材料以防止導(dǎo)電材料從其中擴(kuò)散通過(guò)，且通過(guò)諸如原子層沉積(ALD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)、物理氣相沉積(PVD)、濺射、化學(xué)溶液沉積、或鍍敷的沉積工藝而形成阻擋層19。阻擋層19的厚度可依賴(lài)于沉積工藝的確切方式以及所采用的材料而變化。典型地，阻擋層19具有4至40nm的厚度，其中7至20nm的厚度更典型。在形成阻擋層之后，用形成導(dǎo)電部件20的導(dǎo)電材料填充第一介電材料18內(nèi)的開(kāi)口的剩余區(qū)域。用于形成導(dǎo)電部件20的導(dǎo)電材料包括例如多晶Si、導(dǎo)電金屬、含有至少一種導(dǎo)電金屬的合金、導(dǎo)電金屬硅化物、或其組合。優(yōu)選地，用于形成導(dǎo)電部件20的導(dǎo)電材料為諸如Cu、W或Al的導(dǎo)電金屬，其中在本發(fā)明中高度優(yōu)選Cu或Cu合金(例如AlCu)。利用包括但不限于CVD、PECVD、濺射、化學(xué)溶液沉積或鍍敷的常規(guī)沉積工藝，將導(dǎo)電材料填充到第一介電材料18中的剩余開(kāi)口中。在沉積之后，可使用諸如化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)的常規(guī)平面化工藝來(lái)提供這樣的結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，阻擋層19和導(dǎo)電部件20各自具有與第一介電材料18的上表面實(shí)質(zhì)上共面的上表面。在形成所述至少一個(gè)導(dǎo)電部件20之后，利用諸如CVD、PECVD、化學(xué)溶液沉積、或蒸發(fā)的常規(guī)沉積工藝，在下互連級(jí)12的表面上形成覆蓋(blanket)介電帽層14。介電帽層 14包括任何合適的介電帽蓋材料，例如SiC、Si4NH3、Si02、碳摻雜的氧化物、氮和氫摻雜的碳化硅SiC(N，H)、或其多層。帽層14的厚度可依賴(lài)于用于形成該層的技術(shù)以及用于構(gòu)成該層的材料而變化。典型地，帽層14具有15至55nm的厚度，其中25至45nm的厚度更典型。接著，通過(guò)對(duì)帽層14的暴露的上表面施加第二介電材料M而形成上互連級(jí)16。 第二介電材料M可包括與下互連級(jí)12的第一介電材料18相同或不同、優(yōu)選相同的介電材料。這里，用于第一介電材料18的處理技術(shù)和厚度范圍同樣適用于第二介電材料24。第二介電材料M也可包括兩種不同材料，即，先沉積一種介電材料，接著沉積不同的介電材料。 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，第二介電材料M包括了兩種不同的低k介電材料，因此上互連級(jí)16具有混合結(jié)構(gòu)，其中隨后填充的導(dǎo)電填充線路內(nèi)嵌于多孔性介電材料中，并且隨后填充的過(guò)孔內(nèi)嵌于致密的(即，非多孔性)介電材料中。在這樣的實(shí)施例中，上述多孔性低k 電介質(zhì)具有約2. 8或更小的介電常數(shù)，而致密的多孔性低k電介質(zhì)具有約4. 0或更小的介電材料。接下來(lái)，通過(guò)先在第二介電材料M的上表面的頂上形成覆蓋硬掩膜材料(未示出)而在第二介電材料M中形成至少一個(gè)開(kāi)口。該覆蓋硬掩膜材料包括氧化物、氮化物、 氮氧化物、或者包括其多層的任何組合。典型地，硬掩膜材料為諸如SiO2的氧化物或諸如 Si3N4的氮化物。利用諸如CVD、PECVD、化學(xué)溶液沉積或蒸發(fā)的常規(guī)沉積工藝而形成該覆蓋硬掩膜材料。沉積的(as-d印osited)硬掩膜材料的厚度可依賴(lài)于所形成的硬掩膜材料的種類(lèi)、構(gòu)成硬掩膜材料的層數(shù)、以及用于形成該硬掩膜材料的沉積技術(shù)而變化。典型地，沉積的硬掩膜材料具有10至SOnm的厚度，其中20至60nm的厚度更典型。在形成硬掩膜材料的覆蓋層之后，利用諸如CVD、PECVD、旋涂、化學(xué)溶液沉積、或蒸發(fā)的常規(guī)沉積工藝，在硬掩膜材料的頂上形成光致抗蝕劑(未示出)。光致抗蝕劑可為正型(positive-tone)材料、負(fù)型(negative-tone)材料、或混合材料，本領(lǐng)域技術(shù)人員公知這些材料中的每一種。然后對(duì)光致抗蝕劑進(jìn)行光刻工藝，該光刻工藝包括將光致抗蝕劑曝光至輻射圖形，并利用常規(guī)的抗蝕劑顯影劑而使經(jīng)曝光的抗蝕劑顯影。光刻步驟在硬掩膜材料的頂上提供了限定開(kāi)口寬度的構(gòu)圖的光致抗蝕劑?？梢岳霉饪毯臀g刻而形成過(guò)孔開(kāi)口和/或線路開(kāi)口。當(dāng)形成組合的過(guò)孔/線路開(kāi)口時(shí)，在形成該結(jié)構(gòu)時(shí)使用光刻和蝕刻的另一重復(fù)。注意，在蝕刻組合的過(guò)孔/線路開(kāi)口期間，介電帽層14的某部分被去除。如上所述，所述至少一個(gè)開(kāi)口可包括線路開(kāi)口、過(guò)孔開(kāi)口、組合的過(guò)孔/線路開(kāi)口、或其任何組合。通過(guò)示例，示出了線路開(kāi)口 26A和組合的過(guò)孔/線路^B。在第二介電材料中形成所述至少一個(gè)開(kāi)口之后，典型地從該結(jié)構(gòu)去除位于第二介電材料頂上的硬掩膜。硬掩膜的去除可發(fā)生在用導(dǎo)電材料填充所述至少一個(gè)開(kāi)口之前或之后。在所示例的實(shí)施例中，在形成所述至少一個(gè)開(kāi)口之后去除硬掩膜。
圖2示出了在所述至少一個(gè)開(kāi)口內(nèi)在第二介電材料M的至少暴露的壁部分上形成擴(kuò)散阻擋層28之后的結(jié)構(gòu)。擴(kuò)散阻擋層28包括Ta、TaN, TiN, Ru、RuN, RuTa, RuTaN, W、 WN以及可用作阻擋層的任何其它材料中的一種以防止導(dǎo)電材料從其中擴(kuò)散通過(guò)。擴(kuò)散阻擋層觀的厚度可依賴(lài)于用于形成其的沉積工藝和所采用的材料而變化。典型地，擴(kuò)散阻擋層觀具有4至40nm的厚度，其中7至20nm的厚度更典型。通過(guò)包括例如CVD、PECVD、原子層沉積(ALD)、物理氣相沉積(PVD)、濺射、化學(xué)溶液沉積和鍍敷的常規(guī)沉積工藝而形成擴(kuò)散阻擋層28。在所述至少一個(gè)開(kāi)口中形成擴(kuò)散阻擋層觀之后，在擴(kuò)散阻擋層觀的頂上形成冗余擴(kuò)散阻擋層30。包括冗余擴(kuò)散阻擋層30的結(jié)構(gòu)被示于例如圖3中。本發(fā)明中采用的冗余擴(kuò)散阻擋層30包括Ru和含Co材料。含Co材料可為純Co或Co合金，Co合金含有N、P 和B中的至少一者。可利用物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)或原子層沉積(ALD)而形成本發(fā)明的冗余擴(kuò)散阻擋層30。當(dāng)采用PVD時(shí)，采用包括Ru靶和含Co材料靶的共濺射工藝。 當(dāng)采用CVD或ALD時(shí)，采用含Ru前體和含Co材料的前體。本領(lǐng)域技術(shù)人員公知用于PVD、 CVD和ALD的條件。典型地，在100°C或更高的沉積溫度下進(jìn)行冗余擴(kuò)散阻擋層30的形成， 其中150°C至350°C的沉積溫度更典型。并且，在5毫乇或更大的沉積壓力下進(jìn)行冗余擴(kuò)散阻擋層30的形成，其中50至0. 1毫乇的沉積壓力更典型。冗余擴(kuò)散阻擋層30的厚度可依賴(lài)于其形成技術(shù)而變化。典型地，冗余擴(kuò)散阻擋層 30具有1至IOnm的厚度，其中更優(yōu)選2至5nm的厚度。圖4A-4C示例了可用于本發(fā)明中的冗余擴(kuò)散阻擋層的各種類(lèi)型。具體地，圖4A示例了包括雙層結(jié)構(gòu)的冗余擴(kuò)散阻擋層30’，該雙層結(jié)構(gòu)包括由Ru構(gòu)成的頂層32和包含至少Co的底層34。圖4B示例了包括單層結(jié)構(gòu)的冗余擴(kuò)散阻擋層30”，該單層結(jié)構(gòu)包括從下面的含Co表面向上增加的Ru的梯度濃度。圖4C示例了包括多層結(jié)構(gòu)的冗余擴(kuò)散阻擋層 30”’，該多層結(jié)構(gòu)包括多于兩個(gè)交替的Ru層和含Co層；在多層結(jié)構(gòu)中，含Co層位于含Ru 層下方。在提供了圖3中示出的結(jié)構(gòu)之后，用導(dǎo)電材料50填充所述至少一個(gè)開(kāi)口，以提供圖5中所示的結(jié)構(gòu)。在某些實(shí)施例中，采用粘合/鍍敷籽晶層52。當(dāng)存在時(shí)，粘合/鍍敷籽晶層52由選自元素周期表中的VIIIA族的金屬或金屬合金構(gòu)成。用于粘合/鍍敷籽晶層52的合適VIIIA族元素的實(shí)例包括但不限于RU、TaRU、Ir、 I h、Pt、Pd、以及其合金。在某些實(shí)施例中，優(yōu)選使用Ru、Ir、或1 作為可選的鍍敷/粘合籽晶層52。可選的粘合/鍍敷籽晶層52也可為純Cu或Cu合金，Cu合金包括Cu (Al)、Cu (Ir)、 以及Cu (Ru)。通過(guò)包括例如化學(xué)氣相沉積(CVD)、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)、原子層沉積(ALD)、鍍敷、濺射、以及物理氣相沉積(PVD)的常規(guī)沉積工藝而形成可選的粘合/ 鍍敷籽晶層52。可選的粘合/鍍敷籽晶層52的厚度可依賴(lài)于多個(gè)因素而變化，這些因素包括例如粘合/鍍敷籽晶層52的組成材料以及其形成技術(shù)。典型地，可選的粘合/鍍敷籽晶層52具有0. 5至IOnm的厚度，其中小于6nm的厚度更典型。用于形成嵌入第二介電材料M中的導(dǎo)電部件的導(dǎo)電材料50包括例如多晶Si、導(dǎo)電金屬、包含至少一種導(dǎo)電金屬的合金、導(dǎo)電金屬硅化物、或其組合。優(yōu)選地，用于形成導(dǎo)電部件的導(dǎo)電材料50為諸如Cu、W或Al的導(dǎo)電金屬，在本發(fā)明中高度優(yōu)選Cu或Cu合金(例如AlCu)。利用常規(guī)沉積工藝將導(dǎo)電材料50填充到第二介電材料M中的至少一個(gè)開(kāi)口的剩余部分中，上述常規(guī)沉積工藝包括但不限于CVD、PECVD、濺射、化學(xué)溶液沉積、或鍍敷。在沉積之后，可使用諸如化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)和/或研磨的常規(guī)平面化工藝，以提供這樣的結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，擴(kuò)散阻擋層觀、冗余擴(kuò)散阻擋30、以及導(dǎo)電材料50各自具有 (例如)與第二介電材料M的上表面實(shí)質(zhì)上共面的上表面。例如在圖6中示出了這樣的結(jié)構(gòu)。具體地，圖6所示的結(jié)構(gòu)包括位于襯底(未具體標(biāo)示)上方且具有約4. 0或更小的介電常數(shù)的介電材料(即，第二介電材料M)。該介電材料(即，第二介電材料24)具有位于其中的至少一個(gè)開(kāi)口(即，線路開(kāi)口 26A和組合的線路/過(guò)孔開(kāi)口沈鍆。擴(kuò)散阻擋層觀、 冗余擴(kuò)散阻擋層30、以及導(dǎo)電材料50位于該至少一個(gè)開(kāi)口中。冗余擴(kuò)散阻擋層30包括Ru 和含Co材料。在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中，擴(kuò)散阻擋層觀、冗余擴(kuò)散阻擋層30、以及導(dǎo)電材料50中的每一個(gè)具有與該介電材料(例如，第二介電材料的上表面共面的上表面。雖然關(guān)于本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例具體示出和說(shuō)明了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進(jìn)行在形式和細(xì)節(jié)上的上述和其他改變。 因此，本發(fā)明旨在不限于所說(shuō)明和示例的具體形式和細(xì)節(jié)，而是落入所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括介電材料，其具有約4. 0或更小的介電常數(shù)并位于襯底上方，所述介電材料具有位于其中的至少一個(gè)開(kāi)口；擴(kuò)散阻擋層，其位于所述至少一個(gè)開(kāi)口中；冗余擴(kuò)散阻擋層，其包括Ru和含Co材料并位于所述至少一個(gè)開(kāi)口中的所述擴(kuò)散阻擋層上；以及導(dǎo)電材料，其位于所述至少一個(gè)開(kāi)口中的所述冗余擴(kuò)散阻擋層的頂上，其中所述擴(kuò)散阻擋層、所述冗余擴(kuò)散阻擋層、以及所述導(dǎo)電材料各自具有與所述介電材料的上表面共面的上表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述介電材料包括具有約2.8或更小的介電常數(shù)的多孔性低k電介質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述介電材料包括SiO2、硅倍半氧烷，包含Si、 C、0和H的原子的C摻雜的氧化物、以及熱固性聚亞芳基醚中的至少一者。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述介電材料為上互連級(jí)的互連電介質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，還包括位于所述上互連級(jí)下方的下互連級(jí)，其中通過(guò)介電帽層使所述下互連級(jí)與所述上互連級(jí)至少部分地分隔開(kāi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述含Co材料為純Co或Co合金，所述Co合金包含N、P和B中的一者。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述導(dǎo)電材料包括Cu、W、或Al。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述擴(kuò)散阻擋層包括Ta、TaN,TiN, Ru、RuN, RuTaARuI^aNJ、以及 WN 中的一者。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述冗余擴(kuò)散阻擋層為雙層結(jié)構(gòu)，所述雙層結(jié)構(gòu)包括由Ru構(gòu)成的頂層以及包括至少所述含Co材料的底層。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述冗余擴(kuò)散阻擋層為單層結(jié)構(gòu)，所述單層結(jié)構(gòu)包括從下面的含Co表面向上增加的Ru的梯度濃度。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述冗余擴(kuò)散阻擋層為多層結(jié)構(gòu)，所述多層結(jié)構(gòu)包括多于兩個(gè)交替的Ru層和含Co層。
12.—種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括通過(guò)介電帽層而至少部分地分隔開(kāi)的下互連級(jí)和上互連級(jí)，所述上互連級(jí)包括具有約 4.0或更小的介電常數(shù)的介電材料，所述介電材料具有位于其中的至少一個(gè)開(kāi)口 ；擴(kuò)散阻擋層，其位于所述至少一個(gè)開(kāi)口中；冗余擴(kuò)散阻擋層，其包括Ru和含Co材料并位于所述至少一個(gè)開(kāi)口中的所述擴(kuò)散阻擋上；以及導(dǎo)電材料，其位于所述至少一個(gè)開(kāi)口中的所述冗余擴(kuò)散阻擋層的頂上，其中所述擴(kuò)散阻擋層、所述冗余擴(kuò)散阻擋層、以及所述導(dǎo)電材料各自具有與所述介電材料的上表面共面的上表面。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述冗余擴(kuò)散阻擋層為雙層結(jié)構(gòu)，所述雙層結(jié)構(gòu)包括由Ru構(gòu)成的頂層以及包括至少所述含Co材料的底層。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述冗余擴(kuò)散阻擋層為單層結(jié)構(gòu)，所述單層結(jié)構(gòu)包括從下面的含Co表面向上增加的Ru的梯度濃度。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述冗余擴(kuò)散阻擋層為多層結(jié)構(gòu)，所述多層結(jié)構(gòu)包括多于兩個(gè)交替的Ru層和含Co層。
16.一種形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，包括設(shè)置具有約4. 0或更小的介電常數(shù)并位于襯底上方的介電材料，所述介電材料具有位于其中的至少一個(gè)開(kāi)口；在所述至少一個(gè)開(kāi)口中形成擴(kuò)散阻擋層；在所述至少一個(gè)開(kāi)口中的所述擴(kuò)散阻擋層上形成包括Ru和含Co材料的冗余擴(kuò)散阻擋層；用導(dǎo)電材料填充所述至少一個(gè)開(kāi)口的剩余部分；以及平面化所述擴(kuò)散阻擋層、所述冗余擴(kuò)散阻擋層、以及所述導(dǎo)電材料，以提供這樣的結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，所述擴(kuò)散阻擋層、所述冗余擴(kuò)散阻擋層以及所述導(dǎo)電材料各自具有與所述介電材料的上表面共面的上表面。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，還包括形成位于上互連級(jí)下方的下互連級(jí)，所述上互連級(jí)包括所述結(jié)構(gòu)，其中通過(guò)介電帽層使所述下互連級(jí)與所述上互連級(jí)部分地分隔開(kāi)。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述含Co材料為純Co或Co合金，所述Co合金包含 N、P和B中的一者。
19.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述冗余擴(kuò)散阻擋層為雙層結(jié)構(gòu)，所述雙層結(jié)構(gòu)包括由Ru構(gòu)成的頂層以及包括至少所述含Co材料的底層。
20.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述冗余擴(kuò)散阻擋層為單層結(jié)構(gòu)，所述單層結(jié)構(gòu)包括從下面的含Co表面向上增加的Ru的梯度濃度。
21.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述冗余擴(kuò)散阻擋層為多層結(jié)構(gòu)，所述多層結(jié)構(gòu)包括多于兩個(gè)交替的Ru層和含Co層。
22.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述導(dǎo)電材料包括Cu、W或Al。
23.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中利用物理氣相沉積(PVD)而形成所述冗余擴(kuò)散阻擋層，所述PVD包括共濺射工藝，在所述共濺射工藝中采用Ru靶和含Co材料靶。
24.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中利用化學(xué)氣相沉積(CVD)和原子層沉積(ALD)中的一者而形成所述冗余擴(kuò)散阻擋層，其中所述CVD和/或ALD包括含Ru前體和含Co材料的前體。
全文摘要
提供一種用于互連結(jié)構(gòu)的冗余金屬擴(kuò)散阻擋層，其改善了互連結(jié)構(gòu)的可靠性和可擴(kuò)展性。所述冗余金屬擴(kuò)散阻擋層位于開(kāi)口內(nèi)，所述開(kāi)口位于介電材料內(nèi)，并且所述冗余金屬擴(kuò)散阻擋層位于擴(kuò)散阻擋層與導(dǎo)電材料之間，所述擴(kuò)散阻擋層和所述導(dǎo)電材料也存在于所述開(kāi)口內(nèi)。所述冗余擴(kuò)散阻擋層包括單層或多層結(jié)構(gòu)，其包括Ru和含Co材料，所述含Co材料包括純Co或Co合金，所述Co合金包含N、P和B中的至少一者。
文檔編號(hào)H01L21/768GK102341903SQ201080010491
公開(kāi)日2012年2月1日 申請(qǐng)日期2010年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月19日
發(fā)明者C-c·楊, T·M·肖 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司