專利名稱：形成用于互連的雙層低介電阻擋層的方法及形成的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及形成一個用于互連的低介電阻擋層的方法及形成的裝置，更詳細地涉及在半導體結構內(nèi)的銅互連上形成一個雙層低介電阻擋層的方法，以用于對隨后沉積的層阻擋擴散和提高附著性能，以及由此方法形成的裝置。
制作用于提供半導體芯片結構、平板顯示器與封裝應用中的通孔、線路與其它凹槽的互連技術已開發(fā)了多年。例如，在開發(fā)甚大規(guī)模集成(VLSI)結構的互連技術時，采用鋁作為位于單個襯底上的半導體區(qū)域或裝置內(nèi)的接觸與互連的基本金屬源。鋁成為被選中的材料是因為它低的價格、好的歐姆接觸與高的導電率。但是，純鋁薄膜導體具有不希望的性能例如低的金屬熔點，這限制了它用于低溫處理，在退火期間硅可能擴散到鋁內(nèi)從而導致接觸與結點的失效，與不良的電移電阻。當電場重合在金屬固體內(nèi)的隨機熱擴散上引起離子凈漂移時，發(fā)生電移現(xiàn)象。因而，開發(fā)了許多具有超過純鋁的優(yōu)點的鋁合金。例如，美國專利號US 4566177公開一個硅、銅、鎳、鉻與錳的重量含量高達3％的鋁合金導電層用以改善電移電阻。美國專利號US 3631304公開含有氧化鋁的鋁合金，同樣用于改善電移電阻。
新近的VLSI與ULSI技術由于這些裝置要求極高的電路密度與更快的運行速度對連線提出更嚴格的要求。這導致在越來越細的導線內(nèi)有更高的電流密度。結果，要求導線或者是較大截面的鋁合金線，或者是由具有較高導電率的不同導線材料制成的導線。鑒于銅的合乎要求的高導電率，工業(yè)界的明顯選擇是開發(fā)后者，即使用銅。
在形成VLSI與ULSI互連結構例如通孔與線路時，將銅沉積在線路、通孔或其它凹槽內(nèi)以互連位于同一襯底上的半導體區(qū)域或裝置。已知銅由于它同硅的快速反應速率而在半導體裝置連接方面存有問題。任何銅原子或離子擴散到硅襯底內(nèi)會引起器件故障。此外銅擴散到金屬間電介質(zhì)內(nèi)也會通過產(chǎn)生短路與開路而引起器件故障。因此，給銅的互連覆蓋起防止銅與周圍材料互相擴散作用的涂覆層對保證銅互連的可靠性是必不可少的。這些層，通常稱為“襯墊層”、“阻擋層”與“覆蓋層”，還必須表現(xiàn)出在銅互連與各種電介質(zhì)層和接觸通孔之間有好的附著性。
在用于銅線路后端(BEOL)的晶片網(wǎng)絡互連金屬化處理時，通孔與溝槽的金屬化使用標準序列程序厚電介質(zhì)沉積，通孔與溝槽開口，在通孔與溝槽的壁上沉積薄襯層，用銅填充通孔與溝槽，弄平銅頂部表面，最后，以保護層覆蓋上表面，用于當沉積上層電介質(zhì)時防止銅擴散到上層電介質(zhì)，以及使與銅的反應最小化。最后的蓋層還對下一個上層電介質(zhì)起活性離子蝕刻阻止層的作用。對每個層的互連布線重復該金屬化處理。
在常規(guī)工藝中，最常用于覆蓋每個銅BEOL層的電介質(zhì)材料是氮化硅(SiN)。它已可靠地制造于銅是金屬間電介質(zhì)而二氧化硅(SiO2)是互連電介質(zhì)的ULSI中。然而，為了繼續(xù)改善互連性能，ULSI產(chǎn)業(yè)正向低介電常數(shù)(低k)金屬間電介質(zhì)的方向推進。SiN具有7至8的較高介電常數(shù)并且顯著增加有效的層間電容。SiN在將來的BEOL互連中的應用將被減至最少或被取代以滿足低k要求。
其它人提出了解決銅的低k BEOL困難的辦法。例如，一種解決辦法是使用一個自對準金屬蓋層以覆蓋與保護銅線路的上表面，提供大的附著力并進而起到銅擴散阻擋層的作用。但是，為了滿足希望的銅阻擋層性能，金屬蓋層的厚度必須至少為1000-2000，當線路間的間距小于3000時，這個厚度可能導致導線間短路。只使用金屬蓋還帶來處理下一層電介質(zhì)的困難。在活性離子蝕刻(RIE)頂層電介質(zhì)期間，沒有蝕刻阻止功能且下面的金屬與電介質(zhì)易于被蝕刻并受到此RIE處理的污染。
還有其它人提出了通過使用由例如包含Si、C、H或Si、C、O、H的材料形成高達800厚度的低k電介質(zhì)薄膜的解決辦法。但是，這些低k薄膜(具有小于4的介電常數(shù))通常不起好的銅擴散阻擋層的作用。在制作BEOL互連期間對銅的氧化它們也不是好的阻擋層，且會由于CuO的形成大大削弱附著力并形成空隙而導致災難性的故障。與此比較，SiN通常通過SiH4與NH3的等離子體加強化學蒸發(fā)沉積法(PECVD)沉積，此方法本身不引起銅的氧化且已知SiN是一個好的氧阻擋層。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一個在銅導體上形成沒有常規(guī)的銅阻擋層的缺陷與缺點的阻擋層的方法。
本發(fā)明的另一個目的是提供一個減小SiN蓋厚度與改善它對銅的附著性的方法。
本發(fā)明的再一個目的是提供一個在銅導體上形成一個改善擴散阻擋與附著性能的低介電阻擋層的方法。
本發(fā)明的又一個目的是提供一個在銅導體上形成一個雙層低介電阻擋層的方法，其中在銅導體上面順序地沉積一層含磷或含硼的合金薄膜與一層含硅的低介電材料。
本發(fā)明的又一個目的是提供一個通過在銅導體上沉積2個用于附著與擴散阻擋的獨立層后接一個退火處理以形成一個雙層低介電阻擋層的方法。
本發(fā)明的還有一個目的是提供一個用于銅線路后端處理中的通孔或互連的銅導體上形成雙層低介電阻擋層的方法。
本發(fā)明的還有一個目的是提供一個在銅導體上形成一個雙層低介電阻擋層的方法，其中一個含磷或含硼合金薄膜處理后接一個退火處理以導致合金擴散到銅導體的至少2-4個原子層內(nèi)。
本發(fā)明的還有一個目的是提供一個半導體結構內(nèi)的導電體，它包括一個金屬導體，一層含磷或含硼的合金膜，與一層在頂部的低k電介質(zhì)材料膜。
本發(fā)明的再有一個目的是提供一個半導體結構內(nèi)的導電體，其中首先在金屬導體上沉積一層厚度在50與200之間的含磷或含硼合金薄膜，然后在此合金薄膜上面沉積一層厚度在100與500之間的低k電介質(zhì)材料。
根據(jù)本發(fā)明，公開一種在銅導體上形成一個雙層低介電阻擋層的方法及形成的結構。
在一個最佳實施例中，一種在銅導體上形成一個雙層低介電阻擋層的方法可通過以下操作步驟實施提供一個帶有在一個絕緣體層內(nèi)形成的銅導體的經(jīng)預處理的襯底；在銅導體的上面沉積一層含磷或含硼合金膜；在第一熱處理中把經(jīng)預處理的襯底在還原氣氛中加熱至溫度至少為300℃延續(xù)時間長到足以使含磷或含硼合金擴散到銅導體上表面的至少2-4個原子層內(nèi)；在含磷或含硼合金薄膜的上面沉積一層電介質(zhì)薄膜；與在第二熱處理中把經(jīng)預處理的襯底在還原氣氛中加熱至溫度至少為300℃延續(xù)至少1小時。當規(guī)定還原氣氛時，意指包括真空、H2、合成氣體與惰性氣體的氣氛。
或者，可順序地沉積2層(金屬與電介質(zhì))，后接一次在還原氣氛中在400℃溫度下延續(xù)2小時的退火處理步驟。
在銅導體上形成一個雙層低介電阻擋層的方法中，第一熱處理可在至少325℃溫度下進行延續(xù)至少2小時。第二熱處理可在至少350℃溫度下進行延續(xù)至少2小時。在第一與第二熱處理中使用的還原氣氛可以是氫氮合成氣體(H2+N2)或真空。含磷或含硼合金薄膜的沉積處理可通過無電鍍膜技術進行?；蛘?，也可通過先沉積第一層含磷或含硼合金膜金屬層，接著沉積電介質(zhì)薄膜，然后雙層在氮中或包括合成氣體，H2，氮氣或真空的還原氣氛中在400℃下進行延續(xù)2小時的最后的熱處理，將2次退火處理合并成一次。電介質(zhì)薄膜可通過等離子體加強化學蒸發(fā)沉積技術沉積在含磷或含硼合金薄膜的上面。此方法還可包括在沉積含磷或含硼合金薄膜之前在經(jīng)預處理的襯底上沉積一層鈀形核層的步驟。含磷或含硼合金薄膜可以是Me-X-P或Me-X-B，其中Me是合金薄膜的基本成份而X是合金調(diào)節(jié)劑。
在銅導體上形成一個雙層低介電阻擋層的方法還可包括應用硫酸中的稀硫酸鈀溶液通過選擇離子交換方法在銅導體上沉積一層鈀形核層。含磷或含硼合金薄膜還可包括重量含量在約86％與約90％之間的Me，重量含量在約2％與約4％之間的X與重量含量在約6％與約12％之間的P或B。沉積的電介質(zhì)膜可具有不大于5的介電常數(shù)。此方法還可包括沉積含磷或含硼合金薄膜至厚度在約50與約300之間，最好在約100與約200之間的步驟。此方法還可包括在包含硫酸鈷、鎢酸銨、檸檬酸鈉與硼酸的次磷酸鹽溶液中，在溫度為約70℃與約80℃之間、pH值在約8與約9之間的條件下，通過無電沉積處理沉積含磷或含硼合金薄膜的步驟。此方法還可包括在溫度為約325℃與約400℃之間、延續(xù)時間周期為約0.5小時與約2小時之間的條件下進行第一熱處理的步驟。此方法還可包括沉積從包括一種包含硅、碳、氧、氮與/或氫的材料、一種包含硅、碳、氫、氮的材料與金剛石類碳的組中選擇的一種材料的電介質(zhì)薄膜的步驟。此方法還可包括沉積電介質(zhì)薄膜至厚度為約100與約500之間，最好在約250與約350之間的步驟。此方法還可包括在溫度為約350℃與約400℃之間、延續(xù)時間在約1小時與約5小時之間的條件下進行第二熱處理的步驟。含磷或含硼合金薄膜可以是Me-X-P或Me-X-B，其中Me是Co或Ni,X是W或Sn。
本發(fā)明還涉及一個在半導體結構內(nèi)的導電體，它包括一個位于絕緣層內(nèi)的金屬導體，一層在金屬導體上面的含磷或含硼合金薄膜，與一層在此含磷或含硼合金薄膜上面的電介質(zhì)材料薄膜。
在一個半導體結構內(nèi)的導電體中，含磷或含硼合金存在于金屬導體頂部表面至少2-4個原子層中。此金屬導體可包括銅。含磷或含硼合金可以是Me-P、Me-B、Me-X-P或Me-X-B的二元或三元合金，其中Me是Co或Ni，而X是Si,W或Sn。含磷或含硼合金可沉積至厚度在約10與約1000之間，最好在約50與約200之間。含磷或含硼合金可通過無電鍍技術沉積。沉積的電介質(zhì)材料可由從包括一種包含硅、碳、氧、氮與氫的材料的組中選擇。電介質(zhì)材料可沉積至厚度在約10與約5000之間，最好在約100與約500之間。半導體結構可在從包括硅、硅鍺、絕緣硅片與砷化鎵的組中選擇的襯底上形成。
本發(fā)明的這些與其它的目的、特征與優(yōu)點，將通過對本說明書與附圖的考察而明確，在這些附圖中

圖1是一個本發(fā)明的在具有雙鑲嵌結構(damascene structure)的銅導體上形成的帶有在頂面上形成的第二雙鑲嵌結構的雙層低介電阻擋層的放大剖視圖。
圖2是本發(fā)明的另一個實施例的圖示說明在銅導體上形成的雙層擴散阻擋層/附著力增強層的放大剖視圖。圖3是一個圖示說明在一個多層阻擋層試驗結構中各種元素的二次離子數(shù)作為進入本發(fā)明結構的深度的函數(shù)的依賴關系的曲線圖。在本例中，Co-W-P薄膜為300厚，而低k電介質(zhì)SiCOH薄膜在頂部。
圖4是一個圖示說明在一個多層阻擋層結構中各種元素的二次離子數(shù)作為進入本發(fā)明結構的深度的函數(shù)的依賴關系的曲線圖。在本例中，CoSnP薄膜為300，在頂部的低k電介質(zhì)SiCOH薄膜為500厚，其中合金薄膜已在350℃下退火2小時。
圖5是一個說明附著試驗結果對于其中帶有一層合金薄膜的銅上的氮化硅薄膜的結構與處理的依賴關系的表格。
圖6是一個說明附著試驗結果對于填以SiCOH/襯墊金屬的雙層阻擋層的結構與退火處理的依賴關系的表格。
本發(fā)明公開一種通過首先提供一個帶有形成在絕緣體層內(nèi)的銅導體的經(jīng)預處理的襯底，然后在銅導體上沉積一層含磷或含硼合金薄膜，接著把經(jīng)預處理的襯底在還原氣氛中加熱至溫度至少為300℃延續(xù)時間長到足以使合金擴散到銅導體的表面層內(nèi)，然后在合金薄膜的上面沉積一層電介質(zhì)薄膜，接著把經(jīng)預處理的襯底在還原氣氛中加熱至溫度至少為300℃延續(xù)時間至少為1小時，從而形成一個用于互連的雙層低介電阻擋層的方法。
本發(fā)明還公開一個在半導體結構內(nèi)的導電體，它包括一個位于一個絕緣層內(nèi)的金屬導體，一層在金屬導體上的含磷或含硼合金薄膜，與一層在含磷或含硼合金薄膜上的電介質(zhì)材料薄膜。
在本發(fā)明提供的方法或裝置中，含磷或含硼合金薄膜可由Me-X-P或Me-X-B表示，其中Me是合金薄膜的基本成份，而X是合金調(diào)節(jié)劑。Me可以是Co或Ni，而X可以是W或Sn。P與B代表磷與硼。含磷或含硼合金還可包括重量含量在約86％與約90％之間的Me，重量含量在約2％與約4％之間的X與重量含量在約6％與約12％之間的P或B。合金薄膜沉積至厚度在約50與約300之間。
本發(fā)明新穎方法中使用的熱處理或退火處理對于最后形成的雙層介電阻擋層的性能是重要的。例如，在第一退火處理中，半導體襯底加熱至溫度至少為300℃或最好至約350℃與約400℃之間，延續(xù)時間長到足以使含磷或含硼合金擴散到至少進入銅導體的表面層，即進入銅導體至少2-4個原子層。擴散時間可在約0.5小時與約2小時之間。在沉積低介電阻擋層之后進行的第二熱處理，可在溫度為300℃或最好在約350℃與約400℃之間進行，延續(xù)時間周期在約1小時與約5小時之間?；蛘?，可通過在還原氣氛中在400℃下加熱雙層延續(xù)2小時，將兩次退火處理合并為一次退火處理。
電介質(zhì)層可由一種例如含有硅、碳、氧、氮與/或氫的材料沉積而成。沉積的電介質(zhì)薄膜的厚度在約100與約500之間，或最好在約100與約350之間。
本發(fā)明新穎方法把一層無電鍍的金屬薄膜與一層低k(介電常數(shù))的電介質(zhì)蓋層順序組合沉積在經(jīng)拋光(例如通過化學機械拋光)的銅/電介質(zhì)頂面上以產(chǎn)生一個雙層阻擋層。此雙層阻擋層提供希望的銅擴散阻擋性能，好的對銅附著性，低的介電常數(shù)，同時保持對下一個上層電介質(zhì)的活性離子蝕刻(RIE)的阻止性能。本發(fā)明的雙層阻擋層的附帶好處是使電介質(zhì)蓋層的厚度減至最薄。這通常減小互連結構的有效介電常數(shù)并提供顯示出使電移減至最小的導體冗余度。
本發(fā)明的雙層阻擋層結構可通過下述過程形成。以平整化包括銅布線的結構開始，此銅布線嵌進電介質(zhì)中，一個銅表面暴露于電介質(zhì)層。在第一步驟中，進行一個對銅表面具有強粘著性的金屬蓋層的自對準選擇覆加以形成一個金屬對金屬的鍵合。此金屬蓋層的厚度在約100與400之間，從而提供較高的電氣可靠性與改善的電移電阻。此金屬蓋層還提供在閉合空隙與異常析出的能力方面具有較高穩(wěn)定性的銅表面。在進行第一次退火或熱處理(此類處理將在后面部分較詳細地描述)之后，進行第二次沉積一層覆蓋性電介質(zhì)蓋層的處理。此覆蓋性電介質(zhì)蓋層最好由具有很低介電常數(shù)的材料形成，例如一種包含硅、碳、氧、氮與/或氫的材料，或一種包含硅、碳、氫、氮的材料與金剛石類碳?；蛘?，也可使用SiN，但其厚度要比作為單層阻擋層時通常要求的厚度薄得多。
從由選擇性鈷基無電鍍處理制備的雙層蓋(特定地但不限于Co-W-P，與SiN、SiCH或SiCOH薄膜組合)得到的結果，顯示出很好的附著作用并獲得銅的穩(wěn)定性與對銅擴散的控制。
形成本發(fā)明的用于擴散阻擋與附著的雙層蓋的化學步驟可較詳細地描述如下本發(fā)明新穎方法的總目的是在一個CMP處理之后在銅表面上建立一個雙層金屬/電介質(zhì)薄膜。在銅表面上沉積的第一步驟中，通過無電鍍而選擇性沉積一層厚度在約100與約400之間的金屬薄膜。此層由具有Me-X-P通用結構的合金形成，其中Me表示合金的基本成份，X是一種合金調(diào)節(jié)劑，它使薄膜具有增強對銅附著作用的很特殊的性能與擴散阻擋性能，而P表示在形成薄膜處理期間一起沉積的某一定量的磷。在本發(fā)明的一個最佳實施例中，合金薄膜中選擇X為3至5atomic％的W，而P為7至9atomic％的數(shù)量級。
在本發(fā)明處理的第二步驟中，在頂面合金薄膜處在例如合成氣體或氫的還原氣氛中與350℃的溫度下，退火銅結構至少2小時。此溫度處理使合金的組成能密切融合并擴散到頂部銅表面的幾個原子層內(nèi)以提供化學與冶金鍵合從而形成優(yōu)良的對銅附著作用。或者，此退火步驟可在電介質(zhì)沉積期間或之后進行。
在本發(fā)明處理的第三步驟中，在金屬薄膜的上面覆加一層電介質(zhì)薄膜以形成雙層結構。這通常通過一個等離子體加強化學蒸發(fā)沉積(PECVD)處理完成。在此處理中，電介質(zhì)材料沉積在先前已沉積在銅上的Me-X-P層上，而厚度通常在約100與約500之間。已發(fā)現(xiàn)最佳的電介質(zhì)薄膜是那些以硅化合物例如SiCOH、SiCH或SiN為基礎的薄膜。也可使用例如金剛石類碳(DLC)的低介電系數(shù)材料。最佳的電介質(zhì)材料是SiCOH，因為它呈現(xiàn)最低的介電常數(shù)。
在本發(fā)明處理的第四步驟中，在氫、氮或合成氣體的還原氣氛中在至少300℃溫度下退火處理雙層薄膜延續(xù)至少2小時。這個最后的退火處理去除有損于獲得好的附著性能的金屬蓋/電介質(zhì)界面的有機雜質(zhì)與可能有的其它易揮發(fā)的生成物。
通過本發(fā)明的各個化學步驟形成的最后結構表示在圖1中。圖1圖示說明一個本發(fā)明的第一最佳實施例中含有的雙鑲嵌互連結構10的放大剖視圖。圖中表示結構10有2個電介質(zhì)互連層20與30，它們包括通孔22、32與溝槽24、34。此結構建立在半導體襯底12上，該襯底12帶有一個在頂面16內(nèi)形成的有源器件14。第一電介質(zhì)層18沉積在襯底12上并被構圖成帶有一個通孔32的開口與一個溝槽34的開口。然后用襯墊即阻擋層36給通孔與溝槽加襯，填充金屬38，通過化學機械拋光方法得到溝槽34上被修平的頂面40。
在本發(fā)明新穎方法處理的下一個步驟中，沉積一個Co-W-P的無電沉積蓋層44，只選擇性沉積在溝槽34的上面。蓋層44防止金屬38擴散到電介質(zhì)層50并防止由于連續(xù)處理而污染溝道金屬34。金屬層44與一個供選的電介質(zhì)蓋層52一起用作在后接的處理期間或半導體器件運行期間把溝槽金屬同任何相互作用隔離的基本裝置。供選的蓋層52可用于進一步改善Co-W-P合金層40的阻擋性能，或用作集成增強層例如活性離子蝕刻(RIE)的阻止層。第二電介質(zhì)層50，如圖1所示，用于在RIE處理后形成通孔22與溝槽24的雙鑲嵌腔。在這種情況下，電介質(zhì)蓋層52用作RIE阻止層。當使用它時，在處理開始時蝕刻RIE阻止層以打通到第二層溝槽24，同時重復涂覆襯墊層36直至得到需要數(shù)目的互連層。
圖2是一個用于對在頂面形成的本發(fā)明雙層阻擋層進行附著試驗與擴散阻擋層性能試驗的銅試驗載體的放大剖視圖。可看到在硅襯底12的頂面上首先沉積一個阻擋層36，它包括一層約800厚的金屬襯墊層。然后在襯墊層36上濺射沉積一層約2000厚的銅導體38。無電沉積的金屬蓋層44可以是厚度在300與500之間的Co-W-P層或Co-Sn-P層。然后在上面沉積一層厚度為500的SiCOH低k電介質(zhì)層52。為加強SIMS信號，在SiCOH導52上面沉積一層金剛石類碳54。
圖3與圖4圖示在圖2中所示的結構上得到的SIMS/曲線圖。如圖3與圖4中所示，當只沉積一層300厚的無電沉積的Co-W-P或Co-Sn-P合金層與一個500厚的SiCOH層時，在進行會促進銅擴散穿過金屬層表面層進入SiCOH層的退火處理之后，銅完全保持在無電沉積的合金層44的后面與下面而不穿透層44進入電介質(zhì)層52。這些結果顯示本發(fā)明結構阻止銅的遷移與可能的銅被氧分子氧化的效應，氧分子至少在熱能的作用下可穿過SiCOH層。因此，所示結構是一個用作銅與氧原子熱遷移抑制器的有效系統(tǒng)。
圖5是一個說明關于在銅導體與SiN電介質(zhì)層之間(中間采用各種合金薄膜)的附著強度數(shù)據(jù)的表格。它顯示銅對氮化硅的附著作用與在氮化操作之前的銅表面的預處理強烈有關。最佳結果由使用Co-Sn-P內(nèi)層、Co-Sn-P內(nèi)層與高密度等離子體(HDP)沉積的氮化物獲得。圖5的表中指出的附著強度以MPa×m1/2單位表示。
圖6中表示銅上的帶有無電沉積蓋層的雙層蓋同SiCOH電介質(zhì)的附著作用的試驗結果。試驗了具有Si-SiO2/襯墊金屬/銅(2000)結構的6個試樣。這些試樣無電涂覆Co-W-P、Co-P或Co-Sn-P。接著在工具中試驗這些試樣，其中在蓋層表面上覆加500厚的SiCOH電介質(zhì)材料。有些試樣在無電沉積處理后與沉積SiCOH層后進行熱處理，而其它試樣只在沉積SiCOH層后進行熱處理。圖6中表示的結果顯示Co-W-P層產(chǎn)生最佳的附著強度值。
圖6中表示的試樣還通過SIMS分析試驗以檢查穿過Co-W-P薄膜的熱銅遷移。SIMS數(shù)據(jù)表明銅停留在蓋層后面而不向電介質(zhì)遷移，如同預測的情況。
圖6中表明試驗數(shù)據(jù)顯示通過使用Co-W-P內(nèi)層增強了SiCOH對銅的附著作用。發(fā)現(xiàn)了可通過使用一個在覆加電介質(zhì)后在還原氣氛中的預處理顯著地增強SiCOH電介質(zhì)層對銅的附著作用。通過使用Co-W-P蓋層與在沉積SiCOH后在合成氣體中在350℃下退火至少2小時可得到最佳結果。這些試樣表現(xiàn)出失效發(fā)生在正確的界面即SiCOH層對無電沉積層的界面處，而同當系統(tǒng)在附加SiCOH后不退火時失效發(fā)生在銅層下面的附著的經(jīng)退火的薄膜處的情況相反。
至此，本發(fā)明的新穎方法與由此方法形成的裝置在以上敘述與圖1至圖6的附圖中已得到充分說明。表明了在單獨使用低k電介質(zhì)材料例如SiCOH時出現(xiàn)的技術問題是由于SiCOH對銅不具有好的附著作用與SiCOH可稍微滲透氧的事實。于是這兩個因素聯(lián)合引起銅的氧化與在電介質(zhì)/銅界面處脫層從而導致可靠性發(fā)生問題。因此，本發(fā)明的新穎方法使用一個雙層阻擋層，例如Cu/Co-W-P/SiCOH與Cu/Co-Sn-P/SiCOH，使銅不穿過無電沉積的合金蓋層移動而保持在它的后面，即使在380℃下退火2小時之后。
雖然本發(fā)明已以說明性的方式作了描述，但應當了解敘述中使用的術語意在具有描述性質(zhì)而非限定性質(zhì)。
另外，雖然本發(fā)明已借助最佳實施例與替代實施例作了描述，但應當懂得本領域的技術人員將容易地把這些技術應用于本發(fā)明的其它可能的變化。
申請獨占權或特許權的本發(fā)明的具體體現(xiàn)確定于權利要求書中。
權利要求
1．一種在銅導體上形成雙層低介電阻擋層的方法，包括步驟提供一個帶有形成在絕緣體層內(nèi)的銅導體的經(jīng)預處理的襯底；在所述銅導體上面沉積一層含磷或含硼合金的薄膜；在第一熱處理中把所述經(jīng)預處理的襯底在還原氣氛中加熱至溫度為至少300℃延續(xù)時間長到足以使所述含磷或含硼合金擴散到所述銅導體頂面的至少3個原子層內(nèi)；在所述含磷或含硼合金薄膜上面沉積一層電介質(zhì)薄膜；與在第二熱處理中把所述經(jīng)預處理的襯底在還原氣氛中加熱至溫度為至少300℃延續(xù)至少1小時。
2．根據(jù)權利要求1的在銅導體上形成雙層低介電阻擋層的方法，其中所述第一熱處理在至少325℃溫度下進行至少1小時。
3．根據(jù)權利要求1的在銅導體上形成雙層低介電阻擋層的方法，其中所述第二熱處理在至少350℃溫度下進行至少2小時。
4．根據(jù)權利要求1的在銅導體上形成雙層低介電阻擋層的方法，其中順序地沉積金屬層與電介質(zhì)層而只在沉積電介質(zhì)層之后通過在還原氣氛中在400℃下加熱2小時進行一次最后的熱處理。
5．根據(jù)權利要求1的在銅導體上形成雙層低介電阻擋層的方法，其中所述含磷或含硼合金薄膜的所述沉積處理通過無電鍍技術進行。
6．根據(jù)權利要求1的在銅導體上形成雙層低介電阻擋層的方法，其中所述電介質(zhì)薄膜通過等離子體加強化學蒸發(fā)沉積技術沉積在所述含磷或含硼合金薄膜上。
7．根據(jù)權利要求1的在銅導體上形成雙層低介電阻擋層的方法，其中在所述第一與第二熱處理中使用的所述還原氣氛是指合成氣體、氮或氫。
8．根據(jù)權利要求1的在銅導體上形成雙層低介電阻擋層的方法還包括在沉積所述含磷或含硼合金薄膜的所述步驟之前在所述經(jīng)預處理的襯底上沉積一層鈀形核層的步驟。
9．根據(jù)權利要求1的在銅導體上形成雙層低介電阻擋層的方法，其中所述含磷或含硼合金薄膜是Me-X-P或Me-X-B，其中Me是所述合金薄膜的基本成份，而X是一種合金調(diào)節(jié)劑。
10．根據(jù)權利要求1的在銅導體上形成雙層低介電阻擋層的方法還包括使用硫酸中的稀硫酸鈀溶液通過選擇離子交換方法在所述銅導體上沉積一個鈀形核層的步驟。
11．根據(jù)權利要求9的在銅導體上形成雙層低介電阻擋層的方法，其中所述含磷或含硼合金薄膜還包括含量在約86wt％與約90wt％之間的Me，含量在約2wt％與約4wt％之間的X，與含量在約6wt％與約12wt％之間的P或B。
12．根據(jù)權利要求1的在銅導體上形成雙層低介電阻擋層的方法，其中所述沉積的電介質(zhì)薄膜具有不大于5的介電常數(shù)。
13．根據(jù)權利要求1的在銅導體上形成雙層低介電阻擋層的方法還包括沉積所述含磷或含硼合金薄膜至厚度為約50與約300之間的步驟。
14．根據(jù)權利要求1的在銅導體上形成雙層低介電阻擋層的方法還包括沉積所述含磷或含硼合金薄膜至厚度為約50與300之間，且最好為約100與約200之間的步驟。
15．根據(jù)權利要求1的在銅導體上形成雙層低介電阻擋層的方法還包括在含有硫酸鈷、鎢酸銨、檸檬酸鈉與硼酸的次磷酸鹽溶液中，在約70℃與約80℃之間的溫度下，在約8與約9之間的pH值下，通過無電沉積處理沉積所述含磷或含硼合金薄膜的步驟。
16．根據(jù)權利要求1的在銅導體上形成雙層低介電阻擋層的方法還包括在約350℃與約400℃之間的溫度下延續(xù)時間周期在約0.5小時與約2小時之間進行所述第一熱處理的步驟。
17．根據(jù)權利要求1的在銅導體上沉積雙層低介電阻擋層的方法還包括由從包括Si、C、O、N與H的組中選擇的一種材料沉積所述電介質(zhì)薄膜的步驟。
18．根據(jù)權利要求1的在銅導體上形成雙層低介電阻擋層的方法還包括沉積所述電介質(zhì)薄膜至厚度在約100與約500之間的步驟。
19．根據(jù)權利要求1的在銅導體上形成雙層低介電阻擋層的方法還包括沉積所述電介質(zhì)薄膜至厚度在約100與約500之間，且最好在約250與約350之間的步驟。
20．根據(jù)權利要求1的在銅導體上形成雙層低介電阻擋層的方法還包括在約350℃與約400℃之間的溫度下延續(xù)時間周期在約1小時與約5小時之間進行所述第二熱處理的步驟。
21．根據(jù)權利要求9的在銅導體上形成雙層低介電阻擋層的方法，其中所述Me是Co或Ni，所述X是W或Sn。
22．一種在半導體結構內(nèi)的導電體，包括位于一個絕緣體層內(nèi)的金屬導體；在所述金屬導體上的一層含磷或含硼合金薄膜；在所述含磷或含硼合金薄膜上的一層電介質(zhì)材料薄膜。
23．根據(jù)權利要求22的在半導體結構內(nèi)的導電體，其中所述含磷或含硼合金存在于所述金屬導體頂面內(nèi)至少2個原子層的下面。
24．根據(jù)權利要求22的在半導體結構內(nèi)的導電體，其中所述金屬導體包括銅。
25．根據(jù)權利要求22的在半導體結構內(nèi)的導電體，其中所述含磷或含硼合金是Me-P、Me-B、Me-X-P、Me-X-B的二元或三元合金，其中Me是Co或Ni，而X是Si、W或Sn。
26．根據(jù)權利要求22的在半導體結構內(nèi)的導電體，其中所述含磷或含硼合金是Me-P、Me-B、Me-X-P、Me-X-B的二元或三元合金，其中Me是Co或Ni，而X是Si、W或Sn，沉積至厚度在約10至1000之間。
27．根據(jù)權利要求22的在半導體結構內(nèi)的導電體，其中所述含磷或含硼合金是Me-P、Me-B、Me-X-P、Me-X-B的二元或三元合金，其中Me是Co或Ni，而X是Si、W或Sn，沉積至厚度最好在約50與約200之間。
28．根據(jù)權利要求22的在半導體結構內(nèi)的導電體，其中所述含磷或含硼合金是Me-P、Me-B、Me-X-P、Me-X-B的二元或三元合金，其中Me是Co或Ni，而X是Si、W或Sn，通過無電鍍技術沉積至厚度在約10與約1000之間。
29．根據(jù)權利要求22的在半導體結構內(nèi)的導電體，其中所述電介質(zhì)材料具有不大于5的介電常數(shù)。
30．根據(jù)權利要求22的在半導體結構內(nèi)的導電體，其中所述電介質(zhì)材料包含Si、C、O、N與H。
31．根據(jù)權利要求22的在半導體結構內(nèi)的導電體，其中所述電介質(zhì)材料從包括一種包含Si、C、O、N與H的材料與一種包含Si、C、H的材料的組中選擇并沉積至厚度在約10與約5000之間。
32．根據(jù)權利要求22的在半導體結構內(nèi)的導電體，其中所述電介質(zhì)材料包含Si、C、O、N與H，沉積至厚度在約100與約500之間。
33．根據(jù)權利要求22的在半導體結構內(nèi)的導電體，其中所述半導體結構形成在從包括硅、硅鍺、絕緣硅片與砷化鎵的組中選擇的一種襯底上。
全文摘要
公開一種在銅導體上形成雙層低介電阻擋層的方法與形成的裝置。首先提供帶有形成在絕緣體層內(nèi)的銅導體的經(jīng)預處理的襯底。然后沉積一層含磷或含硼薄膜。在第一退火處理中此結構在還原氣氛中加熱,延續(xù)時間足以使含磷或含硼合金擴散到銅導體頂面的2－4個原子層內(nèi)。然后在上面沉積一層低介電薄膜。在第二熱處理中把此結構在還原氣氛中加熱至至少1小時。還公開一種在半導體結構內(nèi)的導電體,其雙層阻擋層表現(xiàn)出對銅導體優(yōu)良的阻擋與附著性能。
文檔編號C22F1/10GK1310471SQ0110467
公開日2001年8月29日 申請日期2001年2月21日 優(yōu)先權日2000年2月22日
發(fā)明者朱迪思·M·魯賓諾, 克里斯托弗·揚尼斯, 埃里克·G·利尼格, 詹姆斯·G·瑞安, 卡洛斯·J·桑布塞蒂, 弗蘭克·卡登, 桑佩斯·普魯肖薩曼, 約翰·A·費斯曼斯, 斯蒂芬·M·蓋茨 申請人:國際商業(yè)機器公司