专利名称：铜互连阻挡界面制备的方法和装置的制作方法
铜互连阻挡界面制备的方法和装置
背景技术：
集成电路采用导电互连将半导体基底上的单独装置互连，或者与该集成电路外部形成通讯。用于通孔和沟槽的互连金属
化可包括铝合金和铜。由于装置的几何学持续减少至65nm节点技术和亚65nm才支术，对于具有高阶梯覆盖和高纵才黄比，乂人而可以損:供无空隙铜填充的连续阻挡/种子层的需求成为一种才兆战。在65nm节点或亚65nm技术中寻求超薄和保形阻挡层的目的在于减少该阻挡层对通孔和线^各电阻的影响。然而，铜与该阻挡层4交差的粘着可能？ 1起处理或热应力过程中该阻挡层和该铜层的剥离，从而带来了对电迁移和应力i秀导的成孑L的4旦心。
2
综上所述，对于能够在铜互连中淀积薄的保形阻挡层和铜层，使之具有良好的电迁移性能和降低的应力诱导成孔风险的系统和工艺存在着需求。
发明综述
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广泛而言，本实施方式能够满足在铜互连中淀积薄的4呆形阻挡层和铜层，使之具有良好的电迁移性能和降低的应力诱导成孔风险的需求。电迁移和应力i秀导成3L受到该阻挡层和该铜层之间的粘着的影响，其可通过在铜淀积前使该阻挡层富金属以及通过在铜淀积之前限制暴露于该阻挡层的氧的数量得到提高。替代性地，可在该阻挡层上淀积功能化层，乂人而能在该铜互连中淀积该铜层。该功能化层可与阻挡层和铜层形成强键，从而提高两个层之间的粘着性能。该功能化层仅能支持在该阻挡层上淀积铜层，并被该铜层
取代。应当了解本发明可以多种方式来施行，该方式包括作为溶液、方法、工艺、装置或系统。以下将描述本发明的多个发明性实
施方式。 在一个实施方式中才是供了一种准备基底的基底表面，在铜互连的金属阻挡层上淀积功能化层，以帮助铜层淀积在集成系统的铜互连中，,人而才是高该铜互连的电迁移性能的方法。该方法包括「淀积该金属阻挡层，以将该铜互连结构填在该集成系统中，其中在淀积该金属阻挡层后，转移基底并在受控环境中进行处理，以防止形成金属阻挡氧化物。该方法还包括将该功能化层淀积在集成系统中的金属层上。该方法进一步包括在将该功能化层淀积在该金属阻挡层上后，将该铜层淀积在集成系统中的铜互连结构中。
通过以下结合了附图的详细i兌明，且相同的参考标号表示相同的结构元件，本发明将更易理解。
8]
图1A-1D显示了在互连处理不同阶段的双嵌入互连的横截面。
图6A显示了结合功能化层的互连处理的示范性工艺流程。
图6B显示了采用图6A的工艺流程处理基底的示范性集
成系统。
具体实施方式
[16^是供了通过还原去除界面金属氧化物或添加粘着促进层以提高界面粘着并降低金属互连的电阻率的改良的金属集成技术
的示范性实施方式。应当了解本发明可以多种方式来施4亍，该方式包括作为工艺、方法、装置或系统。以下将描述本发明的多个发明性实施方式。本领域:技术人员应当了解无需部分或全部此处所列举的特定细节仍可实施本发明。 图1A显示了通过双嵌入处理顺序图案化后的互连结构的示范性冲黄截面。该互连结构在基底50上，并具有介电层100，其中经加工形成了金属线101。该金属线通常可通过在该介电层100中蚀刻沟槽，然后以导电材^牛(例如铜)填充该沟槽后加工得到。 通孔介电层104 #1淀积在该阻挡层102上。该通孔介电层104可由有机硅酸盐玻璃(OSG，掺碳二氧化硅)或其它类型的介电材料，优选具有低介电常数的介电材料。示范性的二氧化硅可以包括，PECVD未4参杂TEOS 二氧化石圭，PECVD氟化石圭玻璃(FSG)，HDPFSG， OSG,多孑L OSG等。市场化的介电材料包4舌可从AppliedMaterials (Santa Clara, California)购得的Black Diamond (I)和BlackDiamond (II),可/人Novellus Systems (San Jose)购4寻的Coml，也可4吏用乂人ASM America Inc. (Phoenix, Arizona)购4寻的Aurora。在通孑L介电层104上方的是沟槽介电层106。该沟槽介电层106可以是^氐K介电材料，例如掺碳氧化物(C-oxide)。低K材料的介电常数可以约为3.0或更低。在一个实施方式中，该通孔和沟槽介电层由相同材料制成，并在同一时间淀积以形成连续的膜。在该沟槽介电层106氺皮淀积后，釆用已知的4支术对具有该结构的基底50进行图案化和蚀刻处理，以形成通孑L 114和沟槽116。
PO图1B显示了在通孔114和沟冲曹116形成后，淀积了阻挡层130和铜层132,以内衬和填充该通孔114和该沟槽116。该阻挡层130可由氮化钽(TaN),钽(Ta),钌(Ru)或这些材料的混合物制备得到。尽管这些是常用的材料，也可采用其它阻挡层材料。阻挡层材料可以是其它的耐高温金属化合物，包括但不限于钛(Ti),鴒(W),锆(Zr)，铪(Hf),钼(Mo)，铌(Nb)，钒(V),钌(Ru)和铬(Cr)。
21] 然后如图1C所示，淀积铜膜l32以填充该通孔114和该沟槽116。在一个实施方式中，该铜才莫132包括下置的薄铜种子层131。在一个实施方式中，该薄铜种子层的厚度介于约5埃至约300埃。
随后，在步骤307,保形铜种子净皮淀积在该阻挡层上， 然后为厚铜间隙填充(或主体(bulk)填充)处理308。在一个实施方 式中，该保形铜种子层可通过无电处理4皮淀积。该厚铜主体填充处 理可以是无电淀积(ELD)处理或电化学镀层(ECP)处理。无电铜淀积 和ECP是7>知的湿式处理。要将湿式过程集成在具有受控处理和运 输环境的系统中，该反应器需要与冲洗/干燥4义集成，以4是供干进/ 干出处理能力。此外，该系统需要填充惰性气体，以确保该基底最 4氐限度地暴露至氧。该无电淀积处理可通过多种方式进行，例如， 水坑电镀(puddle-plating),其中液体^皮分配在基底上，并在^争态才莫 式下反应，然后去除反应物并废弃或回收利用。最近开发了千进/ 干出无电铜处理。该处理〗吏用近处理*接头，以限制该无电处理液体 在有限区域上与基底表面相接触。不在近处理接头下的基底表面是 干火喿的。此外，在该处理中所用的所有液体均进4亍脱气处理，即， 所卩容解的氧可通过市售的脱气系统去除。 如上所述，在工艺流程300中，该基底355 ,皮带入该集 成系统350,以淀积阻挡层和铜层。如工艺;克#呈300的步艰《301所 述，触点125顶部鴒表面124a通过蚀刻去除原生的鵠氧化物。一 旦该钨氧化物被去除后，需要防止图2A的暴露钨表面124a暴露至 氧。如果该去除处理为Ar溅射处理，该反应器371与该真空传递 模块370相连接。如果选择了湿式化学蚀刻处理，该反应器应当与 受控环i竟传递4莫块1080相连4妄，而非连4妻该实-睑室环境传递才莫块 360, /人而限制该鴒表面对氧的暴露。
135然后，如图3A的步骤303所述，向该基底淀积金属阻挡 层，例如Ta、 TaN、 Ru或这些膜的组合。图2B的该阻挡层130可 通过ALD处理或PVD处理进4亍淀积。在一个实施方式中，该ALD 处理在小于1 Torr下操作。该ALD反应器373与该真空传递模块 370相连4妄。在另一实施方式中，该淀积处理为高压处理，其采用超临界co2和有机金属前体以形成该金属阻挡层。在另 一 实施方式
中，该淀积处理为在小于1 Torr下才喿作的物理气相淀积(PVD)处理。
36如图3A的步骤305所示，该基底可进行可选的还原(氢 等离子体处理)处理，例如可釆用含氢等离子体进行。该氢还原反 应器374可与该真空传递才莫块370相连4妾。在该阶4殳，该基底已经 作好无电铜淀积的准备。该无电铜镀覆可在无电铜镀反应器381中 进4亍，以淀积-隊形种子层。在该种子层淀积之后，可在用于淀积该 保形种子层的同一无电铜淀积反应器381中进4亍铜主体填充，^旦采 用不同的化学品完成主体填充。替代性地，铜主体填充可在单独的 ECP反应器381，中进4亍。 图4A显示了具有阻挡表面410的阻挡层401。图4B显 示该阻挡表面410上淀积了该化学接枝络合基团420的功能化层 402。该络合基团420具有两端，"A"端和"B"端。"A"端与阻挡 金属的表面410形成共价键。络合基团420应当具有能与该阻挡表 面形成共价4建的"A"端，该阻挡表面可由例如Ta、 TaN、 Ru或其它 应用材料等材并+制成。在一个实施方式中，如图4C所示，该"B" 端与该铜种子层403形成共〗介4建。在该种实施方式中，该纟备合基团 420的"B"端应选择能与铜形成共价键的化合物。替代性地，如图 4D所示，铜403'替代该完整的络合基团420被直接淀积在该阻挡表 面上，或者该络合基团可被修饰为能够与铜结合的催化位点。图 4D中的该络合基团420帮助该铜与该阻挡表面的结合。 在该基底离开该集成系统650之前，该基底可以可选地 进行表面清洗处理，从而清洗来自之前的铜电镀处理的残留物。该 基底清洗处理可以是刷〗察清洗处理，其反应器663可与实-睑室环境 传递模块660集成。 图6B中所示的与该受控环境传递才莫块680结合的该湿式 处理系统均需要满足可干进/干出系统集成的要求。此外，该系统 以一种或多种惰性气体填充，以确保该基底最低限度地暴露至氧。
[51图6A中描述的该工艺流程600和图6B中描述的系统 650还可用于向双嵌入结构(如图1A-1D所示)淀积阻挡层和铜。 对于双嵌入结构，流考呈600中的步-银601 ;故清洗金属线的上表面(如 图1A的表面122a所示)所替代。
[52虽然本发明已对数个实施方式加以描述，^f旦应理解本领 域技术人员在阅读前述说明书以及研究图示时将可实现其许多的 修改、增添、变更以及等效物。因此，本发明应包含落入本发明的 真正精神及范围内的所有此类修改、增添、变更及等效物。在权利 要求中，除非明确指出，元素和/或步骤并未暗示任何特定的操作 顺序。
权利要求
1. 一种准备基底的基底表面，在铜互连的金属阻挡层上淀积功能化层，以帮助铜层淀积在集成系统的铜互连中，从而提高该铜互连的电迁移性能的方法，该方法包括淀积该金属阻挡层，以将该铜互连结构填在该集成系统中，其中在淀积该金属阻挡层后，转移基底并在受控环境中进行处理，以防止形成金属阻挡氧化物；将该功能化层淀积在集成系统中的金属层上；以及将该功能化层淀积在该金属阻挡层上后，将该铜层淀积在集成系统中的铜互连结构中。
2. 如权利要求l所述的方法，其进一步包括在淀积该金属阻挡层之前，清洗该铜互连中下层金属的暴露表 面，以去除该集成系统中的下层金属的暴露表面的表面金属氧 化物，其中该下层金属是与该铜互连电连接的下层互连的一部 分。
3. 如权利要求l所述的方法，其进一步包括在淀积该功能化层之前，还原该金属阻挡层的表面，以使该集 成系统中的该金属阻挡层的表面富金属。
4. 如权利要求1所述的方法，其中该金属阻挡层的材料选自氮化 钽(TaN),钽(Ta)，钌(Ru)，钬(Ti),鵠(W)，锆(Zr),铪(Hf)， 钼(Mo),铌(Nb),钒(V),钌(Ru)和4各(Cr),以及这些材料的混合物。
5. 如权利要求1所述的方法，其中用于该功能化层的该材料包含 具有至少两个端的络合基团，该络合基团的一端与该金属阻挡 层形成键，该络合基团的另一端与铜形成4建。
6. 如权利要求4所述的方法，其中该络合基团选自癸硫醇，十八 硫醇，四苯基吟吩，联苯二硫，芳香硫代乙酸酯，三(2,2-伯-耳关吡。定)斩^醇钌(11)，苯石危酚，4, 4-伯-二吡"定基二石克，二石克化 萘，以及双(2-蒽二酚)二石危4匕物，3-巯丙基三曱氧基石圭:烷，y-甲基丙烯酰氧基丙基三曱氧基硅烷，二曱基-全氟辛酰氧丙基硅 烷，烷基三氯硅烷，十八烷基硅烷，辛醇，22-巯基-1-二十二 酸，烷基膦酸，十八酸，二氨基十二烷，n-苯基吡咯以及2,5-二漆烯基p比咯基三单元组。
7. 如权利要求3所述的方法，其中通过含氢等离子还原该金属阻 挡层的表面。
8. 如权利要求1所述的方法，其中该铜互连包含在通孔上的金属 线，且该下层互连包含金属线。
9. 如权利要求1所述的方法，其中该铜互连包含金属线，且该下 层互连包含接点。
10. 如权利要求2所述的方法，其中通过Ar溅射处理或采用含氟 气体等离子处理中的一种处理对表面金属氧化物的暴露表面 进行清洗。
11. 如4又利要求10所述的方法，其中该含氟气体为NF3、 CF4或 两者的组合物。
12. 如一又利要求1所述的方法，其中淀积该金属阻挡层进一步包 括淀积第一金属阻挡层；和 淀积第二金属阻挡层。
13. 如权利要求12所述的方法，其中该第一金属阻挡层通过原子 层淀积(ALD)处理进4于淀积，而该第二金属阻挡层通过物理气 相淀积(PVD)处理进4亍淀积。
14. 如权利要求12所述的方法，其中该第一金属阻挡层通过ALD 处理进《亍淀积，以及该第二金属阻挡层通过ALD处理进4亍淀积。
15. 如4又利要求1所述的方法，其进一步包括 在淀积该铜层之前，清洗该集成系统中的功能4匕层的表面。
16. 如权利要求1所述的方法，其中该薄铜种子层选择性地通过无 电工艺进4亍5定积、。
17. 如权利要求1所述的方法，其中该间隙填充铜层可通过电化镀 层(ECP)工艺进行淀积。
18. 如权利要求1所述的方法，其中该铜层替代了该功能化层，并 直接淀积在该金属阻挡层上。
19. 用于在受控环境中处理基底，以在铜互连的金属阻挡层上淀积 功能化层，从而提高该铜互连的电迁移性能的集成系统，其包 含实验室环境传递室，其能够将基底由连接至该实验室环境传递室的基底卡盒传递进入该集成系统；真空传递室，在压力小于1Torr的真空下操作；真空处理才莫块，用于淀积该金属阻挡层，其中该用于淀积该金 属阻挡层的真空处理才莫块与该真空传递室连4妄，并在压力小于 1Torr的真空下4喿作；受控的环境传递室，由选自 一 个惰性气体组的惰性气体所填 充5 和淀积处理才莫块，用于在该金属阻挡层的表面上淀积该功能化 层，其中用于淀积该功能化层的该淀积处理模块与该受控环境 4专递室相连4妻。
20. 如权利要求19所述的集成系统，其进一步包含无电铜淀积处理才莫块，用于在该功能4匕层^皮淀积于该金属阻挡 层表面上后，在该铜互连中淀积薄层的铜种子层，其中该无电 铜淀积处理模块与该受控环境传递室相连接。
21. 如权利要求19所述的集成系统，其进一步包含真空处理模块，用于清洗下层金属暴露表面的金属氧化物，其 中该下层金属为下层互连的一部分，该铜互连与该下层互连电 连接，用于清洗的该真空处理模块与该真空传递室相连接，且 在压力小于1Torr的真空下操作。
22. 如权利要求19所述的集成系统，其进一步包含含氢还原处理模块，用于还原该金属阻挡表面上的金属氧化物 或金属氮化物，从而在该功能化层^皮淀积在该金属阻挡层的表 面上之前使该表面富金属，其中该含氢还原处理冲莫块与该真空传递室相连4妄，该含氢还原处理一莫块在压力小于1 Torr的真空 下操作。
23. 如权利要求20所述的集成系统，其中该无电铜淀积处理模块 还可用于在该薄铜种子层上淀积间隙填充铜层。
24. 如;f又利要求20所述的集成系统，其进一步包含无电铜淀积处理才莫块，用于在该薄铜种子层上淀积间隙填充铜 层。
25. 如权利要求19所述的集成系统，其进一步包含基底清洗处理模块，用于在该金属阻挡层上淀积该功能化层后 清洗该基底表面，其中该基底清洗处理才莫块与该受控环境传递 才莫块相连4姿。
26. 如权利要求19所述的集成系统，其进一步包含与该真空传递室和该受控环境传递室连4妄的第一加载锁定室， 其中该第 一加载锁定室帮助该基底在该真空传递室和该受控 环境传递室之间传递，该第一加载锁定室用于在压力小于1 Torr的真空下操作或由选自 一 个惰性气体组的惰性气体所填 充5 和与该真空传递室和该实,验室环境传递室连4妄的第二加载锁定 室，其中该第二加载锁定室帮助该基底在该真空传递室和该实 -验室环境传递室之间传递，该第二加载锁定室用于在压力小于 1 Torr的真空下或在实-验室环境下纟乘作或者由选自一个惰性 气体组的惰性气体所填充。
27. 如权利要求19所述的集成系统，其中该真空传递室和与该真 空传递室连4^的至少一个真空处理才莫块在小于1 Torr的压力 下操作，从而控制该基底对氧的暴露。
28. 如权利要求19所述的集成系统，其中该受控环境传递室和与 该受控环境传递室连4妾的至少一个处理才莫块中的每一个以选 自该惰性气体组的一种或多种惰性气体所填充，从而控制该基 底对氧的暴露。
29. 如权利要求19所述的集成系统，其中该基底在该集成系统中 ,皮传递和处理，乂人而限制该基底对氧暴露的时间。
30. 如权利要求29所述的集成系统，其中限制该基底表面对氧的 暴露使该功能化层能够淀积在该金属阻挡层的表面上。
31. 如权利要求19所述的集成系统，其中与该受控环境传递才莫块 连接的该至少 一 个处理才莫块使该基底能进行干进/干出处理， 其中该基底以千燥状态进出该至少 一 个处理模块。
全文摘要
阻挡层和铜层之间的粘着可通过在铜淀积前使该阻挡层富金属以及通过在铜淀积之前限制暴露至该阻挡层的氧的数量得到提高。替代性地，可在该阻挡层上淀积功能化层，使得淀积在该铜互连中的铜层与阻挡层之间具有良好的粘着。该方法包括淀积该金属阻挡层，以将该铜互连结构填在该集成系统中，其中在淀积该金属阻挡层后，转移基底并在受控环境中进行处理，以防止形成金属阻挡氧化物。该方法还包括将该功能化层淀积在集成系统中的金属层上。该方法进一步包括在将该功能化层淀积在该金属阻挡层上以防止电迁移问题后，将该铜层淀积在集成系统中的铜互连结构中。
文档编号B05D5/12GK101511494SQ200780032532
公开日2009年8月19日 申请日期2007年8月17日 优先权日2006年8月30日
发明者弗里茨·C·雷德克, 约翰·博伊德, 耶兹迪·多尔迪, 衡石·亚历山大·尹 申请人:朗姆研究公司