专利名称：用于互连结构的含氮金属帽的制作方法
技术领域：
在典型的互连结构中，金属过孔(via)与半导体村底垂直 并且金属线与半导体衬底平行。在今天的IC产品芯片中，通过在具 有低于4.0的介电常数的介电材料中嵌入金属线和金属过孔(如导电 件)实现信号速度的进一步增强以及在相邻的金属线中信号(被称为 "串扰")的减弱。[0005在半导体互连结构中，电迁移(EM)已经被确定为一种 金属失效机理。电迁移是由于传导电子和扩散金属原子之间的动量传 递使得导体中由离子逐渐移动而引起的材料输运。该效应在使用高直 流密度的应用中(例如在微电子学及相关的结构中)是重要的。随着 结构尺寸减小，EM的实际重要性增加。—般地说，本发明的互连结构包括
介电常数为约3.0或更小的介电材料，该介电材料具有至少一种 嵌入在该介电材料中的导电材料，并且该至少一种导电材料具有与该 介电材料的上表面共面的上表面；以及
基本上位于该至少一种导电材料的上表面上的含氮贵金属帽，该 含氮贵金属帽不延伸到该介电材料的上表面上。本发明的互连结构中存在的介电材料可以是介电常数为 约3.0或更小的任何互连介电材料。示例性地，在本发明中采用的介 电材料包括硅倍半氧烷，至少包括Si、 C、 O和H原子的C掺杂氧 化物(即有机硅酸盐)，热固性聚芳醚，或多层上述材料。介电材料 可以是多孔的、无孔的，或者可以包含多孔的区域和/或表面以及无孔的其他区域和/或表面。除上述的互连结构之外，本发明还提供制造上述互连结构 的方法。 一般地说，本发明的方法包括
提供介电常数为约3.0或更小的介电材料，该介电材料具有至少 一种嵌入在该介电材料中的导电材料，并且该至少 一种导电材料具有 与该介电材料的上表面共面的上表面；以及
形成基本上位于该至少一种导电材料的上表面上的含氮贵金属
10帽，该含氮贵金属帽不延伸到该介电材料的上表面上，该含氮贵金属 帽的形成在介电材料的上表面上不导致含氮贵金属残余，以及所述形
成包括在约200。C或更低的温度下进行的化学沉积工艺。
图4A-4E是示出经过本发明的不同的工艺步骤的互连结 构的图示(通过截面图)。在下列描述中，为了提供对本发明的深入了解，阐明许多 具体的细节，例如特定结构、组件、材料、尺度、工艺步骤以及技术。 然而，本领域技术人员将理解不用这些具体细节也可以实施本发明。 在其他实例中，不详细描述公知的结构或工艺步骤以免模糊本发明。本发明还提供制造这样的互连结构的方法，其中与低k介 电材料一起使用低温化学沉积工艺(约200。C或更低的温度)以选择 性地形成基本上在互连结构的所述至少一种导电材料(即导电件 (feature))顶上的含氮贵金属帽。注意，初始结构50典型地位于衬底(在本申请的附图中 未示出)上。衬底可以包括半导体材料、绝缘材料、导电材料、或包 括多层上述材料的任何组合。在衬底由半导电材料组成时，可以使用 任何半导体，例如Si、 SiGe、 SiGeC、 SiC、 Ge合金、GaAs、 InAs、 InP、及其他III/V或11/VI化合物半导体。除这些所列举类型的半导 电材料之外，本发明也预期半导体衬底是分层的半导体的情形，例如 Si/SiGe、 Si/SiC、s绝缘体上硅(SOL)、或绝缘体上硅锗(SGOI)。在衬底包括绝缘材料和导电材料的组合时，衬底可以表示 多层的互连结构的第一互连层级。在一些实施例中，可以利用任何传统沉积工艺形成衬垫叠 层54，传统沉积工艺包括例如CVD、 PECVD、蒸发、化学溶液沉积、 物理汽相淀积(PVD)和原子层沉积。在其他实施例中，利用诸如热 氧化、热氮化和/或热氧化氮化(oxynitridation )工艺的热工艺形成 衬垫叠层54。在其他实施例中，利用沉积和热工艺的结合形成衬垫叠 层54。在互连结构的导电区的形成中使用的导电材料60包括例 如多晶硅、导电金属、包括至少一种导电金属的合金、导电金属硅化 物、或其组合。优选地，在导电区的形成中使用的导电材料60是导 电金属，例如Cu、 W或A1，在本发明中高度优选Cu或Cu合金(诸 如AlCu)。利用包括诸如CVD、 PECVD、 PVD、溅射、镀覆、化学 溶液沉积和无电镀的任何传统沉积工艺将导电材料60形成到衬有扩 散阻挡层58的每个开口 56中。在沉积导电材料60之后，该结构经 过平坦化工艺，例如化学机械抛光(CMP)和/或研磨。平坦化工艺
15提供例如在图3C中示出的平坦的结构，其中介电材料52、扩散阻挡 层58 (现在是U形的)和导电材料60的上表面彼此基本共面。注意， 在平坦化工艺期间，从该结构移除残余的衬垫叠层54。申请人:已确定在图4E中示出的本发明的互连结构比现有技术的其中金属帽延伸到将嵌入的导电材料与介电材料分隔开的
扩散阻挡层上的互连结构具有更好的泄漏控制。此外，申请人已确定在图4中示出的本发明的互连结构具有增加的EM抗性，这是由于本发明的含氮贵金属帽比其中金属帽由贵金属或贵金属合金组成的现有技术互连结构更容易阻止下面的导电材料氧化。已经就本发明的优选实施例具体地示出本发明，本领域技术人员将理解，可以在形式和细节方面作出前述的及其他的改变，而不偏离本发明的精神和范围。因此，本发明不限于所描述和示出的精确形式和细节，而是落在所附权利要求的范围内。
权利要求
1.一种互连结构，包括介电常数为约3.0或更小的介电材料，所述介电材料具有至少一种导电材料嵌入在所述介电材料中，所述至少一种导电材料具有与所述介电材料的上表面共面的上表面；和含氮贵金属帽，基本上位于所述至少一种导电材料的所述上表面上，所述含氮贵金属帽不延伸到所述介电材料的所述上表面上，并且在所述介电材料的上表面上没有含氮贵金属残余存在。
2. 根据权利要求1的互连结构，其中所述含氮贵金属帽包括 双层结构，其包括含氮贵金属的顶层； 包括多于两层的多层结构，其中至少其顶层包括含氮贵金属； 包括含氣贵金属的单层结构；或 包括从下表面向上增加的氮浓度梯度的结构。
3. 根据权利要求l的互连结构，其中所述含氮贵金属帽包括从由Ru、 Ir、 Rh、 Pt、 Co、及其合金组成的组中选出来的贵金属。
4. 根据权利要求3的互连结构，其中所述含氮贵金属帽与所述导 电材料自对准。
5. 根据权利要求1的互连结构，还包括位于所述介电材料和所述 含氮贵金属帽顶上的电介质帽层，所述电介质帽是从由SiC、 Si4NH3、 Si02、碳掺杂的氧化物、氮和氢掺杂的碳化硅SiC(N，H)、和其多层组 成的组中选出来的。
6. 根据权利要求1的互连结构，其中所述至少一种导电材料包括 多晶硅、导电金属、导电金属合金、导电金属硅化物、或其组合和多层。
7. 根据权利要求6的互连结构，其中所述至少一种导电材料是从 Cu、 W和Al之一中选择出来的导电金属。
8. 根据权利要求7的互连结构，其中所述至少一种导电材料是 Cu或Cu合金。
9. 根据权利要求1的互连结构，其中所述介电材料包括硅倍半 氧烷，至少包括Si、 C、 O和H原子的C掺杂的氧化物，热固聚芳醚， 或其多层。
10. —种互连结构，包括介电常数为约3.0或更小的介电材料，所述介电材料具有至少一 种含Cu的导电材料嵌入在所述介电材料中，所述至少一种含Cu的 导电材料具有与所述介电材料的上表面共面的上表面；和RuN帽，基本上位于所述至少一种含Cu的导电材料的所述上表 面上，所述RuN帽不延伸到所述介电材料的上表面上，并且在所述 介电材料的上表面上没有RuN残余存在。
11. 根据权利要求10的互连结构，还包括位于所述介电材料和所 述RuN帽顶上的电介质帽层，所述电介质帽层是从由SiC、 Si4NH3、 Si02、碳掺杂的氧化物、氮和氢掺杂的碳化硅SiC(N，H)、和其多层组 成的组中选出来的。
12. 根据权利要求10的互连结构，其中所述RuN帽包括 包括RuN的顶层的双层结构；包括多于两层的多层结构，其中至少其顶层包括RuN;或包括RuN的单层结构；或具有从下表面向 上增加的氮浓度梯度的包括Ru的结构。
13. 根据权利要求10的互连结构，其中所述RuN与所述至少一 种含Cu的导电材料自对准。
14. 根据权利要求10的互连结构，其中所述介电材料包括硅倍 半氧烷，至少包括Si、 C、 O和H原子的C掺杂的氧化物，热固聚芳 醚，或其多层。
15. —种形成互连结构的方法，包括提供-介电常数为约3.0或更小的介电材料，所述介电材料具有至 少一种导电材料嵌入在所述介电材料中，所述至少一种导电材料具有 与所述介电材料的上表面共面的上表面；和形成基本上在所述至少一种导电材料的所述上表面上的含氩贵 金属帽，所述含氮贵金属帽不延伸到所述介电材料的所述上表面上， 所述含氮贵金属帽的形成不导致所述介电材料的上表面上含氮贵金 属残余，并且所述形成包括在约200 。C或更低的温度下进行的化学沉 积工艺。
16. 根据权利要求15的方法，其中所述化学沉积工艺包括化学气 相沉积工艺或原子层沉积。
17. 根据权利要求15的方法，其中所述含氮贵金属帽包括包括 含氮贵金属的顶层的双层结构；包括多于两层的多层结构，其中至少 其顶层包括含氮贵金属；或包括含氮贵金属的单层结构；或包括从下 表面向上增加的氮浓度梯度的结构。
18. 根据权利要求15的方法，其中所述含氮贵金属帽与所述至少 一种导电材料自对准。
19. 根据权利要求15的方法，还包括形成位于所述介电材料和所 述含氮贵金属帽顶上的电介质帽层，所述电介质帽层是从由SiC、 Si4NH3、 Si02、碳掺杂的氧化物、氮和氢掺杂的碳化硅SiC(N，H)、和 其多层所组成的组中选出来的。
20. 根据权利要求15的方法，其中所述形成含氮贵金属帽包括选 择RuN、 IrN、 RhN、 PtN、 CoN及其合金中的一个。
21. 根据权利要求20的方法，其中所述含氮贵金属帽包括RuN 或Ru合金。
22. 根据权利要求15的方法，其中所述至少一种导电材料包括多 晶硅、导电金属、导电金属合金、导电金属硅化物、或其组合和多层。
23. 根据权利要求22的方法，其中所述至少一种导电材料是从 Cu、 W和Al之一中选择出来的导电金属。
24. 根据权利要求15的方法，其中所述介电材料包括硅倍半氧 烷，至少包括Si、 C、 O和H原子的C掺杂的氧化物，热固聚芳醚， 或其多层。
25. 根据权利要求15的方法，其中将U形扩散阻挡层置于所述至 少一种导电材料和所述介电材料之间，所述U形扩散阻挡层包括Ta、 TaN、 Ti、 TiN、 Ru、 RuN、 RuTa、 RuTaN、 IrTa、 IrTaN、 W、 WN、或其组合及多层。
全文摘要
本发明提供一种互连结构，其具有增强的电迁移可靠性而不使电路短路发生率恶化，并具有改善的技术可扩展性。本发明的互连结构包括具有约3.0或更小的介电常数的介电材料。介电材料具有至少一种导电材料嵌入在其中。含氮贵金属帽主要(即基本上)位于所述至少一个导电区的上表面上。含氮贵金属帽不延伸到介电材料的上表面上。在一些实施例中，含氮贵金属帽与嵌入的导电材料自对准，而在其他实施例中，含氮贵金属帽的一些部分延伸到将所述至少一种导电材料与介电材料分隔的扩散阻挡层的上表面上。本发明还提供利用低温(约200℃或更低)化学沉积工艺制造这样的互连结构的方法。
文档编号H01L23/532GK101651130SQ200910163320
公开日2010年2月17日 申请日期2009年8月11日 优先权日2008年8月12日
发明者杨智超, 胡朝坤 申请人:国际商业机器公司