專利名稱：銅擴散阻擋層的形成的制作方法
背景技術：
本發(fā)明一般涉及用于制造半導體集成電路的方法。
在所謂的鑲嵌(damascene)方法中，可以在層間電介質(zhì)材料內(nèi)的溝槽中形成銅層。在某些情形中，銅材料最終形成用于傳導信號的金屬線路。但是，銅材料易于擴散，可能對附近的部件產(chǎn)生不利的影響。
因此，希望提供一種擴散阻擋層來阻止銅原子的擴散。目前，使用的是鉭基或鈦基擴散阻擋層。但是，鉭和鈦形成了天然氧化物，它妨礙以可接受的附著性和晶片內(nèi)的均勻性在鉭或鈦表面上直接電鍍銅。
因此，有必要在原位(in situ)(在用于沉積鉭基或鈦基擴散阻擋層的同一個腔室中)形成銅籽晶沉積。但是，要求提供物理氣相沉積的銅籽晶層是麻煩的。而且，在一些情形中，上覆的(overlying)阻擋層材料和下面的(underlying)電介質(zhì)之間的附著性是不可接受的。
因此，需要更好的辦法來在銅層下提供擴散阻擋層。


圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的部分晶片的放大橫截面視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案進一步處理之后的晶片的放大橫截面視圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案進一步處理之后的晶片的放大橫截面視圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案進一步處理之后的晶片的放大橫截面視圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案進一步處理之后的晶片的放大橫截面視圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案進一步處理之后的晶片的放大橫截面視圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明另一個實施方案的晶片的放大橫截面視圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案進一步處理之后的圖7所示晶片的放大橫截面視圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案進一步處理之后的圖8的晶片的放大橫截面視圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的圖6所示的晶片在進一步處理之后根據(jù)本發(fā)明另一個實施方案的放大橫截面視圖；圖11是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案進一步處理之后的圖10所示晶片的放大橫截面視圖。
具體實施方法請參考圖1，半導體襯底10可以由電介質(zhì)材料12覆蓋，所述電介質(zhì)材料比如為二氧化硅、氮化物或其他電介質(zhì)材料。形成電介質(zhì)分隔14，以形成界定銅線路的相對區(qū)域。
傳統(tǒng)的光刻和蝕刻方法可以用來在電介質(zhì)層12中形成溝槽或通路(via)16，如圖2所示。在一個實施方案中，這些特征可以根據(jù)鑲嵌方法來確定。盡管圖示了使用溝槽優(yōu)先方法的實施方案，但是其他方法可以涉及通路優(yōu)先方法或其他技術。
然后，在一個實施方案中，如圖3所示，可以沉積附著增進層18，比如鈦、氮化鈦、氧化釕、鉭、或氮化鉭，且舉幾個實施例。層18在電介質(zhì)材料12和上覆層之間提供附著作用。在另一個實施方案中，在通路16的底部可以沒有附著增進層18。
如圖4所示，在原位脫氣和/或預清洗之后，可以沉積下面的非氧化貴金屬擴散阻擋層20。貴金屬擴散阻擋層20阻擋銅原子的擴散。用于該目的適當貴金屬包括鉑、金、鈀、鋨、釕、銠、鉬、銥、RuN、RuO和MoN，且舉幾個實施例。
沉積該貴金屬可以使用物理氣相沉積、化學氣相沉積、原子層沉積、任何上述方法的混合或任何其他可以使用的技術。當使用化學氣相沉積或原子層沉積時，在某些實施方案中，可以通過改變輸入反應物氣體來生長薄的氮化物或氧化物層以增進對周圍電介質(zhì)材料的附著性。然后純本體(bulk)阻擋材料可以被生長到精確厚度，以增進能與化學機械平面化(CMP)相容的阻擋層。與物理氣相沉積相比，化學氣相沉積和/或原子層沉積方法還可以導致更大的階梯覆蓋范圍(step coverage)、對稱性和晶片內(nèi)的均勻性。
如圖5所示，完成對溝槽和通路的填充，整個結構采用銅22填充。在一些實施方案中，可以使用雙鑲嵌鍍覆方法。這可以使用電鍍或其他填充技術來進行。
銅22可以通過使用化學機械平面化或任何其他平面化技術從晶片范圍內(nèi)去除，以得到如圖6所示的平坦表面。于是，在電介質(zhì)分隔14的兩側可以形成一對銅金屬線路22a和22b。對于任意數(shù)目的層，這些步驟可以重復。
在本發(fā)明的一些實施方案中，通過使用貴金屬減少了擴散阻擋層的氧化。這不需要提供原位籽晶層就可以完成。在一些實施方案中，不需要銅籽晶，貴金屬擴散阻擋層的導電性就足以使得在阻擋層上能夠直接進行鍍覆。在一些應用中，使用銅鍍覆工具時，非氧化的貴金屬擴散阻擋層不使用中間附著層就可以增進鍍覆的銅和下面的本體阻擋層材料之間的附著性，而且可以降低從阻擋層去除天然金屬氧化物層的需要。貴金屬擴散阻擋層的厚度可以足夠薄，從而能夠使用化學機械平面化或低壓化學機械平面化從晶片范圍內(nèi)去除阻擋層材料。
通過使用單一阻擋層材料方法，在一些實施方案中，工具產(chǎn)率可得到增加，集成(integration)方面的顧慮可以減少。此外，在一些實施方案中，可降低在銅鍍覆之前首先蝕刻阻擋層材料以改善附著性的需要。而且，在一些實施方案中，可降低化學活化阻擋層表面的需要，從而節(jié)省了工藝步驟，降低了工藝成本，并減輕了對回收和/或環(huán)境方面的考慮。
使用物理氣相沉積、化學氣相沉積、原子層沉積來沉積貴金屬是已知的。例如，Y.Matsui等人在Electro.And Solid-State Letters(電學和固態(tài)通訊)，5，C18(2002)公開了使用Ru(EtCp)2來沉積釕。K.C.Smith等人在Thin Solid Films(固體薄膜)，v376，p.73(Nov.2000)公開了使用[RuC5H5(CO)2]2，3來沉積釕。在http//thinfilm.snu.ac.kr/research/electrode.htm中公開了使用四甲基庚二酮酸釕(Ru-tetramethylhentane dionate)和Ru(CO)6來沉積釕。A.Etspuler和H.Suhr在Appl.Phys.(應用物理)A，vA48，p.373(1989)公開了使用二羰基(2，4-戊二酮酸)釕(I)[dicarbonyl(2，4-pentanedionato)rhodium(I)]來沉積銠。
KA.Gesheva和V.Abrosimova在Bulg.J.of Phys.，v19，p.78(1992)公開了使用Mo(Co)6來沉積鉬。D.W.Woodruff和R.A.Sanchez Martinez在Proc.of the 1986 Workshopof the Mater.Res.Soc.(材料研究學會1986年研討會論文集)，p.207(1987)公開了使用MoF6來沉積鉬。Y.Senzaki等人在Proc.ofthe 14thInter.Conf.and EUROCVD-11，p.933(1997)公開了使用Os(六氟-2-丁炔)(CO)4來沉積鋨。V.Bhaskaran在Chem.Vap.Dep.，v3，p.85(1997)公開了使用1，1，1，5，5，5-六氟-2，4-戊二酮酸鈀(II)來沉積鈀，以及E.Feurer和H.Suhr在Tin Solid Films，v157，p.81(1988)公開了使用烯丙基環(huán)戊二烯基鈀(allylcyclopentadienylpalladium)絡合物來沉積鈀。
M.J.Rand在J.Electro.Soc.，v122，p.811(1975)，以及J.M.Morabito和M.J.Rand在Thin Solid Films(固體薄膜)，v22，p.293(1974)公開了使用Pt(PF3)4來沉積鉑；在Journalof the Korean Physical Society(韓國物理學會雜志)，Vol.33，November 1998，pp.S148-S151公開了使用((MeCp)PtMe3)，以及Z.Xue，H.Thridandam，H.D.Kaesz和R.F.Hicks在Chem.Mater.1992，4，162公開了使用((MeCp)PtMe3)來沉積鉑。
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參考圖7，根據(jù)本發(fā)明另一個實施方案，如圖1所示的結構可以使用物理氣相沉積、化學氣相沉積、原子層沉積或其他方法由可氧化的銅擴散阻擋層30覆蓋。適當?shù)目裳趸淖钃鯇硬牧习═a(N)、鎢、TiN、TiNSi、鈷和鎳。
在使用化學氣相沉積或原子層沉積方法時，在某些實施方案中，可以通過改變輸入反應物氣體來生長薄的氮化物或氧化物層以增進對周圍電介質(zhì)材料的附著性。然后，可以生長本體阻擋層組成，并且如果需要，可以通過改變單個前體的流速、脈沖次數(shù)(對于原子層沉積)以及相對承載氣體的輸入分壓來在阻擋層整個厚度上改變其組成。在一些情形中，與物理氣相沉積相比，化學氣相沉積和/或原子層沉積方法還可以導致更大的階梯覆蓋范圍、對稱性和晶片內(nèi)的均勻性。
接下來，參考圖8，作為兩個實施例，可以使用化學氣相沉積或原子層沉積來沉積薄貴金屬蓋覆(cap)32以提高階梯覆蓋范圍，并且在薄厚度處提供連續(xù)的蓋覆(capping)薄膜以便隨后能夠在晶片范圍內(nèi)進行阻擋層/蓋覆的化學機械平面化。
隨后，可以沉積銅層22并將其平面化以獲得如圖9所示的結果。銅金屬線路22a和22b形成在電介質(zhì)分隔14的兩側。對任意數(shù)目的層，上述步驟可以重復。
在一些實施方案中，薄貴金屬蓋覆薄膜可以在不破壞真空的情況下沉積到銅擴散阻擋層上。薄金屬蓋覆薄膜在暴露于環(huán)境時不會形成自然氧化物。薄金屬蓋覆薄膜厚度可以足夠薄，從而使得銅的化學機械平面化能夠進行，以從晶片范圍中完全去除阻擋層。夾在中間的銅擴散阻擋層堆疊可以具有足夠的導電性以使得在阻擋層上直接鍍覆能夠進行，而無需銅籽晶。非氧化的貴金屬蓋覆可以增進鍍覆的銅和下面的本體阻擋層材料之間的附著性，并可以在銅鍍覆工具中減少對從阻擋層去除天然金屬氧化物層的需求。
參考圖10和圖11，比如銅線路22a和22b的銅線路還可以由貴金屬保護。在一個實施方案中，釕無電鍍(electroless)浴組合物可以被用來使用貴金屬蓋覆銅線路。
釕無電鍍浴組合物可以含有釕水溶性化合物，比如氯化釕、亞硝酰釕水合物等；絡合劑，比如乙二胺四乙酸，1，2-乙二胺，三乙醇胺，酒石酸，等；還原釕的還原劑，比如硼水合物，二甲胺硼烷絡合物，水合肼，等；pH調(diào)節(jié)劑，比如氫氧化鉀或氫氧化鈉、氫氧化四甲基銨等。
如圖10所示，貴金屬蓋覆層34a可以形成在鑲嵌銅線路22a和22b上。銅表面可以通過貴金屬接觸置換來預處理以活化所述的銅，和/或通過在對銅表面起催化作用并且催化還原貴金屬的還原劑溶液中的預處理來預處理以活化所述的銅。適當?shù)倪€原劑溶液的實施例包括用于釕、銠、鉑、鈀、金和銀的二甲胺硼烷(DMAB)或硼水合物。在預處理之后可以在鑲嵌銅線路22之上選擇性地進行貴金屬無電鍍。
參考圖11，隨后的線路，比如線路22c和22d可以在線路22a和22b上，具體地，是在層34a上形成。隨后，可以通過同樣的技術在銅線路22c和22d上形成蓋覆層34b。在一些實施方案中，層34b也可以用作無電鍍(EL)分路(shunt)。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，釘鍍?nèi)芤嚎梢园?-10克/升的釕(III)，20-100克/升的乙二胺四乙酸，100-200克/升的氫氧化鉀、1-10克/升的DMAB，溫度為15-60℃，pH值為約10到約13。
開始，銅線路22a和22b的銅表面可以通過貴金屬接觸置換沉積來預處理以活化所述的銅線路，和/或通過在對銅表面起催化作用并且催化還原貴金屬的還原劑溶液中的預處理來預處理以活化所述的銅線路。隨后，可以在鑲嵌銅線路之上選擇性地進行貴金屬無電鍍。除釘、銠、鉑、鈀、金或銀之外，其他實施例的貴金屬也可以被沉積。形成下一個電介質(zhì)層12，并且該電介質(zhì)層可以使用化學機械拋光來平面化。可以形成光致抗蝕劑層，如以前那樣形成通路或溝槽圖案。
在使用HF或胺基化學物質(zhì)對層間電介質(zhì)12蝕刻之后，可以進行濕或干清理，且舉兩個實施例。對每個層間電介質(zhì)可以重復這些步驟?？蛇x擇地是，在EL分路層沉積之后，可以進行退火以穩(wěn)定EL分路的微結構，并便于從所述層去除H2。
盡管根據(jù)數(shù)量有限的實施例對本發(fā)明進行了說明，但是本領域的普通技術人員將認識到對它們的許多修改和變化。權利要求書覆蓋了落入本發(fā)明真實的精神和范圍之內(nèi)的那些所有的修改和變化。
權利要求
1.一種方法，包括形成銅金屬線路；以及形成用于所述線路的包括貴金屬的擴散阻擋層。
2.根據(jù)權利要求1的方法，包括形成電介質(zhì)，用附著增進層覆蓋所述電介質(zhì)，并且在所述附著增進層上形成貴金屬層。
3.根據(jù)權利要求1的方法，包括形成可氧化的擴散阻擋層；使用貴金屬覆蓋所述擴散阻擋層。
4.根據(jù)權利要求1的方法，包括使用化學氣相沉積來沉積所述貴金屬。
5.根據(jù)權利要求1的方法，包括使用原子層沉積來沉積所述貴金屬。
6.根據(jù)權利要求1的方法，包括在所述銅金屬線路上涂覆貴金屬。
7.根據(jù)權利要求1的方法，包括在所述貴金屬擴散阻擋層上形成所述銅金屬線路。
8.根據(jù)權利要求1的方法，包括使用鑲嵌工藝形成所述金屬線路。
9.根據(jù)權利要求1的方法，包括使用釕鍍?nèi)芤簛碓阢~線路上形成貴金屬蓋覆。
10.根據(jù)權利要求9的方法，包括形成pH值為約10到約13的溶液。
11.一種半導體結構，包括銅金屬線路；以及包括與所述銅金屬線路相關聯(lián)的貴金屬擴散阻擋層。
12.根據(jù)權利要求11的結構，其中所述擴散阻擋層包括由貴金屬層覆蓋的附著增進層。
13.根據(jù)權利要求11的結構，其中所述擴散阻擋層包括具有貴金屬蓋覆的可氧化擴散阻擋層。
14.根據(jù)權利要求13的結構，其中所述可氧化擴散阻擋層包括選自由鉭、鎢、鈦、鈷和鎳組成的組的材料。
15.根據(jù)權利要求11的結構，其中所述貴金屬選自由鉑、金、鈀、鋨、釕、銠、鉬和銥組成的組。
16.根據(jù)權利要求11的結構，包括在所述銅線路上形成的貴金屬蓋覆。
17.根據(jù)權利要求16的結構，其中所述蓋覆包括釕。
18.根據(jù)權利要求11的結構，其中所述擴散阻擋層在所述金屬線路之下。
19.根據(jù)權利要求11的結構，其中所述擴散阻擋層在所述金屬線路之上。
20.根據(jù)權利要求19的結構，其中在所述銅線路上形成第二擴散阻擋層，在所述第二擴散阻擋層上形成第二銅線路。
21.一種方法，包括在銅線路上形成貴金屬層。
22.根據(jù)權利要求21的方法，包括使用釕無電鍍浴形成所述貴金屬層。
23.根據(jù)權利要求22的方法，包括使用pH值為約10到約13的浴。
24.根據(jù)權利要求22的方法，包括形成包含至少一種釕水溶性化合物的浴組合物。
25.根據(jù)權利要求21的方法，包括進行預處理來活化銅線路中的銅。
26.一種半導體結構，包括銅金屬線路；以及在所述線路上形成的蓋覆層。
27.根據(jù)權利要求26的結構，其中所述蓋覆層包括釕。
28.根據(jù)權利要求26的結構，包括形成在所述蓋覆層和所述銅線路之上的第二金屬線路。
29.根據(jù)權利要求26的結構，其中所述銅線路形成在含貴金屬的層上。
30.根據(jù)權利要求29的結構，其中所述含貴金屬層形成在附著增進層上。
31.根據(jù)權利要求29的結構，其中所述含貴金屬層形成在可氧化擴散阻擋層上。
全文摘要
貴金屬可以被用作非氧化擴散阻擋層(20，32)以阻止銅線路(22a，22b)的擴散。擴散阻擋層可以由形成在附著增進層(18)上的貴金屬或通過在可氧化擴散阻擋層上的貴金屬蓋覆(30)形成。銅線路也可以用貴金屬覆蓋。
文檔編號H01L23/52GK1708845SQ200380102322
公開日2005年12月14日 申請日期2003年10月23日 優(yōu)先權日2002年10月31日
發(fā)明者史蒂文·約翰斯頓, 瓦萊利·迪賓, 邁克爾·麥克斯威尼, 彼得·穆恩 申請人:英特爾公司