专利名称：在用于集成电路的金属堆栈中钛和铝合金之间的改进界面的制作方法
背景技术：
1.发明领域本发明涉及在集成电路中用于互连结构的金属堆栈。
2.相关申请和本申请有关的申请有于1994年10月17日提交的共同未决的申请序列号327,763，题目为“一种新型通孔外形和制作方法”，和于提交的共同未决的申请序列号＿＿，题目为“用于集成电路的含有两薄层钛的金属堆栈”，Docket No.42390.P3172。这两个申请都转让给本发明的受让人。
现有技术说明现代集成电路通常包含数百万个有源和无源器件，比如形成在诸如硅的半导体衬底上的晶体管、电容和电阻等。这些器件在最初制备时在衬底上是相互绝缘的，后者相互连接起来形成功能电路。这些互连结构的质量对整个集成电路的性能和可靠性有很大的影响。在现代超大规模集成(ULSI)电路中互连结构越来越决定着性能和密度的极限。
互连结构通常由金属堆栈制成，可包括基底层、体导电层和/或盖层。堆栈一般通过溅射形成在介质层上。然后通过光刻技术被腐蚀以确定出互连结构。在现有的生产工艺中，采用了多层互连结构。比如可使用四层金属堆栈，每一层通过中间介质层(ILD)和另一层绝缘。在金属堆栈中往往用铝和铝合金作为体导电层。
对这些薄层电阻来说电迁移是一个严重的可靠性问题。铝由于其熔点低比其他金属更易受电迁移的影响。当大电流经过导体时，原子被输送走，在晶界处产生空位并聚集成空隙网。空隙积聚通常发生在晶界和导体侧壁的交接处。在铝铜合金中选出的边界保持不受损伤，大概是由于它们由富铜的平面沉积物得到加固，从而形成具有几种尖锐形状边缘的空隙。这些各种形状的空隙继续扩大直到开路终止该过程。
高熔点金属常常结合铝合金使用以提供旁路层，使即使存在那些空隙也有电学通路。钛和氮化钛层有时被用作旁路层，如将结合
图1和2要讨论的。
图1示出一种用于互连结构的现有技术金属堆栈。在图1中金属堆栈形成在一层中间介质层(ILD)10上。体导电层11包括一层铝铜合金层11。这一层的厚度根据该层需要传输的电流大小而不同，典型的层厚可为3500。一层氮化钛(TiN)形成在层11的上表面上。在图1所示现有技术堆栈中这一层大约370厚。然后大约1000厚的一层钛13溅射在层12的上表面上。接着一层包括氮化钛的抗反射膜(ARC)14形成在层13的上表面上。在图1所示的现有技术实例中这层膜为370厚。
图2示出另一种用于互连结构的现有技术金属堆栈，它形成在ILD20上。首先，一层大约1000厚的钛基底层21形成在ILD20上。接着仍为铝铜合金的体导电层22形成在钛层21的上表面上。这一层的厚度和前面一样由该层需要传输的电流量决定(如6000到12000厚)。ARC23形成在层22的上表面上。层23仍是包括一层370厚的TiN膜。
将要看到，本发明提供了一种和图1与图2所示不同的堆栈。这种新公开的堆栈发现有优良的质量，特别是和图1与2所示金属堆栈相比具有改进的电迁移性能。
发明概述本发明是用在使用了金属堆栈的集成电路互连结构中，其中金属堆栈含有和诸如铝铜合金的体导电层接触的钛层。氮在钛层的起始形成过程中引入，从而在体导电层和钛层之间形成一层捕获了氮的超薄区(如30)。钛层的剩余部分然后在没有氮的情况下形成。被捕获的氮使铝化钛(TiAl3)的形成降到最低程度。这有三个优点(A)TiAl3形成的减少使AlCu可传输电流的厚度更大，从而降低了金属互连线中的电流密度。这改善了电迁移性能。
(B)TiAl3形成的减少降低了AlCu体层中空隙的形成。TiAl3的形成和AlCu体层的空隙化紧密相关，从而有降低电迁移的性能。
(C)TiAl3形成的减少使线电阻降低，因为AlCu的体电阻率为2.98micro ohm-cm，而TiAl3的体电阻率为16.98micro ohm-cm。
附图简述图1是在集成电路中用于互连结构的一种现有技术金属堆栈的垂直剖面图。
图2是在集成电路中用于互连结构的一种现有技术金属堆栈的垂直剖面图。
图3是适于使用本发明改进的金属堆栈的垂直剖面图。
图4是显示了本发明改进的两层金属之间的界面的垂直剖面图。
图5是具有本发明改进的图3的金属堆栈的垂直剖面图。
图6是图5堆栈的另一个实施方案，其中本发明的改进在两个界面应用。
图7是用于制备本发明金属堆栈的溅射系统的平面示意图。
图8是示意用于制备本发明金属堆栈的步骤的工艺流程图。
图9是示意制备图6实施方案所需的附加步骤的另一个工艺流程图。
图10是图5金属堆栈的TEM显微照片。
图11是示意和图3金属堆栈相比本发明的改进的曲线图。
发明详述本发明描述了一种在集成电路中用作互连结构的新型金属堆栈。在以下说明中为了对本发明有透彻的理解，陈述了许多具体的细节，比如具体的材料、工艺和设备等。但是对本领域的技术人员很明显的是本发明可以不用这些具体的细节来实施。在其他例子中，为了不使本发明不必要地难于理解，没有详细陈述熟知的生产材料、工艺和设备。
图3的金属堆栈图3的金属堆栈用来示意一种可使用本发明的堆栈。该堆栈包括溅射在ILD30上的钛基底层31。尽管钛是优选的，其他高熔点金属也可用于这一薄层。这一旁路层的厚度可大约在125到200之间，而185是优选的。
在一个实施方案中体导电层32采用大约含0.5％铜的铝铜合金。体导电层32和基底层31的上表面接触。尽管由于其电阻率低且工艺熟知而使铝合金是优选的，但应该理解其他低阻材料也可用作体导电层。层32的厚度的选取随层32要传输的电流大小而变化。层32厚度的典型值大约在5000到20,000之间。
一层薄的钛盖层33接触层32的上表面而形成。层33是溅射的钛，在优选实施方案中优选地大约185厚。不过这一层的厚度可大约在125到200之间。和层31的情况一样，其他高熔点材料也可用于层33。
最后，一层抗反射膜(ARC)34形成在层33的上表面上。这一层氮化钛(TiN)大约150厚。众所周知，这一层降低了反射，否则会使掩蔽金属堆栈更加困难。
由图3可注意到在堆栈中有两个铝合金和钛的界面。一个这样的界面在层31和32之间，另一个在层32和33之间。当钛和铝被充分加热，会发生反应形成铝化钛(TiAl3)。如果没有本发明的改进，在钛层和体导电层之间会发生完全反应，在其界面处形成铝化钛层，如图3所示。这会在金属堆栈形成后的高温处理中发生，比如ILD淀积、ILD退火、高温灰洗和其他步骤等。尽管在现行优选实施方案中，钛层31和33的最初厚度都大约为185，185的Ti会和525的AlCu合金反应而形成大约670的TiAl3层。对图3的金属堆栈及其制备更完全的描述可见于共同未决的申请序列号＿＿，提交于＿＿，题目为“用于集成电路的含有用专用腔室淀积的两薄层钛的金属堆栈”，转让给本发明的受让人。
铝化钛反应在某些情况下使反应材料的体积减少大约7％，因此会增加金属堆栈中的应力。这种应力导致产生应力空隙并加速了电迁移失效。将要看到，本发明使铝化钛反应降低到最小程度并因此减小了应力，从而提高了所形成的互连结构的寿命和可靠性。另外，铝铜合金体导电层保持更厚，因为它没有在反应中被消耗，因而使电流密度降低。
本发明的改进图4示意出本发明的改进，包括在铝铜合金体导电层和钛层之间形成一层含有被捕获氮的钛超薄区域。具体地说，如图4所示，体导电层40不直接接触钛层42，而是接触含有被捕获氮分布在这两层之间的超薄区41。这一层的形成将在本申请的后面描述。在现在采用的优选实施方案中这一区域大约30厚。这一捕获氮的超薄区基本上阻止了铝化钛的形成，从而防止了铝铜合金层40体积的减少。该改进可结合图10形象地看出。
本发明图5和6的实施方案在图5中示意出图3的金属堆栈在体导电层和钛层之间的一个界面处采用本发明的改进。金属堆栈形成在ILD50上，并包括185的钛基底层51。铝铜合金的体导电层57形成在基底层51的上表面上。根据本发明的改进，一层含有被捕获氮的钛超薄区52在钛层53和体导电层57的界面处形成。如上所述，在现行优选实施方案中这一区域大约30厚。包括大约150氮化钛的ARC54形成在盖层53上。
对于图4的实施方案，当进行后续的高温处理时，基底层51和层57反应形成如层56所示的铝化钛。不过在另一个钛铝界面处由于被捕获氮产生的阻挡层，没有形成大量的铝化钛。
在图6的实施方案中，在体导电层和钛层的两个界面处都形成了一层捕获氮的钛超薄区。参照图6，金属堆栈形成在ILD60上，包括185厚的钛基底层61。捕获氮的超薄区62(大约30厚)形成在基底层61的上表面上。然后铝铜合金的体导电层溅射在层62上。接着大约30厚的另一层含有捕获氮的钛超薄区63作为大约185的钛盖层的一部分形成在体导电层66的上表面上。最后氮化钛ARC65形成在钛层64上。
这样可从图6看出，因为在钛和铝合金的两个界面都使用了捕获氮的超薄区，所以在后续的高温处理过程中基本上没有铝化钛形成。
本发明金属堆栈的制备图7和8用来描述图5所示金属堆栈的制备过程。该堆栈用市场上可买到的集束(cluster)溅射设备来制备，比如AMAT5500，Endura溅射系统。如图7所示，这些系统包括装有机械臂的中心区70，可使晶片从一个腔移到另一个腔，比如在腔71、72、73和74之间移动。每个腔可分别控制以在各腔中进行不同的工艺过程。
为形成本发明的堆栈，含有一层暴露的ILD的晶片如77所示送进腔71中。在腔71中钛基底层(如185)溅射在ILD上。这一步骤在图8中示为步骤81，接在ILD的工艺过程即步骤80之后。接下来晶片移动到腔73中，体导电层比如铝铜合金溅射到钛基底层上。这在图8中由工艺步骤82所示。
现在晶片移动到腔72中形成含有捕获氮的盖层。这可通过在溅射钛开始之前当靶是热的时候使氮气流进腔72中来进行。在溅射185厚的钛层过程中不再使用额外的氮气。
在腔72中溅射钛盖层之后，该同一个腔用来形成氮化钛ARC。从淀积钛到淀积氮化钛的转换过程为在Ti淀积后熄灭(extinguish)等离子体，对TiN形成所需的气流，然后为TiN薄膜淀积打开等离子体。氮气以10sccm的流量引入一秒钟然后关掉。氩气以70sccm引入五秒钟。当氩气以70sccm流过时，等离子体以1.5千瓦的功率启动11.5秒。这完成了淀积185的钛。接着关掉等离子体，气流调节到如下量持续10秒氩气15sccm，氮气100sccm。再打开等离子体大约11秒，功率为6.5千瓦，气流量为氩气15sccm，氮气80sccm。这完成了淀积150TiN。
在TiN ARC形成后在腔72中有一些残余氮气留下，但为了保证工艺的重复性和可生产性，氮气应刚好在Ti淀积之前引入。对每个晶片都应这样做，否则在晶片之间比较时所形成的薄膜会有严重的变化。刚好在为淀积Ti而点燃等离子体之前引入控制量的氮气还可保证每个通过溅射系统处理的晶片保持完全相同，而不管在处理两个或多个晶片之间的延时有多长。这一工艺不仅改善了工艺的电迁移性能，还保证它成为可靠的生产性工艺。
该工艺过程由图8的步骤83所示，其中测定量的氮气引入腔中形成超薄捕获区。在形成盖层后，氮化钛ARC在同一腔中形成而不需要移动晶片，如步骤84所示，如上所述，其形成方法是熄灭等离子体，建立所需的气流。然后再次触发等离子体以形成TiN。
显然，和盖层与ARX在腔72中连续形成的Ti/TiN有关的缺陷有所减少。另外，由于Ti/TiN在同一腔中连续淀积，对控制速率(runrate)也有改进。
图9示出另一工艺流程，用来对基底层和体导电层之间的界面实现本发明的改进。在图9中ILD的形成仍示为步骤80，而钛基底层的形成示为步骤81。对图9中所示的工艺步骤，没有立即开始溅射铝铜合金层。如步骤82所示，而是采用附加步骤90。该步骤形成图6的超薄区。超薄层的形成可通过在溅射钛层结束时，在形成基底层的同一个腔中漏进氮气到热的钛层上。在形成基底层后，如步骤82所示形成体导电层。
本发明的优点图10的显微照片对应于如图5所示的本发明的实施方案。体导电层示为“M1”。从图的下部可以看出，TiAl3和体导电层反应从而减小了体导电层的体积。相反的是，在图的上部在钛层和体层电层之间没有发生反应。这是由在钛层体导电层之间界面处的捕获氮造成的。从图10容易看出，由于捕获氮的存在；基本上没有铝铜合金在形成铝化钛时被消耗。
最后图11示出图3堆栈和图5堆栈之间测得的电阻改善，曲线101表示图3堆栈，曲线102代表图5堆栈。可以看出，图5堆栈的电阻下降，主要是因为只有极少的铝被Ti盖层消耗来形成TiAl3。更重要的是，和图3堆栈相比，在图5堆栈中互连结构的电迁移可靠性得到大大提高。
这样，公开了一种对金属堆栈的改进，其中有钛层和铝合金层相邻。通过在界面处捕获氮，钛和铝之间的反应被充分阻止，从而消除了由于产生TiAl3而引起的任何严重的性能退化。
权利要求
1.在一种在集成电路中用作互连结构的金属堆栈的制备中，其中堆栈包括和体导电层接触的钛层，一种制备这种堆栈的改进方法包括步骤在钛层的起始形成过程中引入氮；从而在体导电层和钛层之间形成含有氮的超薄区；和在没有氮的情况下形成钛层的余下部分。
2.根据权利要求1的改进方法，其中超薄区大约有30厚。
3.在一种在集成电路中用作互连结构的金属堆栈的制备中，其中堆栈包括和铝铜合金的体导电层接触的钛层，一种制备这种堆栈的改进方法包括步骤在钛层的起始形成过程中引入氮，从而在体导电层和钛层之间形成含有捕获氮的超薄区；和在没有氮的情况下形成钛层的余下部分。
4.一种形成金属堆栈的工艺，该堆栈的底层是在第一腔中溅射在堆栈上的钛在第二腔中溅射体导电层；在第三腔中在体导电层上溅射钛层，并引入将被捕获在钛层中的氮气；和在第三腔中在钛层上溅射氮化钛的上层。
5.根据权利要求4的工艺，其中氮被捕获在钛层最初的大约30中。
6.根据权利要求4的工艺，其中在溅射钛层和氮化钛层的转换过程中等离子体要熄灭(extinguish)。
7.根据权利要求6的工艺，其中钛层厚度大约在125到200之间。
8.根据权利要求7的工艺，其中体导电层包括铝铜合金。
9.一种在体导电层上形成钛层的改进工艺，包括步骤把体导电层放在上次曾用于形成氮化钛层的腔中；和通过向腔中引入具有测定量的氮气在腔中溅射钛层到导电层上。
10.根据权利要求9的工艺，其中钛层厚度大约在125到200之间。
11.根据权利要求9或10的工艺，其中氮化钛层在腔中溅射到钛层上。
12.根据权利要求11的改进工艺，其中氮被捕获在钛层最初的大约30中。
13.一种在铝铜合金上形成钛层的改进工艺，包括步骤把铝铜合金放在上次曾用于形成氮化钛层的腔中；和通过向腔中引入具有测定量的氮气在腔中溅射钛层到导电层上。
14.根据权利要求13的工艺，其中钛层厚度大约在125到200之间。
15.一种在集成电路中用作互连结构的金属堆栈，包括钛基底层；和基底层接触的体导电层；和和体导电层接触的钛盖层，该盖层和体导电层相邻的区域包括被捕获的氮。
16.根据权利要求15的金属堆栈，包括在盖层上的氮化钛层。
17.根据权利要求15或16的金属堆栈，其中基底层厚度大约在125到200之间。
18.根据权利要求17的金属堆栈，其中盖层厚度大约在125到200之间。
19.根据权利要求15、16或18的金属堆栈，其中盖层含有捕获氮的区域大约30厚。
20.根据权利要求19的金属堆栈，其中体导电层包括铝铜合金。
21.根据权利要求15的金属堆栈，包括位于基底层和体导电层之间的捕获氮区。
22.根据权利要求21的金属堆栈，其中位于基底层和体导电层之间的捕获氮区大约30厚。
23.根据权利要求22的金属堆栈，其中基底层和盖层的厚度每个都大约在125到200之间。
全文摘要
在集成电路中用作互连结构的金属堆栈中的一种改进。该改进包括在钛层和诸如铝铜合金的体导电层接触的界面捕获在钛层中的氮。捕获氮阻止了铝化钛的大量形成,从而降低了电流密度,还改善了堆栈的电迁移特性。现行优选的是,氮被捕获在钛层的最初大约30A中。
文档编号H01L21/285GK1202273SQ96198410
公开日1998年12月16日 申请日期1996年9月30日 优先权日1995年9月29日
发明者R·拉斯托吉, S·J·安德伍德, H·H·福吉莫托 申请人:英特尔公司