专利名称：用于增强铜和阻挡层之间粘结的自组装单层的制作方法
用于增强铜和阻挡层之间粘结的自组装单层
背景技术：
集成电3各使用导电互连(interconnects)以将半导体基片上 的单独器件连接到一起，或者连接到外部集成电if各。用于通孔(vias) 和沟槽(trenches)的互连金属可包4舌铝合金和铜。随着器件几4可尺 寸持续地降低至45-nm-节点技术以及亚-45-nm技术，需具有在高深 宽比几何特征下良好阶梯覆盖的连续的阻挡/种子层，以确保无空洞 (void free)的铜填充，这样的要求越来越成为挑战。在45-nm-节 点或亚-45nm技术中，形成特别薄以及4呆形(conformal)的阻挡层 的目的是降低阻挡层对通孔和线条电阻的影响。但是，铜对阻挡层 的不良粘结可导致在处理工艺或热应力过禾呈中阻挡层和铜之间的 脱层，这造成了电子迁移和应力诱发成孑L ( stress-induced voiding ) 的问题。如上所述，需要确保在铜互连内沉积薄的和保形的阻挡层、 以及铜层，使之具有良好的电子迁移性能以及减小铜互连的应力诱 发成孔的风险的方法和装置。
发明内容
概括地讲，该多个实施方式满足了确保在铜互连内沉积薄的 和保形的阻挡层、以及铜层，使之具有良好的电子迁移性能以及减小铜互连的应力诱发成孔的风险的需要。电子迁移和应力诱发成孔 受阻挡层和铜层之间粘结的影响。功能化层沉积在阻挡层上，以确 保铜层沉积于该铜互连内。该功能化层与阻挡层和铜形成强键，以 增强该两层之间的粘结属性。应当理解，本发明可以多种方式实施， 包4舌方案、方法、工艺、装置、或系统。以下描述了本发明的一些 创新'l"生的实施方式。在一个实施方式中，提供了 一种示例性的制备基片的基片表 面的方法，用于在铜互连的金属阻挡层上沉积功能化层，以帮助铜 互连内铜层的沉积，从而提高铜互连的电子迁移性能。该方法包括
沉积该金属阻挡层，以在该集成系统中内^H"该铜互连结构，并IU匕 该金属阻挡层的表面。该方法还包括在该金属阻挡层的该氧化表面 上沉积该功能化层，并在该功能化层在该金属阻挡层上^皮沉积后， 在该铜互连结构内沉积该铜层。在另一个实施方式中，提供了一种示例性的制备基片的基片 表面的方法，用于在铜互连的金属阻挡层上沉积功能化层，以帮助 铜互连内铜层的沉积，从而提高铜互连的电子迁移性能。该方法包 括沉积该金属阻挡层，以在该集成系统中内衬该铜互连结构。该方 法还包括在该金属阻挡层的该氧化表面上沉积该功能化层。该方法 进一步包括在该功能化层在该金属阻挡层上^皮沉积后，在该铜互连
结构内:;咒积该铜层。在另一个实施方式中，提供了一种集成系统，其用于处理受 控环境内的基片，以确保在铜互连的金属阻挡层上的功能化层的沉 积，以提高该铜互连的电子迁移性能。该集成系统包括实验室环境 转移室，其能够将该基片从连接到该实验室环境转移室的基片卡匣 转移到该集成系统内，以及真空转移室，其在气压低于l托的真空 下操作。该集成系统还包括真空处理模块，其用于沉积该金属阻挡 层，其中该用于沉积该金属阻挡层的真空处理4莫块连冲妄到该真空转
9移室，并在气压低于1托的真空下操作。该集成系统进一步包括受 控环境转移室，其填充有乂人惰性气体族中选取的惰性气体，以及 沉积处理才莫块，其用于在该金属阻挡层的表面上沉积该功能化层。尽管本发明以确〗呆Cu双大马士革(Dual-Damascene)互连 处理的表述进4于描述，但它也可应用于三维(或3D)封装或个人 电脑板(PCB)处理方案中所使用的贯通通孔(through-hole via )。
图，本发明的其他方面和优点将变得更加明显。
通过以下具体描述和附图，本发明将会容易地理解，并且相 似的参考标号指代相似的结构元件。图1A-1D显示了互连处理工艺的不同阶l殳的只又大马士革互 连结构的横截面。图2A-2C显示了互连处理工艺的不同阶段的金属线结构的
横截面。图3A-3C显示了整合功能化层的互连处理工艺的不同阶段 的金属线结构的横截面。图3D显示了在带有氧化钽表面的功能化层的一个末端和 带有铜的功能化层的另 一个末端之间的4建的示意图。图3E显示了互连结构的沉积层的横截面。图3F显示了在氧化金属阻挡层表面上，以角度ot沉积的功能 化层的络合基团。[15]图4显示了在互连结构的开口内沉积的非保形阻挡层的横截面。图5A-5E显示了在整合功能化层的互连处理工艺的不同阶 l殳互连结构的横截面。图6A显示了整合功能化层的互连处理工艺的示例性工艺
流程图。图6B显示了用于使用图6A中的工艺流程处理基片的示例
性集成系统。
具体实施例方式提供了用于改进的金属集成技术的数个实施方式，该技术 添加了粘结〗足进层，以增强界面粘结。应当理解，本发明可以多种 方式实现，包括工艺、方法、装置、或系统。以下描述了本发明的 凄丈个实施方式。明显地，对于本领域的4支术人员，本发明可在不具 有下述所有或一些特征细节的情况下而被实施。图1A显示了通过使用双大马士革处理步骤而被图案化之 后的一个或多个互连结构的示例性一黄截面。该互连结构位于基片50 上，并具有介电层IOO,介电层100先经加工以在其内形成金属线101 。该金属线典型地通过在介电层100内蚀刻入沟槽并且然后利用导 电材料(例如铜)填充该沟槽而形成。在沟槽中，具有阻挡层120，用于防止铜材料122扩散入介 电层IOO。阻挡层120可由物理气相沉积(PVD)氮4匕钽(TaN)、 PVD 钽(Ta)、原子层沉积(ALD) TaN或这些膜的组合而制成。也可使 用其他的阻挡层材料。阻挡层102沉积在该平面化的铜材料122上，以在通孔114穿过下层介电材料104、 106蚀刻至阻挡层102时，防止 铜材料122过早氧化。阻挡层102还配置为用作选择蚀刻停止层。示 例性的阻挡层102材料包括氮化硅(Si3N4)、碳-氮化硅(SiCN)、或 碳化硅(SiC )。通孔介电层104沉积在阻挡层102上。该通孔介电层104可由 有机硅玻璃(OSG,碳掺杂氧化硅)或其他类型的介电材料制成， 优选地具有低介电常It的介电材料。示例性的二氧化硅可包括 PECVD非摻杂的TEOS二氧化硅，PECVD氟化硅玻璃(FSG)、 HDP FSG、 OSG、多孔OSG等。还可以使用的商业可购的介电材料包括 California, Santa Clara的Applied Materials生产的Black Diamond(I) 以及Black Diamond(II); San Jose的Novellus Systems生产的Coral; Arizona, Phoenix的ASM America Inc.生产的Aurora。 在"i亥通孑L介电 层104上的是沟槽介电层106。该沟槽介电层106可以是低k介电材料 ,例如碳掺杂氧化物(C-氧化物)。该低k介电材料的介电常数可以 为大约3.0或更低。在一个实施方式中，通孔和沟槽介电层均由相同 的材并+制成，并在同一时间沉积，以形成连续的月莫。当沟冲曹层106 沉积后，载有该结构的基片50通过现有4支术进行图案化和蚀刻处理 ,以形成通孑U14和沟槽116。图1B显示了当通孔114和沟槽116形成后，沉积阻挡层130 和，以内衬并填充该通孔114和沟槽116。阻挡层130可由氮化钽( TaN)、钽(Ta)、钌(Ru)或这些材料的组合制成。虽然这些是通 常考虑的材料，但也可以使用其他的阻挡层材料。阻挡层材料可以 是其他的难熔金属化合物，包括但不限于钛(Ti)、鴒(Wu)、锆( Zr)、铪(Hf)、钼(Mo)、铌(Nb)、钒(V)、钌(Ru)、铱(Ir) 、鉑(Pt)和铬(Cr)等。然后沉积铜膜132,以填充通孑U14和沟槽116，如图1C所示 。在一个实施方式中，该铜膜132包括位于底部的薄的铜种子层131
12。在另一个实施方式中，该薄的铜种子层的厚度在大约5埃到大约 300埃之间。阻挡层，例如Ta、 TaN、或Ru，如果长时间暴露于空气， 可形成金属氧化物，例如，TaxOy(氧化钽)、TaOxNy(氮氧化钽) 或Ru02(氧化钌)。当阻挡层金属，例如Ta、 TaN、或Ru,暴露于 7K溶液时，也会形成金属氧化物，例如TaxOy、 TaOxNy、或Ru02。 在基片上的金属层的无电沉积高度依赖于该基片的表面特性和组 力\。
4^丄a、 丄a丄、、5a!ivu^叫_i~7u t^/夂^i口j,M 一j # ^w夂疋》王、n11 w31承W 种子层形成，以及对于光刻所限定图案内Cu线的选择沉积，都是重
要的。 一个值得注意的问题是通过原子上薄的原生金属氧化层(当
存有氧(o2)或水〉容液时形成)只于该无电沉积处理的抑制。另外，铜膜不能像它粘结到纯阻挡金属或富阻挡层( barrier-layer-rich )的月莫(例如Ta、 Ru或富含Ta的TaN膜)那才羊，良 好地粘结到阻挡氧化层，例如氧化钽，氮氧化钽、或氧化钌。Ta和 /或TaN阻挡层仅用作示例。该描述和概念适用于其他类型的阻挡层 金属，例如Ta或覆盖有Ru薄层的TaN。如上所述，不良的粘结可能 负面地影响EM性能和应力诱发成孔。出于这些原因，期望4吏用该 集成的系统以制备该阻挡层/铜界面，以确保阻挡层和铜之间的良好 粘结以及确保阻挡层/铜堆栈的低阻抗。图1B显示了阻挡层130是通过ALD或PVD沉积的单层。备选 地，可通过ALD处理工艺以沉积第一阻挡层130p例如TaN,然后 通过PVD沉积第二阻挡层130n，例如Ta，从而沉积阻挡层130,如 图1D所示。除了^又大马士革结构之外，铜互连还可应用于4妄触部之上 的金属线(或M1线)。图2A显示了由介电蚀刻图案化以及去除光刻 胶后的金属线结构的示例性横截面。该金属线结构位于基片200上,并具有石圭层IIO,该石圭层110在先已^皮加工以形成4册才及结构105， 其内具有栅极氧化物121、空隙107以及接触部125。接触部125典型 地通过将接触孔蚀刻入氧化物103并且然后利用导电材料(例如鴒 )填充该接触孔而制成。该导电材料124的表面124a应当非常洁净 。备选的材料可包括铜、铝或其他导电材料。该阻挡层102还可配 置为作为选择沟槽蚀刻停止层。阻挡层102可由氮化硅(Si3N4)、碳 -氮化硅(SiCN)、或碳化硅(SiC)等材料制成。金属线介电层106沉积在阻挡层102上。可用于沉积106的介 电材料已如上进行了描述。在介电层106沉积后，图案化以及蚀刻 基片，以产生金属沟槽116。图2B显示了在金属沟槽116形成后，金 属阻挡层130沉积到线金属沟槽116。图2C显示了在沉积阻挡层130 之后，在阻挡层130上沉积铜层132。类4以于双大马士革互连结构， 阻挡层130可由例如氮化钽(TaN)、钽(Ta)、钌(Ru )或这些膜的 组合形成。然后沉积铜力莫132，以」真充金属沟槽116。如上所述，对于双大马士革结构，阻挡层，例如Ta、 TaN 或Ru，如果长时间暴露于空气或水溶液，可形成TaxOy (氧化钽)、 TaOxNy (氮氧化4巨)、或Ru02 (氧化钌)，其影响铜和阻挡层之间的 粘结质量。在一个实施方式中，化学4妄4支(chemical-grafting)化合 物可有选择地键合到氧化的阻挡层金属表面，以在该氧化阻挡层金 属表面上形成该化学物的自組装单层(SAM)。该化学接枝化学物 具有两个末端。 一个末端键合到该氧化的阻挡层金属表面，并且另 一个末端与铜形成键。该化学接枝化合物的单层，通过在一个末端 与氧化的阻挡层以及在另 一个末端与铜之间的强键，容许铜牢固地 粘结到铜互连结构。铜对互连结构的良好粘结增强了EM性能并减 少了应力i秀发成孑L。该电才妄枝(electro-grafting)或化学4妄冲支化合物是一种络合 基团，并在该氧化的阻挡金属表面上形成单层，功能化将在单层上沉积比如铜的材并牛层的该基片表面，并具有在单层和该沉积层材科-
之间的强4建。因此，该单层也可#:称作功能化层。此后，用语"自 组装单层"和"功能化层"可交换使用。该络合基团的一个末端与氧化 的阻挡层表面形成共价键，并且另一个末端包括一个功能基团，其
可直接与Cu相成键，或者被修饰为可与铜成键的催化部位。使用Ta 作为用于铜互连的阻挡金属的范例，该功能化层的络合基团的 一个 末端与Ta"y形成强键，并且另一个末端与铜形成强键。对于由化学 "I妻枝形成的SAM，在一个实施方式中，该化学4妾4支分子,人溶液(湿 式处理)被物理吸着或化学吸着吸收到固体基片，以与该表面成4建 ,并形成有序的分子功能化层，其为自组装单层。备选地，该化学 接枝化合物还可作为蒸汽(干式处理)应用到该基片表面。图3A显示了带有阻挡层金属氧化物薄层302的阻挡层301 ， 该薄层302具有表面303。图3B显示了表面303沉积有化学接枝络合 基团320的功能化层304。该络合基团320具有两个末端，A末端和B 末端。A末端与阻挡层金属氧化物302形成共^H建。络合基团320应 当具有的A末端会与阻挡层金属氧化物表面形成共价键，该金属氧 化物表面可由例如TaxOy (氧化钽)、TaOxNy (氮氧化钽)、或Ru02 (氧化钌)的材料形成。例如，烷基磷酸盐的磷酸盐(P04-)可与 TaxOy (例如丁3205 )成4建。用于4建合到TaxOy、 TaOxNy、或Ru02的其 他基团(包括基和离子)包括硅(-Si-)、硅烷(Si(OR)3 )、其中R二H 和/或CJIy，以及酸或醋酸盐(-O-CO-R)。络合基团320的B末端与铜种子层305的铜形成共价键，如图 3C所示。络合基团320的B末端可以由能够与铜形成共价键的化合物 组成。络合基团320的B末端本质上可以是金属的或有机金属的，或 具有导电属性(例如导电聚合物)，以确保铜在阻挡层表面直4妄的 无电沉积，在该表面上已沉积功能化层。可与铜形成金属4定的化合 物的示例包4舌Ru-p比p定，Pd-胺(4巴-胺)、Pd-吡"定、Cu-p比。定、Cu-胺、和Ru-胺、S-Au。此处与金属键合的醋酸盐还可包括二元、三元、
四元、和五元的醋酸盐基团。Ru或Pd或Au或Cu金属(催化剂)与 功能基团(在该l青况下，例如，p比，定、胺、石危醇、腈、酸或醋酸盐 )之间的4建，是半共1"介(semi-covalent)或纟会体(donor) 4建。催化 剂金属和Cu种子层之间的键是金属键。络合基团具有通式P04-R，-R ,其中P04-是与TaxOy成键的A末端，而R是与铜成键的B末端。图3D显示了在A末端具有磷酸盐(P04-)以及在B末端具有 4巴-胺(Pd-胺)的络合基团。磷酸盐键合到TaxOy表面，而铜键合到 Pd。图3E显示了互连堆栈310的一黄截面。在阻挡层301的表面上 生长有薄的阻挡金属氧化物层302。在薄的阻挡金属氧化物层302上 沉积功能化单层304。功能化单层牢固地一建合到该薄的阻挡金属氧 化物层302。该功能化层304络合基团的一个末端与阻挡层金属氧化 物相4定合。在功能4匕层304上，；冗积、4同层305。在一个实施方式中， 铜层305包括铜种子层306。铜种子层305内的铜键合到功能层304络 合基团的另一末端。因为功能化层与阻挡层表面(为阻挡层金属氧 化物)之间的键，以及功能化层与铜之间的键是共价键，所以铜通 过功能化层304和阻挡金属氧化物层302牢固地连接到阻挡层301。 该互连堆栈3 IO可在图IA中通孔U 4或金属沟冲曹116内部。图3B和图3C中显示的功能化单层304的络合基团显示为线 性并垂直地i殳置于该基片表面。但是，络合基团可非垂直地设置于 该基片表面。图3F显示了相对于基片表面以小于90。的角度a设置的 络合基团320，的示例。当络合基团320，以角度a连接到该基片表面时 ,功能化单层的厚度小于络合基团垂直连接到基片表面时的厚度。
T=L*sine[e])。
16[37]对于45nm冲支术节点或亚45nn^支术节点，例如22nm节点，为 应用功能化层以增强阻挡层和铜层之间的粘结，阻挡层301以及与 其相伴的阻挡层金属氧化物层302的厚度应当尽可能薄。图4显示了 互连结构401,其可以是通孔或金属沟槽。阻挡层403沉积在开口405
内。4口果阻挡层;冗积处理工艺为物理气相:;冗积(PVD)，在该结构 401顶部表面上的阻挡层膜的厚度IV是在该结构下部角(或底部角
)处阻挡层厚度Ttx的至少10倍。PVD处理工艺通常具有不佳的阶 梯覆盖，并且在顶部角Btc和Btc的阻挡层膜在从底部填充阻挡层之 前可能会相4妄触，这会在互连结构401内产生锁眼(key hole )。互
平化后的低压、高温处理过程中的腐蚀或爆炸沸腾(explosive vaporization ),或者该锁眼可在金属CMP过程中打开并引入污染物 ,从而降低产量；因此应当避免形成锁眼。因此，阻挡层的厚度应 当保持尽量薄，并且阻挡膜应当尽可能保形。在阻挡层和铜层之间 使用功能化单层减小了可用于沉积铜层的开口的尺寸。因此，功能 化单层应当保持为尽可能薄。在一个实施方式中，功能化层的厚度 在大约10埃到大约30埃之间。另外，功能化层不应明显增加整体的 金属线阻抗或通孔阻抗。在用于3D封装应用的贯通通孔处理的情况 下，单层的存在可负面的影响通孔内金属的阻抗，但毫不影响通孔 阻抗。图5A显示了被介电层501环绕的互连金属沟槽结构(金属l )的开口510。图5B显示了沉积阻挡层502,以内衬金属沟槽开口510 。金属结构的底部是接触部，其类似于图2A-2C显示的接触部125 。可通过ALD、 PVD或其他适合处理工艺沉积阻挡层。该阻挡层的 厚度在大约5埃至大约300埃之间。图5C显示了在阻挡层502上沉积 化学接枝络合化合物的功能化单层503。在沉积功能化单层503后， 在功能化单层503上沉积铜种子层504，如图5D所示。沉积铜种子层 504之后，沉积铜间隙填充层505,如图5E所示。[39]图6A显示了制备阻挡(或衬垫)层表面以用于无电铜沉积 的工艺流畔呈的一个实施方式。在步-骤601,清洁图2A中4妄触部125 的顶部表面125a,以去除固有金属氧4匕物。可通过Ar溅射处J里、佳_ 用含氟气体(例如NF3、 CF4或其组合)的等离子处理、湿式化学蚀 刻处理、或还原处理(例如，^使用含氢等离子)去除金属氧化物。 可利用湿式化学去除处理工艺，在1个步骤或2个步骤的湿式化学处 理序列中去除金属氧化物。该湿式化学去除处理工艺可4吏用有4几酸 ，例力口由日本的Kanto Chemical Co. ， Inc j是供的DeerClean，或者半 水〉容〉容剂，例如由Delaware， Wilmington的DuPont提供的ESC 5800 ,有枳"减例如四曱基氢氧化铵(TMAH)，络合胺例如乙二胺、二 亚乙基三胺，或者合适的4匕学制剂，例如由Connecticut, West Haven 的Enthone， Inc.才是供的ELD clean和Cap clean 61 。另夕卜，金属氧4匕物 ,尤其是铜氧化物，可利用弱有机酸去除，例如柠檬酸，或其他可 使用的有机或无机酸。另外，还可使用非常稀释(例如<0.1%)的 含过氧化物的酸，例如石克-过氧化物混合物。在步骤603，在ALD或 PVD系统内沉积阻挡层。如上所述，为了功能化层适当地沉积在阻挡层表面上，阻 挡层表面应当由阻挡层氧化物覆盖。在步-骤605,该阻挡层由氧化 环境处理，例如含氧等离子、可控热氧处理、或带有过氧化物或其 他氧化化学物的湿式化学处理，以产生阻挡层金属氧化物层，其确 保后续的功能化层沉积步骤。取决于表面的组成，氧化处理是可选的。其后，在步骤606 ,利用化学接枝络合化合物的SAM沉积该基片表面。在一个实施方 式中，化学接4支络合化合物混合入溶液中，因此该沉积处理为湿式 处理工艺。在沉积步艰《606之后，可能需要可选的清洁步骤607。其后，在步艰《608,在阻挡层表面上沉积保形的铜种子，然 后是厚铜块填充(或间隙填充)处理609。该保形的铜种子层可利用无电处理工艺沉积。该厚块填充(也称为间隙:t真充)可通过ECP 处理工艺沉积。备选地，该厚块填充(也称为间隙填充)可通过在 用于保形铜种子的相同无电系统中的无电处理工艺进行沉积，但使 用不同的化学制剂。可选地，如果含硫醇的配体用作"B"末端基团 ,可沉积金纳米孩i粒，以形成用于后续铜沉积步骤的催化部位。当在步骤608基片利用保形的铜种子沉积后，以及在步骤 609由无电或电镀处理工艺填充厚Cu块后，接下来的步骤610是可选 的基片清洁步骤，以清洁来自之前的沉积的任何剩余污染物。图6B显示了集成系统650的示例性示意图的一个实施方式， 其确〗呆铜互连处理，以产生具有良好电子迁移以及具有减小的应力 诱发成孔的铜互连。该集成系统650可用于通过图6A流程600整个处 理步骤进行处理基片。集成系统650具有3个基片转移模块660、 670、和680。转移 模块660、 670、和680配备有自动控制装置，以将基片655从一个处 理区域转移到另一个处理区域。该处理区域可以是基片卡匣、反应 器、或加载锁定室。基片转移模块660在实验室环境下进行操作。 模块660与基片加载器(或基片卡匣)661相交接，以将基片655移 入集成系统或将该基片返回至卡匣661中的一个。如上图6A中工艺流程600所述，将基片655移入集成系统 650，以沉积阻挡层，以制备用于铜层沉积的阻挡层表面。如工艺 流程600步骤601所述，蚀刻接触部125的顶部接触表面125a，以去 除固有的金属氧化物。 一旦金属氧化物被去除，图2A中暴露的金属 表面125a需要一皮保护，以防止暴露《会氧。因为系统650为集成系统 ,因此基片被立即从一个处理台转移到下一个处理台，这限制了干 净的金属表面125a暴露给低水平氧的持续时间。[47]如果该去除处理为Ar溅射处理，Ar賊射反应器671连^^到真 空转移才莫块670。如果选l奪湿式化学蚀刻处理，该反应器应当连4妻 到可控环境转移才莫块680，而不是实-睑室环境转移才莫块660，以限制 干净鴒表面暴露给氧。对于集成到具有可控处理和输送环境的系统 内的湿式处理而言，该反应器需要整合有沖洗/干燥器，以确^呆干进 /干出(dry-in/dry-out)处理能力。另外，该系统需要^真充有惰性气 体，以确保基片最少地暴露给氧。然后，该基片沉积以阻挡层。图2B中的阻挡层130可通过 PVD或ALD处理工艺进4亍沉积。在一个实施方式中，该阻挡层130 通过ALD处理工艺沉积，它是一种干式工艺并且在小于14乇下才喿作 。ALD反应器672连接到真空转移才莫块670。基片可进行可选的表面 氧化处理，以确保阻挡层表面对于功能化层沉积是富-金属氧化物的 。氧化反应器674可连接到真空转移模块670。在该阶段，基片准备 好化学4妄枝络合化合物功能化单层的沉积。如上所述，在一个实施 方式中，该处理是湿式处理，并且可在化学接枝络合化合物沉积室 683中进行沉积，该室683连接到可控环境转移才莫块680。在一个实 施方式中，室683集成有清洁才莫块(图未示)，以在功能4b单层沉积 后清洁基片655。在另一个实施方式中，在连接到真空转移模块670 的干式处理反应器676中进行功能化单层的沉积。该反应器在1托以 下进行才喿作。在一个实施方式中，基片655进行可选的基片清洁步 骤607,如工艺流程600所述。该基片清洁处理可以是毛刷清洁处理 ，其反应器685可与可控环境转移才莫块680相集成。在基片表面清洁 后，基片655准备好铜种子层沉积，如流程600的步骤608所述。在 一个实施方式中，该铜种子层;兄积由无电处理工艺进4亍。该无电铜 4度可在无电铜镀反应器681中进^f亍，以沉积^呆形的铜种子层，如图 6A中步骤608所述。如上所述，图6A步骤609的间隙填充铜层的沉 积可在同样的无电镀反应器681中(但具有不同化学制剂)沉积， 或者在单独的ECP反应器681 ，中沉积。[49]在基片离开集成系统650之前，基片可可选地进行表面清洁 处理，其可清洁4卓来自于之前铜镀处理的剩余物。基片清洁处理可 以是毛刷清洁处理，其反应器663可与实-验室环境转移才莫块660相集成。图6B中，所有连"t妄到可控环境转移才莫块680的湿式处理系统 需要符合干进/干出的需要，以容许系统集成。另外，该系统填充有 一种或多种惰性气体，以确保基片最小化地暴露给氧。图6A中描述的工艺流程600和图6B中描述的系统650可用 于沉积用于大马士革结构的阻挡层和铜，如图1A-1D所示。对于双 大马士革结构，流程600的步骤601利用清洁金属线的顶部表面代替 ，如图lA中表面122a所示。
解，对于本领域的技术人员，通过阅读以上说明以及学习附图，可 实现多种替换、附加、置换和等同方式。因此，本发明意在包括所 有落入本发明主旨和范围内的替换、附加、置换和等同方式。在权 利要求中，除非特别声明，元件和/或步骤不意味着操作的任何特定顺序。
权利要求
1. 一种在集成系统中准备基片的基片表面，用于在铜互连的金属阻挡层上沉积功能化层，以助于在该铜互连内铜层的沉积，从而提高该铜互连的电子迁移性能的方法，该方法包括沉积该金属阻挡层，以在该集成系统中内衬该铜互连结构；氧化该金属阻挡层的表面；在该金属阻挡层的该氧化表面上沉积该功能化层；以及在该功能化层在该金属阻挡层上被沉积后，在该铜互连结构内沉积该铜层。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中该金属阻挡层的材料从由氮 化钽(TaN )、钽(Ta )、钌(Ru )、钛(Ti )、鴒(Wu )、锆(Zr )、 铪(Hf)、钼(Mo)、铌(Nb)、钒(V)、钌(Ru)和铬(Cr) 以及这些材冲+的组合所组成的组中选耳又。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中该用于功能化层的材料包括 具有至少两个末端的络合基团，该络合基团的一个末端与该金 属阻挡层的该氧化表面形成4建，并且该络合基团的另 一个末端 与铜形成键。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中与该金属阻挡层的氧化表面 形成键的该络合基团的末端从由磷酸盐(P04-)、硅、硅烷(Si(OR)3)、和酸或醋酸盐(-O-CO-R)所组成的组中选耳又， 其中R为H或CxHy。
5. 根据权利要求3所述的方法，其中与铜形成键的该络合基团的 末端为金属的或有才几金属的，并且乂人由Ru-吡，定，Pd-胺(4巴-胺)、Pd-吡咬、Cu-吡咬、Cu-胺、Ru-胺、Ru-醋酸盐、Cu-醋酸盐和 Pd-醋酸盐所组成的组中选耳又。
6. 根据权利要求3所述的方法，其中与铜形成键的该络合基团的 末端为#皮沉积以形成用于后续铜沉积步艰《的部位的含石危 醇的配体，金纳米纟效粒。
7. 根据权利要求1所述的方法，其中氧化该金属阻挡层的表面由 氧化环境执行。
8. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括清洁该铜互连下层金属的暴露表面，以在沉积该金属阻挡层之 前，去除该下层金属的暴露表面的表面金属氧化物，其中该下 层金属是电连接到该铜互连的下层互连的一部分。
9. 根据权利要求1所述的方法，其中该铜互连包括在通孔上的金 属线，并且该铜互连在包括金属线的下层互连之上。
10. 根据权利要求1所述的方法，其中该铜互连包括金属线，并且 该4同互连在该包括二接触部的下层互连之上。
11. 根据权利要求1所述的方法，其中该铜互连包括三维(3D)封 装或个人电脑板(PCB)中的贯通通孔。
12. 根据权利要求1所述的方法，其中沉积该金属阻挡层进一步包 括沉积第一金属阻挡层；以及 沉积第二金属阻挡层。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中通过原子层沉积(ALD) 工艺沉积该第一金属阻挡层，并且通过物理气相沉积(PVD) 工艺沉积该第二金属阻挡层。
14. 根据权利要求12所述的方法，其中通过ALD工艺沉积该第一 金属阻挡层，并且通过ALD工艺沉积该第二金属阻挡层。
15. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括 在沉积该铜层之前，在该集成系统内清洁该功能4匕层的表面。
16. 根据权利要求1所述的方法，其中通过无电工艺沉积该铜层。
17. 根据权利要求1所述的方法，其中通过电化学镀层(ECP)工 艺沉积该4同层。
18. 根据权利要求1所述的方法，其中沉积该金属阻挡层、氧化该 金属阻挡层的表面、沉积该功能〗匕层、以及;兄积该铜层在一个 集成系乡克内才丸4亍。
19. 一种在集成系统中准备基片的基片表面，用于在铜互连的金属 阻挡层上沉积功能化层，以助于在该铜互连内铜层的沉积，从 而4是高该铜互连的电子迁移性能的方法，该方法包4舌沉积该金属阻挡层，以在该集成系统中内4于该铜互连结构；在该金属阻挡层的该氧化表面上，沉积该功能化层；以及在该功能化层在该金属阻挡层上一皮沉积后，在该铜互连结 构内；冗积、该4同层。
20. —种集成系统，其用于在受控环境内处理基片，以在铜互连的 金属阻挡层上沉积功能化层，从而提高该铜互连的电子迁移性 能，该集成系统包括实验室环境转移室，其能够将该基片从连接到该实验室环 境转移室的基片卡匣转移到该集成系统内；真空转移室，其在气压低于1托的真空下操作；真空处理才莫块，其用于沉积该金属阻挡层，其中该用于沉 积该金属阻挡层的真空处理模块连接到该真空转移室，并在气 压低于1托的真空下操作；受控环境转移室，其填充有从惰性气体族中选取的惰性气 体；以及沉积处理才莫块，其用于在该金属阻挡层的表面上沉积该功 能化层，其中该沉积处理才莫块连接到该受控环境传递室。
21. 根据权利要求20所述的集成系统，进一步包括无电铜沉积处理才莫块，其用于在该功能化层沉积到该金属 阻挡层的表面上之后，在该铜互连内沉积铜种子层的薄层，其 中该无电铜沉积处理才莫块连接到该受控环境转移室。
22. 根据权利要求20所述的集成系统，进一步包括氧化处理模块，其用于在该功能化层沉积到该金属阻挡层 的表面上之前，氧化该金属阻挡层的表面，其中该氧化处理才莫 块连接到该真空转移室，并在压力小于l托的真空下操作。
23. 根据权利要求21所述的集成系统，其中该无电铜沉积处理模块还用于在该薄的铜种子层上沉积间隙填充铜层。
24. 根据权利要求21所述的集成系统，进一步包括无电铜沉积处理才莫块，用于在该薄的铜种子层上沉积间隙 填充铜层。
25. 根据权利要求20所述的集成系统，进一步包括基片清洁处理模块，其用于在该金属阻挡层上沉积该功能 化层之后清洁该基片，其中该基片清洁处理模块连接到该受控 环境转移模块。
26. 根据权利要求20所述的集成系统，其中该用于沉积该功能化层的沉积处理模块是湿式处理模块，并连接到该受控环境转移 模块。
27. 根据权利要求20所述的集成系统，其中用于沉积该功能化层的该沉积处理模块是干式处理模块，并连接到真空转移模块。
28. 根据权利要求20所述的集成系统，进一步包括第 一加载锁定室，其连接到该真空转移室和该受控环境转 移室，其中该第一加载锁定室帮助该基片在该真空專争移室和该 受控环境转移室之间转移，该第 一加载锁定室配置为在压力d、 于l托的真空下操作，或填充有从惰性气体族中选取的惰性气 体；以及第二加载锁定室，其连4妄到该真空转移室和该实-验室环 境转移室，其中该第二加载锁定室帮助该基片在该真空转移室 和该实 -验室环境转移室之间寿争移，该第二加载锁定室配置为在 压力小于1托的真空下或在实验室环境下操作，或填充有从惰 性气体族中选取的惰性气体。
29. 根据权利要求20所述的集成系统，其中该真空转移室和连接到该真空转移室的该真空处理才莫块在压力小于1托的真空下 操作，以控制该基片对氧的暴露。
30. 根据权利要求20所述的集成系统，其中该受控环境转移室以及连接到该受控环境转移室的该沉积处理才莫块填充有,人惰性 气体族中选取的一种或多种惰性气体，以控制该基片对氧的暴露。
31. 根据权利要求20所述的集成系统，其中连接到该受控环境转 移室的该至少一个处理才莫块确^床该基片的干进/干出处理，其 中该基片以千状态AU亥至少一个处理冲莫块进出。
32. 根据权利要求20所述的集成系统，其中该氧化处理模块制备 将要沉积该功能化层的该金属阻挡层的表面。
全文摘要
本发明的实施方式满足了在铜互连内沉积薄的和保形的阻挡层、以及铜层，使之具有良好的电子迁移性能并减小铜互连的应力诱发成孔的风险的需要。电子迁移和应力诱发成孔受阻挡层和铜层之间粘结的影响。功能化层沉积在阻挡层上，以使铜层沉积于该铜互连内。该功能化层与阻挡层和铜形成强键，以增强该两层之间的粘结属性。提供了一种示例性的制备基片的基片表面的方法，用于在铜互连的金属阻挡层上沉积功能化层，以帮助铜互连内铜层的沉积，从而提高铜互连的电子迁移性能。该方法包括沉积该金属阻挡层，以在该集成系统中内衬该铜互连结构，并氧化该金属阻挡层的表面。该方法还包括在该金属阻挡层的该氧化表面上沉积该功能化层，并在该功能化层在该金属阻挡层上被沉积后，在该铜互连结构内沉积该铜层。
文档编号C23F11/00GK101548030SQ200780032492
公开日2009年9月30日 申请日期2007年8月15日 优先权日2006年8月30日
发明者威廉·蒂, 弗里茨·C·雷德克, 普拉文·纳拉, 约翰·博伊德, 耶兹迪·多尔迪, 蒂鲁吉拉伯利·阿鲁娜, 衡石·亚历山大·尹 申请人:朗姆研究公司