专利名称：半导体构造和在开口内提供导电材料的方法
技术领域：
本发明涉及半导体构造和在开口内提供导电材料的方法。
背景技术：
制造集成电路可涉及跨越半导体衬底形成导电线。可利用镶嵌工艺形成所述线。图1到3图解说明实例性现有技术镶嵌工艺。参照图1，半导体构造10包含基底12和在基底上方所形成的电绝缘材料14。基底可包含单晶硅。绝缘材料14可包含(例如)以下中的一者或一者以上:二氧化硅、氮化硅和各种掺杂氧化硅(例如，硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)、磷硅酸盐玻璃(PSG)、氟硅酸盐玻璃(FSG)等)中的任一者。绝缘材料14可为均质的(如图所示)，或可在离散层中包含多种材料。形成多个延伸到材料14中的开口 16到18。所述开口可通过以下方式来形成:利用图案化光致抗蚀剂掩模(未显示)界定开口的位置，利用一种或一种以上蚀刻剂将开口延伸到所述位置中，且然后移除光致抗蚀剂掩模以留下在图1中所显示的结构。参照图2，在开口内提供材料20和22以给开口加衬，且然后用铜24填充经加衬开□。材料20可包含氮化钛、氮化钽、钽/钌、钽或氧化钛，且可用作屏障以封阻铜扩散。材料22可包含(例如)钌和氮，或作为另一实例可由钌组成。材料22可以层片(stratum)形式用于粘附随后沉积的铜24。参照图3，使构造10经受抛光处理(例如，化学-机械抛光)，以在开口 16到18内从材料20、22和24形成多个电隔离导线25到27。在图3中所显示的导线25到27是理想化形式，其中铜24完全且实质上均匀地填充开口 16到18中的每一者。在实践中，在试图用铜实质上均匀地填充开口时可能会遇到困难，在开口随着整合水平变高而逐渐变窄时尤其如此。图4图解说明在开口 16到18内形成铜24期间可能出现的问题。具体来说，铜未均匀地沉积在开口内，并且因此在一些开口中形成空隙28。如图所示，空隙可具有不同大小，并且因此开口内最终形成的各个导线的导电性将各不相同。所述导电性的不均匀性可损害或破坏包含所述导线的集成电路的可操作性和/或可靠性。因此，期望研发制造导电线的经改进方法
发明内容
图1到3是在现有技术制造工艺的各个阶段半导体晶片的一部分的图解性剖视图。图4是半导体晶片的一部分的图解性剖视图，其显示在一些现有技术工艺中可能出现的问题。图5到8是在实例性实施例制造工艺的各个阶段显示的半导体晶片的一部分的图解性剖视图。图9是正在反应室中物理气相沉积到晶片上的材料的图解性剖视图。图10到13是在另一实例性实施例制造工艺的各个阶段显示的半导体晶片的一部分的图解性剖视图。图14到16是在另一实例性实施例制造工艺的各个阶段显示的半导体晶片的一部分的图解性剖视图。
具体实施例方式在一些实施例中，利用铜来填充窄开口。可使铜经受在铜内产生足够移动性的条件(例如，表面扩散)以使铜能够流入开口中。在特定实施例中，开口可足够窄以产生帮助将铜带入开口中的毛细管力。可相对于铜的移动性达成平衡(例如，其可为表面传输型机制)，以使铜具有足够动态性以流入开口中，但具有足够静态性(或受约束)以避免凝聚。参照图5到16阐述一些实例性实施例。参照图5，显示半导体构造30包含基底32和在基底上方的电绝缘34。基底32和电绝缘材料34可分别包含与上文所论述的基底12和电绝缘14相同的组成。在一些实施例中，基底32可包含单晶硅、基本上由其组成或由其组成，且可称为半导体衬底，或称为半导体衬底的一部分。术语“半导电衬底”、“半导体构造”和“半导体衬底”意指任一包含半导电材料的构造，所述半导电材料包括(但不限于)诸如半导电晶片等体半导电材料(单独或在包含其它材料的组合件中)和半导电材料层(单独或在包含其它材料的组合件中)。术语“衬底”是指任一支撑结构，包括(但不限于)上文所阐述的半导电衬底。虽然显示基底32为均质的，但在一些实施例中基底可包含许多层。举例来说，基底32可对应于含有一个或一个以上与集成电路制造相关的层的半导体衬底。在所述实施例中，所述层可对应于耐火金属层、屏障层、扩散层、绝缘体层等中的一者或一者以上。开口 40到42延伸到电绝缘材料34中。所述开口可利用与上文参照图1所论述用于形成开口 16到18相同的工艺来形成。任选地在开口内提供屏障材料36以给开口加衬。屏障材料可包含上文参照图2的屏障材料20所论述的组成中的任一者。在屏障材料36上方提供衬垫38。衬垫38是包含钌和钴中的一者或两者的含金属材料。在一些实施例中，衬垫可基本上由钌和钴中的一者或两者组成，或由其组成。在其它实施例中，衬垫可包含一种或一种以上与钌和钴中的一者或两者形成合金的过渡金属；且可包含(例如)与钌和钴中的一者或两者形成合金的钽、基本上由其组成或由其组成。在一些实施例中，衬垫可包含氮与钌和钴中的一者或两者的组合。参照图6，跨越构造30并在开口 40到42内沉积含铜材料44。含铜材料可包含铜、基本上由其组成或由其组成。显示在形成具有如下构形的材料的条件下沉积含铜材料:较不均匀地填充开口 40到42，且在一些开口(具体来说，在所图解说明实施例中是开口 40和41)中留下空隙和/或凹陷。在一些实施例中，含铜材料44可视为图6中处理阶段的含铜涂层，其中所述涂层不均匀地填充开口 40到42。优选在维持含铜材料内的较小粒度(具体来说，粒度小于或等于约四分之一间距)的条件下沉积所述材料以避免不期望的表面粗糙度。举例来说，可在维持构造30和所沉积含铜材料的温度低于或等于约40°C时物理气相沉积含铜材料。物理气相沉积可利用任一用于从靶溅射铜的适当技术，例如，利用自电离等离子体。物理气相沉积可在适宜条件下实施适宜持续时间，以跨越构造30的上表面形成含铜材料44的连续层。参照图7，可使含铜材料44经受热条件，其使得所述材料能够跨越构造30回流，且因而使得能用含铜材料实质上均匀地填充开口 40到42。含铜材料的热处理可为退火，其使含铜材料达到在约180°C到约600°C范围内的温度(在一些实施例中，在约180°C到约4500C的范围内，且在一些实施例中，在约350°C到约450°C的范围内)，且其将含铜材料在所述温度下维持适宜持续时间以使含铜材料能够回流到开口中。实例性持续时间可为至少约I秒到小于或等于约30秒(例如，约20秒)。回流的铜可视为采取第二构形，其较图6的第一构形在开口 40到42内更均匀。具体来说，当含铜材料回流以填充开口时，将图6的开口 40和41内的空隙(或凹陷)从开口排出。虽然图6和7阐述单一沉积/退火顺序将开口 40到42填充到期望均匀性的实施例，但在其它实施例中，可实施两个或两个以上沉积/退火顺序以将开口填充到期望均匀性。因此，图6和7的处理可视为工艺顺序的单一反复，且可将所述反复重复适当次数以使含铜材料形成期望厚度和均匀性。在一些实施例中，至少一次反复的温度、时间和/或一个或一个以上其它条件可相对于另外至少一次反复有所不同。在利用两个或两个以上沉积/退火顺序的实施例中，可将衬底上的含铜材料维持在约180°C到约250°C的温度范围内。图5到7的处理的优势在于，随着开口变得更窄，所述处理对于填充开口可变得越来越有效。具体来说，所述处理可利用窄开口内的毛细管力来帮助将回流的含铜材料抽吸到开口中。因此，除可用于填充目前半导体制造工艺的窄开口以外，图5到7的方法还可容易地应用于填充在较当前工艺具有更高整合水平的未来工艺中所用的更窄开口。参照图8，使构造30经受平面化以在开口 40到42内从导电材料36、38和44形成导电线50到52。平面化可包含任一适宜处理，例如化学-机械抛光(CMP)。虽然图5到8的实例性处理利用单独的热条件用于含铜材料的沉积(图6)和含铜材料的退火(图7)，但在其它实施例中，可在足够热的热条件下实施沉积以同时实现退火。举例来说，可在维持所沉积含铜材料的温度大于100°C的条件下实施含铜材料的沉积。在一些实施例中，所述所沉积含铜材料的温度可在约180°C到约600°C的范围内；且在特定实施例中可在约300 V到约600 °C的范围内、在约300 V到约450 °C的范围内或在约500 V到约600°C的范围内。可将沉积温度(即，所沉积铜的温度；其可通过控制沉积铜的衬底的温度来控制)维持在适宜水平以在含铜材料内维持适宜表面移动性，以使含铜材料达成期望回流，而不会引起材料的凝聚。如果在足够高的温度下实施沉积，则可省略图7的单独退火。替代地，含铜材料可同时沉积和回流，以便材料形成期望的均匀构形。在一些实施例中，可实施高温沉积/退火(即，在大于100°C的温度下的沉积/退火)，以在衬垫(例如图5的衬垫38)上直接形成铜。在其它实施例中，可首先在低温条件下(例如，在一些实施例中，在所沉积铜的温度低于或等于0°C的条件下)在衬垫上方形成薄的铜晶种层，且然后可实施高温沉积/退火以在铜晶种层上形成铜。在一些实施例中，用间歇性等离子体脉冲来实施含铜材料的沉积，以达成沟槽或其它空腔的实质上均匀的填充。具体来说，在所沉积材料的适宜温度(例如，约400°C)下利用等离子体溅射沉积含铜材料；且然后熄灭(即，“消灭”)等离子体，同时将所沉积含铜材料的适宜高温维持足够的持续时间(例如，约15秒)，以允许含铜材料表面扩散到沟槽、开口或其它类型的空腔中。表面扩散可允许铜填充空腔，而不会在空腔的顶部夹断(pinchingoff)(亦称为“颈缩(necking off)”)。在空腔顶部的夹断可在空腔内形成空隙，因此，避免夹断可缓和或甚至防止空隙形成。溅射沉积和随后的等离子体消灭可视为用于在空腔内形成含铜材料的工艺的单一反复。可实施多次反复以将空腔填充到期望水平。在含铜材料的高温沉积期间可能出现的困难是，如果沉积发生过快或过慢，则材料可能具有大粒度。所述大粒度可干扰含铜材料的一致回流并导致含铜材料凝聚，而不是均匀地填充开口 40到42。在一些实施例中，当将沉积室内的温度维持在约180°C到约450°C的范围内时，以约20埃/秒到约50埃/秒的速率沉积含铜材料。可利用任一适宜工艺实施沉积。实例性工艺包含从含铜靶溅射材料。在一些实施例中，可期望利用具有相对慢的溅射速率的沉积工艺，其中实例性工艺利用稀有气体(例如氩)或另一惰性物质以从溅射靶溅射含铜材料。图9显示可用于一些实施例中的实例性物理气相沉积(PVD)设备56。将含铜靶58保持在设备的反应室内，并提供在半导体衬底30上方。在操作中，从靶溅射含铜材料60，并将所述含铜材料沉积在衬底30的上表面上方。从靶溅射含铜材料60可用许多技术中的任一者来实现，包括(例如)利用自电离等离子体从靶移出材料和/或利用惰性气体从靶移出材料。可在反应室周围提供温度控制设备(未显示)以使得能够控制所沉积含铜材料的温度；且可利用温度受控的卡盘来支撑衬底30，以便可在PVD工艺期间准确地控制衬底30的温度。如上文参照图5所论述，一些实施例包括利用金属氮化物用于衬垫38。图10到13显示形成并利用含氮材料用于衬垫的实例性实施例。参照图10，显示处于与图5类似的处理阶段的半导体构造30a。所述构造包括基底32、绝缘材料34、屏障层36和衬垫38。在一些实施例中，图10的衬垫38可包含钌和钴中的一者或两者、基本上由其组成或由其组成。在其它实施例中，图10的衬垫38可包含一种或一种以上过渡金属(例如钽)与钌和钴中的一者或两者的组合、基本上由其组成或由其组成。 参照图11，使衬垫38暴露于含氮组合物70以使衬垫材料氮化。含氮组合物70可为任一适宜组合物，且在一些实施例中，可包含见13、见12和队中的一者或一者以上。在一些实施例中，含氮组合物可与另一组合物组合使用。举例来说，NH3可与O2组合使用；且队可与H2组合使用。衬垫材料的氮化可将部分或全部衬垫转化成含有金属和氮的组合物。在一些实施例中，经氮化衬垫可含有氮与钴和钌中的一者或两者的组合。在一些实施例中，经氮化衬垫可含有氮与过渡金属(例如钽)以及钴和钌中的一者或两者的组合。参照图12，将含铜材料44沉积在开口 40到42内。所述沉积可利用任一适宜方法，且在一些实施例中可利用上文参照图5到9所论述的方法中的一者。在一些实施例中，使衬垫38内的金属氮化可有利于使铜均匀回流到开口 40到42中。参照图13，使构造30a经受平面化以形成电隔离线50到52。所述线中的每一者包含含铜材料44 (在一些实施例中，它可由铜组成)，它直接抵靠含氮材料38 (在一些实施例中，它可由氮与钌和钴中的一者或两者的组合组成；且在一些实施例中，可由氮和一种或一种以上过渡金属与钌和钴中的一者或两者的组合组成)。虽然将图10到13的含氮衬垫阐述为通过使含金属衬垫暴露于氮而形成，但在其它实施例中，可利用ALD、CVD和PVD中的一者或一者以上直接沉积含氮衬垫。举例来说，含氮衬垫可包含氮与钌和钴中的一者或两者的组合、基本上由其组成或由其组成，且可通过ALD、CVD和/或PVD直接沉积。在其它实施例中，含氮衬垫可包含氮和一种或一种以上过渡金属与钌和钴中的一者或两者的组合、基本上由其组成或由其组成，且可通过ALD、CVD和/或PVD直接沉积。在衬垫38包含一种或一种以上与钌和钴中的一者或两者形成合金的过渡金属的应用中，可期望省略屏障36。具体来说，衬垫38可能够达成作为铜迁移的屏障和作为保持含铜材料的层片的两种功能。图14到16图解说明省略屏障36(图5)的实例性实施例。图14显示处于与图5类似的处理阶段的半导体构造30b。构造30b包括上文参照图5所论述的基底32和绝缘材料34。开口 40到42延伸到绝缘材料34中。衬垫80跨越绝缘材料34的上表面并且在开口 40到42内延伸，其中所述衬垫给所述开口的侧壁加衬。衬垫80可包含与钌和钴中的一者或两者形成合金的过渡金属(例如钽)、基本上由其组成或由其组成。在一些实施例中，衬垫80可包含氮和一种或一种以上过渡金属(例如钽)与钌和钴中的一者或两者的组合、基本上由其组成或由其组成。衬垫80直接抵靠电绝缘材料34。在一些实施例中，电绝缘材料34可为含氧化硅材料(例如，二氧化硅、BPSG、PSG、FSG等)，并且衬垫80可直接抵靠所述含氧化硅材料。参照图15，将含铜材料44沉积在开口 40到42内。所述沉积可利用任一适宜方法，并且在一些实施例中可利用上文参照图5到9所论述方法中的一者。参照图16，使构造30b经受平面化以形成电隔离线90到92。所述线中的每一者包含直接抵靠衬垫80的含铜材料44，衬垫80又直接抵靠电绝缘材料34。 上文所论述实施例可用于形成集成电路。所述电路可用于电子系统中，例如，计算机、汽车、飞机、时钟、蜂窝式电话等。在一些应用中，本文所阐述实施例可用于形成集成存储器，例如快闪存储器。各个实施例在图式中的特定定向仅用于图解说明的目的，并且在一些应用中，实施例可相对于所显示定向而旋转。本文所提供的说明书和所附的权利要求书涉及任一在各个特征之间具有所阐述关系的结构，不管结构是处于所述图式的特定定向还是相对于所述定向而旋转。当上文提及一元件“位于”另一元件上或“抵靠”另一元件时，它可直接位于另一元件上或还可存在插入元件。相反，当提及一元件“直接位于”另一元件上或“直接抵靠”另一元件时，不存在插入元件。当提及一元件“连接”或“耦合”到另一元件时，其可直接连接或耦合到另一元件或可存在插入元件。相反，当提及一元件“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时,不存在插入元件。
权利要求
1.一种将含铜材料沉积在多个开口内的方法，其包含所述含铜材料在所沉积含铜材料的温度大于100°c的条件下的物理气相沉积。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述沉积包含以下序列的至少一次反复: 利用等离子体溅射沉积所述含铜材料，其中所溅射沉积材料的温度大于100°c ;和当维持所述所溅射沉积材料的所述温度大于100°c时，熄灭所述等离子体并提供足够的持续时间以使所述所溅射沉积材料表面扩散到空腔中，从而避免夹断所述空腔。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述温度在约300°C到约600°C的范围内。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述温度在约500°C到约600°C的范围内。
5.根据权利要求1所述的方法，其中在所述物理气相沉积期间利用稀有气体从靶溅射含铜材料。
6.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含在所述含铜材料的所述物理气相沉积之前，在所述开口内形成含有金属和氮的组合物以给所述开口加衬。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述金属包含钌和钴中的一者或两者。
8.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含在所述含铜材料的所述物理气相沉积之前，用包含钌和钴中的一者或两者的含金属材料给所述开口加衬。
9.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含在所述含铜材料的所述物理气相沉积之前 用第一金属给所述开口加衬；和 通过使所述第一金属暴露于氮源来使所述第一金属氮化。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述金属由钌和钴中的一者或两者组成。
11.一种在多个开口内提供导电材料的方法，其包含: 用含金属组合物给所述开口加衬；和 以下各项的至少一次反复: 在所述含金属组合物上方物理气相沉积含铜材料，所述物理气相沉积是在维持所沉积铜的温度低于或等于约0°c的条件下实施，以形成具有第一构形的含铜材料涂层；和 在所述含铜材料的温度在约180°c到约250°C的范围内的条件下使所述含铜材料涂层退火，以使所述涂层的所述含铜材料回流并由此形成所述含铜材料的第二构形。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述含金属组合物由钌和钴中的一者或两者组成。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述含金属组合物由氮与钌和钴中的一者或两者的组合组成。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述含铜材料的所述第一构形在所述开口内留下一些空隙，且所述含铜材料的所述第二构形从所述开口移出所述空隙。
15.—种在多个开口内提供导电材料的方法,其包含: 用含有金属和氮的组合物给所述开口加衬；和 用含铜材料至少部分地填充所述经加衬开口。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述用含铜材料至少部分地填充所述开口利用所述含铜材料在使所沉积含铜材料的温度大于100°C的条件下的物理气相沉积。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述温度在约300°C到约600°C的范围内。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述用含铜材料至少部分地填充所述开口利用: 所述含铜材料在维持所述所沉积含铜材料的温度低于或等于约40°C的条件下的沉积，以形成所述含铜材料的第一构形；和 在所述沉积之后，使所述含铜材料在所述所沉积含铜材料的温度在约180°C到约250°C的范围内的条件下退火，以使所述含铜材料回流并由此形成所述含铜材料的第二构形。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述含铜材料的所述第一构形在所述开口内留下一些凹陷，且所述含铜材料的所述第二构形从所述开口移出所述凹陷。
20.根据权利要求15所述的方法，其中所述形成所述经加衬开口包含所述含有金属和氮的组合物沿所述开口的侧壁的沉积。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述金属由钌和钴中的一者或两者组成。
22.根据权利要求20所述的方法，其中所述含有金属和氮的组合物的所述沉积使用ALD, CVD和PVD中的一者或一者以上。
23.根据权利要求15所述的方法，其中所述形成所述经加衬开口包含: 用所述金属涂布所述开口的侧壁；和 通过使所述金属暴露于氮源来使所述金属氮化。
24.根据权 利 要求23所述的方法，其中所述金属包含钌和钴中的一者或两者。
25.根据权利要求23所述的方法，其中所述金属包含与钌和钴中的一者或两者形成合金的过渡金属。
26.根据权利要求23所述的方法，其中所述金属包含与钌和钴中的一者或两者形成合金的钽。
27.根据权利要求23所述的方法，其中所述氮化包含使所述金属暴露于NH3、NH2和N2中的一者或一者以上。
28.—种半导体构造，其包含: 开口，其延伸到电绝缘材料中； 金属氮化物衬垫，其给所述开口的侧壁加衬；和 含铜材料，其位于所述开口内且直接抵靠所述金属氮化物衬垫。
29.根据权利要求28所述的构造，其中所述金属氮化物衬垫的所述金属包含钌和钴中的一者或两者。
30.根据权利要求28所述的构造，其中所述金属氮化物衬垫的所述金属包含与钌和钴中的一者或两者形成合金的过渡金属。
31.根据权利要求30所述的构造，其中所述金属氮化物衬垫直接抵靠所述电绝缘材料。
32.根据权利要求28所述的构造，其中所述金属氮化物衬垫的所述金属包含与钌和钴中的一者或两者形成合金的钽。
33.根据权利要求28所述的构造，其中所述金属氮化物衬垫的所述金属包含与钌和钴中的一者或两者形成合金的钽；其中所述电绝缘材料包含含氧化娃电绝缘材料；且其中所述金属氮化物衬垫直接抵靠所述含氧化硅电绝缘材料。
34.根据权利要求28所述的构造，其中所述金属氮化物衬垫的所述金属由钌组成。
35.根据权利要求28所述 的构造，其中所述金属氮化物衬垫的所述金属由钴组成。
全文摘要
一些实施例包括当保持所沉积含铜材料的温度大于100℃时利用所述含铜材料的物理气相沉积来沉积所述含铜材料的方法。一些实施例包括如下方法用含金属组合物给开口加衬，当含铜材料的温度不大于约0℃时在所述含金属组合物上方物理气相沉积所述含铜材料，且然后当所述含铜材料处于约180℃到约250℃的范围内的温度下时使所述含铜材料退火。一些实施例包括用含有金属和氮的组合物给开口加衬且用含铜材料至少部分地填充所述经加衬开口的方法。一些实施例包括半导体构造，其沿开口的侧壁周边具有金属氮化物衬垫，且在所述开口内直接抵靠所述金属氮化物衬垫具有含铜材料。
文档编号H01L21/28GK103081066SQ201180040193
公开日2013年5月1日 申请日期2011年7月22日 优先权日2010年8月20日
发明者戴尔·W·柯林斯, 乔·林格伦 申请人:美光科技公司