專利名稱：具有雙層或多層蓋層的互連及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的示例性實施例涉及一種用于半導(dǎo)體器件中的互連及其制造方法。例如，本發(fā)明的示例性實施例涉及一種形成在層間電介質(zhì)層中并以阻擋層涂覆的單層、雙層或多層鑲嵌互連，及其制造方法。
背景技術(shù)：
為了增加半導(dǎo)體器件的速度，可以減小柵氧化物層的厚度和柵極的長度。但是，導(dǎo)線的電阻和層間電介質(zhì)的電容會造成RC延遲，這可降低器件的速度。通過應(yīng)用具有低電阻的導(dǎo)線和/或具有低介電常數(shù)的層間電介質(zhì)來努力減小RC延遲。
鋁(Al)曾經(jīng)是一種通用的導(dǎo)線材料，但是近來由于銅(Cu)具有改進的物理特性，因此已經(jīng)用來替代鋁用作導(dǎo)線。例如，由于銅具有為鋁的一半的較低電阻率，所以銅導(dǎo)線允許更高的信號傳遞速度。此外，銅的對電遷移更高的阻力可以改進器件的性能。
但是，難以將銅蝕刻為所需的圖案。為了解決這一問題，可以使用鑲嵌工藝，其中首先通過光刻在電介質(zhì)層中限定其中用于互連圖案的溝槽，形成金屬層以填充這些溝槽，并通過CMP(化學(xué)機械研磨)移去多余的金屬層。例如，人們已經(jīng)注意到雙鑲嵌工藝，其中通過單次沉積方法，使用銅填充在電介質(zhì)層內(nèi)形成的通孔和溝槽，然后進行平坦化，。
為了更好理解本發(fā)明的背景，下面給出傳統(tǒng)鑲嵌工藝的描述參考圖1，通過常規(guī)鑲嵌金屬化工藝來描繪互連金屬導(dǎo)線。如該剖面圖所示，由阻擋金屬層(未示出)圍繞金屬層103，填充在襯底100上的層間電介質(zhì)層101內(nèi)形成的溝槽中。在層間電介質(zhì)層101和金屬層103上形成蓋層105。蓋層105可以在鑲嵌工藝中在對銅進行CMP之后在金屬層103上沉積，可以防止銅的擴散并對在金屬層103上形成的層間電介質(zhì)層給予更高的蝕刻選擇比。近來對于用于作為層間電介質(zhì)層的低電介質(zhì)材料(例如具有2-4的介電常數(shù))的需求使人們注意到了碳化硅，此外還有氮化硅。由于碳化硅對于較低的電介質(zhì)膜具有更高的蝕刻選擇性且介電常數(shù)為4-5，這比氮化硅的更低，因此其可在CMP步驟之后用于蓋層。當(dāng)碳化硅用作蓋層時，相比使用氮化硅，會在CMP表面的界面處獲得較差的泄漏阻尼(leakagedamping)特性。此外，應(yīng)力將集中在形成通孔的區(qū)域，產(chǎn)生應(yīng)力梯度，且穿過金屬層的晶界可形成應(yīng)力導(dǎo)致的空位或空隙，導(dǎo)致電缺陷。通常，由于低電介質(zhì)(低-K)材料具有較低的孔隙度和機械硬度但具有較大的熱膨脹系數(shù)，因此它們受到這些問題損害。

發(fā)明內(nèi)容
依照本發(fā)明的示例性實施例，提供了一種半導(dǎo)體器件的互連，其包括具有形成在其中的溝槽的層間電介質(zhì)層，在溝槽內(nèi)形成的金屬層，在金屬層頂部布置的金屬化合物，在層間電介質(zhì)層的頂部布置的第一阻擋層，和在金屬化合物層和第一阻擋層的頂部布置的第二阻擋層。
依照本發(fā)明的另一實施例，提供一種形成半導(dǎo)體器件的互連的方法，該方法包括在襯底上形成層間電介質(zhì)層，在層間電介質(zhì)層中形成溝槽，形成金屬層以填充溝槽，在金屬層和層間電介質(zhì)層上形成第一阻擋層，熱處理包括第一阻擋層的所得到的襯底以在金屬層的頂部形成金屬化合物層，并在熱處理過的包括第一阻擋層的襯底上形成第二阻擋層。


下面結(jié)合附圖進行詳細說明，將更清晰地理解本發(fā)明的示例性實施例的上述和其它目的、特征和優(yōu)點，其中圖1是示出常規(guī)互連的剖面示意圖；圖2是示出依照本發(fā)明的示例性實施例的剖面示意圖；和圖3-9是示出用于形成依照本發(fā)明的示例性實施例的互連的方法的剖面示意圖。
具體實施例方式
參考附圖，將更全面地描述本發(fā)明的各種示例性實施例，其中示出了本發(fā)明的某些示例性實施例。附圖中，為了清楚起見夸大了層和區(qū)域的厚度。
這里公開了本發(fā)明的詳細的說明性實施例。但是，這里公開的具體結(jié)構(gòu)和功能細節(jié)僅僅代表用于描述本發(fā)明的示例性實施例的目的。但是，本發(fā)明可以多種替代的形式實施，不應(yīng)該解釋為限于這里所述實施例。
因此，由于發(fā)明的示例性實施例能夠進行各種修改和可選的形式，在附圖中通過示例的方式示出其實施例，并將在本文詳細描述。但是應(yīng)當(dāng)理解，并沒有打算將本發(fā)明的示例性實施例限制為所公開的具體形式，但是相反，發(fā)明的示例性實施例將覆蓋所有落入發(fā)明范圍內(nèi)的修改、等同物和可選方式。整個

中相同的標(biāo)號代表相同的部件。
應(yīng)當(dāng)理解，盡管這里使用第一、第二等術(shù)語來描述各種部件，這些部件不限于這些術(shù)語。這些術(shù)語僅僅用來區(qū)別部件。例如，在不脫離本發(fā)明的示例性實施例的范圍內(nèi)，第一部件可以被稱為第二部件，類似，第二部件可以被稱為第一部件。這里，使用的術(shù)語“和/或”包括一個或多個相關(guān)的系列項的任一個或其結(jié)合。
應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)提及部件被“連接”或“耦接”到另一部件時，其可以是直接連接或耦接到另一部件，或可存在插入其間的部件。相反，當(dāng)提及部件被“直接連接”或“直接耦接”到另一部件，其間不存在插入其間部件。用來描述部件之間的關(guān)系的其它用詞將以類似的方式解釋(例如，“之間”相對于“直接之間”、“相鄰”相對于“直接相鄰”等)。
這里使用的術(shù)語僅僅為了描述具體實施例的目的，并不是限定發(fā)明的示例性實施例。這里，除非說明書清楚地指出，所使用的單數(shù)“一”、“一個”、“該”可包括復(fù)數(shù)形式。更應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)使用術(shù)語“構(gòu)成”、“包含”、“包括”和/或“具有”時，表示一定的特征、整數(shù)、步驟、操作、部件和/或元件的存在，但不排除其它的一個或多個特征、整數(shù)、步驟、操作、部件、元件和/或它們的組合的存在。
還應(yīng)當(dāng)注意，某些可選的實施方式中，提及的功能/作用可在附圖中指出的順序以外發(fā)生。例如，連續(xù)示出的兩個附圖實際上基本上可同時實施或有時可以相反的順序?qū)嵤?，取決于所包括的功能/作用。
而且，例如詞語“化合物”可以用來表示單數(shù)和復(fù)數(shù)。這些詞語用來指出一種或多種化合物，但也可以僅表示一種化合物。
現(xiàn)在，為了更具體地描述本發(fā)明的示例性實施例，將參考附圖來詳細描述本發(fā)明的各種實施例。但是，本發(fā)明不限于示例性實施例，可用多種形式實施。圖中，如果在另一層或襯底上形成層，其意味著層直接形成在另一層或襯底上，或第三層插于其間。下面的說明中，相同的參考符號代表相同的部件。
盡管為了說明性的目的公開了本發(fā)明的示例性實施例，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離依照權(quán)利要求所公開的發(fā)明的范圍和精神，可以有各種修改、附加和替換。
下面，將參考附圖詳細地描述本發(fā)明的示例性實施例。通過參考附圖所詳細描述的實施例，本發(fā)明的示例性實施例的各方面和特征以及用于是實現(xiàn)這些方面和特征的方法將變得更加清楚。但是，本發(fā)明的示例性實施例不限于以下公開的示例性實施例，而可以以不同形式實施。說明書中定義的事物，例如詳細的結(jié)構(gòu)和部件，是提供來幫助本領(lǐng)域技術(shù)人員全面地理解本發(fā)明的示例性實施例，本發(fā)明的示例性實施例僅僅限定在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。在本發(fā)明的示例性實施例的整個說明中，相同的附圖參考符號用于各圖中的相同部件。
為了方便的目的，以銅互連為例進行下述說明，應(yīng)當(dāng)理解，可以使用所有的低電阻導(dǎo)體，例如，鋁(Al)、金(Au)及其合金。
圖2是示出依照本發(fā)明的示例性實施例的半導(dǎo)體器件的互連的剖面圖。
參考圖2，其中具有溝槽的層間電介質(zhì)層201形成在襯底200上，并在層間電介質(zhì)層201的溝槽中形成金屬層207。
可選地，在襯底200和層間電介質(zhì)層201之間可以插入由多晶硅、鎢(W)、鋁(Al)或銅(Cu)制成的導(dǎo)體層或絕緣層。
層間電介質(zhì)層201可包括多層絕緣層。該多層絕緣層可以是具有布線圖案的氧化物。為了降低RC延遲，絕緣層可以具有低的介電常數(shù)。例如，絕緣層可以由黑金剛石、FSG(氟硅化物玻璃)、SiOC、聚酰亞胺或SiLKTM構(gòu)成，但不限于此。
金屬層207可以由銅或銅合金構(gòu)成，但不限于此。這里使用的術(shù)語“銅合金”代表銅與微量的其它元素的結(jié)合，該其它元素例如C、Ag、Co、Ta、In、Zn、Mn、Ti、Mg、Cr、Ge、Sr、Pt、Mg、Al和/或Zr，這些示例是說明性的，不是限制性的。
在層間電介質(zhì)層201的表面和金屬層207之間還可以插入金屬阻擋層(未示出)；且可以減少或防止金屬原子從填充有金屬層207的溝槽擴散到層間電介質(zhì)層201中。金屬阻擋層可以形成為大約200至約1000的厚度，例如大約450的厚度。作為金屬阻擋層的材料，可以使用鈦(Ti)、鉭(Ta)、鎢(W)或其氮化物，例如，TiN、TaN和WN。此外，可以使用TaSiN、WSiN或TiSiN。可以用CVD(化學(xué)氣相沉積)工藝或PVD(物理氣相沉積)工藝來沉積金屬阻擋層，例如，濺鍍。
在金屬阻擋層上可形成種子金屬層，以增加互連的均勻度和/或開始成核。如果形成，種子金屬層可具有大約500到大約2500的厚度范圍，例如大約1500的厚度。種子金屬層可以是銅、金、銀、鉑(Pt)或鈀(Pd)，但不限于此。
在金屬層207上可以提供用作對金屬層207的阻擋層的金屬化合物層401。該金屬化合物層401可包含金屬層207的金屬成分和硅，并且可選擇包括氮。
在層間電介質(zhì)層201上，可以形成厚度為100以下的第一阻擋層301b。第一阻擋層301b可以由氮化硅(SiN)、碳化硅(SiC)或碳氮化硅(SiCN)構(gòu)成，但不限于此。
可以在金屬化合物層401和第一阻擋層301b上可以形成第二阻擋層501。第二阻擋層501可具有大約100到大約1000的厚度范圍。第二阻擋層501可以由氮化硅(SiN)、碳化硅(SiC)或碳氮化硅(SiCN)構(gòu)成，但不限于此。如所述，阻擋層在金屬層207和層間電介質(zhì)層201上形成為雙層。
圖3到9示出了形成本發(fā)明的示例性實施例中的半導(dǎo)體器件互連的方法。
如圖3所示，在襯底200上形成層間電介質(zhì)層201a?？蛇x的，在襯底200和層間電介質(zhì)層201a之間可以插入例如多晶硅、鎢(W)、鋁或銅的導(dǎo)體材料或絕緣體。層間電介質(zhì)層201a可以包括多個絕緣層。該多個絕緣層可以是具有布線圖案溝槽的氧化物。為了降低RC延遲，該多個絕緣層可以具有低介電常數(shù)。例如，絕緣層可以由黑金剛石、FSG(氟硅化物玻璃)、SiOC、聚酰亞胺或SiLKTM構(gòu)成，但不限于此。
如圖4所示，可部分地蝕刻層間電介質(zhì)層201a以所需的布線圖案形成溝槽203。圖案中，盡管以單鑲嵌互連的形式描述，但是可以是雙鑲嵌或多鑲嵌形式的互連結(jié)構(gòu)。清洗具有溝槽203的所獲得的結(jié)構(gòu)，在其上施加金屬阻擋層(未示出)。如果存在，金屬阻擋層可以減小或防止填充溝槽203的金屬層的金屬原子向?qū)娱g電介質(zhì)層201的擴散。金屬阻擋層可以形成為大約200至大約1000的厚度范圍，例如大約450的厚度。作為金屬阻擋層的材料，可以使用鈦(Ti)、鉭(Ta)、鎢(W)或其氮化物，例如，TiN、TaN和WN。此外，可以使用TaSiN、WSiN和TiSiN?？梢杂肅VD(化學(xué)氣相沉積)工藝或PVD(物理氣相沉積)工藝來沉積金屬阻擋層，例如濺鍍。
如圖5所示，可以形成金屬層205來覆蓋層間電介質(zhì)層201并填充溝槽203。金屬層205可以由銅或銅合金構(gòu)成，但不限于此。這里使用的術(shù)語“銅合金”代表銅與微量的其它元素的結(jié)合，該其它元素例如是C、Ag、Co、Ta、In、Zn、Mn、Ti、Mg、Cr、Ge、Sr、Pt、Mg、Al或Zr。
為了以例如銅的金屬層來填充溝槽203，可以使用濺鍍工藝或CVD工藝。而且，可以使用鍍覆工藝(電鍍或無電鍍)。當(dāng)鍍覆時，在金屬阻擋層上引入種子金屬層能夠改進結(jié)果。種子金屬層可以提高電鍍層的均勻度且?guī)椭缙跔顟B(tài)的成核。如果形成，種子金屬層可具有大約500到大約2500的厚度范圍，例如大約1500的厚度。為了沉積種子金屬層，可以使用CVD工藝，但也可以使用濺鍍工藝。這里，可以在2kW的濺鍍功率和大約2mTorr的壓力下、大約0℃溫度的襯底、襯底距離鈀的60mm進行濺鍍工藝，但不限于這些條件。根據(jù)所使用的方法，金屬種子可以選自銅、金、銀、鉑(Pt)或鈀(Pd)等。鍍覆之后，銅層可以具有稀疏的紋理結(jié)構(gòu)，其中在其間大的間隔中排列有非常小的晶粒。由此，進行退火工藝使得晶粒通過再結(jié)晶而生長，由此降低電阻率。
或者地，可以使用濺鍍或CVD工藝來以銅填充溝槽。而且，可以沉積具有使用于布線的合適電阻的金屬以替代銅，這比如金、鉑或銀?？紤]到隨后CMP的情況，金屬層可以沉積到比溝槽的深度深大約0.2μm的厚度。
參考圖6，使用CMP工藝平坦化所得到的結(jié)構(gòu)，直到露出層間電介質(zhì)層201的上表面以在鑲嵌互連圖案中形成金屬層207，其上表面可以基本上與金屬層207關(guān)聯(lián)。在金屬層207的形成期間難于保持無氧的狀態(tài)，并且當(dāng)使用反應(yīng)爐時也是困難的。而且，CMP工藝的漿料可包含氧。因此，當(dāng)形成時，銅層在其表面將具有原生的氧化銅，例如CuO、Cu2O。氧化銅將破壞銅層和其上沉積的層之間的粘附性，并提高電阻，由此降低了最終產(chǎn)品的可靠性。
為了消除氧化銅，通過施加RF到Ar、He、H2等混合氣體來準備等離子體，例如，可以使用氫基等離子體。或者，可以使用通過施加RF到Ar、He、NH3等混合氣體制備的NH3基等離子體。本示例中，不僅減少金屬層207的表面而且進行氮化。
此后，如圖7所示，在獲得的結(jié)構(gòu)的整個上表面上形成第一阻擋層301a。對該沉積可以使用氮化硅?？梢允褂肅VD工藝來沉積氮化硅，或使用PEVDD(等離子體增強CVD)工藝來沉積至大約100的厚度?？梢杂玫入x子體處理原位進行氮化硅層的形成，這比進行兩步單獨的工藝更簡單。原位工藝可以減小或防止在互連上形成氧化銅層。替代氮化硅，可以使用碳化硅(SiC)或碳氮化硅(SiCN)來形成第一阻擋層。
如圖8所示，對其中形成有第一阻擋層的所獲得的結(jié)構(gòu)進行熱退火400。例如，可以進行快速熱退火(RTA)工藝?；蛘?，可以使用真空退火或等離子體退火工藝。熱退火工藝400可以在大約200到約650℃進行。金屬層207與第一阻擋層的組成成分進行反應(yīng)，例如氮化硅，在其上表面上形成金屬化合物層401，例如硅化物層。例如，CuSiN的元素按它們各自的化學(xué)當(dāng)量比與銅進行反應(yīng)，以形成金屬化合物層401。位于層間電介質(zhì)層201上的第一阻擋層301b可以保持不反應(yīng)，由此可用作對層間電介質(zhì)層的阻擋層。
如圖9所示，第二阻擋層501可以由氮化硅(SiN)、碳化硅(SiC)或碳氮化硅(SiCN)構(gòu)成。與用于第一阻擋層的相同的工藝可以用于第二阻擋層的形成。在示例性實施例中，氮化硅可以用于第一阻擋層，而碳化硅可以用于第二阻擋層。包括氮化硅和碳化硅的雙層蓋層示出了其間的協(xié)同作用。即，由于氮化硅層補充了泄漏部分，而碳化硅層造成了大的蝕刻選擇比，雙層蓋層可以滿足減少泄漏和具有大的蝕刻選擇比的性能。
當(dāng)在金屬層上構(gòu)成接觸區(qū)時，在接觸區(qū)和金屬層之間的金屬化合物層和第二阻擋層的插入將減少或防止由應(yīng)力導(dǎo)致的空區(qū)和/或空隙引起的缺陷。
如上所述，依照本發(fā)明的示例性實施例的鑲嵌互連可以構(gòu)成具有包括用作蓋層的金屬化合物層的雙重阻擋層，由此改進了減小或防止由應(yīng)力導(dǎo)致的空區(qū)和/或空隙引起的缺陷。
根據(jù)本發(fā)明的一些示例性實施例，阻擋層可以有N個阻擋層，這里N＞2，阻擋層中的一個或多層可由基本上不同的材料制成。
盡管本發(fā)明的示例性實施例為了說明行的目的進行了公開，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離權(quán)利要求所公開的發(fā)明的范圍和精神內(nèi)，可以進行各種修改、添加和置換。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件的互連，包括其中形成有溝槽的層間電介質(zhì)層；在所述溝槽內(nèi)形成的金屬層；在所述金屬層上形成的金屬化合物層；在所述層間電介質(zhì)層上形成的第一阻擋層；和在所述金屬化合物層和所述第一阻擋層上形成的第二阻擋層。
2.如權(quán)利要求1的互連，其中所述金屬層包括銅或其合金。
3.如權(quán)利要求1的互連，其中所述金屬化合物層包括銅和硅。
4.如權(quán)利要求3的互連，其中所述金屬化合物層還包括氮。
5.如權(quán)利要求1的互連，其中所述第一阻擋層厚度大約為100。
6.如權(quán)利要求1的互連，其中所述第一阻擋層由選自由氮化硅、碳化硅和碳氮化硅構(gòu)成的組中的至少一種材料構(gòu)成。
7.如權(quán)利要求1的互連，其中所述第二阻擋層具有大約100到大約1000的厚度范圍。
8.一種形成半導(dǎo)體器件的互連的方法，包括在襯底上形成層間電介質(zhì)層；在所述層間電介質(zhì)層中形成溝槽；以金屬層填充所述溝槽；在所述金屬層和層間電介質(zhì)層上形成第一阻擋層；熱處理包括所述第一阻擋層的所得到的襯底以在所述金屬層的頂部形成金屬化合物層；和在熱處理的包括所述第一阻擋層的襯底上形成第二阻擋層。
9.如權(quán)利要求8的方法，其中使用鑲嵌工藝進行填充所述溝槽。
10.如權(quán)利要求8的方法，還包括在所述層間電介質(zhì)層中形成溝槽和填充所述溝槽之間形成金屬阻擋層。
11.如權(quán)利要求8的方法，其中所述第一阻擋層由選自氮化硅、碳化硅和碳氮化硅中的至少一種材料構(gòu)成。
12.如權(quán)利要求8的方法，其中所述熱處理在大約200到大約650℃的溫度范圍內(nèi)進行。
13.如權(quán)利要求8的方法，其中使用快速熱處理工藝進行所述熱處理。
14.如權(quán)利要求8的方法，其中使用真空退火工藝進行所述熱處理。
15.如權(quán)利要求8的方法，其中使用等離子體退火工藝進行所述熱處理。
16.如權(quán)利要求8的方法，其中所述第二阻擋層由選自氮化硅、碳化硅和碳氮化硅中的至少一種材料構(gòu)成。
17.如權(quán)利要求16的方法，其中所述第二阻擋層具有大約100到大約1000的厚度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有雙重或多重蓋層的互聯(lián)及其制造方法。互連包括其間形成有溝槽的層間電介質(zhì)層，溝槽內(nèi)形成的金屬層，金屬層上的金屬化合物層，層間電介質(zhì)層上的第一阻擋層，和金屬化合物層與第一阻擋層上的第二阻擋層。
文檔編號H01L21/768GK1945826SQ200610151329
公開日2007年4月11日 申請日期2006年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月20日
發(fā)明者吳晙煥, 孟東祚 申請人:三星電子株式會社