專利名稱：用于銅互連的氮化鈷層及它們的形成方法
技術領域：
本發明涉及用于微電子的銅互連和沉積含金屬層的方法。
背景技術：
銅替代鋁作為微電子器件例如微處理器和存儲器的布線所選用的材料。一般通過電鍍法將銅置于絕緣體例如二氧化硅的孔洞和溝槽內。然后拋去器件表面的多余銅。用絕緣材料封蓋其中刻蝕有孔洞和溝槽的結構以便開始下一級(level)布線。為了使細銅線經受得住拋磨處理，銅必須強有力地附著于絕緣體。在制造的剩余部分和器件使用中還必須維持附著。在目前使用的技術中，使用濺射氮化鉭(TaN)和鉭金屬(Ta)的雙層結構來提供這種附著。TaN提供了對絕緣體的強有力附著，而Ta強有力地附著至銅的濺射籽晶層，另外的銅電鍍到該層上。Ta還防止氧和水侵蝕銅線。半導體例如硅中存在銅導致了可阻礙半導體中形成的晶體管正常工作的缺陷。銅還提高通過置于銅線之間的絕緣體例如二氧化硅的電流泄露。因此，銅布線的使用需要包圍銅線的有效擴散阻擋層，以保持銅限定在其合適的位置。在目前的技術中，濺射的TaN充當擴散阻擋層。銅還具有沿電子在電路中流動的方向移動的傾向。如果在銅互連中形成足夠大的空隙，則該電遷移過程可導致提高的電阻或甚至開路。大多數這種不希望的移動沿銅的表面發生。可通過用抑制電遷移的材料包圍銅互連來維持長的壽命。鉭金屬(Ta)在目前使用的銅互連的底部和側部起到這種作用。銅布線的頂部(未連接到上級的那些部分)典型地被氮化硅或碳化硅覆蓋，盡管這些材料在降低銅的電遷移方面不如Ta有效。如國際半導體技術藍圖(ITRS)每年所公布的，在將來的微電子器件、工業設計中，需要基于較薄的阻擋層、附著層和籽晶層的較窄布線。ITRS預測，目前使用的濺射Cu/TaN/Ta將不能夠滿足這些預計需要。濺射涂層的不良保形性意味著在接近孔洞和溝槽的頂部需要比必要層更厚，以便在這些結構的下部提供足夠的厚度。在要件(feature)頂部附近產生的“突出物(overhang) ”使得電鍍的銅難以填充孔洞和溝槽而不留下空隙，這提高了電阻并且加劇了電遷移誘發的不穩定性。已建議將鈷(Co)金屬作為互連中Ta附著層的替代。Co膜可為氣相沉積(CVD或ALD)的，比濺射的Ta具有更好的保形性。然而，當將銅氣相沉積到鈷表面上時，銅傾向于聚結成多個分離的核，從而形成具有低電導率的相對粗糙的膜。還建議將釕(Ru)金屬作為互連中Ta附著層的替代。Ru膜可為氣相沉積(CVD或ALD)的，比濺射的Ta具有更好的保形性。當將銅氣相沉積到Ru上時，在合適的條件下制備時銅層可為平滑且高度導電的。然而，Ru是昂貴的金屬，并且對于大規模互連應用Ru不可按足夠的量獲得。另外，Ru不是氧的良好擴散阻擋體。因此，目前的互連技術缺乏其上可以沉積平滑且高度導電的銅層的保形、廉價的附著層和氧擴散阻擋層。
發明內容
公開了這樣的材料和技術，該材料和技術確保銅和周圍材料之間的牢固附著，提供阻擋層以防止銅從布線擴散出以及氧或水擴散到布線內，并且保持銅線不受它們所承載的電流損害。描述了保形、廉價的氮化鈷(CoxN)層，可以將平滑且高度導電的銅層沉積到其上。CoxN的組成典型地為約x=l至約x=10，可例如為約3至6。在一個實施方案中，X為約4，對應于化合物Co4N。不要求X是整數。可以通過包括物理氣相沉積(PVD)和化學氣相沉積(CVD)方法的任何方便的方法沉積CoxN層。可在提供保形涂層的沉積條件下進行CVD。在一個實施方案中，通過CVD由脒基(amidinate)鈷的蒸氣、氮源例如氨和還原性源例如氫氣來沉積CoxN層。任選地，在沉積含鈷層之前可以沉積銅擴散阻擋層例如非晶態TaN、TaC、WN、WC或MoN、或者它們的混合物。可以通過任何方便的方法例如CVD、PVD、化學還原或電化學沉積在CoxN層上沉積銅層。在一個實施方案中，首先通過CVD沉積薄銅層，接著電化學沉積較厚的銅層。在另一個實施方案中，通過首先沉積氧氮化銅層的平滑層、接著將氧氮化銅還原為銅金屬來制備銅層。該金屬層具有低的表面粗糙度并且可具有例如小于5nm或小于Inm的RMS粗糙度。CoxN層的使用提供了平滑的附著層并且提供了用于形成高度導電且強有力附著的銅層的襯底，用以例如制造電子元件、電路、器件和系統。由下文的描述和附圖以及由權利要求書，將清楚本發明的其它特征和優點。在另一方面，可以通過將襯底暴露于包含一種或多種脒基金屬的蒸氣的氣態混合物由化學氣相沉積形成包含金屬的層，所述金屬選自金屬鋰、鈉、鉀、鈹、鈣、鍶、鋇、鈧、釔、鑭和其它鑭系金屬、鈦、錯、鉿、銀、銀、鉭、鑰、鶴、猛、錸、鐵、釕、鈷、錯、鎳、鈕、銀、鋅、鎘、錫、鉛、鋪和秘。在一個或多個實施方案中，氣體混合物包含另外的反應物例如還原劑、或者含氧或含氮氣體。在一個或多個實施方案中，氣體混合物包含脒基鈷和氣態的氮源以及氫還原劑。可獲得氮化鈷層。可使用其它脒基金屬源。在一個或多個實施方案中，氣體混合物包含脒基銅。該氣體混合物可以包含氣態的氧源并且可獲得氧化銅層。可使用其它脒基金屬源。在一個或多個實施方案中，氣體混合物包含脒基銅，并且氣體混合物可以包含氣態的氧源和氣態的氮源。可獲得氧氮化銅層。可使用其它脒基金屬源。在其它實施方案中，在沉積含銅膜期間或之后提供還原性源例如氫來形成銅金屬層。
圖1是根據本發明構建的互連溝槽和過孔的示意性橫截面。圖2是Co4N膜的電子衍射圖案。圖3是包含該圖3的右半部(框圖3)所描繪的CoxN層和Cu層的雙層膜的電子衍射圖案，以及單獨(:00膜(1，圖3的左上象限)和還包含Cu2O層的銅金屬膜(2，圖3的左下象限)的對比電子衍射圖案。
具體實施例方式在圖1中以示意性橫截面示出了包括傳導溝槽100和過孔(孔洞)110的電子器件例如集成電路。可根據本領域公知的方法通過常規光刻并在復合絕緣層30、40、50和60中刻蝕溝槽100和過孔(孔洞)110制得該結構。該結構構建在平坦表面之上，該平坦表面包含絕緣區域10和形成下一較低級布線的導電區域20。封蓋層30 (典型地是氮化硅或碳化硅)位于由絕緣區域10和導電區域20限定的表面上方,接著是絕緣層40、止蝕(etch — stop)層50和另一個絕緣層60。本領域已知的絕緣材料包括二氧化娃、氟化二氧化娃(fluorinated silicon dioxide)和碳氧化娃(silicon oxide carbide),其典型地通過等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)制得。典型的止蝕材料包括PECVD氮化硅、碳化硅和碳氮化硅。然后通過光刻法貫穿絕緣層刻蝕溝槽100和孔洞(過孔)110。一旦形成，用銅填充溝槽和孔洞以形成下一較高級的導電布線。任選地，在氮化鈷或者銅沉積之前可以使器件經受另外的處理步驟。例如，如果一個或多個絕緣層40、60含有孔隙，則通過Electrochemical and Solid StateLetters, volume7，G306-G-308頁(2004)中描述的方法將這些孔隙的開口密封，該文獻通過引用以其全文并入本文。在一個實施方案中，首先將層表面暴露于與絕緣表面選擇性地相互作用的催化劑，以在至少部分絕緣表面上形成催化表面。示例性的催化劑是金屬或準金屬化合物，包括金屬或準金屬的氨基化物(amide)、脒基化物、烷基化物、醇化物和鹵化物。所述金屬或準金屬可以是鋁、硼、鎂、鈧、鑭、釔、鈦、鋯或鉿。對金屬或準金屬化合物的暴露時間和/或反應性進行選擇使得在暴露時間期間介電體內部較深的孔隙不暴露于它和/或不與它反應。接下來將該表面暴露于一種或多種娃燒醇化合物，優選在高于室溫的溫度下進行，從而僅在襯底的催化表面上形成氧化硅層。本文中使用的“硅烷醇”是指具有鍵合至一個或多個羥基(OH)的硅原子的一類化合物；硅烷醇包括烷氧基硅烷醇、烷氧基烷基硅烷醇和烷氧基硅烷二醇以及它們的取代衍生物。在表面上的酸位點催化硅烷醇聚合成氧化硅層，該層沉積到絕緣材料的暴露表面上。當暴露的絕緣材料包括孔隙內部或周圍的表面時，氧化硅在外部孔隙上方橋接并將其密封。這種封孔處理產生平滑和潔凈的氧化硅層，可將抵抗銅擴散的阻擋層沉積到該氧化硅層上。擴散阻擋層70可以包括非晶態材料例如氮化鉭(TaNy)、氮化鎢(WNy)、碳化鉭、碳化鎢(WCy)或氮化鑰(MoN)的薄層。典型地，y是約I。擴散阻擋層的一個非限制性目的是防止使用期間銅從結構脫離(escape)。擴散阻擋層的另一個非限制性目的是促進隨后沉積的CoxN層與下方的絕緣體之間的附著。可以通過任何有效的方法例如濺射或CVD來沉積擴散阻擋層。CVD可以是優選的方法，這是因為CVD擴散阻擋層的較好保形性。舉例如下，在襯底的加熱的表面上使雙(烷基-亞氨基)雙(二烷基氨基)鎢(VI)的蒸氣與氨氣NH3反應以形成氮化鎢涂層。在一些實施方案中，可以在可包含孔洞或溝槽的襯底上以形成膜的方式進行反應。鎢化合物可以具有通式1，其中Rn表示烷基、氟烷基、或者用優選地經過選擇以提高化合物揮發性的其它原子或基團取代的烷基，其中!^是! 1至R6之任一。Rn可以彼此相同或不同。
權利要求
1.在襯底上形成的集成電路互連結構，該互連結構包含: 位于限定互連結構的襯底表面上的保形的多晶態Co4N層；和 位于所述多晶態Co4N層上方的含銅導電層。
2.權利要求1的結構，其還包含在所述多晶態Co4N層和襯底之間的擴散阻擋層。
3.權利要求2的結構，其中所述擴散阻擋層選自氮化鉭、碳化鉭、氮化鎢、碳化鎢及其混合物。
4.根據權利要求1的互連結構，其中所述多晶態Co4N層是化學氣相沉積的層。
5.根據權利要求2的互連結構，其中所述擴散阻擋層是化學氣相沉積的層。
6.根據權利要求1的互連結構，其中所述含銅導電層的至少一部分是化學氣相沉積的層。
7.根據權利要求1的互連結構，其中所述含銅導電層的至少一部分是電化學沉積的層。
全文摘要
本發明涉及用于銅互連的氮化鈷層及它們的形成方法。提供了用于集成電路的互連結構，其包括有助于銅線的成核、生長和附著的氮化鈷層。可將氮化鈷沉積在難熔金屬氮化物或碳化物例如氮化鎢或氮化鉭的層上，所述層充當銅的擴散阻擋層并且還提高氮化鈷和下方的絕緣體之間的附著。可以由新型脒基鈷前體通過化學氣相沉積形成氮化鈷。沉積在氮化鈷上的銅層顯示出高的電導率并且可充當微電子用銅導體的電化學沉積的籽晶層。
文檔編號C23C16/455GK103151335SQ20131005756
公開日2013年6月12日 申請日期2008年4月9日 優先權日2007年4月9日
發明者R·G·高登, H·伯罕達里, 金勛 申請人:哈佛學院院長等