專利名稱：通過貴金屬共鍍形成銅互連結(jié)構(gòu)的方法以及由此形成的結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子器件加工領(lǐng)域，尤其涉及利用電鍍和/或無電鍍(electroless)技術(shù)形成銅互連結(jié)構(gòu)的方法以及由此形成的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
正如在本領(lǐng)域中所公知的，晶體管是所有集成電路的積木?，F(xiàn)代集成電路確實互連了數(shù)百萬密集配置的晶體管，所述晶體管執(zhí)行各種各樣廣泛的功能。為了在電路元件的密度上獲得如此顯著的提高，已經(jīng)要求微電子生產(chǎn)商按比例縮小電路元件的物理尺寸，以及利用將電路元件連接成為功能電路的多級互連結(jié)構(gòu)。
一種這樣的互連工藝已知為鑲嵌(damascene)工藝(圖5)，其中，在襯底200之上沉積介電層202和202′。在介電層202、202′中蝕刻通路(via)204、204′和槽(trench)206、206′。然后，金屬層208、208′(例如銅或鋁)形成在通路204、204′和槽206、206′之上。此工藝可以被重復，以獲得通過槽和通路的金屬化多層互連。
在鑲嵌結(jié)構(gòu)中利用銅金屬具有很多優(yōu)點，例如相對于以前使用的金屬(如鋁)具有較低的電阻。一種用于在鑲嵌結(jié)構(gòu)中沉積銅的技術(shù)是通過無電鍍沉積，無電鍍沉積因其較低的成本和高質(zhì)量的沉積而具有吸引力。在無電鍍中，金屬沉積是通過在含有還原劑的水性溶液中的化學還原反應發(fā)生，其中，不需要提供外部電源。但是，為了無電鍍地沉積金屬，無電鍍沉積需要活化非傳導表面(例如通過提供籽晶層)。
但是，存在與在鑲嵌結(jié)構(gòu)中使用銅作為互連金屬相關(guān)聯(lián)的問題。一個這樣的問題是，銅容易擴散或者漂移(drift)到介電層202、202′中(再參照圖5)，從而在鄰近的電路元件間形成短路。因此，必須用擴散阻擋層(例如鉭、氮化鉭、氮化鈦(TiN)或鎢化鈦(TiW))包封銅互連結(jié)構(gòu)。不幸的是，擴散阻擋層的加入會提高銅互連結(jié)構(gòu)的有效介電常數(shù)，結(jié)果，這導致阻—容(RC)遲滯的增加，使得器件的電性能下降。
另一個與銅金屬化相關(guān)聯(lián)的問題是銅很容易被氧化，尤其在隨后的處理步驟中。被氧化了的銅使銅互連的電子和機械性能下降。因此，一般采用密封的包封層來為銅層提供抗腐蝕性，這樣的包封材料可以包括碳化硅(SiC)和氮化硅(SiN)。該包封層也可以作為蝕刻終止處，這防止在隨后的處理步驟中銅層的過分蝕刻。但是，該包封層也可能增加銅互連結(jié)構(gòu)的有效介電常數(shù)。
還有，銅金屬化遭遇到的另一個問題是銅原子以高電流密度(current density)電遷移，結(jié)果，這導致在金屬互連結(jié)構(gòu)中的空隙(void)。一種減少電遷移數(shù)量的方法是使金屬銅與鋁、錫、銦或者硅形成合金；但是，這可能顯著地提高銅的電阻。
因此，存在對改善的銅互連制造工藝以及結(jié)構(gòu)的需要，所述制造工藝和結(jié)構(gòu)提高銅的抗腐蝕性和/或抗氧化性，提高抗電遷移性，和/或降低銅互連結(jié)構(gòu)的有效介電常數(shù)。


盡管說明書結(jié)論部分的權(quán)利要求書特別指出和清楚主張了那些被認為是本發(fā)明的內(nèi)容，當結(jié)合附圖一起閱讀時，本發(fā)明的優(yōu)點可以比較容易地從以下對本發(fā)明的描述中發(fā)現(xiàn)，其中圖1a-1f顯示了當實施本發(fā)明的方法的實施方案時，可以形成的多個結(jié)構(gòu)的剖視圖。
圖2顯示了當實施本發(fā)明的方法的實施方案時，可以形成的結(jié)構(gòu)的剖視圖。
圖3顯示了當實施本發(fā)明的方法的又一個實施方案時，可以形成的結(jié)構(gòu)的剖視圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施方案的工藝流程圖。
圖5是本領(lǐng)域中已知的鑲嵌互連結(jié)構(gòu)的剖視圖。
具體實施方案在以下詳細的描述中，將參照通過圖示方式顯示可以在其中實施本發(fā)明的實施方案的附圖。這些實施方案以足夠詳細的方式被描述，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明。應當可以理解，本發(fā)明的各種實施方案盡管不同，但并不必互相排斥。例如，連同一個實施方案一起描述的特定的特征、結(jié)構(gòu)或者特性，在沒有背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以在其他實施方案中實現(xiàn)。另外，應當可以理解，在每個所公開的實施方案中，在沒有背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以修改單個元件的位置和排列。因此，以下的詳細描述不應作為限制性的；本發(fā)明的范圍應僅以所附的權(quán)利要求書來定義，并與權(quán)利要求書所享有的全部等同物范疇一起來恰當?shù)亟忉?。在圖形中，同樣的數(shù)字在所有幾個視圖中表示同樣或相似的功能性。
描述一種制作銅互連結(jié)構(gòu)的方法。該方法包括，在置于襯底上的介電層中形成開口，在該開口之上形成阻擋層，在該金屬層之上形成籽晶層，以及通過電鍍和/或無電鍍沉積在該籽晶層上形成銅-貴金屬合金層，其中，該銅-貴金屬合金層改善了銅互連結(jié)構(gòu)的電特性和可靠性。然后，蝕刻終止(stop)層或者包覆(cladding)層可以形成在該銅合金層上。
在本發(fā)明的方法的實施方案中，如圖1a-1f所示，介電層104形成在襯底102上(圖1a)。襯底102可以包括材料如硅、絕緣硅、鍺、銻化銦、碲化鉛、砷化銦、磷化銦、砷化鎵或者銻化鎵。雖然，在此描述了可以形成襯底的材料的幾個實施例，但是，任何可以當作基底，且微電子器件可以被創(chuàng)建在其上的材料都落入本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)。
介電層104形成在襯底102上。本領(lǐng)域技術(shù)人員將領(lǐng)會到，介電層104也可以由各種不同材料、厚度或者多層材料形成。通過圖示和非限制的方式，介電層104可以包括二氧化硅(優(yōu)選)，有機材料或無機材料。雖然，在此描述了可以被用來形成介電層104的材料的幾個實施例，但是，該層可以由用來隔離和絕緣不同金屬層的其他材料制作。
介電層104可以使用傳統(tǒng)的沉積方法形成在襯底102上，例如化學氣相沉積(“CVD”)、低壓化學氣相沉積(“LPCVD”)、物理氣相沉積(“PVD”)、原子層沉積(“ALD”)。優(yōu)選使用CVD工藝。在這樣的工藝中，金屬氧化物前體(例如金屬氯化物)和水蒸氣可以以選定的流速送入到CVD反應器內(nèi)，然后該反應器在選定的溫度和壓力下操作以在襯底102和介電層104之間產(chǎn)生原子級光滑界面。CVD反應器應該以足夠長的時間操作以形成具有所期望厚度的介電層104。在大多數(shù)應用中，介電層104大約一微米厚，更優(yōu)選地，在大約6,000埃和大約8,000埃之間。
根據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的傳統(tǒng)鑲嵌技術(shù)，介電層104可以有至少一個形成在其中的開口105(圖1b)，該開口包括至少一個通路(via)106，以及至少一個槽107，其可以被用來連接到微電子器件中的其他金屬層(未顯示)。由于這樣的步驟對本領(lǐng)域技術(shù)人員是熟知的，在此將不再更詳細地描述。
在開口105形成以后，阻擋層108被沉積在開口105上(圖1c)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將領(lǐng)會到，阻擋層108可以由各種不同的材料、厚度或者多層材料形成。通過圖示并且非限制的方式，阻擋層108可以使用傳統(tǒng)技術(shù)來沉積，例如PVD，ALD，傳統(tǒng)的CVD，低壓CVD或者本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其他此類方法。在目前優(yōu)選的實施方案中，該阻擋層可以包括以下材料中的任何一種鉭、鎢、鈦、釕、鉬以及它們與氮、硅和碳的合金。雖然在此描述了幾種可以被用來形成阻擋層108的材料的實施例，但是該層可以由用作防止金屬擴散越過阻擋層108的其他材料來制成。阻擋層108可以在大約10埃至大約500埃的范圍內(nèi)。優(yōu)選為較薄的阻擋層108(在大約10埃和50埃之間)，因為薄的阻擋層對銅互連結(jié)構(gòu)的總電阻的貢獻較小。
然后，籽晶層110可以可選擇地形成在阻擋層108上(圖1d)，并且可以只包括銅，或者包括銅與錫、銦、鎘、鋁、鎂的合金，或者銅與貴金屬(例如銀、鈀、鉑、銠、釕、金、銥和鋨)的合金，或者該籽晶層110可以只包括貴金屬。本領(lǐng)域技術(shù)人員將領(lǐng)會到，籽晶層110可以由各種不同的材料、厚度或者多層材料形成。在目前優(yōu)選的實施方案中，籽晶層110的厚度在大約10埃和2,000埃之間，并且包括銅-貴金屬合金。在籽晶層110中的貴金屬的原子百分比優(yōu)選在大約10％或者更低，并且最優(yōu)選為在大約0.1％和4％的原子百分比之間。籽晶層110可以使用傳統(tǒng)沉積方法(例如傳統(tǒng)CVD、低壓CVD、PVD、ALD或者本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其他此類方法)形成在阻擋層108上。雖然在此描述了幾個可以被用來形成籽晶層110的材料的實施例，但是籽晶層110可以由其他材料制成，所述其他材料用來活化該擴散阻擋層表面以使其為銅的無電鍍沉積或者電鍍做好準備。
在優(yōu)選實施方案中，銅沉積工藝可以使用本領(lǐng)域熟知的傳統(tǒng)銅電鍍工藝進行，其中，通過使用直流電鍍工藝將銅填入單鑲嵌或者雙鑲嵌結(jié)構(gòu)(見圖4)。首先，為銅118的電鍍提供表面(阻擋層108或者籽晶層110)。接著，將該表面暴露給電鍍液119。然后，銅合金層112形成在表面120上。另外，如果該表面為籽晶層110，籽晶層110可以被電鍍工藝所使用(consumed)，以至于籽晶層110可以變成與銅合金層112是連續(xù)的，如圖1f所示，這在本領(lǐng)域是公知的。另外，應理解到，銅的電鍍可以直接形成在阻擋層上，因為籽晶層是可選擇的，因此在本發(fā)明的實施方案中可以不出現(xiàn)該籽晶層(見圖1f)。
在目前優(yōu)選的實施方案中，電鍍液可以包括銅離子、硫酸、氯離子、添加劑(例如抑制劑，如聚乙二醇，以及抗抑制劑，如二硫化物)、貴金屬離子、貴金屬以及配位劑(例如硫代硫酸鹽和過氧化硫酸氫鹽)。雖然在此描述了幾個可以包括電鍍液的材料的實施例，但是該溶液可以包括用來將銅沉積在貴金屬合金的表面上(例如阻擋層108或者籽晶層110)的其他材料(圖1e和1f)。
可替換地，銅的沉積可以使用無電鍍沉積工藝進行，該沉積工藝包括通過金屬鹽和化學還原劑的相互作用的膜的任何自催化(如不需要外部電源供應)沉積。首先，如本領(lǐng)域所知，為了產(chǎn)生活化的表面(即容易進行無電鍍沉積工藝的表面)，準備或者處理該表面(如阻擋層108)是必需的。為無電鍍沉積提供表面活化的方法可以包括接觸置換(contactdisplacement)，其中用包含銅的接觸置換液浸泡或者噴灑該表面，或者包括利用籽晶層，例如籽晶層110。在無電鍍沉積期間，籽晶層110(見圖1c)可以用作為活化表面，無電鍍沉積形成在其上面。籽晶層110作用為一個區(qū)域，該區(qū)域控制來自無電鍍沉積工藝中的已沉積金屬的布局(placement)，因為來自無電鍍沉積液的金屬僅沉積在籽晶層110上。結(jié)果，無電鍍沉積方法固有的選擇性帶來了較高質(zhì)量的金屬化膜，因為其改善了無電鍍沉積的金屬層的均勻性和連續(xù)性。
接著，在已經(jīng)為無電鍍沉積提供活化表面(在本發(fā)明本實施方案中的籽晶層110)后，通過包括將該活化層浸入無電鍍沉積液或者噴灑無電鍍沉積液在該活化表面上的方法，將該活化層暴露給無電鍍沉積液。最后，金屬(例如本發(fā)明中的銅合金層112)被無電鍍沉積在該活化表面上。
銅合金層112可以包括以下合金銅銀、銅鈀、銅鉑、銅銠、銅釕、銅金、銅銥以及銅鋨。合金中貴金屬的百分比大約為4％原子量，最優(yōu)選在大約0.1％和4％原子量之間。將貴金屬結(jié)合到銅合金層112中提高了銅的抗腐蝕性，因為貴金屬的不活躍性，銅合金層112比純銅較少傾向于氧化。銅合金層112還比純銅具有較好的抗電遷移性，因為貴金屬的低溶解性促進了貴金屬對銅合金層112的晶粒邊界的填充，并且促進了對銅層112與阻擋層108和蝕刻終止層114(該層可以在后面的步驟中沉積，見圖2)造成的界面的填充。這防止了電遷移主要故障路徑(短路等)的產(chǎn)生，否則故障路徑可能發(fā)生在沿微粒邊界和界面一帶。另外，貴金屬的抗氧化性防止了故障路徑通過有裂縫或者有氣孔的氧化銅，該氧化銅可以形成在銅合金層112的上表面，以及可能形成在阻擋層108與介電層104的界面處。至此，形成銅互連結(jié)構(gòu)113的方法已經(jīng)被公開(圖1e和1f)。
根據(jù)本發(fā)明的方法，可以領(lǐng)會到，多層金屬化可以沉積在銅互連結(jié)構(gòu)113的頂部(如圖2和圖3所示)。在銅合金層112、112′如先前所述形成以后，蝕刻終止層114、114′可以形成在銅合金層112、112′之上(圖2)。蝕刻終止層114、114′可以包括碳化硅、氮化硅、氮化碳硅以及其他在本領(lǐng)域中已知的此類材料。本領(lǐng)域技術(shù)人員將領(lǐng)會到，蝕刻終止層114、114′可以由各種不同的材料、厚度或者多層材料形成。雖然，在此描述了可以被用于形成蝕刻終止層114、114′的材料的幾個實施例，但是該層可以由其他材料制成，所述其他材料在隨后的工藝步驟，例如在隨后的平板印刷、蝕刻以及清潔工藝步驟中，用來阻止蝕刻銅合金層112。因為此類的工藝步驟為本領(lǐng)域所熟知，將不在此詳細描述。通過圖示并且非限制的方式，可以使用傳統(tǒng)技術(shù)，例如PVD、ALD、傳統(tǒng)CVD、低壓CVD或者其他本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的此類方法沉積蝕刻終止層114、114′。蝕刻終止層114、114′能夠在大約100埃至大約1000埃的范圍內(nèi)。優(yōu)選為較薄的蝕刻終止層114、114′，因為較薄的層對銅互連結(jié)構(gòu)總的介電常數(shù)的貢獻較小。
在另一個實施方案中，包覆層116、116′可以被無電鍍沉積在銅合金層112、112′上而不是在蝕刻終止層114、114′上(圖3)。包覆層116、116′可以包括貴金屬或者它們與耐熔(refractory)金屬(例如銀鎢、鈀鎢)的合金。另外，包覆層116、116′可以包括無電鍍沉積的鈷鎳與耐熔金屬以及/或者它們的類金屬(metalloid)(如硼或磷)的合金。該包覆層的使用允許完全取消蝕刻終止層，因為由于銅合金層112、112′以及包覆層116、116′的高抗腐蝕性，不再需要蝕刻阻止功能。蝕刻終止層的取消降低了銅合金層的有效介電常數(shù)，改善了晶體管器件的電性能和速度。
如上所述，無電鍍沉積貴金屬-銅合金金屬化結(jié)構(gòu)的使用提高了銅的抗腐蝕性和抗氧化性，提高了抗電遷移性，并且降低了銅互連結(jié)構(gòu)的有效介電常數(shù)。因此，大大地增強了微電子器件的可靠性和速度。應當可以理解，本發(fā)明包括了單鑲嵌和雙鑲嵌兩種結(jié)構(gòu)，以及多層金屬化結(jié)構(gòu)。
雖然前面的描述已具體化可以被用于在本發(fā)明的方法中的某些步驟和材料，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將領(lǐng)會到，可以進行許多修改和替換。因此，所有此類的修改、變化、替換以及附加物被視為落入由所附的權(quán)利要求書定義的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。另外，在襯底頂部(例如硅片)制作多金屬層結(jié)構(gòu)以生產(chǎn)硅器件為本領(lǐng)域所熟知。因此，可以領(lǐng)會到，在此提供的圖形僅僅圖示了與本發(fā)明的實施有關(guān)的部分示范性微電子器件。因而，本發(fā)明不限于在此所述的結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種鍍銅的方法，包括通過電鍍在表面鍍上銅合金層，其中所述合金層基本上包括銅和貴金屬。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中所述銅合金層通過電鍍形成。
3.如權(quán)利要求1的方法，其中所述銅合金層通過無電鍍沉積形成。
4.如權(quán)利要求1的方法，其中所述表面包括籽晶層或阻擋層。
5.如權(quán)利要求2的方法，其中所述籽晶層包括少于約10％原子量的所述貴金屬。
6.如權(quán)利要求1的方法，其中所述貴金屬占少于約4％原子量的所述銅合金層。
7.如權(quán)利要求1的方法，其中所述貴金屬基本上包括選自由銀、鈀、鉑、銠、釕、金、銥、鋨或其組合組成的組的物質(zhì)。
8.一種形成銅互連的方法，包括在置于襯底上的介電層里形成開口；在所述開口上形成阻擋層；在所述阻擋層上形成籽晶層；以及在所述籽晶層上形成銅合金層，其中所述銅合金包括銅和貴金屬。
9.如權(quán)利要求8的方法，其中所述銅合金層通過電鍍形成。
10.如權(quán)利要求8的方法，其中所述銅合金層通過無電鍍沉積形成。
11.如權(quán)利要求8的方法，其中所述貴金屬占少于約4％原子量的所述銅合金層。
12.如權(quán)利要求8的方法，其中所述籽晶層包括少于約10％原子量的所述貴金屬。
13.如權(quán)利要求8的方法，其中所述貴金屬基本上包括選自由銀、鈀、鉑、銠、釕、金、銥、鋨或其組合組成的組的物質(zhì)。
14.如權(quán)利要求8的方法，其中所述籽晶層基本上包括選自由銅、錫、鋁、鎂、銀、鈀、鉑、銠、釕、金、銥、鋨或其組合組成的組的物質(zhì)。
15.如權(quán)利要求8的方法，其中所述介電層中的所述開口為鑲嵌結(jié)構(gòu)。
16.如權(quán)利要求8的方法，其中所述阻擋層包括基本上選自由鉭、鎢、鈦、釕、氮化鉭、氮化鎢、氮化鈦、氮化釕、硅化鉭、硅化鎢、硅化鈦、硅化釕、碳化鉭、碳化鎢、碳化鈦、碳化釕或其組合組成的組的物質(zhì)。
17.如權(quán)利要求8的方法，還包括形成蝕刻終止層。
18.如權(quán)利要求17的方法，其中所述蝕刻終止層基本上包括選自由碳化硅、氮化硅或其組合組成的組的物質(zhì)。
19.如權(quán)利要求18的方法，其中所述蝕刻終止層通過化學氣相沉積形成并且小于約1000埃厚。
20.如權(quán)利要求8的方法，還包括形成包覆層。
21.如權(quán)利要求20的方法，其中所述包覆層基本上包括選自由銀、鈀、鉑、銠、釕、金、銥、鋨、鎢或其組合組成的組的物質(zhì)。
22.如權(quán)利要求21的方法，其中所述包覆層通過無電鍍沉積形成。
23.如權(quán)利要求22的方法，其中所述包覆層基本上包括選自由鈷、鎳、鎢、鈦、鉭、鉬、鋯、錸、硼、磷或其組合組成的組的物質(zhì)。
24.一種銅互連，包括具有開口的介電層；在開口上的阻擋層；以及在所述阻擋層上的銅合金層，其中所述銅合金層基本上包括銅和貴金屬。
25.如權(quán)利要求24的方法，其中所述貴金屬占少于大約4％原子量的所述銅合金層。
26.如權(quán)利要求25的銅互連，還包括在所述銅合金層上形成包覆層。
27.如權(quán)利要求26的銅互連，其中包覆層基本上包括選自由銀、鈀、鉑、銠、釕、金、銥、鋨、鎢或其組合組成的組的物質(zhì)。
28.如權(quán)利要求24的銅互連，還包括在所述銅合金層上形成蝕刻終止層。
29.如權(quán)利要求28的銅互連，其中所述蝕刻終止層基本上包括選自由碳化硅、氮化硅或其組合組成的組的物質(zhì)。
全文摘要
一種形成銅互連的方法，包括在設置在襯底上的介電層中形成開口，在該開口上形成阻擋層，在該金屬層上形成籽晶層，以及通過電鍍和/或無電鍍沉積在該籽晶層上形成銅－貴金屬合金層。該銅－貴金屬合金層改善了銅互連的電特性和可靠性。
文檔編號C25D7/12GK1720354SQ200380105242
公開日2006年1月11日 申請日期2003年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月5日
發(fā)明者瓦萊利·迪賓 申請人:英特爾公司