專利名稱：摻雜碳和硅的銅互連的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域。更具體地說，本發(fā)明提供了一種用于半導(dǎo)體器件中的互連結(jié)構(gòu)的方法、裝置、系統(tǒng)和機(jī)器可讀介質(zhì)，以及互連結(jié)構(gòu)的形成方法。
背景技術(shù)：
集成電路不斷地被縮減為更小的尺寸。特別是互連(interconnect)在間距和體積方面正被減小以適應(yīng)更小的尺寸?；ミB大小的減小增加了互連的電阻和其中的電流密度。由于電遷移，對于互連在從0.25微米工藝技術(shù)以來的各代工藝中電流密度的增加呈現(xiàn)出顯著的可靠性問題，因此目前保守的設(shè)計(jì)規(guī)則和實(shí)踐太過于保守，不能足夠準(zhǔn)確地跟上設(shè)計(jì)的需要。
電遷移是這樣的過程，其中，互連上的流體靜應(yīng)力(例如在一個(gè)方向上施加于互連的直流電)由于動量從流動的電子傳遞到宿主原子導(dǎo)致了電流引起的原子擴(kuò)散，或者導(dǎo)致了在電路工作時(shí)在互連中所建立的電場中的電子擴(kuò)散。在互連陽極端的金屬變薄或從附近的過孔(via)被后移，最后完全分隔開，在電路中造成孔(opening)或空隙(void)。在互連陰極端的金屬形成突起和裂縫絕緣體，這導(dǎo)致器件退化，比如互連短路及金屬會擴(kuò)散到襯底中，或者更具體地說是擴(kuò)散到襯底的電路層和/或電介質(zhì)層。電遷移可靠性是依據(jù)平均無故障時(shí)間和活化能度量的。平均無故障時(shí)間(Mean Time to Failure，MTF)一般被定義為對于特定長度和寬度的互連在比如250攝氏度的溫度下、施加比如1×106安培每平方厘米的恒定電流密度時(shí)，在互連電阻增加30％之前的小時(shí)數(shù)。
活化能是電遷移開始出現(xiàn)的能級。例如，當(dāng)在互連中使用時(shí)，純銅的活化能比鋁合金的要低，但是由于銅相對于鋁提供了包括更低的電阻率的內(nèi)在優(yōu)勢，因此銅和鋁都被用來形成互連。更小的電阻率允許更高的電流密度，因此更小的銅互連有可能處理與鋁互連相同的電流而具有相同的電遷移可靠性。此外，與鋁基互連不同，銅基互連至少三面由作為擴(kuò)散阻擋(diffusion barrier)的難熔金屬層圍繞。在電遷移導(dǎo)致銅互連中的空隙之后，電流通過難熔金屬層分流繞過空隙，從而即使是橫跨互連長度、寬度和厚度的空隙也不會造成開路故障。但是，銅沒有解決越來越多的電遷移問題?？障秾?dǎo)致電阻增加，并且隨著電阻增加，空隙長大。因此，在互連變得更小和具有互連的金屬化層被更加緊密地組合時(shí)，與電遷移相關(guān)的問題增加了。


在附圖中，類似的標(biāo)記可以指示相似的元件圖1示出了部分具有增強(qiáng)互連的集成電路的橫截面視圖的實(shí)施例；圖2示出了部分半導(dǎo)體器件的橫截面視圖的實(shí)施例，該半導(dǎo)體器件被部分地處理來確定互連構(gòu)造(interconnect feature)；圖3示出了在形成阻擋層和摻碳的銅層之后，圖2的襯底的橫截面視圖的實(shí)施例；圖4示出了在形成摻雜碳的銅互連之后，圖3的襯底的橫截面視圖的熟練的技術(shù)人員將意識到，為了簡潔和清楚而圖示說明圖中的元件，沒有必要按比例繪制。例如，在圖中的一些元件的尺寸相對于其他元件被放大了以有助于增進(jìn)對本發(fā)明的實(shí)施例的理解。
具體實(shí)施例方式
以下是對在附圖中所描述的本發(fā)明示例性實(shí)施例的詳細(xì)說明。該示例性實(shí)施例被詳細(xì)描述以清楚地表達(dá)本發(fā)明。但是，所提供細(xì)節(jié)的數(shù)量不是意圖限制實(shí)施例所預(yù)期的變換。對于本發(fā)明所預(yù)期的實(shí)施例的變化太多而不能單獨(dú)地討論，因此下面詳細(xì)的說明被設(shè)計(jì)來使這樣的實(shí)施例對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員是清楚的。
現(xiàn)在參考圖1，示出了部分具有增強(qiáng)互連的集成電路的橫截面視圖的實(shí)施例。比如圖1示出的許多實(shí)施例具有互連，或具有用于創(chuàng)建對于活化能和/或MTF有增強(qiáng)的電遷移可靠性的互連的方法。比如實(shí)施例示出的半導(dǎo)體器件可以每次一層地順序地制造。該順序可以包括形成或生長硅晶體，將硅切割為晶片，拋光晶片，然后在晶片的襯底160上、電路層140中形成器件；其中器件的形成通過下列工藝完成可選擇地沉積比如氧化硅的薄電介質(zhì)層，使用類似光刻的工藝對介電材料進(jìn)行刻蝕，在電路層140中形成觸點(diǎn)(contact)150以允許電路層140的電路能被信號介質(zhì)、互連(例如摻雜碳和摻雜硅的互連——CuXCYSiZ互連120)訪問。具體的濃度或分子比X、Y和Z在實(shí)施例之間可以變化。在一些實(shí)施例中，在CuXCYSiZ互連120中碳摻雜量或濃度可以是在百萬分之1到100的范圍內(nèi)，但是其他的實(shí)施例可以包括在百萬分之1到1000的范圍內(nèi)的碳濃度。此外，在CuXCYSiZ互連120中硅摻雜量或濃度可以是在百萬分之300到900的范圍內(nèi)，但是在其他的實(shí)施例中，硅濃度可以是從百分之0到8的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施例中，在形成互連之前，可以在該互連構(gòu)造(interconnect feature)中或在經(jīng)過刻蝕的或以其他方式形成的用于互連的孔中形成阻擋層110，以阻止或減弱互連的原子擴(kuò)散到級內(nèi)(intra-level)電介質(zhì)100和/或電路層140中。形成互連后，可以覆蓋互連和/或金屬化層1的剩余部分形成級間(inter-level)電介質(zhì)層，比如鈍化層130，來使互連免受類似濕氣的污染和/或提供互連層間的絕緣。
通過在級內(nèi)電介質(zhì)中形成互連構(gòu)造，然后形成比如阻擋層110的薄導(dǎo)電層和/或級內(nèi)電介質(zhì)上的類似鎢、銅或鋁的導(dǎo)電層，可以形成一個(gè)或多個(gè)金屬化層，比如金屬化層1、金屬化層2和金屬化層3，以形成觸點(diǎn)或過孔和/或互連。例如，過孔170可以將金屬化層3的互連和金屬化層2的互連相耦合。在一些實(shí)施例中，過孔170可以包括比如鎢的金屬，但是在其他實(shí)施例中，過孔170可以包括與用于互連的相同的材料，比如CuXCYSiZ。對級內(nèi)電介質(zhì)層100進(jìn)行圖案化可以包括光刻和等離子刻蝕。多余的金屬或級內(nèi)電介質(zhì)層100的孔上的金屬突起可以通過對表面進(jìn)行平坦化除去。在形成鈍化層或級間電介質(zhì)層(Inter-level Dielectric，IDL)130之前對金屬化層1進(jìn)行平坦化、圖案化和/或拋光可以形成或確定導(dǎo)電的互連，并且減少光刻和刻蝕的形貌效應(yīng)(topographical effect)。
此外，封裝可以通過金屬化層圍繞包括有襯底的集成電路，以保護(hù)該集成電路并提供在產(chǎn)品中使用的互連。封裝可以包括陶瓷和/或高分子來使集成電路免受物理上的損害，并且通過一個(gè)或多個(gè)互連提供從電路層到外部器件的信號介質(zhì)。
現(xiàn)在參考圖2，示出了部分半導(dǎo)體器件的橫截面視圖的實(shí)施例，該半導(dǎo)體器件被部分地處理來確定比如鑲嵌溝槽的互連構(gòu)造210。在稱為“鑲嵌(damascene)”的半導(dǎo)體制造方法中，可以在襯底上沉積電介質(zhì)層，比如氧化硅(SiO2)層200，并且互連構(gòu)造可以形成在SiO2200中來創(chuàng)建具有比如過孔或金屬線的互連形式的溝槽圖案。
SiO2200可以包括覆蓋在硅晶片上的電介質(zhì)層。在一些實(shí)施例中，在SiO2200被形成在襯底上之前，可以在晶片的襯底上形成氮化硅薄膜或類似刻蝕終止層或鈍化層的其他層。SiO2200可以包括厚度大約為5000埃到3微米的層。在一個(gè)實(shí)施例中，比如SiO2200的電介質(zhì)層可以是使用硅酸四乙脂(TEOS)作為源氣體形成的等離子沉積氧化物層。在一些實(shí)施例中，可以使用SiH4和比如氧氣(O2)或一氧化二氮(N2O)的氧化劑沉積SiO2200。在另一個(gè)實(shí)施例中，級內(nèi)電介質(zhì)可以形成為磷硅酸鹽玻璃(PSG)層、硼摻雜的PSG(BPSG)層、石英玻璃(SOG)層、二氧化硅層、摻氟的氧化硅層、低介電常數(shù)(低k)的絕緣體層、旋壓(spin-on)電介質(zhì)材料層等。低k絕緣體可以是具有比SiO2更低介電常數(shù)的材料。在一些實(shí)施例中，可以形成刻蝕終止層，比如等離子沉積的氮氧化硅。在其他可選的實(shí)施例中，刻蝕終止層可以是等離子沉積的氮化硅、碳化硅、氮化硼或其他相似的材料?？涛g終止層可以使通過刻蝕不只一層電介質(zhì)來在比如雙鑲嵌溝槽的互連構(gòu)造下形成過孔或其他孔變得容易。
現(xiàn)在參考圖3，它示出了圖2的襯底在形成阻擋層和摻雜碳的銅(CuXCY)層之后的橫截面視圖的實(shí)施例。金屬可以被沉積在互連構(gòu)造或在SiO2層200中圖案化的溝槽中。在這個(gè)實(shí)施例中，氮化鉭(TaN)金屬阻擋層可以首先被沉積在互連構(gòu)造中，接下來沉積銅(Cu)晶種層(seedlayer)。然后，可以通過電鍍在互連構(gòu)造中形成摻碳的銅(CuXCY)。在其它實(shí)施例中，可以通過無電鍍、濺射、氣相外延、離子注入和/或其他相似的方法或工藝在互連構(gòu)造中形成CuXCY。
在使用銅的鑲嵌圖案化來阻止銅擴(kuò)散進(jìn)入晶片或襯底的Si或SiO2區(qū)域的金屬化方案中可以使用阻擋層。銅通過絕緣體的擴(kuò)散可能導(dǎo)致短路或降低電路層中的晶體管或其他器件中的電子壽命。例如，襯底可以包括具有比如電容和晶體管的器件的電路層。在比如電容的器件中，阻擋層可以阻止在插栓(plug)或觸點(diǎn)與下電極層之間的相互擴(kuò)散。插栓可以由鎢(W)或多晶硅(p-Si)形成，下電極層可以由比如銥(Ir)、鉑(Pt)、鈀(Pd)、銠(Rh)、鋨(Os)等過渡金屬或Ir、Pt、Pd、Rh、Os的導(dǎo)電性氧化物和/或過渡金屬與導(dǎo)電氧化物的組合形成。
在一些實(shí)施例中，其中阻擋層TaN 300可以通過濺射形成，TaN 300可以擁有更高原子量的元素來增加側(cè)壁覆蓋率(sidewall coverage)。側(cè)壁覆蓋率增加可能導(dǎo)致活化能增加和/或電遷移故障減少。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，阻擋層的電阻率可以隨著金屬碳化物(比如TaC或HfC)選擇性地變化。
比如TaN 300的阻擋層可以在比如圖2的互連構(gòu)造210的互連構(gòu)造中形成。在其他實(shí)施例中，阻擋層可以包括氮化鈦層、氮硅鈦層、氮化鎢層、氮硅鉭層、鉭層、鈦鎢層等?？梢允褂帽热鐪?zhǔn)直濺射、離子濺射或化學(xué)氣相沉積(CVD)的方法沉積TaN 300。阻擋層厚度的上限取決于沉積技術(shù)和所創(chuàng)建的構(gòu)造的幾何形態(tài)。例如，當(dāng)使鑲嵌溝槽和過孔的側(cè)面逐漸縮減(taper)時(shí)，可以沉積厚得多的阻擋層。在一些實(shí)施例中，可以通過原子層沉積(Atomic Layer Deposition，ALD)來沉積TaN 300，厚度在約為10～50埃的范圍內(nèi)。在其他實(shí)施例中，可以形成厚度在約為150～300埃的范圍內(nèi)的阻擋層。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，可以通過CVD沉積在50～150埃范圍內(nèi)的TiN阻擋層(TiSiN)。
在一些實(shí)施例中，可以覆蓋阻擋層TaN 300形成晶種層和導(dǎo)電層。晶種層可以基本上包含一種元素，比如銅、鎳、錫等。在這個(gè)實(shí)施例中，晶種層包含銅。在許多實(shí)施例中，晶種層可以包含銅和鎂或其他合金材料，或包括銦、錫、鉻、鋅、碳、鋯、鈀、鈦、鐵、鈮、鎂等的合金材料組合。
晶種層可以使用物理氣相沉積(PVD)工藝形成，比如使用具有包含銅的濺射靶的等離子增強(qiáng)物理氣相沉積(PEVD)。或者晶種層的沉積也可以使用其他的PVD沉積工藝，比如離子化PVD、長距離拋射PVD、準(zhǔn)直PVD，化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝，或比如無電鍍或電鍍的鍍敷工藝。晶種層可以被沉積為覆蓋TaN 300的連續(xù)層，并且被形成在互連構(gòu)造中。在一個(gè)實(shí)施例中，晶種層可以被沉積為厚度在大約150～250納米的范圍內(nèi)。但是，晶種層可以被形成得足夠厚以對阻擋層(或SiO2層200)進(jìn)行徹底的電鍍，且足夠薄以防止在圖2的互連構(gòu)造210的角邊緣上橫向堆積過多的晶種層。例如，可以形成厚度大約為2000埃的晶種層。
導(dǎo)電層可以是CuXCY層310，并且可以覆蓋晶種層形成。導(dǎo)電層可以具有來填充剩余的互連構(gòu)造210的足夠的厚度，比如大約為600納米，這可能大概是互連構(gòu)造210深度的1.5倍。在一個(gè)實(shí)施例中，CuXCY層310可以使用具有電鍍液的傳統(tǒng)電鍍技術(shù)，該電鍍液包括比如銅、硫酸和氯的電解質(zhì)以及比如抗抑制劑和抑制劑的有機(jī)添加劑。添加劑可以被引入到電鍍液中以形成諸如大粒徑和/或隨機(jī)取向的晶粒的微結(jié)構(gòu)。例如，抗抑制劑可以包含電鍍液可溶的二硫化物或一硫化物，抑制劑可以包含電鍍液可溶的聚醚、聚胺(polyamine)、聚亞胺(polyimine)和聚酰胺。結(jié)果，在電鍍過程期間比如銅的導(dǎo)電層可以被來自電鍍液的碳摻雜。
在一些實(shí)施例中，也可以通過抗抑制劑和抑制劑的氧化產(chǎn)物的增強(qiáng)生產(chǎn)使導(dǎo)電層摻雜碳。電鍍液中氧化產(chǎn)物的量可以使用總的可氧化碳(totaloxidizable carbon，TOC)來表征。在許多實(shí)施例中，由于高濃度的來自有機(jī)添加劑的氧化產(chǎn)物可能在溝槽或過孔中產(chǎn)生保形(conformal)沉積物而非倒置(bottom up)沉積物(或上填充(super-fill)沉積物)，所以TOC不應(yīng)該超過500ppm。例如，上填充沉積物可以填充高深寬比(aspectratio)的構(gòu)造。
電鍍液氧化產(chǎn)物可以通過反向電鍍(reverse plating)增強(qiáng)。反向電鍍可以通過在陰極和陽極之間交替變換電流以增加對有機(jī)添加劑的氧化。在一些實(shí)施例中，反向電鍍可以通過1毫秒到10秒的脈沖頻率完成，其中包含0.1到60毫安每平方厘米的正向電流，1到100毫安每平方厘米的反向電流。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，反向電鍍可以通過多級直流電完成，其中包含0.1到60毫安每平方厘米的初始電流，應(yīng)用一次或多次1到30毫安每平方厘米的填充電流，30到60毫安每平方厘米的體填充電流。填充電流的應(yīng)用次數(shù)可以部分地取決于使金屬鍍覆在互連構(gòu)造的晶種層或阻擋層上的反應(yīng)的速度。
在許多實(shí)施例中，作為陽極和/或陰極的銅電極可以被用作有機(jī)添加劑氧化的催化劑。例如，純銅陽極可以增加有機(jī)添加劑的氧化產(chǎn)物。在另一個(gè)實(shí)施例中，摻雜磷的陽極可以通過在陽極上形成保護(hù)膜降低有機(jī)添加劑的氧化速率，該保護(hù)膜有時(shí)也被稱為“黑”陽極膜。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，包括無電鍍、ALD、CVD、PVD或CVD加PVD的組合的其他沉積工藝可以形成導(dǎo)電層。
仍然參考圖3，在晶種層上沉積了導(dǎo)電層CuXCY后，可以對晶片進(jìn)行退火。退火可以將比如碳的成分從導(dǎo)電層擴(kuò)散到晶種層。成分?jǐn)U散可能導(dǎo)致整個(gè)晶種層和導(dǎo)電層中成分的重新分布以產(chǎn)生CuXCY層310。取決于成分和退火條件，成分的重新分布可以是在整個(gè)晶種層和導(dǎo)電層中均勻的，或在晶種層中較高，或者在表面上和晶種層和導(dǎo)電層的界面聚集。在許多實(shí)施例中，晶片可以在300到450攝氏度的溫度范圍中退火20到30分鐘。
此外，對導(dǎo)電層進(jìn)行退火可以提高互連的電遷移可靠性。在可以使用阻擋層和導(dǎo)電層形成導(dǎo)電性互連的實(shí)施例中，襯底可以在大約200攝氏度下約退火5分鐘。或者，作為一種提高產(chǎn)量的方式，襯底可以在250到400攝氏度的范圍內(nèi)退火1分鐘或更多。在氮?dú)饣蛘婵罩袑?dǎo)電層進(jìn)行退火可以減少暴露表面的氧化。在一些實(shí)施例中，在對晶片進(jìn)行退火后，導(dǎo)電層——CuXCY層310可以包含一個(gè)與諸如電鍍CuXCY層一起的無電鍍銅晶種層。
現(xiàn)在參考圖4，金屬化層——CuXCY310、TaN 300和SiO2200的組合可以被平坦化以除去過多的CuXCY。在晶片上的許多位置，金屬化層可以被平坦化到或進(jìn)入SiO2200，以從SiO2200的上表面除去CuXCY310。該工藝或一系列類似的工藝的結(jié)果可以是一系列基本上被SiO2200圍繞的金屬線。
現(xiàn)在參考圖5，它示出了圖4的襯底在應(yīng)用鈍化層和硅擴(kuò)散到摻雜碳的銅互連中以后的橫截面視圖的實(shí)施例。在對金屬化層——互連和電介質(zhì)層進(jìn)行平坦化或拋光之后，在形成比如氮化硅(Si3N4)層510或碳化硅(SiC)層的刻蝕終止層之前，表面可以使用比如氨(NH3)、氫(H2)、氬(Ar)或其他還原劑的等離子體進(jìn)行清洗，并且在反應(yīng)室中暴露于硅烷(SiHa)氣體。暴露于SiH4可以通過分解反應(yīng)在互連上沉積Si，這有利于硅(Si)擴(kuò)散到圖3、4的CuXCY310中，以形成CuXCYSiZ500，而不形成相應(yīng)的覆蓋在互連(CuXCYSiZ500)上的硅化銅層。在這個(gè)實(shí)施例中，將硅擴(kuò)散到CuXCY310中可以形成CuXCYSiZ500——硅摻雜量在百萬分之300到900范圍內(nèi)的互連。
在另外可選的實(shí)施例中，可以在對互連摻雜碳之前或基本上同時(shí)對互連摻雜硅，比如通過離子注入和/或擴(kuò)散。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，互連可以以不致形成覆蓋摻雜碳和摻雜硅的銅互連的硅化銅層的濃度和/或分布摻雜硅。
可以覆蓋互連形成比如Si3N4層510的鈍化層以防止污染。Si3N4層510可以使用比如等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)的氣相沉積技術(shù)形成。PECVD可以在200到425攝氏度的溫度范圍內(nèi)沉積Si3N4層510。在其他實(shí)施例中，可以在將互連暴露于硅烷之后形成比如SiO2的化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)終止層。
測試表明形成CuXCYSiZ互連(比如CuXCYSiZ500)可能對于互連的電遷移可靠性產(chǎn)生意想不到的結(jié)果，在一些實(shí)施例中，產(chǎn)生超過Cu互連12倍的MTF，CuXCY互連6倍的MTF，硅摻雜的銅(CuXSi)互連3倍半的MTF。此外，測試表明CuXCYSiZ500的活化能超過了Cu互連、CuXCY互連和CuXSi互連。
在一些實(shí)施例中，Si3N4510可以作為刻蝕終止層。例如，鑲嵌工藝的一個(gè)局限是刻蝕電介質(zhì)時(shí)如何適當(dāng)?shù)卮_定終點(diǎn)，因?yàn)殡娊橘|(zhì)既可以作為層內(nèi)的互連或金屬線的級內(nèi)絕緣體又可以作為金屬化層之間的級間絕緣體。因此，當(dāng)SiO2200可以被刻蝕時(shí)，一些實(shí)施例可以使用刻蝕終止層或薄膜，從而在襯底上刻蝕深度可以基本一致?？涛g阻擋薄膜也可以具有比如氮化硅(Si3N4)層510的絕緣性質(zhì)。
在一些實(shí)施例中，Si3N4層510厚度大約可以為100到2000埃?？梢允褂没瘜W(xué)氣相沉積(CVD)在同一個(gè)或分開的反應(yīng)室或處理室中形成硅的氧化物和Si3N4。形成層的次序可以是將襯底插入氮化硅處理室、沉積氮化硅、移除襯底、將襯底插入硅氧化室、形成氧化硅。
在其它實(shí)施例中，比如其中SiC可以被用作刻蝕終止層的實(shí)施例，可以通過等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)使用(四、三、二等)甲基硅烷、Si(CH3)xH4-X作為前驅(qū)體，其中，X在從0到4的范圍內(nèi)，或者在250到450攝氏度的溫度范圍內(nèi)通過使用SiH4和甲烷(CH4)沉積SiC。雖然也可以使用其他的溫度，但是較低的溫度可能產(chǎn)生密度較低的薄膜，較高的溫度可能增加損壞電路層中的器件的危險(xiǎn)。其他實(shí)施例可以包括其他的沉積技術(shù)來沉積SiC。
現(xiàn)在參考圖6，示出了增強(qiáng)互連的實(shí)施例的流程圖。該實(shí)施例可以包括600，提供具有互連構(gòu)造的襯底；610，在互連構(gòu)造中形成摻雜碳的銅互連；630，在避免在摻雜碳的銅互連上形成硅化銅層的濃度對摻雜碳的銅互連摻雜硅。提供具有互連構(gòu)造的襯底(600)可以提供諸如具有被設(shè)計(jì)來提供導(dǎo)電路徑的互連構(gòu)造的晶片的襯底。導(dǎo)電路徑或互連在一些實(shí)施例可以使訪問或使用創(chuàng)建于襯底之中或之上的器件變得容易。提供具有互連構(gòu)造的襯底(600)可以包含提供具有與摻雜碳的銅互連耦合的電路層的襯底(605)。電路層可以包含一個(gè)或多個(gè)比如晶體管和電容的器件。比如SiO2的絕緣體層或電介質(zhì)層形成在電路層的頂部，并且具有確定互連構(gòu)造的孔。此外，孔或互連構(gòu)造可以被設(shè)計(jì)來使形成摻雜碳的銅互連更容易。
在互連構(gòu)造中形成摻雜碳的銅互連(610)可以形成互連來提供一個(gè)或多個(gè)電路層中的器件和/或外部器件的觸點(diǎn)之間的導(dǎo)電路徑。在一些實(shí)施例中，在互連構(gòu)造中形成摻雜碳的銅互連(610)可以包括形成覆蓋阻擋層的晶種層；形成覆蓋晶種層的和在互連構(gòu)造中的摻雜碳的銅互連；對晶種層和摻雜碳的銅層進(jìn)行退火以將碳擴(kuò)散到晶種層中(615)。晶種層可以覆蓋比如SiO2的電介質(zhì)層，其厚度在1000到3000埃的范圍內(nèi)。在許多實(shí)施例中，阻擋層可以覆蓋電介質(zhì)層，晶種層可以覆蓋阻擋層。
在許多實(shí)施例中，晶種層可以通過應(yīng)用定向沉積技術(shù)而被形成，其中使用金屬、金屬合金、金屬化合物、多層金屬堆疊(stack)或任何金屬在其中可以成核、生長的襯底。晶種層可以包含金屬，例如金屬合金；并且可以包含銅、銅合金、鎳、銀、金和鈷。在一些實(shí)施例中，晶種層可以使用液體或化學(xué)活性或惰性氣體進(jìn)行原位(in-situ)或異位(ex-situ)的物理或化學(xué)處理。例如，在形成覆蓋晶種層的導(dǎo)電層之前，可以使晶種層表面暴露于比如氬氣、氦氣、氧氣、氫氣、氮?dú)饣蛩鼈兊哪承┙M合的氣體。在其他實(shí)施例中，在對導(dǎo)電層進(jìn)行電解電鍍/無電鍍之前，可以使晶種層暴露于液體，例如酸、堿、溶劑和/或去離子水。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，晶種層可以在合成氣或真空中退火以減少或除去襯底上的污染物。
形成覆蓋晶種層的和在互連構(gòu)造中的摻雜碳的銅互連可以包括在晶片或襯底的互連構(gòu)造中沉積銅和/或摻雜碳的銅。銅或摻雜碳的銅可以通過形成覆蓋晶種層的金屬層，并且去除多余的金屬被沉積在互連構(gòu)造中，或者通過比如濺射、電鍍、無電鍍、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積以及離子注入的工藝被沉積在互連構(gòu)造中。例如，覆蓋互連構(gòu)造的晶種層的一部分可以被暴露于電鍍液?？梢酝ㄟ^被浸入到電鍍槽、使用電鍍液對晶種層進(jìn)行噴灑或相似工藝等使晶種層暴露于電鍍液。在電鍍液中的金屬離子之間可以出現(xiàn)氧化還原反應(yīng)，使金屬被鍍覆到晶種層上。在銅可能被沉積到互連構(gòu)造中的晶種層的一部分上后，可以通過離子注入或類似工藝對銅摻雜碳。在一些實(shí)施例中，電鍍液可以在具有銅的晶種層上沉積碳。
在一些實(shí)施例中，在形成摻雜碳的銅互連之后，互連、晶種層和摻雜碳的銅層可以被退火以將碳擴(kuò)散到晶種層中。退火可以包括在大約300-450攝氏度的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行退火(620)，和/或在包含惰性氣體的氣氛中退火(625)。在包含惰性氣體的氣氛中退火(625)可以包括在含有氮?dú)饣驓錃獾臍夥罩谢蛘咴谟傻獨(dú)夂蜌錃饨M成的氣氛中進(jìn)行退火。在其他可選的實(shí)施例中，取決于比如晶種層和導(dǎo)電層的熔點(diǎn)的因素，可以在200攝氏度附近進(jìn)行退火。在許多實(shí)施例中，退火可以改善摻雜碳的銅互連的晶粒結(jié)構(gòu)，并且有助于碳摻雜在整個(gè)互連中的均勻分布。
在避免在摻雜碳的銅互連上形成硅化銅層的濃度對摻雜碳的銅互連摻雜硅(630)可以包括使硅在整個(gè)摻雜碳的銅互連中均勻分布。在一些實(shí)施例中，硅在整個(gè)摻雜碳的銅互連中均勻擴(kuò)散可以提高互連和上覆層之間的附著力。在其他可選的實(shí)施例中，對摻雜碳的銅互連摻雜硅可以包括對與摻雜碳的銅互連表面接近的層摻雜硅來改變表面的粘結(jié)性質(zhì)。
在避免在摻雜碳的銅互連上形成硅化銅層的濃度對摻雜碳的銅互連摻雜硅(630)可以包括使用等離子體對摻雜碳的銅互連進(jìn)行清洗；在清洗后將摻雜碳的銅互連暴露于硅烷；在使硅擴(kuò)散到摻雜碳的銅互連中的暴露操作之后在摻雜碳的銅互連上沉積刻蝕終止層(635)。使用等離子體對部分摻雜碳的層進(jìn)行清洗可以包括使用氨水對摻雜碳的銅的表面以及在一些實(shí)施例中對金屬化層的表面進(jìn)行清洗。在其他實(shí)施例中，使用等離子體對部分摻雜碳的層進(jìn)行清洗可以包括使用H2對摻雜碳的銅的表面進(jìn)行清洗。
在還原氣氛中對互連的表面進(jìn)行清洗以后，將互連暴露于硅烷可以將硅擴(kuò)散到互連中。沉積刻蝕終止層可以包括形成覆蓋觸點(diǎn)的鈍化層和/或形成氮化硅層、碳化硅層等。例如，包括互連的金屬化層可以是多個(gè)(超過兩個(gè))金屬化層中的第二層。第一金屬化層和剩余的金屬化層可以包含摻雜碳和摻雜硅的互連和/或其他互連。
現(xiàn)在參考圖7，示出了用來增強(qiáng)互連的電遷移可靠性的實(shí)施例。該實(shí)施例可以包括700，提供具有包括互連構(gòu)造的電介質(zhì)層的襯底；720，形成覆蓋電介質(zhì)層的阻擋層；740，形成覆蓋阻擋層的摻雜碳的銅層；780，去除部分摻雜碳的銅層；790，在避免在摻雜碳的銅層上形成硅化銅層的濃度對摻雜碳的銅層的剩余部分摻雜硅。提供具有包括互連構(gòu)造的電介質(zhì)層的襯底(700)可以提供半導(dǎo)體器件的晶片，其具有如晶體管、閘流晶體管、電阻、電容等一個(gè)或多個(gè)被創(chuàng)建于電路層中的器件。電介質(zhì)層可以覆蓋電路層以使至少一部分電路層與具有互連的觸點(diǎn)絕緣。提供具有包括互連構(gòu)造的電介質(zhì)層的襯底(700)可以包括去除電介質(zhì)層的一部分以形成互連構(gòu)造(705)。去除電介質(zhì)層的一部分以形成互連構(gòu)造(705)可以去除電介質(zhì)以形成互連形式的孔，并且將電路層的觸點(diǎn)暴露以便通過過孔將觸點(diǎn)與互連相耦合。
在一些實(shí)施例中，去除電介質(zhì)層的一部分以形成互連構(gòu)造(705)可以包括刻蝕，刻蝕可以包括干法或濕法化學(xué)反應(yīng)或比如濺射刻蝕的物理去除。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，刻蝕可以包括光刻或使用光刻膠涂覆電介質(zhì)層的一部分；對光刻膠的部分進(jìn)行顯影以將互連構(gòu)造刻蝕進(jìn)電介質(zhì)層中(710)。在暴露于高強(qiáng)度的光或其沒有曝光之后，可以使用顯影劑溶掉光刻膠。例如負(fù)型光刻膠留在沒有被免于曝光的區(qū)域，正型光刻膠留在被免于曝光的區(qū)域。
在襯底包括有互連構(gòu)造之后，可以通過沉積金屬或其他導(dǎo)電材料到互連構(gòu)造中形成互連。具有互連構(gòu)造的電介質(zhì)層的剩余電介質(zhì)可以將一個(gè)互連與另一個(gè)絕緣，并且將互連與電路層中的器件絕緣。
這個(gè)實(shí)施例可以包括形成覆蓋電介質(zhì)層的阻擋層(720)來防止或減弱剩余的電介質(zhì)和/或電路層由于互連材料擴(kuò)散到剩余的電介質(zhì)和/或電路層中而導(dǎo)致的退化。在一些實(shí)施例中，形成覆蓋電介質(zhì)層的阻擋層(720)可以增強(qiáng)互連和周圍材料之間的附著力。形成覆蓋電介質(zhì)層的阻擋層(720)可以包括形成與電介質(zhì)層和互連構(gòu)造耦合的層，其具有基本均勻的厚度(725)，并且形成氮化鉭層(730)。形成與電介質(zhì)層和互連構(gòu)造耦合的、具有基本均勻的厚度的層(725)可以包括形成在互連構(gòu)造中覆蓋電介質(zhì)層的、以及在一些實(shí)施例中在互連構(gòu)造外的部分電介質(zhì)層上的層。阻擋層可以由鉭、氮化鉭、氮化鈦、氮化硅鈦、氮化鎢、鎢-鉭、氮化硅鉭或其他三元化合物形成。使用比如CVD、PVD、ALD、電鍍或無電鍍的沉積技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)厚度均勻的阻擋層。厚度均勻的阻擋層可以促進(jìn)通過阻擋層和對應(yīng)的互連的均勻電流分布和流動，而非均勻的互連可能由于在一個(gè)區(qū)域有較高的電流密度而使該區(qū)域的電遷移電阻較低，從而對集成電路的可靠性造成不利的影響。
仍然參考圖7，該實(shí)施例可以包括形成覆蓋阻擋層的摻雜碳的銅層(740)。形成覆蓋阻擋層的摻雜碳的銅層(740)可以包括使用包含電解質(zhì)和有機(jī)添加劑的電鍍液用銅進(jìn)行電鍍，其中碳從電鍍液被摻雜(745)，并且通過有機(jī)添加劑的氧化產(chǎn)物摻雜碳(750)?；陔婂兓瘜W(xué)和電鍍波形，可以從電鍍液對銅摻雜碳。電鍍化學(xué)可能取決于被用來對襯底進(jìn)行電鍍的電鍍液。在這個(gè)實(shí)施例中，電鍍液可以大約包含每升15到60克的銅、每升5到250克的硫酸(H2SO4)、每升20到200毫克氯(Cl)，以及百萬分之1到100的比如二硫化物的抗抑制劑和百萬分之10到500的比如聚醚和聚酰胺的抑制劑。在其他實(shí)施例中，電解質(zhì)可以包含銅、硫酸和氯(770)，有機(jī)添加劑可以包含抑制劑和抗抑制劑(775)。抑制劑可以包含電鍍液可溶的聚醚、聚胺、聚酰胺，抗抑制劑可以包含電鍍液可溶的二硫化物或一硫化物。
電鍍波形可能取決于電鍍時(shí)所施加的電場。在這個(gè)實(shí)施例中，電鍍波形可以包含反向電鍍來增加氧化產(chǎn)物的產(chǎn)生(755)。在許多實(shí)施例中，反向電鍍可以增強(qiáng)有機(jī)添加劑的氧化產(chǎn)物來對銅摻雜碳。反向電鍍可以包含脈沖頻率在1毫秒到10秒范圍內(nèi)、正向電流在0.1到60毫安每平方厘米的范圍內(nèi)、反向電流在1到100毫安每平方厘米的范圍內(nèi)的反向電鍍(760)。具有銅陽極而不是磷銅陽極的反向電鍍也可以增強(qiáng)有機(jī)添加劑的氧化。
在其他實(shí)施例中，反向電鍍可以包含具有多級直流電的反向電鍍，該多級直流電包括在0.1到1毫安每平方厘米的范圍內(nèi)的起始電流，在1到30毫安每平方厘米的范圍內(nèi)的填充電流，以及在30到60毫安每平方厘米的范圍內(nèi)的體填充電流(765)。填充電流可以被施加一次或多次?；谒┘与娏鞯念l率和大小可以對反應(yīng)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以在一些實(shí)施例中可以使用其他的頻率和電流大小。
去除部分摻雜碳的銅層(780)可以去除互連構(gòu)造外摻雜碳的銅以基本上確定摻雜碳的銅互連。去除部分摻雜碳的銅層(780)可以通過幾種方法完成，比如化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)和/或刻蝕工藝。在這個(gè)實(shí)施例中，去除部分摻雜碳的銅層(780)可以包括拋光去掉部分摻雜碳的銅層和部分阻擋層(785)。例如，CMP可以拋光去掉或去除多余的銅或摻雜碳的銅和在電介質(zhì)層上的阻擋層，從而銅或摻雜碳的銅和阻擋層留在了互連構(gòu)造中。同樣，所得到的金屬化層在CMP之后具有基本一致的厚度。
在避免在摻雜碳的銅層上形成硅化銅層的濃度對摻雜碳的銅層的剩余部分摻雜硅(790)可以包括通過離子注入和/或擴(kuò)散對拋光后確定的摻雜碳的銅互連摻雜硅。例如，通過將摻雜碳的銅層的剩余部分放置于反應(yīng)室中可以將硅擴(kuò)散到銅中；在反應(yīng)室中產(chǎn)生等離子體；并將硅烷釋放到反應(yīng)室中以將硅擴(kuò)散到摻雜碳的銅層的剩余部分(795)。
現(xiàn)在參考圖8，示出了實(shí)施例的流程圖，該實(shí)施例包含810，提供具有包括互連構(gòu)造的電介質(zhì)層的襯底；820，在互連構(gòu)造中形成摻雜碳的銅互連；830，在避免在摻雜碳的銅互連上形成硅化銅層的濃度對摻雜碳的銅互連摻雜硅。提供具有包括互連構(gòu)造的電介質(zhì)層的襯底(810)可以包括提供在覆蓋電路層的電介質(zhì)層中具有孔的晶片。這些孔可以確定金屬化層互連的預(yù)定圖案。在許多實(shí)施例中，提供具有包括互連構(gòu)造的電介質(zhì)層的襯底(810)可以包括通過比如光刻的工藝去除部分電介質(zhì)層以形成互連。
在互連構(gòu)造中形成摻雜碳的銅互連(820)可以包括使用包括電解質(zhì)和有機(jī)添加劑的電鍍液用銅進(jìn)行電鍍，其中從電鍍液中摻雜碳。在其他實(shí)施例中，銅可以被沉積在互連構(gòu)造中，并且銅可以通過離子注入摻雜碳。在一些實(shí)施例中，在互連構(gòu)造中形成摻雜碳的銅互連(820)可以包括在形成阻擋層(例如氮化鉭阻擋層)來減少或防止碳或銅的離子擴(kuò)散到電介質(zhì)層和/或電路層中之后，形成摻雜碳的互連。
在避免在摻雜碳的銅互連上形成硅化銅層的濃度對摻雜碳的銅互連摻雜硅(830)可以包括在通過拋光和/或刻蝕確定了互連之前和/或之后用于對摻雜碳的銅摻雜硅的指示。在避免在摻雜碳的銅互連上形成硅化銅層的濃度對摻雜碳的銅互連摻雜硅(830)還可以包括對銅進(jìn)行摻雜和/或分布摻雜在銅的硅，從而不會形成覆蓋摻雜碳的和摻雜硅的銅互連的硅化銅層。
其他的實(shí)施例還包括在通過離子注入和/或擴(kuò)散對互連摻雜碳之前或基本上同時(shí)對互連摻雜硅。
權(quán)利要求
1.一種方法，包括提供具有互連構(gòu)造的襯底；在所述互連構(gòu)造中形成摻雜碳的銅互連；以及在避免在摻雜碳的銅互連上形成硅化銅層的濃度對所述摻雜碳的銅互連摻雜硅。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中，所述提供襯底包括提供具有與所述摻雜碳的銅互連耦合的電路層的襯底。
3.如權(quán)利要求1的方法，其中，所述在所述互連構(gòu)造中形成摻雜碳的銅互連包括形成覆蓋阻擋層的銅晶種層；形成覆蓋所述晶種層的和在所述互連構(gòu)造中的摻雜碳的銅互連；以及對所述晶種層和所述摻雜碳的銅互連進(jìn)行退火以將碳擴(kuò)散到所述晶種層中。
4.如權(quán)利要求3的方法，其中，所述退火包括在大約300到450攝氏度的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行退火。
5.如權(quán)利要求3的方法，其中，所述退火包括在包含惰性氣體的氣氛中進(jìn)行退火。
6.如權(quán)利要求1的方法，其中，所述摻雜包括使用等離子體對所述摻雜碳的銅互連進(jìn)行清洗；在清洗后將所述摻雜碳的銅互連暴露于硅烷；以及在使硅擴(kuò)散到摻雜碳的銅互連中的所述暴露操作之后，在所述摻雜碳的銅互連上沉積刻蝕終止層。
7.一種方法，包括提供具有包括互連構(gòu)造的電介質(zhì)層的襯底；形成覆蓋所述電介質(zhì)層的阻擋層；形成覆蓋所述阻擋層的摻雜碳的銅層；去除部分摻雜碳的銅層；以及在避免在摻雜碳的銅層上形成硅化銅層的濃度對所述摻雜碳的銅層的剩余部分摻雜硅。
8.如權(quán)利要求7的方法，其中，所述提供具有電介質(zhì)層的襯底包括去除部分電介質(zhì)層以形成互連構(gòu)造。
9.如權(quán)利要求8的方法，其中，所述去除部分電介質(zhì)層以形成互連構(gòu)造包括使用光刻膠涂覆部分電介質(zhì)層；以及對部分所述光刻膠進(jìn)行顯影以將所述互連構(gòu)造刻蝕進(jìn)所述電介質(zhì)層。
10.如權(quán)利要求7的方法，其中，所述形成覆蓋所述電介質(zhì)層的阻擋層包括形成與所述電介質(zhì)層和所述互連構(gòu)造耦合的、并且厚度基本均勻的層。
11.如權(quán)利要求7的方法，其中，所述形成覆蓋所述電介質(zhì)層的阻擋層包括形成氮化鉭層。
12.如權(quán)利要求7的方法，其中，所述形成覆蓋所述阻擋層的摻雜碳的銅層包括使用包含電解質(zhì)和有機(jī)添加劑的電鍍液用銅進(jìn)行電鍍，其中碳從電鍍液被摻雜。
13.如權(quán)利要求12的方法，其中，所述使用電鍍液用銅進(jìn)行電鍍包括通過所述有機(jī)添加劑的氧化產(chǎn)物摻雜碳。
14.如權(quán)利要求13的方法，其中，所述通過所述有機(jī)添加劑的氧化產(chǎn)物摻雜碳包括反向電鍍以增強(qiáng)氧化產(chǎn)物的產(chǎn)生。
15.如權(quán)利要求14的方法，其中，所述反向電鍍包括脈沖頻率在1毫秒到10秒范圍內(nèi)、正向電流在0.1到60毫安每平方厘米的范圍內(nèi)、反向電流在1到100毫安每平方厘米的范圍內(nèi)的反向電鍍。
16.如權(quán)利要求14的方法，其中，所述反向電鍍包括使用多級直流電的反向電鍍，所述多級直流電包括在0.1到1毫安每平方厘米的范圍內(nèi)的起始電流；在1到30毫安每平方厘米的范圍內(nèi)的填充電流；和在30到60毫安每平方厘米的范圍內(nèi)的體填充電流。
17.如權(quán)利要求12的方法，其中，所述電解質(zhì)包括銅、硫酸和氯。
18.如權(quán)利要求12的方法，其中，所述有機(jī)添加劑包括抗抑制劑和抑制劑。
19.如權(quán)利要求7的方法，其中，所述去除部分摻雜碳的銅層包括拋光去掉部分所述摻雜碳的銅層和部分所述阻擋層。
20.如權(quán)利要求7的方法，其中，所述摻雜包括將所述摻雜碳的銅層的剩余部分放置在反應(yīng)室中；在所述反應(yīng)室中產(chǎn)生等離子體；以及將硅烷釋放到反應(yīng)室中以將硅擴(kuò)散到所述摻雜碳的銅層的所述剩余部分中。
21.一種裝置，包括具有互連構(gòu)造的襯底；與所述襯底的互連構(gòu)造耦合的摻雜碳和摻雜硅的銅互連；和與所述摻雜碳和摻雜硅的銅互連耦合且相鄰的鈍化層。
22.如權(quán)利要求21的裝置，還包括與所述襯底和所述鈍化層耦合以使所述裝置免于損害的封裝。
23.如權(quán)利要求21的裝置，其中，所述摻雜碳和摻雜硅的銅互連包括基本均勻的碳的分布。
24.如權(quán)利要求21的裝置，其中，所述摻雜碳和摻雜硅的銅互連包括在大約百萬分之4到百萬分之100的范圍內(nèi)摻雜的碳。
25.如權(quán)利要求21的裝置，其中，所述摻雜碳和摻雜硅的銅互連包括基本均勻的硅的分布。
26.如權(quán)利要求21的裝置，其中，所述摻雜碳和摻雜硅的銅互連包括在大約百萬分之300到百萬分之900的范圍內(nèi)摻雜的硅。
27.如權(quán)利要求21的裝置，其中，所述襯底包括具有觸點(diǎn)的電路層；與所述電路層耦合的電介質(zhì)層，其隔離所述觸點(diǎn)并且形成互連構(gòu)造來與所述觸點(diǎn)耦合；和覆蓋所述電介質(zhì)層的厚度基本均勻的阻擋層，其減弱從所述摻雜碳和摻雜硅的銅互連到所述襯底的擴(kuò)散。
28.一種裝置，包括具有互連構(gòu)造的襯底；與所述襯底的所述互連構(gòu)造耦合的摻雜碳和摻雜硅的銅互連，其具有避免形成硅化銅層的硅分布濃度；和與所述摻雜碳和摻雜硅的銅互連耦合的鈍化層。
29.如權(quán)利要求28的裝置，其中，所述摻雜碳和摻雜硅的銅互連包括信號介質(zhì)，其通過如下方式形成形成覆蓋阻擋層的銅晶種層；形成覆蓋所述晶種層的和在所述互連構(gòu)造中的摻雜碳的銅互連；以及對所述晶種層和所述摻雜碳的銅互連進(jìn)行退火以將碳擴(kuò)散到所述晶種層中。
30.如權(quán)利要求28的裝置，其中，所述摻雜碳和摻雜硅的銅互連包括信號介質(zhì)，其通過使用包含電解質(zhì)和有機(jī)添加劑的電鍍液用銅進(jìn)行電鍍形成，其中碳從所述電鍍液進(jìn)行摻雜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于半導(dǎo)體器件中的互連結(jié)構(gòu)以及該互連結(jié)構(gòu)的形成方法。本發(fā)明的實(shí)施例包括摻雜碳和摻雜硅的互連，其具有避免在互連和鈍化層之間形成硅化銅的濃度。一些實(shí)施例對于活化能和/或平均無故障時(shí)間，提供了意想不到的電遷移可靠性結(jié)果。
文檔編號H01L21/768GK1547770SQ03800584
公開日2004年11月17日 申請日期2003年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月18日
發(fā)明者斯蒂芬·錢伯斯, 斯蒂芬 錢伯斯, 迪賓, 瓦萊麗·迪賓, 奧特, 安德魯·奧特, 克里斯蒂娜·華－里格, 蒂娜 華-里格 申請人:英特爾公司