金屬離子擴散阻擋層的製作方法
2023-10-04 02:39:14 1
專利名稱：金屬離子擴散阻擋層的製作方法
本申請要求2001年1月3日申請的美國臨時申請No.60/259,489的優先權。
背景技術：
傳統上，在半導體集成電路(IC)製造中使用的接觸或金屬間介電絕緣技術中已經採用例如非晶氫化氮化矽(a-SiN:H)和非晶氫化碳化矽(a-SiC:H)的材料，以防止器件內互連金屬的熱或者電場驅動擴散。IC內金屬的擴散導致器件的早期失效。基於公知的電絕緣介質例如SiO2和類似的氧化物基相關材料的已知性能即具有差的阻擋作用已經使用上述材料。隨著工業上對使與電路互連相關的電阻-電容(RC)延遲最小的需求，因為上述碳化物和氮化物具有等於或者高於SiO2的介電常數(dielectric permittivity)，並且導致互連電容增加，這些材料已經受到挑戰。
本發明涉及在多層金屬(multilevel metal)集成電路和布線板設計中使用低介電常數材料、具有SiwCxOyHz組成的合金膜，作為金屬離子如Cu、Al等的有效擴散阻擋層。SiwCxOyHz膜的功能是阻止電路中作為器件互連的相鄰導體之間金屬離子的遷移。SiwCxOyHz膜使電路的可靠性增加，允許使用低電阻導體和在導體之間使用作為絕緣介質的低介電常數材料。
發明綜述本發明涉及改進的集成電路，該集成電路具有更高的工作速度和可靠性。該電路包括形成到襯底中的固態器件的子組件(subassembly)，所述襯底由半導體材料製成。子組件內的器件通過由導電金屬形成的金屬布線連接。具有SiwCxOyHz組成的合金膜的擴散阻擋層與金屬布線接觸，其中w的值為10-33原子％，優選18-20原子％，x的值為1-66原子％，優選18-21原子％，y值為1-66原子％，優選5-38原子％，z值為0.1-60原子％，優選25-32原子％，w+x+y+z＝100原子％。
附圖的簡要描述
圖1是使用減成(subtractive)技術形成的器件的截面圖。
圖2是使用鑲嵌(damascene)技術形成的器件的截面圖。
詳細描述本發明涉及具有SiwCxOyHz組成的合金膜(「SiwCxOyHz膜」)的使用，其中w的值為10-33原子％，優選18-20原子％，x的值為1-66原子％，優選18-21原子％，y的值為1-66原子％，優選5-38原子％，z的值為0.1-60原子％，優選25-32原子％，w+x+y+z＝100原子％。使用SiwCxOyHz膜來阻止電路中相鄰的器件互連之間金屬原子的遷移。SiwCxOyHz膜還具有比非晶氫化氮化矽(a-SiN:H)和非晶氫化碳化矽(a-SiC:H)更低的介電常數。SiwCxOyHz膜的介電常數可以比這些氮化物和碳化物低50％以上。這種更低的介電常數有助於減小與互連相關的電容。SiwCxOyHz膜還具有比SiO2膜更低的介電常數。因此，除了防止金屬擴散，該材料本身是適當的中間介質(interdielectric)。作為多功能材料，SiwCxOyHz膜的實施通過消除了對金屬間絕緣配置中的多個中間層材料的需要而簡化了IC製造，因此降低了IC的製造成本。由於SiwCxOyHz膜材料是抵抗金屬擴散的阻擋物，因此不需要使用與導體金屬自身相鄰的金屬基擴散阻擋層，進一步簡化了製造過程，並且降低了成本。所例舉的例子是取消與銅導體相鄰的Ti或Ta基的層。最後，這些Ti和Ta基的層還使在金屬互連中得到最低電阻率方面存在限制，取消了這些Ti和Ta基的層提供了減小互連電阻率的機會。這樣，可以說通過取消對高介電常數介質膜和高電阻率金屬基阻擋金屬的使用，使用SiwCxOyHz膜能夠製造極低的RC延遲互連。這將使高速集成電路的整體性能提高。
在本發明的工藝中使用的集成電路子組件不是關鍵的，這裡幾乎可以使用任何本領域已知的和/或商業上可製造的子組件。圖1示出了通過減成技術製造的電路組件。當使用減成技術時，製備布線層，然後用中間層材料覆蓋該布線。圖2示出了使用鑲嵌技術製造的電路組件，當使用鑲嵌技術時，在澱積中間介質層並且形成用來隔離布線的溝槽之後，將布線施加到溝槽中。
用來製造這種電路的方法也是公知的，對本發明並不重要。這種電路的例子有那些包括半導體襯底(例如，矽、砷化鎵等)、具有生長在半導體襯底上的外延層的電路。適當摻雜該外延層以便形成PN-結區，該P-N結區構成電路的有源、固態器件區。當通過金屬布線層適當互連時，這些有源器件區是形成集成電路的二極體和電晶體。圖1示出了這種具有器件區(2)和薄膜金屬布線(3)的電路子組件(1)，薄膜金屬布線(3)互連各器件。圖2示出了具有器件區(2)和薄膜布線(3)的交替電路組件(1)，薄膜布線(3)互連器件。本發明並不限於在這兩種結構中使用SiwCxOyHz膜。這裡也可以使用其它結構，在該結構中SiwCxOyHz膜提供抵抗集成電路中金屬離子擴散的阻擋作用。
用於金屬布線層的材料沒有限制，只要是導電金屬即可。集成電路子組件上的金屬布線層通常是鋁或銅的薄膜。金屬布線層也可以是銀、金、合金、超導體等。
用於澱積金屬層的方法在本領域是公知的。使用的具體方法並不重要。這種工藝的例子包括各種物理汽相澱積(PVD)技術，例如濺射和電子束蒸發。
形成SiwCxOyHz膜使其接觸金屬布線層並且保護器件內那些金屬離子會擴散到的區域。當使用減成技術形成器件時，在器件上施加布線之後但在施加任何其它中間層之前，在布線上施加SiwCxOyHz膜。當使用鑲嵌技術形成器件時，在形成互連和金屬布線之前，在溝槽中施加SiwCxOyHz膜。然後可以在金屬布線的剩餘的任何暴露表面上施加SiwCxOyHz膜。或者SiwCxOyHz膜也可以施加在金屬布線層下面，例如圖1和2中由層(4)所示。或者預期可以通過例如掩模選擇性地只在布線上施加SiwCxOyHz膜，或者可以塗覆整個表面，然後蝕刻掉不需要SiwCxOyHz膜的那些區域。SiwCxOyHz膜可以與已知的擴散阻擋材料結合使用。例如，可以用傳統的阻擋金屬部分地覆蓋布線，然後可以用SiwCxOyHz膜覆蓋剩餘的布線。
施加SiwCxOyHz膜的方法對本發明並不關鍵，許多是本領域公知的。施加方法的例子包含各種化學汽相澱積技術例如常規的CVD、光化學汽相澱積、等離子增強化學汽相澱積(PECVD)、電子回旋加速器共振(ECR)、噴射汽相澱積等和各種物理汽相澱積技術例如濺射、電子束蒸發等。這些工藝包括施加能量(以熱、等離子等形式)使物質汽化以引起希望的反應或者將能量集中在材料的固態樣品上以引起其澱積。
優選通過1998年5月29日申請、授權給Dow CorningCorporation的美國專利申請No.09/086811所公開的方法施加SiwCxOyHz膜，這裡引入作為如何形成SiwCxOyHz膜的參考。根據該方法，由包括含甲基的矽烷和氧提供氣體的反應氣體混合物製備SiwCxOyHz膜。可以使用的含甲基的矽烷包括甲基矽烷(CH3SiH3)、二甲基矽烷((CH3)2SiH2)、三甲基矽烷((CH3)3SiH)和四甲基矽烷((CH3)4Si)，優選三甲基矽烷。在澱積室中有控制量的氧。可以通過所用的氧提供氣體的類型或者通過所用的氧提供氣體的量控制氧。如果澱積室中存在太多的氧，那末將生成化學計量接近SiO2的氧化矽膜。如果澱積室中的氧不足，那末將生成化學計量接近SiC的碳化矽膜。在這些情況的任一種情況下，都不能得到想要的膜性能。氧提供氣體包括但不限於空氣、臭氧、氧、一氧化二氮和氧化一氮，優選一氧化二氮。氧提供氣體的量一般小於5體積份氧提供氣體/體積份含甲基的矽烷，優選0.1-4.5體積份氧提供氣體/體積份含甲基的矽烷。基於氧提供氣體的類型和澱積條件，本領域技術人員能夠容易地確定氧提供氣體的量，以便生成具有SiwCxOyHz組成的膜，其中w的值為10-33原子％，優選18-20原子％，x的值為1-66原子％，優選18-21原子％，y的值為1-66原子％，優選5-38原子％，z的值為0.1-60原子％，優選25-32原子％，w+x+y+z＝100原子％。
在常規的化學汽相澱積中，通過使希望的前體氣體流通過加熱的襯底上面澱積所述塗層。當前體氣體接觸熱表面時，它們反應並澱積該塗層。根據前體和想要的塗層的厚度，大約100-1000℃範圍內的襯底溫度足以在幾分鐘至幾個小時內形成這些塗層。如果需要，在這樣的工藝中可以使用活性金屬以便於澱積。
在PECVD中，通過使想要的前體氣體通過等離子場使所述前體氣體反應。然後如此形成的反應物質集中在襯底上容易附著的位置。通常，該工藝優於CVD的方面在於可以使用較低的襯底溫度。例如，從大約50℃最高至大約600℃的襯底是實用的。
用於該工藝的等離子可以包括從各種源例如放電、射頻或微波範圍的電磁場、雷射或粒子束產生的能量。通常在大部分等離子澱積工藝中優選使用較低功率密度(0.1-5瓦/cm2)的射頻(10kHz-102MHz)或微波(0.1-10GHz)能量。然而，具體的頻率、功率和壓力通常根據所使用的前體氣體和設備而定。
這裡可以使用本領域公知的用於形成SiwCxOyHz膜的其它前體。該前體可以是提供Si、C、O和H元素的單一化合物或者例如甲基矽酮等的前體。或者該前體可以是提供Si、C、O和H元素的化合物的混合物，例如，矽烷、氧源(即O2、O3、H2O2、N2O等)和有機化合物(例如甲烷)；或者含甲基的矽烷和如上所述的氧源。用於形成SiwCxOyHz膜的較佳的方法是三甲基矽烷與N2O的等離子增強化學汽相澱積。
這裡所用的膜還可以是利用旋塗或其它液體澱積技術通過施加液體前體製備的。可以使用塗覆後固化的有機矽氧烷和silsesquioxanes(矽倍半氧烷)來製備SiwCxOyHz膜。
這裡所用的膜可以由式SiwCxOyHz表示，其中w的值為10-33原子％，優選18-20原子％，x的值為1-66原子％，優選18-21原子％，y的值為1-66原子％，優選31-38原子％，z的值為0.1-60原子％，優選25-32原子％，w+x+y+z＝100原子％。可以將其它的元素例如氟(F)引入到膜中，只要這些元素不改變膜的擴散阻擋性能即可。
這裡形成的器件典型的是多層器件，然而，SiwCxOyHz膜可以用於單層器件。可以在SiwCxOyHz膜的頂部施加其它材料例如傳統的介電材料。圖1顯示了這種通過互連(6)與第一布線層的選擇區互連的第二金屬布線層(7)。但是，同樣SiwCxOyHz膜應澱積在介質和金屬之間以防止金屬擴散到介質中。該SiwCxOyHz膜可以按如上所述的方式形成。於是，金屬布線夾在SiwCxOyHz膜之間。對於電路內的各種金屬化層來說，該工藝可以重複多次。
還應注意，該技術可應用於其上安裝了上述電路的布線板。這些布線板上的金屬布線和SiwCxOyHz膜的結構與上面所描述的一樣。其它應用包括在不希望金屬擴散到其它層中去的地方覆蓋該金屬。
可以將圖1和2中所示的層描述如下1是電路組件。它可以是本領域已知的任何電路組件。
2是器件區。器件區是本領域已知的，並且上面概述了。
3是第一金屬布線層。用於形成金屬布線的方法是本領域已知的，並且上面概述了。金屬布線(3)由如前面所述的導電金屬形成。
4是阻擋層。阻擋層(4)可以是SiwCxOyHz膜或者SiwCxOyHz膜與一種或多種阻擋材料如a-SiC:H、a-SiN:H、a-SiCN:H、阻擋金屬(即Ta、Ti)和其它已知的阻擋材料的組合。通常，當使用阻擋材料的組合時，這些材料覆蓋布線的不同部分。優選阻擋層是這裡所述的SiwCxOyHz膜。優選通過三甲基矽烷與N2O的等離子增強化學汽相澱積製備層4。
4(a)也是這裡所述的阻擋層。4(a)僅在圖2中示出了。
5是第一中間介質層。該中間介質層可以從任何已知的中間層材料例如氧化矽、碳化矽、碳氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、碳氮化矽、有機材料製成，上述有機材料例如是聚醯亞胺、環氧樹脂、PARYLENETM、SILK、由hydrogen silsesquioxane(Fox，XLKTM)製成的那些材料。此外，中間介質層可以是這裡描述為阻擋層的SiwCxOyHz膜。這是使用SiwCxOyHz膜的獨特特徵之一。當施加的厚度足以至少部分填充金屬布線之間的間隙時，SiwCxOyHz膜還可以作為介質材料。這是由於該材料的低介電常數和低電阻率。
6是互連。互連(6)連接第一金屬布線層和第二金屬布線層。互連(6)可以由與金屬布線所用的金屬相同或者不同的導電金屬形成。
7是第二金屬布線層。該第二金屬布線層(7)可以由與第一金屬布線層相同或者不同的導電金屬製成。
9是第二中間介質層。該第二中間介質層(9)可以與第一中間介質層(5)相同或者不同。
10是蝕刻停止層(圖2)。在通過鑲嵌技術形成的器件中，當形成其中施加金屬布線的溝槽時，施加該蝕刻停止層以防止向下蝕刻到其它層中。
本發明並不限於僅具有這些層的器件。在器件中或者器件上可以形成實現器件的平整化、鈍化、操作或保護的其它層。
舉例下面例舉非限制性的例子，以使本領域技術人員可以更容易地理解本發明。
下面的例子演示具有優異的擴散阻擋性能和低k值的氧化的有機矽烷薄膜的澱積。利用化學汽相澱積室DxZ」和室處理配套器材(Applied Materials，Inc.製造)實施這些例子。「DxZ」包含固態RF匹配單元。
例1在8.7乇的室壓和370℃的溫度下將氧化的三甲基矽烷膜澱積在8英寸矽晶片上，反應氣體按如下方式流入反應器三甲基矽烷，(CH3)3SiH 210sccm氦，He，600sccm二氧化碳，CO2，165sccm
襯底離氣體配給噴頭435密耳，並且給噴頭施加585W的高頻功率(13.56MHz)，用於等離子增強澱積。氧化的三甲基矽烷材料具有1.88的折射率，以1467A/分鐘的速度和2％的整個晶片均勻度澱積，並且具有4.5的介電常數。
例2在7乇的室壓和370℃的溫度下將氧化的三甲基矽烷膜澱積在8英寸矽晶片上，反應氣體按如下方式流入反應器三甲基矽烷，(CH3)3SiH， 350sccm氦，He， 300sccm一氧化二氮，N2O，420sccm襯底離氣體配給噴頭300密耳，並且給噴頭施加800W的高頻功率(13.56MHz)，用於等離子增強澱積。氧化的三甲基矽烷材料具有1.46的折射率，以14080A/分鐘的速度和3％的整個晶片均勻度澱積，並且具有2.6的介電常數。
例3在6乇的室壓和370℃的溫度下將氧化的三甲基矽烷膜澱積在8英寸矽晶片上，反應氣體按如下方式流入反應器三甲基矽烷，(CH3)3SiH， 350sccm氦，He， 300sccm一氫化二氮，N2O， 820sccm襯底離氣體配給噴頭400密耳，並且給噴頭施加625W的高頻功率(13.56MHz)加上95W的低頻功率(350KHz)，用於等離子增強澱積。氧化的三甲基矽烷材料具有1.44的折射率，以16438A/分鐘的速度和5％的整個晶片均勻度澱積，並且具有2.5的介電常數。
例4在8.7乇的室壓和370℃的溫度下將氧化的三甲基矽烷膜澱積在8英寸矽晶片上，反應氣體按如下方式流入反應器
三甲基矽烷，(CH3)3SiH， 210sccm氦，He， 600sccm氧，O2， 100sccm襯底離氣體配給噴頭435密耳，並且給噴頭施加700W的高頻功率(13.56MHz)，用於等離子增強澱積。氧化的三甲基矽烷材料具有1.41的折射率，以5965A/分鐘的速度和4％的整個晶片均勻度澱積，並且具有2.6的介電常數。
例5在8.7乇的室壓和370℃的溫度下將氧化的三甲基矽烷膜澱積在8英寸矽晶片上，反應氣體按如下方式流入反應器三甲基矽烷，(CH3)3SiH， 200sccm氦，He，800sccm一氧化二氮，N2O， 100sccm氮，N2， 200sccm襯底離氣體配給噴頭435密耳，並且給噴頭施加585W的高頻功率(13.56MHz)，用於等離子增強澱積。氧化的三甲基矽烷材料具有1.59的折射率，以2058A/分鐘的速度和6.5％的整個晶片均勻度澱積，並且具有3.4的介電常數。
例6在8.7乇的室壓和370℃的溫度下將氧化的三甲基矽烷膜澱積在8英寸矽晶片上，反應氣體按如下方式流入反應器三甲基矽烷，(CH3)3SiH， 200sccm氦，He， 800sccm一氧化二氮，N2O， 150sccm氮，N2， 100sccm襯底離氣體配給噴頭435密耳，並且給噴頭施加585W的高頻功率(13.56MHz)，用於等離子增強澱積。氧化的三甲基矽烷材料具有1.48的折射率，以5410A/分鐘的速度和5％的整個晶片均勻度澱積，並且具有3.0的介電常數。
例7在Applied Materials PECVD設備的氣體混合物中添加和不添加少量的N2O的情況下澱積SiCH膜。表1總結了澱積參數。
利用形成有Cu電極的電容結構測量介電常數k，在1MHz下的結果示於表中。引入更多的N2O稍微降低了相對介電常數k。
在室溫測量的介質擊穿強度表明，包含N2O的工藝澱積的膜表現出較高的擊穿強度，在4-5MV/cm的範圍內，與此相反不包含N2O(例如a-SiC:H)情況下的擊穿強度大約為3.0MV/cm。在這些材料的另外測試中，進行銅擴散的偏壓-溫度-應力測試(bias-temperature-stress test)，在保持在250℃的同時將高電場(2.5MV/cm)施加給電容器。給電極施加正電壓將驅使電極中的Cu穿過電容器到達相對電極。當出現這種情況時，電容器將變為導電，並且將出現短路。通過到達短路條件所需的時間評定阻擋性能。發現在沒有N2O的情況下澱積的膜(例如a-SiC:H)中達到電容器失效的時間大約為30000-80000秒，比在具有N2O的情況下澱積的膜上測得的時間短10-100倍。因此引入氧化劑也提高了阻擋性能。
權利要求
1.一種集成電路，該集成電路由形成到由半導體材料製成的襯底中的固態器件的子組件、連接所述固態器件的金屬布線和至少形成在金屬布線上的擴散阻擋層構成，其中所述擴散阻擋層是具有SiwCxOyHz組成的合金膜，其中w的值為10-33，x的值為1-66，y值為1-66，z值為0.1-60，並且w+x+y+z＝100原子％。
2.如權利要求1所述的集成電路，其中擴散阻擋層是通過化學汽相澱積製成的。
3.如權利要求1所述的集成電路，其中擴散阻擋層是通過旋塗澱積製成的。
4.如權利要求2所述的集成電路，其中擴散阻擋層是通過反應氣體混合物的化學汽相澱積製成的，所述反應氣體混合物包括含甲基的矽烷和控制量的氧提供氣體。
5.如權利要求4所述的集成電路，其中含甲基的矽烷是三甲基矽烷。
6.如權利要求4所述的集成電路，其中氧提供氣體選自CO2、CO、臭氧、氧、一氧化二氮和氧化一氮。
7.如權利要求1所述的集成電路，其中w的值為18-20原子％。
8.如權利要求1所述的集成電路，其中x的值為18-21原子％。
9.如權利要求1所述的集成電路，其中y的值為5-38原子％。
10.如權利要求1所述的集成電路，其中z的值為25-32原子％。
11.如權利要求1所述的集成電路，其中金屬布線是鋁。
12.如權利要求1所述的集成電路，其中金屬布線是銅。
13.一種防止電路中相鄰器件互連之間金屬離子遷移的方法，所述電路具有金屬布線，該方法包括至少在金屬布線上塗覆具有SiwCxOyHz組成的合金膜的擴散阻擋層，其中w的值為10-33，x的值為1-66，y值為1-66，z值為0.1-60，並且w+x+y+z＝100原子％。
14.如權利要求13所述的方法，其中通過化學汽相澱積製成擴散阻擋層。
15.如權利要求14所述的方法，其中通過反應氣體混合物的化學汽相澱積製成擴散阻擋層，所述反應氣體混合物包括含甲基的矽烷和控制量的氧提供氣體。
16.如權利要求15所述的方法，其中含甲基的矽烷是三甲基矽烷。
17.如權利要求16所述的方法，其中氧提供氣體選自空氣、臭氧、氧、一氧化二氮和氧化一氮。
18.如權利要求17所述的方法，其中w的值為18-20原子％。
19.如權利要求18所述的方法，其中x的值為18-21原子％。
20.如權利要求19所述的方法，其中y的值為31-38原子％。
21.如權利要求20所述的方法，其中z的值為25-32原子％。
22.如權利要求21所述的方法，其中金屬布線是鋁。
23.如權利要求22所述的方法，其中金屬布線是銅。
全文摘要
一種集成電路，包括形成到由半導體材料製成的襯底中的固態器件的子組件。組件內的該器件通過由導電金屬形成的金屬布線連接。具有Si
文檔編號H01L23/532GK1524291SQ02803438
公開日2004年8月25日 申請日期2002年1月3日 優先權日2001年1月3日
發明者M·洛博達, M 洛博達 申請人:陶氏康寧公司