半导体器件中的钨合金的制作方法

本公开内容涉及集成电路器件、包括钨的金属合金、半导体器件金属化、半导体器件金属衬垫(liner)层、以及半导体器件覆盖层。

背景技术：

对越来越小的集成电路(IC)器件的期望对用于构造器件的材料有许多性能要求。总的来说，IC器件也被称为微芯片、半导体芯片、IC芯片、或芯片。在各种常见设备(举例来说，例如，计算机中的微处理器、蜂窝电话、飞机、汽车、电视、洗衣机、和MP3播放器(以及许多其它设备))中找到IC芯片。多个IC芯片通常构建在硅晶圆(薄硅盘，具有例如300mm的直径)上，并且在处理之后晶圆被切开以创建个体芯片。具有大约90nm左右的特征尺寸的1cm²IC芯片可以包括亿万个部件。当前的技术正推动特征尺寸甚至小于22nm。

附图说明

提供了所描述和例示的材料以例证一些方面并且并非意味着限制范围。为了例示的简单和清楚起见，附图中所例示的元件并非必须按比例绘制。在附图中：

图1是例示了集成电路芯片的部件器件之间的电互连件的横截面视图的示意图。

图2是例示了具有衬垫层的集成电路芯片的部件器件之间的另外的电互连件的横截面视图的示意图。

图3是例示了具有覆盖层的电互连件的横截面视图的示意图。

图4A和图4B分别示出了在退火之前和之后来自包括钴钨合金的结构的质谱数据。

图5是根据半导体器件中的钨合金的实施方式构建的计算设备。

具体实施方式

在以下描述中，阐述了各个方面和例示性实施方式，以便提供理解。然而，如对于本领域技术人员而言将显而易见的是，可以在没有所描述的具体细节中的一个或多个细节的情况下实施实施例，并且一个实施例的频繁的具体细节可以利用其它所公开的实施例来实施。在其它实例中，未详细描述公知的特征，以便不会混淆例示性实施方式。

集成电路(IC)芯片中的部件电子器件之间的电子连接当前通常使用铜金属或铜金属的合金来创建。部件电子器件包括例如晶体管、半导体闸流管、电阻器、和电容器。其它类型的器件是可能的，先前的器件列表被提供用于例示。IC芯片中的器件不仅可以跨IC芯片的表面被放置，而且器件还可以被叠置在IC芯片上的多个层中。组成IC芯片的部件电子器件之间的电互件连通常使用填充有导电材料的过孔和沟槽来制造。绝缘材料(通常为低k电介质材料)层将IC芯片中的部件器件分隔开。

描述了并且在半导体器件中采用了包括钴和钨的导电合金以及包括镍和钨的导电合金。这些合金可以例如被用作为部件器件之间的金属互连件、被用作为用于传统的铜或铜合金互连件的衬垫层、以及被用作为覆盖层。合金可以使用无电镀工艺来沉积。在一些实施例中，导电钴-钨合金包括15到45原子百分比的钨、50到80原子百分比的钴、以及1到5原子百分比的硼。在替代的实施例中，导电钴-钨合金包括20到40原子百分比的钨、55到75原子百分比的钴、以及1到5原子百分比的硼。在另外替代的实施例中，导电钴-钨合金包括25到35原子百分比的钨、60到70原子百分比的钴、以及1到5原子百分比的硼。在另外的实施例中，导电镍-钨合金包括15到45原子百分比的钨、50到80原子百分比的镍、以及1到5原子百分比的硼。在替代的实施例中，导电镍-钨合金包括20到40原子百分比的钨、55到75原子百分比的镍、以及1到5原子百分比的硼。在另外替代的实施例中，导电镍-钨合金包括25到35原子百分比的钨、60到70原子百分比的镍、以及1到5原子百分比的硼。

图1例示了用在IC芯片的部件器件之间的互连件中的导电合金。在图1中，仅示出了IC芯片的一小部分。器件之间的互连件可以采用沟槽或过孔的形式。术语沟槽和过孔通常用于描述导电互连特征。但是，总的来说，形成金属互连件的特征可以是形成在衬底或已经被沉积在衬底上的层中的具有任何形状的凹陷部。在半导体处理过程期间，电介质层被图案化以创建一个或多个沟槽和/或过孔(或其它特征)，在该沟槽和/或过孔内形成器件之间的导电互连件。特征随后被填充有金属互连材料。沟槽和/或过孔可以使用传统的湿法或干法蚀刻半导体处理技术来图案化(创建)。电介质材料用于将金属互连件与周围的部件电隔离。但是，通常在金属互连件与电介质材料之间使用阻挡层以防止金属(例如，铜)迁移到周围的材料中，在本发明的实施例中不存在阻挡层。使用阻挡(衬垫)层是因为可能发生器件故障，例如当铜金属与电介质材料接触时，这是因为铜金属会电离并渗入电介质材料中。有利地，本发明的实施例可以避免使用铜以及这些相关联的问题。

在图1中，电介质层(或衬底)105包括凹陷部110。图1中的电互连结构可以是沟槽互连结构。过孔也是可能的，并且在该情况下，凹陷部将通常被创建为穿过电介质层105。如本文中更充分讨论的，电介质层105可以是诸如举例来说二氧化硅、低k电介质、氮化硅、和氮氧化硅之类的材料。电介质层105可以是单层或多层。电介质层105可以是单材料层或不同材料的层。电介质层105包含凹陷部110，其具有填充物120，如本文中讨论的，填充物120是导电钴-钨合金或导电镍-钨合金。凹陷部110是例如沟槽结构。可选地，在图1中，导电钴-钨合金或导电镍-钨合金材料与电介质材料105直接接触，而不需要中间的衬垫层或阻挡层。不具有衬垫层或阻挡层简化了为制造IC器件所执行的工艺并提供了性能上的改进，这是因为衬垫层可以呈现比用于互连件的导电材料更高的电阻。在替代的实施例中，在导电合金与电介质层105之间存在可选的衬垫层115。可选的衬垫层115可以排列在凹陷部110的内部。可选的衬垫层115由与钴-钨合金或镍-钨合金不同的材料构成。

图2例示了在用于半导体器件中的电互连件的衬垫层中采用的导电合金。在图2中，示出了IC芯片的一小部分。在图2中，电介质层(或衬底)205包括凹陷部210。图2中的电互连结构可以是沟槽互连结构。过孔也是可能的，并且在该情况下，凹陷部将通常被创建为穿过电介质层205。如本文中更充分地讨论的，电介质层205可以是诸如举例来说二氧化硅、低k电介质、氮化硅、和/或氮氧化硅之类的材料。电介质层205可以是单层或多层。电介质层205可以是单材料层或不同材料的层。电介质层205包含凹陷部210，该凹陷部210具有衬垫层215。凹陷部210是例如沟槽结构。如本文中所描述的，衬垫层215由导电钴-钨合金或导电镍-钨合金构成。互连件填充物220包括导电材料，举例来说，例如铜或铜的合金。衬垫层215具有小于100A的厚度。在另外的实施例中，衬垫层215具有在30A与100A之间的或者在30A与50A之间的厚度。由钴-钨合金或导电镍-钨合金构成的衬垫层可以是防止铜扩散的阻挡体。

导电钴-钨合金或导电镍-钨合金也可以是用于电互连件的覆盖层，举例来说，例如包含互连件的铜。这些合金可以用作防止铜扩散的阻挡体。在处理期间，非常薄的无电镀钴-钨合金或镍-钨合金(例如，30A至50A厚的层)可以选择性地沉积到铜互连件的暴露出的铜表面(在化学机械抛光之后)上。薄的无电镀钴-钨合金覆盖层已经证明了铜电子迁移电阻的5-100倍的改进。在实施例中，覆盖层可以小于100A厚。图3示意性地例示了具有覆盖层的电互连件。在图3中，衬底305(可以是衬底上的电介质层305(未示出))具有形成在电介质层305中的凹陷部310中的电互连结构。电互连结构包括可选的衬垫层315、导电填充物320和覆盖层325。导电填充物320可以例如是铜或铜合金。衬垫层315可以是如本文中所描述的导电钴-钨合金或导电镍-钨合金或者不同的材料。覆盖层325是如本文中所描述的导电钴-钨合金或导电镍-钨合金。过孔也是可能的，并且在该情形下，凹陷部通常被创建为穿过电介质层305。如本文中更充分地讨论的，电介质层305可以是诸如举例来说二氧化硅、低k电介质、氮化硅、和/或氮氧化硅之类的材料。电介质层305可以是单层或多层。电介质层305可以是单材料层或不同材料的层。

图4A和图4B例示了导电钴-钨合金的一些性质。关于图4A和图4B，通过TOFSIMS(飞行时间次级离子质谱)来探测包括二氧化硅层上的氮化硅覆盖层、铜层、和钴-钨合金层的层的叠置体。图4B是在400℃下退火30分钟之后的与图4A中的层叠置体类似的层叠置体。钴-钨合金具有55原子％的钴、40原子％的钨、以及3-5原子％的硼。在图4A和图4B中，铜迹线在基本上从图4A到图4B未改变，这证明退火并未造成铜迁移穿过钴-钨合金层进入二氧化硅电介质层中，指示钴-钨合金能够用作用于包含铜的互连件的阻挡层。

在实施例中有用的电介质材料包括但不限于二氧化硅、低k电介质、有机聚合物，举例来说，例如八氟环丁烷或聚四氟乙烯、氮化硅、和/或氮氧化硅。电介质层可选地包括小孔或其它孔隙以进一步减小其介电常数。通常，低k膜被认为是介电常数小于SiO₂(其具有大约3.9的介电常数)的介电常数的任何膜。在半导体器件中通常采用具有大约3到大约2.7的介电常数的低k膜。集成电路器件结构的产生常常还包括：在低k(低介电常数)ILD(层间电介质)膜的表面上放置二氧化硅膜或层、或覆盖层。低k膜可以是例如硼、磷、或碳掺杂的硅氧化物。碳掺杂的硅氧化物也可以被称为碳掺杂的氧化物(CDO)。另外的材料包括氟硅酸盐玻璃(FSG)、和有机硅酸盐，例如倍半硅氧烷、硅氧烷、或有机硅酸盐玻璃。

钴-钨合金和镍-钨合金可以例如在无电镀工艺中形成在衬底上。无电镀工艺是自动催化的并且不需要电能来沉积合金材料。用于钴-钨合金的无电镀镀液配方(formulation)包括：第一金属源，其可以例如是硫酸钴五水化物、氯化钴、和/或氢氧化钴，其以1-20g/L的浓度存在；第二金属源，其可以例如是钨酸钠和/或钨酸，其以1-20g/L的浓度存在；第一螯合剂，其可以例如是柠檬酸、EDTA(乙二胺四乙酸)、醋酸、甘氨酸、氨、或苹果酸，其以20-100g/L的浓度存在；第二螯合剂，其可以例如是醋酸、甘氨酸、或氨，其以10-60g/L的浓度存在；其中，第一螯合剂与第二螯合剂不同，缓冲剂，其可以例如是硼酸，其以5-50g/L的浓度存在；以及表面活性剂，其可以例如是具有1,000到10,000的分子量的聚酯(poly)(乙二醇)和/或聚氧化烯烷基醚，其可以以多达1-2g/L毫克的总浓度存在。用于镍-钨合金的无电镀镀液配方包括：第一金属源，其可以例如是硫酸镍、氯化镍、和/或氢氧化镍，其以1-20g/L的浓度存在；第二金属源，其可以例如是钨酸钠和/或钨酸，其以1-20g/L的浓度存在；第一螯合剂，其可以例如是柠檬酸、EDTA(乙二胺四乙酸)、醋酸、甘氨酸、氨、或苹果酸，其以20-100g/L的浓度存在；第二螯合剂，其可以例如是醋酸、甘氨酸、或氨，其以10-60g/L的浓度存在；其中，第一螯合剂与第二螯合剂不同，缓冲剂，其可以例如是硼酸，其以5-50g/L的浓度存在；以及表面活性剂，其可以例如是具有1,000到10,000的分子量的聚酯(乙二醇)和/或聚氧化烯烷基醚，其可以以多达1-2g/L毫克的总浓度存在。

在上面构建IC芯片的器件的衬底是例如硅晶圆、绝缘体上硅衬底、或蓝宝石衬底。硅晶圆是通常用在半导体处理工业中的衬底，尽管本发明的实施例并不依赖于所使用的衬底的类型。衬底还可以由锗、锑化铟、碲化铅、砷化铟、磷化铟、砷化镓、锑化镓、和/或其它III-V族材料(不管是单独地还是与硅或二氧化硅或其它绝缘材料组合)构成。组成IC芯片的器件被构建在衬底表面上。

衬底还包括多个层和其它器件，举例来说，例如绝缘层、电互连件、和晶体管。晶体管(例如，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET或简单地MOS晶体管))可以制造在衬底上。在本发明的各个实施方式中，MOS晶体管可以是平面晶体管、非平面晶体管、或者它们的组合。非平面晶体管包括双栅极晶体管、三栅极晶体管、和环栅晶体管，其中一些通常被称为FinFET晶体管。

图5例示了根据本发明的一个实施例的计算设备1000。计算设备1000容纳母板1002。母板1002可以包括多个部件，包括但不限于处理器1004和至少一个通信芯片1006。处理器1004物理耦合和电耦合到母板1002。在一些实施方式中，至少一个通信芯片1006也物理耦合和电耦合到母板1002。

取决于其应用，计算设备1000可以包括其它部件，这些部件可以物理耦合和电耦合到母板1002，也可以不存在这样的耦合。这些其它部件包括但不限于易失性存储器(例如，DRAM)、非易失性存储器(例如，ROM)、图形处理器、数字信号处理器、密码协处理器、芯片组、天线、显示器、触摸屏显示器、触摸屏控制器、电池、音频编解码器、视频编解码器、功率放大器、全球定位系统(GPS)设备、罗盘、加速度计、陀螺仪、扬声器、照相机、以及大容量储存设备(例如，硬盘驱动器、光盘(CD)、数字多功能盘(DVD)等等)。

通信芯片1006实现了无线通信，以便将数据传送到计算设备1000以及从计算设备1000传送数据。术语“无线”及其派生词可用于描述可通过使用经调制的电磁辐射经由非固态介质来传送数据的电路、设备、系统、方法、技术、通信信道等。该术语并非暗示所关联的设备不包含任何线，尽管在一些实施例中它们可能不含有。通信芯片1006可以实施多种无线标准或协议中的任何无线标准或协议，这些无线标准或协议包括但不限于Wi-Fi(IEEE 802.11系列)、WiMAX(IEEE 802.16系列)、IEEE 802.20、长期演进(LTE)、Ev-DO、HSPA+、HSDPA+、HSUPA+、EDGE、GSM、GPRS、CDMA、TDMA、DECT、蓝牙、及其衍生物，以及被命名为3G、4G、5G及更高的任何其它无线协议。计算设备1000可以包括多个通信芯片1006。例如，第一通信芯片1006可以专用于较短距离的无线通信(例如，Wi-Fi和蓝牙)，并且第二通信芯片1006可以专用于较长距离的无线通信(例如，GPS、EDGE、GPRS、CDMA、WiMAX、LTE、Ev-DO以及其它)。

计算设备1000的处理器1004包括封装在处理器1004内的集成电路管芯。在本发明的一些实施方式中，处理器的集成电路管芯包括根据本发明的实施方式的采用钴-钨或镍-钨合金的位于部件之间的导电互连件。术语“处理器”可以指代对来自寄存器和/或存储器的电子数据进行处理以便将该电子数据转换成可以储存在寄存器和/或存储器中的其它电子数据的任何器件或器件的一部分。

通信芯片1006还包括封装在通信芯片1006内的集成电路管芯。根据本发明的另一个实施方式，通信芯片的集成电路管芯包括如本文中所描述的采用钴-钨或镍-钨合金的位于部件之间的导电互连件。

在另外的实施方式中，在计算设备1000内所容纳的另一个部件可以包括集成电路管芯，该集成电路管芯包括如本文中所描述的包括钴-钨和/或镍-钨合金的位于部件之间的导电互连件。

在各个实施方式中，计算设备1000可以是膝上型计算机、上网本、笔记本、智能电话、平板设备、个人数字助理(PDA)、超级移动PC、移动电话、台式计算机、服务器、打印机、扫描仪、监视器、机顶盒、娱乐控制单元、数码相机、便携式音乐播放器、或数字视频录像机。在另外的实施方式中，计算设备1000可以是处理数据的任何其它电子设备。

对所例示的实施方式的以上描述(包括在摘要中所描述的内容)并非旨在是详尽的。本领域技术人员意识到，贯穿本公开内容，修改和变型是可能的，作为所示出和描述的各个部件的替代。贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的提及表示结合该实施例所描述的具体特征、结构、材料、或特性包括在本发明的至少一个实施例中，但是并非必须表示它们存在于每个实施例中。可以包括各种附加的层和/或结构，和/或所描述的特征在其它实施例中可以省略。