[发明专利]用于互连集成的非连续/非均匀金属帽盖结构及方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体互连结构及其制造方法。更具体地，本发明涉及具有改善的抗电迁徙(EM)能力且不会降低时间依赖介电击穿可靠性的半导体互连结构。

背景技术

一般而言，半导体器件包括多个电路，其形成在制造于半导体衬底上的集成电路(IC)上。复杂的信号路径网络一般经过路径规划以连接分布在衬底表面上的电路元件。在器件上对这些信号进行有效的路径规划需要形成多层级或多层方案，诸如，单镶嵌或双镶嵌布线结构。布线结构典型地包括铜(Cu)，因为在复杂半导体芯片上大量的晶体管之间，基于Cu的互连传送信号的速度比基于铝(Al)的互连高。

在典型的互连结构内，金属过孔垂直于半导体衬底延伸且金属线平行于半导体衬底延伸。在现今的IC产品芯片中，将金属线及金属过孔(如，导电特征)嵌入介电常数小于4.0的介电材料中，可进一步提高信号速度并抑制邻进金属线的信号(称为“串扰”)。

在半导体互连结构中，将电迁徙(EM)视为一种金属故障机制。电迁徙是导体中因传导电子及扩散金属原子间的动量转移致使离子慢慢移动所造成的材料输送。此效应在诸如微电子器件及相关结构中使用高直流密度的应用中很重要。随着结构尺寸缩小，EM实际意义增加。

自19世纪60年代以来，对于超大规模集成(VLSI)电路及制造而言，EM是影响可靠性的最严重问题之一。该问题不仅在制程开发周期中要加以克服以确保制程合乎要求，更要在芯片寿命期间持续应对该问题。在互连结构的金属导体内部由于高密度电流流动所造成的金属离子移动会导致产生空隙。

虽然金属互连中的快速扩散路径因依赖于芯片制造所使用的整体集成方案和材料而有所不同，但已观察到沿着金属/后平坦化电介质帽盖界面输送的金属原子(诸如Cu原子)在EM寿命估计中扮演着重要的角色。EM初始空隙首先在金属/电介质帽盖界面处形成，然后向互连底部的方向扩展，最后导致电路失效断路。

图1A-1D为现有技术互连结构在EM故障不同阶段时的图式。在这些图式中，参考数字12代表电介质帽盖，及参考数字10代表金属互连特征；未对现有技术互连结构中所有其它元件标示参考数字，以免模糊EM问题的焦点。图1A属于初始应力阶段。图1B属于空隙14在金属互连特征10/电介质帽盖12之界面处开始形成时的阶段。图1C属于空隙14朝导电特征10的底部扩展时的阶段，及图1D属于空隙14扩展穿过金属互连特征10造成电路失效断路时的阶段。

已证实，以Cu/金属界面取代Cu/电介质界面可提高抗电迁徙能力超过100倍。现有技术金属帽盖通常由含有Co的合金(例如CoWP)组成，该合金被选择性沉积在互连结构的Cu导体区域的顶上。利用此类选择性沉积的金属帽盖的一个问题是，部分金属帽盖延伸至互连介电材料的邻接表面上，因而可能引起相邻互连间的电气短路。例如参见图2，其中参考数字20代表介电材料，参考数字22代表嵌入介电材料20的导电材料，参考数字24代表含有Co的合金金属帽盖，及参考数字25代表来自含有Co的合金帽盖制程的金属残余物。

除了上文以外，已知可使互连导电材料凹陷低于互连介电材料的表面，直接在互连导电材料(例如，Cu)的表面上提供金属帽盖。此种结构如图3所示。在该图中，参考数字20代表互连介电材料，参考数字22代表嵌入介电材料20的互连导电材料，参考数字23代表电介质帽盖，及参考数字24代表金属帽盖。虽然该现有技术凹陷制程提供了仅仅位于凹陷导电材料表面上的金属帽盖，但此种制程因相关的制程成本很高而具有问题。

另外值得一提的是，在稀氢氟酸(一般用来清洗互连介电材料的表面)中清洗期间，可能会腐蚀金属帽盖。在使用CoWP作为金属帽盖材料时，尤其可以观察到此现象。

有鉴于上文，因此持续需要提供一种改善抗EM能力且不会降低互连结构的时间依赖介电击穿可靠性的互连结构。

发明内容

本发明提供具有改善的EM可靠性的半导体互连结构。可在不降低互连结构的时间依赖介电击穿可靠性的情况下改善EM可靠性。本发明还提供了对于半导体产业具有较佳可靠性和技术可扩充性的互连结构。

在一个实施例中，本发明提供一种互连结构，其中非连续的含有贵金属的帽盖存在于非凹陷导电材料的暴露的上表面的部分上，该导电材料嵌入低k介电材料中。提及含有贵金属的帽盖时，术语“非连续”代表帽盖作为在非凹陷导电材料的暴露的上表面的某些部分的顶上的核(nuclei)或岛而存在。