專利名稱：具有難熔金屬覆蓋的低阻金屬導(dǎo)體線路和通路的器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及一種器件，具體地說(shuō)涉及通過(guò)采用物理汽相淀積(PVD)法淀積低阻金屬和化學(xué)汽相淀積(CVD)法淀積難熔金屬的組合來(lái)填充襯底上的窗口的一種低成本方法制作的器件。本發(fā)明特別適用于亞微米電路的制作。
低阻金屬，諸如鋁和銅以及它們的二元或三元的合金已廣泛用于半導(dǎo)體制作的細(xì)線互連。細(xì)線互連金屬的典型例子包括AlxCuy，其中x與y之和等于1，且x與y都大于或等于0而又小于或等于1，三元合金，如Al-Pd-Cu、Al-Pd-Nb及Al-Cu-Si和其它以低阻金屬為基的合金。如今要強(qiáng)調(diào)的是隨著超大規(guī)模集成(VLSI)電路制作的線條寬度的尺寸按比例縮小，已經(jīng)帶來(lái)包括不適當(dāng)?shù)慕^緣、電遷移及平面化方面的可靠性問(wèn)題。
Ahn等人在lBM技術(shù)公開(kāi)公報(bào)((Vol、33，No.5，Oct，1990，pp.217-218)上披露了用WF6和SiF4的含氫混合物選擇性淀積制造包覆以鎢的銅導(dǎo)體與通孔。密封了的互連線，像Ahn等人做的那樣，具有很高的抗電遷移能力，并且選用晶粒尺寸小的鎢膜，以減小反射率，因而增強(qiáng)光刻設(shè)備聚焦的能力與光刻膠的解象能力。但是，采用Ahn等人描述的低溫方法所形成的鎢層理應(yīng)是富硅(如，3-4％)的，而且對(duì)銅不會(huì)是一種良好的擴(kuò)散阻擋層，因?yàn)樾纬摄~的硅化物將會(huì)惡化銅的電阻率。因此，在低溫下用選擇法難以淀積一層擴(kuò)散阻擋層。況且，Ahn等人的技術(shù)依賴于環(huán)形在導(dǎo)線底部的形成，而通常這是由釋放的濕氣與WF6反應(yīng)產(chǎn)生的。一般認(rèn)為環(huán)形的出現(xiàn)是不可靠的。
Dalton等人(VMIG Conference，June 12-13，1990，pp.289-292)指出，含SiH4與H2還原WF6的一種熱壁CVD反應(yīng)在鋁或合金導(dǎo)體上形成選擇的鎢層，其結(jié)果在鋁與鎢的界面含有氟團(tuán)，該氟團(tuán)是WF6與鋁的一種副產(chǎn)物，如反應(yīng)式1所示
氟化鋁薄層會(huì)增大金屬1到金屬2通路的串聯(lián)接觸電阻。Dalton報(bào)告說(shuō)，用CVD的鎢密封之前，在鋁的頂面先濺射TiW膜，可以消除吸附氟的問(wèn)題。
Dalton披露了一種形式互連線的傳統(tǒng)方案，這里，首先在一平整的表面上淀積鋁，濺射一層TiW么覆蓋其上(只是與傳統(tǒng)不同的過(guò)程)，然后，用光刻膠成象和顯影，接著通過(guò)反應(yīng)離子刻蝕(RlE)把該鋁層刻成圖案。再將所得到的結(jié)構(gòu)覆蓋一層鈍化介質(zhì)，如SiO2或聚酰亞胺，隨后本身也經(jīng)RIE刻成圖案并且金屬化，從而實(shí)現(xiàn)一種多層結(jié)構(gòu)。

圖1引自Dalton報(bào)告，并示出通過(guò)傳統(tǒng)工藝方式生產(chǎn)的多層器件在金屬導(dǎo)線的局部的介質(zhì)層中有縫，而且頂面很不平整。
采用RIE法很難實(shí)現(xiàn)介質(zhì)的平整化。其平整度部分取決于圖形的密度，而且，不平的表面將導(dǎo)致后繼金屬化時(shí)產(chǎn)生攪煉問(wèn)題。如果將RIE技術(shù)用于聚酰亞胺，當(dāng)刻蝕線路直到聚酰亞胺表面時(shí)，因除去光刻膠的過(guò)程也會(huì)除去聚酰亞胺，所以，需要為以鋁或銅為基的線路的頂面上除去光刻膠而設(shè)置一刻蝕阻擋層。任何含銅量高的鋁或銅的合金的RIE都極為困難。包括金屬RIE的傳統(tǒng)工藝方法的嚴(yán)重缺點(diǎn)是隨著幾何尺寸的微細(xì)化勢(shì)必增加因粒子的缺陷而產(chǎn)生的大量的金屬短路。
Brown等人的美國(guó)專利4,824,802披露了一種多層VLSI金屬化結(jié)構(gòu)的層間介質(zhì)通路或接觸孔的填充方法。詳細(xì)地說(shuō)，一種過(guò)渡金屬，諸如鎢或鉬，通過(guò)CVD法或是選擇性地淀積在絕緣層的開(kāi)孔中，或是非選擇性地淀積在絕緣層的整個(gè)表面及開(kāi)孔中，然后，將平整化保護(hù)層，把諸如偶氮苯醌酚醛型清漆、聚甲基丙烯酸酯、聚酰亞胺，或其它的熱塑性的材料加到過(guò)渡金屬的頂面上。通過(guò)刻蝕直至帶保護(hù)層的過(guò)渡金屬被整平的位置，從而得到平整了的結(jié)構(gòu)。Brown等人的方法避免不了侵蝕金屬及與刻蝕有關(guān)的其它問(wèn)題，還不能用于平整化Al-Cu或別的軟合金材料，因它們的性質(zhì)不同于諸如鎢與鉬之類的較硬金屬。因此，采用Brown等人的方法，難以完全填滿通路及導(dǎo)線。
Beyer等人的美國(guó)專利4,944,836披露了一種可用在襯底上產(chǎn)生共平面的金屬/絕緣物膜的化學(xué)-機(jī)械拋光技術(shù)。尤其是，Beyer等人預(yù)料，可將底下的絕緣層刻出圖形、淀積Al-Cu膜，然后采用化學(xué)-機(jī)械拋光技術(shù)，在這里用稀硝酸氧化鋁粉懸浮液來(lái)機(jī)械研磨表面，除去Al-Cu。以該拋光混合物除去Al-Cu，勢(shì)必應(yīng)比除去底下的絕緣物有更高的速度。這樣所得的結(jié)構(gòu)就包含有由絕緣層平整化了的Al-Cu導(dǎo)線，而且在制造多層結(jié)構(gòu)時(shí)能方便地添加后續(xù)的多層。
Cote等人的美國(guó)專利US-4,956,313披露了一種通路填充與平整化技術(shù)，其中Al-Cu合金導(dǎo)線在襯底的第一鈍化層的頂面上制成圖形。這些導(dǎo)線又涂敷上第二鈍化層，該層以摻雜的玻璃，諸如磷硅玻璃(PSG)或硼磷硅玻璃(BPSG)為好，它能與Al-Cu合金導(dǎo)線各外形適配，然后在第二鈍化層上開(kāi)出通路以露出導(dǎo)線，再用CVD法將鎢加到第二鈍化層的表面及通路中，Cote等人的報(bào)告指出，CVD鎢適合于共形，又能填充通路而不會(huì)產(chǎn)生空隙。而后，該結(jié)構(gòu)經(jīng)磨料懸浮液拋光平整化。
無(wú)論Beyer等人還是Cote等人都認(rèn)為對(duì)低電阻率、軟金屬，如Al-Cu合金等予以拋光是不實(shí)際的。這是因?yàn)樵趹腋∫旱淖饔孟?，這些材料勢(shì)必表面受擦傷、被沾污及侵蝕。況且，按照Cote等人產(chǎn)生的平整化結(jié)構(gòu)需用多道工藝步驟，會(huì)增加成本、降低生產(chǎn)率。
Rossnagel等人在J.Vac.Sci.Technol.2261(Mar/Ap r.1991)披露了一種用以淀積薄膜的準(zhǔn)直磁控濺射淀積技術(shù)，該技術(shù)與剝離刻制圖形技術(shù)和孔的填充是兼容的。該技術(shù)也出現(xiàn)在美國(guó)專利4,824,544中，于此可參照結(jié)合。
Shiozaki等人在固態(tài)器件與材料的第19屆會(huì)議文摘(Abstracts ofThe 19th Conference on solid state Devices and Materials)上披露了采用選擇的鎢淀積技術(shù)填充在高電阻率硬金屬，如Mosix，上面的孔，并與軟金屬的密封無(wú)關(guān)。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種采用在襯底上按亞微米級(jí)形成的低成本、無(wú)侵蝕、耐磨損、抗電遷移的電導(dǎo)體的互連電路而制造的器件。
上述目的可由本發(fā)明的器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述器件包括一襯底、一位于所述襯底上的介質(zhì)層，以及位于所述介質(zhì)層上的一個(gè)窗口內(nèi)的金屬化部分，該金屬化部分從與上述介質(zhì)層朝向所述襯底的表面共平面的表面延伸出來(lái)，所述金屬化部分由位于所述窗口內(nèi)側(cè)表面的難熔金屬或合金襯墊以及位于所述用難熔金屬或合金蓋層覆蓋的所述襯墊上的低電阻率金屬或合金組成，其中，所述襯墊的難熔金屬或合金不同于所述蓋層的難熔金屬或合金。
對(duì)于上述目的及本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，參照附圖從下面的本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例的詳細(xì)描述中，將能得到更好的理解，其中圖1是表示頂面不平的現(xiàn)有技術(shù)半導(dǎo)體襯底的剖面?zhèn)纫晥D；圖2A到2E是說(shuō)明本發(fā)明一種改變的半導(dǎo)體襯底的連續(xù)剖面?zhèn)纫晥D；圖3A至3B是有器件的襯底的連續(xù)側(cè)視剖面圖，在刻制絕緣物圖形之前，其上涂敷了待整平的絕緣物；圖4A到4E是說(shuō)明本發(fā)明的另一種改型的半導(dǎo)體襯底的連續(xù)剖面?zhèn)纫晥D；圖5A至5E是說(shuō)明本發(fā)明還有一種改型的半導(dǎo)體襯底的連續(xù)剖面?zhèn)纫晥D；圖6是用PVD淀積在通路中的襯墊的掃描電子顯微照片(SEM)；圖7A和7B是說(shuō)明本發(fā)明的再一種改型的半導(dǎo)體襯底的連續(xù)剖面?zhèn)纫晥D；圖8是舉例的多層鑲嵌結(jié)構(gòu)的剖面圖，其中PVD AlxCuy合金覆蓋著CVD鎢；以及圖9A和9B分別是化學(xué)-機(jī)械拋光之前與之后具有被鎢覆蓋的Al-Cu合金導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)剖面SEM的顯微照片。
本發(fā)明一般涉及襯底上形成金屬填充的通路及導(dǎo)體線的方法，而該通路及導(dǎo)體線包括軟的低電阻率的金屬，該軟金屬又覆蓋著相當(dāng)硬的難熔金屬，能抗侵蝕、耐磨損以及抗電遷移，此外，該通路及導(dǎo)體線用涂敷在襯底上的介質(zhì)層予以平整化。采用的PVD淀積技術(shù)，按圖2A-E、圖4A-E及圖7A-B描述的工藝過(guò)程，可以創(chuàng)造出多種不同的新穎結(jié)構(gòu)。應(yīng)當(dāng)理解為，這些技術(shù)與所得到的結(jié)構(gòu)不應(yīng)限于使用任何特定的襯底和介質(zhì)蓋層(例如，象圖2A-E與5A-E所示的使用無(wú)機(jī)的與有機(jī)的多層組合，同樣可用無(wú)機(jī)或有機(jī)絕緣材料的單層)。而且，本發(fā)明也不限于任何特殊鐵金屬組合；寧可說(shuō)，本發(fā)明的目的是將能耐磨損、抗侵蝕及抗電遷移的難熔硬金屬蓋在低阻的軟金屬上。本發(fā)明尤其和使用鋁與銅合金的電層系有關(guān)，因?yàn)橐呀?jīng)發(fā)現(xiàn)采用PVD準(zhǔn)直濺射能以可靠的大高寬比填充到亞微米通路和槽中，淀積出均勻共形的難熔金屬襯墊材料涂覆層。該難熔金屬襯墊在后續(xù)的過(guò)程中將用作銅的有效的擴(kuò)散阻擋層。
參見(jiàn)圖2A，首先，將襯底10涂敷一層介質(zhì)，接著把介質(zhì)層刻出圖形。襯底10優(yōu)選的是適于制造集成電路的硅、砷化鎵，或其它材料。然而，該襯底10也可以是常用于封裝半導(dǎo)體，與制造薄膜互連線的陶瓷、玻璃、或復(fù)合材料。該襯底10最好于其中形成了許多半導(dǎo)體器件，可包括場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)、雙極晶體管、電阻，肖特基二極管，或類似器件。應(yīng)該理解，圖3A-B、4A-E、5A-E、7A-B、以及圖8各個(gè)所示的襯底10可以有上面討論過(guò)任何特征，再加上本技術(shù)領(lǐng)域公知的其它的任何特征。
圖2A所示的介質(zhì)復(fù)合層，分別包括頂上和底下的無(wú)機(jī)介質(zhì)層11和13，可以是二氧化硅(SiO2)，氮化硅(Si3N4)，或類似物，該無(wú)機(jī)物層11和13兩者最好用等離子增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積(PECVD)法淀積，在導(dǎo)電的襯底10上，90乇下，首先淀積SiO2，再制備對(duì)可動(dòng)離子擴(kuò)散起阻擋作用的Si3N4(0.075至0.1μm)。一較厚的有機(jī)介質(zhì)層12，諸如聚酰亞胺之類，淀積在無(wú)機(jī)層11和13之間。也可以采用一種無(wú)機(jī)物介質(zhì)，諸如SiO2、PSG或BPSG的，或有機(jī)物介質(zhì)，諸如聚酰亞胺，并且可用眾所周知的許多技術(shù)的任一種，諸如在氮化氣氛中、濺射，或PECVD法生長(zhǎng)一層單層，去替代由層11，12和13所形成的介質(zhì)復(fù)合層。雖然，圖2A-E和5A-E表示應(yīng)用復(fù)合結(jié)構(gòu)，而圖3A-B、4A-E及7A-B表示運(yùn)用單無(wú)機(jī)物的或介質(zhì)層，但應(yīng)理解，該介質(zhì)層不限于本發(fā)明的實(shí)踐，而且在本發(fā)明的實(shí)施中，可以采用所用的任何介質(zhì)(如，無(wú)機(jī)或有機(jī)的)本身或組合。
圖2A示出介質(zhì)復(fù)合層中形成了的開(kāi)口14，這樣的開(kāi)口可以是一通路或?qū)Ь€的槽。VLSI應(yīng)用中，該襯底10或許有如圖2A所示的數(shù)百到幾千個(gè)開(kāi)口14，最后，得到密集復(fù)雜的圖形終歸要在襯底上或之中互連成電路。最好采用增強(qiáng)反差的不刻(CEL)法，隨后用多圓片裝置利用CHF3和O2刻蝕槽或孔，刻蝕以適當(dāng)?shù)倪^(guò)腐蝕為佳，以確保該開(kāi)口14有所要求的尺寸，并延伸到襯底10表面的接觸點(diǎn)作為一通路柱塞的圖形.至于導(dǎo)線圖形，最好將介質(zhì)層局部刻蝕到這樣的深度，要比待采用的金屬厚度大約高10％，刻蝕聚酰亞胺12時(shí)，以低溫下的O2RIE為佳。應(yīng)該知道，如圖2A-E、4A-E、5A-E及7A-B所指的開(kāi)口14成形在本領(lǐng)域內(nèi)都是熟知的，還可以用許多不同的技術(shù)產(chǎn)生。
如圖3A和3B所示，若開(kāi)始襯底10其上有一形成的器件(與圖2A所示的不帶向上凸出的器件的平整的襯底10相反)，制造成開(kāi)口22之前，首先要將涂覆器件18的絕緣物20平整化。平整化可以用RIE、化學(xué)機(jī)械拋光、RIE和化學(xué)機(jī)械拋光的結(jié)合，或其他方法實(shí)現(xiàn)。
圖2B-2E說(shuō)明本發(fā)明的第一種改型，其中平面刻成的結(jié)構(gòu)，可以是圖2A所見(jiàn)的一個(gè)，或是圖3B所見(jiàn)的一個(gè)，或是在涂覆的介質(zhì)上形成了開(kāi)口14的任何其它結(jié)構(gòu)，然后，有一淀積的難熔金屬層15蓋在該無(wú)機(jī)介質(zhì)層13以及在間隙14底部露出的襯底10上。為達(dá)到此目的，最好采用薄膜工藝技術(shù)手冊(cè)(Handbook of Thin FilmTechnology，eds.Maissel和Glen，McGraw-Hill Co，1983，pp1-100)所述的蒸發(fā)PVD技術(shù)。此刻采用蒸發(fā)PVD的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)在于難熔金屬層15不會(huì)覆蓋住介質(zhì)開(kāi)口14的側(cè)壁。應(yīng)該理解，PVD準(zhǔn)直濺、類似于美國(guó)專利4,824,544敘述的方法都能用于本發(fā)明的實(shí)施，但是，與圖2B所示的情況相反，準(zhǔn)直濺射產(chǎn)生共形層會(huì)涂敷開(kāi)口14的側(cè)壁。使用準(zhǔn)直濺射產(chǎn)生難熔襯墊將于下面詳細(xì)討論。難熔金屬可以是鈦(Ti)、鈦合金或復(fù)合物，諸如Ti/TiN、鎢(W)、鈦/鎢(Ti/W)合金、或鉻(Cr)，或鉭(Ta)及其合金，或某些其它合適的材料。要是待形成的為銅基的導(dǎo)線或通路，那末就應(yīng)使用對(duì)銅能起擴(kuò)散阻擋作用的難熔金屬，使得在開(kāi)口14中淀積銅的后續(xù)工藝時(shí)，能防止銅擴(kuò)散到襯底10中。
接著，用蒸發(fā)PVD法在難熔金屬15上面淀積單一的、二元或三元的金屬化層16，再說(shuō)，由于采用蒸發(fā)法，開(kāi)口14的側(cè)壁不會(huì)涂敷上該金屬。但是，應(yīng)該理解，金屬化16層也能用準(zhǔn)直濺射施加上，這種情況下，開(kāi)口14內(nèi)和介質(zhì)疊層的頂上，為共形的金屬化涂層。最好，該金屬化為AlxCuy，這里x與y的和等于1，而x與y兩者都大于或等于0，且小于或等于1；可是，三元合金，如Al-Pd-Cu和多元合金，如Al-Pd-Nb-Au也都是適合的。金屬化層16的本質(zhì)特點(diǎn)在于，與難熔金屬15比較，金屬化層/6為一種低阻率的軟材料。更可取的是，表示導(dǎo)線圖形或?qū)娱g通路圖形的開(kāi)口14要用金屬化層16填充到比導(dǎo)線或通路表面低100至400nm的深度。應(yīng)該明白，圖4A-E、5A-E和7A-B表示的金屬化16層應(yīng)是上述相類的東西。
圖2c表示出一種難熔金屬17，諸如鎢、鈷、鎳、鉬，或合金/化合物，如Ti/TiN被淀積在該結(jié)構(gòu)上。難熔金屬17的淀積可以是一步CVD或兩步工藝過(guò)程，而圖4A-E作出最好的說(shuō)明，其中第一步驟包括準(zhǔn)直濺射或類似工藝淀積一層，增進(jìn)粘合的化合物如鈦或氮化鈦，以形成共形的復(fù)蓋涂膜，而第二步驟包括淀積一鎢的薄CVD層，以達(dá)到高度的共形性。CVD淀積難熔金屬最好用SH4或H2還原WF6來(lái)實(shí)現(xiàn)。尤其好的CVD工藝過(guò)程包括SiH4還原WF6后繼之以H2還原WF6。因?yàn)?，在TiN層的頂上，用SiH4還原WF6的CVD鎢，生長(zhǎng)平整，但用H2還原則不然。難熔金屬17為底下開(kāi)口14中的低電阻率軟金屬化層17提供耐磨損、抗侵蝕，以及抗電遷移的涂層。采用SiH4還原WF6做CVD特別優(yōu)越，SiH4與WF6的比率可以改變，能把不同的硅量混入到鎢中以達(dá)到有益的特性。舉例來(lái)說(shuō)，填充介質(zhì)中的開(kāi)口14時(shí)，以0.5SiH4比WF6的比率淀積難熔金屬17應(yīng)是更可取的，因?yàn)檫@么做會(huì)得到低阻難熔金屬；但是，用于介質(zhì)頂面的淀積，則按2.0SiH4對(duì)WF6的比率，因?yàn)檫@樣得到的會(huì)混入更多的硅使難熔金屬更耐磨損。利用上述的CVD技術(shù)，可用摻硅的鎢作為抗磨損的涂層或拋光阻擋物(例如，化學(xué)-機(jī)械拋光中更能經(jīng)受用硝酸鐵的氧化鋁粉懸浮液)。由于通過(guò)蒸發(fā)施加的金屬化層16不會(huì)覆蓋著開(kāi)口14的側(cè)壁，而CVD施加的難熔金屬17卻產(chǎn)生環(huán)繞金屬化層16的錐狀側(cè)壁，且該金屬化層16完全被密封在難熔金屬17與底下難熔金屬15之中。
圖2D和2E表示CVD施加難熔金屬17產(chǎn)生一種結(jié)構(gòu)后被平整化了的結(jié)構(gòu)，其中的兩部分導(dǎo)電通路或?qū)Ь€包括中心的低阻軟金屬化層16及密封金屬化層16的耐磨損硬難熔金屬17，其頂面與襯底10上介質(zhì)復(fù)合層的頂面一般齊。用懸浮液，諸如稀硝酸鐵的氧化鋁粉液化學(xué)-機(jī)械拋光，或在含SF6或者氯基的化學(xué)物中RIE，可以在一步或兩步工序中完成平整化。如果采用化學(xué)一機(jī)械拋光法，則要選擇能除去該疊層上不同金屬層的懸浮液。舉個(gè)例，用氧化鋁粉的稀硝酸鐵懸浮液能除去銅頂面上的Ti/TiN/W，然后。換用不含氧化鋁粉的懸浮液就能除去留下的銅。
RIE除去難熔金屬層17之后，結(jié)合用化學(xué)-機(jī)械拋光留下物金屬化層16，預(yù)料也能留下無(wú)機(jī)或有機(jī)層13頂面上的難熔金屬17，設(shè)想一種特定的平整化過(guò)程，包括或者用化學(xué)-機(jī)械拋光或者用SF6或Cl2基的化學(xué)物的RIE除去鎢的難熔金屬層17，直至如圖2D所示的Al-Cu合金金屬化層16的表面，然后，利用鎢作掩模，刻蝕Al-Cu CVD層直到無(wú)機(jī)層13的表面，最后，介質(zhì)表面留下的鎢17或經(jīng)拋光、濕法腐蝕或在Cl2中RIE腐蝕，就得到圖2E所見(jiàn)的結(jié)構(gòu)。
圖4A到4E表示出本發(fā)明的另一種改型，與上面相同的類似構(gòu)件在各圖中均標(biāo)以相同的標(biāo)號(hào)。如圖4A所示，銅金屬化層16淀積在襯底上形成的無(wú)機(jī)或有機(jī)介質(zhì)15產(chǎn)生的開(kāi)口14中。圖4A所示結(jié)構(gòu)與圖2B所示結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于，淀積銅金屬化之前，準(zhǔn)直濺射淀積一薄難金屬金屬層24，諸如鈦、氮化鈦(TiN)、鎢、鉭，或合金及其化合物蓋在無(wú)機(jī)或者有機(jī)介質(zhì)15的表面及開(kāi)口14通路的內(nèi)側(cè)。
如上所述，對(duì)準(zhǔn)直濺射，Rossnagel等的美國(guó)專利4,824,544已作概述，其中還討論過(guò)剝離操作過(guò)程。本發(fā)明已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，采用準(zhǔn)直濺射，在高壓下散射占優(yōu)勢(shì)，相反在低壓下定向性淀積占優(yōu)勢(shì)，可容許在大高寬比的亞微米級(jí)槽或通路內(nèi)形成共形涂層(例如，側(cè)壁和底面都被涂敷上)。高寬比，一般是指槽或通路的高度對(duì)溝槽的寬度或通路的直徑之比。對(duì)高寬比大于2的槽或通路，通常認(rèn)為具有大的高寬比。就準(zhǔn)直濺射來(lái)說(shuō)，高于1毫乇(mTorr)氣壓，散射往往占優(yōu)勢(shì)(最好在3毫乇(3mTorr)附近)，而低于1毫乇(1mTorr)，則定向淀積占優(yōu)勢(shì)。結(jié)合圖5A-E和圖6，下面將更詳細(xì)地陳述準(zhǔn)直濺射。
當(dāng)用銅基合金金屬化層16時(shí)，如圖4A所示，用一難熔金屬層24完全覆蓋開(kāi)口14的底面與側(cè)壁就尤其重要，因?yàn)楹罄m(xù)的高溫處理會(huì)使銅擴(kuò)散到襯底10中，如果不設(shè)置擴(kuò)散阻擋層就會(huì)破壞器件。無(wú)論用蒸發(fā)PVD、準(zhǔn)直濺射還是其它技術(shù)都可以淀積銅金屬化層16。當(dāng)要填充的是亞微米大高寬比的孔時(shí)，現(xiàn)有的CVD技術(shù)對(duì)用鋁與銅基合金來(lái)填充這樣的孔已經(jīng)失?。灰虼?，最好的填充方法是通過(guò)PVD技術(shù)。
淀積金屬化層16之后，再把鈦、Ti/TiN，鉭或鉻的薄層26施加在該銅金屬化層16的表面，以增進(jìn)粘結(jié)力。然后，通過(guò)CVD，用SiH4或H2還原WF6淀積難熔金屬，如鎢，產(chǎn)生圖4B所示的結(jié)構(gòu)，正如上面已解釋的，CVD時(shí)可利用改變SiH4與WF6的比，以利于制成較硬，更耐磨損，靠近介質(zhì)15的頂面的含硅鎢層。界面上的薄層26應(yīng)這樣選擇，即不會(huì)浸蝕底下的銅金屬化層16。
圖4c指明，首先經(jīng)拋光或經(jīng)RIE將鎢平整化，而圖4d表明，經(jīng)濕法腐蝕，有選擇地除去銅。如果要形成的是銅或銅合金線，以過(guò)氧化氫((H2O2)和四氧化氫(H2O4)為基的濕法腐蝕液來(lái)平整銅是有利的。室溫下，這類溶液決不會(huì)腐蝕鎢或介質(zhì)，但會(huì)腐蝕掉位于介質(zhì)上的所有的銅，因?yàn)闆](méi)有保護(hù)銅不受濕法腐蝕液腐蝕(例如，在室溫下，H2O2幾乎有無(wú)限的選擇性。圖4e表明，濕法腐蝕后，該鎢17可以用RIE、拋光或其它技術(shù)有選擇地除去。除去難熔金屬17鎢的可取方法，是用氧化鋁粉的硝酸鐵懸浮液之類化學(xué)-機(jī)械拋光介質(zhì)15表面之上的凸出物，因?yàn)殒u是一種很硬的材料，經(jīng)受化學(xué)-機(jī)械拋光時(shí)，不會(huì)受擦傷或侵蝕。上面詳述的決不是三步工序的方法，更可取的是用化學(xué)一機(jī)械拋光一步工序，以除去鎢的難熔金屬17、薄層26的粘結(jié)增進(jìn)層，以及位于絕緣物15表面上的銅金屬化層16。
圖5A至圖5E表示本發(fā)明還有一種改型，其中同樣的標(biāo)號(hào)指同樣的結(jié)構(gòu)。圖5A表明，在用準(zhǔn)直濺射，如Rossnagel等人在J.Vac.Sci.Technol.2，261(mar/Apr.1991)和美國(guó)專利4,824,544合并參照的準(zhǔn)直濺射法，以全部或局部的共形方式金屬化之前，在開(kāi)口14內(nèi)淀積一層難熔金屬襯墊28。準(zhǔn)直濺射時(shí)，在氣壓大于0.5毫乇(mTorr)下，難熔金屬原子穿過(guò)深度對(duì)面積的高寬比大于1的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。表1給出已用于襯墊淀積的條件。
表1準(zhǔn)直淀積襯墊高寬比 復(fù)蓋高差厚度 底部/頂面(％)
側(cè)壁/頂面(％)1∶1 38 601∶2 39 701∶4 42 100非準(zhǔn)直0 10 12在表1所給出的研究中，壓力從0.5毫乇mT變到15毫乇mT，而功率從0.5千瓦變到12千瓦。表1清楚地指出，不用準(zhǔn)直濺射時(shí)的惡劣復(fù)蓋高差厚度比。采用較高的氣壓(如，3毫乇)而準(zhǔn)直器的高寬比至小1∶1用Ti/TiN或Ti/W雙層來(lái)涂敷高寬比大于7至8的通路或接觸孔，所得到的復(fù)蓋高差厚度比，對(duì)底面大于40％，對(duì)側(cè)壁大于30％，對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，這是很大進(jìn)步，因此容許半導(dǎo)體制造者在大高寬比的通路或槽中制備共形層，將增強(qiáng)CVD鎢的粘結(jié)力。并且，正如下面將詳加陳述的，制成的TiN或其它合適材料的共形層將給銅基合金提供一種有效的擴(kuò)散阻擋層。如上所述，為了充份地覆蓋槽或通路的側(cè)壁及底部，應(yīng)采用散射淀積占優(yōu)勢(shì)的氣壓(如，高于1毫乇)，而不應(yīng)采用定向淀積居優(yōu)勢(shì)的低氣壓。
如上所述，圖6呈現(xiàn)的是一幅PVD準(zhǔn)直濺射在通路中產(chǎn)生的一個(gè)難熔金屬襯墊的SEM顯微照片。圖6表明，能夠?qū)崿F(xiàn)通路底部及側(cè)壁的完全覆蓋，用N2等離子，與氬一起在鈦靶下，就地淀積TiN。該襯墊能改善粘結(jié)力及防止CVD鎢對(duì)底下襯底的任何浸蝕。當(dāng)準(zhǔn)直器的高寬比增大時(shí)，襯墊的共形度也增加了。
如把銅導(dǎo)線或通路用之于該結(jié)構(gòu)，就需要堅(jiān)固的襯墊用作擴(kuò)散阻擋層。低壓準(zhǔn)直濺射的難熔金屬襯墊(如，Ta、Ti/TiN，或Ti/W等)會(huì)在介質(zhì)中開(kāi)口14的側(cè)壁上造成一種多孔的結(jié)構(gòu)。為防止這種多孔結(jié)構(gòu)，而在側(cè)壁上制出致密的結(jié)構(gòu)，要采取兩步準(zhǔn)直工序。詳細(xì)說(shuō)，第一步驟，用低于0.8毫乇的氣壓淀積一薄的襯墊層，達(dá)到底高大于60％的覆蓋范圍，而第二步驟，原處不動(dòng)，將氣壓增至3到4毫乇，使用相同的準(zhǔn)直器，在側(cè)壁上得到一種致密的微結(jié)構(gòu)。本發(fā)明之前，沒(méi)有一種方法能夠在很大的高寬比的亞微米孔中，尤其在低溫下，形成一種襯墊。這些結(jié)果，類似于用Ti/W和Ti/TiN雙層襯墊做CVD難熔金屬17或低阻軟金屬的擴(kuò)散阻擋層。
圖5B-E表示出本發(fā)明另一種改型中，實(shí)施類似于圖2B-E和圖4A-E表示的那些工序。與圖4A相似，圖5B示明有一種粘結(jié)增進(jìn)劑層26，諸如Ti、Cr、Ta、Ti/N之類，用PVD蒸發(fā)淀積，蓋在難熔金屬襯底頂上與間隙14的底部。與圖2B相似，圖5B示明，通過(guò)PVD蒸發(fā)技術(shù)將Al-Cu合金或別的金屬化層16淀積到介質(zhì)層表面以下100至400nm的水平位置。圖5C-E分別表示出淀積共形層鎢或其他難熔材料，以覆蓋低阻金屬化層16，通過(guò)RIE或拋光平整化鎢，等等之類，而平整化該結(jié)構(gòu)可用H2O2濕法腐蝕鋁-銅合金之后，接著化學(xué)-機(jī)械拋光鎢的兩步工序如圖4c和4d所示，或者通過(guò)RIE或化學(xué)-機(jī)械拋光的一步工序簡(jiǎn)單地加以平整化。關(guān)于一步工序化學(xué)-機(jī)械拋光，懸浮液可采用與用于拋光鎢相同的懸浮液。類似圖2E所示結(jié)構(gòu)，圖5E所示的結(jié)構(gòu)有密封著低阻金屬化層16的CVD難熔金屬17，還有一錐形的難熔金屬17區(qū)。
圖7A和7B表示本發(fā)明的再一種改型，其中相同的標(biāo)號(hào)相同的構(gòu)件。正如圖7A所示，不論共形的，以難熔金屬為好的襯墊/擴(kuò)散阻擋層28，還是共形的AlxCuy或其它合適的材料的低阻合金或金屬化層16都用PVD準(zhǔn)直濺射淀積在襯底10的無(wú)機(jī)或有機(jī)介質(zhì)的開(kāi)口中，接著，CVD淀積難熔金屬17覆蓋層，諸如鎢、鈦、鉭、之類包覆該結(jié)構(gòu)。圖7B示出經(jīng)RIE，化學(xué)-機(jī)械拋光或其它技術(shù)使之平整化了的結(jié)構(gòu)。將圖7B的結(jié)構(gòu)與圖5E的結(jié)構(gòu)予以對(duì)比，可以看出，通路或?qū)Ь€的形狀是很不同的。雖然，兩種結(jié)構(gòu)都包含一個(gè)由難熔金屬17包覆的低阻金屬層16，但這兩種金屬化很可能適用于不同的環(huán)境。
已經(jīng)用按上面陳述的技術(shù)制造的難熔金屬包覆的導(dǎo)線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)中，該導(dǎo)線長(zhǎng)度從13.45cm變到50cm，芯片面積接近1.6mm2。金屬間距從1μm變到2μm。要填充的孔的高寬比為2至8，而導(dǎo)線為2到4。
表2拋去后，鎢覆蓋的低電阻率金屬導(dǎo)線的電阻a(A)采用蒸發(fā)形成的
a)全部實(shí)驗(yàn)中，導(dǎo)線的長(zhǎng)度從13.5cm變到50cm，芯片面積接近1.6mm2。金屬間距從1μm變到2μm。填充孔的高寬比為2至8，以及對(duì)導(dǎo)線為2至4。
b)蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)中，用準(zhǔn)直濺射淀積Ti/TiN雙層。
c)準(zhǔn)直高寬比為1∶1。
d)濺射的氣壓范圍在0.5至0.8毫乇間。
表2的結(jié)果表明，新技術(shù)加工的成品率很高，并且導(dǎo)線電阻不因有鎢的包覆而變化較大。某些上面的數(shù)據(jù)表明，Al-Cu合金下面有鈦時(shí)，電阻增大了，這是由于界面處形成TiAl3的緣故。還發(fā)現(xiàn)，在鈦與鋁-銅層之間設(shè)置一層鈦合金或化合物(例如，TiN)可以防止形成TiAl3，因而仍能保持電阻較小。表2末尾的項(xiàng)目表明，如果采用非準(zhǔn)直濺射法，即該種濺射應(yīng)在低氣壓(例如，低于1毫乇)下進(jìn)行，也就是定向?yàn)R射占了優(yōu)勢(shì)。
可以預(yù)料，在化學(xué)-機(jī)械拋光之后，對(duì)難熔金屬覆蓋層施行RIE，用H2O2，或H2O4作濕法腐蝕，把該覆蓋層的厚度降至最起碼的層厚限度。一層厚的難熔金屬會(huì)增加不希望有的電容。之所以考慮用后拋光濕法腐蝕或RIE過(guò)程，使半導(dǎo)體設(shè)計(jì)者有可能用厚的難熔金屬及為其底下的低阻Al-Cu導(dǎo)線或通孔在化學(xué)-機(jī)械拋光時(shí)提供最大的保護(hù)，還能隨后除去任何過(guò)剩的難熔金屬，實(shí)現(xiàn)難熔金屬覆蓋很薄的一種結(jié)構(gòu)，舉例說(shuō)，可敷設(shè)一層500-600nm厚的難熔金屬，用雙抵擋拋光損傷，而后，通過(guò)濕法腐蝕或RIE，可以再把難熔金屬層降至50nm的層厚。
圖8顯示出一多層半導(dǎo)體器件的實(shí)例，該器件包括一幾乎與絕緣層頂面齊平的有鎢覆蓋的AlxCuy合金導(dǎo)線的頂面。如上面詳細(xì)陳述的那樣，CVD鎢的通路或槽，最好包含一準(zhǔn)直濺射以增進(jìn)粘結(jié)力的TiN襯墊。在本發(fā)明的實(shí)際范圍內(nèi)，還可制造出許多其它半導(dǎo)體器件。
圖9A和9B是一種半導(dǎo)體器件的剖面SEM顯微照片。圖9A顯示了由SiO2之間和頂部以Al-Cu合金隔開(kāi)，從硅表面向上伸出的SiO2部分。而Al-Cu合金之間及頂上為CVD鎢層。圖9A是表示拋光前，有蓋層導(dǎo)線的一種結(jié)構(gòu)。圖9B則顯示化學(xué)-機(jī)械拋光除去SiO2伸出部分頂面上的鎢與Al-Cu合金后的多層結(jié)構(gòu)剖面的SEM顯微照片。
雖然本發(fā)明是用最佳實(shí)施例來(lái)描述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員均應(yīng)認(rèn)識(shí)到，后附的權(quán)利要求書(shū)的精神與范圍內(nèi)的修改都可實(shí)施本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種器件，包括一襯底；一位于所述襯底上的介質(zhì)層，以及位于所述介質(zhì)層上的一個(gè)窗口內(nèi)的金屬化部分，該金屬化部分從與所述介質(zhì)層朝向所述襯底的表面共平面的表面延伸出來(lái)，所述金屬化部分由位于所述窗口內(nèi)側(cè)表面的難熔金屬或合金襯墊以及位于所述用難熔金屬或合金蓋層覆蓋的所述襯墊上的低電阻率金屬或合金組成，其中，所述襯墊的難熔金屬或合金不同于所述蓋層的難熔金屬或合金。
2.如權(quán)利要求1的器件，其特征在于還包括一層位于至少一部分所述低電阻率金屬或合金和所述難熔金屬或合金之間的導(dǎo)電粘結(jié)層。
3.如權(quán)利要求2的器件，其特征在于所述粘結(jié)層選自包括鈦、鎢和鉻的一組材料。
4.如權(quán)利要求3的器件，其特征在于所述粘結(jié)層為鈦合金、鈦-氮合金、鈦化合物和鈦 氮化合物之一。
5.一種器件，包括一襯底；一位于所述襯底之上的介質(zhì)層，以及位于所述介質(zhì)層上的一個(gè)窗口內(nèi)的金屬化部分，該金屬化部分從與所述介質(zhì)層朝向所述襯底的表面共平面的表面延伸出，所述金屬化部分由位于所述窗口處所述襯底的一內(nèi)側(cè)表面的難熔金屬或合金襯墊以及位于由難熔金屬或合金蓋層覆蓋的所述襯墊上的低電阻率金屬或合金組成，其中，所述襯墊的難熔金屬或合金不同于所述蓋層的難熔金屬或合金。
6.如權(quán)利要求5的器件，其特征在于所述難熔金屬或合金在接近所述金屬化表面部位的摻硅量以截然不同或漸變的方式高于緊靠襯底部分的摻硅量。
全文摘要
一種包括一襯底、一位于所述襯底上的介質(zhì)層以及位于該介質(zhì)層上的一個(gè)窗口內(nèi)的金屬化部分的器件,其中的金屬化部分從與上述介質(zhì)層和襯底的界面共平面的表面延伸出來(lái),由窗口內(nèi)側(cè)表面上的襯墊、襯墊上的低電阻率金屬或合金組成,其上覆蓋有難熔金屬或合金蓋層。
文檔編號(hào)H01L21/318GK1192049SQ9711955
公開(kāi)日1998年9月2日 申請(qǐng)日期1997年9月25日 優(yōu)先權(quán)日1992年2月26日
發(fā)明者雷吉夫·V·喬西, 杰羅姆·J·庫(kù)歐莫, 霍瑪茲雅·M·達(dá)拉爾, 路易斯·L·蘇 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司