铜互连结构中的微结构修改的制作方法
【专利摘要】本申请公开了金属互连结构及制造该金属互连结构的方法。在铜（Cu）互连结构中加入锰（Mn），以修改微结构从而实现90纳米以下的技术中的竹节状晶界。优选地，竹节状晶粒以小于“布雷希”长度的距离隔开，使得避免铜（Cu）扩散通过晶界。所添加的Mn也导致Cu晶粒向下生长至金属线的底表面，使得形成到达底表面的真实竹节状微结构，并消除沿金属线的长度定向的晶界的Cu扩散。
【专利说明】铜互连结构中的微结构修改
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体结构。更特定的，本发明涉及在金属互连线的底部处具有大晶粒尺寸的金属互连结构及制造该金属互连结构的方法。
【背景技术】
[0002]目前90纳米以下的铜互连技术具有非竹节状微结构，S卩，在线和过孔(via)内的微结构不具有竹节状特征。非竹节状的微结构导致铜扩散的相关问题，例如电致迁移(electromigration)和应力空洞(stress voiding)现象。
[0003]目前有三种不同的铜扩散模式。一种模式是沿着铜互连结构的晶界的铜扩散。另一种模式是在铜互连结构的表面处的铜扩散，即，在该铜互连结构与其他材料邻接的界面处的铜扩散。一种替代模式是穿过晶粒的铜块体扩散(copper bulk diffusion),即，跨越两个晶界相遇的界面。通常，沿晶界的铜扩散的扩散速率较高，而穿过晶粒的铜块体扩散的扩散速率较低。因此，优选的是形成包含金属线的铜互连结构，其中该金属线在晶粒微结构内具有竹节状图案，或称“竹节状微结构”。在竹节状微结构中，晶粒的横向宽度与金属线或金属过孔的宽度相同。该晶粒的长度大于该金属线的宽度，使得晶界看起来类似具有凹状分节的竹子莖部。
[0004]优选的是，具有竹节状微结构，在该竹节状微结构中，晶粒跨越线或过孔的宽度和高度。当电流在该线中流动时，会因外部施加的电场导致铜(Cu)离子在电子流动方向中产生净漂移，而发生电致迁移。由于漂移最终会因为在诸多分散位置处(例如在晶界与材料界面处)发生铜损失，从而导致线故障。由于电流沿着金属线的方向流动，且使得所发生的任何电致迁移被迫“穿过”晶界平面，也就是与该晶界平面基本垂直，所以竹节状微结构比非竹节状微结构明显更能抵抗电致迁移。由于竹节状晶界与电流呈基本直角，因此该竹节状微结构能基本停止沿着晶界的扩散。
[0005]存在抑制金属互连结构中的电致迁移的替代方式。如果金属线的长度小于“布雷希(Blech)”长度，将不会发生铜离子运动，从而停止电致迁移过程。在长度小于“布雷希”长度时的机械应力可阻止铜离子漂移。就铜所组成的电流互连结构而言，典型的布雷希长度是10微米。原则上，将所有互连金属线设计成比“布雷希”长度短将可解决上述问题。在实践中，这种限制为互连结构的设计和布局施加了严格的限制，且实际上这种布局几乎无法实现。
[0006]在共同受让的相关专利申请US7，843，063中公开了钴(Co)具有能促进精细线和过孔内正常晶粒生长(所有取向同时生长)或异常晶粒生长(某些晶粒取向的生长优先于其他取向)，从而导致竹节状晶粒(跨越该线的宽度和长度)的类似性质。虽然钴(Co)和锰(Mn)具有类似性质，然而与使用Co相比，锰具有更好的最适百分比。
[0007]已经考虑过使用铜锰晶种层以形成“自我形成”(self-forming)式扩散势垒层。在铜晶种层内放置锰，且经热处理后，锰扩散至界面与氧(0)发生反应而形成氧化锰(MnO)且可能形成娃酸猛(MnSiO)层。位于介电质-铜(Cu)界面或势鱼层-铜(Cu)界面处的这些层作为扩散势垒层。某些公开文献描述使用MnO作为扩散势垒层，这些文献为:J.Koike等人发表在 Appl.Phys.Lett.87, (2005) , 041911 的论文；J.1ijima 等人发表在 Proc.0fIITC, (2006)，246 页的论文；T.Watanabe 等人发表在 Proc.0f IITC, (2007)，7 的论文；M.Haneda 等人发表在 Proc.0f AMC (2207)，59 的论文。
[0008]需要能在无需借助使用规定使所有金属互连线小于“布雷希”长度的设计规则的情况下抑制铜扩散现象。因此，需要具有精细特征结构尺寸且含有竹节状微结构的金属互连结构，该精细结构特征尺寸为例如90纳米以下的金属线(即，宽度小于90纳米的金属线)，从而避免铜扩散现象和相关的疑难杂症。每个“布雷希”长度(10微米)内有一个跨越互连或过孔的宽度与高度的竹节状晶粒将可基本停止沿着晶界的电致迁移。
【发明内容】
[0009]本发明在铜互连结构中加入锰，以修改微结构，而实现90纳米以下的技术中的竹节状晶界。
[0010]根据本发明实施例，提供一种金属互连结构。该金属互连结构包含:介电材料层，该介电材料层包含下凹的线图案；金属势垒层，该金属势垒层邻接位于下凹的线图案的侧壁处的介电材料层且覆盖整个介电材料层；含铜晶种层，该含铜晶种层邻接金属势垒层且覆盖整个介电材料层；及含铜层，该含铜层包含电镀铜且邻接含铜晶种层；其中含铜晶种层和含铜层中的至少一个包括铜锰合金，及其中含铜晶种层和含铜层在下凹的线图案中形成竹节状晶粒，且在至少每个“布雷希”长度内，在含铜层的底表面处测量的晶粒尺寸超过铜锰合金线的宽度。
[0011]根据本发明的进一步实施例提供另一种金属互连结构。该金属互连结构包含:介电材料层，该介电材料层包含下凹的线图案；金属势垒层，该金属势垒层邻接位于下凹的线图案的侧壁处的介电材料层且覆盖整个介电材料层；含铜晶种层，该含铜晶种层邻接金属势垒层且覆盖整个介电材料层；含铜层，该含铜层包含电镀铜且邻接含铜晶种层；其中含铜晶种层和含铜层在下凹的线图案内形成竹节状晶粒，且在至少每个“布雷希”长度内，在含铜层的底表面处测量的晶粒尺寸超过铜锰合金线的宽度；及铜锰合金盖层350，该铜锰合金盖层邻接含铜层。
[0012]根据本发明另一实施例提供进一步的金属互连结构。该金属互连结构包括:镀铜层，该镀铜层含有线图案；铜锰晶种层，该铜锰晶种层在镀铜线的底表面处具有约Ippm至约20原子百分数的锰原子浓度，该铜锰晶种层夹在镀铜线与势垒层之间，且所有层都经图案化，其中在至少每个“布雷希”长度内，在铜锰合金线的底部处测量的晶粒尺寸超过铜锰合金线的宽度；及势垒和介电层，该势垒和介电层围绕铜锰合金线。
[0013]根据本发明的进一步实施例提供一种形成金属互连结构的方法。该方法包括:提供介电材料层，该介电材料层含有下凹的线图案；在该下凹的线图案的侧壁处的介电材料层上形成金属势垒层；在金属势垒层上形成含铜晶种层；及在含铜晶种层上电镀含铜层，其中含铜晶种层和含铜层中的至少一个包括铜锰合金，该铜锰合金含有约Ippm至约10原子百分数的锰浓度。
[0014]根据本发明的另一实施例提供一种形成金属互连结构的进一步方法。该方法包括:提供介电材料层，该介电材料层含有下凹的线图案；在下凹的线图案的侧壁处的介电材料层上直接形成金属势垒层；在金属势垒层上直接形成含铜晶种层；在含铜晶种层上直接电镀含铜层；及在含铜层上直接形成铜锰合金盖层，该铜锰合金盖层含有约Ippm至约50原子百分数的锰浓度。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]所提出的本发明特征和元件与后附权利要求有关且图示于附图中。
[0016]图1图示本发明金属互连结构的第一实施例的概要剖面图。
[0017]图2图示本发明金属互连结构的第二实施例的概要剖面图。
[0018]图3图示本发明金属互连结构的第三实施例的概要剖面图。
[0019]第4A?4E图示制造本发明的金属互连结构的方法。
[0020]图5图示本发明金属互连结构的第四实施例的概要剖面图。
[0021]图6图示在室温下氧化硅上的30纳米Cu-Mn晶种层上的500纳米镀铜膜的片电阻下降百分比与时间的曲线图。
[0022]图7图示在室温下氧化硅上的30纳米Cu-Mn晶种层上的300纳米镀铜膜的片电阻下降百分比与时间的曲线图。
【具体实施方式】
[0023]以下内容参见附图描述本发明多个实施例。这些实施例为本发明的例示，且这些例示可实施成各种形式。本发明不限于以下所述实施例，而是代表性地教导所属【技术领域】中熟悉该项技艺者如何制造和使用本发明。这些附图的某些方面会重复出现于下个图中。这些方面在各个前述附图中维持使用自第一次出现时所使用的相同元件符号。
[0024]本发明在铜(Cu)互连结构中加入锰(Mn)，以修改微结构而实现90纳米以下(sub-90nm)的技术的竹节状晶界。优选的是，竹节状晶粒以小于“布雷希”长度的距离隔开，使得避免铜(Cu)扩散通过晶界。可在将于金属线上方形成盖层或者在电镀过程期间，将锰(Mn)加入将形成于金属线下方的铜(Cu)晶种层中。当Cu晶种层中添加锰时，在室温下或高于室温的温度下使该铜(Cu)互连结构退火可诱使晶粒以较快的速率生长(再结晶)。所添加的Mn也导致Cu晶粒向下生长至金属线的底表面，从而形成到达底表面的真实竹节状微结构，并消除沿金属线的长度定向的晶界的Cu扩散机制。
[0025]在铜(Cu)晶种层、铜(Cu)镀层或铜(Cu)盖层中加入锰(Mn)，以修改铜(Cu)线和过孔的微结构。锰(Mn)可采用铜锰合金或极薄锰(Mn)层的形式。锰(Mn)能促进精细线和过孔内正常晶粒生长(所有取向同时生长)或异常晶粒生长(某些晶粒取向的生长优先于其他取向)，从而导致竹节状晶粒(跨越该线的宽度和高度)。经定制而使每隔小于“布雷希”长度的距离出现，配置在本发明金属互连结构中的竹节状微结构内的这些晶界能停止铜(Cu)的晶界扩散。每个“布雷希”长度内至少一个竹节状晶粒可作为用于铜(Cu)扩散的阻滞位置(blockingsite)。在晶粒生长后，金属互连结构的组成含有约Ippm至约10%的猛(Mn)原子浓度。
[0026]参见图1，根据本发明第一实施例的金属互连结构包括介电层110、金属势垒层120、铜锰合金晶种层130和含铜镀层140。介电层110通常形成在含有半导体器件(图中未示出)的半导体衬底(图中未示出)上。介电层110包含介电材料，例如氧化硅(SiO)、氮化硅(SiN)、有机硅酸盐玻璃(OSG)、SiCOH、旋涂低k介电材料，例如SiLK?，等等。介电层110可是多孔的或无孔的。在整合方案(所属【技术领域】中熟知的双镶嵌整合方案)中，过孔空腔
与线空腔重叠。
[0027]为了图示目的，以双镶嵌整合方案为例描述本发明。然而，可在单镶嵌整合方案中考虑本发明的各种变型例，在单镶嵌整合方案中，利用两个独立的电镀过程形成这些金属过孔和金属线。如果使用单镶嵌整合方案，本发明方法优选地重复两次，第一次用于形成金属过孔，该金属过孔含有铜锰合金并具有单个晶粒或大晶粒且这些晶粒的边界与该过孔成垂直(与衬底呈平行)，及第二次用于形成金属线，这些金属线包含具有竹节状结构的铜锰合金，该竹节状结构与以下针对双镶嵌整合方案所描述的竹节状结构相同。
[0028]形成金属势垒层120用于防止污染物扩散进入后续形成的金属过孔和金属线中及/或从该后续形成的金属过孔和金属线中扩散出来，并且用于促进金属过孔和金属线附着于介电层110。金属势垒层120可包含Ta、TaN、W、WN、TiN或上述材料的堆叠，例如Ta/TaN、Ta/TaN/Ta、TaN/Ta，等等。可利用化学气相沉积(CVD )、物理气相沉积(PVD )、原子层沉积(ALD)等方法形成金属势垒层120。在线空腔的底表面处测量的金属势垒层120的厚度介于约I纳米至约25纳米的范围，且通常介于约3纳米至约10纳米范围，然而本申请中也考虑更小或更大的厚度。
[0029]例如使用物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积、原子层沉积(ALD)、电沉积或无电沉积在金属势垒层120上形成铜锰合金晶种层130。铜锰合金晶种层130是一种含铜晶种层，该含铜晶种层也含有锰，即，是含有铜与锰的合金。铜锰合金晶种层130内的锰浓度可为约Ippm至10原子百分数，且优选的是约IOppm至约2原子百分数。例如使用含铜锰合金的靶材取代PVD过程中的纯铜溅射靶材可将锰加入该铜锰合金130中。
[0030]所沉积的铜锰合金晶种层130具有多晶结构，在该结构中，晶粒的平均尺寸与该铜锰合金晶种层130的厚度相当或较小。通常，铜锰合金晶种层130具有介于约2纳米至约10纳米间的平均晶粒尺寸。在线空腔的底表面上方测量的铜锰合金晶种层130的厚度可为约2纳米至约60纳米，且通常为约5纳米至约50纳米，然而本申请也考虑更小或更大的厚度。
[0031]通过在铜锰合金晶种层130上镀含铜材料而形成含铜镀层140。该镀铜过程可采用电镀法或无电镀法。由于用于形成镀层的过程的本质，即该镀膜过程的本质，含铜镀层140含有O、N、C、Cl和S。O、N、C、Cl和S的浓度总和通常约Ippm至约200ppm。优选的是使用电镀法形成含铜镀层140。通常采用超填充过程(superfill，由底部向上填充)以防止在过孔空腔和线空腔内形成任何缝隙，使得含铜镀层140内部不含任何空腔。
[0032]含铜镀层140可包含或不含锰。在一个实例中，含铜镀层140可基本上由铜构成，使得含铜镀层140中除了铜以外的任何其他材料都处于痕迹量级。在另一个实例中，含铜镀层140可包含铜锰合金，该铜锰合金具有约Ippm至10原子百分数的锰浓度，且优选的是约IOppm至约2原子百分数的锰浓度。通过改用含有铜锰合金溶液的镀液浴(即，在镀液浴中加入锰)以在镀膜期间将锰加入该膜中，而可将锰加入含铜镀层140内。
[0033]在使用含铜镀层140填充过孔空腔和线空腔之前，在含有该过孔空腔和线空腔的区域外处所测得含铜镀层140的厚度可为约40纳米至约800纳米，且通常约100纳米至约300纳米，然而本申请也考虑可使用更小和更大的厚度。所沉积的含铜镀层140具有晶粒尺寸介于约5纳米至约400纳米，且通常介于约10纳米至约200纳米的微结构，然而该晶粒尺寸取决于镀膜过程的细节且可能小于或大于以上所指出的范围。
[0034]第一示例性金属互连结构经历再结晶过程，在该过程中，铜锰合金晶种层130与含铜镀层140中的晶粒生长。该再结晶过程通常采用在介于约20°C至约400°C间的温度下进行退火约I秒至约I周的时间段。在退火期间，铜锰合金晶种层130和含铜镀层140内的晶粒尺寸增大。虽然在高于50°C的温度下退火是优选的，但在室温下发生某种程度的再结晶，使得即使不使用退火过程，也能有利地使用本发明，即通过将第一示例性金属互连结构留在室温下持续一段延长时间，从而增大晶粒尺寸。
[0035]在再结晶过程之后，加入铜锰合金晶种层130中的锰会影响通过铜锰合金晶种层130和含铜镀层140的再结晶形成的铜锰合金层的微结构。锰不与铜形成金属间化合物(intermetallic compound)。因此,在再结晶过程期间,猛沉淀在晶界中。即使在与金属势垒层120相接的界面处，锰也可诱发生长大晶粒，使得在铜锰合金层的顶部处和该铜锰合金层的底部处的晶粒尺寸基本相同。
[0036]根据本发明，铜锰合金晶种层130中的锰在含铜镀层140中成核生成新晶粒，使得含铜镀层140中的晶粒的尺寸可生长到比后续要形成金属线的特征尺寸要大。此外，晶粒生长延伸至铜锰合金晶种层130，使得该晶粒生长作用于整个铜锰合金层。此外，在再结晶过程期间，含铜镀层140可以可选地供应额外的锰以加速晶粒生长。
[0037]经历再结晶过程的铜锰合金层的晶粒尺寸大于从铜锰合金层的线特征区域上至介电层110的顶表面处测量的厚度。在第一示例性金属互连结构中，铜锰合金层的底部(包含对应于形成铜锰合金晶种层130以前的过孔空腔和线空腔的这些部分)含有基本少量的小晶粒。铜锰合金层的底部的晶粒尺寸与该铜锰合金层的顶部的晶粒尺寸基本相同，且因此大于该铜锰合金层的厚度。在该铜锰合金层的底部处缺乏小尺寸晶粒的网状结构可防止铜原子或锰原子沿着晶界扩散。存在于下凹的线特征内的晶界倾向沿该下凹的线特征的宽度方向延伸。因此，铜锰合金层内的这些晶界基本上不会彼此衔接，且该铜锰合金层具有竹节状微结构，在该竹节状微结构内的晶界延伸至铜锰合金层的底表面，且这些晶界彼此隔开至少一个晶粒。每个“布雷希”长度有一个竹节状晶粒可基本停止由晶界扩散引起的电致迁移。
[0038]例如，可使用化学机械平坦化法使铜锰合金层平坦化，以形成与介电层110的顶表面基本共面的铜锰合金线。靠近该铜锰合金线的顶表面处的晶粒尺寸可约为或大于铜锰合金线的宽度的2倍至3倍。因此，铜锰合金线具有基本上遍布的竹节状微结构，且不含尺寸小于铜锰合金线的宽度的小晶粒。晶界之间的竹节式分段结构基本出现在整个铜锰合金线。由于任何残留的晶界与电流方向基本垂直，因此该竹节状微结构能消除沿着晶界的铜扩散。
[0039]参见图2，根据本发明第二实施例的第二示例性金属互连结构包括介电层110、金属势垒层120、含铜晶种层230和铜锰合金镀层240。介电层110通常形成在含有半导体器件(图中未示出)的半导体衬底(图中未示出)上，且介电层110可包含与第一实施例中相同的材料。通过光刻图案化法和蚀刻法在介电层110内形成过孔空腔和线空腔，使得在整合方案(所属【技术领域】中熟知的双镶嵌整合方案)中，该过孔空腔与线空腔重叠。使用与第一实施例中相同的方式形成金属势垒层120，且该金属势垒层120具有与第一实施例中相同的组成和厚度。
[0040]例如，使用物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、电沉积或无电沉积在金属势垒层120上形成含铜晶种层230。含铜晶种层230可含有或不含锰。在一个实例中，含铜晶种层230可基本由铜构成，使得该含铜晶种层230中除了铜以外的任何其他材料都处于痕迹量级。在另一个实例中，含铜晶种层230可包含铜锰合金，该铜锰合金具有约Ippm至10原子百分数的锰浓度，且优选的是约IOppm至2原子百分数的锰浓度。例如，通过使用含铜锰合金的靶材取代PVD过程中的纯铜溅射靶材可将锰加入该含铜晶种层230中。
[0041]所沉积的含铜晶种层230具有多晶结构，在该结构中，晶粒的平均尺寸与含铜晶种层230的厚度相当或较小。通常，含铜晶种层230具有约2纳米至约10纳米的平均晶粒尺寸。在线空腔的底表面上方测量的含铜晶种层230的厚度可为约2纳米至约60纳米，且通常为约5纳米至约50纳米，然而本申请也考虑更小或更大的厚度。
[0042]通过在含铜晶种层230上镀铜锰合金而形成铜锰合金镀层240。该镀膜过程可采用电镀法或无电镀法。由于该用于形成镀层的过程的本质，即该镀膜过程的本质，铜锰合金镀层240含有O、N、C、Cl和S。O、N、C、Cl和S的浓度总和通常约Ippm至约200ppm。优选的是使用电镀法形成铜锰合金镀层240。通常采用超填充过程(由底部向上填充)以避免在过孔空腔和线空腔内形成任何缝隙，使得该铜锰合金镀层240内不含任何空腔。
[0043]铜锰合金镀层240是含铜层，该含铜层也含有锰，即含有铜与锰的合金。非必要但优选的是，该铜锰合金镀层240的金属成分可由铜和锰组成。铜锰合金镀层240内的锰浓度可为约Ippm至约10原子百分数，且优选的是约IOppm至约2原子百分数。例如，通过使用含有铜锰合金溶液的镀液浴取代含有纯铜溶液的镀液浴(即，在该镀液浴中加入锰)以在镀膜期间将锰加入该膜中，而可将锰加入该铜锰合金镀层240内。
[0044]在使用含铜镀层填充过孔空腔和线空腔之前，在含有该过孔空腔和线空腔的区域外处测量的铜锰合金镀层240的厚度可为约40纳米至约800纳米，且通常约100纳米至约300纳米，然而本申请也考虑可使用更小和更大的厚度。所沉积的铜锰合金镀层240具有晶粒尺寸介于约5纳米至约400纳米，且通常介于约10纳米至约200纳米的微结构，然而该晶粒尺寸取决于镀膜过程的细节且可能小于或大于以上所指出的范围。
[0045]第二示例性金属互连结构经历再结晶过程，在该过程中，含铜晶种层230与铜锰合金镀层240中的晶粒生长。在再结晶过程之后，第二示例性金属互连结构与图1中的第一实施例的第一示例性金属互连结构基本相同。含铜晶种层230和铜锰合金镀层240组成铜锰合金层。可采用与第一实施例中相同类型的再结晶过程，并以与第一实施例中相同的方式增大晶粒尺寸。加入铜锰合金镀层240中的锰会影响通过含铜晶种层230和铜锰合金镀层240的再结晶而形成的铜锰合金层的微结构。与第一实施例中相同的方式，在再结晶过程期间，锰沉淀在晶界内。即使在与金属势垒层120相接的界面处，锰也可诱发生长大晶粒，使得在铜锰合金层的顶部处和该铜锰合金层的底部处的晶粒尺寸基本相同，且该铜锰合金层与图1中的铜锰合金层140基本相同。
[0046]第二示例性金属互连结构与图1中所示的第一示例性金属互连结构基本相同。以第一实施例中相同的方式使该铜锰合金层平坦化，以形成铜锰合金线。至此，第二示例性金属互连结构与图1中的第一示例性金属互连结构基本相同。第二示例性金属互连结构包括该铜锰合金线，该铜锰合金线基本上具有竹节状微结构，且不具有小尺寸晶粒(晶粒尺寸小于该铜锰合金线宽度)的网状结构。晶界之间的竹节式分段结构与第一示例性金属互连结构中所示一样基本出现在整个铜锰合金线。由于任何残留的晶界与电流方向基本垂直，因此该竹节状微结构能消除沿着晶界的铜扩散。
[0047]参见图3，根据本发明第三实施例的第三示例性金属互连结构包括介电层110、金属势垒层120、含铜晶种层330、含铜镀层340和铜锰合金盖层350。介电层110通常形成在含有半导体器件(图中未示出)的半导体衬底(图中未示出)上，且介电层110可包含与第一实施例中相同的材料。通过光刻图案化法和蚀刻法在介电层110内形成过孔空腔和线空腔，使得在整合方案(所属【技术领域】中熟知的双镶嵌整合方案)中，该过孔空腔与线空腔重叠。使用与第一实施例中相同的方式形成金属势垒层120，且该金属势垒层120具有与第一实施例中相同的组成和厚度。
[0048]例如使用物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、电沉积或无电沉积在金属势垒层120上形成含铜晶种层330。含铜晶种层330可含有或不含锰。在一个实例中，含铜晶种层330可基本由铜构成，使得该含铜晶种层330中除了铜以外的任何其他材料都处于痕迹量级。在另一个实例中，含铜晶种层330可包含铜锰合金，该铜锰合金具有约Ippm至10原子百分数的锰浓度，且优选的是约IOppm至约2原子百分数的锰浓度。例如，通过使用含铜锰合金的靶材取代PVD过程中的纯铜溅射靶材可将锰加入该含铜晶种层330中。所沉积的含铜晶种层330可具有与第一实施例相同的多晶结构与厚度。
[0049]通过在含铜晶种层330上镀含铜材料而形成含铜镀层340。该镀膜过程可采用电镀法或无电镀法。由于该用于形成镀层的过程的本质，即该镀膜过程的本质，含铜镀层340含有O、N、C、Cl和S。O、N、C、Cl和S的浓度总和通常约Ippm至约200ppm。优选的是使用电镀法形成含铜镀层340。通常采用超填充过程(由底部向上填充)以避免在过孔空腔和线空腔内形成任何缝隙，使得含铜镀层340内不含任何空腔。
[0050]含铜镀层340可含有或不含锰。在一个实例中，含铜镀层340可基本由铜构成，使得含铜镀层340中除了铜以外的任何其他材料都处于痕迹量级。在另一个实例中，含铜镀层340可包含铜锰合金，该铜锰合金具有约Ippm至10原子百分数的锰浓度且优选的是约IOppm至约2原子百分数的锰浓度。例如通过使用含有铜锰合金溶液的镀液浴取代含有纯铜溶液的镀液浴(即，在该镀液浴中加入锰)以在镀膜期间将锰加入该膜中，而可将锰加入含铜镀层340内。含铜镀层340的微结构和厚度可与第一实施例中所示者相同。
[0051]铜锰合金盖层350包含铜与锰的合金，且可由铜与锰的合金组成。铜锰合金盖层350中的猛浓度可为约Ippm至50原子百分数,优选的是约IOppm至约40原子百分数,且更佳约IOOppm至约30原子百分数。例如，可使用物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、电沉积或无电沉积形成铜猛合金盖层350。
[0052]铜锰合金盖层350的厚度可为约I纳米至约50纳米，且通常约3纳米至约30纳米，然而本申请也考虑更小和更大的厚度。所沉积的铜锰合金盖层350具有晶粒尺寸介于约2纳米至约20纳米，且通常介于约5纳米至约10纳米的微结构，然而晶粒尺寸取决于沉积过程的细节且可能小于或大于以上所指出的范围。
[0053]第三示例性金属互连结构经历再结晶过程，在该过程中，铜锰合金盖层350、含铜镀层340和含铜晶种层330中的晶粒生长。在再结晶过程之后，该第三示例性金属互连结构与图1中的第一实施例的第一示例性金属互连结构基本相同。铜锰合金盖层350、含铜镀层340和含铜晶种层330共同成为铜锰合金层。可采用与第一实施例中相同类型的再结晶过程，并以与第一实施例中相同的方式增大晶粒尺寸。在再结晶过程之后，加入铜锰合金盖层350中的锰会影响铜锰合金层的微结构。与第一实施例中相同的方式，在再结晶过程期间，锰沉淀在晶界内。锰可在与铜锰合金盖层350相接的顶界面处诱发生长大晶粒，使得在铜锰合金盖层的顶部处和该铜锰合金层的底部处的晶粒尺寸基本相同。
[0054]存在于该铜锰合金盖层350中的锰可在再结晶过程期间诱发晶粒生长。该晶粒生长延伸至含铜镀层340和含铜晶种层330中，使得该晶粒生长作用于由铜锰合金盖层350、含铜镀层340和含铜晶种层330所形成的整个铜锰合金层。如果含铜镀层340进一步包含锰，则该含铜晶种层330中附加的锰也可在再结晶过程期间促进晶粒生长。
[0055]第三示例性金属互连结构与图1中所示的第一示例性金属互连结构基本相同，且因此两者具有相同的物理特性、组成特性和结构特性。以与第一实施例中相同的方式使铜锰合金层平坦化，以形成铜锰合金线。至此，第三示例性金属互连结构与图1中的第一示例性金属互连结构基本相同。第三示例性金属互连结构包括该铜锰合金线，该铜锰合金线基本上具有竹节状微结构，且基本上不含小尺寸晶粒(晶粒的尺寸小于该铜锰合金线宽度)。晶界之间的竹节式分段结构如第一示例性金属互连结构中所示一样地基本出现在整个铜锰合金线。由于任何残留的晶界与电流方向呈基本垂直，因此该竹节状微结构能消除沿着晶界的铜扩散。每个“布雷希”长度有一个竹节状晶粒可基本停止因晶界扩散所造成的电致迁移。
[0056]参见图4A至图4E，图中示出形成上述金属互连结构的方法。在预先存在的半导体结构(图中未示出)上提供介电材料110。介电材料110已经被蚀刻，以在该介电材料110中形成下凹的线图案。在该介电材料110上形成金属势垒层120。优选的是沿该介电材料110中的下凹的线图案的顶部和侧壁形成该金属势垒层120。在该金属势垒层上(优选的是在介电材料110上的下凹的线图案的顶部和侧壁上)形成含铜晶种层430。在含铜晶种层430上沉积且电镀含铜层440。含铜晶种层430和含铜层440中的至少一个包括铜锰合金。该铜锰合金含有约Ippm至约10原子百分数的锰浓度。优选地，该铜锰合金含有约IOppm至约2原子百分数的锰浓度。也在含铜层440上形成铜锰合金盖层350。该铜锰合金盖层350优选具有约Ippm至约50原子百分数的锰浓度。
[0057]含铜晶种层430和含铜层440在介于约20°C至约400°C间的温度下进行退火约I秒至约I周的时间段。在退火过程期间，含铜层440和含铜晶种层430内的晶粒尺寸增大。晶粒尺寸增大也降低含铜晶种层430和含铜层440内的电阻。含铜晶种层430和含铜层440基本形成该下凹的线图案内的竹节状微结构。至少每个“布雷希”长度中，该竹节状微结构内的晶界延伸至含铜层440的底表面。一些锰(Mn)将扩散至该下凹的线图案的表面并与任何可用的氧气(O2)反应，而形成氧化锰(MnO)层或硅酸锰(MnSiO)层，从而从铜(Cu)中去除锰合金。可增大晶粒尺寸，使得在该金属线的底表面处，晶界彼此之间隔开至少金属线的宽度。
[0058]如图5所示，对含铜层440进行平坦化至该介电层顶部处停止。含铜晶种层430与含铜层440的剩余部分560构成铜锰合金线。在该铜锰合金线的底部处测量的晶粒尺寸可超过该铜锰合金线的宽度。该铜锰合金线基本具有竹节状微结构，在该微结构中，每个晶界从该铜锰合金线的顶表面延伸至该铜锰合金线的底表面，且每个晶界与任何其他晶界之间以大于该铜锰合金线的宽度的距离隔开。
[0059]图6图示在室温下，在氧化硅上的30纳米Cu-Mn晶种层上的500纳米镀铜膜的结构的片电阻下降百分比对时间的曲线图。铜晶种层中的Mn的百分比范围介于0.15至0.84原子百分Mn比间。图中清楚显示在这些Cu-Mn晶种层上的镀铜片电阻下降快得多，且在0.84原子百分数的Mn的Cu-Mn晶种层上的片电阻下降得最快(在5小时内完成)。片电阻是一种用于测量室温Cu晶粒生长(再结晶)的方法，此方法对于镀铜膜是公知的。锰能增强再结晶。在11.5天之后，纯Cu晶种层显示约8%的片电阻仅下降，然而在这些Cu-Mn晶种层上约1.5天后再结晶便已完成。
[0060]图7同样图示在室温下，在氧化硅上的Cu-Mn晶种层的镀铜膜的结构的片电阻下降百分比对时间的曲线图。在图7中，该镀铜膜的厚度为300纳米。同样地，该Cu-Mn晶种层增强Cu再结晶，且具有0.84原子百分数的Mn的Cu-Mn晶种层显示出最快的再结晶速率。
[0061]本申请中使用的术语仅为达到说明特定实施例的目的，且不应用于限制本发明。当用于本申请中，除非文中内容另有明确指示，否则单数用语(一)、(一个)、(该)也旨在包含复数形式。可进一步了解，当用于本申请说明书时，(包含)及/或(含有)的用语指明所述特征、整数、步骤、操作、元素及/或构件的存在，但不排除可能存在或附加一或多个其他特征、整数、步骤、操作、元素、构件及/或上述多者的群组。
[0062]在后附权利要求中，对应于所有手段功能技术特征或步骤功能技术特征的结构、材料、动作及上述各者的等价物也应涵盖可与特别声明的其他所主张技术特征结合而执行该功能的任何结构、材料或动作。所提出的本发明说明作为例示与说明的用，但并穷尽地公开了本发明或不旨在将本发明局限于所公开的形式。所属【技术领域】中普通技术人员将明白可在不偏离本发明范围和精神下做出许多修改与变型例。所选用和描述的实施例为了能最佳地解说本发明的原理和实际应用，并使所属【技术领域】中其他普通技术人员能够了解到本发明可对各种实施例做出各种不同修改而适用于预期的特定用途。
[0063]本发明可广泛应用于制造包含于广泛应用于大量电子和电气装置中的集成电路芯片中的高性能半导体场效应晶体管(FET)器件。
【权利要求】
1.一种金属互连结构，包括: 介电材料层(110)，所述介电材料层(110)包含下凹的线图案； 金属势垒层(120)，所述金属势垒层(120)邻接位于所述下凹的线图案的侧壁处的所述介电材料层(110)且覆盖整个所述介电材料层(110); 含铜晶种层(130)，所述含铜晶种层(130)邻接所述金属势垒层(120)且覆盖整个所述介电材料层(110);以及 含铜层(140)，所述含铜层(140)包含电镀铜且邻接所述含铜晶种层(130); 其中所述含铜晶种层(130)和所述含铜层(140)中的至少一个包括铜锰合金，以及其中所述含铜晶种层(130)和所述含铜层(140)在所述下凹的线图案内形成竹节状晶粒，在至少每个“布雷希”长度内，在所述含铜层(140)的底表面处测量的晶粒尺寸超过铜锰合金线的宽度。
2.如权利要求1所述的结构，其中所述含铜层(140)包括O、N、C、Cl和S，这些元素的浓度总和的范围从约Ippm至约200ppm。
3.如权利要求1所述的结构，其中所述含铜晶种层(130)和所述含铜层(140)中的至少一个含有约Ippm至约10原子百分数的猛浓度。
4.如权利要求1所述的结构，其中所述铜锰合金含有约IOppm至约2原子百分数的锰浓度。
5.如权利要求1所述的结构，其中所述含铜晶种层(130)包括铜锰合金，所述铜锰合金含有约Ippm至约10原子百`分数的锰浓度，且所述含铜晶种层(130)具有约2纳米至约60纳米的厚度。
6.如权利要求1所述的结构，其中所述含铜层(140)包括铜锰合金，所述铜锰合金含有约Ippm至约10原子百分数的锰浓度，且在所述介电材料层(110)的位于所述下凹的线图案以外的部分上方具有约40纳米至约800纳米的厚度。
7.一种金属互连结构,包括: 介电材料层(110)，所述介电材料层(110)包含下凹的线图案； 金属势垒层(120)，所述金属势垒层(120)邻接位于所述下凹的线图案的侧壁处的所述介电材料层(110)且覆盖整个所述介电材料层(110); 含铜晶种层(130)，所述含铜晶种层(130)邻接所述金属势垒层(120)且覆盖整个所述介电材料层(110)； 含铜层(140)，所述含铜层(140)包含电镀铜且邻接所述含铜晶种层； 其中所述含铜晶种层(130)和所述含铜层(140)在所述下凹的线图案内形成竹节状晶粒，在至少每个“布雷希”长度内，在所述含铜层(140)的底表面处测量的晶粒尺寸超过铜锰合金线的宽度；以及 铜锰合金盖层(350 )，所述铜锰合金盖层(350 )邻接所述含铜层。
8.如权利要求7所述的结构，其中所述含铜层(140)包括O、N、C、Cl和S，这些元素的浓度总和从约Ippm至约200ppm。
9.如权利要求8所述的结构，其中所述铜锰合金含有约IOppm至约20原子百分数的锰浓度。
10.如权利要求7所述的结构，其中所述铜锰合金盖层(350)含有约Ippm至约50原子百分数的锰浓度。
11.一种金属互连结构,包括: 镀铜层，所述镀铜层包含线图案； 铜锰晶种层，所述铜锰晶种层在镀铜线的底表面处具有约Ippm至约20原子百分数的锰原子浓度，所述铜锰晶种层夹在所述镀铜线与势垒层之间，且所有层皆经图案化，其中，在至少每个“布雷希”长度内，在铜锰合金线的底表面处测量的晶粒尺寸超过所述铜锰合金线的宽度；以及 势垒和介电层，所述势垒和介电层围绕所述铜锰合金线。
12.—种形成金属互连结构的方法，包括: 提供介电材料层(110)，所述介电材料层(110)含有下凹的线图案； 在位于所述下凹的线图案的侧壁处的所述介电材料层(110)上形成金属势垒层(120)； 在所述金属势垒层(120)上形成含铜晶种层(130);以及 在所述含铜晶种层(130)上电镀含铜层(140)，其中所述含铜晶种层(130)和所述含铜层(140)中的至少一个包括铜锰合金，所述铜锰合金含有约Ippm至约10原子百分数的锰浓度。
13.如权利要求12所述的方法，进一步包括: 使所述含铜晶种层(130)和所述含铜层(140)在介于约20°C至约400°C间的温度下退火约I秒至约I周的时间段，其中，在所述退火期间，所述含铜层(140)和所述含铜晶种层(130)中的晶粒尺寸增大。
14.如权利要求13所述的方法，进一步包括: 增大所述含铜晶种层(130)和所述含铜层中的晶粒尺寸，且降低所述含铜晶种层(130)和所述含铜层中的电阻，其中所述含铜晶种层(130)和所述含铜层(140)在所述下凹的线图案内形成竹节状晶粒，及其中竹节状微结构内的每个竹节状晶界延伸至所述含铜层(140)的底表面，且至少每个“布雷希”长度重复出现。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述含铜晶种层(130)和所述含铜层(140)内的所述晶粒尺寸可被增大，使得在金属线的底表面处所述晶界彼此之间隔开至少金属线的宽度。
16.如权利要求12所述的方法，进一步包括: 对所述含铜层(140)进行平坦化，其中所述含铜晶种层(130)和所述含铜层(140)的剩余部份构成铜锰合金线，其中在至少每个“布雷希”长度内，在所述铜锰合金线的底部处测量的晶粒尺寸超过所述铜锰合金线的宽度。
17.如权利要求12所述的方法，其中所述铜锰合金线具有竹节状微结构，在所述竹节状微结构中，每个晶界从所述铜锰合金线的顶表面延伸至所述铜锰合金线的底表面，且每个晶界与任何其他晶界之间隔开大于所述铜锰合金线的宽度的距离。
18.如权利要求12所述的方法，其中所述含铜晶种层(130)包括铜锰合金，所述铜锰合金含有约Ippm至约10原子百分数的锰浓度，且其中所述含铜晶种层(130)通过物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、电沉积或无电沉积形成。
19.一种形成金属互连结构的方法，包括:提供介电材料层(110)，所述介电材料层(110 )含有下凹的线图案； 直接在位于所述下凹的线图案的侧壁处的所述介电材料层(110)上形成金属势垒层(120)； 直接在所述金属势垒层(120)上形成含铜晶种层(130); 直接在所述含铜晶种层(130)上电镀含铜层(140);及 直接在所述含铜层上形成铜锰合金盖层(350)，所述铜锰合金盖层(350)含有约Ippm至约50原子百分数的锰浓度。
20.如权利要求19所述的方法，进一步包括: 增大所述含铜晶种层(130)和所述含铜层中的晶粒尺寸，且降低所述含铜晶种层(130)和所述含铜层中的电阻，其中所述含铜晶种层(130)和所述含铜层(140)在所述下凹的线图案内形成竹节状晶粒，且其中竹节状微结构内的每个竹节状晶界延伸至所述含铜层(140)的底表面，且至少每个“布雷希”长度重复出现。
21.如权利要求19所述的方法，进一步包括: 对所述含铜层进行平坦化，其中所述含铜晶种层(130)和所述含铜层(140)的剩余部份构成铜锰合金线，其中在所述铜锰合金线的底部处测量的晶粒尺寸超过所述铜锰合金线的宽度，且至少每个“布雷希”长度重复出现。
22.如权利要求19所述的方法，其中所述铜锰合金线具有竹节状微结构，其中每个晶界从所述铜锰合金线的顶表面延伸至所述铜锰合金线的底表面，且每个晶界与任何其他晶界间之间隔开大于所述铜锰合金线的宽`度的距离。
【文档编号】H01L21/28GK103828025SQ201280044767
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2012年7月18日 优先权日:2011年9月14日
【发明者】小西里尔·卡布拉尔, 野上武史, 杰弗里·P·甘比诺, 黄强, 肯尼思·P·罗德贝尔 申请人:国际商业机器公司