專利名稱：對基板表面做預先處理以進行金屬沉積的工藝和集成系統(tǒng)的制作方法
對J4l表面僻:預先處理以進行金屬沉積的工藝和集成系統(tǒng)
背景技術(shù)：
在半導體基板上，集成電路使用導電布線來連接獨立的 裝置，或與外部的集成電路進行通信。通孔和導電溝槽使用的布線
金屬可能包括鋁合金和銅。電遷移(EM)是金屬布線過程中常見的一 種可靠性問題，是由電子推動金屬原子在電流方向移動引起的，移 動速度耳又決于電流的密度。電遷移可能最終導致金屬線變薄，從而 Y吏得電阻變高甚至金屬線斷裂。幸運的是，3艮電源線或地線不同， 集成電路上的所有的導電金屬線的電流并不總是朝同 一方向移動。 然而，隨著金屬線越來越窄(在國際半導體技術(shù)藍圖(ITRS)中， 每次科技進步線寬都要降低大概70%)，電遷移的問題越來越嚴重 了。 在鋁線中，電遷移是一種體量現(xiàn)象(bulkphenomenon),
可以通過摻入微量的摻質(zhì)劑(例如銅)來很好的控制。然而，銅線 中的電遷移是一種表層現(xiàn)象(surface phenomenon)。只要銅能夠移 動，這種現(xiàn)象就會發(fā)生，特別是在銅和其他金屬的界面上，因為那 里沖'占著寸生比壽交差。在今天的只又嵌入工藝(dual-damascene process ) 中，這種情況最常發(fā)生在銅線的上方，那里通常與SiC擴散阻障層 接觸，但是也可能發(fā)生在銅/阻障界面上。在每一次向下個技術(shù)節(jié)點 進步的過程中，隨著電流密度的增大，問題變的更加嚴重了。 近來，在SiC電介質(zhì)層之前用CoWP, CoWB, CoWBP等
鈷合金覆蓋層來覆蓋銅，與用SiC覆蓋銅相比，顯示了良好的電遷 移性。如圖1所示，鈷合金覆蓋層20, 30被沉積到銅層23， 33上， 并分別在電介質(zhì)覆蓋SiC層25， 35下。鉭或氮化鉭層是圖中的層 24， 34。鈷合金層20， 30增強了銅層23, 33和SiC覆蓋層25， 35 間的粘著性。鈷合金層20， 30還表現(xiàn)出一定的銅擴散阻障特性。 利用非電性沉積，鈷合金覆蓋層可以選4奪性地沉積于銅上。然而， 暴露于空氣中的銅生成的薄薄的銅氧化物層可能抑制非電性沉積。 而且，銅和電介質(zhì)表面的污染物也可能引起與模式相關(guān)的鍍層效 應，包括與模式相關(guān)的鈷合金的厚度，開始鍍鈷的"將化"時間內(nèi) 的刻蝕引起的與模式相關(guān)的銅線的厚度部分損失。因此，控制工 藝環(huán)境以限制(或控制)原生銅的氧化物的生長，并在沉積金屬覆 蓋層例如鈷合金之前，去除銅的氧化物和銅表面的有機污染物以及 電介質(zhì)上的有機和金屬污染物非常重要。而且，為了減少模式相關(guān) 的沉積差異，必須控制電介質(zhì)表面以使其對不同模式密度結(jié)構(gòu)的影 響標準化。為了保證良好的界面粘著性和良好的電遷移特性，改變 銅層23, 33間，銅和阻障層33, 34， 23和24間的界面，和粘著
14性提升層(或金屬覆蓋層)例如鈷合金覆蓋層20, 30間的界面變 的非常關(guān)鍵。而且，隨著金屬布線變得越來越窄，物理氣相沉積 (PVD)阻障和種晶薄膜構(gòu)成的金屬布線的比重越來越大，這增加 了有效阻抗，因而增加了電流密度。利用原子層沉積(ALD )層(TaN, Ru或其混合物) 一是供的保形步進覆蓋和可4妻受的阻障特性，以及 銅的非電性沉積工藝提供的保形種晶層，薄且保形的阻障和種晶層 能減輕這種趨勢。然而至今仍然沒有生產(chǎn)出粘著于ALD TaN阻障 膜的非電性沉積的銅的種晶層。 綜上，有必要才是供一種生產(chǎn)金屬和金屬間界面的系統(tǒng)和 工藝，以提升電遷移性能，降低晶片電阻，并提升銅布線的界面間
粘著性。

發(fā)明內(nèi)容
該系統(tǒng)還包括真空傳送室，工作于氣壓小于1 4乇的真空 環(huán)境下，并與至少一真空處理沖莫塊耦合；以及一真空處理才莫塊， 該真空處理才莫塊為至少一個與該真空4專送室津禹合的真空處理 才莫塊中的一個，也工作于氣壓小于1托的真空環(huán)境下。該系統(tǒng) 還包括可控環(huán)境傳送室，內(nèi)部充滿從一組惰性氣體中選出的惰 性氣體；以及與該可控環(huán)境傳送室耦合的至少一可控環(huán)境處理 模塊。而且，該系統(tǒng)還包括鈷合金材料非電性沉積工藝模塊， 在基板表面去除了金屬污染物和有機污染物之后，在銅布線的 銅表面沉積該鈷合金材料薄層，該鈷合金材料非電性沉積工藝 才莫塊為至少一個與該可控環(huán)境處理才莫塊耦合的可控環(huán)境處理 模塊之一 ，且其內(nèi)部充滿從一組惰性氣體中選出的惰性氣體， 且其具有流體^[專送系統(tǒng)，其中的處理液經(jīng)過脫氣處理。 在另一種實施方式中，提供一種在集成系統(tǒng)中對基板的 金屬阻障表面進行預先處理以在銅布線結(jié)構(gòu)的金屬阻障層表面沉 積銅種晶薄層的方法，以纟是升該銅布線結(jié)構(gòu)的電遷移性能。該方法 包括，在集成系統(tǒng)中，還原該金屬阻障層表面以將表面的氧化物轉(zhuǎn) 化以使得該金屬阻障層的表面金屬富集。該方法還包括，在集成系 統(tǒng)中，沉積該銅種晶薄層并在其上沉積銅填充層。
而且，該集成系統(tǒng)包括真空處理才莫塊以沉積金屬阻障層。
該用于沉積金屬阻障層的真空處理模塊是至少 一個與該真空傳送
模塊耦合的真空處理模塊的其中之一，工作于氣壓小于l托的真空
環(huán)境下。而且，該集成系統(tǒng)還包括可控環(huán)境傳送室，內(nèi)部充滿從一
組惰性氣體中選出的惰性氣體。該可控環(huán)境傳送室與至少一個可控
環(huán)境處理模塊耦合。該集成系統(tǒng)還包括銅非電性沉積處理模塊以在
該金屬阻障層表面沉積該銅種晶薄層。該銅非電性沉積處理才莫塊為 至少一個與該可控環(huán)境傳送室耦合的可控環(huán)境處理才莫塊中的一個。[14] 在另一種實施方式中，提供一種在受控環(huán)境中處理基板， 以在銅布線的金屬阻障層表面沉積銅種晶薄層的集成系統(tǒng)。該集成 系統(tǒng)包括實驗室環(huán)境傳送室，可將基板乂人與其耦合的基板盒中傳送 入該集成系統(tǒng)。該集成系統(tǒng)還包括真空傳送室，工作于氣壓小于1 托的真空環(huán)境下。該真空傳送室與至少一個真空處理模塊耦合。 在另一種實施方式中，^是供一種在集成系統(tǒng)中對基板表 面做預先處理以在基板的硅或多晶硅表面選擇性地沉積金屬層以 形成金屬石圭4匕物的方法。該方法包4舌，在集成系統(tǒng)中，去除基外反表 面的有才幾污染物，然后還原該石圭或多晶石圭表面，以爿夸該石圭或多晶石圭 表面的硅的氧化物轉(zhuǎn)化為硅。然后，在可控環(huán)境下傳送和處理該基 板以阻止硅的氧化物的形成，還原該石圭或多晶石圭的表面以^是升石圭表 面金屬的可選擇'l"生。該方法還包4舌在集成系統(tǒng)中，還原該石圭或多晶 硅表面后，在基板的硅或多晶硅表面選擇性地沉積金屬層。 從下面的具體實施方式
，結(jié)合it明本發(fā)明的原理的附圖， 可以對本發(fā)明的其他方面和優(yōu)點作出清晰的了解。


圖1顯示了一種示例性布線的一黃截面。
橫截面。 圖3顯示了金屬化學才幾械拋光(CMP )后基才反表面上幾 種形式的污染物。圖4A
沉積的示例流^呈。[25]圖4B顯示了 一種利用圖4A所示的工藝流程對基板進行 處理的示例系統(tǒng)。 圖10D顯示了 一種利用圖10C所示的工藝流程對基外反進 4亍處理的示例系統(tǒng)。
圖11A顯示了一種對阻障層表面進4亍預先處理以進4亍銅
的示例流禾呈。
圖IIB顯示了一種利用圖11A所示的工藝流程對基4反進
-f亍處玉里的示例系纟克。
39] 圖12A-圖12D顯示了在互連布線工藝各步驟的布線結(jié)構(gòu)
的誶黃截面 圖13A顯示了一種對阻障表面進行預先處理以進行銅層
例流程。
41] 圖13B顯示了一種利用圖13A所示的工藝流^E對基—反進
4亍處理的示例系統(tǒng)。圖14A-圖14D顯示了形成金屬硅化物各個階段的門結(jié)構(gòu)
的橫截面。
43] 圖15A顯示了一種對暴露的硅表面進行預先處理以形成 金屬硅化物的示例圖。
圖15B顯示了一種利用圖15A所示的工藝流程對基才反進
4亍處理的示例系統(tǒng)。
21[45] 圖16顯示了在可控環(huán)境下的集成系統(tǒng)中的系統(tǒng)集成的
流程圖。
具體實施例方式
下面提供幾種改進的金屬集成技術(shù)的具體實施例，該技 術(shù)通過利用還原反應去除表面的金屬氧化物以^修飾金屬界面，從而 改進電遷移金屬阻抗和界面粘著性。應當指出，本發(fā)明可以通過幾 種方式完成，包括工藝，方法，裝置，或系統(tǒng)。下面描述了本發(fā)明 的幾個具體實施例。顯然，對于本領域的技術(shù)人員來說，即使不提 供其中一些或所有的才支術(shù)細節(jié)，本發(fā)明仍然可以實現(xiàn)。圖2A顯示了使用雙嵌入工藝序列布圖(pattern)之后布
線結(jié)構(gòu)的沖黃截面示意圖。該布線結(jié)構(gòu)位于基才反50上，有一電介質(zhì) 層100,該電介質(zhì)層100^t提前制作好以在其中形成一金屬線101。 該金屬線 一般是通過在電介質(zhì)100里刻 一個溝槽然后在溝槽內(nèi)填入 導電金屬(例如銅)制成的。 圖2B顯示了形成通孔114和溝槽116之后，沉積該阻障 層130和一銅層132以內(nèi)^)"和i真充該通孔114和溝槽116。該阻障 層130可以是由TaN， Ta， Ru或這幾種膜的混合物形成的。雖然這 些都是通常采用的材料，^f旦是也可以采用其他的阻障層材料。然后 沉積銅月莫132以i真充該通孑L 114和溝槽116。
51如圖2C所示，該銅膜132填充該通孔114和溝槽116之 后，利用化學機械拋光(CMP )技術(shù)使該基板平坦化以去除該電介 質(zhì)10 6表面的該銅材料(或多余的銅)和該阻障層(或多余的阻障)。 如圖2D所示，下一步是用銅/SiC界面粘著促進層135,例如鈷合 金，覆蓋該銅表面140。典型的鈷合金包括CoWP, CoWB或 CoWBP,均可以通過非電性沉積過;f呈選4奪性;l也沉積到銅上。該粘著 促進層的厚度可以薄至單分子層，即只有幾埃，例如只有5埃，也可以有200至300 i矣的厚度，這時還可以當作Cu擴散阻障，此時 不再需要電介質(zhì)覆蓋。 Cu-BTA復合物和其他的金屬氧化污染物是這一步要去 除的兩種主要的金屬污染物，這一步可在可控或不可控環(huán)境中進 4亍。例如，可以通過濕法清潔過禾呈去除Cu-BTA，該濕法清潔過禾呈 利用清潔〉容液完成，該清潔>容液包4舌由TMAH，復合胺例如乙二胺， 二乙烯三胺或?qū)ｉT的清洗用化學品(例如康乃狄克州西黑文的Enthone有限公司生產(chǎn)的ELD清潔劑和Cap Clean 61 )?？梢岳萌?有才幾酸(如檸纟蒙酸)或其他的有才幾酸或無才幾酸來去除金屬氧化物， 特別是銅的氧化物。而且，也可以使用濃度非常低(例如小于0.1%) 的含過氧化物的酸，例如過氧化硫混合物。該濕法清潔過程還可以 去除其他的金屬或金屬氧化物殘留。 如上所述，表面處理，鈷合金的非電性沉積和可選的鈷 合金沉積后的處理包括一 系列的干法和濕法工藝。該濕法工藝一4殳 工作在大氣環(huán)境下，然而干法的氧氣等離子工藝、氫等離子工藝和 02/Ar濺射工藝都工作在低于1托氣壓下。因此，該集成系統(tǒng)既需 要處理干法工藝，又需要處理濕法工藝。該集成系統(tǒng)450有三個基 板傳送模塊(或基板傳送室)460， 470,和480。該傳送室460， 470,和480均裝i殳有可以將基斗反455 ,人一塊處理區(qū)i或?qū)幰浦亮硪?塊處理區(qū)域的機械手臂。該處理區(qū)域可以是基板盒、反應器、或加 載鎖定室(loadlock)?；鍌魉筒拍獕K460工作于實-驗室環(huán)境下，即 工作于室溫、大氣壓和暴露于空氣的實-驗室(或工廠)環(huán)境，空氣 一般經(jīng)過HEPA-或ULPA-過濾以控制粉塵缺陷。才莫塊460與基板裝 載機(或基板盒)461接合，以將該基板455送入該集成系統(tǒng)或?qū)?基板送回基板盒461以在系統(tǒng)450外繼續(xù)進行其他處理。 如上所述，在利用含氫等離子還原工藝完成基板修復之 后，控制處理和傳送的環(huán)境以減少銅表面暴露于氧氣中是非常重要 的。該基板455應當在可控環(huán)境下進行處理，該可控環(huán)境可以是真 空環(huán)境或充滿一種或多種惰性氣體的環(huán)境，以限制該基4反455暴露于氧氣中。圖4B中的虛線490描繪了集成系統(tǒng)的一部分的邊界輪 廓，顯示了環(huán)境可控的處理系統(tǒng)和傳送才莫塊。在可控環(huán)境490下傳 送和處理基才反可以減少基板對氧氣的暴露。
72鈷合金非電性沉積是一種濕法工藝，包含將溶液中的鈷 利用還原劑進行還原，該還原劑可以是磷基物(例如次磷酸鹽)或 硼基物(例如二曱胺硼)，或^粦基物和硼基物的混合物。該卩容液可 利用磷基還原劑來沉積CoWP ，也可以利用硼基物作為還原劑來沉 積CoWB,也可以利用》粦基物和硼基物的'混合物作為還原劑來沉積 CoWBP。在一個實施例中，該鈷合金非電性沉積:容液是石咸性物?；?者，該鈷合金非電性沉積溶液也可以是酸。因為該濕法工藝過程一 般是在大氣壓下完成的，與該非電性沉積反應器耦合的傳送模塊 480應當工作在近似大氣壓下。為了確^呆該環(huán)境沒有氧氣，一4殳用 惰性氣體來填充該可控環(huán)境傳送才莫塊480。而且，該工藝中4吏用的 所有流體都是經(jīng)過脫氣處理的，例如利用商業(yè)上可以得到的脫氣系
統(tǒng)將流體中溶解的氧氣除去。典型的惰性氣體包括氮氣、氦氣、氖 氣、氬氣、氪氣和氣氣。 工藝開始于步-驟601, 乂人基一反表面去除金屬污染物，例 如Cu-BTA或金屬氧化物。如上所述，Cu-BTA復合物和金屬氧化 物是要去除的兩種關(guān)鍵的金屬污染物。從基板表面去除金屬污染物
(例如Cu-BTA和金屬氧化物)的工藝上面已經(jīng)描述過了 。例如， Cu-BTA和金屬氧化物，包括銅的氧化物，可以通過濕法清洗工藝 來去除；該濕法清洗工藝使用清潔溶液，包括例如，TMAH或乙二 胺、二乙烯三胺等復合胺。去除Cu-BTA以消除與圖案有關(guān)的鈷合 金沉積(會在后面的步驟中沉積)效應，并使得在密集和隔離特征 處的4古合金沉積^f呆持一至丈。 在下一個工藝步-驟607中，4古合金，例如CoWP, CoWB 或CoWBP, ^皮選才奪性地j咒積到銅表面上。4t合金如圖5C中的層
34135所示。該鈷合金的非電性沉積是選擇性沉積過程，也是一種濕
法工藝。鈷合金僅僅沉積在銅表面上。 因為實-驗室環(huán)境傳送才莫塊660工作于大氣壓下而真空傳 送模塊670工作于真空環(huán)境下(小于1托)，所以在這兩個傳送模 塊間放置一加栽鎖定室665,以在這兩個才莫塊660， 670間傳送基板 655. 基板655完成氧氣等離子工藝之后，被送入一個處理系 統(tǒng)進行阻障層刻蝕，如步驟603所示。如果選擇干法阻障等離子刻 蝕的話，阻障層刻蝕室(或才莫塊)673可以與該真空傳送才莫塊670耦合。干法阻障等離子工藝可以是CF4等離子工藝或02/Ar濺射工
藝 阻障層刻蝕完成后是可選的含氫等離子還原工藝，以保 證銅表面沒有銅的氧化物存在。含氬等離子還原反應可以在等離子 室(或模塊)674中進行，該等離子室與真空傳送模塊670耦合。 或者，含氬等離子還原也可以隨后在用于除去有^L殘留的氧氣等離 子反應器671中在排凈室內(nèi)殘留的氧氣之后進行。 如上所述，鈷合金非電性沉積是一種濕法工藝。因為濕 刻工藝 一般在大氣環(huán)境下進行，耦合于該非電性沉積反應器的該傳 送模塊680應當工作于近似大氣壓下。為了確保控制該環(huán)境中沒有 氧氣，利用惰性氣體充滿該可控環(huán)境傳送才莫塊680。而且，工藝中 用到的所有流體均經(jīng)過脫氣處理，例如用商業(yè)上可4尋到的脫氣系統(tǒng) 月兌去溶解的氧氣。 基板表面去除了污染物之后，應當盡量減少基4反與氧氣 的接觸以防止銅表面被氧化。去除表面的污染物之后，在步驟803， 阻障層上和電介質(zhì)層上的銅薄層^皮去除?？梢酝ㄟ^02/Ar賊射，通 過〇2/ HFAC等離子刻蝕，通過使用石克酸或雙氧水等化學品進4亍化學蝕刻，或通過4吏用復合化學藥劑將銅薄層去除。02/Ar賊射和02/ HFAC等離子工藝均工作在低于1托的低氣壓下。因為選4奪性地沉積鈷合金的銅的表面是通過在可控環(huán)境 下刻蝕電介質(zhì)上的銅薄層和阻障層形成的，用含氫等離子體還原銅 表面的步驟通常不需要了。然而，為了確保銅的表面沒有銅的氧化 物，可選地，可以在步驟807中還原基板表面以將任何殘留的銅的 氧化物還原為銅。銅表面還原工藝上面已經(jīng)描述過了。基板通過該 含氫還原工藝之后，就可以進行鈷合金沉積了。需要仔細保護銅表 面，防止生成銅的氧4匕物。在下個工藝步-腺809中，在銅表面上面 非電性沉積鈷合金，例如CoWP， CoWB或CoWBP。圖7C的層 135是鈷合金。鈷合金的非電性沉積是選擇性的，是一種濕法工藝。 鈷合金〗又i"又沉積在銅表面上。氧氣等離子工藝可以是順流等離子工藝。在工藝流程800 中，盡管氧氣等離子反應器871可以與真空傳送^t塊870耦合，但 是該工藝步驟也可以在基板被送入集成系統(tǒng)進行鈷合金沉積之前， 在金屬CMP后馬上進行。[107因為實"驗室環(huán)境傳送才莫塊860工作于大氣壓下而真空傳 送模塊870工作于小于1托的真空環(huán)境下，所以在這兩個模塊間放 置力o載鎖定室865以在這兩個才莫塊860和870間傳送基才反855?；欧?55完成氧氣等離子工藝之后，傳送基寺反855至處 理系統(tǒng)進4亍銅刻蝕，如步艱《803所示。如果選用干法銅等離子刻蝕 的話，銅刻蝕室(或才莫塊)873與該真空傳送才莫塊870耦合。如果 選用濕法工藝的話，該濕法刻蝕反應器與漂洗/干燥系統(tǒng)集成成為濕 法銅刻蝕系統(tǒng)873，，該系統(tǒng)873，可與可控環(huán)境的傳送才莫塊880耦合。 為4吏得該濕法銅刻蝕系統(tǒng)873，可以與該可控環(huán)境傳送才莫塊880耦 合，需要干進/干出該系統(tǒng)873，。在一個實施例中，可以將一個漂洗 和干燥系統(tǒng)與該濕法銅刻蝕系統(tǒng)873，集成以滿足干進/干出要求。系 統(tǒng)873，也需要控制為不含有氧氣?？梢杂枚栊詺怏w充滿該系統(tǒng)以 保證工藝環(huán)境中不含有氧氣。如上所述，鈷合金非電性沉積是一個濕法工藝。因為濕 法工藝 一般是在大氣壓下進行的，所以與該非電性沉積反應器耦合
的傳送才莫塊880也應該工作于近大氣壓下。為了確?？刂骗h(huán)境中氧 氣的含量為一個較低的水平，可以在可控環(huán)境傳送模塊880內(nèi)充滿 惰性氣體。而且，工藝中用到的所有的流體都經(jīng)過脫氣處理，例如， 利用商業(yè)上可得到的脫氣系統(tǒng)^fe溶解的氧氣去除。典型的惰性氣體 包括氮氣、氦氣、氖氣、氬氣、氪氣和氛氣。上面描述的系統(tǒng)構(gòu)想可以用來對阻障表面進行預處理以 進行銅的平坦化。阻障層，例如Ta, TaN，或Ru，如果暴露在氧氣 中超過一 定時間的話，會形成TaxOy (Ta的氧4匕物)，TaOxNy (Ta 的氮氧化物)，或Ru02(Ru的氧化物)。在基4反表面上沉積金屬層的 非電性沉積高度依賴于基板的表面特性和組成。Ta, TaN或Ru表 面的非電銅鍍對于電鍍前的種晶層形成和光刻限定圖案內(nèi)銅布線
42的選纟奪性沉積都有益處。 一個要關(guān)注的方面是由于氧氣的存在自動 生成的薄原子原生金屬氧化物薄層對于非電性沉積工藝的抑制。
115]而且，銅膜并不粘附于阻障氧化層，例如Ta的氧化物， Ta的氮氧化物或Ru的氧化物，卻粘附于純阻障金屬或富阻障層膜， 例如Ta, Ru或富Ta的TaN膜。Ta和/或TaN阻障層4又<又是用作例 子。這種描述和構(gòu)想也適用于其他的阻障金屬，例如有Ru薄層覆 蓋的Ta或TaN。如上所述，粘著性不足可能對電遷移性能產(chǎn)生負 面影響。而且，阻障層表面上Ta氧化物或Ta氮氧化物的形成可能 增加阻障層的電阻率。因為這些問題，所以需要4吏用集成系統(tǒng)乂t阻 障/銅的界面做預先處理，以保證阻障層和銅界面之間良好的粘著 性，降低阻障層的電阻率。
實施例I:生成金屬線圖9A顯示了一種通過電介質(zhì)刻蝕和除去光刻月交形成圖 案之后的金屬布線結(jié)果的橫截面示意圖。金屬線結(jié)構(gòu)在基板900上 并有一硅層110;該硅層110是前面生成的，具有門氧化物121、 墊片107和觸點125的門結(jié)構(gòu)105。該觸點125 —^L是通過在氧化 物103上刻蝕一4妄觸孔然后在其中填入鴒等導電金屬啦文成的。*,代 材津?？梢允倾~、鋁或其<也導電材#牛。該阻障層102也4皮配置為具有 選擇性溝槽刻蝕終止的功能。阻障層102可以是用如氮化硅(SiN) 或石友化石圭(SiC)等材沖+制成的。
11"金屬線電介質(zhì)層106 一皮;咒積在該阻障層102上?？梢杂?來沉積的電介質(zhì)材料上面已經(jīng)描述過了。沉積完該電介質(zhì)層106之 后，基才反已經(jīng)圖形化和刻蝕以生成金屬溝槽106。圖9B顯示了形 成金屬溝槽116之后，沉積金屬阻障層130以進行金屬溝槽116布 線。圖9C顯示了沉積完阻障層130之后，在阻障層130上沉積銅 層132。阻障層132可以是由TaN、 Ta、 Ru或這幾種膜的組合制成的。然后沉積銅膜132以填充金屬溝槽116。在一個實施例中，銅 月莫132下面包含銅種晶薄層131。
118在利用等離子表面預處理工藝以準備該催化劑表面以沉 積保形的非電性銅種晶薄層131，并用銅膜132填充溝槽116之后， 基一反900 ,皮利用化學和才幾械方法平坦化(CMP )或一皮蝕刻以去除電 介質(zhì)106表面的銅材料(或冗余的銅)和阻障層(或冗余的阻障)， 如圖9D所示。在一個實施例中，銅種晶薄層的厚度在約5埃到約 300埃之間。下一步是用銅/SiC界面粘著性促進層135,例如鈷合 金，如圖9E所示，覆蓋銅表面140。典型的鈷合金包括CoWP, CoWB或CoWBP,這些可以利用非電性工藝選^^性的沉積到銅上。 粘著促進層的厚度可以像單分子層那么薄，也就是幾埃，例如5埃， 也可以比較厚，例如200埃。然后，在步驟1097中，在阻障表面沉積保形銅種晶層， 然后在步驟1098中，進行厚銅填充(或體量填充)工藝。在一個 實施例中，利用非電性工藝沉積該保形銅種晶層。厚銅體量填充工 藝可以是非電性沉積(ELD)工藝或電化學電鍍(ECP)工藝。進 行完步驟1097和1098的銅沉積工藝之后，基^反可以進行一個可選 的基板清潔步驟1099。銅沉積后清潔可以通過^f吏用化學溶液的毛刷 擦凈，該化學溶液例如是包括由賓夕法尼亞州阿倫敦的空氣產(chǎn)品和 化學品有限7>司生產(chǎn)的CP72B溶液。也可以-使用其他的基々反表面清 潔工藝，例3。朗姆的C3TM or P3TM ;青潔工藝。如上所述，對基板表面進行預處理以進行銅的非電性沉 積和可選的鈷合金沉積后工藝既包括干法工藝又包括濕法工藝。濕 法工藝一般是在近大氣壓下進行的，而干法等離子工藝是在小于1 才乇氣壓下進行的。因此，該集成系統(tǒng)必須要既能進4亍干法工藝又能 進行濕法工藝。該集成系統(tǒng)1092有三個基板傳送才莫塊(或基板傳 送室)1060， 1070,和1080。該傳送模塊1060, 1070，和1080均 裝設有可以將基板1055從一塊處理區(qū)域轉(zhuǎn)移至另一塊處理區(qū)域的 機械手臂。該處理區(qū)域可以是基板盒、反應器、或加載鎖定室?；?板傳送模塊1060工作于實驗室環(huán)境下。模塊1060與基板裝載機(或基一反盒)1061 4妄合，以將該基才反1055送入該集成系統(tǒng)或?qū)⒒贩此?回基才反盒1061。圖IIA顯示了對阻障(或襯線(liner ))層表面進行預先 處理以 <更于進4于銅的非電性沉積，以及對CMP后的銅表面進行預 先處理以便于進行鈷合金的非電性沉積的工藝流程的實施例。在步 -驟1101中，清潔沖妻觸對全(contact plug )的上表面124a以去除原生 金屬氧4匕物。金屬氧化物可以通過Ar濺射工藝，等離子還原工藝， 反應離子刻蝕，化學濕刻工藝等去除。在步驟1103中，沉積阻障 層。在可選步驟1105中，阻障層利用氫等離子工藝進行處理以在 Ta、 TaN或Ru層上生成金屬富集表面以為后續(xù)的銅種晶層沉積步 驟提供催化表面。是否需要這一步取決于表面金屬的含量。136然而，應當注意，阻障(或4于線)也可以在非集成的沉》 積系統(tǒng)例力口 ALD或PVD ;冗積反應器中單獨處理。在這種情況下， 為沉積銅種晶薄層而對表面進4 亍的預處理可以不包4舌金屬 一全預清 洗和阻障沉積步驟，這些步驟在圖IOA的步驟1001和1003以及圖 11A的步驟1101和1103中描述過。在這些情況下，上述工藝應當 乂人步備聚1005或1105開始。在基板上完成沉積保形的銅種晶(步驟1107)以及通過非 電性或電性電鍍工藝完成厚銅填充(或體量填充)(步驟1108)之 后，在步驟1109中，將電介質(zhì)106上的阻障層130上的基板表面 的銅層132去除，如圖9D所示。然后去除阻障層。這兩個去除工 藝都在圖11A的步驟1109中進行。去除阻障層上的表面上的銅可 以通過CMP工藝完成，這是一種濕法工藝。可以用反應離子刻蝕 來去除阻障層，例如CF4等離子工藝、02/Ar濺射工藝、CMP工藝 或濕法化學刻蝕工藝。這些阻障層刻蝕工藝前面都已經(jīng)描述過了 。去除阻障層之后，利用清潔工藝去除Cu-BTA復合物和 金屬氧化物(步驟1110)和有機污染物(1111 )以去除基板表面的
50污染物。金屬CMP之后用這兩步對基板表面進行清潔工藝的細節(jié) 上面描述過了。在步驟1112中，去除基—反表面的污染物之后，利用還原 等離子體(含氫的)來將所有殘留的金屬氧化物還原為金屬。完成 氫還原之后，銅表面變的清潔而且有催化性，可以進行鈷合金的非 電性沉積了。在步驟1113中，對基板進行漂洗和干燥以在基板上 進行鈷合金的非電性沉積。最后的工藝步驟1115是一可選的基板 清洗步驟，以去除前面的鈷合金沉積工藝中的任何殘留的污染物。該集成系統(tǒng)1150有三個基板傳送模塊(或基板傳送室) 1160， 1170,和1180。該傳送才莫塊1160, 1170，和1180均裝i殳有 可以將基4反1155 乂人一塊處理區(qū)域轉(zhuǎn)移至另一塊處理區(qū)域的枳4成手 臂。該處理區(qū)域可以是基板盒、反應器、或加載鎖定室(loadlock)。 基板傳送模塊1160工作于實驗室環(huán)境下。模塊1160與基板裝載機 (或基板盒)1161接合，以將該基板1155送入該集成系統(tǒng)或?qū)⒒?板送回基板盒1161。然后，去除基板上的銅冗余和阻障冗余，如圖IIA的步 驟1109所述。去除銅冗余和阻障冗余可以在一個CMP系統(tǒng)1183 中完成，也可以在兩個CMP系統(tǒng)中完成。在圖IIA所示的實施例 中，仫^5U吏用了一個CMP系統(tǒng)1183。在完成銅冗余和阻障冗余的 CMP去除之后，需要清潔基板表面以去除表面污染物。用濕法清潔 系統(tǒng)1185去除銅BTA復合物和金屬氧化物。用氧氣等離子系統(tǒng)1177去除有機污染物。在一個實施例中，去除有機物的氧氣等離子 工藝可以在氬還原室1174中進4亍。[146去除污染物后，對基板進行還原工藝，如圖IIA的步驟 1112所述。氪還原工藝可以在與將阻障表面還原為富含Ta的同一 個還原反應器1174中進行。氬還原處理完畢后，銅表面可以在反 應器1187內(nèi)進行鈷合金的非電性沉積。[1471在基板離開集成系統(tǒng)1150之前，基板可以進行一個可選 的表面清潔工藝，以清潔前面銅電鍍工藝中的殘留物?；欧辞鍧嵐?藝可以是一個毛刷清潔工藝，其反應器1163可以與實-驗室環(huán)境傳 送模塊1160集成。[148]如圖15B所述的與可控環(huán)境傳送模塊1180耦合的濕法工 藝系統(tǒng)，都需要滿足干進/干出的要求以進行系統(tǒng)集成。實施例II:雙^7v布線序列[149]圖12A顯示了雙嵌入布線后的布線結(jié)構(gòu)的一黃截面示意 圖。該布線結(jié)構(gòu)在基板1200上并有一氧化層100;該氧化層100是 前面生成的，以在里面制造金屬線101。該金屬線一^:是通過在氧 化物100上刻蝕一溝槽然后在其中填入銅等導電金屬估文成的。150溝槽內(nèi)有一阻障層120,以防止銅材泮牛122擴散入氧4匕 物100。阻障層120可以是由TaN、 Ta、 Ru或這幾種膜的組合制成 的。也可以4吏用其他的阻障層材料。在銅材料122上沉積阻障層102 以在通孔刻蝕工藝中提供刻蝕終止，并作為電介質(zhì)層和銅之間的擴 散阻障。該阻障層102可以用氮化石圭(SiN)或(SiC)或其他適合 集成入雙嵌入工藝流程的材津牛制成。[151在阻障層102上沉積通孔電介質(zhì)層104。通孔電介質(zhì)層 104可以是由二氧化硅等無機電介質(zhì)材料，或優(yōu)選低K電介質(zhì)材料 制成的。典型的電介質(zhì)包括非摻雜TEOS 二氧化石圭，氟化石圭J皮璃 (FSG),有機硅酸鹽玻璃(OSG),多孔OSG,或商業(yè)上可得到的 Black Diamond (I)和Black Diamond (11)， Coral, Aurora等。沉積完 通孔電介質(zhì)層104之后，進4亍布圖和刻蝕工藝以形成通孑L洞114。 用電介質(zhì)阻障層，例如SiC或Si3N4，來保護銅表面122a。圖12A 顯示了形成通孔洞114和溝槽116之后的雙嵌入結(jié)構(gòu)。通孔洞114 下的電介質(zhì)阻障層102已經(jīng)去除掉了。[152J如圖12B所示，在形成通孔洞114和溝才曹116之后，沉 積第一阻障層1301,第二阻障層1301I和銅層132以》真充通孑L洞114， 和溝槽116。 第一阻障層1301和第二阻障層130II都是由TaN、 Ta 或Ru制成的。也可以<吏用其<也的阻障層材并+。在一個實施例中， 第一阻障層1301是用ALD工藝沉積的TaN薄層，第二阻障層130II 是用快速PVD工藝沉積的才及薄的Ta層或利用ALD或PVD工藝沉 積的Ru層。在一個實施例中，第一阻障層1301的厚度是在約10 埃到約150埃之間；第二阻障層130II的厚度是約10埃到約50埃 之間。ALD的TaN薄層提供了通孔114，和溝槽116上的阻障層的 保形覆蓋。PVD的Ta薄層或Ru薄層纟是供了與沉積到阻障層1301 和1301I上的銅層的良好的粘著性。通常，PVD沉積的阻障層沒有 良好的臺階覆蓋(或者說該膜不是保形的)。因此，需要一個ALD 阻障層以在通孔和溝槽內(nèi)4是供良好的阻障覆蓋。在另 一 個實施例 中，第一阻障層130I和第二阻障層130II是結(jié)合到一個單一層上的， 可以通過ALD工藝或PVD工藝沉積。該單一層的材津+可以是Ta， TaN， Ru或這些力莫的組合。'[153]進行完第一阻障層130I和第二阻障層1301I的沉積之后，基板進行前述的表面修復步驟以確保阻障層表面是富含Ta的。然后沉積銅膜132,方法是用PVD沉積種晶131或非電性沉積種晶 131，然后再用厚銅i真充層i真充通孔洞114和溝沖曹116。[154在用銅膜132填充通孔洞114和溝槽116之后，將基板 1200平坦化以去除電介質(zhì)106表面的銅材料(或銅冗余)和阻障層 (或阻障冗余)，如圖12C所示。然后對基板進行前述的表面修復 處理步驟以確?；灞砻媸乔鍧嵉亩毅~的表面沒有銅的氧化物。 下一步是用鈷合金等銅/SiC界面粘著4足進層135覆蓋銅表面140, 如圖16D所示。典型的鈷合金包括CoWP， CoWB和CoWBP,都 可以用非電性工藝選擇性的沉積到銅上。粘著促進層的厚度可以像 單分子層那么薄，也就是幾埃，也可以比較厚，例如200埃。[155]圖13A顯示了對阻障(或襯線)層表面進行預處理以進 行銅層的非電性沉積，以及對CMP后銅表面行預處理以進行鈷合 金的非電性沉積的工藝流禾呈的具體實施例。在步-驟1301中，清潔 金屬線101的上表面122a以去除原生的銅的氧化物。銅的氧化物 可以通過Ar賊射或化學濕刻工藝去除。在步驟1302中，第一阻障 層(圖12B中的1301 )用ALD系統(tǒng)沉積，在步驟1303中，第二 阻障層(圖12B中的130II)用PVD系統(tǒng):沉積。如上所述，防止阻 障層與氧氣的4妻觸，對于確保銅層沉積到阻障層的時候，銅和阻障 層之間有良好的粘著性是非常關(guān)《建的。沉積完阻障層之后，應當在 可控環(huán)境下進行基板的傳送和處理以限制其與氧氣的接觸。在步驟 1305中，用還原性等離子體(例如含氫的等離子體)處理阻障層以 產(chǎn)生一富金屬層，該富金屬層可以為后續(xù)的銅種晶沉積步驟提供催 化表面。該還原性等離子體處理是可選的，取決于表面的組成。[156然后，在步驟1307中，在阻障表面沉積保形的銅種晶， 然后在步驟1308中，進行厚銅填充(或體量填充)工藝。保形的 銅種晶層可以通過非電性工藝進行沉積。厚銅體量填充(或間隙填 充)可以通過ECP工藝進行沉積?；蛘?，厚銅i真充層也可以在沉積該保形種晶層的同 一個非電性系統(tǒng)中進行沉積，但是使用的是不同 的化學品。[157]在步驟1307 (沉積保形的銅種晶層)和步驟1308 (通過非電性電鍍或電性電鍍進行的厚銅體量填充工藝)完成之后，在步 驟1309中，去除電介質(zhì)106上的阻障層130上的基板表面的銅層 132,如圖11C所示。然后去除阻障層。這兩個去除工藝都是在圖 13A的步備聚1309中完成的。去除阻障層上表面的銅可以用CMP工 藝完成，這是一種濕法工藝。阻障層可以通過CF4等離子工藝、 02/Ar賊射工藝、CMP工藝或化學濕刻工藝完成。這些阻障層刻蝕 工藝前面已經(jīng)描述過了。[158]去除阻障層之后，利用清潔工藝去除Cu-BTA復合物和 金屬氧化物(步驟1310)和有4幾污染物(1311 )以去除基板表面的 污染物。金屬CMP之后用這兩步對基板表面進行清潔工藝的細節(jié) 上面描述過了 。[159]在步驟1312中，去除基壽反表面的污染物之后，利用還原 等離子工藝，例如含氫等離子工藝，來將所有殘留的金屬氧化物還 原為金屬。完成氫還原之后，銅表面變得清潔而且有催化性，可以 進行鈷合金的非電性沉積了。在步驟1313中，對基^反進行漂洗和 干燥以在基板上進行鈷合金的非電性沉積。最后的工藝步驟1315 是一可選的基板清洗步驟，以去除前面的鈷合金沉積工藝中的任何 殘留的污染物。[160]圖13B顯示了在阻障和銅表面預處理完畢后，在關(guān)4建的 步驟盡量減少基板表面與氧氣接觸的集成系統(tǒng)1350的示意圖。。而 且，因為是集成系統(tǒng)，基板從一個處理地點被迅速傳送到下一個處 理地點，可以限制基板表面與氧氣的接觸到一個較低的水平。集成系統(tǒng)1350可以用來在圖13A所示的整個工藝流禾呈序列1300中處理基板。[161該集成系統(tǒng)1350有三個基板傳送模塊(或基板傳送室) 1360, 1370,和1380。該傳送模塊1360, 1370，和1380均裝設有 可以將基板1355從一塊處理區(qū)域轉(zhuǎn)移至另一塊處理區(qū)域的機械手 臂。該處理區(qū)域可以是基板盒、反應器、或加載鎖定室(loadlock)。 基板傳送模塊1360工作于實驗室環(huán)境下。模塊1360與基板裝載機 (或基才反盒)1361 4妄合，以^1夸該基并反1355送入該集成系統(tǒng)或一夸基 板送回基板盒1361。162如上面圖13A中的工藝流禾呈1300所述，將基才反1355送 入集成系統(tǒng)1350以沉積阻障層，對阻障表面進4亍預處理以沉積銅 層，對CMP后銅表面行預處理以進行鈷合金的非電性沉積。如上 面工藝流程1300的步驟1301所述，對金屬線的銅質(zhì)上表面122a 進行刻蝕以去除原生的銅的氧化物。去除銅的氧化物之后，需要保 護圖12A中的鵠的暴露表面122a,以避免與氧氣接觸。如果該去 除工藝是Ar濺射工藝，那么反應器1371與該真空傳送才莫塊1370 耦合。如果選用化學刻蝕工藝，反應器應當與可控環(huán)境傳送才莫塊 1380耦合，而不是與實驗室環(huán)境傳送^^莫塊1360耦合，以限制鎢表 面與氧氣的纟妄觸。[163然后，在基才反上沉積該第一及第二阻障層。圖12B的該 第一阻障層1301是用ALD工藝沉積的，該工藝是一干法工藝，工 作于低于1托氣壓下。ALD反應器1372與該真空傳送模塊1370 耦合。圖12B的該第二阻障層130II是用PVD或ALD工藝沉積的， 該工藝是千法工藝，工作于〗氐于1 4乇氣壓下。PVD反應器1373和 該真空傳送才莫塊1370耦合?；暹M行一個可選的氫還原工藝以4呆 證阻障層表面是富金屬的以進行銅的非電性沉積。銅的非電性電鍍 可在銅的非電性電鍍反應器1381內(nèi)進行，以沉積保形的銅種晶層，如圖13A的步驟1307所述。如上所述，在圖13A的步驟1308中 沉積銅填充層可以在同一個非電性電鍍反應器1381中進行，但是 利用不同的化學品，或在一個獨立的ECP反應器1381'中進行。[164]然后，如圖13A的步驟1309所述，去除基板上的銅冗余 和阻障冗余。去除銅冗余和阻障冗余可以在一個CMP系統(tǒng)1383中 完成，也可以在兩個CMP系統(tǒng)中完成。在圖13A所示的實施例中， ^U又-使用了一個CMP系統(tǒng)1383。在完成銅冗余和阻障冗余的CMP 去除之后，需要清潔基々反表面以去除表面污染物。用濕法清潔系統(tǒng) 1385去除銅BTA復合物和金屬氧化物。用氧氣等離子系統(tǒng)1377去 除有才幾污染物。在一個實施例中，去除有才幾物的氧氣等離子工藝可 以在氬還原室1374中進4亍。165]去除污染物后，對基才反進4亍還原工藝，如圖13A的步驟 1312所述。氫還原工藝可以與將阻障表面還原為富含Ta在同一個 還原室1374中進4亍。氫還原處理完畢后，銅表面可以在反應器1387 內(nèi)進行鈷合金的非電性沉積。166]在基才反離開集成系統(tǒng)1350之前，基才反可以進4亍一個可選 的表面清潔工藝，以清潔前面銅電鍍工藝中的殘留物?；鵡1清潔工 藝可以是一個毛刷清潔工藝，其反應器1163可以與實-驗室環(huán)境傳 送模塊1360集成。[167如圖13B所述的與可控環(huán)境傳送才莫塊1380耦合的濕法工 藝系統(tǒng)，都需要滿足干進/干出的要求以進行系統(tǒng)集成。[168]上述裝置和方法用于對金屬表面進行預先處理以進行后 續(xù)的金屬沉積從而提升金屬-金屬間粘著性和電遷移性能。該發(fā)明思 想也適用于對硅表面進行預先處理以進行后續(xù)的選4奪性的金屬層沉積。3. /^^面進4亍預先處理以進行后續(xù)的選擇性無電金屬沉積以 形成金屬砝化物[169]上面描述的工藝過程用來l是高觸點、通孔和金屬布線等 銅布線的電遷移性能，金屬電阻率，甚至產(chǎn)率。以前在集成電路生 產(chǎn)過程中，把另 一種金屬沉積在硅或多晶硅表面以在器件的源極/ 漏極/柵4及，電阻，結(jié)構(gòu)的接地區(qū)域(例如電阻接地區(qū)域)，門區(qū)域， 電容區(qū)域或電感區(qū)域形成硅金屬層，以降低接觸阻抗并提供良好的 歐姆接觸。圖14A顯示了硅基板110上的柵極結(jié)構(gòu)127的橫截面， 該柵極結(jié)構(gòu)127包括柵極薄氧化層121，多晶硅層105和氮化物墊 片107。用淺溝絕緣層(STI) 65來分隔活性裝置。在柵極結(jié)構(gòu)的 兩面是源極區(qū)域61和漏極區(qū)域63。在源極區(qū)域61,有暴露的硅表 面62。在漏才及區(qū)i或63，有暴露的石圭表面64。在多晶石圭層105上， 有暴露的多晶硅109。形成金屬硅化物以降低薄層電阻。[170]為了形成金屬珪化物，金屬lll，例如鎳(Ni)，鈦(Ti) 或鈷(Co),首先被沉積到硅表面，如圖14B所示?，F(xiàn)在，金屬111 是用PVD工藝沉積到基板表面上的，而不是選擇性地沉積到硅或 電介質(zhì)區(qū)域的。然后讓金屬退火以在金屬與娃或多晶硅接觸的基板 區(qū)域形成金屬硅合金(硅化物)。電介質(zhì)層上不形成硅化物。沒有 反應的金屬相對于硅化物被選擇性的去除，包括電介質(zhì)區(qū)域內(nèi)的金 屬和石圭化區(qū)域上殘留的未反應的金屬?；蛘咭部梢杂梅请娦越饘俪?積來耳又代現(xiàn)在的Co或Ni沉積工藝。優(yōu)點是金屬,圭化物層可以更厚 而且才是供更好的刻蝕阻擋特性并能允許金屬-金屬間觸點的形成。為 了能夠進行非電性金屬沉積，需要清潔硅表面，去除原生的硅的氧 化物。將金屬111選擇性地沉積到硅表面62、 64之后，對基板進 行高溫熱處理，例如約800°C到約900。C，以形成金屬硅化物113, 如圖14C所示。形成的金屬石圭化物113佳j尋觸點125可以與漏才及區(qū) i或61電4生連通，如圖14D所示。[l71如上所述，在進4于金屬的非電性沉積之前，對表面進4亍 預處理需要在可控環(huán)境下進4于以j果證形成非電性沉積的表面不與氧氣接觸。圖15A顯示了生成金屬硅化物的工藝流程1500的一個 具體實施例。在步驟1501中，乂人所有的電介質(zhì)表面去除金屬污染 物；這可以通過已知的方法和化學品完成。步驟1501是一個可選 的步驟，僅僅在需要關(guān)注表面的金屬污染物的時候需要。然后在步 驟1502中，去除基板表面的有機污染物。如上所述，可以通過若 千種濕法或干法工藝去除有才幾污染物。然后，在步-腺1503中，還 原硅表面以將原生的硅的氧化物還原為硅。原生的硅的氧化是一個 自我限制的過程；因此，氧化層非常薄，在還原工藝前不需要去除 氧化物的步驟。如上所述，該還原工藝可以是氫等離子工藝。[1721表面還原之后，硅的表面就可以進行金屬的非電性沉積 了 。在步驟1505中，將Ni, Ti或Co等金屬選4奪性地沉積到暴露 的硅(包括多晶硅)表面。該選4奪性地金屬沉積可以通過非電性工 藝完成。在完成金屬的非電性沉積之后，基板進行一個可選的用已 知的方法和化學品完成的基板清潔步驟1507。然后，在步驟1509 中，基板進4亍高溫處理(或退火)以形成金屬石圭化物。[173j圖15B顯示了集成系統(tǒng)1550的具體實施例。該集成系統(tǒng) 1550包括實-驗室環(huán)境傳送才莫塊1560,真空傳送才莫塊1950和可控環(huán) 境傳送才莫塊1580。實-驗室環(huán)境傳送才莫塊1560和裝有基4反1555的基 板盒1561耦合。在一個實施例中，金屬污染物是用濕法清潔工藝 去除的，例如上面描述過的去除金屬污染物的濕法清潔工藝的一 種。濕法清潔工藝可在室1565中進4亍，室1565與實-驗室環(huán)境傳送 才莫塊1560耦合。因為這一步是可選的，所以圖15B中的室1565用 點畫線表示。去除金屬污染物后，去除有才幾污染物。在一個實施例 中，有機污染物使用含氧的等離子工藝去除的，例如氧氣，水或臭 氧等離子；該工藝是在反應器1571中進行的，反應器1571與該真空傳送模塊1570耦合，因為氧氣等離子工藝是一種低壓干法工藝， 所以工作于^氐于1 4乇氣壓下。[174然后，工藝流程1500的步驟1503的石圭表面的還原可在 反應器1573中進行。然后將基板傳送至下一個系統(tǒng)進行金屬沉積 以在非電性反應器1581中形成金屬硅化物(或硅化金屬)?；鍙?反應器1573中經(jīng)過真空傳送4莫塊1570,加載鎖定室1575，和可控 環(huán)境傳送模塊1580，最終進入反應器1581進行處理。該非電性金 屬沉積反應器1581裝備有漂洗/干燥系統(tǒng)。金屬沉積完后，基板可 在濕法清潔室內(nèi)進行一個可選的基才反清潔步驟，如圖15A中的工藝 步驟1507所述。完成非電性沉積之后，將基板送入熱反應器1576, 例如快速熱處理(RTP)反應器，以形成金屬硅化物。[175上述系統(tǒng)使得需要低壓干法工藝、高壓工藝、濕法工藝 混合的基板處理過程可以集成到 一 起以在關(guān)4建的工藝步驟限制與 氧氣的4妻觸。圖16顯示了系統(tǒng)如何集成的示意圖。實-驗室環(huán)境傳 送才莫塊可與基板盒、濕法工藝和不需要限制與氧氣接觸的干法工藝 (或非可控環(huán)境)集成。真空傳送模塊可與低壓干法工藝集成。真 空傳送模塊工作于真空環(huán)境下，例如低于l托氣壓；因此，與氧氣的接觸是有限而且可控的。加載鎖定室I使得能夠在實驗室環(huán)境傳 送模塊和真空傳送模塊間傳送基板?？煽丨h(huán)境傳送模塊可與濕法工藝，近大氣壓工藝和高壓工藝集成。"高壓，，這個詞用來與〗氐壓相 區(qū)別。高壓工藝指的是比大氣壓高的工藝，例如前述的超臨界二氧 化碳工藝。在一個實施例中，在高壓工藝室和可控環(huán)境傳送才莫塊之 間有加載鎖定室(圖中沒有顯示)以在傳送才莫塊和工藝室之間有效 率的傳送基板。加載鎖定室II負責在真空傳送模塊和可控環(huán)境傳送 模塊間傳送基板?？煽丨h(huán)境的傳送模塊和與之相連的反應器內(nèi)部充 滿惰性氣體，以限制與氧氣的接觸。加載鎖定室II內(nèi)部也可以充滿 惰性氣體以與可控環(huán)境傳送才莫塊交換基板。盡管用上面幾個實施例來描述本發(fā)明，顯然對于本領域的^支術(shù) 人員來說，通過閱讀前面的說明和研究附圖，可以對本發(fā)明進行各 種變形、擴展、置換和等同替換。因此，本發(fā)明包括所有落入本發(fā) 明真實思想和范圍的各種變形、擴展、置換和等同替換。在權(quán)利要 求中，除非明確i兌明外，各元素和/或步驟并不代表其特定的才喿作順 序。
權(quán)利要求
1.一種在集成系統(tǒng)中，對基板表面做預先處理，以在基板的銅布線的銅表面選擇性的沉積鈷合金材料薄層，從而提升該銅布線的電子遷移性的方法，其特征在于，該方法包含在集成系統(tǒng)中，去除基板表面的污染物和金屬氧化物；在集成系統(tǒng)中，去除污染物和金屬氧化物之后，使用還原環(huán)境修復該基板表面；及在集成系統(tǒng)中，修復該基板表面之后，在該銅布線的銅表面選擇性地沉積鈷合金材料薄層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其中該基板表面是 用含氫等離子體修復的，該含氫等離子體是由氫氣(H2)、氨 氣(NH3)或其組合生成的。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其中該修復基板表 面將表面的銅的氧化物轉(zhuǎn)化為基本純凈的銅，并在修復完基板 表面之后，在可控環(huán)境中對基板進行傳送和處理以盡量減少銅 表面的銅的氧化物的生成。
4. 沖艮據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，其中在還原完銅表 面之后，限制基板在傳送和處理過程中與氧氣的接觸以使得該 鈷合金材^l"薄層可選4奪性地沉積于該銅表面。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其中利用非電性沉 積工藝在銅表面選4犖性地沉積該鈷合金材并牛薄層，以才是升銅布 線的銅表面和銅布線的電介質(zhì)覆蓋層間的粘著性。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該鈷合金材料選自CoWP， CoWB和CoWBP。
7. —種在可控環(huán)境下傳送和處理基^反，以〗吏得在基板的銅布線的 銅表面可選擇性的沉積鈷合金材料薄層，從而提升該銅布線的 電子遷移性的集成系統(tǒng)，其特;f正在于，該集成系統(tǒng)包含實驗室環(huán)境傳送室，能夠?qū)⒒鍙呐c該實驗室環(huán)境傳送室 耦合的基板盒內(nèi)傳送入集成系統(tǒng)；與該實-瞼室環(huán)境傳送室耦合的基板清潔反應器，其中該基 板清潔反應器清潔基板表面以去除基板表面的金屬-有機復合 污染物；真空環(huán)境傳送室，工作于低于l托氣壓的真空環(huán)境下，其 中有至少一個真空處理模塊與該真空環(huán)境傳送室耦合；真空環(huán)境處理才莫塊，用以清潔基板表面的有才幾污染物；其 中該真空環(huán)境處理才莫塊是該至少 一 個與該真空環(huán)境傳送室耦 合的真空環(huán)境處理才莫塊中的一個，并工作于〗氐于1 4乇氣壓的真 空環(huán)境下；鈷合金材料的非電性沉積工藝模塊，用以在基板表面去除 金屬污染物和有才幾污染物，而且銅表面去除銅的氧化物之后， 在銅布線的銅表面沉積該鈷合金材料薄層，該鈷合金材料的非 電性沉積工藝模塊是該至少一個與該可控環(huán)境傳送室耦合的 可控環(huán)境處理模塊中的一個，并充滿從一組惰性氣體中選擇的 惰性氣體，且具有流體傳送系統(tǒng)，該流體傳送系統(tǒng)中的處理流 體是經(jīng)過脫氣處理的。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的集成系統(tǒng)，其特征在于，還包含含氫還原工藝^^塊，用以將銅表面殘留的銅的氧化物還原 為銅，其中該含氫還原工藝模塊與該真空環(huán)境傳送室耦合，該 含氫還原工藝模塊工作于小于1托氣壓的真空環(huán)境下。
9. 才艮據(jù)4又利要求7所述的集成系統(tǒng)，其特4正在于，還包含與該實 驗室環(huán)境傳送室耦合的基板清潔反應器，其中該基板清潔反應 器清潔該基板表面以去除基板表面的金屬氧化物，其中該濕法 清潔溶液包含檸檬酸、硫酸或含雙氧水的好u酸之一。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的集成系統(tǒng)，其特征在于，還包含第一加載鎖定室，與該真空環(huán)境傳送室和該可控環(huán)境傳 送室耦合，其中該第 一加載鎖定室協(xié)助基板在該真空環(huán)境傳送 室與該可控環(huán)境傳送室間傳送，該第 一加載鎖定室#皮配置為工作于低于1托氣壓的真空環(huán)境下，或充滿從一組惰性氣體中選 出的惰性氣體以工作于與該可控環(huán)境傳送才莫塊相同的氣壓下； 及第二加載鎖定室，與該真空環(huán)境傳送室和該實-驗室環(huán)境 傳送室耦合，其中該第二加載鎖定室協(xié)助基板在該真空環(huán)境傳 送室與該實驗室環(huán)境傳送室間的傳送，該第二加載鎖定室被配 置為工作于低于1托氣壓的真空環(huán)境下，或工作于實-驗室環(huán)境 下。
11. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的集成系統(tǒng)，其特征在于，其中該真空環(huán) 境傳送室和該至少一個與該真空環(huán)境傳送室耦合的真空環(huán)境 處理才莫塊均工作于小于1托氣壓下以限制基板與氧氣的接觸。
12. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的集成系統(tǒng)，其特征在于，其中該可控環(huán) 境傳送室和該至少一個與該可4空環(huán)境傳送室津禹合的可4空環(huán)境處理才莫塊均充滿 一種或多種從一組惰性氣體中選出的惰性氣 體以限制基板與氧氣的接觸。
13. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的集成系統(tǒng)，其特征在于，其中該基板是 在該集成系統(tǒng)中凈皮傳送和處理的，以限制基一反與氧氣4妄觸的時間。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的集成系統(tǒng)，其特征在于，其中限制該 基板與氧氣的接觸減少了沉積反應的感應時間并增強了鈷合 金材料薄層在銅表面的選擇性沉積。
15. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的集成系統(tǒng)，其特征在于，其中該至少一 個與該可控環(huán)境傳輸模塊耦合的處理模塊使該基板能進行干 進/千出處理，其中該基^反以干的^犬態(tài)送入及送出。
16. —種在集成系統(tǒng)中，對基板表面估文預先處理，以沉積金屬阻障 層來填充基板上的銅布線結(jié)構(gòu)，并在該金屬阻障層上沉積銅種 晶薄層，從而才是升該銅布線的電子遷移性的方法，其特征在于， 該方法包含在集成系統(tǒng)中，清潔底層金屬的暴露表面以去除表面金屬 氧化物，其中該底層金屬是電性連接于該銅布線的底層布線的 一部分；在集成系統(tǒng)中，；冗積該金屬阻障層以i真充該銅布線結(jié)構(gòu)， 其中在沉積完該金屬阻障層之后，在可控環(huán)境中傳送和處理該 基板以避免金屬阻障氧化物的形成；在集成系統(tǒng)中，沉積該銅種晶薄層；及在集成系統(tǒng)中，在該銅種晶薄層上沉積銅填充層。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，還包含在集成系統(tǒng)中，還原該金屬阻障層的表面以將該金屬阻障 層表面的金屬阻障氧化物轉(zhuǎn)化，從而使得該金屬阻障層表面 金屬富集，其中還原該金屬阻障層表面是在清潔該底層金屬 的暴露表面之后進4亍的。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，其中該銅布線包 括覆蓋通孔的金屬布線，且該底層布線包括金屬布線。
19. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，其中清潔該表面 金屬氧化物的暴露表面是通過^f吏用Ar濺射工藝或使用含氟 氣體的等離子工藝之一完成的。
20. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，其中沉積該金 屬阻障層還包含沉積第一金屬阻障層；及沉積第二金屬阻障層。
21. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，其中該基板是在 可控環(huán)境中進4于傳送和處理的以防止金屬阻障氧化物的形 成，并使得可以選擇性地沉積該銅種晶薄層以提升銅布線的 電遷移性能。
22. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，其中該基板是 在該集成系統(tǒng)中被傳送和處理的，以限制基板與氧氣接觸的時間。
23. —種在集成系統(tǒng)中，對基^反的金屬阻障表面估文預先處理，以 在該銅布線結(jié)構(gòu)的金屬阻障層表面沉積銅種晶薄層，從而提 升該銅布線結(jié)構(gòu)的電遷移性能的方法，其特4i在于，該方法 包含在集成系統(tǒng)中，還原該金屬阻障層的表面以轉(zhuǎn)化該金屬 阻障層表面的金屬阻障氧化物，以使得該金屬阻障層的表面 金屬富集；在集成系統(tǒng)中，沉積該銅種晶薄層；及在集成系統(tǒng)中，在該銅種晶薄層上沉積以銅填充層。
24. —種在可控環(huán)境下處理基^反，/人而佳j尋可以在銅布線的金屬阻障層表面沉積銅種晶薄層的集成系統(tǒng)，其特4i在于，該集 成系統(tǒng)包含實驗室環(huán)境傳送室，能夠?qū)⒒鍋V人與該實驗室環(huán)境傳送 室耦合的基板盒內(nèi)傳送入集成系統(tǒng)；真空環(huán)境傳送室，工作于低于1托氣壓的真空環(huán)境下， 其中有至少一個真空處理模塊與該真空環(huán)境傳送室耦合；真空環(huán)境處理才莫塊，在該集成系統(tǒng)中，用以清潔底層金 屬的金屬氧化物的暴露表面，其中該底層金屬是底層布線的一 部分，該銅布線與該底層布線電性連4妄，其中該用于清潔的真 空環(huán)境處理才莫塊是該至少一個與該真空環(huán)境傳送室耦合的真 空環(huán)境處理才莫塊中的一個，并工作于^f氐于1托氣壓的真空環(huán)境 下；真空環(huán)境處理沖莫塊，用以沉積該金屬阻障層，其中該用 于沉積該金屬阻障層的真空環(huán)境處理才莫塊是該至少 一個與該 真空環(huán)境傳送室耦合的真空環(huán)境處理才莫塊中的一個，并工作于低于1托氣壓的真空環(huán)境下；可控環(huán)境傳送室，充滿從一組惰性氣體中選出的惰性氣 體，其中有至少一個可控環(huán)境處理才莫塊與該可控環(huán)境傳送室耦 合；及銅的非電性沉積工藝沖莫塊，用以在金屬阻障層表面沉積 該銅種晶薄層，其中該銅的非電性沉積工藝才莫塊是該至少一個 與該可控環(huán)境傳送室耦合的可控環(huán)境處理才莫塊中的 一個。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的集成系統(tǒng)，其特征在于，還包含含氫還原工藝模塊，用以還原該金屬阻障表面的金屬氧化物或 金屬氮化物，其中該含氫還原工藝模塊與該真空環(huán)境傳送室耦 合，該含氪還原工藝模塊工作于低于l托氣壓的真空環(huán)境下。
26. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的集成系統(tǒng)，其特征在于，還包含第一加載鎖定室，與該真空環(huán)境傳送室和該可控環(huán)境傳送室耦 合，其中該第 一加載鎖定室協(xié)助基才反在該真空環(huán)境傳送室與該 可控環(huán)境傳送室間傳送，該第一加載鎖定室凈皮配置為工作于4氐 于1托氣壓的真空環(huán)境下，或充滿從一組惰性氣體中選出的惰 性氣體；及第二加載鎖定室，與該真空環(huán)境傳送室和該實—驗室環(huán)境傳送室 耦合，其中該第二加載鎖定室協(xié)助基板在該真空環(huán)境傳送室與 該實—驗室環(huán)境傳送室間傳送，該第二加載鎖定室#1配置為工作 于低于1托氣壓的真空環(huán)境下或?qū)嶒灜h(huán)境下，或充滿從一組惰 性氣體中選出的惰性氣體。
27. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的集成系統(tǒng)，其特征在于，其中該真空傳送室與至少一個與該真空傳送室耦合的真空處理才莫塊工作 于低于1托氣壓下，以控制基板與氧氣的接觸。
28. 才艮據(jù)權(quán)利要求24所述的集成系統(tǒng)，其特征在于，其中該可控環(huán)境傳送室和該至少一個與該可控環(huán)境傳送室耦合的處理才莫 塊均充滿 一種或多種從一組惰性氣體中選出的惰性氣體以控 制基板與氧氣的接觸。
29. 4艮據(jù)權(quán)利要求24所述的集成系統(tǒng)，其特征在于，其中該至少一個與該可控環(huán)境傳輸才莫塊耦合的處理才莫塊使基板能進行干 進/干出處理，其中該基々反以干的一犬態(tài)送入及送出該至少一個 處理一莫塊。
30. —種在可控環(huán)境下處理基纟反，/人而4吏得可以在銅布線的阻障層表面沉積銅種晶薄層的集成系統(tǒng)，其特4正在于，該集成系統(tǒng)包 含實驗室環(huán)境傳送室，能夠?qū)⒒鍙呐c該實驗室環(huán)境傳送室耦合 的基板盒內(nèi)傳送入集成系統(tǒng)；真空環(huán)境傳送室，工作于低于1托氣壓的真空環(huán)境下，其中有 至少一個真空處理;漠塊與該真空環(huán)境傳送室耦合；真空環(huán)境處理才莫塊，用以還原該金屬阻障層，其中該用來還原 該金屬阻障層的該真空環(huán)境處理才莫塊是該至少 一 個與該真空 環(huán)境傳送室耦合的真空環(huán)境處理才莫塊中的一個，并工作于低于 1托氣壓的真空環(huán)境下；可控環(huán)境傳送室，內(nèi)部充滿乂人一組惰性氣體中選出的惰性氣 體，其中有至少 一個可控環(huán)境處理才莫塊與該可控環(huán)境傳送室耦合；及銅的非電性沉積工藝才莫塊，用以在金屬阻障層表面沉積該銅種 晶薄層，其中該銅的非電性沉積工藝才莫塊是該至少 一個與該可控環(huán)境傳送室耦合的可控環(huán)境處理才莫塊中的一個。
31. —種在集成系統(tǒng)中，對基板表面估支預先處理，以在基板的硅或多晶石圭表面上選4奪性地沉積金屬層，乂人而形成金屬石圭化物的方法，其特^正在于，該方法包含在集成系統(tǒng)中，去除基才反表面的有才幾污染物；在集成系統(tǒng)中，去除有才幾污染物后，還原該石圭或多晶硅表面， 以將該珪或多晶硅表面的硅的氧化物還原為硅，其中還原完硅 或多晶珪表面后，在可控環(huán)境中進行基板的傳送和處理以防止 硅的氧化物的形成，還原硅或多晶硅表面以增強硅表面的金屬 選4奪性；及在集成系統(tǒng)中，還原硅或多晶硅表面后，在基板的硅或多晶硅 表面選纟奪性沉積該金屬層。
32. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于，還包含在集成系統(tǒng)中，在硅表面選擇性沉積該金屬層之后，形成金屬 硅化物。
33. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于，還包含在集成系統(tǒng)中，在還原硅表面之前，去除基板表面的金屬污染物。
34. 4艮據(jù)^l利要求31所述的方法，其特4正在于，其中該石圭或多晶硅表面是用含氫等離子體還原的，該含氫等離子體是由氫氣 (H2),氨氣(NH3)或兩種氣體的混合物生成的。
35. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于，其中該金屬選自Ni或Co。
36. 才艮據(jù)^l利要求31所述的方法，其特;f正在于，在集成系統(tǒng)中，通過在真空環(huán)境或充滿惰性氣體的環(huán)境中傳送和處理以控制基板與氧氣的接觸而還原硅表面之后，該基板在可控環(huán)境下進4亍傳送和處理。
37. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，其中該金屬硅化物是在一個快速熱反應(RTP)系統(tǒng)中生成的。
38. —種在可控環(huán)境下處理基板，從而使得可以在基板的硅表面選擇性地沉積金屬層，以形成金屬硅化物的集成系統(tǒng)，其特征在于，該集成系統(tǒng)包含實驗室環(huán)境傳送室，能夠?qū)⒒鍙呐c該實驗室環(huán)境傳送室耦合的基板盒內(nèi)傳送入集成系統(tǒng)；真空環(huán)境傳送室，工作于低于1托氣壓的真空環(huán)境下，其中有至少一個真空處理才莫塊與該真空環(huán)境傳送室耦合；真空環(huán)境處理才莫塊，用以去除基板表面的有才幾污染物，其中該用來去除有污染物的該真空環(huán)境處理才莫塊是該至少 一個與該真空環(huán)境傳送室耦合的真空環(huán)境處理模塊中的一個，并工作于4氐于1托氣壓的真空環(huán)境下；真空環(huán)境處理室，用以還原石圭表面，其中該用來還原石圭表面的該真空環(huán)境處理才莫塊是該至少 一 個與該真空環(huán)境傳送室耦合的真空環(huán)境處理^t塊中的一個，并工作于^f氐于1 4乇氣壓的真空環(huán)境下；可控環(huán)境傳送室，內(nèi)部充滿從一組惰性氣體中選出的惰性氣體，并且有至少一個可控環(huán)境處理才莫塊與該可控環(huán)境傳送室耦合；及金屬的非電性沉積工藝模塊，用以在還原完硅表面之后，在硅表面選擇性地沉積金屬薄層，該金屬的非電性沉積工藝才莫塊是該至少一個與該可控環(huán)境傳送室耦合的可控環(huán)境處理才莫塊中的一個。
39. 才艮據(jù)權(quán)利要求38所述的集成系統(tǒng)，其特征在于，其中該用來形成金屬硅化物的真空環(huán)境處理室是RTP室。
40. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的集成系統(tǒng)，其特征在于，其中該可控環(huán)境傳送室和該至少一個與該可控環(huán)境傳送室耦合的可控環(huán)境處理模塊均充滿 一 種或多種從一 組惰性氣體中選出的惰性氣體以控制基板與氧氣的接觸。
全文摘要
本發(fā)明提供生產(chǎn)金屬-金屬間或硅-金屬間界面的工藝和集成系統(tǒng)，以提升銅布線的電遷移性能，提供較低的金屬電阻率，并提升金屬-金屬間或硅-金屬間的粘著性。提供一種在集成系統(tǒng)中，對基板表面進行預先處理，以在銅表面選擇性地沉積一鈷合金薄層從而提升銅布線的電子遷移性的方法。該方法包括在集成系統(tǒng)中去除基板表面的有機污染物和金屬氧化物，并在去除污染物和金屬氧化物之后，在集成系統(tǒng)中修復該基板表面。該方法還包括在修復基板表面之后，在集成系統(tǒng)中，在銅布線的銅表面選擇性地沉積一鈷合金材料薄層。還提供一種實現(xiàn)上述方法的系統(tǒng)。
文檔編號C23C16/00GK101558186SQ200780032409
公開日2009年10月14日 申請日期2007年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月30日
發(fā)明者威廉·蒂, 弗里茨·C·雷德克, 約翰·博伊德, 約翰·韋爾托門, 耶茲迪·多爾迪, 蒂魯吉拉伯利·阿魯娜, 衡石·亞歷山大·尹, 阿瑟·M·霍瓦爾德 申請人:朗姆研究公司