TWI524469B

TWI524469B - 作爲銅接著促進劑及擴散阻障層之自組裝單層的臨場汽相沉積方法

Info

Publication number: TWI524469B
Application number: TW102133599A
Authority: TW
Inventors: 童津泓
Original assignee: 格羅方德半導體公司
Priority date: 2013-09-17
Filing date: 2013-09-17
Publication date: 2016-03-01
Also published as: TW201513267A

Description

作為銅接著促進劑及擴散阻障層之自組裝單層的臨場汽相沉積方法

本發明一般涉及半導體領域，並且更尤指自組裝單層(self-assembled monolayer)臨場(in-situ)汽相沉積的方法。

隨著積體電路裝置尺寸持續縮減以達到較高的操作頻率、較低的功耗、以及整體較高的生產力，製造可靠的互連對於製造及效能兩方面已變得日益困難。

為了製造具有快操作速度的可靠裝置，銅(Cu)因為其相較於鋁具有較低電阻並且較不易產生電子遷移與應力遷移而正成為選用以形成互連線的材料。

然而，Cu有各種缺點。例如，Cu對SiO₂及其它介電材料的黏著強度差。因此，需要可靠的擴散阻障層及接著促進劑以使銅互連可實現。某些目前所使用的介面阻障層材料包括鉭(Ta)、鉭氮化物(TaN)以及鈦(TiN)。這些層在通過習知方法沉積時難以形成為均勻並且連續的層件。這在所要沉積的層件厚度小於10奈米時以及此等層件形成如通孔(via)般呈高深寬比(aspect ratio) (例如，深度比寬度)特徵時尤其真實。已知Cu/覆蓋層介面會促成電子遷移(EM)故障，因此優化Cu/覆蓋介面(cap interface)對於EM可靠度效能具有關鍵性。因此，期望具有用於形成銅接著促進劑及擴散阻障層的改良型方法。

一般而言，本發明的具體實施例提供用於自組裝單層臨場汽相沉積作為銅接著促進劑及擴散阻障層的方法。銅區域在介電層中形成。由自組裝單層製成的擴散阻障層沉積在銅區域上方。覆蓋層沉積在自組裝單層上方。在某些具體實施例中，覆蓋層及自組裝單層在相同的處理室中沉積。本發明的具體實施例相較於先前技術的阻障層材料可提供如製造程序期間降低不希望有的銅區域氧化風險、減少材料浪費、以及改善銅區域與覆蓋層之間阻障層的黏著性及有效性等優點。

本發明的一個態樣包括形成半導體結構的方法。本方法包括在介電層中形成通孔；在通孔中形成第一阻障層；在通孔中形成銅區域；在銅區域上方沉積第二阻障層；以及在第二阻障層上方沉積覆蓋層。沉積第二阻障層包括在化學汽相沉積工具室中沉積自組裝單層。

本發明的另一個態樣包括形成半導體結構的方法。本方法包括在介電層中形成通孔；在通孔中形成第一阻障層；在通孔中形成銅區域；在銅區域上方沉積第二阻障層；以及在第二阻障層上方沉積覆蓋層。沉積第二阻障層包括在原子層沉積工具室中沉積自組裝單層。

本發明的另一態樣包括形成半導體結構的方法。本方法包括在介電層中形成通孔；在通孔中形成第一阻障層；在通孔中形成銅區域；在銅區域上方沉積第二阻障層；以及在第二阻障層上方沉積覆蓋層。沉積第二阻障層包括在等離子增強型化學汽相沉積工具室中沉積自組裝單層。

100‧‧‧半導體結構

102‧‧‧介電層

104‧‧‧通孔

106‧‧‧第一阻障層

108‧‧‧銅區域

110‧‧‧第二阻障層、SAM層

112‧‧‧覆蓋層

200、300、400、500、600‧‧‧半導體結構

700‧‧‧流程圖

750、752、754、756、758‧‧‧程序步驟

800‧‧‧沉積工具

870‧‧‧處理室

872‧‧‧晶圓

874‧‧‧基座

876‧‧‧入氣口

878‧‧‧調節閥

搭配附圖經由下文本發明各種態樣的詳述將得以更輕易地理解本發明的這些及其它特徵，其中：第1圖表示本發明一具體實施例於起始點(starting point)的半導體結構；第2圖根據描述性具體實施例表示形成通孔的後續處理步驟後的半導體結構；第3圖根據描述性具體實施例表示形成第一阻障層的後續處理步驟後的半導體結構；第4圖根據描述性具體實施例表示形成銅區域的後續處理步驟後的半導體結構；第5圖根據描述性具體實施例表示形成第二阻障層的後續處理步驟後的半導體結構；第6圖根據描述性具體實施例表示形成覆蓋層的後續處理步驟後的半導體結構；第7圖根據描述性具體實施例表示流程圖；以及第8圖表示用於實施描述性具體實施例的沉積工具的一部分。

圖式未必依照比例。圖式僅用於表述，用意不在於描繪本發明的特定參數。圖式的用意在於僅描繪本發明的一般具體實施例，並且因而不應該視為範疇內的限制。在圖式中，相同的元件符號代表相稱的元件。

現在將參照附圖在本文更完整地說明示例性具體實施例，其中所表示的是示例性具體實施例。本發明的示例性具體實施例提供使用臨場汽相沉積技術用於沉積自組裝單層(SAM)薄膜(film)的方法。在某些具體實施例中，於銅區域上方形成SAM薄膜，並且依次在相同的處理室中於SAM薄膜上方形成覆蓋層。這降低在製造程序期間不想要的銅氧化的風險。此外，強介面鍵結(interfacial bonding)可固化Cu，並且減少Cu植入ILD介面的Cu離子，從而降低時間相依性介電質崩潰(TDDB)的風險。

將瞭解本揭示可用許多不同形式體現並且不應該推斷為受限於本文所提的示例性具體實施例。反而，這些具體實施例經提供以至於本揭示將透徹並且完整，並且將傳達本發明的範疇予所屬領域的技術人員。本文所用術語的目的僅在於說明特殊具體實施例並且意圖不在於限制本揭示。例如，如本文中所用，單數形式「一」、「一種」、「一個」、以及「該」的用意在於同時包括複數形式，上下文另有所指除外。還有，「一」、「一種」、「一個」等用字未指示數量限制，而是指示存在至少一所引用的項目。將進一步理解的是，用字「包含有」及/或「包含」、或、「包括」及/或「包括有」在用於本說明書時指定所述特徵、區域、完整物(integer)、步驟、操作、元件、及/或元件的存在性，而非排除一或多個其他其特徵、區域、完整物、步驟、操作、元件、元件、及/或群組的存在或增加。

本說明書全篇對於「一具體實施例」、「一個具體實施例」、「具體實施例」、「示例性具體實施例」、或類似用語意指結合具體實施例所述的特殊特徵、結構、或特性含括在本發明的至少一具體實施例中。因此，本說明書全篇的用詞表現「在一具體實施例中」、「在一個具體實施例」、「在具體實施例」以及類似用語可，但不一定要，全部意指相同的具體實施例。

用字「上覆」或「在頂上」、「置於…上」或「上置於」、「下伏」、「在下方」或「之下」意指如第一結構，例如第一層，的第一元件出現在如第二結構，例如第二層，的第二元件上，其中，如介面結構，例如介面層，的仲介元件(intervening element)可出現在第一元件與第二元件之間。

請再參閱圖示，第1圖表示本發明一具體實施例於起始點的半導體結構100。半導體結構100包括介電層102。介電層102可為層間介電層(interlevel dielectric layer，ILD)。ILD可包含多個介電層以及視需要地包含一或多個蝕刻中止層。

第2圖表示在介電層102中形成通孔104的後續處理步驟後的半導體結構200。可使用業界標準蝕刻及微影技術形成通孔。

第3圖表示在通孔104內部表面上形成第一阻障層106的後續處理步驟後的半導體結構300。第一阻障層可為金屬層，如基於鉭的層件。第一阻障層可通過包括但不局限於物理汽相沉積(PVD)、化學汽相沉積(CVD)、等離子增強型化學汽相沉積(PECVD)或原子層沉積(ALD)等任何適用的沉積方法形成。

第4圖表示形成銅區域108、填充通孔(對照第3 圖的104)的後續處理步驟後的半導體結構400。可通過包括但不局限於電鍍等任何適用的沉積方法形成銅區域108。在沉積銅區域108後，退火Cu以穩定晶體結構，並且可接著進行如化學汽相拋光(CMP)等平整化程序以令銅區域108與第一阻障層106及介電層102呈平面。

第5圖表示形成第二阻障層110的後續處理步驟後的半導體結構500。第二阻障層為自組裝單層(SAM)，並且經由臨場汽相沉積技術沉積。在一具體實施例中，SAM層110經由化學汽相積工具沉積。在另一具體實施例中，SAM層110經由等離子增強型化學汽相沉積工具沉積。在具體實施例中，SAM層110具有範圍從大約10埃到大約30埃的厚度T。本發明的具體實施例可利用各種SAM，包括但不局限於胺基矽烷(amino-silane)、巰基矽烷(mercapto-silane)、具有芳香環的有機矽烷(organosilane with aromatic ring)。

可使用的某些胺基矽烷SAM包括：APTMS：H₂NCH₂CH₂CH₂Si(OCH₃)₃；APTES：H₂NCH₂CH₂CH₂Si(OC₂H₅)₃；APDMS：(3-胺基丙基)二甲基乙氧基矽烷(3-aminopropyldimethylethoxysilane)；N-(2-胺基乙基)-3-胺基丙基三甲氧矽烷(EDA)(N-(2-aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilane)；(3-三甲氧基甲矽烷基丙基)二伸乙基三胺(DETA)((3-trimethoxysilylpropyl)diethylenetriamine)；4-胺基苯基三甲氧基矽烷(4-aminophenyltrimethoxysilane)；以及苯基胺基-甲基三甲氧基矽烷(phenylamino-methyltrimethoxysilane)。

可使用的某些巰基矽烷SAM包括：MPTMS：3-巰基丙基三甲氧基矽烷(3-mercaptopropyltrimethoxysilane)：HS(CH₂)₃Si(OCH₃)₃；MPTES：3-巰基丙基三乙氧基矽烷(3-mercaptopropyltriethoxysilane)：HS(CH₂)₃Si(OC₂H₅)₃；以及MPMDMS：3-巰基丙基甲基二甲氧基矽烷(3-mercaptopropylmethyldimethoxysilane)：HS(CH₂)₃Si(CH₃)(OCH₃)₂。

具有芳香環的有機矽烷可包括(CH₂)n-Si(OCH₃)₃。

沉積用參數可包括範圍為大約攝氏50度到大約攝氏120度的反應溫度、範圍從大約0.1托到大約10托的矽烷前驅物汽壓、以及範圍從大約1分鐘到大約30分鐘的反應時間。

第6圖表示形成覆蓋層112的後續處理步驟後的半導體結構600。在具體實施例中，覆蓋層112可包括矽碳化物或矽碳化物的氮化物。在具體實施例中，覆蓋層112可如第二阻障層110在相同的室體中沉積。這由於其限制銅區域108曝露於環境空氣而提供防止銅區域108上形成氧化物的優點。其他優點可包括減少產生受污染廢液與聚化產物、以及有效塗布高深寬比結構。在其他具體實施例中，第一室體可用於沉積第二阻障層110並且第二室體可用於沉積覆蓋層112。轉移室可用於在第一與第二室體之間搬運晶圓(wafer)。在這些具體實施例中，第二阻障層110 可沉積自原子層沉積(ALD)室、或等離子增強型ALD(PEALD)室。

第7圖根據描述性具體實施例表示流程圖700。在程序步驟750中，形成通孔(請參閱第2圖的104)。在程序步驟752中，形成第一阻障區(請參閱第3圖的106)。在某些具體實施例，第一阻障區可為金屬或金屬化合物，如鉭或基於鉭的化合物。在其他具體實施例中，第一阻障區可包括自組裝單層。在某些具體實施例中，第一阻障區可為與第二阻障區具有相同材料的材料。在程序步驟754中，形成銅區域(請參閱第5圖的108)。在程序步驟756中，形成第二阻障區(請參閱第5圖的110)。第二阻障區為自組裝單層，並且使用如化學汽相沉積(CVD)工具、等離子增強型化學汽相沉積(PECVD)工具、ALD工具或PEALD工具之類的工具經由臨場汽相沉積沉積。在程序步驟758中，沉積覆蓋層112(請參閱第6圖的112)。在具體實施例中，覆蓋層112可包括矽碳化物或碳化物的氮化物。在具體實施例中，可在後續處理步驟中如第二阻障層110在相同室體中沉積覆蓋層112。因此，在沉積第二阻障層110與沉積覆蓋層112之間不用令半導體結構(例如晶圓)離開室體即可在半導體結構上沉積第二阻障層110和覆蓋層112兩者。

第8圖表示用於實施描述性具體實施例的沉積工具800的一部分。沉積工具800包括處理室870。在室體870內沉積的是由基座874所支撐的晶圓872。經由入氣口876對晶圓872均勻地施加反應氣體。經由調節閥878控制處理室870內的壓力。通過在室體870中沉積第二阻障層110和覆蓋層112兩者，得以緩解銅區域108上不希望有的氧化問題(請參閱第6圖)，從而得以改良半導體製造程序。

在各個具體實施例中，可提供並且配置設計工具以產生用於圖案化如本文所述半導體層的資料集。例如，可產生資料集以產生微影操作期間用以圖案化如本文所述結構用層件的光罩。此等設計工具可包括一或多個模組的集合並且也可包括硬體、軟體、或其組合。因此，舉例而言，工具可為一或多個軟體模組、硬體模組、軟/硬體模組、或任何其組合或排列的集合。在另一實施例中，工具可為其上執行軟體或硬體實現於其中的計算裝置或其他器具。如本文所使用，模組可能利用硬體、軟體、或其組合的任何形式實現。例如，可能實現一或多個處理器、控制器、特殊應用積體電路(ASIC)、可程式化邏輯陣列(PLA)、邏輯元件、軟體程式、或其他機制以組成模組。在實現中，本文所述的各種模組可能實現成離散模組或功能並且所說明的特徵可在一或多個模組之間部分或全部共用。換句話說，對於所述領域具有普通技術者在閱讀本說明後將明顯可知的是，本文所述的各種特徵及功能可在任何給定的應用中實現並且可在一或多個分離或共用模組中以各種組合及排列實現。即使功能的各種特徵或元件可單獨說明或主張為分離模組，所述領域具有普通技術者仍將理解可在一或多個共通軟體和硬體元件之間共用功能的這些特徵，並且此說明不得需要或暗示分離的硬體或軟體元件用於實現此等特徵或功能。

明顯得知已提供用於自組裝單層臨場汽相沉積的方法。儘管已搭配示例性具體實施例特別表示並且說明本發明，仍將瞭解所屬領域的技術人員將想到變化及改進。例如，雖然描述性具體實施例在本文說明為一連串動作或事件，將瞭解本發明不受限於此等動作或事件的所示順序，除非有明確陳述。根據本發明，某些動作可有別於本文所示及/或所述隨其他動作或事件以不同順序及/或同時出現。另外，不是所有所述步驟都可必需用以實現根據本發明的方法。另外，根據本發明的方法可關聯本文所示和所述結構的形成及/或處理以及關聯未示的其他結構實現。因此，要理解所附申請專利範圍的用意在於涵蓋落於本發明真正精神內的所有此等改進及變更。

700‧‧‧流程圖

750、752、754、756、758‧‧‧程序步驟

Claims

一種形成半導體結構的方法，包含：在介電層中形成通孔；在該通孔中形成第一阻障層；在該通孔中形成銅區域；在該銅區域上方沉積第二阻障層；以及在該第二阻障層上方沉積覆蓋層；其中，沉積該第二阻障層包含在化學汽相沉積工具室中沉積自組裝單層，其中，在該第二阻障層上方沉積該覆蓋層係在該化學汽相沉積工具室中進行。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，在該第二阻障層上方沉積該覆蓋層包含沉積矽碳化物。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，沉積該自組裝單層包含沉積胺基矽烷。
如申請專利範圍第3項所述之方法，其中，沉積該胺基矽烷包含沉積H₂NCH₂CH₂CH₂Si(OCH₃)₃。
如申請專利範圍第3項所述之方法，其中，沉積該胺基矽烷包含沉積H₂NCH₂CH₂CH₂Si(OC₂H₅)₃。
如申請專利範圍第3項所述之方法，其中，沉積該胺基矽烷包含沉積(3-胺基丙基)二甲基乙氧基矽烷。
如申請專利範圍第3項所述之方法，其中，沉積該胺基矽烷包含沉積N-(2-胺基乙基)-3-胺基丙基三甲氧矽烷。
如申請專利範圍第3項所述之方法，其中，沉積該胺基矽烷包含沉積(3-三甲氧基甲矽烷基丙基)二伸乙基三胺。
如申請專利範圍第3項所述之方法，其中，沉積該胺基矽烷包含沉積4-胺基苯基三甲氧基矽烷。
如申請專利範圍第3項所述之方法，其中，沉積該胺基矽烷包含沉積苯基胺基-甲基三甲氧基矽烷。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，沉積該自組裝單層包含沉積巰基矽烷。
如申請專利範圍第11項所述之方法，其中，沉積該巰基矽烷包含沉積3-巰基丙基三甲氧基矽烷。
如申請專利範圍第11項所述之方法，其中，沉積該巰基矽烷包含沉積3-巰基丙基三乙氧基矽烷。
如申請專利範圍第11項所述之方法，其中，沉積該巰基矽烷包含沉積3-巰基丙基甲基二甲氧基矽烷。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，沉積該自組裝單層包含沉積有機矽烷。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該第一阻障層係由與該第二阻障層相同的材料所組成。
一種形成半導體結構的方法，包含：在介電層中形成通孔；在該通孔中形成第一阻障層；在該通孔中形成銅區域；在該銅區域上方沉積第二阻障層；以及在該第二阻障層上方沉積覆蓋層；其中，沉積第二阻障層包含在等離子增強型化學汽相沉積工具室中沉積自組裝單層，其中，在該第二阻障層上方沉積覆蓋層係在該等離子增強型化學汽相沉積工具室中進行。