專利名稱：引入了金屬籽晶層的銅互連結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提供與電子器件的電耦合的互連結(jié)構(gòu)，及制造這種結(jié)構(gòu)的方法，特別涉及一種提供與電子器件的電連接的互連結(jié)構(gòu)，通過引入夾在銅導(dǎo)電主體和電子器件間的銅合金籽晶層，從而改善互連結(jié)構(gòu)的抗電遷移性、粘附性和表面特性。
制造為半導(dǎo)體芯片結(jié)構(gòu)、平板顯示器、及封裝應(yīng)用中的通孔、連線、或其它凹槽提供互連的技術(shù)已開發(fā)出許多年了。例如，在開發(fā)用于超大規(guī)模集成(VLSI)結(jié)構(gòu)的互連技術(shù)中，采用了鋁作為位于單個(gè)襯底上的各半導(dǎo)體區(qū)或各器件的接觸和互連的主要金屬來源。由于鋁的低成本、良好歐姆接觸、及高導(dǎo)電性，選擇了鋁材料。然而，純鋁薄膜導(dǎo)體具有所不希望的特性，如限制了其用于低溫處理的低熔點(diǎn)，導(dǎo)致接觸和結(jié)失效的退火期間向硅中的可能擴(kuò)散，及電遷移。因而，已研究了多種優(yōu)于純鋁的鋁合金。例如，美國專利4566177公開了一種含高達(dá)3wt％的硅、銅、鎳、鉻和鎂以提高抗電遷移性的鋁合金導(dǎo)電層。美國專利3631304公開了一種具有也用于提高抗電遷移性的氧化鋁的鋁合金。
近年來開發(fā)的ULSI技術(shù)由于這些器件的極高電路密度和更快的工作速度，對(duì)于布線需要有更嚴(yán)格的要求。這導(dǎo)致了在日益變小的導(dǎo)電連線中更高的電流密度。結(jié)果，需要有更高導(dǎo)電性的布線，而該布線對(duì)于鋁合金導(dǎo)體來說要求有較大截面的金屬線，或者要求具有較高導(dǎo)電性的不同布線材料。顯然工業(yè)上的選擇是利用具有期望的高導(dǎo)電性的純銅開發(fā)后者。
在形成如通孔和連線等ULSI互連結(jié)構(gòu)的過程中，銅可以淀積到這些凹槽中，從而互連位于同一襯底上的各半導(dǎo)體區(qū)或各器件。然而，已知由于銅的低抗電遷移性，其在半導(dǎo)體器件的結(jié)中存在問題。在電場疊加于金屬化固體中的隨機(jī)熱擴(kuò)散上引起了離子在電子流方向的凈漂移時(shí)，會(huì)發(fā)生電遷移現(xiàn)象。任何銅離子擴(kuò)散到硅襯底中都會(huì)導(dǎo)致器件失效。此外，純銅與如二氧化硅和聚酰亞胺等含氧介質(zhì)不能很好粘附。為了在互連技術(shù)中充分利用銅，還必須提高銅的粘附性。
轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的共同受讓人的美國專利5130274公開了利用含原子百分比少于2％的合金元素的銅合金的方法，首先在互連結(jié)構(gòu)的凹槽中淀積合金，然后，形成銅合金栓塞，并在銅栓塞的暴露表面上形成合金元素的氧化物薄層。然而，該技術(shù)仍不能滿足對(duì)于薄膜芯片互連來說是嚴(yán)重問題的其臨界尺寸小于0.5微米的ULSI結(jié)構(gòu)的嚴(yán)格要求。在深亞微米邏輯電路布線結(jié)構(gòu)中采用標(biāo)準(zhǔn)Al(Cu)合金和二氧化硅介質(zhì)導(dǎo)致了由布線互連引起的大電路延遲。
其它人已試圖采用Cu作ULSI布線結(jié)構(gòu)中的Al(Cu)的替代材料提高芯片的速度。然而，在Cu互連中仍存在許多問題，如Cu易于侵蝕，銅在薄膜中有很快的表面擴(kuò)散速率。已知純Cu具有比Al(Cu)的電遷移激活能0.8-0.9eV小的電遷移激活能，即0.5-0.8eV。于是，采用Cu減小芯片工作條件下的互連電遷移失效是很好的折衷方案。


圖1中展示了利用由銅合金制造的常規(guī)互連的電子結(jié)構(gòu)的放大剖面示意圖。電子結(jié)構(gòu)10包括在預(yù)先制造的器件20上利用鑲嵌工藝的兩級(jí)銅互連12、16和一個(gè)間柱級(jí)14，例示了銅布線結(jié)構(gòu)。器件20建立在半導(dǎo)體襯底24上。如圖1所示，首先利用平面介質(zhì)疊層26制造典型的鑲嵌級(jí)。然后，利用標(biāo)準(zhǔn)的光刻和干法腐蝕技術(shù)構(gòu)圖并腐蝕介質(zhì)疊層26，形成所要求的布線或通孔圖形。然后，是薄粘附/擴(kuò)散襯里18和銅合金金屬12的金屬淀積，其中底部氮化硅層28用作擴(kuò)散阻擋層，其預(yù)先淀積在器件20的上部，以防止銅擴(kuò)散。形成了銅合金互連12后，淀積上部氮化硅層32，作為限定下一級(jí)銅互連14的腐蝕停止層。淀積了第二級(jí)介質(zhì)疊層34后，在介質(zhì)層34和氮化硅層32中腐蝕用于互連的凹槽。
然后，利用與淀積第一級(jí)銅合金互連12類似的技術(shù)，淀積具有襯里22的層間銅合金間柱14?？梢杂貌煌慕饘俚矸e技術(shù)填充該溝槽或通孔。這些技術(shù)包括準(zhǔn)直濺射工藝、離子簇束工藝、電子回旋共振工藝、化學(xué)汽相淀積工藝、無電鍍敷工藝和電解鍍敷工藝。在形成銅合金層時(shí)，還可以用如共淀積方法等其它技術(shù)，其中銅和合金元素一同淀積。例如，共淀積法包括共濺射、共鍍敷、共化學(xué)汽相淀積和共蒸發(fā)。完成了層間銅合金間柱14后，重復(fù)另一類似的工藝，在第三級(jí)介質(zhì)疊層38中形成帶有襯里24的第二級(jí)銅互連16。該間柱和第二級(jí)互連間采用氮化硅作腐蝕停止層36。最后，在銅布線結(jié)構(gòu)10的上部淀積上部氮化硅層42，用于保護(hù)器件免受環(huán)境影響。
另外一些人試圖用銅合金提供增強(qiáng)的抗電遷移能力。例如，美國專利5023698教導(dǎo)了至少含選自Al、Be、Cr、Fe、Mg、Ni、Si、Sn、和Zn中一種合金元素的銅合金。美國專利5077005教導(dǎo)了至少含選自In、Cd、Sb、Bi、Ti、Ag、Sn、Pb、Zr和Hf中一種的銅箔，其中合金元素的重量百分比為0.0003-0.01。這些銅合金用于TAB工藝和用作印刷電路板部件。美國專利5004520教導(dǎo)了用于膜載體應(yīng)用的銅合金，其中至少含選自P、Al、Cd、Fe、Mg、Ni、Sn、Ag、Hf、Zn、B、As、Co、In、Mn、Si、Te、Cr、和Zn中的一種合金元素，合金元素的濃度為0.03-0.5wt％。這些合金用作集成電路芯片安裝中的連接引線。另外，美國專利4749548教導(dǎo)了至少含選自Cr、Zr、Li、P、Mg、Si、Al、Zn、Mn、Ni、Sn、Ti、Be、Fe、Co、Y、Ce、La、Nb、W、V、Ta、B、Hf、Mo和C中一種合金元素的銅合金。這些合金元素用于提高銅合金的強(qiáng)度。美國專利5243222和5130274教導(dǎo)了用于改善擴(kuò)散阻擋層的粘附性和形成的銅合金。然而，這些現(xiàn)有技術(shù)中沒有一種教導(dǎo)很好地改善了用于ULSI芯片上或芯片下布線互連，以滿足抗電遷移性和粘附性的要求的銅合金。USLI器件的互連結(jié)構(gòu)必須在寬度遠(yuǎn)小于0.5微米、高寬比大于1的絕緣體結(jié)構(gòu)中提供致密、完全連續(xù)的金屬布線。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種銅合金互連結(jié)構(gòu)，不存在常規(guī)銅互連結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)和問題。
本發(fā)明另一目的是提供一種銅合金互連結(jié)構(gòu)，具有改善了的抗電遷移性、粘附性和其它表面特性。
本發(fā)明再一目的是提供一種銅合金互連結(jié)構(gòu)，在銅合金互連體和與之相連的電子器件之間的界面處使用了籽晶層。
本發(fā)明又一目的是提供一種銅合金互連結(jié)構(gòu)，其中引入了夾在銅導(dǎo)電主體和該互連與之相連的電子器件之間的銅合金籽晶層。
本發(fā)明又再一目的是提供一種銅合金互連結(jié)構(gòu)，其中在形成銅導(dǎo)電主體之前淀積銅合金耔晶層，所說銅合金籽晶層中至少含有Sn、In、C、Ti、Zr、N、O、Cl、或S中的一種元素，用于提高互連結(jié)構(gòu)的抗電遷移性。
本發(fā)明還一目的是提供一種銅合金互連結(jié)構(gòu)，其中在形成銅導(dǎo)電主體之前淀積銅合金籽晶層，所說銅合金籽晶層中至少含有選自Al、Mg、Be、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的一種元素。本發(fā)明又一目的是提供銅合金互連結(jié)構(gòu)，其中利用至少含有B、N、P、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt、Ag、Au、Zn或Cd中的一種元素的銅合金籽晶層，以改善互連結(jié)構(gòu)的表面特性。
本發(fā)明再一目的是提供一種銅合金互連系統(tǒng)，其中淀積夾在銅導(dǎo)電主體和電子器件之間由一種金屬構(gòu)成的金屬籽晶層，所說金屬選自Ag、Mo、W或Co，以改善銅導(dǎo)電主體的淀積工藝。
本發(fā)明還一目的是提供一種形成互連結(jié)構(gòu)的方法，其中，首先在電子器件上淀積銅合金籽晶層，然后在籽晶層上形成銅導(dǎo)電主體，以便改善互連結(jié)構(gòu)的抗電遷移性、抗侵蝕性和粘附性，其中籽晶層包括銅和至少選自Sn、In、Zr、Ti、C、O、N、Cl和S的一種元素。
根據(jù)本發(fā)明，利用夾在銅導(dǎo)電主體和電子器件間的附加銅合金籽晶層，提供具有改進(jìn)的抗電遷移性、粘附性和其它表面特性的銅合金互連結(jié)構(gòu)。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，提供一種與電子器件電耦合的互連結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括一個(gè)主體，該主體基本上由銅和夾在主體和電子器件之間并與它們緊密接觸的銅合金籽晶層構(gòu)成，用于改善互連結(jié)構(gòu)的抗電遷移性。銅合金耔晶層由銅和Sn、In、Zr、Ti、C、O、N、Cl或S中的至少一種元素構(gòu)成。
在另一優(yōu)選實(shí)施例中，提供一種建立與電子器件電連接的互連結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括銅導(dǎo)電主體和銅合金籽晶層，所說銅合金籽晶層夾在銅導(dǎo)電主體與形成于電子器件上的擴(kuò)散阻擋層之間，且與它們緊密接觸，用于改善與下層擴(kuò)散阻擋層的粘附性，銅合金籽晶層由銅和至少選自Al、Mg、Be、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Re、Si和Ge中的一種元素構(gòu)成。
在本發(fā)明再一優(yōu)選實(shí)施例中，提供一種建立與電子器件的電連接的互連系統(tǒng)，其包括銅導(dǎo)電主體和銅合金籽晶層，所說銅合金籽晶層夾在銅導(dǎo)電主體與電子器件之間，且與它們緊密接觸，用于改善電子器件的表面特性，銅合金籽晶層由銅和至少選自B、O、N、P、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir中的一種元素構(gòu)成，提供一種建立與電子器件的電耦合的連接系統(tǒng)，其包括銅導(dǎo)電主體和銅合金籽晶層，所說銅合金籽晶層夾在銅導(dǎo)電主體與電子器件之間，且與它們緊密接觸，用于改善銅導(dǎo)電主體淀積工藝，金屬籽晶層由在銅中的溶解度低到基本上不形成銅化合物的金屬淀積。一般情況下，該金屬具有與銅的電阻率基本上類似的電阻率。該金屬籽晶層的合適金屬是Ag、Mo、W、或Co。
本發(fā)明還提供一種形成用于提供與電子器件的電連接的互連結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括以下步驟首先，在電子器件上淀積銅合金籽晶層，然后在銅合金籽晶層上形成與該層緊密鍵合的銅導(dǎo)電主體，以便改善互連結(jié)構(gòu)的抗電遷移性。
本發(fā)明還提供一種形成用于提供與電子器件的電耦合的互連結(jié)構(gòu)的方法，所說結(jié)構(gòu)具有改善的與器件的粘附性，該方法包括以下步驟首先，在電子器件上淀積銅合金籽晶層，該銅合金籽晶層由銅和至少Al、Mg、Be、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Re、Si或Ge中的一種元素構(gòu)成；然后，形成與銅合金耔晶層緊密接觸的銅導(dǎo)電主體。
本發(fā)明還提供一種形成用于提供與電子器件的電耦合的導(dǎo)體的方法，該方法包括以下步驟首先，在電子器件上淀積銅合金籽晶層，該銅合金籽晶層由銅和至少B、O、N、P、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt、Ag、Au、Zn、或Cd中的一種元素構(gòu)成；然后，在銅合金籽晶層上與之緊密接觸地形成導(dǎo)體。所說導(dǎo)體由銅和約0.01-約10wt％的至少C、N、O、Cl或S中的一種合金元素構(gòu)成。
本發(fā)明還提供一種形成用于提供與電子器件的電耦合的導(dǎo)體的方法，該方法包括以下步驟首先，在電子器件上淀積金屬籽晶層，該金屬籽晶層由具有在銅中的溶解度和親和性低到不可能形成銅化合物的金屬淀積；然后，在該金屬耔晶層上與之緊密接觸地形成銅導(dǎo)電主體。該金屬籽晶層可由選自Ag、Mo、W、或Co中的一種金屬淀積。
從以下的具體說明和各附圖中可以更清楚本發(fā)明的這些和其它目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，其中圖1是采用銅合金的常規(guī)互連系統(tǒng)的放大剖面圖。
圖2是具有建立于其中的本發(fā)明互連系統(tǒng)的電子結(jié)構(gòu)的放大透視圖。
圖3A是用于形成本發(fā)明的互連系統(tǒng)的開口的放大剖面圖，所說開口中淀積有擴(kuò)散阻擋層。
圖3B是用于形成圖3A的本發(fā)明互連系統(tǒng)的開口的放大剖面圖，所說開口中淀積有銅合金籽晶層。
圖3C是用于形成圖3B的本發(fā)明互連系統(tǒng)的開口的放大剖面圖，所說開口中淀積有銅導(dǎo)體材料。
圖3D是用于形成圖3C的本發(fā)明的互連系統(tǒng)的放大剖面圖，所說系統(tǒng)具有去掉的過量銅。
圖4A是用于形成雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的本發(fā)明互連系統(tǒng)的開口的放大剖面圖，所說開口中淀積有擴(kuò)散阻擋層。
圖4B是用于形成圖4A的本發(fā)明互連系統(tǒng)的開口的放大剖面圖，所說開口中在擴(kuò)散阻擋層上淀積有銅合金耔晶層。
圖4C是用于形成圖4B的本發(fā)明互連系統(tǒng)的開口的放大剖面圖，所說開口中淀積有銅合金。
圖4D是用于形成圖4C的本發(fā)明的互連系統(tǒng)的放大剖面圖，所說系統(tǒng)中去掉了過量銅。
本發(fā)明提供一種建立與電子器件的電耦合的新穎互連結(jié)構(gòu)，其中利用銅導(dǎo)電主體和夾在該導(dǎo)電主體和電子器件間的銅合金籽晶層，以改善抗電遷移性、粘附性和其它表面特性。本發(fā)明還公開了用于建立與電子器件的電連接的互連結(jié)構(gòu)，其中利用銅導(dǎo)電主體和夾在該導(dǎo)電主體和電子器件間的金屬籽晶層，用于改善銅導(dǎo)電主體淀積工藝，所說金屬籽晶層由Ag、Mo、W、或Co的材料淀積。
本發(fā)明還公開了一種形成提供與電子器件間的電耦合的互連結(jié)構(gòu)的新穎方法，所說結(jié)構(gòu)具有改善的與器件的粘附性，所說方法包括在籽晶層之上形成銅導(dǎo)電主體之前首先在電子器件上淀積銅合金籽晶層。籽晶層可以由銅和至少選自Al、Mg、Be、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Re、Si和Ge中的一種元素構(gòu)成。提供一種形成具有改善的抗電遷移性的互連結(jié)構(gòu)的類似方法，其中利用由銅和至少Sn、In、Zr、Ti、C、O、N、Cl、或S中的一種合金元素淀積的銅合金籽晶層。提供另一種在電子器件上形成具有改善的表面特性、提供與電子器件的電耦合的導(dǎo)體的類似方法，其中利用由銅和至少B、O、N、P、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt、Ag、Au、Zn、或Cd中的一種元素構(gòu)成的銅合金籽晶層。利用不含銅的籽晶層，即由具有在銅中的溶解度和與銅的親和性低到不會(huì)形成銅化合物的金屬，例如Ag、Mo、W、或Co淀積的金屬籽晶層實(shí)施本發(fā)明形成提供電連接的導(dǎo)體的新穎方法。
參見圖2，該圖是本發(fā)明互連結(jié)構(gòu)50的放大透視圖?；ミB結(jié)構(gòu)50建立在襯底52上，襯底52可以是包含電子器件的硅或其它半導(dǎo)體材料。帶有W間柱和局部互連62的器件66建立在半導(dǎo)體襯底52上。布線級(jí)間的垂直連接由連接布線與器件接觸64的Cu間柱結(jié)構(gòu)60和W間柱結(jié)構(gòu)62提供。所示器件66一般代表CMOS晶體管，但也可以是任何電子器件。
為防止銅擴(kuò)散到絕緣體54或器件66，一般用擴(kuò)散/粘附阻擋層包圍銅46、60和56。擴(kuò)散/粘附阻擋層可以是絕緣層70或?qū)щ妼?2。導(dǎo)電擴(kuò)散阻擋層72還提供銅與底層材料的粘附，即使本文獻(xiàn)中僅將它們簡稱作阻擋層。圖2中還示出了一般淀積在主銅導(dǎo)體層46、60和56下的籽晶層76和78。下面結(jié)合制造互連結(jié)構(gòu)的兩種方法，即單鑲嵌工藝和雙鑲嵌工藝介紹籽晶層的位置與作用。
圖3A-3D示出了制造本發(fā)明新穎互連結(jié)構(gòu)的單鑲嵌工藝。圖3A中，圖示了連線或間柱46的結(jié)構(gòu)。首先淀積和構(gòu)圖絕緣層100擴(kuò)散/粘附阻擋層101。在氮化物腐蝕停止層101上淀積襯里層72。這是稱為單鑲嵌工藝的制造方法。接著，在阻擋層72上淀積籽晶層78，如圖3B所示。由于對(duì)于實(shí)現(xiàn)不同特性的改善可以優(yōu)選不同的材料，所以，此后給出用于籽晶層的材料和其淀積方法。
耔晶層78的作用是提供可以于其上淀積主導(dǎo)體層的基礎(chǔ)。如圖3C所示，其中主導(dǎo)體層82淀積在籽晶層78上。為了在單鑲嵌工藝中完成布線步驟，要利用如化學(xué)機(jī)械拋光等方法平面化過量的銅，以去掉多余的上表面主導(dǎo)體82、籽晶層78和阻擋層72，而留下隔離的間柱或連線46。最后，如圖3D所示，淀積絕緣阻擋層。對(duì)于下一級(jí)布線和/或間柱來說可以重復(fù)相同的過程，以建立多級(jí)互連結(jié)構(gòu)。
制造本發(fā)明新穎互連系統(tǒng)的第二方法，一般稱為雙鑲嵌工藝，例如按與圖2所示相同的工藝步驟制造間柱和連線級(jí)，連線級(jí)56和間柱60。參見圖4A，其中首先將阻擋層72淀積到組合連線/間柱開口84中。在工藝的下一步，在阻擋層72上淀積籽晶層76，如圖4B所示。然后淀積主導(dǎo)體層90，以填充連線/間柱開口84。這一切如圖4C所示。然后利用如化學(xué)機(jī)械拋光等技術(shù)進(jìn)行平面化，完成連線56和間柱60一起的布線結(jié)構(gòu)。應(yīng)注意，在該雙鑲嵌工藝中，既可以用氮化硅腐蝕停止層70形成連線56和間柱60，也可省略該層。淀積最后的鈍化層和氮化硅腐蝕停止層101，如圖4D所示。
本發(fā)明新穎互連結(jié)構(gòu)所用的籽晶層具有幾個(gè)所需要的作用。例如，在主銅導(dǎo)體的化學(xué)汽相淀積工藝中，籽晶層可作為引起銅淀積的化學(xué)反應(yīng)的開始。關(guān)于形成主銅導(dǎo)體的電鍍工藝，要求籽晶層提供與供應(yīng)電鍍電流的電極的持續(xù)電連接。關(guān)于主銅導(dǎo)電主體的高溫回流濺射或化學(xué)汽相淀積，要求一個(gè)薄層提供具有良好浸潤性和核生長特性的表面。
主銅導(dǎo)電主體一般不由純銅形成，而用銅與已顯示出能提高銅導(dǎo)電主體的可靠性的如C、N、O、Cl、或S等中的一種合金元素的混合物形成，或由銅與還已顯示出能提高可靠性的其它金屬的合金形成。該合金中的上述合金元素可以是約0.001wt％-約10wt％。
用于淀積銅導(dǎo)電主體的本發(fā)明的新穎籽晶層可以由銅合金或不含銅的其它金屬構(gòu)成。通過合適地選擇合金籽晶層組分，籽晶層可以具有高質(zhì)量淀積的銅導(dǎo)電主體所需的特性，而不會(huì)使整個(gè)復(fù)合導(dǎo)體的可靠性下降。籽晶層的組分和結(jié)構(gòu)不應(yīng)該與主銅導(dǎo)電主體的組分和結(jié)構(gòu)相同。例如，籽晶層可以是具有比主導(dǎo)體銅有更高電阻率的合金。而且，籽晶層合金甚至不含銅。在耔晶層所占的截面積占整個(gè)導(dǎo)體截面積很小比例時(shí)，整個(gè)連線電阻將由主導(dǎo)體的電阻率決定，所以不會(huì)因籽晶層而導(dǎo)致所不希望的增大。還應(yīng)注意，本申請(qǐng)中的“金屬合金”包括金屬化合物以及固溶體或各金屬相的兩相混合物。
因此，可以選擇本發(fā)明的新穎籽晶層，以提供改善的抗電遷移性、改善的與底層擴(kuò)散阻擋層的粘附性、及適用于銅主導(dǎo)體淀積的改善的表面特性。已示出能夠相對(duì)于純銅改善抗電遷移性的銅合金的新組分包括Cu(Sn)、Cu(In)、Cu(Zr)、Cu(Ti)、和Cu(C,N,Cl,S)。本發(fā)明的新穎互連結(jié)構(gòu)還利用銅合金作籽晶層，以相對(duì)純銅來說改善粘附性，這些銅合金包括Cu(Al),Cu(Mg),Cu與如Be、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La等其它還原性金屬的合金，銅與Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu等稀土系列元素的合金，銅與Hf、V、Mb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Re、Si和Ge的合金。
本發(fā)明的新穎互連結(jié)構(gòu)還利用附加的合金元素以改善籽晶層的表面特性，這些合金元素包括B、O、N、P、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt、Ag、Au、Zn和Cd。已發(fā)現(xiàn)，具有適于銅主導(dǎo)體的淀積的表面的銅合金包括不形成過量表面氧化物的那些。因此，可由銅與一種或更多種上述合金元素一起形成合金籽晶層，以得到最佳抗電遷移性、粘附性和表面特性的組合。本發(fā)明的典型例子包括帶有0.25-1.5原子％的Sn、或In的銅合金。Cu(Sn)或Cu(In)的電遷移壽命遠(yuǎn)大于純銅。還可以使Cu、Sn或In互擴(kuò)散，并且可以在300-450℃溫度下在Cu表面累積Sn或In。
按本發(fā)明新穎互連結(jié)構(gòu)的第二優(yōu)選實(shí)施例，有利的是可以用不含有銅的金屬合金籽晶層。金屬合金籽晶層的特性必須滿足引晶主銅淀積工藝，而不引起形成任何會(huì)提高主銅導(dǎo)電主體的電阻率的污染物或化合物的要求。具體的例子是Ag,Ag在Cu中具有低溶解度，不會(huì)形成Cu化合物。另外，Ag有可與主銅導(dǎo)電主體相比的低電阻率。有利的是，本發(fā)明第二優(yōu)選實(shí)施例可以用在Cu中具有低溶解度且不會(huì)形成Cu化合物的其它金屬或某些金屬的合金，它們包括Mo、W和Co。
按本發(fā)明新穎互連結(jié)構(gòu)的第三優(yōu)選實(shí)施例，還可以利用與阻擋層相同的籽晶層。該籽晶層的特性必須滿足具有足夠粘附性和擴(kuò)散阻擋效果加上提供一般分離籽晶層的引晶特性的要求。
按本發(fā)明新穎互連結(jié)構(gòu)的再一優(yōu)選實(shí)施例，阻擋層和籽晶層可以構(gòu)成為使它們的特性從一個(gè)界面到另一個(gè)界面逐漸變化。例如，通過如包括反應(yīng)性金屬組分，其組成和結(jié)構(gòu)使底部界面的粘附性最佳。在阻擋層/籽晶層的中間，通過例如包括非晶微觀結(jié)構(gòu)的難熔金屬的氮化物，其組成和結(jié)構(gòu)使擴(kuò)散阻擋效果最佳。在阻擋層/籽晶層的上表面，通過例如包括銅或銀，其組成和結(jié)構(gòu)使主銅導(dǎo)電主體的引晶性和粘附性最佳。其可以通過各層的順序淀積或在一個(gè)淀積工藝中漸變組成結(jié)構(gòu)的淀積獲得。
本發(fā)明的有益的合金籽晶層可以用許多不同方法的制造。一般情況下，籽晶層淀積在底層阻擋層上，阻擋層可以包含如Ti、Nb、Mo、Ta、TaN、W、WN、TiN、TaSiN、WSiN、TiAlN、TiSiN等材料。籽晶層可以利用反應(yīng)性或非反應(yīng)性濺射由單合金靶或多重靶形成、利用使電離的物質(zhì)朝向襯底的電離濺射形成、利用化學(xué)汽相淀積形成、利用蒸發(fā)或電化學(xué)方法形成。合金籽晶層還可以利用銅和合金元素的順序淀積法淀積，然后可以通過適當(dāng)?shù)臒崽幚硎顾鼈兓U(kuò)散。
本發(fā)明籽晶層的合適厚度范圍可以是從小于1nm即0.1nm的幾個(gè)單層到在亞微米線寬時(shí)高達(dá)約100nm，或在較寬線寬時(shí)高達(dá)線寬的約20％。該厚度的優(yōu)范圍是約1nm和約100nm之間。
本發(fā)明新穎金屬合金籽晶層的特定例子是含具有0.25-1.5原子％的Sn或In的銅合金籽晶層的結(jié)構(gòu)。如圖2和3A-3D所示，互連結(jié)構(gòu)在下布線級(jí)可以具有其尺寸小于0.5微米線寬的主導(dǎo)體，在上布線級(jí)具有小于1-2微米的尺寸。層間絕緣體的厚度可以小于1微米或大于1微米，例如，一般為0.5-1.5微米。這些絕緣材料一般可以含Si和O，并且可以含F(xiàn)，可以是聚合材料，可以是多孔的。絕緣擴(kuò)散阻擋層的厚度一般可以在10nm和100nm之間，一般可以含Si和N，或可以是聚合材料。導(dǎo)電擴(kuò)散阻擋層的厚度可以為約10nm，或?yàn)閹譶m-100nm。其可以含Ta、Ti、W、Nb、Mo、Si、N、Cl、O，可以是非晶或多晶。例如，可以適當(dāng)?shù)夭捎肨aN、TiN或TaSiN。
本發(fā)明的籽晶層可以是通過從合金靶濺射淀積的具有0.25-1.5原子％Sn的Cu合金。其厚度可以是約0.1nm-約100nm，更好是約1nm-約100nm?？梢曰瘜W(xué)汽相淀積或電化學(xué)方法淀積主銅導(dǎo)電主體，主銅導(dǎo)電主體可以具有約0.2微米-1.5微米的總體厚度。利用化學(xué)機(jī)械拋光平面化后，可以去掉過量的銅、籽晶層和擴(kuò)散層/粘附層。除布線級(jí)和間柱級(jí)在一個(gè)工藝步驟中完成外，阻擋層、籽晶層和主銅導(dǎo)體材料的雙鑲嵌工藝制造的順序基本上與單鑲嵌工藝相同。
應(yīng)該注意，盡管按以上例子說明了本發(fā)明，但有利的是銅互連的合金籽晶層可用于任何先進(jìn)的芯片應(yīng)用的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或顯示應(yīng)用。
盡管以例示的方式介紹了本發(fā)明，但應(yīng)該理解，所用術(shù)語是解釋性的，盡管已用幾個(gè)優(yōu)選實(shí)施例介紹了本發(fā)明，但可以理解，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可以容易地將這些教導(dǎo)應(yīng)用于對(duì)本發(fā)明的其它可能改變中。
權(quán)利要求
1·一種用于提供與電子器件的電連接的互連結(jié)構(gòu)，包括基本上由銅形成的主體；及夾在所說主體和所說電子器件之間且與它們緊密接觸的銅合金籽晶層，用于改善所說互連結(jié)構(gòu)的抗電遷移性。
2·根據(jù)權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中所說銅合金籽晶層包括銅和至少選自Sn、In、Zr、Ti、C、N、O、Cl、和S中的一種元素。
3·根據(jù)權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中所說銅合金籽晶層的厚度為約0.1nm-約100nm。
4·根據(jù)權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中所說銅合金籽晶層的厚度最好為約1nm-約100nm。
5·根據(jù)權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，還包括其上淀積有銅合金籽晶層的擴(kuò)散阻擋層。
6·根據(jù)權(quán)利要求5的互連結(jié)構(gòu)，其中所說擴(kuò)散阻擋層由選自Ta、TaN、W、TaSiN、TiN、WN、WSiN、TiAlN和TiSiN中的一種材料淀積。
7·根據(jù)權(quán)利要求5的互連結(jié)構(gòu)，其中利用選自濺射、電離濺射、化學(xué)汽相淀積、蒸發(fā)和電化學(xué)法中的一種技術(shù)在所說阻擋層上淀積所說銅合金籽晶層。
8·根據(jù)權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中基本上由銅構(gòu)成的所說主體是由銅和重量百分比為約0.001％-10％的選自C、N、Cl、O和S中的至少一種合金元素形成。
9·根據(jù)權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中所說銅合金籽晶層由金屬化合物、金屬固溶體或金屬相的兩相混合物構(gòu)成的。
10·根據(jù)權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中所說銅合金籽晶層是約0.25-1.5原子％的Sn或In的銅。
11·根據(jù)權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中所說結(jié)構(gòu)用于芯片上或芯片外(off-chip)。
12·根據(jù)權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中所說結(jié)構(gòu)是選自通孔、連線、間柱和用于TAB、BGA或PGA的布線引線中的一種部件。
13·根據(jù)權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中所說結(jié)構(gòu)是具有2-10個(gè)布線級(jí)的多級(jí)結(jié)構(gòu)。
14·根據(jù)權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中所說結(jié)構(gòu)建立在預(yù)先淀積的金屬硅化物或W間柱和W局部互連層上。
15·一種用于提供與電子器件的電連接的互連結(jié)構(gòu)，包括銅導(dǎo)電主體，及夾在所說銅導(dǎo)電主體和形成于所說電子器件上的擴(kuò)散阻擋層之間且與它們緊密接觸的銅合金籽晶層，用于改善與所說底層擴(kuò)散阻擋層的粘附性，所說銅合金籽晶層包括銅和選自Al、Mg、Be、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Pb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Re、Si和Ge中的至少一種元素。
16·根據(jù)權(quán)利要求15的互連結(jié)構(gòu)，其中所說銅合金籽晶層的電阻率大于銅導(dǎo)電主體的電阻率。
17·根據(jù)權(quán)利要求15的互連結(jié)構(gòu)，其中所說銅合金籽晶層的厚度為約0.1nm-約100nm。
18·根據(jù)權(quán)利要求15的互連結(jié)構(gòu)，其中基本上由銅構(gòu)成的所說銅導(dǎo)電主體，由銅和重量百分比為約0.001％-約10％的選自C、N、Cl、和0中的至少一種合金元素形成。
19·根據(jù)權(quán)利要求15的互連結(jié)構(gòu)，其中所說銅合金籽晶層由金屬化合物、金屬固溶體或金屬相的兩相混合物形成。
20·根據(jù)權(quán)利要求15的互連結(jié)構(gòu)，其中所說結(jié)構(gòu)是選自通孔、連線、間柱扣用于TAB、BGA或PGA的布線引線中的一種部件。
21·根據(jù)權(quán)利要求15的互連結(jié)構(gòu)，其中所說結(jié)構(gòu)是具有2-10個(gè)布線級(jí)的多級(jí)結(jié)構(gòu)。
22·根據(jù)權(quán)利要求15的互連結(jié)構(gòu)，其中所說結(jié)構(gòu)建立在預(yù)先淀積的金屬硅化物層上。
23·一種用于提供與電子器件的電連接的互連系統(tǒng)，包括銅導(dǎo)電主體，及夾在所說銅導(dǎo)電主體和所說電子器件之間且與它們緊密接觸的銅合金耔晶層，用于改善電子器件的表面特性，所說銅合金籽晶層包括銅和選自B、O、N、P、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt、Ag、Au、Zn和Cd中的至少一種元素。
24·根據(jù)權(quán)利要求23的互連系統(tǒng)，還包括夾在所說銅合金籽晶層和所說電子器件間的擴(kuò)散阻擋層。
25·根據(jù)權(quán)利要求24的互連系統(tǒng)，其中所說擴(kuò)散層由選自Ti、Ta、Wb、Mo、TaN、W、WN、TiN、TaSiN、WSiN、TiAlN和TiSiN中的一種材料淀積。
26·根據(jù)權(quán)利要求23的互連系統(tǒng)，其中所說銅合金籽晶層的厚度為約0.1nm-約100nm。
27·根據(jù)權(quán)利要求23的互連系統(tǒng)，其中所說結(jié)構(gòu)是選自通孔、連線、間柱和用于TAB、BGA或PGA的布線引線中的一種部件。
28·根據(jù)權(quán)利要求23的互連系統(tǒng)，其中基本上由銅構(gòu)成的所說銅導(dǎo)電主體由銅和重量百分比為約0.001％-約10％的選自C、N、O、Cl、和S中的至少一種合金元素形成。
29·根據(jù)權(quán)利要求23的互連系統(tǒng)，其中所說銅合金籽晶層是金屬相的1a-相混合物。
30·一種用于提供與電子器件的電連接的互連系統(tǒng)，包括銅導(dǎo)電主體，及夾在所說銅導(dǎo)電主體和所說電子器件之間且與它們緊密接觸的金屬籽晶層，用于改善銅導(dǎo)電主體淀積工藝，所說金屬耔晶層由在銅中的溶解度小到基本上不能形成銅化合物的金屬淀積。
31·根據(jù)權(quán)利要求30的互連系統(tǒng)，其中所說金屬的電阻率基本上與銅的電阻率相同。
32·根據(jù)權(quán)利要求30的互連系統(tǒng)，其中所說金屬選自Ag、Mo、W和Co。
33·根據(jù)權(quán)利要求30的互連系統(tǒng)，其中所說金屬籽晶層的厚度為約0.1nm-約100nm。
34·根據(jù)權(quán)利要求30的互連系統(tǒng)，還包括其上淀積有金屬籽晶層的擴(kuò)散阻擋層。
35·根據(jù)權(quán)利要求30的互連系統(tǒng)，其中所說擴(kuò)散阻擋層由選自Ti、Ta、Nb、Mo、TaN、W、WN、TiN、TaSiN、WSiN、TiAlN和TiSiN中的一種材料淀積。
36·根據(jù)權(quán)利要求30的互連系統(tǒng)，其中所說結(jié)構(gòu)用于芯片上或芯片外。
37·根據(jù)權(quán)利要求30的互連結(jié)構(gòu)，其中所說結(jié)構(gòu)是選自通孔、連線、間柱和用于TAB、BGA或PGA的布線引線中的一種部件。
38·根據(jù)權(quán)利要求30的互連結(jié)構(gòu)，其中所說結(jié)構(gòu)是具有2-10個(gè)布線級(jí)的多級(jí)結(jié)構(gòu)。
39·一種形成用于提供與電子器件的電連接的互連結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟在電子器件上淀積銅合金籽晶層，及在所說銅合金籽晶層上與該層緊密鍵合地形成銅導(dǎo)電主體，以便改善所說互連結(jié)構(gòu)的抗電遷移性。
40·根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中所說銅合金籽晶層包括銅和選自Sn、In、Zr、Ti、C、O、Cl、N和S中的至少一種元素。
41·根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中利用選自反應(yīng)性或非反應(yīng)性濺射、電離濺射、化學(xué)汽相淀積、蒸發(fā)和電化學(xué)方法中的一種技術(shù)淀積所說銅合金籽晶層。
42·根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中所說銅導(dǎo)電主體由銅和重量百分比為約0.001％-約10％的選自C、N、Cl、和O中的至少一種合金元素形成。
43·根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中所說銅合金籽晶層淀積到厚約0.1nm-100nm。
44·根據(jù)權(quán)利要求39的方法，還包括在所說銅合金籽晶層淀積步驟前在所說電子器件上淀積擴(kuò)散阻擋層的步驟。
45·根據(jù)權(quán)利要求44的方法，其中所說擴(kuò)散阻擋層由選自Ti、Ta、Nb、Mo、TaN、W、WN、TiN、TaSiN、WSiN、TiAlN和TiSiN中的一種材料淀積。
46·根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中所說互連結(jié)構(gòu)由具有2-10個(gè)布線級(jí)的多級(jí)形成。
47·一種形成用于提供與電子器件的電耦合的互連結(jié)構(gòu)的方法，所說互連結(jié)構(gòu)具有與所說器件的改善的粘附性，該方法包括以下步驟在所說電子器件上淀積銅合金籽晶層，所說籽晶層包括銅和選自Al、Mg、Ca、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Re、Si和Ge中的至少一種元素，及在所說銅合金籽晶層上形成銅導(dǎo)電體。
48·根據(jù)權(quán)利要求47的方法，還包括在所說銅合金籽晶層淀積步驟前，在所說電子器件上淀積擴(kuò)散阻擋層的步驟。
49·根據(jù)權(quán)利要求48的方法，其中所說擴(kuò)散阻擋層由選自Ti、Ta、Nb、Mo、TaN、W、WN、TiN、TaSiN、WSiN、TiAlN和TiSiN中的一種材料淀積。
50·根據(jù)權(quán)利要求48的方法，其中利用選自濺射、電離濺射、化學(xué)汽相淀積、蒸發(fā)和電化學(xué)方法中的一種技術(shù)淀積所說銅合金籽晶層。
51·根據(jù)權(quán)利要求47的方法，其中所說銅導(dǎo)電主體由銅和重量百分比為約0.001％-約10％的選自C、N、Cl、O和S中的至少一種合金元素形成。
52·根據(jù)權(quán)利要求47的方法，其中所說銅合金籽晶層淀積到厚約0.1nm-100nm。
53·一種形成用于提供與電子器件的電耦合的導(dǎo)體的方法，包括以下步驟在所說電子器件上淀積銅合金籽晶層，及在所說銅合金籽晶層上與之緊密接觸地形成一導(dǎo)體，所說銅合金耔晶層由銅和重量百分比為約0.001％-約10％的選自C、N、Cl、O、和S中的至少一種合金元素構(gòu)成。
54·根據(jù)權(quán)利要求53的方法，其中利用選自濺射、電離濺射、化學(xué)汽相淀積、蒸發(fā)和電化學(xué)方法中的一種技術(shù)淀積所說銅合金籽晶層。
55·根據(jù)權(quán)利要求53的方法，其中所說銅合金籽晶層淀積到厚約0.1nm-100nm。
56·根據(jù)權(quán)利要求53的方法，還包括在所說銅合金籽晶層淀積步驟前，在所說電子器件上淀積擴(kuò)散阻擋層的步驟，所說擴(kuò)散阻擋層由選自Ti、TiN、Ta、Nb、Mo、TaN、W、WN、TaSiN、WSiN、TiAlN和TiSiN中的一種材料淀積。
57·一種形成用于提供與電子器件的電耦合的導(dǎo)體的方法，包括以下步驟在所說電子器件上淀積金屬籽晶層，所說金屬籽晶層由在銅中的溶解度和與銅的親和性低到不會(huì)形成銅化合物的金屬淀積，及在所說金屬籽晶層上與之緊密接觸地形成銅導(dǎo)電體。
58·根據(jù)權(quán)利要求57的方法，其中所說金屬籽晶層由選自Ag、Mo、W和Co中的一種金屬淀積。
59·根據(jù)權(quán)利要求57的方法，其中所說金屬籽晶層的電阻率基本上與銅的電阻率相同。
60·根據(jù)權(quán)利要求57的方法，其中所說金屬籽晶層的厚度為約0.1nm-100nm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于提供與電子器件電聯(lián)耦合的互連結(jié)構(gòu),該互連結(jié)構(gòu)包括基本上由銅構(gòu)成的主體和或者是銅合金或者是不含銅的金屬構(gòu)成的籽晶層,所說籽晶層夾在銅導(dǎo)電體和電子器件之間,用于改善互連結(jié)構(gòu)的抗電遷移性、粘附性和其它表面特性。本發(fā)明還公開了形成用于提供與電子器件的電連接的互連結(jié)構(gòu)的方法,包括以下步驟:首先在電子器件上淀積銅合金或不含銅的其它金屬構(gòu)成的籽晶層,然后在籽晶層上與之緊密鍵合地形成銅導(dǎo)電主體,以便改善互連結(jié)構(gòu)的抗電遷移性、粘附性和其它表面特性。
文檔編號(hào)H01L21/02GK1233856SQ9910519
公開日1999年11月3日 申請(qǐng)日期1999年4月26日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月27日
發(fā)明者D·C·埃德爾斯坦, J·M·E·哈珀, A·H·西蒙, C·E·烏祖赫, 胡朝坤 申請(qǐng)人:國際商業(yè)機(jī)器公司