用于金属互连的共形粘附促进衬垫制造技术

介电层（１０）图案化有至少一个线槽和／或至少一个通路腔（１５）。金属氮化物衬垫（２０）形成在图案化介电层（１０）的表面上。金属衬垫（３０）形成在金属氮化物衬垫（２０）的表面上。共形氮化铜层（４０）通过原子层沉积（ＡＬＤ）或化学气相沉积（ＣＶＤ）直接形成在金属衬垫（３０）上。Ｃｕ籽晶层（５０）直接形成在共形铜氮化物层（４０）上。至少一个线槽和／或至少一个通路腔（１５）被电镀材料（６０）填满。共形氮化铜层（４０）与Ｃｕ籽晶层（５０）之间的直接接触提供增强的粘附强度。共形氮化铜层（４０）可被退火以将暴露的外部转变成邻接的Ｃｕ层，该Ｃｕ层可被用以减小Ｃｕ籽晶层（５０）的厚度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种半导体结构，更具体地，涉及一种包括金属共形粘附促进衬垫的 后段(l3aCk-end-Of-line，BE0L)金属互连结构及其制造方法。
技术介绍
金属衬垫被用于后段(back-end-of-line，BE0L)金属互连结构中以在金属填充 结构与包埋该金属填充结构的介电层之间提供粘附强度。金属衬垫和金属填充结构共同构 成载流结构，该载流结构例如可以是金属线、金属通路及其他们的一体形成的组合体。为了 载流结构的可靠操作，金属衬垫与金属填充结构之间的高粘附强度是必要的。金属衬垫与 金属填充结构之间的高粘附强度预防电迁移并提供BEOL金属互连结构的机械稳定性。在大多数情况下，需要退火以增加直接形成在金属衬垫上的金属填充结构的材料 的晶粒尺寸。当粘附强度不够大时，在载流结构进行退火期间空洞(void)可以形成在金属 衬垫与金属填充结构之间的界面处。这样的空洞增加了载流结构的电阻，使电学性能退化。此外，沿着金属衬垫与金属填充结构之间的边界的表面扩散通常是决定载流结构 的总体电迁移性能的主要因素。因此，金属衬垫与金属填充结构之间的粘附强度对于决定 载流结构的电迁移阻抗是关键的。通过提供随着载流结构的使用(即，从其中通过电流) 并随着电迁移的进行而增长的初始空洞，金属衬垫与金属填充结构之间的界面处的任何空 洞会加剧电迁移性能的劣化。参考图1，现有技术的金属互连结构包括图案化的介电层110、金属氮化物衬垫 120、金属衬垫130、Cu籽晶层150以及电镀Cu结构160。图案化的介电层110包括线槽和 位于线槽下面的通路腔。金属氮化物衬垫120、金属衬垫130、Cu籽晶层150以及电镀Cu结 构160填充线槽和通路腔以形成现有技术的载流结构(120、130、150、160)，其为一体形成 的线和通路结构。金属氮化物衬垫120通常通过物理气相沉积(PVD)形成。由于PVD是方向性沉积 技术，其中沉积的材料从溅射靶移动到其上发生沉积的衬底，金属氮化物衬垫120的台阶 覆盖率总是小于1.0，S卩，相比于平坦表面，结构的侧壁上会沉积更少的材料。因此，相比于 通路孔的侧壁，线槽的底表面上会沉积更多的材料。一种增加侧壁覆盖率的方式是沉积和 方向性溅射蚀刻的组合。在此情况下，通过方向性溅射蚀刻，沉积在凹陷的底表面上的金属 材料可以从底表面被重新溅射掉并被重新沉积到围绕该凹陷的底表面的侧壁上。此外，相 比于通路腔的下部分，通路腔的侧壁的上部分上会沉积更多的材料。尽管已知化学气相沉 积(CVD)和原子层沉积(ALD)方法可相对于PVD提供提高的台阶覆盖率，但是在这些膜中 常常发现杂质，杂质将会使作为粘附层以及扩散阻挡层的膜的质量退化。金属衬垫130也通常通过PVD形成。由于以上讨论的沉积工艺的方向属性，金属 衬垫130是非共形的。相比于通路腔的下部分，在通路腔的上部分中更多的材料累积在通 路腔的顶部产生突出物，该突出物阻碍通路腔底部的材料沉积。由于材料将密封顶部，这样 的突出物使后续以导电材料填充通路腔变得困难，这妨碍了通路内侧的进一步沉积。此外，金属氮化物衬垫120和金属衬垫130具有比电镀的Cu结构160更高的电阻率。因此，金 属氮化物衬垫120的厚度以及金属衬垫130的厚度需要被保持得尽可能小。具体地，前段 (front-end-of-line, FE0L)中的半导体器件的缩小需要金属互连结构相应地缩小。金属氮化物衬垫120和金属衬垫130的厚度的缩小可能产生可靠性问题。具体 地，当金属氮化物衬垫120和金属衬垫130的平面厚度约为IOnm或更小时，侧壁上的覆盖 率不会是均勻的或连续的。因此，薄金属衬垫区域133可以形成，特别是在通路腔的侧壁的 底部，在通路腔的侧壁的底部金属衬垫130的厚度比邻近区域更薄。在一些情况下，薄金属 衬垫区域133中可能缺少金属衬垫130的材料。由于Cu籽晶层150通过PVD直接沉积在金属衬垫130上，薄金属衬垫区域133在 Cu籽晶层150与金属衬垫130之间提供较小的粘附。这是因为在薄金属衬垫区域133内， 没有金属衬垫130或者通过金属衬垫130的薄的部分，Cu往往具有对金属氮化物衬垫120 的弱粘附。通路腔和线槽被电镀的Cu结构160填充以形成现有技术的载流结构(120、130、 150、160)。参考图2，由于Cu籽晶层150对金属衬垫130的较薄部分以及对金属氮化物衬垫 120的弱粘附，图1的薄金属衬垫区域133易于形成空腔137。在一种情况下，在电镀了电 镀的Cu结构160之后通常进行的为了增加电镀的Cu材料的晶粒尺寸的退火期间，可能形 成空腔137。薄金属衬垫区域133中Cu籽晶层150与金属衬垫之间的弱粘附促进了 Cu材 料的移动，这导致空腔的形成。即使在退火期间避免空腔的形成，通过使电流从其穿过来使用现有技术的载流结 构(120、130、150、160)也可通过Cu材料的电迁移导致空腔137的形成。Cu材料的较弱粘 附，薄金属衬垫区域133易受电迁移和空洞137的形成的影响。鉴于上述问题，需要提供一种在金属填充结构与图案化的介电层之间提供足够的 粘附强度而不需要增加厚度的金属互连结构。具体地，需要一种包括金属衬垫结构的金属互连结构，该金属衬垫结构在金属衬 垫结构的整个表面上提供足够的粘附强度而不产生弱粘附强度区域。
技术实现思路
本专利技术提供一种包括金属共形粘附促进衬垫的后段金属互连结构及其制造方法， 该金属共形粘附促进衬垫共形地覆盖下面的金属衬垫以在下面的金属衬垫的整个表面上 提供足够高和均勻的粘附强度。在本专利技术中，介电层图案化有至少一个线槽和/或至少一个通路腔。金属氮化 物衬垫形成在图案化介电层的表面上。金属衬垫形成在金属氮化物衬垫的表面上。共形 (conformal)氮化铜层通过原子层沉积(ALD)或化学气相沉积(CVD)直接形成在金属衬垫 上。由于用以形成共形氮化铜层的工艺属性，共形氮化铜层是共形的。Cu籽晶层直接形成 在共形氮化铜层上。至少一个线槽和/或至少一个通路腔被电镀材料填充。共形氮化铜层 与Cu籽晶层之间的直接接触提供增强的粘附强度。共形氮化铜层可以被退火以将暴露的 外部转变成邻接的Cu层，该Cu层可被用以减小Cu籽晶层的厚度。根据本专利技术的一方面，提供一种半导体结构的形成方法，该方法包括在衬底上形成图案化介电层；在图案化介电层的图案化表面上直接形成金属氮化物衬垫；在金属氮化物衬垫上直接形成包括元素金属(elemental metal)或金属间合金 (intermetallic alloy)的金属衬垫；以及通过化学气相沉积(CVD)或原子层沉积(ALD)在金属衬垫上直接形成包括氮化铜 的共形粘附促进衬垫。 在一个实施例中，该方法还包括在共形粘附促进衬垫上直接形成Cu籽晶层。在另一实施例中，该方法还包括在Cu籽晶层上直接电镀Cu材料。在又一实施例中，该方法还包括平坦化电镀Cu材料，其中金属氮化物衬垫的表 面、金属衬垫的表面、共形粘附促进衬垫的表面以及电镀Cu材料的表面基本上是水平且共 平面的。在又另一实施例中，氮化铜具有CuxN的组成，其中χ为约1至约5。在又另一实施例中，该方法还包括在约150°C至约400°C的提高的温度对共形粘 附促进衬垫进本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种半导体结构的形成方法，包括：在衬底上形成图案化介电层（１０）；在所述图案化介电层（１０）的图案化表面上直接形成金属氮化物衬垫（２０）；在所述金属氮化物衬垫（２０）上直接形成包括元素金属或金属间合金的金属衬垫（３０）；以及通过化学气相沉积（ＣＶＤ）或原子层沉积（ＡＬＤ）在所述金属衬垫（３０）上直接形成包括氮化铜的共形粘附促进衬垫（４０）。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑天人，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：US