專利名稱：改善窄銅填充過孔的導(dǎo)電性的方法及結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及布線結(jié)構(gòu)，更具體地，涉及改善銅(Cu)填充過孔的導(dǎo)電性的技術(shù)。
背景技術(shù)：
在目前高密度布線技術(shù)中，窄銅(Cu)填充過孔的導(dǎo)電性會(huì)因?yàn)樵谶@些尺寸的過孔中Cu的小晶粒尺寸而劣化。常規(guī)技術(shù)涉及含Cu結(jié)構(gòu)的退火以使晶粒尺寸增大進(jìn)而改善其導(dǎo)電性。
例如，一般而言，用以制造Cu填充過孔的常規(guī)技術(shù)典型包含第一，在線布路結(jié)構(gòu)已嵌入其中的介電基體(matrix)中形成過孔。第二，該過孔以擴(kuò)散阻擋層加襯，以防止Cu 擴(kuò)散進(jìn)入電介質(zhì)中。該擴(kuò)散阻擋層通常包含直接沉積在該電介質(zhì)上的氮化鉭(TaN)層和沉積在TaN的頂上的鉭(Ta)。第三，薄Cu晶種層濺射至該暴露的Ta表面，以便準(zhǔn)備電鍍敷過孔。第四，利用電鍍敷工藝將Cu填充該過孔，第五，所形成的結(jié)構(gòu)被退火，使在過孔的Cu晶粒生長(zhǎng)以改善導(dǎo)電性，然而，這些方法被證實(shí)對(duì)這些Cu過孔結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性增加而言效力有限。
大Cu晶粒生長(zhǎng)的限制因素為在Cu晶種層中晶粒的尺寸。這些在Cu晶種層中的晶粒形成的模板，電鍍敷的Cu隨后沉積在該模板上，且因此初始電鍍敷Cu的晶粒尺寸反映由Cu晶種層所展現(xiàn)的小晶粒尺寸。Cu電鍍敷后接下來的退火對(duì)克服最初的小晶粒結(jié)構(gòu)的效果有限。該Cu晶種層所顯現(xiàn)出的小晶粒尺寸絕大部分歸因于該層的薄度，以及Cu濕潤(rùn)下方擴(kuò)散阻擋層表面的程度。無法增加該Cu晶種層厚度以克服此問題，因?yàn)橛蔀R射工藝形成的Cu晶種層不能保形地(conformally)沉積，因此,如果將該Cu晶種制造得太厚來試圖增加晶粒尺寸，將會(huì)使布線結(jié)構(gòu)中的到過孔的開口夾斷(pinch off)，導(dǎo)致無法進(jìn)行后續(xù)的電鍍敷。
因此，迫切需要改善Cu填充過孔導(dǎo)電性的技術(shù)。 發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供改善銅(Cu)填充過孔的導(dǎo)電性的技術(shù)。在本發(fā)明的一方面，提供一種制造銅填充過孔的方法。該方法包含下列步驟。在電介質(zhì)中蝕刻過孔。該過孔由擴(kuò)散阻擋層加襯。薄釕(Ru)層被保形地沉積到該擴(kuò)散阻擋層上。薄Cu晶種層被沉積在該Ru層上。 進(jìn)行第一退火以增加該Cu晶種層的晶粒尺寸。用附加的Cu填充該過孔。進(jìn)行第二退火以增加該附加的Cu的晶粒尺寸。
在本發(fā)明的另一方面，提供一種在電介質(zhì)中形成的Cu填充過孔，其包括過孔；為過孔加襯的擴(kuò)散阻擋層；薄Ru層，保形地設(shè)置在該擴(kuò)散阻擋層上；薄&1晶種層，設(shè)置在該 Ru層上；以及附加的Cu，電鍍敷到該薄Cu晶種層上以填充該過孔而形成該Cu填充過孔。 該附加的Cu具有的平均晶粒寬度為至少該過孔寬度的O. 5倍。該過孔的寬度可約為20納米至50納米。
參考下面的詳細(xì)說明和附圖，將獲得對(duì)本發(fā)明及其進(jìn)一步的特征和優(yōu)點(diǎn)的更全面理解。


現(xiàn)在將參考在附圖中示例的優(yōu)選實(shí)施例僅通過實(shí)例來解釋本發(fā)明，其中
圖1為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，顯示沉積在襯底上的電介質(zhì)和蝕刻到電介質(zhì)中的過孔的截面圖。
圖2為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，顯示該過孔由擴(kuò)散阻擋層加襯的截面圖。
圖3為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，顯示釕(Ru)層沉積到該擴(kuò)散阻擋層上的截面圖。
圖4為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，顯示銅(Cu)晶種層沉積在該Ru層以準(zhǔn)備用于電鍍敷的過孔的截面圖。
圖5為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，顯示用Cu填充過孔的截面圖。
圖6為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，顯示利用本技術(shù)所產(chǎn)生的Cu填充過孔的截面圖。
具體實(shí)施方式
圖1至圖5示出了制造銅(Cu)填充過孔的示例方法。有利地，利用本發(fā)明技術(shù)形成的Cu填充過孔與用常規(guī)技術(shù)所形成的結(jié)構(gòu)相比，顯示在電阻上有10-15%的一致減少。開始處理時(shí)，在襯底之上形成電介質(zhì)。
圖1為顯示電介質(zhì)120沉積在襯底100之上的截面圖。電介質(zhì)120可包含任何適合的介電材料，包括，但不限于，二氧化娃(Si02)、娃-碳-氧-氫材料(如SIC0H)和有機(jī)聚合物中的至少一種，電介質(zhì)120可利用任何適合的沉積方法沉積，例 如，化學(xué)氣相沉積 (CVD)、原子層沉積(ALD)、蒸發(fā)、濺射或基于溶液的技術(shù)，例如旋涂，厚度由約10納米至約 1000納米。襯底100通常表示在單層或多層的布線陣列中任一布線層或接觸層。然后，利用任一適合的蝕刻處理，如反應(yīng)離子蝕刻(RIE)，在電介質(zhì)120中蝕刻窄過孔101。根據(jù)圖1所示的示例性實(shí)施例，形成具有寬度w約20納米至約50納米的過孔101。
接著，該過孔以擴(kuò)散阻擋層加襯。圖2顯示以擴(kuò)散阻擋層202加襯的過孔101的截面圖。根據(jù)示例性實(shí)施例，該擴(kuò)散阻擋層202由二層構(gòu)成。第一層為氮化鉭(TaN)層202a， 被沉積在電介質(zhì)120上，厚度由約5納米至約15納米，例如從約8納米至約12納米，以作加襯過孔。第二層為鉭(Ta)層202b，被沉積在氮化鉭(TaN)層202a上，厚度由約5納米至 15納米，例如由8納米至12納米。擴(kuò)散阻擋層202防止Cu(見下述)擴(kuò)散進(jìn)入電介質(zhì)。
之后，將薄釕(Ru)層保形沉積到擴(kuò)散阻擋層上。圖3為顯示Ru層302沉積在擴(kuò)散阻擋層202 (如Ta層202b)上的截面圖。根據(jù)示例性實(shí)施例，以羰基釕(ruthenium carbonyl)為前驅(qū)物，利用CVD或ALD，Ru層302被保形沉積搭配擴(kuò)散阻擋層202上，厚度從約I納米至約10納米，例如從約2納米至約5納米。CVD或ALD確保Ru均勻保形覆蓋在擴(kuò)散阻擋層上(不希望具有任何來自在后續(xù)處理步驟期間暴露的擴(kuò)散阻擋層的Ta)。選擇性地，Ru層302可利用濺射沉積方法沉積在擴(kuò)散阻擋層202上。
Ru層302用于二個(gè)目的。第一，Ru層302作為Cu晶種層的潤(rùn)濕劑(見下述)，以有助于較大晶種晶粒的形成。第二，在使用退火步驟以增加Cu晶種層的晶粒尺寸(亦見下述)期間，Ru層302保護(hù)下方擴(kuò)散阻擋層202不被氧化。因此，釕的均勻覆蓋是很重要的。
在該Ru層上沉積薄Cu晶種層。圖4顯示Cu晶種層402沉積在Ru層302上以準(zhǔn)備用于電鍍敷的過孔的截面圖。根據(jù)示例性實(shí)施例，Cu晶種層402利用濺射沉積制程沉積在Ru層302上，厚度從約20納米至約100納米，例如從約25納米至約35納米。
之后，進(jìn)行退火步驟以增加Cu晶種層402的晶粒尺寸。根據(jù)示例性實(shí)施例，在約攝氏150°C至約350°C，例如約250°C的溫度下，在形成氣體(例如氫氣或氫氣與任何不會(huì)與襯底反應(yīng)的氣體如氮?dú)饣蚨栊詺怏w的混合物)中進(jìn)行退火。需注意Cu晶種層的退火步驟在使用電鍍敷填充該過孔(見下述)之前進(jìn)行。這可產(chǎn)生較大的晶種晶粒，這可在電化學(xué) Cu填充后，促進(jìn)過孔中較大晶粒的形成。再者，如果沒有Ru層302的引入，該Cu晶種層退火就不會(huì)有效，這有二個(gè)原因。第一，該Cu晶種層被設(shè)置在由Cu很差濕潤(rùn)的鉭(Ta)表面 (屬于擴(kuò)散阻擋層)上。因此，退火可導(dǎo)致該Cu晶種層起球(ball up)，而非形成希望的均勻平坦的晶粒。第二，由于在Ta層(屬于擴(kuò)散阻擋層)上的Cu晶種層缺乏連續(xù)性，暴露的 Ta會(huì)氧化(除非在極高真空環(huán)境中進(jìn)行退火，其費(fèi)用將會(huì)相當(dāng)昂貴)。Ta的氧化會(huì)劣化結(jié)構(gòu)的電遷移性能。由于Ta對(duì)氧有高度的化學(xué)親合力，一旦鉭被氧化，就無法企圖用隨后的還原處理將其恢復(fù)成金屬狀態(tài)。以均勻保形Ru層，防氧化貴金屬，覆蓋Ta，可在提議的結(jié)構(gòu)中避免該問題。
之后，以附加的Cu填充該過孔中。圖 5為已由Cu502填充的過孔101的截面圖。 根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，利用電鍍敷處理將Cu502鍍敷到過孔101中，如圖5所示，如果需要的話，將會(huì)溢出過孔的Cu502會(huì)被研磨到與Cu晶種層402的頂表面共面。另外，可選地，Cu502的溢出可以留下覆蓋Cu晶種層402的上表面。例如下面描述的圖6。再次進(jìn)行退火，此次增加Cu502的晶粒尺寸。根據(jù)示例性實(shí)施例，在約150°C至約350°C (例如，約 2500C )的溫度下在形成氣體中進(jìn)行退火。
通過增加Cu502的晶粒尺寸，也會(huì)增加過孔的導(dǎo)電性。即，在測(cè)試中，以本技術(shù)所形成的過孔與以公知技術(shù)制造的結(jié)構(gòu)相比，顯示電阻的10%-15%的一致減少。此外，在該測(cè)試中，本結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)都受到進(jìn)一步的熱循環(huán)處理以模擬隨后六層布線的制造。經(jīng)過這樣的處理后，本發(fā)明結(jié)構(gòu)可維持10%至15%的性能優(yōu)勢(shì)。
在電化學(xué)Cu填充后，Cu晶種層的晶粒尺寸增加促使過孔中形成較大的晶粒。圖 6所示本技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的示意圖。圖6顯示利用上述制造方法所形成的Cu填充過孔的截面圖。 Cu602代表填充到過孔中的附加的Cu，例如，依據(jù)接合上述圖5所描述的步驟。在Cu填充之前沉積的各層，例如，擴(kuò)散阻擋層、Ru層和Cu晶種層(參見，例如，上述圖5)，為了使描述更簡(jiǎn)單清楚，所以并未顯示，但是在此實(shí)施例中，可以理解的是這些層都存在于結(jié)構(gòu)中。此外，與圖5中Cu502相比，圖6中的附加的Cu填充，例如Cu602，溢出該過孔。如上文所強(qiáng)調(diào)的，如果需要的話，可使用可選的研磨步驟將溢出去除。
圖6為用以強(qiáng)調(diào)目前技術(shù)的有益的晶粒特性。具體來說，利用首先生長(zhǎng)大晶粒尺寸的Cu晶種層，如上所述，在附加的Cu填充和最后的退火后，過孔中實(shí)現(xiàn)更大、更均勻的晶粒，如上所述。只作為實(shí)例，Cu602中獲得的晶粒尺寸g至少為特征尺寸的約O. 5倍。晶粒尺寸g可量化為量測(cè)的直線性尺寸，例如晶粒的截面寬度(見圖6)。特征尺寸可量化為特征(范例中的過孔)的截面寬度(見圖1)。因此，在這些實(shí)例中，平均上，附加的Cu602的晶粒(最終退火后)具有的截面寬度至少為過孔截面寬度的O. 5倍。以本技術(shù)可以達(dá)到在附加的Cu填充中的具有等于過孔的截面寬度的截面寬度的晶粒，見圖6。
還應(yīng)注意的是，本技術(shù)結(jié)構(gòu)中的晶粒尺寸相當(dāng)均勻。只作為實(shí)例，貫穿過孔，該晶粒尺寸(如基于上述截面晶粒寬度而所量測(cè))的變化不會(huì)超過25%。
相比之下，常規(guī)技術(shù)會(huì)產(chǎn)生貫穿過孔的不均勻晶粒尺寸，頂部產(chǎn)生較大的晶粒，而過孔底部會(huì)產(chǎn)生較小的晶粒(其中Cu被空間限制)，這些較小晶粒的截面寬度通常約為過孔截面寬度的O. 2倍，比本技術(shù)提供的小一個(gè)數(shù)量級(jí)。
雖然在本文中已經(jīng)描述了本發(fā)明的示例實(shí)施例，但是應(yīng)理解，本發(fā)明不限于這些精確實(shí)施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可進(jìn)行各種其他變化和修改而未背離本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種制造銅填充過孔的方法，包括以下步驟 在電介質(zhì)中蝕刻過孔； 用擴(kuò)散阻擋層為所述過孔加襯； 將釕層保形沉積到所述擴(kuò)散阻擋層上； 在所述釕層上沉積銅晶種層； 進(jìn)行第一退火以增加所述銅晶種層的晶粒尺寸； 用附加的銅填充所述過孔；以及 進(jìn)行第二退火以增加所述附加的銅的晶粒尺寸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中用所述擴(kuò)散阻擋層為所述過孔加襯的步驟，包括以下步驟 將氮化鉭層沉積到所述電介質(zhì)上以為所述過孔加襯；以及 將鉭層沉積到所述氮化鉭層上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述氮化鉭層被沉積到從約5納米至約15納米的厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3的方法，其中所述氮化鉭層被沉積到從約8納米至約12納米的厚度。
5.根據(jù)權(quán)利要求2到4中任一項(xiàng)的方法，其中所述鉭層被沉積到從約5納米至約15納米的厚度。
6.根據(jù)權(quán)利要求2到5中任一項(xiàng)的方法，其中所述鉭層被沉積到從約8納米至約12納米的厚度。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中所述釕層被沉積到從約I納米至約10納米的厚度。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中所述釕層被沉積到從約2納米至約5納米的厚度。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中利用化學(xué)氣相沉積將所述釕層沉積到所述擴(kuò)散阻擋層上。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中使用羰基釕作為用于化學(xué)氣相沉積的前驅(qū)物。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)的方法，其中利用原子層沉積將所述釕層沉積到所述擴(kuò)散阻擋層上。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中使用羰基釕作為用于原子層沉積的前驅(qū)物。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)的方法，其中利用濺射沉積方法將所述釕層沉積到所述擴(kuò)散阻擋層上。
14.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中所述銅晶種層被沉積到從約20納米至約100納米的厚度。
15.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中所述銅晶種層被沉積到從約25納米至約35納米的厚度。
16.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中所述銅晶種層通過利用濺射沉積方法而沉積。
17.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中在從約150°C至約350°C的溫度下在形成氣體中進(jìn)行所述第一退火。
18.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，還包括以下步驟 將所述附加的銅鍍敷到所述過孔中。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中所述附加的銅被電鍍敷到所述過孔中。
20.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中在從約150°C至約350°C的溫度下在形成氣體中進(jìn)行所述第二退火。
21.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中用附加的銅填充所述過孔的步驟響應(yīng)于進(jìn)行所述第一退火的所述步驟。
22.—種在電介質(zhì)中形成的銅填充過孔，包括 過孔； 擴(kuò)散阻擋層，為所述過孔加襯； 釕層，保形設(shè)置在所述擴(kuò)散阻擋層上； 銅晶種層，設(shè)置在所述釕層上；以及 附加的銅，鍍敷到所述銅晶種層上以填充所述過孔而形成所述銅填充過孔，其中所述附加的銅具有至少所述過孔的寬度的O. 5倍的平均晶粒寬度。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的銅填充過孔，其中所述過孔具有從約20納米到約50納米的寬度。
24.根據(jù)權(quán)利要求22或23的銅填充過孔，其中所述擴(kuò)散阻擋層包括 氮化鉭層，為所述過孔加襯；以及 鉭層，位于所述氮化鉭層上。
25.根據(jù)權(quán)利要求22到24中任一項(xiàng)的銅填充過孔，其中所述釕層具有從約I納米至約10納米的厚度。
26.根據(jù)權(quán)利要求22到25中任一項(xiàng)的銅填充過孔，其中所述銅晶種層具有從約20納米至約100納米的厚度。
全文摘要
提供了一種改善銅(Cu)填充過孔的導(dǎo)電性的技術(shù)。在一方面，提供一種制造Cu填充過孔的方法。該方法包含下列步驟。在電介質(zhì)中蝕刻過孔。該過孔由擴(kuò)散阻擋層加襯。薄釕(Ru)層被保形地沉積到該擴(kuò)散阻擋層上。薄Cu晶種層被沉積在該Ru層上。進(jìn)行第一退火以增加該Cu晶種層的晶粒尺寸。用附加的Cu填充該過孔。進(jìn)行第二退火以增加該附加的Cu的晶粒尺寸。
文檔編號(hào)H01L23/532GK103003939SQ201180035315
公開日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2011年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月19日
發(fā)明者F·R·麥克菲力, 楊智超 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司