集成电路及其制造方法

(12)发明专利说明书

(21)申请号 CN201310628390.2 (22)申请日 2013.11.29 (71)申请人 国际商业机器公司 地址 美国纽约

(72)发明人 C·小凯波勒 S·U·恩格尔曼 B·L·弗莱彻 M·S·戈登 E·A·约瑟夫 (74)专利代理机构 北京市中咨律师事务所 代理人 贺月娇 (51)Int.CI

H01L21/768 H01L23/52

(10)申请公布号 CN 103855081 A (43)申请公布日 2014.06.11

权利要求说明书 说明书 幅图

()发明名称

集成电路及其制造方法

(57)摘要

本发明涉及集成电路及其制造方

法。在集成电路中制造导电线路包括：对过渡金属层进行构图以形成所述导电线路；以及在一条或多条导电线路当中的至少一部分上沉积保护帽盖。或者，在集成电路中制造导电线路包括：对过渡金属层进行构图以形成所述导电线路，其中所述

导电线路具有亚80纳米的间距，以及在所述导电线路当中的至少一部分上沉积保护帽盖，其中所述保护帽盖具有在约5到15纳米之间的厚度。或者，在集成电路中制造导电线路包括：对过渡金属层进行构图以形成所述导电线路，其中所述导电线路具有亚80纳米的线路宽度，以及在所述导电线路当中的至少一部分上沉积保护帽盖，其中所述保护帽盖具有在约5到15纳米之间的厚度。 法律状态

法律状态公告日

法律状态信息

法律状态

权 利 要 求 说 明 书

1.一种用于在集成电路中制造一条或多条导电线路的方法，该方法包括：

对过渡金属层进行构图以形成所述一条或多条导电线路；以及

在所述一条或多条导电线路当中的至少一部分上沉积保护帽盖。

2.权利要求1所述的方法，其中，所述保护帽盖形成在所述一条或多条导电线路当中的所述至少一部分中的每一条的一侧上。

3.权利要求1所述的方法，其中，所述保护帽盖密封所述一条或多条导电线路当中的所述至少一部分中的每一条的三侧。

4.权利要求1所述的方法，其中，所述一条或多条导电线路具有亚80纳米的线路宽度。

5.权利要求1所述的方法，其中，所述一条或多条导电线路具有亚80纳米的间距。

6.权利要求1所述的方法，其中，所述保护帽盖具有在约5到15纳米之间的厚度。

7.权利要求1所述的方法，其中，使用原子层沉积进行所述沉积。

8.权利要求1所述的方法，其中，所述保护帽盖包括难熔金属氮化物。

9.权利要求8所述的方法，其中，所述难熔金属氮化物包括氮化钽。

10.权利要求8所述的方法，其中，所述难熔金属氮化物包括氮化钛。

11.权利要求1所述的方法，其中，所述过渡金属包括钽。

12.权利要求1所述的方法，其中，所述过渡金属包括钛。

13.权利要求1所述的方法，其中，所述过渡金属包括钒。

14.权利要求1所述的方法，其中，所述过渡金属包括铪。

15.权利要求1所述的方法，其中，所述过渡金属包括钴。

16.权利要求1所述的方法，其中，所述过渡金属包括镍。

17.权利要求1所述的方法，其中，所述过渡金属包括铌。

18.权利要求1所述的方法，其中，所述过渡金属包括非铜过渡金属。

19.权利要求1所述的方法，其中，所述过渡金属包括钨。

20.一种集成电路，包括：

多个半导体器件；以及

连接所述多个半导体器件的多条导电线路，其中所述多条导电线路当中的至少一部

分包括：

过渡金属层；以及

沉积在所述过渡金属层上的保护帽盖。

21.权利要求20所述的集成电路，其中，所述保护帽盖形成在所述过渡金属层的一侧上。

22.权利要求20所述的集成电路，其中，所述保护帽盖密封所述过渡金属层的三侧。

23.权利要求20所述的集成电路，其中，所述一条或多条导电线路具有亚80纳米的线路宽度。

24.权利要求20所述的集成电路，其中，所述一条或多条导电线路具有亚80纳米的间距。

25.权利要求20所述的集成电路，其中，所述保护帽盖具有在约5到15纳米之间的厚度。

26.权利要求20所述的集成电路，其中，所述保护帽盖包括难熔金属氮化物。

27.权利要求26所述的集成电路，其中，所述难熔金属氮化物包括氮化钽。

28.权利要求26所述的集成电路，其中，所述难熔金属氮化物包括氮化钛。

29.权利要求20所述的集成电路，其中，所述过渡金属包括钽。

30.权利要求20所述的集成电路，其中，所述过渡金属包括钛。

31.权利要求20所述的集成电路，其中，所述过渡金属包括钒。

32.权利要求20所述的集成电路，其中，所述过渡金属包括铪。

33.权利要求20所述的集成电路，其中，所述过渡金属包括钴。

34.权利要求20所述的集成电路，其中，所述过渡金属包括镍。

35.权利要求20所述的集成电路，其中，所述过渡金属包括锆。

36.权利要求20所述的集成电路，其中，所述过渡金属包括铌。

37.权利要求20所述的集成电路，其中，所述过渡金属包括非铜过渡金属。

38.权利要求20所述的集成电路，其中，所述过渡金属包括钨。

39.一种集成电路，包括：

多个半导体器件；以及

连接所述多个半导体器件并且具有亚80纳米间距的多条导电线路，其中所述多条导电线路当中的至少一部分包括：

过渡金属层；以及

沉积在所述过渡金属层上的保护帽盖，其中所述保护帽盖具有在约5到15纳米之间的厚度。

40.一种集成电路，包括：

多个半导体器件；以及

连接所述多个半导体器件并且具有亚80纳米线路宽度的多条导电线路，其中所述多条导电线路当中的至少一部分包括：

过渡金属层；以及

沉积在所述过渡金属层上的保护帽盖，其中所述保护帽盖具有在约5到15纳米之间的厚度。

说 明 书

技术领域

本发明一般而言涉及集成电路，更具体地，涉及用于制造集成电路的金属构图方法。 背景技术

集成电路（IC）通常使用铜互连（或“线路（line）”）来连接IC上的晶体管和其它半导体器件。然而，随着这些互连的尺寸按比例缩小，制造工艺方面的挑战增加。例如，在32纳米节点，人们可能不得不与电镀期间的不完全填充、沟槽反应离子蚀刻（RIE）期间对电介质的损伤以及由于与线路加帽盖（line capping）相关联的困难导致的短路作斗争。互连的进一步按比例缩小不仅加剧了这些问题，而且还引入了新问题。

此外，即使假设与制造相关联的技术障碍能够被克服，预期在某个尺度上，铜将简直不能有效导电。 发明内容

一个用于在集成电路中制造导电线路的方法的实施例包括：对过渡金属层进行构图（pattern）以形成所述导电线路；以及在一条或多条导电线路当中的至少一部分（at least some）上沉积保护帽盖（cap）。

另一个用于在集成电路中制造导电线路的方法的实施例包括：对过渡金属层进行构图以形成所述导电线路，其中所述导电线路具有亚80纳米（sub-eighty nanometer）的间距，以及在所述导电线路当中的至少一部分上沉积保护帽盖，其中所述保护帽盖具有在约5到15纳米之间的厚度。

另一个用于在集成电路中制造导电线路的方法的实施例包括：对过渡金属层进行构图以形成所述导电线路，其中所述导电线路具有亚80纳米的线路宽度，以及在所述导电线路当中的至少一部分上沉积保护帽盖，其中所述保护帽盖具有在约5到15纳米之间的厚度。

另一个集成电路的实施例包括：多个半导体器件；以及连接所述多个半导体器件的多条导电线路，其中所述多条导电线路当中的至少一部分包括：过渡金属层；以及沉积在所述过渡金属层上的保护帽盖。

另一个集成电路的实施例包括：多个半导体器件；以及连接所述多个半导体器件并且具有亚80纳米间距的多条导电线路，其中所述多条导电线路当中的至少一部分包括：过渡金属层；以及沉积在所述过渡金属层上的保护帽盖，其中所述保护帽盖具有在约5到15纳米之间的厚度。

另一个集成电路的实施例包括：多个半导体器件；以及连接所述多个半导体器件并且具有亚80纳米线路宽度的多条导电线路，其中所述多条导电线路当中的至少一部分包括：过渡金属层；以及沉积在所述过渡金属层上的保护帽盖，其中所述保护帽盖具有在约5到15纳米之间的厚度。 附图说明

为了更详细地理解本发明的上述特征，通过参考实施例可获得对本发明的更具体的描述，在附图中示例出了一些所述实施例。然而，注意，附图仅仅示例出了本发明的典型实施例，因此不应当被认为是本发明的范围，因为本发明承认其它等效实施例。

图1A-1B是示例出根据本发明的金属互连或线路的实施例的示意图；

图2A-2B是绘制出各种过渡金属的电阻率与线路宽度的关系的线图；

图3是绘制出根据本发明的实施例已被加有氮化钽帽盖的过渡金属线路的电阻率与线路宽度之间的关系的线图；以及

图4是示例出根据本发明用于在集成电路中对过渡金属进行构图的方法400的一个实施例的流程图。

具体实施方式

在一个实施例中，本发明是用于在集成电路（IC）中对过渡金属进行构图的方法和设备。本发明的实施例由过渡金属（即，在周期表的至少d区（其包括周期表上的3族到12族）的元素，并且在一些情况下，诸如镧系元素和锕系元素的f区中的特定金属）产生具有极小尺寸（例如，亚80纳米线路宽度和亚80纳米间距）的金属互连。因此，在一些实施例中，所述互连可以由如下材料中的任何一种或多种形成：钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、钇、锆、铌、钼、钌、铑、钯、银、铪、钽、钨、铼、锇、铱、铂、金、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱或镥及其合金。在一个实施例中，所述过渡金属是非铜过渡金属。

过渡金属的相对较低的电子平均自由程（例如，在5到10纳米的量级，相对照而言，铜为39纳米）允许过渡金属在超过32纳米节点的互连尺寸下有效导电，因此完全绕开了常规铜互连的物理。很大程度上避免了与帽盖、电介质反应离子蚀刻和电镀填充有关的制造问题。过渡金属具有容易在反应离子化学中形成挥发性物种（species）的额外优点，而铜在反应离子化学中不容易形成挥发性物种（并且因此不能容易地在反应离子化学中被蚀刻）。

在一个具体实施例中，用保护材料为过渡金属互连加帽盖，所述保护材料使得来自标准制造工艺（例如，反应离子蚀刻、电介质沉积等）的污染最小。典型地，当以

小尺寸（例如亚40纳米）制造时，过渡金属将非常容易受到这种污染。例如，氧带来的污染对于过渡金属的导电特性具有特别显著的影响。尽管被氧化的金属的体积保持不变，但是过渡金属线路的顶部将比该线路的剩余部分更多地被氧化，这是因为特定标准制造工艺（例如，反应离子蚀刻）的定向性质。因此氧从顶部进入所述线路，然后扩散穿过所述线路到达底部界面。

图1A-1B是示例出根据本发明的金属互连或线路100的实施例的示意图。尽管为了简单起见图1A-1B仅示例出单条线路100，但应理解，IC将由很多这种线路构成。例如，IC可以包括衬底或管芯，所述衬底或管芯的背端包括绝缘材料（例如电介质）和通过例如过孔连接的多条导电金属线路。所述线路可以将信号传输到位于IC前端的半导体器件，或者可以提供IC的电源电压、接地和信号传播切断（signals travelling off）。

图1A大致地示例出衬底（或管芯）102，在该衬底（或管芯）102上形成包括线路100的多层互连结构。衬底102可以包括例如晶体硅、砷化镓（GaAs）或其它半导体以及用于形成晶体管、电阻器、电容器和其它结构的其它材料。

线路100包括导电金属层。在一个实施例中，导电金属是至少一种过渡金属（即，周期表的至少d区（其包括周期表上的3-12族）中的元素，并且在一些情况下，诸如镧系元素和锕系元素系列的f区中的特定金属）。在一个实施例中，线路100具有极小的尺寸（例如，亚80纳米的线路宽度和/或亚80纳米的间距）。在另一个实施例中，所述线路具有亚30纳米的线路宽度。

帽盖104附加地沉积在导电金属层上。在一个实施例中，帽盖104包括保护材料层，所述保护材料例如是氮化钛（TiN）、氮化钽（TaN）或其它难熔金属氮化物。在一个实施例中，帽盖104通过原子层沉积被沉积。在一个实施例中，帽盖104具有在约5到15纳米之间的厚度。通常，帽盖104的厚度越大，线路100的电阻率相对于线路宽度越不陡峭地增加。换言之，帽盖104的厚度越大，则线路的电阻率越

一致（consistent）。因此，薄帽盖104使得否则可能具有高电阻率的线路100导电。帽盖104的重要特性包括提供对氧、碳和氮的扩散阻挡的能力、相对较低的电阻率、以及能够容易地通过反应离子蚀刻被构图的能力。

如图1A所示例的，帽盖104可以仅沉积在线路100的一侧（例如顶部）上。或者，如图1B中所示例的，帽盖104可以完全密封线路100（例如，沉积在除了线路/衬底界面之外的线路100的三侧上）。用帽盖104完全密封线路100进一步增强了线路100的导电性。在这种情况下，帽盖104的厚度与帽盖104仅沉积在线路100的一侧上时的帽盖104的厚度相似（例如，在约5-15纳米之间）。

图2A-2B是绘制出各种过渡金属的电阻率与线路宽度的关系的线图。具体地，图2A绘制了对于铌互连，电阻率与线路宽度的关系；而图2B绘制了对于钽互连，电阻率与线路宽度的关系。如图所示，随着互连尺寸（例如，可变线路宽度、恒定厚度、长度）减小，电阻率趋于线性增加，并且在亚80纳米线路宽度下电阻率特别高。例如，具有约80纳米线路宽度的铌互连被示出为呈现约30微欧姆-厘米的薄膜电阻率。该薄膜电阻率随着线路宽度减小而大大增加（例如，在所示例的实例中，在约25纳米的线路宽度下，超过100微欧姆-厘米）。具有约80纳米线路宽度的钽互连被示出为呈现约28微欧姆-厘米的薄膜电阻率。与前面相同，该薄膜电阻率随着线路宽度减小而大大增加（例如，在所示例的实例中，在约45纳米的线路宽度下，超过90微欧姆-厘米）。

作为对照，图3是绘制了根据本发明的实施例已被加有氮化钽帽盖的过渡金属线路的电阻率与线路宽度之间的关系的线图。具体地，图3绘制了对于各种帽盖厚度（即，5、10和15纳米）具有帽盖的过渡金属线路的电阻率与线路宽度之间的关系。如图所示，具有帽盖的过渡金属线路的导电性比图2A-2B中提及的无帽盖的线路的导电性强得多，并且电导率随着帽盖104的厚度而提高。

例如，具有约80纳米线路宽度和约5纳米厚的帽盖的线路呈现约350微欧姆-厘米

的电阻率。将线路宽度减小到约60纳米并且保持5纳米厚的帽盖，得到约400微欧姆-厘米的电阻率。具有约80纳米线路宽度和约10纳米厚的帽盖的线路呈现约60微欧姆-厘米的电阻率。将线路宽度减小到约60纳米并且保持10纳米厚的帽盖，得到约75微欧姆-厘米的电阻率。具有约80纳米线路宽度和约15纳米厚的帽盖的线路呈现约30微欧姆-厘米的电阻率。将线路宽度减小到约60纳米并且保持15纳米厚的帽盖，得到约30微欧姆-厘米的电阻率；因此，当帽盖为15纳米厚时，在80和60纳米线路宽度之间存在电阻率的极小（如果有）的变化。因此，随着帽盖厚度增加，电阻率随线路宽度减小的增加变得不是那么显著。

图4是示例出根据本发明用于在集成电路中对过渡金属进行构图的方法400的一个实施例的流程图。为了简单起见，省略了各种公知的金属构图步骤，以便将讨论集中在本发明的优点上。因此，图4仅代表整个集成电路制造过程中的子过程。

在步骤402中，方法400开始。在步骤404中，提供衬底（或管芯）。如上所述，衬底可以包括例如晶体硅、砷化镓（GaAs）或其它半导体以及用于形成晶体管、电阻器、电容器和其它结构的其它材料。

在步骤406中，在所述衬底上对精细导电金属线路进行构图。在一个实施例中，所述导电金属线路由过渡金属（即，周期表的至少d区（其包括周期表上的3-12族）中的元素，并且在一些情况下，诸如镧系元素和锕系元素系列的f区中的特定金属）形成。在一个实施例中，所述导电金属线路具有极小的尺寸（例如，亚80纳米的线路宽度和/或亚80纳米的间距）。在另一个实施例中，所述导电金属线路具有亚30纳米的线路宽度。在一个实施例中，使用减式工艺（即，通过去除材料而不是添加材料产生所需结构的工艺）对所述导电金属线路进行构图。

在步骤408中，在所述导电金属线路上沉积帽盖。在一个实施例中，所述帽盖包括保护材料层，所述保护材料例如是像氮化钛（TiN）或氮化钽（TaN）那样的难熔金属氮化物。如上所讨论的，帽盖可以仅沉积在所述线路的一侧（例如顶部）上，

或者备选地可以完全密封所述线路（例如，除了线路/衬底界面之外）。在一个实施例中，所述帽盖通过原子层沉积被沉积。在一个实施例中，所述帽盖具有在约5到15纳米之间的厚度。

在步骤410中，方法400结束。

因此本发明的实施例由过渡金属产生了具有极小尺寸（例如，亚80纳米线路宽度和亚80纳米间距）的金属互连，所述过渡金属在超过32纳米节点的互连尺寸下有效导电，由此完全绕开了常规铜互连的物理。很大程度上避免了与加帽盖、电介质反应离子蚀刻和电镀填充有关的制造问题。

尽管前文的描述涉及本发明的实施例，但是在不脱离本发明的基本范围的情况下可以设计出本发明的其它和另外的实施例。此处给出的各种实施例或其部分可以被组合以产生另外的实施例。此外，诸如顶部、侧、底部、正面、背面等的术语是相对的或位置术语，并且针对图中示例的示例性实施例使用，因此这些术语可以是可互换的。