在圖形化的電介質上形成包含催化劑的層膜的方法

2023-06-15 07:12:16 3

專利名稱：在圖形化的電介質上形成包含催化劑的層膜的方法
技術領域：
本發明一般涉及集成電路製造領域，更特別地，涉及通過諸如無電鍍(electroless plating)的溼法化學沉積過程在諸如溝槽和通孔的圖形化的電介質(patterned dielectric)上形成金屬層。
背景技術：
在集成電路中，諸如電晶體、電容器、電阻器等的巨量電路元件形成在適當的基片之內或之上，通常是在基本上平坦的構造中。由於集成電路的大量電路元件及所需要的複雜布局(layout)，通常可能無法將單個電路元件的電連接建立在製備有電路元件的相同層(level)內，而是需要一個或多個額外的「布線(wiring)」層，也稱為金屬化層(metallization layers)。這些金屬化層通常包括提供層內(inner-level)電連接的金屬線，並且還包括多個層間(inter-level)連接，也稱為通孔，其中金屬線和通孔也可通稱為互連(interconnects)。
由於現代集成電路中電路元件的特徵尺寸不斷縮小，使得特定晶片區域中的電路元件數目，亦即封裝密度，也增加，所以需要更大量增加電互連的數目，以提供所期望的電路功能。因此，堆疊金屬化層的數目可能會隨著每晶片區域中電路元件數目的變大而增加。由於製造多個金屬化層需要解決極富挑戰性的問題，諸如複雜的鋁基微處理器所需要的十二個堆疊金屬化層的機械、熱與電可靠性，越來越多的半導體製造商用可允許更高電流密度並因此可減小互連尺寸的金屬來取代熟知的金屬化金屬鋁。例如，通常認為銅是取代鋁的可行的候選金屬，因為同鋁相比，銅具有更高的電遷移阻力和顯著更低的電阻率的優異特性。儘管有這些優點，然而銅也會表現出有關半導體設備中加工和處理銅的大量缺點。舉例而言，通過成熟的沉積方法，諸如化學氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)，可能無法有效地將銅大量地施加到基片上，並且由於銅會形成非揮發性(non-volatile)反應產物的特性，所以通過常用的各向異性蝕刻步驟可能無法將銅有效地圖形化。因此，在製造包含銅的金屬化層時，優選使用所謂的鑲嵌技術(damascene technique)，其中先施加介電層，然後圖形化以定義溝槽和通孔，該溝槽和通孔隨後以銅填充。銅的另一個主要缺點是它在二氧化矽及其它介電材料中易於擴散的傾向。
因此有必要與銅基的金屬化一起使用所謂的阻擋材料(barriermaterial)，以基本上避免銅向外擴散至周圍的介電材料內，因為銅可能會輕易遷移到敏感的半導體區域，從而顯著地改變其特性。由於溝槽與通孔的尺寸目前接近約0.1μm和更小的寬度或直徑以及約5或更高的通孔縱橫比(aspect ratio)，因此，使阻擋層可靠地沉積在通孔與溝槽的所有表面上並隨後基本上沒有空隙(voids)地將其以銅填充是製備現代集成電路中最富挑戰性的問題之一。
目前，形成銅基的金屬化層是通過將適當的介電層圖形化並通過諸如濺射沉積的先進PVD技術來沉積阻擋層，例如包含鉭和/或氮化鉭。對於在具有5或甚至更高縱橫比的通孔內沉積10至50nm的阻擋層而言，通常使用增強的濺射工具。該工具提供了在靶原子(target atoms)濺射離開靶之後將所期望部分的靶原子電離的可能性，由此在某種程度上可控制通孔內的底部覆蓋率(coverage)及側壁覆蓋率。之後，將銅填入通孔與溝槽內，其中已證實電鍍(electroplating)是可行的過程技術，因為同CVD和PVD的速率相比，在所謂的由下至上的方式(bottom-upregime)中，其中以基本上無空隙的方式從底部開始填充開口，電鍍能以高沉積率填充通孔與溝槽。一般地，在電鍍金屬時，在待電鍍的表面與電鍍液(plating solution)之間必須施加外電場。由於用於製造半導體的基片可能是在限制的區域處接觸，通常是在基片的周邊處，因此不得不提供覆蓋基片及將要接收金屬的表面的導電層。儘管先前沉積在圖形化的電介質上的阻擋層可作為電流分布層，然而，由於結晶性(crystallinity)、均勻性(uniformity)與附著(adhesion)特性，目前在後續電鍍過程中需要所謂的銅晶種層(seed layer)，以獲得具有所需電性能和機械性能的銅溝槽與通孔。使用同用於沉積阻擋層基本上相同的過程工具通過濺射沉積來典型地施加銅晶種層。
對於下一代器件中0.1μm及更小的通孔尺寸而言，濺射沉積具有如阻擋層及晶種層所要求的高保形度(high degree of conformity)的超薄金屬層可能會成為限制因素，因為上述先進濺射工具的覆蓋率特性在沒有顯著改變這些工具的情況下可能無法進一步地提高，而此種改變似乎不是簡單的開發。特別是晶種層的沉積可能無法通過PVD用簡單的方式加以進行，因為這裡晶種層的均勻性——與阻擋層「僅」要求對開口內表面的充分及完全覆蓋相反——在某種程度上會決定後續電鍍過程的均勻性。此外，當製備適於阻擋層的超薄層膜的PVD技術用來形成晶種層時，可能會導致電阻增大，由此降低後續電鍍過程的初始沉積率。
在印刷線路板工業中，通常使用無電銅沉積在一般不導電的圖形化結構上形成銅層。該無電沉積需要使電鍍液所含試劑的化學反應主動開始(active initiation)，以還原銅並在結構上沉積銅層。該主動開始可通過催化材料，或者如同目前印刷線路板中所使用的那樣通過包含膠體(colloids)的電鍍液來實現。雖然包含膠體的電鍍液可成功地用來塗覆具有數十微米(μm)的通孔的印刷板，但由於下列原因，該沉積方法相當不適合複雜集成電路的金屬化層。膠狀電鍍液可能會輕易形成尺寸可能遠超過所感興趣電路的特徵尺寸的團簇(clusters)。此外，電鍍銅的附著性能不符合半導體工業的要求，因為過量的銅(excess copper)通常是通過化學機械拋光加以去除的，該化學機械拋光需要銅具有高機械穩定性以及對鄰接材料的高附著力。因此，團簇的形成，即便其尺寸可維持在臨界水平以下，和減小的附著力一起，可能會使銅線及通孔承受更強的電遷移效應，從而導致相應的方法並不是所期望的。
鑑於上述情形，因此希望提供一種通過無電沉積能有效形成諸如銅和/或銅合金層的金屬層的技術，由此避免或至少減輕以上所確定問題中的一個或多個。

發明內容
本發明一般涉及通過無電鍍沉積在圖形化結構上形成金屬層的改進技術，其中通過CVD和/或PVD和/或原子層沉積(ALD)，至少在圖形化結構的表面部分上提供催化材料，也就是，激活在電鍍液中還原欲沉積金屬的化學反應的材料。該化學沉積的金屬層於是可作為電鍍過程的晶種層，該電鍍過程將大量金屬(bulk metal)填入圖形化結構的溝槽與通孔內。
根據本發明的一個示意性實施例，在圖形化電介質上形成金屬層的方法包括在至少暫時包含催化材料的氣態沉積環境下，在圖形化電介質上沉積第一材料層。將第一材料層暴露於包含待沉積金屬的離子的電鍍液，其中攙入到(incorporated)第一材料層中的催化材料使得還原金屬離子並在第一材料層上形成金屬層的反應開始。
根據本發明的另一個實施例，形成金屬化層的方法包括通過化學氣相沉積、物理氣相沉積及原子層沉積中的至少一種，在圖形化結構的表面部分上沉積催化材料。此外，通過使用電鍍液的無電鍍沉積在圖形化結構上形成金屬層，其中催化材料使電鍍液的試劑之間的反應開始。
根據本發明的又一個示意性實施例，集成電路內的金屬化結構包括其中形成有開口的介電層及填入開口的金屬。此外，金屬與介電層之間的至少一個界面包含鉑、鈀、銀、銅及鈷中的至少一種。
根據本發明的另一個示意性實施例，集成電路內的金屬化結構包括其中形成有開口的介電層及填入開口的金屬。此外，在金屬與介電層之間形成阻擋層，其中金屬與阻擋層之間的至少一個界面包含鉑、鈀、銀、銅及鈷中的至少一種。


通過參照下面的說明和附圖可了解本發明，其中相同的參考數字代表相同的組件，以及其中圖1a-1c示意了根據本發明示意性實施例在不同製備階段期間的含銅金屬化結構的橫截面圖；圖2示意了一個用於CVD或ALD的沉積工具，該沉積工具可用來形成如圖1a-1c所示的金屬化結構；及圖3示意了一個PVD沉積工具，適當配置該沉積工具以形成用於形成圖1a-1c所示的金屬化結構的催化材料層。
雖然本發明易受到不同的變更和其它形式的影響，但是其特定的實施例已在圖中示例顯示並在此給予了詳細說明。然而，應了解的是，此處對特定實施例的說明並不是要限制本發明於所公開的特定形式，相反，本發明意在涵括由隨附的權利要求所界定的落在本發明精神和範圍之內的所有變更、等效及選擇。
具體實施例方式
下面說明本發明的示意性實施例。為了清楚起見，本說明書並未將實際實施本發明的所有特徵都作了說明。當然，應當了解，在開發任何此種實際的實施例時，必須做出許多與實施相關的決定以達到開發者的特定目標，諸如符合與系統相關和與商業相關的限制條件，而這些限制條件會隨著實施的不同而有所變化。此外，應當了解，這種開發努力可能是複雜而又耗時的，然而，對從本發明的公開中獲益的本領域的普通技術人員而言，不過是一種常規的工作。
現在參照附圖來說明本發明。雖然圖中的半導體器件的不同區域和結構具有非常準確、明顯的外形與輪廓，但是本領域的技術人員知道，實際上，這些區域和結構並不象圖中所示的那麼準確。此外，相比於所製造的器件上的那些特徵或區域的尺寸，圖中所畫出的種種特徵和摻雜區的相對尺寸可能會被誇大或縮小。因此，附圖只是用以說明與解釋本發明的示意性實施例。應以相關領域的技術人員所認定的意義來理解和解釋本文中的詞彙與措詞。本文前後一致使用的術語和措詞並非暗示該術語或措詞的特別的定義，也就是與本領域的技術人員理解的普通慣用的含義所不同的定義。如果一個術語或措詞具有特別的含義，也就是不同於技術人員所理解的含義時，本說明書將會以定義的方式來清楚地闡明這樣一個特別的定義，直接且明確地提供該術語或措詞的特別的定義。
本發明是基於這樣一個概念，即通過使用諸如CVD、PVD及ALD的先進沉積技術，可將催化材料攙入到介電層中或形成在電介質上的阻擋層中，其中，然而，催化材料的沉積不一定要在覆蓋率與均勻性方面符合嚴格的要求，因為與電鍍浴(plating bath)相接觸的表面的微量催化材料已足以使還原反應開始並沉積金屬。以這種方式，可產生高度保形的金屬層，由此避免了前述使用膠狀電鍍液的無電鍍過程的缺點，其中金屬層於是可作為沉積大量金屬的後續電鍍過程的晶種層。由於無電沉積的晶種層的優異保形性與均勻性，因此同基於PVD沉積的晶種層的過程相比，可以優異的均勻性進行後續電鍍過程。此外，同高度複雜的先進CVD和ALD技術相比，根據本發明的晶種層是以更高的沉積率形成的，因此縮短了形成金屬化層的總過程時間，同時高度保形的無電沉積能使器件尺寸按比例縮小至0.1μm及更小。
應進一步注意的是，在下列示意性實施例中，金屬化層包括銅和適當的介電材料，諸如二氧化矽或，對於先進半導體器件而言，低-k介電材料，因為尤其是銅和低-k電介質的結合似乎代表了進一步發展集成電路的最有潛力的方式。然而，本發明的原理並不限於具有直徑約為0.1μm及更小的通孔的器件，而是可應用於任何半導體器件，只要金屬層的電鍍沉積是CVD、PVD或ALD所實現的「幹法」沉積的有潛力的替代方法。此外，本發明也可結合銅以外的金屬加以應用，諸如銅合金、錫、鉛等。因此，不應認為本發明限於在此所公開的任何特定實施例，除非這些限制在隨附的權利要求中明確提出。
參考圖1a-1c、2和3，現在更詳細地說明本發明的另外示意性實施例。在圖1a中，金屬化結構100包括其上形成有第一介電層102的基片101，該第一介電層102包括金屬線104，該金屬線104包括例如包含銅的金屬區103、第一阻擋層105及第二阻擋層106。金屬線104僅僅是示意性的，因為它代表鑲嵌方案的典型結構。然而，金屬線104可代表需要形成連接到電路元件本身的通孔或溝槽的任何電路元件。第二介電層107，例如包含二氧化矽或低-k材料，形成在第一介電層102上，其中連接到金屬區103的通孔108形成在第二介電層107內。阻擋層109形成在介電層107上及通孔108的內表面區域110上。阻擋層109可包括一個或多個子層，以提供所需的阻擋和附著特性。例如，阻擋層109可包括鉭層和/或氮化鉭層，具有能可靠地完全覆蓋表面區域110，特別是通孔108的底角111的厚度。
阻擋層109至少在背離表面區域110的表面部分包含催化材料112，其中選擇催化材料以便能使沉積後續金屬層的電鍍液中所含的金屬鹽與還原劑之間的化學反應開始，其將說明如下。如果要通過無電鍍來沉積銅或銅合金，催化材料可包含鉑和/或鈀和/或銅和/或銀和/或鈷等。在某些實施例中，催化材料112可提供為阻擋層109上的基本上連續的層膜，而在其它實施例中，將微量的催化材料112攙入到阻擋層109中，以使阻擋層109的至少一個表面相對於阻擋材料而言包含約0.01或更高化學計量比(stoichiometric ratio)的催化材料112。
在另一個示意性實施例中，當欲沉積到通孔108內的金屬充分附著到介電層107上並且基本上不會在升高的溫度下擴散時，阻擋層109可代表介電層或第二介電層107的表面層。例如，氮化矽相對於銅的擴散提供優異的阻擋性能，並且當氮化矽相對較高的k所引起的寄生電容不會成為問題時，可用來作為介電擴散阻擋物。
形成金屬化結構100的典型工藝流程可包括下列過程。在製備第一介電層102內的金屬線104之後，通過例如CVD沉積第二介電層107，其中在形成介電層107之前可沉積額外的蝕刻終止層(未顯示)。隨後，通過適當的光刻與各向異性蝕刻技術形成通孔108。之後，通過適當的沉積技術形成阻擋層109，這將參考圖2和3更詳細地說明。
圖2示意了沉積工具200，配置該沉積工具200以通過化學氣相沉積來沉積金屬層。工具200包括具有連接到泵源(pump source)203的出口202的過程室201，調整該泵源203以積極維持過程室201內所期望的壓力。基片架204配置在淋浴頭(shower head)205下方，該淋浴頭205通過入口207連接到前體(precursor)與載氣源206。配置基片架204與過程室201，以分別在欲處理的基片上與室201內建立所期望的溫度，由此得到基片上所需的沉積條件及室201內適當的沉積環境。為了方便起見，並沒有顯示諸如散熱器和/或加熱器的相應裝置。此外，淋浴頭205可包括等離子激發裝置(means)(未顯示)，以產生等離子增強CVD過程所需的等離子環境。
在操作時，將基片，諸如其上形成有圖形化介電層107的基片101，安裝在基片架204上，並操作泵源203以建立使特定的前體維持在它的蒸發狀態下所需要的壓力。例如，阻擋層109可形成為氮化鈦層，因此可從金屬有機前體沉積。在其它實施例中，阻擋層109可基本上包含氮化鉭，可通過源206提供適當的氮化鉭前體。由於可事先確定一組給定參數的沉積率，因此可進行沉積阻擋層109的主要阻擋材料的過程，直到達到所期望的阻擋層109厚度，特別是在底角111處。然後，將包含催化材料112的前體添加到沉積環境中，以便繼續沉積阻擋層109，同時在其表面部分攙入催化材料。包含催化劑的前體的適當候選物是形式為Pt(hfac)2(hexafluoroacetylacetonate platinum，六氟乙醯丙酮鉑)的絡合物，或相似的化合物，其中鉑為鈀所取代。如前所述，僅可將少量的包含催化劑的前體與包含阻擋材料的前體相混合，因為極微量的催化劑112已經就可以在後續電化學過程中充分激活阻擋層109的表面。在其它實施例中，沉積阻擋層109使其具有所需厚度，之後，在適合於所使用的包含催化劑的前體的沉積環境下沉積催化材料112。由於可能不需要阻擋層109上催化材料112的連續層膜，因此在一個實施例中，催化材料112的沉積可在停止沉積阻擋層109之後立刻進行，而不需精心清洗(purging)過程室201或甚至使用另一個沉積工具。適當的壓力和/或溫度條件可在供應包含催化劑的前體期間建立，或可在沉積阻擋物之後且在供應包含催化劑的前體之前加以調整。由於僅需要微量的催化劑112，因此沉積時間可在約1-10秒的範圍內。例如，催化材料112相對於諸如阻擋層109的下面材料的表面覆蓋率約為5-15％，以及在某些實施例中約為10％，就足以在後續電鍍過程中提供所需的激活特性。選擇包含催化劑的前體的量以獲得所期望的表面覆蓋度。
在其它實施例中，催化材料112可提供為基本上連續的層膜，並因此可形成阻擋層109的表面部分。當催化材料相對於阻擋層109上待形成的金屬顯示出優異的附著和/或阻擋特性時，該實施例可能較為有利。
在其它實施例中，對於金屬化結構100的不同形貌(topographies)以及常常在銅金屬線中用作阻擋層的某些阻擋材料，諸如氮化鉭，有關層膜沉積的保形性而不產生粒子(particles)及其電阻率的限制可能無法有效滿足。在這些情況下，原子層沉積(ALD)技術可代表較優異的候選技術，因為它甚至能夠在高縱橫比的通孔中生長具有優異保形性的薄膜，而基本上不產生任何粒子，所述粒子否則會通過CVD中所使用的反應氣體的混雜而引起。此外，ALD與等離子增強ALD由於過程的數字本性(digital nature)因而能在原子尺度上控制層膜的厚度，其中每個沉積循環都需要連續提供至少兩種反應物，所述至少兩種反應物然後在基片表面上反應以沉積所期望的阻擋材料，諸如氮化鉭。對於ALD過程或等離子增強ALD過程，原則上可使用類似於參考圖2所述的沉積工具，因此在下列說明中稱之為沉積工具200。
在第一循環期間，利用諸如氬的載氣，在適當的壓力下將諸如TBTDET((Net2)3Ta)的氮化鉭前體供應到基片101。之後，可進行清洗步驟，接著供應還原氣體，或者，在等離子增強ALD過程中，可通過等離子體產生還原自由基(radicals)。例如，可建立氫或氨等離子體以在金屬化結構100上形成鉭層或氮化鉭層。之後，可進行另一清洗步驟，並可重複上述序列直到獲得所期望的厚度。下一步，一旦建立了適當的沉積溫度和壓力，就可將包含催化劑的前體，諸如Pt(hfac)或Pd(hfac)，引入過程室內。於是，在阻擋層109上形成了催化材料112的層膜，該層膜可能是或不是連續的(取決於催化劑沉積的持續時間)。
在其它實施例中，可將催化劑原子，諸如由等離子體產生的鉑或鈀原子，攙入到阻擋層109中，以形成後續電化學沉積銅的激活表面。在另一個實施例中，可以在存在微量的包含催化劑的前體時進行最終沉積循環中的一個或多個，導致上面所指定的表面覆蓋率，由此將極微量的催化劑112攙入到層膜109中，而不顯著地影響層膜109的沉積動力學以及阻擋特性。例如，可在供應阻擋物前體期間和/或在供應還原劑期間和/或在間歇進行的清洗步驟期間，添加微量的包含催化劑的前體。因此，除了額外供應少量的包含催化劑的前體氣體之外，可選擇過程參數來進行沉積阻擋層109的過程，以獲得較優異的過程性能和/或阻擋層109的增強特性。攙入催化劑的沉積時間可從約10-30秒變化。
參考圖3將說明其它實施例，其中通過諸如濺射沉積的物理氣相沉積(PVD)來形成阻擋層109與催化材料。在圖3中，濺射沉積工具300包括過程室301，該過程室301包括連接到適當泵源(未顯示)的出口302和連接到前體氣體與載氣源(未顯示)的入口307。基片架304配置在電離裝置303的下遊，配置該電離裝置303以電離原子並將它們導向安裝在基片架304上的基片，該基片架304電連接到接地電位。等離子激發裝置306位於濺射靶305附近，在一個實施例中，該濺射靶305包含諸如鉭的阻擋材料的組分(component)308，其中諸如鉑、鈀等的催化材料309分布在那裡。阻擋材料308與催化劑309之間的比率可從約100∶5變化。至少在靶305的表面部分，催化劑309可基本上均勻地分布，其中術語「均勻分布」涉及靶305的整體規模並用來描述催化劑原子基本上均勻的釋出(release)，也就是，對於濺射工具300一組給定的操作條件而言，基本上恆定數目的催化劑原子濺射離開靶305。因此，只要濺射率對於給定的工具操作條件而言基本上是恆定的，就可連續地或以離散的量來提供催化材料309，其中對於給定工具操作條件而言，催化劑原子在沉積環境中所佔的分數由靶305中的阻擋材料308與催化材料309的比率所確定。
在其它實施例中，靶305可由包含阻擋材料308的一個或多個部分和包含催化材料309的一個或多個部分形成，其中一個或多個阻擋材料部分308和一個或多個催化劑部分309的表面積比率基本上確定了通過轟擊靶305所釋出的濺射原子的比率。在一個實施例中，可將催化劑材料309配置在基本上為圓盤形的靶305的周邊，並可操作可能結合有磁鐵配件(magnet assembly)(未顯示)的等離子激發裝置306，以調整擊中靶305周邊的粒子量，由此控制所釋出的催化劑材料309的量。在另一個實施例中，靶305可包括可控的屏蔽物(未顯示)，用以覆蓋催化材料309的一個或多個部分，從而調整所釋出的催化原子的量。
應了解，沉積工具300僅為示意性質，因此可使用任何其它適當的濺射工具。例如，可用中空的陰極構造來配備某些常規的工具，其中形成該陰極，也就是靶，以獲得接近基片架304的原子和離子的高瞄準度(high degree of collimating)。在其它工具中，可將任何類型的瞄準儀配置在靶305和基片架304之間，以使靶離子基本上垂直地撞擊到基片上，如同具有高縱橫比通孔與溝槽的電路形貌所需的那樣。在這些工具中，可將催化材料309又或改為(additionally or instead)提供在瞄準儀上，由此簡化了靶305的構造，因為靶305所需要的催化材料309更少或甚至沒有。在其它濺射工具中，可將阻擋材料308與催化材料309塗在相應的線圈上以產生等離子體。關於催化材料309的配置，可應用上面參考圖3所示的靶305所給出的相同準則。
在操作期間，調整過程參數，諸如供應到等離子激發裝置306的功率、供應到電離裝置303的功率、室301中的壓力等，以獲得具有所需方向性的靶離子和/或原子轟擊。由於根據一個或多個上述實施例的催化材料309的配置，因此特定百分率的該催化材料也出現在包圍基片架304的環境中，因而也出現在包圍放置在其上的諸如基片101的基片的環境中。所以，也沉積了催化材料309並攙入到阻擋層109中，從而形成部分112，在某些實施例中，部分112可基本上均勻地分布在阻擋層109的整體厚度中。
在其它實施例中，如上所述，可通過例如暫時遮蔽靶305的一個或多個包含催化劑的部分來控制催化材料309的釋出。因此，可在沉積過程的最後階段期間有利地沉積催化材料309，以便阻擋層109中的催化材料112基本上形成在它的表面區域，由此提供所需的催化性能，而不過度影響阻擋層109的整體特性。
在另一個實施例中，可在例如包含氮的適當前體氣體存在時沉積阻擋層109，以便在阻擋層109中形成氮化物層或氮化物子層。同樣地，可一直(permanently)或在最後階段期間添加包含催化劑材料309的適當前體氣體，諸如表面積增加的類似多孔態的鉑、鈀、銀、銅、鈷，以攙入催化劑309並在阻擋層109中形成部分112。可通過添加到室301沉積環境中的包含催化劑的前體的量，也就是流速，和/或供應包含催化劑的前體的持續時間，來控制攙入到阻擋層109中的催化劑309的量。在一個實施例中，在沉積催化劑309期間，可用約10-100sccm的流速來添加包含鉑或鈀的hfac絡合物，對於類似CVD的過程，時間持續在約2-10秒的範圍內，而對於類似ALD的過程，時間持續在約10-30秒的範圍內，其中維持室301中的壓力遠低於約0.15Torr的包含催化劑的前體的蒸氣壓。在一個實施例中，利用成熟的過程參數來進行阻擋層109的沉積，直到獲得所期望的成分和厚度，以確保阻擋層109的所需特性和質量。之後，添加包含催化劑的前體，以基本上在阻擋層109的表面形成部分112，由此保持層膜109的阻擋特性。
應注意，本發明並不限於以鉭層、鈦層、氮化鉭層或氮化鈦層作為阻擋層109，而是可應用於目前與將來金屬化結構所需要的任何適當的層膜或層膜堆疊。然後可根據所考慮的沉積過程，來使用包含催化劑的適當濺射靶和/或包含催化劑的適當前體。在某些情況下，取決於阻擋層堆疊的複雜性，可能方便或需要將阻擋層109的沉積分成兩個或更多個沉積步驟，以至於只需要使最後的沉積步驟適合於將催化材料添加到阻擋層109即可。在其它實施例中，將催化材料的沉積作為相應形成序列的最後步驟被認為是適當的，該形成序列包括用於形成阻擋層109的一或多個步驟，該阻擋層109基本上在表面區域中包含催化材料112。在一個特定的實施例中，沉積催化材料以形成催化部分112的最後步驟是在與形成阻擋層109或其一部分的先前步驟相同的過程室中進行的，而不需破壞真空。例如，當沉積室包括等離子激發裝置時，對於濺射沉積、等離子增強CVD及等離子增強ALD通常是這種情況，可建立包含催化劑的等離子環境，並且阻擋層109可由催化劑而「摻雜」，其中，例如，可通過等離子特性及施加到等離子體與基片之間的偏壓來控制催化劑離子的量和/或穿透深度(penetrationdepth)。用這種方法，可將所期望量的催化劑攙入到阻擋層109中可控的深度，這對於具有10nm或甚至更小的阻擋層厚度的高度複雜的金屬化結構可能是有利的。通過控制所攙入的催化劑的量和/或深度，層膜109的阻擋與附著性能可基本上不受負面影響。
取決於形成阻擋層109的過程序列，在某些實施例中，可能適於結合兩個或更多個上述沉積技術，也就是，CVD、ALD及PVD，其中，在這些技術的一個或多個中，可用如上所述的方式形成催化部分112。
參考圖1b，金屬化結構100包括金屬層113，諸如銅層，在一個特定實施例中，該金屬層113作為後續沉積過程的晶種層。通過將金屬化結構100暴露於包含欲沉積金屬的鹽及還原劑的電解液浴(electrolyte bath)(未顯示)，而用無電沉積形成金屬層113。例如，對於銅層，可使用任何目前可用及認可的浴液成分，諸如銅、EDTANaOH和HCHO，或是銅、酒石酸鉀鈉(KNa tartrate)、NaOH、HCHO。由於阻擋層109中的催化部分112，所以沉積反應自動開始並導致具有優異結晶度的高度均勻的金屬沉積。可通過調整金屬化結構100暴露於電解液浴的持續時間而輕易地控制金屬層113的厚度。相比於用來形成例如高縱橫比通導孔中的銅晶種層的常規沉積方法，諸如濺射沉積或CVD，通過無電鍍可獲得顯著更高的沉積率，同時仍提供濺射沉積幾乎難以達到的保形度。
為了最優化金屬層113的形成過程，可進行多次試運轉以確定阻擋層109中催化劑材料112的適當的量和類型，該適當的量和類型能導致具有所期望的金屬層113保形度和質量的快速反應。例如，如參考圖1a所指定的層膜109中鉑和阻擋材料的比率，使得能在直徑為0.1μm及更小和深度為1μm及甚至更大的通孔內部，在約5-20秒的時間段內，形成厚度在約2-50nm範圍內的銅層。
圖1c示意了通過金屬電鍍填充通孔108，由此在結構100的上部形成過量金屬層114之後的金屬化結構100。可通過成熟的「由下至上」的電鍍沉積技術來實現金屬填充過程，其中金屬化結構100插入在可包含適當添加劑的電鍍浴(未顯示)中，以確保金屬的高度不保形沉積在通孔108中基本上沒有空隙和接縫。由於層膜113所提供的基本上均勻的厚度和由此得到的電流分布，因此，作為晶種層的金屬層113甚至可以提高電鍍過程的填充能力。接著可通過任何適當的過程，諸如CMP，來去除過量金屬層114，其中，由於同通過濺射沉積在高縱橫比通孔中所形成的晶種層相比，金屬層113的特性改進了，因此填入通孔108內的金屬的機械穩定性可展現出與不用電化學形成晶種層的常規金屬化序列基本上相同的質量，或甚至可顯示出較優異的穩定性。如前所述，可調整阻擋層109中催化層部分112的形成，以便在CMP過程及任何後續過程步驟期間基本上不會減損阻擋層109的附著性能。
儘管上述示意性實施例涉及通過用金屬層113作為晶種層的電鍍過程來形成金屬化結構，由於電鍍過程中成熟的「由下至上」的技術，因此特別有利於具有尺寸在深亞微米級別特徵的先進微結構，但是應了解，也可通過無電沉積來形成金屬層114，其中，層膜113可在第一沉積步驟期間或在填充通孔108的單一沉積步驟的第一階段期間形成，特別是當金屬化結構100的形貌較不重要時。
上面所公開的特定的實施例僅僅用於示意，因為可以用不同而又等效的方式來修改和實施本發明，而這些方式對於已從本說明中獲益的本領域的技術人員而言是顯而易見的。例如，上面提出的過程步驟可以用不同的順序來進行。另外，除了下面的權利要求中說明的之外，並不欲對其中所示的構建或設計的細節作限制。因此，很明顯，可以改變或修改上面所公開的特定的實施例，而所有此等變化都被認為是在本發明的精神和範圍之內。因此，在此尋求如下面的權利要求的保護。
權利要求
1.一種在形成在基片上的圖形化電介質107上形成金屬層的方法，所述方法包括在至少暫時包含催化材料112的氣態沉積環境下，在所述圖形化電介質上沉積第一材料層109；及將所述第一材料層109暴露於包含欲沉積金屬的離子的電鍍液，其中，攙入到所述第一材料層109中的所述催化材料112使得還原金屬離子並在所述第一材料層上形成金屬層的反應開始。
2.如權利要求1所述的方法，其中，所述催化材料112包含鉑、鈀、銀、銅和鈷中的至少一種。
3.如權利要求1所述的方法，其中，沉積所述第一材料層109包括通過使所述第一材料的原子以及，至少暫時地，催化劑的原子濺射離開靶來建立所述氣態沉積環境。
4.如權利要求3所述的方法，其中，所述催化材料112基本上均勻地分布在所述靶中。
5.如權利要求3所述的方法，其中，所述催化材料112提供在所述靶的一個或多個不同部分上。
6.如權利要求1所述的方法，其中，沉積所述第一材料層109包括通過使所述第一材料的原子濺射離開靶並供應包含所述催化材料的前體，來建立所述氣態沉積環境。
7.如權利要求1所述的方法，進一步包括調整所述氣態沉積環境中所述第一材料與所述催化材料的原子比率。
8.如權利要求1所述的方法，其中，沉積所述第一材料層包括通過供應一種或多種前體氣體來建立所述氣態沉積環境，所述前體氣體中的至少一種包含所述催化材料。
9.如權利要求8所述的方法，進一步包括通過控制供應所述包含催化材料的前體氣體的流速和持續時間中的至少一項，來控制攙入到所述第一材料層中的催化材料112的量。
10.如權利要求9所述的方法，其中，所述包含催化材料112的前體氣體是在沉積了預定厚度的所述第一材料層109之後供應的。
11.如權利要求6或9所述的方法，其中，所述包含催化材料的前體氣體是在停止沉積所述第一材料層之後供應的。
12.如權利要求8所述的方法，其中，用數字控制方式連續供應至少兩種不同的前體氣體，來沉積所述第一材料層。
13.如權利要求1所述的方法，其中，所述第一材料層109包括阻擋層，所述阻擋層基本上防止所述金屬擴散到由所述阻擋層所覆蓋的基片部分內。
14.如權利要求1所述的方法，進一步包括通過電鍍在所述金屬層上形成第二金屬層，其中所述金屬層作為晶種層。
15.如權利要求1所述的方法，其中，所述金屬層包含銅。
全文摘要
通過電鍍過程可在下面材料的表面區域上形成金屬層，由於在沉積下面材料期間通過CVD、PVD或ALD至少部分地沉積或攙入催化劑，所以該電鍍過程被催化激活。用這種方法，在金屬化結構的高縱橫比通孔中可形成優異的金屬晶種層。
文檔編號H01L21/288GK1742368SQ200380109159
公開日2006年3月1日 申請日期2003年12月22日 優先權日2003年1月23日
發明者M·諾珀, A·普羅伊塞 申請人:先進微裝置公司