专利名称：铜互连布线及其形成方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及铜互连布线层表面上的盖层以及通过利用气体团簇
离子束(GCIB)处理形成用于半导体集成电路的互连结构的改进方法和装置。
背景技术：
"摩尔定律"使半导体持续的按比例缩放而具有更高的密度和更好的性 能，这为工业以及我们社会的生产力提供了极大的增长。然而，这种按比 例縮放产生的问题是需要在越来越小的互连线上传送越来越高的电流。当 如此小的导线中的电流密度和温度变得过高时，互连线会由于被称为电迁 移的现象而失效。这种发生于高电流密度的互连线中的所谓"电子风"效应导 致金属原子被从他们的初始晶格位置扫除，从而导致在线中形成开路或在 这些扩散的金属原子聚集区发生挤压短路。将铜作为布线材料引入以取代 铝在电迁移寿命方面提供了极大的改善，然而，互连线的继续縮放预示着 将来需要在铜电迁移寿命上做出进一步的改进。
与由于铝原子沿晶界的扩散而失效的铝互连不同的是，铜互连电迁移 失效模式是由沿表面和界面的扩散控制的。特别是对于传统的铜布线互连 配置，铜线的顶表面典型地具有覆盖的电介质盖层，该电介质盖层必须具 有良好的扩散阻挡性质，以防止铜迁移到周围的电介质中。两种最为普遍 使用的电介质遮盖材料为氮化硅和碳氮化硅(Si-C-N)，它们传统上通过等 离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术沉积。不幸的是，这些由PECVD 沉积的遮盖材料与铜形成缺陷界面，这导致沿着铜线的顶表面增强的铜迁 移，并因此具有的更高的电迁移失效率。铜线结构的其它表面典型地具有 与阻挡层或双层(典型为金属的，例如TaN/Ta、 TaN/Ru、或Ru )形成的 界面，而阻挡层或双层与铜形成强界面以限制铜扩散，因而抑制电迁移效 应。我们将这种阻挡层或双层称为"阻挡层"，我们将线互连层称为互连层或线层，并且每个线互连层包括至少一金属导体层和一层间电介质层，该层 间电介质层使金属导体层与较低层的衬底或较低层的互连层以及与同一线 互连层中的其它金属导体绝缘。
已尝试通过使用选择性沉积的金属盖遮盖所述铜布线的顶表面来改进 铜布线的电迁移。当所述顶部铜界面被选择性钨或选择性钴钨磷化物
(CoWP)金属层遮盖时，据报道铜的电迁移寿命确实得到极大的改善。不 幸的是，所有这些使用选择性金属遮盖方案的方法也都可能在附近的绝缘 体表面上沉积上相同的金属，并因此导致在相邻的金属线之间产生不期望 的泄漏或短路。本发明使用气体团簇离子束处理来解决上述许多问题。
图1示出阐述普遍用于铜双镶嵌集成工艺中的现有技术氮化硅遮盖的 铜互连的布线配置300的示意图。它包括第一铜线层302、第二铜线层304， 以及连接上述两个铜层的铜通孔结构306。上述两个线层302和304的侧壁 和底部以及通孔结构306均覆盖有阻挡层312。所述阻挡层312提供了优良 的扩散阻挡性质，防止铜扩散到附近的绝缘体结构中而且还提供与铜的优 良低扩散界面，从而抑制沿这些界面的电迁移。第一层间电介质层308和 第二层间电介质层310提供铜线之间的绝缘。第一铜线层302的顶表面以 及第二铜线层304的顶表面中的每一个都分别地覆盖有绝缘阻挡膜314和 316，所述绝缘阻挡膜典型地由氮化硅或碳氮化硅组成。这些绝缘阻挡膜314 和316传统上通过PECVD沉积，并且它们与暴露的铜表面形成的界面都有 许多缺陷并且为铜原子的迁移提供快速扩散路径。在这种现有技术的布线 配置中，在铜的电迁移期间几乎所有不期望的材料移动都是沿着这些界面 发生的。在像这样的传统双镶嵌铜互连中，在各个互连级上，在层间电介 质层中形成槽和通孔、然后沉积铜以形成互连线和通孔之后，接着使用化 学机械抛光技术(CMP)典型地进行平坦化步骤。该平坦化步骤从层间电 介质层的上表面去除了阻挡层材料，并使得铜线层的上表面和层间电介质 层的上表面共面。缓蚀剂用于CMP和CMP之后的刷清处理，并且在盖层 的沉积之前，这些缓蚀剂和其它的污染物必须通过原位清洗从铜表面去除。 使用非原位清洗工艺可能让铜表面易于遭受腐蚀和氧化。PECVD反应器典 型地被设置为不能在沉积绝缘体盖层前对铜表面进行有效的原位清洗。布 线配置300典型地形成在包括需要电互连以实现集成电路的有源元件和/或无源元件的半导体衬底上，然而未在图l中示出。
图2示出现有技术的选择性金属遮盖的铜互连的布线配置400。它包括 第一铜线层402、第二铜线层404，以及连接上述两个铜层的铜通孔结构406。 上述两个线层402和404的侧壁和底部以及通孔结构406均覆盖有阻挡层 412。所述阻挡层412提供了优良的扩散阻挡性质，防止铜扩散到附近的绝 缘体结构中而且还提供了与铜的优良低扩散界面，从而抑制沿这些界面的 电迁移。第一层间电介质层408和第二层间电介质层410提供铜线之间的 绝缘。第一铜线层402的顶表面以及第二铜线层404的顶表面分别被选择 性沉积的金属层414和416遮盖，该选择性沉积的金属层度典型地包含通 过化学气相沉积(CVD)或无电镀技术分别沉积的选择性钩或选择性 CoWP。在这种传统双镶嵌铜互连中，在各个互连级上，在层间电介质层中 形成槽和通孔、然后沉积铜以形成互连线和通孔之后，接着使用化学机械 抛光(CMP)技术典型地进行平坦化步骤。该平坦化步骤从层间电介质层 的上表面去除阻挡层材料，并使得铜线层的上表面和层间电介质层的上表 面共面。缓蚀剂用于CMP和CMP之后的刷清处理，并且在盖层的沉积之 前，这些缓蚀剂和其它的污染物必须从铜表面去除。已报道当铜层的顶部 铜界面被钨或CoWP金属层遮盖时，铜电迁移寿命得到极大改善。不幸的 是，所有这些使用选择性金属遮盖方案的方法也同样可能如所示在附近的 绝缘体表面上沉积不需要的金属418，因而导致相邻金属线之间的漏电或短 路。虽然选择性金属沉积技术保证了电迁移的巨大改进，但是由于不期望 的污染金属沉积在层间电介质层的附近绝缘体表面而使半导体管芯产量的 损失存在高潜在性，因此选择性金属沉积技术还没有广泛用于制造业。布 线配置400被典型地形成在包括需要电互连以实现集成电路的有源元件和/ 或无源元件的半导体衬底上，然而其未在图2中示出。
使用气体团簇离子束来处理表面已为本领域所公知(例如，参见美国 专利5，814，194， Dcguchi等)。当在此使用这个术语时，气体团簇为在标准 温度和压力的条件下为气态的材料的纳米级聚集体。这种气体团簇典型地 包含几个到几千个分子的聚集体，它们松散地结合以形成气体团簇。气体 团簇能够通过电子轰击或其它方法电离，从而使它们形成可控制能量的定 向光束。各个这种离子典型地带有q化的正电荷(其中e为电荷，而q为表示气体团簇离子的电荷状态的从一到几的整数)。非电离气体团簇也可以存 在于气体团簇离子束中。由于较大尺寸的气体团簇离子携带大量能量的能 力，而每个分子仅具有适中的能量，因此较大尺寸的气体团簇离子通常为 最有用的。气体团簇离子在冲击下分裂，各个独立的分子仅携带有整个气 体团簇离子能量的一小部分。因此，大型气体团簇离子的冲击效应是显著 的，但限于非常狭窄的表面区。这使气体团簇离子对于各种表面改性工艺 有效，而不具有传统单个离子束处理的造成更深亚表面损伤特性的倾向。
这种GCIB的创建和加速方法已在先前引用的参考文献(US 5,814,194)中 描述。目前可用的气体团簇离子源产生具有宽尺寸分布的气体团簇离子，N (其中N-各个气体团簇离子中的分子数，在如Ar的单原子气体的情况下， 在整个讨论中，这种单原子气体中的原子将被称为分子并且该单原子气体 的电离原子将被称为分子离子，或简称单体离子)。通过用GCIB轰击表面 可以达到许多有效的表面处理效果。这些处理效果包括清洗、光滑化、 蚀刻、掺杂以及膜形成或膜生长，但不一定局限于此。Allen等人的美国专 利6，537，606教导了使用GCIB对初始不均匀薄膜的矫正蚀刻以改善其空间 均匀性。US6，537，606的全部内容通过引用而结合于此。
在高能气体团簇对固体靶表面的冲击下，由于贯穿深度受限于各个单 独组成原子的低能量，并主要地依赖于气体团簇离子冲击时发生的瞬态热 效应，进入靶表面的团簇的原子的贯穿通常很浅。在冲击下气体团簇分裂 并且单独的气体原子随后变得游离以进行反冲，并可能从靶表面逃逸。与 逃逸的单独气体原子携带的能量不同的是，冲击前的高能团簇的总能量沉 积在耙表面的冲击区。靶冲击区的尺寸依赖于团簇的能量，但相似于该冲 击团簇的横截面尺寸并且很小，例如，对于包含1000个原子的团簇而言直 径约为30埃。由于团簇携带的总能量的大部分沉积在靶上的小冲击区内， 因此在冲击位置的靶材料内产生强烈的瞬态热。通过更深地传导到靶中， 这种瞬态热作为损失的能量从冲击区迅速散失。瞬态热的持续时间由靶材 料的传导性决定，但典型地小于10'6秒。
在气体团簇冲击位置附近，靶表面的很大一部分能够瞬间达到数百到 几千开氏度的温度。例如，在表面下高度激发的、延伸至约100埃的近似 半球区内，携带有10 keV总能量的气体团簇的冲击被估计为能够产生约2000开氏度的瞬间温度增长。这种高热瞬变推动工件和气体团簇离子束成 分的混合和/或反应，从而使电迁移寿命得到改善。
在高能气体团簇冲击位置下方的靶体积内开始升高的温度瞬变之后， 受影响区迅速冷却。 一些气体团簇成分在该过程中逃逸，而其它的气体团 簇成分保留并结合在表面中。原表面材料的一部分也可以通过溅射或相似 效应而去除。通常地，越多的挥发性组分和惰性组分的气体团簇就越易于 逃逸，而较少挥发性组分和较多化学活性组分的气体团簇越易于结合在表 面中。虽然实际过程可能更加复杂，但是将气体团簇冲击位置和被环绕的 受影响区视为"熔区"是方便的，其中所述气体团簇原子可以与衬底表面暂时 地互相作用并且混合，并且其中气体团簇材料逃逸出表面或者注入到表面 至受影响区的深度。发明人所使用的术语"注入(infiision)"或"使注入 (inflising)"是指这种工艺，使其区别于离子"植入(implantation)"或"植 入(implanting)"，后者是一种产生完全不同结果的完全不同的工艺。高能 气体团簇离子中具有挥发性和不反应性的惰性气体，例如Ar和Xe，很可 能从受影响区逃逸，而具有较低挥发性和/或更可能形成化学键的材料例如 碳、硼、氟、硫、氮、氧、锗和硅均更易于保持在受影响区内，结合到衬 底的表面中。
惰性气体，例如为Ar和Xe，但不限于Ar和Xe，可以与包含较低挥 发性和/或更高反应性的元素的气体混合以形成混合团簇。能够通过使用合 适的源气体混合物作为产生气体团簇离子束的源气体，或通过将两种或更 多种气体(或气体混合物)加入到气体团簇离子产生源内并使得这些气体 在源中混合，而利用现有的气体团簇离子束处理设备形成这种气体团簇， 这将在下文进行描述。在近期的出版物中，Borland等人("USJ and strained-Si formation using inflision doping and deposition" ， Solid State Technology, May 2004， p53)展示了 GCIB注入可以产生从衬底材料平滑地过渡到表面上的 沉积层的渐变表面层。
因此，本发明的一个目的是提供在互连结构中遮盖铜线的方法，以降 低对不期望的电迁移效应的敏感性且不需使用选择性金属来沉积盖。
本发明的更进一步目的是提供在互连结构中有效地遮盖铜互连的方 法，而不影响附近的电介质材料的绝缘性能或泄漏性能。本发明的另一个目的是提供形成多级铜互连的方法，用于具有高工艺 成品率和降低的电迁移效应失效敏感性的电路。
本发明的进一步的目的是提供用于集成电路的改进的遮盖铜互连层， 该电路的特征在于具有高工艺成品率和降低的电迁移失效敏感性。
本发明的另一个目的是提供一种改善的装置，用于通过集簇设备
(clustertool)中的整合处理步骤而避免不期望的污染，以根据本发明的方 法对集成电路的铜互连结构进行改进的遮盖，所述集簇设备被配置为通过 气体团簇离子束处理执行所述方法中的至少一个步骤。
发明内容
本发明的一个实施例提供了一种在包括一个或多个铜互连表面和覆盖 电介质材料的阻挡层材料的一个或多个表面的结构上形成遮盖结构的方 法，并且可以包括以下步骤将所述结构置于减压腔(reduced pressure chamber)内；在所述减压腔内形成加速的遮盖GCIB;以及将所述加速的 遮盖GCIB弓I导到所述一个或多个铜互连表面中的至少一个上，并引导到覆 盖所述电介质材料的所述阻挡层材料的一个或多个表面中的至少一个上， 从而在所述加速的遮盖GCIB被引导到其上的一个或多个铜互连表面上形 成至少一个遮盖结构。
所述阻挡层材料可以具有第一厚度并且所述引导步骤可以在将一层注 入覆盖所述电介质材料的所述阻挡层材料的一个或多个表面中的至少一个 内，所述注入层具有小于所述第一厚度的第二厚度。该方法还可以包括蚀 刻掉所述注入层和覆盖所述电介质材料的所述阻挡层材料。所述蚀刻步骤 可以进步一地包括如下步骤在减压腔内形成加速的蚀刻GCIB;并且将所 述加速的蚀刻GCIB引导到覆盖所述电介质材料的阻挡层的至少一个表面 上。
在所述遮盖GCIB形成和引导步骤之前，该方法还可以包括以下步骤 在减压腔内形成加速的清洗GCIB;以及将所述加速的清洗GCIB引导到所 述一个或多个铜互连表面中的至少一个上和覆盖所述电介质材料的阻挡层 材料的一个或多个表面中的至少一个上，以清洗所述加速的清洗GCIB被引 导到其上的至少一个或多个表面。形成加速的清洗GCIB的步骤还可以进一步地包括从选自由Ar、 N2、 NH3和H2组成的组中的至少一种气体的分子 产生气体团簇离子。所述形成加速的清洗GCIB的步骤还可以进一步地包 括使用约3kV至约50kV范围内的束加速电压加速清洗GCIB气体团簇离 子。所述引导加速的遮盖GCIB的步骤可能导致约lxl0"至约lxlO"个气 体团簇离子/cn^范围内的照射剂量被传送到所述一个或多个铜互连表面中 的至少一个和覆盖所述电介质材料的所述阻挡层的一个或多个表面中的至 少一个。
该方法可以进一步地包括形成至少一层绝缘层的步骤，所述至少一层 绝缘层覆盖至少一个已形成的遮盖结构。所述形成至少一层绝缘层的步骤 可以使用PECVD沉积工艺。所形成的至少一层绝缘层可以包含选自由碳化 硅、氮化硅和碳氮化硅组成的组中的一种材料。所述形成覆盖至少一个遮 盖结构的至少一层绝缘层的步骤可以进一步包括以下步骤在减压腔内形 成加速的沉积GCIB;并且将加速的沉积GCIB引导到一个或多个铜互连表 面上，以沉积所述至少一层绝缘层。所述覆盖所述至少一个遮盖结构的至 少一层绝缘层可以为电介质扩散阻挡膜。
本发明的另一实施例提供了一种用于在减压环境下处理至少一个晶片
的集簇设备，该集簇设备可以包括至少一个用于将至少一个晶片移入或 移出所述集簇设备的锁；至少一个传送腔；至少一个GCIB处理腔；至少一 个清洗腔；以及至少一个适于在腔之间转移至少一个晶片的传送装置。
所述GCIB处理腔可以适用于在所述至少一个晶片的至少一个部分上 进行铜遮盖处理，并且清洗腔可以适用于在该铜遮盖处理前进行清洗。所 述清洗腔可以为等离子清洗腔。所述GCIB处理腔可以适用于在所述至少一 个晶片的至少一部分上形成电介质扩散阻挡膜。
本发明的另一实施例提供了一种用于在减压环境下处理至少一个晶片 的集簇设备，该集簇设备可以包括至少一个用于将至少一个晶片移入或 移出所述集簇设备的锁；至少一个传送腔；至少一个GCIB处理腔；至少一 个沉积腔；以及至少一个适于在腔之间转移所述至少一个晶片的传送装置。
所述GCIB处理腔可以适用于在至少一个晶片的至少一部分上进行铜 遮盖处理，并且所述沉积腔可以适用于在所述至少一个晶片的至少一部分 上的被遮盖的铜上形成电介质扩散阻挡膜。所述沉积腔可以为PECVD沉积腔。所述GCIB处理腔可以适用于在铜遮盖操作前进行清洗。
本发明的另一实施例提供了一种用于减压环境下处理至少一个晶片的
集簇设备，该集簇设备可以包括至少一个用于将至少一个晶片移入或移 出所述集簇设备的锁；至少一个传送腔；至少一个GCIB处理腔；至少一个 沉积腔；至少一个清洗腔；以及至少一个适于在腔之间转移至少一个晶片 的晶片传送装置。
所述GCIB处理腔可以适用于在至少一个晶片的至少一部分上进行铜 遮盖处理，并且所述清洗腔可以适用于在铜遮盖处理之前进行清洗。所述 GCIB处理腔可以适用于在至少一个晶片的至少一部分上进行铜遮盖处理， 并且该沉积腔可以适用于在被遮盖的铜上形成电介质扩散阻挡膜。所述沉 积腔可以为PECVD沉积腔。所述清洗腔可以为等离子体清洗腔。所述GCIB 处理腔可以适用于形成电介质扩散阻挡膜。所述GCIB处理腔可以适用于在 铜遮盖处理之前对所述至少一个晶片的至少一部分进行清洗。
本发明的另一实施例提供了一种用于在压力降低的环境中处理至少一 个晶片的集簇设备，该集簇设备可以包括至少一个用于将所述至少一个 晶片移入和/或移除所述集簇设备的锁；多个GCIB处理腔；以及至少一个 适于在腔之间转移所述至少一个晶片的晶片传送装置。
所述GCIB处理腔可以适用于在所述至少一个晶片的至少一部分上执 行铜遮盖处理，并且所述GCIB处理腔可以适用于在被遮盖的铜上形成电介 质扩散阻挡膜。所述GCIB处理腔可以适用于在所述至少一个晶片的至少一 部分上执行铜遮盖处理，并且所述GCIB处理腔可以适用于在铜遮盖处理之 前执行清洗处理。所述GCIB处理腔可以适用于在所述至少一个晶片的至少 一部分上进行铜遮盖处理，该GCIB处理腔可以适用于在所述铜遮盖处理前 进行清洗，并且该GCIB处理腔可以适用于在被遮盖的铜上形成电介质扩散 阻挡膜。
本发明的另一实施例提供了在包括一个或多个铜互连表面和一个或多 个电介质表面的结构上形成遮盖结构的方法，该方法可以包括将所述结 构设置在减压腔内；在减压腔内形成加速的遮盖GCIB;以及将该加速的遮 盖GCIB引导到一个或多个铜互连表面和一个或多个电介质表面中的至少 一个上，以便在加速的遮盖GCIB被引导到其上的一个或多个表面上形成至少一个遮盖结构。
所述加速的遮盖GCIB可以进一步包括:从注入铜表面时形成电绝缘材 料并且注入电介质表面时形成电绝缘材料的元素产生气体团簇离子；并且 所形成的至少一个遮盖结构是电绝缘的遮盖结构。形成加速的遮盖GCIB
的步骤可以进一步包括从注入铜表面时形成导电材料并且注入电介质表 面时形成电绝缘材料的元素产生气体团簇离子；并且所形成的至少一个遮 盖结构可以包括在铜互连部分的照射区上的导电遮盖结构和在电介质部分 的照射区上的电绝缘遮盖结构中的至少一个。形成加速的遮盖GCIB的步骤 可以进一步包括由惰性气体或惰性气体的混合物产生气体团簇离子；并 且所形成的至少一个遮盖结构可以包括在铜互连部分的照射区上的至少一 个导电遮盖结构。形成加速的遮盖GCIB的步骤可以进一步地包括从Ar或 Xe或Ar和Xe的混合物中产生气体团簇离子；并且所形成的至少一个遮盖 结构可以包括在铜互连部分的照射区上的至少一个导电遮盖结构。
本发明的另一实施例提供了一种在集成电路互连层上形成铜盖结构的 方法，所述集成电路互联层包括一个或多个铜互连表面以及一个或多个被 阻挡层材料覆盖的电介质层区，并且该方法可以包括如下步骤在一个或 多个铜互连表面上形成至少一个盖结构；以及在一个或多个铜互连表面上 形成所述至少一个盖结构后，去除覆盖所述一个或多个电介质层区中的至 少一个的阻挡层材料。所述形成步骤可以进一步包括形成加速的遮盖 GCIB，并将该加速的遮盖GCIB引导到所述一个或多个铜互连表面中的至 少一个上。所述去除步骤可以包括形成加速的蚀刻GCIB并且将该加速的蚀 刻GICB引导至阻挡层材料上。
本发明的另一实施例提供了一种在集成电路互连层上形成铜遮盖结构 的方法，所述集成电路互连层包括一个或多个铜互连表面和一个或多个覆 盖有阻挡层材料的电介质层区，并且该方法可以包括以下步骤利用第一 束加速电压形成加速的遮盖GCIB;将所述加速的遮盖GCIB引导到所述一 个或多个铜互连表面中的至少一个上，以在所述一个或多个铜互连表面上 形成至少一个遮盖结构；使用低于所述第一束加速电压的第二束加速电压 形成加速的蚀刻GCIB;以及将加速的蚀刻GCIB引导到至少一个遮盖结构 和阻挡层材料上，以去除所述阻挡层材料。本发明的另一实施例提供了一种在集成电路互连层上形成铜遮盖结构 的方法，所述集成电路互连层包括一个或多个铜互连表面和一个或多个覆 盖有阻挡层材料的电介质层区，并且该方法可以包括以下步骤形成加速
的遮盖GCIB;将该加速的遮盖GCIB引导到所述一个或多个铜互连表面中
的至少一个上，以在所述一个或多个铜互连表面上形成至少一个遮盖结构;
形成加速的蚀刻GCIB;以及将该加速的蚀刻GCIB引导到所述至少一个遮
盖结构和阻挡层材料上，以去除覆盖所述一个或多个电介质层区中的至少 一个的阻挡层材料，但不去除全部的所述至少一个遮盖结构。
本发明的另一实施例提供了一种通过一个或多个上述方法步骤制得的 集成电路互连层，该集成电路互连层包括一个或多个被遮盖的铜互连表面 和一个或多个电介质层区。
本发明的另一种实施例提供了一种通过一个或多个上述方法步骤制得 的集成电路互连层，该集成电路互连层包括一个或多个被遮盖的铜互连表 面和一个或多个电介质层区。
本发明的另一实施例提供了一种用于在集簇设备系统中处理半导体晶 片的方法，同时在该集簇设备系统中保持减压环境，并且该方法可以包括
以下步骤在所述集簇设备的第一GCIB处理腔内，使用GCIB处理在半导 体晶片上的铜互连表面和覆盖电介质材料的阻挡层材料表面上形成盖层； 在所述集簇设备的减压环境内，将所述半导体晶片从所述集簇设备的第一 GCIB处理腔转移至第二 GCIB处理腔；以及在该第二 GCIB处理腔内使用 GCIB蚀刻处理从所述电介质层去除阻挡层材料。
在所述形成的步骤之前，该方法可以进一步包括如下步骤在所述集 簇设备的第三处理腔内，使用清洗处理对所述铜互连表面和阻挡层材料表 面进行清洗；以及在所述集簇设备的减压环境内，将所述半导体晶片从所 述集簇设备的第三处理腔转移至该集簇设备的第一 GCIB处理腔。所述集簇 设备的第三处理腔可以为GCIB处理腔，并且其中所述清洗处理包括GCIB 清洗处理。
本发明的另一实施例提供了一种用于在集簇设备系统中处理半导体晶 片的方法，同时在该集簇设备系统中保持减压环境，并且该方法可以包括 以下步骤在所述集簇设备的第一 GCIB处理腔内使用GCIB处理在半导体晶片上的铜互连表面和电介质材料上形成盖层；在所述集簇设备的减压环 境内，将所述半导体晶片从所述集簇设备的第一 GCIB处理腔转移至第二处 理腔；以及在所述集簇设备的第二处理腔内，通过形成电介质膜的方法在 所述盖层上形成电介质扩散阻挡膜。
在所述形成步骤之前，该方法可以进一步地包括以下步骤在所述集 簇设备的第三处理腔内，使用清洗处理清洗所述铜互连表面和阻挡层材料 表面；以及在所述集簇设备的减压环境内，将所述半导体晶片从所述集簇 设备的第三处理腔转移送至该集簇设备的第一 GCIB处理腔。所述集簇设备 的第三处理腔可以为GCIB处理腔，并且其中所述清洗处理可以包括GCIB 清洗处理。所述集簇设备的第二处理腔可以为GCIB处理腔并且所述形成电 介质膜的方法可以包括GCIB注入方法。
为了更好地理解本发明以及本发明的其它和进一步的目的，请参考附
图和详细的描述，其中
图1为示出现有技术中的氮化硅遮盖的铜互连布线配置的示意图； 图2为示出现有技术中的选择性金属遮盖的铜互连布线配置的示意图； 图3为示出现有技术中的GCIB处理装置的基本元件的示意图； 图4A、 4B、 4C、 4D和4E为示出通过根据本发明第一实施例的GCIB
注入而进行铜互连遮盖(capping)的工艺的示意图5A、 5B、 5C、 5D、 5E、 5F、 5G、 5H、 51、 5J、 5K和5L为示出通
过使用根据本发明第二实施例的GCffi注入和沉积来进行铜互连遮盖的工
艺的示意图6A、 6B、 6C、 6D、 6E、 6F和6G为示出通过使用根据本发明第三 实施例的GCIB注入和沉积而进行铜互连遮盖的工艺的示意图7A、 7B、 7C、 7D、 7E、 7F和7G为示出通过使用根据本发明第四 实施例的GCIB注入和沉积而进行铜互连遮盖的工艺的示意图8A和图8B为能够用于本发明一些示例性实施例的示例性集簇设备 的图示；以及
图9为示出表示这里描述的实施例的不同例子的表格。
具体实施例方式
图3示出用于现有技术中已知形式的GCIB处理装置100的典型构造的 基本元件的示意图，并且GCIB处理装置100可以被描述如下真空容器 102被分为源腔104、电离/加速腔106和处理腔108三个相通的腔室。这三 个腔室被真空泵系统146a、 146b和146c分别抽空至合适的操作压力。储存 在第一储气瓶111内的第一可压縮源气体112 (例如Ar或氮或预先混合的 气体混合物)被容许在压力下经过第一气体截止阀115和第一气体计量阀 113以及进气管114而进入停滞腔116内。储存在可选第二储气瓶230中的 可选第二可压縮源气体232(例如二氧化碳、氧气或预先混合的气体混合物) 可选地被容许在压力下经过第二气体截止阀236和第二气体计量阀234。上 述两种源气体都被使用时，它们在进气管114和停滞腔116内混合。停滞 腔116内的气体或气体混合物通过适当形状的喷嘴110被喷入较低压力的 真空内。产生超音速气体射流118。射流中的膨胀造成的冷却导致部分气体 射流118凝结成气体团簇，每个气体团簇包含数个到数千个弱键合的原子 或分子。气体漏孔(skimmer aperture) 120将没有凝结成气体团簇射流的气 体分子部分地从气体团簇射流中分离，以最小化下游区的压力，在下游区 中这种较高的压力将是有害的(例如，离子发生器122、高压电极126和处 理腔108)。适当的可压縮源气体112包括但不必局限于Ar、氮、二氧化碳、 氧气和其它气体和/或气体混合物。
形成包含气体团簇的超音速气体射流118后，所述气体团簇在离子发 生器122内被电离。所述离子发生器122通常为电子冲击离子发生器，它 从一个或多个白炽灯丝124产生热电子，加速并引导这些电子使这些电子 在所述射流穿过所述离子发生器122处与气体射流118中的气体团簇碰撞。 这种电子冲击从所述气体团簇喷射出电子，导致气体团簇的一部分被正电 离。部分气体团簇被喷射出的电子可以多于一个并可以被多重离子化。一 套适当偏置的高压电极126从所述离子发生器中提取气体团簇离子，形成 束并随后将其加速至所需能量(典型地，利用从数百伏到数十kV的加速电 压)并聚焦以形成GCIB128。灯丝电源136提供灯丝电压Vf以加热所述离 子发生器灯丝124。阳极电源134提供阳极电压VA以加速从灯丝124发射的热电子，从而使他们照射包含气体射流118的气体团簇以产生离子。引 出电源138提供引出电压VE来偏置高压电极，以从离子发生器122的离子 化区抽提离子并形成GCIB128。加速器电源140提供加速电压Vacc来相対 于离子发生器122偏置高压电极，从而使得总GCIB加速电压等于VACC。 可以提供一个或多个透镜电源(lens power supply)(例如图示的142和144) 来利用聚焦电压(例如Vu和Vl2)偏置高压电极，以聚焦所述GCIB128。
工件152可以是半导体晶片或其它将通过GCIB处理加工的工件，将工 件152固定在工件固定器150上，而将工件固定器150置于GCIB 128的路 径上。由于大部分的应用期望以在空间上均匀的结果处理大型工件，因此 需要扫描系统均匀地扫描大面积的GCIB 128，以得到空间上均匀的结果。
GCIB 128是静止的，具有GCIB轴129，并且工件152通过GCIB 128 被机械地扫描，以在工件152的表面上分配GCIB 128的作用。
X扫描制动器202为工件固定器150在X扫描运动208方向(进或出 纸平面的方向)上提供直线运动。Y扫描制动器204为工件固定器150在Y 扫描运动210方向上提供直线运动，所述Y扫描运动210典型地与所述X 扫描运动208垂直。X扫描运动和Y扫描运动结合起来使由工件固定器150 固定的工件152以光栅状扫描运动穿过GCIB 128移动，以通过用于处理工 件152的GCIB 128在工件152的表面上产生均匀(或相反设计的)照射。 工件固定器150将工件152设置成相对于GCIB 128的轴线成一定角度，使 得GCIB 128相对于工件152的表面具有束入射角度206。束入射角度206 可以为90。或其它角度，但典型地为90°或接近90°。在Y扫描中，工件152 和工件固定器150从所示位置移动至由标识符152A和150A分别指示的另 一位置"A"。注意到在所述两个位置之间移动时，通过GCIB 128扫描工件 152并在两个极限位置处被完全地移出GCIB 128的路径(全扫描)。虽然没 有在图3中明确地表示，在(典型地)垂直的X扫描运动208方向(进和 出纸平面的方向)上进行类似的扫描和全扫描。
束电流传感器218被置于GCIB 128路径上工件固定器150之后，以便 在从GCIB 128的路径外扫描工件固定器150时，截获GCIB 128的样本。 束电流传感器218典型地是除了束进入开口外均封闭的法拉第杯等，并且 典型地通过电绝缘套212固定在真空容器102的壁上。控制器220可以为基于微型电子计算机的控制器，其通过电线216连 接至X扫描制动器202和Y扫描制动器204上，并控制所述X扫描制动器 202和Y扫描制动器204，从而将工件152放入GCIB 128或将工件152从 GCIB 128取出并相对于GCIB 128均匀地扫描工件152，以通过GCIB 128 实现对工件152的所需处理。控制器220通过引线214接收由束电流传感 器218采集的采样束流，从而监控GCIB并且当已经传递了预定的需要剂量 时，将工件152从GCIB 128移出，进而控制由工件152接收的GCIB的剂
图4A为示出使用根据本发明第一实施例的GCIB注入进行遮盖的铜互 连的布线配置500 (用于举例而非限制地显示了两个铜线层互连级)的示意 图。所述示意图示出了衬底501，其支撑第一铜线层502、第二铜线层504 以及连接上述两个铜层的铜通孔结构506，各个铜层可以使用传统技术形 成。所衬底501典型地为包括需要电互连的有源和/或无源元件(可能包括 较低互连级)的半导体衬底。铜线层502和504的侧壁和底部以及通孔结 构506覆盖有TaN/Ta或其它可以用传统技术形成的传统阻挡层512。第一 层间电介质层508和第二层间电介质层510提供铜线层和其它元件之间的 电绝缘，并可以通过使用传统技术形成。第一铜线层502的顶表面和第一 层间电介质层508的顶表面和第二铜线层504的顶表面以及第二层间电介 质层510的顶表面均通过GCIB处理遮盖以形成盖膜514、 516和518。单 独的GCIB遮盖处理优选在各个互连级的顶表面进行。在传统的双镶嵌铜互 连中，在层间电介质层中形成槽和通孔、接着沉积铜以形成互连线和通孔 之后，典型地使用化学机械抛光(CMP)技术在暴露的铜和层间电介质层 材料表面上进行平坦化的步骤。在CMP技术和CMP之后的刷除(brush cleaning)处理中都可以在待抛光的表面上使用缓蚀剂，优选地，在形成盖 层前通过原位清洗将缓蚀剂从铜和电介质表面(与其它杂质一起)去除(如 同这里使用的，"原位"意味着在相同的减压环境下进行清洗，其中在清洗和 遮盖步骤之间进行遮盖沉积而不回复到大气压，并降低了在清洗步骤和遮 盖步骤之间使经清洗的表面再污染的几率)。PECVD反应器通常不被设置 成在绝缘体盖层沉积前对铜表面进行有效的原位清洗。与PECVD系统不同 的是，GCIB处理系统例如处理装置100为易于且典型地构造成实现原位有顺序的清洗和遮盖。接下来清洗暴露的铜和层间电介质表面，该清洗可以 通过传统的干洗处理，例如等离子体清洗处理进行或者优选地通过将在下
文描述的GCIB处理进行，优选原位进行，使用GCIB注入处理以遮盖平坦 化的表面(同时处理铜和暴露的层间电介质)。
图4B示出布线配置500的初始阶段500B。在所示的阶段，在衬底501 上已经形成互连级。所述互连级包括通过使用传统技术沉积在衬底上的第 一层间电介质层508。传统的槽和通孔己经形成在第一层间电介质层508中， 并且覆盖有(linedwith)传统的阻挡层512。使用传统技术将铜沉积在槽和 通孔中。利用传统工艺对该结构的上表面进行平坦化和清洗。第一铜线层 502和第一层间电介质层508的上表面具有残余的污染物503。在此阶段而 且在各个随后互连级(假设多于一个互连级)的相应阶段，优选为原位进 行传统的干洗处理例如等离子清洗处理或GCIB清洗处理。所述GCIB清洗 包括使用GCIB团簇离子照射待清洗的表面，所述GCIB团簇离子包含气 体Ar、 N2、 NH3或H2或它们的混合物中的任一种的分子；以及使用优选在 约3kV至约50kV范围内的束加速电压VACC，并且以在约5xl013至约5xl016 个离子/cm2范围内的总气体团簇离子剂量。本领域的技术人员将意识到， 本发明并不局限于这些示例气体，而可以利用能够从铜表面去除CMP后的 残留、氧化铜和其它污染物的其它气体或气体混合物实施。优选地，但对 于本发明而言不是必须的，这种GCIB清洗处理为原位清洗处理。
图4C示出GCIB清洗步骤后布线配置500的阶段500C。第一铜线层 502和第一层间电介质层508的上表面己被清洗去除污染物并准备好进行遮 盖步骤。在此阶段而且在各个随后互连级(假设多于一个互连级)的相应 阶段，进行GCIB遮盖处理。所述GCIB遮盖处理包括使用GCIB照射第 一铜线层502和/或第一电介质层508的上表面，所述GCIB包含当注入初 始时暴露的电介质和/或铜表面时形成绝缘材料的元素。具有气体团簇离子 元素的GCIB适于并且能够在铜上形成渐变盖膜，例如，Si3N4、SiCN、CuC03 和BN，所述气体团簇离子元素包含例如C、 N、 O、 Si、 B或Ge或它们的 混合物。也可以使用在注入铜和/或邻近绝缘体时形成适当电介质材料的其 它元素和组合物。可以使用例如CH4、 SiHf、 NH3、 N2、 C02、 B2H6、 GeH4 及其混合物之类的源气体。这种气体以其纯净形式或通过与惰性气体例如Ar或Xe混合而用于形成团簇离子。参考图3的GCIB处理装置100，可以 使用在约3kV至约50kV范围内的束加速电压VAcc，并且以从约lxlO"至 约lxlo"个离子/cn^范围内的总气体团簇离子剂量来实现注入。
图4D示出在GCIB遮盖步骤后布线配置500的阶段500D。在铜表面 和/或邻近层间电介质表面上，GCIB处理的冲击能量和热瞬态特性对暴露 于GCIB的铜线和/或邻近层间电介质结构的顶表面进行注入，分别形成盖 层514和516。可选地，盖层514和516可以附加地包括作为电介质阻挡膜 的上层部分。在所述形成过程的开始部分，混合的铜/GCIB类组合物的渐 变层514A被注入铜表面内。这种混合层在任何随后沉积的电介质阻挡膜 514B和下部的铜之间提供渐变界面，因而限制了界面处的铜扩散并改善了 电子迁移寿命。虽然随后沉积的电介质阻挡514B层可以是通过传统PECVD 沉积的独立附加膜，但优选通过作为所述GCIB遮盖注入步骤的延续的 GCIB沉积，简单继续进行所述遮盖GCIB照射处理，该处理最开始创建混 合渐变层，直至所述处理从注入处理(以增加的剂量)进行到纯沉积处理， 在铜注入表面的混合层上沉积电介质材料。初始注入的混合渐变层514A用 作盖层，并通过持续进行的GCIB照射，对电介质材料的随后附加的沉积形 成沉积的电介质阻挡膜514B。由于混合的渐变层，这形成了整合于铜互连 的电介质膜，进而导致包括优良电迁移寿命的界面特性改善。形成盖层514 的同一 (或另一个)遮盖GCIB优选在层间电介质层508上形成盖层516。 类似于盖层514，盖层516可以为双层。盖层516首先在表面上形成混合的 电介质/GCIB类组合物的混合渐变层，并通过继续进行的GCIB处理或附加 的独立(例如PECVD)沉积还可以包括沉积的电介质阻挡膜。如果例如电 介质材料膜514B不是通过使用延伸的GCIB处理而形成，或者需要特殊厚 度的电介质阻挡膜514B，则注入的盖层514A或盖层516可以任选地使用 传统的绝缘层从上方遮盖，例如PECVD Si3N4、 SiCN或SIC,从而为附加 的铜扩散阻挡或通孔蚀刻停止特性提供电介质阻挡膜。在遮盖步骤和形成 任何电介质阻挡膜之后，如果需要可以通过使用传统技术加入互连的附加 级。
图4E示出在GCffi遮盖的(包括电介质阻挡的)第一互连级上附加第 二互连级后的布线配置500的阶段500E。在此阶段，在盖层514和516上已经形成第二互连级。所述第二互连级包括通过使用传统技术沉积在盖层
514和516上的第二层间电介质510。在第二层间电介质层510中已经形成 槽和通孔，所述槽和通孔已经覆盖有阻挡层512并且通过使用传统技术在 槽和通孔中沉积铜。通过利用例如CMP的传统工艺平坦化并清洗该结构的 上表面。图中示出第二铜线层504和第二层间电介质层510的上表面具有 残留污染物505。在第二互连级(如果有)处和随后的较高互连级(如果有) 处，如以上所描述的，对布线配置500进行GCIB清洗和GCIB注入步骤， 形成(例如)如图4A中所示的盖膜518。因此，可以按照需要形成两级或 多级互连结构。
因此，为了降低电迁移提供所描述的技术，而避免与选择性金属遮盖 过程相关的不期望的负作用。在该电介质表面上，所述注入层和电介质保 持绝缘，且极薄的注入层具有对该层的整个介电常数和层间电容量来说可 以忽视的效应。
图5A为示出使用根据本发明第二实施例的GCIB注入和沉积遮盖的铜 互连的布线配置600 (用于举例而非限制性地显示了两个铜线层互连级)的 示意图。该示意图显示了衬底601，其支撑第一铜线层602、第二铜线层604 以及连接两个铜层的铜通孔结构606，各个铜层可以使用传统技术形成。衬 底601典型地为包括需要电互连的有源和/或无源元件(可能包括较低互连 级)的半导体衬底。铜线层602和604的侧壁和底部以及通孔结构606覆 盖有TaN/Ta或其它可以使用传统技术形成的阻挡层612。第一层间电介质 层608和第二层间电介质层610提供铜线层之间的电绝缘，并可以通过使 用传统技术形成。层间电介质层608和610通常可以为多孔的以增强其介 电特性。在这些情况下，所述层间电介质层可选择地在其上沉积硬掩模层， 例如分别为第一硬掩模层609和第二硬掩模层611，所述硬掩模层包含例如 Si02、 SiC、 Si3N4等材料，并且各个硬掩模层可以通过使用传统技术沉积。 第一铜线层602、第一层间电介质层608 (或可选择地，如果存在，第一硬 掩模层609的顶表面)、第二铜线层604和第二层间电介质层610 (或可选 择地，如果存在，第二硬掩模层611的顶表面)的顶表面都通过GCIB处理 遮盖，以形成盖膜614、 616、 618和620。本第二实施例区别于第一实施例 的地方在于，选择构成GCIB气体团簇离子的元素，使得注入的类型在铜表面上保持导电特性(铜盖膜614和618)。然而，还选择注入元素，使得在 注入到各个互连级的电介质区的层间电介质和/或电介质硬掩模材料的表面 时相同的元素形成绝缘膜(层间电介质盖膜或硬掩模盖膜612和620)。增 强的电介质扩散阻挡物(第一互连级的阻挡膜622和第二互连级的阻挡膜 624)优选通过GCIB沉积形成，但也可以通过传统技术形成。这种阻挡膜 进一步增强扩散阻挡性能和GCIB注入的盖的通孔蚀刻停止特性。
GCIB注入处理优选为在各个互连级的顶表面上实施以形成铜盖和层 间电介质盖。如以上所指出的，优选地在铜互连和层间电介质的CMP平坦 化之后使用GCIB原位清洗。图5G阐释了布线配置600G，其中在层间电 介质层608和610的顶表面上不具有硬掩模层609和611。现在将提供构建 布线配置600G的工艺的描述。
图5B示出布线配置600G的初步阶段。在衬底601上建立的互连级包 括传统地沉积的第一层间电介质层608，其中形成有槽和通孔并且覆盖有阻 挡层612。通过使用传统技术在所述槽和通孔上沉积铜。该结构的上表面被 平坦化和清洗。图中示出第一铜线层602和第一层间电介质层608的上表 面具有残留污染物603。在此阶段的顶表面和各个随后互连级(假设多于一 个互连级)的各个相应阶段，优选原位进行传统的干洗处理，例如等离子 体清洗处理或GCIB清洗处理。所述GCIB清洗包括使用GCIB团簇离子 照射待清洗的表面，所述GCIB团簇离子包含气体Ar、 N2、皿3或112或它 们的混合物中的任一种的分子；以及使用优选在约3kV至约50kV范围内 的束加速电压VAa:，并且采用约5xl0"至约5xlO"个离子/cmS范围内的总 气体团簇离子剂量。本领域的技术人员将意识到，本发明并不局限于上述 示例气体，而可以通过能够从铜表面去除CMP后的残留、氧化铜和其它污 染物的其它气体或气体混合物实施。优选地，但对于本发明不是必须的， 这种GCIB清洗处理为原位清洗处理。
图5C示出在GCIB清洗步骤后构建布线配置600G的中间阶段600C。 第一铜线层602和第一层间电介质层608的上表面已被清洗去除污染物并 准备好进行遮盖步骤。GCIB遮盖处理现在可以被应用于这一阶段以及各个 随后互连级(假设有多于一个互连级)的各个阶段的被清洗的顶表面。同 时(或作为替换地，通过独立的遮盖GCIB)使用(优选原位的)GCIB注入处理来遮盖经平坦化的表面(铜和/或暴露的层间电介质层)。所述GCIB 遮盖处理包括使用GCIB照射第一铜线层602和第一层间电介质层608 的上表面，所述GCIB包含当注入到铜表面中时形成导电材料而在注入到层 间电介质表面中时形成电绝缘材料的元素。此外，选择这些导电元素使得 在铜中不具有高固溶度，以避免对其导电性的不利影响。不受限制地，具
有包含元素B或Ti的气体团簇离子的GCIB为合适的并且与适当的电介质 硬掩模材料结合，所述电介质硬掩模材料例如为但不限于Si02、 SiC、 SiCN、 SiCOH等，以形成绝缘的氧化物、碳化物或氮化物。 一些包含B和Ti的适 当源气体包括但不限于B2He、 TiCl4、四次二乙基铵基钛(TDEAT)和四二 甲胺钛(TDMAT)。这些气体以它们的纯净形式或与例如Ar或Xe的惰性 气体混合而被使用。在电介质表面上这种注入形成(例如)TK)2渐变膜和 硼硅酸玻璃，而在铜表面上它们形成例如硼和钛的渐变膜。或者，仅包含 惰性气体团簇离子，例如而不局限于Ar或Xe或其它惰性气体或它们的混 合物的GCIB能够通过物理地改变铜的表面形成渐变盖膜。在这种情况下， 铜遮盖结构为自然地渐变且导电的铜物理改性层，该形成在层间电介质层 中物理改性层是电绝缘的。这些仅包含惰性气体团簇离子(例如Ar或Xe 或其它惰性气体或它们的混合物)的其它GCIB不形成注入层，而是以在铜 中形成有效遮盖结构的方式物理地改变表面，并且使电介质处于绝缘条件 下。因此，该效应与进行GCIB遮盖处理时相同，所述GCIB遮盖处理包括 使用GCIB照射铜和层间电介质层的上表面，所述GCIB包含当注入到铜表 面时形成导电材料而在注入到层间电介质表面时形成电绝缘材料的元素， 即使在表面内注入新的物质，这种情况也不发生。参考图3的GCIB装置 100，可以使用优选在约3kV至约50kV范围内的束加速电压VACC，并且以 lxl0"至约lxl(^个离子/cn^的总气体团簇离子剂量。在铜和电介质表面， GCIB注入处理的冲击能量产生了瞬态高温区，该瞬态高温区促进注入物质 与现有电介质层或电介质硬掩模层的互相混合和/或相互作用，以形成新的 绝缘(在层间电介质或硬掩模上)材料，并且还在铜线表面形成注入导电 膜，从而限制铜界面扩散并改进电迁移寿命。因而，如图5D所示，单个 GCIB遮盖注入步骤在第一铜线层602上形成导电盖膜614，并在第一层间 电介质层608上形成绝缘盖膜616。图5E示出在GCIB遮盖步骤后构建布线配置600G的阶段600E。可以 在此阶段和各个随后互连级的各个阶段的顶表面上进行GCIB处理以形成 电介质扩散阻挡膜。电介质扩散阻挡膜622优选地包含碳氮化硅，也可以 包含氮化硅、碳化硅或其它电介质膜。可以通过PECVD传统地沉积，但优 选通过照射盖膜(614和614)的表面来沉积，在该盖膜上阻挡膜622将通 过GCIB沉积，所述GCIB由注入时形成绝缘材料的元素形成。具有例如C、 N和Si或其混合物的气体团簇离子的GCIB为合适的，并且可以在铜上沉 积扩散阻挡膜，例如Si3N4、 SiCN和SiC。例如C、 N和Si的源气体包括但 不限于CH4、 SiH4、 NH3和N2。这些气体能够通过使用纯净的气体或通过 将它们与例如Ar或Xe的惰性气体混合而形成用于沉积的气体团簇离子。 可以使用优选在约3kV至约50kV范围内的束加速电压VACC，并且采用约 lxlO"至约lxlO"个离子/ci^范围内的总气体团簇离子剂量。
图5F示出构建布线配置600G的阶段600F，反映在GCIB遮盖的(包 括电介质阻挡膜)第一互连级和阻挡膜622上附加第二互连级。所述第二 互连级由沉积在阻挡膜622上的第二层间电介质610组成，其中形成有槽 和通孔并且覆盖有阻挡层612。通过使用传统技术将铜沉积在槽和通孔上。 使用传统的方法平坦化和清洗该结构的上表面。图中示出第二铜线层604 和第二层间电介质层610的上表面具有残留的污染物626。在所述第二互连 级的和随后更高互连级(如果有)的顶表面上，可以按上文所描述进行GCIB 清洗、GCIB注入和GCIB沉积步骤以构建布线配置600G。这些操作步骤 导致形成盖膜618、 620和阻挡膜624。相应地，图5G的2个互连级结构 或多级互连结构可以根据需要形成。
图5H示出构建图5A完整示出的布线配置600 (具有硬掩模层609和 611)的工艺中的初步阶段600H。在衬底601上建立的第一互连级包含通 过使用传统技术沉积在该衬底上的第一层间电介质层608。通过传统技术形 成的硬掩模层609覆盖第一层间电介质层608的顶表面。槽和通孔形成在 第一层间电介质层608中并覆盖有阻挡层612，并且铜沉积在所述槽和通孔 中。使用传统清洗技术平坦化和清洗该结构的上表面。图中示出第一铜线 层602和硬掩模层609的顶表面具有残留的污染物605。在此阶段和在各个 随后互连级的相应阶段的顶表面上，优选进行如上所述的GCIB清洗步骤。优选的但对于本发明不是必要的，此GCIB清洗步骤为原位清洗处理。
图51示出GCIB清洗步骤之后构建布线配置600 (图5A)的工艺中的 阶段6001。第一铜线层602和硬掩模层609的上表面已被清洗去除污染物 并准备好进行遮盖步骤。在此阶段和在各个随后互连级的相应阶段的顶表 面，优选进行如上所述的GCIB遮盖处理以形成盖层614和616 (图5J)。 在本实施例中，盖层616形成在硬掩模层609上而不是直接形成在第一层 间电介质层608上。
图5J ^^出形成盖层614和616的步骤后构建布线配置600的工艺中的 阶段600J。如上所述的GCIB处理可以应用于此阶段和各个随后互连级的 各个相应阶段的顶表面以在盖层614和616上形成电介质扩散阻挡膜622。 图5K示出沉积阻挡膜622后构建布线配置600的工艺中的阶段600K。 图5L示出构建布线配置600的工艺中的阶段600L，该阶段在GCIB(包 括电介质阻挡膜)遮盖的第一互连级上添加第二互连级之后。在此阶段中， 在阻挡膜622上已经形成第二互连级。所述第二互连级包括通过使用传统 技术沉积在阻挡膜622上的第二层间电介质层610。硬掩模层611通过传统 技术形成，其覆盖第一层间电介质层610的顶表面。传统的槽和通孔已经 形成在第二层间电介质层610中并覆盖有传统的阻挡层612，并且已经通过 使用传统技术在槽和通孔中沉积了铜。使用传统工艺平坦化和清洗该结构 的上表面。图中示出第二铜线层604和硬掩模层611的上表面具有残留的 污染物613。在第二互连级(如果有)和随后更高的互连级(如果有)处按 照以上所述进行用于布线配置600的GCIB清洗、GCIB注入和GCIB沉积 步骤，形成(例如)遮盖膜618和620并形成阻挡膜624 (图5A)。因此， 图5A的两个互连级结构或多级互连结构可以根据需要形成。
因此，为了降低电迁移而提供所公开的技术，而避免了与选择性金属 遮盖工艺有关的不期望的副作用。在该电介质表面上，在遮盖后电介质保 持绝缘并且非常薄的注入层对介电常数的影响可以忽略。
图6A为示出根据本发明第三实施例的使用GCIB注入进行遮盖的铜互 连的布线配置700的示意图(用于说明而非限制性地示出两个铜线层互连 级)。该示意图示出衬底701，其支撑第一铜线层702、第二铜线层704以 及连接两个铜层的铜通孔结构706，各个铜层可以使用传统技术形成。衬底701典型地为半导体衬底，包括需要电互连的有源和/或无源元件(可能包 括较低的互连级)。铜线层702和704的侧壁和底部以及通孔结构706覆盖 有可以使用传统技术形成的阻挡层712。第一层间电介质层708和第二层间 电介质层710提供铜线之间的电绝缘，并可以通过使用传统技术形成。第 一层间电介质层708具有上表面709并且第二层间电介质层710具有上表 面711。如下文更详细描述的，在各个铜互连级处，如传统地沉积的，阻挡 层712起初覆盖层间电介质层708和710的上表面709和711 (图6B)。在 本发明的该实施例中，下文所述的GCIB处理从上表面709和711去除了阻 挡层712材料，因而阻挡层712材料不显示在图6A中所示完成结构中的那 些表面上。第一铜线层702的顶表面和第二铜线层704的顶表面通过GCIB 处理被遮盖以形成注入遮盖膜713和715。所述注入的铜遮盖膜713和715 和相应的邻近层间电介质层708和710，可以分别附加地遮盖有电介质阻挡 膜714和716，以提供改进的铜扩散阻挡和通孔蚀刻停止特性。电介质阻挡 膜714和716优选为碳氮化硅，但也可以为氮化硅或碳化硅或其它合适的 电介质，并可以通过使用PECVD传统地沉积，但优选通过GCIB沉积来进 行。
图6B示出构建布线配置700的工艺中的初步阶段700B。在所示阶段， 在衬底701上已经形成互连级。该互连级包括己经沉积在该衬底上的第一 层间电介质层708。槽和通孔形成在第一层间电介质层708上并覆盖有阻挡 层712。在槽和通孔内已经沉积了铜。阻挡层712起初覆盖层间电介质层 708的上表面709。通过传统CMP已经去除了过多的铜，停止在阻挡层材 料712的材料上。另外，通过使用选择用于以大大高于阻挡层材料的速率 优先去除铜的传统CMP工艺条件，例如，通过使用与阻挡材料相比选择性 地去除铜的高选择性浆，在所示阻挡层712顶表面下方铜轻微地凹陷。使 用传统的工艺清洗该表面。图中所示第一铜线层702和阻挡层712的上表 面具有残留的污染物703。在此阶段和各个随后互连级(假设多于一个互连 级)的各个相应阶段的顶表面处，优选原位进行传统的干洗处理，例如等 离子体清洗或GCIB清洗处理。GCIB清洗包括使用GCffi团簇离子照射 待清洗的表面，所述GCIB团簇离子包含气体Ar、 N2、皿3或1€2或其混合 物中任一种的分子，并使用优选在约3kV至约50kV范围内的束加速电压VACC，并且采用约5><1013至约5><1016个离子/0112范围内的总气体团簇离子 剂量。本领域的技术人员将意识到，本发明并不局限于上述示例气体，而 可以通过能够从铜表面去除CMP后的残留、氧化铜和其它污染物的其它气 体或气体混合物实施。优选地，但对于本发明不是必须的，这种GCIB清洗 处理为原位清洗处理。
图6C示出GCIB清洗步骤后构建布线配置700的过程的阶段700C。 第一铜线层702和阻挡层712的上表面已清洗去除了污染物，并准备好进 行遮盖步骤。现在可以实施GCIB遮盖处理。使用(优选为原位的)GCIB 蚀刻和注入遮盖处理，以便同时地遮盖第一铜线层702的表面并将覆盖上 表面709的阻挡层712蚀刻掉。所述GCIB蚀刻和遮盖处理包括使用GCIB 照射第一铜线层702和第一层间电介质层708的上表面，所述GCIB包含这 样的元素，其在注入铜表面内时形成遮盖材料，而对阻挡层712材料进行 蚀刻。所述GCIB照射蚀刻掉在上表面709上暴露的阻挡层712材料，而同 时将遮盖物质注入第一铜线层702，形成遮盖膜713。包含元素氟和/或硫， 包括但不限制于SF6、 CF4、 C3F6或NF3的源气体被用于形成GCIB。通过 使用纯净气体或通过与N2或惰性气体例如Ar或Xe混合，可以使用这些气 体来形成用以注入的气体团簇离子。这种注入形成铜遮盖膜，例如CuF2。 使用优选约10kV至约50kV范围内的束加速电压VACC，并且使用约200至 约3000sccm范围内的喷嘴气体流速。例如，用于蚀刻阻挡层材料而同时形 成铜遮盖膜的优选工艺使用源气体混合物，该源气体混合物为包含10%的 NF3的N2，流速为700sccm。进行GCIB蚀刻和注入处理，直到所有的阻挡 层材料被去除，这导致第一层间电介质层708的上表面709相对地未改性， 并且也产生已经注入有遮盖膜713的铜表面。由于在绝大部分的操作中被 阻挡层712材料遮蔽而不受GCIB的影响，因此上表面709几乎不受影响。
图6D示出GCIB蚀刻和遮盖步骤之后构建布线配置700的工艺中的阶 段700D。第一铜线层702的上表面被盖层713遮盖，而阻挡层712被蚀刻 掉，暴露出第一层间电介质层708的上表面709。该结构被准备好以形成电 介质阻挡膜。现在可以进行GCIB处理，从而通过使用与上述的用于沉积阻 挡膜622的相同的方法，在盖层713和第一层间电介质层708的上表面709 上形成电介质扩散阻挡膜714。图6E示出形成电介质扩散阻挡膜714之后构建布线配置700的工艺中 的阶段700E。
图6F示出构建在GCIB遮盖(包括电介质阻挡膜)的第一互连级上的 具有第二互连级的布线配置700的工艺中的阶段700F。在此阶段，第二互 连级已经形成在阻挡膜714上。第二互连级包括已经沉积在阻挡膜714上 的第二层间电介质层710。槽和通孔已经形成在第二层间电介质710中并覆 盖有阻挡层712。使用传统技术在槽和通孔中沉积铜。阻挡层712起初覆盖 层间电介质层710的上表面。通过传统CMP去除过量的铜，停止在阻挡层 712的材料上。另外，通过使用选择用于以大大高于阻挡层材料的速率优先 去除铜的传统CMP工艺条件，例如，通过使用相比于阻挡材料选择性地去 除铜的高选择性浆，在所示阻挡层712顶表面下方铜轻微地凹陷。使用传 统工艺清洗表面。图中示出第二铜线层704和阻挡层712的上表面具有残 留的污染物717。在第二互连级(如果有)和随后更高互连级(如果有)处 应用如上所述的用于布线配置700中的第一互连级的GCIB清洗、GCIB(蚀 刻和注入遮盖)和GCIB沉积步骤，形成(例如)遮盖膜715和阻挡膜716。 因此，图6A中的两层互连级结构或多级互连结构可以根据需要构建。
在以上布线配置700中所述的通过CMP去除过量的铜之后，如果暴露 的阻挡层材料具有不需要的空间不均匀厚度，可任选但优选地以补偿的方 式使GCIB蚀刻空间上不均衡。通过在工件晶片表面使用传统的金属膜映射
(mapping)设备(例如Rudolph Technologies METAPULSE -II金属膜测量 系统，从Rudolph Technologies, Inc,购买到，One Rudolph Road， Flanders, NJ 07836， U.S.A.)第一次映射阻挡层的厚度，这就可能使如上所述的阻挡层蚀 刻为补偿性蚀刻，从而在阻挡层材料较厚的地方蚀刻较多并在阻挡层材料 较薄的地方蚀刻较少，因此使得对在其它情况下由于阻挡层材料的初始薄 度而过度蚀刻的区域中的下部层间电介质层的去除最小化。这种空间补偿 蚀刻是通过使用测量的阻挡层厚度图与Allen等人的美国专利6，537，606
(606专利)中教导的技术结合来实现的，所述美国专利的内容通过引用结 合于此。气体团簇离子束处理设备，例如Epion Corporation nFusion GCIB 处理系统(Epion Corporation, Billerica, MA)可以购买到，其配备有自动补 偿蚀刻能力，根据在606专利中公开的技术基于测量图工作。在本发明的本实施例中，优选地，如上所述，所述阻挡层蚀刻和所述
铜遮盖都以同时进行的使用Gcm处理的单个步骤来执行。在一些情况下有
可能并且可能有用的是，为了进行作为独立GCIB处理步骤的阻挡层蚀刻和 铜遮盖处理，对于各个步骤使用具有不同特性的GCIB。在这种情况下，当 达到图6C所示的阶段时，通过先于GCIB遮盖步骤的GCIB蚀刻处理去除 起初覆盖层间电介质层708的上表面709的阻挡层材料。在GCIB蚀刻步骤 之后，结构如图6G所示，并准备用于铜线层和层间电介质层遮盖，该遮盖 操作通过之前在本发明的各种实施例中描述的GCIB遮盖处理进行。在各个 互连级，优选的蚀刻步骤为用GCIB团簇离子照射待清洗的表面，所述GCIB 团簇离子是由包含元素氟的一种或多种源气体形成，所述源气体包括但不 局限于SF6、 CF4、 QFs或NF3。通过使用纯净气体或者与Na或例如Ar或 Xe的惰性气体混合，这些气体可以用来形成用于蚀刻的气体团簇离子。使 用优选在约10kV至约50kV范围内的束加速电压VACC，并且可以使用约 200至约3000 sccm范围内的喷嘴气体流速。例如，用于蚀刻阻挡层材料的 优选工艺使用源气体混合物，其为包含10。/。的NF3的N2，流速为700sccm。 在需要时，所述GCIB蚀刻步骤可以是如上所述的补偿蚀刻步骤，以补偿阻 挡层材料在厚度上的空间不均匀性。
图7A为示出根据本发明第四实施例的使用GCIB注入进行遮盖的铜互 连的布线配置800的示意图(例如，非限制性地示出两个铜线层互连级)。 该示意图示出衬底801，其支撑第一铜线层802、第二铜线层804以及连接 两个铜层的铜通孔结构806，各个铜层可以使用传统技术形成。衬底801典 型地为半导体衬底，包括需要电互连的有源和/或无源元件(可能包括较低 的互连级)。铜线层802和804的侧壁和底部以及通孔结构806覆盖有可以 用传统技术形成的阻挡层812。第一层间电介质层808和第二层间电介质层 810提供铜线层之间的电绝缘，并可以通过传统技术形成。第一层间电介质 层808具有上表面809，而第二层间电介质层810具有上表面811。如下文 更详细说明的，在各个铜互连级，如传统地沉积的阻挡层812起初覆盖层 间电介质层808和810的上表面809和811。在本发明的该实施例中，将阻 挡层812的材料从上表面809和811上去除，因而阻挡层812材料不显示 在图7A所示的完成结构的那些表面上。优选通过在此描述的GCIB处理或通过使用传统方法从上表面809和811去除阻挡层812的材料。第一铜线 层802的上表面和第二铜线层804的上表面通过GCIB处理而被遮盖，以形 成注入遮盖膜813和815。分别遮盖膜813和815和邻近的层间电介质层 808和810的注入铜，可以分别可选地遮盖有电介质阻挡膜814和816，以 提供改进的铜扩散阻挡和通孔蚀刻停止特性。电介质阻挡膜814和816优 选为碳氮化硅，但也可以为氮化硅或碳化硅或其它合适的电介质，并可以 通过使用PECVD传统地沉积，但优选为通过GCIB沉积进行。
图7B示出构建布线配置800的工艺中的初步阶段800B。在所示的阶 段中，在衬底801上已经形成互连级。该互连级包括已经沉积在该衬底上 的第一层间电介质808。槽和通孔已经形成在该第一层间电介质层808中并 覆盖有阻挡层812。在槽和通孔内已经沉积了铜。阻挡层82起初覆盖层间 电介质层808的上表面809。已通过传统的CMP去除过量的铜，停止在阻 挡层812的材料上。另外，通过使用选择用于以大大高于阻挡层材料的速 率优先去除铜的传统CMP工艺条件，例如，通过使用相比于阻挡材料选择 性地去除铜的高选择性浆，在所示阻挡层812的顶表面下方铜轻微地凹陷。 已使用传统工艺清洗该表面。图中示出第一铜线层802和阻挡层812的上 表面具有残留的污染物803。在此阶段和各个随后互连级(假设多于一个互 连级)的各个相应阶段的顶表面处，优选原位进行传统的干洗处理，例如 等离子体清洗或GCIB清洗处理。GCIB清洗包括使用GCIB团簇离子照 射待清洗的表面，所述GCIB团簇离子包含气体Ar、 N2、皿3或112或其混 合物中任一种的分子，并使用优选在约3kV至约50kV范围内的束加速电 压VACC，并且采用约5xl0"至约5xlO"个离子/cmS范围内的总气体团簇离 子剂量。本领域的技术人员将意识到，本发明并不局限于上述示例气体， 而可以通过能够从铜表面去除CMP后的残留、氧化铜和其它污染物的其它 气体或气体混合物实施。优选地，但对于本发明不是必须的，这种GCIB 清洗处理为原位清洗处理。
图7C示出在GCIB清洗步骤后构建布线配置800的工艺中的阶段 800C。第一铜线层802和阻挡层812的上表面已被清洗去除污染物,并准备 好进行遮盖步骤。现在可以实施GCIB遮盖处理。GCIB注入遮盖处理被采 用，以同时遮盖覆盖上表面809的第一铜线层802和阻挡层812的表面。所述GCIB蚀刻和遮盖处理包括使用GCIB照射第一铜线层802和暴露的阻 挡层812的上表面，所述GCIB包含当注入铜表面内时形成遮盖材料的元素。 所述GCIB照射将遮盖物质注入到第一铜线层802中，形成遮盖膜813 (图 7D)。所述GCIB照射同时将注入层注入到暴露的阻挡层材料812中。在本 实施例中，选择注入的条件，从而当完成遮盖注入步骤时，在暴露的阻挡 层中的注入深度小于覆盖上表面809的暴露的阻挡层812的厚度。因此， 遮盖物质对暴露的阻挡层812的注入不会穿透到层间电介质层808内。由 于阻挡层812遮蔽层间电介质层808，使其免受铜遮盖注入，因此可使用的 注入遮盖物质的范围扩大至包括否则可能降低被注入的层间电介质层808 的特性的遮盖物质。注入深度依赖于加速GCIB的束加速电压。使用优选在 约3kV至约50kV范围内的束加速电压VACC，选择实际值确保在暴露的阻 挡层中形成的注入层不会穿透到层间电介质层808。使用从约lxlO"至约 lxlO"个离子/cr^范围内的GCIB剂量，用以进行铜遮盖注入。可以使用任 何适于形成铜遮盖膜(本发明的其它实施例中已经列举许多)的源气体， 但由于本实施例中所述层间电介质被遮蔽而不受到注入物质的影响，因此 可以选择气体或气体混合物而不需要考虑这些气体是否会在层间电介质材 料中产生导电层或其它不利的膜。 一些示例性源气体为WF6、其它金属氟 化物气体、含碳气体和有机金属气体。
图7D示出GCIB遮盖步骤之后构建布线配置800的工艺中的阶段 800D。第一铜线层802的上表面被盖层813遮盖，并且阻挡层812具有由 遮盖注入步骤产生的注入层818。放大的插图820更具体地示出暴露的阻挡 层812中的盖层813和注入层818。制备该结构是为了去除覆盖层间电介质 层808的上表面809的阻挡层812和注入层818。现在可以进行蚀刻处理(优 选使用如下文所述的GCIB处理)以去除覆盖层间电介质层808的上表面 809的阻挡层812和注入层818，而不去除注入的铜盖层(虽然只要保留有 效的盖层，而可以去除某些部分或铜盖层)。
图7E示出GCIB蚀刻步骤之后构建布线配置800的工艺中的阶段 800E。第一铜线层802的上表面已被盖层813遮盖，而阻挡层812己经被 蚀刻掉，暴露出第一层间电介质层808的上表面809。该结构被制备用于形 成电介质阻挡膜。现在可以使用如上所述的用于沉积阻挡膜622的沉积工艺(优选通过GCIB)，在盖层813和第一层间电介质层808的上表面809 上可选地形成电介质扩散阻挡膜814 (图7F)。
图7F示出在可选择地形成电介质扩散阻挡膜814后构建布线配置800 的工艺中的阶段800F。
图7G示出在GCIB遮盖(包括电介质阻挡膜)的第一互连级上具有第 二互连级的情况下构建布线配置800的工艺中的阶段800G。在此阶段，第 二互连级己经形成在阻挡膜814上。所述第二互连级包括已经沉积在阻挡 膜814上的第二层间电介质层810。槽和通孔已经形成在第二层间电介质层 810中并覆盖有阻挡层812。已使用传统技术在槽和通孔中沉积铜。阻挡层 812初始地覆盖层间电介质层810的上表面。已通过传统CMP去除过量的 铜，停止在阻挡层812的材料上。另外，通过使用选择用于以大大高于阻 挡层材料的速率优先去除铜的传统CMP工艺条件，例如，通过使用相比于 阻挡材料选择性地去除铜的高选择性浆，在所示阻挡层812顶表面下方铜 轻微地凹陷。已使用传统工艺清洗该表面。图中示出第二铜线层804和阻 挡层812的上表面被示为具有残留的污染物817。在第二互连级(如果有) 和随后更高的互连级(如果有)进行如上所述的用于布线配置800中的第 一互连级的GCIB清洗、GCIB注入遮盖、GCIB蚀刻和GCIB沉积步骤， 形成(例如)遮盖膜815和可选的阻挡膜816。因此，图7A中的两个互连 级结构或多个互连级结构可以根据需要构建。
在各个互连级，优选的蚀刻步骤为用GCIB团簇离子照射待清洗的表 面，所述GCIB团簇离子是由包含元素氟的一种或多种源气体形成，所述源 气体包括但不局限于SF6、 CF4、 QF8或NF3。通过使用纯净气体或者与N2 或例如Ar或Xe的惰性气体混合，这些气体可以用来形成用于蚀刻的气体 团簇离子。使用优选在约10kV至约50kV范围内的束加速电压VACC，并且 可以使用约200至约3000 sccm范围内的喷嘴气体流速。例如，用于蚀刻阻
挡层材料而对铜很少蚀刻或不蚀刻的优选工艺使用源气体混合物，该源气 体混合物为包含10%的NF3的N2，流速为800sccm。在本发明的第四实施 例中，优选地，所述GCIB蚀刻步骤的效果不贯穿之前通过GCIB铜遮盖注 入步骤在铜表面上形成的盖层。因此，同样优选地，用于加速该阻挡材料 蚀刻GCIB的束加速电压VAcc可以选择为低于用于加速铜遮盖注入GCIB的束加速电压Vm:c。
上述本发明的四个实施例中的每一个均包括需要使用GCIB处理或可 选GCIB处理的步骤。在一些情况下，本发明实施例中的GCIB处理步骤可 选地与传统(非GCIB)处理步骤结合，从而通过依次应用各个所需的步骤 来实现本发明。当然，使用如图3中所示的GCIB处理系统结合用于提供其 它操作步骤的其它标准独立设备(用于举例而非限制地，用于沉积的 PECVD设备和用于清洗的等离子体清洗设备)来实施本发明也是可行的 (并且在一些情况下是优选的)。然而，依赖于生产需要的量，可以优选其 它处理设备。出于一些原因，可以优选地在单个设备中同时操作多重序列 步骤。原因之一是产量-处理中的半导体晶片越快地通过生产过程，该晶片 在设备之间转移的次数就越少。产量越高，使得成本就越低。在单个设备 内进行多重步骤的另一个优势是更高质量的处理带来更好的集成电路性 能。例如，若铜线被氧化，导线的电阻增大并且导线的可靠性降低。因此， 优选地，在步骤之间不将晶片暴露于大气下，在单个真空系统内原位地进 行电介质扩散阻挡膜的清洗、遮盖和形成。此外，通过在单个设备内进行 多重步骤，而不在步骤之间暴露于大气下(在压力降低的环境或真空中进 行)，可以避免污染，从而减少工艺中需要的额外清洗步骤。
进行铜遮盖步骤和从层间电介质层的上表面去除扩散阻挡的步骤的顺 序为第四实施例带来了独特的优势。在如上所述的传统现有技术的处理顺 序中，并且在本发明的前两个实施例中，对于各个互连层，在互连层中进 行铜遮盖处理之前，从层间电介质层的上表面去除阻挡层材料。在本发明 的第三实施例中，对于各个互连层，在互连层中进行铜遮盖处理的同时， 从层间电介质层的上表面去除阻挡层材料。在所有的传统现有技术处理顺 序中以及本发明的前两种实施例中，所述铜遮盖处理被限制于使用不会以 不期望的方式与层间电介质层的上表面互相作用的遮盖处理，由于没有不 期望的附加掩蔽步骤以遮蔽所述层间电介质的上表面，因此层间电介质的 上表面暴露在铜遮盖操作的作用下。在本发明第三实施例的情况下，铜遮 盖处理被限制于使用GCIB，所述GCIB能够蚀刻掉阻挡层材料同时形成铜 盖层，此外当所述阻挡层材料被完全地蚀刻掉时，由于在所述蚀刻/遮盖工 艺的最后对层间电介质层进行短期照射，从而使得对于层间电介质层的上表面来说存在一些污染物或不期望的效应的可能。在本发明第四实施例的 情况下，在整个铜遮盖处理中层间电介质的上表面上的阻挡层材料完全掩
蔽层间电介质层的上表面，并且具有选择用于GCIB铜遮盖的GCIB组分的 完全自由，以最优化铜遮盖特性，而不需要考虑可能出现的对层间电介质 层上的不期望影响。
因此，在结合本发明的大量生产中，优选地使用如图8A所示的集簇设 备。图8A示出集簇设备卯OA的示意图。传送腔902包括工件传送装置904， 优选为用于将晶片从一个位置传送到另一个位置的晶片传送机器人等。加 载/卸载锁906提供了用于将工件转移到集簇设备中和从集簇设备转移出的 大气-真空锁。所述加载/卸载锁906具有用于将工件转移到集簇设备中和从 集簇设备转移出来的关闭物或阀门908和910。加载/卸载锁906可以在真 空(压力降低的环境中)和大气压下循环，从而便于将工件(未示出)从 大气转移到集簇设备的真空环境下。可以单独或在包括多个工件的盒子
(cassette)或壳(pod)中通过加载御载锁906转移工件。虽然图中示出用 单个加载/卸载锁来将工件置入和移出集簇设备，但是对于本领域的技术人 员而言可以理解的是，当可以与各种标准设计的集簇设备一致时，也可以 使用单独的加载和卸载锁。
集簇设备900A具有多个处理腔(用以举例而非限制性地示出的912、 916、 920、 924和928)。各个处理腔通过关闭物或阀门(分别为914、 918、 922、 926和930)与传送腔902连通。各个处理腔可以被设置为用于不同
(或相同)类型工件处理的设备，并且集簇设备可以具有5个(如图所示) 或更多或更少的附属处理腔。典型地，传送腔卯2和处理腔均在真空条件 下操作以便于在工件上进行多个操作而不需要在操作步骤之间将工件暴露 在大气下。如图3所示，GCIB处理系统的功能性处理能力可以被设置在集 簇设备处理腔内，从而能够将GCIB处理步骤整合到集簇设备中。Epkm Corporation of Billerica， MA, USA生产并销售适于作为集簇设备处理模块而 运作的GCIB处理系统。
图8B示出集簇设备900B，其安装有分配给5个处理腔的处理模块A、 处理模块B、处理模块C、处理模块D和处理模块E (分别相应于图8A的 处理腔912、 916、 920、 924和928)。这些处理模块(处理腔)中的一个或多个可以被设置为GCIB处理系统。其它的这些处理模块可以被设置为其它 处理系统，例如(但非限制性的)，等离子体清洗系统、PECVD沉积系统 等等。工件传送装置904在各个处理腔(912、 916、 920、 924和928)、传 送腔卯4以及加载/卸载锁卯6之间移动晶片。当集簇设备被配置为具有一 个或更多等离子体清洗系统模块时，等离子体清洗系统模块可以适用于在 同一集簇设备内在进行GCIB铜遮盖操作前使用传统技术进行工件(晶片) 的清洗。当设有一个或多个PECVD沉积系统模块时，PECVD沉积系统模 块可以适用于在遮盖的铜上进行电介质膜的沉积，所述铜之前已经通过使 用在同一个集簇设备中进行的GCIB铜遮盖操作而被遮盖。所述集簇设备可 以被配置为具有多个GCIB处理腔。这种GCIB处理腔适用于进行任何GCIB 铜遮盖处理、GCIB表面清洗处理和/或GCIB沉积处理(例如，沉积电介质 膜包括在同一集簇设备内通过GCIB处理在被遮盖的铜上沉积电介质扩散 阻挡膜)。
上述本发明的四种实施例整合了图9的表格中所示的各个例子中列举 的步骤和可选步骤。对于本发明的四种实施例，图9的表格示出一些使用 传统处理和GCIB处理的处理步骤的一些可能的示例性组合以及有效进行 步骤的各种组合的集簇设备结构(包括优选结构)。
虽然图9的表格中所示的集簇设备结构显示了最多4个处理模块，但 是对于本领域的技术人员而言显而易见的是，在一些情况下能够支持比根 据图9的表格所需的更多处理模块的集簇设备是有利的，通过使用附加处 理模块以重复较慢的处理，从而通过在重复模块之间分担工作量，和/或通 过添加不是本发明的一部分但是本质上在本发明各种实施例的步骤顺序之 前或之后，并且是整个集成电路制造工艺的附加部分所需的附加处理步骤， 而使产量最优化。
虽然针对多种实施例描述了本发明，但是应当意识到的是，在本发明 的精神内，本发明还能够有更多的和其它的实施例。例如，对于本领域的 技术人员而言，显然的是本发明不局限于双镶嵌集成配置，并且同样可以 适用于其它铜互连配置。此外，虽然以术语注入膜和沉积膜或包含各种化 合物(例如，Si3N4、 SiC、 SiCN、 BN、 CuF2、 Ti02、 CuC03、 B、 Ti、氮化 硅、碳化硅、碳氮化硅、氮化硼、氟化铜、二氧化钛、碳酸铜、硼、钛和硼硅酸盐玻璃)的层描述本发明，但是本领域的技术人员可以理解的是， 在实施本发明中形成的许多膜和层为分级的并且即使在最纯的形式下，它 们也不具有由化学式或名称所表示的精确化学剂量，而是近似于这些化学 剂量，并可以附加地包括氢和/或其它杂质，这对于用于类似应用中的这种 膜而言是正常的。
权利要求
1、一种在包括一个或多个铜互连表面和覆盖电介质材料的阻挡层材料的一个或多个表面的结构上形成遮盖结构的方法，所述方法包括以下步骤将所述结构置于减压腔内；在所述减压腔内形成加速的遮盖GCIB；以及将所述加速的遮盖GCIB引导到所述一个或多个铜互连表面中的至少一个上，并将其引导到覆盖所述电介质材料的所述阻挡层材料的所述一个或多个表面中的至少一个上，从而在所述加速的遮盖GCIB被引导到其上的一个或多个铜互连表面上形成至少一个遮盖结构。
2、根据权利要求1所述的方法，其中所述阻挡层材料具有第一厚度， 并且其中所述引导步骤进一步将注入层注入覆盖所述电介质材料的所述阻 挡层材料的一个或多个表面的至少一个中，所述注入层具有小于所述第一 厚度的第二厚度。
3、 根据权利要求2所述的方法，进一步包括以下步骤蚀刻去除所述 注入层和覆盖电介质材料的阻挡层材料。
4、 根据权利要求3所述的方法，其中所述蚀刻去除步骤进一步包括以下步骤在所述减压腔内形成加速的蚀刻GCIB;以及将所述加速的蚀刻GCIB引导到覆盖所述电介质材料的所述阻挡层材 料的至少一个表面上。
5、 根据权利要求1所述的方法，在形成和引导所述遮盖GCIB的步骤 之前进一步包括以下步骤在所述减压腔内形成加速的清洗GCIB;以及将所述加速的清洗GCIB引导到所述一个或多个铜互连表面中的至少 一个上，并将其引导到覆盖所述电介质材料的所述阻挡层材料的所述一个或多个表面中的至少一个上，从而对所述加速的清洗GCIB被引导到其上的 一个或多个表面进行清洗。
6、 根据权利要求5所述的方法，其中，形成加速的清洗GCIB的步骤 进一步包括由选自Ar、 N2、 NH3和H2所组成的组中的至少一种气体的分子产生气体团簇离子。
7、 根据权利要求5所述的方法，其中形成所述加速的清洗GCIB的步 骤进一步包括使用约3kV到约50kV范围内的加速电压加速清洗GCIB气体 团簇离子。
8、 根据权利要求5所述的方法，其中，所述引导所述加速的清洗GCIB 的步骤使得约5><1013到约5xl0"个气体团簇离子/cn^范围内的照射剂量被 传递到所述一个或多个铜互连表面中的至少一个。
9、 根据权利要求1所述的方法，其中，所述电介质材料包括层间电介 质层的一部分。
10、 根据权利要求1所述的方法，其中所述形成加速的遮盖GCIB的步 骤进一歩包括产生气体团簇离子，所述气体团簇离子包括由Ar、 Xe、 CH4、 SiH4、 NH3、 N2、 C02、 GeH4、 B2H2、 B2H6、 TiCU和TDEAT所组成的组中 的一种或多种分子。
11、 根据权利要求1所述的方法，其中形成所述加速的遮盖GCIB进一 步包括使用约3kV到约50kV范围内的加速电压加速所产生的气体团簇离子。
12、 根据权利要求1所述的方法，其中，所述引导所述加速的遮盖GCIB 的步骤使得约lxlO"到约lxlO"个气体团簇离子/cn^范围内的照射剂量被 传递到所述一个或多个铜互连表面中的至少一个，并被传递到覆盖所述电介质材料的所述阻挡层材料的所述一个或多个表面中的至少一个。
13、 根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤形成至少一 个覆盖所形成的至少一个遮盖结构的绝缘层。
14、 根据权利要求13所述的方法，其中，所述形成至少一个绝缘层的 步骤利用PECVD沉积工艺。
15、 根据权利要求13所述的方法，其中，所形成的至少一个绝缘层包 含选自由碳化硅、氮化硅和碳氮化硅所组成的组中的一种材料。
16、 根据权利要求13所述的方法，其中，所述形成至少一个覆盖所述 至少一个遮盖结构的绝缘层的步骤进一步包括以下步骤在所述减压腔内形成加速的沉积GCIB;并且将所述加速的沉积GCIB引导到所述一个或多个铜互连表面上，从而沉 积所述至少一个绝缘层。
17、 根据权利要求13所述的方法，其中，覆盖所述至少一个遮盖结构 的所述至少一个绝缘层为电介质扩散阻挡膜。
18、 一种用于在减压环境下处理至少一个晶片的集簇设备，所述集簇 设备包括至少一个锁，用于将所述至少一个晶片移入和/或移出该集簇设备； 至少一个传送腔；至少一个GCIB处理腔； 至少一个清洗腔；以及至少一个晶片传送装置，适于在各个腔之间转移所述至少一个晶片。
19、 根据权利要求18所述的集簇设备，其中，至少一个GCIB处理腔 适于在所述至少一个晶片的至少一部分上进行铜遮盖处理，并且进一步地，其中至少一个清洗腔适于在铜遮盖处理之前进行清洗。
20、 根据权利要求19所述的集簇设备，其中，至少一个清洗腔为等离 子体清洗腔。
21、 根据权利要求19所述的集簇设备，其中，至少一个GCIB处理腔 适于在所述至少一个晶片的至少一部分上形成电介质扩散阻挡膜。
22、 一种用于在减压环境下处理至少一个晶片的集簇设备，所述集簇 设备包括至少一个锁，用于将所述至少一个晶片移入和/或移出所述集簇设备； 至少一个传送腔；至少一个GCIB处理腔； 至少一个沉积腔；以及至少一个晶片传送装置，适于在腔之间转移所述至少一个晶片。
23、 根据权利要求22所述的集簇设备，其中，至少一个GCIB处理腔 适于在所述至少一个晶片的至少一部分上进行铜遮盖处理，此外其中，至 少一个沉积腔 适于在所述至少一个晶片的至少一部分上的被遮盖的铜上形 成电介质扩散阻挡膜。
24、 根据权利要求22所述的集簇设备,其中，至少一个沉积腔为PECVD 沉积腔。
25、 根据权利要求22所述的集簇设备，其中，至少一个GCIB处理腔 适于在铜遮盖处理之前进行清洗。
26、 一种用于在减压环境下处理至少一个晶片的集簇设备，所述集簇 设备包括至少一个锁，用于将所述至少一个晶片移入和/或移出所述集簇设备；至少一个传送腔；至少一个GCIB处理腔；至少一个沉积腔； 至少一个清洗腔；以及至少一个晶片传送装置，适于在腔之间转移所述至少一个晶片。
27、 根据权利要求26所述的集簇设备，其中，至少一个GCIB处理腔 适于在所述至少一个晶片的至少一部分上进行铜遮盖处理，此外其中，至 少一个清洗腔适于在铜遮盖处理之前进行清洗。
28、 根据权利要求26所述的集簇设备，其中，至少一个GCIB处理腔 适于在所述至少一个晶片的至少一部分上进行铜遮盖处理，此外其中，至 少一个沉积腔适于在被遮盖的铜上形成电介质扩散阻挡膜。
29、 根据权利要求26所述的集簇设备，其中，至少一个沉积腔为PECVD 沉积腔。
30、 根据权利要求26所述的集簇设备，其中，至少一个清洗腔为等离 子体清洗腔。
31、 根据权利要求26所述的集簇设备，其中，至少一个GCIB处理腔 适于形成电介质扩散阻挡膜。
32、 根据权利要求26所述的集簇设备，其中至少一个GCIB处理腔适 于在铜遮盖处理之前清洗所述至少一个晶片的至少一部分。
33、 一种用于在减压环境下处理至少一个晶片的集簇设备，所述集簇 设备包括至少一个锁，用于将所述至少一个晶片移入和/或移出所述集簇设备； 多个GCIB处理腔；以及至少一个晶片传送装置，适于在腔之间转移所述至少一个晶片。
34、 根据权利要求33所述的集簇设备，其中，至少一个GCIB处理腔 适于在所述至少一个晶片的至少一部分上进行铜遮盖处理，此外其中，至 少一个GCIB处理腔适于在被遮盖的铜上形成电介质扩散阻挡膜。
35、 根据权利要求33所述的集簇设备，其中，至少一个GCIB处理腔 适于在所述至少一个晶片的至少一部分上进行铜遮盖处理，此外其中，至 少一个GCIB处理腔适于在铜遮盖处理之前进行清^fe。
36、 根据权利要求33所述的集簇设备，其中，至少一个GCIB处理腔 适于在所述至少一个晶片的至少一部分上进行铜遮盖处理，此外其中，至 少一个GCIB处理腔适于在铜遮盖处理之前进行清洗，此外其中，至少一个 GCIB处理腔适于在被遮盖的铜上形成电介质扩散阻挡膜。
37、 一种在包括一个或多个铜互连表面和一个或多个电介质表面的结 构上形成遮盖结构的方法，所述方法包括以下步骤将所述结构设置在减压腔内； 在所述减压腔内形成加速的遮盖GCIB;以及将所述加速的遮盖GCIB引导到所述一个或多个铜互连表面和所述一 个或多个电介质表面中的至少一个上，从而在所述加速的遮盖GCIB被引导 到其上的一个或多个表面上形成至少一个遮盖结构。
38、 根据权利要求37所述的方法，其中-形成所述加速的遮盖GCIB进一步包括从在注入铜表面内时形成电绝 缘材料并且在注入电介质表面内时形成电绝缘材料的元素产生气体团簇离 子；并且所形成的至少一个遮盖结构是电绝缘的遮盖结构。
39、 根据权利要求37所述的方法，其中形成所述加速的覆盖GCIB进 一步包括从在注入铜表面内时形成导电材料并且在注入电介质表面时形成电绝缘材料的元素产生气体团簇离子；并且所形成的至少一个遮盖结构包 括所述铜互连部分的照射区上的导电遮盖结构和所述电介质部分的照射区 上的电绝缘遮盖结构中的至少一个。
40、 根据权利要求37所述的方法，其中，形成所述加速的遮盖GCIB 进一步包括从惰性气体或惰性气体的混合物产生气体团簇离子；并且所形 成的至少一个遮盖结构至少包括铜互连部分的照射区上的导电遮盖结构。
41、 根据权利要求37所述的方法，其中，形成所述加速的遮盖GCIB 进一步包括从Ar、 Xe或Ar和Xe的混合物产生气体团簇离子；并且所形 成的至少一个遮盖结构至少包括所述铜互连部分的照射区上的导电遮盖结 构。
42、 一种在包括一个或多个铜互连表面和一个或多个覆盖有阻挡层材 料的电介质层区的集成电路互连层上形成铜遮盖结构的方法，所述方法包 括以下歩骤-在所述一个或多个铜互连表面上形成至少一个遮盖结构；以及 在所述一个或多个铜互连表面上形成所述至少一个遮盖结构之后，去 除覆盖所述一个或多个电介质层区中的至少一个的所述阻挡层材料。
43、 根据权利要求42所述的方法，其中所述形成步骤进一步包括 形成加速的遮盖GCIB;以及将所述加速的遮盖GCIB引导到所述一个或多个铜互连表面中的至少 一个上。
44、 根据权利要求42所述的方法，其中所述去除步骤包括 形成加速的蚀刻GCIB;以及将所述加速的蚀刻GCIB引导到所述阻挡层材料上。
45、 一种在包括一个或多个铜互连表面和一个或多个覆盖有阻挡层材料的电介质层区的集成电路互连层上形成铜遮盖结构的方法，所述方法包 括以下步骤利用第一束加速电压形成加速的遮盖GCIB;将所述加速的遮盖GCIB引导到所述一个或多个铜互连表面中的至少一个上，以在所述一个或多个铜互连表面上形成至少一个遮盖结构；使用低于所述第一束加速电压的第二束加速电压形成加速的蚀刻 GCIB;以及将所述加速的蚀刻GCIB引导到所述至少一个遮盖结构上并引导到所 述阻挡层材料上，以去除所述阻挡层材料。
46、 一种在包括一个或多个铜互连表面和一个或多个覆盖有阻挡层材 料的电介质层区的集成电路互连层上形成铜遮盖结构的方法，所述方法包 括以下步骤形成加速的遮盖GCIB;将所述加速的遮盖GCIB引导到所述一个或多个铜互连表面中的至少 一个上，以在所述一个或多个铜互连表面上形成至少一个遮盖结构； 形成加速的蚀刻GCIB;以及将所述加速的蚀刻GCIB引导到所述至少一个遮盖结构上并引导到所 述阻挡层材料上，以去除覆盖所述一个或多个电介质层区中的至少一个的 阻挡层材料，而不去除全部的所述至少一个遮盖结构。
47、 一种集成电路互连层，所述集成电路互连层包括一个或多个遮盖 的铜互连表面和一个或多个电介质层区，所述集成电路互连层通过权利要 求42所述的方法制成。
48、 一种集成电路互连层，所述集成电路互连层包括一个或多个遮盖 的铜互连表面和一个或多个电介质层区，所述集成电路互连层通过权利要 求45所述的方法制成。
49、 一种用于在集簇设备系统中保持减压环境的同时在该集簇设备系统中处理半导体晶片的方法，所述方法包括以下步骤在所述集簇设备的第一 GCIB处理腔中，使用GCIB处理在半导体晶片 的铜互连表面上和电介质材料上的阻挡层材料表面上形成盖层；在所述集簇设备的减压环境内，将所述半导体晶片从所述第一 GCIB 处理腔传送到所述集簇设备的第二GCIB处理腔；以及在所述第二 GCIB处理腔中，使用GCffi蚀刻处理将所述阻挡层材料从 电介质层去除。
50、 根据权利要求49所述的方法，在所述形成步骤之前进一步包括以 下步骤在所述集簇设备的第三处理腔中，使用清洗处理来清洗所述铜互连表 面和阻挡层材料表面；以及在所述集簇设备的减压环境内，将所述半导体晶片从所述集簇设备的 第三处理腔传送到所述集簇设备的第一 GCIB处理腔。
51、 根据权利要求50所述的方法，其中，所述集簇设备的第三处理腔 为GCIB处理腔，并且其中所述清洗处理包括GCIB清洗处理。
52、 一种用于在集簇设备系统中保持减压环境的同时在所述集簇设备 系统中处理半导体晶片的方法，所述方法包括以下步骤在所述集簇设备的第一 GCIB处理腔中，使用GCIB处理在半导体晶片 的铜互连表面上和电介质材料上形成盖层；在所述集簇设备的减压环境内，将所述半导体晶片从所述第一 GCIB 处理腔传送到所述集簇设备的第二处理腔；以及在所述集簇设备的第二处理腔中，利用电介质膜形成工艺在所述盖层 上形成电介质扩散阻挡膜。
53、 根据权利要求52所述的方法，在所述形成步骤之前进一步包括以 下步骤在所述集簇设备的第三处理腔中，利用清洗处理清洗所述铜互连表面和阻挡层材料表面；以及在所述集簇设备的减压环境内，将所述半导体晶片从所述集簇设备的 第三处理腔传送到所述集簇设备的第一 GCIB处理腔。
54、 根据权利要求53所述的方法，其中，所述集簇设备的第三处理腔 为GCIB处理腔，并且其中所述清洗处理包括GCIB清洗处理。
55、 根据权利要求52所述的方法，其中，所述集簇设备的第二处理腔 为GCIB处理腔，并且所述电介质膜形成工艺包括GCIB注入工艺。
全文摘要
在铜互连布线层上遮盖一层或多层，以用于集成电路的互连结构，以及通过应用气体团簇离子束处理来形成用于集成电路的改进集成互连、结构的方法和装置。铜扩散减小且提高了电迁移寿命，并避免了选择性金属遮盖技术的使用以及该技术所伴随产生的问题。公开了包括用于铜遮盖、清洗、蚀刻以及膜成形步骤的气体团簇离子束处理模块的多种集簇设备配置。
文档编号H01L21/425GK101416291SQ200780011696
公开日2009年4月22日 申请日期2007年2月6日 优先权日2006年2月6日
发明者A·J·勒恩, J·J·豪塔拉, R·M·格夫肯, S·R·舍曼 申请人:Tel埃皮恩公司