专利名称：用于在基材上制备多功能介电层的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在基材上，特别是在基材上的未经覆盖的金属互连系统上制备多功能介电层的方法。
在迄今已经揭示的基于硅基材的半导体组件中，主要是铜互连件承担各单独功能层或平面内以及平面之间的功能元件的电接触-连接。在使用铜互连件时出现的一个特别的问题是铜原子可扩散到周围电介质中并因而改变半导体组件的电性质，甚至到达导致其失效的程度。
当然，除了Si基材以外，其他基材，例如玻璃、GaAs、InP、电路板、印刷线路板等也可以考虑作为基材。
为了防止铜原子扩散到电介质中，通常使用扩散阻隔层，它们引入到铜互连件的侧壁，即引入到铜互连件和周围电介质(SiO2)之间并且例如由Ta(N)构成。在本文中后面所用的术语Ta(N)应理解为包含钽和任意期望比例氮的具有任意期望化学计量的化合物。通过该方式确保足以防止扩散。
然而，因为在利用标准CMP(化学机械抛光)工艺进行铜互连件的图案化之后铜层在表面未经覆盖，所以为了防止任何氧化必须对所述铜层进行钝化。这通过向未经覆盖的互连件表面(Cu层)提供合适的介电层(例如SiN-PECVD层)得以实现。
然而，这种界面的缺陷在于在电迁移和应力迁移方面的弱点和所述结合劣于最优值的事实。作为实例，已经尝试通过非电电解工艺在未经覆盖的金属表面选择性沉积钴，其意在这一方面取得改进，但是迄今为止该方法没有获得理想的成功程度。
本发明基于下面的目标提供一种易于实施的用于制备铜互连件的多功能钝化层的方法，所述层具有改善的电迁移和应力迁移和经改善的所施加介电层的结合。
本发明所基于的目标已经通过在前序部分所记载类型的方法得以实现，这是依据以下事实进一步的金属层被沉积在未经覆盖的金属互连件的整个表面上，并且该进一步的金属层随后被至少部分转化成不导电的金属氧化物，即转化为绝缘体。
通过这种方式可以实现介电层对金属互连件特别是对铜层的显著改善的结合，和改善的电迁移和应力迁移。
在本发明的第一构造中，将所述金属互连件包埋在基材上的绝缘体中且在侧壁配备有扩散阻隔层。在化学机械抛光(CMP)后将进一步的金属层施加在未经覆盖的可以由铜构成的金属互连件上。
在本发明的第二构造中，所述金属互连件具有精简的结构(subtractive architecture)，鉴于已经被沉积在基材上的绝缘体的整个表面上的金属层已经随后被图案化，其中图案化例如通过TIE(反应离子蚀刻)或者举离(lift-off)方法等进行，并且进一步的金属层已经被沉积在其上面的事实。在这种情况下该金属互连件由例如铝构成。
本发明的第三构造的特征在于将进一步的金属层施加到金属互连件上，该金属互连件已经通过“图案电镀”(即将金属电解沉积到抗蚀剂掩膜中并随后去除抗蚀剂掩膜)施加到基材上的绝缘体上。
通过在20-500℃的后端相容温度范围内进行阳极、热或者等离子-化学氧化将进一步的金属层转化为非导电性的金属氧化物是有利的。
在本发明的一个特定构造中，所述进一步的金属层由PVD方法制备。
优选沉积钽或者氮化钽。
根据本发明的另一构造，沉积Ta(N)/Ta或者Ta/Ta(N)层序列。也可以沉积其他材料或者材料组合例如Ti、Al、Ti/Al、Zr、Hf、Nb、Ru、Rh、Ir。
最后，在随后的氧化过程中制备了非导电性的金属氧化物层，例如在使用Ta(N)时由五氧化二钽(Ta2O5)构成的金属氧化物层，目标是获得层的更高密度和品质，良好的结合和明确界定的界面。
在本发明的一个变型方案中，可以在随后的氧化过程中除去进一步的金属层的区域，使得在此位置形成由Ta(N)形成的电阻器且通过下面的金属层(例如Cu)接触连接。
优选部分进一步的金属层用SiO2或者Si3N4层覆盖。
最后，在本发明的另一构造中，五氧化二钽部分地作为用于MIM电容器集成的MIM电介质形成。
所述Ta(N)电阻器和MIM电容器可以被分别或者同时集成。
在下面本发明通过基于使用Ta(N)的示例性实施方案进行更详细地阐述。在下面附图中
图1示出了在CMP和PVD-Ta(N)层作为进一步的金属层沉积于铜层上后的位于基材上的铜层；图2示出了在Ta(N)层上沉积确定界限的SiO2层后的来自图1的基材；图3示出氧化裸露的Ta(N)层以形成五氧化二钽后的基材，而已经被SiO2覆盖的Ta(N)层保持不变并随后形成Ta(N)电阻器；图4示出了在沉积进一步的金属层和图案化该进一步的金属层从而与之前已经制备的Ta(N)电阻器一起形成MIM电容器的上电极之后的基材；图5示出了在沉积进一步的SiO2层之后的基材，该SiO2层用作金属间电介质；和图6示出了在处理另一互连件平面和两个平面之间贯穿接触处理后的基材。
图1示出了具有Cu金属喷镀3的例如由硅构成的基材1，Cu金属喷镀3已经包埋在SiO2层2(大马士革)中并已经通过由Cu或者其他金属例如钨制成的贯穿接触件4电连接到位于下面的Cu平面。未经覆盖的Cu金属喷镀3在CMP(化学机械抛光)工艺后已经通过PVD工艺被进一步的金属层5(例如Ta(N)层)覆盖。PVD-Ta(N)金属层的结合通常要优于使用CVD工艺制备的层体系，这是因为，例如在PVD工艺中消除了在界面上的不希望出现的化学过程，并且在溅射微粒第一次撞击其要沉积的表面时，溅射微粒的动能较高。
在这种情况下产生的边界层相当于周围阻隔层，这意味着可以预期对于电迁移有相当的阻力。在Cu金属喷镀3下也存在任选的SiN层6作为扩散阻隔层和蚀刻停止层。
例如PVD Ta、PVD Ta(N)、PVD Ta(N)/Ta、PVD Ta/Ta(N)或者其他材料和材料组合(例如Ti、Al、Ti/Al、Zr、Hf、Nb、Ru、Rh、Ir)的沉积对于进一步的金属层5是适合的。但是由于该进一步的金属层5作为金属覆盖层将使得在该平面中的所有互连件短路，所以将该层完全转化成金属氧化物7(例如五氧化二钽)的非导电层。这可以通过例如热氧化轻易地进行，其中热氧化可以在20-500℃的末端相容温度下进行。
在该情况下上述材料被转化为相应的金属氧化物，即电介质，例如Ta2O5、Al2O3、HfO2、Nb2O5、RuO2、Rh2O3、Ir2O3等(图2)。
然而，如果要在两个贯穿接触件4之间制备例如Ta(N)电阻器8(TFR电阻器)，那么在氧化之前进一步的金属层5的对应区域用SiO2层覆盖(图3)。
另一选择方案在于，在MIM(MIM＝金属、绝缘体、金属)电容器9中使用和整合阳极/热氧化Ta/N。为了实现该目的，已经沉积在大区域上的Ta(N)在待形成MIM电容器的范围不进行保护，使得该范围被氧化形成Ta2O5并用作MIM电容器的电介质(图4，5)。
图6显示了Cu平面，其已经用五氧化二钽钝化并包括Ta(N)电阻器8和用Ta2O5作为电介质的MIM电容器9。
本发明使得通过金属镀层方法制备具有显著改善的金属互连系统的阻隔界面成为可能，其中该金属镀层在随后的工艺中被基本完全氧化，从而形成非导电性金属氧化物。
本发明的内在理念在于将所施加的金属层(进一步的金属层5)转化成电介质(金属氧化物7)和使用以该方法制备的介电层用于各种用途(钝化、停止层、MIM电介质等)。
Al2O3、HfO2、Nb2O5等也可以用作MIM电介质。
标识列表1.基材2.SiO23.Cu金属喷镀/金属互连件4.贯穿接触件5.进一步的金属层6.Si-N层7.金属氧化物8.Ta(N)电阻器9.MIM电容器
权利要求
1.一种用于在基材上、特别是在基材上的未经覆盖的金属互连系统上制备多功能介电层的方法，其特征在于，在未经覆盖的金属互连件(3)的整个表面上沉积进一步的金属层(5)，且该进一步的金属层随后至少部分转化成为非导电性的金属氧化物(7)，即介电层。
2.权利要求1的方法，其特征在于，所述金属互连件(3)已经被包埋在基材(1)上的绝缘体中和在侧壁配备有扩散阻隔层，并在化学机械抛光(CMP)后将所述进一步的金属层(5)施加到未经覆盖的金属互连件(3)上。
3.权利要求2的方法，其特征在于，所述金属互连件(3)由铜、铝、钨、金或者其他导电性材料构成。
4.权利要求1的方法，其特征在于，将所述进一步的金属层(5)沉积在金属互连件(3)上，由于已经沉积到基材(1)上的绝缘体的整个表面上的金属层随后被图案化，该金属互连件具有精简的结构。
5.权利要求4的方法，其特征在于，所述金属互连件(3)由铝、铜、钨、硅化物、氮化物或者其他导电性材料构成。
6.权利要求1的方法，其特征在于，将所述进一步的金属层(5)施加到已经由图案电镀在基材上的绝缘体上制备的金属互连件(3)上。
7.权利要求1-6中任一项的方法，其特征在于，将所述进一步的金属层(5)转化成非导电性金属氧化物(7)是通过热和/或阳极和/或等离子化学氧化进行的。
8.权利要求7的方法，其特征在于，所述氧化在20-500℃的末端相容温度下进行。
9.权利要求1-8中任一项的方法，其特征在于，所述进一步的金属层(5)由PVD工艺制备。
10.权利要求9的方法，其特征在于沉积钽。
11.权利要求9的方法，其特征在于沉积Ta(N)。
12.权利要求9的方法，其特征在于沉积Ta(N)/Ta的层序列。
13.权利要求9的方法，其特征在于沉积Ta/Ta(N)的层序列。
14.权利要求10-13中任一项的方法，其特征在于，作为Ta(N)的替代物沉积其他材料/材料组合，例如Ti、Al、Zr、Hf、Nb、Ru、Rh、Ir。
15.权利要求1-14中任一项的方法，其特征在于，所述氧化产生金属氧化物(7)的导电层。
16.权利要求1-15中任一项的方法，其特征在于，在氧化过程中除去该进一步的金属层区域。
17.权利要求16的方法，其特征在于，为了形成金属薄膜电阻器，在热氧化前部分进一步的金属层(5)被覆盖。
18.权利要求17的方法，其特征在于，将部分进一步的金属层(5)用SiO2或者Si3N4层覆盖。
19.权利要求1-18中任一项的方法，其特征在于，金属氧化物部分地作为用于MIM电容器集成的MIM电介质形成。
20.权利要求17-19中任一项的方法，其特征在于，分别或者同时集成金属薄膜电阻器和MIM电容器。
全文摘要
本发明涉及用于在基材上，特别是在基材上的裸露金属条导体系统上制备多功能介电层的方法。本发明的目的在于提供一种用于铜条导体的多功能钝化层的方法，该方法易于实施并提供了改善的电迁移、应力迁移和改善的结合。根据本发明，这一目的通过在裸露金属条导体(3)的整个表面沉积额外金属层(5)得以实现。随后将所述金属层至少部分转化成非导电性的金属氧化物，介电层。
文档编号H01L23/52GK1856876SQ200480027795
公开日2006年11月1日 申请日期2004年9月3日 优先权日2003年9月25日
发明者J·赫尔内德, M·施维尔德, T·格贝尔, A·米切尔, H·克尔纳, M·霍梅尔 申请人:英飞凌科技股份公司