[发明专利]用于铜互连的氮化钴层及它们的形成方法

说明书

本申请是优先权日为2007年4月9日、发明名称为“用于铜互连的氮化钴层及它们的形成方法”的中国发明专利申请200880016689.X（国际申请号为PCT/US2008/059797）的分案申请。

相关申请

本申请按照35 U.S.C.§119(e)要求2007年4月9日提交的共同待审美国申请No.60/922,485的优先权，通过引用将该申请以其全文并入本文。

本申请按照35 U.S.C.§119(e)要求2007年10月5日提交的共同待审美国申请No.60/998,023的优先权，通过引用将该申请以其全文并入本文。

技术领域

本发明涉及用于微电子的铜互连和沉积含金属层的方法。

背景技术

铜替代铝作为微电子器件例如微处理器和存储器的布线所选用的材料。一般通过电镀法将铜置于绝缘体例如二氧化硅的孔洞和沟槽内。然后抛去器件表面的多余铜。用绝缘材料封盖其中刻蚀有孔洞和沟槽的结构以便开始下一级(level)布线。

为了使细铜线经受得住抛磨处理，铜必须强有力地附着于绝缘体。在制造的剩余部分和器件使用中还必须维持附着。在目前使用的技术中，使用溅射氮化钽(TaN)和钽金属(Ta)的双层结构来提供这种附着。TaN提供了对绝缘体的强有力附着，而Ta强有力地附着至铜的溅射籽晶层，另外的铜电镀到该层上。Ta还防止氧和水侵蚀铜线。

半导体例如硅中存在铜导致了可阻碍半导体中形成的晶体管正常工作的缺陷。铜还提高通过置于铜线之间的绝缘体例如二氧化硅的电流泄露。因此，铜布线的使用需要包围铜线的有效扩散阻挡层，以保持铜限定在其合适的位置。在目前的技术中，溅射的TaN充当扩散阻挡层。

铜还具有沿电子在电路中流动的方向移动的倾向。如果在铜互连中形成足够大的空隙，则该电迁移过程可导致提高的电阻或甚至开路。大多数这种不希望的移动沿铜的表面发生。可通过用抑制电迁移的材料包围铜互连来维持长的寿命。钽金属(Ta)在目前使用的铜互连的底部和侧部起到这种作用。铜布线的顶部（未连接到上级的那些部分）典型地被氮化硅或碳化硅覆盖，尽管这些材料在降低铜的电迁移方面不如Ta有效。

如国际半导体技术蓝图(ITRS)每年所公布的，在将来的微电子器件、工业设计中，需要基于较薄的阻挡层、附着层和籽晶层的较窄布线。ITRS预测，目前使用的溅射Cu/TaN/Ta将不能够满足这些预计需要。溅射涂层的不良保形性意味着在接近孔洞和沟槽的顶部需要比必要层更厚，以便在这些结构的下部提供足够的厚度。在要件（feature）顶部附近产生的“突出物(overhang)”使得电镀的铜难以填充孔洞和沟槽而不留下空隙，这提高了电阻并且加剧了电迁移诱发的不稳定性。

已建议将钴(Co)金属作为互连中Ta附着层的替代。Co膜可为气相沉积（CVD或ALD）的，比溅射的Ta具有更好的保形性。然而，当将铜气相沉积到钴表面上时，铜倾向于聚结成多个分离的核，从而形成具有低电导率的相对粗糙的膜。

还建议将钌(Ru)金属作为互连中Ta附着层的替代。Ru膜可为气相沉积（CVD或ALD）的，比溅射的Ta具有更好的保形性。当将铜气相沉积到Ru上时，在合适的条件下制备时铜层可为平滑且高度导电的。然而，Ru是昂贵的金属，并且对于大规模互连应用Ru不可按足够的量获得。另外，Ru不是氧的良好扩散阻挡体。

因此，目前的互连技术缺乏其上可以沉积平滑且高度导电的铜层的保形、廉价的附着层和氧扩散阻挡层。

发明内容

公开了这样的材料和技术，该材料和技术确保铜和周围材料之间的牢固附着，提供阻挡层以防止铜从布线扩散出以及氧或水扩散到布线内，并且保持铜线不受它们所承载的电流损害。

描述了保形、廉价的氮化钴(Co_xN)层，可以将平滑且高度导电的铜层沉积到其上。Co_xN的组成典型地为约x=1至约x=10，可例如为约3至6。在一个实施方案中，x为约4，对应于化合物Co₄N。不要求x是整数。

可以通过包括物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)方法的任何方便的方法沉积Co_xN层。可在提供保形涂层的沉积条件下进行CVD。

在一个实施方案中，通过CVD由脒基(amidinate)钴的蒸气、氮源例如氨和还原性源例如氢气来沉积Co_xN层。

任选地，在沉积含钴层之前可以沉积铜扩散阻挡层例如非晶态TaN、TaC、WN、WC或MoN、或者它们的混合物。