用于增进阻挡性能并降低过孔电阻的方法和材料与流程

1.本公开内容的多个实施方式一般涉及可用于形成过孔(via)互连件(interconnect)的方法和材料。尤其，本公开内容的多个实施方式提供具有增进的性能的扩散阻挡物和/或具有降低电阻的过孔互连件。


背景技术：

2.用于制造电子器件的几种方法依赖通过介电材料中的互连件的含金属层(metallic)的互连(interconnection)。这些互连件经常形成为穿过小型过孔。随着技术节点变得越来越小，要求过孔具有更小的直径，以助于基板上的高器件密度。
3.互连件一般是由具有含金属底部和介电侧壁的过孔组成。过孔涂布有阻挡层，以防止金属扩散到电介质中，并且金属填充材料沉积于过孔中，而将底部的含金属材料与过孔的顶表面电连接。
4.经过过孔的电路径的电阻与阻挡层的厚度直接相关。例如，较薄的阻挡层容许过孔内的金属体积增加，因此降低过孔电阻。此外，当阻挡层覆盖金属底部时，金属底部和金属填充物之间较厚的阻挡层产生增加的电阻。
5.氮化钽(tan)是作为过孔互连件中的阻挡层的特别受到瞩目的材料。tan的原子层沉积(ald)通常在更高的沉积温度下提供具有更佳阻挡性能(对于等效厚度而言)的膜。然而，在更高的沉积温度下，ald tan的选择性更加偏向在金属底部的沉积而非过孔的介电侧壁上的沉积。这种选择性效应会导致底表面上的更厚的膜并且增加电阻。
6.因此，需要改善阻挡性能、减少底表面上的阻挡膜厚度、和降低过孔电阻的方法和材料。


技术实现要素：

7.本公开内容的一个或多个实施方式涉及一种钝化金属表面的方法。该方法包括将金属表面暴露于金属络合物(metal complex)以形成被钝化的金属表面。该金属络合物包含金属原子和有机配体(organic ligand)，该有机配体具有至少三个碳原子和与该金属原子η键结(eta bond)的双键或三键。
8.本公开内容的多个另外实施方式涉及一种沉积阻挡层的方法。该方法包括将包含金属表面和介电表面的基板表面暴露于第一金属络合物以形成经处理的基板表面。该经处理的基板表面包括经处理的金属表面和经处理的介电表面。该第一金属络合物包含第一金属原子和有机配体，该有机配体具有至少三个碳原子和与第一金属原子η键结的双键或三键。该经处理的基板表面依序暴露于第二金属前驱物和反应物，以在该经处理的基板表面上形成阻挡层。
9.本公开内容的多个进一步实施方式涉及一种形成过孔阻挡层的方法。该方法包括用第一金属络合物浸泡基板表面。该基板表面具有形成于该基板表面中的过孔。该过孔具有多个侧壁和底表面。这些侧壁是介电表面，且该底表面是金属表面。该第一金属络合物吸
附于该金属表面，以形成经处理的金属表面。该第一金属络合物包含第一金属原子和有机配体，该有机配体具有至少三个碳原子和与该第一金属原子η键结的双键或三键。该基板表面依序暴露于第二金属前驱物和反应物，以形成阻挡层。金属层沉积在该阻挡层上以至少部分地填充该过孔。
附图说明
10.为了能够详细地理解本公开内容的上述特征的方式，可通过参考多个实施方式(其中一些实施方式于附图中说明)，而得到上文简要总结的本公开内容的更特定的描述。然而，应注意附图仅说明本公开内容的多个典型实施方式，因此不应被视为是对本公开内容范围的限制，因为本公开内容可容许其他多个等效实施方式。
11.图1说明根据本公开内容的一个或多个实施方式的在处理期间的示范性基板的剖面图；和
12.图2说明根据本公开内容的一个或多个实施方式的在处理期间的示范性基板的剖面图。
具体实施方式
13.在描述本公开内容的若干示范性实施方式之前，应理解本公开内容不限于下文描述中所提出的构造或工艺步骤的细节。本公开内容能够有其他多个实施方式，并且能够以各种方式实行或执行。
14.如本说明书和所附权利要求中所使用的，术语“基板”是指上面有工艺作用的表面或表面的一部分。本领域一般技术人员也会理解，除非上下文另有明确指示，对基板的提及也可仅指基板的一部分。此外，提及“沉积在基板上”能够表示裸基板(bare substrate)和上面沉积或形成有一个或多个膜或特征的基板。
15.如本文所用，“基板”指在制造工艺期间上面执行膜处理的任何基板或形成在基板上的材料表面。例如，上面能够执行处理的基板表面包括诸如视应用而定的下述材料：硅、氧化硅、应变硅、绝缘体上硅(soi)、碳掺杂氧化硅、非晶硅、掺杂硅、锗、砷化镓、玻璃、蓝宝石和任何其他材料，例如金属、金属氮化物、金属合金和其他导电材料。基板包括但不限于半导体晶片。基板可暴露于预处理工艺，以研磨、蚀刻、还原、氧化、羟基化、退火、uv固化、电子束固化和/或烘烤基板表面。除了直接在基板本身的表面上进行膜处理之外，在本公开内容中，所公开的任何膜处理步骤也可以在如下文更详细公开的基板上所形成的下层(underlayer)上执行，且术语“基板表面”也意在包括如上下文所指示的这种下层。因此，例如，当膜/层或部分膜/层已沉积于基板表面上时，新沉积的膜/层的暴露表面成为基板表面。
16.本公开内容的一个或多个实施方式涉及钝化金属表面的方法。一些实施方式有利地将沉积在被钝化的金属表面上的膜的厚度减少至少20％。
17.参考图1，显示根据本公开内容的一个或多个实施方式的用于处理示范性基板200的方法100。基板200包括具有金属表面215的金属材料210。在一些实施方式中，金属表面包括铜、钴、钨、钼或钌的一种或多种。在一些实施方式中，金属表面基本上由铜组成。在一些实施方式中，金属表面基本上由钌组成。在一些实施方式中，金属表面基本上由钼组成。如
在本领域所使用的，“基本上由所陈述的材料组成”的表面包含以原子计数基础(atomic count basis)大于或等于95％、大于或等于98％、大于或等于99％、或大于或等于99.5％的所陈述的材料。
18.在110，将金属表面215暴露于金属络合物，以形成被钝化的金属表面225。该金属络合物包含金属原子和有机配体，该有机配体具有至少三个碳原子和η键结该金属原子的双键或三键。
19.在一些实施方式中，将金属表面215暴露于金属络合物包括：将包含金属表面215的基板200浸泡在金属络合物中。在一些实施方式中，将基板200浸泡达下述范围的时段：在1秒至20秒的范围内、在2秒至15秒的范围内、在3秒至10秒的范围内、或2秒至5秒的范围内。
20.在一些实施方式中，金属络合物包含具有通式m(nr2)3l的化合物，请见结构(i)：
[0021][0022]
其中m是金属，每个r独立地选自h和c1-c5烷基所组成的群组，并且l是有机配体，该有机配体具有至少三个碳原子和eta(η)键结该金属原子的双键或三键。以此方式使用时，eta(η)键结是指，通过至少两个相邻(contiguous)原子与金属原子配位的配体。
[0023]
在一些实施方式中，金属原子(m)包含钽、基本上由钽组成、或由钽组成。在一些实施方式中，术语“基本上由
……
组成(consist essentially)”意味，在原子基础(atomic basis)上，大于或等于约95％、98％、99％、或99.5％的金属原子是所述物质。
[0024]
在一些实施方式中，有机配体经由η2键与金属原子配位，其中两个相邻原子与金属原子配位。在一些实施方式中，有机配体包含在3至18个碳原子的范围中。在一些实施方式中，有机配体包含大于或等于三个具有双键的碳原子。在一些实施方式中，有机配体包含大于或等于三个具有三键的碳原子。
[0025]
在一些实施方式中，有机配体包含至少一个非末端双键和/或三键。如以此方式使用，末端键(terminal bond)是意味涉及形成原子链的末端的排除氢原子的原子的任何键。例如，2-丁烯在第二个和第三个碳原子之间有双键，该2-丁烯具有非末端双键。相反，丁烯在第一个和第二个碳原子的间具有双键，该丁烯是末端双键。
[0026]
在一些实施方式中，有机配体具有比多个-nr2基团的每一个基团都低的键能。在一些实施方式中，有机配体包括烯烃。在一些实施方式中，有机配体包括炔烃。在一些实施方式中，有机配体包含下述配体的一种或多种：丁烯、丁炔、戊烯、戊炔、己烷、己炔、庚烷、庚炔、辛烯、辛炔、壬烯、壬炔、癸烯或癸炔和上述物质的同分异构体(例如，2-丁烯、3-己炔)。在一些实施方式中，有机配体包括环烯烃。在一些实施方式中，有机配体包含下述配体的一种或多种：环戊烯、环戊二烯、环己烯、1,3-环己二烯、1,4-环己二烯、苯和上述物质的烷基取代衍生物(例如甲基环戊二烯)。
[0027]
有机配体键结金属表面215，以形成被钝化的金属表面225且抑制该表面上的沉积。在一些实施方式中，在120，膜230沉积在被钝化的金属表面225上。如图1所示，沉积在被
钝化的金属表面225上的膜230具有厚度t1。相反地，当膜230沉积在无钝化的金属表面215上，如150所示，膜230具有厚度t2。
[0028]
t1小于t2。在一些实施方式中，tl比t2小至少5％，比t2小至少10％，比t2小至少20％，比t2小至少25％，比t2小至少30％，或比t2小至少50％。
[0029]
参考图2，显示用于在经处理的基板表面上沉积阻挡层430的方法300。方法300从包括基板表面的基板400开始。基板400包括具有金属表面415的金属材料410和具有介电表面425的介电材料420。本领域一般技术人员会理解基板表面包括金属表面415和介电表面425。金属材料410可以选自上文关于金属材料210所确认的相同材料。
[0030]
在一些实施方式中，如图2所示，基板表面具有形成在该基板表面中的过孔450。过孔450具有侧壁452、454和底部456。如图2所示，侧壁452、454是介电表面425并且底部456是金属表面415。过孔450的多种材料/表面和多个部分的这种布置方式仅仅是示范性，并非旨在限制本公开内容的范围。
[0031]
在310，基板400暴露于第一金属络合物，以形成经处理的基板表面。本领域一般技术人员会理解，经处理的基板表面包括经处理的金属表面417和经处理的介电表面427。第一金属络合物和将基板暴露于该第一金属络合物如上文针对方法100所述。
[0032]
不受理论束缚，一般相信第一金属络合物对金属表面415有更大的键结亲合力(bonding affinity)。因此，虽然假设第一金属络合物会与金属表面415和介电表面425两者交互作用，但在基板400暴露于第一金属络合物之后，期望金属表面415上的第一金属络合物的密度高于介电表面425。因此，虽然第一金属配合物(显示为x)在图2中仅显示为在金属表面415上以形成经处理的金属表面417，但本领域一般技术人员会理解，至少一些第一金属络合物也会存在于介电表面425上以形成经处理的介电表面427。
[0033]
换言之，在一些实施方式中，第一金属络合物选择性地吸附到金属表面415甚于(over)介电表面425。在一些实施方式中，金属表面415上每单位面积的第一金属络合物的量大于介电表面425上每单位面积的第一金属络合物的量，因数(factor)是大于或等于2、大于或等于5、大于或等于10、大于或等于25、或大于或等于50。
[0034]
在一些实施方式中，经处理的基板表面在暴露于第一金属络合物之后以惰性气体净化(purge)。不受理论束缚，如上所述，一般相信第一金属络合物与金属表面415的键结比第一金属络合物与介电表面425的键结更强。因此，相信惰性气体净化可用于从介电表面425移除第一金属络合物，而对金属表面415上的第一金属络合物几乎没有影响。
[0035]
在320，经处理的基板表面依序暴露于第二金属前驱物和反应物，以在经处理的基板表面上形成阻挡层430。在一些实施方式中，阻挡层的形成是通过原子层沉积(ald)执行。
[0036]
如上文所述，金属表面上第一金属络合物的存在抑制了金属表面上的沉积。因此，在一些实施方式中，第二金属前驱物选择性地吸附在经处理的介电表面427上甚于经处理的金属表面417上。
[0037]
阻挡层430选择性形成在经处理的介电表面427上甚于经处理的金属表面417上。阻挡层430在经处理的金属表面417上具有厚度t3并且在经处理的介电表面427上具有厚度t4。在一些实施方式中，t3比t4小至少5％、至少10％、至少15％、至少20％、至少25％、至少30％、至少40％或至少50％。不受理论束缚，一般相信金属表面上减少的厚度为完全形成的过孔互连件提供减少的电阻。因此，本公开内容的一种或多种方法有利地提供具有降低电
阻的过孔互连件。
[0038]
在一些实施方式中，第一金属络合物和第二金属前驱物包含相同金属。在一些实施方式中，第一金属络合物和第二金属前驱物包括钽。在一些实施方式中，第一金属络合物和第二金属前驱物包含不同金属。
[0039]
在一些实施方式中，阻挡层430包括钽。在一些实施方式中，阻挡层包括氮化钽或由氮化钽组成。在一些实施方式中，第二金属前驱物包含五(二甲胺基)钽(pdmat，ta(n(ch3)2)5)。在一些实施方式中，反应物包括氨。
[0040]
在一些实施方式中，控制阻挡层430沉积期间的处理温度。在一些实施方式中，温度保持在250℃至350℃的范围内、275℃至325℃的范围内、300℃至350℃的范围内、或300℃至325℃的范围内。在一些实施方式中，温度保持在约325℃。
[0041]
不受理论束缚，一般相信阻挡层(特别是氮化钽层)在较高温度下沉积时具有优异的阻挡特性。然而，相对于氧化硅表面，较高的沉积温度一般导致铜表面上的沉积速率增加。本文公开的一种或多种方法有利地容许在更高的沉积温度下沉积阻挡层而不损失金属和介电表面之间的选择性。
[0042]
在330，金属层440沉积在阻挡层430上以至少部分地填充过孔450。在一些实施方式中，金属层440包括铜或基本上由铜组成。在一些实施方式中，金属层440包括确认为金属材料210的这些材料中的一种或多种。
[0043]
在一些实施方式中，金属层440通过物理气相沉积(pvd)沉积。在一些实施方式中，金属层440过度填充过孔450。在这些实施方式中，基板400可经平坦化，而移除过孔450外的任何多余的金属层440。
[0044]
如上文所提及，本公开内容的一种或多种方法有利地提供具有降低电阻的过孔互连件。在一些实施方式中，过孔的电阻比具有在不以第一金属络合物浸泡基板表面的情况下形成的阻挡层的类似过孔的电阻小至少10％、至少20％、至少30％、至少40％或至少50％。
[0045]
在此说明书全文中对“一个(one)实施方式”、“某些实施方式”、“一个或多个实施方式”或“一(a)实施方式”的指涉意味着结合该实施方式描述的特定特征、结构、材料或特性被纳入本公开内容的至少一个实施方式中。因此，此说明书全文多处的诸如“在一个或多个实施方式中”、“在某些实施方式中”、“在一个(one)实施方式中”或“在一(a)实施方式中”之类的词汇的出现不必然是指本公开内容的相同实施方式。此外，特定特征、结构、材料或特性可在一个或多个实施方式中以任何合适的方式组合。
[0046]
虽然已参考多个特定实施方式描述了本文的公开内容，但是本领域一般技术人员将会理解，所描述的多个实施方式仅仅是说明本公开内容的原理和应用。对本领域一般技术人员显而易见的是，在不脱离本公开内容的精神和范围的情况下，可以对本公开内容的方法和设备进行各种修改和变化。因此，本公开内容可以包括在所附权利要求和附权利要求等效例的范围内的修改和变化。