[发明专利]用于金属互连的共形粘附促进衬垫

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体结构，更具体地，涉及一种包括金属共形粘附促进衬垫的后段(back-end-of-line，BEOL)金属互连结构及其制造方法。

背景技术

金属衬垫被用于后段(back-end-of-line，BEOL)金属互连结构中以在金属填充结构与包埋该金属填充结构的介电层之间提供粘附强度。金属衬垫和金属填充结构共同构成载流结构，该载流结构例如可以是金属线、金属通路及其他们的一体形成的组合体。为了载流结构的可靠操作，金属衬垫与金属填充结构之间的高粘附强度是必要的。金属衬垫与金属填充结构之间的高粘附强度预防电迁移并提供BEOL金属互连结构的机械稳定性。

在大多数情况下，需要退火以增加直接形成在金属衬垫上的金属填充结构的材料的晶粒尺寸。当粘附强度不够大时，在载流结构进行退火期间空洞(void)可以形成在金属衬垫与金属填充结构之间的界面处。这样的空洞增加了载流结构的电阻，使电学性能退化。

此外，沿着金属衬垫与金属填充结构之间的边界的表面扩散通常是决定载流结构的总体电迁移性能的主要因素。因此，金属衬垫与金属填充结构之间的粘附强度对于决定载流结构的电迁移阻抗是关键的。通过提供随着载流结构的使用(即，从其中通过电流)并随着电迁移的进行而增长的初始空洞，金属衬垫与金属填充结构之间的界面处的任何空洞会加剧电迁移性能的劣化。

参考图1，现有技术的金属互连结构包括图案化的介电层110、金属氮化物衬垫120、金属衬垫130、Cu籽晶层150以及电镀Cu结构160。图案化的介电层110包括线槽和位于线槽下面的通路腔。金属氮化物衬垫120、金属衬垫130、Cu籽晶层150以及电镀Cu结构160填充线槽和通路腔以形成现有技术的载流结构(120、130、150、160)，其为一体形成的线和通路结构。

金属氮化物衬垫120通常通过物理气相沉积(PVD)形成。由于PVD是方向性沉积技术，其中沉积的材料从溅射靶移动到其上发生沉积的衬底，金属氮化物衬垫120的台阶覆盖率总是小于1.0，即，相比于平坦表面，结构的侧壁上会沉积更少的材料。因此，相比于通路孔的侧壁，线槽的底表面上会沉积更多的材料。一种增加侧壁覆盖率的方式是沉积和方向性溅射蚀刻的组合。在此情况下，通过方向性溅射蚀刻，沉积在凹陷的底表面上的金属材料可以从底表面被重新溅射掉并被重新沉积到围绕该凹陷的底表面的侧壁上。此外，相比于通路腔的下部分，通路腔的侧壁的上部分上会沉积更多的材料。尽管已知化学气相沉积(CVD)和原子层沉积(ALD)方法可相对于PVD提供提高的台阶覆盖率，但是在这些膜中常常发现杂质，杂质将会使作为粘附层以及扩散阻挡层的膜的质量退化。

金属衬垫130也通常通过PVD形成。由于以上讨论的沉积工艺的方向属性，金属衬垫130是非共形的。相比于通路腔的下部分，在通路腔的上部分中更多的材料累积在通路腔的顶部产生突出物，该突出物阻碍通路腔底部的材料沉积。由于材料将密封顶部，这样的突出物使后续以导电材料填充通路腔变得困难，这妨碍了通路内侧的进一步沉积。此外，金属氮化物衬垫120和金属衬垫130具有比电镀的Cu结构160更高的电阻率。因此，金属氮化物衬垫120的厚度以及金属衬垫130的厚度需要被保持得尽可能小。具体地，前段(front-end-of-line，FEOL)中的半导体器件的缩小需要金属互连结构相应地缩小。

金属氮化物衬垫120和金属衬垫130的厚度的缩小可能产生可靠性问题。具体地，当金属氮化物衬垫120和金属衬垫130的平面厚度约为10nm或更小时，侧壁上的覆盖率不会是均匀的或连续的。因此，薄金属衬垫区域133可以形成，特别是在通路腔的侧壁的底部，在通路腔的侧壁的底部金属衬垫130的厚度比邻近区域更薄。在一些情况下，薄金属衬垫区域133中可能缺少金属衬垫130的材料。

由于Cu籽晶层150通过PVD直接沉积在金属衬垫130上，薄金属衬垫区域133在Cu籽晶层150与金属衬垫130之间提供较小的粘附。这是因为在薄金属衬垫区域133内，没有金属衬垫130或者通过金属衬垫130的薄的部分，Cu往往具有对金属氮化物衬垫120的弱粘附。通路腔和线槽被电镀的Cu结构160填充以形成现有技术的载流结构(120、130、150、160)。