自我生長的阻擋層結(jié)構(gòu)及使用該結(jié)構(gòu)的溝槽式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種自我生長的阻擋層結(jié)構(gòu)，其包括一含硅基板、一第一阻擋層，覆蓋于該含硅基板上，以及一第二阻擋層，覆蓋于該第一阻擋層之上，且該第二阻擋層為銅合金，其中該銅合金包含銅元素及至少一金屬元素，其中該金屬元素需為擴(kuò)散速度比銅快且不與銅互溶的元素。在另一實(shí)施例中，該自我生長阻擋的阻擋層結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于溝槽式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)以獲得優(yōu)選的熱穩(wěn)定性及阻擋效果，并提升整體導(dǎo)線的導(dǎo)電特性。
【專利說明】自我生長的阻擋層結(jié)構(gòu)及使用該結(jié)構(gòu)的溝槽式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種阻擋層結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種自我生長的阻擋層結(jié)構(gòu)及使用該結(jié)構(gòu)的溝槽式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)今半導(dǎo)體制作技術(shù)已邁入超大規(guī)模集成電路(Ultra large ScaleIntegration),當(dāng)達(dá)到美國半導(dǎo)體協(xié)會(huì)(SIA)對(duì)國際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖(InternationalTechnology Roadmap for Semiconductors)所設(shè)定在 2015 年的 32nm、22nm 線寬技術(shù)要求時(shí)，必須面對(duì)后段金屬聯(lián)機(jī)工藝朝向多層化及細(xì)微化的發(fā)展，為了避免導(dǎo)線層與介電層之間的電阻電容時(shí)間延遲效應(yīng)(RC Time Delay)，以及在高操作電流密度下產(chǎn)生的電致遷移(Electron-Migration)可靠度的問題，需集合高導(dǎo)電率及高熔點(diǎn)的金屬導(dǎo)線與低介電常數(shù)的介電材料，以突破元件操作上的瓶頸，并有效提升整體效能。
[0003]然而，隨著銅工藝的開發(fā)，整個(gè)半導(dǎo)體工業(yè)仍有許多的挑戰(zhàn)存在，其中包括:①銅無法像鋁一樣形成自我保護(hù)層。鍍制后的銅膜在大氣環(huán)境下容易氧化和受濕氣腐蝕，影響金屬聯(lián)機(jī)的導(dǎo)電穩(wěn)定性；②在200°C的低溫下，銅會(huì)與硅或硅基材料等產(chǎn)生反應(yīng)，在IC結(jié)構(gòu)中形成如同Cu3Si的銅-硅化合物，造成元件的失效；③銅與介電層的附著性不良，使IC中薄膜結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度不足；④銅原子具有快速的擴(kuò)散性。在電場(chǎng)加速下，銅能穿透介電層而快速的擴(kuò)散，尤其針對(duì)硅基材料，一旦銅原子擴(kuò)散到硅基材中，會(huì)引入深層能級(jí)受體(DeepLevel Acceptor),造成元件的特性退化與失效,⑤銅的鹵素氣體在等離子體中的蒸氣壓很低，不易以反應(yīng)性離子蝕刻(Reactive 1n Etching)等干蝕刻方式，制作細(xì)微線路圖樣。
[0004]由于銅工藝引進(jìn)而產(chǎn)生的問題，其解決方式為:①有高度熱及化學(xué)穩(wěn)定性的擴(kuò)散阻擋層(Diffusion Barrier)的配合,用于阻礙銅原子的擴(kuò)散和防止銅與娃基材料的內(nèi)部反應(yīng)；同時(shí)有黏著層(Adhesion Promer)的效果,增進(jìn)銅膜與介電材料的附著能力；(D應(yīng)用大馬士革鑲嵌工藝(Metal Inlaid Damascene Process)與后續(xù)的化學(xué)機(jī)械研磨(ChemicalMechanical Polishing)方式，改善細(xì)微圖樣蝕刻及導(dǎo)線制作的問題；③利用金屬原子(AUMn)摻雜，在銅薄膜表層形成自我保護(hù)封蓋層的制備技術(shù)，以惰性材料保護(hù)銅金屬薄膜部遭受氧化或腐蝕。此外，銅工藝填孔難度提高，其中阻擋層厚度與電阻值便扮演著能否成功填孔的重要角色；然而在填孔時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到以下問題:不連續(xù)(Discontinue)、提早封口(Overhang)、不平行(Asymmetry)，這是因?yàn)殄冎谱钃鯇优c晶種層時(shí)候的缺陷造成后續(xù)電鍍的無法有效達(dá)成填孔。當(dāng)為了降低電阻值使孔洞主要材料為銅時(shí)，我們會(huì)考慮降低阻擋層厚度，但這就會(huì)造成不連續(xù)與不平行現(xiàn)象的產(chǎn)生，并且也使阻擋效果變差；若為了顧慮到抗擴(kuò)散效果而加厚阻擋層厚度時(shí)，就有可能產(chǎn)生提早封口的現(xiàn)象，因?yàn)榭變?nèi)阻擋層厚度相對(duì)于銅變多了，也使金屬導(dǎo)線的電阻值增加；因此，理想的阻擋層結(jié)構(gòu)須同時(shí)兼顧其厚度及電阻值兩項(xiàng)因素；另一方面來說，新的阻擋層材料必須同時(shí)扮演能抑制擴(kuò)散的阻擋層、以及作為電鍍工藝中銅晶種層的功能。最后，也必須能直接在介電層鍍上合金材料，通過退火過程中生成氧化物作為阻擋層，此方法即稱為自我生長的阻擋層的工藝方式。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提出一種自我生長的阻擋層結(jié)構(gòu)及使用該結(jié)構(gòu)的溝槽式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。其用于提升熱穩(wěn)定性及增加阻擋強(qiáng)度，同時(shí)可直接將銅電鍍于其上；此外，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)更可以提升整體導(dǎo)線的導(dǎo)電特性。
[0006]在一實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種自我生長的阻擋層結(jié)構(gòu),其中包括:一含娃基板、一第一阻擋層覆蓋于該含硅基板上，以及一第二阻擋層覆蓋于該第一阻擋層之上，且該第二阻擋層為銅合金，其中該銅合金包含銅元素及至少一金屬元素，且其中該金屬元素需為擴(kuò)散速度比銅快且不與銅互溶的元素。
[0007]在另一實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種可用于溝槽式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的自我生長的阻擋層結(jié)構(gòu)，其中包括:一溝槽式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、一第一阻擋層，覆蓋于該溝槽式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)之上，以及一第二阻擋層，覆蓋于該第一阻擋層之上，此外該第二阻擋層為銅合金，其中該銅合金包含銅元素及至少一金屬元素，其中該金屬元素需為擴(kuò)散速度比銅快且不與銅互溶的元素。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1為根據(jù)本發(fā)明的一自我生長的阻擋層結(jié)構(gòu)第一實(shí)施例示意圖。
[0009]圖2為根據(jù)本發(fā)明的一自我生長的阻擋層結(jié)構(gòu)第二實(shí)施例示意圖。
[0010]圖3為利用本發(fā)明的雙層結(jié)構(gòu)改善阻擋特性的示意圖。
[0011]圖4a與4b為本發(fā)明的第一實(shí)施例加入RuN后增加熱穩(wěn)定性的結(jié)果。
[0012]【主要元件符 號(hào)說明】
[0013]100阻擋層結(jié)構(gòu)
[0014]110含硅基板
[0015]120第一阻擋層
[0016]130第二阻擋層
[0017]200 一種具有自我生長的阻擋層的溝槽式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)
[0018]210溝槽式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)
[0019]220第一阻擋層
[0020]230第二阻擋層
【具體實(shí)施方式】
[0021]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0022]請(qǐng)參閱圖1所示，該圖為本發(fā)明的自我生長的阻擋層結(jié)構(gòu)第一實(shí)施例示意圖。在本實(shí)施例中，該自我生長的阻擋層結(jié)構(gòu)100包括有一含娃基板110、一第一阻擋層120以及一第二阻擋層130。該含硅基板110可為硅、硅的氧化物或兩者的組成物，用于承載第一阻擋層120以及第二阻擋層130。
[0023]該第一阻擋層120，覆蓋于該含硅基板110上。請(qǐng)參閱表1，其為阻擋層材料電阻率比較表，以用來解釋該第一阻擋層120。從表1中可以得知，釕金屬具有較低的電阻率，相對(duì)于鉭來說，同樣阻抗，厚度約略可以縮小1.6倍。而在表2數(shù)據(jù)中，則顯示釕與銅的(111)晶相有相當(dāng)完美的晶格匹配度，一般來說，晶格差異度在20%以下都算是匹配的，而釕金屬對(duì)銅(111)約為17~19%。
[0024]為了有效地將釕金屬導(dǎo)入次世代工藝中，必須提高它阻擋能力，為了減少擴(kuò)散路徑長有兩種作法，其一是增大晶粒，可有效減少擴(kuò)散路徑；另一方式為摻入雜質(zhì)，使材料從多晶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒕Щ蚍蔷ЫY(jié)構(gòu)?；谏鲜隼碛?，本實(shí)施例的第一阻擋層120為釕元素來形成薄膜于該含硅基板110上。而在制作釕薄膜的過程中可以通入氮?dú)猓沟冕懙慕Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒕Щ蚍蔷ЫY(jié)構(gòu)，促使其生成抗擴(kuò)散效果更佳的第一阻擋層120。
[0025]
【權(quán)利要求】
1.一種自我生長的阻擋層結(jié)構(gòu)，其包括: 一含娃基板； 一第一阻擋層，覆蓋于該含娃基板上；及 一第二阻擋層，覆蓋于該第一阻擋層之上，且該第二阻擋層為銅合金，其中該銅合金包含銅元素及至少一金屬元素，其中該金屬元素為擴(kuò)散速度比銅快且不與銅互溶的元素。
2.如權(quán)利要求1所述的自我生長的阻擋層結(jié)構(gòu)，其中該含硅基板可為硅、硅的氧化物或兩者的組成物。
3.如權(quán)利要求1所述的自我生長的阻擋層結(jié)構(gòu)，其中該第一阻擋層為氮化釕薄膜。
4.如權(quán)利要求3所述的自我生長的阻擋層結(jié)構(gòu)，其中該第一阻擋層，其利用濺鍍方式將釕金屬于充滿氮?dú)獾沫h(huán)境，使形成氮化釕薄膜于該含硅基板上。
5.如權(quán)利要求3所述的自我生長的阻擋層結(jié)構(gòu)，其中該第一阻擋層，用于增加該阻擋層結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性。
6.如權(quán)利要求1所述的自我生長的阻擋層結(jié)構(gòu)，其中該第二阻擋層為一銅合金薄膜。
7.如權(quán)利要求6所述的自我生長的阻擋層結(jié)構(gòu)，其中該銅合金薄膜為銅錳薄膜。
8.如權(quán)利要求7所述的自我生長的阻擋層結(jié)構(gòu)，其中該第二阻擋層，其功能同時(shí)為銅晶種層。
9.如權(quán)利要求7所述的自我生長的阻擋層結(jié)構(gòu)，其中該第二阻擋層，于覆蓋至該第一阻擋層后，部份錳原子會(huì)·穿過該第一阻擋層至該含硅基板，并將該含硅基板表面的孔洞填平。
10.如權(quán)利要求9所述的自我生長的阻擋層結(jié)構(gòu)，其中該穿過第一阻擋層的錳原子，進(jìn)一步和該娃基板形成一猛娃氧化合物而形成一第三阻擋層。
11.如權(quán)利要求3所述的自我生長的阻擋層結(jié)構(gòu)，其中該第一阻擋層，其厚度范圍介于Inm到IOnm之間。
12.如權(quán)利要求7所述的自我生長的阻擋層結(jié)構(gòu)，其中該第二阻擋層，其厚度范圍介于50nm 到 150nm 之間。
13.一種具有自我生長的阻擋層的溝槽式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其包括: 一溝槽式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)； 一第一阻擋層，覆蓋于該溝槽式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上 '及 一第二阻擋層，覆蓋于該第一阻擋層之上且該第二阻擋層為銅合金，其中該銅合金包含銅元素及至少一金屬元素，其中該金屬元素為擴(kuò)散速度比銅快且不與銅互溶的元素。
14.如權(quán)利要求13所述的具有自我生長的阻擋層的溝槽式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，可為一或多層介電質(zhì)所形成。
15.如權(quán)利要求13所述的具有自我生長的阻擋層的溝槽式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中該第一阻擋層為氮化釕薄膜。
16.如權(quán)利要求15所述的具有自我生長的阻擋層的溝槽式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中該第一阻擋層，其利用濺鍍方式將釕金屬于充滿氮?dú)獾沫h(huán)境，形成氮化釕薄膜于該溝槽式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上。
17.如權(quán)利要求15所述的具有自我生長的阻擋層的溝槽式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中該第一阻擋層，用于增加該阻擋層結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性。
18.如權(quán)利要求13所述的具有自我生長的阻擋層的溝槽式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中該第二阻擋層為一銅合金薄膜。
19.如權(quán)利要求18所述的具有自我生長的阻擋層的溝槽式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中該銅合金薄膜為銅錳薄膜。
20.如權(quán)利要求19所述的具有自我生長的阻擋層的溝槽式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中該第二阻擋層，其功能同時(shí)為銅晶種層。
21.如權(quán)利要求19所述的具有自我生長的阻擋層的溝槽式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中該第二阻擋層，于覆蓋至該第一阻擋層后，部份錳原子會(huì)穿過該第一阻擋層至該溝槽式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，并將該溝槽式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)表面的孔洞填平。
22.如權(quán)利要求21所述的具有自我生長的阻擋層的溝槽式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中該穿過第一阻擋層的錳原子，進(jìn)一步和該溝槽式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的介電質(zhì)形成一錳介電質(zhì)化合物而形成一第三阻擋層。
23.如權(quán)利要求15所述的具有自我生長的阻擋層的溝槽式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中該第一阻擋層，其厚度范圍介于Inm到IOnm之間。
24.如權(quán)利要求19所述的具有自我生長的阻擋層的溝槽式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中該第二阻擋層，其厚度范圍介于50nm到150n`m之間。
【文檔編號(hào)】H01L23/532GK103855131SQ201310058560
【公開日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2013年2月25日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月30日
【發(fā)明者】李文熙, 吳家揚(yáng) 申請(qǐng)人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院