[发明专利]再溅射铜籽晶层

说明书

技术领域

本发明一般涉及半导体集成电路形成中的溅射沉积。更确切的说，本发明涉及形成衬垫层(liner layer)中溅射沉积和溅射蚀刻的结合。

背景技术

磁控溅射长久以来一直用于诸如铝和铜的金属化水平延展层的沉积中。最近，磁控溅射已适用于在诸如层间电接触(contact)，也即通孔(via)，的高深宽比的孔中沉积衬垫层的更有挑战性的任务。图1的截面图中所示的用于铜金属化的通孔部件10形成于下电介质层14表面的导电特征12的上方。上电介质层16沉积于下电介质层14和其导电特征12上方，并且通孔18经蚀刻贯穿上电介质层16至导电特征12。在随后的高级集成电路的产生过程中，通孔18的宽度减小至65nm以下，而电介质层14、16的厚度基本保持在大约500至1000nm的常数。这样，通孔18的深宽比将明显的增大。在高深宽比孔中填充金属化和特别的衬垫层呈现出极大的挑战。

用于两个电介质层14、16的传统电介质材料为二氧化硅(硅石)，但是，最近已研发出低k电介质材料，其中某些低k电介质材料由具有很大氢含量的碳氧化硅组成。并且，电介质材料可形成为多孔以得到极低的介电常数值。为了防止铜迁移到电介质材料中，将薄阻挡层沉积于通孔侧壁22以及通常也在上电介质层16顶部的场区24上。优选情况下，阻挡层20不形成于通孔底部26上，以减小与下面的导电特征12的接触电阻。用于铜金属化的传统阻挡层为钽，或者为单个Ta层或者为Ta/TaN阻挡层。钌和钨为可用于阻挡的其它耐高温金属。钌和钽的合金也很适合做电介质材料。现在已研发出通过钽、钌、或钌钽靶的磁控溅射将阻挡层20选择性涂覆到狭窄的通孔18中。类似的，通过将氮添加进溅射腔室的反应溅射来沉积氮层。

尽管可以应用无电镀，但是通常应用电化学镀法(ECP)用铜填充通孔18。ECP铜通常需要铜籽晶层作为电镀电极以及形成晶核并湿化EPC铜。因此，将铜籽晶层30沉积于通孔侧壁22、场区24和通孔底部26上的共形匹配层中。另外，已发展出满足这些要求的用于沉积铜的磁控溅射技术。这些技术依赖于溅射的铜原子的高电离分数和晶片的电偏置以将铜较深地牵引进通孔18以沉积成底部32以及恰当厚度的侧壁部分34。侧壁涂层可部分通过由晶片偏置加速的高能铜离子以及将铜从底部部分32再再溅射，即溅射蚀刻，到侧壁部分34上来完成。铜溅射也可在场区24的顶部上产生相对较厚的场部分36。在通孔18的顶部的场部分36的拐角上产生的明显的突起38形成了较窄的孔颈40。我们已经观察到，突起38大多数形成于场区20中的阻挡层20上方。即，孔颈40的最狭窄部分在铜场部分36的底部上方。

为了完成金属化，例如，通过电镀，在通孔18中镀铜。ECP铜过填充通孔18并沉积在场区24上。应用化学机械抛光(CMP)从通孔18外侧的阻挡层20上去除铜，从而仅在通孔18中保留铜。

金属化结构通常比图1的通孔结构18更复杂。通常，将通孔部件形成为尽可能宽度最窄的大致的正方形或圆形。另一方面，将较深的沟槽形成为宽度具有相对较窄的维度而沿沟槽方向具有更长的维度。图2的截面图中所示的更为复杂结构的双嵌入式互连结构包括电介质层16的下部分中的通孔部件42，而上部分中的更宽的，水平延伸的沟槽44连接通孔部件42并提供与更高的金属化平面的接触。通孔部件42和沟槽44的阻挡层和籽晶的沉积以及ECP填充都用单一程序执行。图1中的导电特征12可为在下电介质层14中双嵌入式金属化的沟槽。然而，溅射沉积于双嵌入式结构中的铜籽晶层46在沟槽44和通孔部件42的底部的拐角上形成明显的突起48。突起48在涂覆通孔侧壁中造成困难，由于其在通孔42的顶部形成的较窄的孔颈。

回到图1中的简单的通孔结构，尽管困难与双嵌入式结构基本相同，但是突起38更加趋向于限制沉积铜籽晶的溅射工艺的执行。如果铜籽晶层30相对较厚，突起38将变大而孔颈40将收缩，从而增加了用于溅射到通孔18中的有效的深宽比，结果造成通孔侧壁难于得到充分的覆盖。狭窄的孔颈40也阻止了电镀工艺中电解液的流动。如果铜籽晶层30的厚度降低，将减少突起问题。然而，侧壁部分34的最狭窄部分的厚度可能不足，而且侧壁部分34会中断以形成空隙，从而暴露下面的阻挡材料，而这很难使ECP铜成核。铜籽晶层30中的这种空隙会在临近通孔侧壁22的电镀铜中造成空白。