專利名稱：超薄單相金屬導(dǎo)體擴(kuò)散阻擋層的制作方法
本申請(qǐng)與1996年10月30日提交的08/739,765號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)和1998年2月10日提交09/021,262號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)有關(guān)，它們都屬于本發(fā)明的受讓人。
本發(fā)明涉及互連半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，特別涉及利用低溫/低壓化學(xué)汽相淀積技術(shù)形成于這種互連結(jié)構(gòu)的溝槽或通孔中的α相W阻擋層，其中用六羰基鎢W(CO)6作前體或源材料。本發(fā)明的α相W阻擋層超薄(小于15nm)，且基本上不能透過(guò)導(dǎo)電材料，對(duì)介質(zhì)材料和互連結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電材料有良好的粘附性，其保形且連續(xù)地覆蓋大高寬比(深度/寬度大于3∶1)的溝槽。因此，本發(fā)明的α相W阻擋層可用于其中需要這種阻擋層的許多互連結(jié)構(gòu)。包括鑲嵌結(jié)構(gòu)，存儲(chǔ)單元電容器及邏輯、存儲(chǔ)和輸入/輸出應(yīng)用的所有其它布線應(yīng)用，但不僅限于此。本發(fā)明的阻擋層還可用于多晶硅和金屬化層即導(dǎo)電層間的柵堆棧應(yīng)用。
為了制造現(xiàn)有技術(shù)半導(dǎo)體器件的高性能互連結(jié)構(gòu)，必須在具有形成于其中的溝槽或通孔的介質(zhì)材料中掩埋如Cu等導(dǎo)電材料。已知一般有有機(jī)及無(wú)機(jī)介質(zhì)材料用于這種應(yīng)用。有機(jī)介質(zhì)的例子包括聚酰亞胺、paralyne聚合物、硅聚合物即聚硅氧烷、金剛石、類金剛石碳等，但不限于這些，而已知的無(wú)機(jī)介質(zhì)材料有SiO2、Si3N4、氧化硅/氮化硅混合物或交替的氧化物/氮化物層。
盡管該申請(qǐng)的受讓人目前已開(kāi)發(fā)Cu用于半導(dǎo)體的制造中，但其具有一些所不希望的特性。一個(gè)最不希望的特性是在隨后的處理步驟中適度地升高溫度下Cu一般會(huì)擴(kuò)散穿過(guò)介質(zhì)材料。Cu的外擴(kuò)散對(duì)所制造的互連結(jié)構(gòu)有許多不利的影響。例如，Cu的外擴(kuò)散會(huì)引起布線的短路，或會(huì)使MOS器件的性能退化。
為克服這種Cu存在的外擴(kuò)散問(wèn)題，一般在Cu和介質(zhì)材料之間形成阻擋層?，F(xiàn)有技術(shù)中，用于形成阻擋層的材料與介質(zhì)材料不相容，即不能與介質(zhì)材料很好地粘附。所以，要求附加的粘附層，以實(shí)現(xiàn)阻擋層材料與介質(zhì)層的令人滿意的粘附。


圖1示出了含有介質(zhì)、附加的粘附層、阻擋層和Cu的典型現(xiàn)有技術(shù)互連結(jié)構(gòu)。具體說(shuō)，圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)的互連結(jié)構(gòu)包括至少具有一個(gè)形成于其中的溝槽或通孔的介質(zhì)10、粘附層12、阻擋層14和Cu區(qū)16。溝槽或通孔是利用所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員熟知的標(biāo)準(zhǔn)光刻構(gòu)圖技術(shù)形成于介質(zhì)10的表面中的。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，盡管圖1中示出了各層是保形層，但由于用于形成各層的現(xiàn)有處理技術(shù)不能夠提供保形的溝槽覆蓋，所以，實(shí)際上各層是不保形的。
如上所述，只有在阻擋層14與介質(zhì)層10不相容時(shí)才需要粘附層。粘附層的合適材料包括Ti、Cr和其它類似材料。粘附層利用如濺射等標(biāo)準(zhǔn)淀積技術(shù)形成。Cu區(qū)利用鍍敷、化學(xué)汽相淀積、等離子體汽相淀積等所屬領(lǐng)域的公知技術(shù)形成。
圖1所示的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中的阻擋層一般由如Ta等金屬構(gòu)成?，F(xiàn)有阻擋層可利用濺射和其它已知淀積技術(shù)形成。
盡管有許多材料可用作阻擋層14，但現(xiàn)有阻擋層仍不能滿足以下似乎是互連結(jié)構(gòu)制造中必需的所有要求(1)在器件進(jìn)一步的處理所用的條件下，以及工作條件下，阻擋層必須不能透過(guò)Cu；(2)阻擋層必須對(duì)包括互連結(jié)構(gòu)的介質(zhì)具有良好的粘附性，避免使用附加粘附層。
(3)阻擋層必須形成為保形且連續(xù)覆蓋大高寬比的溝槽。所謂的“大高寬比”是指深度與寬度的比大于3∶1。
(4)阻擋層應(yīng)盡可能薄，以便使可填充Cu布線的溝槽的剖面部分最大，從而使布線的導(dǎo)電率最大。
(5)阻擋層應(yīng)在整個(gè)結(jié)構(gòu)中有均勻的厚度，即互連溝槽的覆蓋是保形的。利用結(jié)構(gòu)的最薄區(qū)可以決定阻擋失效，厚度的不均勻會(huì)浪費(fèi)溝槽的截面積。
(6)阻擋層應(yīng)由具有最小可能電阻率的材料構(gòu)成，以便使整個(gè)布線的電阻率最?。患?7)阻擋層應(yīng)耐氧化，以便于用最少的預(yù)處理步驟或工藝用Cu填充其余溝槽空間。
盡管現(xiàn)有技術(shù)的阻擋層滿足上述一項(xiàng)或幾項(xiàng)要求，但已知現(xiàn)有技術(shù)的阻擋層不能滿足以上所有各項(xiàng)。所以，需要開(kāi)發(fā)一種能夠滿足上述每一項(xiàng)的新阻擋層。這種阻擋層將極有利于用Cu或其它導(dǎo)電金屬的所有半導(dǎo)體互連應(yīng)用。
本發(fā)明的目的是提供一種能滿足上述所列1-7條的用于互連溝槽或通孔結(jié)構(gòu)的阻擋層。
本發(fā)明要達(dá)到的一個(gè)具體目的是提供一種阻擋層，其與介質(zhì)材料和導(dǎo)電材料都相容即粘附，從而可以避免對(duì)互連結(jié)構(gòu)中附加粘附層的需要。
本發(fā)明要達(dá)到的第二具體目的是提供一種阻擋層，其超薄(小于15nm)，且能夠保形地覆蓋大高寬比的溝槽或通孔。
通過(guò)利用α-W作阻擋層可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的這些和其它方面及優(yōu)點(diǎn)，其中α-W是利用以六羰基鎢W(CO)6作前體或源材料的低溫/低壓化學(xué)汽相淀積(CVD)工藝形成的。具體說(shuō)，本發(fā)明的阻擋層包括α相W，這是一種單相材料，是利用低溫/低壓CVD工藝由W(CO)6形成的。利用本發(fā)明的方法有會(huì)形成如β-W等的其它相。
本發(fā)明的其它方案涉及在預(yù)先形成于介質(zhì)材料中的溝槽或通孔的側(cè)壁和底部上形成α-W阻擋層的方法。具體說(shuō)，通過(guò)在預(yù)先形成于介質(zhì)材料中的溝槽或通孔的側(cè)壁和底部上淀積15nm厚的α-W保形層，可以形成本發(fā)明的α-W阻擋層，其中所說(shuō)淀積是利用W(CO)6作源材料的化學(xué)汽相淀積(CVD)進(jìn)行的。
本發(fā)明再一方案涉及一種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括具有位于部分所說(shuō)半導(dǎo)體或介質(zhì)材料中上的α-W層的至少一層如多晶硅等半導(dǎo)體或介質(zhì)材料；形成于所說(shuō)α-W層上的導(dǎo)電材料。α-W是在形成α-W阻擋層過(guò)程中利用上述方法形成于所述材料上的。
本發(fā)明再一方案涉及互連結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)含有位于溝槽或通孔結(jié)構(gòu)中的本發(fā)明的α-W阻擋層。具體說(shuō)，本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)包括其中至少具有一個(gè)溝槽或通孔區(qū)的一層或多層介質(zhì)材料；覆蓋至少一個(gè)溝槽或通孔區(qū)的側(cè)壁和底部的α-W阻擋層，其中所說(shuō)α-W阻擋層是厚度小于15nm的連續(xù)單相材料；形成于所說(shuō)至少一個(gè)溝槽或通孔區(qū)中的所說(shuō)α-W阻擋層上的導(dǎo)電材料。還可以在各介質(zhì)中形成從溝槽底部延伸到互連布線溝槽以下的通孔。
本發(fā)明所希望的合適互連結(jié)構(gòu)包括包括平板電容器、冠式電容器、堆疊電容器及其它類似的電容器的存儲(chǔ)單元電容器；包括一對(duì)和單個(gè)的鑲嵌結(jié)構(gòu)；含有多個(gè)通孔和金屬線的多重布線級(jí)；及其它類似互連結(jié)構(gòu)；但不僅限于此。
圖1是現(xiàn)有技術(shù)互連結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖2是含α-W作阻擋層的本發(fā)明溝槽電容器結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖3是含α-W作阻擋層的本發(fā)明雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖4是用于本發(fā)明淀積α-W阻擋層的CVD設(shè)備的示意圖；圖5是含本發(fā)明中形成的α-W阻擋層的SiO2/Si襯底的三角電壓掃描曲線(電容與電壓)。
圖6(a)和(b)是X射線結(jié)晶學(xué)數(shù)據(jù)，(a)是本發(fā)明制備的α-W,(b)是含有α-W和β-W的濺射W。
下面結(jié)合各附圖詳細(xì)地說(shuō)明旨在提供一種包括α-W的阻擋層的本發(fā)明。應(yīng)注意，各附圖中的元件或部件用類似且對(duì)應(yīng)的參考數(shù)字表示。還要強(qiáng)調(diào)的是，盡管本發(fā)明示出了平板電容器和雙鑲嵌互連結(jié)構(gòu)，但其可用于其中用如Cu等導(dǎo)電材料作電極或布線裝置的其它應(yīng)用中。本發(fā)明的α-W阻擋層的另一可能應(yīng)用是其中利用本發(fā)明的方法在多晶硅和外金屬化層之間形成α-W的柵堆棧。
更具體地參見(jiàn)各附圖，并具體見(jiàn)圖2和3，這些圖中示出了兩種可以含有本發(fā)明的阻擋層即利用以W(CO)6作源材料的CVD法形成的α-W連續(xù)層的互連結(jié)構(gòu)。圖2表示平行板電容器，而圖3表示雙鑲嵌互連結(jié)構(gòu)。要強(qiáng)調(diào)的是，盡管本發(fā)明只展示了上述兩種結(jié)構(gòu)，但決不僅限于此。相反，本發(fā)明的α-W阻擋層可用于如Cu等導(dǎo)電金屬填充于介質(zhì)材料的溝槽或通孔中的任何應(yīng)用。還要強(qiáng)調(diào)的是，本發(fā)明的附圖只展示了描述本發(fā)明所必需的層和材料，所屬領(lǐng)域技術(shù)人公知的其它層和材料也可以應(yīng)用于本發(fā)明。
具體說(shuō)，圖2展示了平行板電容器，其包括半導(dǎo)體襯底20、其表面內(nèi)具有開(kāi)口即溝槽或通孔的介質(zhì)22、本發(fā)明所制備的α-W阻擋層24、不選擇的金屬籽晶層26、導(dǎo)電材料28、α-W阻擋層25、介質(zhì)30和電極32。圖2的電容器結(jié)構(gòu)還包括阻擋層36，該層可由用于防止導(dǎo)電材料28和介質(zhì)22接觸的α-W或如氮化硅等其它材料構(gòu)成。在用α-W作阻擋層36時(shí)，采用本發(fā)明的方法。在采用其它阻擋材料時(shí)，在形成阻擋層36時(shí)可采用常規(guī)淀積技術(shù)。
該電容器結(jié)構(gòu)利用所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的常規(guī)處理步驟制備，但α-W阻擋層24和25的淀積例外，它們是利用下述的低溫/低壓CVD工藝形成的。應(yīng)注意，阻擋層36也可利用本發(fā)明的方法形成。由于其它處理步驟是所屬領(lǐng)域公知的，所以這里不再進(jìn)行具體描述。
半導(dǎo)體襯底20可含有合適的擴(kuò)散和隔離區(qū)，以形成掩埋于半導(dǎo)體襯底20中的電子器件。為清楚起見(jiàn)，本發(fā)明的附圖中沒(méi)有展示這些區(qū)及其它區(qū)。本發(fā)明可用任何合適的半導(dǎo)體材料作半導(dǎo)體襯底20。包括硅(Si)、Ge、SiGe、GaAs、InAs、InP、和所有其它Ⅲ/Ⅴ族化合物，但不限于這些。這些半導(dǎo)體材料中，本發(fā)明最優(yōu)選由Si或SiGe構(gòu)成的襯底20。
本發(fā)明所用半導(dǎo)體襯底可以是P型或N型，這取決于所制造的電子器件的類型。
含有形成于其表面中的溝槽區(qū)的介質(zhì)22包括任何有機(jī)和無(wú)機(jī)絕緣材料。可用于本發(fā)明的合適介質(zhì)材料包括SiO2、Si3N4、聚酰亞胺、金剛石、類金剛石碳、硅聚合物、paralyne聚合物和氟化類金剛石碳，但不限于這些。這些介質(zhì)可是摻雜或未摻雜的。摻雜時(shí)，摻雜劑可是碳、氟、磷、硅、Ge或其它類似的摻雜材料。
介質(zhì)22可以包含合適的字線、位線和圖2所示類型的電容器結(jié)構(gòu)中一般具有的其它部件。為清楚起見(jiàn)，本發(fā)明的附圖中未示出這些元件?？梢詤⒖脊餐龑徍凸餐D(zhuǎn)讓的US申請(qǐng)08/636457和08/886459，這兩個(gè)申請(qǐng)分別是Andricacos等人于1996年4月23日申請(qǐng)和Grill等人于1997年5月30日申請(qǐng)的，這里引入這些申請(qǐng)作為參考，以提供電容器結(jié)構(gòu)的具體說(shuō)明及如何制造這些電容器。
如上所述，形成圖2所示的結(jié)構(gòu)的許多處理步驟是已知的。例如，用于形成該結(jié)構(gòu)的常規(guī)技術(shù)包括利用如CVD、旋涂和等離子體汽相淀積等在半導(dǎo)體襯底20上形成介質(zhì)22，然后利用所屬領(lǐng)域公知的標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)在介質(zhì)22上形成溝槽。
接著，利用以下將詳細(xì)介紹的本發(fā)明方法在該結(jié)構(gòu)的溝槽中形成α-W阻擋層24。
圖2的結(jié)構(gòu)還包括不選擇的金屬籽晶層26。金屬籽晶層26的例子和如何形成該層可參見(jiàn)Edelstein等人于1998年4月27日申請(qǐng)的共同待審和共同轉(zhuǎn)讓的代理號(hào)YO996-262，這里引入該文獻(xiàn)作為參考。本發(fā)明所用的金屬籽晶層包括Cu和Al，但不限于這些。在存在籽晶層時(shí)，利用包括濺射、CVD和鍍敷等常規(guī)技術(shù)形成該層。
除可選擇的籽晶層26外，形成由如Cu、Al或Cu或Al的合金等導(dǎo)電材料構(gòu)成的導(dǎo)電區(qū)28，以至少填充溝槽區(qū)的內(nèi)部。導(dǎo)電區(qū)28的優(yōu)選材料是Cu。請(qǐng)參考共同待審和共同轉(zhuǎn)讓的US申請(qǐng)08/768107，該申請(qǐng)是Andricacos等人于1996年12月16日申請(qǐng)的，這里引入作參考，用于說(shuō)明在溝槽區(qū)中形成導(dǎo)電材料的不同方法。圖2中，導(dǎo)電區(qū)28延伸到溝槽外，并構(gòu)圖成所要求的形狀。本發(fā)明的方案中還包括不延伸到溝槽外的平面化的導(dǎo)電區(qū)。可以由α-W構(gòu)成或者也可以不由α-W構(gòu)成的阻擋層36可以防止導(dǎo)電區(qū)28與介質(zhì)22接觸。
圖2的結(jié)構(gòu)還包括利用本發(fā)明的方法形成于導(dǎo)電區(qū)28上的α-W阻擋層25，利用如CVD等常規(guī)淀積技術(shù)形成于阻擋層25上的介質(zhì)30。合適的介質(zhì)材料30包括Si3N4、氮氧化物、如Ta2O5和TiO2等金屬氧化物、(Ba,Sr)TiO3(BST)、(Pb,LaZr)TiO3(PLZT)，但不限于這些。圖2所示的平板電容的最后部件是利用包括鍍敷等常規(guī)淀積技術(shù)形成的電極32。形成電極32所用的材料包括W、Cu、Al、Pd、多晶硅和Pt，但不限于這些。
在說(shuō)明如何形成圖2中的α-W阻擋層24和25之前，應(yīng)注意圖3的互連結(jié)構(gòu)。具體說(shuō)，圖3展示了包括下互連級(jí)40和上互連級(jí)42的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)。每級(jí)包括通孔區(qū)和金屬區(qū)。通孔區(qū)與金屬區(qū)的區(qū)別在于，與金屬區(qū)的開(kāi)口相比，具有較窄的開(kāi)口。下互連級(jí)40包括具有填充有α-W阻擋層24的開(kāi)口或溝槽的介質(zhì)22、可選擇的金屬籽晶層26及導(dǎo)電區(qū)28。下互連級(jí)40的上部是上互連級(jí)42，其包括具有暴露下互連級(jí)40的填充溝槽的溝槽區(qū)的介質(zhì)44。上互連級(jí)42的溝槽區(qū)填充有α-W阻擋層24、可選擇的籽晶層26和導(dǎo)電材料28。每個(gè)互連極之間形成有阻擋層36。在用α-W作阻擋層36時(shí)，可采用本發(fā)明的方法。另外，在采用除α-W外的其它阻擋材料時(shí)，可用常規(guī)淀積方法形成阻擋層。
與圖2所示的電容器結(jié)構(gòu)的情況一樣，除利用以下將介紹的本發(fā)明方法在溝槽側(cè)壁和底部上形成α-W阻擋層外，圖3所示的鑲嵌結(jié)構(gòu)可利用所屬領(lǐng)域公知的標(biāo)準(zhǔn)鑲嵌處理步驟形成。
圖3所示的許多部件與圖2所示的相同，所以關(guān)于這些部件的說(shuō)明這里應(yīng)用于該圖。先前沒(méi)有介紹的部件只有介質(zhì)44，其可以由與介質(zhì)22相同或不同的材料構(gòu)成。
下面具體介紹圖2和3所示的α-W阻擋層及包含溝槽區(qū)或通孔區(qū)和導(dǎo)電區(qū)的其它互連結(jié)構(gòu)的形成方法。請(qǐng)參見(jiàn)于1996年10月30日申請(qǐng)的US申請(qǐng)08/739765和1998年2月10日申請(qǐng)的09/021262，這里引入這些文獻(xiàn)作參考，其中利用以W(CO)6作源材料的CVD淀積形成W柵材料的方法。
具體說(shuō)，使用以W(CO)6作源材料的CVD，在如下限定的足以在介質(zhì)22或44的溝槽內(nèi)形成α-W阻擋層24的溫度和壓力下，在介質(zhì)22和/或44的溝槽內(nèi)形成如層24的α-W阻擋層，以提供連續(xù)覆蓋溝槽側(cè)壁和底部的保形層。應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是，除在導(dǎo)電區(qū)28上形成阻擋層25外，采用相同的條件形成圖2所示的α-W阻擋層25。
參見(jiàn)圖4，該圖展示了可用于本發(fā)明形成α-W阻擋層的CVD設(shè)備。具體說(shuō)，該CVD設(shè)備包括裝載鎖定不銹鋼部分50，該部分包括圖4未示出的石墨樣品固定盒，含有開(kāi)口槽或通孔的互連結(jié)構(gòu)設(shè)置于其中。該CVD設(shè)備還包括室52，其中含有用于在淀積期間加熱樣品的加熱器(未示出)；用于控制淀積前的基本壓力的超高真空泵54；用于控制淀積時(shí)反應(yīng)器壓力的第二超高真空泵56。
源材料58，六羰基鎢W(CO)6從箱64通過(guò)不銹鋼閥60引入到室52，流向裝于CVD設(shè)備中的開(kāi)口槽互連結(jié)構(gòu)。
圖4所示CVD設(shè)備的具體操作包括首先將互連結(jié)構(gòu)放入部分50中，其中系統(tǒng)的基本壓力通過(guò)超高真空泵54降低到要求水平。達(dá)到所要求基本壓力后，用管道62將互連結(jié)構(gòu)推進(jìn)用真空泵56和加熱器控制淀積條件的室52中。通過(guò)閥60從箱64將源材料58引入到室52中，用于淀積工藝。
任何級(jí)別的W(CO)6都可用于本發(fā)明形成α-W阻擋層。如果用低純度的W(CO)6，則可以在將之引入室52前用所屬領(lǐng)域的公知凈化技術(shù)對(duì)其加以提純。
進(jìn)行淀積步驟前，反應(yīng)器的基本壓力抽空到約1×10-8乇或以下。本發(fā)明要求這種基本壓力是為了在淀積前去除可能存在于源材料或系統(tǒng)中的污染物如氧。這些污染物的存在可能會(huì)妨礙純?chǔ)?W的形成。
W(CO)6的CVD在約250℃-約600℃的溫度下進(jìn)行。更優(yōu)選的是在約275℃-約500℃的溫度下進(jìn)行W的CVD淀積。為獲得最佳導(dǎo)電率，在低于450℃的溫度下淀積時(shí)，希望可以在W源材料中加入氫。淀積期間反應(yīng)器的壓力為約1×10-6乇到約3×10-3乇。更優(yōu)選的是W(CO)6的淀積在約1×10-4乇到約2×10-3乇的壓力下進(jìn)行。
CVD工藝進(jìn)行約3分鐘到約4小時(shí)。也可以采用比上述這些特定時(shí)間更長(zhǎng)或更短的淀積時(shí)間。
應(yīng)注意，這些條件足以在互連結(jié)構(gòu)的溝槽內(nèi)形成α-W阻擋層24。同樣的條件還可以在導(dǎo)電區(qū)28上形成α相阻擋層25，如圖2所示。注意這里用術(shù)語(yǔ)“α相”表示具有體心立方(bbc)結(jié)構(gòu)的W，即W原子位于立方陣列的每個(gè)角，并且一個(gè)W原子位于立方陣列的中間的晶體結(jié)構(gòu)。還要強(qiáng)調(diào)的是，這些CVD條件足以形成具有單相的W。這對(duì)于互連結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)是重要的，因?yàn)槎嘞鄷?huì)在阻擋層中形成缺陷，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致防止Cu外擴(kuò)散的阻擋層失效。這種現(xiàn)象會(huì)在熱動(dòng)態(tài)較不穩(wěn)定相(β-W)被加熱轉(zhuǎn)變到更穩(wěn)定相(α-W)時(shí)發(fā)生，同時(shí)比容改變。這種比容的改變會(huì)在材料中產(chǎn)生Cu將沿之行進(jìn)的微龜裂。這種阻擋層失效最終會(huì)導(dǎo)致器件退化或器件失效。
還應(yīng)注意，在上述條件下，包括厚度小于15nm的α-W的保形且連續(xù)的阻擋層提供在溝槽內(nèi)。更具體說(shuō)，上述條件足以形成厚度不大于7.0nm的α-W阻擋層。也可以提供由該淀工藝形成的更小或更大厚度的連續(xù)膜。在給定平坦表面上CVD淀積的α-W的典型器件尺寸的平均厚度偏差不大于5％。
還要注意，本發(fā)明的α-W阻擋層可以滿足本申請(qǐng)背景技術(shù)部分所述的所有要求。因此，提供了不滲透Cu擴(kuò)散、良好地的粘附性及可保形且連續(xù)地覆蓋大高寬比溝槽等此前所述現(xiàn)有技術(shù)的阻擋層不能滿足的大高寬比溝槽等特性。
還應(yīng)理解，利用CVD或?yàn)R射技術(shù)淀積W是所屬領(lǐng)域的公知技術(shù)，其一般用作封裝應(yīng)用的布線方法。在現(xiàn)有的CVD應(yīng)用中，一般用六氟化鎢WF6而不是W(CO)6作源材料。由于需要相對(duì)高的溫度生產(chǎn)純W膜，所以在布線應(yīng)用中幾乎不用羰基鎢。
現(xiàn)有技術(shù)已公開(kāi)了利用WF6CVD技術(shù)形成W層。然而，該工藝本質(zhì)上不同于本發(fā)明，其中不能用WF6在介質(zhì)材料上直接淀積W。相反，必須首先利用化學(xué)激活步驟在介質(zhì)材料上積厚硅層，然后在其穩(wěn)定態(tài)將硅反應(yīng)掉(形成SiF4)留下W。
而且，已確定，甚至是非常厚(250nm)的氧化膜暴露于WF6，無(wú)一例外地會(huì)導(dǎo)致器件失效，即導(dǎo)致氧化物變?yōu)檫^(guò)于易于泄漏其電流。已采用了除CVD外的其它技術(shù)如濺射鎢等，但現(xiàn)有技術(shù)工藝沒(méi)有一個(gè)能夠直接在介質(zhì)材料上淀積α-W，以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。
以下給出展示本發(fā)明范圍的例子。因?yàn)樵摾觾H僅為了展示，所以隱含于其中的本發(fā)明并不限于此。
為例示本發(fā)明的α-W阻擋層的效果進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)。
1·不滲透性的證明根據(jù)上述CVD處理?xiàng)l件，將包括形成于硅表面上的厚300nm的平坦Cu層的襯底暴露于W(CO)6。具體說(shuō)，在約450℃的溫度，約5×10-4乇的淀積壓力下，在CVD設(shè)備中進(jìn)行W淀積。在這些條件下淀積約8分鐘，便足以形成厚約7nm的連續(xù)α-W阻擋層。
用X射線光電發(fā)射譜(XPS)分析該所得結(jié)構(gòu)，以證實(shí)表面上不存在Cu。然后在500℃的真空中退火表面上沒(méi)有Cu的該樣品70小時(shí)。這些試驗(yàn)條件比標(biāo)準(zhǔn)處理?xiàng)l件--450℃下的3小時(shí)--一般足以減少現(xiàn)有阻擋層中的失效所用的條件更嚴(yán)格。退火后，用XPS分析樣品，看是否有Cu通過(guò)α-W阻擋層擴(kuò)散，但是沒(méi)有觀察到。
在另一實(shí)驗(yàn)中，利用上述相同條件，通過(guò)CVD在預(yù)先形成于Si襯底上的SiO2層上淀積α-W。后來(lái)在CVDα-W層的上部淀積Al和Cu點(diǎn)，隨后用作金屬掩模，而兩金屬掩模間的W被離子銑掉(milled away)。
然后對(duì)離子銑過(guò)的樣品在300℃的溫度和2MV/cm的電壓下進(jìn)行偏溫應(yīng)力試驗(yàn)(BTS)5小時(shí)。這些條件一般足以使Cu擴(kuò)散到SiO2介質(zhì)層中。此后，通過(guò)改變電壓和在要求電壓下測(cè)量電容，對(duì)樣品進(jìn)行三角電壓掃描(TVS)。圖5展示出TVS實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。具體說(shuō)，圖5示出了該樣品中存在兩個(gè)峰。確定為這些峰為原本存在于樣品中的鈉峰。沒(méi)有觀察到Al或Cu峰--即表明在一般Cu殘留的負(fù)電壓范圍內(nèi)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)峰--。TVS數(shù)據(jù)表明本發(fā)明的α-W阻擋層的存在防止了Cu擴(kuò)散進(jìn)SiO2介質(zhì)層。
上述兩實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明了CVD淀積的α-W是一堅(jiān)固的擴(kuò)散阻擋層。
Ⅱ·粘附性的證明利用上述CVD方法，在預(yù)先形成于Si襯底上的SiO2層上，按不同厚度(3-100nm)且按由覆蓋式膜和長(zhǎng)布線結(jié)構(gòu)構(gòu)成的結(jié)構(gòu)形成數(shù)個(gè)W樣品。利用所屬領(lǐng)域公知的透明膠帶技術(shù)試驗(yàn)粘附性，這些試驗(yàn)的結(jié)果表明，粘附性一直很好(膠帶試驗(yàn))，在高達(dá)750℃的溫度剝離后仍保持如此。
在比較研究中，利用濺射在預(yù)先形成于Si襯底上的SiO2上淀積W。在與CVD淀積的α-W相同的高溫剝離條件下，含濺射W的布線結(jié)構(gòu)剝離。
Ⅲ·保形覆蓋的證明在目前的實(shí)踐中，只需要覆蓋一般高寬比為3∶1寬約0.3微米的溝槽。為了提供嚴(yán)格的保形覆蓋試驗(yàn)，制造基本寬度只有約0.05微米且高寬比約5∶1的結(jié)構(gòu)。從SEM數(shù)據(jù)可以看出，CVD淀積的α-W生長(zhǎng)的保形性很好，以致于這些結(jié)構(gòu)完全被α-W填充。這代表一個(gè)比僅給側(cè)壁提供覆蓋更難的方案。所以，該方法的保形生長(zhǎng)特性遠(yuǎn)超過(guò)目前實(shí)際需要的保形性。
Ⅳ·根據(jù)本發(fā)明形成的α-W和濺射W之間的結(jié)構(gòu)差異的證明用X射線結(jié)晶學(xué)分析含有在預(yù)先形成于Si襯底上的SiO2層上50nm濺射的W的第一樣品，和含有α-W的第二樣品，所說(shuō)α-W是利用本發(fā)明的低溫/低壓CVD工藝在預(yù)先形成于Si襯底上的SiO2層上形成的。首先，參考圖6(a)，圖6(a)示出了CVD淀積W的X射線數(shù)據(jù)，具體說(shuō)，該圖展示了2θ圖中的單對(duì)稱峰，其特征在于110α-W。關(guān)于濺射W，參考圖6(b)中的X射線數(shù)據(jù)。具體說(shuō)，圖6(b)展示了濺射W含有α-W和β-W，表明該峰是其內(nèi)含有兩對(duì)稱峰的不對(duì)稱峰。這個(gè)數(shù)據(jù)清楚地表明濺射W形成了α相W和β相W。如上所述，不希望在滿足本申請(qǐng)背景技術(shù)部分所述的所有各項(xiàng)要求的所得阻擋層中存在這兩相。
盡管實(shí)際上結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例展示和介紹了本發(fā)明，但應(yīng)理解，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員在形式上和細(xì)節(jié)上可以做出前述和其它改變，而不脫離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)和范圍。
權(quán)利要求
1．一種結(jié)構(gòu)，包括在其一部分上具有α-W層的至少一材料層，和在所說(shuō)α-W層上形成的導(dǎo)電材料。
2．如權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)，還包括所說(shuō)α-W層和所說(shuō)導(dǎo)電材料之間的金屬籽晶層。
3．如權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)，其中所說(shuō)材料是介質(zhì)材料或半導(dǎo)體材料。
4．如權(quán)利要求3的結(jié)構(gòu)，其中所說(shuō)材料是選自聚酰亞胺、paralyne聚合物、硅聚合物、金剛石、類金剛石碳、氟化類金剛石碳、SiO2和Si3N4組中的介質(zhì)材料。
5．如權(quán)利要求4的結(jié)構(gòu)，其中所說(shuō)介質(zhì)材料是SiO2。
6．如權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)，其中所說(shuō)α-W層是單相層。
7．如權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)，其中所說(shuō)α-W層是利用以W(CO)6作源材料的化學(xué)汽相淀積法形成的。
8．如權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)，其中所說(shuō)α-W層的厚度小于15nm。
9．如權(quán)利要求8的結(jié)構(gòu)，其中所說(shuō)α-W層最小厚度不小于7nm。
10．如權(quán)利要求4的結(jié)構(gòu)，其中所說(shuō)介質(zhì)材料是摻雜或未摻雜的。
11．如權(quán)利要求10結(jié)構(gòu)，其中所說(shuō)摻雜劑選自氟、硼、硅、Ge、和磷。
12．如權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)，其中導(dǎo)電材料選自Cu、Al、Cu或Al的合金。
13．如權(quán)利要求12的結(jié)構(gòu)，其中所說(shuō)導(dǎo)電材料是Cu。
14．如權(quán)利要求2的結(jié)構(gòu)，其中所說(shuō)可選的金屬籽晶層基本由Cu或Al組成。
15．如權(quán)利要求3的結(jié)構(gòu)，其中所說(shuō)半導(dǎo)體材料是多晶硅。
16．如權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)，其中所說(shuō)α-W層還包括氫。
17．一種互連結(jié)構(gòu)，至少包括其中至少具有一個(gè)溝槽或通孔區(qū)的一層介質(zhì)材料，其特征在于，所說(shuō)溝槽或通孔區(qū)包括側(cè)壁和底壁；α-W保形阻擋層覆蓋所說(shuō)溝槽或通孔區(qū)的側(cè)壁和底部，導(dǎo)電材料形成于所說(shuō)α-W阻擋層之上。
18．如權(quán)利要求17的互連結(jié)構(gòu)，還包括所說(shuō)α-W阻擋層和所說(shuō)導(dǎo)電材料之間的金屬籽晶層。
19．如權(quán)利要求17的互連結(jié)構(gòu)，其中所說(shuō)介質(zhì)材料是選自電容器、鑲嵌結(jié)構(gòu)及多通孔和布線級(jí)中的一種互連結(jié)構(gòu)的一部分。
20．如權(quán)利要求17的互連結(jié)構(gòu)，其中所說(shuō)α-W阻擋層是單相材料。
21．如權(quán)利要求17的互連結(jié)構(gòu)，其中所說(shuō)α-W阻擋層是利用以W(CO)6作源材料的化學(xué)汽相淀積形成的。
22．如權(quán)利要求17的互連結(jié)構(gòu)，其中所說(shuō)α-W阻擋層的厚度小于15nm。
23．如權(quán)利要求22的互連結(jié)構(gòu)，其中所說(shuō)α-W阻擋層的最小厚度不小于約7nm。
24．如權(quán)利要求17的互連結(jié)構(gòu)，其中所說(shuō)介質(zhì)材料是無(wú)機(jī)或有機(jī)介質(zhì)材料。
25．如權(quán)利要求24的互連結(jié)構(gòu)，其中所說(shuō)介質(zhì)材料選自聚酰亞胺、paralyne聚合物、硅聚合物、金剛石、類金剛石碳、氟化類金剛石碳、SiO2和Si3N組中的介質(zhì)材料。
26．如權(quán)利要求25的互連結(jié)構(gòu)，其中所說(shuō)介質(zhì)材料是SiO2。
27．如權(quán)利要求17的互連結(jié)構(gòu)，其中所說(shuō)介質(zhì)材料是摻雜或未摻雜的。
28．如權(quán)利要求27的互連結(jié)構(gòu)，其中所說(shuō)摻雜劑選自氟、硼、硅、Ge、和磷。
29．如權(quán)利要求17的互連結(jié)構(gòu)，其中所說(shuō)導(dǎo)電材料選自Cu、Al、和Cu或Al的合金。
30．如權(quán)利要求29的互連結(jié)構(gòu)，其中所說(shuō)導(dǎo)電材料是Cu。
31．如權(quán)利要求18的互連結(jié)構(gòu)，其中所說(shuō)可選的金屬籽晶層基本由Cu或Al組成。
32．如權(quán)利要求17的互連結(jié)構(gòu)，其中所說(shuō)α-W阻擋層還包括氫。
33．一種用于互連結(jié)構(gòu)的阻擋層，其特征在于，所說(shuō)阻擋層包括α-W，所說(shuō)α-W僅具有單相。
34．如權(quán)利要求33的阻擋層，其中所說(shuō)α-W的厚度小于15nm。
35．如權(quán)利要求34的阻擋層，其中所說(shuō)α-W的最小厚度不小于約7nm。
36．如權(quán)利要求33的阻擋層，其中所說(shuō)α-W是利用以W(CO)6作為源材料的化學(xué)汽相淀積形成的。
37．如權(quán)利要求33的阻擋層，其中所說(shuō)α-W阻擋層還包括氫。
38．一種在互連結(jié)構(gòu)的溝槽或通孔內(nèi)形成α-W阻擋層的方法，其特征在于，包括在所說(shuō)互連結(jié)構(gòu)的所說(shuō)溝槽區(qū)內(nèi)淀積α-W層，其中所說(shuō)淀積包括利用W(CO)6作源材料的化學(xué)汽相淀積(CVD)。
39．如權(quán)利要求38的方法，其中所說(shuō)α-W是單相材料。
40．如權(quán)利要求39的方法，其中淀積后所說(shuō)α-W層的厚度小于15nm。
41．如權(quán)利要求40的方法，其中淀積后所說(shuō)α-W層的最小厚度不小于約7nm。
42．如權(quán)利要求38的方法，其中所說(shuō)淀積步驟在約250℃-約500℃的溫度下進(jìn)行。
43．如權(quán)利要求42的方法，其中所說(shuō)淀積步驟在約275℃-約600℃下進(jìn)行。
44．如權(quán)利要求38的方法，其中所說(shuō)淀積步驟在約1×10-6-約3×10-3乇的壓力下進(jìn)行。
45．如權(quán)利要求44的方法，其中所說(shuō)淀積步驟在約1×10-4-約2×10-3乇的壓力下進(jìn)行。
46．如權(quán)利要求38的方法，其中所說(shuō)淀積步驟進(jìn)行約3分鐘-約4小時(shí)。
47．如權(quán)利要求38的方法，其中所說(shuō)源材料還包括氫。
48．如權(quán)利要求38的方法，其中在進(jìn)行所說(shuō)淀積步驟前，基本壓力抽空到約1×10-8乇或更低壓力。
49．如權(quán)利要求38的方法，其中所說(shuō)淀積步驟的平均厚度偏差不大于5％。
全文摘要
本發(fā)明旨在提供α－W層,用于如溝槽電容器或鑲嵌布線級(jí)等互連結(jié)構(gòu)中作為擴(kuò)散阻擋層。該α－W層是單相材料,是利以用六羰基鎢W(CO)
文檔編號(hào)H01L21/285GK1233852SQ9910444
公開(kāi)日1999年11月3日 申請(qǐng)日期1999年3月29日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月30日
發(fā)明者S·A·科恩, K·P·羅德貝爾, F·R·麥菲利, J·J·尤卡斯, C·I·諾延, R·羅森伯格 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司