專利名稱：形成具有改進(jìn)的界面和粘合力的銅互連封蓋層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于在半導(dǎo)體器件中使銅(Cu)和/或銅合金金屬化的方法，特別是牢固地封蓋銅或銅合金的互連層。本發(fā)明可應(yīng)用于制造含有亞微米設(shè)計(jì)特征的高速集成電路，和高傳導(dǎo)率互連結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
對于高密度與超大型集成半導(dǎo)體配線的性能有越來越嚴(yán)格的要求時(shí)，需要在互連技術(shù)上有快速的因應(yīng)變化。如此越趨嚴(yán)格的要求標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在供應(yīng)低RC(阻容)互連電路模塊時(shí)是很難達(dá)到的，特別是因?yàn)樾⌒突沟脕單⒚捉閷佣础⒔佑|、渠溝擁有高縱橫比。
傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件包含典型摻雜單晶硅的半導(dǎo)體基質(zhì)，和多個(gè)相繼形成的中間電介質(zhì)層與導(dǎo)電模塊。集成電路形成包含多個(gè)導(dǎo)電模塊，以及多個(gè)互聯(lián)機(jī)，而該導(dǎo)電模塊包含由內(nèi)線間隔所分開的導(dǎo)線，而該多個(gè)互聯(lián)機(jī)則譬如為總線線、位線、字符線與邏輯互聯(lián)機(jī)。一般說來，在不同層，也就是上層和下層的導(dǎo)電模塊是由充填在介層洞的導(dǎo)電插塞所電連接，然而，充填著接觸孔的導(dǎo)電插塞建立了與半導(dǎo)體基質(zhì)上作用區(qū)域的電性接觸，譬如源極/漏極區(qū)。傳導(dǎo)線是以溝渠組成，而該溝渠典型地相關(guān)于半導(dǎo)體基質(zhì)而實(shí)質(zhì)水平延伸。當(dāng)器件的幾何形狀縮到亞微米水平時(shí)，包含五個(gè)或更多的金屬化層級(jí)的半導(dǎo)體芯片將會(huì)越來越流行。
一般是由在具有至少一個(gè)導(dǎo)電模塊的導(dǎo)電層上沉積中間插入層電介質(zhì)，形成由傳統(tǒng)光照和蝕刻技術(shù)來穿透中間插入層電介質(zhì)的開口，并且用導(dǎo)電材料，例如“鎢”，來充填開口來形成充填介層洞的導(dǎo)電插塞。在中間插入層電介質(zhì)表面的過量導(dǎo)電材料一般是用“化學(xué)機(jī)械研磨法”(CMP)來移除。如此的一種方法是以鑲嵌知名，并基本地有關(guān)于在中間插入層電介質(zhì)里形成開口并以金屬來填滿開口。雙重鑲嵌技術(shù)有關(guān)于形成具有低接點(diǎn)或介層洞區(qū)來連接高溝渠區(qū)的開口，而該開口是填滿導(dǎo)電材料，一般是使用金屬，以同時(shí)形成導(dǎo)電插塞來與導(dǎo)電線電接觸。
高性能的微處理器應(yīng)用需要急速的半導(dǎo)體電路，半導(dǎo)體電路的控制速度與在互連模塊上的電阻和電容成反比。當(dāng)集成電路趨于復(fù)雜并且部件的尺寸與空隙趨于微小時(shí)，集成電路的速度就較少依賴于晶體管本身，而較多依賴于互連模塊?！靶⌒突币蟀行〗狱c(diǎn)與小橫斷面的長互連。當(dāng)金屬互連層的長度增加而且橫斷面的面積與互連層間的縫隙減少時(shí)，互連層配線將增加電阻電容的延遲。如果將互連層的節(jié)點(diǎn)予以安排越過相當(dāng)大的距離，例如幾百微米或更多如亞微米技術(shù)，則互連層的電容會(huì)限制住電路節(jié)點(diǎn)的電容負(fù)載，因此也限制了電路的速度。當(dāng)設(shè)計(jì)標(biāo)尺降到大約0.18微米或更小時(shí)，例如大約0.15微米或更小，因?yàn)榧呻娐匪俣葒?yán)重的延遲而造成的淘汰率會(huì)減少產(chǎn)品的生產(chǎn)量并增加制造成本。此外，當(dāng)配線的寬度減小時(shí)，導(dǎo)電度與電遷移的阻抗就越趨于重要。
在互聯(lián)層金屬化上用以替換鋁的替代品的方面，銅和銅合金已經(jīng)受到相當(dāng)大的注意。銅相對于鋁來說，是較為便宜的、較容易生產(chǎn)的、并擁有較低的電阻，另外，銅相對于鎢來說則具有改良的電性，使得銅成為在導(dǎo)電插塞的使用上與在導(dǎo)電線的使用上成為令人期望的金屬。
形成銅插塞與導(dǎo)線的一種方法包含應(yīng)用化學(xué)機(jī)械研磨的鑲嵌結(jié)構(gòu)的使用，例如由Teong獲得的美國專利第5693563號(hào)。然而，因?yàn)殂~的擴(kuò)散穿透中間電介質(zhì)層材料，例如二氧化硅，所以銅互連結(jié)構(gòu)就必須由擴(kuò)散位障層來予以封進(jìn)。典型的擴(kuò)散位障金屬包含鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)、氮化鈦(TiN)、鎢化鈦(TiW)、鎢(W)、氮化鎢(WN)、Ti-TiN、氮化钖鈦(TiSiN)、氮化钖鎢(WsiN)、氮化钖鉭(TaSiN)、和氮化硅來封裝銅。使用這些位障材料來封裝銅并不受限于銅和中間層電介質(zhì)間的界面，但也包括與其它材料的界面。
由于傳統(tǒng)使用擴(kuò)散位障層(封蓋層)的銅互連方法而存在有額外的問題。例如，傳統(tǒng)的做法包含在中間層電介質(zhì)里形成一個(gè)鑲嵌狀開口，沉淀位障層，例如氮化鉭，給開口及在中間層電介質(zhì)表面上加襯里，用銅或銅合金層來填充缺口，使用化學(xué)機(jī)械研磨的方法，并在銅和銅合金裸露的表面上形成封蓋層。然而，令人發(fā)現(xiàn)到的是這些經(jīng)由等離子體加強(qiáng)化學(xué)氣相沉積所沉淀的封蓋層，例如氮化硅，則表現(xiàn)出對于銅或銅合金表面的很差的粘著力。因此，封蓋層很容易移除，例如因?yàn)楣蝹蛞驗(yàn)楹髞沓练e層所引發(fā)的壓力而造成剝落。結(jié)果，銅或銅合金并未完全予以封蓋住而銅的擴(kuò)散依然發(fā)生，因而對器件的性能有不良的影響，并且降低了銅和銅合金互連器件的電遷移阻抗。此外，傳統(tǒng)等離子體加強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)的氮化硅封蓋層的密度約為2.62克/立方厘米，也因此，后來金屬化層形成互連時(shí)，這些傳統(tǒng)封蓋層并不能很有效地成為蝕刻終端層。
在審查中的相關(guān)申請案序號(hào)第09/112472號(hào)于1998年7月9日提出申請，關(guān)于PECVD氮化硅覆蓋層到銅互連的粘著力問題，是由開始時(shí)用含氫的等離子體處理裸露的表面，之后在該經(jīng)過處理的表面上形成硅化銅層，并于其上沉淀一層氮化硅封蓋層而提出。在審查中的相關(guān)申請案序號(hào)第09/131872號(hào)于1998年8月10日提出申請，現(xiàn)在已在2000年12月26日獲頒發(fā)美國專利第6165894號(hào)，關(guān)于氮化硅覆蓋層到銅互連的粘著力問題，是由以含氨的等離子體來處理裸露的表面，并沉淀氮化硅封蓋層于其上而提出。在審查中的相關(guān)申請案序號(hào)第09/208245號(hào)于1998年12月9日提出申請，現(xiàn)在已在2000年11月28日獲頒發(fā)美國專利第6153523號(hào)，公開了一種使用含氨的等離子體來處理裸露的表面的方法，然后在高密度等離子體狀態(tài)下沉淀氮化硅封蓋層以獲得約2.67到約2.77克/立方厘米的密度。在審查中的相關(guān)申請案序號(hào)第09/112158號(hào)于1998年7月9日提出申請(委托人案件編號(hào)第E0984，我們的案件編號(hào)第52352-646)，公開了一種包含以含有氮和氨的等離子體來處理銅或銅合金層的表面，隨后在同一個(gè)反應(yīng)室內(nèi)的氮的存在處沉淀封蓋層以改良封蓋層到銅互連的粘著力的方法。這些技術(shù)一直以來都是有效的。
然而，在更進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)與研究之后，發(fā)現(xiàn)在這些經(jīng)過等離子體涂抹以移除氧化銅的銅或銅合金層的表面上發(fā)生變色，例如變黑和/或變綠，其顯示出在沉淀封蓋層之前經(jīng)等離子體處理的銅或銅合金表面的毒化和/或腐蝕。在銅或銅合金互連和例如氮化硅封蓋層的封蓋層之間的界面發(fā)生的腐蝕和/或毒化問題，負(fù)面地影響了其間的粘著力。
當(dāng)設(shè)計(jì)標(biāo)尺降到亞微米的范圍，如大約0.18微米和更小，例如大約0.15微米和更小，對于互連模塊的可靠性要求則變得尤其嚴(yán)格。因此，封蓋或位障層到銅互連的粘著力與金屬化處理層之間垂直互連的準(zhǔn)確度需要有更大的可靠性。于是，為了使垂直金屬化處理層能有更好的準(zhǔn)確性與可靠性，需要一種能夠形成封裝銅或銅合金互連器件的方法。更需要一種能夠在其間具有強(qiáng)粘著力的銅或銅合金互連上形成封蓋層的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一優(yōu)點(diǎn)是提供一種制造具有高可靠性銅或銅合金互連器件的半導(dǎo)體器件的方法。
本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)是提供一種制造包含具有堅(jiān)固粘著其上的氮化硅封蓋層的銅或銅合金互連器件的半導(dǎo)體器件的方法。
本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)與特征，將在之后的說明中陳述，而就部分而言，本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)與特征對于那些因接下來的實(shí)驗(yàn)而具有本技術(shù)的普通技巧的人來說將是特別明顯的，或者可以從本發(fā)明的做法中學(xué)得。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)將在附加的申請專利范圍中予以特別地指出而令人了解并得到認(rèn)同。
根據(jù)本發(fā)明，前述與其它的優(yōu)點(diǎn)是部分地由一種制造半導(dǎo)體器件的方法來獲得優(yōu)點(diǎn)，該方法包含下列幾項(xiàng)于第一壓力的反應(yīng)室中，使用含氨的等離子體來處理銅或銅合金表面；在一段約30秒至60秒的時(shí)間里，將第一壓力減壓至約為50毫托至100毫托的第二壓力；導(dǎo)引硅烷進(jìn)入反應(yīng)室中；并在反應(yīng)室中沉淀氮化硅位障層于銅或銅合金層的表面上。
本發(fā)明的另一方面為制造半導(dǎo)體裝置的方法，該方法包含下列各步驟加熱反應(yīng)室的溫度至約300℃到400℃；在約300℃到400℃的溫度下用氮滌凈反應(yīng)室；引入晶片于反應(yīng)室中，該晶片包含有銅或銅合金層的表面；使用含氨的等離子體來處理該銅或銅合金層的表面；并在反應(yīng)室中形成位障層于已處理的銅或銅合金的表面上。
本發(fā)明的實(shí)施方案，包括在此多個(gè)短暫的階段里，逐漸地引進(jìn)硅烷于反應(yīng)室中，直到能在開始沉淀氮化硅位障層之前達(dá)到至少大約150sccm的流率。本發(fā)明的實(shí)施方案更進(jìn)一步地包含在導(dǎo)入晶片之前的多個(gè)階段里的開始滌凈反應(yīng)室。本發(fā)明的實(shí)施方案更進(jìn)一步地包括于晶片上的中間層電介質(zhì)里形成開口，沉積底層擴(kuò)散位障層，例如氮化鈦，加襯里于開口及中間電介質(zhì)層上，在充填開口的擴(kuò)散位障層上沉淀銅或銅合金層并蓋滿中間層電介質(zhì)，用化學(xué)機(jī)械研磨的方法移除所有溢出開口的銅和銅合金層，留下裸露在外的表面并使其氧化，且輸送晶片到反應(yīng)室中，以用于根據(jù)本發(fā)明，由使用含氨的等離子體來處理裸露的銅和銅合金層表面的加工處理；并在該已經(jīng)處理的表面上沉淀氮化硅位障層。
由下列的詳細(xì)說明，對那些本技術(shù)領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員來說，本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)將會(huì)是顯而易見的，其中簡單地經(jīng)由舉例說明在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明時(shí)預(yù)期中最好的操作模式，而說明了關(guān)于本發(fā)明中的實(shí)施方案。應(yīng)該理解到，本發(fā)明可有其它不一樣的實(shí)施方案，其本身的幾個(gè)細(xì)節(jié)在許多顯然的方向上都可作修飾，而全然不違背本發(fā)明。所以，在本質(zhì)上我們把這些圖形與說明視為例證而非限制。
附圖簡述

圖1至4是說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的方法的一系列施行階段。
具體實(shí)施模式本發(fā)明提出并解決封蓋銅和銅合金互連，例如使用氮化硅當(dāng)作封蓋層，伴隨而來的問題。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的方法，可以明顯改良例如氮化硅的封蓋層對于銅和銅合金互連器件的粘著力，因而避免封蓋層剝落、銅擴(kuò)散并提高電遷移阻抗。在此應(yīng)用的整個(gè)實(shí)施過程中，銅趨于包圍高純度的元素銅以及以銅為主成分的合金，例如包含有少部分錫、鋅、錳、鈦、鎂以及鍺的銅合金。
當(dāng)設(shè)計(jì)標(biāo)尺降到深亞微米的范圍，如大約0.18微米和更小，例如大約0.15微米和更小時(shí)，對于封裝的銅和/或銅合金互連器件的可靠性就越趨于重要。形成銅和銅合金互連器件的傳統(tǒng)方法令人發(fā)現(xiàn)是一種于形成氧化銅表面薄膜時(shí)導(dǎo)致的鑲嵌開口，并且據(jù)信包含在化學(xué)機(jī)械研磨過程中形成的氧化銅和氧化亞銅混合物。在本質(zhì)上該氧化銅表面薄膜為多孔質(zhì)且易脆的。此氧化銅表面薄膜的存在非預(yù)期地減少了譬如氮化硅的封蓋層對于下層銅和銅合金互連器件的粘著力。結(jié)果，在銅或銅合金/氧化銅界面上產(chǎn)生裂痕，其導(dǎo)致銅的擴(kuò)散，并由于該擴(kuò)散而加劇了電遷移。發(fā)生在銅或銅合金/氧化銅界面的裂痕加強(qiáng)了表面擴(kuò)散，該擴(kuò)散比晶粒邊界擴(kuò)散或晶格擴(kuò)散還要來得急速。在審查中相關(guān)申請案序號(hào)第09/112472號(hào)公開的含氫等離子體處理法與在審查中相關(guān)申請案序號(hào)第09/131872號(hào)現(xiàn)在已在2000年12月26日獲頒發(fā)美國專利第6165894號(hào)中所公開的含氨等離子體處理法，改良了氮化硅封蓋層對于銅或銅合金的粘著力。因?yàn)楦黠@地改良了封蓋層，例如氮化硅的粘著力，本發(fā)明所提出的改良方法優(yōu)于這些審查中相關(guān)申請案的方法。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)與研究的實(shí)施，已發(fā)現(xiàn)經(jīng)過等離子體處理以減少氧化銅的銅金屬化表面發(fā)生變色，例如變黑和/或變綠。這些變色是令人認(rèn)定為腐蝕和/或毒化的征兆，該腐蝕和/或毒化是通過減少銅和封蓋層間的粘著力而退化它們之間的界面。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)與研究提出了一種看法，在銅與封蓋層間界面的這種剝蝕與毒化起源于許多因素。
在實(shí)驗(yàn)與研究期間，已觀察到在等離子體處理銅表面以移除氧化銅之后，反應(yīng)室予以抽氣約10秒鐘左右，而用以沉淀封蓋層所需的反應(yīng)氣體則以適合沉淀的流率而導(dǎo)進(jìn)反應(yīng)室。例如，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)沉淀氮化硅封蓋層在經(jīng)過含氨等離子體處理過的銅表面時(shí)，硅烷以控制在每分鐘150sccm左右的質(zhì)量流率而導(dǎo)進(jìn)反應(yīng)室。然而，卻經(jīng)常遇到初始的波動(dòng)與突波，因此，實(shí)際上，硅烷以例如大約每分鐘200到300sccm的較高流率進(jìn)入反應(yīng)室。剛經(jīng)過等離子體處理以減少氧化銅后的銅表面是極敏感的，因此易發(fā)生剝蝕。更進(jìn)一步令人相信的是，在等離子體處理過后不久，導(dǎo)進(jìn)反應(yīng)室的硅烷的初始波動(dòng)不良地影響著敏感的銅表面，并導(dǎo)致在銅互連與氮化硅封蓋層間界面的腐蝕和/或毒化。另外的實(shí)驗(yàn)與研究更進(jìn)一步地令人相信，于晶片加工操作間殘留在反應(yīng)室里的氣體導(dǎo)致經(jīng)等離子體處理過的銅表面的變色和/或毒化。
本發(fā)明提出并解決經(jīng)含氨或含氫等離子體處理過的銅表面所發(fā)生的腐蝕和/或毒化問題，也因此顯著地改良了銅互連與封蓋層間界接的完整，例如氮化硅封蓋層。所以，本發(fā)明能夠顯著地改良器件的可靠性，特別是在亞微米的范疇下。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，相對于傳統(tǒng)方法中在導(dǎo)進(jìn)反應(yīng)氣體以沉淀封蓋層前，例如于沉淀氮化硅封蓋層時(shí)，導(dǎo)進(jìn)硅烷之前，提供足夠的時(shí)間來使等離子體處理過的銅表面鈍化，以減少其敏感度至退化，本發(fā)明在等離子體處理與封蓋層沉淀間的時(shí)間是較長的。因此，本發(fā)明實(shí)施方案包含經(jīng)過等離子體處理銅表面后的壓力的緩慢降低。舉例來說，在一開始大約5托到8托的壓力下可以等離子體處理銅表面。等離子體處理之后，壓力可于延長的一段大約30秒至大約60秒時(shí)間內(nèi)，降到大約50毫托到100毫托，以提供足夠的時(shí)間來使等離子體處理過的銅表面鈍化。
本發(fā)明更進(jìn)一步的實(shí)施方案包括導(dǎo)進(jìn)封蓋層的反應(yīng)氣體，例如硅烷，慢慢漸進(jìn)地增加反應(yīng)氣體流直到達(dá)到沉積所需要的總量。舉例來說，本發(fā)明的實(shí)施方案包含緩慢地導(dǎo)進(jìn)硅烷直到達(dá)到大約150sccm的流動(dòng)速率。合適的加速是包含于多個(gè)階段導(dǎo)進(jìn)硅烷，在每一個(gè)階段里，流動(dòng)速率以每5分鐘的間隔來增加300sccm。
根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施方案，反應(yīng)室里的殘余氣體是于導(dǎo)進(jìn)加工晶片之前予以移除。所以，本發(fā)明的實(shí)施方案包括在維持反應(yīng)室于適合加工的溫度時(shí)，例如大約320℃至420℃，通過導(dǎo)進(jìn)氮?dú)庖詼靸舴磻?yīng)室。氮?dú)饪梢暂^低的壓力予以導(dǎo)進(jìn)，例如低約1托左右。于導(dǎo)進(jìn)晶片前，已發(fā)現(xiàn)于多個(gè)階段中導(dǎo)進(jìn)氮?dú)庖杂绊懴涫业倪m當(dāng)狀態(tài)是特別適合的。例如，已發(fā)現(xiàn)于三個(gè)滌凈階段中導(dǎo)進(jìn)氮?dú)馐呛弦说?，每一個(gè)階段包含導(dǎo)進(jìn)氮?dú)?、中斷?dǎo)進(jìn)氮?dú)夂腿缓蟪槌龇磻?yīng)室里的氮?dú)狻?br> 雖然任何公開出的修正方法明顯地有助于改良銅表面與氮化硅封蓋層間界面的完整，本發(fā)明中在成為良好狀態(tài)前混合氮?dú)馀c慢慢加速導(dǎo)進(jìn)來的硅烷卻導(dǎo)致了一個(gè)最佳化的結(jié)果。因此，通過在引進(jìn)晶片前，使反應(yīng)室處于良好的狀態(tài)，本發(fā)明確保較佳的可靠性，以減少經(jīng)等離子體處理過的銅互連表面的變色和/或毒化。在為了減少銅表面的敏感度而導(dǎo)進(jìn)硅烷前，于等離子體處理銅表面后，本發(fā)明經(jīng)由等待一段時(shí)間也能達(dá)成同樣的目標(biāo)，也因此避免了界面的變色和/或毒化。本發(fā)明亦有關(guān)在開始沉淀前慢慢加速導(dǎo)進(jìn)經(jīng)等離子體處理的硅烷至適當(dāng)?shù)牧髀?，也因此更進(jìn)一步地減少銅互連與氮化硅封蓋層間界面的變色和/或毒化。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案所形成的銅和/或銅合金互連器件可以是，但不受限于，經(jīng)由鑲嵌技術(shù)而形成的互連。因此，本發(fā)明的實(shí)施方案包含在基質(zhì)上方形成中間層電介質(zhì)，在中間層電介質(zhì)中形成缺口，例如鑲嵌狀缺口，沉淀擴(kuò)散位障層，例如氮化鈦，與使用銅或銅合金層來填充開口。更有利地是，中間層電介質(zhì)的開口可以通過先沉淀一種子層，然后電鍍或不用電地鍍上銅或銅合金層來填充。然后，施行化學(xué)機(jī)械研磨，以使得銅或銅合金的上表面充分地與中間層電介質(zhì)的上表面共面。由于化學(xué)機(jī)械研磨，氧化銅的薄膜遂典型地形成。然后，該裸露的銅或銅合金的氧化表面則根據(jù)一個(gè)或更多個(gè)已公開的實(shí)施方案來加工處理，因此充分地消除或明顯地減少銅/氮化硅界面的腐蝕和/或毒化。
經(jīng)由本發(fā)明的指引與公開出的目標(biāo)，含氨等離子體處理過程中的狀態(tài)與譬如氮化硅的封蓋層的沉淀，可以在特殊情況下發(fā)揮最大的作用。例如，在氨氣流率約為100到6000sccm，壓力約為2托至約10托，溫度約為300℃至420℃，高頻率功率約為100到1000瓦，與低頻率功率約為50到500瓦的狀態(tài)下，令人發(fā)現(xiàn)適合以含氨等離子體來處理裸露的銅和銅合金表面一段適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，例如大約60秒。在硅烷流率約為150sccm，氨氣流率約為100到6000sccm，氮?dú)饬髀始s為6000到10000sccm，壓力約為1.2托到6.0托，溫度約為300℃至420℃，高頻率功率約為100到1000瓦，與低頻率功率約為50到500瓦的狀態(tài)下，令人發(fā)現(xiàn)適合由加強(qiáng)化學(xué)汽相沉積的等離子體來沉淀氮化硅封蓋層一段時(shí)間，譬如10秒至約100秒。更方便地是，關(guān)于以含氨等離子體來處理銅的金屬化與氮化硅封蓋層的等離子體沉淀的整個(gè)過程均都在同一個(gè)反應(yīng)室里進(jìn)行。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，鑲嵌開口可以在溫度約為50℃至150℃通過物理汽相沉積來填充銅或銅合金，或者在溫度約低于200℃通過化學(xué)汽相沉積來填充。于本發(fā)明中各種的實(shí)施方案，可使用一般基質(zhì)與中間層電介質(zhì)。例如，可以摻雜單結(jié)晶硅或砷化鎵于基質(zhì)中。本發(fā)明使用的中間層電介質(zhì)可以包含傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件制造所使用的任何電介質(zhì)材料。例如，可以應(yīng)用譬如是二氧化硅、含磷的硅玻璃(PSG)、含磷硼的硅玻璃(BPSG)、由四乙原硅酸鹽(TEOS)取得的二氧化硅、或等離子體加強(qiáng)化學(xué)汽相沉積處理后的硅烷等材料。傳統(tǒng)的微影照像與蝕刻技術(shù)影響著形成于電介質(zhì)層中的開口。根據(jù)本發(fā)明而設(shè)計(jì)的中間層電介質(zhì)也可以包含低電介質(zhì)接觸材料，包括聚合體，例如聚醯胺。
本發(fā)明的實(shí)施方案概要地說明于圖1至4，其中，相同的參考數(shù)字表示相同的特征。參照圖1，如接觸或介層洞的鑲嵌開口11，形成于例如二氧化硅的電介質(zhì)層10中。應(yīng)理解到的是開口11也可以形成為雙鑲嵌開口，該開口以一個(gè)接觸或介層洞而與溝槽區(qū)相連接。先沉淀位障層12，例如氮化鈦，再沉淀銅或銅合金層13。于電鍍或無電鍍銅層13上面，子層(未顯示)是沉淀于位障層12上。
參照圖2，通過化學(xué)機(jī)械研磨移除銅或銅合金層13溢出于開口11的部分。結(jié)果，在銅或銅合金互連器件13A的裸露表面形成氧化銅錫箔20。然后根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，將該含有銅金屬化的晶片導(dǎo)入于反應(yīng)室中。該反應(yīng)室先于溫度約為300℃至420℃下使用氮?dú)鉁靸粢砸瞥齺碜韵惹凹庸さ臍埩魵怏w并使反應(yīng)室保持良好的狀態(tài)以用于等離子體處理及封蓋層沉淀。發(fā)現(xiàn)于多個(gè)階段中滌凈反應(yīng)室最好是每一次都導(dǎo)進(jìn)氮?dú)?、中斷?dǎo)進(jìn)的氮?dú)夂统槌龇磻?yīng)室里的氮?dú)?，以調(diào)整反應(yīng)室至最理想的狀態(tài)。
參照圖3，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案，含氨等離子體處理具有一層氧化銅薄膜20在其上的銅或銅合金互連器件13A的裸露表面以移除或充分減少氧化銅薄膜20，以留下一層干凈減少的銅或銅合金表面30。此時(shí)于一段時(shí)間里，例如約30秒至60秒，減低壓力，以提供足夠的時(shí)間使經(jīng)過等離子體處理的銅表面來鈍化，因此在導(dǎo)進(jìn)硅烷時(shí)該表面能阻抗剝蝕。之后如同多個(gè)階段一般，慢慢地并加速地導(dǎo)進(jìn)硅烷，直到達(dá)到至少為約150sccm的流率。此時(shí)遂開始沉淀氮化硅封蓋層。
如圖4所示，沉淀氮化硅封蓋層40于銅或銅合金互連層13的干凈裸露表面30以完全封裝銅或銅合金互連層13。沉淀其余的中間層電介質(zhì)41，如從TEOS取得的二氧化硅或硅烷。由此方法，使得大多數(shù)的中間層電介質(zhì)與金屬化模塊建構(gòu)在半導(dǎo)體基質(zhì)上，也形成許多的互連器件。更有利的是，銅互連與氮化硅封蓋層間的界面是完全不會(huì)變色和/或毒化，否則該變色和/或毒化就會(huì)不良地影響其間的粘著力，也因此而改良了用于接下來的金屬化處理層級(jí)的準(zhǔn)確性與可靠性。
本發(fā)明通過明顯地減少經(jīng)等離子體處理的銅表面與沉淀于其上的氮化硅封蓋層之間界面的腐蝕和/或毒化來促成極可靠的銅或銅合金互連器件的形成，也因此增加了封蓋層的粘著力。預(yù)先以氮?dú)庀礈旆磻?yīng)室和/或經(jīng)等離子體處理后提供充分的時(shí)間，以使得等離子體處理過的銅表面較不易毀于因引進(jìn)硅烷和/或因緩慢地加速硅烷的引進(jìn)到沉淀用的合適流速所造成的剝蝕，該情形是提出何者為令人相信的銅互連層與封蓋層之間界面腐蝕與/或毒化問題的原因。因此，本發(fā)明通過增加高密度等離子體封蓋層的粘著力，而該封蓋層伴隨有減少的銅擴(kuò)散與增加的電遷移阻抗，來顯著地改良銅和/或銅合金互連器件的可靠性。
所以，本發(fā)明有利地減少封蓋層剝落、銅擴(kuò)散，增加電遷移阻抗，改良裝置的可靠性，也增加了產(chǎn)品生產(chǎn)率并減少了制造成本。
本發(fā)明適合應(yīng)用在工業(yè)中各種鑲嵌銅或銅合金金屬化處理互連模塊的形成。本發(fā)明更適合應(yīng)用在制造具有亞微米特征與高縱橫比的開口的半導(dǎo)體器件。
于之前的陳述中，規(guī)定了許多特定的細(xì)節(jié)，例如特定的材料、結(jié)構(gòu)、化學(xué)、程序等，以更佳地了解本發(fā)明。然而，本發(fā)明可不用完全根據(jù)前述的特定細(xì)節(jié)來實(shí)施。于其它引證中，為了不需要模糊本發(fā)明，著名的程序與材料并未予以詳細(xì)描述。
本發(fā)明只就其優(yōu)先的實(shí)施方案與其中多功能的實(shí)施例指出并描述。應(yīng)該理解到，本發(fā)明可以在許多其它的結(jié)合與環(huán)境中使用，并能夠如同此處描述的發(fā)明概念范圍一樣來作改變與調(diào)整。
權(quán)利要求
1.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，該方法依序包括于第一壓力的反應(yīng)室中使用含氨等離子體處理銅(Cu)或銅合金表面(13A)；在一段約30秒至60秒的時(shí)間里，將該第一壓力減壓至約為50m托至100m托的第二壓力；導(dǎo)引硅烷進(jìn)入反應(yīng)室中；以及在反應(yīng)室中沉淀氮化硅位障層(40)于銅或銅合金層(13A)的表面(30)上。
2.如權(quán)利要求1的方法，其包含于約為5托至約為8托的第一壓力下處理銅或銅合金層的表面。
3.如權(quán)利要求1的方法，其包含于起始沉淀氮化硅封蓋層(46)前，漸漸地導(dǎo)進(jìn)硅烷于反應(yīng)室中，直到流率達(dá)到至少約為150sccm；以及于硅烷流率至少約150sccm下，沉淀氮化硅封蓋層(40)。
4.如權(quán)利要求3的方法，其包含于多個(gè)階段里將硅烷導(dǎo)進(jìn)反應(yīng)室中，直到流率達(dá)到至少約為150sccm。
5.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，該方法依序包括增加反應(yīng)室中的溫度至約為300℃至420℃；于約300℃至420℃的溫度下使用氮?dú)鉁靸舴磻?yīng)室；引入晶片于反應(yīng)室中，該晶片包含裸露的銅(Cu)或銅合金表面；使用含氨等離子體來處理銅或銅合金表面(13A)；以及在反應(yīng)室中于經(jīng)過處理的銅或銅合金層(13A)的表面(30)上形成位障層(40)。
6.如權(quán)利要求5的方法，其包含在不超過約1托的壓力下，使用氮?dú)鈦頊靸舴磻?yīng)室。
7.如權(quán)利要求6的方法，其包含多個(gè)階段，使用氮?dú)鈦頊靸舴磻?yīng)室，而各階段都包括導(dǎo)進(jìn)氮?dú)庥诜磻?yīng)室中；中斷導(dǎo)進(jìn)氮?dú)庥诜磻?yīng)室中；以及從反應(yīng)室抽出氮?dú)狻?br> 8.如權(quán)利要求7的方法，其包含于第一壓力，以含氨等離子體來處理銅或銅合金表面(13A)；在一段約30秒至60秒的時(shí)間里，將第一壓力減壓至約為50m托至100m托的第二壓力；導(dǎo)引硅烷進(jìn)入反應(yīng)室中；以及在反應(yīng)室中沉淀氮化硅位障層(40)于銅或銅合金層(13A)的表面上(30)。
9.如權(quán)利要求8的方法，其包含于約5托至8托的第一壓力下，處理銅或銅合金層表面。
10.如權(quán)利要求9的方法，其包含于開始沉淀氮化硅位障層(40)前，漸漸地導(dǎo)進(jìn)硅烷于反應(yīng)室中直到流率達(dá)到至少約為150sccm；以及于至少約150sccm的硅烷流率下沉淀氮化硅位障層。
全文摘要
使用含氨等離子體處理裸露平坦的銅或銅合金表面(30)后，通過延遲和/或慢慢加速地導(dǎo)進(jìn)硅烷以沉淀氮化硅封蓋層，可以明顯地增加位障或封蓋層(40)與銅或銅合金互連器件(13A)之間接口與粘著力的完整性。其它實(shí)施方案則包括于導(dǎo)入晶片以用于等離子體處理以前，在一提高的溫度下使用氮?dú)鉁靸舴磻?yīng)室以移除殘留的氣體。
文檔編號(hào)H01L21/768GK1552096SQ01814745
公開日2004年12月1日 申請日期2001年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月26日
發(fā)明者M·V·郭, M V 郭, H·路奇, 胬 , L·馬奇利, 優(yōu)兒他斯, J·渥哈奇, L·游, R·A·優(yōu)兒他斯, R·何 申請人:先進(jìn)微裝置公司