使用碳摻雜層和無碳氧化物層的雙鑲嵌工藝的製作方法
2023-08-02 01:03:46
專利名稱：使用碳摻雜層和無碳氧化物層的雙鑲嵌工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及集成電路中互連結構的領域，所述互連結構特別是那些具有用鑲嵌(damascene)工藝形成的嵌入通路和導體的集成電路中的互連結構。
現有技術在集成電路中的襯底上通常形成幾個互連層。這些層中的每層包括嵌入在層間介電質(ILD)中的通路(via)和導體。通常，相對緻密的電介質例如氮化矽(SiN)或者碳化矽(SiC)被用於這些層之間來提供蝕刻劑終止層，從而當蝕刻一個層中的通路開口時，不需要的蝕刻不會出現在下面的層中。SiN或SiC層也用作擴散層，以阻止銅擴散和遷移到ILD。
用於單個互連層的ILD有時具有兩層不同的介電材料。這被用於代替蝕刻劑終止層，因為在不同材料間存在差別的蝕刻劑是可以選擇的。這在美國專利6,395,632中進行了描述。另一種避免蝕刻劑終止(etchant stop)的技術是在每一ILD中交替介電材料。這在2001年9月28日遞交的、序列號為09/368,459、名稱為「A Method for Making Dual-DamasceneInterconnects Without an Etchant Stop Layer by Alternating ILD’s(通過交替ILD製造無蝕刻劑終止層的雙鑲嵌互連的方法)」的共同待審定申請中進行了描述。
附圖簡要說明
圖1是現有技術互連結構的橫截面正視圖。此圖被用來說明可以在懸空的(unlanded)通路中出現的微溝槽。
圖2-6說明根據本發明的實施方案的方法。
圖2說明了其上具有第一互連層的襯底的橫截面正視圖。
圖3說明了圖2的結構，其中由無碳氧化物層和碳摻雜氧化物層形成ILD。
圖4說明了在氧化層中蝕刻通路開口和溝槽之後圖3的結構。
圖5說明了在導電層形成，平坦化，以及在導體上形成包覆層(cladding)之後圖4的結構。
圖6說明了在構成附加的互連層之後圖5的結構。
詳細描述在下面的描述中，描述了構成互連結構的方法和所述結構本身。提出了許多具體的細節，例如具體的材料和處理步驟。很明顯，對本領域技術人員來講，不需要這些細節就能實施本發明。在其他的實例中，為了避免不必要地模糊本發明，公知的處理沒有被詳細地描述。
首先參考圖1，說明了與現有技術處理相關聯的問題。圖示了可以包括有源器件、用氮化矽層覆蓋的襯底(substrate)10。第一互連層14被形成在氮化矽層上並且包括導體11和12。在下一互連層16中，圖示了兩個導體17和18。通路19，意圖用來互連導體11和17，被部分懸空，即，通路沒有完全擱置(rest on)在導體11上。相反，由於沒有對準，通路只是部分擱置在導體11上。
在為通路19蝕刻通路開口期間，蝕刻劑將沿導體11的側面蝕刻微溝槽21。該溝槽可能導致集成電路中的幾個問題。例如，在沉積阻擋層和導電材料期間，微溝槽21可能未填充。因此，在ILD14中將殘餘不需要的空隙(void)。另外可能的問題是微溝槽21不完全被阻擋層所覆蓋並且因此為導電材料(例如銅)提供擴散通道。
通常，在ILD之間使用蝕刻劑終止來防止這樣的微溝槽形成。例如，圖1中所示的氮化矽層，如果用在層14和16之間，防止微溝槽形成。但是，氮化矽層或者類似蝕刻劑終止或者硬掩模，需要相對高k的材料。結果，由於臨近的導體和通路之間增大的電容，它們損壞了電氣特性。
現在參考圖2，圖示了襯底25，所述襯底可以是其中構成場效應電晶體的普通單晶矽襯底。襯底25被圖示為覆蓋有氮化矽層24。互連或接觸體(contact)層可以被設置在層24下面。第一碳摻雜氧化物CDO的層22形成在層24上並且包括嵌入導體26和27。這些導體使它們的上表面以選擇性沉積的金屬(例如鈷)來包覆，這將在後面描述。導體26包括包覆層28，而導體27包括包覆層29。沒有顯示在圖2中的是延伸進入襯底或者進入設置在層24之下的下面的互連層的通路或者其他互連結構。如在現有技術中所公知的，可以構成圖2中的具有層22和嵌入導體28和29的襯底。
無碳氧化物層30形成在圖2的結構上面，包括在包覆層28和29上面。此層可以使用多種公知工藝中的任何一種來形成，例如，使用化學氣相沉積(CVD)。所述層可以包括二氧化矽(SiO2)或者，例如，氟摻雜氧化物(SiOF)。
另一介電材料層31，特別地是碳摻雜氧化物，接下來被形成在層30上。如將看見的那樣，層30和層31兩者形成了ILD。在後面的處理中，通路在層30內形成，而導體在層31內形成。
接下來，如圖4所示，通路開口32和33被蝕刻穿過層30和31。通路開口在圖3中用點線來顯示。普通的光致抗蝕劑可以形成在層31的上表面，並且被照射以定義開口32和33。採用等離子體蝕刻步驟來蝕刻穿過層30和31。可以使用這樣的蝕刻劑，例如CxFy基生成氣體(例如C4F8，C4F6，C2F6)與一種或者更多種選自氬、氧、氮和一氧化碳的添加劑的混合物。含氫的氣體，如CHF3、CHF2也可以與上述添加劑氣體進料一起被使用。蝕刻劑蝕刻穿過層31比穿過層30更慢。這種情況出現是因為在碳摻雜氧化物中的碳減慢了所述的蝕刻。
當蝕刻劑蝕刻穿過層30時，理想地，蝕刻在保護導體的包覆層上終止。開口33在包覆層28上結束，而不是在下面的層22上結束，因為此開口是完全「著陸的(landed)」。這裡，當到達包覆層時，蝕刻終止。常常出現這樣的情況，由於未對準，開口是懸空的或者是部分懸空的。開口32被圖示為是部分懸空的並且沿導體29的側面延伸。但是，由於摻雜氧化物層22的蝕刻速率小於無碳氧化物層30的蝕刻速率，層22實質上起蝕刻終止的作用。在典型工藝中，碳摻雜氧化物層中的蝕刻速率比在無碳氧化物層中的蝕刻速率大約要慢或小30％至50％。CxFy基生成氣體(例如C4F8，C4F6，C2F6)與一種或者更多選自氬、氧、氮和一氧化碳的添加劑的混合物。含氫的氣體，如CHF3、CHF2也可以與上述添加劑氣體進料一起被使用。碳摻雜氧化物的碳含量決定就該氧化物而言在蝕刻速率中的可選擇性程度。碳含量越高，碳摻雜氧化物的蝕刻速率就越低。因此，開口32的蝕刻不會導致沿圖1中所示的導體27側面的微溝槽，即使開口是部分懸空的。
由此，如上所述的蝕刻利用了在碳摻雜氧化物和無碳氧化物之間蝕刻速率的可選擇性。正如上面所討論的，碳摻雜氧化物中的蝕刻劑速率較低，因此，碳摻雜氧化物層起蝕刻劑終止的作用。附加地，已經證明了當特徵尺寸減小時，碳摻雜氧化物中的蝕刻劑速率的減慢比在碳摻雜氧化物中要多。這一點是重要的，因為當特徵尺寸減小時，它提供更多的差別。因此，在鑲嵌工藝中，通路開口是在不使用蝕刻劑終止的條件下被蝕刻的，而沒有如圖1所示的明顯的微溝槽形成。
現在，另一個掩模步驟被用來定義溝槽34和35。然而，在一些工藝中，在這一步驟出現之前，通路開口被犧牲光吸收材料(SLAM)填充。對這種材料和相關工藝的討論，請參見2003年2月8日遞交的、序列號為10/360,708、名稱為「Polymer Sacrificial LightAbsorbing Structure and Method(聚合物犧牲光吸收結構和方法)」的共同待審定申請，以及2003年11月17日遞交的、序列號為10/715,956、名稱為「A Method to Modulate Etch Ratein SLAM(調節犧牲光吸收材料中蝕刻速率的方法)」的共同待審定申請。
在沉積阻擋材料和導電材料之前，使用已知的清洗步驟，這些清洗步驟與ILD材料、銅和鈷是相容的。
現在，形成阻擋層，如眾所周知的那樣，阻擋層為通路開口和溝槽提供內襯。典型的阻擋層材料可以是難熔金屬和合金，例如Ta、TaN、TaSiN、TiN、TiSiN，WN，WiSiN，以及這些材料的多層，例如Ta/TaN。
接下來，形成晶種材料(seed material)，特別是在電鍍被用於沉積導電材料的地方。這些晶種材料可以是銅、包括(Sn、In、Mg、Al等)的銅合金。然後，銅被電鍍在阻擋層上。
可替換地，晶種層(seed layer)和阻擋層可以是，例如，鈷，其中導電材料的沉積的發生是採用利用無電鍍銅合金沉積的等離子體氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)或者原子層沉積(ALD)來進行的。
電鍍或無電鍍銅，包括其與Sn、In、Sb、Bi、Re或其他的合金被用來填充通路和溝槽。如這樣的工藝的正常情況，層31的上表面用阻擋層和導電材料覆蓋。化學機械拋光(CMP)被用來從層31上表面去除這些導電層，以使導體保留在溝槽內，這些溝槽由層31提供的絕緣隔開。
在這之後，包覆層材料被形成在導體的暴露表面上，以密封它們。例如，可以採用鈷的選擇性的、無電鍍沉積，所述沉積形成導體上的包覆層。鈷的無電鍍形成物(formation)可以包括使用Ni和Fe的合金。絡合劑(complexing agent)(例如檸檬酸、丙二酸、琥珀酸、EDA)被用來與緩衝劑(NH4Cl，(NH4)2SO4，等)、還原劑(DMAB，次磷酸鹽、硼氫化物等)以及pH值調節劑(TMAH，KOH等)一起使用。這可以是與用來形成包覆層28和29的相同工藝。這在2000年12月28日遞交的、序列號為09/353,256、名稱為「Interconnect Structures and a Method of Electroless Introduction of Interconnect Structures(互連結構以及無電鍍引入互連結構的方法)」的共同待審定申請，以及2003年6月10日遞交的、序列號為10/459,131、名稱為「Method for Improving Selectivity of ElectrolessMetal Deposition(提高無電鍍金屬沉積選擇性的方法)」的共同待審定申請中進行了討論。
所得的結構如圖5所示，其中阻擋層40為溝槽和通路開口提供內襯。通路44和45形成在通路開口(在層30內)內，而導體41和42形成在溝槽內。疊置(overlying)在導體上表面的包覆層51和52分別密封了導體41和42。
在一個實施方案中，層30的厚度大約等於通路44和45的高度。層31的厚度大約等於導體41和42的厚度。
上述與圖2-5相結合的處理可以被重複，以形成在圖5所示的層之上的附加層或者幾個互連層。在圖6中，使用與圖2-5相結合所描述的製造方法，附加的互連層60被圖示為形成在圖5所示的結構上。
在使用了碳摻雜氧化物的現有技術結構中，所述結構在機械上不牢固，這是由於這種材料缺乏強度。採用上述的處理，由於機械上不牢固的碳摻雜氧化物層被包含在機械上更強固的無碳氧化物層之間，ILD的機械強度被提高了。
這樣，已經描述了鑲嵌工藝。此工藝不需要單獨的蝕刻劑終止或硬掩膜。相反，它依賴於碳摻雜氧化物的蝕刻比無碳氧化物更慢的實事。
權利要求
1.一種構成互連層的方法，包括在下面的第一碳摻雜氧化物層上形成無碳氧化物層；在所述無碳氧化物上形成第二碳摻雜氧化物層；在所述無碳氧化物層和第二碳摻雜氧化物層中蝕刻通路開口；在所述碳摻雜氧化物中蝕刻溝槽；用阻擋層和導電材料填充所述通路開口和溝槽。
2.如權利要求1所定義的方法，其中，所述無碳氧化物包括二氧化矽或者氟摻雜氧化物。
3.如權利要求2所定義的方法，其中，用於蝕刻所述通路開口的所述蝕刻劑蝕刻所述碳摻雜氧化物比蝕刻所述無碳氧化物慢。
4.如權利要求3所定義的方法，其中，相同的蝕刻劑被用來蝕刻所述無碳氧化物和碳摻雜氧化物。
5.如權利要求4所定義的方法，其中，所述無碳氧化物和所述碳摻雜氧化物的所述蝕刻都是等離子體蝕刻。
6.如權利要求1所定義的方法，包括在用阻擋層和導電材料填充所述通路開口和溝槽之後，平坦化所述第二碳摻雜氧化物層的上表面，從而從所述第二碳摻雜氧化物層的所述上表面去除所述阻擋層和導電材料。
7.如權利要求6所定義的方法，包括，在所述溝槽中的所述導電材料上面形成包覆層材料的步驟。
8.如權利要求7所定義的方法，其中，所述的包覆層材料包括鈷。
9.如權利要求8所定義的方法，包括，在蝕刻所述第二層碳摻雜氧化物中的所述溝槽之前，用犧牲光吸收材料填充所述通路開口的步驟。
10.如權利要求9所定義的方法，其中，在所述碳摻雜氧化物中蝕刻的所述溝槽的深度大約等於所述第二碳摻雜氧化物層的厚度。
11.如權利要求10所定義的方法，包括，重複權利要求10的所述方法，從而構成疊置的、附加的互連層。
12.一種構成包括通路和導體的互連層的方法，包括在下面的第一碳摻雜氧化物層上形成無碳氧化物層；在所述無碳氧化物上形成第二碳摻雜氧化物層；蝕刻通路開口穿過所述第二碳摻雜氧化物層和所述無碳氧化物層，以暴露下面的導體；在所述第二碳摻雜氧化物層中蝕刻溝槽，所述溝槽的深度大約等於所述第二碳摻雜氧化物層的厚度；用阻擋層和導電材料填充所述的通路開口和溝槽；平坦化所述第二碳摻雜氧化物層的上表面，從而從所述溝槽之間去除所述阻擋層和導電材料，在所述溝槽中留下導體；以及在所述導體上形成包覆層。
13.如權利要求12所定義的方法，其中所述無碳氧化物是二氧化矽或者氟摻雜氧化物。
14.如權利要求13所定義的方法，其中所述包覆層包括無電鍍和選擇性沉積的鈷。
15.如權利要求14所定義的方法，其中所述阻擋層包括鉭並且所述的導電材料包括銅。
16.如權利要求15所定義的方法，包括，在蝕刻所述第二碳摻雜氧化物層中的所述溝槽之前，用犧牲光吸收材料填充所述通路開口的步驟。
17.如權利要求12所定義的構成互連層的方法，包括重複權利要求12的所述步驟，從而形成疊置的互連層。
18.如權利要求16所定義的構成互連層的方法，包括重複權利要求16所定義的工藝，以構成附加的疊置的互連層。
19.一種互連層，包括無碳氧化物層；被設置為穿過所述無碳氧化物層並且和下面的導體接觸的通路；在所述無碳氧化物層上形成的碳摻雜氧化物層；在所述碳摻雜氧化物層上嵌入的導體，至少一些導體與所述通路下面的導體接觸；以及設置在所述導體上的包覆層。
20.如權利要求19所定義的互連結構，其中所述的無碳氧化物層的厚度大約等於所述通路的厚度，並且其中所述碳摻雜層的厚度大約等於所述導體的厚度。
21.如權利要求20所定義的方法，其中阻擋材料層被設置在所述通路和所述無碳氧化物之間，以及在所述導體和所述碳摻雜氧化物之間。
22.如權利要求21所定義的互連結構，其中所述的通路和導體包括銅。
23.一種互連結構，包括多級的互連層，每層具有通路和設置在所述通路上的導體，並且其中每個互連層包括厚度大約等於所述通路的高度的無碳氧化物層；以及厚度大約等於所示導體的厚度的碳摻雜氧化物層。
24.如權利要求23所定義的互連結構，其中所述導體和通路包括銅。
25.如權利要求24所定義的互連結構，包括設置在每個所述導體的上表面的鈷包覆層。
全文摘要
描述了使用摻雜和非摻雜氧化物ILD的鑲嵌工藝。在碳摻雜和無碳氧化物之間的選擇性除了為結構提供機械強度之外，還為ILD之間提供了蝕刻終止。
文檔編號H01L21/311GK1890795SQ200480035705
公開日2007年1月3日 申請日期2004年12月22日 優先權日2003年12月24日
發明者瓦萊利·迪賓, 麥卡瑞姆·A·海珊, 馬克·博爾 申請人:英特爾公司