电子结构及其形成方法

专利名称：电子结构及其形成方法
技术领域：
本发明一般涉及一种在电子结构中形成导电体的方法，更具体地说，本发明涉及一种形成导电体的方法，该导电体含有至多2％(原子)的杂质元素，并被含Ti的衬环绕。
背景技术：
近十年来，在半导体芯片结构、平面显示器和应用封装组件中提供通孔、线条和其它凹槽的制造金属导体的技术已得到发展。例如，在发展超大规模集成电路(VLSI)结构的内连接技术方面，对位于单个基片上的半导体区域或半导体器件中的接触点和内连接件用铝作为主要金属源。铝因其价格低、欧姆接触性良好、以及导电率高而已经成为选定的材料。然而，纯铝薄膜导体具有一些不良特性，例如限制其在低温处理过程中应用的低熔点；在退火过程中可能扩散进入硅中，导致接触和连接失效；以及抗电迁移能力差。因此，人们开发了其特性优于纯铝的铝合金。
近来发展的USLI技术更迫切需要满足因这些器件所需的线路密度极高，以及运行速度更快所提出的严格要求，这会导致在越来越细的导线内有越来越高的电流密度。因而需要更高导电性的布线，这要求铝合金导体的电线截面增大，或者用导电性更好的其它导线材料，在工业中明显选择的是发展后者，它包括纯铜因其具有所要求的高导电率。
在形成ULSI内连接结构时，例如，在形成通孔和线条时，可以将铜沉积到凹槽(recesses)中，以便使位于同一基片内的半导体区域或者半导体器件内连接。然而，众所周知，铜在半导体器件中存在一些问题。在金属固体内，当电场叠加在不规则的热扩散上而引起电子流动方向的原子净(net)漂移时，将会出现电迁移现象。铜原子向硅基片的任何扩散都会引起器件故障。另外，纯铜不能很好地附着到含氧的绝缘材料上，例如，二氧化硅和聚酰亚胺。为了在内连接技术中充分地使用铜，铜的附着特性也必须改善。
线条背面端面的[back-end-of-line(BEOL)]铜冶金进一步需要多功能的衬，包括与绝缘材料的附着，对铜的扩散阻挡层，对接触点的最低电阻和线冗余度，以及铜的可靠性。在工业中现在所用的一种衬技术是用于铜导体的层状TaN/Ta系统。
TaN层对粘结和将Ta转化成低电阻的同素异形的α相是必要的。Ta层提供了一个扩散阻挡层、冗余和对铜的粘结。
因此，本发明的一个目的是在电子结构的电导体中提供一种衬，这种衬没有传统衬材料的缺点或不足。
本发明的另一个目的是在电子结构的电导体中提供一种衬，这种衬改善了抗电迁移特性。
本发明的又一个目的是在电子结构的电导体中提供一种衬，这种衬含有Ti。
本发明的再一个目的是对Cu导体提供一种衬，这种衬具有提高的可靠性和抗电迁移特性。
本发明的进一步的目的是在半导体结构中对Cu导体提供一种衬，这种衬适用于单镶嵌法(single damascene process)或双镶嵌法。
本发明的再一个目的是在电子结构中提供一种电导体，该电导体包括一种由含有至多2％(原子)选自Ti，Zr，In，Sn和Hf中的元素的合金形成的导电体(conductor body)。
本发明的又一个目的是在半导体结构中提供一种Cu导体，该导体具有邻接的、由含有Ta，W，Ti，Nb和V的材料所形成的衬。
发明概述根据本发明，公开了一种在电子结构中的导电体，它包括导电体本体和一个衬。
在优选的实施方案中，提供了一种在电子结构中的导电体，它包括一种由含有约0.001％(原子)到约2％(原子)之间的选自Ti，Zr，In，Sn和Hf中的元素的合金所形成的导电体本体，和一个邻接所述导电体本体的由含有Ta，W，Ti，Nb和V的合金所构成的衬。
在形成于电子结构内的导电体中，导电体本体还可以包括Cu或Al。导电体本体可以进一步包括Cu和Ti，而衬还可以包含约10％(原子)到约60％(原子)之间的Ta。导电体本体也可以包含Al和Ti，或者衬可以包含约10％(原子)到约90％(原子)之间的Ti。衬可以进一步包括分别由Ta1-XNY和Ta1-X形成的双层。导体可以进一步为以单镶嵌结构形式的内连接件，或双镶嵌结构形式的内连接件。导电体本体可以进一步包含约0.001％(原子)到约2％(原子)之间的Ti。衬可以进一步包含不低于20％(原子)的Ti。
本发明进一步涉及到一种用于半导体内连接件的衬，它由选自Ti，Hf，In，Sn，Zr及其合金，TiCu3，Ta1-XTiX，Ta1-XHfX，Ta1-XInX，Ta1-XSnX，Ta1-XZrX及其混合物中的材料形成。
在用于半导体内连接件的衬中，形成内连接件的材料可以是Ta1-XTiX。当所述的衬邻接由Cu或Cu合金形成的半导体内连接件时，x＝10～60％(原子)。当所述的衬邻接由Al或Al合金形成的半导体内连接件时，x＝10～90％(原子)。衬可以进一步包括由Ta1-XTiXNY和Ta1-XTiX形成的双层结构。
本发明进一步涉及一种形成电子结构的方法，这种方法以下列步骤实施首先在预处理过的电子基片中形成开口；然后沉积选自Ti，Hf，In，Sn，Zr及其合金，TiCu3，Ta1-XTiX，Ta1-XHfX，Ta1-XInX，Ta1-XSnX，Ta1-XZrX及其混合物中的材料的衬到开口中，以及在衬的顶面用含量为约0.001％(原子)到约2％(原子)之间的选自Ti，Zr，Hf，In和Sn中的元素的合金充填开口。
本方法可以进一步包括用Cu合金或Al合金填充开口的步骤。本方法还可以包括沉积Ta1-XTiXNY和Ta1-XTiX双层结构的衬的步骤。本方法可以综合为单镶嵌法，或双镶嵌法。本方法还可以包括通过利用选自PVD，CVD，电沉积和无电沉积中的一种方法，而用合金充填开口的步骤。本方法可以进一步包括，以Ta1-XTiX形式沉积所述的衬，并且当x大于约20％(原子)时，以不高于450℃的温度对所述衬进行退火处理的步骤。
附图的简要说明从下面的详细说明以及附图，可以更清楚地看出本发明的上述和其他目的，特征和优点。附图中

图1A是表示在本发明的Ta1-XTiX衬中随Ti含量变化的电阻与温度关系的曲线图。
图1B是表示在顶部不含铜的Ta1-XTiX衬中随Ti含量变化的电阻与温度关系的曲线图。
图2是表示在退火后沿Cu层厚度的Ti的浓度分布曲线图，表明Ti在Cu中的溶解度。
图3A是表示在一个表面有Ta1-XTiX衬而在其他三个表面未覆盖的Cu导体中，Cu的电迁移寿命的数据变化的曲线图。
图3B是表示以与图3A类似的方式所获得的数据，其中，Ta1-XTiX合金衬代替了Ta的图示。
图4是表示结合有本发明衬结构的多层(multi-level)Cu的内连接件结构的放大透视图。
图5A是表示结合有本发明衬的单镶嵌结构的放大截面图。
图5B是表示以双层构形的方式结合本发明衬的双镶嵌结构的放大截面图。
优选实施例的详细说明本发明公开一种形成于电子结构中的导电体和在电子结构中用于这种导电体的衬。
本发明提供的形成于电子结构中的导电体可以包括导电体本体和邻接导电体本体的衬。所述的导电体本体由含有约0.001％(原子)到约2％(原子)之间的选自Ti，Zr，In，Sn和Hf中的元素的合金形成，所述衬由包括Ta，W，Ti，Nb和V的合金形成。
本发明进一步公开了一种用于半导体内连接件的衬，它是选自Ti，Hf，In，Sn，Zr及其合金，TiCu3，Ta1-XTiX，Ta1-XHfX，Ta1-XInX，Ta1-XSnX，Ta1-XZrX中的材料所形成的。
本发明还公开了一种形成电子结构的方法，这种方法包括下列步骤首先在预处理过的电子基层中形成开口；然后向开口沉积一层选自Ti，Hf，In，Sn，Zr中的材料的衬；以及用含有约0.001％(原子)到大约2％(原子)间选自Ti，Zr，Hf，In和Sn中的元素的合金充填在衬的顶部开口。
已经发现，在所要求的Ti含量的范围内，即，大约18～40％(原子)，则对绝缘扩散阻挡层和Cu之间的附着要求以及接触线冗余度的低电阻要求均得到满足。人们发现，Ti稳定于α相，而Ta在低于750℃时处于高电阻的β相。Ti还使绝缘材料与Cu进行粘接，使阻挡特性保持到650℃，并且不会因扩散而增加Cu线的电阻。人们还发现，当Ti的含量超过50％(原子)时，通过退火将使电阻增加。除了所期望的延长电子迁移的寿命外，可以获得这些所要求的特性。因此，本发明的含Ti的衬完全可以满足用于BEOL Cu冶金中的多项功能。
将本发明的新颖方法提出利用作为单层衬的衬，这样可以省去沉积第二层或第三层的步骤。本发明的新方法还减少了衬的总厚度，在特征尺寸减小时该总厚度可影响电阻或可靠性。这种新的处理方法适用于400～450℃的一般处理温度和Ta沉积方法，以致在BEOL制造方法中不需要另外的处理步骤。
还发现，通过常规的化学处理，电镀的Cu将是高纯度的。Ti被认为是可选择的金属，用于作为单独的层，或者作为已有衬的一部分而从下面或者从上面扩散到Cu中。过渡金属Ti主要通过堵塞晶粒边界而提高抗电迁移特性。因此，在晶粒边界内由于过渡金属的大晶粒Cu使得晶粒边界的扩散减慢。Cu晶粒内的杂质似乎不影响抗电迁移特性，除非杂质扩散到晶粒边界。
本发明提供一种用于电路金属化的衬材料，它具有下述功能对金属起扩散阻挡层作用；对金属和对绝缘材料起粘接层的作用；对用于扩散到界面而提高可靠性的金属起掺杂剂供应源的作用；以及作为更薄更低电阻衬的替代物。本发明使这些特性，能用于铜基和铝基金属的内连接件。金属的电阻特性不会降低。
本发明采用Ta1-XTiX合金衬来代替传统的衬，例如，用于Cu的TaN/Ta，以及用于Al的Ti或Ti/TaN。在Cu的情况下，Ta是非活性的，并且不溶于Cu，对电子迁移寿命没有益处，因此，需要用TaN以粘结到绝缘层上。在Al的情况下，Ti是活性的，并且形成TiAl3，这会减小Al的面积，并且使界面变得粗糙。当线的宽度缩小时，对控制电阻和可靠性来说，衬或者活性层的厚度就变得更受限制。Ti/TiN层削弱了反应，但是，总的衬更厚，因而电阻更大。在用于Cu的Ti层的情况下，例如，在10nm Ti/100nm Cu的情况下，抗电迁移性能大大提高。然而，Cu的电阻变得高到难以接受。而且，Ti扩散阻挡性能是不合适的，以致于需要有TaN/Ta的多层阻挡层，因此，出现了厚度问题，并且增加了新的处理步骤。
本发明的新型Ta1-XTiX衬结构大大改善了性能。例如，通过控制Ti的浓度(x)，可以调节与金属和绝缘材料的反应，以提供与绝缘材料的粘结，保持扩散阻挡层特性，保持Cu线的低电阻特性，以及提供足够的Ti以增强电迁移和延长热应力寿命。将Ti加到Ta中的另一个额外的益处是以低电阻状态制造Ta膜，即，在低的退火温度下，以α相制造Ta膜。
参照图1A和1B，其中，说明随Ti含量变化的电阻-温度的关系。不加入Ti，并且以400℃退火两小时，Ta的电阻不降低。然而，当x＝18％(原子)时，退火处理会使电阻降低。当x高于18％(原子)时，将在沉积过程中产生Ta的低电阻状态。直到x＝50％(原子)，通过退火，都会使Cu层的电阻降低，超过这个含量时，就会观测到增加。图1A和1B中的数据进一步表示Ti的最佳范围是在约30％(原子)到约50％(原子)之间。
对Ti扩散入Cu中的SIMS分析示于图2中。在退火中Ti沿Cu层厚度的分布表明在x大于50％(原子)时，对外表面有高的分凝(segregation)，Ti在Cu中的溶解度值达到平衡值。在x小于50％(原子)时，降低表面分凝，Ti的溶解度值低于平衡值。X-射线衍射分析表明Ti使得Ta的低温相，即bccα相稳定，而且，在x大于50％(原子)时，开始出现bcc Ti的相分离。因此数据和前面所观察到的与Cu增大的相互作用相一致。
在图3A示出的数据，得自在铜线一面有Ta1-XTiX衬而其它三面保持未涂敷的Cu的电迁移寿命的变化，数据是用1μm宽PVD Cu(即，蒸镀的Cu)线，在375℃，25ma/μm2的条件下取得。在这种温度下，x＝100％(原子)时，寿命变化约5倍(5X)，并且当Ti的浓度降低到约x＝50％(原子)时，寿命降低到约2.5倍(2.5X)。然而，当TaTi合金衬代替Ta时，由于对PVDCu测得的激活能量更高，因此，在采用100℃的温度时(1/T＝26.8×10-4)可使性能提高几个数量级，如图3B所示。
Cu线的Ti掺杂剂的总利用率是本发明衬的有效性的关键，最好使所有表面都用衬进行涂敷。在制造方法的具体实施例中，这是难以实现的。然而，无衬(unlined)的表面可以通过从衬的现存的Ti的扩散经过Cu到无衬表面而得到涂敷，正如前面图2所示的那样，因此建议，如下面将要描述的一个实施例所述那样，涂敷三个表面，以便得到比图3A和3B所示的更好效果。
在各个实施例的衬中实施本发明的新方法示于图4，5A和5B中，这些图示说明了制造Cu衬/绝缘材料金属化系统的典型结构。
图4表示多级Cu内连接件结构10的总体图，其中综合了本发明的新型衬。金属化部分通过连接通孔16和接触点18连接到在基片14形成的部件12上。通孔16通常用钨形成，但也可以用Cu或Cu合金形成。第一层金属20通常用化学机械抛光(CMP)法，处理进入层间绝缘层(ILD)22上。单镶嵌结构示于图4中，其中，在(ILD)层22中蚀刻沟槽或通孔16，沉积衬层24，接着沉积Cu层，其厚度大于ILD层，然后，用CMP方法背部抛光Cu层，直至到达抛光停止(polish-stop)层26为止。接着再沉积ILD层，蚀刻出图形，重复前面的步骤，以便形成即，关于通孔30的另一层Cu。
抛光停止层26通常由氮化硅形成，但也可以由其他任何低介电常数的材料形成。层22可以由任何ILD绝缘材料形成，既可以是无机材料，也可以是有机材料。本发明特别涉及到衬层24和用于形成该衬层的材料，例如，Ta1-XTiX，Ta1-XTiX/Ta1-XTiXNY的双层，或者任何其他替代Ti的材料，如Zr或Hf。对于其成分，X宜于选自约10％(原子)到约60％(原子)之间。
包含双镶嵌结构的本发明衬示于图5B中。其构形可用于任何使用衬材料的Cu的金属化处理工艺。如图5B所示，在ILD中蚀刻两层图形，并且，在同一沉积步骤中沉积Cu以填充两者，正如在典型的双镶嵌法中那样。衬包括两层，40和42。第一衬层40邻接ILD，为Ta1-XTiXNY层。在第一衬层40的顶面，沉积Tal-xTix材料的衬层42，然后，沉积Cu 44和46。沉积Cu的方法可以采用物理汽相沉积(PVD)法或化学汽相沉积(CVD)法、电镀法、或者通过PVD法(或CVD法)/电镀Cu的成层，其中，用PVD或CVD层作为电镀Cu的种子层。
在第二实施例中，如图5A所示，加入单一的Ta1-XTiX层的42作为衬层。该实施例最好是特征尺寸减小到这样的水平，以使衬的厚度因调整电阻、Cu的沉积和可靠性而受限制。
在这两个所述的实施例中Ti从衬42通过Cu 44或者沿衬Cu的界面转移到Cu 44或46的涂敷的表面上。经过Cu的转移是沿着晶粒界面以及通过晶粒并因此在多晶Cu中发生。通过减少晶粒边界转移以及通过减少表面转移而延长电迁移寿命。应该注意，不仅延长了电迁移寿命，而且，在减小转移速率时也降低了形成热孔隙(voids)处的速率。
当金属层44，46由Al或Al合金形成时，图5A和5B所示的实施例由于Ta1-XTiX衬而具有更长的寿命和低电阻。在这种情况下，浓度(x)大小的控制限制了形成TiAl3的反应量，由此形成了更薄、更平坦的金属间层。这导致了Al线电流密度和电阻的降低，以及更精确的公差、几何形状和使用期分布。
至此，本发明的新型导体和用于对该导体的加衬已经在上面的说明及附图1-5B中已充分描述。
尽管本发明已以示例的方式进行了说明，但是，应该理解，所用的术语是用来说明词意的而不是用于限制的。
而且，尽管本发明已利用优选的和可替换的实施例进行了说明，但是，应当理解，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据上述教导，对本发明做出各种各样的改变。
本发明的保护范围将由后面所附的权利要求来限定。
权利要求
1.一种在电子结构中的导电体，包括一个由含有约0.001％(原子)到约2％(原子)之间的选自Ti，Zr，In，Sn和Hf中的元素的合金形成的导电体本体，以及一个邻接所述导电体本体的由包含Ta，W，Ti，Nb和V合金所形成的衬。
2.根据权利要求1所述的在电子结构中的导电体，其中，所述导电体进一步包括Cu或Al。
3.根据权利要求1所述的在电子结构中的导电体，其中，所述导电体本体包括Al和Ti，而所述的衬含有约10％(原子)到大约90％(原子)之间的Ta。
4.根据权利要求1所述的在电子结构中的导电体，其中，所述导电体本体包括Al和Ti，而所述的衬含有约10％(原子)到约90％(原子)之间的Ti。
5.根据权利要求1所述的在电子结构中的导电体，其中，所述衬包括分别由Ta1-XTiXNY和Ta1-XTiX形成的双层。
6.根据权利要求1所述的在电子结构中的导电体，其中，所述导电体是单镶嵌结构形式的内连接件。
7.根据权利要求1所述的在电子结构中的导电体，其中，所述导电体是双镶嵌结构形式的内连接件。
8.根据权利要求1所述的在电子结构中的导电体，其中，所述导电体本体含有约0.001％(原子)到约2％(原子)之间的Ti；所述衬含有不低于10％(原子)的Ti。
9.一种用于半导体内连接件的衬，它由选自Ti，Hf，In，Sn，Zr及其合金，TiCu3，Ta1-XTiX，Ta1-XHfX，Ta1-XInX，Ta1-XSnX，Ta1-XZrX及其混合物中的材料形成。
10.根据权利要求9所述的用于半导体内连接件的衬，其中，所述的材料是Ta1-XTiX。
11.根据权利要求10所述的用于半导体内连接件的衬，其中，当所述的衬邻接由Cu或Cu合金形成的半导体内连接件时，x＝10～60％(原子)。
12.根据权利要求10所述的用于半导体内连接件的衬，其中，当所述的衬邻接由Al或Al合金形成的半导体内连接件时，x＝10～90％(原子)。
13.根据权利要求10所述的用于半导体内连接件的衬，其中，所述衬包含由Ta1-XTiXNY和Ta1-XTiX形成的双层结构。
14.一种形成电子结构的方法，包括下列步骤在预处理过的电子基片中形成开口；用选自Ti，Hf，In，Sn，Zr及其合金，TiCu3，Ta1-XTiX，Ta1-XHfX，Ta1-XInX，Ta1-XSnX，Ta1-XZrX及其混合物中的材料的衬沉积到开口中。
15.根据权利要求14所述的形成电子结构的方法，还包括用Cu合金或Al合金填充开口的步骤。
16.根据权利要求14所述的形成电子结构的方法，进一步包括下列步骤沉积Ta1-XTiXNY和Ta1-XTiX双层结构的衬。
17.根据权利要求14所述的形成电子结构的方法，其中，所述的方法综合为单镶嵌法。
18.根据权利要求14所述的形成电子结构的方法，其中，所述的方法综合为双镶嵌法。
19.根据权利要求14所述的形成电子结构的方法，进一步包括通过选自PVD，CVD，电沉积和无电沉积中的一种方法 而用合金填充开口的步骤。
20.根据权利要求14所述的形成电子结构的方法，进一步包括步骤Ta1-XTiX形式沉积所述的衬，并且当所述x大于约20％(原子)时，以不高于450℃的温度对所述的衬进行退火。
全文摘要
本发明公开了一种用于电子结构中的导电体,它包括一种由含有约0.001%(原子)到大约2%(原子)之间的选自Ti,Zr In,Sn和Hf中的元素的合金所形成的导电体,和一种邻接所述导电体,由含有Ta,W,Ti,Nb和V的合金所形成的衬。本发明还公开了一种用于半导体内连接件的衬,它由选自Ti,Hf,In,Sn,Zr及其合金,TiCu
文档编号C22C27/02GK1360346SQ01143660
公开日2002年7月24日 申请日期2001年12月17日 优先权日2000年12月18日
发明者小西里尔·卡布拉尔, 罗伊·A·卡拉瑟斯, 詹姆斯·M·E·哈珀, 胡朝坤, 李金阳, 伊斯梅尔·C·诺延, 罗伯特·罗森伯格, 托马斯·M·肖 申请人:国际商业机器公司