[发明专利]用于互连应用的冗余金属阻挡结构

说明书

技术领域

本发明涉及半导体结构及其制造方法。更特别地，本发明涉及用于互连应用的冗余阻挡结构及其制造方法。本发明的结构可被用于中段制程(middle-of-the-line)互连应用或后段制程(BEOL，back-end-of-the-line)互连应用。

背景技术

一般而言，半导体器件包括多个电路，这些电路形成制造于半导体衬底上的集成电路。信号路径的复杂网络一般被引导而连接分布在衬底表面上的各电路元件。有效地将这些信号引导跨过器件需要形成多级或多层体系，例如单镶嵌或双镶嵌布线结构。该布线结构典型地包括铜(Cu)，这是因为，与基于铝(Al)的互连相比，基于Cu的互连在复杂半导体芯片上的大量晶体管之间提供更高速的信号传输。

在典型的互连结构中，金属过孔(via)垂直于半导体衬底而延伸，金属线路平行于半导体衬底而延伸。在当前的IC产品芯片中，通过将金属线路和金属过孔(例如导电部件(conductive feature))嵌入具有小于4.0的介电常数的介电材料中，实现了信号速度的进一步提高和在邻近的金属线路中的信号减退(称为“串扰”)。

在某些互连结构中，采用包括TaN和Ta的扩散阻挡层。这种包括TaN/Ta扩散阻挡层的互连结构具有良好的抗氧化特性。在其它互连结构中，已经提出了包括TaN和Ru的扩散阻挡层。使用包括TaN和Ru的扩散阻挡层的一个原因在于，薄Cu籽晶层(具有小于的厚度)在Ru上比在Ta上具有更好的润湿性。Ru可适用于与薄Cu籽晶相关的应用，但Ta则不可。与薄Cu籽晶相关的应用为未来技术的趋势，并且与技术可扩展性密切相关。同时，Ru可通过等离子体气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)和原子层沉积(ALD)而进行沉积，但Ta则仅可通过PVD而进行沉积，而PVD在保形性(conformality)方面具有大的技术可扩展性问题。然而，由于作为外扩散阻挡层的Ru不是良好的抗氧化阻挡层，TaN/Ru扩散阻挡层的使用是有问题的。

因此，仍持续需要提供这样的包括扩散阻挡结构的互连结构，在该互连结构中使用Ru且避免了与Ru氧化相关的问题。

发明内容

本发明提供了用于互连结构中的冗余金属扩散阻挡层，其改善了互连结构的可靠性和可扩展性。该冗余金属扩散阻挡层位于在介电材料中的开口中。具体地，该冗余金属扩散阻挡层位于扩散阻挡层与导电材料之间，该扩散阻挡层与该导电材料也存在于所述开口中。该冗余扩散阻挡层包括单层或多层结构，该单层或多层结构包括Ru和含Co材料，所述含Co材料包括纯Co或Co合金，所述Co合金包含N、B和P中的至少一者。

一般而言，本发明提供了一种半导体结构，其包括：

介电材料，其具有约4.0或更小的介电常数并位于衬底上方，所述介电材料具有位于其中的至少一个开口；

扩散阻挡层，其位于所述至少一个开口中；

冗余扩散阻挡层，其包括Ru和含Co材料并位于所述至少一个开口中的所述扩散阻挡层上；以及

导电材料，其位于所述至少一个开口中的所述冗余扩散阻挡层的顶上，其中所述扩散阻挡层、所述冗余扩散阻挡层、以及所述导电材料各自具有与所述介电材料的上表面共面的上表面。

所述冗余扩散阻挡层的所述含Co材料可为纯Co或Co合金，所述Co合金包含N、B和P中的至少一者。

在本发明的某些实施例中，所述冗余扩散阻挡层为双层结构，所述双层结构包括由Ru构成的顶层以及至少包括所述含Co材料的底层。在本发明的另外的实施例中，所述冗余扩散阻挡层为单层结构，所述单层结构包括从下面的含Co表面向上增加的Ru的梯度浓度。在本发明的进一步另外的实施例中，所述冗余扩散阻挡层为多层结构，所述多层结构包括多于两个交替的Ru层和含Co层。

除了提供上述半导体结构之外，本发明还提供了一种用于制造该半导体结构的方法。一般而言，本发明的方法包括：

设置具有约4.0或更小的介电常数并位于衬底上方的介电材料，所述介电材料具有位于其中的至少一个开口；

在所述至少一个开口中形成扩散阻挡层；

在所述至少一个开口中的所述扩散阻挡层上形成包括Ru和含Co材料的冗余扩散阻挡层；

用导电材料填充所述至少一个开口的剩余部分；以及

平面化所述扩散阻挡层、所述冗余扩散阻挡层、以及所述导电材料，以提供这样的结构，在该结构中，所述扩散阻挡层、所述冗余扩散阻挡层以及所述导电材料各自具有与所述介电材料的上表面共面的上表面。