銅互連結構中的微結構修改的制作方法
【專利摘要】本申請公開了金屬互連結構及制造該金屬互連結構的方法。在銅（Cu）互連結構中加入錳（Mn），以修改微結構從而實現(xiàn)90納米以下的技術中的竹節(jié)狀晶界。優(yōu)選地，竹節(jié)狀晶粒以小于“布雷?！遍L度的距離隔開，使得避免銅（Cu）擴散通過晶界。所添加的Mn也導致Cu晶粒向下生長至金屬線的底表面，使得形成到達底表面的真實竹節(jié)狀微結構，并消除沿金屬線的長度定向的晶界的Cu擴散。
【專利說明】銅互連結構中的微結構修改
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體結構。更特定的，本發(fā)明涉及在金屬互連線的底部處具有大晶粒尺寸的金屬互連結構及制造該金屬互連結構的方法。
【背景技術】
[0002]目前90納米以下的銅互連技術具有非竹節(jié)狀微結構，S卩，在線和過孔(via)內(nèi)的微結構不具有竹節(jié)狀特征。非竹節(jié)狀的微結構導致銅擴散的相關問題，例如電致遷移(electromigration)和應力空洞(stress voiding)現(xiàn)象。
[0003]目前有三種不同的銅擴散模式。一種模式是沿著銅互連結構的晶界的銅擴散。另一種模式是在銅互連結構的表面處的銅擴散，即，在該銅互連結構與其他材料鄰接的界面處的銅擴散。一種替代模式是穿過晶粒的銅塊體擴散(copper bulk diffusion),即，跨越兩個晶界相遇的界面。通常，沿晶界的銅擴散的擴散速率較高，而穿過晶粒的銅塊體擴散的擴散速率較低。因此，優(yōu)選的是形成包含金屬線的銅互連結構，其中該金屬線在晶粒微結構內(nèi)具有竹節(jié)狀圖案，或稱“竹節(jié)狀微結構”。在竹節(jié)狀微結構中，晶粒的橫向?qū)挾扰c金屬線或金屬過孔的寬度相同。該晶粒的長度大于該金屬線的寬度，使得晶界看起來類似具有凹狀分節(jié)的竹子莖部。
[0004]優(yōu)選的是，具有竹節(jié)狀微結構，在該竹節(jié)狀微結構中，晶?？缭骄€或過孔的寬度和高度。當電流在該線中流動時，會因外部施加的電場導致銅(Cu)離子在電子流動方向中產(chǎn)生凈漂移，而發(fā)生電致遷移。由于漂移最終會因為在諸多分散位置處(例如在晶界與材料界面處)發(fā)生銅損失，從而導致線故障。由于電流沿著金屬線的方向流動，且使得所發(fā)生的任何電致遷移被迫“穿過”晶界平面，也就是與該晶界平面基本垂直，所以竹節(jié)狀微結構比非竹節(jié)狀微結構明顯更能抵抗電致遷移。由于竹節(jié)狀晶界與電流呈基本直角，因此該竹節(jié)狀微結構能基本停止沿著晶界的擴散。
[0005]存在抑制金屬互連結構中的電致遷移的替代方式。如果金屬線的長度小于“布雷希(Blech)”長度，將不會發(fā)生銅離子運動，從而停止電致遷移過程。在長度小于“布雷?！遍L度時的機械應力可阻止銅離子漂移。就銅所組成的電流互連結構而言，典型的布雷希長度是10微米。原則上，將所有互連金屬線設計成比“布雷希”長度短將可解決上述問題。在實踐中，這種限制為互連結構的設計和布局施加了嚴格的限制，且實際上這種布局幾乎無法實現(xiàn)。
[0006]在共同受讓的相關專利申請US7，843，063中公開了鈷(Co)具有能促進精細線和過孔內(nèi)正常晶粒生長(所有取向同時生長)或異常晶粒生長(某些晶粒取向的生長優(yōu)先于其他取向)，從而導致竹節(jié)狀晶粒(跨越該線的寬度和長度)的類似性質(zhì)。雖然鈷(Co)和錳(Mn)具有類似性質(zhì)，然而與使用Co相比，錳具有更好的最適百分比。
[0007]已經(jīng)考慮過使用銅錳晶種層以形成“自我形成”(self-forming)式擴散勢壘層。在銅晶種層內(nèi)放置錳，且經(jīng)熱處理后，錳擴散至界面與氧(0)發(fā)生反應而形成氧化錳(MnO)且可能形成娃酸猛(MnSiO)層。位于介電質(zhì)-銅(Cu)界面或勢魚層-銅(Cu)界面處的這些層作為擴散勢壘層。某些公開文獻描述使用MnO作為擴散勢壘層，這些文獻為:J.Koike等人發(fā)表在 Appl.Phys.Lett.87, (2005) , 041911 的論文；J.1ijima 等人發(fā)表在 Proc.0fIITC, (2006)，246 頁的論文；T.Watanabe 等人發(fā)表在 Proc.0f IITC, (2007)，7 的論文；M.Haneda 等人發(fā)表在 Proc.0f AMC (2207)，59 的論文。
[0008]需要能在無需借助使用規(guī)定使所有金屬互連線小于“布雷?！遍L度的設計規(guī)則的情況下抑制銅擴散現(xiàn)象。因此，需要具有精細特征結構尺寸且含有竹節(jié)狀微結構的金屬互連結構，該精細結構特征尺寸為例如90納米以下的金屬線(即，寬度小于90納米的金屬線)，從而避免銅擴散現(xiàn)象和相關的疑難雜癥。每個“布雷?！遍L度(10微米)內(nèi)有一個跨越互連或過孔的寬度與高度的竹節(jié)狀晶粒將可基本停止沿著晶界的電致遷移。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明在銅互連結構中加入錳，以修改微結構，而實現(xiàn)90納米以下的技術中的竹節(jié)狀晶界。
[0010]根據(jù)本發(fā)明實施例，提供一種金屬互連結構。該金屬互連結構包含:介電材料層，該介電材料層包含下凹的線圖案；金屬勢壘層，該金屬勢壘層鄰接位于下凹的線圖案的側壁處的介電材料層且覆蓋整個介電材料層；含銅晶種層，該含銅晶種層鄰接金屬勢壘層且覆蓋整個介電材料層；及含銅層，該含銅層包含電鍍銅且鄰接含銅晶種層；其中含銅晶種層和含銅層中的至少一個包括銅錳合金，及其中含銅晶種層和含銅層在下凹的線圖案中形成竹節(jié)狀晶粒，且在至少每個“布雷?！遍L度內(nèi)，在含銅層的底表面處測量的晶粒尺寸超過銅錳合金線的寬度。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的進一步實施例提供另一種金屬互連結構。該金屬互連結構包含:介電材料層，該介電材料層包含下凹的線圖案；金屬勢壘層，該金屬勢壘層鄰接位于下凹的線圖案的側壁處的介電材料層且覆蓋整個介電材料層；含銅晶種層，該含銅晶種層鄰接金屬勢壘層且覆蓋整個介電材料層；含銅層，該含銅層包含電鍍銅且鄰接含銅晶種層；其中含銅晶種層和含銅層在下凹的線圖案內(nèi)形成竹節(jié)狀晶粒，且在至少每個“布雷?！遍L度內(nèi)，在含銅層的底表面處測量的晶粒尺寸超過銅錳合金線的寬度；及銅錳合金蓋層350，該銅錳合金蓋層鄰接含銅層。
[0012]根據(jù)本發(fā)明另一實施例提供進一步的金屬互連結構。該金屬互連結構包括:鍍銅層，該鍍銅層含有線圖案；銅錳晶種層，該銅錳晶種層在鍍銅線的底表面處具有約Ippm至約20原子百分數(shù)的錳原子濃度，該銅錳晶種層夾在鍍銅線與勢壘層之間，且所有層都經(jīng)圖案化，其中在至少每個“布雷希”長度內(nèi)，在銅錳合金線的底部處測量的晶粒尺寸超過銅錳合金線的寬度；及勢壘和介電層，該勢壘和介電層圍繞銅錳合金線。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的進一步實施例提供一種形成金屬互連結構的方法。該方法包括:提供介電材料層，該介電材料層含有下凹的線圖案；在該下凹的線圖案的側壁處的介電材料層上形成金屬勢壘層；在金屬勢壘層上形成含銅晶種層；及在含銅晶種層上電鍍含銅層，其中含銅晶種層和含銅層中的至少一個包括銅錳合金，該銅錳合金含有約Ippm至約10原子百分數(shù)的錳濃度。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一實施例提供一種形成金屬互連結構的進一步方法。該方法包括:提供介電材料層，該介電材料層含有下凹的線圖案；在下凹的線圖案的側壁處的介電材料層上直接形成金屬勢壘層；在金屬勢壘層上直接形成含銅晶種層；在含銅晶種層上直接電鍍含銅層；及在含銅層上直接形成銅錳合金蓋層，該銅錳合金蓋層含有約Ippm至約50原子百分數(shù)的錳濃度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]所提出的本發(fā)明特征和元件與后附權利要求有關且圖示于附圖中。
[0016]圖1圖示本發(fā)明金屬互連結構的第一實施例的概要剖面圖。
[0017]圖2圖示本發(fā)明金屬互連結構的第二實施例的概要剖面圖。
[0018]圖3圖示本發(fā)明金屬互連結構的第三實施例的概要剖面圖。
[0019]第4A?4E圖示制造本發(fā)明的金屬互連結構的方法。
[0020]圖5圖示本發(fā)明金屬互連結構的第四實施例的概要剖面圖。
[0021]圖6圖示在室溫下氧化硅上的30納米Cu-Mn晶種層上的500納米鍍銅膜的片電阻下降百分比與時間的曲線圖。
[0022]圖7圖示在室溫下氧化硅上的30納米Cu-Mn晶種層上的300納米鍍銅膜的片電阻下降百分比與時間的曲線圖。
【具體實施方式】
[0023]以下內(nèi)容參見附圖描述本發(fā)明多個實施例。這些實施例為本發(fā)明的例示，且這些例示可實施成各種形式。本發(fā)明不限于以下所述實施例，而是代表性地教導所屬【技術領域】中熟悉該項技藝者如何制造和使用本發(fā)明。這些附圖的某些方面會重復出現(xiàn)于下個圖中。這些方面在各個前述附圖中維持使用自第一次出現(xiàn)時所使用的相同元件符號。
[0024]本發(fā)明在銅(Cu)互連結構中加入錳(Mn)，以修改微結構而實現(xiàn)90納米以下(sub-90nm)的技術的竹節(jié)狀晶界。優(yōu)選的是，竹節(jié)狀晶粒以小于“布雷?！遍L度的距離隔開，使得避免銅(Cu)擴散通過晶界。可在將于金屬線上方形成蓋層或者在電鍍過程期間，將錳(Mn)加入將形成于金屬線下方的銅(Cu)晶種層中。當Cu晶種層中添加錳時，在室溫下或高于室溫的溫度下使該銅(Cu)互連結構退火可誘使晶粒以較快的速率生長(再結晶)。所添加的Mn也導致Cu晶粒向下生長至金屬線的底表面，從而形成到達底表面的真實竹節(jié)狀微結構，并消除沿金屬線的長度定向的晶界的Cu擴散機制。
[0025]在銅(Cu)晶種層、銅(Cu)鍍層或銅(Cu)蓋層中加入錳(Mn)，以修改銅(Cu)線和過孔的微結構。錳(Mn)可采用銅錳合金或極薄錳(Mn)層的形式。錳(Mn)能促進精細線和過孔內(nèi)正常晶粒生長(所有取向同時生長)或異常晶粒生長(某些晶粒取向的生長優(yōu)先于其他取向)，從而導致竹節(jié)狀晶粒(跨越該線的寬度和高度)。經(jīng)定制而使每隔小于“布雷希”長度的距離出現(xiàn)，配置在本發(fā)明金屬互連結構中的竹節(jié)狀微結構內(nèi)的這些晶界能停止銅(Cu)的晶界擴散。每個“布雷?！遍L度內(nèi)至少一個竹節(jié)狀晶粒可作為用于銅(Cu)擴散的阻滯位置(blockingsite)。在晶粒生長后，金屬互連結構的組成含有約Ippm至約10%的猛(Mn)原子濃度。
[0026]參見圖1，根據(jù)本發(fā)明第一實施例的金屬互連結構包括介電層110、金屬勢壘層120、銅錳合金晶種層130和含銅鍍層140。介電層110通常形成在含有半導體器件(圖中未示出)的半導體襯底(圖中未示出)上。介電層110包含介電材料，例如氧化硅(SiO)、氮化硅(SiN)、有機硅酸鹽玻璃(OSG)、SiCOH、旋涂低k介電材料，例如SiLK?，等等。介電層110可是多孔的或無孔的。在整合方案(所屬【技術領域】中熟知的雙鑲嵌整合方案)中，過孔空腔
與線空腔重疊。
[0027]為了圖示目的，以雙鑲嵌整合方案為例描述本發(fā)明。然而，可在單鑲嵌整合方案中考慮本發(fā)明的各種變型例，在單鑲嵌整合方案中，利用兩個獨立的電鍍過程形成這些金屬過孔和金屬線。如果使用單鑲嵌整合方案，本發(fā)明方法優(yōu)選地重復兩次，第一次用于形成金屬過孔，該金屬過孔含有銅錳合金并具有單個晶?；虼缶ЯＧ疫@些晶粒的邊界與該過孔成垂直(與襯底呈平行)，及第二次用于形成金屬線，這些金屬線包含具有竹節(jié)狀結構的銅錳合金，該竹節(jié)狀結構與以下針對雙鑲嵌整合方案所描述的竹節(jié)狀結構相同。
[0028]形成金屬勢壘層120用于防止污染物擴散進入后續(xù)形成的金屬過孔和金屬線中及/或從該后續(xù)形成的金屬過孔和金屬線中擴散出來，并且用于促進金屬過孔和金屬線附著于介電層110。金屬勢壘層120可包含Ta、TaN、W、WN、TiN或上述材料的堆疊，例如Ta/TaN、Ta/TaN/Ta、TaN/Ta，等等?？衫没瘜W氣相沉積(CVD )、物理氣相沉積(PVD )、原子層沉積(ALD)等方法形成金屬勢壘層120。在線空腔的底表面處測量的金屬勢壘層120的厚度介于約I納米至約25納米的范圍，且通常介于約3納米至約10納米范圍，然而本申請中也考慮更小或更大的厚度。
[0029]例如使用物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積、原子層沉積(ALD)、電沉積或無電沉積在金屬勢壘層120上形成銅錳合金晶種層130。銅錳合金晶種層130是一種含銅晶種層，該含銅晶種層也含有錳，即，是含有銅與錳的合金。銅錳合金晶種層130內(nèi)的錳濃度可為約Ippm至10原子百分數(shù)，且優(yōu)選的是約IOppm至約2原子百分數(shù)。例如使用含銅錳合金的靶材取代PVD過程中的純銅濺射靶材可將錳加入該銅錳合金130中。
[0030]所沉積的銅錳合金晶種層130具有多晶結構，在該結構中，晶粒的平均尺寸與該銅錳合金晶種層130的厚度相當或較小。通常，銅錳合金晶種層130具有介于約2納米至約10納米間的平均晶粒尺寸。在線空腔的底表面上方測量的銅錳合金晶種層130的厚度可為約2納米至約60納米，且通常為約5納米至約50納米，然而本申請也考慮更小或更大的厚度。
[0031]通過在銅錳合金晶種層130上鍍含銅材料而形成含銅鍍層140。該鍍銅過程可采用電鍍法或無電鍍法。由于用于形成鍍層的過程的本質(zhì)，即該鍍膜過程的本質(zhì)，含銅鍍層140含有O、N、C、Cl和S。O、N、C、Cl和S的濃度總和通常約Ippm至約200ppm。優(yōu)選的是使用電鍍法形成含銅鍍層140。通常采用超填充過程(superfill，由底部向上填充)以防止在過孔空腔和線空腔內(nèi)形成任何縫隙，使得含銅鍍層140內(nèi)部不含任何空腔。
[0032]含銅鍍層140可包含或不含錳。在一個實例中，含銅鍍層140可基本上由銅構成，使得含銅鍍層140中除了銅以外的任何其他材料都處于痕跡量級。在另一個實例中，含銅鍍層140可包含銅錳合金，該銅錳合金具有約Ippm至10原子百分數(shù)的錳濃度，且優(yōu)選的是約IOppm至約2原子百分數(shù)的錳濃度。通過改用含有銅錳合金溶液的鍍液浴(即，在鍍液浴中加入錳)以在鍍膜期間將錳加入該膜中，而可將錳加入含銅鍍層140內(nèi)。
[0033]在使用含銅鍍層140填充過孔空腔和線空腔之前，在含有該過孔空腔和線空腔的區(qū)域外處所測得含銅鍍層140的厚度可為約40納米至約800納米，且通常約100納米至約300納米，然而本申請也考慮可使用更小和更大的厚度。所沉積的含銅鍍層140具有晶粒尺寸介于約5納米至約400納米，且通常介于約10納米至約200納米的微結構，然而該晶粒尺寸取決于鍍膜過程的細節(jié)且可能小于或大于以上所指出的范圍。
[0034]第一示例性金屬互連結構經(jīng)歷再結晶過程，在該過程中，銅錳合金晶種層130與含銅鍍層140中的晶粒生長。該再結晶過程通常采用在介于約20°C至約400°C間的溫度下進行退火約I秒至約I周的時間段。在退火期間，銅錳合金晶種層130和含銅鍍層140內(nèi)的晶粒尺寸增大。雖然在高于50°C的溫度下退火是優(yōu)選的，但在室溫下發(fā)生某種程度的再結晶，使得即使不使用退火過程，也能有利地使用本發(fā)明，即通過將第一示例性金屬互連結構留在室溫下持續(xù)一段延長時間，從而增大晶粒尺寸。
[0035]在再結晶過程之后，加入銅錳合金晶種層130中的錳會影響通過銅錳合金晶種層130和含銅鍍層140的再結晶形成的銅錳合金層的微結構。錳不與銅形成金屬間化合物(intermetallic compound)。因此,在再結晶過程期間,猛沉淀在晶界中。即使在與金屬勢壘層120相接的界面處，錳也可誘發(fā)生長大晶粒，使得在銅錳合金層的頂部處和該銅錳合金層的底部處的晶粒尺寸基本相同。
[0036]根據(jù)本發(fā)明，銅錳合金晶種層130中的錳在含銅鍍層140中成核生成新晶粒，使得含銅鍍層140中的晶粒的尺寸可生長到比后續(xù)要形成金屬線的特征尺寸要大。此外，晶粒生長延伸至銅錳合金晶種層130，使得該晶粒生長作用于整個銅錳合金層。此外，在再結晶過程期間，含銅鍍層140可以可選地供應額外的錳以加速晶粒生長。
[0037]經(jīng)歷再結晶過程的銅錳合金層的晶粒尺寸大于從銅錳合金層的線特征區(qū)域上至介電層110的頂表面處測量的厚度。在第一示例性金屬互連結構中，銅錳合金層的底部(包含對應于形成銅錳合金晶種層130以前的過孔空腔和線空腔的這些部分)含有基本少量的小晶粒。銅錳合金層的底部的晶粒尺寸與該銅錳合金層的頂部的晶粒尺寸基本相同，且因此大于該銅錳合金層的厚度。在該銅錳合金層的底部處缺乏小尺寸晶粒的網(wǎng)狀結構可防止銅原子或錳原子沿著晶界擴散。存在于下凹的線特征內(nèi)的晶界傾向沿該下凹的線特征的寬度方向延伸。因此，銅錳合金層內(nèi)的這些晶界基本上不會彼此銜接，且該銅錳合金層具有竹節(jié)狀微結構，在該竹節(jié)狀微結構內(nèi)的晶界延伸至銅錳合金層的底表面，且這些晶界彼此隔開至少一個晶粒。每個“布雷?！遍L度有一個竹節(jié)狀晶?？苫就Ｖ褂删Ы鐢U散引起的電致遷移。
[0038]例如，可使用化學機械平坦化法使銅錳合金層平坦化，以形成與介電層110的頂表面基本共面的銅錳合金線?？拷撱~錳合金線的頂表面處的晶粒尺寸可約為或大于銅錳合金線的寬度的2倍至3倍。因此，銅錳合金線具有基本上遍布的竹節(jié)狀微結構，且不含尺寸小于銅錳合金線的寬度的小晶粒。晶界之間的竹節(jié)式分段結構基本出現(xiàn)在整個銅錳合金線。由于任何殘留的晶界與電流方向基本垂直，因此該竹節(jié)狀微結構能消除沿著晶界的銅擴散。
[0039]參見圖2，根據(jù)本發(fā)明第二實施例的第二示例性金屬互連結構包括介電層110、金屬勢壘層120、含銅晶種層230和銅錳合金鍍層240。介電層110通常形成在含有半導體器件(圖中未示出)的半導體襯底(圖中未示出)上，且介電層110可包含與第一實施例中相同的材料。通過光刻圖案化法和蝕刻法在介電層110內(nèi)形成過孔空腔和線空腔，使得在整合方案(所屬【技術領域】中熟知的雙鑲嵌整合方案)中，該過孔空腔與線空腔重疊。使用與第一實施例中相同的方式形成金屬勢壘層120，且該金屬勢壘層120具有與第一實施例中相同的組成和厚度。
[0040]例如，使用物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、原子層沉積(ALD)、電沉積或無電沉積在金屬勢壘層120上形成含銅晶種層230。含銅晶種層230可含有或不含錳。在一個實例中，含銅晶種層230可基本由銅構成，使得該含銅晶種層230中除了銅以外的任何其他材料都處于痕跡量級。在另一個實例中，含銅晶種層230可包含銅錳合金，該銅錳合金具有約Ippm至10原子百分數(shù)的錳濃度，且優(yōu)選的是約IOppm至2原子百分數(shù)的錳濃度。例如，通過使用含銅錳合金的靶材取代PVD過程中的純銅濺射靶材可將錳加入該含銅晶種層230中。
[0041]所沉積的含銅晶種層230具有多晶結構，在該結構中，晶粒的平均尺寸與含銅晶種層230的厚度相當或較小。通常，含銅晶種層230具有約2納米至約10納米的平均晶粒尺寸。在線空腔的底表面上方測量的含銅晶種層230的厚度可為約2納米至約60納米，且通常為約5納米至約50納米，然而本申請也考慮更小或更大的厚度。
[0042]通過在含銅晶種層230上鍍銅錳合金而形成銅錳合金鍍層240。該鍍膜過程可采用電鍍法或無電鍍法。由于該用于形成鍍層的過程的本質(zhì)，即該鍍膜過程的本質(zhì)，銅錳合金鍍層240含有O、N、C、Cl和S。O、N、C、Cl和S的濃度總和通常約Ippm至約200ppm。優(yōu)選的是使用電鍍法形成銅錳合金鍍層240。通常采用超填充過程(由底部向上填充)以避免在過孔空腔和線空腔內(nèi)形成任何縫隙，使得該銅錳合金鍍層240內(nèi)不含任何空腔。
[0043]銅錳合金鍍層240是含銅層，該含銅層也含有錳，即含有銅與錳的合金。非必要但優(yōu)選的是，該銅錳合金鍍層240的金屬成分可由銅和錳組成。銅錳合金鍍層240內(nèi)的錳濃度可為約Ippm至約10原子百分數(shù)，且優(yōu)選的是約IOppm至約2原子百分數(shù)。例如，通過使用含有銅錳合金溶液的鍍液浴取代含有純銅溶液的鍍液浴(即，在該鍍液浴中加入錳)以在鍍膜期間將錳加入該膜中，而可將錳加入該銅錳合金鍍層240內(nèi)。
[0044]在使用含銅鍍層填充過孔空腔和線空腔之前，在含有該過孔空腔和線空腔的區(qū)域外處測量的銅錳合金鍍層240的厚度可為約40納米至約800納米，且通常約100納米至約300納米，然而本申請也考慮可使用更小和更大的厚度。所沉積的銅錳合金鍍層240具有晶粒尺寸介于約5納米至約400納米，且通常介于約10納米至約200納米的微結構，然而該晶粒尺寸取決于鍍膜過程的細節(jié)且可能小于或大于以上所指出的范圍。
[0045]第二示例性金屬互連結構經(jīng)歷再結晶過程，在該過程中，含銅晶種層230與銅錳合金鍍層240中的晶粒生長。在再結晶過程之后，第二示例性金屬互連結構與圖1中的第一實施例的第一示例性金屬互連結構基本相同。含銅晶種層230和銅錳合金鍍層240組成銅錳合金層?？刹捎门c第一實施例中相同類型的再結晶過程，并以與第一實施例中相同的方式增大晶粒尺寸。加入銅錳合金鍍層240中的錳會影響通過含銅晶種層230和銅錳合金鍍層240的再結晶而形成的銅錳合金層的微結構。與第一實施例中相同的方式，在再結晶過程期間，錳沉淀在晶界內(nèi)。即使在與金屬勢壘層120相接的界面處，錳也可誘發(fā)生長大晶粒，使得在銅錳合金層的頂部處和該銅錳合金層的底部處的晶粒尺寸基本相同，且該銅錳合金層與圖1中的銅錳合金層140基本相同。
[0046]第二示例性金屬互連結構與圖1中所示的第一示例性金屬互連結構基本相同。以第一實施例中相同的方式使該銅錳合金層平坦化，以形成銅錳合金線。至此，第二示例性金屬互連結構與圖1中的第一示例性金屬互連結構基本相同。第二示例性金屬互連結構包括該銅錳合金線，該銅錳合金線基本上具有竹節(jié)狀微結構，且不具有小尺寸晶粒(晶粒尺寸小于該銅錳合金線寬度)的網(wǎng)狀結構。晶界之間的竹節(jié)式分段結構與第一示例性金屬互連結構中所示一樣基本出現(xiàn)在整個銅錳合金線。由于任何殘留的晶界與電流方向基本垂直，因此該竹節(jié)狀微結構能消除沿著晶界的銅擴散。
[0047]參見圖3，根據(jù)本發(fā)明第三實施例的第三示例性金屬互連結構包括介電層110、金屬勢壘層120、含銅晶種層330、含銅鍍層340和銅錳合金蓋層350。介電層110通常形成在含有半導體器件(圖中未示出)的半導體襯底(圖中未示出)上，且介電層110可包含與第一實施例中相同的材料。通過光刻圖案化法和蝕刻法在介電層110內(nèi)形成過孔空腔和線空腔，使得在整合方案(所屬【技術領域】中熟知的雙鑲嵌整合方案)中，該過孔空腔與線空腔重疊。使用與第一實施例中相同的方式形成金屬勢壘層120，且該金屬勢壘層120具有與第一實施例中相同的組成和厚度。
[0048]例如使用物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、原子層沉積(ALD)、電沉積或無電沉積在金屬勢壘層120上形成含銅晶種層330。含銅晶種層330可含有或不含錳。在一個實例中，含銅晶種層330可基本由銅構成，使得該含銅晶種層330中除了銅以外的任何其他材料都處于痕跡量級。在另一個實例中，含銅晶種層330可包含銅錳合金，該銅錳合金具有約Ippm至10原子百分數(shù)的錳濃度，且優(yōu)選的是約IOppm至約2原子百分數(shù)的錳濃度。例如，通過使用含銅錳合金的靶材取代PVD過程中的純銅濺射靶材可將錳加入該含銅晶種層330中。所沉積的含銅晶種層330可具有與第一實施例相同的多晶結構與厚度。
[0049]通過在含銅晶種層330上鍍含銅材料而形成含銅鍍層340。該鍍膜過程可采用電鍍法或無電鍍法。由于該用于形成鍍層的過程的本質(zhì)，即該鍍膜過程的本質(zhì)，含銅鍍層340含有O、N、C、Cl和S。O、N、C、Cl和S的濃度總和通常約Ippm至約200ppm。優(yōu)選的是使用電鍍法形成含銅鍍層340。通常采用超填充過程(由底部向上填充)以避免在過孔空腔和線空腔內(nèi)形成任何縫隙，使得含銅鍍層340內(nèi)不含任何空腔。
[0050]含銅鍍層340可含有或不含錳。在一個實例中，含銅鍍層340可基本由銅構成，使得含銅鍍層340中除了銅以外的任何其他材料都處于痕跡量級。在另一個實例中，含銅鍍層340可包含銅錳合金，該銅錳合金具有約Ippm至10原子百分數(shù)的錳濃度且優(yōu)選的是約IOppm至約2原子百分數(shù)的錳濃度。例如通過使用含有銅錳合金溶液的鍍液浴取代含有純銅溶液的鍍液浴(即，在該鍍液浴中加入錳)以在鍍膜期間將錳加入該膜中，而可將錳加入含銅鍍層340內(nèi)。含銅鍍層340的微結構和厚度可與第一實施例中所示者相同。
[0051]銅錳合金蓋層350包含銅與錳的合金，且可由銅與錳的合金組成。銅錳合金蓋層350中的猛濃度可為約Ippm至50原子百分數(shù),優(yōu)選的是約IOppm至約40原子百分數(shù),且更佳約IOOppm至約30原子百分數(shù)。例如，可使用物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、原子層沉積(ALD)、電沉積或無電沉積形成銅猛合金蓋層350。
[0052]銅錳合金蓋層350的厚度可為約I納米至約50納米，且通常約3納米至約30納米，然而本申請也考慮更小和更大的厚度。所沉積的銅錳合金蓋層350具有晶粒尺寸介于約2納米至約20納米，且通常介于約5納米至約10納米的微結構，然而晶粒尺寸取決于沉積過程的細節(jié)且可能小于或大于以上所指出的范圍。
[0053]第三示例性金屬互連結構經(jīng)歷再結晶過程，在該過程中，銅錳合金蓋層350、含銅鍍層340和含銅晶種層330中的晶粒生長。在再結晶過程之后，該第三示例性金屬互連結構與圖1中的第一實施例的第一示例性金屬互連結構基本相同。銅錳合金蓋層350、含銅鍍層340和含銅晶種層330共同成為銅錳合金層?？刹捎门c第一實施例中相同類型的再結晶過程，并以與第一實施例中相同的方式增大晶粒尺寸。在再結晶過程之后，加入銅錳合金蓋層350中的錳會影響銅錳合金層的微結構。與第一實施例中相同的方式，在再結晶過程期間，錳沉淀在晶界內(nèi)。錳可在與銅錳合金蓋層350相接的頂界面處誘發(fā)生長大晶粒，使得在銅錳合金蓋層的頂部處和該銅錳合金層的底部處的晶粒尺寸基本相同。
[0054]存在于該銅錳合金蓋層350中的錳可在再結晶過程期間誘發(fā)晶粒生長。該晶粒生長延伸至含銅鍍層340和含銅晶種層330中，使得該晶粒生長作用于由銅錳合金蓋層350、含銅鍍層340和含銅晶種層330所形成的整個銅錳合金層。如果含銅鍍層340進一步包含錳，則該含銅晶種層330中附加的錳也可在再結晶過程期間促進晶粒生長。
[0055]第三示例性金屬互連結構與圖1中所示的第一示例性金屬互連結構基本相同，且因此兩者具有相同的物理特性、組成特性和結構特性。以與第一實施例中相同的方式使銅錳合金層平坦化，以形成銅錳合金線。至此，第三示例性金屬互連結構與圖1中的第一示例性金屬互連結構基本相同。第三示例性金屬互連結構包括該銅錳合金線，該銅錳合金線基本上具有竹節(jié)狀微結構，且基本上不含小尺寸晶粒(晶粒的尺寸小于該銅錳合金線寬度)。晶界之間的竹節(jié)式分段結構如第一示例性金屬互連結構中所示一樣地基本出現(xiàn)在整個銅錳合金線。由于任何殘留的晶界與電流方向呈基本垂直，因此該竹節(jié)狀微結構能消除沿著晶界的銅擴散。每個“布雷?！遍L度有一個竹節(jié)狀晶?？苫就Ｖ挂蚓Ы鐢U散所造成的電致遷移。
[0056]參見圖4A至圖4E，圖中示出形成上述金屬互連結構的方法。在預先存在的半導體結構(圖中未示出)上提供介電材料110。介電材料110已經(jīng)被蝕刻，以在該介電材料110中形成下凹的線圖案。在該介電材料110上形成金屬勢壘層120。優(yōu)選的是沿該介電材料110中的下凹的線圖案的頂部和側壁形成該金屬勢壘層120。在該金屬勢壘層上(優(yōu)選的是在介電材料110上的下凹的線圖案的頂部和側壁上)形成含銅晶種層430。在含銅晶種層430上沉積且電鍍含銅層440。含銅晶種層430和含銅層440中的至少一個包括銅錳合金。該銅錳合金含有約Ippm至約10原子百分數(shù)的錳濃度。優(yōu)選地，該銅錳合金含有約IOppm至約2原子百分數(shù)的錳濃度。也在含銅層440上形成銅錳合金蓋層350。該銅錳合金蓋層350優(yōu)選具有約Ippm至約50原子百分數(shù)的錳濃度。
[0057]含銅晶種層430和含銅層440在介于約20°C至約400°C間的溫度下進行退火約I秒至約I周的時間段。在退火過程期間，含銅層440和含銅晶種層430內(nèi)的晶粒尺寸增大。晶粒尺寸增大也降低含銅晶種層430和含銅層440內(nèi)的電阻。含銅晶種層430和含銅層440基本形成該下凹的線圖案內(nèi)的竹節(jié)狀微結構。至少每個“布雷?！遍L度中，該竹節(jié)狀微結構內(nèi)的晶界延伸至含銅層440的底表面。一些錳(Mn)將擴散至該下凹的線圖案的表面并與任何可用的氧氣(O2)反應，而形成氧化錳(MnO)層或硅酸錳(MnSiO)層，從而從銅(Cu)中去除錳合金?？稍龃缶Я３叽纾沟迷谠摻饘倬€的底表面處，晶界彼此之間隔開至少金屬線的寬度。
[0058]如圖5所示，對含銅層440進行平坦化至該介電層頂部處停止。含銅晶種層430與含銅層440的剩余部分560構成銅錳合金線。在該銅錳合金線的底部處測量的晶粒尺寸可超過該銅錳合金線的寬度。該銅錳合金線基本具有竹節(jié)狀微結構，在該微結構中，每個晶界從該銅錳合金線的頂表面延伸至該銅錳合金線的底表面，且每個晶界與任何其他晶界之間以大于該銅錳合金線的寬度的距離隔開。
[0059]圖6圖示在室溫下，在氧化硅上的30納米Cu-Mn晶種層上的500納米鍍銅膜的結構的片電阻下降百分比對時間的曲線圖。銅晶種層中的Mn的百分比范圍介于0.15至0.84原子百分Mn比間。圖中清楚顯示在這些Cu-Mn晶種層上的鍍銅片電阻下降快得多，且在0.84原子百分數(shù)的Mn的Cu-Mn晶種層上的片電阻下降得最快(在5小時內(nèi)完成)。片電阻是一種用于測量室溫Cu晶粒生長(再結晶)的方法，此方法對于鍍銅膜是公知的。錳能增強再結晶。在11.5天之后，純Cu晶種層顯示約8%的片電阻僅下降，然而在這些Cu-Mn晶種層上約1.5天后再結晶便已完成。
[0060]圖7同樣圖示在室溫下，在氧化硅上的Cu-Mn晶種層的鍍銅膜的結構的片電阻下降百分比對時間的曲線圖。在圖7中，該鍍銅膜的厚度為300納米。同樣地，該Cu-Mn晶種層增強Cu再結晶，且具有0.84原子百分數(shù)的Mn的Cu-Mn晶種層顯示出最快的再結晶速率。
[0061]本申請中使用的術語僅為達到說明特定實施例的目的，且不應用于限制本發(fā)明。當用于本申請中，除非文中內(nèi)容另有明確指示，否則單數(shù)用語(一)、(一個)、(該)也旨在包含復數(shù)形式?？蛇M一步了解，當用于本申請說明書時，(包含)及/或(含有)的用語指明所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元素及/或構件的存在，但不排除可能存在或附加一或多個其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元素、構件及/或上述多者的群組。
[0062]在后附權利要求中，對應于所有手段功能技術特征或步驟功能技術特征的結構、材料、動作及上述各者的等價物也應涵蓋可與特別聲明的其他所主張技術特征結合而執(zhí)行該功能的任何結構、材料或動作。所提出的本發(fā)明說明作為例示與說明的用，但并窮盡地公開了本發(fā)明或不旨在將本發(fā)明局限于所公開的形式。所屬【技術領域】中普通技術人員將明白可在不偏離本發(fā)明范圍和精神下做出許多修改與變型例。所選用和描述的實施例為了能最佳地解說本發(fā)明的原理和實際應用，并使所屬【技術領域】中其他普通技術人員能夠了解到本發(fā)明可對各種實施例做出各種不同修改而適用于預期的特定用途。
[0063]本發(fā)明可廣泛應用于制造包含于廣泛應用于大量電子和電氣裝置中的集成電路芯片中的高性能半導體場效應晶體管(FET)器件。
【權利要求】
1.一種金屬互連結構，包括: 介電材料層(110)，所述介電材料層(110)包含下凹的線圖案； 金屬勢壘層(120)，所述金屬勢壘層(120)鄰接位于所述下凹的線圖案的側壁處的所述介電材料層(110)且覆蓋整個所述介電材料層(110); 含銅晶種層(130)，所述含銅晶種層(130)鄰接所述金屬勢壘層(120)且覆蓋整個所述介電材料層(110);以及 含銅層(140)，所述含銅層(140)包含電鍍銅且鄰接所述含銅晶種層(130); 其中所述含銅晶種層(130)和所述含銅層(140)中的至少一個包括銅錳合金，以及其中所述含銅晶種層(130)和所述含銅層(140)在所述下凹的線圖案內(nèi)形成竹節(jié)狀晶粒，在至少每個“布雷希”長度內(nèi)，在所述含銅層(140)的底表面處測量的晶粒尺寸超過銅錳合金線的寬度。
2.如權利要求1所述的結構，其中所述含銅層(140)包括O、N、C、Cl和S，這些元素的濃度總和的范圍從約Ippm至約200ppm。
3.如權利要求1所述的結構，其中所述含銅晶種層(130)和所述含銅層(140)中的至少一個含有約Ippm至約10原子百分數(shù)的猛濃度。
4.如權利要求1所述的結構，其中所述銅錳合金含有約IOppm至約2原子百分數(shù)的錳濃度。
5.如權利要求1所述的結構，其中所述含銅晶種層(130)包括銅錳合金，所述銅錳合金含有約Ippm至約10原子百`分數(shù)的錳濃度，且所述含銅晶種層(130)具有約2納米至約60納米的厚度。
6.如權利要求1所述的結構，其中所述含銅層(140)包括銅錳合金，所述銅錳合金含有約Ippm至約10原子百分數(shù)的錳濃度，且在所述介電材料層(110)的位于所述下凹的線圖案以外的部分上方具有約40納米至約800納米的厚度。
7.一種金屬互連結構,包括: 介電材料層(110)，所述介電材料層(110)包含下凹的線圖案； 金屬勢壘層(120)，所述金屬勢壘層(120)鄰接位于所述下凹的線圖案的側壁處的所述介電材料層(110)且覆蓋整個所述介電材料層(110); 含銅晶種層(130)，所述含銅晶種層(130)鄰接所述金屬勢壘層(120)且覆蓋整個所述介電材料層(110)； 含銅層(140)，所述含銅層(140)包含電鍍銅且鄰接所述含銅晶種層； 其中所述含銅晶種層(130)和所述含銅層(140)在所述下凹的線圖案內(nèi)形成竹節(jié)狀晶粒，在至少每個“布雷?！遍L度內(nèi)，在所述含銅層(140)的底表面處測量的晶粒尺寸超過銅錳合金線的寬度；以及 銅錳合金蓋層(350 )，所述銅錳合金蓋層(350 )鄰接所述含銅層。
8.如權利要求7所述的結構，其中所述含銅層(140)包括O、N、C、Cl和S，這些元素的濃度總和從約Ippm至約200ppm。
9.如權利要求8所述的結構，其中所述銅錳合金含有約IOppm至約20原子百分數(shù)的錳濃度。
10.如權利要求7所述的結構，其中所述銅錳合金蓋層(350)含有約Ippm至約50原子百分數(shù)的錳濃度。
11.一種金屬互連結構,包括: 鍍銅層，所述鍍銅層包含線圖案； 銅錳晶種層，所述銅錳晶種層在鍍銅線的底表面處具有約Ippm至約20原子百分數(shù)的錳原子濃度，所述銅錳晶種層夾在所述鍍銅線與勢壘層之間，且所有層皆經(jīng)圖案化，其中，在至少每個“布雷?！遍L度內(nèi)，在銅錳合金線的底表面處測量的晶粒尺寸超過所述銅錳合金線的寬度；以及 勢壘和介電層，所述勢壘和介電層圍繞所述銅錳合金線。
12.—種形成金屬互連結構的方法，包括: 提供介電材料層(110)，所述介電材料層(110)含有下凹的線圖案； 在位于所述下凹的線圖案的側壁處的所述介電材料層(110)上形成金屬勢壘層(120)； 在所述金屬勢壘層(120)上形成含銅晶種層(130);以及 在所述含銅晶種層(130)上電鍍含銅層(140)，其中所述含銅晶種層(130)和所述含銅層(140)中的至少一個包括銅錳合金，所述銅錳合金含有約Ippm至約10原子百分數(shù)的錳濃度。
13.如權利要求12所述的方法，進一步包括: 使所述含銅晶種層(130)和所述含銅層(140)在介于約20°C至約400°C間的溫度下退火約I秒至約I周的時間段，其中，在所述退火期間，所述含銅層(140)和所述含銅晶種層(130)中的晶粒尺寸增大。
14.如權利要求13所述的方法，進一步包括: 增大所述含銅晶種層(130)和所述含銅層中的晶粒尺寸，且降低所述含銅晶種層(130)和所述含銅層中的電阻，其中所述含銅晶種層(130)和所述含銅層(140)在所述下凹的線圖案內(nèi)形成竹節(jié)狀晶粒，及其中竹節(jié)狀微結構內(nèi)的每個竹節(jié)狀晶界延伸至所述含銅層(140)的底表面，且至少每個“布雷希”長度重復出現(xiàn)。
15.如權利要求14所述的方法，其中所述含銅晶種層(130)和所述含銅層(140)內(nèi)的所述晶粒尺寸可被增大，使得在金屬線的底表面處所述晶界彼此之間隔開至少金屬線的寬度。
16.如權利要求12所述的方法，進一步包括: 對所述含銅層(140)進行平坦化，其中所述含銅晶種層(130)和所述含銅層(140)的剩余部份構成銅錳合金線，其中在至少每個“布雷?！遍L度內(nèi)，在所述銅錳合金線的底部處測量的晶粒尺寸超過所述銅錳合金線的寬度。
17.如權利要求12所述的方法，其中所述銅錳合金線具有竹節(jié)狀微結構，在所述竹節(jié)狀微結構中，每個晶界從所述銅錳合金線的頂表面延伸至所述銅錳合金線的底表面，且每個晶界與任何其他晶界之間隔開大于所述銅錳合金線的寬度的距離。
18.如權利要求12所述的方法，其中所述含銅晶種層(130)包括銅錳合金，所述銅錳合金含有約Ippm至約10原子百分數(shù)的錳濃度，且其中所述含銅晶種層(130)通過物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、原子層沉積(ALD)、電沉積或無電沉積形成。
19.一種形成金屬互連結構的方法，包括:提供介電材料層(110)，所述介電材料層(110 )含有下凹的線圖案； 直接在位于所述下凹的線圖案的側壁處的所述介電材料層(110)上形成金屬勢壘層(120)； 直接在所述金屬勢壘層(120)上形成含銅晶種層(130); 直接在所述含銅晶種層(130)上電鍍含銅層(140);及 直接在所述含銅層上形成銅錳合金蓋層(350)，所述銅錳合金蓋層(350)含有約Ippm至約50原子百分數(shù)的錳濃度。
20.如權利要求19所述的方法，進一步包括: 增大所述含銅晶種層(130)和所述含銅層中的晶粒尺寸，且降低所述含銅晶種層(130)和所述含銅層中的電阻，其中所述含銅晶種層(130)和所述含銅層(140)在所述下凹的線圖案內(nèi)形成竹節(jié)狀晶粒，且其中竹節(jié)狀微結構內(nèi)的每個竹節(jié)狀晶界延伸至所述含銅層(140)的底表面，且至少每個“布雷?！遍L度重復出現(xiàn)。
21.如權利要求19所述的方法，進一步包括: 對所述含銅層進行平坦化，其中所述含銅晶種層(130)和所述含銅層(140)的剩余部份構成銅錳合金線，其中在所述銅錳合金線的底部處測量的晶粒尺寸超過所述銅錳合金線的寬度，且至少每個“布雷希”長度重復出現(xiàn)。
22.如權利要求19所述的方法，其中所述銅錳合金線具有竹節(jié)狀微結構，其中每個晶界從所述銅錳合金線的頂表面延伸至所述銅錳合金線的底表面，且每個晶界與任何其他晶界間之間隔開大于所述銅錳合金線的寬`度的距離。
【文檔編號】H01L21/28GK103828025SQ201280044767
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2012年7月18日 優(yōu)先權日:2011年9月14日
【發(fā)明者】小西里爾·卡布拉爾, 野上武史, 杰弗里·P·甘比諾, 黃強, 肯尼思·P·羅德貝爾 申請人:國際商業(yè)機器公司