CN103107120B - 对基板表面做预先处理以进行金属沉积的工艺和集成系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供对基板表面做预先处理以进行金属沉积的工艺和集成系统，以提升铜布线的电迁移性能，提供较低的金属电阻率，并提升金属-金属间或硅-金属间的粘着性。提供一种在集成系统中，对基板表面进行预先处理，以在铜表面选择性地沉积钴合金薄层从而提升铜布线的电子迁移性的方法。该方法包括：在集成系统中去除基板表面的有机污染物和金属氧化物，并在去除污染物和金属氧化物之后，在集成系统中修复该基板表面。该方法还包括在修复基板表面之后，在集成系统中，在铜布线的铜表面选择性地沉积钴合金材料薄层。还提供一种实现上述方法的系统。

Description

对基板表面做预先处理以进行金属沉积的工艺和集成系统

本申请是申请号为200780032409.X、申请日为2007年8月17日、发明名称为“对基板表面做预先处理以进行金属沉积的工艺和集成系统”的发明专利申请的分案申请。

背景技术

在半导体基板上，集成电路使用导电布线来连接独立的装置，或与外部的集成电路进行通信。通孔和导电沟槽使用的布线金属可能包括铝合金和铜。电迁移(EM)是金属布线过程中常见的一种可靠性问题，是由电子推动金属原子在电流方向移动引起的，移动速度取决于电流的密度。电迁移可能最终导致金属线变薄，从而使得电阻变高甚至金属线断裂。幸运的是，跟电源线或地线不同，集成电路上的所有的导电金属线的电流并不总是朝同一方向移动。然而，随着金属线越来越窄(在国际半导体技术蓝图(ITRS)中，每次科技进步线宽都要降低大概70％)，电迁移的问题越来越严重了。

在铝线中，电迁移是一种体量现象(bulkphenomenon)，可以通过掺入微量的掺质剂(例如铜)来很好的控制。然而，铜线中的电迁移是一种表层现象(surfacephenomenon)。只要铜能够移动，这种现象就会发生，特别是在铜和其他金属的界面上，因为那里粘着性比较差。在今天的双嵌入工艺(dual-damasceneprocess)中，这种情况最常发生在铜线的上方，那里通常与SiC扩散阻障层接触，但是也可能发生在铜/阻障界面上。在每一次向下个技术节点进步的过程中，随着电流密度的增大，问题变的更加严重了。

电迁移问题的解决方案，跟另一个常见的可靠性问题相关应力空穴(relatedstressvoids)一样，变成了工艺集成的问题：优化沉积(例如，减少阻障层和种晶层的厚度)，沉积前和沉积后的晶圆清洁，表面沟槽等。所有的措施，目标在于在层与层之间提供一种均匀的界面和良好的粘着性以减少原子迁移和空穴扩散。在双嵌入工艺中，沟槽和孔(用作触点和通孔)被刻入电介质中，然后用钽(Ta)、氮化钽(TaN)或两种膜的组合形成的阻障材料进行填充，然后进行铜种晶层的沉积、电镀铜、用CMP使铜平坦化，然后沉积电介质堆栈，例如SiC/低-k/SiC。因为当铜暴露于空气中时，表面会形成氧化物，所以在用SiC覆盖铜之前，需要进行CMP后的清洗和铜氧化物的去除，以保证铜和SiC间良好的粘着性。在沉积SiC前进行铜的氧化物的去除对于良好的电迁移性能和降低金属电阻是必须的。

近来，在SiC电介质层之前用CoWP,CoWB,CoWBP等钴合金覆盖层来覆盖铜，与用SiC覆盖铜相比，显示了良好的电迁移性。如图1所示，钴合金覆盖层20，30被沉积到铜层23，33上，并分别在电介质覆盖SiC层25，35下。钽或氮化钽层是图中的层24，34。钴合金层20，30增强了铜层23，33和SiC覆盖层25，35间的粘着性。钴合金层20，30还表现出一定的铜扩散阻障特性。利用非电性沉积，钴合金覆盖层可以选择性地沉积于铜上。然而，暴露于空气中的铜生成的薄薄的铜氧化物层可能抑制非电性沉积。而且，铜和电介质表面的污染物也可能引起与模式相关的镀层效应，包括与模式相关的钴合金的厚度，开始镀钴的“孵化”时间内的刻蚀引起的与模式相关的铜线的厚度部分损失。因此，控制工艺环境以限制(或控制)原生铜的氧化物的生长，并在沉积金属覆盖层例如钴合金之前，去除铜的氧化物和铜表面的有机污染物以及电介质上的有机和金属污染物非常重要。而且，为了减少模式相关的沉积差异，必须控制电介质表面以使其对不同模式密度结构的影响标准化。为了保证良好的界面粘着性和良好的电迁移特性，改变铜层23，33间，铜和阻障层33，34，23和24间的界面，和粘着性提升层(或金属覆盖层)例如钴合金覆盖层20，30间的界面变的非常关键。而且，随着金属布线变得越来越窄，物理气相沉积(PVD)阻障和种晶薄膜构成的金属布线的比重越来越大，这增加了有效阻抗，因而增加了电流密度。利用原子层沉积(ALD)层(TaN，Ru或其混合物)提供的保形步进覆盖和可接受的阻障特性，以及铜的非电性沉积工艺提供的保形种晶层，薄且保形的阻障和种晶层能减轻这种趋势。然而至今仍然没有生产出粘着于ALDTaN阻障膜的非电性沉积的铜的种晶层。

综上，有必要提供一种生产金属和金属间界面的系统和工艺，以提升电迁移性能，降低晶片电阻，并提升铜布线的界面间粘着性。

发明内容

大体上说，本发明通过提供一种更好的工艺和系统满足了上述需求，本发明的工艺和系统通过生产更好的金属与金属间界面或硅与金属间界面来增强电迁移性能，从而提供更低的金属阻抗，并提升铜布线的金属与金属间或硅与金属间的界面粘着性。显然，本发明可以通过几种不同实施方式完成，包括方案、方法、工艺、装置或系统等。本发明的几种实现方式描述如下。

在一种实施方式中，提供一种在集成系统中对基板表面做预先处理以在基板的铜布线的铜的表面选择性地沉积钴合金材料薄层的方法，该方法可提升铜布线的电迁移性能。该方法包括，在集成系统中，去除基板表面的污染物和金属氧化物，然后使用还原环境修复基板表面。该方法还包括，修复基板表面后，在集成系统的铜布线的铜的表面有选择性地沉积该钴合金材料薄层。

在另一种实施方式中，提供一种在可控环境中传送和处理基板的集成系统，以在铜布线的铜表面选择性地沉积钴合金材料薄层以提升铜布线的电迁移性能。该集成系统包括实验室环境传送室，可将基板从与其耦合的基板盒中传送入该集成系统；以及与该实验室环境传送室耦合的基板清洁反应器，可对基板表面进行清洁以去除基板表面的金属-有机复合污染物。

该系统还包括真空传送室，工作于气压小于1托的真空环境下，并与至少一真空处理模块耦合；以及一真空处理模块，该真空处理模块为至少一个与该真空传送室耦合的真空处理模块中的一个，也工作于气压小于1托的真空环境下。该系统还包括可控环境传送室，内部充满从一组惰性气体中选出的惰性气体；以及与该可控环境传送室耦合的至少一可控环境处理模块。而且，该系统还包括钴合金材料非电性沉积工艺模块，在基板表面去除了金属污染物和有机污染物之后，在铜布线的铜表面沉积该钴合金材料薄层，该钴合金材料非电性沉积工艺模块为至少一个与该可控环境处理模块耦合的可控环境处理模块之一，且其内部充满从一组惰性气体中选出的惰性气体，且其具有流体传送系统，其中的处理液经过脱气处理。

在另一种实施方式中，提供一种在集成系统中对基板表面做预先处理以沉积金属阻障层来填充基板上的铜布线结构并在该金属阻障层的表面沉积铜种晶薄层的方法，以提升铜布线的电迁移性能。该方法包括在集成系统中，清洁底层金属的暴露表面以去除表面的金属氧化物。该底层金属是电性连接于该铜布线的底层布线的一部分。该方法还包括，在集成系统中，沉积该金属阻障层以填充铜布线结构。沉积该金属阻障层之后，在可控环境下传送并处理该基板以防止该金属阻障氧化物的形成。该方法还包括，在集成系统中，沉积该铜种晶薄层并在其上沉积铜填充层。

在另一种实施方式中，提供一种在集成系统中对基板的金属阻障表面进行预先处理以在铜布线结构的金属阻障层表面沉积铜种晶薄层的方法，以提升该铜布线结构的电迁移性能。该方法包括，在集成系统中，还原该金属阻障层表面以将表面的氧化物转化以使得该金属阻障层的表面金属富集。该方法还包括，在集成系统中，沉积该铜种晶薄层并在其上沉积铜填充层。

在另一种实施方式中，提供一种在受控环境中处理基板，以在铜布线的金属阻障层表面沉积铜种晶薄层的集成系统。该集成系统包括实验室环境传送室，可将基板从与其耦合的基板盒中传送入该集成系统。该系统还包括真空传送室，工作于气压小于1托的真空环境下，并与至少一个真空处理模块耦合。该集成系统还包括真空处理模块，以清洁系统底层金属的暴露表面的金属氧化物。该底层金属是与铜布线电性连接的底层布线的一部分。该用于清洁的真空处理模块是至少一个与该真空传送室耦合的真空处理模块的其中之一，工作于气压小于1托的真空环境下。

而且，该集成系统包括真空处理模块以沉积金属阻障层。该用于沉积金属阻障层的真空处理模块是至少一个与该真空传送模块耦合的真空处理模块的其中之一，工作于气压小于1托的真空环境下。而且，该集成系统还包括可控环境传送室，内部充满从一组惰性气体中选出的惰性气体。该可控环境传送室与至少一个可控环境处理模块耦合。该集成系统还包括铜非电性沉积处理模块以在该金属阻障层表面沉积该铜种晶薄层。该铜非电性沉积处理模块为至少一个与该可控环境传送室耦合的可控环境处理模块中的一个。

在另一种实施方式中，提供一种在受控环境中处理基板，以在铜布线的金属阻障层表面沉积铜种晶薄层的集成系统。该集成系统包括实验室环境传送室，可将基板从与其耦合的基板盒中传送入该集成系统。该集成系统还包括真空传送室，工作于气压小于1托的真空环境下。该真空传送室与至少一个真空处理模块耦合。

该集成系统还包括真空处理模块，以还原该金属阻障层。该真空处理模块为至少一个与该真空传送模块耦合的真空处理模块中的一个，工作于气压小于1托的真空环境下。而且，该集成系统还包括可控环境传送室，其内部充满从一组惰性气体中选出的惰性气体。该可控环境传送室与至少一个可控环境处理模块耦合。而且，该集成系统还包括铜非电性沉积工艺模块以在该金属阻障层的表面沉积该金属种晶薄层。该铜非电性沉积工艺模块为至少一个与该可控环境传送室耦合的可控环境处理模块中的一个。

在另一种实施方式中，提供一种在集成系统中对基板表面做预先处理以在基板的硅或多晶硅表面选择性地沉积金属层以形成金属硅化物的方法。该方法包括，在集成系统中，去除基板表面的有机污染物，然后还原该硅或多晶硅表面，以将该硅或多晶硅表面的硅的氧化物转化为硅。然后，在可控环境下传送和处理该基板以阻止硅的氧化物的形成，还原该硅或多晶硅的表面以提升硅表面金属的可选择性。该方法还包括在集成系统中，还原该硅或多晶硅表面后，在基板的硅或多晶硅表面选择性地沉积金属层。

在另一种实施方式中，提供一种在可控环境下处理基板，以选择性的在基板的硅表面沉积金属层以形成金属硅化物的集成系统。该集成系统包括实验室环境传送室，可将基板从与其耦合的基板盒中传送入该集成系统。该系统还包括真空传送室，工作于气压小于1托的真空环境下，并与至少一个真空处理模块耦合。该集成系统还包括去除基板表面的有机污染物的真空处理模块，该模块是至少一个与该真空传送室耦合的真空处理模块中的一个，其工作于气压小于1托的真空环境下。

而且，该集成系统包括真空处理模块，以还原该硅表面。该真空处理模块是至少一个与该真空传送室耦合的真空处理模块中的一个，其工作于气压小于1托的真空环境下。而且，该集成系统还包括可控环境传送室，其内部充满从一组惰性气体中选出的惰性气体，并与至少一个可控环境处理模块耦合。该集成系统还包括金属非电性沉积工艺模块，在还原硅表面后，在硅表面选择性地沉积该金属薄层。该金属非电性沉积工艺模块为至少一个与该可控环境传送室耦合的可控环境处理模块中的一个。

从下面的具体实施方式，结合说明本发明的原理的附图，可以对本发明的其他方面和优点作出清晰的了解。

附图说明

以下结合具体实施方式及附图，对本发明的具体内容和优点作出更详细的说明，各元件如数字标号所示。

图1显示了一种示例性布线的横截面。

图2A-图2D显示了在互连布线工艺各步骤的布线结构的横截面。

图3显示了金属化学机械抛光(CMP)后基板表面上几种形式的污染物。

图4A显示了对铜表面进行预处理以进行钴合金非电性沉积的示例流程。

图4B显示了一种利用图4A所示的工艺流程对基板进行处理的示例系统。

图5A-图5C显示了在互连布线工艺各步骤的布线结构的横截面。

图6A显示了对铜表面进行预处理以进行钴合金非电性沉积的示例流程。

图6B显示了一种利用图6A所示的工艺流程对基板进行处理的示例系统。

图7A-图7C显示了在互连布线工艺各步骤的布线结构的横截面。

图8A显示了对铜表面进行预处理以进行钴合金非电性沉积的示例流程。

图8B显示了一种利用图8A所示的工艺流程对基板进行处理的示例系统。

图9A-图9E显示了在互连布线工艺各步骤的金属线的横截面。

图10A显示了一种对阻障层表面进行预先处理以进行铜层非电性沉积的示例流程。

图10B显示了一种利用图10A所示的工艺流程对基板进行处理的示例系统。

图10C显示了一种对阻障层表面进行预先处理以进行铜层非电性沉积的示例流程。

图10D显示了一种利用图10C所示的工艺流程对基板进行处理的示例系统。

图11A显示了一种对阻障层表面进行预先处理以进行铜层非电性沉积，并对铜表面进行预先处理以进行钴合金非电性沉积的示例流程。

图11B显示了一种利用图11A所示的工艺流程对基板进行处理的示例系统。

图12A-图12D显示了在互连布线工艺各步骤的布线结构的横截面

图13A显示了一种对阻障表面进行预先处理以进行铜层非电性沉积，并对铜层进行预先处理以进行钴合金非电性沉积的示例流程。

图13B显示了一种利用图13A所示的工艺流程对基板进行处理的示例系统。

图14A-图14D显示了形成金属硅化物各个阶段的门结构的横截面。

图15A显示了一种对暴露的硅表面进行预先处理以形成金属硅化物的示例图。

图15B显示了一种利用图15A所示的工艺流程对基板进行处理的示例系统。

图16显示了在可控环境下的集成系统中的系统集成的流程图。

具体实施方式

下面提供几种改进的金属集成技术的具体实施例，该技术通过利用还原反应去除表面的金属氧化物以修饰金属界面，从而改进电迁移金属阻抗和界面粘着性。应当指出，本发明可以通过几种方式完成，包括工艺，方法，装置，或系统。下面描述了本发明的几个具体实施例。显然，对于本领域的技术人员来说，即使不提供其中一些或所有的技术细节，本发明仍然可以实现。

图2A显示了使用双嵌入工艺序列布图(pattern)之后布线结构的横截面示意图。该布线结构位于基板50上，有一电介质层100，该电介质层100被提前制作好以在其中形成一金属线101。该金属线一般是通过在电介质100里刻一个沟槽然后在沟槽内填入导电金属(例如铜)制成的。

在沟槽中，有一阻障层120，用以阻止铜材料122扩散入该电介质100。该阻障层120可以是通过物理气相沉积(PVD)TaN，物理气相沉积Ta，原子层沉积(ALD)Ta或这几种膜的组合制成的。也可以使用其他阻障层材料。在该平坦化了的铜材料122上沉积阻障层102，以防止在刻蚀穿过上层的电介质材料104，106至该阻障层102的通孔114时，铜材料122过早氧化。该阻障层102也可作为选择性刻蚀终止层和铜扩散阻挡层。典型的阻障层102材料包括氮化硅(SiN)或碳化硅(SiC)。

在该阻障层102上沉积通孔电介质层104。该通孔电介质层104可以是由有机硅酸盐玻璃(OSG，碳掺杂的硅的氧化物)或其他形式的电介质材料，较佳地，该电介质材料有较低的介电常数。典型的硅的氧化物包括，等离子增强化学气相沉积(PECVD)的非掺质的TEOS硅的氧化物，等离子增强化学气相沉积的氟化硅玻璃(FSG)，HDPFSG，OSG，多孔OSG或类似物质。也可以使用商业上可得到的电介质材料包括加利福尼亚州圣克拉拉的应用材料公司生产的BlackDiamond(I)和BlackDiamond(II)，以及圣何塞的诺发系统有限公司(NovellusSystems)生产的Coral，亚利桑那州菲尼克斯的ASM美国有限公司生产的Aurora。在该通孔电介质层104上是一沟槽电介质层106。该沟槽电介质层106可以是低K电介质材料，例如碳掺杂的氧化物(碳的氧化物)。该低K电介质材料的介电常数可以是大约3.0或更低。在一个实施例中，该通孔和沟槽电介质层材料是用同种材料制作的，并且在同样的时间沉积以形成一连续膜。沉积完该沟槽电介质层106之后，拥有该结构的该基板60按照现有技术进行布图和刻蚀工艺以形成通孔114和沟槽116。

图2B显示了形成通孔114和沟槽116之后，沉积该阻障层130和一铜层132以内衬和填充该通孔114和沟槽116。该阻障层130可以是由TaN，Ta，Ru或这几种膜的混合物形成的。虽然这些都是通常采用的材料，但是也可以采用其他的阻障层材料。然后沉积铜膜132以填充该通孔114和沟槽116。

如图2C所示，该铜膜132填充该通孔114和沟槽116之后，利用化学机械抛光(CMP)技术使该基板平坦化以去除该电介质106表面的该铜材料(或多余的铜)和该阻障层(或多余的阻障)。如图2D所示，下一步是用铜/SiC界面粘着促进层135，例如钴合金，覆盖该铜表面140。典型的钴合金包括：CoWP，CoWB或CoWBP，均可以通过非电性沉积过程选择性地沉积到铜上。该粘着促进层的厚度可以薄至单分子层，即只有几埃，例如只有5埃，也可以有200至300埃的厚度，这时还可以当作Cu扩散阻障，此时不再需要电介质覆盖。

铜的化学机械抛光(CMP)经常使用苯并三唑类(BTA)作为铜的腐蚀抑制剂。铜和BTA合成Cu-BTA复合物。基板通过铜CMP和CMP后的清洁工艺之后，在Cu线和相邻电介质上可能含有Cu-BTA复合物形式的铜残留，如图3中的空心圆所示。需要去除电介质上的Cu-BTA复合物以防止漏电或金属短路的增加。而且，Ta或其他阻障材料的残留，如图3中的空心三角形所示，可能以微量存在，也可能有各种有机污染物，如图3中的实心圆所示。除了这些污染物，还可能有其他几种该些金属的氧化物存在，主要是CuO和CuO₂，如图3中的实心三角所示。Cu-BTA复合物，金属氧化物，和有机污染物是三种主要的表面污染物，必须从基板表面去除。预先处理电介质表面和金属表面，使其没有有机物和金属复合污染物是比较困难的，需要包含湿工艺步骤和干工艺步骤的多个表面处理步骤。

下面是几种典型的工艺流程和系统，对底层金属的表面进行预处理以使得上面的金属层可以以两层金属间的良好的粘着性沉积其上。通过下面几种典型工艺流程和系统沉积的金属层表现出良好的电迁移性能，并因此拥有较低的金属电阻率。

1.处理铜表面以进行钴合金沉积

实施例I：金属CMP停止在电介质层上

图4A显示了对表面进行预先处理以在图2C中显示的双嵌入通孔-沟槽结构的CMP后的铜表面140上非电性沉积钴合金的工艺流程的具体实施例。图4A中显示的流程400中使用的该基板刚刚完成金属CMP工艺以去除多余的铜和阻障层，例如Ta和/或TaN。正如上面与图3相关的段落中描述的那样，该基板表面有几种金属和有机的污染物。

该工艺开始于步骤401，去除基板表面的金属-有机复合污染物(或金属-有机复合污染物)，例如Cu-BTA复合物，以及金属氧化物。尽管也将从铜和电介质表面去除金属污染物，这一步的目的是通过去除后来可能作为后面钴合金沉积成核点的潜在金属源，以增强选择性并提升Co膜形态。在这一步中，将铜-BTA复合物，铜的氧化物(CuOx)和其他的金属氧化物，例如钽的氧化物(TaOy)从基板表面去除。要去除的铜的氧化物的量取决于污染水平和表面的金属氧化物的深度。金属复合物和金属氧化物可以用O2/Ar溅射工艺，或一步或两步的化学性湿法处理工艺序列的化学性湿法刻蚀工艺去除。在一个较好的实施例中，使用湿法工艺去除复合的金属和金属的氧化物。该化学性湿法处理工艺使用有机酸(例如日本的Kanto化学有限公司生产的DeerClean)、半溶性溶剂(例如特拉华州威尔明顿的DuPont生产的ESC5800)、有机碱(例如TMAH)，复合胺(例如乙二胺、二乙烯三胺)或专门的化学品(例如康乃狄克州西黑文的Enthone有限公司生产的ELD清洁剂和CapClean61)。去除电介质表面的Cu-BTA保证了Cu-BTA复合物中的铜不会氧化为铜的氧化物并在其他的表面处理步骤中还原为铜，降低选择性并在电介质表面提供钴合金的成核点，造成短路并使得漏电量增多。因此，Cu-BTA去除工艺也可能带来由短路或漏电造成的产率损失。

Cu-BTA复合物和其他的金属氧化污染物是这一步要去除的两种主要的金属污染物，这一步可在可控或不可控环境中进行。例如，可以通过湿法清洁过程去除Cu-BTA，该湿法清洁过程利用清洁溶液完成，该清洁溶液包括由TMAH，复合胺例如乙二胺，二乙烯三胺或专门的清洗用化学品(例如康乃狄克州西黑文的Enthone有限公司生产的ELD清洁剂和CapClean61)。可以利用弱有机酸(如柠檬酸)或其他的有机酸或无机酸来去除金属氧化物，特别是铜的氧化物。而且，也可以使用浓度非常低(例如小于0.1％)的含过氧化物的酸，例如过氧化硫混合物。该湿法清洁过程还可以去除其他的金属或金属氧化物残留。

不同布图或特性类型(例如小密集、小隔离或宽铜线)铜线上BTA的存在是布线钝化的结果，BTA的量与跟这些特性有关的电击效应的程度部分相关。这可能导致与图案相关的钝化层的形成。这种相关性可能进一步影响钴合金沉积特性，导致与图案相关的沉积特性，这有时被称为孵化效应或起始效应。去除Cu布线上的BTA有助于消除钴合金(后续步骤中沉积的)的这种与图案相关的沉积效应并使得钴合金在密集和隔离特征内均匀沉积。

如步骤403所示，可以通过氧化等离子例如含氧等离子工艺去除该有机污染物。优选地，该氧等离子工艺发生在低于120℃的相对较低的温度上。高温氧等离子工艺趋向于将铜氧化为一个较厚的层，以后更加难以还原。因此，最好使用低温氧气等离子工艺。在一个实施例中，该氧气等离子工艺可为顺流等离子工艺。或者，也可以使用O2/Ar溅射工艺以物理性地去除有机残留(或污染物)。氧等离子工艺和O2/Ar溅射工艺一般都工作在1托以下。

一旦该基板表面不存在诸如Cu-BTA，金属氧化物和其他有机污染物等污染物，则该基板应当尽量少的暴露于氧气中，以避免铜表面被氧化。铜的氧化不是一个自我限制的过程。氧气的量和铜表面暴露于氧气的时间长短都应当被限制(或控制)到最小以尽量减少铜的氧化物的形成。尽管铜的氧化物可以在后续步骤中被还原，但是如果铜的氧化物层比较厚的话，就可能无法完全还原。因此，除了去除有机污染物时的需要外，尽量减少铜暴露于氧气中是非常重要的。为了达到控制和限制暴露于氧气的目的，该基板应当在一种可控环境中进行传送和处理，例如在真空环境中或者在充满惰性气体的环境中。

在步骤405中，为了确保铜的表面没有铜的氧化物，在还原环境中对该基板表面进行修复以将残留的铜的氧化物转化为铜。前述的清洗前步骤应当已经去除了电介质层上的任何金属，因此还原反应仅仅发生在铜布线上。该铜表面的还原反应可以通过含氢的等离子工艺来完成，以将铜的氧化物转化为铜(基本纯净的铜)。可用于产生含氢的等离子体的典型的反应气体包括氢气，氨气，和一氧化碳。例如，该基板表面被由氢气，氨气或两种气体的混合气体生成的含氢的等离子体还原，该基板的温度升高至20℃和300℃间。在一个实施例中，该含氢的等离子工艺为下游等离子工艺。在该基板完成该氢还原过程后，就可以用于钴合金沉积了。应当小心保护铜的表面以避免铜的氧化物的形成。如上所述，铜的氧化物的存在可能抑制钴合金的非电性沉积。因此，控制传送和处理基板的环境以尽量减少铜对氧气的暴露是非常重要的。

在下面的工艺步骤407中，该钴合金，例如CoWP，CoWB或CoWBP，被非电性沉积于该铜表面上。该钴合金的非电性沉积过程是一种湿法工艺，且仅仅沉积于催化剂表面，比如铜表面。该钴合金仅仅选择性地沉积于铜表面。

完成钴合金的非电性沉积之后，流程可以进入一个可选的工艺步骤409：沉积后的清洁。沉积后的清洁可以通过利用化学溶液用刷子擦净，该化学溶液包括由宾夕法尼亚州阿伦敦的空气产品和化学品有限公司生产的CP72B溶液。也可以使用其他的基板表面清洁工艺，例如朗姆的C3^TMorP3^TM清洁工艺。其他的后清洁用化学品包括羟胺基化学制剂，以去除化学镀层后可能残留在电介质表面的任何的金属基污染物。

如上所述，对处理和晶圆传送环境进行控制对于对基板进行预处理以进行钴合金沉积是非常重要的，特别是在完成氢等离子体对铜表面的还原之后。图4B显示了一个典型集成系统450的示意图，该集成系统在对表面进行处理之后在关键步骤尽量减少基板表面对氧气的暴露。而且，因为这是一个集成系统，该基板被从一个处理地点迅速转移至另一个处理地点，这限制了预处理完毕的铜表面暴露于氧气的时间。该集成系统450可以用于在图4A所示的整个工艺流程序列中处理基板。

如上所述，表面处理，钴合金的非电性沉积和可选的钴合金沉积后的处理包括一系列的干法和湿法工艺。该湿法工艺一般工作在大气环境下，然而干法的氧气等离子工艺、氢等离子工艺和O2/Ar溅射工艺都工作在低于1托气压下。因此，该集成系统既需要处理干法工艺，又需要处理湿法工艺。该集成系统450有三个基板传送模块(或基板传送室)460，470，和480。该传送室460，470，和480均装设有可以将基板455从一块处理区域转移至另一块处理区域的机械手臂。该处理区域可以是基板盒、反应器、或加载锁定室(loadlock)。基板传送模块460工作于实验室环境下，即工作于室温、大气压和暴露于空气的实验室(或工厂)环境，空气一般经过HEPA-或ULPA-过滤以控制粉尘缺陷。模块460与基板装载机(或基板盒)461接合，以将该基板455送入该集成系统或将基板送回基板盒461以在系统450外继续进行其他处理。

如上所述，在工艺流程400中，在利用金属的化学机械抛光(CMP)对基板进行平坦化以去除基板表面过量的金属且仅仅在沟槽中保留该金属(如图2C所示)后，该基板455被送入集成系统450以沉积钴合金，例如CoWB，CoWP或CoWBP。如在工艺流程400的步骤401中描述的那样，需要去除该基板表面的表面污染物，例如Cu-BTA复合物和其他的金属氧化物残留。Cu-BTA和金属氧化物可以通过湿法清洁工艺去除，该工艺使用的是清洁溶液，例如包含TMAH或胺合物(complexingamines)(例如但不限于：乙二胺、二乙烯三胺)的溶液。去除BTA-金属复合物之后，残留在铜和电介质表面的金属氧化物可以通过湿法清洁工艺去除，该工艺使用的清洁溶液例如包含柠檬酸或其他可以或多或少相对于铜将铜的氧化物选择性去除的有机酸。金属氧化物，特别是铜的氧化物，可以利用柠檬酸等弱酸去除，也可以使用其他的有机酸或无机酸。而且，也可以使用浓度非常低(例如，小于0.1％)的含过氧化物的酸，例如过氧化硫混合物。该湿法清洁过程还可以去除其他的金属或金属氧化物残留。

该湿法清洁反应器463可以与实验室环境传送模块460集成，该模块工作于实验室环境下。该湿法清洁反应器463可以用于进行上面图4A中步骤401中描述的一步或两步的清洁工艺。或者，可以将另外一个湿法清洁反应器463’与该实验室传送模块460集成，以在反应器463中进行该两步清洁工艺的第一步，在反应器463’中进行第二步。例如，包含TMAH等化学品的清洁溶液在反应器463中以清洁Cu-BTA，包含柠檬酸等弱酸的清洁溶液在反应器463’中以清洁金属氧化物。

该实验室环境是在大气压下且暴露于空气中的。在工艺流程400中，尽管该湿法清洁反应器463可以与该实验室环境传送模块460集成，该工艺步骤也可以在基板被送入集成系统进行钴合金沉积之前，在进行完金属CMP之后马上完成。或者，该湿法清洁过程也可以在可控的实验室工艺环境中完成，在湿法清洁步骤进行的过程中和完成后维持该可控的实验室环境。

前述湿法清洁工艺不能去除的有机残留(或污染物)可以通过干法氧化等离子工艺去除，例如含氧的等离子工艺，O2/Ar溅射工艺或在去除完Cu-BTA和金属氧化物之后进行Ar溅射工艺。如上所述，大部分的等离子或溅射工艺都工作于小于1托气压下；因此，需要将这些系统(或装置、室或模块)耦合至一工作于真空环境(例如气压小于1托)的传送模块。如果与该等离子工艺集成的该传送模块工作于真空环境的话，基板的传送会更有时间效率(更快)且该处理模块维持于真空环境，因为不需要多余的时间来对该传送模块进行抽真空处理。而且，因为传送模块在真空环境下，所以用等离子工艺清洁后的基板仅仅被暴露在非常低的氧气水平下。如果选用该氧气等离子工艺来清除有机物残留的话，该氧气等离子处理反应器471耦合于一真空传送模块470。

因为实验室环境传送模块460工作于大气压下而真空传送模块470工作于真空下(小于1托)，这两个模块间要放置一个加载锁定室(loadlock)465以使得基板455可以在工作于不同气压下的两个模块460和470间传送。加载锁定室465被配置为可工作在气压小于1托的真空环境下，或实验室环境下，或内部充满从一组惰性气体中选择的惰性气体。

例如，基板455完成使用氧气进行的氧等离子工艺过程之后，被送入含氢还原等离子还原室(或模块)473。含氢等离子还原一般在低压(小于1托)环境进行；因此，该还原室与该真空传送模块470相连。该基板455进行完含氢等离子还原之后，铜表面就变得清洁，不再含有铜的氧化物了。在一优选实施例中，基板完成氧气等离子工艺之后，不把晶圆从室内移走，而在原位置进行氢气或氢气/氨气等离子还原步骤。无论在哪种情况下，基板完成还原工艺之后即可以进行钴合金沉积了。

如上所述，在利用含氢等离子还原工艺完成基板修复之后，控制处理和传送的环境以减少铜表面暴露于氧气中是非常重要的。该基板455应当在可控环境下进行处理，该可控环境可以是真空环境或充满一种或多种惰性气体的环境，以限制该基板455暴露于氧气中。图4B中的虚线490描绘了集成系统的一部分的边界轮廓，显示了环境可控的处理系统和传送模块。在可控环境490下传送和处理基板可以减少基板对氧气的暴露。

钴合金非电性沉积是一种湿法工艺，包含将溶液中的钴利用还原剂进行还原，该还原剂可以是磷基物(例如次磷酸盐)或硼基物(例如二甲胺硼)，或磷基物和硼基物的混合物。该溶液可利用磷基还原剂来沉积CoWP，也可以利用硼基物作为还原剂来沉积CoWB，也可以利用磷基物和硼基物的混合物作为还原剂来沉积CoWBP。在一个实施例中，该钴合金非电性沉积溶液是碱性物。或者，该钴合金非电性沉积溶液也可以是酸。因为该湿法工艺过程一般是在大气压下完成的，与该非电性沉积反应器耦合的传送模块480应当工作在近似大气压下。为了确保该环境没有氧气，一般用惰性气体来填充该可控环境传送模块480。而且，该工艺中使用的所有流体都是经过脱气处理的，例如利用商业上可以得到的脱气系统将流体中溶解的氧气除去。典型的惰性气体包括氮气、氦气、氖气、氩气、氪气和氙气。

在一个实施例中，该湿法钴合金非电沉积反应器(或装置、系统或模块)与漂洗和干燥系统(或装置、模块)耦合，以使得该基板在传送进入和送出该非电性沉积系统481时都处于干燥的状态(干进/干出)。该干进/干出的要求使得该非电性沉积系统481可以与该可控环境传送模块480集成在一起，避免了使用湿法机械手传送到分离的漂洗-干燥模块的需求。也需要控制该湿法沉积系统481的环境以提供比较低的(有限的)氧气和湿气(水蒸汽)水平。也可以用惰性气体填充该系统以保证处理环境中较低的氧气水平。

或者，钴合金非电性沉积也可以干进/干出的方式进行，类似于最近揭示的非电性铜沉积工艺。干进/干出的非电性铜沉积工艺是用来进行铜的非电性沉积的。该工艺使用临近处理头(proximityprocesshead)来将非电性处理药液与基板表面的接触限制在一个有限的范围内。不再临近处理头下面的基板表面是干燥的。这种工艺和系统可在申请号为10/607,611，名称为“ApparatusAndMethodForDepositingAndPlanarizingThinFilmsOnSemiconductorWafers”，申请日为2003年6月23日，以及申请号为10/879,263，名称为“MethodandApparatusForPlatingSemiconductorWafers”，申请日为2004年6月28日的美国专利申请中找到，这两份申请都可以完整的合并到这里。可以利用相似的临近处理头来对钴合金进行无电电镀以便可以进行干进/干出处理。

在系统481中钴合金沉积完毕后，该基板455被传送通过一个可选的沉积后清洁反应器。这可以通过使用机械辅助工具，例如使用例如CP72B或羟胺基清洁化学品进行毛刷擦净，或使用其他方法，例如浸没清洁、旋转漂洗清洁，或C3^TM临近技术。漂洗和干燥系统必须要与该毛刷擦净系统集成到一起以使得基板455可以在该湿法清洗系统483中干进/干出。可以在系统483中充满惰性气体以限制(或降低)系统中的氧气量。如图4A所示，该系统483用点画线表示以说明该系统是可选的，因为该沉积后清洁系统是可选的。因为该沉积后清洗步骤是在集成系统450中进行的最后一个步骤，所以该基板455处理完毕后要被送回基板盒461。因此，该清洁系统483也可以与该实验室环境传送模块460耦合，如图4B所示。如果该清洁系统483与该实验室环境传送模块460耦合，则该清洁系统483不需要工作在受控环境下，也不需要用惰性气体充满该系统。

如上所述，Cu-BTA和金属氧化物去除工艺步骤也可以在基板被送入集成系统进行钴合金沉积之前，在金属CMP后马上进行。

实施例II：金属CMP停止在阻障层上

图5A-5C显示了在工艺的各个阶段布线结构的横截面。图5A中基板上该铜层已经利用CMP技术平坦化了。该阻障层130还没有被去除，还保留在基板表面上。图6A显示了对该表面进行预先处理，以在双嵌入的金属沟槽的铜上进行钴合金的非电性沉积的工艺流程的具体实施例。图6A中的工艺流程600用到的基板刚刚完成了铜的CMP工艺，以去除铜。阻障层仍然保留在基板表面上，如图5A所示。实施例II和实施例I的区别在于，实施例II中，电介质106表面没有暴露于Cu-BTA复合物或其它的铜合金残留。实施例II中的电介质层的质量比实施例I中的更高(或有更少的金属污染物)。因此，那些目标在于除去电介质层表面的铜的氧化物(这些氧化物是用氧气等离子体去除有机污染物后形成的)的工艺步骤就可以取消了。

工艺开始于步骤601，从基板表面去除金属污染物，例如Cu-BTA或金属氧化物。如上所述，Cu-BTA复合物和金属氧化物是要去除的两种关键的金属污染物。从基板表面去除金属污染物(例如Cu-BTA和金属氧化物)的工艺上面已经描述过了。例如，Cu-BTA和金属氧化物，包括铜的氧化物，可以通过湿法清洗工艺来去除；该湿法清洗工艺使用清洁溶液，包括例如，TMAH或乙二胺、二乙烯三胺等复合胺。去除Cu-BTA以消除与图案有关的钴合金沉积(会在后面的步骤中沉积)效应，并使得在密集和隔离特征处的钴合金沉积保持一致。

金属氧化物，特别是铜的氧化物，可以用柠檬酸等弱酸来去除，也可以使用其他的有机酸或无机酸。而且，也可以使用浓度非常低(小于0.1％)的含过氧化物的酸，例如过氧化硫混合物。该湿法清洁过程也可以除去其他的金属及金属氧化物残留。

有机污染物，包括Cu和阻障层表面的残留的BTA，可以在步骤602中去除。有机污染物可以用干法氧气等离子工艺或其他的氧化等离子工艺(例如使用水，臭氧或双氧水蒸汽的等离子工艺)去除。如上所述，含氧的等离子工艺优选在一个相对低的温度下进行，低于50℃且优选低于120℃。该含氧的等离子工艺可以是顺流等离子工艺。或者，有机残留(或污染物)也可以通过O2/Ar溅射工艺去除，即使用物理方法去除有机污染物。如上所述，氧气等离子工艺和O2/Ar溅射工艺一般都在低于1托的气压下进行。

去除基板表面的Cu-BTA，金属氧化物和有机污染物等污染物后，基板应该尽量少的与氧气接触以避免铜表面被进一步氧化。去除表面污染物后，在步骤603中，去除基板表面的阻障层，例如Ta，TaN，Ru或这些材料的复合物，如图5B所示。阻障层可以用例如CF₄等离子工艺，O2/Ar溅射工艺，CMP工艺或者化学湿刻工艺去除。CF₄等离子工艺和O2/Ar溅射工艺都在低于1托气压下进行。

图5A中铜表面140上存在的和等离子氧化步骤中产生的铜的氧化物，可能在阻障金属去除步骤603中被完全去除。因此，利用含氢的等离子还原铜表面的工艺步骤是可选的。然而，为了确保铜表面没有铜的氧化物，可以(可选地)在步骤605中将基板表面任何残留的铜的氧化物还原为铜。对铜表面的修复可以利用含氢的等离子体工艺完成，把铜的氧化物还原为铜。进行含氢的等离子工艺所需的气体和工艺条件已经在上面的实施例I中描述过了。基板完成氢还原过程以后，就可以进行钴合金沉积了。要仔细保护铜的表面，避免与氧气接触以确保不会形成铜的氧化物。如上所述，铜的氧化物的存在可能抑制钴合金的非电性沉积。因此，控制处理和搬运环境以减少或消除铜表面与氧气的接触是非常重要的。

在下一个工艺步骤607中，钴合金，例如CoWP，CoWB或CoWBP，被选择性地沉积到铜表面上。钴合金如图5C中的层135所示。该钴合金的非电性沉积是选择性沉积过程，也是一种湿法工艺。钴合金仅仅沉积在铜表面上。

如上面实施例I中所述，在进行完钴合金的非电性沉积之后，工艺流程可以进入一个可选的工艺步骤609，即沉积后的清洁。沉积后的清洁可以用带有化学溶液的毛刷擦洗，该化学溶液例如是包含由宾夕法尼亚州阿伦敦的空气产品和化学品有限公司生产的CP72B溶液，或羟胺基化学品，以去除电介质表面上由该非电性沉积工艺带来的任何的金属污染物。也可以使用其他的基板清洗工艺。

如上所述，控制环境对于钴合金的沉积是非常重要的，特别是在对铜表面进行含氢等离子还原之后。图6B显示了典型集成系统650的示意图，该系统650使基板表面处理过之后在关键的步骤尽量少的与氧气接触。该集成系统650可以用于图6A中整个工艺序列600的基板处理。

与集成系统450相似，集成系统650有三个基板传送模块660，670和680。传送模块660，670和680都装备有机械手，可以将基板655从一个工艺区域移动到另一个工艺区域。基板传送模块660工作在实验室环境下。模块660与基板装载机(或基板盒)661连接，以把基板655送入该集成系统或者送回基板盒661以继续进行系统650外的处理。

如上处理流程600所述，在基板经过铜CMP工艺平整以从基板上去除多余的铜，并将阻障层留在电介质表面，将铜留在沟槽中之后，如图5A所示，将基板655送入集成系统650中以沉积钴合金，例如CoWB，CoWP或CoWBP。如工艺流程600的步骤601所述，需要去除该基板表面的表面污染物，例如Cu-BTA，金属氧化物和有机残留。Cu-BTA和金属氧化物可以使用利用清洁溶液的，比如包含TMAH的溶液，湿法清洗工艺去除。工艺流程600中，湿法清洁反应器663可与实验室环境传送模块660耦合。在工艺流程600中，尽管湿法清洁反应器663可以与该实验室环境传送模块660耦合，该工艺步骤也可以在将基板送入集成系统进行钴合金沉积之前，在金属CMP工艺之后马上进行。或者，该湿法清洁工艺可以在可控实验室环境下进行，该可控环境在整个湿法清洁过程进行中和完成后应当保持。

反应器683中进行的湿法清洁工艺601没有去除的有机物残留(或污染物)，在步骤602中，通过干法等离子工艺去除，例如氧气等离子工艺或O2/Ar溅射工艺。如上所述，大多数的等离子或溅射工艺都是在低于1气压的环境下进行的；因此需要将这些系统与工作在气压小于1托的真空环境下的传送模块耦合。假如选择氧气等离子工艺来清洁该有机物残留，该氧气等离子工艺反应器671与该真空传送模块670耦合。

该氧气等离子工艺可以是顺流等离子工艺。在工艺流程600中，尽管氧气等离子反应器671可以与该真空传送模块670集成，此工艺步骤也可以在基板被送入集成系统以进行钴合金沉积之前，在金属CMP之后马上进行。

因为实验室环境传送模块660工作于大气压下而真空传送模块670工作于真空环境下(小于1托)，所以在这两个传送模块间放置一加载锁定室665，以在这两个模块660，670间传送基板655.

基板655完成氧气等离子工艺之后，被送入一个处理系统进行阻障层刻蚀，如步骤603所示。如果选择干法阻障等离子刻蚀的话，阻障层刻蚀室(或模块)673可以与该真空传送模块670耦合。干法阻障等离子工艺可以是CF₄等离子工艺或O₂/Ar溅射工艺。

阻障层刻蚀完成后是可选的含氢等离子还原工艺，以保证铜表面没有铜的氧化物存在。含氢等离子还原反应可以在等离子室(或模块)674中进行，该等离子室与真空传送模块670耦合。或者，含氢等离子还原也可以随后在用于除去有机残留的氧气等离子反应器671中在排净室内残留的氧气之后进行。

如上所述，钴合金非电性沉积是一种湿法工艺。因为湿刻工艺一般在大气环境下进行，耦合于该非电性沉积反应器的该传送模块680应当工作于近似大气压下。为了确保控制该环境中没有氧气，利用惰性气体充满该可控环境传送模块680。而且，工艺中用到的所有流体均经过脱气处理，例如用商业上可得到的脱气系统脱去溶解的氧气。

钴合金的湿法非电性沉积反应器需要与漂洗和干燥系统耦合，以使得传送进入和送出该非电性沉积系统681中的基板处于干燥状态(干进/干出)。如上所述，干进/干出的要求使得该非电性沉积系统681可与该可控环境传送模块680集成。用惰性气体填充系统681来确保系统内维持较低的(或有限的或可控的)氧气水平。

钴合金在系统681内沉积完之后，基板被送至一个沉积后清洁反应器683。还需要漂洗及干燥系统与毛刷擦净系统集成以使得基板655在清洁系统683内干进/干出。用惰性气体填充该系统683以确保没有氧气存在。如图6A所示，系统683是用点画线表示的，以说明该系统为可选的，因为该沉积后清洁系统是可选的。因为沉积后清洁步骤是集成系统650中进行的最后一个步骤，所以基板655在处理完毕后要送回基板盒661。该清洁系统683也可以与该实验室环境传送模块660耦合。

实施例III：金属CMP停止在铜薄层上

图7A-7C显示了布线工艺各个阶段的布线结构的横截面。图7A中的基板刚刚完成铜的平坦化，但是还没有完全清除基板表面的铜。一铜薄层132还留在基板表面上。图8A显示了对表面进行预处理以在双嵌入的金属沟槽的铜上非电性沉积钴合金的工艺流程的具体实施例。图8A的工艺流程800中用的基板刚刚完成铜CMP工艺以去除电介质层上的阻障层上的大部分的铜。如图7A所示，一个约100埃至约1000埃厚的铜薄层留在基板表面上。实施例III和实施例I和II的区别在于，在实施例III中，有一个铜薄层覆盖在整个基板表面，因此不用担心因为铜CMP溶液中与之接触的不同材料引起的铜的电流腐蚀问题。因为该铜薄层和其他的表面污染物会在无氧环境中被去除，因此不用担心铜的氧化问题。因此，不需要进行氢气等离子还原。实施例II和III都没有阻障CMP；因此可以省去CMP工艺的开销。用这种工艺对铜表面进行预处理带来了钴合金在铜层上相对于在电介质层上的良好的选择性。

工艺开始于步骤801，即去除基板表面的污染物，包括有机残留和无机金属氧化物。有机污染物可以用含氧等离子去除，例如干法氧气等离子工艺，水等离子工艺，双氧水等离子工艺或臭氧蒸汽的等离子工艺。如上所述，优选地，氧气等离子工艺在低于120℃的相对低温下进行。氧气等离子工艺可为顺流等离子工艺。或者，有机残留(或污染物)也可以通过O2/Ar溅射工艺物理性去除。如上所述，氧气等离子工艺和O2/Ar溅射工艺一般工作在小于1托气压下。

基板表面去除了污染物之后，应当尽量减少基板与氧气的接触以防止铜表面被氧化。去除表面的污染物之后，在步骤803，阻障层上和电介质层上的铜薄层被去除。可以通过O2/Ar溅射，通过O2/HFAC等离子刻蚀，通过使用硫酸或双氧水等化学品进行化学蚀刻，或通过使用复合化学药剂将铜薄层去除。O2/Ar溅射和O2/HFAC等离子工艺均工作在低于1托的低气压下。

然后，在步骤805中，将基板表面的阻障层，例如Ta，TaN或两种膜的组合去除。图7B显示了去除铜薄层和阻障层之后布线结构的横截面。阻障层可以用CF4等离子工艺、O2/Ar溅射、CMP或化学蚀刻去除。CF4等离子刻蚀和O2/Ar溅射工艺均工作于低于1托气压下。

因为选择性地沉积钴合金的铜的表面是通过在可控环境下刻蚀电介质上的铜薄层和阻障层形成的，用含氢等离子体还原铜表面的步骤通常不需要了。然而，为了确保铜的表面没有铜的氧化物，可选地，可以在步骤807中还原基板表面以将任何残留的铜的氧化物还原为铜。铜表面还原工艺上面已经描述过了。基板通过该含氢还原工艺之后，就可以进行钴合金沉积了。需要仔细保护铜表面，防止生成铜的氧化物。在下个工艺步骤809中，在铜表面上面非电性沉积钴合金，例如CoWP，CoWB或CoWBP。图7C的层135是钴合金。钴合金的非电性沉积是选择性的，是一种湿法工艺。钴合金仅仅沉积在铜表面上。

如上面实施例I和II所述，进行完钴合金的非电性沉积工艺之后，工艺流程可以进入一个可选的沉积后清洁工艺步骤811。沉积后清洁在上面的实施例I和II中描述过了。

如上所述，控制环境对于预处理基板以进行钴合金沉积是非常重要的，特别是在铜表面进行含氢等离子还原之后。图8B显示了一个典型集成系统850的示意图，该集成系统在表面处理之后通过严格的步骤尽量减少基板表面与氧气的接触。该集成系统850可以被用于图8A所示的工艺流程800的整个工艺序列的基板处理。

该集成系统850有三个基板传送模块860，870和880。基板传送模块860，870和880装设有机械手，可以将基板855从一个工艺区域移动到另一个工艺区域。基板传送模块860是工作在实验室环境下的。模块860与基板装载机(或基板盒)861相连，以将基板855送入集成系统或送回基板盒861以继续进行系统850外的处理。

如上面工艺流程800所述，在基板利用铜CMP进行平坦化以去除基板表面多余的铜，并在电介质表面的阻障层上留下一铜薄层后，如图7A所示，该基板855被送入集成系统850以沉积钴合金，例如CoWB，CoWP或CoWBP。如工艺流程800的步骤801所述，需要去除基板表面的污染物例如有机残留和非铜的金属氧化物。因为不需要进行湿法Cu-BTA清洁，所以与实施例I和II不同，该实验室环境传送模块860或许可以省略以使得基板承载机861可以直接与加载锁定室865耦合。

可以通过氧化等离子体工艺例如氧气等离子体或O2/Ar溅射来去除表面污染物，包括有机残留和金属氧化物。如上所述，大部分的等离子或溅射工艺工作于1托气压下，因此，需要将这些系统与工作于低于1托的真空环境下的传送模块耦合。如果选用氧气等离子工艺清洁有机物残留，则氧气等离子工艺反应器871与一真空传送模块870耦合。

氧气等离子工艺可以是顺流等离子工艺。在工艺流程800中，尽管氧气等离子反应器871可以与真空传送模块870耦合，但是该工艺步骤也可以在基板被送入集成系统进行钴合金沉积之前，在金属CMP后马上进行。

因为实验室环境传送模块860工作于大气压下而真空传送模块870工作于小于1托的真空环境下，所以在这两个模块间放置加载锁定室865以在这两个模块860和870间传送基板855。

基板855完成氧气等离子工艺之后，传送基板855至处理系统进行铜刻蚀，如步骤803所示。如果选用干法铜等离子刻蚀的话，铜刻蚀室(或模块)873与该真空传送模块870耦合。如果选用湿法工艺的话，该湿法刻蚀反应器与漂洗/干燥系统集成成为湿法铜刻蚀系统873’，该系统873’可与可控环境的传送模块880耦合。为使得该湿法铜刻蚀系统873’可以与该可控环境传送模块880耦合，需要干进/干出该系统873’。在一个实施例中，可以将一个漂洗和干燥系统与该湿法铜刻蚀系统873’集成以满足干进/干出要求。系统873’也需要控制为不含有氧气。可以用惰性气体充满该系统以保证工艺环境中不含有氧气。

铜刻蚀之后进行阻障层刻蚀，如步骤805所示。如果用干法阻障等离子刻蚀工艺，阻障层刻蚀室874可与真空传送模块870耦合。如果选用湿法阻障层刻蚀工艺，湿法阻障层刻蚀反应器可与漂洗/干燥系统集成以成为湿法阻障层刻蚀系统874’，系统874’可与可控环境传送模块880耦合。为了使得湿法阻障刻蚀系统874’可与可控环境传送模块880耦合，该基板需要干进/干出系统874’。需要控制系统874’的环境以提供较低的(或有限的或可控的)氧气水平。可以用惰性气体填充该系统以保证工艺环境中有较低的氧气水平。

上面已经讨论过，阻障层刻蚀之后的工艺是可选的含氢等离子还原。氢气等离子还原可以在等离子室877内进行，等离子室877与真空传送模块870耦合。

如上所述，钴合金非电性沉积是一个湿法工艺。因为湿法工艺一般是在大气压下进行的，所以与该非电性沉积反应器耦合的传送模块880也应该工作于近大气压下。为了确保控制环境中氧气的含量为一个较低的水平，可以在可控环境传送模块880内充满惰性气体。而且，工艺中用到的所有的流体都经过脱气处理，例如，利用商业上可得到的脱气系统把溶解的氧气去除。典型的惰性气体包括氮气、氦气、氖气、氩气、氪气和氙气。

钴合金湿法非电性沉积反应器需要与漂洗和干燥系统耦合以使得基板以干燥的状态送入和送出该系统881(干进/干出)。干进/干出的要求使得非电性沉积系统881可以与可控环境传送模块880集成。用惰性气体充满系统881以保证系统内氧气水平较低。

在系统881内进行完钴合金沉积后，基板855被传送通过沉积后清洁反应器。漂洗和干燥系统也需要与毛刷擦净系统集成以使得基板855可以干进/干出该湿法清洁系统883。用惰性气体充满系统883以保证没有氧气存在。如上面的图8A所示，系统883用点画线表示以说明该系统是可选的，因为沉积后清洁工艺是可选的。因为沉积后清洁步骤是需要在集成系统850内进行的最后一个工艺，所以基板855可以在处理完毕之后送回基板盒861。该清洁系统883也可以与该实验室环境传送模块860相连。

2.处理阻障表面以进行铜的非电性沉积

上面描述的系统构想可以用来对阻障表面进行预处理以进行铜的平坦化。阻障层，例如Ta，TaN，或Ru，如果暴露在氧气中超过一定时间的话，会形成TaxOy(Ta的氧化物)，TaOxNy(Ta的氮氧化物)，或RuO₂(Ru的氧化物)。在基板表面上沉积金属层的非电性沉积高度依赖于基板的表面特性和组成。Ta，TaN或Ru表面的非电铜镀对于电镀前的种晶层形成和光刻限定图案内铜布线的选择性沉积都有益处。一个要关注的方面是由于氧气的存在自动生成的薄原子原生金属氧化物薄层对于非电性沉积工艺的抑制。

而且，铜膜并不粘附于阻障氧化层，例如Ta的氧化物，Ta的氮氧化物或Ru的氧化物，却粘附于纯阻障金属或富阻障层膜，例如Ta，Ru或富Ta的TaN膜。Ta和/或TaN阻障层仅仅是用作例子。这种描述和构想也适用于其他的阻障金属，例如有Ru薄层覆盖的Ta或TaN。如上所述，粘着性不足可能对电迁移性能产生负面影响。而且，阻障层表面上Ta氧化物或Ta氮氧化物的形成可能增加阻障层的电阻率。因为这些问题，所以需要使用集成系统对阻障/铜的界面做预先处理，以保证阻障层和铜界面之间良好的粘着性，降低阻障层的电阻率。

实施例I：生成金属线

图9A显示了一种通过电介质刻蚀和除去光刻胶形成图案之后的金属布线结果的横截面示意图。金属线结构在基板900上并有一硅层110；该硅层110是前面生成的，具有门氧化物121、垫片107和触点125的门结构105。该触点125一般是通过在氧化物103上刻蚀一接触孔然后在其中填入钨等导电金属做成的。替代材料可以是铜、铝或其他导电材料。该阻障层102也被配置为具有选择性沟槽刻蚀终止的功能。阻障层102可以是用如氮化硅(SiN)或碳化硅(SiC)等材料制成的。

金属线电介质层106被沉积在该阻障层102上。可以用来沉积的电介质材料上面已经描述过了。沉积完该电介质层106之后，基板已经图形化和刻蚀以生成金属沟槽106。图9B显示了形成金属沟槽116之后，沉积金属阻障层130以进行金属沟槽116布线。图9C显示了沉积完阻障层130之后，在阻障层130上沉积铜层132。阻障层132可以是由TaN、Ta、Ru或这几种膜的组合制成的。然后沉积铜膜132以填充金属沟槽116。在一个实施例中，铜膜132下面包含铜种晶薄层131。

在利用等离子表面预处理工艺以准备该催化剂表面以沉积保形的非电性铜种晶薄层131，并用铜膜132填充沟槽116之后，基板900被利用化学和机械方法平坦化(CMP)或被蚀刻以去除电介质106表面的铜材料(或冗余的铜)和阻障层(或冗余的阻障)，如图9D所示。在一个实施例中，铜种晶薄层的厚度在约5埃到约300埃之间。下一步是用铜/SiC界面粘着性促进层135，例如钴合金，如图9E所示，覆盖铜表面140。典型的钴合金包括：CoWP，CoWB或CoWBP，这些可以利用非电性工艺选择性的沉积到铜上。粘着促进层的厚度可以像单分子层那么薄，也就是几埃，例如5埃，也可以比较厚，例如200埃。

图10A显示了对阻障(或衬线(liner))层表面进行预先处理，以便于在形成沟槽之后进行铜的非电性沉积的工艺流程1000。然而，应当注意，阻障(或衬线)层也可以在非集成的沉积系统例如ALD或PVD沉积反应器中单独处理。在这种情况下，为沉积铜种晶薄层而对表面进行的预处理可以不包括金属栓预清洗和阻障沉积步骤。在步骤1001中，清洁接触栓(contactplug)的上表面124a以去除原生金属氧化物。金属氧化物可以通过Ar溅射工艺，利用含氟气体，如NF3，CF4或两者的结合进行的等离子工艺，湿法化学蚀刻工艺或还原工艺(例如使用含氢等离子工艺)去除。在步骤1003中，沉积阻障层。因为极窄的金属布线和严格的通孔尺寸要求，该阻障层可以用原子层沉积技术(ALD)进行，这个根据工艺水平决定。阻障层130的厚度在约20埃到约200埃之间。如上所述，阻止阻障层与氧气的接触对于确保铜的非电性沉积在铜和阻障层界面上有良好的粘着性非常关键。沉积完阻障层之后，基板应当在可控环境下进行传送和处理以限制与氧气的接触。在可选步骤1005中，阻障层利用氢等离子工艺进行处理以在Ta、TaN或Ru层上生成金属富集表面以为后续的铜种晶层沉积步骤提供催化表面。该步骤是否需要取决于该表面的金属富集程度。

然后，在步骤1007中，在阻障表面沉积保形铜种晶层，然后在步骤1008中，进行厚铜填充(或体量填充)工艺。在一个实施例中，利用非电性沉积工艺沉积该保形铜种晶层。厚铜体量填充工艺可以是非电性沉积(ELD)工艺或电化学电镀(ECP)工艺。非电性沉积工艺和电化学电镀工艺都是熟知的湿法工艺。为了将湿法工艺进程与上述的可控的传送与处理环境的系统集成，反应器应该与漂洗/干燥装置集成以使其能够干进/干出。而且，该系统内需要充满惰性气体以尽量减少基板与氧气的接触。最近出现了干进/干出的非电性铜工艺。而且，工艺使用的所有流体必须经过脱气处理，例如，通过商业上可得到的脱气系统将溶解的氧气去除。

非电性沉积工艺可以通过好几种方式进行，例如搅炼镀，将流体分配到基板上并使之在静止状态下反应，然后把反应物去除并抛弃，或回收利用。在另一个实施例中，该工艺使用临近处理头以限制非电性处理液仅仅与基板表面的限定区域接触。不在临近处理头下的基板表面是干燥的。这种工艺和系统可在申请号为10/607,611，名称为“ApparatusAndMethodForDepositingAndPlanarizingThinFilmsOnSemiconductorWafers”，申请日为2003年6月23日，以及申请号为10/879,263，名称为“MethodandApparatusForPlatingSemiconductorWafers”，申请日为2004年6月28日的美国专利申请中找到，这两份申请都可以完整的合并到这里。可以利用相似的临近处理头来对钴合金进行无电电镀以便可以进行干进/干出处理。

进行完步骤1007和1008的铜沉积工艺之后，基板可以进行一个可选的基板清洁步骤1009。铜沉积后清洁可以通过使用化学溶液的毛刷擦净，该化学溶液例如是包括由宾夕法尼亚州阿伦敦的空气产品和化学品有限公司生产的CP72B溶液。也可以使用其他的基板表面清洁工艺，例如朗姆的C3^TMorP3^TM清洁工艺。

图10B显示了在阻障表面预处理完毕后，在关键步骤尽量减少基板表面与氧气接触的集成系统1050的示意图。而且，因为是集成系统，基板从一个处理地点被迅速传送到下一个处理地点，可以限制基板表面与氧气的接触到一个较低的水平。集成系统1050可以用来在图10A所示的整个工艺流程序列1000中处理基板。

如上所述，对基板表面进行预处理以进行铜的非电性沉积和可选的钴合金沉积后工艺既包括干法工艺又包括湿法工艺。湿法工艺一般是在近大气压下进行的，而干法等离子工艺是在小于1托气压下进行的。因此，该集成系统必须要既能进行干法工艺又能进行湿法工艺。该集成系统1050有三个基板传送模块(或基板传送室)1060，1070，和1080。该传送模块1060，1070，和1080均装设有可以将基板1055从一块处理区域转移至另一块处理区域的机械手臂。该处理区域可以是基板盒、反应器、或加载锁定室。基板传送模块1060工作于实验室环境下。模块1060与基板装载机(或基板盒)1061接合，以将该基板1055送入该集成系统或将基板送回基板盒1061。

如上面工艺流程1000所述，将基板1055送入集成系统1050以沉积阻障层和铜层。如上面工艺流程1000的步骤1001所述，对触点125的钨质上表面124a进行刻蚀以去除原生的钨的氧化物。去除钨的氧化物之后，需要保护图9A中的钨的暴露表面，以避免与氧气接触。如果该去除工艺是Ar溅射工艺，那么反应器1071与该真空传送模块1070耦合。如果选用化学刻蚀工艺，反应器应当与可控环境传送模块1080耦合，而不是与实验室环境传送模块1060耦合，以限制钨表面与氧气的接触。

然后，在基板上沉积金属阻障层，例如Ta，TaN，Ru或这些膜的组合，如图10A中的步骤1003所述。图9B中的阻障层130可以通过ALD工艺或PVD工艺沉积。在一个实施例中，ALD工艺工作于低于1托气压下。ALD反应器1073与真空传送模块1070耦合。在另一个实施例中，沉积工艺是利用超临界二氧化碳和有机金属前体形成金属阻障的高压工艺。在另一个实施例中，该沉积工艺是工作于低于1托气压下的物理气相沉积(PVD)工艺。使用超临界二氧化碳的高压工艺的典型反应器的细节在共同转让的美国专利申请10/357,664中描述，名称为“MethodandApparatusforSemiconductorWaferCleaningUsingHigh-FrequencyAcousticEnergywithSupercriticalFluid”，申请日为2003年2月3日，在此处引入以供参考。

基板可以进行一个可选的还原工艺，例如使用含氢的等离子体，如图10A的步骤1005所述。氢气还原反应器1074与真空传送模块1070耦合。在这个阶段，基板可以进行铜的非电性沉积了。铜的非电性电镀可以在铜的非电性电镀反应器1081内完成以沉积保形的种晶层。沉积种晶层之后，铜的体量填充可以在沉积该保形的种晶层的同一个非电性沉积反应器1081中进行，但是利用不同的化学品来完成体量填充。或者，铜的体量填充可以在一个独立的ECP反应器1081’中进行。

基板离开集成系统1050前，可选地，基板可以进入一个表面清洁过程，去除前面铜沉积工艺的残留。例如，该基板清洗工艺可以是毛刷清洁工艺。基板清洁反应器1083可与可控环境传送模块1080集成。或者，基板清洁反应器1083可与实验室环境传送模块1060集成。

或者，在将基板900送入系统进行表面处理和铜沉积之前，在工艺室中进行图9B中阻障层130的沉积。图10C显示了对阻障(或衬线)层表面进行预处理以进行铜的非电性沉积的工艺流程1090的实施例。对阻障表面进行氢等离子处理以在Ta，TaN或Ru层产生金属富集表面，在可选步骤1095中，以为后面铜种晶沉积步骤提供催化表面。这一步是否需要取决于表面金属的含量。

然后，在步骤1097中，在阻障表面沉积保形铜种晶层，然后在步骤1098中，进行厚铜填充(或体量填充)工艺。在一个实施例中，利用非电性工艺沉积该保形铜种晶层。厚铜体量填充工艺可以是非电性沉积(ELD)工艺或电化学电镀(ECP)工艺。进行完步骤1097和1098的铜沉积工艺之后，基板可以进行一个可选的基板清洁步骤1099。铜沉积后清洁可以通过使用化学溶液的毛刷擦净，该化学溶液例如是包括由宾夕法尼亚州阿伦敦的空气产品和化学品有限公司生产的CP72B溶液。也可以使用其他的基板表面清洁工艺，例如朗姆的C3^TMorP3^TM清洁工艺。

图10D显示了在阻障表面预处理完毕后，在关键步骤尽量减少基板表面与氧气接触的集成系统1092的示意图。而且，因为是集成系统，基板从一个处理地点被迅速传送到下一个处理地点，可以限制基板表面与氧气的接触到一个较低的水平。集成系统1092可以用来在图10C所示的整个工艺流程序列1090中处理基板。

如上所述，对基板表面进行预处理以进行铜的非电性沉积和可选的钴合金沉积后工艺既包括干法工艺又包括湿法工艺。湿法工艺一般是在近大气压下进行的，而干法等离子工艺是在小于1托气压下进行的。因此，该集成系统必须要既能进行干法工艺又能进行湿法工艺。该集成系统1092有三个基板传送模块(或基板传送室)1060，1070，和1080。该传送模块1060，1070，和1080均装设有可以将基板1055从一块处理区域转移至另一块处理区域的机械手臂。该处理区域可以是基板盒、反应器、或加载锁定室。基板传送模块1060工作于实验室环境下。模块1060与基板装载机(或基板盒)1061接合，以将该基板1055送入该集成系统或将基板送回基板盒1061。

如上面工艺流程1090所述，在基板沉积完阻障层以对阻障表面进行预处理以进行非电性铜沉积之后，将基板1055送入集成系统1092。基板首先进行一个还原工艺，例如使用含氢的等离子体，如图10C的步骤1095所述。氢气还原反应器1074与真空传送模块1070耦合。在这个阶段，基板可以进行铜的非电性沉积了。铜的非电性电镀可以在一铜的非电性电镀反应器1081内完成以沉积一保形的种晶层。沉积完种晶层之后，铜的体量填充可以在沉积该保形的种晶层的同一个非电性沉积反应器1081中进行，但是利用不同的化学品来完成体量填充。或者，铜的体量填充可以在一个独立的ECP反应器1081’中进行。

基板离开集成系统1092前，可选地，基板可以进入一个表面清洁过程，去除前面铜沉积工艺的残留。例如，该基板清洗工艺可以是毛刷清洁工艺。基板清洁反应器1083可与可控环境传送模块1080集成。或者，基板清洁反应器1083可与实验室环境传送模块1060集成。

图11A显示了对阻障(或衬线(liner))层表面进行预先处理以便于进行铜的非电性沉积，以及对CMP后的铜表面进行预先处理以便于进行钴合金的非电性沉积的工艺流程的实施例。在步骤1101中，清洁接触栓(contactplug)的上表面124a以去除原生金属氧化物。金属氧化物可以通过Ar溅射工艺，等离子还原工艺，反应离子刻蚀，化学湿刻工艺等去除。在步骤1103中，沉积阻障层。在可选步骤1105中，阻障层利用氢等离子工艺进行处理以在Ta、TaN或Ru层上生成金属富集表面以为后续的铜种晶层沉积步骤提供催化表面。是否需要这一步取决于表面金属的含量。

然而，应当注意，阻障(或衬线)也可以在非集成的沉积系统例如ALD或PVD沉积反应器中单独处理。在这种情况下，为沉积铜种晶薄层而对表面进行的预处理可以不包括金属栓预清洗和阻障沉积步骤，这些步骤在图10A的步骤1001和1003以及图11A的步骤1101和1103中描述过。在这些情况下，上述工艺应当从步骤1005或1105开始。

然后，在步骤1107中，在阻障表面沉积一保形铜种晶层，然后在步骤1108中，进行厚铜填充(或体量填充)工艺。在一个实施例中，利用非电性工艺沉积该保形铜种晶层。厚铜体量填充工艺可以是非电性沉积(ELD)工艺或电化学电镀(ECP)工艺。非电性沉积工艺和电化学电镀工艺都是熟知的湿法工艺。为了将湿法工艺进程与上述的可控的传送与处理环境的系统集成，反应器应该与漂洗/干燥装置集成以使其能够干进/干出。而且，该系统内需要充满惰性气体以尽量减少基板与氧气的接触。最近出现了干进/干出的非电性铜工艺。而且，工艺使用的所有流体必须经过脱气处理，例如，通过商业上可得到的脱气系统将溶解的氧气去除。

在基板上完成沉积保形的铜种晶(步骤1107)以及通过非电性或电性电镀工艺完成厚铜填充(或体量填充)(步骤1108)之后，在步骤1109中，将电介质106上的阻障层130上的基板表面的铜层132去除，如图9D所示。然后去除阻障层。这两个去除工艺都在图11A的步骤1109中进行。去除阻障层上的表面上的铜可以通过CMP工艺完成，这是一种湿法工艺。可以用反应离子刻蚀来去除阻障层，例如CF4等离子工艺、O2/Ar溅射工艺、CMP工艺或湿法化学刻蚀工艺。这些阻障层刻蚀工艺前面都已经描述过了。

去除阻障层之后，利用清洁工艺去除Cu-BTA复合物和金属氧化物(步骤1110)和有机污染物(1111)以去除基板表面的污染物。金属CMP之后用这两步对基板表面进行清洁工艺的细节上面描述过了。

在步骤1112中，去除基板表面的污染物之后，利用还原等离子体(含氢的)来将所有残留的金属氧化物还原为金属。完成氢还原之后，铜表面变的清洁而且有催化性，可以进行钴合金的非电性沉积了。在步骤1113中，对基板进行漂洗和干燥以在基板上进行钴合金的非电性沉积。最后的工艺步骤1115是一可选的基板清洗步骤，以去除前面的钴合金沉积工艺中的任何残留的污染物。

图11B显示了在阻障表面预处理完毕后，在关键步骤尽量减少基板表面与氧气接触的集成系统1150的示意图。而且，因为是集成系统，基板从一个处理地点被迅速传送到下一个处理地点，可以限制基板表面与氧气的接触到一个较低的水平。集成系统1150可以用来在图11A所示的整个工艺流程序列1100中处理基板。

该集成系统1150有三个基板传送模块(或基板传送室)1160，1170，和1180。该传送模块1160，1170，和1180均装设有可以将基板1155从一块处理区域转移至另一块处理区域的机械手臂。该处理区域可以是基板盒、反应器、或加载锁定室(loadlock)。基板传送模块1160工作于实验室环境下。模块1160与基板装载机(或基板盒)1161接合，以将该基板1155送入该集成系统或将基板送回基板盒1161。

如上面图11A中的工艺流程1100所述，将基板1155送入集成系统1150以沉积阻障层，对阻障表面进行预处理以沉积铜层，对CMP后铜表面行预处理以进行钴合金的非电性沉积。如上面工艺流程1100的步骤1101所述，清洁接触栓(contactplug)125的上表面124a以去除原生金属氧化物。或者，金属栓表面的氧化物也可以使用还原等离子工艺去除，例如含氢的等离子工艺。去除金属栓表面的氧化物之后，应当防止图9A中的暴露的金属上表面124a与氧气接触。如果该去除工艺是Ar溅射工艺，那么反应器1171与该真空传送模块1170耦合。如果选用湿法化学刻蚀工艺，反应器应当与可控环境传送模块1180耦合，而不是与实验室环境传送模块1160耦合，以限制清洁的金属栓表面与氧气的接触。

然后，在基板上沉积金属阻障层，例如Ta，TaN，Ru或这些膜的组合，如图11A中的步骤1103所述。图9B中的阻障层130可以通过ALD工艺或PVD工艺沉积。在一个实施例中，ALD工艺工作于低于1托气压下。ALD反应器1173与真空传送模块1170耦合。在另一个实施例中，沉积工艺是利用超临界二氧化碳和有机金属前体形成金属阻障的高压工艺。在另一个实施例中，该沉积工艺是工作于低于1托气压下的物理气相沉积(PVD)工艺。基板可以进行一个可选的还原工艺，例如使用含氢的等离子体，如图11A的步骤1105所述。氢气还原反应器1174与真空传送模块1170耦合。在这个阶段，基板可以进行铜的非电性沉积了。铜的非电性电镀可以在一铜的非电性铜电镀反应器1181内完成以沉积保形的种晶层。沉积种晶层之后，铜的体量填充可以在沉积该保形的种晶层的同一个非电性沉积反应器1181中进行，但是利用不同的化学品来完成体量填充。或者，铜的体量填充可以在一个独立的ECP反应器1181’中进行。

然后，去除基板上的铜冗余和阻障冗余，如图11A的步骤1109所述。去除铜冗余和阻障冗余可以在一个CMP系统1183中完成，也可以在两个CMP系统中完成。在图11A所示的实施例中，仅仅使用了一个CMP系统1183。在完成铜冗余和阻障冗余的CMP去除之后，需要清洁基板表面以去除表面污染物。用湿法清洁系统1185去除铜BTA复合物和金属氧化物。用氧气等离子系统1177去除有机污染物。在一个实施例中，去除有机物的氧气等离子工艺可以在氢还原室1174中进行。

去除污染物后，对基板进行还原工艺，如图11A的步骤1112所述。氢还原工艺可以在与将阻障表面还原为富含Ta的同一个还原反应器1174中进行。氢还原处理完毕后，铜表面可以在反应器1187内进行钴合金的非电性沉积。

在基板离开集成系统1150之前，基板可以进行一个可选的表面清洁工艺，以清洁前面铜电镀工艺中的残留物。基板清洁工艺可以是一个毛刷清洁工艺，其反应器1163可以与实验室环境传送模块1160集成。

如图15B所述的与可控环境传送模块1180耦合的湿法工艺系统，都需要满足干进/干出的要求以进行系统集成。

实施例II：双嵌入布线序列

图12A显示了双嵌入布线后的布线结构的横截面示意图。该布线结构在基板1200上并有一氧化层100；该氧化层100是前面生成的，以在里面制造金属线101。该金属线一般是通过在氧化物100上刻蚀一沟槽然后在其中填入铜等导电金属做成的。

沟槽内有一阻障层120，以防止铜材料122扩散入氧化物100。阻障层120可以是由TaN、Ta、Ru或这几种膜的组合制成的。也可以使用其他的阻障层材料。在铜材料122上沉积阻障层102以在通孔刻蚀工艺中提供刻蚀终止，并作为电介质层和铜之间的扩散阻障。该阻障层102可以用氮化硅(SiN)或(SiC)或其他适合集成入双嵌入工艺流程的材料制成。

在阻障层102上沉积通孔电介质层104。通孔电介质层104可以是由二氧化硅等无机电介质材料，或优选低K电介质材料制成的。典型的电介质包括非掺杂TEOS二氧化硅，氟化硅玻璃(FSG)，有机硅酸盐玻璃(OSG)，多孔OSG，或商业上可得到的BlackDiamond(I)和BlackDiamond(II),Coral,Aurora等。沉积完通孔电介质层104之后，进行布图和刻蚀工艺以形成通孔洞114。用电介质阻障层，例如SiC或Si₃N₄，来保护铜表面122a。图12A显示了形成通孔洞114和沟槽116之后的双嵌入结构。通孔洞114下的电介质阻障层102已经去除掉了。

如图12B所示，在形成通孔洞114和沟槽116之后，沉积第一阻障层130I，第二阻障层130II和铜层132以填充通孔洞114’和沟槽116。第一阻障层130I和第二阻障层130II都是由TaN、Ta或Ru制成的。也可以使用其他的阻障层材料。在一个实施例中，第一阻障层130I是用ALD工艺沉积的TaN薄层，第二阻障层130II是用快速PVD工艺沉积的极薄的Ta层或利用ALD或PVD工艺沉积的Ru层。在一个实施例中，第一阻障层130I的厚度是在约10埃到约150埃之间；第二阻障层130II的厚度是约10埃到约50埃之间。ALD的TaN薄层提供了通孔114’和沟槽116上的阻障层的保形覆盖。PVD的Ta薄层或Ru薄层提供了与沉积到阻障层130I和130II上的铜层的良好的粘着性。通常，PVD沉积的阻障层没有良好的台阶覆盖(或者说该膜不是保形的)。因此，需要一个ALD阻障层以在通孔和沟槽内提供良好的阻障覆盖。在另一个实施例中，第一阻障层130I和第二阻障层130II是结合到一个单一层上的，可以通过ALD工艺或PVD工艺沉积。该单一层的材料可以是Ta，TaN，Ru或这些膜的组合。

进行完第一阻障层130I和第二阻障层130II的沉积之后，基板进行前述的表面修复步骤以确保阻障层表面是富含Ta的。然后沉积铜膜132，方法是用PVD沉积种晶131或非电性沉积种晶131，然后再用厚铜填充层填充通孔洞114和沟槽116。

在用铜膜132填充通孔洞114和沟槽116之后，将基板1200平坦化以去除电介质106表面的铜材料(或铜冗余)和阻障层(或阻障冗余)，如图12C所示。然后对基板进行前述的表面修复处理步骤以确保基板表面是清洁的而且铜的表面没有铜的氧化物。下一步是用钴合金等铜/SiC界面粘着促进层135覆盖铜表面140，如图12D所示。典型的钴合金包括CoWP，CoWB和CoWBP，都可以用非电性工艺选择性的沉积到铜上。粘着促进层的厚度可以像单分子层那么薄，也就是几埃，也可以比较厚，例如200埃。

图13A显示了对阻障(或衬线)层表面进行预处理以进行铜层的非电性沉积，以及对CMP后铜表面行预处理以进行钴合金的非电性沉积的工艺流程的具体实施例。在步骤1301中，清洁金属线101的上表面122a以去除原生的铜的氧化物。铜的氧化物可以通过Ar溅射或化学湿刻工艺去除。在步骤1302中，第一阻障层(图12B中的130I)用ALD系统沉积，在步骤1303中，第二阻障层(图12B中的130II)用PVD系统沉积。如上所述，防止阻障层与氧气的接触，对于确保铜层沉积到阻障层的时候，铜和阻障层之间有良好的粘着性是非常关键的。沉积完阻障层之后，应当在可控环境下进行基板的传送和处理以限制其与氧气的接触。在步骤1305中，用还原性等离子体(例如含氢的等离子体)处理阻障层以产生一富金属层，该富金属层可以为后续的铜种晶沉积步骤提供催化表面。该还原性等离子体处理是可选的，取决于表面的组成。

然后，在步骤1307中，在阻障表面沉积保形的铜种晶，然后在步骤1308中，进行厚铜填充(或体量填充)工艺。保形的铜种晶层可以通过非电性工艺进行沉积。厚铜体量填充(或间隙填充)可以通过ECP工艺进行沉积。或者，厚铜填充层也可以在沉积该保形种晶层的同一个非电性系统中进行沉积，但是使用的是不同的化学品。

在步骤1307(沉积保形的铜种晶层)和步骤1308(通过非电性电镀或电性电镀进行的厚铜体量填充工艺)完成之后，在步骤1309中，去除电介质106上的阻障层130上的基板表面的铜层132，如图12C所示。然后去除阻障层。这两个去除工艺都是在图13A的步骤1309中完成的。去除阻障层上表面的铜可以用CMP工艺完成，这是一种湿法工艺。阻障层可以通过CF4等离子工艺、O2/Ar溅射工艺、CMP工艺或化学湿刻工艺完成。这些阻障层刻蚀工艺前面已经描述过了。

去除阻障层之后，利用清洁工艺去除Cu-BTA复合物和金属氧化物(步骤1310)和有机污染物(1311)以去除基板表面的污染物。金属CMP之后用这两步对基板表面进行清洁工艺的细节上面描述过了。

在步骤1312中，去除基板表面的污染物之后，利用还原等离子工艺，例如含氢等离子工艺，来将所有残留的金属氧化物还原为金属。完成氢还原之后，铜表面变得清洁而且有催化性，可以进行钴合金的非电性沉积了。在步骤1313中，对基板进行漂洗和干燥以在基板上进行钴合金的非电性沉积。最后的工艺步骤1315是一可选的基板清洗步骤，以去除前面的钴合金沉积工艺中的任何残留的污染物。

图13B显示了在阻障和铜表面预处理完毕后，在关键的步骤尽量减少基板表面与氧气接触的集成系统1350的示意图。。而且，因为是集成系统，基板从一个处理地点被迅速传送到下一个处理地点，可以限制基板表面与氧气的接触到一个较低的水平。集成系统1350可以用来在图13A所示的整个工艺流程序列1300中处理基板。

该集成系统1350有三个基板传送模块(或基板传送室)1360，1370，和1380。该传送模块1360，1370，和1380均装设有可以将基板1355从一块处理区域转移至另一块处理区域的机械手臂。该处理区域可以是基板盒、反应器、或加载锁定室(loadlock)。基板传送模块1360工作于实验室环境下。模块1360与基板装载机(或基板盒)1361接合，以将该基板1355送入该集成系统或将基板送回基板盒1361。

如上面图13A中的工艺流程1300所述，将基板1355送入集成系统1350以沉积阻障层，对阻障表面进行预处理以沉积铜层，对CMP后铜表面行预处理以进行钴合金的非电性沉积。如上面工艺流程1300的步骤1301所述，对金属线的铜质上表面122a进行刻蚀以去除原生的铜的氧化物。去除铜的氧化物之后，需要保护图12A中的钨的暴露表面122a，以避免与氧气接触。如果该去除工艺是Ar溅射工艺，那么反应器1371与该真空传送模块1370耦合。如果选用化学刻蚀工艺，反应器应当与可控环境传送模块1380耦合，而不是与实验室环境传送模块1360耦合，以限制钨表面与氧气的接触。

然后，在基板上沉积该第一及第二阻障层。图12B的该第一阻障层130I是用ALD工艺沉积的，该工艺是一干法工艺，工作于低于1托气压下。ALD反应器1372与该真空传送模块1370耦合。图12B的该第二阻障层130II是用PVD或ALD工艺沉积的，该工艺是干法工艺，工作于低于1托气压下。PVD反应器1373和该真空传送模块1370耦合。基板进行一个可选的氢还原工艺以保证阻障层表面是富金属的以进行铜的非电性沉积。铜的非电性电镀可在铜的非电性电镀反应器1381内进行，以沉积保形的铜种晶层，如图13A的步骤1307所述。如上所述，在图13A的步骤1308中沉积铜填充层可以在同一个非电性电镀反应器1381中进行，但是利用不同的化学品，或在一个独立的ECP反应器1381'中进行。

然后，如图13A的步骤1309所述，去除基板上的铜冗余和阻障冗余。去除铜冗余和阻障冗余可以在一个CMP系统1383中完成，也可以在两个CMP系统中完成。在图13A所示的实施例中，仅仅使用了一个CMP系统1383。在完成铜冗余和阻障冗余的CMP去除之后，需要清洁基板表面以去除表面污染物。用湿法清洁系统1385去除铜BTA复合物和金属氧化物。用氧气等离子系统1377去除有机污染物。在一个实施例中，去除有机物的氧气等离子工艺可以在氢还原室1374中进行。

去除污染物后，对基板进行还原工艺，如图13A的步骤1312所述。氢还原工艺可以与将阻障表面还原为富含Ta在同一个还原室1374中进行。氢还原处理完毕后，铜表面可以在反应器1387内进行钴合金的非电性沉积。

在基板离开集成系统1350之前，基板可以进行一个可选的表面清洁工艺，以清洁前面铜电镀工艺中的残留物。基板清洁工艺可以是一个毛刷清洁工艺，其反应器1163可以与实验室环境传送模块1360集成。

如图13B所述的与可控环境传送模块1380耦合的湿法工艺系统，都需要满足干进/干出的要求以进行系统集成。

上述装置和方法用于对金属表面进行预先处理以进行后续的金属沉积从而提升金属-金属间粘着性和电迁移性能。该发明思想也适用于对硅表面进行预先处理以进行后续的选择性的金属层沉积。

3.硅表面进行预先处理以进行后续的选择性无电金属沉积以形成金属硅化物

上面描述的工艺过程用来提高触点、通孔和金属布线等铜布线的电迁移性能，金属电阻率，甚至产率。以前在集成电路生产过程中，把另一种金属沉积在硅或多晶硅表面以在器件的源极/漏极/栅极，电阻，结构的接地区域(例如电阻接地区域)，门区域，电容区域或电感区域形成硅金属层，以降低接触阻抗并提供良好的欧姆接触。图14A显示了硅基板110上的栅极结构127的横截面，该栅极结构127包括栅极薄氧化层121，多晶硅层105和氮化物垫片107。用浅沟绝缘层(STI)65来分隔活性装置。在栅极结构的两面是源极区域61和漏极区域63。在源极区域61，有暴露的硅表面62。在漏极区域63，有暴露的硅表面64。在多晶硅层105上，有暴露的多晶硅109。形成金属硅化物以降低薄层电阻。

为了形成金属硅化物，金属111，例如镍(Ni)，钛(Ti)或钴(Co)，首先被沉积到硅表面，如图14B所示。现在，金属111是用PVD工艺沉积到基板表面上的，而不是选择性地沉积到硅或电介质区域的。然后让金属退火以在金属与硅或多晶硅接触的基板区域形成金属硅合金(硅化物)。电介质层上不形成硅化物。没有反应的金属相对于硅化物被选择性的去除，包括电介质区域内的金属和硅化区域上残留的未反应的金属。或者也可以用非电性金属沉积来取代现在的Co或Ni沉积工艺。优点是金属硅化物层可以更厚而且提供更好的刻蚀阻挡特性并能允许金属-金属间触点的形成。为了能够进行非电性金属沉积，需要清洁硅表面，去除原生的硅的氧化物。将金属111选择性地沉积到硅表面62、64之后，对基板进行高温热处理，例如约800℃到约900℃，以形成金属硅化物113，如图14C所示。形成的金属硅化物113使得触点125可以与漏极区域61电性连通，如图14D所示。

如上所述，在进行金属的非电性沉积之前，对表面进行预处理需要在可控环境下进行以保证形成非电性沉积的表面不与氧气接触。图15A显示了生成金属硅化物的工艺流程1500的一个具体实施例。在步骤1501中，从所有的电介质表面去除金属污染物；这可以通过已知的方法和化学品完成。步骤1501是一个可选的步骤，仅仅在需要关注表面的金属污染物的时候需要。然后在步骤1502中，去除基板表面的有机污染物。如上所述，可以通过若干种湿法或干法工艺去除有机污染物。然后，在步骤1503中，还原硅表面以将原生的硅的氧化物还原为硅。原生的硅的氧化是一个自我限制的过程；因此，氧化层非常薄，在还原工艺前不需要去除氧化物的步骤。如上所述，该还原工艺可以是氢等离子工艺。

表面还原之后，硅的表面就可以进行金属的非电性沉积了。在步骤1505中，将Ni，Ti或Co等金属选择性地沉积到暴露的硅(包括多晶硅)表面。该选择性地金属沉积可以通过非电性工艺完成。在完成金属的非电性沉积之后，基板进行一个可选的用已知的方法和化学品完成的基板清洁步骤1507。然后，在步骤1509中，基板进行高温处理(或退火)以形成金属硅化物。

图15B显示了集成系统1550的具体实施例。该集成系统1550包括实验室环境传送模块1560，真空传送模块1950和可控环境传送模块1580。实验室环境传送模块1560和装有基板1555的基板盒1561耦合。在一个实施例中，金属污染物是用湿法清洁工艺去除的，例如上面描述过的去除金属污染物的湿法清洁工艺的一种。湿法清洁工艺可在室1565中进行，室1565与实验室环境传送模块1560耦合。因为这一步是可选的，所以图15B中的室1565用点画线表示。去除金属污染物后，去除有机污染物。在一个实施例中，有机污染物使用含氧的等离子工艺去除的，例如氧气，水或臭氧等离子；该工艺是在反应器1571中进行的，反应器1571与该真空传送模块1570耦合，因为氧气等离子工艺是一种低压干法工艺，所以工作于低于1托气压下。

然后，工艺流程1500的步骤1503的硅表面的还原可在反应器1573中进行。然后将基板传送至下一个系统进行金属沉积以在非电性反应器1581中形成金属硅化物(或硅化金属)。基板从反应器1573中经过真空传送模块1570，加载锁定室1575，和可控环境传送模块1580，最终进入反应器1581进行处理。该非电性金属沉积反应器1581装备有漂洗/干燥系统。金属沉积完后，基板可在湿法清洁室内进行一个可选的基板清洁步骤，如图15A中的工艺步骤1507所述。完成非电性沉积之后，将基板送入热反应器1576，例如快速热处理(RTP)反应器，以形成金属硅化物。

上述系统使得需要低压干法工艺、高压工艺、湿法工艺混合的基板处理过程可以集成到一起以在关键的工艺步骤限制与氧气的接触。图16显示了系统如何集成的示意图。实验室环境传送模块可与基板盒、湿法工艺和不需要限制与氧气接触的干法工艺(或非可控环境)集成。真空传送模块可与低压干法工艺集成。真空传送模块工作于真空环境下，例如低于1托气压；因此，与氧气的接触是有限而且可控的。加载锁定室I使得能够在实验室环境传送模块和真空传送模块间传送基板。可控环境传送模块可与湿法工艺，近大气压工艺和高压工艺集成。“高压”这个词用来与低压相区别。高压工艺指的是比大气压高的工艺，例如前述的超临界二氧化碳工艺。在一个实施例中，在高压工艺室和可控环境传送模块之间有加载锁定室(图中没有显示)以在传送模块和工艺室之间有效率的传送基板。加载锁定室II负责在真空传送模块和可控环境传送模块间传送基板。可控环境的传送模块和与之相连的反应器内部充满惰性气体，以限制与氧气的接触。加载锁定室II内部也可以充满惰性气体以与可控环境传送模块交换基板。

尽管用上面几个实施例来描述本发明，显然对于本领域的技术人员来说，通过阅读前面的说明和研究附图，可以对本发明进行各种变形、扩展、置换和等同替换。因此，本发明包括所有落入本发明真实思想和范围的各种变形、扩展、置换和等同替换。在权利要求中，除非明确说明外，各元素和/或步骤并不代表其特定的操作顺序。

Claims (15)

1.一种在集成系统中，对基板表面做预先处理，以沉积金属阻障层来填充基板上的铜布线结构，并在该金属阻障层上沉积铜种晶薄层，从而提升该铜布线的电子迁移性的方法，其特征在于，该方法包含：

在该集成系统中，清洁底层金属的暴露表面以去除表面金属氧化物，其中该底层金属是电性连接于该铜布线的底层布线的一部分；

在该集成系统中，沉积该金属阻障层以填充该铜布线结构，其中在沉积完该金属阻障层之后，在可控环境中传送和处理该基板以避免金属阻障氧化物的形成，其中所述可控环境中充满惰性气体以限制该基板暴露于氧气中从而避免金属阻障氧化物的形成；

在该集成系统中，沉积该铜种晶薄层；及

在该集成系统中，在该铜种晶薄层上沉积铜填充层。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包含：

在该集成系统中，还原该金属阻障层的表面以将该金属阻障层表面的金属阻障氧化物转化，从而使得该金属阻障层表面金属富集，其中还原该金属阻障层表面是在清洁该底层金属的暴露表面之后进行的。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中该铜布线包括覆盖通孔的金属布线，且该底层布线包括金属布线。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中清洁该表面金属氧化物的暴露表面是通过使用Ar溅射工艺或使用含氟气体的等离子工艺之一完成的。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中沉积该金属阻障层还包含：

沉积第一金属阻障层；及

沉积第二金属阻障层。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中该基板是在可控环境中进行传送和处理的以防止金属阻障氧化物的形成，并使得可以选择性地沉积该铜种晶薄层以提升铜布线的电迁移性能。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中该基板是在该集成系统中被传送和处理的，以限制基板与氧气接触的时间。

8.一种在集成系统中，对基板的金属阻障表面做预先处理，以在铜布线结构的金属阻障层表面沉积铜种晶薄层，从而提升该铜布线结构的电迁移性能的方法，其特征在于，该方法包含：

在该集成系统中，还原该金属阻障层的表面以转化该金属阻障层表面的金属阻障氧化物，以使得该金属阻障层的表面金属富集，其中在还原完该金属阻障层的表面之后，在可控环境中传送和处理该基板，其中所述可控环境中充满一种或多种惰性气体限制基板暴露于氧气中从而避免金属阻障氧化物的形成；

在该集成系统中，沉积该铜种晶薄层；及

在该集成系统中，在该铜种晶薄层上沉积以铜填充层。

9.一种在可控环境下处理基板，从而使得可以在铜布线的金属阻障层表面沉积铜种晶薄层的集成系统，其特征在于，该集成系统包含：

实验室环境传送室，能够将基板从与该实验室环境传送室耦合的基板盒内传送入该集成系统；

真空传送室，工作于低于1托气压的真空下，其中有至少一个真空处理模块与该真空传送室耦合；

真空处理模块，在该集成系统中，用以清洁底层金属的金属氧化物的暴露表面，其中该底层金属是底层布线的一部分，该铜布线与该底层布线电性连接，其中该用于清洁的真空处理模块是该至少一个与该真空传送室耦合的真空处理模块中的一个，并工作于低于1托气压的真空下；

真空处理模块，用以沉积该金属阻障层，其中该用于沉积该金属阻障层的真空处理模块是该至少一个与该真空传送室耦合的真空处理模块中的一个，并工作于低于1托气压的真空下；

可控环境传送室，充满从一组惰性气体中选出的惰性气体以限制基板暴露于氧气中从而避免金属阻障氧化物的形成，其中有至少一个可控环境处理模块与该可控环境传送室耦合；及

铜的非电性沉积工艺模块，用以在金属阻障层表面沉积该铜种晶薄层，其中该铜的非电性沉积工艺模块是该至少一个与该可控环境传送室耦合的可控环境处理模块中的一个。

10.根据权利要求9所述的集成系统，其特征在于，还包含：

含氢还原工艺模块，用以还原该金属阻障表面的金属氧化物或金属氮化物，其中该含氢还原工艺模块与该真空传送室耦合，该含氢还原工艺模块工作于低于1托气压的真空下。

11.根据权利要求9所述的集成系统，其特征在于，还包含：

第一加载锁定室，与该真空传送室和该可控环境传送室耦合，其中该第一加载锁定室协助基板在该真空传送室与该可控环境传送室间传送，该第一加载锁定室被配置为工作于低于1托气压的真空下，或充满从一组惰性气体中选出的惰性气体；及

第二加载锁定室，与该真空传送室和该实验室环境传送室耦合，其中该第二加载锁定室协助基板在该真空传送室与该实验室环境传送室间传送，该第二加载锁定室被配置为工作于低于1托气压的真空下或实验环境下，或充满从一组惰性气体中选出的惰性气体。

12.根据权利要求9所述的集成系统，其特征在于，其中该真空传送室与至少一个与该真空传送室耦合的真空处理模块工作于低于1托气压下，以控制基板与氧气的接触。

13.根据权利要求9所述的集成系统，其特征在于，其中该可控环境传送室和该至少一个与该可控环境传送室耦合的处理模块均充满一种或多种从一组惰性气体中选出的惰性气体以控制基板与氧气的接触。

14.根据权利要求9所述的集成系统，其特征在于，其中该至少一个与该可控环境传送室耦合的处理模块使基板能进行干进/干出处理，其中该基板以干的状态送入及送出该至少一个处理模块。

15.一种在可控环境下处理基板，从而使得可以在铜布线的金属阻障层表面沉积铜种晶薄层的集成系统，其特征在于，该集成系统包含：

实验室环境传送室，能够将基板从与该实验室环境传送室耦合的基板盒内传送入该集成系统；

真空传送室，工作于低于1托气压的真空下，其中有至少一个真空处理模块与该真空传送室耦合；

真空处理模块，用以还原该金属阻障层，其中该用来还原该金属阻障层的该真空处理模块是该至少一个与该真空传送室耦合的真空处理模块中的一个，并工作于低于1托气压的真空下；

可控环境传送室，内部充满从一组惰性气体中选出的惰性气体以限制基板暴露于氧气中从而避免金属阻障氧化物的形成，其中有至少一个可控环境处理模块与该可控环境传送室耦合；及铜的非电性沉积工艺模块，用以在金属阻障层表面沉积该铜种晶薄层，其中该铜的非电性沉积工艺模块是该至少一个与该可控环境传送室耦合的可控环境处理模块中的一个。