CN115769364A - 金属氧化物扩散阻挡物 - Google Patents

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李·J·布罗根
帕特里克·范克利蒙布特
马修·马丁·休伊
基莱·乔丹·布莱克内
刘艺华
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Lam Research Corp
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Abstract

本文中的多种实施方案涉及在衬底上形成互连件结构或其部分的方法、装置和系统。在一示例中，所述方法包括在处理室中接收所述衬底，所述衬底具有电介质材料，所述电介质材料被暴露于凹陷特征内，而凹陷特征形成在所述电介质材料中；将所述衬底暴露于等离子体，以修改所述电介质材料的顶表面；在所述电介质材料的所述经修改的顶表面上形成金属氧化物阻挡物层，其中所述金属氧化物阻挡物层通过原子层沉积和/或化学气相沉积而形成。在某些实现方案中，可采取一个或更多额外步骤以改善处理结果，例如促进相关层的成核性和/或粘附性。

Description

金属氧化物扩散阻挡物
通过引用并入
PCT申请表作为本申请的一部分与本说明书同时提交。如在同时提交的PCT申请表中所标识的本申请要求享有其权益或优先权的每个申请均通过引用全文并入本文且用于所有目的。
背景技术
随着半导体设备的尺寸持续缩小，制造这些设备变得更加困难。在许多情况下，现有工艺不能形成可容忍公差内的所期望的材料和结构。
这里提供的背景描述是为了总体呈现本公开的背景的目的。当前指定的发明人的工作在其在此背景技术部分以及在提交申请时不能确定为现有技术的说明书的各方面中描述的范围内既不明确也不暗示地承认是针对本公开的现有技术。
发明内容
本文中的多种实施方案涉及在衬底上形成互连件结构或其部分的方法、装置及系统。所述衬底例如可为半导体晶片。在所公开实施方案的一个方面，提供一种在衬底上形成互连件结构或所述互连件结构的一部分的方法，所述方法包括：(a)在处理室中接收所述衬底，所述衬底包括电介质材料，在所述电介质材料中形成有凹陷特征，其中所述互连件结构待形成于所述凹陷特征中，其中所述电介质材料被暴露于所述凹陷特征内；(b)将所述衬底暴露于等离子体，以使所述电介质材料的顶表面改性；以及(c)在(b)之后，在所述电介质材料的经改性的所述顶表面上形成金属氧化物阻挡物层，其中所述金属氧化物阻挡物层至少部分地通过原子层沉积和/或化学气相沉积而形成。
在一些实施方案中，于(b)中将所述衬底暴露于等离子体使所述电介质材料的所述顶表面粗糙化。在这些或其他实施方案中，于(b)中将所述衬底暴露于等离子体促进(c)中的所述金属氧化物阻挡物层的成核性，并且改善所述电介质材料与所述金属氧化物阻挡物层之间的粘附性。在这些或其他情况下，于(b)中将所述衬底暴露于等离子体包括将所述衬底暴露于由工艺气体产生的等离子体，所述工艺气体选自于由下列项所构成的群组：H2、O2、NH3、CO2、N2O、N2及其组合。
所述金属氧化物阻挡物层可包括各种不同金属，例如锰和/或任何3-14族金属。在一些实施方案中，所述金属氧化物阻挡物层包括从由下列所构成的群组中选择的材料：铝氧化物、铜氧化物、铟氧化物、镁氧化物、锰氧化物、钌氧化物、锡氧化物、钛氧化物、钨氧化物、锌氧化物及其组合。在一示例中，所述金属氧化物阻挡物层包括锌氧化物。在另一示例中，所述金属氧化物阻挡物层包括锡氧化物。
可通过各种不同类型的反应机制形成所述金属氧化物阻挡物层。在一些实施方案中，所述金属氧化物阻挡物层通过热原子层沉积或等离子体增强原子层沉积形成。在一些实施方案中，所述金属氧化物阻挡物层通过热化学气相沉积或等离子体增强化学气相沉积形成。在一些实施方案中，形成所述金属氧化物阻挡物层包括(i)通过热原子层沉积或热化学气相沉积形成所述金属氧化物阻挡物层的第一部分，以及(ii)通过等离子体增强原子层沉积或等离子体增强化学气相沉积形成所述金属氧化物阻挡物层的第二部分，其中所述金属氧化物阻挡物层的所述第一部分是在所述金属氧化物阻挡物层的所述第二部分之前形成。
可使用多种不同的含金属反应物形成所述金属氧化物阻挡物层。在一些实施方案中，使用从由下列项所构成的群组中选择的含金属反应物而形成所述金属氧化物阻挡物层：含镁反应物、含钛反应物、含钼反应物、含钨反应物、含钌反应物、含钴反应物、含铜反应物、含锌反应物、含铝反应物、含铟反应物、含锡反应物、含锰反应物及其组合。在多种实施方案中，所述含金属反应物选自于由下列项所构成的群组：双(1,4-二-叔丁基-二氮杂二烯)镁、双(乙基环戊二烯基)镁、四(二甲基酰胺基)钛、二氯二氧化钼、六氯化钨、十二羰基三钌、八羰基二钴、双(二甲基氨基-2-丙氧基)铜、双(二甲基氨基乙氧基)铜、双(二乙基氨基-2-丙氧基)铜、双(乙基甲基氨基-2-丙氧基)铜、双(二甲基氨基-2-甲基-2-丁氧基)铜、双(N,N’-二-仲丁基乙脒基)二铜、二甲基锌、二乙基锌、二烯丙基锌、双(2-甲基烯丙基)锌、三甲基铝、三甲基铟、四(二甲基氨基)锡、氯化锡(IV)、氯化锡(IV)、溴化锡(IV)、锡烷、氯化三甲基锡、二氯二甲基锡、三氯甲基锡、四乙基锡、四甲基锡、二乙酸二丁基锡、(二甲基氨基)三甲基锡(IV)、双[双(三甲基硅基)氨基]锡(II)、二丁基二苯基锡、六苯基二锡(IV)、四烯丙基锡、四(二乙基氨基)锡(IV)、四乙烯基锡、乙酰丙酮锡(II)、氢化三环己基锡、三甲基(苯基乙炔基)锡、三甲基(苯基)锡、四(乙基甲基氨基)锡、(1,3-双(1,1-二甲基乙基)-4,5-二甲基-(4R,5R)-1,3,2-二氮杂锡烷-2-亚基锡(II)、N2,N3-二-叔丁基-丁烷-2,4-二氨基-锡(II)、双(环戊二烯基)锰、双(乙基环戊二烯基)锰、双(四甲基环戊二烯基)锰、双(五甲基环戊二烯基)锰、双(1,4-二-叔丁基-二氮杂二烯)锰、双(双(三甲基硅基酰胺基))锰、双(双(乙基二甲基硅基酰胺基))锰、双(N,N’-二异丙基戊脒基)锰及其组合。
在某些实现方案中，所述方法还可以包括：在(c)之后，将所述衬底暴露于还原性气体，从而还原所述金属氧化物阻挡物层的顶表面，并且在所述金属氧化物阻挡物层上形成原位金属衬垫。在这些或其他实现方案中，所述方法还可以包括：在(c)之后，将所述衬底暴露于由还原性气体所产生的还原性等离子体，从而还原所述金属氧化物阻挡物层的顶表面，并且在所述金属氧化物阻挡物层上形成原位金属衬垫。在一些实施方案中，将所述衬底暴露于所述还原性气体或所述还原性等离子体使后续沉积层的粘附性改善。例如，所述后续沉积层可以为金属晶种层或金属氮化物晶种层前体。所述还原性气体可以包括H2和/或包含氮和氢两者的分子。
在一些实施方案中，所述方法还包括：在(c)之后，通过原子层沉积或化学气相沉积在所述衬底上形成金属晶种层或金属氮化物晶种层前体。所述金属层或所述金属氮化物晶种层前体可以包括从由下列项所构成的群组中选择的金属：铜、钴、铱、钼、钯、钌、钨及其组合。在某些实施方案中，使用从由下列项所构成的群组中选择的含金属反应物以沉积所述金属晶种层或所述金属氮化物晶种层前体：含钼反应物、含钨反应物、含钌反应物、含钴反应物、含铱反应物、含铜反应物、含钯反应物及其组合。在多种实施方案中，所述含金属反应物选自于由下列项所构成的群组：二氯二氧化钼、五氯化钼、六氟化钼、六氟化钨、六氯化钨、五氯化钨、双(叔丁基亚氨基)双(二甲基酰胺基)钨、十二羰基三钌、(2,4-二甲基戊二烯基)乙基环戊二烯基钌、(1-乙基-1,4-环己二烯基)乙基苯钌、双(乙基环戊二烯基)钌、四氧代基钌、八羰基二钴、(2-叔丁基烯丙基)三羰基钴、(3,3-二甲基-1-丁炔)六羰基二钴、环戊二烯基二羰基钴、双(1,4-二异丙基-二氮杂二烯)钴、双(1,4-二-叔丁基-二氮杂二烯)钴、双(N,N’-二异丙基乙脒基)钴、双(N-叔丁基-N’-乙基丙脒基)钴、三(乙酰丙酮)铱、双(二甲基氨基-2-丙氧基)铜、双(二甲基氨基乙氧基)铜、双(二乙基氨基-2-丙氧基)铜、双(乙基甲基氨基-2-丙氧基)铜、双(二甲基氨基-2-甲基-2-丁氧基)铜、双(N,N’-二-仲丁基乙脒基)二铜、1-甲基烯丙基(六氟乙酰丙酮)-钯(II)、双(六氟乙酰丙酮)钯及其组合。在一些实施方案中，所述方法还可以包括通过原子层沉积和/或化学气相沉积在所述金属氧化物阻挡物层上形成衬垫，其中所述衬垫是在形成所述金属晶种层或所述金属氮化物晶种层前体之前形成。在这些或其他实施方案中，所述方法还可以包括将所述衬底暴露于退火工艺或等离子体处理工艺，从而将所述金属氮化物晶种层前体转化为所述金属晶种层。所述退火工艺或所述等离子体处理工艺可以将铜氮化物晶种层前体转化为铜晶种层。
在多种实施方案中，(c)中形成所述金属氧化物阻挡物层包括(i)形成阻挡物层前体，所述阻挡物层前体包括从由元素金属、金属碳化物及金属氮化物所构成的群组中选择的至少一种材料，其中所述阻挡物层前体通过原子层沉积和/或化学气相沉积形成，以及(ii)将所述阻挡物层前体暴露于含氧大气，从而将所述阻挡物层前体转化为所述金属氧化物阻挡物层。
在所公开实施方案的进一步的方面，提供在衬底上形成互连件结构或所述互连件结构的部分的系统，所述系统包括：(a)一或更多处理室；及(b)控制器，具有至少一个处理器及存储器，其中所述至少一个处理器与所述存储器彼此通信连接，且所述存储器储存计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于控制所述至少一个处理器以致使进行本文所述的任何方法。
在所公开实施方案的进一步的方面，提供了衬底处理系统，所述系统包括：第一处理室；以及控制器，其具有至少一个处理器和存储器，其中所述至少一个处理器与所述存储器彼此通信连接，且所述存储器储存计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于控制所述至少一个处理器以致使：在所述第一处理室中接收所述衬底，所述衬底包括电介质材料，在所述电介质材料中形成有凹陷特征，其中所述互连件结构待形成于所述凹陷特征中，其中所述电介质材料被暴露于所述凹陷特征内；将所述衬底暴露于所述第一处理室中的等离子体，以使所述电介质材料的顶表面改性；以及在(ii)之后，在所述电介质材料的经改性的所述顶表面上形成金属氧化物阻挡物层，其中所述金属氧化物阻挡物层至少部分地通过原子层沉积和/或化学气相沉积而形成。
在一些实施方案中，所述系统还可以包括第二处理室，其中所述存储器储存计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于控制所述至少一个处理器以致使：将所述衬底从所述第一处理室传送至所述第二处理室，以及当所述衬底位于所述第二处理室中时，通过原子层沉积和/或化学气相沉积在所述金属氧化物阻挡物层上形成金属晶种层或金属氮化物晶种层前体。在一些实施方案中，所述存储器可以储存计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于控制所述至少一个处理器以致使：在形成所述金属晶种层或所述金属氮化物晶种层前体之前，将所述衬底暴露于所述第二处理室中的还原性气体或还原性等离子体，从而还原所述金属氧化物阻挡物层的上表面并形成原位金属衬垫，其中所述金属晶种层或所述金属氮化物晶种层前体被形成在所述原位金属衬垫上。在一些实现方案中，在将所述衬底暴露于所述还原性气体或所述还原性等离子体与形成所述金属晶种层或所述金属氮化物晶种层前体之间不使所述衬底暴露于大气。在一些实现方案中，所述存储器储存计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于控制所述至少一个处理器以致使：将所述衬底暴露于退火工艺或等离子体处理工艺，从而将所述金属氮化物晶种层前体转化为所述金属晶种层。
所述第一及第二处理室可进一步被配置成执行额外的功能。举例而言，在一些实施方案中，所述第一处理室和所述第二处理室中的至少一者被配置成在所述金属氧化物阻挡物层上沉积衬垫，所述衬垫通过原子层沉积和/或化学气相沉积来沉积。
在一些实施方案中，所述第一处理室位于第一装置上，而所述第二处理室位于第二装置上。在这些和其他实施方案中，所述系统还可以包括第三处理室，其中所述存储器储存计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于控制所述至少一个处理器以致使：将所述衬底从所述第二处理室传送至所述第三处理室，且当所述衬底位于所述第三处理室中时将金属电镀至所述金属晶种层上。在一些实施方案中，所述第二处理室和所述第三处理室各自为所述第二装置的一部分。在一些这样的实施方案中，所述存储器可以储存计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于控制所述至少一个处理器以致使：在不将所述衬底暴露于大气的情况下将所述衬底从所述第二处理室传送至所述第三处理室。在一些实施方案中，所述存储器可以储存计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于控制所述至少一个处理器以致使：在将所述衬底从所述第一处理室传送至所述第二处理室时使所述衬底暴露于大气。
在多种实施方案中，所述存储器储存计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于控制所述至少一个处理器以致使：通过下列步骤形成所述金属氧化物阻挡物层：(i)形成阻挡物层前体，所述阻挡物层前体包括从由元素金属、金属碳化物和金属氮化物所构成的群组中选择的至少一种材料，其中所述阻挡物层前体通过原子层沉积和/或化学气相沉积形成，以及(ii)将所述阻挡物层前体暴露于含氧大气，从而将所述阻挡物层前体转化为所述金属氧化物阻挡物层。
这些及其他方面将参照图式而进一步在下文描述。
附图说明
图1根据多种实施方案描绘了内连件结构。
图2是一流程图，其描述了利用等离子体对衬底进行预处理，以改进暴露电介质并促进改善粘附性的方法。
图3是一流程图，其描述了使用化学气相沉积以沉积材料的方法。
图4是一流程图，其描述了使用原子层沉积以沉积材料的方法。
图5是一图表，其描绘了检验各种扩散阻挡物层的有效性的实验结果。
图6是一流程图，其描述了使用还原性气体或还原性等离子体使金属氧化物阻挡物层的上表面还原为金属的衬底处理方法。
图7是一流程图，其描述了沉积金属氧化物阻挡物层及晶种层的方法。
图8是一流程图，其描述了沉积金属氮化物晶种层前体，并将其转化为金属晶种层的方法。
图9描绘出被配置成执行原子层沉积和/或化学气相沉积的处理站。
图10描绘出被配置成执行原子层沉积和/或化学气相沉积的多站处理装置。
图11描绘出被配置成执行原子层沉积、化学气相沉积和/或本文所述的各种其他处理操作的处理系统。
图12描绘出被配置成执行电沉积的处理容器。
图13描绘出可被配置成执行电镀及本文所述的各种其他处理操作的电沉积装置。
图14描绘出可被配置成执行电镀及本文所述的各种其他处理操作的另一电沉积装置。
具体实施方式
在下文描述中，阐述了若干具体细节以提供对所呈现的实施方案的透彻理解。所公开的实施方案可在不具一些或所有这些具体细节的情况下实施。在其他实例中，并未详细描述常规的工艺操作以免不必要地模糊所公开的实施方案。虽然所公开实施方案将结合特定实施方案进行描述，但应理解的是这些特定实施方案的用意并非在于限制所公开的实施方案。
在半导体制造的后端制程(BEOL)中涉及的其中一种工艺是互连件的形成，其中所述互连件是将两个或更多电路元件彼此电气连接。图1描绘了衬底101的示例，其中该衬底具有形成在其上的互连件结构。衬底101在其上方具有电介质材料103，其中该电介质材料103已被蚀刻而形成凹陷特征部。在该凹陷特征内，阻挡物层105存在于电介质材料103上。任选衬垫107可存在于阻挡物层105上。导电金属109存在于任选的衬垫107或阻挡物层105上。导电金属109的功能是作为互连件。
一般而言，存在着广泛使用的工业标准以形成如图1中显示的互连件结构(例如，用于金属化BEOL互连件)。此工业标准使用特定的材料堆叠件，其中该材料堆叠件是通过已被证实在制造后立即、及随着时间推移均能形成低缺陷的工艺所制造。然而，随着设备尺寸持续缩小，该工业标准堆叠件开始占据过多可用的互连件体积，从而造成过高的线电阻。然而，由于各种限制，要修改该工业标准堆叠件可能是困难的。
举例而言，电介质材料103应具有低电容率及相关的低介电常数(κ)，使电路的RC延迟最小化。如本文所使用的，介电常数为约3.7以下的材料被视为低介电常数材料。电介质材料103还应易于被蚀刻以形成相关电路系统，且应具有足够的机械强度以在蚀刻过后抵抗图案塌陷。
阻挡物层105被提供以最小化或消除导电金属109扩散至电介质材料103中。在不具阻挡物层105的情况下，导电金属109通常将会扩散至电介质材料103中而造成介电常数下降，且最终造成互连件的短路。因此，阻挡物层105应有效防止导电金属109的扩散。此外，导电金属109对于电介质材料103、及对于任选的衬垫107、或对于导电金属109自身(或者用于形成导电金属109的晶种层)应具有良好粘附性。所期望的是，阻挡物层105是尽可能地薄且导电的。用于形成阻挡物层105的工艺应在电介质材料103上展现良好的成核，应产出几乎没有、或没有缺陷的连续膜，其中所述缺陷将会损伤阻挡物层防止金属扩散的性能，以及应产生几乎保形的台阶覆盖以防止窄特征的夹止(pinching off)。对于商业性处理，几乎没有阻挡材料能够满足这些限制。在一些情况下，钽/钽氮化物的堆叠件被使用作为阻挡物层105。在一些受限的情况下，钛/钛氮化物的堆叠件被使用作为阻挡物层105。物理气相沉积(PVD)或反应性溅镀常被用于沉积这些材料，从而形成阻挡物层105。
任选的衬垫107可被提供在阻挡物层105与导电金属109之间。当衬垫107存在时，其可减轻阻挡物层105的缺点。举例来说，如果阻挡物层105对于导电金属109不具足够的粘附性，则可提供衬垫107以确保在相关层之间(例如，阻挡物层105与衬垫107之间、及衬垫107与导电金属109之间)具有充分粘附性。在一些情况下，例如在钽氮化物阻挡物层与铜之间是使用钴衬垫。
在一些情况下，可将晶种层(未显示于图1中)提供于阻挡物层105或任选的衬垫107上。晶种层是具有导电性的，并且可由与主体导电金属109相同的材料、或者不同材料所制成。晶种层使主体导电金属109的后续沉积得以进行。在一些情况下，堆叠件中的另一层(例如，阻挡物层105或任选的衬垫107)系具有足够导电性，而不需要额外晶种层。在常规处理中，晶种层通常经由物理气相沉积而形成。
导电金属109作为互连件，以将衬底101上的不同设备电气连接。导电金属109通常通过电沉积所形成，其中电沉积在相对低成本的情况下提供良好的填充性质。导电金属109通常填充凹陷特征的容积，其中该容积不被上述的其他层所占据。
上述各堆叠件成分存在着与材料性质、界面性质等相关的若干限制。因此，对堆叠件内的任何个别成分进行改变可能造成与该堆叠件的其余部分相关的显著问题。关于阻挡物层，普遍使用金属和金属氮化物。金属氧化物已被视为不适合作为后端制程互连件结构的背景中的阻挡物层。被视为不适合的一个理由在于其所要求的厚度相对于其他材料/方法是过高的。被视为不适合的另一理由在于许多金属氧化物具有高电阻。由于阻挡物层材料应尽可能为导电的，因此高电阻的金属氧化物是不良的阻挡物层材料选项。此外，金属氧化物已显示对于下文电介质材料具有相对不良成核性及粘附性。
然而，本案发明人发现某些金属氧化物可作为后端制程互连件结构的背景中的阻挡物层材料。此金属氧化物可相对具导电性，并可使用原子层沉积或化学气相沉积以高质量沉积于相当薄的层中。这些沉积工艺可以使用预处理调整电介质材料的表面，以例如促进改善电介质材料与阻挡物层之间的成核性/粘附性来实现。在本文的多种实施方案中，可采取一个或更多额外步骤以增进互连件结构的其他层之间的粘附性，例如，在金属氧化物阻挡物层与后续沉积层(例如，衬垫、晶种层或导电金属)之间，和/或在晶种层与后续沉积的导电金属之间。
I.用于促进电介质材料上的成核性及粘附性的等离子体预处理
在商用互连件形成的背景中，避免在低k电介质材料上直接使用等离子体处理，原因在于等离子体会迅速对暴露的电介质材料进行改性或损伤。举例而言，电介质材料频繁地被掺杂碳，其显著地使电介质材料的电介质常数降低。在暴露于等离子体后，此碳是从电介质材料移除，从而造成其电介质常数的非期望增加。换言之，在将电介质材料暴露于等离子体后，由碳掺杂而能实现的电介质常数显著降低便丧失。
然而，本案发明人发现，对于电介质的小量改性/损伤是可容许的，此外，此损伤可对于在后续层的沉积期间促进的高质量成核性/粘附性是有帮助的。举例来说，该等离子体预处理可用于使电介质的表面粗糙化，从而增加表面面积。此增加的表面面积改善对于后续沉积层的粘附性。此外，可将该等离子体预处理谨慎地控制而仅对电介质材料的顶部表面产生影响。这确保电介质材料的主体性质大部分是未受影响的。
图2呈现对半导体衬底进行预处理以促进在暴露电介质材料上的成核性及粘附性的方法的流程图。该方法是从操作201开始，其中将衬底接收于反应室中。该衬底包括暴露在其表面上的电介质材料，伴随着形成在电介质材料中的凹陷特征。在操作203处，将衬底暴露于等离子体。该等离子体谨慎地对暴露电介质材料的顶表面造成损伤。举例而言，该等离子体可用于将掺杂剂(例如，碳)从电介质材料的顶表面挥发或以其他方式移除。该等离子体还可用于使电介质材料的顶表面粗糙化。操作203后可接着进行金属氧化物阻挡物层的沉积，如进一步在下文描述的。
在操作203中可使用任何类型的等离子体。在多种实施方案中，该等离子体可为感应耦合等离子体、电容耦合等离子体、微波等离子体等。该等离子体可远离衬底而产生(例如，在与该衬底屏蔽的等离子体产生室或区域中)，或者该等离子体可在提供衬底的同一反应室/区域中产生，使得该衬底直接暴露于等离子体。
在多种实施方案中，该等离子体预处理可为相对短和/或温和的，以确保等离子体损伤受限于电介质材料的顶表面。通常，较短的等离子体暴露持续时间使得能够使用相对较苛刻的等离子体条件。在多种实施方案中，可将衬底暴露于等离子体预处理介于约0-60秒的持续时间。在一些情况下，该持续时间是至少约1秒、至少约5秒、至少约10秒、至少约20秒、至少约30秒或至少约45秒。在这些或其他情况下，可持续时间可为约60秒以下、为约45秒以下、为约30秒以下、为约20秒以下、为约10秒以下、为约5秒以下。可根据特定应用的需求而结合这些最小及最大的持续时间。
用于对电介质材料进行预处理的等离子体可从若干种可行物质产生，所述物质例如在反应物及其他处理气体的章节所进一步描述于下的物质。
用于对电介质材料进行预处理的等离子体可在广泛的条件组合下产生。通常，所述条件是经设计的，使其仅影响电介质的顶表面。如上所述，可将相对较苛刻的等离子体条件结合相对较短的暴露持续时间，而将相对较温和的等离子体条件结合相对较长的暴露持续时间。在多种实施方案中，可在介于约0.2-3kW之间的RF功率产生等离子体。这是关于被提供以处理单一300mm衬底的功率，并可相应地按比例调整。该等离子体可在一种或更多频率(例如，在13.56kHz和/或100kHz)产生。该等离子体可具有介于约100％与1％之间的占空比。反应室中的压强可被维持在约10-8Torr与760Torr之间。可将上面放置有衬底的支撑件维持在介于约0-400℃之间的温度。
在使用相对短/苛刻等离子体预处理的一示例中，可在介于约0.6-3kW之间的RF功率产生该等离子体，并且将该等离子体暴露于衬底介于约1-20秒的持续时间。在使用相对长/温和等离子体预处理的另一示例中，可在介于约0.2-0.6kW之间的RF功率产生该等离子体，并且将该等离子体暴露于衬底介于约10-60秒的持续时间。
由于该等离子体预处理被设计成仅影响电介质材料的顶表面，因此该电介质材料的主体性质大部分是未受影响的。在多种实施方案中，该等离子体预处理仅影响电介质材料的上部1nm。举例来说，在等离子体预处理期间，可仅移除电介质材料的此上部区域中的碳(或其他掺杂剂)。在等离子体预处理后，主体电介质材料可仍具有约3.7以下的电介质常数。
对电介质材料进行的等离子体预处理显著改善在经预处理的电介质材料与后续沉积金属氧化物阻挡物层材料之间的粘附性。
II.金属氧化物阻挡物层的沉积
由于上述理由，金属氧化物并未被商业使用作为后端制程互连件结构的背景中的阻挡物层。然而，本案发明人发现，某些导电金属氧化物可作为此背景中的阻挡物层。此金属氧化物相比于常规阻挡物层材料(例如，金属及金属氮化物)会存在优点，原因例如在于不需要在衬底处理及转移操作期间保护所述金属氧化物免于大气影响。虽然暴露金属及金属氮化物可能会与大气中的氧反应而改变衬底表面，但是当金属氧化物暴露于大气时并不会发生此种变化，因为该金属氧化物已被氧化。因此，使用金属氧化物阻挡物层可简化衬底转移操作(例如，在用于沉积阻挡物层的装置与用于沉积例如衬垫、晶种层或导电金属的后续层的装置之间)及实现此转移所需的装置。
常规阻挡物层通常是经由物理气相沉积来沉积。不幸的是，常规物理气相沉积处理并不是特别保形的，并可能会阻挡、挤压或以其他方式在某些特征中造成不良填充。相对地，本文所述的阻挡物层是通过原子层沉积(ALD)和/或化学气相沉积(CVD)来形成。除非另外指明，否则本文中所使用的术语“ALD”和“CVD”意指涵盖基于热工艺和基于等离子体工艺两者。可控制ALD及CVD工艺以制造非常薄且保形的高质量膜。使用ALD和CVD沉积阻挡物层是重大的改善。
先前，在低k电介质上沉积材料(例如，阻挡物层材料)时避免使用ALD及CVD。这种工艺并未被广泛使用，原因在于其通常在电介质材料上显现不良的成核性，并因此在该电介质材料与后续沉积的阻挡物层之间存在不良的粘附性。然而，上述的预处理步骤(例如，利用等离子体对电介质材料进行预处理，以谨慎地对该电介质材料的上表面产生损伤)大幅改善在沉积阻挡物层时于该电介质材料上的成核性。此成核性的改善大幅改善在该电介质材料与该阻挡物层之间的粘附性。
图3呈现了一流程图，描述了使用CVD以沉积材料的方法。图3的方法可在图2的方法之后(例如，经由暴露于等离子体而对衬底上的电介质材料进行预处理后)开始进行。图3的方法是从操作301开始，其中将衬底提供于反应室中。在使用CVD处理沉积金属氧化物阻挡物层的情况下，在操作301中所接收的衬底包括暴露于其表面上的电介质材料，伴随着形成于电介质材料中的凹陷特征。可例如因暴露于上述的等离子体预处理处理而谨慎地对电介质材料的上表面造成损伤。在操作303处，将衬底同时暴露于第一反应物及第二反应物。在该第一反应物及该第二反应物之间驱动气相反应，而在衬底表面上沉积材料。在使用CVD处理沉积金属氧化物阻挡物层的情况下，第一反应物可为含金属反应物而该第二反应物可为含氧反应物。示例性反应物是在反应物及其他处理气体的章节中进一步在下文描述的。当用于驱动反应的能量为热时，该工艺被称为热CVD。相对地，当用于驱动反应的能量为等离子体能量时，该工艺被称为等离子体增强CVD。任何类型的等离子体可用于沉积金属氧化物阻挡物层。
用于经由热CVD以形成金属氧化物阻挡物层的示例性处理条件如下所述。可将上面放置有衬底的支撑件控制在介于约50与400℃之间的温度。反应室中的压强可被维持在约10-8Torr与760Torr之间。含金属反应物可在约0.1-1000sccm之间的速率下流动。含氧反应物可在约0.1-1000sccm之间的速率下流动。该反应可进行约1秒至5分钟之间的持续时间。金属氧化物阻挡物层的示例性厚度被进一步描述于下，但大致上落在约0.25-2nm的范围内。
用于经由等离子体增强CVD以形成金属氧化物阻挡物层的示例性处理条件如下所述。可将上面放置有衬底的支撑件控制在介于约0至400℃之间的温度。反应室中的压强可被维持在约10-8Torr与760Torr之间。含金属反应物可在约0.1-1000sccm之间的速率下流动。含氧反应物可在约0.1-1000sccm之间的速率下流动。该反应可进行约1秒至5分钟之间的持续时间。该等离子体可为任何种类的等离子体。等离子体可在介于约0.2-3kW之间的RF功率下产生。该等离子体可在例如13.56kHz和/或100kHz的一或更多频率下产生。该等离子体可具有介于约100％与1％之间的占空比。金属氧化物阻挡物层的示例性厚度进一步描述于下，但大致上落在约0.25-2nm的范围内。
图4呈现了一流程图，其描述了使用ALD以沉积材料的方法。该方法从操作401开始，其中将衬底接收于反应室中。该衬底可为关于图3所述的衬底。在操作403处，将该衬底暴露于第一反应物。该第一反应物被允许吸附至衬底表面上。接着，在操作405处，任选地将反应室清扫和/或抽空以移除未吸附的第一反应物。在操作407处，将该衬底暴露于第二反应物。该第二反应物可被允许吸附至衬底表面上。在使用ALD技术沉积金属氧化物阻挡物层的情况下，该第一反应物可为含金属反应物，而该第二反应物可为含氧反应物。示例性反应物被进一步在下文描述的。在操作409处，在该第一及该第二反应物之间驱动表面反应。该反应可通过热能量(例如，热ALD)或等离子体能量(例如，等离子体增强ALD)来驱动。在操作411处，任选地将反应室清扫和/或抽空。接着，在操作413处，确定该膜是否具有足够厚度。由于ALD是在逐层循环式基础上建构膜厚度，因此通常使用许多循环以实现所期望的膜厚度。当确定膜尚未具有足够厚度时，则该方法从操作403开始重复进行。当确定膜以达到足够厚度时，则该方法继续操作415，其中可将该衬底从反应室移除。替代地，在操作415处可使该衬底在反应室中受到进一步处理。应当理解的是，在操作413中判断膜已达到足够厚度后，该ALD沉积即基本结束。
在一些情况下，图3中显示的两个或更多操作可在时间上是重叠的。举例而言，操作407及409可在时间上是重叠的。此外，操作411中所描述的清扫可在不同时间进行，例如介于操作407与409之间、或者在操作409期间。
用于经由热ALD以形成金属氧化物阻挡物层的示例性处理条件如下所述。可将上面放置有衬底的支撑件控制在介于约50与400℃之间的温度。反应室中的压强可被维持在约10-8Torr与760Torr之间。含金属反应物可在约0.1-1000sccm之间的速率下流动介于1-60秒的持续时间。清扫气体可在约0.1-1000sccm之间的速率下流动介于1-60秒的持续时间。含氧反应物可在约0.1-1000sccm之间的速率下流动介于1-60秒的持续时间。金属氧化物阻挡物层的示例性厚度被进一步描述于下，但大致上落在约0.25-2nm的范围内。
用于经由等离子体增强ALD以形成金属氧化物阻挡物层的示例性处理条件如下所述。可将上面放置有衬底的支撑件控制在介于约0-400℃之间的温度。反应室中的压强可被维持在约10-8Torr与760Torr之间。含金属反应物可在约0.1-1000sccm之间的速率下流动介于1-60秒的持续时间。清扫气体可在约0.1-1000sccm之间的速率下流动介于1-60秒的持续时间。含氧反应物可在约0.1-1000sccm之间的速率下流动介于1-60秒的持续时间。可将该衬底暴露于等离子体约1-60秒之间的持续时间。该等离子体可为任何种类的等离子体。等离子体可在介于约0.2-3kW之间的RF功率下产生。该等离子体可在例如13.56kHz和/或100kHz的一种或更多频率下产生。该等离子体可具有介于约100％与1％之间的占空比。金属氧化物阻挡物层的示例性厚度被进一步描述于下，但大致上落在约0.25-2nm的范围内。
图3及4中所描述的方法可用于形成金属氧化物阻挡物层。在一些情况下，图3及4中所描述的方法可用于形成互连件结构中的额外材料，例如晶种层或晶种层前体，如进一步在下文描述的。
在一些情况下，可通过两种或更多不同技术来沉积阻挡物层，其中阻挡物层的第一(例如，下文)部分通过第一技术沉积，而阻挡物层的第二(例如，上方)部分通过第二技术沉积。该第一及该第二技术可各自独立选自热ALD、等离子体增强ALD、热CVD及等离子体增强CVD。在特定示例中，阻挡物层的第一部分通过热ALD沉积，而阻挡物层的第二部分通过等离子体增强ALD沉积。在另一示例中，阻挡物层的第一部分通过热CVD沉积，而阻挡物层的第二部分通过等离子体增强CVD沉积。在另一示例中，阻挡物层的第一部分通过热ALD沉积，而阻挡物层的第二部分通过等离子体增强CVD沉积。在另一示例中，阻挡物层的第一部分通过热CVD沉积，而阻挡物层的第二部分通过等离子体增强ALD沉积。其他组合也是可行的。
可能特别有利的是，使用热技术而不是等离子体技术以沉积阻挡物层的第一部分，以避免对下文电介质材料造成损伤。类似地，可能有利的是，使用等离子体增强技术而不是热技术以沉积阻挡物层的第二部分，使衬底上的热负载最小化并制造高质量且连续的阻挡物层。在阻挡物层的第一部分使用热技术沉积且该阻挡物层的第二部分使用等离子体增强技术沉积的情况下，经热沉积的阻挡物层的第一部分用于在形成该阻挡物层的第二部分的等离子体处理期间保护下面的电介质材料免于受到损伤。
在一些实施方案中，可通过两种或更多不同技术而沉积阻挡物层，其中第一技术用于沉积阻挡物层前体，而第二技术用于使该阻挡物层前体改性并形成金属氧化物阻挡物层。举例而言，阻挡物层前体可为金属、金属碳化物、金属氮化物等的层，所述层可通过本文所述的任何ALD和/或CVD技术来沉积。在沉积阻挡物层前体之后，可通过将其暴露于含氧大气和/或含氧等离子体而进行改性。
阻挡物层的理想厚度将取决于互连件结构中存在的材料，以及这些材料所经受的处理条件。金属氧化物阻挡物层的厚度可至少为约0.25nm或至少为约0.5nm。在这些或其他情况下，金属氧化物阻挡物层的厚度可为约2nm以下，或为约1nm以下。
图5呈现了实验结果，其显示了不同阻挡物层材料在不同厚度下的有效性。在此实验中，各种不同材料及厚度的阻挡物层被沉积在裸硅晶片上，而铜层系被沉积在各阻挡物层的顶部上。硅晶片、阻挡物层及铜层形成堆叠件。测量各堆叠件的电阻，接着使各堆叠件经受通常在后端制程制造步骤的背景中用于处理衬底的退火环境。接着，再次测量各堆叠件的电阻。图5中的y轴显示在退火之后的电阻变化。如果与退火前的电阻相比，退火后的电阻是较低的或无变化的，则代表该阻挡物层成功避免铜扩散至硅晶片中。相对地，如果退火后的电阻大于退火前的电阻，则代表该铜扩散通过该阻挡物层，并与硅衬底反应形成铜硅化物，表示该阻挡物层对于避免铜扩散是无效的。
图5中显示了在实验中所检验的各种阻挡物层类型。明显地，即使在非常薄厚度的情况下，锌氧化物及锡氧化物作为扩散阻挡物是有效的。举例来说，在这些条件下，锌氧化物在至少约10埃的厚度是有效的铜扩散阻挡物。类似地，在这些条件下，锡氧化物在至少约8埃的厚度是有效的铜扩散阻挡物。这些材料对于在比起常规阻挡物层材料(例如，钽)的厚度更少的厚度下作为扩散阻挡物是有效的。如上所述，该阻挡物层可具有最大厚度以确保该阻挡物层不会在互连件结构内占据过多空间。其他金属氧化物可如下所述地使用。参照图1，据信本文所述的各种金属氧化物在本文所述的厚度下在避免导电金属109扩散至电介质材料103中是有效的。
III.金属氧化物阻挡物层的还原以形成原位金属衬垫
在某些实施方案中，可将金属氧化物阻挡物层的上表面还原而形成薄金属层，以改善后续沉积层(例如，衬垫、晶种层或导电金属)的粘附性。可通过将衬底暴露于还原性气体和/或还原性等离子体而实现该还原。对于还原性气体/等离子体的暴露在金属氧化物阻挡物层的顶部处产生金属层。该金属层是作为原位粘附层，也称其为原位金属衬垫。在多种实施方案中，所形成的金属层可具有介于约0.1-2nm之间的厚度。
图6描绘了一流程图，其描述将金属氧化物阻挡物层的上部还原以形成原位金属粘附层的方法。该方法从操作601开始进行，其中将衬底接收于反应室中。该衬底可包括电介质材料以及为该电介质材料加衬的暴露金属氧化物阻挡物层，其中该电介质材料具有形成在其中的凹陷特征。图6的方法可在图3的方法后和/或图4的方法后进行。在操作603处，将该衬底暴露于还原性气体或还原性等离子体，以将金属氧化物阻挡物层的上表面还原成金属。与金属氧化物相比，金属对后续沉积层提供改善的粘附性。
在一示例中，互连件结构的导电性金属(例如，图1中的导电性金属)为铜，其对于许多金属氧化物具有不良粘附性，但对于许多金属具有良好粘附性。可预期的是，金属层对于其自身的下伏的金属氧化物，以及铜(或者其他导电金属/其他后续沉积层)将具有良好粘附性。参照图1，在一些示例中，将阻挡物层105的上表面从金属氧化物还原成金属，并省略衬垫107，使导电金属109(或晶种层，如果使用的话)直接形成在阻挡物层105的上表面上的金属上。
在将阻挡物层的上表面从金属氧化物还原成金属的许多情况下，不需包括单独衬垫(例如，图1中的衬垫107)。该金属层实质作为原位衬垫及粘附层。此技术中的一优点在于，形成在金属氧化物阻挡物层的上表面处的原位金属衬垫/粘附层可比常规方法所形成的衬垫更薄。
可用于还原性气体或还原性等离子体的示例性物质在下文与反应物及其他处理气体相关的章节进一步描述。
通过暴露于还原性气体或等离子体以还原金属氧化物的上表面的示例性处理条件如下所述。可将上面放置有衬底的支撑件控制在介于约0-400℃之间的温度。反应室中的压强可被维持在约10-8Torr与760Torr之间。还原性气体可在约0.1-1000sccm之间的速率下流动。可将衬底暴露于还原性气体或等离子体约1-60秒之间的持续时间。在使用等离子体的情况下，可在介于约0.2-3kW之间的RF功率下产生等离子体。该等离子体可在例如13.56kHz和/或100kHz的一种或更多频率下产生。该等离子体可具有介于约100％与1％之间的占空比。可根据特定应用的需求使用任何类型的等离子体(例如，感应耦合等离子体、电容耦合等离子体、微波等离子体、远程等离子体、直接等离子体等)。
在本文的一些实施方案中，并未使该金属氧化物阻挡物层经受任何还原操作。反之，是将后续层(例如，衬垫、晶种层或导电金属)直接沉积在金属氧化物阻挡物层上。
IV.任选的衬垫及晶种层的沉积
本文的实施方案并不受限于沉积衬垫或晶种层所用的任何特定方法。在一些情况下，衬垫和/或晶种层经由例如物理气相沉积的常规方法来沉积。在其他情况下，可经由ALD或CVD沉积该衬垫和/或晶种层，其中ALD和CVD中的任何一者可通过热能或等离子体能量来驱动。在一些情况下，可将晶种层沉积为晶种层前体，接着经由退火或等离子体处理工艺将该晶种层前体转化为晶种层，如下一章节中所讨论的。
ALD和CVD已被避免使用于沉积晶种层的背景中。通常，晶种层为铜，且ALD/CVD铜沉积工艺并非在商业上被广泛使用，原因在于利用这些方法制造平滑且具导电性铜膜具有难度。然而，本文所述的各种处理技术能使用ALD和CVD沉积衬垫和/或晶种层。该衬垫和/或晶种层可包括铜和/或如进一步描述于下文的其他金属。
图7根据某些实施方案描绘了一流程图，其描述形成阻挡物层及晶种层的方法。该方法从操作701开始进行，其中将衬底接收于反应室中。该衬底包括电介质材料，该电介质材料具有形成在其中的凹陷特征。在操作703处，通过CVD或ALD(例如，分别使用与图3及4相关描述的方法)沉积金属氧化物阻挡物层。接着，在操作705处，将该衬底任选地暴露于还原性气体和/或还原性等离子体而还原金属氧化物阻挡物层的上表面，以形成原位金属衬垫。此还原可相关于图6所描述的进行。将金属氧化物还原成金属可改善后续沉积金属晶种层的粘附性。替代地或附加地，可通过CVD或ALD(例如，分别使用图3及4的方法)在金属氧化物阻挡物层上沉积衬垫。在操作707处，使用CVD或ALD(例如，分别使用与相关于图3及4所描述的方法)在衬底上沉积金属晶种层。金属晶种层可形成在金属氧化物阻挡物层上或衬垫上，其中该衬垫任选地形成在金属氧化物阻挡物层的顶表面上。示例性反应物在下文与反应物及其他处理气体相关的章节进一步描述。
用于经由热CVD以形成衬垫或金属晶种层的示例性处理条件如下所述。可将上面放置有衬底的支撑件控制在介于约0-400℃之间的温度。反应室中的压强可被维持在约10- 8Torr与760Torr之间。含金属反应物可在约0.1-1000sccm之间的速率下流动。第二反应物可在约0.1-1000sccm之间的速率下流动。该反应可进行约10秒至5分钟之间的持续时间。衬垫的示例性厚度可介于约1-20埃之间，而金属晶种层或金属氮化物晶种层前体的示例性厚度可介于约5-30埃之间。
用于经由等离子体增强CVD以形成衬垫或金属晶种层的示例性处理条件如下所述。可将上面放置有衬底的支撑件控制在介于约0-400℃之间的温度。反应室中的压强可被维持在约10-8Torr与760Torr之间。含金属反应物可在约0.1-1000sccm之间的速率下流动。第二反应物可在约0.1-1000sccm之间的速率下流动。该反应可进行约1秒至5分钟之间的持续时间。该等离子体可为任何种类的等离子体。等离子体可在介于约0.2-3kW之间的RF功率下产生。该等离子体可在例如13.56kHz和/或100kHz的一种或更多频率下产生。该等离子体可具有介于约100％与1％之间的占空比。示例性厚度在上文被提供。
用于经由热ALD以形成衬垫或金属晶种层的示例性处理条件如下所述。可将上面放置有衬底的支撑件控制在介于约50-400℃之间的温度。反应室中的压强可被维持在约10-8Torr与760Torr之间。含金属反应物可在约0.1-1000sccm之间的速率下流动介于1-60秒的持续时间。清扫气体可在约0.1-1000sccm之间的速率下流动介于1-60秒的持续时间。第二反应物可在约0.1-1000sccm之间的速率下流动介于1-60秒的持续时间。示例性厚度在上文被提供。
用于经由等离子体增强ALD以形成衬垫或金属晶种层的示例性处理条件如下所述。可将上面放置有衬底的支撑件控制在介于约0-400℃之间的温度。反应室中的压强可被维持在约10-8Torr与760Torr之间。含金属反应物可在约0.1-1000sccm之间的速率下流动介于1-60秒的持续时间。清扫气体可在约100-1000sccm之间的速率下流动介于1-60秒的持续时间。第二反应物可在约0.1-1000sccm之间的速率下流动介于1-60秒的持续时间。可将该衬底暴露于等离子体约1-60秒之间的持续时间。该等离子体可为任何种类的等离子体。等离子体可在介于约0.2-3kW之间的RF功率下产生。该等离子体可在例如13.56kHz和/或100kHz之类的一种或更多频率下产生。该等离子体可具有介于约100％与1％之间的占空比。示例性厚度在上文被提供。
V.沉积晶种层前体及转化为晶种层
在一些实施方案中，可在多个步骤中形成晶种层。举例而言，在第一步骤中，可使用CVD或ALD形成晶种层前体，例如金属氮化物。根据特定应用的需求，该CVD或ALD可基于热或基于等离子体。在第二步骤中，可使用退火或等离子体处理，以通过挥发或其他方式将氮从金属氮化物晶种层前体移除，以将该金属氮化物转化为金属。
图8根据某些实施方案描绘了一流程图，其描述形成晶种层的方法。该方法从操作801开始，其中将衬底接收于反应室中。该衬底包括电介质材料、金属氧化物阻挡物层及任选的衬垫(其可为常规衬垫，或者如关于图6所述通过将金属氧化物阻挡物层的上表面还原所形成的原位金属衬垫)。图7的方法可从图6的方法后、图3的方法后、图4的方法后，或者图7的操作703或705后开始进行。在操作803处，在衬底上沉积金属氮化物晶种层前体。该金属氮化物晶种层前体可形成在金属氧化物阻挡物层或任选的衬垫上。可经由ALD或CVD沉积该金属氮化物晶种层前体，其中ALD和CVD中的任何一者可通过热能或等离子体能量来驱动。在使用CVD的情况下，可使用图3的方法沉积晶种层前体。在使用ALD的情况下，可使用图4的方法沉积晶种层前体。接着，在操作805处，将该衬底暴露于退火处理或等离子体处理工艺，使金属氮化物晶种层前体中的氮挥发或以其他方式移除，从而将金属氮化物晶种层前体转化为金属晶种层。
在使用ALD或CVD沉积金属氮化物晶种层前体的情况下，第一反应物可为含金属反应物而第二反应物可为含氮反应物。示例性的反应物在下文与反应物及其他处理气体相关的章节进一步描述。
用于形成金属氮化物晶种层前体的示例性处理条件可与上文中用于形成金属晶种层所提供的处理条件相同。
用于退火处理以将金属氮化物晶种层前体转化为金属晶种层的示例性处理条件如下所述。可将上面放置有衬底的支撑件控制在介于约100-400℃之间的温度。反应室中的压强可被维持在约10-8Torr与760Torr之间。处理气体(例如，H2)或形成气体(例如，处于亚爆炸比(sub-explosive ratio)的H2和N2)可在约100-5000sccm之间的速率下流动。可将衬底暴露于退火处理约60秒至10分钟之间的持续时间。
用于等离子体处理工艺以将金属氮化物晶种层前体转化为金属晶种层的示例性处理条件如下所述。可将上面放置有衬底的支撑件维持在介于约-50与400℃之间的温度。在使用等离子体处理将金属氮化物晶种层前体转化为金属晶种层的一些实施方案中，可在此步骤期间主动使衬底冷却。此主动冷却可有助于控制金属的去湿润和团聚，从而制造较高质量且连续的金属晶种层。反应室中的压强可被维持在约10-8Torr与760Torr之间。形成该等离子体的气体可包括H2、NH3、N2、Ar或其组合。可将此气体以介于约0.1至1000sccm之间的速率提供。可将衬底暴露于等离子体约1秒至5分钟之间的持续时间。等离子体可在介于约0.2-3kW之间的RF功率下产生。该等离子体可在例如13.56kHz和/或100kHz之类的一种或更多频率下产生。该等离子体可具有介于约100％-1％之间的占空比。可根据特定应用的需求使用任何类型的等离子体(例如，感应耦合等离子体、电容耦合等离子体、微波等离子体、远程等离子体、直接等离子体等)。
该退火处理或等离子体处理工艺可将金属氮化物晶种层前体完全转化为金属晶种层，或者其可仅转化一部分(例如，上部)的金属氮化物晶种层前体。在多种实施方案中，该退火处理或等离子体处理工艺将至少上面0.2nm的金属氮化物晶种层前体转化为金属。
VI.导电金属的沉积
参照图1，导电金属109通常通过电镀而进行沉积。尤其电镀的低成本及高质量填充结果，因此电镀是特别具有优势的。在一些实施方案中，可通过另类技术(例如，PVD、ALD和/或CVD)沉积导电金属109。在使用ALD或CVD的情况下，处理条件可与关于形成金属晶种层所描述的处理条件相同。在使用电镀或PVD的情况下，处理条件可为本发明所属技术领域中普通技术人员所选择的常规处理条件。
VII.互连件结构的材料
如上所述，可商业取得的互连件结构在可使用的材料及用于形成所述材料的处理方面是相对受限的。然而，本文所述的技术能够使用在此背景中尚未被常规使用的额外材料。
参照图1，在本文的多种实施方案中，电介质材料103可为含硅材料，例如硅、硅氧化物或硅氮化物。该电介质材料103经常为如上所定义的低介电常数材料。可利用一种或更多掺杂剂(例如，碳、氮等)对该电介质材料103进行掺杂。
在本文的多种实施方案中，阻挡物层105为金属氧化物。可使用各种不同金属。举例来说，金属氧化物中的金属可为镁或3-14族金属。在某些实现方案中，金属氧化物可包括从下列项所构成的群组中选择的金属：铝、铜、铟、镁、锰、锡、锌、钌、钨、钛及其组合。
可将多种材料使用于任选的衬垫107。在将金属氧化物阻挡物层105经受还原性气体或还原性等离子体使得衬垫107为原位金属衬垫的情况下，该衬垫107包括的金属与形成该衬垫107的金属氧化物阻挡物层的金属相同。在其他情况下，可省略衬垫107。在其他情况下，该衬垫107可为经由常规方法而沉积的常规材料沉积。在本文的多种实施方案中，该衬垫107可为或包括金属。在一些情况下，可使用氮化物、碳化物和/或碳氮化物。可使用各种不同金属。举例来说，该衬垫中的金属可为镁或3-14族金属。在某些实现方案中，衬垫107中的金属可选自于由下列项所构成的群组：铝，铜，铟，镁，锰，锡，锌，钌，钴，钨及其组合。该衬垫可具有其他元素(例如，碳和/或氮)的内容物。
同样，可将多种不同材料使用于晶种层(未显示于图1中)。晶种层可位于阻挡物层105与导电金属109之间，或者衬垫107与导电性金属109之间。在许多情况下，该晶种层为金属。该金属可选自于由下列项所构成的群组：铜、钴、铱、钼、钯、钌、钨及其组合。类似地，在通过将金属氮化物晶种层前体转化为金属晶种层以形成晶种层的情况下，金属氮化物晶种层前体中的金属可选自于该相同金属群组。
可将各种不同材料使用于导电金属109。虽然最商用的互连件结构导电金属109为铜，但本文的实施方案并不受限于此。在某些实施方案中，导电金属109包括从由下列项所构成的群组中选择的金属：铜，钴，铱，钼，钯，钌，钨及其组合。在某些实施方案中，晶种层中的金属导电金属109的金属相同。在其他实施方案中，其为不同金属。
本文所述的材料可能会或可能不会是化学计量平衡的。
VIII.反应物及其他处理气体
可使用适合用于该应用的任何反应物而形成和/或处理本文所述的各种材料。在一些情况下，可使用特定反应物。
A.用于促进电介质材料上的成核性及粘附性的等离子体预处理所用的反应物/处理气体
如与图2相关的论述，在本文的多种实施方案中将衬底暴露于等离子体以谨慎地对电介质材料的顶表面造成损伤，其中该衬底具有暴露在其表面上的该电介质材料。该等离子体暴露可从电介质材料的顶表面移除掺杂剂(例如，碳)，从而改善对于后续沉积层(例如，金属氧化物阻挡物层)的粘附性。
在一些情况下，用于对衬底进行预处理而使电介质材料造成损伤的该等离子体由惰性物质(例如氦、氖、氩、氪或其组合)产生。在其他情况下，该等离子体由化学反应性物质(例如H2、O2、NH3、CO2、N2O、N2或其组合)产生。在还有的其他情况下，该等离子体可由惰性物质及化学反应性物质(例如，上方表列的任何者)的组合产生。
B.原子层沉积及化学气相沉积所用的反应物/处理气体
如关于图3、4、7及8所论述的，可经由ALD和/或CVD沉积金属氧化物阻挡物层、金属晶种层和/或金属氮化物晶种层前体。可使用合适的含金属反应物及共反应物沉积这些膜。在多种实施方案中，合适的含金属反应物可结合一个或更多单齿配体，例如卤化物、酰胺、酰亚胺、氮化物、氧化物、烷基、烯丙基、烷氧化物、硫醇盐、碳烯、膦、一氧化碳、腈、异腈、烯、炔；双齿配体，例如二酮化合物、酮亚胺盐、二酮亚胺盐、酮酸酯盐、氨基烷氧化物、脒化物、二氮杂二烯、依托咪酯(amidate)、烯丙基、二烯；以及多齿配体，例如环戊二烯基、三烯及其他多齿有机配体。含金属反应物还包括至少一种金属，例如沉积材料中所需的金属。合适的金属包括周期表的3-14族的金属，再加上镁。
在一些情况下，用于沉积金属氧化物阻挡物层的含金属反应物可为含铝反应物、含铜反应物、含铟反应物、含镁反应物、含锰反应物、含锡反应物、含锌反应物或其组合。在一些实施方案中，用于沉积金属晶种层或金属氮化物晶种层前体的含金属反应物可为含铜反应物、含钴反应物、含铱反应物、含钼反应物、含钯反应物、含钌反应物、含钨反应物或其组合。在一些情况下，可使用其他金属及含金属反应物。
示例性的含铝反应物包括但不限于三甲基铝。示例性含钴反应物包括但不限于八羰基二钴、(2-叔丁基烯丙基)三羰基钴、(3,3-二甲基-1-丁炔)六羰基二钴、环戊二烯基二羰基钴、双(1,4-二异丙基-二氮杂二烯)钴、双(1,4-二-叔丁基-二氮杂二烯)钴、双(N,N’-二异丙基乙脒基)钴及双(N-叔丁基-N’-乙基丙脒基)钴。
示例性的含铜反应物包括但不限于双(二甲基氨基-2-丙氧基)铜、双(N,N’-二-仲丁基乙脒基)二铜、双(二甲基氨基乙氧基)铜、双(二乙基氨基-2-丙氧基)铜、双(乙基甲基氨基-2-丙氧基)铜以及双(二甲基氨基-2-甲基-2-丁氧基)铜。
示例性的含铟反应物包括但不限于三甲基铟。示例性含铱反应物包括但不限于三(乙酰丙酮)铱。示例性的含镁反应物包括但不限于双(1,4-二-叔丁基-二氮杂二烯)镁以及双(乙基环戊二烯基)镁。
示例性的含锰反应物包括但不限于双(环戊二烯基)锰、双(乙基环戊二烯基)锰、双(四甲基环戊二烯基)锰(II)、双(五甲基环戊二烯基)锰(II)、双(1,4-二-叔丁基-二氮杂二烯)锰、双(双(三甲基硅基酰胺基))锰、双(双(乙基二甲基硅基酰胺基))锰以及双(N,N’-二异丙基戊脒基)锰。
示例性的含钼反应物包括但不限于六氟化钼(MoF6)、五氯化钼(MoCl5)、二氯二氧化钼(MoO2Cl2)、四氯氧化钼(MoOCl4)及六羰基钼(Mo(CO)6)。在一些情况下，可使用化学式为MoxOxHz的其他含钼氧卤化物，其中H为卤素(氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)或碘(I))，而x、y及z为可形成稳定分子的任何大于0的数。这些包括四氟氧化钼(MoOF4)、二溴二氧化钼(MoO2Br2)及氧碘化钼MoO2I及Mo4O11I。有机金属含钼前体还可与包括含钼前体的示例一起使用，其中该含钼前体具有环戊二烯基配体。进一步的示例包括化学式为Mo2Ln的前体，其中L中的每一者独立选自依托咪酯配体、脒基配体及胍基配体，其中n为2-5。Mo2Ln前体包括多重钼-钼键(例如，双键或者键级2-5的任何多重键)。进一步的示例包括含卤化物杂配钼化合物(即，具有不同配体类型的化合物)。此前体的特定示例为包括钼、与钼形成键的至少一种卤化物以及具有N、O及S元素中的任何一者的至少一个有机配体的化合物，其中这些元素中的任何一者的原子与钼形成键。提供氮或氧键合的合适有机配体的示例包括脒化物、依托咪酯、亚胺吡咯啶盐、二氮杂二烯、β-亚氨基酰胺、α-亚氨基烷氧化物、β-氨基烷氧化物、β-二酮亚胺盐、β-酮亚胺盐、β-二酮酸盐、胺及吡唑盐。提供硫键合的合适有机配体示例包括硫醚、硫醇盐、二硫烯、二硫醇盐及α-亚氨基硫烯。这些配体可以是经取代或未经取代的。在一些实施方案中，这些配体包括一个或更多取代基，其中所述取代基独立选自于由H、烷基、氟烷基、烷基硅基、烷基氨基及烷氧基取代基所构成的群组。有机配体可为中性或阴离子(例如，单阴离子或二阴离子)，且钼可处于各种氧化态，例如+1、+2、+3、+4、+5及+6。
示例性的含钯反应物包括但不限于1-甲基烯丙基(六氟乙酰丙酮)-钯(II)及双(六氟乙酰丙酮)钯。示例性的含铂反应物包括但不限于甲基环戊二烯基三甲基铂。
示例性的含铼反应物包括但不限于五氯化铼。示例性的含钌反应物包括但不限于十二羰基三钌、(2,4-二甲基戊二烯基)乙基环戊二烯基钌、(1-乙基-1,4-环己二烯基)乙基苯钌、双(乙基环戊二烯基)钌及四氧代钌。示例性的含钽反应物包括但不限于叔丁基亚氨基三(二甲基酰胺基)钽。
示例性的含锡反应物包括但不限于四(二甲基氨基)锡、氟化锡(II)、氯化锡(IV)、氯化锡(IV)、溴化锡(IV)、锡烷、氯化三甲基锡、二氯二甲基锡、三氯甲基锡、四乙基锡、四甲基锡、二乙酸二丁基锡、(二甲基氨基)三甲基锡(IV)、双[双(三甲基硅基)胺基]锡(II)、二丁基二苯基锡、六苯基二锡(IV)、四烯丙基锡、四(二乙基氨基)锡(IV)、四乙烯基锡、乙酰丙酮锡(II)、氢化三环己基锡、三甲基(苯基乙炔基)锡、三甲基(苯基)锡、四(乙基甲基氨基)锡、(1,3-双(1,1-二甲基乙基)-4,5-二甲基-(4R,5R)-1,3,2-二氮杂锡烷-2-亚基锡(II)，以及N2,N3-二-叔丁基-丁烷-2,4-二氨基-锡(II)。
示例性的含钛反应物包括但不限于四(二甲基酰胺基)钛。示例性的含钨反应物包括但不限于六氟化钨、六氯化钨、五氯化钨及双(叔丁基亚氨基)双(二甲基酰胺基)钨。示例性的含钇反应物包括但不限于三(异丙基环戊二烯基)钇。示例性的含锌反应物包括但不限于二甲基锌、二乙基锌、二烯丙基锌及双(2-甲基烯丙基)锌。在一些实施方案中，可使用本发明所属技术领域中普通技术人员已知的常规的其他含金属反应物。
对于金属氧化物膜(例如，金属氧化物阻挡物层)的沉积，含金属反应物与含氧反应物配对。示例性的含氧反应物包括但不限于水(H2O)、氧(O2)、过氧化氢(H2O2)、臭氧(O3)、二氧化碳(CO2)以及氧化亚氮(N2O)。对于金属膜(例如，金属晶种层)或金属氮化物膜(例如，金属氮化物晶种层前体)的沉积，含金属反应物与含氮反应物和/或含氢反应物配对。示例性的含氮反应物和/或含氢反应物包括但不限于二氮(N2)、二氢(H2)、联胺(N2H4)、烷基联胺及烷基胺。
在一些实施方案中，可在沉积期间提供一种或更多非反应性气体，以例如作为清扫气体或者等离子体产生气体的一部分。非反应性气体的示例可包括氦、氖、氩、氪等。在一些情况下，可使用氮。
C.用于还原金属氧化物阻挡物层以形成原位金属衬垫的反应物/处理气体
如关于图6及7所描述的，在一些实施方案中，将具有暴露金属氧化物阻挡物层的衬底暴露于还原性气体或还原性等离子体从而将金属氧化物阻挡物层的顶表面还原，以形成原位金属衬垫。
可使用的示例性还原性气体包括但不限于氢(H2)、氨(NH3)、联胺(N2H4)、烷基联胺(例如，N,N’-二甲基联胺及叔丁基联胺)、及包括氮和氢两者的其他物质、及其组合。在使用等离子体的情况下，该等离子体可从这些示例性的还原性气体中的任何一或更多者产生。同样，可在等离子体或处理气体中提供惰性气体。
D.用于将金属氮化物晶种层前体转化为金属晶种层的反应物/处理气体
如关于图8所论述的，在一些实施方案中，可例如通过将衬底暴露于退火处理或等离子体处理工艺以将金属氮化物晶种层前体转化为金属晶种层。
在退火处理期间，可将衬底暴露于如H2或NH3之类的还原性处理气体。可使例如N2或Ar之类的惰性承载气体伴随着还原性气体一起流动。
替代地或附加地，在等离子体处理工艺期间，可将衬底暴露于由例如H2或NH3之类的还原性气体所产生的等离子体。该等离子体可在例如He或Ar之类的惰性载体的协助下产生。
IX.额外的实施方案
上述章节描述了可在某些实施方案中进行的各种处理步骤。根据特定应用的需求，可将这些处理步骤进行组合或省略。此章节提供如何在某些实现方案中组合处理步骤的示例。这些实施方案是示例，而并非意指是限制性的。
在一实施方案中，将具有单一或双重镶嵌结构(例如，形成在电介质材料中的凹陷特征)的衬底暴露于等离子体预处理，以谨慎地电介质材料的顶表面造成损伤，如关于图2所描述的。在等离子体预处理期间，将衬底暴露于在同一反应室(该衬底位于其中)中直接产生的氢(H2)等离子体。该等离子体是在约1.5-3kW(例如，约1.8kW)的RF功率下产生，且持续介于约0-60秒之间(例如，约15秒)的一段时间。接着，在电介质材料的经损伤顶表面上沉积锌氧化物阻挡物层。该锌氧化物阻挡物层经由使用含锌反应物(例如，二乙基锌)及含氧反应物(例如，O2)的CVD来沉积，例如使用关于图3所描述的CVD方法。在进行CVD反应以形成该锌氧化物阻挡物层期间，可在介于约20-500Torr之间(例如，约100Torr)的压强下将该衬底暴露于该反应物气体持续介于约10-300秒之间(例如，约30秒)的一段时间，而将上面放置有衬底的支撑件维持在介于约50-400℃之间(例如，约200℃)的温度。接着，例如使用PVD以在锌氧化物阻挡物层上沉积铜晶种层。在沉积晶种层之后，使用常规铜电镀处理将铜电镀至镶嵌结构的凹陷特征。
在另一实施方案中，将具有单一或双重镶嵌结构的衬底暴露于等离子体预处理，以谨慎地对电介质材料的顶表面造成损伤，如关于图2所描述的。在等离子体预处理期间，将衬底暴露于在同一反应室(该衬底位于其中)中直接产生的氢(H2)等离子体。该等离子体是在约1.5-3kW(例如，约1.8kW)的RF功率下产生，且持续介于约0-60秒之间(例如，约15秒)的一段时间。接着，在电介质材料的经损伤的顶表面上沉积锌氧化物阻挡物层。该锌氧化物阻挡物层使用含锌反应物(例如，二乙基锌)及含氧反应物(例如，O2)并经由CVD来沉积，例如使用关于图3所描述的CVD方法。在进行CVD反应以形成该锌氧化物阻挡物层期间，可在介于约20-500Torr之间(例如，约100Torr)的压强下将该衬底暴露于该反应物气体持续介于约10-300秒之间(例如，约30秒)的一段时间，而将上面放置有衬底的支撑件维持在介于约50-400℃之间(例如，约200℃)的温度。接着，通过使用含铜反应物(例如，铜-氨基烷氧化物)及共反应物(例如，二乙基锌)的ALD沉积铜晶种层，例如使用图4中所描述的ALD方法。在沉积铜晶种层过后，使用常规铜电镀处理将铜电镀至镶嵌结构的凹陷特征。
在另一实施方案中，将具有单一或双重镶嵌结构的衬底暴露于等离子体预处理，以谨慎地对电介质材料的顶表面造成损伤，如关于图2所描述的。在等离子体预处理期间，将衬底暴露于在同一反应室(该衬底位于其中)中直接产生的氧(O2)等离子体。该等离子体在约1.5-3kW(例如，约1.8kW)的RF功率下产生，且持续介于约0-60秒之间(例如，约15秒)的一段时间。接着，在电介质材料的经损伤的顶表面上沉积锡氧化物阻挡物层。该锡氧化物阻挡物层通过使用含锡反应物(例如，四(二甲基氨基)锡或本文所述的其他含锡反应物)及含氧反应物(例如，O2)的等离子体增强ALD来沉积，例如使用图4中所描述的ALD方法。在进行ALD反应以形成该锡氧化物阻挡物层期间，可将该衬底暴露于该反应物气体，而将上面放置有衬底的支撑件维持在介于约50-400℃之间(例如，约200℃)的温度。接着，在该锡氧化物阻挡物层上沉积铜晶种层。在沉积铜晶种层之后，使用常规铜电镀处理将铜电镀至镶嵌结构的凹陷特征。
上述示例中的任何一者(在本章节或本申请各处)可经修改以包括本文所述的一个或更多额外处理。举例来说，可将这些示例修改以包括一步骤，其中将金属氧化物阻挡物层暴露于还原性气体或还原性等离子体，从而使金属氧化物阻挡物层的上表面还原，以形成原位金属衬垫。替代地或附加地，可将这些示例修改以包括一步骤，其中沉积晶种层前体(例如，金属氮化物晶种层前体)，接着将其暴露于退火处理或等离子体处理工艺而使晶种层前体转化为金属晶种层。替代地或附加地，可修改这些示例，使金属氧化物阻挡物层按顺序地使用两种或更多技术(例如，热ALD或热CVD，接着进行等离子体增强ALD或等离子体增强CVD)来沉积。许多修改例是可行的，而所有这样的变更被视为落在所公开实施方案的范围内。
X.装置
通常，本文所述的各种工艺可由任何合适装置或装置组合来执行。合适的装置包括用于实现所述处理步骤的硬件及被配置成使这些处理步骤发生的控制器。各种不同类型的处理被描述于本文中，其例如包括沉积工艺、等离子体处理工艺、基于气体或基于等离子体还原性工艺、退火工艺等。在一些实施方案中，这些步骤中的每一者可在被配置成执行该步骤的装置中进行。举例来说，ALD或CVD沉积步骤可在被配置成执行ALD和/或CVD的装置中进行，而电沉积步骤可在被配置成执行电镀的装置中进行。
在一些情况下，可在单一工具或系统上进行多个处理步骤。这些处理步骤可包括本文所述的所有处理步骤，或其任何子集合。该工具或系统可包括多个不同处理室，其中所述处理室中的每一者可被配置成执行一个或更多特定步骤。处理室以促进在相关处理室之间的衬底传送及处理步骤的方式而结合。
可提供装载锁以确保在将衬底从一处理室传送至另一处理室时不会使衬底暴露于大气。对于衬底包括暴露在其表面上的氧化-敏感材料(例如，金属或金属氮化物)的传送步骤而言，此装载锁会是特别实用的。在一示例中，可将衬底从装载锁传送至沉积或处理晶种层(例如，如关于图7或8所描述)所用的处理室，并接着从该装载锁传送至在晶种层上电镀导电金属所用的处理室中。在所进行传送的衬底包括暴露金属氧化物层的操作中，可省略此装载锁，原因例如在于将金属氧化物层暴露于大气并不预期会对该金属氧化物层造成损害/变化。与常规阻挡物层材料相比，使用金属氧化物阻挡物层可简化处理需求(例如，衬底传送需求)，原因在于在沉积金属氧化物阻挡物层后且在处理下一层之前不需要保护衬底免于暴露于大气。
在一些情况下，本文所述的处理(或其子集合)可由两个或更多装置执行。举例而言，第一装置可被配置成执行下列至少一者：(a)衬底利用等离子体对衬底进行预处理以谨慎地对电介质材料造成损伤，如图2中所描述，和/或(b)在电介质材料上沉积金属氧化物阻挡物层，如关于图3及4所描述的。第二装置可被配置成执行如下项：(a)沉积金属晶种层，如图7中所描述的，以及(b)在晶种层上电镀导电金属。在另一示例中，该第二装置可被配置成执行如下项：(a)将金属氮化物晶种层前体转化为金属晶种层，如图8中所描述的，以及(b)在晶种层上电镀导电金属。在一些这样的示例中，该第二装置可被配置成在(a)之前沉积金属氮化物晶种层前体。替代地，该第一装置可被配置成沉积金属氮化物晶种层前体。该第二装置可进一步被配置成在沉积金属晶种层或金属氮化物晶种层前体之前，将衬底暴露于还原性气体或等离子体使金属氧化物阻挡物层的上表面还原为金属。在该第二装置中执行此步骤会是特别具优势的，使得在将该衬底从第一装置传送至该第二装置时，该衬底的暴露表面是对于大气的氧暴露具有弹性的金属氧化物阻挡物层。
图9-14显示了各种可用于执行本文所述步骤的示例性处理工具。图9示意性显示了处理站900的实施方案，该处理站900可用于沉积原子层沉积(ALD)和/或化学气相沉积(CVD)所使用的材料，其中ALD和CVD中的任何一者是等离子体增强的。举例而言，该处理站900可用于沉积金属氧化物阻挡物层，如关于图3及4所描述的。类似地，处理站900可用于沉积金属晶种层，如关于图7所描述的；或者沉积金属氮化物晶种层前体，如关于图8所描述的。在一些情况下，处理站900还可用于执行一个或更多额外步骤，例如将衬底暴露于等离子体以谨慎地对电介质材料的顶表面造成损伤，如关于图2所描述的；和/或将衬底暴露于还原性气体或等离子体，使金属氧化物阻挡物层的顶表面还原为原位金属衬垫，如关于图6和7所描述的；和/或将该衬底暴露于退火或等离子体，使金属氮化物晶种层前体转化为金属晶种层，如关于图8所描述的。
为简单起见，处理站900被描绘为具有用于维持低压环境的处理室主体902的独立处理站。然而，应当理解，多个处理站900可以包括在共同的处理工具环境中。此外，应当理解，在一些实施方案中，可以由一个或多个计算机控制器以编程方式调整处理站900的一个或多个硬件参数，包括下面详细讨论的那些硬件参数。
处理站900与反应物输送系统901流体连通，以将处理气体输送至分配喷头906。反应物输送系统901包含混合容器904，混合容器604用于共混和/或调节处理气体以输送至喷头906。一个或多个混合容器入口阀920可以对处理气体导入至混合容器904进行控制。类似地，喷头入口阀905可对处理气体导入至喷头906进行控制。
一些反应物(例如二乙基锌)可以在处理站汽化之前以及随后输送到处理站之前以液体形式储存。例如，图9的实施方案包含汽化点903，汽化点903用于汽化将供应至混合容器904的液体反应物。在一些实施方案中，汽化点903可以是加热的蒸发器。从这样的蒸发器产生的反应物蒸气会在下游输送管道凝结。不兼容气体暴露于凝结的反应物会产生小颗粒。这些小颗粒可能阻塞管道、阻碍阀操作、污染衬底等。处理这些问题的一些方法涉及清扫和/或抽空输送管道以去除残留反应物。然而，清扫输送管道会增加处理站循环时间，降低处理站吞吐量。因此，在一些实施方案中，汽化点903下游的输送管道可以被热追踪。在一些示例中，混合容器904也可以被热追踪。在一个非限制性示例中，汽化点903下游的管道具有从约100℃升高至在混合容器904处的约150℃的升高的温度分布.
在一些实施方案中，反应物液体可以在液体喷射器处汽化。例如，液体喷射器可以将液体反应物的脉冲喷射到混合容器上游的载气流中。在一种情况中，液体喷射器可以通过将液体从较高压闪变到较低压来汽化反应物。在另一情况中，液体喷射器可以将液体雾化为接下来在加热的输送管中汽化的分散的微滴。应当理解，较小的液滴可比较大的液滴更快汽化，从而减小了在液体注入和完成汽化之间的延迟。较快的汽化可以减小汽化点903下游的管道长度。在一种情况中，液体喷射器可以直接装载到混合容器904。在另一情况中，液体喷射器可以直接装载到喷头906。
在一些实施方案中，可以在汽化点903上游设置液体流控制器来控制用于汽化并输送至处理站900的液体的质量流量。例如，液体流控制器(LFC)可以包含位于LFC下游的热质量流量计(MFM)。然后可以响应于由与MFM电通信的比例积分微分(PID)控制器提供的反馈控制信号来调节LFC的柱塞阀。然而，其可以采取一秒或更长时间来使用反馈控制以稳定液体流。这可以延长投配液体反应物的时间。因此，在一些实施方案中，LFC可以在反馈控制模式和直接控制模式之间动态切换。在一些实施方案中，LFC可以通过禁用LFC的感测管道和PID控制器来从反馈控制模式动态切换到直接控制模式。
喷头906朝衬底912分配处理气体。在图9所示的实施方案中，衬底912位于喷头906下方，并且示出为安置在基座908上。应当理解，喷头906可以具有任何适当的形状，并可以具有任何适当数量和布置的端口，以将工艺气体分配至衬底912。
在一些实施方案中，微体积907位于喷头906下方。在微体积中而不是在处理站的整个体积中执行ALD和/或CVD处理可以减少反应物暴露和清扫时间，可以减少改变处理条件(例如，压强、温度等)的时间，可以限制处理站机械手对处理气体的暴露等。示例性的微体积大小包括但不限于0.1升和2升之间的容积。这个微量体积也影响生产力吞吐量。当每个循环的沉积速率下降时，循环时间也同时减少。在某些情况下，对于给定的目标膜厚度，循环时间减少的效果足够显著以提高模块的总体产量。
在一些实施方案中，可以升高或降低基座908以使衬底912暴露于微体积907和/或改变微体积907的体积。例如，在衬底传送阶段中，可以降低基座908以使得衬底912能被加载在基座908上。在沉积处理阶段期间，可以升高基座908以将衬底912定位在微体积907内。在一些实施方案中，微体积907可以完全包围衬底912以及基座908的一部分以在沉积处理期间形成高流阻抗的区域。
任选地，基座908可以在沉积处理的部分期间降低和/或升高，以调节微体积907内的处理压强、反应物浓度等。在一种使处理室主体902在沉积处理期间保持在基础压强下的情况下，降低基座908可以使得微体积907能被抽空。微量体积与处理室体积的示例性比率包括但不限于1:900和1:10之间的体积比。应当理解，在一些实施方案中，可以通过合适的计算机控制器以编程方式调整基座高度。
在另一情形中，调整基座908的高度可以使得在沉积处理中包含的等离子体启动和/或处理循环期间改变等离子体密度。在沉积处理阶段结束时，基座908可以在另一衬底转移阶段期间降低，以使得能从基座908移除衬底912。
尽管这里描述的示例性微体积变化涉及高度可调节的基座，但是应当理解，在一些实施方案中，喷头906的位置可以相对于基座908调节以改变微体积907的体积。此外，应当理解的是，基座908和/或喷头906的竖直位置可以通过本公开内容的范围内的任何合适的机构来改变。在一些实施方案中，基座908可包括用于使衬底912的方位旋转的旋转轴线。应该理解的是，在一些实施方案中，这些示例性调节中的一种或多种可以通过一个或多个适当的计算机控制器以编程方式执行。
回到图9所示的实施方案，喷头906和基座908与RF功率源914和匹配网络916电通信以用于对等离子体供电。在一些实施方案中，等离子体的能量可通过控制处理站的压强、气体的浓度、RF源功率、RF源频率以及等离子体功率脉冲时序中的一个或多个来控制。例如，RF功率源914和匹配网络916可在任何合适的功率下进行操作，以形成具有所期望的自由基物质的组分的等离子体。合适的功率的实施例被包含在上文中。类似地，RF功率源914可以提供任何适当频率的RF功率。在一些实施方案中，RF功率源914可以被配置为控制彼此独立的高频RF功率源和低频RF功率源。示例性的低频RF频率可包括但不限于，介于50kHz和900kHz之间的频率。示例性的高频RF频率可包括但不限于，介于1.8MHz和2.45GHz之间的频率。应当理解，任何合适的参数可被离散地或连续地调节以提供用于表面反应的等离子体能量。在一个非限制性示例中，相对于被连续供电的等离子体，可对等离子体功率间歇地施以脉冲，以减少对衬底表面的离子轰击。
在一些实施方案中，等离子体可由一个或多个等离子体监控器原位监控。在一种情况中，等离子体功率可通过一个或多个电压、电流传感器(例如，VI探针)进行监控。在另一种情况下，等离子体密度和/或处理气体的浓度可以由一个或多个光发射光谱传感器(OES)来测量。在一些实施方案中，一个或多个等离子体参数可基于来自这样的原位等离子体监控器的测量结果通过编程方式进行调节。例如，OES传感器可用于反馈回路中以提供对等离子体功率的编程式控制。应理解的是，在一些实施方案中，可使用其它监控器来监控等离子体和其它处理特性。这样的监控器可包括但不限于，红外(IR)监控器、声学监控器、以及压力传感器。
在一些实施方案中，可以经由输入/输出控制(IOC)测序指令来控制等离子体。在一个示例中，用于设置等离子体处理阶段的等离子体条件的指令可被包含在沉积处理配方的相应的等离子体激活配方阶段中。在一些情况下，处理配方阶段可按顺序排列，使得用于沉积处理阶段的所有指令与该处理阶段同时执行。在一些实施方案中，用于设置一个或多个等离子体参数的指令可以包括在等离子体处理阶段之前的配方阶段中。例如，第一配方阶段可以包括用于设定惰性气体和/或反应物气体的流速的指令，用于将等离子体产生器设定到功率设定点的指令，以及用于第一配方阶段的时间延迟指令。后续的第二配方阶段可以包括用于启用等离子体产生器的指令和用于第二配方阶段的时间延迟指令。第三配方阶段可以包括用于禁用等离子体产生器的指令和用于第三配方阶段的时间延迟指令。应当理解，可以在本公开的范围内以任何合适的方式进一步细分和/或迭代这些配方阶段。
在一些沉积处理中，等离子体激励持续时间为几秒或更长。在某些实现方式中，可以使用更短时间的等离子体激励。这些可以是约10ms到1秒，通常是约20到80ms，其中50ms是特定示例。这种非常短的RF等离子体激励需要非常快速地稳定等离子体。为了实现这一点，可以配置等离子体发生器，使得阻抗匹配被设置预设为特定电压，同时允许频率浮动。通常，在约13.56MHz的RF频率下产生高频等离子体。在本文公开的各种实施方案中，允许频率浮动到与该标准值不同的值。通过允许频率浮动同时将阻抗匹配固定到预定电压，等离子体可以更快地稳定，这在使用与某些类型的沉积循环相关联的非常短的等离子体激励时可能是重要的。
在一些实施方案中，基座908可以通过加热器910进行温度控制。此外，在一些实施方案中，沉积处理站900的压力控制可以由蝶形阀918提供。如图9的实施方案所示，蝶形阀918节流由下游真空泵(未示出)提供的真空。然而，在一些实施方案中，还可以通过改变引入处理站900的一种或多种气体的流速来调节处理站900的压力控制。
图10示出了多站式处理工具1000的实施方案的示意图，其具有入站装载锁1002和出站装载锁1004，其一者或者两者可以包含远程等离子体源。在图9的处理站900中可能发生的任何步骤也可以发生在多站式处理工具1000中的一个或多个站中。在大气压下，机械手1006被配置为将晶片从通过晶舟1008装载的盒经由大气端口1010移动至入站装载锁1002内。晶片由机械手1006放置在入站装载锁1002中的基座1012上，关闭大气端口1010，且抽空装载锁。当入站装载锁1002包含远程等离子体源时，晶片在被引入处理室1014之前，可以暴露于装载锁中的远程等离子体处理。此外，晶片另外也可以在入站装载锁1002中加热，例如以移除湿气和吸附的气体。接下来，通向处理室1014的室传输端口1016被打开，且另一个机械手(未示出)将晶片放置到反应器中在所述反应器中所示的第一站的基座上以用于处理。尽管图10所示的实施方案包括装载锁，但是应当理解，在一些实施方案中，可以使晶片直接进入处理站。
绘出的处理室1014包含4个处理站，图10所示的实施方案中编号为1至4。每个站具有加热的基座(对于站1示出为1018)和气体管线入口。应该理解的是，在一些实施方案中，每个处理站可以具有不同或者多个用途。虽然绘出的处理室1014包含4个站，但应理解，根据本公开所述的处理室可以具有任何适当数量的站。例如，在一些实施方案中，处理室可以具有5个或更多个站，而在其它实施方案中，处理室可以具有3个或者更少的站。
图10还绘出了用于在处理室1014内传输晶片的晶片搬运系统1090的实施方案。在一些实施方案中，晶片搬运系统1090可以在各种处理站之间和/或处理站与装载锁之间传输晶片。应该理解的是，可以采用任何适当的晶片搬运系统。非限制性示例包含晶片转盘和搬运晶片的机械手。图10还绘出了用于控制处理工具1000的处理条件和硬件状态的系统控制器1050的实施方案。系统控制器1050可以包含一个或多个存储器设备1056、一个或多个海量存储设备1054和一个或多个处理器1052。处理器1052可以包含CPU或者计算机、模拟和/或数字输入/输出连接、步进马达控制器板等。
在一些实施方案中，系统控制器1050控制处理工具1000的所有活动。系统控制器1050执行存储在海量存储设备1054、载入存储器设备1056、并在处理器1052上执行的系统控制软件1058。系统控制软件1058可以包含用于控制时序、气体的混合、室和/或站压强、室和/或站温度、清扫条件和时序、晶片温度、RF功率等级、RF频率、衬底、基座、卡盘和/或基座位置、以及由处理工具1000执行的特定处理的其它参数的指令。系统控制软件1058可以以任何适当的方式配置。例如，各种处理工具组件子程序或者控制对象可以写入以控制根据所公开的方法执行各种处理工具处理所必需的处理工具组件的操作。系统控制软件1058可以以任何适当的计算机可读编程语言来编码。
在一些实施方案中，系统控制软件1058可以包含用于控制上述各种参数的输入/输出控制(IOC)测序指令。例如，PEALD处理的每个阶段可以包括用于由系统控制器1050执行的一个或多个指令。用于设置PEALD处理阶段的处理条件的指令可以包括在相应的PEALD配方阶段中。在一些实施方案中，可以顺序地布置PEALD配方阶段，使得PEALD处理阶段的所有指令与该处理阶段同时执行。
在一些实施方案中可以采用存储在与系统控制器1050关联的海量存储设备1054和/或存储器设备1056上的其它计算机软件和/或程序。用于该目的的程序或者程序段的示例包含衬底定位程序、处理气体控制程序、压力控制程序、加热器控制程序、以及等离子体控制程序。
衬底定位程序可以包含用于处理工具组件的程序代码，该处理工具组件用于将衬底装载到基座1018，并控制衬底和处理工具1000的其它部分之间的间隔。
处理气体控制程序可以包括用于控制气体组分和流速以及可选地用于在沉积之前使气体流入一个或多个处理站以便稳定处理站中的压强的代码。处理气体控制程序可包括用于控制任何公开范围内的气体组成和流速的代码。压力控制程序可以包含用于通过调节例如在处理站的排放系统中的节流阀、流入处理站内的气流等等来控制处理站内的压强的代码。压力控制程序可以包括用于将处理站中的压强保持在任何所公开的压强范围内的代码。
加热器控制程序可以包括用于控制流到加热单元的电流的代码，该加热单元用于加热衬底。替代地，加热器控制程序可以控制传热气体(例如氦气)向衬底的传送。加热器控制程序可以包括将衬底的温度保持在任何公开范围内的指令。
等离子体控制程序可以包括用于设置施加到一个或多个处理站中的处理电极的RF功率等级和频率的代码，例如使用本文公开的任何RF功率等级。等离子体控制程序还可以包括用于控制每次等离子体暴露的持续时间的代码。
在一些实施方案中，可以存在与系统控制器1050相关联的用户界面。用户界面可以包含显示屏、装置和/或处理条件的图形软件显示器、以及诸如定点设备、键盘、触摸屏、麦克风等用户输入设备。
在一些实施方案中，由系统控制器1050调节的参数会涉及处理条件。非限制性示例包含处理气体组成和流率、温度、压强、等离子体条件(例如，RF功率水平、频率和暴露时间)等。这些参数可以以配方的形式提供给用户，配方可以利用所述用户界面输入。
用于监控处理的信号可以由系统控制器1050的模拟和/或数字输入连接件从各种处理工具传感器提供。用于控制处理的信号可以通过处理工具1000的模拟和/或数字输出连接件输出。可被监控的处理工具传感器的非限制性示例包含质量流量控制器、压力传感器(例如压力计)、热电偶等等。经适当编程的反馈和控制算法可以与来自这些传感器的数据一起使用，以保持处理条件。
可以使用任何合适的室来实施所公开的实施方案。示例性ALD和CVD沉积设备包括但不限于来自
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产品系列、
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产品系列、
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产品系列、和/或
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产品系列的装置，上述产品系列中的每一者可从加利福尼亚州弗里蒙特的LamResearch Corp.获得，或者各种其他可商购获得的处理系统中的任一种。两个或更多个站可以执行相同的功能。类似地，两个或更多个站可以执行不同的功能。可以根据需要设计/配置每个站以执行特定的功能/方法。
图11是根据某些实施方案的适用于进行薄膜沉积处理的处理系统的框图。系统1100包括传送模块1103。传送模块1103提供清洁、加压的环境，以最小化当正被处理的衬底在各个反应器模块之间移动时被污染的风险。根据某些实施方案，安装在传送模块1103上的是两个多站式反应器1109和1110，每个反应器能够执行原子层沉积(ALD)和/或化学气相沉积(CVD)。反应器1109和1110可以包括多个站1111、1113、1115和1117，其可以根据所公开的实施方案顺序地或非顺序地执行操作。这些站可包括加热的基座或衬底支撑件、一个或多个气体入口或喷头或分散板。
还安装在传输模块1103上的是能够执行等离子体或化学(非等离子体)预清洁、处理、或关于所公开方法所描述的任何其他工艺的一或更多单一或多站模块1107A及1107B。虽然仅显示了两模块1107A及1107B，但能理解的是可根据特定应用的需求而提供额外模块。可将模块1107A及1107B中的每一者独立被配置成执行本文所述的一个或更多非ALD步骤及非CVD步骤，例如将衬底暴露于等离子体以谨慎地对电介质材料的顶表面造成损伤，如关于图2所描述；和/或将该衬底暴露于还原性气体或等离子体，以将金属氧化物阻挡物层的顶表面还原成原位金属衬垫，如关于图6及7所描述的；和/或将该衬底暴露于退火或等离子体，以将金属氮化物晶种层前体转化为金属晶种层，如关于图8所描述；和/或在晶种层上电镀导电金属。举例而言，在将这些模块1107A/1107B中的一或更多者被配置成执行电镀的情况下，模块1107A/1107B可如关于图12所描述。在特定实施方案中，系统1100包括足够数量的模块(例如，类似于模块1107A及1107B)以完成本文所述的各步骤。在一些情况下，可将模块1107A和/或1107B使用于各种其他用途，例如执行蚀刻或研磨。
系统1100还包括一个或多个晶片源模块1101，其中在处理之前和之后存储晶片。大气传送室1119中的大气机械手(未示出)可以首先将晶片从源模块1101移动到装载锁1121。传送模块1103中的晶片传送装置(通常是机械臂单元)将晶片从装载锁1121移动到安装在传送模块1103上的模块中以及在安装在传送模块1103上的模块中。
在多种实施方案中，系统控制器1129用于控制沉积过程中的处理条件。控制器1129通常将包括一或多个存储器设备和一或多个处理器。处理器可包括CPU或计算器、模拟和/或数字输入/输出连接部、步进马达控制器板，等等。
控制器1129可控制沉积装置的活动中的全部。系统控制器1129执行系统控制软件，系统控制软件包括用于控制定时、气体的混合物、室压、室温、晶片温度、射频(RF)功率等级、晶片卡盘或基座位置以及特殊处理的其他参数的成组的指令。存储在与控制器1129相关联的存储器设备的其他计算机程序可在一些实施方案中被采用。
通常会有与控制器1129相关联的用户界面。用户界面可包括显示屏、该装置和/或处理条件的图形软件显示器以及诸如指点设备、键盘、触摸屏、话筒等用户输入设备。
系统控制逻辑可以用任何合适的方式来配置。一般而言，该逻辑可被设计或配置在硬件和/或软件中。用于控制驱动电路的指令可被硬编码或作为软件被提供。指令可通过“编程”提供。这种编程被理解为包括任何形式的逻辑，包括数字信号处理器、专用集成电路以及具有实现为硬件的具体算法的其他器件中的硬编码逻辑。编程还被理解为包括可在通用处理器上执行的软件或固件指令。系统控制软件可以任何合适的计算机可读编程语言进行编码。
用于控制反应物流动以及工艺序列中的其他工艺的计算机程序代码可以任何常用计算机可读编程语言：例如，汇编语言、C、C++、Pascal、Fortran或其他编写。编译的目标代码或脚本由处理器执行以完成程序中所识别的任务。同样如所指示的，程序代码可以是硬编码的。
控制器参数与处理条件有关，诸如，例如处理气体组分和流率、温度、压强、冷却气压、衬底温度以及室壁温度。这些参数以配方的形式被提供给用户，且可利用用户界面输入。用于监控处理的信号可通过系统控制器1129的模拟和/或数字输入连接被提供。用于控制处理的信号通过沉积装置1100的模拟和数字输出连接被输出。
可以以许多不同方式设计或配置系统软件。例如，根据所公开的实施方案，可以编写各种室部件子程序或控制对象以控制执行沉积处理(以及在一些情况下的其他处理)所必需的室部件的操作。用于该目的的程序或程序段的示例包括衬底定位代码、处理气体控制代码、压力控制代码和加热器控制代码。
图12呈现其中可发生电镀的电镀槽的示例。举例来说，参照图1，可在图12的电镀槽中沉积导电金属109。通常，电镀设备包括一个或多个电镀槽，在该电镀槽中处理衬底(例如，晶片)。未清楚起见，图12中仅显示了一个电镀槽。为了优化自下而上的电镀，可将添加剂(例如促进剂、抑制剂和整平剂)添加到电解液中；然而，含有添加剂的电解液可能以不可取的方式与阳极发生反应。因此，电镀槽的阳极区和阴极区有时被膜隔开，使得不同组成的电镀液可用于每个区域。阴极区中的镀液称为阴极电解液；而阳极区中的镀液被称为阳极电解液。为了将阳极电解液和阴极电解液引入电镀设备，可使用多种工程化设计。
参见图12，示出了根据一个实施方案的电镀装置1201的示意性剖视图。电镀浴1203包含电镀溶液(具有如本文所提供的组合物)，其以液面1205显示。该容器的阴极电解液部分适用于将衬底接收在阴极电解液中。晶片1207浸入电镀溶液中并由例如安装在可旋转心轴1211上的“掀盖式”衬底保持器1209保持，所述可旋转心轴允许掀盖式衬底保持器1209与晶片1207一起旋转。
阳极1213设置在电镀浴1203内的晶片下方并且通过膜1215，优选地离子选择性膜与晶片区域隔开。例如，可以使用NafionTM阳离子交换膜(CEM)。阳极膜下方的区域通常被称为“阳极室”。离子选择性阳极膜1215允许电镀槽的阳极区域和阴极区域之间的离子连通，同时防止在阳极处产生的颗粒进入晶片附近并污染它。阳极膜也可用于在电镀过程中重新分配电流，从而提高电镀均匀性。离子交换膜，诸如阳离子交换膜，尤其适用于这些应用。这些膜通常由离聚物材料制成，诸如含有磺酸基的全氟共聚物(例如NafionTM)、磺化聚酰亚胺和本领域技术人员已知的适用于阳离子交换的其他材料。合适的NafionTM膜的所选示例包括可从Dupont de Nemours Co.购得的N324和N424膜。
在电镀期间，来自电镀溶液的离子沉积在衬底上。金属离子必须扩散通过扩散边界层并进入互连件孔或其他特征结构。辅助扩散的典型方式是通过由泵1217提供的电镀溶液的对流。另外，可使用振动搅拌或声波搅拌构件以及晶片旋转。例如，振动换能器1208可附接到掀盖式衬底保持器1209。
镀液由泵1217连续提供至电镀槽1203。通常，镀液向上流过阳极膜1215和扩散板1219到达晶片1207的中心，然后径向向外流过晶片1207。镀液也可以从镀浴1203的一侧提供到浴的阳极区中。然后镀液从镀浴1203溢出到溢流槽1221。然后镀液被过滤(未显示)并返回到泵1217，从而完成镀液的再循环。在电镀槽的某些配置中，不同的电解质循环通过电镀槽中包含阳极的部分，同时使用微渗透膜或离子选择性膜防止其与主镀液混合。
参比电极1231位于镀浴1203外部的单独室1233中，该室通过来自主镀浴1203的溢流进行补充。或者，在一些实施方案中，参比电极尽可能靠近衬底表面定位，并且参比电极室经由毛细管或通过另一种方法连接到晶片衬底的侧面或晶片衬底的正下方。在一些优选实施方案中，该装置还包括接触感测引线，其连接到晶片外周并且被配置为感测晶片外周处的金属晶种层的电势但不携带到晶片的任何电流。
当需要在受控电势下进行电镀时，通常使用参比电极1231。参比电极1231可以为多种常用类型中的一种，例如汞/硫酸汞、氯化银、饱和甘汞或铜金属。除了参比电极之外，在一些实施方案中还可使用与晶片1207直接接触的接触感测引线以用于更精确的电势测量(未示出)。
DC电源1235可用于控制流向晶片1207的电流。电源1235具有通过一个或多个滑环、电刷和触点(未示出)电连接到晶片1207的负输出引线1239。电源1235的正输出引线1241电连接到位于镀浴1203中的阳极1213。电源1235、参比电极1231和接触感测引线(未示出)可连接到系统控制器1247，其允许调节提供给电镀单元的元件的电流和电势等其他功能。例如，控制器可以允许在电势控制和电流控制范围内进行电镀。控制器可包括程序指令，该程序指令指定需要施加到电镀槽的各种元件的电流和电压水平，以及需要改变这些水平的时间。当施加正向电流时，电源1235将晶片1207偏置成相对于阳极1213具有负电势。这导致电流从阳极1213流向晶片1207，并在晶片表面(阴极)上发生电化学还原(例如Cu2++2e-＝Cu0)，这导致晶片表面沉积导电层(例如铜)。惰性阳极1214可安装在电镀浴1203内的晶片1207下方，并通过膜1215与晶片区域隔开。
该装置还可以包括用于将电镀溶液的温度维持在特定水平的加热器1245。电镀溶液可用于将热量传递给电镀浴的其他元件。例如，当将晶片1207装载到电镀浴中时，可开启加热器1245和泵1217以使电镀溶液循环通过电镀装置1201直到整个装置的温度变得基本均匀。在一个实施方案中，加热器连接到系统控制器1247。系统控制器1247可连接到热电偶以接收电镀装置内的电镀溶液温度的反馈并确定需要附加的加热。
控制器将通常包括一个或多个存储设备和一个或多个处理器。处理器可包括CPU或计算机、模拟和/或数字输入/输出连接、步进电机控制器板等。在某些实施方案中，控制器控制电镀设备的所有活动。根据本实施方案的包含用于控制过程操作的指令的非暂时性机器可读介质可耦合到系统控制器。
通常将存在与控制器1247相关联的用户界面。该用户界面可包括显示屏、设备和/或工艺条件的图形软件显示、以及用户输入设备诸如指点设备、键盘、触摸屏、麦克风等。可以任何传统的计算机可读编程语言编写用于控制电镀过程的计算机程序代码：例如，汇编语言、C、C++、Pascal、Fortran或其他语言。编译后的目标代码或脚本由处理器执行以执行程序中标识的任务。根据本文的实施方案可使用的电镀装置的一个示例是Lam ResearchSaber工具。电沉积可在形成更大电沉积装置的部件中进行。
图13显示了示例性电沉积装置的顶视图的示意图。电沉积装置1300可包括三个独立的电镀模块1302、1304和1306。电沉积装置1300还可包括被配置用于各种工艺操作的三个独立模块1312、1314和1316，包括本文所述的操作。例如，在一些实施方案中，模块1312、1314和1316中的一个或多个可以为旋转漂洗干燥(SRD)模块。在这些或其他实施方案中，模块1312、1314和1316中的一个或多个可以为后电填充模块(PEM)，每个模块被配置为在它们已经由电镀模块1302、1304和1306中的一者处理之后对衬底执行一种功能，诸如边缘倒角去除、背面蚀刻和酸洗。在这些或其他实施方案中，可将模块1312、1314及1316中的每一者独立地被配置成执行本文所述的一个或更多步骤，例如将衬底暴露于等离子体以谨慎地对电介质材料的顶表面造成损伤，如关于图2所描述的；和/或通过CVD和/或ALD沉积金属氧化物阻挡物层，如关于图3及4所分别描述的；和/或将该衬底暴露于还原性气体或等离子体，以将金属氧化物阻挡物层的顶表面还原成原位金属衬垫，如关于图6及7所描述的；和/或沉积金属晶种层或金属氮化物晶种层前体，如关于图7及8所描述的；和/或将该衬底暴露于退火或等离子体，以将金属氮化物晶种层前体转化为金属晶种层，如关于图8所描述的。虽然仅显示三个模块1312、1314及1316以执行电镀之外的操作，但应理解的是可适当地为特定应用提供任何数量的模块。
电沉积装置1300包括中央电沉积室1324。中央电沉积室1324是容纳用作电镀模块1302、1304和1306中的电镀溶液的化学溶液的室。电沉积装置1300还包括配料系统1326，其可储存和输送用于电镀溶液的添加剂。化学稀释模块1322可储存和混合用作蚀刻剂的化学物质。过滤和泵送单元1328可过滤用于中央电沉积室1324的电镀溶液并将其泵送至电镀模块。
系统控制器1330提供操作电沉积装置1300所需的电子和界面控制。系统控制器1330(其可包括一个或多个物理或逻辑控制器)控制电镀装置1300的一些或所有特性。
用于监控过程的信号可通过系统控制器1330的模拟和/或数字输入连接件从各种过程工具传感器提供。用于控制过程的信号可在过程工具的模拟和数字输出连接件上输出。可被检测的过程工具传感器的非限制性示例包括质量流量控制器、压力传感器(例如压力计)、热电偶、光学位置传感器等。适当编程的反馈和控制算法可与来自这些传感器的数据一起使用以维持过程条件。
移交工具1340可以从诸如盒1342或盒1344的衬底盒中选择衬底。盒1342或1344可以为前开式统一吊舱(FOUP)。FOUP是一种封闭件，其被设计成将衬底牢固且安全地保持在受控环境中，并允许衬底被移除以通过配备有适当装载端口和机械手处理系统的工具进行处理或测量。移交工具1340可使用真空附接或一些其他附接机制来保持衬底。
移交工具1340可与晶片处理站1332、盒1342或1344、传送站1350或对准器1348连接。移交工具1346可从传送站1350接近衬底。传送站1350可以是一个槽或一个位置，移交工具1340和1346可以从该槽或位置传递衬底而不经过对准器1348。然而，在一些实施方案中，为了确保衬底在移交工具1346上正确对准以精确传送到电镀模块，移交工具1346可以将衬底与对准器1348对准。移交工具1346也可将衬底传送到电镀模块1302、1304或1306中的一者或传送到被配置成用于各种工艺操作的三个独立模块1312、1314和1316中的一者。
根据上述方法的工艺操作的示例可进行如下：(1)在电镀模块1304中将铜或其他材料电沉积到衬底上；(2)在模块1312的SRD中冲洗和干燥衬底；以及(3)在模块1314中执行边缘斜角去除。
被配置为允许衬底通过顺序电镀、漂洗、干燥和PEM工艺操作有效循环的装置可用于在制造环境中使用的各种实施。为实现这一点，模块1312可被配置作为旋转漂洗烘干机和边缘斜角去除室。使用此类模块1312，衬底将仅需要在电镀模块1304和模块1312之间传输以用于镀铜和EBR操作。在一些实施方案中，本文描述的方法将在包括电镀装置和步进器的系统中实施。
电沉积装置1400的另选实施方案示意性地示于图14中。在该实施方案中，电沉积装置1400具有成对或多个“双重”配置的一组电镀单元1407，每个电镀单元容纳电镀浴。除了电镀本身，电沉积装置1400还可以执行各种其他电镀和非电镀相关工艺和子步骤，例如旋转漂洗、旋转干燥、金属和硅湿法蚀刻、化学沉积、预润湿和化学前处理、还原、退火、等离子体处理、原子层沉积、化学气相沉积、电蚀刻和/或电抛光、光抗蚀剂剥离和表面预激活等。可以在图13的各个模块中执行的任何步骤都可以在电沉积装置1400中执行。电沉积装置1400在图14中示意性地自上而下示出。在图14中，并且图中仅显示了一个水平面或“地板”，但是本领域的普通技术人员很容易理解此类装置，例如，Lam SabreTM3D工具，可以具有彼此“堆叠的”两个或更多个平面，其各自都可能具有相同或不同类型的处理站。
在此参见图14，待电镀的衬底1406一般通过前端装载FOUP1401馈送到电沉积装置1400，并且在该示例中，经由前端机械手1402从FOUP带到电沉积装置1400的主衬底处理区域，该前端机械手可使由心轴1403驱动的衬底1406在多个维度上从可访问的一个站到另一个站(在该示例中示出了两个前端可访问站1404和另两个前端可访问站1408)缩回和移动。前端可访问站1404和1408可包括例如预处理站和旋转漂洗干燥(SRD)站。前端机械手1402从一侧到另一侧的横向移动是利用机械手轨道1402a完成的。衬底1406中的每一个可由杯/锥组件(未显示)固定，该组件由连接到马达(未显示)的心轴1403驱动，并且马达可附接至安装支架1409。该示例中还示出了电镀单元1407的四个“重复部分”，总共有八个电镀单元1407。系统控制器(未示出)可耦合到电沉积装置1400以控制电沉积装置1400的一些或所有特性。系统控制器可被编程或以其他方式被配置为根据本文先前描述的方法来执行指令。
在一些实现方案中，控制器是系统的一部分，该系统可以是上述示例的一部分。这样的系统可以包括半导体处理设备，半导体处理设备包括一个或多个处理工具、一个或多个室、用于处理的一个或多个平台、和/或特定处理部件(晶片基座、气体流系统等)。这些系统可以与用于在半导体晶片或衬底的处理之前、期间和之后控制它们的操作的电子器件集成。电子器件可以被称为“控制器”，其可以控制一个或多个系统的各种部件或子部件。根据处理要求和/或系统类型，控制器可以被编程以控制本文公开的任何工艺，包括处理气体的输送、温度设置(例如加热和/或冷却)、压力设置、真空设置、功率设置、射频(RF)产生器设置、RF匹配电路设置、频率设置、流率设置、流体输送设置、位置和操作设置、晶片转移进出工具和其他转移工具和/或与具体系统连接或通过接口连接的装载锁。
从广义上讲，控制器可以定义为电子器件，电子器件具有接收指令、发出指令、控制操作、启用清洁操作、启用端点测量等的各种集成电路、逻辑、存储器和/或软件。集成电路可以包括存储程序指令的固件形式的芯片、数字信号处理器(DSP)、定义为专用集成电路(ASIC)的芯片、和/或执行程序指令(例如，软件)的一个或多个微处理器或微控制器。程序指令可以是以各种单独设置(或程序文件)的形式发送到控制器的指令，单独设置(或程序文件)定义用于在半导体晶片或系统上或针对半导体晶片或系统执行特定工艺的操作参数。在一些实施方案中，操作参数可以是由工艺工程师定义的配方的一部分，以在一或多个(种)层、材料、金属、氧化物、硅、二氧化硅、表面、电路和/或晶片的管芯的制造期间完成一个或多个处理步骤。
在一些实现方案中，控制器可以是与系统集成、耦合到系统、以其它方式联网到系统或其组合的计算机的一部分或耦合到该计算机。例如，控制器可以在“云”中或是晶片厂(fab)主机系统的全部或一部分，其可以允许对晶片处理的远程访问。计算机可以实现对系统的远程访问以监视制造操作的当前进展、检查过去制造操作的历史、检查多个制造操作的趋势或性能标准，改变当前处理的参数、设置处理步骤以跟随当前的处理、或者开始新的工艺。在一些示例中，远程计算机(例如服务器)可以通过网络(其可以包括本地网络或因特网)向系统提供工艺配方。远程计算机可以包括使得能够输入或编程参数和/或设置的用户界面，然后将该参数和/或设置从远程计算机发送到系统。在一些示例中，控制器接收数据形式的指令，其指定在一个或多个操作期间要执行的每个处理步骤的参数。应当理解，参数可以特定于要执行的工艺的类型和工具的类型，控制器被配置为与该工具接口或控制该工具。因此，如上所述，控制器可以是例如通过包括联网在一起并朝着共同目的(例如本文所述的工艺和控制)工作的一个或多个分立的控制器而呈分布式。用于这种目的的分布式控制器的示例是在与远程(例如在平台级或作为远程计算机的一部分)的一个或多个集成电路通信的室上的一个或多个集成电路，其组合以控制在室上的工艺。
示例系统可以包括但不限于等离子体蚀刻室或模块、沉积室或模块、旋转漂洗室或模块、金属电镀室或模块、清洁室或模块、倒角边缘蚀刻室或模块、物理气相沉积(PVD)室或模块、化学气相沉积(CVD)室或模块、原子层沉积(ALD)室或模块、原子层蚀刻(ALE)室或模块、离子注入室或模块、轨道室或模块、以及可以与半导体晶片的制造和/或制备相关联或用于半导体晶片的制造和/或制备的任何其它半导体处理系统。
如上所述，根据将由工具执行的一个或多个处理步骤，控制器可以与一个或多个其他工具电路或模块、其它工具部件、群集工具、其他工具接口、相邻工具、邻近工具、位于整个工厂中的工具、主计算机、另一控制器、或在将晶片容器往返半导体制造工厂中的工具位置和/或装载口运输的材料运输中使用的工具通信。
结论
尽管出于清楚理解的目的已经对前述实施方案进行了一些详细描述，但是将显而易见的是可在所附权利要求的范围内实施某些改变和修改。可在不具有这些具体细节中的一些或全部的情况下实践本文所公开的实施方案。应当注意，存在实施本发明实施方案的过程、系统和装置的许多替代方式。因此，本发明实施方案应被认为是说明性的而非限制性的，并且这些实施方案不限于本文给出的细节。

Claims (33)

1.一种在衬底上形成互连件结构或所述互连件结构的一部分的方法，所述方法包括：
a.在处理室中接收所述衬底，所述衬底包括电介质材料，在所述电介质材料中形成有凹陷特征，其中所述互连件结构待形成于所述凹陷特征中，其中所述电介质材料被暴露于所述凹陷特征内；
b.将所述衬底暴露于等离子体，以使所述电介质材料的顶表面改性；以及
c.在(b)之后，在所述电介质材料的经改性的所述顶表面上形成金属氧化物阻挡物层，其中所述金属氧化物阻挡物层至少部分地通过原子层沉积和/或化学气相沉积而形成。
2.根据权利要求1所述的方法，其中于(b)中将所述衬底暴露于等离子体使所述电介质材料的所述顶表面粗糙化。
3.根据权利要求1所述的方法，其中于(b)中将所述衬底暴露于等离子体促进(c)中的所述金属氧化物阻挡物层的成核性，并且改善所述电介质材料与所述金属氧化物阻挡物层之间的粘附性。
4.根据权利要求1所述的方法，其中于(b)中将所述衬底暴露于等离子体包括将所述衬底暴露于由工艺气体产生的等离子体，所述工艺气体选自于由下列项所构成的群组：H2、O2、NH3、CO2、N2O、N2及其组合。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属氧化物阻挡物层包括从由下列所构成的群组中选择的材料：铝氧化物、铜氧化物、铟氧化物、镁氧化物、锰氧化物、钌氧化物、锡氧化物、钛氧化物、钨氧化物、锌氧化物及其组合。
6.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述金属氧化物阻挡物层包括(i)通过热原子层沉积或热化学气相沉积形成所述金属氧化物阻挡物层的第一部分，以及(ii)通过等离子体增强原子层沉积或等离子体增强化学气相沉积形成所述金属氧化物阻挡物层的第二部分，其中所述金属氧化物阻挡物层的所述第一部分是在所述金属氧化物阻挡物层的所述第二部分之前形成。
7.根据权利要求1所述的方法，其中使用从由下列项所构成的群组中选择的含金属反应物而形成所述金属氧化物阻挡物层：含镁反应物、含钛反应物、含钼反应物、含钨反应物、含钌反应物、含钴反应物、含铜反应物、含锌反应物、含铝反应物、含铟反应物、含锡反应物、含锰反应物及其组合。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述含金属反应物选自于由下列项所构成的群组：双(1,4-二-叔丁基-二氮杂二烯)镁、双(乙基环戊二烯基)镁、四(二甲基酰胺基)钛、六氟化钼、五氯化钼、二氯二氧化钼、四氯氧化钼、六羰基钼、六氯化钨、十二羰基三钌、八羰基二钴、双(二甲基氨基-2-丙氧基)铜、双(二甲基氨基乙氧基)铜、双(二乙基氨基-2-丙氧基)铜、双(乙基甲基氨基-2-丙氧基)铜、双(二甲基氨基-2-甲基-2-丁氧基)铜、双(N,N’-二-仲丁基乙脒基)二铜、二甲基锌、二乙基锌、二烯丙基锌、双(2-甲基烯丙基)锌、三甲基铝、三甲基铟、四(二甲基氨基)锡、氯化锡(IV)、氯化锡(IV)、溴化锡(IV)、锡烷、氯化三甲基锡、二氯二甲基锡、三氯甲基锡、四乙基锡、四甲基锡、二乙酸二丁基锡、(二甲基氨基)三甲基锡(IV)、双[双(三甲基硅基)氨基]锡(II)、二丁基二苯基锡、六苯基二锡(IV)、四烯丙基锡、四(二乙基氨基)锡(IV)、四乙烯基锡、乙酰丙酮锡(II)、氢化三环己基锡、三甲基(苯基乙炔基)锡、三甲基(苯基)锡、四(乙基甲基氨基)锡、(1,3-双(1,1-二甲基乙基)-4,5-二甲基-(4R,5R)-1,3,2-二氮杂锡烷-2-亚基锡(II)、N2,N3-二-叔丁基-丁烷-2,4-二氨基-锡(II)、双(环戊二烯基)锰、双(乙基环戊二烯基)锰、双(四甲基环戊二烯基)锰、双(五甲基环戊二烯基)锰、双(1,4-二-叔丁基-二氮杂二烯)锰、双(双(三甲基硅基酰胺基))锰、双(双(乙基二甲基硅基酰胺基))锰、双(N,N’-二异丙基戊脒基)锰及其组合。
9.根据权利要求1所述的方法，其还包括：
在(c)之后，将所述衬底暴露于还原性气体，从而还原所述金属氧化物阻挡物层的顶表面，并且在所述金属氧化物阻挡物层上形成原位金属衬垫。
10.根据权利要求1所述的方法，其还包括：
在(c)之后，将所述衬底暴露于由还原性气体所产生的还原性等离子体，从而还原所述金属氧化物阻挡物层的顶表面，并且在所述金属氧化物阻挡物层上形成原位金属衬垫。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中将所述衬底暴露于所述还原性气体或所述还原性等离子体使后续沉积层的粘附性改善。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述后续沉积层为金属晶种层或金属氮化物晶种层前体。
13.根据权利要求9或10所述的方法，其中所述还原性气体包括H2和/或包含氮和氢两者的分子。
14.根据权利要求1所述的方法，其还包括：
在(c)之后，通过原子层沉积或化学气相沉积在所述衬底上形成金属晶种层或金属氮化物晶种层前体。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述金属晶种层或所述金属氮化物晶种层前体包括从由下列项所构成的群组中选择的金属：铜、钴、铱、钼、钯、钌、钨及其组合。
16.根据权利要求14所述的方法，其中使用从由下列项所构成的群组中选择的含金属反应物以沉积所述金属晶种层或所述金属氮化物晶种层前体：含钼反应物、含钨反应物、含钌反应物、含钴反应物、含铱反应物、含铜反应物、含钯反应物及其组合。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述含金属反应物选自于由下列项所构成的群组：六氟化钼、五氯化钼、二氯二氧化钼、四氯氧化钼、六羰基钼、六氟化钨、六氯化钨、五氯化钨、双(叔丁基亚氨基)双(二甲基酰胺基)钨、十二羰基三钌、(2,4-二甲基戊二烯基)乙基环戊二烯基钌、(1-乙基-1,4-环己二烯基)乙基苯钌、双(乙基环戊二烯基)钌、四氧代基钌、八羰基二钴、(2-叔丁基烯丙基)三羰基钴、(3,3-二甲基-1-丁炔)六羰基二钴、环戊二烯基二羰基钴、双(1,4-二异丙基-二氮杂二烯)钴、双(1,4-二-叔丁基-二氮杂二烯)钴、双(N,N’-二异丙基乙脒基)钴、双(N-叔丁基-N’-乙基丙脒基)钴、三(乙酰丙酮)铱、双(二甲基氨基-2-丙氧基)铜、双(二甲基氨基乙氧基)铜、双(二乙基氨基-2-丙氧基)铜、双(乙基甲基氨基-2-丙氧基)铜、双(二甲基氨基-2-甲基-2-丁氧基)铜、双(N,N’-二-仲丁基乙脒基)二铜、1-甲基烯丙基(六氟乙酰丙酮)-钯(II)、双(六氟乙酰丙酮)钯及其组合。
18.根据权利要求14所述的方法，其还包括通过原子层沉积和/或化学气相沉积在所述金属氧化物阻挡物层上形成衬垫，其中所述衬垫是在形成所述金属晶种层或所述金属氮化物晶种层前体之前形成。
19.根据权利要求14所述的方法，其还包括将所述衬底暴露于退火工艺或等离子体处理工艺，从而将所述金属氮化物晶种层前体转化为所述金属晶种层。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述退火工艺或所述等离子体处理工艺将铜氮化物晶种层前体转化为铜晶种层。
21.根据权利要求1所述的方法，其中(c)中形成所述金属氧化物阻挡物层包括(i)形成阻挡物层前体，所述阻挡物层前体包括从由元素金属、金属碳化物及金属氮化物所构成的群组中选择的至少一种材料，其中所述阻挡物层前体通过原子层沉积和/或化学气相沉积形成，以及(ii)将所述阻挡物层前体暴露于含氧大气，从而将所述阻挡物层前体转化为所述金属氧化物阻挡物层。
22.一种在衬底上形成互连件结构或所述互连件结构的一部分的系统，该系统包括：
a.第一处理室；以及
b.控制器，其具有至少一个处理器和存储器，其中所述至少一个处理器与所述存储器彼此通信连接，且所述存储器储存计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于控制所述至少一个处理器以致使：
i.在所述第一处理室中接收所述衬底，所述衬底包括电介质材料，在所述电介质材料中形成有凹陷特征，其中所述互连件结构待形成于所述凹陷特征中，其中所述电介质材料被暴露于所述凹陷特征内；
ii.将所述衬底暴露于所述第一处理室中的等离子体，以使所述电介质材料的顶表面改性；以及
iii.在(ii)之后，在所述电介质材料的经改性的所述顶表面上形成金属氧化物阻挡物层，其中所述金属氧化物阻挡物层至少部分地通过原子层沉积和/或化学气相沉积而形成。
23.根据权利要求22所述的系统，其还包括第二处理室，其中所述存储器储存计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于控制所述至少一个处理器以致使：
将所述衬底从所述第一处理室传送至所述第二处理室，以及
当所述衬底位于所述第二处理室中时，通过原子层沉积和/或化学气相沉积在所述金属氧化物阻挡物层上形成金属晶种层或金属氮化物晶种层前体。
24.根据权利要求23所述的系统，其中所述存储器储存计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于控制所述至少一个处理器以致使：
在形成所述金属晶种层或所述金属氮化物晶种层前体之前，将所述衬底暴露于所述第二处理室中的还原性气体或还原性等离子体，从而还原所述金属氧化物阻挡物层的上表面并形成原位金属衬垫，其中所述金属晶种层或所述金属氮化物晶种层前体被形成在所述原位金属衬垫上。
25.根据权利要求24所述的系统，其中在将所述衬底暴露于所述还原性气体或所述还原性等离子体与形成所述金属晶种层或所述金属氮化物晶种层前体之间不使所述衬底暴露于大气。
26.根据权利要求23所述的系统，其中所述存储器储存计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于控制所述至少一个处理器以致使：
将所述衬底暴露于退火工艺或等离子体处理工艺，从而将所述金属氮化物晶种层前体转化为所述金属晶种层。
27.根据权利要求23所述的系统，其中所述第一处理室和所述第二处理室中的至少一者被配置成在所述金属氧化物阻挡物层上沉积衬垫，所述衬垫通过原子层沉积和/或化学气相沉积来沉积。
28.根据权利要求23所述的系统，其中所述第一处理室位于第一装置上，而所述第二处理室位于第二装置上。
29.根据权利要求28所述的系统，其还包括第三处理室，其中所述存储器储存计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于控制所述至少一个处理器以致使：
将所述衬底从所述第二处理室传送至所述第三处理室，且当所述衬底位于所述第三处理室中时将金属电镀至所述金属晶种层上。
30.根据权利要求29所述的系统，其中所述第二处理室和所述第三处理室各自为所述第二装置的一部分。
31.根据权利要求29或30所述的系统，其中所述存储器储存计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于控制所述至少一个处理器以致使：
在不将所述衬底暴露于大气的情况下将所述衬底从所述第二处理室传送至所述第三处理室。
32.根据权利要求27所述的系统，其中所述存储器储存计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于控制所述至少一个处理器以致使：在将所述衬底从所述第一处理室传送至所述第二处理室时使所述衬底暴露于大气。
33.根据权利要求22所述的系统，其中所述存储器储存计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于控制所述至少一个处理器以致使：通过下列步骤形成所述金属氧化物阻挡物层：(i)形成阻挡物层前体，所述阻挡物层前体包括从由元素金属、金属碳化物和金属氮化物所构成的群组中选择的至少一种材料，其中所述阻挡物层前体通过原子层沉积和/或化学气相沉积形成，以及(ii)将所述阻挡物层前体暴露于含氧大气，从而将所述阻挡物层前体转化为所述金属氧化物阻挡物层。
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