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包括通孔的结构及其制造方法

xiaoxiao2020-08-01  2

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专利名称:包括通孔的结构及其制造方法
技术领域
本发明总地涉及集成电路(IC)芯片制造,更特别地,涉及在铜布线和 介电层无衬界面处具有难熔金属环的包括通孔的结构及相关方法。
背景技术
在集成电路芯片制造工业中,电迁移(electromigration, EM )导致的故 障是高级线后端(back end of line)技术的主要关注点。特别地,早期电迁 移导致的故障显著减小产品芯片在操作条件下的预期电流限制。 一种电迁移 导致的故障是"线损耗(line-depletion )"。如图1A-1C所示,线损耗电迁移 包括从向上延伸的通孔10向下流入下面的金属布线12的电流。当电流流动 时,原子移动造成"狭缝空缺(slitvoid)"故障14 (图1C),其例如始于通 孔IO与无衬界面18之间的位点(site) 16 (图IB),无衬界面18在金属线 12与其上的介电层20之间。众所周知,该狭缝空缺会在电路运行期间在电 迁移条件下造成非常早的故障,因为不用多长时间就可形成这样的小空缺。 图IA和IB中的箭头显示了电迁移流的方向(例如电迁移期间的原子流)。 一般地,狭缝空缺故障14 (图1C)在通孔10与金属布线12之间的界面附 近的缺陷位点16 (图IB )开始(或成核),且生长到通孔10的底部22,直 到它延伸在整个界面上且造成电开口 24,如图1C所示。狭缝空缺故障14 出现在有(如图所示)或没有通孔刨槽(via gouging)(即通孔IO延伸到金 属线12中)的结构中。发明内容本发明提供一种结构及相关方法,该结构包括在金属布线和介电层的无 衬界面处的难熔金属环(collar)。在一实施例中, 一结构包括与其上的介 电层具有无衬界面的铜布线;通孔,从该铜布线向上延伸穿过该介电层;以 及难熔金属环,从该通孔的侧面部分沿着该无衬界面延伸。难熔金属环通过 改善通孔周围的界面来防止电迁移造成的狭缝空缺,并防止空缺成核出现在通孔附近。另外,在通孔和介电层无衬界面附近存在空缺时,难熔金属环提 供电冗余。本发明的第一方面提供一种结构,包括与其上的介电层具有无衬界面 的铜布线;通孔,从该铜布线向上延伸穿过该介电层;以及难熔金属环,从 该通孔的侧面部分沿着该无衬界面延伸。本发明的第二方面提供一种方法,包括提供铜布线于第一介电层中; 在该铜布线上形成第二介电层,以在该铜布线和该第二介电层之间形成无衬 界面;形成开口贯穿该第二介电层且到该铜布线中;在该第二介电层下从该开口产生底切(undercut);形成难熔金属环于该底切中;以及用金属填充该 开口以形成通孔。本发明的第三方面提供一种结构,包括与其上的介电层具有无衬界面 的铜布线;通孑L,从该铜布线向上延伸穿过该介电层,该通孑L包括在该铜布 线中的基本截头圓锥形的部分;在该通孔周围的第一衬垫,该第一衬垫包括 难熔金属;以及难熔金属环,从该通孔的侧面部分沿着该无衬界面延伸。本发明的示例性方面用于解决这里描述的问题和/或未论述的其他问题。


本发明的这些和其他特征将从下面结合附图对本发明各方面的详细描 述变得更易于理解,附图示出本发明的各实施例,附图中图1A-1C示出其中电迁移导致故障的常规通孔和金属布线界面; 图2示出根据本发明实施例的结构。 图3-7示出形成图2结构的方法。注意,本发明的附图不是按比例的。该附图仅意在表现本发明的一般方 面,因此不应认为是对本发明的范围的限定。在附图中,类似的附图标记代 表类似的元件。
具体实施方式
图2示出根据本发明实施例的结构100。结构100包括通孔110,其从 金属布线112 (例如铜)向上延伸穿过介电层120。在一实施例中,通孔IIO 包括在金属布线112中的基本截头圆锥形的部分122。但是,本发明的教导 不限于此类通孔。金属布线112位于另一介电层124中,且包括在金属布线112和介电层124之间的衬垫(liner) 126。衬垫126可包括任意现在已知的 或将来开发的金属扩散阻挡材料,例如钽、氮化钽、钛、氮化钛、钨、氮化 钨、钌、氮化钌等。但是需要注意的是,衬垫126仅沿着金属布线112的底 部128和侧面130将金属布线112和介电层124分隔开。因此,金属布线112 包括与其上的介电层120的无衬界面118。介电层120包括与金属布线112形成无衬界面118的阻挡层132、以及 在阻挡层132上的层间电介质134。阻挡层132可包括任意现在已知的或将 来开发的介电阻挡层,诸如碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3Nj、 二氧化硅(Si()2)、 氮或氢掺杂的碳化硅(SiC(N,H))等。层间电介质134可包括任意现在已知 的或将来开发的多孔或非多孔层间电介质材料,诸如硅氧化物,硅氮化物, 氢化碳氧化硅(SiCOH ),倍半硅氧烷(silsesquioxane ),包含硅、碳、氧、 和/或氢原子的碳4参杂氧化物(即有积i硅酸酯),热固性聚芳醚(polyarylene ether ), SiLK (可从Dow Chemical Corporation得到的聚芳醚),JSR (可从 JSR Corporation得到的旋涂含硅碳聚合物材料),其它低介电常数(< 3.9) 材料,或其层。结构100还包括难熔金属环140,其从通孔110的侧面142部分沿着无 衬界面118延伸。另外,第一衬垫144可形成于通孔110周围,第一衬垫144 包括相同的难熔金属。在一实施例中,该难熔金属包括钌,但是,其它难熔 金属诸如钽(Ta)、钛(Ti)、镇(W)、铱(Ir)、铑(Rh)、铀(Pt)等或其 混合物也可被采用。通孔IIO还可包括在通孔周围的第二衬垫146,其中第 二衬垫146包括至少一金属扩散阻挡层150 (即衬垫)和为形成通孔110的 金属158做种的金属籽层152。在一实施例中,金属158包括铜,但是,其 它金属诸如铜合金、铝(Al)、铝合金、银(Ag)等可被采用。金属扩散阻 挡层(或多层)150可包括例如钽/氮化钽、钛/氮化钛、鴒/氮化鴒、钌/氮化 钌等。当金属158是铜时,金属籽层152可包括铜(Cu)或其它合金材料, 例如铜、铜铝合金、以及其它铜合金诸如铜铱、铜镍、和/或铜钌。难熔金属环140和金属布线112界面有一慢电迁移路径,其中电迁移流 (即电迁移期间的原子流)被迫向下至金属布线112中(如箭头所示)而不 是聚集在无衬界面118附近(如图1A-1B所示)。特别地,由于界面处的粘 合相较于金属和电介质基阻挡层132材料间的粘合有很大的提高,因此金属 布线112 (例如铜)和难熔金属环140之间的界面对电迁移导致的空缺形成有很强的抵抗性。因此,在通孔110周围的无衬界面118处的局部电迁移流大大减少。另外,由于难熔金属环140只形成于通孔110周围,而不是直接 在通孔IIO和金属线112接触处的下方,所以通孔接触电阻不受该特征影响。 即使空缺形成于通孔110之下,通孔IIO周围的难熔金属环140也用作冗余 导电路径,因此防止结构100电断开。结构IOO还减少了热循环故障。热循环测试是反映产品经历的温度偏移 的必要的可靠性试验。由于金属和它周围电介质(或多种电介质)之间的热 膨胀不匹配,故障或裂紋会发生在通孔和金属布线界面处,导致电断开。难 熔金属环140 (机械上远强于铜)用作锚(anchor)以防止通孔110在应力 下拉出金属布线112。下面将结合图3-7描述形成结构100 (图2)的方法的实施例。要理解 的是,多种方法可被采用,下面是一个示例。在图3中,使用任意现在已知 的或将来开发的技术将金属布线112设置在介电层124中。例如,将介电层 124沉积在基板(未显示)上,图案化(包括光刻) 一掩膜(未显示),蚀刻 该掩膜,蚀刻一开口,沉积衬垫126,沉积一金属(布线112),以及化学机 械抛光(CMP)。如前所指,衬垫126仅沿着金属布线112的底部128和侧 面130将金属布线112和介电层124分隔开。图3还示出在金属布线112 (和介电层124)上方形成介电层120以形 成金属布线112和介电层124之间的无衬界面118。如前所指,介电层120 可包括与金属布线112形成无衬界面118的介电阻挡层132 (例如氮化硅)、 以及位于介电阻挡层132之上的层间电介质134 (例如SiCOH)。图3还示 出形成穿过介电层134和介电阻挡层132到金属布线112的开口 160。尽管 开口 160示出为使用双镶嵌工艺形成,但是需要理解的是,可以使用单个通 孔开口 (单镶嵌工艺)。如果需要,开口 160还可延伸到金属布线112中。图4示出将开口160延伸到金属布线112中的可选工艺即气体溅射工艺。 在该溅射工艺中使用的气体可包括氩(Ar)、氦(He)、氖(Ne)、氮(Xe)、 氮(N2)、氢(H2)、氨(NH3)、 二氮烯(N2H2)、或其混合物中的一种,优 选地包括氩。基本截头圆锥形的开口 162产生在金属布线112中。图5示出在介电层120下(即在介电阻挡层132下)从开口 160制作底 切164。在一实施例中,制作底切可包括进行各向异性湿法/干法蚀刻。图6示出例如通过原子层沉积(ALD)和/或化学气相沉积(CVD)在底切164(图5)中形成难熔金属环140。如前所指,难熔金属可包括钽(Ta)、 钛(Ti)、鴒(W)、钌(Ru)、铱(Ir)、铑(Rh)和/或铂(Pt)等,或其混 合物。图6还示出在用金属填充开口 160 (图2)之前在开口 160内形成第 一村垫144。在该情况下,第一衬垫144可包括用于难熔金属环140的难熔金属。图7示出在用金属填充开口 160之前在开口 160内形成第二衬垫146。 如前所指,第二衬垫146可包括至少一金属扩散阻挡层150 (即衬垫)和金 属籽层152。如前所指,金属扩散阻挡层(或多层)150可包括例如钽/氮化 钽、钛/氮化钛、钨/氮化钨、钌/氮化钌等。又如前所指,当金属158(图2) 是铜时,金属籽层152可包括例如铜,铜铝合金,以及其它铜合金诸如铜铱、 铜镍、和/或铜钌。回到图2,用金属158例如诸如铜的金属填充开口 160 (图7)以形成通 孔110,以及任何必需的平坦化完成结构100。需要理解的是,本发明的教 导可在IC芯片的层级内重复多次,且可对于IC芯片的不同层级重复多次。上述结构和方法用于集成电路芯片的制造。所得集成电路芯片可由制造 者以原始晶片(rawwafer)形式(即作为具有多个未封装芯片的单个晶片) 作为棵芯片分发,或以封装形式分发。在后一情况中,该芯片安装在单芯片 封装中(诸如塑料载具,用连接到主板(motherboard)或其它更高级别载具 的引线),或安装在多芯片封装中(诸如具有任一表面互联或两表面互连、 或者埋设互连的陶瓷载具)。在任何情况中,芯片又与其它芯片、离散电路 元件、和/或其它信号处理装置集成,作为(a)中间产品诸如主板或(b)最 终产品的一部分。最终产品可以是包括集成电路芯片的任意产品,涵盖从玩 具和其他低端应用到具有显示器、键盘或其它输入设备、以及中央处理器的 高级计算机产品。前面对本发明各方面的描述是用于示例和说明,其无意详尽本发明或将 本发明限制到所公开的精确形式,显然地,许多修改或变型是可行的。这样 的修改和变型,其对本领域技术人员而言是显然的,意在被包括在所附权利 要求定义的本发明的范围内。
权利要求
1.一种结构,包括金属布线,与其上的介电层具有无衬界面;通孔,从该金属布线向上延伸穿过该介电层;以及难熔金属环,从该通孔的侧面部分沿着该无衬界面延伸。
2. 如权利要求1所述的结构,其中该通孔包括在该金属布线中的基本截 头圓锥形的部分。
3. 如权利要求1所述的结构,其中该难熔金属环包括选自由钽(Ta)、 钛(Ti)、鴒(W)、钌(Ru)、 4衣(Ir)、铑(Rh)和柏(Pt)中的至少一种 构成的组的材料。
4. 如权利要求1所述的结构,还包括在该通孔周围的第一衬垫,该第一 衬垫包括该难熔金属。
5. 如权利要求4所述的结构,还包括在该通孔周围形成第二衬垫,该第 二衬垫包括至少一金属扩散阻挡层和金属籽层。
6. 如权利要求5所述的结构,其中该至少一金属扩散阻挡层选自包括 钽、氮化钽、钛、氮化钛、鴒、氮化鴒、钌、以及氮化钌的组。
7. 如权利要求5所述的结构,其中该金属布线包括铜,该金属籽层选自 包括铜、铜铝、铜铱、铜镍、以及铜钌中的至少一种的组。
8. 如权利要求1所述的结构,其中该金属布线位于另一介电层中,且还 包括在该金属布线和该另 一介电层之间的衬垫。
9. 如权利要求1所述的结构,其中该介电层包括与该金属布线形成无衬 界面的阻挡层、以及在该阻挡层上方的层间电介质。
10. —种方法,包括 设置金属布线于第一介电层中;在该金属布线上形成第二介电层以在该金属布线和该第二介电层之间 形成无衬界面;形成穿过该第二介电层且到该金属布线中的开口 ; 在该第二介电层下从该开口制作底切;形成难熔金属环于该底切中;以及用金属填充该开口以形成通孔。
11. 如权利要求IO所述的方法,其中所述设置包括仅沿该金属布线的底 部和侧面设置衬垫于该金属布线和该第一介电层之间。
12. 如权利要求IO所述的方法,其中所述形成开口包括进行镶嵌工艺以在该第 一介电层中形成所述开口 ,且进行气体溅射工艺以将该开口延伸到该 金属布线中。
13. 如权利要求IO所述的方法,其中所述制作底切包括进行各向异性湿 法/干法蚀刻。
14. 如权利要求IO所述的方法,还包括在所述填充之前形成第一衬垫于 该开口中,该第一衬垫包括该难熔金属。
15. 如权利要求14所述的方法,还包括在所述填充之前形成第二衬垫于 该开口中,该第二衬垫包括至少一金属扩散阻挡层和金属籽层。
16. 如权利要求15所述的方法,其中该至少一金属扩散阻挡层选自包括 钽、氮化^旦、钛、氮化钛、鴒、氮化钩、钌、以及氮化钌的组。
17. 如权利要求15所述的方法,其中该金属布线包括铜,该金属籽层选 自包括铜、铜铝、铜铱、铜镍、以及铜钌中的至少一种的组。
18. —种结构,包括铜布线,与其上的介电层具有无衬界面;通孔,从该铜布线向上延伸穿过该介电层,该通孔包括在该铜布线中的 基本截头圓锥形的部分;在该通孔周围的第一衬垫,该第一衬垫包括难熔金属;以及 难熔金属环,从该通孔的侧面部分沿该无衬界面延伸。
19. 如权利要求18所述的结构,其中该难熔金属环包括选自由钽(Ta)、 钛(Ti)、鴒(W)、钌(Ru)、铱(Ir)、铑(Rh)和柏(Pt)中的至少一种 构成的组的材料。
20. 如权利要求18所述的结构,其中该介电层包括与该铜布线形成该无 衬界面的阻挡层、以及在该阻挡层上方的层间电介质。
全文摘要
本发明提供一种结构及相关方法,该结构包括在铜布线和介电层的无衬界面处的难熔金属环。在一实施例中,一结构包括铜布线,与其上的介电层具有无衬界面;通孔,从该铜布线向上延伸穿过该介电层;以及难熔金属环,从该通孔的侧面部分沿该无衬界面延伸。难熔金属环通过改善通孔周围的界面来防止电迁移造成的狭缝空缺,并防止空缺成核出现在通孔附近。另外,在通孔和介电层无衬界面附近存在空缺时,难熔金属环提供电冗余。
文档编号H01L23/522GK101257000SQ200810074179
公开日2008年9月3日 申请日期2008年2月27日 优先权日2007年2月27日
发明者丹尼尔·C·埃德尔斯坦, 杨智超, 王允愈, 王平川, 野上毅 申请人:国际商业机器公司

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