专利名称：提高了可靠性的镶嵌互连及制造工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体芯片的制造，特别涉及减少了导电层和润湿层间的金属互化物的形成的提高了可靠性的镶嵌互连以及制造这种互连的工艺。
在半导体芯片设计时，例如晶体管、电容器等包括集成电路的工作元件的各种微电子元件借一般为铝(Al)或铝的某些合金的金属互连连接在一起。一般情况下，互连包括淀积于在用于隔离各沟槽的介质层中腐蚀出的沟槽中或镶嵌结构中另一金属层上的一种以上的金属层。这些镶嵌结构一般成对地布置，称为双镶嵌结构。
互连经常会发生“电迁移”，定义为材料迁移，这是由在电流下工作期间的电子流动产生的。互连和周围介质间的侧壁界面被认为是金属线中材料迁移的一个主要通道。金属晶界是另一通道。利用具有例如润湿层、阻挡层和介质与金属层间的衬里等冗余层的互连可以将早期集成电路设计时遇到电迁移问题从早期水平极大降低。然而，对于所属领域所用的一般侧壁衬里，仍会发生电迁移。由于互连线的横向和垂直尺寸不断减小，以在更小的芯片上建立更多功能，因此，在不发生互连失效的前提下增加“电迁移寿命”日益重要。
本发明通过限制或阻止互连网络中形成金属互化物，极大地增加了金属线的电迁移寿命。在金属层与润湿层反应时，一般形成金属互化物。金属层淀积步骤期间的高温、阻挡层的不均匀性或高温和不均匀性可能会促进这种反应。随着半导体工业中接触尺寸的减小，淀积的温度提高，同时阻挡层覆盖的均匀性降低，这样可能会形成这种金属互化物。制造工艺期间，金属互化物的形成消耗了金属线中的金属，所以在电流流动和发生电迁移前，减少了金属量。
本发明的目的是提供一种金属淀积工艺，该工艺将限制在淀积于润湿层上的导电线中金属互化物的形成量。更具体说，本发明的目的是限制淀积于Ti润湿层上的Al线中TiAl3的形成。
为了实现这些和其它目的，考虑到其用途，本发明提供一种在半导体衬底上的绝缘层的凹部中制造导电镶嵌结构的工艺。该工艺包括在凹部淀积具有与绝缘层接触的第一金属构成的润湿层；在润湿层上淀积均匀的阻挡层；在阻挡层上淀积具有第二金属的导电层。导电层淀积步骤在低于第一和第二金属通过阻挡层扩散而导致一种与另一种反应生成第一与第二金属的金属互化物的温度下进行。
阻挡层可以包括对于第一和第二金属具有高于第一金属与第二金属的反应温度的扩散温度的任何成分。第二金属可以利用化学汽相淀积(CVD)淀积。第一金属可以是钛，第二金属可以是铝。阻挡层可以包括选自氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、钨(W)、氮化钨(WN)、铝化钛(TiAl3)和这些材料的组合中的一种。
所得导电镶嵌结构包括具有在凹部与绝缘层接触的第一金属构成的润湿层、润湿层上的均匀阻挡层、阻挡层上具有第二金属的导电层。阻挡层包括防止第一和第二金属在高于第一和第二金属彼此反应的温度的扩散温度之下通过阻挡层扩散。
应理解，上述一般性的描述和以下具体描述都是例示性的，而不是对本发明的限制。
在结合附图进行了阅读后，会从以下具体描述中最好地理解本发明，应强调，根据一般情况，附图中的各部件没有按比例画出。相反，为清楚起见，各部件的尺寸可任意放大或缩小。附图中包括以下附图
图1是具有两个凹部的绝缘层的剖面示意图，两个凹部是左侧上的单镶嵌结构和右侧上的双镶嵌结构；图2具有淀积于凹部中的润湿层的图1所示绝缘层的剖面示意图；图3是具有淀积于润湿层上的阻挡层的图2所示的绝缘层的剖面示意图；图4是具有淀积于阻挡层上的导电层的图3所示的绝缘层的剖面示意图；图4A是进行了去除淀积于绝缘层上的润湿层、阻挡层和金属层部分的标准去除工艺后，图4所示的绝缘层的剖面示意图；图5是典型的可靠性测试电路结构的示意图；图5A是沿图5的线5A-5A取的示意图；图5B是沿图5的线5B-5B取的示意图。
参见附图，其中相同的参考标记表示相同的部分，图1示出了由非导电材料例如氧化硅构成的绝缘层10。绝缘层10可以是在衬底11例如硅晶片上面。其它层(未示出)可以设置于衬底11和绝缘层10之间。绝缘层10中的也可以称为沟槽或镶嵌结构的凹部12和12’可以利用所属领域已知的任何方法形成，例如反应离子刻蚀。凹部12被认为单镶嵌结构，而凹部12’被认为双镶嵌结构。每个凹部12、12’具有两个侧壁14和底部16。凹部12’具有从其底部16延伸到绝缘层10底部的通孔17。
参见图2，该图是具有加在凹部12和12’中的润湿层18的图1所示绝缘层10的剖面示意图。润湿层18是淀积于侧壁14上厚为W1的金属，例如钛(Ti)。润湿层18可以利用准直或电离物理汽相淀积(PVD)、利用CVD或利用所属领域已知的任何工艺淀积。
参见图3，该图是具有形成于润湿层18上的阻挡层20的图2的绝缘层10的剖面示意图。阻挡层20是非反应化合物，例如氮化钛(TiN)，其侧壁厚度W2较好在10-1000埃，更好是在50-500埃。阻挡层侧壁厚度部分取决于通孔17的尺寸；阻挡层20不能厚到封闭通孔17。然而，阻挡层20的侧壁厚度W2应该比润湿层18的侧壁厚度W1更厚、更均匀或既厚又均匀。均匀性和厚度是必须的，以便不存在薄的点，否则在这种地方导电层会穿透阻挡层20与润湿层18反应。
阻挡层20包括对于润湿层18和金属层(以后所述)的成分来说其扩散温度高于反应温度的任何材料。优选为氮化钛(TiN)。其它阻挡层材料可以包括氮化钽(TaN)、钨(W)、氮化钨(WN)、铝化钛(TiAl3)及这些材料的任何组合，但不限于这些材料。通常情况下，为达到最佳均匀性，阻挡层20利用化学汽相淀积(CVD)法淀积，尤其在如果润湿层18不均匀，例如，在利用除CVD法之外的方法淀积或侧壁14是直的而不是锥形的情况下更是如此。如果侧壁14是锥形的，或如果润湿层18是均匀的，例如在利用CVD淀积时，其它阻挡层淀积方法可以制造出可以接受的均匀覆盖的润湿层18。
参见图4，该图示出了导电层22完全填充凹部12和12’的图3的绝缘层10。导电层22一般是金属，例如铝(Al)。导电层22也可以是包括覆盖有铝铜合金(AlCu)的Al的多层导电层。本发明的工艺和结构也可用于基于其它金属例如铜(Cu)的镶嵌互连。
图4A示出实施了所属领域公知的标准去除工艺例如化学机械抛光(CMP)步骤后图4的绝缘层10。该工艺去除了淀积于绝缘层10上的润湿层、阻挡层和金属层部分。所以进行了去除工艺后，这些层只保留于凹部12和12’中。
本发明的工艺得到的有关结构使互连结构具有最少量的金属间互化物。该工艺通过使阻挡层覆盖的均匀性最佳并使导电层淀积温度最低得到了该结果。钛和铝间的反应开始于350℃。另一方面，在采用TiN阻挡层20时，在低于430℃时不会发生润湿层18中的Ti和导电层22中的铝的反应。只有在430℃以上时润湿层18中的钛与导电层22中Al才会通过TiN阻挡层20扩散，彼此反应。在较低温度下，TiN阻挡层20用作Ti和Al不扩散，不彼此接触发生反应的隔膜。
所以，最高淀积温度受隔膜(即，阻挡层20)的扩散特性控制。在TiN阻挡层20均匀地覆盖润湿层18时，可以采用高达430℃的铝淀积温度，不会产生金属互化物TiAl3。其它的阻挡层成分(及其它润湿和导电层金属)可以产生不同的最高淀积温度。
尽管必须避免润湿层18中的Ti和导电层22中的Al间的反应，但TiAl3自身可用作阻挡层20。TiAl3阻挡层20是可以的，因为并非必须避免TiAl3的存在。另外，必须避免由于反应造成的金属损失，这种损失会由于在器件投入使用前减少了有用金属的量而降低互连的电迁移寿命。
例子以下例子更清楚地表明了本发明的总体特征，该例子是例示性的，并非对本发明的限制。
用包括在不同温度下、以不同厚度、利用不同机构淀积的包括Ti、TiN、和AlCu材料的各种金属方案的互连填充双镶嵌结构。互连形成于1×1可靠性测试结构上，这是一种所属领域公知的标准的成品率测试电路。
参见图5、5A和5B，这些图是1×1可靠性测试电路结构28的典型结构的示意图。测试电路28具有电流运载金属线32淀积于其上的衬底30。绝缘介质层34淀积于电流运载金属线32上，包括镶嵌结构36和通孔38的双镶嵌结构形成于介质层34中。
穿过镶嵌结构36和通孔38的剖面示于图5B，为清楚只示出了导电层42，而没有具体示出润湿层和阻挡层。通孔38连接镶嵌结构36与电流运载金属线32。镶嵌结构36连接到铝储层(aluminumreservoir)40，进而连接到地。铝储层40主要是金属量远大于通孔38和双镶嵌结构36的导电结构。因而，电迁移效应会首先在正测试的重要结构(即，通孔38和镶嵌结构36)上而不是到地的连接上引起失效。
为进行测试，电流金属线32接到电源上，使电能通过通孔38流到双镶嵌结构36，再到储层40。测量双镶嵌结构36上的初始电阻，在测试的全过程监测该电阻。在电阻增大到初始电阻的120％时，随时间电路发生失效。一般情况下，建立40-100个与图5、5A和5B所示类似的测试电路用于将被测试的这种镶嵌结构。对每种镶嵌结构的多个测试电路中的每一个监测其电阻，记录t50值。t50值表示特定类型镶嵌结构电路中50％失效后的小时数。
用与测试电路结构28类似但不必完全相同的测试结构进行不同镶嵌结构的测试。对每个电路在250℃下并运载10mA/μm2(毫安／平方微米)的电流进行测试。关于所述的测试，双镶嵌结构36还包括绝缘介质层34的沟槽侧壁和导电层42间的一层或多层，这取决于要测试的金属化方案(润湿层、导电层和阻挡层的特定组分、这些层的厚度和其它工艺参数)。要测试的金属化方案、每种方案的导电层(Al)淀积温度及每种情况下的所得结果示于表1。最高t50值表示制造最长寿命的互连结构的金属化方案。
表1
*由反斜线符号隔开的每一条表示按所述顺序淀积的不同层或进行的不同工艺步骤；金属标记前的数字(例如250Ti)表示以埃表示的该层厚度。
表1示出了在Ti和Al层间具有阻挡层且具有最低铝淀积温度的样品D，其具有最高t50值。具有有益于TiAl3形成的工艺步骤或结构的每一个样品表现出较低的t50值。例如，样品C、E和F没有阻挡层，样品A和B具有高Al淀积温度；样品E、F、G和H都包括导电层淀积后的强制填充步骤。强制填充步骤包括一般在压力下使结构经历高于Al淀积温度的温度，以在淀积后回流Al，强迫其更紧密地填充镶嵌结构，没有空洞。因此，尽管样品G制备有阻挡层和低Al淀积温度，但暴露于强制填充步骤的高温仍产生了金属互化物。这种结果证实了既提供阻挡层又使整个处理的温度保持低于Al和Ti通过阻挡层扩散的温度的重要性。
所以，样品D具有最高t50。样品D有为了均匀性采用CVD淀积的100埃的阻挡层，其铝淀积温度为400℃。400℃的温度低于Al和Ti通过TiN扩散的温度(约430℃。)。每个样品类型的隧穿电子显微镜(TEM)分析表明在除样品D的每个样品类型的导电和阻挡层间形成了大量TiAl3。具有与样品D(PVD Ti/CVD TiN/CVDAl/PVD Al)类似的层状结构但Al淀积温度为460℃的金属化方案，在TEM分析中也发现导电层和阻挡层间形成有大量TiAl3。
尽管结合某些特定实施例展示和介绍了本发明，但本发明决不打算限制为这里所示的细节。另外，在所附权利要求书的等同物的精神和范围内，在不背离本发明精神的情况下，可以作出各种改形。
权利要求
1．一种在半导体衬底上的绝缘层内的凹部中制造导电镶嵌结构的工艺，该镶嵌结构包括第一金属构成的润湿层和第二金属构成的导电层，所说第一金属和所说第二金属具有它们彼此反应生成金属互化物的反应温度，该工艺包括以下步骤a)在所说凹部中淀积与所说绝缘层接触的润湿层；b)在所说润湿层上淀积均匀的阻挡层，所说阻挡层包括防止所说第一和第二金属在高于所说反应温度的扩散温度下扩散的成分；及c)在不高于所说扩散温度的温度下，在所说阻挡层上淀积所说导电层。
2．根据权利要求1的制造导电镶嵌结构的工艺，其中步骤(b)还包括利用化学汽相淀积方法淀积所说阻挡层。
3．根据权利要求1的制造导电镶嵌结构的工艺，其中第一金属包括Ti，第二金属包括Al。
4．根据权利要求3的制造导电镶嵌结构的工艺，其中阻挡层的成分选自TiN、TaN、TiAl3、W、WN和它们的组合构成的组。
5．根据权利要求4的制造导电镶嵌结构的工艺，其中所说阻挡层是TiN，所说扩散温度约为430℃。
6．根据权利要求1的制造导电镶嵌结构的工艺，其中不在高于所说扩散温度的温度下进行步骤(c)后的制造步骤。
7．位于半导体衬底上的绝缘层内的凹部中的导电镶嵌结构，该结构包括具有与所说凹部中的所说绝缘层接触的第一金属的润湿层；在所说润湿层上的均匀阻挡层；及在所说阻挡层上具有第二金属的导电层，其中所说阻挡层具有高于所说第一和第二金属彼此反应的反应温度的扩散温度。
8．根据权利要求7的导电镶嵌结构，其中第一金属包括Ti，第二金属包括Al。
9．根据权利要求8的导电镶嵌结构，其中阻挡层的成分选自TiN、TaN、TiAl3、W、WN和它们的组合构成的组。
10．根据权利要求8的导电镶嵌结构，其中镶嵌结构是双镶嵌结构。
全文摘要
一种在半导体衬底的绝缘层内凹部中的提高了可靠性的导电镶嵌结构及其制造工艺。该工艺包括在凹部淀积具有与绝缘层接触的第一金属的润湿层,在润湿层上均匀淀积阻挡层,在阻挡层上淀积具有第二金属的导电层。施行导电层淀积步骤的温度低于第一和第二金属通过阻挡层扩散而导致生成第一与第二金属的金属互化物的温度。
文档编号H01L21/768GK1306306SQ9911196
公开日2001年8月1日 申请日期1999年8月5日 优先权日1999年8月5日
发明者拉里·克莱文格, 小罗纳德·G·菲力宾, 杰弗里·甘姆宾诺, 莱恩·吉格奈克, 杰弗里·L·哈德, 马克·豪因吉斯, 罗伊·C·拉·古尔敦, 艾布罗海姆·梅特, 肯尼思·P·罗得贝尔, 弗罗丽安·施纳贝尔, 斯德范·J·韦博 申请人:国际商业机器公司, 西门子公司