在用於集成電路的金屬堆棧中鈦和鋁合金之間的改進界面的製作方法

2023-06-18 03:51:16

專利名稱：在用於集成電路的金屬堆棧中鈦和鋁合金之間的改進界面的製作方法
背景技術：
1.發明領域本發明涉及在集成電路中用於互連結構的金屬堆棧。
2.相關申請和本申請有關的申請有於1994年10月17日提交的共同未決的申請序列號327,763，題目為「一種新型通孔外形和製作方法」，和於提交的共同未決的申請序列號＿＿，題目為「用於集成電路的含有兩薄層鈦的金屬堆棧」，Docket No.42390.P3172。這兩個申請都轉讓給本發明的受讓人。
現有技術說明現代集成電路通常包含數百萬個有源和無源器件，比如形成在諸如矽的半導體襯底上的電晶體、電容和電阻等。這些器件在最初製備時在襯底上是相互絕緣的，後者相互連接起來形成功能電路。這些互連結構的質量對整個集成電路的性能和可靠性有很大的影響。在現代超大規模集成(ULSI)電路中互連結構越來越決定著性能和密度的極限。
互連結構通常由金屬堆棧製成，可包括基底層、體導電層和/或蓋層。堆棧一般通過濺射形成在介質層上。然後通過光刻技術被腐蝕以確定出互連結構。在現有的生產工藝中，採用了多層互連結構。比如可使用四層金屬堆棧，每一層通過中間介質層(ILD)和另一層絕緣。在金屬堆棧中往往用鋁和鋁合金作為體導電層。
對這些薄層電阻來說電遷移是一個嚴重的可靠性問題。鋁由於其熔點低比其他金屬更易受電遷移的影響。當大電流經過導體時，原子被輸送走，在晶界處產生空位並聚集成空隙網。空隙積聚通常發生在晶界和導體側壁的交接處。在鋁銅合金中選出的邊界保持不受損傷，大概是由於它們由富銅的平面沉積物得到加固，從而形成具有幾種尖銳形狀邊緣的空隙。這些各種形狀的空隙繼續擴大直到開路終止該過程。
高熔點金屬常常結合鋁合金使用以提供旁路層，使即使存在那些空隙也有電學通路。鈦和氮化鈦層有時被用作旁路層，如將結合

圖1和2要討論的。
圖1示出一種用於互連結構的現有技術金屬堆棧。在圖1中金屬堆棧形成在一層中間介質層(ILD)10上。體導電層11包括一層鋁銅合金層11。這一層的厚度根據該層需要傳輸的電流大小而不同，典型的層厚可為3500。一層氮化鈦(TiN)形成在層11的上表面上。在圖1所示現有技術堆棧中這一層大約370厚。然後大約1000厚的一層鈦13濺射在層12的上表面上。接著一層包括氮化鈦的抗反射膜(ARC)14形成在層13的上表面上。在圖1所示的現有技術實例中這層膜為370厚。
圖2示出另一種用於互連結構的現有技術金屬堆棧，它形成在ILD20上。首先，一層大約1000厚的鈦基底層21形成在ILD20上。接著仍為鋁銅合金的體導電層22形成在鈦層21的上表面上。這一層的厚度和前面一樣由該層需要傳輸的電流量決定(如6000到12000厚)。ARC23形成在層22的上表面上。層23仍是包括一層370厚的TiN膜。
將要看到，本發明提供了一種和圖1與圖2所示不同的堆棧。這種新公開的堆棧發現有優良的質量，特別是和圖1與2所示金屬堆棧相比具有改進的電遷移性能。
發明概述本發明是用在使用了金屬堆棧的集成電路互連結構中，其中金屬堆棧含有和諸如鋁銅合金的體導電層接觸的鈦層。氮在鈦層的起始形成過程中引入，從而在體導電層和鈦層之間形成一層捕獲了氮的超薄區(如30)。鈦層的剩餘部分然後在沒有氮的情況下形成。被捕獲的氮使鋁化鈦(TiAl3)的形成降到最低程度。這有三個優點(A)TiAl3形成的減少使AlCu可傳輸電流的厚度更大，從而降低了金屬互連線中的電流密度。這改善了電遷移性能。
(B)TiAl3形成的減少降低了AlCu體層中空隙的形成。TiAl3的形成和AlCu體層的空隙化緊密相關，從而有降低電遷移的性能。
(C)TiAl3形成的減少使線電阻降低，因為AlCu的體電阻率為2.98micro ohm-cm，而TiAl3的體電阻率為16.98micro ohm-cm。
附圖簡述圖1是在集成電路中用於互連結構的一種現有技術金屬堆棧的垂直剖面圖。
圖2是在集成電路中用於互連結構的一種現有技術金屬堆棧的垂直剖面圖。
圖3是適於使用本發明改進的金屬堆棧的垂直剖面圖。
圖4是顯示了本發明改進的兩層金屬之間的界面的垂直剖面圖。
圖5是具有本發明改進的圖3的金屬堆棧的垂直剖面圖。
圖6是圖5堆棧的另一個實施方案，其中本發明的改進在兩個界面應用。
圖7是用於製備本發明金屬堆棧的濺射系統的平面示意圖。
圖8是示意用於製備本發明金屬堆棧的步驟的工藝流程圖。
圖9是示意製備圖6實施方案所需的附加步驟的另一個工藝流程圖。
圖10是圖5金屬堆棧的TEM顯微照片。
圖11是示意和圖3金屬堆棧相比本發明的改進的曲線圖。
發明詳述本發明描述了一種在集成電路中用作互連結構的新型金屬堆棧。在以下說明中為了對本發明有透徹的理解，陳述了許多具體的細節，比如具體的材料、工藝和設備等。但是對本領域的技術人員很明顯的是本發明可以不用這些具體的細節來實施。在其他例子中，為了不使本發明不必要地難於理解，沒有詳細陳述熟知的生產材料、工藝和設備。
圖3的金屬堆棧圖3的金屬堆棧用來示意一種可使用本發明的堆棧。該堆棧包括濺射在ILD30上的鈦基底層31。儘管鈦是優選的，其他高熔點金屬也可用於這一薄層。這一旁路層的厚度可大約在125到200之間，而185是優選的。
在一個實施方案中體導電層32採用大約含0.5％銅的鋁銅合金。體導電層32和基底層31的上表面接觸。儘管由於其電阻率低且工藝熟知而使鋁合金是優選的，但應該理解其他低阻材料也可用作體導電層。層32的厚度的選取隨層32要傳輸的電流大小而變化。層32厚度的典型值大約在5000到20,000之間。
一層薄的鈦蓋層33接觸層32的上表面而形成。層33是濺射的鈦，在優選實施方案中優選地大約185厚。不過這一層的厚度可大約在125到200之間。和層31的情況一樣，其他高熔點材料也可用於層33。
最後，一層抗反射膜(ARC)34形成在層33的上表面上。這一層氮化鈦(TiN)大約150厚。眾所周知，這一層降低了反射，否則會使掩蔽金屬堆棧更加困難。
由圖3可注意到在堆棧中有兩個鋁合金和鈦的界面。一個這樣的界面在層31和32之間，另一個在層32和33之間。當鈦和鋁被充分加熱，會發生反應形成鋁化鈦(TiAl3)。如果沒有本發明的改進，在鈦層和體導電層之間會發生完全反應，在其界面處形成鋁化鈦層，如圖3所示。這會在金屬堆棧形成後的高溫處理中發生，比如ILD澱積、ILD退火、高溫灰洗和其他步驟等。儘管在現行優選實施方案中，鈦層31和33的最初厚度都大約為185，185的Ti會和525的AlCu合金反應而形成大約670的TiAl3層。對圖3的金屬堆棧及其製備更完全的描述可見於共同未決的申請序列號＿＿，提交於＿＿，題目為「用於集成電路的含有用專用腔室澱積的兩薄層鈦的金屬堆棧」，轉讓給本發明的受讓人。
鋁化鈦反應在某些情況下使反應材料的體積減少大約7％，因此會增加金屬堆棧中的應力。這種應力導致產生應力空隙並加速了電遷移失效。將要看到，本發明使鋁化鈦反應降低到最小程度並因此減小了應力，從而提高了所形成的互連結構的壽命和可靠性。另外，鋁銅合金體導電層保持更厚，因為它沒有在反應中被消耗，因而使電流密度降低。
本發明的改進圖4示意出本發明的改進，包括在鋁銅合金體導電層和鈦層之間形成一層含有被捕獲氮的鈦超薄區域。具體地說，如圖4所示，體導電層40不直接接觸鈦層42，而是接觸含有被捕獲氮分布在這兩層之間的超薄區41。這一層的形成將在本申請的後面描述。在現在採用的優選實施方案中這一區域大約30厚。這一捕獲氮的超薄區基本上阻止了鋁化鈦的形成，從而防止了鋁銅合金層40體積的減少。該改進可結合圖10形象地看出。
本發明圖5和6的實施方案在圖5中示意出圖3的金屬堆棧在體導電層和鈦層之間的一個界面處採用本發明的改進。金屬堆棧形成在ILD50上，並包括185的鈦基底層51。鋁銅合金的體導電層57形成在基底層51的上表面上。根據本發明的改進，一層含有被捕獲氮的鈦超薄區52在鈦層53和體導電層57的界面處形成。如上所述，在現行優選實施方案中這一區域大約30厚。包括大約150氮化鈦的ARC54形成在蓋層53上。
對於圖4的實施方案，當進行後續的高溫處理時，基底層51和層57反應形成如層56所示的鋁化鈦。不過在另一個鈦鋁界面處由於被捕獲氮產生的阻擋層，沒有形成大量的鋁化鈦。
在圖6的實施方案中，在體導電層和鈦層的兩個界面處都形成了一層捕獲氮的鈦超薄區。參照圖6，金屬堆棧形成在ILD60上，包括185厚的鈦基底層61。捕獲氮的超薄區62(大約30厚)形成在基底層61的上表面上。然後鋁銅合金的體導電層濺射在層62上。接著大約30厚的另一層含有捕獲氮的鈦超薄區63作為大約185的鈦蓋層的一部分形成在體導電層66的上表面上。最後氮化鈦ARC65形成在鈦層64上。
這樣可從圖6看出，因為在鈦和鋁合金的兩個界面都使用了捕獲氮的超薄區，所以在後續的高溫處理過程中基本上沒有鋁化鈦形成。
本發明金屬堆棧的製備圖7和8用來描述圖5所示金屬堆棧的製備過程。該堆棧用市場上可買到的集束(cluster)濺射設備來製備，比如AMAT5500，Endura濺射系統。如圖7所示，這些系統包括裝有機械臂的中心區70，可使晶片從一個腔移到另一個腔，比如在腔71、72、73和74之間移動。每個腔可分別控制以在各腔中進行不同的工藝過程。
為形成本發明的堆棧，含有一層暴露的ILD的晶片如77所示送進腔71中。在腔71中鈦基底層(如185)濺射在ILD上。這一步驟在圖8中示為步驟81，接在ILD的工藝過程即步驟80之後。接下來晶片移動到腔73中，體導電層比如鋁銅合金濺射到鈦基底層上。這在圖8中由工藝步驟82所示。
現在晶片移動到腔72中形成含有捕獲氮的蓋層。這可通過在濺射鈦開始之前當靶是熱的時候使氮氣流進腔72中來進行。在濺射185厚的鈦層過程中不再使用額外的氮氣。
在腔72中濺射鈦蓋層之後，該同一個腔用來形成氮化鈦ARC。從澱積鈦到澱積氮化鈦的轉換過程為在Ti澱積後熄滅(extinguish)等離子體，對TiN形成所需的氣流，然後為TiN薄膜澱積打開等離子體。氮氣以10sccm的流量引入一秒鐘然後關掉。氬氣以70sccm引入五秒鐘。當氬氣以70sccm流過時，等離子體以1.5千瓦的功率啟動11.5秒。這完成了澱積185的鈦。接著關掉等離子體，氣流調節到如下量持續10秒氬氣15sccm，氮氣100sccm。再打開等離子體大約11秒，功率為6.5千瓦，氣流量為氬氣15sccm，氮氣80sccm。這完成了澱積150TiN。
在TiN ARC形成後在腔72中有一些殘餘氮氣留下，但為了保證工藝的重複性和可生產性，氮氣應剛好在Ti澱積之前引入。對每個晶片都應這樣做，否則在晶片之間比較時所形成的薄膜會有嚴重的變化。剛好在為澱積Ti而點燃等離子體之前引入控制量的氮氣還可保證每個通過濺射系統處理的晶片保持完全相同，而不管在處理兩個或多個晶片之間的延時有多長。這一工藝不僅改善了工藝的電遷移性能，還保證它成為可靠的生產性工藝。
該工藝過程由圖8的步驟83所示，其中測定量的氮氣引入腔中形成超薄捕獲區。在形成蓋層後，氮化鈦ARC在同一腔中形成而不需要移動晶片，如步驟84所示，如上所述，其形成方法是熄滅等離子體，建立所需的氣流。然後再次觸發等離子體以形成TiN。
顯然，和蓋層與ARX在腔72中連續形成的Ti/TiN有關的缺陷有所減少。另外，由於Ti/TiN在同一腔中連續澱積，對控制速率(runrate)也有改進。
圖9示出另一工藝流程，用來對基底層和體導電層之間的界面實現本發明的改進。在圖9中ILD的形成仍示為步驟80，而鈦基底層的形成示為步驟81。對圖9中所示的工藝步驟，沒有立即開始濺射鋁銅合金層。如步驟82所示，而是採用附加步驟90。該步驟形成圖6的超薄區。超薄層的形成可通過在濺射鈦層結束時，在形成基底層的同一個腔中漏進氮氣到熱的鈦層上。在形成基底層後，如步驟82所示形成體導電層。
本發明的優點圖10的顯微照片對應於如圖5所示的本發明的實施方案。體導電層示為「M1」。從圖的下部可以看出，TiAl3和體導電層反應從而減小了體導電層的體積。相反的是，在圖的上部在鈦層和體層電層之間沒有發生反應。這是由在鈦層體導電層之間界面處的捕獲氮造成的。從圖10容易看出，由於捕獲氮的存在；基本上沒有鋁銅合金在形成鋁化鈦時被消耗。
最後圖11示出圖3堆棧和圖5堆棧之間測得的電阻改善，曲線101表示圖3堆棧，曲線102代表圖5堆棧。可以看出，圖5堆棧的電阻下降，主要是因為只有極少的鋁被Ti蓋層消耗來形成TiAl3。更重要的是，和圖3堆棧相比，在圖5堆棧中互連結構的電遷移可靠性得到大大提高。
這樣，公開了一種對金屬堆棧的改進，其中有鈦層和鋁合金層相鄰。通過在界面處捕獲氮，鈦和鋁之間的反應被充分阻止，從而消除了由於產生TiAl3而引起的任何嚴重的性能退化。
權利要求
1.在一種在集成電路中用作互連結構的金屬堆棧的製備中，其中堆棧包括和體導電層接觸的鈦層，一種製備這種堆棧的改進方法包括步驟在鈦層的起始形成過程中引入氮；從而在體導電層和鈦層之間形成含有氮的超薄區；和在沒有氮的情況下形成鈦層的餘下部分。
2.根據權利要求1的改進方法，其中超薄區大約有30厚。
3.在一種在集成電路中用作互連結構的金屬堆棧的製備中，其中堆棧包括和鋁銅合金的體導電層接觸的鈦層，一種製備這種堆棧的改進方法包括步驟在鈦層的起始形成過程中引入氮，從而在體導電層和鈦層之間形成含有捕獲氮的超薄區；和在沒有氮的情況下形成鈦層的餘下部分。
4.一種形成金屬堆棧的工藝，該堆棧的底層是在第一腔中濺射在堆棧上的鈦在第二腔中濺射體導電層；在第三腔中在體導電層上濺射鈦層，並引入將被捕獲在鈦層中的氮氣；和在第三腔中在鈦層上濺射氮化鈦的上層。
5.根據權利要求4的工藝，其中氮被捕獲在鈦層最初的大約30中。
6.根據權利要求4的工藝，其中在濺射鈦層和氮化鈦層的轉換過程中等離子體要熄滅(extinguish)。
7.根據權利要求6的工藝，其中鈦層厚度大約在125到200之間。
8.根據權利要求7的工藝，其中體導電層包括鋁銅合金。
9.一種在體導電層上形成鈦層的改進工藝，包括步驟把體導電層放在上次曾用於形成氮化鈦層的腔中；和通過向腔中引入具有測定量的氮氣在腔中濺射鈦層到導電層上。
10.根據權利要求9的工藝，其中鈦層厚度大約在125到200之間。
11.根據權利要求9或10的工藝，其中氮化鈦層在腔中濺射到鈦層上。
12.根據權利要求11的改進工藝，其中氮被捕獲在鈦層最初的大約30中。
13.一種在鋁銅合金上形成鈦層的改進工藝，包括步驟把鋁銅合金放在上次曾用於形成氮化鈦層的腔中；和通過向腔中引入具有測定量的氮氣在腔中濺射鈦層到導電層上。
14.根據權利要求13的工藝，其中鈦層厚度大約在125到200之間。
15.一種在集成電路中用作互連結構的金屬堆棧，包括鈦基底層；和基底層接觸的體導電層；和和體導電層接觸的鈦蓋層，該蓋層和體導電層相鄰的區域包括被捕獲的氮。
16.根據權利要求15的金屬堆棧，包括在蓋層上的氮化鈦層。
17.根據權利要求15或16的金屬堆棧，其中基底層厚度大約在125到200之間。
18.根據權利要求17的金屬堆棧，其中蓋層厚度大約在125到200之間。
19.根據權利要求15、16或18的金屬堆棧，其中蓋層含有捕獲氮的區域大約30厚。
20.根據權利要求19的金屬堆棧，其中體導電層包括鋁銅合金。
21.根據權利要求15的金屬堆棧，包括位於基底層和體導電層之間的捕獲氮區。
22.根據權利要求21的金屬堆棧，其中位於基底層和體導電層之間的捕獲氮區大約30厚。
23.根據權利要求22的金屬堆棧，其中基底層和蓋層的厚度每個都大約在125到200之間。
全文摘要
在集成電路中用作互連結構的金屬堆棧中的一種改進。該改進包括在鈦層和諸如鋁銅合金的體導電層接觸的界面捕獲在鈦層中的氮。捕獲氮阻止了鋁化鈦的大量形成,從而降低了電流密度,還改善了堆棧的電遷移特性。現行優選的是,氮被捕獲在鈦層的最初大約30A中。
文檔編號H01L21/285GK1202273SQ96198410
公開日1998年12月16日 申請日期1996年9月30日 優先權日1995年9月29日
發明者R·拉斯託吉, S·J·安德伍德, H·H·福吉莫託 申請人:英特爾公司