CN104157603B - 一种增强金属铜与ndc界面结合强度的方法 - Google Patents

一种增强金属铜与ndc界面结合强度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种增强金属铜与NDC界面结合强度的方法，至少包括以下步骤：1）于低k介质层中形成通孔结构，于所述通孔结构填充金属铜；2）于所述低k介质层及金属铜表面形成C9H27NSi3薄层；3）通入C9H27NSi3气体及He并进行等离子体处理，使所述C9H27NSi3薄层及C9H27NSi3气体与He反应，于所述低k介质层及金属铜表面形成富Si的SiCN层；4）对所述富Si的SiCN层进行N等离子体处理，使所述富Si的SiCN层中的Si与N反应，形成富SiN的SiCN层；5）于所述富SiN的SiCN层表面形成NDC层。本发明采用C9H27NSi3与He反应形成富Si的SiCN层，然后通过N等离子体处理形成富SiN的SiCN层，可以有效增强金属铜与NDC界面结合，并不会与金属铜反应形成合金，有效提高了器件的性能。本发明工艺步骤简单，适用于工业生产。

Description

一种增强金属铜与NDC界面结合强度的方法
技术领域
本发明涉及一种半导体器件的金属互连工艺，特别是涉及一种增强金属铜与NDC界面结合强度的方法。
背景技术
随着科学技术的突飞猛进,半导体制造技术面临曰新月异的变化，其中12英寸、90纳米技术和铜工艺被称为引导半导体发展趋势的三大浪潮。传统的半导体工艺是主要采用铝作为金属互联材料(Interconnect)，在信号延时(signal delay)上已经受到限制。人们寻找到了新的材料来满足对电阻的要求，这种材料就是铜。简单地说，铜工艺就是指以铜作为金属互联材料的一系列半导体制造工艺。将铜工艺融入集成电路制造工艺可以提高芯片的集成度，提高器件密度，提高时钟频率以及降低消耗的能量。
铜作为互连线的材料具有低电阻率和较好的抗电迁移能力等优点，因而被广泛应用于集成电路器件结构的互连线工艺中。
随着器件集成度的提高，目前的逻辑电路金属互连中需要超过11层的金属铜层，各个金属铜层之间通常采用低k介质材料作为间隔层，一般的低k材料的机械强度较低，而且与金属铜的结合能力较差，因此通常低k介质材料及金属铜之间会产生分层现象，这会大大影响器件的稳定性，甚至使器件失效。
现有的之中解决上述问题的方法是，在金属铜表面通过SiH4于NH3以下反应形成SiN薄层，然后于SiN薄层表面沉积氮掺杂的碳化硅NDC层，如此做法可以增强金属铜于NDC层的结合，避免分层现象的发生。但是，由于反应过程中，SiH4非常容易与金属铜反应生成合金，从而导致最终器件性能下降。
因此，提供一种能够增强金属铜与NDC界面结合，且不会导致器件性能下降的方法实属必要。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种增强金属铜与NDC界面结合强度的方法，用于解决现有技术中金属铜与NDC界面结合强度太差导致分层现象或者由于SiH4与金属铜形成合金导致器件性能下降的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种增强金属铜与NDC界面结合强度的方 法，至少包括以下步骤：
1）于低k介质层中形成通孔结构，于所述通孔结构填充金属铜；
2）于所述低k介质层及金属铜表面形成C9H27NSi3薄层；
3）通入C9H27NSi3气体及He并进行等离子体处理，使所述C9H27NSi3薄层及C9H27NSi3气体与He反应，于所述低k介质层及金属铜表面形成富Si的SiCN层；
4）对所述富Si的SiCN层进行N等离子体处理，使所述富Si的SiCN层中的Si与N反应，形成富SiN的SiCN层；
5）于所述富SiN的SiCN层表面形成NDC层。
作为本发明的增强金属铜与NDC界面结合强度的方法的一种优选方案，步骤1）至少包括于所述通孔结构内及低k介质层表面沉积金属铜，并采用CMP工艺进行抛光直至露出所述低k介质层的步骤。
作为本发明的增强金属铜与NDC界面结合强度的方法的一种优选方案，所述通孔结构包括大马士革结构及圆柱状通孔结构的一种或两种。
作为本发明的增强金属铜与NDC界面结合强度的方法的一种优选方案，步骤2）采用气体吸附的方式于所述金属铜表面形成C9H27NSi3薄层。
作为本发明的增强金属铜与NDC界面结合强度的方法的一种优选方案，吸附过程中，采用的气压为0.1～7torr，温度为10～400℃，C9H27NSi3的流量为100～2000sccm，吸附时间不小于1s。
作为本发明的增强金属铜与NDC界面结合强度的方法的一种优选方案，步骤3）中，等离子体处理所采用的功率为100～2000w，气压为0.1～7torr，温度为50～400℃，He的流量为100～2000sccm，C9H27NSi3的流量为100～2000sccm。
作为本发明的增强金属铜与NDC界面结合强度的方法的一种优选方案，步骤4）中，N等离子体处理所采用的反应气体为NH3。
如上所述，本发明提供一种增强金属铜与NDC界面结合强度的方法，至少包括以下步骤：1）于低k介质层中形成通孔结构，于所述通孔结构填充金属铜；2）于所述低k介质层及金属铜表面形成C9H27NSi3薄层；3）通入C9H27NSi3气体及He并进行等离子体处理，使所述C9H27NSi3薄层及C9H27NSi3气体与He反应，于所述低k介质层及金属铜表面形成富Si的SiCN层；4）对所述富Si的SiCN层进行N等离子体处理，使所述富Si的SiCN层中的Si与N反应，形成富SiN的SiCN层；5）于所述富SiN的SiCN层表面形成NDC层。本发明采用C9H27NSi3与He反应形成富Si的SiCN层，然后通过N等离子体处理形成富SiN的SiCN层，可以有效增强金属铜与NDC界面结合，并不会与金属铜反应形成合金，有效提高了器件的性能。本 发明工艺步骤简单，适用于工业生产。
附图说明
图1～图4显示为本发明的增强金属铜与NDC界面结合强度的方法步骤1）所呈现的结构示意图。
图5～图6显示为本发明的增强金属铜与NDC界面结合强度的方法步骤2）所呈现的结构示意图。
图7～图8显示为本发明的增强金属铜与NDC界面结合强度的方法步骤3）所呈现的结构示意图。
图9～图10显示为本发明的增强金属铜与NDC界面结合强度的方法步骤4）所呈现的结构示意图。
图11显示为本发明的增强金属铜与NDC界面结合强度的方法步骤5）所呈现的结构示意图。
元件标号说明
101 低k介质层
102 通孔结构
103 金属铜
104 C9H27NSi3薄层
105 富Si的SiCN层
106 富SiN的SiCN层
107 NDC层
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1～图11所示。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件 布局型态也可能更为复杂。
如图1～图11所示，本实施例提供一种增强金属铜与NDC界面结合强度的方法，至少包括以下步骤：
如图1～图4所示，首先进行步骤1），于低k介质层101中形成通孔结构102，于所述通孔结构102填充金属铜103。
作为示例，所述通孔结构102包括大马士革结构及圆柱状通孔结构的一种或两种。
具体地，本步骤包括以下步骤：
1-1）采用光刻工艺于所述k介质层中形成一个大马士革结构及一个圆柱状通孔结构，如图1～图2所示；
1-2）于所述大马士革结构及圆柱状通孔结构内及所述低k介质层101表面沉积金属铜103，至少直至填满所述大马士革结构及圆柱状通孔结构，如图3所示；
1-3）采用CMP工艺进行抛光，直至露出所述低k介质层101，获得平整的金属铜103表面，如图4所示。
如图5～图6所示，然后进行步骤2），于所述低k介质层101及金属铜103表面形成C9H27NSi3薄层104。
需要说明的是，本实施例采用的九甲基三硅氮烷C9H27NSi3的熔点为70～76℃，相对密度为0.801g/cm3，常温下为固体，熔点70～71℃，沸点76℃(1.6kPa)，97～98℃(3.47kPa)。
作为示例，采用气体吸附的方式于所述金属铜103表面形成C9H27NSi3薄层104。
具体地，先通过热蒸发的方式使C9H27NSi3形成气体，然后将C9H27NSi3气体通入到用于进行等离子体沉积工艺的设备中，使所述金属铜103及低k介质层101表面吸附一层C9H27NSi3薄层104。
作为示例，吸附过程中，采用的气压为0.1～7torr，温度为10～400℃，C9H27NSi3的流量为100～2000sccm，吸附时间不小于1s。
在一具体的实施过程中，采用的气压为2torr，温度为100℃，C9H27NSi3的流量为1000sccm，吸附时间为20s。
如图7～图8所示，接着进行步骤3），通入C9H27NSi3气体及He并进行等离子体处理，使所述C9H27NSi3薄层104及C9H27NSi3气体与He反应，于所述低k介质层101及金属铜103表面形成富Si的SiCN层105。
作为示例，等离子体处理所采用的功率为100～2000w，气压为0.1～7torr，温度为50～400℃，He的流量为100～2000sccm，C9H27NSi3的流量为100～2000sccm。
在一具体的实施过程中，等离子体处理所采用的功率为1000w，气压为2torr，温度为200 ℃，He的流量为1000sccm，C9H27NSi3的流量为1000sccm。
如图9～图10所示，然后进行步骤4），对所述富Si的SiCN层105进行N等离子体处理，使所述富Si的SiCN层105中的Si与N反应，形成富SiN的SiCN层106。
作为示例，N等离子体处理所采用的反应气体为NH3。进行N等离子体处理后，所述富Si的SiCN层105中的Si与N反应形成SiN，可以增强后续工艺中金属铜103与NDC层107之间的结合强度，并避免了后续工艺中或后续器件使用中Si的扩散到金属铜103中而导致器件性能下降的问题。
如图11所示，最后进行步骤5），于所述富SiN的SiCN层106表面形成NDC层107。
由于增加了富SiN的SiCN层106，可以大大增强金属铜103与NDC层107之间的结合强度，避免分层现象的发生，提高了器件性能及器件的稳定性。
综上所述，本发明提供一种增强金属铜与NDC界面结合强度的方法，至少包括以下步骤：1）于低k介质层101中形成通孔结构102，于所述通孔结构102填充金属铜103；2）于所述低k介质层101及金属铜103表面形成C9H27NSi3薄层104；3）通入C9H27NSi3气体及He并进行等离子体处理，使所述C9H27NSi3薄层104及C9H27NSi3气体与He反应，于所述低k介质层101及金属铜103表面形成富Si的SiCN层105；4）对所述富Si的SiCN层105进行N等离子体处理，使所述富Si的SiCN层105中的Si与N反应，形成富SiN的SiCN层106；5）于所述富SiN的SiCN层106表面形成NDC层107。本发明采用C9H27NSi3与He反应形成富Si的SiCN层105，然后通过N等离子体处理形成富SiN的SiCN层106，可以有效增强金属铜103与NDC界面结合，并不会与金属铜103反应形成合金，有效提高了器件的性能。本发明工艺步骤简单，适用于工业生产。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种增强金属铜与NDC界面结合强度的方法，所述NDC为氮掺杂的碳化硅，其特征在于，至少包括以下步骤：
1)于低k介质层中形成通孔结构，于所述通孔结构填充金属铜；
2)于所述低k介质层及金属铜表面形成C9H27NSi3薄层；
3)通入C9H27NSi3气体及He并进行等离子体处理，使所述C9H27NSi3薄层及C9H27NSi3气体与He反应，于所述低k介质层及金属铜表面形成富Si的SiCN层；
4)对所述富Si的SiCN层进行N等离子体处理，使所述富Si的SiCN层中的Si与N反应，形成富SiN的SiCN层；
5)于所述富SiN的SiCN层表面形成NDC层。
2.根据权利要求1所述的增强金属铜与NDC界面结合强度的方法，其特征在于：步骤1)至少包括于所述通孔结构内及低k介质层表面沉积金属铜，并采用CMP工艺进行抛光直至露出所述低k介质层的步骤。
3.根据权利要求1所述的增强金属铜与NDC界面结合强度的方法，其特征在于：所述通孔结构包括大马士革结构及圆柱状通孔结构的一种或两种。
4.根据权利要求1所述的增强金属铜与NDC界面结合强度的方法，其特征在于：步骤2)采用气体吸附的方式于所述金属铜表面形成C9H27NSi3薄层。
5.根据权利要求4所述的增强金属铜与NDC界面结合强度的方法，其特征在于：吸附过程中，采用的气压为0.1～7torr，温度为10～400℃，C9H27NSi3的流量为100～2000sccm，吸附时间不小于1s。
6.根据权利要求1所述的增强金属铜与NDC界面结合强度的方法，其特征在于：步骤3)中，等离子体处理所采用的功率为100～2000w，气压为0.1～7torr，温度为50～400℃，He的流量为100～2000sccm，C9H27NSi3的流量为100～2000sccm。
7.根据权利要求1所述的增强金属铜与NDC界面结合强度的方法，其特征在于：步骤4)中，N等离子体处理所采用的反应气体为NH3。
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