含有鎢合金阻擋層的結構及其製作方法

2023-06-01 16:23:51

專利名稱：含有鎢合金阻擋層的結構及其製作方法
技術領域：
本發明涉及到電子器件如集成電路(IC)晶片的互連線，更確切地說是涉及到封裝在集成電路中的銅互連線。
背景技術：
過去，Al-Cu及其有關合金是製作電子器件如集成電路晶片互連線的優選合金。Al-Cu中的Cu含量典型地為0.3-4％。
用Cu和Cu合金代替Al-Cu作為晶片的互連材料在性能上有許多優點。由於Cu和某些銅合金的電阻率低於Al-Cu，使性能得到改善，這樣就可使用較窄的線條，並實現較高的引線密度。
Cu金屬化的優點已為半導體工業界所認識。事實上，由於其高電導率和改善可靠性，半導體工業正在迅速地捨棄鋁而選用銅作為晶片互連材料。
製作晶片互連包括許多相關的工序。具體說來，銅互連是使用所謂的雙嵌入(Dual Damascene)工藝，其中一個通道和一條引線是在一個工序中一起製作的。成功地製作雙嵌入銅互連線需要克服的幾個重要的綜合問題是阻擋層和籽層膜的連續性和銅電鍍工藝的能力，以在沿雙嵌入溝槽側壁、底面以及沿引線中間得到無縫和無孔的沉積層。此外，1999年版的International Technology Roadmap forSemiconductors呼喚在未來的互連金屬化中需要直徑小的孔和高的長寬比。
在許多現有技術中，銅是電沉積在銅籽層上的，而銅籽層沉積在擴散層上。擴散阻擋層和Cu籽層二者典型地都是用物理汽相沉積(PVD)、離化物理汽相沉積(IPVD)、或化學汽相沉積(CVD)技術(Hu et al.，Mat.Chem.Phys.，52(1998)5)來沉積的。所有這些方法，PVD、IPVD、和CVD都需要專用的真空設備。而且，擴散阻擋層常由兩層(例如，Ti/TiN雙層阻擋層)組成。
因此，為簡化工藝和/或所需的層，現有技術還有改進的餘地。

發明內容
本發明使用某些鎢的擴散阻擋層，使得能夠實現完全封裝的集成電路銅互連線。本發明是關於使用電沉積的含鈷和/或鎳的鎢合金擴散阻擋層的。
本發明也使在阻擋層上用電化學方法直接沉積銅成為可能。
尤其是，本發明涉及到一種電子學結構，該結構含有襯底，襯底的介電層中有通道開孔；此通道開孔具有底層，是將鈷、鎳或二者沉積在通道開孔的側壁、下表面而成的；在底層側壁和下表面上的阻擋層；其中阻擋層包括電沉積的鎢合金層，鎢合金層至少包括選自鈷、鎳及其混合物組中的一種。
本發明的另一方面涉及到一種電子學結構的製作方法，包括在襯底上製作絕緣材料層；在絕緣材料層中用光刻確定和製作引線和/或通道凹槽，互連導體材料將沉積在其中；覆蓋沉積鈷、鎳或二者的底層；在底層上電沉積鎢合金阻擋層，該阻擋層至少包括選自鈷、鎳及其混合物組中的一種。
從下面的詳細描述，本技術領域的熟練人員將容易明了本發明的其他目的和優點。在下面的描述中，通過簡單地說明實現本發明所設想的最佳模式，表示和描述了本發明的優選實施方式。將認識到，此發明可有其他的和不同的實施方式，其幾處詳情也可在明顯不同的方面作出修改而沒有背離本發明。因此，其描述只是說明而不是限制。


圖1-6為根據本發明的電子學結構在不同的製作階段的示意圖。
具體實施例方式
將參照附圖以便於了解本發明。如圖1所示，在襯底1(例如，半導體晶片襯底)上提供絕緣材料層2如二氧化矽可得到本發明的結構。
用圖2所示的熟知技術在絕緣材料層2中光刻確定和製作引線和/或通道開孔3。根據本發明，在此結構上覆蓋沉積鈷和/或鎳底層4，優選地為鈷，如圖3所示。此沉積典型地用CVD(化學汽相沉積)法來實現，或優選地用濺射法。濺射法典型地為PVD(物理汽相沉積)或IPVD(離化物理汽相沉積)。濺射典型地是在約1-5kW的電功率和的10-80mTorr的惰性氣體(例如氬)壓強下進行的。不必進一步討論底層的沉積，因為這是本技術領域的熟練人員明白了此項公開後容易弄清楚的。
鈷和/或鎳底層典型地約為10-200nm厚，更典型地約為50-100nm厚。
下面，在底層4上沉積阻擋層5，如圖4所示。此阻擋層5為鈷和/或鎳的合金。所選的鎢合金優選地含有與底層4相同的金屬。例如，當底層4為鈷時，阻擋層5則為鈷和鎢的合金。此合金也可包含次要合金量的其他材料如磷。
此合金典型地含有至少約2％原子比的鎢，更典型地約為15-20％原子比的鎢。
能夠含有超過10％原子比的鎢是十分令人驚訝的。例如，在現有技術的Co-W(P)合金中，無電鍍沉積的，W的含量只有7％(Lopatin et al.，Mat.Res.Soc.Symp.Proc.Vol.451(1997)463)。使用本發明能得到W含量約達20％原子比的Co-W(P)合金，和W含量約達15％原子比的Co-W合金。
阻擋層5典型地約為5-200nm厚，更典型地約為10-100nm厚。
阻擋層5典型地用電沉積在濺射的底層4上。電沉積阻擋層5用的溶液包含鎢離子源如(NH4)2WO4和(NH4)10W12O41；鈷離子源如CoCl2或CoSO4或鎳離子源如NiCl2、Ni(NO3)2或NiSO4；絡合劑，表面活性劑和pH值調節劑。例如，一種電沉積Co-W合金的合適溶液含有(NH4)2WO4(或(NH4)10W12O41)，CoCl2(或CoSO4)，檸檬酸鈉(Na3-citrate)，NH4Cl，Triton X-114，加NH4OH至pH9.26。一種電沉積Co-W(P)合金的溶液含有(NH4)2WO4，CoCl2，檸檬酸鈉，硼酸，Triton X-114，加NH4OH至pH8.90，以及Na2H2PO2。Co2+離子的絡合度和溶液的pH值被調節至得到所需的合金結構和所需粘附強度，這對於本技術領域的熟練人員一旦明白了本公開是很容易調節的。在合金的電沉積中，沉積金屬量的比值(M1/M2)或電流密度的比值(i1/i2)取決於交換電流密度、轉換係數、平衡電位、以及界面的電位差。平衡電位，在某些情形下的交換電流密度和轉換係數，可由溶液中絡合的金屬離子和改變pH值來改變。按照能斯脫方程(Nernst equation)，平衡電位與金屬離子及配合基的濃度(活性)、該離子的絡合劑有關。這樣，在合金的電沉積中，合金的組分可由改變溶液中金屬離子的濃度和pH值來改變。本技術領域的熟練人員可用此法和改變界面的電位差(超電位)來得到所需的結構和合金性質。
W的含量可由改變沉積的電流密度來控制。此電流密度典型地為約5-20mA/cm2。擴散阻擋層防止Cu從互連線擴散入絕緣體(例如，SiO2或其他具有低介電常數的絕緣體)和Si襯底。
然後在擴散阻擋層5上沉積銅或銅合金層6，如圖5所示。銅可直接沉積在阻擋層5上，無須任何附加的籽層，籽層是用電化學沉積法如電鍍或無電鍍來沉積的。合適的電鍍液成分的實例公開在序號為09/348632的美國專利中，這裡引入作為參考。用鍍銅來填充引線和/或通道的開孔3。
在襯底上表面上的任何層4、5和6都可如圖6所示用例如化學機械拋光法來除去，以提供平整的結構，使銅與襯底齊平，並達到各引線和/或通道的電隔離。
如果需要，化學機械拋光可在沉積銅之前進行，如果是無電鍍銅的話。
本發明的技術可用於單嵌入和雙嵌入結構。
下面介紹一些非限定實例以進一步說明本發明。
實例1Co-W襯層從下列成分的鹼性溶液電沉積在有圖形的晶片上，晶片上覆蓋濺射有100nm的Co(NH4)10W12O41·H2O 5-30g/LCoCl2·6H2O 10-40g/LNa3-citrate·2H2O 20-80g/LNH4Cl15/40g/LpH9.26，用NH4OH調節Triton X-114 0.05-1.0mL/L溫度 20-35℃Co陽極電沉積是在10mA/cm2的沉積率下進行的。
沉積成分的俄歇分析表明，沉積的合金含有15.1％的W。沉積的0.35im寬的引線(互連線)是保形的，厚約200nm。
實例2重複實例1，除了沉積率為20mA/cm2外。沉積成分的俄歇分析表明，沉積的合金含有7.6％的W。沉積的0.35im寬的引線是保形的，厚約160nm。
實例3Co-W襯層從下列成分的鹼性溶液電沉積在有圖形的晶片上，晶片上覆蓋濺射有100nm的Co(NH4)2WO45-25g/LCoCl2·6H2O10-40g/LNa3-citrate·2H2O 20-80g/LNH4Cl 15-40g/LNa2H2PO25-20g/L
pH8.11，用NH4OH調節Triton X-114 0.05-1.0mL/L溫度 60-85℃Co陽極電沉積是在5mA/cm2的沉積率下進行的。
沉積層的俄歇分析表明，沉積的合金含有12.3％的W和2.9％的P。沉積層厚約75nm。
實例4重複實驗3，除了沉積率為10mA/cm2外。
沉積層的俄歇分析表明，沉積的合金含有18.8％的W和2.4％的P。沉積層厚約70nm。
前面的描述說明和描述了本發明。此外，此公開表示和描述的只是本發明的優選實施方式，但如上所述，應知本發明能用於各種其他的組合、變更、和場合，也能在這裡所表達的發明概念範圍內作出與上述講述和/或相關技術的技藝或知識相稱的改變或修改。還打算由上述的實施方式來說明實現本發明的最佳模式，並使本技術領域的其他熟練人員能夠以這種或其他實施方式以及此發明的特殊應用或使用所需的各種修改來利用此發明。因此，此描述不欲將此發明限於這裡所公開的形式。權利要求也可被解釋為包括可能的實施方式。
權利要求
1.一種電子結構包含具有介電層的襯底，介電層中有通道開孔；通道開孔具有鈷、鎳或二者的底層，所述底層沉積在通道開孔的側壁和下表面；以及在底層側壁和下表面上的阻擋層；其中阻擋層包括電沉積的合金層，合金層包含選自由鈷、鎳、及其混合物組成的組之中的至少一種；和鎢。
2.權利要求1的結構，還包含在阻擋層上填充通道開孔的銅或銅合金。
3.權利要求1的結構，其中介電層包括二氧化矽。
4.權利要求1的結構，其中通道開孔約100-500nm深。
5.權利要求1的結構，其中底層約10-200nm厚。
6.權利要求1的結構，其中底層包括鈷。
7.權利要求1的結構，其中阻擋層包括鈷-鎢合金。
8.權利要求1的結構，其中合金包含至少約2％原子比的鎢。
9.權利要求1的結構，其中合金包含約15％原子比的鎢。
10.權利要求1的結構，其中合金包含約19％原子比的鎢，且為鈷-鎢和磷的合金。
11.權利要求10的結構，其中合金包含約2-10％的磷。
12.權利要求1的結構，其中阻擋層厚約5-200nm。
13.一種電子結構的製作方法，包括在襯底上製作絕緣材料層；在絕緣材料層中光刻確定和製作用於引線和/或通道的凹槽，互連導體材料將沉積在其中；覆蓋沉積鈷、鎳或二者的底層；在底層上電沉積合金阻擋層，合金包含選自由鈷、鎳、及其混合物組成的組中的至少一種；和鎢。
14.權利要求1的方法，還包括在阻擋層上沉積銅或銅合金來填充凹槽。
15.權利要求14的方法，其中銅或銅合金是用化學汽相沉積法直接沉積在阻擋層上的。
16.權利要求14的方法，還包括使該結構平面化。
17.權利要求13的方法，其中覆蓋沉積是用濺射或CVD法。
18.權利要求13的方法，其中底層包含鈷。
19.權利要求13的方法，其中阻擋層包含鈷-鎢合金。
20.權利要求13的方法，其中合金包含至少約2％原子比的鎢。
21.權利要求13的方法，其中合金包含約15％原子比的鎢。
22.權利要求13的方法，其中合金包含約19％原子比的鎢，且為鈷-鎢和磷的合金。
23.權利要求22的方法，其中合金包含約2-10％的磷。
24.權利要求13的方法，其中阻擋層厚約5-200nm。
25.權利要求13的方法，其中介電層包括二氧化矽。
26.權利要求13的方法，其中通道開孔約100-500nm深。
27.權利要求13的方法，其中底層約10-200nm厚。
28.權利要求13的方法，其中覆蓋澱是用PVD或IPVD法。
29.採用權利要求13的方法得到的電子結構。
全文摘要
互連線結構包含具有介電層的襯底，介電層中有通道開孔；其中的開孔中有鈷和/或鎳底層、鈷和/或鎳合金阻擋層；並提供鎢。
文檔編號H01L21/3205GK1505141SQ20031011973
公開日2004年6月16日 申請日期2003年12月3日 優先權日2002年12月4日
發明者帕納約蒂斯·安德裡察考斯, 史蒂文·H·貝徹, 桑德拉·G·馬爾霍特拉, 米蘭·保諾維奇, 克雷格·蘭塞姆, G 馬爾霍特拉, H 貝徹, 蘭塞姆, 保諾維奇, 帕納約蒂斯 安德裡察考斯 申請人:國際商業機器公司