專利名稱：用于金屬互連的共形粘附促進襯墊的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體結構，更具體地，涉及一種包括金屬共形粘附促進襯墊的 后段(l3aCk-end-Of-line，BE0L)金屬互連結構及其制造方法。
背景技術：
金屬襯墊被用于后段(back-end-of-line，BE0L)金屬互連結構中以在金屬填充 結構與包埋該金屬填充結構的介電層之間提供粘附強度。金屬襯墊和金屬填充結構共同構 成載流結構，該載流結構例如可以是金屬線、金屬通路及其他們的一體形成的組合體。為了 載流結構的可靠操作，金屬襯墊與金屬填充結構之間的高粘附強度是必要的。金屬襯墊與 金屬填充結構之間的高粘附強度預防電遷移并提供BEOL金屬互連結構的機械穩定性。在大多數情況下，需要退火以增加直接形成在金屬襯墊上的金屬填充結構的材料 的晶粒尺寸。當粘附強度不夠大時，在載流結構進行退火期間空洞(void)可以形成在金屬 襯墊與金屬填充結構之間的界面處。這樣的空洞增加了載流結構的電阻，使電學性能退化。此外，沿著金屬襯墊與金屬填充結構之間的邊界的表面擴散通常是決定載流結構 的總體電遷移性能的主要因素。因此，金屬襯墊與金屬填充結構之間的粘附強度對于決定 載流結構的電遷移阻抗是關鍵的。通過提供隨著載流結構的使用(即，從其中通過電流) 并隨著電遷移的進行而增長的初始空洞，金屬襯墊與金屬填充結構之間的界面處的任何空 洞會加劇電遷移性能的劣化。參考圖1，現有技術的金屬互連結構包括圖案化的介電層110、金屬氮化物襯墊 120、金屬襯墊130、Cu籽晶層150以及電鍍Cu結構160。圖案化的介電層110包括線槽和 位于線槽下面的通路腔。金屬氮化物襯墊120、金屬襯墊130、Cu籽晶層150以及電鍍Cu結 構160填充線槽和通路腔以形成現有技術的載流結構(120、130、150、160)，其為一體形成 的線和通路結構。金屬氮化物襯墊120通常通過物理氣相沉積(PVD)形成。由于PVD是方向性沉積 技術，其中沉積的材料從濺射靶移動到其上發生沉積的襯底，金屬氮化物襯墊120的臺階 覆蓋率總是小于1.0，S卩，相比于平坦表面，結構的側壁上會沉積更少的材料。因此，相比于 通路孔的側壁，線槽的底表面上會沉積更多的材料。一種增加側壁覆蓋率的方式是沉積和 方向性濺射蝕刻的組合。在此情況下，通過方向性濺射蝕刻，沉積在凹陷的底表面上的金屬 材料可以從底表面被重新濺射掉并被重新沉積到圍繞該凹陷的底表面的側壁上。此外，相 比于通路腔的下部分，通路腔的側壁的上部分上會沉積更多的材料。盡管已知化學氣相沉 積(CVD)和原子層沉積(ALD)方法可相對于PVD提供提高的臺階覆蓋率，但是在這些膜中 常常發現雜質，雜質將會使作為粘附層以及擴散阻擋層的膜的質量退化。金屬襯墊130也通常通過PVD形成。由于以上討論的沉積工藝的方向屬性，金屬 襯墊130是非共形的。相比于通路腔的下部分，在通路腔的上部分中更多的材料累積在通 路腔的頂部產生突出物，該突出物阻礙通路腔底部的材料沉積。由于材料將密封頂部，這樣 的突出物使后續以導電材料填充通路腔變得困難，這妨礙了通路內側的進一步沉積。此外，金屬氮化物襯墊120和金屬襯墊130具有比電鍍的Cu結構160更高的電阻率。因此，金 屬氮化物襯墊120的厚度以及金屬襯墊130的厚度需要被保持得盡可能小。具體地，前段 (front-end-of-line, FE0L)中的半導體器件的縮小需要金屬互連結構相應地縮小。金屬氮化物襯墊120和金屬襯墊130的厚度的縮小可能產生可靠性問題。具體 地，當金屬氮化物襯墊120和金屬襯墊130的平面厚度約為IOnm或更小時，側壁上的覆蓋 率不會是均勻的或連續的。因此，薄金屬襯墊區域133可以形成，特別是在通路腔的側壁的 底部，在通路腔的側壁的底部金屬襯墊130的厚度比鄰近區域更薄。在一些情況下，薄金屬 襯墊區域133中可能缺少金屬襯墊130的材料。由于Cu籽晶層150通過PVD直接沉積在金屬襯墊130上，薄金屬襯墊區域133在 Cu籽晶層150與金屬襯墊130之間提供較小的粘附。這是因為在薄金屬襯墊區域133內， 沒有金屬襯墊130或者通過金屬襯墊130的薄的部分，Cu往往具有對金屬氮化物襯墊120 的弱粘附。通路腔和線槽被電鍍的Cu結構160填充以形成現有技術的載流結構(120、130、 150、160)。參考圖2，由于Cu籽晶層150對金屬襯墊130的較薄部分以及對金屬氮化物襯墊 120的弱粘附，圖1的薄金屬襯墊區域133易于形成空腔137。在一種情況下，在電鍍了電 鍍的Cu結構160之后通常進行的為了增加電鍍的Cu材料的晶粒尺寸的退火期間，可能形 成空腔137。薄金屬襯墊區域133中Cu籽晶層150與金屬襯墊之間的弱粘附促進了 Cu材 料的移動，這導致空腔的形成。即使在退火期間避免空腔的形成，通過使電流從其穿過來使用現有技術的載流結 構(120、130、150、160)也可通過Cu材料的電遷移導致空腔137的形成。Cu材料的較弱粘 附，薄金屬襯墊區域133易受電遷移和空洞137的形成的影響。鑒于上述問題，需要提供一種在金屬填充結構與圖案化的介電層之間提供足夠的 粘附強度而不需要增加厚度的金屬互連結構。具體地，需要一種包括金屬襯墊結構的金屬互連結構，該金屬襯墊結構在金屬襯 墊結構的整個表面上提供足夠的粘附強度而不產生弱粘附強度區域。

發明內容
本發明提供一種包括金屬共形粘附促進襯墊的后段金屬互連結構及其制造方法， 該金屬共形粘附促進襯墊共形地覆蓋下面的金屬襯墊以在下面的金屬襯墊的整個表面上 提供足夠高和均勻的粘附強度。在本發明中，介電層圖案化有至少一個線槽和/或至少一個通路腔。金屬氮化 物襯墊形成在圖案化介電層的表面上。金屬襯墊形成在金屬氮化物襯墊的表面上。共形 (conformal)氮化銅層通過原子層沉積(ALD)或化學氣相沉積(CVD)直接形成在金屬襯墊 上。由于用以形成共形氮化銅層的工藝屬性，共形氮化銅層是共形的。Cu籽晶層直接形成 在共形氮化銅層上。至少一個線槽和/或至少一個通路腔被電鍍材料填充。共形氮化銅層 與Cu籽晶層之間的直接接觸提供增強的粘附強度。共形氮化銅層可以被退火以將暴露的 外部轉變成鄰接的Cu層，該Cu層可被用以減小Cu籽晶層的厚度。根據本發明的一方面，提供一種半導體結構的形成方法，該方法包括在襯底上形成圖案化介電層；
在圖案化介電層的圖案化表面上直接形成金屬氮化物襯墊；在金屬氮化物襯墊上直接形成包括元素金屬(elemental metal)或金屬間合金 (intermetallic alloy)的金屬襯墊；以及通過化學氣相沉積(CVD)或原子層沉積(ALD)在金屬襯墊上直接形成包括氮化銅 的共形粘附促進襯墊。 在一個實施例中，該方法還包括在共形粘附促進襯墊上直接形成Cu籽晶層。在另一實施例中，該方法還包括在Cu籽晶層上直接電鍍Cu材料。在又一實施例中，該方法還包括平坦化電鍍Cu材料，其中金屬氮化物襯墊的表 面、金屬襯墊的表面、共形粘附促進襯墊的表面以及電鍍Cu材料的表面基本上是水平且共 平面的。在又另一實施例中，氮化銅具有CuxN的組成，其中χ為約1至約5。在又另一實施例中，該方法還包括在約150°C至約400°C的提高的溫度對共形粘 附促進襯墊進行退火，其中共形粘附促進襯墊的暴露的外部被轉變為共形富Cu導電層。在另外的實施例中，該方法還包括對電鍍Cu材料和Cu籽晶層進行退火，其中電鍍 Cu材料和Cu籽晶層在結構上融合以形成一體構造的導電Cu結構，該一體構造的導電Cu結 構在其體積中沒有界面。在又另一實施例中，該方法還包括對電鍍Cu材料、Cu籽晶層以及共形富Cu導電 層進行退火，其中電鍍Cu材料、Cu籽晶層以及共形富Cu導電層在結構上融合以形成一體 構造的導電Cu結構，該一體構造的導電Cu結構在其體積中沒有界面。根據本發明的另一方面，提供一種金屬互連結構，其包括位于襯底上并且包括線槽和通路腔中的至少之一的圖案化介電層；鄰接圖案化介電層的圖案化表面的金屬氮化物襯墊；包含元素金屬或金屬間合金并且鄰接金屬氮化物襯墊的金屬襯墊；以及包含氮化銅并且鄰接金屬襯墊的共形粘附促進襯墊。在一個實施例中，金屬互連結構還包括鄰接共形粘附促進襯墊的Cu籽晶層。在另一實施例中，金屬互連結構還包括電鍍導電結構，其中金屬氮化物襯墊、金屬 襯墊、共形粘附促進襯墊、Cu籽晶層以及電鍍導電結構完全填充線槽或通路腔。在又另一實施例中，電鍍導電結構由Cu和雜質構成，其中雜質可以包括0、N、C、C1 以及S，且其中雜質的總濃度是約Ippm至約200pm。在又另一實施例中，金屬互連結構還包括鄰接于共形粘附促進襯墊上的共形富Cu 導電層。在又另一實施例中，金屬互連結構還包括鄰接共形富Cu導電層的Cu籽晶層；以及電鍍導電結構，其中金屬氮化物襯墊、金屬襯墊、共形粘附促進襯墊、共形富Cu導 電層、Cu籽晶層以及電鍍導電結構完全填充線槽或通路腔。在另外的實施例中，金屬互連結構還包括一體構造的導電Cu結構，該一體構造的 導電Cu結構在其整個體積中沒有界面且鄰接所述共形粘附促進襯墊。


圖1是形成埋入圖案化介電層中的載流結構之后的示范性現有技術的金屬互連 結構的垂直截面圖。圖2是示范性現有技術的在退火或使用后的金屬互連結構(其中形成空腔137) 的垂直截面圖。圖3是在形成共形粘附促進襯墊40之后的第一示范性金屬互連結構的垂直截面圖。圖4是在形成Cu籽晶導電層50以及電鍍Cu結構60之后的第一示范性金屬互連 結構的垂直截面圖。圖5是通過對Cu籽晶層50以及電鍍Cu結構60進行退火而形成導電Cu結構80
之后的第一示范性金屬互連結構的垂直截面圖。圖6是在將共形粘附促進襯墊40的暴露部分轉變成共形Cu層45的退火之后的 第二示范性金屬互連結構的垂直截面圖。圖7是形成Cu籽晶層50和電鍍Cu結構60之后的第二示范性金屬互連結構的垂 直截面圖。圖8是通過對共形Cu層45、Cu籽晶層50以及電鍍Cu結構60進行退火而形成導 電Cu結構80之后的第二示范性金屬互連結構的垂直截面圖。
具體實施例方式如上所述，本發明涉及包括金屬共形粘附促進襯墊的后段(BEOL)金屬互連結構 及其制造方法，這些在此通過附圖描述。如這里采用的，當介紹本發明的元件或其優選實施 例時，表述“一(a)”、“一(an)”、“該”和“所述”旨在表示一個或多個元件。在所有的圖中， 相同的參考標號或字母被用以表示相似或等同的元件。為了簡潔，省略了已知功能和構造 的詳細描述且不會模糊本發明的主題。附圖不必是按比例繪制。參考圖3，根據本發明的第一實施例的第一示范性金屬互連結構包括圖案化介電 層10和直接形成在圖案化介電層10的頂表面和側壁表面上的導電金屬襯墊疊層。導電金 屬襯墊疊層從下至上包括金屬氮化物襯墊20、金屬襯墊30、以及共形粘附促進襯墊40。圖案化介電層10具有至少一個空腔15的圖案，該空腔15可以是至少一個線槽、 至少一個通路腔或它們的組合，在該組合中至少一個通路腔在至少一個線槽下面。為描述 本發明，采用作為包括通路腔和上面的線槽的雙金屬鑲嵌空腔的至少一個通路腔15。本發 明可被用于其他的一般金屬互連結構，包括含有至少一個通路腔但不含有線槽的圖案化介 電層、含有至少一個線槽但不含有通路腔的圖案化介電層以及含有多個通路腔和多個線空 腔的圖案化介電層。這樣的變型在此可被清楚地預期。雙金屬鑲嵌空腔可通過采用本領域已知的雙金屬鑲嵌整體方案的兩個光刻步驟 以及兩個蝕刻步驟的組形成。取決于雙金屬鑲嵌整體方案的細節，通路腔可以在線空腔形 成之前形成，或者以相反的順序形成。如上所述，本發明與單金屬鑲嵌整體方案兼容且與雙 金屬鑲嵌整體方案兼容。任何形成圖案化介電層10中的空腔的金屬互連結構可被用以實 施本發明。圖案化介電層10包括通常用于BEOL互連結構的介電材料。可被用于圖案化介電 層10的介電材料包括但不限于硅酸鹽玻璃、有機硅酸鹽玻璃(OSG)材料、通過化學氣相沉積形成的SiCOH基低k材料、旋涂玻璃(SOG)或諸如SiLK 的旋涂低k介電材料等。硅酸 鹽玻璃包括未摻雜的硅酸鹽玻璃(USG)、硼硅酸鹽玻璃(BSG)、磷硅酸鹽玻璃(PSG)、氟硅酸 鹽玻璃(FSG)、硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)等。介電材料可以是具有小于3.0的介電常數的低 介電常數(低k)材料。介電材料可以是無孔的或多孔的。圖案化介電層10的介電材料可通過等離子體增強化學氣相沉積、高密度等離子 體化學氣相沉積、熱化學氣相沉積、旋涂和固化等形成。圖案化介電層10的厚度可以從約 IOOnm至約2000nm，且典型地為從約200nm至約lOOOnm，盡管這里也可以考慮更小或更大的厚度。圖案化介電層10可形成在襯底(未示出)上。可被用以形成圖案化介電層10 的典型的襯底是包括至少一個半導體器件的半導體襯底，該半導體器件例如為場效應晶體 管、雙極型晶體管、結二極管、電容器、電阻器、電感器等。在此情況下，第一示范性金屬互連 結構被結合到一個更大的金屬互連結構(未示出)中，該更大的金屬互連結構包括多級金 屬布線結構并且提供半導體襯底上的半導體器件之間以及半導體器件與諸如C4墊或引線 接合墊的接合結構之間的電布線。金屬氮化物襯墊20直接形成在圖案化介電層10的圖案化表面上。圖案化表面包 括通路腔的底表面、通路腔的側壁表面、線槽的底表面、線槽的側壁表面。金屬氮化物襯墊 20包括導電金屬氮化物(即，元素金屬的導電氮化物)、至少兩種元素金屬的金屬間合金、 或至少一種元素金屬與至少一種諸如半導體元素的非金屬元素的合金。典型地，金屬氮化 物襯墊20由導電金屬氮化物構成。例如，金屬氮化物襯墊20可包括TaN、TiN, WN、TaSiN, TiSiN以及WSiN。金屬氮化物襯墊20可以是化學計量的(stoichiometric)或非化學計量 的。在金屬氮化物襯墊20是非化學計量的情況下，只要金屬氮化物襯墊20是導電的，金屬 氮化物襯墊20可以是富氮或缺氮的。典型地，金屬氮化物襯墊20通過物理氣相沉積(PVD)來沉積，物理氣相沉積為在 真空下進行的濺射工藝。金屬粒子在真空工藝室中在氮氣氣氛下從濺射靶脫離，并且被沉 積到放置在真空工藝室中的圖案化介電層10的表面上。PVD工藝是方向性的。因此，相比 于垂直表面上，在非凹陷的或突起的水平表面上沉積更多的材料。而且，相比于垂直表面的 底部，在垂直表面的頂部上沉積更多的材料。因此，金屬氮化物襯墊20的厚度根據測量位 置而變化。包括金屬氮化物襯墊20中的變化，金屬氮化物襯墊20的厚度可是約2nm至約 20nm，盡管這里也可考慮更小或更大的厚度。在一些實施例中，金屬氮化物襯墊20可以通 過化學氣相沉積(CVD)或原子層沉積(ALD)形成。金屬氮化物襯墊20具有直接在圖案化介電層10上提供具有足夠的粘附強度的導 電表面的功能。此外，金屬氮化物襯墊用作擴散阻擋以使得諸如可移動原子的雜質材料不 擴散穿過金屬氮化物襯墊20。由于圖案化介電層10的整個暴露表面需要被金屬氮化物襯 墊20覆蓋，且PVD工藝本質上是統計的(statistical)，金屬氮化物襯墊20的厚度朝著可 用厚度范圍的低端例如朝著2. Onm的減小趨向于導致圖案化介電層20的不充分覆蓋，從而 使粘附性能以及作為擴散阻擋層的效力退化。金屬襯墊30直接形成在金屬氮化物襯墊20的表面上。金屬襯墊30形成在整個 金屬氮化物襯墊20之上。金屬襯墊30用作在金屬氮化物襯墊20與元素金屬之間提供足 夠的粘附強度的中間層，該元素金屬典型地被用以填充至少一個空腔15并為電流提供基本電流傳導路徑。典型地，用以填充至少一個空腔的元素金屬是Cu。金屬襯墊30包括元素 金屬、至少兩種元素金屬的金屬間合金。典型地，金屬襯墊30由元素金屬、至少兩種元素金 屬的金屬間合金構成。對金屬氮化物襯墊20和元素Cu都提供高粘附強度的材料包括Ta、 Ru、Ti、Co、W、Fe、Ni、Ir、Rh、Re、Pt等，以及它們的金屬間合金。金屬襯墊30可以通過物理氣相沉積(PVD)或化學氣相沉積(CVD)來沉積。包括 金屬襯墊30中的變化，金屬襯墊30的厚度可以從約2nm至約lOnm，盡管這里也可考慮更小 或更大的厚度。由于金屬襯墊30的厚度隨著金屬互連結構的縮小而減小，膜可變得不均勻或不 連續。這導致形成薄金屬襯墊區域33，薄金屬襯墊區域33為包含孔或厚度小于周圍區域 的部分的金屬襯墊30的區域。薄金屬襯墊區域33典型地發生在工藝中具有低臺階覆蓋率 的位置，諸如位于至少一個空腔15的底部的通路腔的側壁的較低部分。在薄金屬襯墊區域 33中，金屬襯墊30可能是非連續的從而使得金屬氮化物襯墊20被暴露。共形粘附促進襯墊40直接形成在金屬襯墊30上。共形粘附促進襯墊40通過原子 層沉積(ALD)或化學氣相沉積(CVD)形成，這形成具有大于90%的臺階覆蓋率的共形膜，甚 至對于高縱橫比的幾何形狀，即具有大數字(例如，大于3.0)的空腔深度與空腔寬度之間 的比率的幾何形狀。共形粘附促進襯墊40增強了金屬氮化物襯墊20與將被后續沉積的導 電材料(Cu籽晶層)之間的粘附。共形粘附促進襯墊40的厚度可以為約0. 5nm至約20nm。 在一種情況下，共形粘附促進襯墊40的厚度可以為約0. 5nm至約5. Onm。例如，共形粘附促進襯墊40包括氮化銅。在優選實施例中，共形粘附促進襯墊40 主要由氮化銅構成。在金屬氮化物襯墊20的任何表面被暴露于薄金屬襯墊區域33內的金 屬襯墊30的孔中的情況下，共形粘附促進襯墊40的氮化銅直接接觸金屬氮化物襯墊20和 將被后續沉積的Cu籽晶層，氮化銅材料中的氮原子引發對也包含氮的金屬氮化物襯墊20 的材料的高粘附強度。氮化銅中的銅原子引發對將被后續沉積的Cu籽晶層的高的粘附強 度。此外，由于共形粘附促進襯墊40是共形的，金屬襯墊30中的所有孔都被共形粘附促進 襯墊40的材料填充。對于包含金屬襯墊30的相對于周圍區域的較薄部分的薄金屬襯墊區域33的其他 部分，粘附促進襯墊40的共形覆蓋加強了由金屬襯墊30提供的對將被后續沉積的材料的 粘附強度。典型地，由于金屬氮化物襯墊中存在的氮原子趨向于減小粘附強度，金屬氮化物 襯墊與諸如Cu籽晶層的元素金屬之間的粘附強度小于金屬襯墊與元素金屬之間的粘附強 度。由于此原因，Cu籽晶層與金屬氮化物襯墊30之間的直接接觸是不期望的也是要避免 的。然而，本發明中采用的氮化銅材料對Cu籽晶層提供良好的粘附強度，這是由于氮化銅 材料包含Cu。此外，氮化銅材料中存在的氮原子提供對也包含氮原子的金屬氮化物襯墊的 良好的粘附。鑒于此，氮化銅通過與諸如Cu籽晶層的Cu材料直接接觸提供高的粘附強度， 從而在金屬氮化物材料之中提供了例外。沉積的共形屬性(即，ALD工藝和CVD工藝的固有 高共形性)使暴露表面的完全覆蓋得以實現，從而薄金屬襯墊區域33中的金屬襯墊30的 任何孔或薄部分被共形粘附促進襯墊40覆蓋。金屬氮化物襯墊20、金屬襯墊30以及共形 粘附促進襯墊40共同構成導電金屬襯墊疊層O0、30、40)。在通過原子層沉積(ALD)形成共形粘附促進襯墊40的情況下，一系列的交替暴露
9到(exposure to)銅脒化物(copper amidinate)和氨氣被采用。銅脒化物的化學式在本 領域是已知的。ALD工藝典型地在約150°C至約300°C的溫度下進行。在暴露到銅脒化物 的每個循環期間，銅脒化物的分壓(partial pressure)為約ImTorr至約lTorr，盡管這里 也可考慮更小或更大的分壓。暴露到銅脒化物的持續時間為每暴露循環約0. 1秒至約300 秒，且典型地為每暴露循環從約1秒至約30秒。在暴露到氨氣的每個暴露循環期間，氨氣 的分壓為約IOmTorr至約lOhrr。暴露到氨氣的持續時間為每暴露循環約0. 1秒至約300 秒，且典型地為每暴露循環約1秒至約30秒。典型地，在每次暴露到銅脒化物與后續的或 前面的暴露到氨氣之間，用于ALD工藝的工藝室被抽到基準壓強(base pressure) 0可選 地，在每次暴露到銅脒化物與后續的或前面的暴露到氨氣之間，可用惰性氣體清洗工藝室。 一組暴露到銅脒化物和暴露到氨氣形成氮化銅的一個原子層。在通過化學氣相沉積(CVD)形成共形粘附促進襯墊40的情況下，銅脒化物和氨氣 同時流入工藝室。CVD工藝典型地在約150°C至約350°C的溫度下進行。在CVD工藝期間， 銅脒化物的分壓為約lmTorr至約lOTorr，盡管這里也可考慮更小或更大的分壓。氨氣的分 壓在相同的數量級。CVD工藝中氮化銅的生長速率可以是0. 02nm/分鐘至約IOnm/分鐘，盡 管這里可以考慮更小或更大的沉積速率。氮化銅的組成可根據采用的工藝條件而變化。氮化銅的電阻率也隨氮化銅的組成 (即銅對氮的原子比)而變化。通常，氮化銅的化學組成由CuxN給出，其中χ為約1至約 5。在一個實施例中，氮化銅基本是化學計量的，χ的值基本等于3.0。01#是01和N的化 學計量的化合物。然而，如上所示，氮化銅的氮含量與電阻率可通過調整ALD工藝或CVD工 藝期間的諸如沉積溫度的工藝條件而變化。沉積溫度越高，氮化銅膜中的銅含量越高。參考圖4，Cu籽晶層50和電鍍導電結構60形成在至少一個空腔15中。應該注 意，為了清楚起見，在共形粘附促進襯墊40的最上表面之上的電鍍導電結構60、Cu籽晶層 50、共形富Cu導電層45、共形粘附促進襯墊40、金屬襯墊30以及金屬氮化物襯墊20的部 分沒有顯示在圖7中。Cu籽晶層50直接沉積在共形粘附促進襯墊40的表面上，共形粘附促進襯墊40可 包括如上所述的氮化銅。Cu籽晶層50包括Cu，且優選由Cu構成。典型地，通過PVD形成 的Cu籽晶層50相對于其他類型的Cu籽晶層50提供更好的性能。如上所述，PVD工藝的 使用引起膜的厚度變化。因此，Cu籽晶層50在整個膜上具有厚度變化。為了在具有低的 臺階覆蓋率的位置(例如，通路腔的側壁的底部)提供足夠的籽晶材料，具有超過用于晶種 的最小量的Cu材料的厚度的Cu籽晶材料部分形成在水平表面的非凹陷或突起部分。包含 Cu籽晶層50中的厚度變化，Cu籽晶層50的厚度典型地為約IOnm至約60nm，盡管這里可 以考慮更小或更大的厚度。金屬被直接電鍍在Cu籽晶層50上以完全填充至少一個空腔15，從而形成電鍍導 電結構60。在至少一個空腔內的通路腔和線槽均被電鍍材料填充。優選地，電鍍金屬包括 Cu。電鍍Cu的方法在本領域是已知的。在電鍍材料包含Cu的情況下，根據已知的電鍍方 法電鍍的材料也包括被弓I入電鍍Cu材料中的雜質原子。參考圖5，在電鍍導電結構60包含電鍍Cu的情況下，第一示范性金屬互連結構可 在高于100°C的提高的溫度且典型地在從約150°C至約400°C的提高的溫度進行退火以促 進Cu籽晶層50和電鍍導電結構60中的晶粒生長。退火之后，電鍍導電結構60和Cu籽晶層50在結構上融合以形成鄰接共形粘附促進襯墊40的一體構造的導電Cu結構80。典型 地，由于電鍍導電結構60與Cu籽晶層50的融合，一體構造的導電Cu結構80在其整個體 積內沒有界面。粘附促進襯墊40與導電Cu結構80之間的界面可以是漸變的(gradual)。 共形粘附促進襯墊40可以部分地分解為富銅的氮化銅，富銅的氮化銅對結構80形成良好 的粘附。位于圖案化介電層10的最上表面之上的電鍍材料、Cu籽晶層50、共形粘附促進襯 墊40、金屬襯墊30以及金屬氮化物襯墊20的部分通過平坦化被移除。平坦化可以例如通 過化學機械平坦化(CMP)實現。圖案化介電層10的最上部分可包括介電硬掩模層(未個 別地示出)，介電硬掩模層可被用作CMP工藝的停止層。在平坦化結束時，電鍍材料的保留 部分構成電鍍導電結構60。在優選實施例中，電鍍導電結構60包括電鍍Cu材料，電鍍Cu 材料包括如上所述的雜質。金屬氮化物襯墊20、金屬襯墊30、共形粘附促進襯墊40、Cu籽晶層50以及電鍍導 電結構60完全填充至少一個空腔15 (見圖3)，至少一個空腔15可以是通路腔上面的線槽。參考圖6，第二示范性金屬互連結構衍生于根據本發明的第一實施例的圖3的第 一示范性金屬互連結構。在第二實施例中，共形粘附促進襯墊40包括氮化銅，并優選由氮 化銅構成。在形成圖3的第一示范性金屬互連結構之后，圖6的第二示范性金屬互連結構 通過在約150°C至約400°C的提高的溫度對共形粘附促進襯墊40進行退火而衍生出來。共 形粘附促進襯墊40的暴露的外部被轉變成共形富Cu導電層45。在一個實施例中，共形富 Cu導電層45包括基本沒有氮原子的元素Cu層，且主要由Cu構成。在另一實施例中，共形 富Cu導電層包括具有CuNs組成的富Cu氮化銅層，其中δ可以是約0.001至約0.3，且典 型地為約0. 001至約0. 1，且更典型地為約0. 001至約0. 02。共形富Cu導電層45與共形 粘附促進襯墊40之間的界面可以是漸變的從而氮濃度跨過界面逐漸變化。典型地包括約 5-10 %的氫氣以及約90-95 %的氮氣的合成氣體可被用作退火期間的環境氣體，退火將共 形粘附促進襯墊40的外部轉變成共形富Cu導電層45。由于氮化銅材料化學轉變為元素Cu是以相同的速率進行的化學反應而與縱橫比 無關，所以共形富Cu導電層45是共形的。退火之前，共形粘附促進襯墊40的厚度為約 0. 5nm至約20nm。在第二實施例中，退火之前的共形粘附促進襯墊40的厚度優選為2nm至 約20nm以使得部分的共形粘附促進襯墊40轉變成共形富Cu導電層45。共形富Cu導電層 45的厚度可以為約0. 5nm至約20nm，盡管這里也可以考慮更小或更大的厚度。退火之后， 共形粘附促進襯墊40的厚度可以是約0. 5nm至約19. 5nm，盡管這里也可考慮更小或更大的 厚度。共形粘附促進襯墊40的保留部分與共形富Cu導電層45之間的粘附強度是高的，這 是因為這兩層包括相同的元素(即，Cu)且源自退火之前的最初的共形粘附促進襯墊40。參考圖7，Cu籽晶層50和電鍍導電結構60形成在至少一個空腔15中。應該注意， 為了清楚起見，在共形富Cu導電層45的最上表面之上的電鍍導電結構60、Cu籽晶層50、 共形富Cu導電層45、共形粘附促進襯墊40、金屬襯墊30以及金屬氮化物襯墊20的部分沒 有顯示在圖7中。Cu籽晶層50直接沉積在共形富Cu導電層45的表面上。因為Cu籽晶層50和共 形富Cu導電層45包含Cu，Cu籽晶層50與共形富Cu導電層45之間的粘附強度是高的。 Cu籽晶層50可通過與第一實施例相同的方法例如通過PVD形成。如果采用PVD，Cu籽晶層50具有膜的厚度變化。由于共形富Cu導電層45提供額外的Cu材料，Cu籽晶層50的 厚度可以小于第一實施例中的Cu籽晶層50的厚度，且可以為約5nm至約60nm，盡管這里也 可以考慮更小或更大的厚度。根據本發明，Cu籽晶層50可需要較少的材料，這是因為下面 的層提供通路孔的側壁的共形覆蓋。因此，包含Cu籽晶層50的導電材料的輪廓在通路孔 的上部產生較寬的開口從而避免后續的銅電鍍工藝期間的夾斷(pinch-off)。金屬被直接電鍍到Cu籽晶層50上以完全填充如第一實施例的至少一個空腔(見 圖6)。至少一個空腔中的通路腔和線槽被電鍍材料完全填充。優選地，電鍍材料包括Cu。參考圖8，在電鍍導電結構60包括電鍍Cu的情況下，第二示范性金屬互連結構可 以在100°C以上的提高的溫度且典型地在約150°C至約400°C的提高的溫度退火以促進共 形富Cu導電層、Cu籽晶層50以及電鍍導電結構60中的晶粒生長。在退火之后，電鍍導電 結構60、Cu籽晶層50以及共形富Cu導電層45的共形元素Cu層部分在結構上融合以形成 鄰接共形粘附促進襯墊40的一體構造的導電Cu結構80。在整個共形富Cu導電層45被轉 變成共形元素Cu層的情況下，整個共形富Cu導電層45被并入導電Cu結構80。典型地，由 于電鍍導電結構60、Cu籽晶層50以及共形富Cu導電層45的融合，一體構造的導電Cu結 構80在其整個體積中沒有界面。導電Cu結構80典型地由Cu和雜質構成。雜質包括0、 N、C、Cl以及S，其中雜質的總濃度為約Ippm至約200ppm。位于圖案化介電層10的最上表面之上的電鍍材料、Cu籽晶層50、共形富Cu導電 層45、共形粘附促進襯墊40、金屬襯墊30以及金屬氮化物襯墊20的部分通過平坦化被移 除。平坦化可以例如通過化學機械平坦化(CMP)實現。圖案化介電層10的最上部分可包 括介電硬掩模層(未個別地示出)，其可被用作CMP工藝的停止層。在平坦化結束時，電鍍 材料的保留部分構成電鍍導電結構60。在優選實施例中，電鍍導電結構60包括電鍍Cu材 料，電鍍Cu材料包括如上所述的雜質。金屬氮化物襯墊20、金屬襯墊30、共形粘附促進襯墊40、共形富Cu導電層45、Cu 籽晶層50以及電鍍導電結構60完全填充至少一個空腔15 (見圖6)，至少一個空腔15可以 是通路腔上面的線槽。金屬氮化物襯墊20的表面、金屬襯墊30的表面、共形粘附促進襯墊 40的表面、共形富Cu導電層45的表面、Cu籽晶層50的表面以及電鍍導電結構60的表面 在第一示范性金屬互連結構的頂部彼此之間上是基本水平和共平面的。此外，電鍍導電結 構60的頂表面與圖案化介電層10的最上表面基本上是共平面的。盡管本發明根據具體實施例被詳細描述，但是鑒于以上描述，顯然各種變型、修改 以及變化對本領域技術人員是明顯的。因此，本發明旨在包括落入本發明和下面的權利要 求的范圍和精神內的所有的這些變型、修改以及變化。
權利要求
1.一種半導體結構的形成方法，包括 在襯底上形成圖案化介電層(10)；在所述圖案化介電層(10)的圖案化表面上直接形成金屬氮化物襯墊00)； 在所述金屬氮化物襯墊00)上直接形成包括元素金屬或金屬間合金的金屬襯墊 (30)；以及通過化學氣相沉積(CVD)或原子層沉積(ALD)在所述金屬襯墊(30)上直接形成包括 氮化銅的共形粘附促進襯墊GO)。
2.根據權利要求1的方法，還包括在所述共形粘附促進襯墊GO)上直接形成Cu籽晶 層(50)。
3.根據權利要求2的方法，還包括在所述Cu籽晶層(50)上直接電鍍Cu材料(60)。
4.根據權利要求3的方法，其中所述圖案化介電層(10)包括線槽和通路腔(1 中的至少之一。
5.根據權利要求4的方法，其中所述線槽或所述通路腔(1 通過所述Cu材料(60)的 所述電鍍被完全填充。
6.根據權利要求3的方法，還包括平坦化所述電鍍Cu材料(60)，其中所述金屬氮化物 襯墊O0)的表面、所述金屬襯墊(30)的表面、所述共形粘附促進襯墊GO)的表面以及所 述電鍍Cu材料(60)的表面基本上是水平且共平面的。
7.根據權利要求6的方法，還包括對所述電鍍Cu材料(60)和所述Cu籽晶層(50)進 行退火，其中所述電鍍Cu材料(60)和所述Cu籽晶層(50)在結構上融合以形成一體構造 的導電Cu結構(80)，該一體構造的導電Cu結構(80)在其整個體積中沒有界面。
8.根據權利要求1的方法，其中所述共形粘附促進襯墊GO)通過一系列交替暴露到銅 脒化物和氨氣的原子層沉積(ALD)形成。
9.根據權利要求8的方法，其中所述ALD在約150°C至約300°C的溫度進行，且其中在 暴露到銅脒化物的每個循環期間，銅脒化物的分壓為約ImTorr至約lTorr。
10.根據權利要求1的方法，其中所述共形粘附促進襯墊GO)通過采用銅脒化物和氨 氣同時流動的化學氣相沉積(CVD)形成。
11.根據權利要求10的方法，其中所述CVD在約150°C至約350°C的溫度進行，且其中 在所述CVD期間，銅脒化物的分壓為約ImTorr至約IOOTorr。
12.根據權利要求1的方法，其中所述氮化銅具有CuxN的組成，其中χ為約1至約5。
13.根據權利要求1的方法，還包括在約150°C至約400°C的提高的溫度對所述共形粘 附促進襯墊G0)進行退火，其中所述共形粘附促進襯墊G0)的暴露的外部被轉變為包含 銅和氮的共形富Cu導電層05)。
14.根據權利要求13的方法，還包括通過物理氣相沉積(PVD)在所述共形富Cu導電層0 上直接形成Cu籽晶層(50)；以及在所述Cu籽晶層(50)上直接電鍍Cu材料(60)。
15.根據權利要求14的方法，還包括對所述電鍍Cu材料(60)、所述Cu籽晶層(50) 以及所述共形富Cu導電層0 進行退火，其中所述共形富Cu導電層0 包括共形元素 Cu層，且其中所述電鍍Cu材料(60)、所述Cu籽晶層(50)以及所述共形元素Cu層在結構上融合以形成一體構造的導電Cu結構(80)，該一體構造的導電Cu結構(80)在其整個體積 中沒有界面。
16.一種金屬互連結構，包括位于襯底上并且包括線槽和通路腔(15)中的至少之一的圖案化介電層(10)；鄰接所述圖案化介電層(10)的圖案化表面的金屬氮化物襯墊00)；包含元素金屬或金屬間合金并且鄰接所述金屬氮化物襯墊00)的金屬襯墊(30)；以及包含氮化銅并且鄰接所述金屬襯墊(30)的共形粘附促進襯墊00)。
17.根據權利要求16的金屬互連結構，還包括鄰接所述共形粘附促進襯墊00)的Cu 籽晶層(50)。
18.根據權利要求17的金屬互連結構，還包括電鍍導電結構(60)，其中所述金屬氮化 物襯墊(20)、所述金屬襯墊(30)、所述共形粘附促進襯墊(40)、所述Cu籽晶層(50)以及所 述電鍍導電結構(60)完全填充所述線槽或所述通路腔(15)。
19.根據權利要求18的金屬互連結構，其中所述金屬氮化物襯墊00)的表面、所述金 屬襯墊(30)的表面、所述共形粘附促進襯墊GO)的表面以及所述電鍍導電結構(60)的表 面基本上是水平且共平面的。
20.根據權利要求18的金屬互連結構，其中所述電鍍導電結構(60)由Cu和雜質構成， 其中所述雜質包括0、N、C、Cl和S，且其中雜質的總濃度為約Ippm至約200ppm。
21.根據權利要求16的金屬互連結構，其中所述氮化銅具有CuxN的組成，其中χ為約 1至約5。
22.根據權利要求16的金屬互連結構，其中所述共形粘附促進襯墊00)具有約0.5nm 至約20nm的厚度。
23.根據權利要求16的金屬互連結構，還包括鄰接所述共形粘附促進襯墊00)的共形 富Cu導電層(45)。
24.根據權利要求M的金屬互連結構，還包括鄰接所述共形富Cu導電層05)的Cu籽晶層(50)；以及電鍍導電結構(60)，其中所述金屬氮化物襯墊(20)、所述金屬襯墊(30)、所述共形粘 附促進襯墊(40)、所述共形富Cu導電層(45)、所述Cu籽晶層(50)以及所述電鍍導電結構 (60)完全填充所述線槽或所述通路腔。
25.根據權利要求16的金屬互連結構，還包括在其整個體積中沒有界面且鄰接所述共 形粘附促進襯墊GO)的一體構造的導電Cu結構(80)。
全文摘要
介電層(10)圖案化有至少一個線槽和/或至少一個通路腔(15)。金屬氮化物襯墊(20)形成在圖案化介電層(10)的表面上。金屬襯墊(30)形成在金屬氮化物襯墊(20)的表面上。共形氮化銅層(40)通過原子層沉積(ALD)或化學氣相沉積(CVD)直接形成在金屬襯墊(30)上。Cu籽晶層(50)直接形成在共形銅氮化物層(40)上。至少一個線槽和/或至少一個通路腔(15)被電鍍材料(60)填滿。共形氮化銅層(40)與Cu籽晶層(50)之間的直接接觸提供增強的粘附強度。共形氮化銅層(40)可被退火以將暴露的外部轉變成鄰接的Cu層，該Cu層可被用以減小Cu籽晶層(50)的厚度。
文檔編號H01L23/52GK102124559SQ200980131364
公開日2011年7月13日 申請日期2009年8月10日 優先權日2008年8月13日
發明者朱慧瓏, 李正文, 鄭天人, 黃洸漢 申請人:國際商業機器公司