[发明专利]半导体器件粘附层结构及形成结构的工艺

说明书

本发明一般涉及半导体器件，特别涉及改善导体和介质材料之间粘附性的镶嵌互连结构。

使用形成晶体管和互连元件的多种不同工艺操作在半导体衬底上形成集成电路。为了访问与半导体衬底有关的晶体管元件，金属通孔和互连形成在介质材料中作为集成电路的一部分。镶嵌的金属通孔和互连提供了在晶体管、内部电路、外电路到管芯以及其它方面之间传递电信号和电源的途径。

半导体器件通常包括半导体器件衬底、场隔离区以及半导体器件衬底内形成的掺杂区。栅介质层覆盖在部分半导体器件衬底上，栅电极覆盖在栅介质层上。邻接栅电极的侧壁形成间隔层。构图第一层间介质层(IDL)形成用接触填充材料填充的接触孔，以及可选择的阻挡层。阻挡层通常为难熔金属、难熔金属氮化物、或难熔金属或它们的氮化物的组合。接触填充材料通常包括钨、多晶硅等。淀积阻挡层和接触填充材料之后，抛光衬底除去未包含在接触开口内的部分阻挡层和接触填充材料形成导电栓塞。

然后形成第一级互连覆盖层间介质(ILD)层和导电栓塞。使用沟槽和抛光工艺的组合或使用构图和腐蚀工艺的组合形成第一级互连。如果使用铜形成第一级互连，那么可以邻接第一级互连形成阻挡层以减少铜迁移到周围的材料内。形成第一级互连例如作为单镶嵌结构。由此，通过首先淀积部分第二ILD然后腐蚀形成构成第一级互连的材料淀积其中的沟槽形成第一级互连。一旦淀积了第一级互连，抛光工艺除去了留在形成的沟槽外部的任何多余材料。

假设第一级互连已形成单镶嵌结构，那么在抛光步骤之后形成第二ILD的剩余物。然后在第二ILD内形成包括导电阻挡膜和铜膜的互连。阻挡膜通常为难熔金属、难熔金属氮化物、或难熔金属或它们的氮化物的组合。铜填充材料通常为铜或铜合金，其中铜含量为至少95原子百分比。铜可与镁、硫、碳等熔合以提高互连的粘附性、电迁移或其它性质。此外可以其它方式形成互连，例如，与双镶嵌互连组合的导电栓塞或光刻构图和腐蚀的互连。

半导体器件中各种互连层之间的粘附性是一种重要的特性。如果器件中各层之间的粘附性不够，那么就会出现问题，例如分层、层分离、层的相互扩散以及导致性能下降、电短路、开路及与结构完整性有关的其它物理缺陷。因此各层之间足够的粘附性为半导体制造工艺中的一个目标。

通常，在半导体器件中使用多种材料作为阻挡层。例如，阻挡层通常在形成下一导电层之前形成在介质层表面上。经常，如果在应用中使用阻挡层以防止互连金属和介质之间的相互扩散，那么重要的是或至少有利的是阻挡层还用于增加金属互连和介质之间的粘附性。此外，阻挡层材料提供了金属淀积到介质表面的籽晶层，并用做保持防止与下面各层相互作用的工艺化学物质。在通常的镶嵌Cu金属结构中，Ta或TaN形成Cu和介质沟槽以及通孔之间的阻挡层。

在形成互连结构的常规镶嵌工艺中，在层间介质(ILD)层中形成沟槽。ILD层通常为二氧化硅(SiO₂)、掺杂的二氧化硅、有机聚合物或其它一些介质材料。形成SiO₂ ILD的方式是使用四乙氧基硅烷的CVD或PECVD工艺或使用四乙氧基硅烷与氟源结合形成含有SiO₂(FTEOS)的氟的工艺。为了在ILD层上和在ILD层内形成的沟槽和沟槽通孔(即，“镶嵌结构”)内提供用于下一金属层的阻挡层，也用于增加粘附性的阻挡材料通常形成在介质表面上。阻挡层的常规例子为在淀积铜作为金属互连层之前在ILD层的表面上淀积的Ta或它的氮化物。

通常，淀积阻挡层之后镶嵌互连结构形成在层间介质层的沟槽和通孔内。希望阻挡层用来防止金属层的分层和相互扩散。然而，如上所述，特别是当钽通过如FTEOS等的层间介质层内的沟槽和通孔结构与铜互连时，常规的阻挡层已证实存在问题。经验证明由于粘附问题所述情况中的钽金属易于与ILD层分离并且金属材料相互扩散到ILD层内并迁移导致与电迁移有关的问题。