用pvd和cvd法形成難熔金屬覆蓋的低阻金屬導體線與通路的制作方法

專利名稱：用pvd和cvd法形成難熔金屬覆蓋的低阻金屬導體線與通路的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及電的導體線與通路的制法，以連接襯底，諸如半導體上的電路與相應的封裝件，尤其還涉及采用物理汽相淀積(PVD)法淀積低阻金屬和化學汽相淀積(CVD)法淀積難熔金屬的組合來填充襯底上的縫或孔的一種低成本的方法。本發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體制作的細線互連。細線互連金屬的曲型例子，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。如今要強調的是隨超大規模集成(VLSI)電路制作的線條寬度的尺寸按比例縮小，已經帶來包括不適當的絕緣、電遷移及平面化方向的可靠性問題。
IBM技術公開公報Ahn等人((Vol、33，No.5，Oct，1990，pp.217-218)披露了用WF6和SiH4的含氫混合物選擇性淀積制造包覆以鎢的銅導體與通孔。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，因而增強光刻設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是富硅(如，3—4％)，而且對銅不會是一種良好的擴散阻檔層，因為形成銅的硅化物將會惡化銅的電阻率。因此，在低溫下用選擇法難以淀積一層擴散阻檔層。況且，Ahn等人的技術依賴于環形在導線底部的形成，而通常這是由釋放的濕氣與WF6反應產生的，還認為環形的出現的不會是可靠的。
Dalton等人(VMIC Conference，June12—13，1990，pp.289—292)指出，含SiH4與H2還原WF6的一種熱壁CVD反應，在鋁或合金導體上形成選擇的鎢層，其結果在鋁與鎢和界面含有氟團，該氟團是WF6與鋁的一種副產物，如反應式1所示氟化鋁薄層會增加金屬1到金屬2通路的串聯接觸電阻。Dalton報告說，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題。
Dalton披露一種形成互連線的傳統方案，這里，首先在一平整的表面上淀積鋁，濺射一層TiW以覆蓋其上(只是與傳統不同的過程)，然后，用光刻膠成象和顯影，接著通過反應離子刻蝕(RIE)把該鋁層刻成圖案。再將所得到的結構覆蓋一層純化介質，如SiO2或聚酰亞胺，隨后本身也經RIE刻成圖案并且金屬化，實現一種多層結構。

圖1引自Dalton報告，并示出通過傳統工藝方式生產的多層器件，在金屬導線的局部的介質層中有縫，而且頂面很不平整。
采用RIE法很難實現介質的平整化。平整度部分取決于圖形的密度，以及由后繼金屬化時涂覆問題形成的不平表面，如果將RIE技術用于聚酰亞胺，當刻蝕導線到聚酰亞胺表面時，因除去光刻膠的過程也會除去聚酰亞胺，所以，需要為以鋁或銅為基的導線的頂面上除去光刻膠而設置一刻蝕阻擋層。任何含銅量高的，鋁或銅的合金的RIE都極為困難。傳統工藝方法的嚴重缺點，包括金屬的RIE，由于粒子的缺陷隨著幾何尺寸的微細化大量的金屬短路勢必增多。
Brown等人的美國專利4,824,802披露一種多層VLSI金屬化結構的層間介質通路或接觸孔的填充方法。詳細地說，一種過渡金屬，諸如鎢或鉬，通過CVD法或是選擇地淀積在絕緣層的開孔中，或是非選性地淀積在絕緣層的整個表面及開孔中，然后，將平整化保護層，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渡金屬的頂面上。通過刻蝕直至帶保護層的過渡金屬被整平的位置，從而得到平整了的結構。Brown同等人的方法避免不了侵蝕金屬及與刻蝕有關的其它問題，還不能用于平整化Al-Cn或別的軟合金材料，因它們的性質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線。
Beyer等人的美國專利4,944,836披露一種可用在襯底上產生共平面的金屬/絕緣物膜的化學—機械拋光技術。尤其是，Beyer等人預料，可將底下的絕緣層刻出圖形、淀積Al—Cu膜，然后采用化學—機械拋光技術，在這里用稀硝酸氧化鋁粉懸浮液來機械研磨表面，除去Al—Cu。以該拋光混合物除去Al—Cu，勢必應比除去底下絕緣物有更高的速度。這樣所得的結構就包含有由絕緣層平整化了的Al—Cu導線，而且為制造多層結構就方便地添加后續的多層。
Cote等人的美國專利US—4,956,313披露了一種通路填充與平整化技術，其中Al—Cu合金導線成圖在襯底的第一純化層的頂面上。這些導線又涂敷上第二純化層，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合金導線各外形適配，然后在第二純化層上開出通路以露出導線，再用CVD法將鎢加到第二純化層的表面及通路中，Cote等人的報告指出，CVD鎢適合于共形，又能填充通路而不會產生空隙。而后，該結構經磨料懸浮液拋光平整化。
無論Beyer等人還是Cote等人都認為對低電阻率、軟金屬，如Al—Cu合金等予以拋光是不實際的。這是因為在懸浮液的作用下，這些材料勢必表面受擦傷、被沾污及侵蝕。況且，按照Cote等人產生的平整化結構需用多道工藝步驟，會增加成本降低生產率。
Rossnagel等人在J.Vac.Sci.Technol.2261(Mar/Apr.1991))披露了一種用以淀積薄膜的準直磁控濺射淀積技術，該技術與剝離刻制圖形技術和孔的填充是兼容的。該技術也出現在美國專利4,824,544中，于此可參照結合。
Shiozaki等人在固態器件與材料的第19屆會議文摘(Ab-stracts of The 19th Conference on solid state Devices and Materi-als)披露采用選擇的鎢淀積技術，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關。
因此，本發明的一個目的是提供一種在襯底上按亞微米級形成低成本、無侵蝕、耐磨損、抗電遷移的電導體的互連電路，有高工藝成品率的方法。
本發明的另一目的是提供一種廉價地形成密封的微細導電線的技術，尤其可應用于亞微米電路的制造，而不必將導線暴露于RIE之下。
本發明的再一個目的是提供一種耐磨損，有堅固蓋層能減小電遷移的低阻導線或通路。
本發明的又一個目的是提供用CVD難熔金屬密封的由PVD低電阻率形成的極好互連線。
本發明的還一個目的是提供一種增進大的高寬比通路或互連線的CVD鎢的粘結的方法，包括在CVD鎢之前提供由難熔金屬，或合金或其組合物形成的通路中的襯墊或互連線。
根據本發明，提供了一種簡單而低費用可行的技術，所得的電導體無侵蝕，具有耐磨損與抗電遷移，還證實工藝成品率高。最重量要的是，這種技術，因首先淀積只在平表面上進行，而完全避免了麻煩的介質平整化工序。本技術采用普通一組或單圓片的PVD工藝過程，諸如蒸發、濺射或準直濺射，接著用共形淀積難熔金屬。
上述的及其它目的，各種情況及優點參照附圖從下面的本發明優選的實施例的詳細描述中，將能得到更好的理解，其中圖1是表示頂同不平的現有技術半導體襯底的剖面側視圖；圖2A到2E是說明本發明一種改變的半導體襯底的連續剖面側視圖；圖3A至3B是有器件的襯底的連續側視剖面圖，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是說明本發明的另一種改型的半導體襯底的連續剖面側視圖；圖5A至5E是說明本發明還有一種改型的半導體襯底的連續剖面側視圖；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是說明本發明的再一種改型的半導體襯底的連續剖面側視圖；圖8是舉例的，多層鑲嵌結構，其中PVD AlxCuy合金覆蓋著CVD鎢的剖面圖；以及圖9A和9B分別是化學—機械拋光之前與之后具有被鎢覆蓋的Al—Cu合金導線的結構剖面SEM的顯微照片。
本發明一般涉及襯底上形成金屬填充的通路及導體線的方法，而該通路及導體線包括軟的低電阻率的金屬，該軟金屬又覆蓋著相當硬的難熔金屬，能抗侵蝕、耐磨損以及抗電遷移，此外，該通路及導體線用涂敷在襯底上的介質層予以平整化。采用的PVD淀積技術，按圖2A—E、圖4A—E及圖7A—B描述的工藝過程，可以創造出多種不同的新穎結構。應當理解為，這些技術與所得到的結構不應限于使用任何特定的襯底和介質蓋層(例如，象圖2A—E與5A—E所示的使用無機的與有機的多層組合，同樣可用無機或有機絕緣材料的單層)。而且，本發明也不限于任何特殊鐵金屬組合；寧可說，本發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。本發明尤其和使用鋁與銅合金的電層系有關，因為已經發現采用PVD準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的過程中將用作銅的有效的擴散阻擋層。
參見圖2A，首先，將襯底10涂敷一層介質，接著把介質層刻出圖形。襯底10優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體，與制造薄膜互連線的陶瓷、玻璃、或復合材料。該襯底10最好于其中形成了許多半導體器件，可包括場效應晶體管(FET)、雙極晶體管、電阻，肖特基二極管，或類似器件。應該理解，圖3A—B、4A—E、5A—E、7A—B、以及圖8各個所示的襯底10可以有上面討論過任何特征，再加上本技術領域公知的其它的任何特征。
圖2A所示的介質復合層，分別包括頂上和底下的無機介質層11和13，可以是二氧化硅(SiO2)，氮化硅(Si3N4)，或類似物，該無機物層11和13兩者最好用等離子增強化學汽相淀積(PECVD)法淀積，在導電的襯底10上，90乇下，首先淀積SiO2，再制備對可動離子擴散起阻擋作用的Si3N4(0.075至0.1μm)。一較厚的有機介質層12，諸如聚酰亞胺之類，淀積在無機層11和13之間。也可以采用一種無機物介質，諸如SiO2、PSG或BPSG的，或有機物介質，諸如聚酰亞胺，并且可用眾所周知的許多技術的任一種，諸如在氮化氣氛中、濺射，或PECVD法生長一層單層，去替代由層11，12和13所形成的介質復合層。雖然，圖2A—E和5A—E表示應用復合結構，而圖3A—B、4A—E及7A—B表示運用單無機物的或介質層，但應理解，該介質層不限于本發明的實踐，而且在本發明的實施中，可以采用所用的任何介質(如，無機或有機的)本身或組合。
圖2A示出介質復合層中形成了的開口14，這樣的開口可以是一通路或導線的槽。VLSI應用中，該襯底10或許有如圖2A所示的數百到幾千個開口14，最后，得到密集復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，刻蝕以適當的過腐蝕為佳，以確保該開口14有所要求的尺寸，并延伸到襯底10表面的接觸點作為一通路柱塞的圖形。至于導線圖形，最好將介質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，以低溫下的O2RIE為佳。應該知道，如圖2A—E、4A—E、5A—E及7A—B所指的開口14成形在本領域內都是熟知的，還可以用許多不同的技術產生。
如圖3A和3B所示，若開始襯底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、化學機械拋光、RIE和化學機械拋光的結合，或其他方法實現。
圖2B—2E說明本發明的第一種改型，其中平面刻成的結構，可以是圖2A所見的一個，或是圖3B所見的一個，或是在涂覆的介質上形成了開口14的任何其它結構，然后，有一淀積的難熔金屬層15蓋在該無機介質層13以及在間隙14底部露出的襯底10上。為達到此目的，最好采用薄膜工藝技術手冊(Handbook of Thin FilmTechnology，eds.Maissel和Glen，McGraw—Hill Co，1983，pp1—100)所述的蒸發PVD技術。此刻采用蒸發PVD的一個重要優點在于難熔金屬層15不會覆蓋住介質開口14的側壁。應該理解，PVD準直濺、類似于美國專利4,824,544敘述的方法都能用于本發明的實施，但是，與圖2B所示的情況相反，準直濺射產生共形層會涂敷開口14的側壁。使用準直濺射產生難熔襯墊將于下面詳細討論。難熔金屬可以是鈦(Ti)、鈦合金或復合物，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線或通路，那末就應使用對銅能起擴散阻擋作用的難熔金屬，使得在開口14中淀積銅的后續工藝時，能防止銅擴散到襯底10中。
接著，用蒸發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，由于采用蒸發法，開口14的側壁不會涂敷上該金屬。但是，應該理解，金屬化16層也能用準直濺射施加上，這種情況下，開口14內和介質疊層的頂上，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的本質特點在于，與難熔金屬15比較，金屬化層16為一種低阻率的軟材料。更可取的是，表示導線圖形或層間通路圖形的開口14要用金屬化層16填充到比導線或通路表面低100至400nm的深度。應該明白，圖4A—E、5A—E和7A—B表示的金屬化16層應是上述相類的東西。
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被淀積在該結構上。難熔金屬17的淀積可以是一步CVD或兩步工藝過程，而圖4A—E作出最好的說明，其中第一步驟包括準直濺射或類似工藝淀積一層，增進粘合的化合物如鈦或氮化鈦，以形成共形的復蓋涂膜，而第二步驟包括淀積一鎢的薄CVD層，以達到高度的共形性。CVD淀積難熔金屬最好用SH4或H2還原WF6來實現。尤其好的CVD工藝過程包括SiH4還原WF6后繼之以H2還原WF6。因為，在TiN層的頂上，用SiH4還原WF6的CVD鎢，生長平整，但用H2還原則不然。難熔金屬17為底下開口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到有益的特性。舉例來說，填充介質中的開口14時，以0.5SiH4比WF6的比率淀積難熔金屬17應是更可取的，因為這么做會得到低阻難熔金屬；但是，用于介質頂面的淀積，則按2.0SiH4對WF6的比率，因為這樣得到的會混入更多的硅使難熔金屬更耐磨損。利用上述的CVD技術，可用摻硅的鎢作為抗磨損的涂層或拋光阻擋物(例如，化學—機械拋光中更能經受用硝酸鐵的氧化鋁粉懸浮液)。由于通過蒸發施加的金屬化層16不會覆蓋著開口14的側壁，而CVD施加的難熔金屬17卻產生環繞金屬化層16的錐狀側壁，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產生一種結構后被平整化了的結構，其中的兩部分導電通路或導線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上介質復合層的頂面一般齊。用懸浮液，諸如稀硝酸鐵的氧化鋁粉液化學—機械拋光，或在含SF6或者氯基的化學物中RIE，可以在一步或兩步工序中完成平整化。如果采用化學—機械拋光法，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，結合用化學—機械拋光留下物金屬化層16，預料也能留下無機或有機層13頂面上的難熔金屬17，設想一種特定的平整化過程，包括或者用化學—機械拋光或者用SF6或Cl2基的化學物的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層直到無機層13的表面，最后，介質表面留下的鎢17或經拋光、濕法腐蝕或在Cl2中RIE腐蝕，就得到圖2E所見的結構。
圖4A到4E表示出本發明的另一種改型，與上面相同的類似構件在各圖中均標以相同的標號。如圖4A所示，銅金屬化層16淀積在襯底上形成的無機或有機介質15產生的開口14中。圖4A所示結構與圖2B所示結構的主要區別在于，淀積銅金屬化之前，準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機或者有機介質15的表面及開口14通路的內側。
如上所述，對準直濺射，Rossnagel等的美國專利4,824,544已作概述，其中還討論過剝離操作過程。本發明已經發現，采用準直濺射，在高壓下散射占優勢，相反在低壓下定向性淀積占優勢，可容許在大高寬比的亞微米級槽或通路內形成共形涂層(例如，側壁和底面都被涂敷上)。高寬比，一般是指槽或通路的高度對溝槽的寬度或通路的直徑之比。對高寬比大于2的槽或通路，通常認為具有大的高寬比。就準直濺射來說，高于1毫乇(mTorr)氣壓，散射往往占優勢(最好在3毫乇(3mTorr)附近)，而低于1毫乇(1mTorr)，則定向淀積占優勢。結合圖5A—E和圖6，下面將更詳細地陳述準直濺射。
當用銅基合金金屬化層16時，如圖4A所示，用一難熔金屬層24完全覆蓋開口14的底面與側壁就尤其重要，因為后續的高溫處理會使銅擴散到襯底10中，如果不設置擴散阻擋層就會破壞器件。無論用蒸發PVD、準直濺射還是其它技術都可以淀積銅金屬化層16。當要填充的是亞微米大高寬比的孔時，現有的CVD技術對用鋁與銅基合金來填充這樣的孔已經失敗；因此，最好的填充方法是通過PVD技術。
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，以增進粘結力。然后，通過CVD，用SiH4或H2還原WF6淀積難熔金屬，如鎢，產生圖4B所示的結構，正如上面已解釋的，CVD時可利用改變SiH4與WF6的比，以利于制成較硬，更耐磨損，靠近介質15的頂面的含硅鎢層。界面上的薄層26應這樣選擇，即不會浸蝕底下的銅金屬化層16。
圖4c指明，首先經拋光或經RIE將鎢平整化，而圖4d表明，經濕法腐蝕，有選擇地除去銅。如果要形成的是銅或銅合金線，以過氧化氫((H2O2)和四氧化氫(H2O4)為基的濕法腐蝕液來平整銅是有利的。室溫下，這類溶液決不會腐蝕鎢或介質，但會腐蝕掉位于介質上的所有的銅，因為沒有保護銅不受濕法腐蝕液腐蝕(例如，在室溫下，H2O2幾乎有無限的選擇性。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—機械拋光介質15表面之上的凸出物，因為鎢是一種很硬的材料，經受化學—機械拋光時，不會受擦傷或侵蝕。上面詳述的決不是三步工序的方法，更可取的是用化學—機械拋光一步工序，以除去鎢的難熔金屬17、薄層26的粘結增進層，以及位于絕緣物15表面上的銅金屬化層16。
圖5A至圖5E表示本發明還有一種改型，其中同樣的標號指同樣的結構。圖5A表明，在用準直濺射，如Rossnagel等人在J.Vac.Sci.Technol.2，261(mar/Apr.1991)和美國專利4,824,544合并參照的準直濺射法，以全部或局部的共形方式金屬化之前，在開口14內淀積一層難熔金屬襯墊28。準直濺射時，在氣壓大于0.5毫乇(mTorr)下，難熔金屬原子穿過深度對面積的高寬比大于1的蜂窩狀結構。表1給出已用于襯墊淀積的條件。
表1準直淀積襯墊高寬比 復蓋高差厚度 底部/頂面(％)
側壁/頂面(％)1∶1 38 601∶2 39 701∶4 42 100非準直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，不用準直濺射時的惡劣復蓋高差厚度比。采用較高的氣壓(如，3毫乇)而準直器的高寬比至小1∶1用Ti/TiN或Ti/W雙層來涂敷高寬比大于7至8的通路或接觸孔，所得到的復蓋高差厚度比，對底面大于40％，對側壁大于30％，對本技術領域來說，這是很大進步，因此容許半導體制造者在大高寬比的通路或槽中制備共形層，將增強CVD鎢的粘結力。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散阻擋層。如上所述，為了充份地覆蓋槽或通路的側壁及底部，應采用散射淀積占優勢的氣壓(如，高于1毫乇)，而不應采用定向淀積居優勢的低氣壓。
如上所述，圖6呈現的是一幅PVD準直濺射在通路中產生的一個難熔金屬襯墊的SEM顯微照片。圖6表明，能夠實現通路底部及側壁的完全覆蓋，用N2等離子，與氬一起在鈦靶下，就地淀積TiN。該襯墊能改善粘結力及防止CVD鎢對底下襯底的任何浸蝕。當準直器的高寬比增大時，襯墊的共形度也增加了。
如把銅導線或通路用之于該結構，就需要堅固的襯墊用作擴散阻擋層。低壓準直濺射的難熔金屬襯墊(如，Ta、Ti/TiN，或Ti/W等)會在介質中開口14的側壁上造成一種多孔的結構。為防止這種多孔結構，而在側壁上制出致密的結構，要采取兩步準直工序。詳細說，第一步驟，用低于0.8毫乇的氣壓淀積一薄的襯墊層，達到底高大于60％的覆蓋范圍，而第二步驟，原處不動，將氣壓增至3到4毫乇，使用相同的準直器，在側壁上得到一種致密的微結構。本發明之前，沒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或低阻軟金屬的擴散阻擋層。
圖5B—E表示出本發明另一種改型中，實施類似于圖2B—E和圖4A—E表示的那些工序。與圖4A相似，圖5B示明有一種粘結增進劑層26，諸如Ti、Cr、Ta、Ti/N之類，用PVD蒸發淀積，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PVD蒸發技術將Al-Cu合金或別的金屬化層16淀積到介質層表面以下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RIE或拋光平整化鎢，等等之類，而平整化該結構可用H2O2濕法腐蝕鋁—銅合金之后，接著化學—機械拋光鎢的兩步工序如圖4c和4d所示，或者通過RIE或化學—機械拋光的一步工序簡單地加以平整化。關于一步工序化學—機械拋光，懸浮液可采用與用于拋光鎢相同的懸浮液。類似圖2E所示結構，圖5E所示的結構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。
圖7A和7B表示本發明的再一種改型，其中相同的標號相同的構件。正如圖7A所示，不論共形的，以難熔金屬為好的襯墊/擴散阻擋層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準直濺射淀積在襯底10的無機或有機介質的開口中，接著，CVD淀積難熔金屬17覆蓋層，諸如鎢、鈦、鉭、之類包覆該結構。圖7B示出經RIE，化學—機械拋光或其它技術使之平整化了的結構。將圖7B的結構與圖5E的結構予以對比，可以看出，通路或導線的形狀是很不同的。雖然，兩種結構都包含一個由難熔金屬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境。
已經用按上面陳述的技術制造的難熔金屬包覆的導線進行實驗檢測，實驗中，該導線長度從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，而導線為2到4。
表2拋去后，鎢覆蓋的低電阻率金屬導線的電阻a(A)采用蒸發形成的b
a)全部實驗中，導線的長度從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，以及對導線為2至4。
b)蒸發實驗中，用準直濺射淀積Ti/TiN雙層。
c)準直高寬比為1∶1。
d)濺射的氣壓范圍在0.5至0.8毫乇間。
表2的結果表明，新技術加工的成品率很高，并且導線電阻不因有鎢的包覆而變化較大。某些上面的數據表明，Al—Cu合金下面有鈦時，電阻增大了，這是由于界面處形成TiAl3的緣故。還發現，在鈦與鋁—銅層之間設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末尾的項目表明，如果采用非準直濺射法，即該種濺射應在低氣壓(例如，低于1毫乇)下進行，也就是定向濺射占了優勢。
可以預料，在化學—機械拋光之后，對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過程，使半導體設計者有可能用厚的難熔金屬及為其底下的低阻Al—Cu導線或通孔在化學—機械拋光時提供最大的保護，還能隨后除去任何過剩的難熔金屬，實現難熔金屬覆蓋很薄的一種結構，舉例說，可敷設一層500—600nm厚的難熔金屬，用雙抵擋拋光損傷，而后，通過濕法腐蝕或RIE，可以再把難熔金屬層降至50nm的層厚。
圖8顯示出一多層半導體器件的實例，該器件包括一幾乎與絕緣層頂面齊平的有鎢覆蓋的AlxCuy合金導線的頂面。如上面詳細陳述的那樣，CVD鎢的通路或槽，最好包含一準直濺射以增進粘結力的TiN襯墊。在本發明的實際范圍內，還可制造出許多其它半導體器件。
圖9A和9B是一種半導體器件的剖面SEM顯微照片。圖9A顯示了由SiO2之間和頂部以Al—Cu合金隔開，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，有蓋層導線的一種結構。圖9B則顯示化學—機械拋光除去SiO2伸出部分頂面上的鎢與Al—Cu合金后的多層結構剖面的SEM顯微照片。
雖然本發明是用最佳實施例來描述，但本領域的技術人員均應認識到，后附的權利要求書的精神與范圍內的修改都可實施本發明。
權利要求
1.一種器件，包括一襯底；至少一層位于所述襯底上的介質層；以及位于所述至少一層介質層中的一個開口中的金屬化部分；其特征在于所述金屬化部分從與朝向所述襯底的所述至少一層介質層的一個表面相齊平的表面伸出，所述金屬化部分由位于所述開口內側表面的難熔金屬或合金襯墊和位于所述用難熔金屬或合金蓋層覆蓋的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。
2.一種按照權利要求1的器件，其特征在于所述蓋層與所述襯墊的所述難熔金屬選自由鈦、鎢、鉭、鉻及其合金、導電氧化物、氮化物以及硅化物組成的一組材料。
3.一種按照權利要求1的器件，其特征在于所述低電阻率金屬或合金為二元或三元的鋁或銅的合金。
4.一種按照權利要求3的器件，其特征在于所述低電阻率金屬或合金是一種通式為AlxCuy的鋁與銅的合金，其中x與y之和等于1，且x與y兩者都大于或等于0。
5.一種按照權利要求1的器件，其特征在于導電的粘結層位于至少一部分所述低電阻率金屬或合金與所述難熔金屬合金之間。
6.一種按照權利要求5的器件，其特征在于所述粘結層選自包括鈦、鎢、鉻、鉭以及其合金的一組材料。
7.一種按照權利要求6的器件，其特征在于所述粘結層為鈦—鈦氮合金或化合物。
8.一種按照權利要求1的器件，其特征在于所述難熔金屬或合金的摻硅量在接近所述金屬化部分表面的部位比緊靠襯底部位的高。
9.一種按照權利要求1的器件，其特征在于所述金屬化部分完全穿過所述介質層并與所述襯底接觸。
10.一種制造器件的方法，該器件在大高寬比的亞微米孔及引線中具有襯墊，其特征在于下列步驟通過準直器把難熔金屬或合金在發生散射淀積的氣壓下濺射到介質中的大高寬比的亞微米孔或引線中，直至襯墊厚度厚到足以增進接著將要淀積于所述襯墊上的化學汽相淀積金屬的粘結性。
11.一種如權利要求10的方法，其特征在于所述孔或引線的高寬比大于2∶1，所述準直器有大于1∶1的高度比，而且所述氣壓大于1毫乇。
12.一種制造器件的方法，該器件在大高寬比的亞微米孔及引線中具有襯墊，其特征在于包括下列步驟通過準直器把難熔金屬或合金在向所述大高寬比的亞微米孔或引線中定向淀積產生第一層的氣壓下濺射到介質中的大高寬比的亞微米孔或引線；通過準直器把難熔金屬或合金在發生散射淀積的氣壓下濺射到所述介質中的所述大高寬比的亞微米孔或引線中覆蓋在所述第一層上。
13.一種按照權利要求1的方法，其特征在于在兩個濺射步驟中使用同樣的準直器，所述第一濺射步驟在氣壓低于1毫乇下進行，而所述第二濺射步驟在氣壓高于1毫乇下進行。
14.一種按照權利要求12的方法，其特征在于選擇所述第二濺射步驟中濺射的難熔金屬用以阻擋銅及其合金的擴散。
全文摘要
利用難熔金屬覆蓋低電阻率金屬導線或通路是為實際采用化學-機械拋光技術創造條件，因為難熔金屬的堅硬、低磨損性能，在化學-機械拋光過程不會受擦傷、浸蝕或弄臟。采用物理汽相淀積(例如，蒸發或準直濺射)低電阻率金屬或合金之后接著化學汽相淀積(CVD)難熔金屬與隨后的平整化兩者的結合可制出優良的導線和通路。準直濺射可在介質中的開口內產生難熔金屬襯墊，適合于作銅基金屬化以及CVD鎢的擴散阻擋層。
文檔編號H01L23/532GK1120241SQ9411534
公開日1996年4月10日 申請日期1994年9月15日 優先權日1992年2月26日
發明者雷吉夫·V·喬西, 杰羅姆·J·庫歐莫, 霍瑪茲雅·M·達拉爾, 路易斯·L·蘇 申請人:國際商業機器公司