專(zhuān)利名稱(chēng)：直接在芯片上銅互連結(jié)構(gòu)的鉭合金層上沉積銅的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本開(kāi)涉及 一 種在芯片上銅互連結(jié)構(gòu)(on-chip copper interconnect structure)的鉭合金層上直接沉積銅的方法，該方法包括從中性或堿性電解 質(zhì)電沉積銅(Cu)到Ta合金層的表面上，其中Ta合金層沉積在芯片上Cu 互連結(jié)構(gòu)的襯底上，在沒(méi)有采用籽層的情況下Cu在Ta合金層的表面上成核 以形成Cu導(dǎo)體。在Ta合金上直接沉積Cu消除了為了形成Cu導(dǎo)體而沉積 Cu籽層的需要和缺點(diǎn)。
背景技術(shù)：
制造芯片上銅互連的現(xiàn)有技術(shù)依靠采用銅籽層(copper seed layer)作為 電鍍基底(plating base )用于隨后的銅電沉積反應(yīng)。銅籽層一般通過(guò)物理氣 相沉積(PVD)、真空沉積4支術(shù)來(lái)沉積。銅沖予層沉積在襯墊層(liner)上， 村墊層通常為亦通過(guò)PVD沉積的Ta/TaN (氮化鉭)雙層。TaN作為擴(kuò)散阻 擋，防止銅擴(kuò)散到電介質(zhì)中并破壞下面的硅器件，例如半導(dǎo)體邏輯和存儲(chǔ)器 件。
已發(fā)現(xiàn)PVD沉積的銅籽層對(duì)電沉積的Cu與襯底的良好粘合是必要的， 對(duì)隨后用電沉積的銅成功地填充特征也是必要的。用銅填充的特征通?？砂?括窄金屬線、通孔和大墊片(pad)。隨著未來(lái)技術(shù)的特征尺寸縮小，在特 征內(nèi)獲得PVDCu籽層的良好階梯覆蓋變得越來(lái)越難，特別是在側(cè)壁上。不 完整或非連續(xù)的籽層覆蓋(其可被稱(chēng)為鱗化(scaling))導(dǎo)致電鍍特征中沒(méi) 有籽層處的孔洞(void)和低的產(chǎn)率。結(jié)果，在深的、高縱4黃比的特征中不 能獲得良好的PVD Cu籽層覆蓋，使得不能用電沉積的Cu填充特征。
本公開(kāi)的方法通過(guò)利用Ta合金層代替單獨(dú)的Ta作為襯墊層克服了 PVD Cu籽層鱗化的難題。然而，TaN層可沉積且保留在Ta合金層下面作為擴(kuò)散 阻擋層。如果使用適當(dāng)?shù)碾婂兓瘜W(xué)品(例如中性或堿性的Cu電鍍電解質(zhì)， 諸如基于檸檬酸鹽(citrate)或焦磷酸鹽(pyrophosphate salt)的那些)，與 Ta合金的元素(其可包括Cu)允許直接沉積到Ta合金表面上。亦可使用使
4Cu成功成核到Ta合金表面上的其他合金元素，其可包括Pt族金屬和鐵族 金屬，當(dāng)它們與Ta形成合金時(shí)促進(jìn)Cu成核。可通過(guò)PVD或一些其他真空 沉積手段例如化學(xué)氣相沉積來(lái)沉積Ta合金層。
階段沉積(phase-in deposition )(故意沉積成分上呈梯度的合金膜，表 面富含Cu的TaCu合金是一個(gè)這樣的例子)能有利地用來(lái)獲得Cu層到Ta 合金表面的良好成核和二者之間的良好粘合。用中性或石成性Cu電解質(zhì)在Ta 合金上沉積初始Cu層之后，采用常規(guī)的酸性Cu電解質(zhì)，其具有實(shí)現(xiàn)良好 的特征填充所需的普通的有機(jī)添加劑。由于PVDCu籽層階梯被消除，所以 不完整或非連續(xù)的Cu籽層沉積的問(wèn)題被克服。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本公開(kāi)的一個(gè)方面在于通過(guò)在芯片上銅互連結(jié)構(gòu)的Ta合金層上 直接沉積銅來(lái)克服PVDCu籽層鱗化的難題。特別地，所述方法大體包括 從中性或堿性電解質(zhì)電沉積銅到鉭合金層的表面上， 其中鉭合金層沉積在芯片上銅互連結(jié)構(gòu)的襯底上，且 其中在沒(méi)有使用籽層的情況下銅成核到鉭合金層的表面上以形成銅導(dǎo)體。
本公開(kāi)的其他目的和優(yōu)點(diǎn)將從下面的詳細(xì)描述變得對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員 而言顯而易見(jiàn)，下面的詳細(xì)描述中4叉以示范優(yōu)選才莫式的方式在優(yōu)選實(shí)施例中 簡(jiǎn)單地示出和描述了本發(fā)明。如將要認(rèn)知的那樣，本公開(kāi)能夠包括其他且不 同的實(shí)施例，其若干細(xì)節(jié)能在各種明顯的方面進(jìn)行修改而不偏離本公開(kāi)的含


圖1示出在》威性銅電鍍電解質(zhì)中具有各種Cu含量的TaCu合金襯底的 極化行為的曲線圖。
圖2示出TaCu、 TaPt和TaNi合金襯底的極化行為的曲線圖。
圖3顯示在TaCu、TaPt和TaNi合金上電鍍的Cu的數(shù)張SEM顯微照片。
圖4顯示在Ta和具有各種Cu含量的TaCu合金上沉積的20nm Cu的形貌。
圖5和圖6顯示在具有各種Cu含量的TaCu合金上沉積的Cu的數(shù)個(gè)截面圖。
具體實(shí)施例方式
結(jié)合附圖參考下面的詳細(xì)描述能更好地理解/人而容易地獲得本公開(kāi)的 更完整的認(rèn)知和許多附帶優(yōu)點(diǎn)。
在本公開(kāi)的方法中，用于實(shí)現(xiàn)電沉積的Cu在Ta合金襯底上的高的核密 度的電解質(zhì)成分可包括但不限于例如基于種檬酸的銅鹽、乙二胺四乙酸 (ethylene diamine tetra-acetic acid， EDTA )的銅鹽、焦石岸@臾的4同鹽、或氰才艮 離子的銅鹽的電介質(zhì)。這種電解質(zhì)化學(xué)品一^:稱(chēng)為"打底"電解液("strike" bath)，因?yàn)楫?dāng)沉積在其他方式難以電鍍的襯底表面上時(shí)它們能夠具有高的成 核密度。
例如，以約1至約5mA/cn^的電流密度從含有O.IM硫酸銅、0.2M檸檬 酸鈉和0.3M硼酸的pH值在約9至約12范圍的室溫4科蒙酸電解液沉積銅可 用于該目的。替代地，也可以卩吏用以約10至約20mA/cm2的電流密度在50 。C從含有0.25M焦磷酸銅、l.OM焦磷酸鉀和0.4M磷酸鉀的pH值約8.5的 焦磷酸電解液發(fā)生的沉積。這樣的電解液的其他示例可在文獻(xiàn)中找到。
取決于特征幾何圖形和層的厚度分布均勻度，Ta合金層和/或擴(kuò)散阻擋 層的厚度可乂人約1至約50nm。通常，膜的額定厚度(nominal thickness )可 以用來(lái)保證全部特征中材料的良好覆蓋。
在Ta合金中的合金元素可包括但不限于Fe、 Ru、 Os、 Co、 Rh、 Ir、 Ni、 Pd、 Pt、 Cu、 Ag、 Au、以及它們的混合物。Ta合金優(yōu)選是TaCu、 TaPt或 TaNi之一。當(dāng)Ta合金是TaCu時(shí)，合金中的Cu量可以是40至45重量百分 比，如下文所述。
百分比范圍。通常，期望保持合金元素的含量盡可能低從而最大化Ta合金 的襯墊性能。同時(shí)，必須包括足夠量的合金元素以確保銅電沉積在合金表面 上。
參照本公開(kāi)的附圖，圖1顯示在各種TaCu合金襯底上從堿性檸檬酸鹽 電解質(zhì)進(jìn)行的銅沉積的極化行為。在含有40%和45% Cu的TaCu合金上的 更高沉積電流證實(shí)在這些襯底上比在更低Cu含量的TaCu合金和純Ta上更 容易地進(jìn)行沉積。圖2顯示由石威性檸檬酸鹽電解質(zhì)在分別具有40%Cu、 20% Pt和20% Ni (重量百分?jǐn)?shù))的Ta合金上的銅沉積的極化行為。沉積最容易在TaCu合金 上發(fā)生，其次是TaPt合金，然后是TaNi合金，如電流密度行為所示。
圖3顯示由檸檬酸鹽電解液在與圖2所示相同的合金上電沉積的5nm Cu的自頂向下掃描電子顯微鏡(SEM)照片。對(duì)于TaCu合金觀察到最高的 成核密度，其次為T(mén)aPt合金，然后為T(mén)aNi合金。這與圖2中觀察到的電流 密度趨勢(shì)一致。
圖4顯示通過(guò)原子力顯微鏡(AFM)觀察到的由檸檬酸鹽電解液在各種 TaCu合金上電沉積的20nm Cu的形貌。對(duì)于每種沉積示出均方4艮(root mean square)值。從表面光滑的角度來(lái)看，在促進(jìn)銅在合金表面上的均勻成核方 面，Ta中僅5°/。的Cu是有效的。
圖5顯示對(duì)于各種TaCu合金，在合金表面上的銅成核的數(shù)個(gè)自頂向下 SEM圖像。如通過(guò)圖4的AFM所觀察，僅5%的Cu提高了 TaCu表面上電 沉積的Cu的成核密度。
圖6顯示劈開(kāi)的合金襯底的數(shù)個(gè)SEM截面圖，示出了對(duì)于具有5%、 10%、 40%的Cu的TaCu合金和純銅在合金表面上電沉積的Cu膜。如在前 面兩幅圖中的情況，5% Cu的合金具有與在更高Cu含量的合金和Cu自身 中觀察到的相似的表面粗糙度和形貌。
顯然，根據(jù)上文的公開(kāi)，本公開(kāi)的許多修改和變化是可能的。因此可以 理解的是，在權(quán)利要求的范圍內(nèi)，本公開(kāi)能以與這里的具體描述不同的方式 被實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1. 一種直接在芯片上銅互連結(jié)構(gòu)的鉭合金層上沉積銅的方法，該方法包括由中性或堿性電解質(zhì)電沉積銅到鉭合金層的表面上，其中所述鉭合金層沉積在所述芯片上銅互連結(jié)構(gòu)的襯底上，且其中在沒(méi)有使用籽層的情況下銅成核到所述鉭合金層的表面上以形成銅導(dǎo)體。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述Ta合金層中的合金元素選自由 Fe、 Ru、 Os、 Co、 Rh、 Ir、 Ni、 Pd、 Pt、 Cu、 Ag、 Au、以及它們的混合物 構(gòu)成的組。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述Ta合金中合金元素的量在約0.1 至約50重量百分?jǐn)?shù)的范圍。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述鉭合金選自由TaCu、 TaPt和TaNi 構(gòu)成的組。
5. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述鉭合金是TaCu。
6. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述鉭合金是TaPt。
7. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述鉭合金是TaNi。
8. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電沉積的沉積電流在約1至約 5mA/cm2的范圍。
9. 如4又利要求1所述的方法，其中所述電沉積的沉積電流在約10至約 20mA/cm2的范圍。
10. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述鉭合金層中的銅含量在約40 至約45重量百分?jǐn)?shù)的范圍。
11. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述鉭合金層的厚度在約1至約 50nm的范圍。
12. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述電沉積在室溫下進(jìn)行。
13. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電沉積在50。C進(jìn)行。
14. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述銅由包括0.1M硫酸銅、0.2M 檸檬酸鈉和0.3M硼酸的檸檬酸鹽電解液沉積。
15. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述檸檬酸鹽電解液的pH值在約9至約12的范圍。
16. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述銅由包括0.25M焦磷酸銅、1.0M 焦磷酸鉀和0.4M磷酸鉀的焦磷酸鹽電解液沉積。
17. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述焦磷酸鹽電解液的pH值為約8.5。
18. 如一又利要求1所述的方法，其中所述Ta合金層通過(guò)物理氣相沉積法 沉積在所述襯底上。
19. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中TaN層沉積且保留在所述Ta合金 層下面作為擴(kuò)散阻擋層。
20. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述芯片上銅互連形成在硅器件上。
全文摘要
本發(fā)明提供一種直接在芯片上銅互連結(jié)構(gòu)的鉭合金層上沉積銅的方法，其包括由中性或堿性電解質(zhì)電沉積銅到鉭合金層的表面上，其中所述鉭合金層沉積在所述芯片上銅互連結(jié)構(gòu)的襯底上，且其中在沒(méi)有使用籽層的情況下銅成核到所述鉭合金層的表面上以形成銅導(dǎo)體。
文檔編號(hào)C25D7/12GK101442002SQ20081014929
公開(kāi)日2009年5月27日 申請(qǐng)日期2008年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月19日
發(fā)明者哈里克利亞·德利吉亞尼, 小西里爾·卡布拉爾, 布雷特·貝克-奧尼爾, 詹姆斯·J·凱利, 敏 鄭 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司