利用無電鍍化學的深通孔晶種修復的製作方法
2023-05-31 01:57:56
專利名稱：利用無電鍍化學的深通孔晶種修復的製作方法
技術領域：
本發明涉及微電子處理領域，更具體地涉及在深通孔內形成連續金屬膜的方法及其形成的結構。
背景技術：
在微電子器件製造中，現在正在實踐的技術是製備凹槽或通孔來連接襯底內多級導電(通常是金屬)層。隨著器件尺寸縮減到1微米以下，要採用多個金屬化層來適應更高的密度。被廣泛用作通孔金屬化材料的一種金屬膜是銅。通常，銅晶種層12(見圖2)被濺射進通孔開口14內，接著通過電鍍用銅填充層(未示出)填充通孔開口14。然而，將銅晶種層12濺射進通孔開口14內存在一個嚴重的缺點，即銅晶種層12在通孔開口14的頂部拐角16附近的沉積速率大於在通孔開口14的側壁18和底部20附近的沉積速率。這樣導致在通孔開口14的頂部形成突出物22，其遮蔽(即減損)了銅在通孔開口14的側壁18和底部20上的沉積。由於通孔開口14頂部的突出物22往往會阻礙向通孔開口14內的進一步濺射沉積，額外的濺射沉積也無法足以到達通孔開口14的底部20和側壁18，所以這種遮蔽效應可能導致通孔開口14內形成空隙(void)24或者金屬不連續區域。
對於微電子器件內縱橫比(aspect ratio)較高(即，大於3∶1)的通孔，在濺射沉積工藝過程中，由於這種遮蔽效應，在通孔的側壁和底部上濺射沉積出連續的晶種層非常困難或者根本不可能。換句話說，濺射出的晶種層在通孔內將不會連續。這意味著當隨後電鍍銅膜來填充通孔時，通孔在通孔填充金屬化過程中將出現空隙，這種空隙可能給器件的可靠性和性能帶來負面影響。因此，希望能形成連續的晶種層，再在其上鍍金屬填充層，從而防止了縱橫比較高的通孔內空隙的形成。本發明即提供了這種方法及其相關結構。
發明內容
一方面，本發明提供了一種形成晶種層的方法，包括在襯底中的凹槽內形成非連續的金屬層；激活所述凹槽內的所述非連續的金屬層和至少一個未沉積區域；以及在所述凹槽內的所述非連續的金屬層上和所述至少一個未沉積區域上無電地沉積晶種層。
另一方面，本發明提供了一種形成微電子結構的方法，包括在襯底中形成凹槽；在所述凹槽內形成非連續的金屬層；激活所述凹槽內的所述非連續金屬層和至少一個未沉積區域；在所述凹槽內的所述非連續金屬層上和所述至少一個未沉積區域上無電地沉積晶種層；以及在所述晶種層上方形成金屬填充層。
另一方面，本發明提供了一種微電子結構，包括襯底中的凹槽；設置在所述凹槽內的非連續金屬層；設置在所述凹槽內的所述非連續金屬層上和至少一個未沉積區域上的晶種層；和設置在所述晶種層上的金屬填充層。
雖然本說明書、權利要求書已經具體指出並明確要求了本發明的權利要求，但結合附圖，閱讀下面對本發明的描述可更容易地理解本發明的優點，其中附圖包括圖1A-1I表示當實施本發明方法實施例時，可以形成的結構的橫截面。
圖2表示現有技術中結構的橫截面。
具體實施例方式
在下面詳細的描述中，參照了附圖；為了說明起見，這些附圖示出了其中可以實施本發明的具體實施例。這些實施例被足夠詳細地描述出，以使本領域的技術人員能夠實施本發明。應該理解到，本發明的各種實施例雖然不同，但並不一定是相互排斥的。例如，這裡結合一個實施例所描述的特定特徵、結構或特性可以在其他的實施例中實現，而沒有偏離本發明的精神和範圍。此外，應該理解到，每個公開實施例中單個元件的位置或布置可以被修改，而不偏離本發明的精神和範圍。因此，下面詳細的描述不應認為是限制性的，而本發明的範圍僅由被恰當解釋的所附權利要求以及該權利要求能夠要求的全部等同範圍來限定。在圖中，相同標號表示這幾幅視圖中相同或類似的功能元件。
下面將要描述到在縱橫比較大的凹槽內形成銅膜的方法及其相關結構。這些方法包括形成凹槽，在該凹槽內形成非連續的金屬層，激活該凹槽內非連續的金屬層和多個未沉積區域，在該凹槽內無電地鍍出晶種層，以及在晶種層上電鍍金屬填充層，從而形成基本無空隙的、金屬填充的凹槽。濺射出非連續金屬層、接著在該非連續金屬層上無電地鍍出晶種層，這種組合的方法使得能夠在凹槽的底部和側壁上形成基本無空隙的、幾乎是100％的金屬覆蓋層。
圖1A-1F示出了製備微電子結構的方法。在本發明的一個方法實施例中，圖1A示出了襯底102，其包括但不限於矽、二氧化矽、氮化矽、氧氮化矽等。當然，應該理解到，襯底102可以出現在微電子器件內的任意位置處。如本領域所公知的，該襯底還可以包括對著主要器件面的一面，即矽晶片的「背面」。襯底102包括第一表面106。
如圖1B所示，接著，襯底102被本領域公知的方法圖案化並蝕刻，從而形成從襯底102的第一表面106向襯底102內延伸的凹槽104(例如溝槽或通孔)。凹槽104包括內壁108和底部110。凹槽104可以是縱橫比較大的凹槽，其中凹槽104的高度122與凹槽104的寬度120的比可以大於3∶1，即凹槽104的縱橫比優選大於3∶1。
因為凹槽104是高縱橫比的凹槽，所以由前面討論的遮蔽效應會導致凹槽104內可能形成非連續金屬層112。如本領域公知的，這種非連續金屬層112可以由濺射沉積工藝、或例如原子層沉積(ALD)的其他物理濺射沉積工藝、或例如等離子增強化學沉積(PECVD)的化學沉積工藝形成。沉積溫度可以是約100-200℃。壓力可以是約1-10mTorr，功率可以為5至約10KW。用來形成非連續金屬層112的材料可以包括但並不限於鉭、氮化鉭、氮化鉭矽、鎢、鈦、鈦鎢、氮化鈦、氮化鈦矽以及這些材料的組合。非連續金屬層112為隨後形成的銅層或銅合金層提供了擴散屏障(barrier)。非連續金屬層112的厚度可以為約300至約500埃，優選為不到500埃。
因為凹槽104優選是高縱橫比的凹槽，所以非連續金屬層112不可能充分形成在凹槽104的內壁108和底部110上，或完全覆蓋這兩部分。由於濺射遮蔽效應的現象(前面所述的，見圖2)，凹槽104內可能形成未沉積區域；其中，高縱橫比的凹槽(例如凹槽104)的頂部附近濺射層比該凹槽底部附近更厚，並且凹槽頂部附近的更厚層往往阻礙了高縱橫比凹槽內完全的金屬覆蓋。因此，凹槽104內可能存在多個沒有被非連續金屬層112覆蓋的未沉積區域，如圖1C中所示的未沉積內壁區域109和未沉積底部區域111。這些凹槽104內的未沉積區域上沒有非連續金屬層112。
如圖1D所示，凹槽104內的非連續金屬層112、未沉積內壁區域109和未沉積底部區域111可以通過在非連續金屬層112、未沉積內壁區域109和未沉積底部區域111上形成活化層114而被激活。活化層114可以包括但不限於鈀或鉑，並且可以被包含在例如包括氯化鈀(PdCl2)或氯化鉑(PtCl2)的溶液中。
活化層114可以通過接觸置換法形成在非連續金屬層112上，在這種接觸置換法中，非連續金屬層112被置入溶液浴中，所述溶液可以包括Pd或Pt離子、還原劑(例如但不限於次磷酸鹽、二甲基胺硼烷或肼)、絡合劑(例如乙酸或檸檬酸)以及酸(例如但不限於氫氟酸、鹽酸或硝酸)或鹼(例如但不限於氫氧化四甲基銨或氫氧化鉀)。活化層114可以不到300埃，並且通常為100埃。活化層114激活非連續金屬層112、未沉積內壁區域109和未沉積底部區域111以進行自催化反應，例如無電沉積反應。
如圖1E所示，晶種層116可以通過無電沉積形成在活化層114上。晶種層116可以含有金屬材料，包括但不限於銅。晶種層116在活化層114上形成幾乎是100％連續的金屬膜覆蓋層(因此在凹槽104的內壁108和底部110上提供了幾乎100％的臺階覆蓋)。無電鍍出的晶種層116包括多個其直徑118一般約為1微米或更大的晶粒117(見圖1F)。如本領域所公知的，活化層114可以在晶種層116的無電沉積過程中幾乎被包容(subsumed)(見圖1G)，或者可以如圖1E所繪的保持原樣不動。
各種已知的無電沉積方案的其中一種可用來無電地沉積出晶種層116。優選實施例的無電溶液可包括提供Cu2+陽離子的硫酸銅、作為Cu2+陽離子絡合劑的乙二胺四乙酸(EDTA)、提供氫氧根陰離子的氫氧化季銨、作為還原劑的甲醛(HCHO)或乙醛酸、作為表面活性劑和潤溼劑的RHODAFAC RE 610TM或聚乙二醇、和作為穩定劑和延展促進劑的氰化銨或2，2」-聯吡啶。在晶種層116的無電沉積之後，襯底102可以在去離子水中清洗以去除無電沉積溶液。應該認識到，晶種層116的形成需要控制時間，以使它不會充分地填充凹槽104。
如圖1H所示，金屬填充層120可以形成在晶種層116上。金屬填充層120可以包括金屬材料，其包括但不限於銅。如本領域所公知的，金屬填充層120可以利用電鍍工藝形成在晶種層116上。金屬填充層120形成在凹槽104內的晶種層116上，這樣使得凹槽被金屬填充層充分填充120，而不存在空隙(如現有技術中在非連續金屬層112上沒有沉積無電晶種層116而存在的空隙)。
無電沉積的晶種層116防止了金屬填充層120中空隙的形成，這是因為金屬填充層120可以鍍在或形成在連續的電鍍晶種層膜上，例如晶種層116。利用直接沉積在非連續的金屬層112上的濺射晶種層(如現有技術中採用的)，無法形成這種連續的晶種層，這是因為由於前述的遮蔽效應，使用濺射出來的晶種層不能在凹槽內形成連續膜。隨後，利用例如本領域公知的化學機械拋光技術，可以拋光金屬填充層120(見圖1I)。
如上所述，本發明提供了在高縱橫比的凹槽內形成連續晶種層的方法和相關結構，這樣能夠形成基本無空隙的金屬填充層，從而大大增強了根據本發明各種實施例所製得的微電子器件的可靠性和性能。
雖然前面的描述已經指明了本發明方法中可以使用的某些步驟和材料，但本領域的技術人員將認識到可以進行許多修改和替換。所有這樣的修改、變化、替換和添加都被視為落在所附權利要求所限定的本發明的精神和範圍內。此外，應該認識到，在例如矽襯底的襯底上製備多個金屬層以製造微電子器件是本領域公知的。因此，應認識到，這裡所提供的圖僅僅示出了示例性的、與實施本發明有關的微電子器件的部分。因此，本發明並不限於這裡所述的結構。
權利要求
1.一種形成晶種層的方法，包括在襯底中的凹槽內形成非連續的金屬層；激活所述凹槽內的所述非連續的金屬層和至少一個未沉積區域；以及在所述凹槽內的所述非連續的金屬層上和所述至少一個未沉積區域上無電地沉積晶種層。
2.如權利要求1所述的方法，其中形成所述凹槽的步驟包括形成高縱橫比的凹槽，其縱橫比大於約3∶1。
3.如權利要求1所述的方法，其中形成所述非連續金屬層的步驟包括形成至少一種下列材料的非連續層，所述材料包括鉭、氮化鉭、氮化鉭矽、鎢、鈦、鈦鎢、氮化鈦、氮化鈦矽及它們的組合。
4.如權利要求1所述的方法，其中激活所述凹槽內的所述非連續金屬層和所述至少一個未沉積區域的步驟包括在所述凹槽內的所述非連續金屬層上和在所述至少一個未沉積區域上形成活化層。
5.如權利要求4所述的方法，其中激活所述凹槽內的所述非連續金屬層和所述至少一個未沉積區域的步驟包括在所述凹槽內的所述非連續金屬層上和在所述至少一個未沉積區域上形成至少一個鈀層或鉑層。
6.如權利要求1所述的方法，還包括在所述晶種層上形成金屬填充層。
7.如權利要求6所述的方法，還包括利用化學機械拋光工藝來拋光所述金屬填充層。
8.如權利要求6所述的方法，其中形成所述金屬填充層的步驟包括形成基本無空隙的金屬填充層。
9.一種形成微電子結構的方法，包括在襯底中形成凹槽；在所述凹槽內形成非連續的金屬層；激活所述凹槽內的所述非連續金屬層和至少一個未沉積區域；在所述凹槽內的所述非連續金屬層上和所述至少一個未沉積區域上無電地沉積晶種層；以及在所述晶種層上方形成金屬填充層。
10.如權利要求9所述的方法，其中形成所述凹槽的步驟包括形成高縱橫比的凹槽，其縱橫比大於約3∶1。
11.如權利要求9所述的方法，其中形成所述非連續金屬層的步驟包括形成至少一種下列材料的非連續層，所述材料包括鉭、氮化鉭、氮化鉭矽、鎢、鈦、鈦鎢、氮化鈦、氮化鈦矽及它們的組合。
12.如權利要求9所述的方法，其中無電地沉積所述晶種層的步驟包括無電地沉積含有直徑約為1微米或更大的晶粒的銅層。
13.如權利要求9所述的方法，其中形成所述金屬填充層的步驟包括電鍍出所述金屬填充層。
14.如權利要求9所述的方法，其中形成所述金屬填充層的步驟包括形成基本無空隙的金屬填充層。
15.如權利要求9所述的方法，其中形成所述金屬填充層的步驟包括電鍍出銅層。
16.一種微電子結構，包括襯底中的凹槽；設置在所述凹槽內的非連續金屬層；設置在所述凹槽內的所述非連續金屬層上和至少一個未沉積區域上的晶種層；和設置在所述晶種層上的金屬填充層。
17.如權利要求16所述的結構，其中所述晶種層包括直徑約為1微米或更大的晶粒。
18.如權利要求16所述的結構，其中所述非連續金屬層包括鉭、氮化鉭、氮化鉭矽、鎢、鈦、鈦鎢、氮化鈦、氮化鈦矽及它們的組合的至少其中之一。
19.如權利要求16所述的結構，其中所述晶種層包括銅。
20.如權利要求16所述的結構，其中所述凹槽包括高縱橫比的凹槽，其中所述高縱橫比包括大於約3∶1的縱橫比。
21.如權利要求16所述的結構，其中所述金屬填充層包括基本無空隙的金屬填充層。
全文摘要
本發明描述了在縱橫比較大的通孔內形成連續晶種層的方法及其相關結構。這些方法包括在襯底中形成凹槽，在該凹槽內形成非連續的金屬層，激活該凹槽內非連續的金屬層和多個未沉積區域，在該凹槽內經激活的非連續金屬層和多個未沉積區域上無電地沉積晶種層，以及在晶種層上電鍍金屬填充層，從而形成基本無空隙的經填充的凹槽。
文檔編號H01L21/768GK1614777SQ20041008069
公開日2005年5月11日 申請日期2004年9月27日 優先權日2003年9月25日
發明者託馬斯·S·多裡, 肯尼思·N·黃 申請人:英特爾公司