专利名称：用于铜互连的氮化钴层及它们的形成方法
技术领域：
本发明涉及用于微电子的铜互连和沉积含金属层的方法。
背景技术：
铜替代铝作为微电子器件例如微处理器和存储器的布线所选用的材料。一般通过电镀法将铜置于绝缘体例如二氧化硅的孔洞和沟槽内。然后抛去器件表面的多余铜。用绝缘材料封盖其中刻蚀有孔洞和沟槽的结构以便开始下一级(level)布线。为了使细铜线经受得住抛磨处理，铜必须强有力地附着于绝缘体。在制造的剩余部分和器件使用中还必须维持附着。在目前使用的技术中，使用溅射氮化钽(TaN)和钽金属(Ta)的双层结构来提供这种附着。TaN提供了对绝缘体的强有力附着，而Ta强有力地附着至铜的溅射籽晶层，另外的铜电镀到该层上。Ta还防止氧和水侵蚀铜线。半导体例如硅中存在铜导致了可阻碍半导体中形成的晶体管正常工作的缺陷。铜还提高通过置于铜线之间的绝缘体例如二氧化硅的电流泄露。因此，铜布线的使用需要包围铜线的有效扩散阻挡层，以保持铜限定在其合适的位置。在目前的技术中，溅射的TaN充当扩散阻挡层。铜还具有沿电子在电路中流动的方向移动的倾向。如果在铜互连中形成足够大的空隙，则该电迁移过程可导致提高的电阻或甚至开路。大多数这种不希望的移动沿铜的表面发生。可通过用抑制电迁移的材料包围铜互连来维持长的寿命。钽金属(Ta)在目前使用的铜互连的底部和侧部起到这种作用。铜布线的顶部(未连接到上级的那些部分)典型地被氮化硅或碳化硅覆盖，尽管这些材料在降低铜的电迁移方面不如Ta有效。如国际半导体技术蓝图(ITRS)每年所公布的，在将来的微电子器件、工业设计中，需要基于较薄的阻挡层、附着层和籽晶层的较窄布线。ITRS预测，目前使用的溅射Cu/TaN/Ta将不能够满足这些预计需要。溅射涂层的不良保形性意味着在接近孔洞和沟槽的顶部需要比必要层更厚，以便在这些结构的下部提供足够的厚度。在要件(feature)顶部附近产生的“突出物(overhang) ”使得电镀的铜难以填充孔洞和沟槽而不留下空隙，这提高了电阻并且加剧了电迁移诱发的不稳定性。已建议将钴(Co)金属作为互连中Ta附着层的替代。Co膜可为气相沉积(CVD或ALD)的，比溅射的Ta具有更好的保形性。然而，当将铜气相沉积到钴表面上时，铜倾向于聚结成多个分离的核，从而形成具有低电导率的相对粗糙的膜。还建议将钌(Ru)金属作为互连中Ta附着层的替代。Ru膜可为气相沉积(CVD或ALD)的，比溅射的Ta具有更好的保形性。当将铜气相沉积到Ru上时，在合适的条件下制备时铜层可为平滑且高度导电的。然而，Ru是昂贵的金属，并且对于大规模互连应用Ru不可按足够的量获得。另外，Ru不是氧的良好扩散阻挡体。因此，目前的互连技术缺乏其上可以沉积平滑且高度导电的铜层的保形、廉价的附着层和氧扩散阻挡层。
发明内容
公开了这样的材料和技术，该材料和技术确保铜和周围材料之间的牢固附着，提供阻挡层以防止铜从布线扩散出以及氧或水扩散到布线内，并且保持铜线不受它们所承载的电流损害。描述了保形、廉价的氮化钴(CoxN)层，可以将平滑且高度导电的铜层沉积到其上。CoxN的组成典型地为约x=l至约x=10，可例如为约3至6。在一个实施方案中，X为约4，对应于化合物Co4N。不要求X是整数。可以通过包括物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)方法的任何方便的方法沉积CoxN层。可在提供保形涂层的沉积条件下进行CVD。在一个实施方案中，通过CVD由脒基(amidinate)钴的蒸气、氮源例如氨和还原性源例如氢气来沉积CoxN层。任选地，在沉积含钴层之前可以沉积铜扩散阻挡层例如非晶态TaN、TaC、WN、WC或MoN、或者它们的混合物。可以通过任何方便的方法例如CVD、PVD、化学还原或电化学沉积在CoxN层上沉积铜层。在一个实施方案中，首先通过CVD沉积薄铜层，接着电化学沉积较厚的铜层。在另一个实施方案中，通过首先沉积氧氮化铜层的平滑层、接着将氧氮化铜还原为铜金属来制备铜层。该金属层具有低的表面粗糙度并且可具有例如小于5nm或小于Inm的RMS粗糙度。CoxN层的使用提供了平滑的附着层并且提供了用于形成高度导电且强有力附着的铜层的衬底，用以例如制造电子元件、电路、器件和系统。由下文的描述和附图以及由权利要求书，将清楚本发明的其它特征和优点。在另一方面，可以通过将衬底暴露于包含一种或多种脒基金属的蒸气的气态混合物由化学气相沉积形成包含金属的层，所述金属选自金属锂、钠、钾、铍、钙、锶、钡、钪、钇、镧和其它镧系金属、钛、错、铪、银、银、钽、钥、鹤、猛、铼、铁、钌、钴、错、镍、钮、银、锌、镉、锡、铅、铺和秘。在一个或多个实施方案中，气体混合物包含另外的反应物例如还原剂、或者含氧或含氮气体。在一个或多个实施方案中，气体混合物包含脒基钴和气态的氮源以及氢还原剂。可获得氮化钴层。可使用其它脒基金属源。在一个或多个实施方案中，气体混合物包含脒基铜。该气体混合物可以包含气态的氧源并且可获得氧化铜层。可使用其它脒基金属源。在一个或多个实施方案中，气体混合物包含脒基铜，并且气体混合物可以包含气态的氧源和气态的氮源。可获得氧氮化铜层。可使用其它脒基金属源。在其它实施方案中，在沉积含铜膜期间或之后提供还原性源例如氢来形成铜金属层。
图1是根据本发明构建的互连沟槽和过孔的示意性横截面。图2是Co4N膜的电子衍射图案。图3是包含该图3的右半部(框图3)所描绘的CoxN层和Cu层的双层膜的电子衍射图案，以及单独(:00膜(1，图3的左上象限)和还包含Cu2O层的铜金属膜(2，图3的左下象限)的对比电子衍射图案。
具体实施例方式在图1中以示意性横截面示出了包括传导沟槽100和过孔(孔洞)110的电子器件例如集成电路。可根据本领域公知的方法通过常规光刻并在复合绝缘层30、40、50和60中刻蚀沟槽100和过孔(孔洞)110制得该结构。该结构构建在平坦表面之上，该平坦表面包含绝缘区域10和形成下一较低级布线的导电区域20。封盖层30 (典型地是氮化硅或碳化硅)位于由绝缘区域10和导电区域20限定的表面上方,接着是绝缘层40、止蚀(etch — stop)层50和另一个绝缘层60。本领域已知的绝缘材料包括二氧化娃、氟化二氧化娃(fluorinated silicon dioxide)和碳氧化娃(silicon oxide carbide),其典型地通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)制得。典型的止蚀材料包括PECVD氮化硅、碳化硅和碳氮化硅。然后通过光刻法贯穿绝缘层刻蚀沟槽100和孔洞(过孔)110。一旦形成，用铜填充沟槽和孔洞以形成下一较高级的导电布线。任选地，在氮化钴或者铜沉积之前可以使器件经受另外的处理步骤。例如，如果一个或多个绝缘层40、60含有孔隙，则通过Electrochemical and Solid StateLetters, volume7，G306-G-308页(2004)中描述的方法将这些孔隙的开口密封，该文献通过引用以其全文并入本文。在一个实施方案中，首先将层表面暴露于与绝缘表面选择性地相互作用的催化剂，以在至少部分绝缘表面上形成催化表面。示例性的催化剂是金属或准金属化合物，包括金属或准金属的氨基化物(amide)、脒基化物、烷基化物、醇化物和卤化物。所述金属或准金属可以是铝、硼、镁、钪、镧、钇、钛、锆或铪。对金属或准金属化合物的暴露时间和/或反应性进行选择使得在暴露时间期间介电体内部较深的孔隙不暴露于它和/或不与它反应。接下来将该表面暴露于一种或多种娃烧醇化合物，优选在高于室温的温度下进行，从而仅在衬底的催化表面上形成氧化硅层。本文中使用的“硅烷醇”是指具有键合至一个或多个羟基(OH)的硅原子的一类化合物；硅烷醇包括烷氧基硅烷醇、烷氧基烷基硅烷醇和烷氧基硅烷二醇以及它们的取代衍生物。在表面上的酸位点催化硅烷醇聚合成氧化硅层，该层沉积到绝缘材料的暴露表面上。当暴露的绝缘材料包括孔隙内部或周围的表面时，氧化硅在外部孔隙上方桥接并将其密封。这种封孔处理产生平滑和洁净的氧化硅层，可将抵抗铜扩散的阻挡层沉积到该氧化硅层上。扩散阻挡层70可以包括非晶态材料例如氮化钽(TaNy)、氮化钨(WNy)、碳化钽、碳化钨(WCy)或氮化钥(MoN)的薄层。典型地，y是约I。扩散阻挡层的一个非限制性目的是防止使用期间铜从结构脱离(escape)。扩散阻挡层的另一个非限制性目的是促进随后沉积的CoxN层与下方的绝缘体之间的附着。可以通过任何有效的方法例如溅射或CVD来沉积扩散阻挡层。CVD可以是优选的方法，这是因为CVD扩散阻挡层的较好保形性。举例如下，在衬底的加热的表面上使双(烷基-亚氨基)双(二烷基氨基)钨(VI)的蒸气与氨气NH3反应以形成氮化钨涂层。在一些实施方案中，可以在可包含孔洞或沟槽的衬底上以形成膜的方式进行反应。钨化合物可以具有通式1，其中Rn表示烷基、氟烷基、或者用优选地经过选择以提高化合物挥发性的其它原子或基团取代的烷基，其中!^是! 1至R6之任一。Rn可以彼此相同或不同。
权利要求
1.在衬底上形成的集成电路互连结构，该互连结构包含: 位于限定互连结构的衬底表面上的保形的多晶态Co4N层；和 位于所述多晶态Co4N层上方的含铜导电层。
2.权利要求1的结构，其还包含在所述多晶态Co4N层和衬底之间的扩散阻挡层。
3.权利要求2的结构，其中所述扩散阻挡层选自氮化钽、碳化钽、氮化钨、碳化钨及其混合物。
4.根据权利要求1的互连结构，其中所述多晶态Co4N层是化学气相沉积的层。
5.根据权利要求2的互连结构，其中所述扩散阻挡层是化学气相沉积的层。
6.根据权利要求1的互连结构，其中所述含铜导电层的至少一部分是化学气相沉积的层。
7.根据权利要求1的互连结构，其中所述含铜导电层的至少一部分是电化学沉积的层。
全文摘要
本发明涉及用于铜互连的氮化钴层及它们的形成方法。提供了用于集成电路的互连结构，其包括有助于铜线的成核、生长和附着的氮化钴层。可将氮化钴沉积在难熔金属氮化物或碳化物例如氮化钨或氮化钽的层上，所述层充当铜的扩散阻挡层并且还提高氮化钴和下方的绝缘体之间的附着。可以由新型脒基钴前体通过化学气相沉积形成氮化钴。沉积在氮化钴上的铜层显示出高的电导率并且可充当微电子用铜导体的电化学沉积的籽晶层。
文档编号C23C16/455GK103151335SQ20131005756
公开日2013年6月12日 申请日期2008年4月9日 优先权日2007年4月9日
发明者R·G·高登, H·伯罕达里, 金勋 申请人:哈佛学院院长等