专利名称：增强无机介质与铜的粘附性的等离子体处理的制作方法
技术领域：
本发明涉及互连半导体结构，特别是涉及一种改善这种互连结构的诸如Si3N4的无机阻挡膜与铜线或通路的粘附性的方法。在本文中，该术语“互连结构”用得很多，它包括包含铜互连金属的任何半导体结构。因此，本发明可应用于镶嵌结构(单个和双重的)、存储单元电容器和其它用于逻辑电路的布线应用、存储器和输入/输出应用。
在半导体工业中，已将铝和铝合金用作传统的互连金属。尽管在过去铝基金属一直是被选作金属互连的材料，但目前人们关注的是，在半导体器件的电路密度和速度增加的情况下铝是否能满足所需要的要求。由于这种日益增长的关注，已研究了其它材料来作为铝基金属的可能的替代物。一种具有较大优点的、目前正在考虑作为铝金属的可能的替代物是铜。这是因为，除了铜的电阻率较低外，铜与铝相比，它对于电子迁移(electromigration)失效的敏感性较低。
尽管铜有上述优点，但铜容易在后续的工艺步骤中扩散到周围的介质材料中。为了抑制铜的扩散，往往用一层保护性阻挡层来覆盖铜互连结构。一种覆盖方法涉及沿铜互连结构的侧壁和底部使用纯的或合金形态的钽或钛的导电性保护层。为了覆盖铜互连结构的上表面，一般使用诸如氮化硅、Si3N4的介质材料。
由于在铜淀积后需要低温工艺，故在低于450℃的温度下淀积氮化硅层。因此，氮化硅淀积一般是使用等离子增强化学气相淀积(PECVD)或高密度等离子化学气相淀积(HDPCVD)来进行的，其中，淀积温度一般在约200℃至约500℃的范围内。
PECVD和HDPCVD氮化硅已用于半导体器件制造的许多其它的应用中。但是，在对于铜互连结构使用氮化硅顶盖的情况下，常规的PECVD或HDPCVD氮化硅产生可靠性的问题。特别是，使用常规的PECVD或HDPCVD淀积的氮化硅膜一般显示出较差的与铜表面的粘附性。例如，一些氮化膜发生剥离并在已构图的铜线上形成气泡，特别是在后续的介质淀积、金属化和化学机械抛光的工艺中。
这些结果表示在实际的制造工艺中氮化硅怎样能粘附于铜上。附加的绝缘层在被淀积到铜金属上后，一般将淀积在氮化硅膜上。但是，后续的绝缘层在氮化膜上的淀积将产生应力，该应力将使氮化硅膜从铜表面剥离下来。该剥离导致下述几种灾难性的失效机构，其中包括金属间介质的翘起、铜线的翘起和铜从未覆盖的铜线的扩散。一般在双镶嵌工艺中看到这种结果，其中，一般在铜化学机械抛光(CMP)时发生氮化硅RIE中止层的剥离。
现有技术的氮化硅与铜的粘附性需要通过使铜与硅反应来对铜表面进行硅化。该现有技术的方法存在两个缺点由于硅与铜的反应并扩散进铜而导致铜薄层电阻的增加，由于不完全的或部分的硅化铜的形成导致临界性的氮化物与铜的粘附性。
鉴于已提到的现有技术的铜互连结构的缺点，很需要发展一种新的利于无机阻挡膜与存在于互连半导体结构上的铜表面的粘附性的工艺。
本发明的一个目的在于提供一种改善被淀积的无机阻挡膜与互连结构的铜表面的粘附性的方法。
本发明的另一个目的在于提供这样一种方法，使用该方法在后续的互连工艺步骤中被淀积的无机阻挡膜不会从互连结构的铜表面剥离下来。
本发明的又一个目的在于提供这样一种方法，该方法能被用于双镶嵌工艺，以改善Si3N4刻蚀中止层与铜布线或铜通路的粘附性。
通过采用包括在铜互连结构上形成无机阻挡膜之前将互连半导体结构的铜层暴露于还原性等离子体中的方法，可在本发明中实现这些和其它的目的和优点。更具体地说，本发明的改善被淀积的无机阻挡膜与互连结构的铜表面的粘附性的方法包括下述步骤(a)将至少包含一层铜的互连半导体结构暴露于还原性等离子体中；以及(b)在已被暴露于所述等离子体的铜互连结构上形成无机阻挡膜。
按照本发明的方法，该暴露步骤、步骤(a)在下述的等离子体中进行，该等离子体包括至少一种从由H2、N2、NH3、诸如He、Ne、Ar、Kr、和Xe的稀有气体及其混合物组成的一组中选出的非氧化性气体。要注意，氧化性气氛被排除在本发明之外，这是因为，这样的气氛会使存在于互连结构中的铜氧化并削弱在铜界面处的氮化物的接合。
在本发明中考虑的合适的互连结构包括，但不限于存储单元电容器，其中包括平板电容器、冠状电容器、层叠电容器和其它类似的电容器；镶嵌结构，其中包括单个的和双重的；包含多个通路和金属线的多重布线层；以及其它类似的互连结构。
本发明的唯一的图是典型的双重镶嵌结构的剖面图，该双重镶嵌结构可用于本发明并在淀积无机阻挡层之前暴露于等离子体中。
本发明涉及一种改善在互连半导体结构的铜表面上的被淀积的无机阻挡膜的粘附性的方法，以下，将参照附于本发明书之后的唯一的图详细地描述本发明。要强调的是，尽管本发明只说明双重镶嵌结构，但它适用于所有包含铜金属并使用诸如SiC、Si3N4的被淀积的无机阻挡膜作为保护阻挡层或作为刻蚀中止层的互连半导体结构。
参照本申请书中的唯一的图，该唯一的图示出典型的经本发明的方法处理的双重镶嵌结构，具体地说，该双重镶嵌结构包括下互连层10和上互连层12。各层包括通路区14和金属线或布线区16。下互连层10包括具有其中被铜20充填的开口或槽的介质18。在下互连层10的顶部是上互连层12，该上互连层12包括介质22，其槽区将下互连层的铜布线暴露出来。上互连层12的该槽区被铜20充填。在各个互连层之间是起到RIE中止层作用、保护性阻挡层作用或起两个作用的无机阻挡层24。
在图中示出的双重镶嵌结构是利用本领域的专业人员熟知的常规的镶嵌工艺步骤来制造的。其不同点是在形成阻挡层24之前将互连结构暴露于本发明的方法的等离子体中，以下将详细地描述该方法。
介质层18和22可以是相同的或不同的绝缘性无机或有机材料。合适的介质包括，但不限于SiO2、氟化的SiO2、Si3N4、聚酰亚胺、金刚石、类似于金刚石的碳、硅聚合物、paralyne聚合物、经氟化的类似于金刚石的碳和其它类似的介质化合物。在这些介质材料中，层18和22最好由SiO2构成。该介质层可以被掺杂或不被掺杂。当掺杂时，该掺杂剂可以是硼、氟、磷、重氢(deutrium)、硅、锗或另一种类似的掺杂剂。
阻挡层24是无机材料，该无机材料对于通路起到RIE中止层的作用或在作为结构的最外层存在时起到保护性阻挡层的作用。作为阻挡层24时合适的材料包括，但不限于SiC、Si3N4、加氢的Si3N4和加氢的SiC。在这些材料中，最好在本发明中使用Si3N4或SiC的加氢的形态作为阻挡层。也可在金属线16与通路14之间插入可选择的RIE中止层(在图中未示出该实施例)。
使用常规的汽相淀积技术来形成阻挡层24，该技术包括，但不限于化学汽相淀积、低压化学汽相淀积、高压化学汽相淀积、高密度等离子化学汽相淀积、等离子增强化学汽相淀积和其它类似的汽相淀积技术。在这些淀积技术中，对于淀积阻挡层来说，等离子增强化学汽相淀积(PECVD)和高密度等离子化学汽相淀积(HDPCVD)是优选的方法。
再次要强调的是，在图中示出的双重镶嵌结构和任何其它所考虑的铜互连结构是采用本领域的专业人员熟知的技术来制造的。由于这些技术是熟知的，并对于了解本发明不是关键性的，故在此不给出这些方面的详细的讨论。在制造本发明的互连结构和现有技术的互连结构中的唯一的不同是，在淀积无机阻挡层24之前，在下面定义的条件下对铜互连结构进行还原性等离子体的处理。
具体地说，在本发明中使用的还原性等离子体是任何非氧化性的、即不包含氧原子的等离子气氛。可在本发明中被使用的合适的还原性等离子体包括，但不限于H2、N2、NH3和稀有气体。其中也考虑这些诸如H2和N2的还原性等离子体的两种或多种的组合。在这些还原性等离子体中，H2和NH3是本发明优选的还原性等离子体。
本发明的还原性等离子体暴露步骤是在常规的能产生等离子体气体的等离子淀积装置中进行的。具体地说，本发明的暴露步骤是在从约20℃至约600℃的温度下进行的，处理时间从约1秒至约3600秒。其中也考虑大于3600秒的暴露时间。更具体地说，本发明的暴露步骤是在从约360℃至约400℃的温度下进行的，处理时间从约5秒至约30秒。加热最好在还原性等离子体的存在下进行。
再者，本发明的暴露步骤是以从约1mTorr至约20Torr的气压、以从约50至约10,000瓦的功率和以从约1至10,000sccm的气体流速来进行的。精确的条件依赖于在形成阻挡层中所使用的淀积工艺的类型。例如，当使用高密度等离子化学汽相淀积(HDPCVD)时，本发明的暴露步骤是以从约3至约6mTorr的气压、以从约1500至约3000瓦的功率和以从约10至50sccm的气体流速来进行的。另一方面，当使用等离子增强化学汽相淀积(PECVD)时，本发明的暴露步骤是以从约2至约8Torr的气压、以从约150至约400瓦的功率和以从约100至2000sccm的气体流速来进行的。
要注意，在暴露步骤刚结束后且在不破坏真空的情况下，使用任何上述的淀积技术在其上形成无机阻挡层。本发明的方法，特别是双重镶嵌结构暴露步骤提供这样一种铜互连结构，其中，无机阻挡层具有经改善的与铜线或通路的粘附性，与迄今用现有工艺得到的结构相比，电阻没有增加。这样，由于采用本发明的方法改善了粘附性，故这样得到的铜互连结构不显示出任何剥离的问题，而现有技术的互连结构在后续的诸如化学机械抛光的工艺步骤中通常遇到这样的问题。再有，使用本发明的方法制造的互连结构很少或没有显示出电阻的增加。
给出下述的实施例以说明本发明的范围。因为该实施例只是为了说明性的目的，故本发明不应只限于该实施例。
实施例为了显示在采用本发明的方法得到的被汽相淀积的无机阻挡层与铜布线之间的被改善的粘附性，在200mm的硅片上进行了一系列的实验，该硅片包含镶嵌在SiO2中的铜线。具体地说，使用标准的镶嵌工艺条件制备了双重镶嵌结构，与标准的镶嵌工艺条件的不同点是，在双重镶嵌结构的铜线上淀积Si3N4之前，采用不同的技术对表面进行处理，这些技术包括不处理(CE1)；在氧化性等离子气体气氛中的处理(CE2)；或按照本发明的方法在还原性等离子体中的处理。在处理、Si3N4淀积、金属间淀积和双重镶嵌铜线/通路制造后，对各个结构进行光学检验，检验其分层情况。在下面的表1中总结了这些实验的结果，其中，“好”表示基本上很少或没有剥离，即，粘附性得到改善，“差”表示基本上没有粘附性。也观察到，因为氮化物的粘附性得到改善，故铜表面的反射率提高了。
上述的结果清楚地说明通过采用本发明的还原性等离子体暴露步骤可使Si3N4阻挡层与铜的粘附性得到改善。在比较例中(CE1和CE2)，粘附性差，并观察到被淀积的Si3N4膜的剥离。
表1
<p>尽管已对本发明就优选实施例进行了特别的说明和描述，但本领域的专业人员应了解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可在形式和细节方面进行上述的和其它的变更。
权利要求
1.一种有利于在铜互连结构上形成的无机阻挡膜的粘附性的方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤(a)将至少包含一层铜的互连半导体结构暴露于还原性等离子体中；以及(b)在所述被暴露的铜互连结构上形成无机阻挡膜。
2.如权利要求1中所述的方法，其特征在于所述暴露步骤在从由H2、N2、NH3、稀有气体、及其混合物组成的一组中选出的非氧化性等离子体气氛中进行。
3.如权利要求2中所述的方法，其特征在于所述非氧化性等离子体气氛是H2。
4.如权利要求2中所述的方法，其特征在于所述非氧化性等离子体气氛是NH3。
5.如权利要求1中所述的方法，其特征在于所述暴露步骤在从约20℃至约600℃的温度下进行，处理时间从约1秒至约3600秒或更高。
6.如权利要求5中所述的方法，其特征在于所述暴露步骤在从约360℃至约400℃的温度下进行，处理时间从约5秒至约30秒。
7.如权利要求1中所述的方法，其特征在于所述暴露步骤是以从约1mTorr至约20Torr的气压、以从约50至约10,000瓦的功率和以从约1至10,000sccm的气体流速来进行的。
8.如权利要求1中所述的方法，其特征在于所述暴露步骤是用高密度等离子化学汽相淀积法、以从约3至约6mTorr的气压、以从约1500至约3000瓦的功率和以从约10至50sccm的气体流速来进行的。
9.如权利要求1中所述的方法，其特征在于所述暴露步骤是用等离子增强化学汽相淀积法、以从约2至约8Torr的气压、以从约150至约400瓦的功率和以从约100至2000sccm的气体流速来进行的。
10.如权利要求1中所述的方法，其特征在于所述铜互连结构是电容器结构、包含多个通路和金属线的镶嵌结构或多重布线层。
11.如权利要求10中所述的方法，其特征在于所述铜互连结构是包含铜线和通路的单个的或双重的镶嵌结构。
12.如权利要求1中所述的方法，其特征在于所述无机阻挡膜是利用从由化学汽相淀积、低压化学汽相淀积、等离子增强化学汽相淀积、高密度等离子化学汽相淀积组成的一组中选出的一种淀积工艺在原处形成的。
13.如权利要求12中所述的方法，其特征在于所述无机阻挡膜是由等离子增强化学汽相淀积或高密度等离子化学汽相淀积法在原处形成的。
14.如权利要求1中所述的方法，其特征在于所述无机阻挡膜由Si3N4、SiC、加氢的Si3N4或加氢的SiC构成。
15.如权利要求14中所述的方法，其特征在于所述无机阻挡膜是加氢的Si3N4或加氢的SiC。
16.如权利要求1中所述的方法，其特征在于所述互连结构包括从由SiO2、氟化的SiO2、Si3N4、聚酰亚胺、金刚石、类似于金刚石的碳、硅聚合物、paralyne聚合物和经氟化的类似于金刚石的碳组成的一组中选出的一种介质材料。
17.如权利要求16中所述的方法，其特征在于所述介质材料是SiO2。
18.如权利要求1中所述的方法，其特征在于在槽内形成所述铜层。
全文摘要
本发明采用还原性等离子体处理步骤来增强其后被淀积的无机阻挡膜与存在于诸如双重镶嵌结构的半导体互连结构中的铜线或通路的粘附性。
文档编号H01L21/318GK1259762SQ99126150
公开日2000年7月12日 申请日期1999年12月13日 优先权日1999年1月4日
发明者P·D·阿涅洛, L·P·布赫瓦特, J·胡梅尔, B·卢瑟, A·K·斯塔帕 申请人:国际商业机器公司