專利名稱：用于超大規(guī)模集成的多層銅互連的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路的制造。具體地說，本發(fā)明涉及使用氧化銅薄膜作為籽晶層，用于在集成電路中形成多層互連結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
集成電路(IC)微型化的快速發(fā)展導(dǎo)致產(chǎn)生了更密集和更精細(xì)布置的具有更好性能的芯片。為了提高高級(jí)IC的性能，互連系統(tǒng)逐漸從鋁薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)殂~薄膜。與傳統(tǒng)上使用的材料鋁相比，銅具有更多的優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)對于提高集成電路的性能是至關(guān)重要的。首先，銅具有比鋁低得多的表面電阻率。這樣，對于承載相同量的電流來說，銅線能夠做得比鋁線更窄更薄。因此，使用銅線可得到更高的集成密度。而且，更窄更薄的導(dǎo)電線降低了內(nèi)層和內(nèi)線電容，對于電路來說這就可以實(shí)現(xiàn)更高的速度和更少的泄漏(bleed over)，最后，銅具有比鋁更好的抗電遷移性。因此，當(dāng)金屬線變得更薄并且電路被更密集地組裝時(shí)，在ICs中使用銅提供了更高的可靠性。
在所提出的制造銅互連的幾個(gè)方法中，最有前途的方法是鑲嵌(Damascene)工藝。在使用該方法中，溝槽和通路形成在覆蓋層介質(zhì)中，然后在一個(gè)步驟中將金屬淀積到溝槽和孔中，接著通過化學(xué)機(jī)械平坦化(CMP)工藝來除去不想要的表面金屬。這樣在溝槽和孔中留下想要的金屬，以及用于后續(xù)加工的平整表面。
然而，在上述CMP工藝中，尤其對于通路來說，除去了99％以上淀積的銅。單獨(dú)從銅方面來看，是非常浪費(fèi)且昂貴的。此外，在CMP工藝過程中過量地消耗了制造消耗品，例如襯墊和漿料。這些制造副產(chǎn)品的處置足以引起對環(huán)境的關(guān)注，以確保一個(gè)更可行的方法。因此，非常希望實(shí)現(xiàn)不使用CMP工藝的銅金屬化。通過化學(xué)鍍或者化學(xué)氣相淀積(CVD)法選擇淀積銅提供了一種“非CMP”的金屬化技術(shù)。例如，在名稱為“用于ULSI的選擇性非電鍍多層銅金屬化”MicronDocket No.99-0715的在先未決申請(在此引入作為參考)中描述了一種利用化學(xué)選擇沉積銅的制造多層互連結(jié)構(gòu)的方法。在該方法中，非常薄的Pd或者Cu膜形成“島結(jié)構(gòu)”或者僅3-10nm厚的連續(xù)薄膜。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個(gè)方面中，在晶片上制造包括金屬線和通孔的多層銅互連。首先，在晶片上淀積氧化銅薄籽晶層。通過標(biāo)準(zhǔn)的光刻術(shù)限定金屬線圖形之后，利用紫外線光致還原法使曝光的氧化銅轉(zhuǎn)化為銅。然后，利用化學(xué)鍍或者化學(xué)氣相淀積(CVD)法淀積銅膜，從而提供平整表面。在下一步，利用常規(guī)的方法例如通孔光刻術(shù)制造通孔，按與第一層類似的方式淀積第二氧化銅層。與第一銅層一樣，為后續(xù)層提供平整表面。
結(jié)果，通過重復(fù)這些工序可制成具有所期望多個(gè)金屬層的多層互連結(jié)構(gòu)，而不需要CMP工藝。使用氧化銅代替銅作為籽晶層的一個(gè)最大優(yōu)點(diǎn)是潛在的高IC生產(chǎn)率。如果使用純銅籽晶層，根據(jù)晶片暴露于空氣的時(shí)間長短，在晶片的表面上可能形成天然氧化銅。這樣會(huì)產(chǎn)生可再制性的問題，除非進(jìn)行去除氧化銅的附加步驟。
附圖的簡要描述

圖1-5的截面圖示出用于制造超大規(guī)模集成的多層金屬互連的例示方法。
圖6是本發(fā)明的替換實(shí)施例的截面圖。
本發(fā)明的詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的例示方法，下面將描述制造用于超大規(guī)模(ULSI)集成的多層金屬互連的方法。建議使用氧化銅薄膜作為籽晶層來制造所期望的多層互連結(jié)構(gòu)。先前，在名稱為“導(dǎo)電材料構(gòu)圖方法”(MicronDocket No.99-0671)和“從集成互連除去氧化銅”(美國專利申請No.09/484,683)的共同轉(zhuǎn)讓專利申請(在此引入作為參考)中描述了使用氧化銅作為籽晶層制造化學(xué)淀積的銅線。
下面充分詳細(xì)地示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，從而以使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠完成和實(shí)施本發(fā)明，所提供的實(shí)施例僅用來例證和教導(dǎo)本發(fā)明的原理，而不是限制本發(fā)明。這樣，在避免使本發(fā)明不清楚的適當(dāng)描述中，該說明書可能省略某些本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的信息。
圖1-5顯示了集中地并按順序截取的多個(gè)截面圖，這些截面圖說明了制造用于ULSI的多層互連的例示方法。如圖1所示，該方法從半導(dǎo)體晶片210開始。應(yīng)理解該半導(dǎo)體晶片210可以處于制造的任何階段。在半導(dǎo)體晶片210的表面上淀積10-30nm厚的氧化銅薄層220。雖然這里公開了使用銅和氧化銅制造多層互連，但是應(yīng)理解其它的金屬和它們的氧化物(例如鉑和鈀)也非常適用于所公開的方法。
在例示的實(shí)施例中，可以使用各種技術(shù)淀積氧化銅層220，包括CVD、電離-磁控管濺射技術(shù)、DC磁控管自濺射技術(shù)、等離子蒸發(fā)、等離子增強(qiáng)CVD、金屬有機(jī)微波等離子CVD、來自二叔戊酰甲烷銅的CVD和脈沖激光淀積，但并不限于這些技術(shù)。
例如，V.F.Drobny等人在“Thin Solid Films”第61卷，No.1，89-98(1979)中報(bào)道(在此引入作為參考)，在氧—?dú)寤旌衔镏械姆磻?yīng)濺射產(chǎn)生氧化銅薄膜，該氧化銅薄膜具有通過改變排放物中氧的分壓而控制的參數(shù)范圍。最近，A.Parretta等人在“PhysicaStatus Solidi A”，第155卷，No.2，399-404(1996)(在此引入作為參考)中研究了通過反應(yīng)RF磁控管濺射制備的氧化銅膜的電和光特性，并得出結(jié)論可以通過控制氧分壓得到單相Cu2O和CuO。Parretta發(fā)現(xiàn)Cu2O膜的典型電阻率為43歐姆-cm，比純銅至少高6個(gè)數(shù)量級(jí)。
在另一種技術(shù)中，如K.Santra等人在“Thin Solid Films”第213卷，No.2，226-9(1992)(在此引入作為參考)中所報(bào)道的，在恒定氧壓力下通過等離子放電，利用蒸發(fā)金屬銅在基片上淀積氧化銅膜?！八矸e”的一價(jià)氧化物在退火之后變相為二價(jià)氧化物。而且，如H.Holzsuch等人在Applied Physics A，Vol.A51，No.6，486-90(1990)(在此引入作為參考)中所報(bào)導(dǎo)的，使用乙酰丙酮化銅作為前體，通過增強(qiáng)CVD來淀積氧化銅膜。Holzsuch發(fā)現(xiàn)基片溫度的增加使淀積的相從Cu2O+CuO改變?yōu)镃u。在高于500℃的溫度，淀積速度高，但薄膜主要是金屬銅。而且，B.Wisniesky等人在Journal de Physique，Vol.1，No.C2，389-95(1991)(在此引入作為參考)中介紹了作為創(chuàng)新技術(shù)的微波增強(qiáng)CVD，以允許使用乙酰丙酮化銅的易揮發(fā)的金屬有機(jī)前體在銅的不同價(jià)態(tài)的低溫下直接制備。但是請注意，合理的選擇工藝參數(shù)例如微波功率、基片溫度以及氧化劑氣體N2O或者O的混合物允許金屬銅、Cu2O或者CuO的形成。
近來，在由T.Mruyama在“太陽能材料和太陽能電池”，第56卷，No.1，85-92(1998)(在此引入作為參考)中報(bào)導(dǎo)的另一種方法中，通過常壓CVD法從二叔戊酰甲烷銅和氧來制備多晶氧化銅薄膜。最近，Y.Matsuura等人在“Applied Optics”，Vol.38，No.9，1700-3(1999)(在此引入作為參考)中報(bào)導(dǎo)，在CVD工藝中使用乙酰丙酮化銅作為前體，在涂銀玻璃細(xì)管的內(nèi)側(cè)淀積氧化銅介質(zhì)膜?？梢园l(fā)現(xiàn)該氧化銅淀積物具有耐化學(xué)品和耐熱的性能。
最后，在此再引入兩種淀積氧化銅的其它方法作為參考。M.Shurr等人近來在“Thin Solid Films”，Vol.342，No.1-2，266-9(1999)中報(bào)導(dǎo)，利用有機(jī)前體由朗繆爾-勃拉吉特(L-B)多層膜來制備CuO的超薄膜，其中L-B多層膜由二十烷醇銅(Cu-arachidate)構(gòu)成，通過熱脫附(desorption)或UV脫附除去有機(jī)成份。R.Leuchtner等人在“外延氧化薄膜II，材料研究協(xié)會(huì)論文集學(xué)報(bào)”，Vol.401，551-56(1995)中報(bào)導(dǎo)了用于生長氧化銅膜的另一種技術(shù)。這里，使用銅金屬或者氧化銅靶通過脈沖激光淀積(PLD)法生長氧化銅膜。在某些條件下，在450℃得到外延CuO膜。
參考圖2，如上所述，在晶片210上淀積氧化銅的薄層220之后，使用第一光致抗蝕劑層230通過標(biāo)準(zhǔn)光刻術(shù)限定金屬線圖形215。仔細(xì)選擇光致抗蝕劑層230的厚度，以便與金屬線215的厚度匹配。參考圖3，然后依照常規(guī)的或者以后開發(fā)的工藝，包括例如在名稱為“導(dǎo)電材料構(gòu)圖方法”，Micro Docket No.99-0671的共同未決和共同轉(zhuǎn)讓的專利申請中描述的方法(這里引入作為參考)，通過UV光致還原方法就地將曝光的氧化銅220轉(zhuǎn)化為銅層240。通過選擇性的CVD或者化學(xué)鍍，選擇性地淀積銅膜250到期望的厚度。在這些步驟之后，不使用CMP而為后續(xù)步驟提供平整表面255。
如圖4所示，還可以制造通孔280。與如上所述淀積第一氧化銅層220的方式類似，在第一光致抗蝕劑層230和銅層250上淀積第二氧化銅籽晶層260。然后，利用其厚度與通路280的長度對應(yīng)的光致抗蝕劑層270進(jìn)行通孔光刻?，F(xiàn)在參考圖5，如上所述，利用UV光致還原法原地將曝光的氧化銅290轉(zhuǎn)化為銅。通過選擇性CVD或者化學(xué)鍍，選擇性地淀積銅膜295到所期望的厚度。再仔細(xì)選擇第二光致抗蝕劑層270的厚度，以便與通孔280長度匹配。與前面一樣，在這些步驟之后，不使用CMP而為后續(xù)步驟提供平整表面297。
通過以任何順序重復(fù)前面的工序，能夠制造想要的多層，以便形成多層互連結(jié)構(gòu)。
在圖6所示的可替換實(shí)施例中，前述工藝可以與氧化銅層220和第一光致抗蝕劑層230之間的絕緣層300結(jié)合。該絕緣層300可以由在如上所述的第一光致還原步驟中不透過UV光的SiO2或者等效材料構(gòu)成。
對于高性能封裝中的應(yīng)用來說，在前述步驟之后，所使用的光致抗蝕劑層230和270可以留下并用作低介電常數(shù)絕緣層。而且，在假定線間距大于10微米的情況下，由于線之間的漏電流將顯著低于信號(hào)，因此，具有高電阻率并且自身幾乎絕緣的氧化銅籽晶層220和260可以留在原地。
對于ULSI芯片中的應(yīng)用來說，通過氧等離子灰化法除去所用的光致抗蝕劑層，并且通過上面Wisiniewsky等人所描述的蝕刻除去所用的氧化銅籽晶層220和250。采用該方法留下了完成的空氣-橋結(jié)構(gòu)，然后利用名稱為“在集成電路中制作銅布線的方法及裝置”(美國專利申請No.09/484303)的共同未決和共同轉(zhuǎn)讓的專利申請(在此引入上述文獻(xiàn)作為參考)中所描述的材料和方法，可以使該結(jié)構(gòu)鈍化。如果需要，可以在一個(gè)操作中用適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)層填充空氣空間。
在如上所述的例示方法中，假設(shè)設(shè)計(jì)的IC芯片沒有未支撐的長線。對于較長的線來說，由于它們的重量，在加工過程中可能會(huì)下垂，應(yīng)考慮美國專利No.5,891,797(在此引入作為參考)所描述的工序。對上層布線上的銅布線線寬有限制，因?yàn)閷挼木€被分為接近最小寬度和間距的幾條線，這將在結(jié)構(gòu)中確保充足的空間，以便能夠除去下層和開口的空氣-橋結(jié)構(gòu)上的光致抗蝕劑。
總之，所公開的方法是一種利用銅以及氧化銅籽晶層的選擇性地淀積，制造多層銅互連結(jié)構(gòu)的新穎方法，消除和簡化了許多浪費(fèi)的CMP步驟，引入了加強(qiáng)的制造步驟，用于高性能封裝和USLI芯片。
雖然這里已經(jīng)詳細(xì)說明和描述了本發(fā)明的各種實(shí)施例，但很顯然在不離開本發(fā)明精神的情況下，可以在此作出修改和添加，這些都包括在本發(fā)明的精神和附加的權(quán)利要求范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種在半導(dǎo)體芯片制造中制造多層互連的方法，包括在半導(dǎo)體晶片上淀積金屬氧化物層；將該金屬氧化物層的一個(gè)部分或多個(gè)部分轉(zhuǎn)化為一部分或者多部分金屬，而至少留下金屬氧化物的其它部分；和在該金屬氧化物層的一個(gè)或者多個(gè)轉(zhuǎn)化的和未轉(zhuǎn)化的部分上淀積金屬層。
2.如權(quán)利要求1的制造多層互連的方法，還包括在該金屬氧化物層和轉(zhuǎn)化為金屬的金屬氧化物層之間設(shè)置一絕緣層。
3.權(quán)利要求1的制造多層互連的方法，其中，該金屬是銅，該金屬氧化物是氧化銅。
4.權(quán)利要求1的制造多層互連的方法，其中，該金屬是鉑，該金屬氧化物是氧化鉑。
5.權(quán)利要求1的制造多層互連的方法，其中，該金屬是鈀，該金屬氧化物是氧化鈀。
6.一種在半導(dǎo)體芯片制造中制造多層互連的方法，包括在半導(dǎo)體晶片上淀積第一金屬氧化物層；將該第一金屬氧化物層的一個(gè)或者多個(gè)部分轉(zhuǎn)化為一部分或者多部分金屬，而至少留下該第一金屬氧化物層的其余部分；在該第一金屬氧化物層的一個(gè)或者多個(gè)轉(zhuǎn)化的和未轉(zhuǎn)化的部分上淀積第一金屬層；在該第一金屬層上淀積第二金屬氧化物層；將該第二金屬氧化物層的一個(gè)或者多個(gè)部分轉(zhuǎn)化為一部分或者多部分金屬，而至少留下該第二金屬氧化物層的其它部分；和在該第二金屬氧化物層的一個(gè)或者多個(gè)轉(zhuǎn)化的和未轉(zhuǎn)化的部分上淀積第二金屬層。
7.如權(quán)利要求6的制造多層互連的方法，其中，該金屬是銅，該金屬氧化物是氧化銅。
8.如權(quán)利要求6的制造多層互連的方法，其中，該金屬是鉑，該金屬氧化物是氧化鉑。
9.如權(quán)利要求6的制造多層互連的方法，其中，該金屬是鈀，該金屬氧化物是氧化鈀。
10.如權(quán)利要求6的制造多層互連的方法，還包括在該第一金屬氧化物層和轉(zhuǎn)化為金屬的金屬氧化物層之間設(shè)置一絕緣層。
11.一種在半導(dǎo)體芯片制造中制造多層互連的方法，包括在半導(dǎo)體晶片上淀積第一金屬氧化物層；將該第一金屬氧化物層的一個(gè)或者多個(gè)部分轉(zhuǎn)化為一部分或者多部分金屬，而至少留下該第一金屬氧化物層的其余部分；在該第一金屬氧化物層的一個(gè)或者多個(gè)轉(zhuǎn)化的和未轉(zhuǎn)化的部分上淀積第一金屬層；在該第一金屬層上淀積第二金屬氧化物層；將該第二金屬氧化物層的一個(gè)或者多個(gè)部分轉(zhuǎn)化為一部分或者多部分金屬，而至少留下該第二金屬氧化物層的其它部分；和在該第二金屬氧化物層的一個(gè)或者多個(gè)轉(zhuǎn)化的和未轉(zhuǎn)化的部分上淀積第二金屬層；在該第二金屬層上淀積第三金屬氧化物層；將該第三金屬氧化物層的一個(gè)或者多個(gè)部分轉(zhuǎn)化為一部分或者多部分金屬，而至少留下該第三金屬氧化物層的其它部分；和在該第三金屬氧化物層的一個(gè)或者多個(gè)轉(zhuǎn)化的和未轉(zhuǎn)化的部分上淀積第三金屬層。
12.如權(quán)利要求11的制造多層互連的方法，其中，該金屬是銅，該金屬氧化物是氧化銅。
13.如權(quán)利要求11的制造多層互連的方法，其中，該金屬是鉑，該金屬氧化物是氧化鉑。
14.如權(quán)利要求11的制造多層互連的方法，其中金屬是鈀，金屬氧化物是氧化鈀。
15.如權(quán)利要求11的制造多層互連的方法，還包括在該第一金屬氧化物層和轉(zhuǎn)化為金屬的第一金屬氧化物層之間設(shè)置一絕緣層。
16.一種多層集成電路，包括至少一個(gè)或者多個(gè)集成器件；金屬氧化物的第一絕緣層，金屬氧化物接觸相應(yīng)的一個(gè)或者多個(gè)集成器件、并通過在器件上淀積金屬氧化物層而形成；金屬層，該金屬層通過將該金屬氧化物層的一個(gè)或者多個(gè)部分轉(zhuǎn)化為一個(gè)或者多個(gè)轉(zhuǎn)化的部分的金屬、而至少留下金屬氧化物的其它部分，以及在其上淀積一層金屬而形成。
17.如權(quán)利要求16的多層集成電路，其中，該金屬是銅，該金屬氧化物是氧化銅。
18.如權(quán)利要求16的多層集成電路，其中，該金屬是鉑，該金屬氧化物是氧化鉑。
19.如權(quán)利要求16的多層集成電路，其中，該金屬是鈀，該金屬氧化物是氧化鈀。
20.一種多層集成電路，包括至少一個(gè)或者多個(gè)集成器件；金屬氧化物的第一絕緣層，該金屬氧化物與相應(yīng)的一個(gè)或者多個(gè)集成器件接觸，并通過在器件上淀積金屬氧化物層而形成；第一金屬層，該第一金屬層通過將該金屬氧化物層的一個(gè)或者多個(gè)部分轉(zhuǎn)化為一個(gè)或者多個(gè)轉(zhuǎn)化部分的金屬、而至少留下該金屬氧化物的其它部分，以及在其上淀積一層金屬所形成；金屬氧化物的第二絕緣層，該金屬氧化物與相應(yīng)的第一金屬層接觸，并通過在該第一金屬層上淀積第二金屬氧化物層而形成；第二金屬層，該第二金屬層通過將該第二金屬氧化物層的一個(gè)或者多個(gè)部分轉(zhuǎn)化為一個(gè)或者多個(gè)轉(zhuǎn)化部分的金屬而至少留下該金屬氧化物的其它部分、以及通過在其上淀積一層金屬所形成。
21.如權(quán)利要求20的多層集成電路，其中，該金屬是銅，該金屬氧化物是氧化銅。
22.如權(quán)利要求20的多層集成電路，其中，該金屬是鉑，該金屬氧化物是氧化鉑。
23.如權(quán)利要求20的多層集成電路，其中，該金屬是鈀，該金屬氧化物是氧化鈀。
24.一種多層集成電路，包括；至少一個(gè)或者多個(gè)集成器件；金屬氧化物的第一絕緣層，該金屬氧化物與相應(yīng)的一個(gè)或者多個(gè)集成器件接觸，并通過在器件上淀積金屬氧化物層而形成；第一金屬層，該第一金屬層通過將該金屬氧化物層的一個(gè)或者多個(gè)部分轉(zhuǎn)化為一個(gè)或者多個(gè)轉(zhuǎn)化部分的金屬而至少留下該金屬氧化物的其它部分、并且在其上淀積一層金屬而形成；金屬氧化物的第二絕緣層，該金屬氧化物與相應(yīng)的第一金屬層接觸，并通過在該第一金屬層上淀積第二金屬氧化物層而形成；第二金屬層，該第二金屬層通過將該第二金屬氧化物層的一個(gè)或者多個(gè)部分轉(zhuǎn)化為一個(gè)或者多個(gè)轉(zhuǎn)化部分的金屬而至少留下該金屬氧化物的其它部分、并且通過在其上淀積一層金屬層而形成；金屬氧化物的第三絕緣層，該金屬氧化物與相應(yīng)的第二金屬層接觸，并通過在該第二金屬層上淀積第三金屬氧化物層而形成；第三金屬層，該第三金屬層通過將該第三金屬氧化物層的一個(gè)或者多個(gè)部分轉(zhuǎn)化為一個(gè)或者多個(gè)轉(zhuǎn)化部分的金屬而至少留下該金屬氧化物的其它部分、并且通過在其上淀積一層金屬而形成。
25.如權(quán)利要求24的多層集成電路，其中，該金屬是銅，該金屬氧化物是氧化銅。
26.如權(quán)利要求24的多層集成電路，其中，該金屬是鉑，該金屬氧化物是氧化鉑。
27.權(quán)利要求24的多層集成電路，其中，該金屬是鈀，該金屬氧化物是氧化鈀。
全文摘要
一種制造集成電路的方法，該方法利用金屬氧化物薄膜(220)作為籽晶層以在集成電路中建立多層互連結(jié)構(gòu)。在晶片(210)上淀積金屬氧化物薄膜(220)，按與金屬線圖形(215)對應(yīng)的圖形利用標(biāo)準(zhǔn)光刻以暴露金屬氧化物膜(220)。該金屬氧化物膜(220)轉(zhuǎn)化為金屬層(240)，然后通過選擇性CVD或者化學(xué)鍍可在轉(zhuǎn)化的氧化膜(260)上淀積金屬膜(250)。然后以利用通孔光刻的類似工藝制造通孔(280)。繼續(xù)該工藝直到制造出期望的多層結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)H01L21/316GK1531749SQ02804555
公開日2004年9月22日 申請日期2002年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月5日
發(fā)明者凱·Y·阿恩, 凱 Y 阿恩, E 戈伊斯克, 約瑟夫·E·戈伊斯克 申請人:米克倫技術(shù)公司