[發明專利]用于金屬互連的共形粘附促進襯墊

有效

• 申請號: 200980131364.0
• 申請日: 2009-08-10
• 公開（公告）號: CN102124559A
• 公開（公告）日: 2011-07-13
• 發明（設計）人: 鄭天人;李正文;黃洸漢;朱慧瓏
• 申請（專利權）人: 國際商業機器公司
• 主分類號: H01L23/52
• 分類號: H01L23/52
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 邱軍

技術領域

本發明涉及一種半導體結構，更具體地，涉及一種包括金屬共形粘附促進襯墊的后段(back-end-of-line，BEOL)金屬互連結構及其制造方法。

背景技術

金屬襯墊被用于后段(back-end-of-line，BEOL)金屬互連結構中以在金屬填充結構與包埋該金屬填充結構的介電層之間提供粘附強度。金屬襯墊和金屬填充結構共同構成載流結構，該載流結構例如可以是金屬線、金屬通路及其他們的一體形成的組合體。為了載流結構的可靠操作，金屬襯墊與金屬填充結構之間的高粘附強度是必要的。金屬襯墊與金屬填充結構之間的高粘附強度預防電遷移并提供BEOL金屬互連結構的機械穩定性。

在大多數情況下，需要退火以增加直接形成在金屬襯墊上的金屬填充結構的材料的晶粒尺寸。當粘附強度不夠大時，在載流結構進行退火期間空洞(void)可以形成在金屬襯墊與金屬填充結構之間的界面處。這樣的空洞增加了載流結構的電阻，使電學性能退化。

此外，沿著金屬襯墊與金屬填充結構之間的邊界的表面擴散通常是決定載流結構的總體電遷移性能的主要因素。因此，金屬襯墊與金屬填充結構之間的粘附強度對于決定載流結構的電遷移阻抗是關鍵的。通過提供隨著載流結構的使用(即，從其中通過電流)并隨著電遷移的進行而增長的初始空洞，金屬襯墊與金屬填充結構之間的界面處的任何空洞會加劇電遷移性能的劣化。

參考圖1，現有技術的金屬互連結構包括圖案化的介電層110、金屬氮化物襯墊120、金屬襯墊130、Cu籽晶層150以及電鍍Cu結構160。圖案化的介電層110包括線槽和位于線槽下面的通路腔。金屬氮化物襯墊120、金屬襯墊130、Cu籽晶層150以及電鍍Cu結構160填充線槽和通路腔以形成現有技術的載流結構(120、130、150、160)，其為一體形成的線和通路結構。

金屬氮化物襯墊120通常通過物理氣相沉積(PVD)形成。由于PVD是方向性沉積技術，其中沉積的材料從濺射靶移動到其上發生沉積的襯底，金屬氮化物襯墊120的臺階覆蓋率總是小于1.0，即，相比于平坦表面，結構的側壁上會沉積更少的材料。因此，相比于通路孔的側壁，線槽的底表面上會沉積更多的材料。一種增加側壁覆蓋率的方式是沉積和方向性濺射蝕刻的組合。在此情況下，通過方向性濺射蝕刻，沉積在凹陷的底表面上的金屬材料可以從底表面被重新濺射掉并被重新沉積到圍繞該凹陷的底表面的側壁上。此外，相比于通路腔的下部分，通路腔的側壁的上部分上會沉積更多的材料。盡管已知化學氣相沉積(CVD)和原子層沉積(ALD)方法可相對于PVD提供提高的臺階覆蓋率，但是在這些膜中常常發現雜質，雜質將會使作為粘附層以及擴散阻擋層的膜的質量退化。

金屬襯墊130也通常通過PVD形成。由于以上討論的沉積工藝的方向屬性，金屬襯墊130是非共形的。相比于通路腔的下部分，在通路腔的上部分中更多的材料累積在通路腔的頂部產生突出物，該突出物阻礙通路腔底部的材料沉積。由于材料將密封頂部，這樣的突出物使后續以導電材料填充通路腔變得困難，這妨礙了通路內側的進一步沉積。此外，金屬氮化物襯墊120和金屬襯墊130具有比電鍍的Cu結構160更高的電阻率。因此，金屬氮化物襯墊120的厚度以及金屬襯墊130的厚度需要被保持得盡可能小。具體地，前段(front-end-of-line，FEOL)中的半導體器件的縮小需要金屬互連結構相應地縮小。

金屬氮化物襯墊120和金屬襯墊130的厚度的縮小可能產生可靠性問題。具體地，當金屬氮化物襯墊120和金屬襯墊130的平面厚度約為10nm或更小時，側壁上的覆蓋率不會是均勻的或連續的。因此，薄金屬襯墊區域133可以形成，特別是在通路腔的側壁的底部，在通路腔的側壁的底部金屬襯墊130的厚度比鄰近區域更薄。在一些情況下，薄金屬襯墊區域133中可能缺少金屬襯墊130的材料。

由于Cu籽晶層150通過PVD直接沉積在金屬襯墊130上，薄金屬襯墊區域133在Cu籽晶層150與金屬襯墊130之間提供較小的粘附。這是因為在薄金屬襯墊區域133內，沒有金屬襯墊130或者通過金屬襯墊130的薄的部分，Cu往往具有對金屬氮化物襯墊120的弱粘附。通路腔和線槽被電鍍的Cu結構160填充以形成現有技術的載流結構(120、130、150、160)。