專利名稱：與半導體上絕緣通孔中的銅金屬化層接觸的方法和結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及與半導體元件上的銅布線的接觸。特別涉及提供銅布線與下一層金屬化層之間的緊密接觸，同時能夠避免對絕緣體的銅污染的方法。更具體涉及從集成電路芯片上的銅接觸表面去掉氧化銅的工藝。
銅布線具有比集成電路上的常規(guī)鋁布線顯著低的電阻率，并且有希望得到相當高速的芯片。芯片上的布線是由被絕緣層隔開的金屬圖形層制造的，所說的絕緣層具有選擇地允許金屬層間連接的窗口或通孔。開出這些通孔后，銅便暴露于空氣中，此時容易在銅上形成氧化銅。這種氧化銅是產(chǎn)生電阻的根源，或甚至妨礙與下一層金屬的電接觸，因此必須在淀積下一層金屬前將之去掉。
在金屬淀積前采用例如氫氟酸等濕法腐蝕劑去掉氧化銅是很有效的。但在HF酸處理和隨后的金屬淀積之間氧化銅會快速再生長于銅表面上。
在然后用于淀積下一層金屬的同一真空處理室中，采用氬濺射腐蝕清潔具有鋁金屬化層的半導體芯片上的通孔，對于氧化鋁的去除是有效的。這種技術(shù)也可以用于去除氧化銅。因為在氧化物去除步驟和淀積步驟之間避免了暴露于氧化環(huán)境，消除了再氧化問題。但本發(fā)明人認識到對于銅來說氬濺射會產(chǎn)生對于鋁來說不是問題的問題，如下所述。
所以，需要一種更好的解決方法，以便在金屬化層間提供無氧化物界面，同時保護通孔側(cè)壁上沒有飛濺的銅，并且不增加處理步驟，以下的本發(fā)明可以提供這樣的方法。
因此，本發(fā)明的目的是提供另一種去除通孔中的氧化物的氬濺射清潔方法，該方法適用于銅金屬化晶片。
本發(fā)明另一目的是提供一種去除半導體芯片上絕緣層的通孔中的氧化銅且不會將銅飛濺到通孔側(cè)壁上的工藝。
本發(fā)明的優(yōu)點在于，可以去除氧化銅并且不增加處理步驟，以在氧化物去除前保護銅或通孔側(cè)壁。
利用處理具有銅金屬化層的半導體晶片的方法可以實現(xiàn)本發(fā)明的這些和其它目的、特征及優(yōu)點，所說方法包括以下步驟提供具有已構(gòu)圖的銅層和所說銅層上的絕緣層的晶片；在所說絕緣層中提供通孔，其中可能在暴露于所說通孔的銅上已形成了氧化銅；將所說晶片置于處理室中；在所說處理室中提供還原環(huán)境，以將所說氧化銅還原為元素銅；在不將晶片暴露于氧化環(huán)境的條件下，在所說通孔中淀積導體。
另外，本發(fā)明包括一種半導體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括已構(gòu)圖的銅層；所說銅層上的絕緣層；所說絕緣層中通到所說銅層的通孔，所說通孔包括由所說絕緣層構(gòu)成的側(cè)壁；覆蓋所說通孔中的所說銅層的元素銅表面的導電襯里，所說導電襯里還覆蓋在所說側(cè)壁上，其中所說襯里提供了對銅擴散的阻擋，沒有銅直接與所說側(cè)壁接觸。


圖1a是濺射腐蝕以清潔銅金屬表面上的氧化銅后具有銅金屬布線的晶片上的通孔的剖面圖，展示了本發(fā)明人認識到的銅飛濺問題。
圖1b是US專利申請08/858139中提供的保護側(cè)壁上沒有飛濺的銅的方法的剖面圖。
圖2a-2f是展示本發(fā)明工藝步驟的剖面圖。
圖3a-3c是用于處理本發(fā)明晶片的處理室的剖面圖。
圖4是實現(xiàn)本發(fā)明的雙金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖5是實現(xiàn)本發(fā)明的傾斜壁通孔結(jié)構(gòu)的剖面圖。
本發(fā)明人認識到，濺射腐蝕會將銅飛濺到每個通孔的側(cè)壁上，污染通孔側(cè)壁，使其上具有不想要的銅，如圖1a所示。本發(fā)明人還認識到，飛濺到未加保護的側(cè)壁上的銅然后會通過絕緣層遷移，降低絕緣層的功效，或這些銅會遷移到硅層，導致柵氧化物漏電，降低了柵氧化層的可靠性，或?qū)е陆Y(jié)漏電。
普通轉(zhuǎn)讓給Geffken等人的US專利申請08/85813通過在通孔底部和沿通孔側(cè)壁6在氧化銅上提供阻擋材料5，保護這些側(cè)壁在氬濺射腐蝕中不被飛濺上銅，從而解決銅飛濺問題，如圖1b所示。阻擋材料5可以是鉭、氮化鉭、氮化鎢、氮化鎢硅、氮化鉭硅、氮化鈦硅或氮化硅等薄層。按這種工藝，開出通孔6后，淀積阻擋材料5。然后直接腐蝕阻擋材料5，從水平表面上去掉阻擋材料5。直接腐蝕既去掉了阻擋材料，也去掉了由此暴露出的氧化銅。還可以進行濺射腐蝕步驟，以開出到銅布線3的開口。在直接腐蝕或濺射腐蝕步驟期間，阻擋材料5可以有效地保護側(cè)壁6不與飛濺出的銅接觸。然而，該工藝包括附加的淀積和直接腐蝕步驟，提高了生產(chǎn)成本。
本發(fā)明通過省去氬濺射解決飛濺問題，本發(fā)明中，氧化銅被化學還原為原始的銅表面。然后，在不暴露于氧化氣氛的條件下，對通孔中有還原銅的晶片進行接下來的金屬淀積。還原銅的化學反應(yīng)沒有任何機械作用，而在氬濺射中，銅會沿絕緣側(cè)壁發(fā)生飛濺。所以，還原步驟中不需要提供側(cè)壁保護層的附加步驟。此外，由于避免了再氧化，不需要保護銅表面的附加處理步驟。
第一步，提供電子元件，例如具有銅層22和絕緣層24的半導體晶片20，如圖2a所示。絕緣層24由二氧化硅或聚合物構(gòu)成。二氧化硅利用如CVD或等離子增強CVD等方法淀積。絕緣層24還可以由可以旋涂或固化的材料構(gòu)成，例如旋涂玻璃或有機聚合物等。二氧化硅等絕緣體可以含有如磷或硼等摻雜劑。聚合物包括如聚酰亞胺和氫化silsequioxane等材料。
然后，利用標準光刻構(gòu)圖和如濕法腐蝕或等離子刻蝕等腐蝕工藝，在絕緣層24中形成具有側(cè)壁26’的通孔26，如圖2b所示。通孔26可以具有利用已知的單或雙金屬鑲嵌工藝的用于常規(guī)互連的錐形側(cè)壁，或用于栓塞互連的垂直側(cè)壁。不需要特別注意避免形成通孔26后暴露的銅表面的氧化。于是，易在銅布線層22上在銅暴露于通孔26的地方形成薄氧化銅層28。
下一步，將晶片20置于處理室30中，并提供還原環(huán)境32，以還原可能已形成于通孔26中的氧化銅28，如圖2c和3a所示。還原氧化銅28，形成元素銅表面22’。
在還原工藝中，利用如H2形成氣體(N2和H2)、NOx或CO等還原氣體化學還原氧化銅28。也可以用原子氫或氫離子。提供壓力為約10T-760T的純氫，在350℃下，用約1-10分鐘還原氧化銅，形成元素銅表面22’。已發(fā)現(xiàn)在至少500T的高壓下工作比低壓更好。用500T約4分鐘可得到很好的結(jié)果。蒸發(fā)和用泵抽掉還原反應(yīng)產(chǎn)物水。另外，可以用H2等離子體或帶有H2和如He或Ar等載體的等離子體，提供氫離子。
下一步，利用晶片輸送裝卸裝置37從處理室30中移出晶片20，并將之送到具有真空環(huán)境36的運送室34，如圖3b所示。然后將晶片20移送到具有真空環(huán)境42的處理室40，在不將元件暴露于氧化環(huán)境的條件下進行下一層導體的濺射淀積，如圖3c所示。為了實現(xiàn)這種傳送，首先對處理室30抽氣，并抽成真空。然后將晶片20移送到運送室34，然后送到真空室40，以在毫乇的壓力下淀積金屬。用于還原步驟的室30與用于金屬淀積步驟的室40相連，以便可以將晶片20從一個室移到另一個室，而不將它暴露于氧化環(huán)境。自然，也可以提供還原環(huán)境，并在同一室內(nèi)進行金屬淀積，并在這一個室中進行還原步驟和淀積步驟。在室40中，淀積與通孔26中的元素銅表面22’接觸的導體50，如圖2d-2e所示。如果導體50為另一銅布線層，則導體50至少由薄襯里52和銅54兩部分構(gòu)成。首先，淀積選擇用于粘附和防止銅擴散的薄襯里52，覆蓋元素銅表面22’，保護側(cè)壁不接觸銅54，在共同轉(zhuǎn)讓給Landers等人的US專利5676587和5695810中對此有更充分的描述，這里引入這些文獻作參考，如圖2d所示。薄襯里52的厚度一般不超過1000埃，包括彼此交替設(shè)置的鈦和氮化鈦薄膜，構(gòu)成Ti/TiN疊層、或鉭和氮化鉭薄膜，構(gòu)成Ta/TaN疊層，或Ta。這種襯里是利用已知為濺射淀積的物理汽相淀積法淀積的，或可用化學汽相淀積法淀積，以形成更保形的敷層。然后，在襯里52上淀積銅54，以填充通孔26，如圖2e所示。
本發(fā)明特別有益的是，銅層的構(gòu)圖利用嵌埋技術(shù)，淀積導體54，以填充絕緣層24和襯里52中的槽，然后，拋光晶片20，以將導體54和襯里52平面化到絕緣層24的表面24’。利用如圖4所示的雙金屬鑲嵌技術(shù)構(gòu)圖銅具有同樣的效果。除兩個栓塞60之外，該工藝按圖2a-2f的順序進行，在圖2c的還原步驟和圖2d的襯里淀積步驟之前，用兩步驟掩蔽和腐蝕步驟開出布線溝道62。
此外，本發(fā)明的優(yōu)點還在于，具有圖5所示的傾斜側(cè)壁26”的通孔26。由于直接腐蝕會從傾斜的側(cè)壁表面上去掉襯里5,52，所以這種情況下不可以采用08858139號專利申請的工藝。按本發(fā)明，不需要進行直接腐蝕步驟，襯里52繼續(xù)保留于水平、垂直和傾斜的表面上。淀積了銅54后，構(gòu)圖并腐蝕之，提供通過絕緣層24中的通孔26”與布線22接觸的銅布線70。
盡管這里具體描述和用附圖展示了本發(fā)明的幾個實施例及其改形，但應(yīng)理解，還可能存在不脫離本發(fā)明范圍的各種改形。以上的說明書并非意在將本發(fā)明的范圍限制為窄于所附權(quán)利要求書。所給出的實例只用于例示，而非排除。
權(quán)利要求
1．一種處理具有銅金屬化層的半導體晶片的方法，包括以下步驟a)提供具有已構(gòu)圖的銅層和所說銅層上的絕緣層的晶片；b)在所說絕緣層中提供通孔，其中在暴露于所說通孔中的銅上可能形成了氧化銅；c)將所說晶片置于處理室中；d)在所說處理室中提供還原環(huán)境，以將所說氧化銅還原為元素銅；及e)在不將晶片暴露于氧化環(huán)境的條件下，在所說通孔中淀積導體。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所說步驟(e)的所說導體包括薄襯里，所說襯里用于阻擋銅擴散。
3．如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，沿所說通孔的側(cè)壁淀積所說薄襯里。
4．如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所說薄襯里包括鉭、氮化鉭、鈦、氮化鈦、氮化鉭硅和氮化鎢中的一種。
5．如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所說薄襯里淀積于所說元素銅上。
6．如權(quán)利要求2所述的方法，還包括在所說薄襯里上淀積導體以填充所說通孔的步驟。
7．如權(quán)利要求6所述的方法，還包括拋光所說導體并停止于所說絕緣層的步驟。
8．如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所說導體包括銅。
9．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所說步驟(a)的所說絕緣層包括二氧化硅。
10．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所說步驟(a)的所說絕緣層包括聚合物。
11．如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所說聚合物包括聚酰亞胺。
12．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所說步驟(d)的所說還原環(huán)境包括氫。
13．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所說步驟(d)的所說還原環(huán)境包括氫離子。
14．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所說步驟(d)的所說還原環(huán)境包括一氧化碳。
15．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所說步驟(d)的所說還原環(huán)境包括NOx。
16．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所說淀積步驟(e)在所說步驟(c)的所說室中進行。
17．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所說淀積步驟(e)在第二處理室中進行。
18．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在從所說步驟(c)的所說室將所說晶片通過傳送室移到所說第二室后，進行所說淀積步驟(e)。
19．一種半導體結(jié)構(gòu)，包括已構(gòu)圖的銅層；所說銅層上的絕緣層；所說絕緣層中通到所說銅層的通孔，所說通孔包括由所說絕緣層構(gòu)成的側(cè)壁；覆蓋所說通孔中的所說銅層的元素銅表面的導電襯里，所說導電襯里還覆蓋在所說側(cè)壁上，其中所說襯里提供了對銅擴散的阻擋，沒有銅直接與所說側(cè)壁接觸。
20．如權(quán)利要求19所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所說薄襯里包括鉭、氮化鉭、鈦、氮化鈦、氮化鉭硅和氮化鎢中的一種。
21．如權(quán)利要求19所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括在所說襯里上用于填充所說通孔的導體。
22．如權(quán)利要求21所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所說導體與所說絕緣層是平整的。
23．如權(quán)利要求19所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所說絕緣層包括二氧化硅。
24．如權(quán)利要求19所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所說絕緣層包括聚合物。
25．如權(quán)利要求24所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所說聚合物包括聚酰亞胺。
26．如權(quán)利要求19所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所說通孔具有傾斜的側(cè)壁。
27．如權(quán)利要求19所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所說通孔具有垂直的側(cè)壁。
28．如權(quán)利要求27所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所說通孔既具有垂直的側(cè)壁又具有水平的側(cè)壁。
全文摘要
在半導體晶片上的通孔中形成元素銅的方法包括以下步驟提供具有已構(gòu)圖的銅層的晶片；在所說銅層上提供絕緣層；在所說絕緣層中開出通孔；將所說晶片置于還原環(huán)境中，將所說通孔中銅上的氧化銅還原成元素銅；然后，在不將晶片暴露于氧化環(huán)境的條件下，在所說通孔中淀積與所說元素銅接觸的襯里層。該方法消除了有關(guān)用傳統(tǒng)濺射方法清潔的通孔中有關(guān)飛濺銅的問題。選擇襯里，利用其粘附性和防止銅擴散的性質(zhì)。
文檔編號H01L21/283GK1227409SQ99101288
公開日1999年9月1日 申請日期1999年1月26日 優(yōu)先權(quán)日1998年2月27日
發(fā)明者E·C·庫尼三世, S·E·盧斯, R·D·戈德布拉特, W·J·科泰 申請人:國際商業(yè)機器公司