CN1276498C - 形成具有改进的界面和粘合力的铜互连封盖层的方法 - Google Patents

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Abstract

使用含氨等离子体处理裸露平坦的铜或铜合金表面(30)后,通过延迟和/或慢慢加速地导进硅烷以沉淀氮化硅封盖层,可以明显地增加位障或封盖层(40)与铜或铜合金互连器件(13A)之间接口与粘着力的完整性。其它实施方案则包括于导入晶片以用于等离子体处理以前,在一提高的温度下使用氮气涤净反应室以移除残留的气体。

Description

形成具有改进的界面和粘合力的铜互连封盖层的方法
相关申请
本申请包含相关于揭示于审查中相关申请案,于1998年12月9日提出申请,申请序号第09/208245号的标的内容。现在该案已于2000年11月28日获颁发美国专利第6153523号。
技术领域
本发明是关于在半导体器件中使铜(Cu)和/或铜合金金属化的方法,特别是牢固地封盖铜或铜合金的互连层。本发明可应用于制造含有亚微米设计特征的高速集成电路,和高传导率互连结构。
背景技术
对于高密度与超大型集成半导体配线的性能有越来越严格的要求时,需要在互连技术上有快速的因应变化。如此越趋严格的要求标准已经发现在供应低RC(阻容)互连电路模块时是很难达到的,特别是因为小型化而使得亚微米介层洞、接触、渠沟拥有高纵横比。
传统的半导体器件包含典型掺杂单晶硅的半导体基质,和多个相继形成的中间电介质层与导电模块。集成电路形成包含多个导电模块,以及多个互联机,而该导电模块包含由内线间隔所分开的导线,而该多个互联机则譬如为总线线、位线、字符线与逻辑互联机。一般说来,在不同层,也就是上层和下层的导电模块是由充填在介层洞的导电插塞所电连接,然而,充填着接触孔的导电插塞建立了与半导体基质上作用区域的电性接触,譬如源极/漏极区。传导线是以沟渠组成,而该沟渠典型地相关于半导体基质而实质水平延伸。当器件的几何形状缩到亚微米水平时,包含五个或更多的金属化层级的半导体芯片将会越来越流行。
一般是由在具有至少一个导电模块的导电层上沉积中间插入层电介质,形成由传统光照和蚀刻技术来穿透中间插入层电介质的开口,并且用导电材料,例如“钨”,来充填开口来形成充填介层洞的导电插塞。在中间插入层电介质表面的过量导电材料一般是用“化学机械研磨法”(CMP)来移除。如此的一种方法是以镶嵌知名,并基本地有关于在中间插入层电介质里形成开口并以金属来填满开口。双重镶嵌技术有关于形成具有低接点或介层洞区来连接高沟渠区的开口,而该开口是填满导电材料,一般是使用金属,以同时形成导电插塞来与导电线电接触。
高性能的微处理器应用需要急速的半导体电路,半导体电路的控制速度与在互连模块上的电阻和电容成反比。当集成电路趋于复杂并且部件的尺寸与空隙趋于微小时,集成电路的速度就较少依赖于晶体管本身,而较多依赖于互连模块。“小型化”要求包含有小接点与小横断面的长互连。当金属互连层的长度增加而且横断面的面积与互连层间的缝隙减少时,互连层配线将增加电阻电容的延迟。如果将互连层的节点予以安排越过相当大的距离,例如几百微米或更多如亚微米技术,则互连层的电容会限制住电路节点的电容负载,因此也限制了电路的速度。当设计标尺降到大约0.18微米或更小时,例如大约0.15微米或更小,因为集成电路速度严重的延迟而造成的淘汰率会减少产品的生产量并增加制造成本。此外,当配线的宽度减小时,导电度与电迁移的阻抗就越趋于重要。
在互联层金属化上用以替换铝的替代品的方面,铜和铜合金已经受到相当大的注意。铜相对于铝来说,是较为便宜的、较容易生产的、并拥有较低的电阻,另外,铜相对于钨来说则具有改良的电性,使得铜成为在导电插塞的使用上与在导电线的使用上成为令人期望的金属。
形成铜插塞与导线的一种方法包含应用化学机械研磨的镶嵌结构的使用,例如由Teong获得的美国专利第5693563号。然而,因为铜的扩散穿透中间电介质层材料,例如二氧化硅,所以铜互连结构就必须由扩散位障层来予以封进。典型的扩散位障金属包含钽(Ta)、氮化钽(TaN)、氮化钛(TiN)、钨化钛(TiW)、钨(W)、氮化钨(WN)、Ti-TiN、氮化饧钛(TiSiN)、氮化饧钨(WsiN)、氮化饧钽(TaSiN)、和氮化硅来封装铜。使用这些位障材料来封装铜并不受限于铜和中间层电介质间的界根据国际初审报告的附件修改的说明书替换页面,但也包括与其它材料的界面。
由于传统使用扩散位障层(封盖层)的铜互连方法而存在有额外的问题。例如,传统的做法包含在中间层电介质里形成一个镶嵌状开口,沉淀位障层,例如氮化钽,给开口及在中间层电介质表面上加衬里,用铜或铜合金层来填充缺口,使用化学机械研磨的方法,并在铜和铜合金裸露的表面上形成封盖层。然而,令人发现到的是这些经由等离子体加强化学气相沉积所沉淀的封盖层,例如氮化硅,则表现出对于铜或铜合金表面的很差的粘着力。因此,封盖层很容易移除,例如因为刮伤或因为后来沉积层所引发的压力而造成剥落。结果,铜或铜合金并未完全予以封盖住而铜的扩散依然发生,因而对器件的性能有不良的影响,并且降低了铜和铜合金互连器件的电迁移阻抗。此外,传统等离子体加强化学气相沉积(PECVD)的氮化硅封盖层的密度约为2.62克/立方厘米,也因此,后来金属化层形成互连时,这些传统封盖层并不能很有效地成为蚀刻终端层。
在审查中的相关申请案序号第09/112472号于1998年7月9日提出申请,关于PECVD氮化硅覆盖层到铜互连的粘着力问题,是由开始时用含氢的等离子体处理裸露的表面,之后在该经过处理的表面上形成硅化铜层,并于其上沉淀一层氮化硅封盖层而提出。在审查中的相关申请案序号第09/131872号于1998年8月10日提出申请,现在已在2000年12月26日获颁发美国专利第6165894号,关于氮化硅覆盖层到铜互连的粘合力问题,是由以含氨的等离子体来处理裸露的表面,并沉淀氮化硅封盖层于其上而提出。在审查中的相关申请案序号第09/208245号于1998年12月9日提出申请,现在已在2000年11月28日获颁发美国专利第6153523号,公开了一种使用含氨的等离子体来处理裸露的表面的方法,然后在高密度等离子体状态下沉淀氮化硅封盖层以获得约2.67到约2.77克/立方厘米的密度。在审查中的相关申请案序号第09/112158号于1998年7月9日提出申请(委托人案件编号第E0984,我们的案件编号第52352-646),公开了一种包含以含有氮和氨的等离子体来处理铜或铜合金层的表面,随后在同一个反应室内的氮的存在处沉淀封盖层以改良封盖层到铜互连的粘合力的方法。这些技术一直以来都是有效的。
然而,在更进一步的实验与研究之后,发现在这些经过等离子体涂抹以移除氧化铜的铜或铜合金层的表面上发生变色,例如变黑和/或变绿,其是显示出在沉淀封盖层之前经等离子体处理的铜或铜合金表面的毒化和/或腐蚀。在铜或铜合金互连和例如氮化硅封盖层的封盖层之间的界面发生的腐蚀和/或毒化问题,负面地影响了其间的粘合力。
当设计标尺降到亚微米的范围,如大约0.18微米和更小,例如大约0.15微米和更小,对于互连模块的可靠性要求则变得尤其严格。因此,封盖或位障层到铜互连的粘合力与金属化处理层之间垂直互连的准确度需要有更大的可靠性。于是,为了使垂直金属化处理层能有更好的准确性与可靠性,需要一种能够形成封装铜或铜合金互连器件的方法。更需要一种能够在其间具有强粘合力的铜或铜合金互连上形成封盖层的方法。
根据本发明可提出一制造半导体器件的方法,该方法依序包括:于第一压力的反应室中使用含氨等离子体处理铜(Cu)或铜合金表面;导引硅烷进入反应室中;以及在反应室中沉淀氮化硅封盖层于铜或铜合金层的表面上,其特征为,在导引硅烷进入反应室中之前,在一段30秒至60秒的时间里,将第一压力减压至为50m托至100m托的第二压力。
如此,可提供一种制造半导体器件的方法,使其具有高可靠度的铜或铜合金互连器件,各合金器件之间具有一氮化硅封盖层以强粘合力粘着于其上。
该第一压力最好在约为5托至约为8托,且于起始沉淀氮化硅封盖层前,渐渐地导进硅烷于反应室中,直到流率达到至少约为150sccm。此外,在处理铜或铜合金表面之前,该反应室中的温度最好先增加至约为300℃至420℃,然后在不超过1托的压力下,使用氮气来涤净该反应室。
本发明的额外的优点及其它的较佳特点,将通过参考附图,仅以范例的方式说明如下:
图1至4是说明根据本发明实施方案的方法的一系列施行阶段。
具体实施模式
本发明提出并解决封盖铜和铜合金互连,例如使用氮化硅当作封盖层,伴随而来的问题。根据本发明实施方案的方法,可以明显改良例如氮化硅的封盖层对于铜和铜合金互连器件的粘合力,因而避免封盖层剥落、铜扩散并提高电迁移阻抗。在此应用的整个实施过程中,铜趋于包围高纯度的元素铜以及以铜为主成分的合金,例如包含有少部分锡、锌、锰、钛、镁以及锗的铜合金。
当设计标尺降到深亚微米的范围,如大约0.18微米和更小,例如大约0.15微米和更小时,对于封装的铜和/或铜合金互连器件的可靠性就越趋于重要。形成铜和铜合金互连器件的传统方法令人发觉是一种于形成氧化铜表面薄膜时导致的镶嵌开口,并且据信包含在化学机械研磨过程中形成的氧化铜和氧化亚铜混合物。在本质上该氧化铜表面薄膜为多孔质且易脆的。此氧化铜表面薄膜的存在非预期地减少了譬如氮化硅的封盖层对于下层铜和铜合金互连器件的粘着力。结果,在铜或铜合金/氧化铜界面上产生裂痕,其导致铜的扩散,并由于该扩散而加剧了电迁移。发生在铜或铜合金/氧化铜界面的裂痕加强了表面扩散,该扩散比晶粒边界扩散或晶格扩散还要来得急速。在审查中相关申请案序号第09/112472号公开的含氢等离子体处理法与在审查中相关申请案序号第09/131872号现在已在2000年12月26日获颁发美国专利第6165894号中所公开的含氨等离子体处理法,改良了氮化硅封盖层对于铜或铜合金的粘着力。因为更明显地改良了封盖层,例如氮化硅的粘着力,本发明所提出的改良方法优于这些审查中相关申请案的方法。
根据实验与研究的实施,已发现经过等离子体处理以减少氧化铜的铜金属化表面发生变色,例如变黑和/或变绿。这些变色是令人认定为腐蚀和/或毒化的征兆,该腐蚀和/或毒化是通过减少铜和封盖层间的粘着力而退化它们之间的界面。进一步实验与研究提出了一种看法,在铜与封盖层间界面的这种剥蚀与毒化起源于许多因素。
在实验与研究期间,已观察到在等离子体处理铜表面以移除氧化铜之后,反应室予以抽气约10秒钟左右,而用以沉淀封盖层所需的反应气体则以适合沉淀的流率而导进反应室。例如,实验发现当沉淀氮化硅封盖层在经过含氨等离子体处理过的铜表面时,硅烷以控制在每分钟150sccm左右的质量流率而导进反应室。然而,却经常遇到初始的波动与突波,因此,实际上,硅烷以例如大约每分钟200到300sccm的较高流率进入反应室。刚经过等离子体处理以减少氧化铜后的铜表面是极敏感的,因此易发生剥蚀。更进一步令人相信的是,在等离子体处理过后不久,导进反应室的硅烷的初始波动不良地影响着敏感的铜表面,并导致在铜互连与氮化硅封盖层间界面的腐蚀和/或毒化。另外的实验与研究更进一步地令人相信,于晶片加工操作间残留在反应室里的气体导致经等离子体处理过的铜表面的变色和/或毒化。
本发明提出并解决经含氨或含氢等离子体处理过的铜表面所发生的腐蚀和/或毒化问题,也因此显著地改良了铜互连与封盖层间界接的完整,例如氮化硅封盖层。所以,本发明能够显著地改良器件的可靠性,特别是在亚微米的范畴下。
根据本发明的实施方案,相对于传统方法中在导进反应气体以沉淀封盖层前,例如于沉淀氮化硅封盖层时,导进硅烷之前,提供足够的时间来使等离子体处理过的铜表面钝化,以减少其敏感度至退化,本发明在等离子体处理与封盖层沉淀间的时间是较长的。因此,本发明实施方案包含经过等离子体处理铜表面后的压力的缓慢降低。举例来说,在一开始大约5托到8托的压力下可以等离子体处理铜表面。等离子体处理之后,压力可于延长的一段大约30秒至大约60秒时间内,降到大约50毫托到100毫托,以提供足够的时间来使等离子体处理过的铜表面钝化。
本发明更进一步的实施方案包括导进封盖层的反应气体,例如硅烷,慢慢渐进地增加反应气体流直到达到沉积所需要的总量。举例来说,本发明的实施方案包含缓慢地导进硅烷直到达到大约150sccm的流动速率。合适的加速是包含于多个阶段导进硅烷,在每一个阶段里,流动速率以每5分钟的间隔来增加300sccm。
根据本发明的其它实施方案,反应室里的残余气体是于导进加工晶片之前予以移除。所以,本发明的实施方案包括在维持反应室于适合加工的温度时,例如大约320℃至420℃,通过导进氮气以涤净反应室。氮气可以较低的压力予以导进,例如低于约1托。于导进晶片前,已发现于多个阶段中导进氮气以影响箱室的适当状态是特别适合的。例如,已发现于三个涤净阶段中导进氮气是合宜的,每一个阶段包含导进氮气、中断导进氮气和然后抽出反应室里的氮气。
虽然任何公开出的修正方法明显地有助于改良铜表面与氮化硅封盖层间界面的完整,本发明中在成为良好状态前混合氮气与慢慢加速导进来的硅烷却导致了一个最佳化的结果。因此,通过在引进晶片前,使反应室处于良好的状态,本发明确保较佳的可靠性,以减少经等离子体处理过的铜互连表面的变色和/或毒化。在为了减少铜表面的敏感度而导进硅烷前,于等离子体处理铜表面后,本发明经由等待一段时间也能达成同样的目标,也因此避免了界面的变色和/或毒化。本发明亦有关在开始沉淀前慢慢加速导进经等离子体处理的硅烷至适当的流率,也因此更进一步地减少铜互连与氮化硅封盖层间界面的变色和/或毒化。
根据本发明实施方案所形成的铜和/或铜合金互连器件可以是,但不受限于,经由镶嵌技术而形成的互连。因此,本发明的实施方案包含在基质上方形成中间层电介质,在中间层电介质中形成缺口,例如镶嵌状缺口,沉淀扩散位障层,例如氮化钛,与使用铜或铜合金层来填充开口。更有利地是,中间层电介质的开口可以通过先沉淀一种子层,然后电镀或不用电地镀上铜或铜合金层来填充。然后,施行化学机械研磨,以使得铜或铜合金的上表面充分地与中间层电介质的上表面共面。由于化学机械研磨,氧化铜的薄膜遂典型地形成。然后,该裸露的铜或铜合金的氧化表面则根据一个或更多个已公开的实施方案来加工处理,因此充分地消除或明显地减少铜/氮化硅界面的腐蚀和/或毒化。
经由本发明的指引与公开出的目标,含氨等离子体处理过程中的状态与譬如氮化硅的封盖层的沉淀,可以在特殊情况下发挥最大的作用。例如,在氨气流率约为100到6000sccm,压力约为2托至约10托,温度约为300℃至420℃,高频率功率约为100到1000瓦,与低频率功率约为50到500瓦的状态下,令人发现适合以含氨等离子体来处理裸露的铜和铜合金表面一段适当的时间,例如大约60秒。在硅烷流率约为150sccm,氨气流率约为100到6000sccm,氮气流率约为6000到10000sccm,压力约为1.2托到6.0托,温度约为300℃至420℃,高频率功率约为100到1000瓦,与低频率功率约为50到500瓦的状态下,令人发现适合由加强化学汽相沉积的等离子体来沉淀氮化硅封盖层一段时间,譬如10秒至约100秒。更方便地是,关于以含氨等离子体来处理铜的金属化与氮化硅封盖层的等离子体沉淀的整个过程均都在同一个反应室里进行。
根据本发明的实施方案,镶嵌开口可以在温度约为50℃至150℃通过物理汽相沉积来填充铜或铜合金,或者在温度约低于200℃通过化学汽相沉积来填充。于本发明中各种的实施方案,可使用一般基质与中间层电介质。例如,可以掺杂单结晶硅或砷化镓于基质中。本发明使用的中间层电介质可以包含传统半导体器件制造所使用的任何电介质材料。例如,可以应用譬如是二氧化硅、含磷的硅玻璃(PSG)、含磷硼的硅玻璃(BPSG)、由四乙原硅酸盐(TEOS)取得的二氧化硅、或等离子体加强化学汽相沉积处理后的硅烷等材料。传统的微影照像与蚀刻技术影响着形成于电介质层中的开口。根据本发明而设计的中间层电介质也可以包含低电介质接触材料,包括聚合体,例如聚醯胺。
本发明的实施方案概要地说明于图1至4,其中,相同的参考数字表示相同的特征。参照图1,如接触或介层洞的镶嵌开口11,形成于例如二氧化硅的电介质层10中。应理解到的是开口11也可以形成为双镶嵌开口,该开口以一个接触或介层洞而与沟槽区相连接。先沉淀位障层12,例如氮化钛,再沉淀铜或铜合金层13。于电镀或无电镀铜层13上面,子层(未显示)是沉淀于位障层12上。
参照图2,通过化学机械研磨移除铜或铜合金层13溢出于开口11的部分。结果,在铜或铜合金互连器件13A的裸露表面形成氧化铜薄膜20。然后根据本发明的实施方案,将该含有铜金属化的晶片导入于反应室中。该反应室先于温度约为300℃至420℃下使用氮气涤净以移除来自先前加工的残留气体并使反应室保持良好的状态以用于等离子体处理及封盖层沉淀。发现于多个阶段中涤净反应室最好是每一次都导进氮气、中断导进的氮气和抽出反应室里的氮气,以调整反应室至最理想的状态。
参照图3,根据本发明实施方案,含氨等离子体处理具有一层氧化铜薄膜20在其上的铜或铜合金互连器件13A的裸露表面以移除或充分减少氧化铜薄膜20,以留下一层干净减少的铜或铜合金表面30。此时于一段时间里,例如约30秒至60秒,减低压力,以提供足够的时间使经过等离子体处理的铜表面来钝化,因此在导进硅烷时该表面能阻抗剥蚀。之后如同多个阶段一般,慢慢地并加速地导进硅烷,直到达到至少为约150sccm的流率。此时遂开始沉淀氮化硅封盖层。
如图4所示,沉淀氮化硅封盖层40于铜或铜合金互连层13的干净裸露表面30以完全封装铜或铜合金互连层13。沉淀其余的中间层电介质41,如从TEOS取得的二氧化硅或硅烷。由此方法,使得大多数的中间层电介质与金属化模块建构在半导体基质上,也形成许多的互连器件。更有利的是,铜互连与氮化硅封盖层间的界面是完全不会变色和/或毒化,否则该变色和/或毒化就会不良地影响其间的粘着力,也因此而改良了用于接下来的金属化处理层级的准确性与可靠性。
本发明通过明显地减少经等离子体处理的铜表面与沉淀于其上的氮化硅封盖层之间界面的腐蚀和/或毒化来促成极可靠的铜或铜合金互连器件的形成,也因此增加了封盖层的粘着力。预先以氮气洗涤反应室和/或经等离子体处理后提供充分的时间,以使得等离子体处理过的铜表面较不易毁于因引进硅烷和/或因缓慢地加速硅烷的引进到沉淀用的合适流速所造成的剥蚀,该情形是提出何者为令人相信的铜互连层与封盖层之间界面腐蚀与/或毒化问题的原因。因此,本发明通过增加高密度等离子体封盖层的粘着力,而该封盖层伴随有减少的铜扩散与增加的电迁移阻抗,来显著地改良铜和/或铜合金互连器件的可靠性。所以,本发明有利地减少封盖层剥落、铜扩散,增加电迁移阻抗,改良装置的可靠性,也增加了产品生产率并减少了制造成本。
本发明适合应用在工业中各种镶嵌铜或铜合金金属化处理互连模块的形成。本发明更适合应用在制造具有亚微米特征与高纵横比的开口的半导体器件。
于之前的陈述中,规定了许多特定的细节,例如特定的材料、结构、化学、程序等,以更佳地了解本发明。然而,本发明可不用完全根据前述的特定细节来实施。于其它引证中,为了不需要模糊本发明,著名的程序与材料并未予以详细描述。
本发明只就其优先的实施方案与其中多功能的实施例指出并描述。应该理解到,本发明可以在许多其它的结合与环境中使用,并能够如同此处描述的发明概念范围一样来作改变与调整。

Claims (8)

1.一种制造半导体器件的方法,该方法依序包括:
于第一压力的反应室中使用含氨等离子体处理铜(Cu)或铜合金(13A)的表面;
导引硅烷进入反应室中;以及
在反应室中沉淀氮化硅封盖层(40)于铜或铜合金层(13A)的表面(30)上,
其特征为,在导引硅烷进入反应室中之前,在一段30秒至60秒的时间里,将第一压力减压至为50m托至100m托的第二压力。
2.如权利要求1的方法,其中所述第一压力为5托至8托。
3.如权利要求1的方法,其进一步包含:
于起始沉淀氮化硅封盖层(40)前,渐渐地导进硅烷于反应室中,直到流率达到至少为150sccm;以及
于硅烷流率至少150sccm下,沉淀氮化硅封盖层(40)。
4.如权利要求3的方法,其中于多个阶段里将该硅烷导进反应室中,直到流率达到至少为150sccm。
5.如权利要求1-4中任一项的一种制造半导体器件的方法,其中,在处理铜或铜合金层的表面之前,该方法包括:
增加反应室中的温度至为300℃至420℃;
于300℃至420℃的温度下使用氮气涤净反应室。
6.如权利要求5的方法,其中在不超过1托的压力下,使用氮气来涤净该反应室。
7.如权利要求5的方法,其中使用氮气来涤净该反应室的步骤包括:
导进氮气于反应室中;
中断导进氮气于反应室中;以及
从反应室抽出氮气。
8.如权利要求6的方法,其中使用氮气来涤净该反应室的步骤包括:
导进氮气于反应室中;
中断导进氮气于反应室中;以及
从反应室抽出氮气。
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