專利名稱：增強無機介質(zhì)與銅的粘附性的等離子體處理的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及互連半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，特別是涉及一種改善這種互連結(jié)構(gòu)的諸如Si3N4的無機阻擋膜與銅線或通路的粘附性的方法。在本文中，該術(shù)語“互連結(jié)構(gòu)”用得很多，它包括包含銅互連金屬的任何半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。因此，本發(fā)明可應(yīng)用于鑲嵌結(jié)構(gòu)(單個和雙重的)、存儲單元電容器和其它用于邏輯電路的布線應(yīng)用、存儲器和輸入/輸出應(yīng)用。
在半導(dǎo)體工業(yè)中，已將鋁和鋁合金用作傳統(tǒng)的互連金屬。盡管在過去鋁基金屬一直是被選作金屬互連的材料，但目前人們關(guān)注的是，在半導(dǎo)體器件的電路密度和速度增加的情況下鋁是否能滿足所需要的要求。由于這種日益增長的關(guān)注，已研究了其它材料來作為鋁基金屬的可能的替代物。一種具有較大優(yōu)點的、目前正在考慮作為鋁金屬的可能的替代物是銅。這是因為，除了銅的電阻率較低外，銅與鋁相比，它對于電子遷移(electromigration)失效的敏感性較低。
盡管銅有上述優(yōu)點，但銅容易在后續(xù)的工藝步驟中擴散到周圍的介質(zhì)材料中。為了抑制銅的擴散，往往用一層保護性阻擋層來覆蓋銅互連結(jié)構(gòu)。一種覆蓋方法涉及沿銅互連結(jié)構(gòu)的側(cè)壁和底部使用純的或合金形態(tài)的鉭或鈦的導(dǎo)電性保護層。為了覆蓋銅互連結(jié)構(gòu)的上表面，一般使用諸如氮化硅、Si3N4的介質(zhì)材料。
由于在銅淀積后需要低溫工藝，故在低于450℃的溫度下淀積氮化硅層。因此，氮化硅淀積一般是使用等離子增強化學(xué)氣相淀積(PECVD)或高密度等離子化學(xué)氣相淀積(HDPCVD)來進行的，其中，淀積溫度一般在約200℃至約500℃的范圍內(nèi)。
PECVD和HDPCVD氮化硅已用于半導(dǎo)體器件制造的許多其它的應(yīng)用中。但是，在對于銅互連結(jié)構(gòu)使用氮化硅頂蓋的情況下，常規(guī)的PECVD或HDPCVD氮化硅產(chǎn)生可靠性的問題。特別是，使用常規(guī)的PECVD或HDPCVD淀積的氮化硅膜一般顯示出較差的與銅表面的粘附性。例如，一些氮化膜發(fā)生剝離并在已構(gòu)圖的銅線上形成氣泡，特別是在后續(xù)的介質(zhì)淀積、金屬化和化學(xué)機械拋光的工藝中。
這些結(jié)果表示在實際的制造工藝中氮化硅怎樣能粘附于銅上。附加的絕緣層在被淀積到銅金屬上后，一般將淀積在氮化硅膜上。但是，后續(xù)的絕緣層在氮化膜上的淀積將產(chǎn)生應(yīng)力，該應(yīng)力將使氮化硅膜從銅表面剝離下來。該剝離導(dǎo)致下述幾種災(zāi)難性的失效機構(gòu)，其中包括金屬間介質(zhì)的翹起、銅線的翹起和銅從未覆蓋的銅線的擴散。一般在雙鑲嵌工藝中看到這種結(jié)果，其中，一般在銅化學(xué)機械拋光(CMP)時發(fā)生氮化硅RIE中止層的剝離。
現(xiàn)有技術(shù)的氮化硅與銅的粘附性需要通過使銅與硅反應(yīng)來對銅表面進行硅化。該現(xiàn)有技術(shù)的方法存在兩個缺點由于硅與銅的反應(yīng)并擴散進銅而導(dǎo)致銅薄層電阻的增加，由于不完全的或部分的硅化銅的形成導(dǎo)致臨界性的氮化物與銅的粘附性。
鑒于已提到的現(xiàn)有技術(shù)的銅互連結(jié)構(gòu)的缺點，很需要發(fā)展一種新的利于無機阻擋膜與存在于互連半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上的銅表面的粘附性的工藝。
本發(fā)明的一個目的在于提供一種改善被淀積的無機阻擋膜與互連結(jié)構(gòu)的銅表面的粘附性的方法。
本發(fā)明的另一個目的在于提供這樣一種方法，使用該方法在后續(xù)的互連工藝步驟中被淀積的無機阻擋膜不會從互連結(jié)構(gòu)的銅表面剝離下來。
本發(fā)明的又一個目的在于提供這樣一種方法，該方法能被用于雙鑲嵌工藝，以改善Si3N4刻蝕中止層與銅布線或銅通路的粘附性。
通過采用包括在銅互連結(jié)構(gòu)上形成無機阻擋膜之前將互連半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的銅層暴露于還原性等離子體中的方法，可在本發(fā)明中實現(xiàn)這些和其它的目的和優(yōu)點。更具體地說，本發(fā)明的改善被淀積的無機阻擋膜與互連結(jié)構(gòu)的銅表面的粘附性的方法包括下述步驟(a)將至少包含一層銅的互連半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)暴露于還原性等離子體中；以及(b)在已被暴露于所述等離子體的銅互連結(jié)構(gòu)上形成無機阻擋膜。
按照本發(fā)明的方法，該暴露步驟、步驟(a)在下述的等離子體中進行，該等離子體包括至少一種從由H2、N2、NH3、諸如He、Ne、Ar、Kr、和Xe的稀有氣體及其混合物組成的一組中選出的非氧化性氣體。要注意，氧化性氣氛被排除在本發(fā)明之外，這是因為，這樣的氣氛會使存在于互連結(jié)構(gòu)中的銅氧化并削弱在銅界面處的氮化物的接合。
在本發(fā)明中考慮的合適的互連結(jié)構(gòu)包括，但不限于存儲單元電容器，其中包括平板電容器、冠狀電容器、層疊電容器和其它類似的電容器；鑲嵌結(jié)構(gòu)，其中包括單個的和雙重的；包含多個通路和金屬線的多重布線層；以及其它類似的互連結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的唯一的圖是典型的雙重鑲嵌結(jié)構(gòu)的剖面圖，該雙重鑲嵌結(jié)構(gòu)可用于本發(fā)明并在淀積無機阻擋層之前暴露于等離子體中。
本發(fā)明涉及一種改善在互連半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的銅表面上的被淀積的無機阻擋膜的粘附性的方法，以下，將參照附于本發(fā)明書之后的唯一的圖詳細(xì)地描述本發(fā)明。要強調(diào)的是，盡管本發(fā)明只說明雙重鑲嵌結(jié)構(gòu)，但它適用于所有包含銅金屬并使用諸如SiC、Si3N4的被淀積的無機阻擋膜作為保護阻擋層或作為刻蝕中止層的互連半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
參照本申請書中的唯一的圖，該唯一的圖示出典型的經(jīng)本發(fā)明的方法處理的雙重鑲嵌結(jié)構(gòu)，具體地說，該雙重鑲嵌結(jié)構(gòu)包括下互連層10和上互連層12。各層包括通路區(qū)14和金屬線或布線區(qū)16。下互連層10包括具有其中被銅20充填的開口或槽的介質(zhì)18。在下互連層10的頂部是上互連層12，該上互連層12包括介質(zhì)22，其槽區(qū)將下互連層的銅布線暴露出來。上互連層12的該槽區(qū)被銅20充填。在各個互連層之間是起到RIE中止層作用、保護性阻擋層作用或起兩個作用的無機阻擋層24。
在圖中示出的雙重鑲嵌結(jié)構(gòu)是利用本領(lǐng)域的專業(yè)人員熟知的常規(guī)的鑲嵌工藝步驟來制造的。其不同點是在形成阻擋層24之前將互連結(jié)構(gòu)暴露于本發(fā)明的方法的等離子體中，以下將詳細(xì)地描述該方法。
介質(zhì)層18和22可以是相同的或不同的絕緣性無機或有機材料。合適的介質(zhì)包括，但不限于SiO2、氟化的SiO2、Si3N4、聚酰亞胺、金剛石、類似于金剛石的碳、硅聚合物、paralyne聚合物、經(jīng)氟化的類似于金剛石的碳和其它類似的介質(zhì)化合物。在這些介質(zhì)材料中，層18和22最好由SiO2構(gòu)成。該介質(zhì)層可以被摻雜或不被摻雜。當(dāng)摻雜時，該摻雜劑可以是硼、氟、磷、重氫(deutrium)、硅、鍺或另一種類似的摻雜劑。
阻擋層24是無機材料，該無機材料對于通路起到RIE中止層的作用或在作為結(jié)構(gòu)的最外層存在時起到保護性阻擋層的作用。作為阻擋層24時合適的材料包括，但不限于SiC、Si3N4、加氫的Si3N4和加氫的SiC。在這些材料中，最好在本發(fā)明中使用Si3N4或SiC的加氫的形態(tài)作為阻擋層。也可在金屬線16與通路14之間插入可選擇的RIE中止層(在圖中未示出該實施例)。
使用常規(guī)的汽相淀積技術(shù)來形成阻擋層24，該技術(shù)包括，但不限于化學(xué)汽相淀積、低壓化學(xué)汽相淀積、高壓化學(xué)汽相淀積、高密度等離子化學(xué)汽相淀積、等離子增強化學(xué)汽相淀積和其它類似的汽相淀積技術(shù)。在這些淀積技術(shù)中，對于淀積阻擋層來說，等離子增強化學(xué)汽相淀積(PECVD)和高密度等離子化學(xué)汽相淀積(HDPCVD)是優(yōu)選的方法。
再次要強調(diào)的是，在圖中示出的雙重鑲嵌結(jié)構(gòu)和任何其它所考慮的銅互連結(jié)構(gòu)是采用本領(lǐng)域的專業(yè)人員熟知的技術(shù)來制造的。由于這些技術(shù)是熟知的，并對于了解本發(fā)明不是關(guān)鍵性的，故在此不給出這些方面的詳細(xì)的討論。在制造本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)和現(xiàn)有技術(shù)的互連結(jié)構(gòu)中的唯一的不同是，在淀積無機阻擋層24之前，在下面定義的條件下對銅互連結(jié)構(gòu)進行還原性等離子體的處理。
具體地說，在本發(fā)明中使用的還原性等離子體是任何非氧化性的、即不包含氧原子的等離子氣氛?？稍诒景l(fā)明中被使用的合適的還原性等離子體包括，但不限于H2、N2、NH3和稀有氣體。其中也考慮這些諸如H2和N2的還原性等離子體的兩種或多種的組合。在這些還原性等離子體中，H2和NH3是本發(fā)明優(yōu)選的還原性等離子體。
本發(fā)明的還原性等離子體暴露步驟是在常規(guī)的能產(chǎn)生等離子體氣體的等離子淀積裝置中進行的。具體地說，本發(fā)明的暴露步驟是在從約20℃至約600℃的溫度下進行的，處理時間從約1秒至約3600秒。其中也考慮大于3600秒的暴露時間。更具體地說，本發(fā)明的暴露步驟是在從約360℃至約400℃的溫度下進行的，處理時間從約5秒至約30秒。加熱最好在還原性等離子體的存在下進行。
再者，本發(fā)明的暴露步驟是以從約1mTorr至約20Torr的氣壓、以從約50至約10,000瓦的功率和以從約1至10,000sccm的氣體流速來進行的。精確的條件依賴于在形成阻擋層中所使用的淀積工藝的類型。例如，當(dāng)使用高密度等離子化學(xué)汽相淀積(HDPCVD)時，本發(fā)明的暴露步驟是以從約3至約6mTorr的氣壓、以從約1500至約3000瓦的功率和以從約10至50sccm的氣體流速來進行的。另一方面，當(dāng)使用等離子增強化學(xué)汽相淀積(PECVD)時，本發(fā)明的暴露步驟是以從約2至約8Torr的氣壓、以從約150至約400瓦的功率和以從約100至2000sccm的氣體流速來進行的。
要注意，在暴露步驟剛結(jié)束后且在不破壞真空的情況下，使用任何上述的淀積技術(shù)在其上形成無機阻擋層。本發(fā)明的方法，特別是雙重鑲嵌結(jié)構(gòu)暴露步驟提供這樣一種銅互連結(jié)構(gòu)，其中，無機阻擋層具有經(jīng)改善的與銅線或通路的粘附性，與迄今用現(xiàn)有工藝得到的結(jié)構(gòu)相比，電阻沒有增加。這樣，由于采用本發(fā)明的方法改善了粘附性，故這樣得到的銅互連結(jié)構(gòu)不顯示出任何剝離的問題，而現(xiàn)有技術(shù)的互連結(jié)構(gòu)在后續(xù)的諸如化學(xué)機械拋光的工藝步驟中通常遇到這樣的問題。再有，使用本發(fā)明的方法制造的互連結(jié)構(gòu)很少或沒有顯示出電阻的增加。
給出下述的實施例以說明本發(fā)明的范圍。因為該實施例只是為了說明性的目的，故本發(fā)明不應(yīng)只限于該實施例。
實施例為了顯示在采用本發(fā)明的方法得到的被汽相淀積的無機阻擋層與銅布線之間的被改善的粘附性，在200mm的硅片上進行了一系列的實驗，該硅片包含鑲嵌在SiO2中的銅線。具體地說，使用標(biāo)準(zhǔn)的鑲嵌工藝條件制備了雙重鑲嵌結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)的鑲嵌工藝條件的不同點是，在雙重鑲嵌結(jié)構(gòu)的銅線上淀積Si3N4之前，采用不同的技術(shù)對表面進行處理，這些技術(shù)包括不處理(CE1)；在氧化性等離子氣體氣氛中的處理(CE2)；或按照本發(fā)明的方法在還原性等離子體中的處理。在處理、Si3N4淀積、金屬間淀積和雙重鑲嵌銅線/通路制造后，對各個結(jié)構(gòu)進行光學(xué)檢驗，檢驗其分層情況。在下面的表1中總結(jié)了這些實驗的結(jié)果，其中，“好”表示基本上很少或沒有剝離，即，粘附性得到改善，“差”表示基本上沒有粘附性。也觀察到，因為氮化物的粘附性得到改善，故銅表面的反射率提高了。
上述的結(jié)果清楚地說明通過采用本發(fā)明的還原性等離子體暴露步驟可使Si3N4阻擋層與銅的粘附性得到改善。在比較例中(CE1和CE2)，粘附性差，并觀察到被淀積的Si3N4膜的剝離。
表1
<p>盡管已對本發(fā)明就優(yōu)選實施例進行了特別的說明和描述，但本領(lǐng)域的專業(yè)人員應(yīng)了解，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可在形式和細(xì)節(jié)方面進行上述的和其它的變更。
權(quán)利要求
1.一種有利于在銅互連結(jié)構(gòu)上形成的無機阻擋膜的粘附性的方法，其特征在于，所述方法包括下述步驟(a)將至少包含一層銅的互連半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)暴露于還原性等離子體中；以及(b)在所述被暴露的銅互連結(jié)構(gòu)上形成無機阻擋膜。
2.如權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于所述暴露步驟在從由H2、N2、NH3、稀有氣體、及其混合物組成的一組中選出的非氧化性等離子體氣氛中進行。
3.如權(quán)利要求2中所述的方法，其特征在于所述非氧化性等離子體氣氛是H2。
4.如權(quán)利要求2中所述的方法，其特征在于所述非氧化性等離子體氣氛是NH3。
5.如權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于所述暴露步驟在從約20℃至約600℃的溫度下進行，處理時間從約1秒至約3600秒或更高。
6.如權(quán)利要求5中所述的方法，其特征在于所述暴露步驟在從約360℃至約400℃的溫度下進行，處理時間從約5秒至約30秒。
7.如權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于所述暴露步驟是以從約1mTorr至約20Torr的氣壓、以從約50至約10,000瓦的功率和以從約1至10,000sccm的氣體流速來進行的。
8.如權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于所述暴露步驟是用高密度等離子化學(xué)汽相淀積法、以從約3至約6mTorr的氣壓、以從約1500至約3000瓦的功率和以從約10至50sccm的氣體流速來進行的。
9.如權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于所述暴露步驟是用等離子增強化學(xué)汽相淀積法、以從約2至約8Torr的氣壓、以從約150至約400瓦的功率和以從約100至2000sccm的氣體流速來進行的。
10.如權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于所述銅互連結(jié)構(gòu)是電容器結(jié)構(gòu)、包含多個通路和金屬線的鑲嵌結(jié)構(gòu)或多重布線層。
11.如權(quán)利要求10中所述的方法，其特征在于所述銅互連結(jié)構(gòu)是包含銅線和通路的單個的或雙重的鑲嵌結(jié)構(gòu)。
12.如權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于所述無機阻擋膜是利用從由化學(xué)汽相淀積、低壓化學(xué)汽相淀積、等離子增強化學(xué)汽相淀積、高密度等離子化學(xué)汽相淀積組成的一組中選出的一種淀積工藝在原處形成的。
13.如權(quán)利要求12中所述的方法，其特征在于所述無機阻擋膜是由等離子增強化學(xué)汽相淀積或高密度等離子化學(xué)汽相淀積法在原處形成的。
14.如權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于所述無機阻擋膜由Si3N4、SiC、加氫的Si3N4或加氫的SiC構(gòu)成。
15.如權(quán)利要求14中所述的方法，其特征在于所述無機阻擋膜是加氫的Si3N4或加氫的SiC。
16.如權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于所述互連結(jié)構(gòu)包括從由SiO2、氟化的SiO2、Si3N4、聚酰亞胺、金剛石、類似于金剛石的碳、硅聚合物、paralyne聚合物和經(jīng)氟化的類似于金剛石的碳組成的一組中選出的一種介質(zhì)材料。
17.如權(quán)利要求16中所述的方法，其特征在于所述介質(zhì)材料是SiO2。
18.如權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于在槽內(nèi)形成所述銅層。
全文摘要
本發(fā)明采用還原性等離子體處理步驟來增強其后被淀積的無機阻擋膜與存在于諸如雙重鑲嵌結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體互連結(jié)構(gòu)中的銅線或通路的粘附性。
文檔編號H01L21/318GK1259762SQ99126150
公開日2000年7月12日 申請日期1999年12月13日 優(yōu)先權(quán)日1999年1月4日
發(fā)明者P·D·阿涅洛, L·P·布赫瓦特, J·胡梅爾, B·盧瑟, A·K·斯塔帕 申請人:國際商業(yè)機器公司