使用铜金属间化合物提高铜互连中的可靠性的技术制造技术

提供了用于使用Cu金属间化合物提高Cu互连的可靠性的技术。在一方面，一种在Cu线(112)上方的电介质(114)中形成Cu互连的方法包括以下步骤：在Cu线(112)上方的电介质(114)中形成至少一个通孔(116)；将金属层(118)沉积到电介质(114)上并衬垫通孔(116)，使得金属层(118)与通孔(116)底部的Cu线(112)接触，其中金属层(118)包含至少一种能与Cu反应以形成Cu金属间化合物的金属；在足以在通孔(116)底部形成Cu金属间阻隔(120)的条件下，使金属层(118)和Cu线(112)退火；将Cu(122)电镀到通孔(116)中以形成Cu互连，其中Cu互连通过Cu金属间阻隔层(120)与Cu线(112)分离。还提供了一种装置结构。

Technology for Improving Reliability of Copper Intermetallic Compounds

Technologies for improving the reliability of copper interconnection using copper intermetallic compounds are provided. On the one hand, a method of forming a copper interconnection in a dielectric (114) above a copper line (112) includes the following steps: forming at least one through hole (116) in the dielectric (114) above a copper line (112); depositing a metal layer (118) onto the dielectric (114) and padding through hole (116) so that the metal layer (118) contacts the copper line (112) at the bottom of the hole (116), in which the metal layer (118) contains at least one kind of copper interconnection with the copper line (112) at the bottom of the hole (116). Metals react to form copper intermetallic compounds; annealing the metal layer (118) and the copper wire (112) under conditions sufficient to form a copper intermetallic barrier (120) at the bottom of the through hole (116); plating the copper (122) into the through hole (116) to form a copper interconnection, in which the copper interconnection is separated from the copper wire (112) through the copper intermetallic barrier layer (120). A device structure is also provided.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用铜金属间化合物提高铜互连中的可靠性的技术
本专利技术涉及用于提高铜(Cu)互连中的可靠性的技术，更具体地，涉及使用Cu金属间化合物以形成用于Cu互连的衬垫(liners)，电迁移(EM)阻隔(barriers)和覆盖(caps)。
技术介绍
随着在后段(BEOL)中继续结垢(scaling)，铜(Cu)线的电阻增加。电阻增加首先仅仅因为线具有较小的横截面积。也使进整体阻力，因为线中的金属表面变得更近并且金属中的晶粒(grain)在更窄的线中变得更小，来自晶界和表面/界面的散射的增加进一步促进电阻率的额外增加，因此突出了在结垢的(scaled)Cu线技术中控制界面和晶界散射的重要性。同时，随着结垢继续其他问题也会出现。一个问题是扩散阻隔(barrier)完整性。即，当衬垫厚度减小时，性能不足并且金属可以扩散到电介质中。由于需要保持衬垫厚度，因此非常窄的线中的Cu的体积是有限的。另一个问题是电迁移或EM电阻。即，随着线面积减小，电流密度增加。结果，Cu原子迁移可导致在最小的线中的断裂。因此，定义好的EM界面是重要的。好的有界界面也可能有助于界面散射。还需要覆盖层来防止线的顶部表面处的EM。Cu线结垢产生的另一个问题是通孔底部的粘合。在芯片加工过程中需要好的粘合以防止裂纹扩展。通孔底部衬垫厚度的减小无助于水平之间的粘合。所提出的解决方案包括使用包含诸如锰(Mn)，钴(Co)和/或钌(Ru)的材料的自形成嵌入式扩散阻隔。例如，参见授予CabralJr.等人的名称为“Self-FormingEmbeddedDiffusionBarriers”的美国专利号9,190,321。还参见McFeely等人的名称为“Multi-StepMethodtoSelectivelyDepositRutheniumLayersofArbitraryThicknessonCopper”的美国专利申请公开号2011/0045171以及授予Gambino等人的名称为“ConductorStructureincludingManganeseOxideCappingLayer.”的美国专利号7,884,475。所有这些解决方案都包括完全可溶于Cu(例如Mn)或具有非常低的溶解度且不可能形成相(例如Co，Ru等)的元素。因此，尤其对于结垢的应用，需要用于Cu互连的改进的阻隔，衬垫和覆盖。
技术实现思路
本专利技术提供了用于使用Cu金属间化合物改善铜(Cu)互连中的可靠性以形成用于Cu互连的衬垫，电迁移(EM)阻隔和覆盖的技术。在本专利技术的一个方面，提供了一种在Cu线上方的电介质中形成Cu互连的方法。该方法包括以下步骤：在Cu线上方的电介质中形成至少一个通孔；在所述电介质上沉积金属层并衬垫所述通孔，使得所述金属层与所述通孔底部的Cu线接触，其中所述金属层包含至少一种能与Cu反应以形成Cu金属间化合物的金属；在足以在通孔底部形成Cu金属间化合物阻隔的条件下退火所述金属层和Cu线；和将Cu电镀到所述通孔中以形成所述Cu互连，其中所述Cu互连通过Cu金属间化合物阻隔与Cu线分离。在本专利技术的另一方面，提供了另一种在Cu线上方的电介质中形成Cu互连的方法。该方法包括以下步骤：在Cu线上方的电介质中形成至少一个通孔；将金属层沉积到电介质上并衬垫所述通孔，使得金属层与通孔底部的Cu线接触，其中金属层包括至少一种能与Cu反应以形成Cu金属间化合物的金属；将Cu电镀到通孔中以形成Cu互连；在足以形成i)通孔底部的Cu金属间化合物阻隔和ii)通孔侧壁上的Cu金属间化合物衬垫的条件下退火所述金属层，Cu互连和Cu线，其中Cu互连通过Cu金属间化合物阻隔从Cu线分离。在本专利技术的又一方面，提供了一种装置结构。所述装置结构包括：铜线；Cu线上的电介质；在Cu线上方的电介质中的通孔中形成的Cu互连；和Cu金属间化合物阻隔将Cu互连与Cu线分离。通过参考以下详细描述和附图，将获得对本专利技术的更完整的理解，以及本专利技术的进一步的特征和优点。附图说明图1是说明根据本专利技术实施例的使用铜(Cu)金属间化合物以形成粘合层，衬垫和/或电迁移(EM)阻隔的示例性方法的示意图。图2是说明根据本专利技术实施例形成Cu金属间化合物/阻隔氮化物双层的示例性方法的示意图；图3是说明根据本专利技术实施例形成Cu金属间化合物覆盖层的示例性方法的示意图；和图4是说明根据本专利技术实施例形成Cu金属间化合物/阻隔氮化物双层覆盖层的示例性方法的示意图。具体实施方式本文提供了用于使用铜(Cu)金属间化合物以形成用于Cu互连的粘合层，衬垫，电迁移(EM)阻隔和覆盖的技术。如本文所使用的，术语“金属间化合物”通常是指含有两种或更多种金属元素和任选的一种或多种非金属元素的合金。本文将呈现若干不同的实施方案。在第一示例性实施例中，使用形成金属间化合物以形成以下中的一个或多个的元素：粘合层，衬垫，EM阻隔和覆盖层。有利地，金属间化合物的形成提供了具有非常好的粘合性的界面；限制界面处的CuEM，并且如果形成EM空隙则允许冗余；在通孔底部提供EM阻挡层，这也增加了层间的粘合力并防止EM和裂纹扩展；并有助于防止铜扩散。在第二示例性实施例中，金属间化合物相由Cu或Cu合金双层(籽晶或籽晶和电镀(plate))和薄层金属形成，薄层金属在溶液中含有重要的氮(N)部分。作为具有上述给出的性质的金属间化合物形式，溶液金属-氮在氮气中浓缩，直到它在金属间和电介质之间形成阻隔氮化物。为了进一步说明溶液金属-氮的这个概念，可以看到锆(Zr)和锆的金属氮化物。氮化锆(ZrN)的组成可在约40原子百分比(at％)至约50at％氮(N)之间变化。然而，在金属形成金属氮化物之前，Zr本身可在金属溶液中含有相当量的氮。例如，在500摄氏度(℃)，α-Zr可以吸收高达20％的氮，而金属相中的结构没有变化。因此，具有Zr和20％氮的金属-氮溶液还不是金属氮化物，而是溶液中具有氮的金属。因此，Zr-N的重要部分约为20％。重要的部分因金属而异。仅举例来说，具有高氮溶解度(例如，高于5at％)的元素包括但不限于Zr，钛(Ti)和铪(Hf)。当金属合金化时这种溶解度会变化，并且随着温度的增加也会增加。在这种情况下，从阻隔氮化物到电介质或底部Cu两者的粘合是良好的。通过使用湿法蚀刻，反应离子蚀刻(RIE)或化学机械抛光(CMP)，该过程是自对准的。(例如，用于通孔底部的EM阻隔或在线顶部上的覆盖的湿法蚀刻或RIE以及用于侧壁和通孔底部的CMP)。在第三示例性实施例中，首先将金属或金属-氮化物层沉积到双镶嵌沟槽中。然后将样品退火以在通孔的底部形成金属间化合物，用于形成EM阻隔。然后进行第二次退火以在与Cu籽晶/电镀(seed/plated)反应之前将氮含量增加(或引入)到阻隔层中。现在将通过参考以下附图详细描述这些示例性实施例中的每一个。例如，图1示出了用于使用金属间化合物(根据第一示例性实施例)形成以下中的一个或多个的示例性方法100：粘合层，衬垫和EM阻隔(覆盖形成将在下面描述)。该工艺在步骤102中开始，具有金属(例如，Cu)线112，金属线112上的电介质114，以及已经在电介质114中形成向下到金属线112的通孔116。在步骤102中所示的结构，代表在后段(BEOL)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在Cu线上方的电介质中形成铜(Cu)互连的方法，所述方法包括以下步骤：在Cu线上方的电介质中形成至少一个通孔；在所述电介质上沉积金属层并衬垫所述通孔，使得所述金属层与所述通孔底部的Cu线接触，其中所述金属层包含至少一种能与Cu反应以形成Cu金属间化合物的金属；在足以在通孔底部形成Cu金属间化合物阻隔的条件下退火所述金属层和Cu线；和将Cu电镀到所述通孔中以形成所述Cu互连，其中所述Cu互连通过Cu金属间化合物阻隔与Cu线分离。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.06.30 US 15/198,2921.一种在Cu线上方的电介质中形成铜(Cu)互连的方法，所述方法包括以下步骤：在Cu线上方的电介质中形成至少一个通孔；在所述电介质上沉积金属层并衬垫所述通孔，使得所述金属层与所述通孔底部的Cu线接触，其中所述金属层包含至少一种能与Cu反应以形成Cu金属间化合物的金属；在足以在通孔底部形成Cu金属间化合物阻隔的条件下退火所述金属层和Cu线；和将Cu电镀到所述通孔中以形成所述Cu互连，其中所述Cu互连通过Cu金属间化合物阻隔与Cu线分离。2.如权利要求1所述的方法，其中所述金属层包括选自由以下组成的组的金属：镁，钙，锶，钡，钪，钇，镥，铈，钛，锆，铪，锌，镉，铝，镓，铟，硅，锗，锡，磷，砷，锑，硫，硒，碲，镧，铈，镨，钕，钷，钐，铕，钆，铽，镝，钬，铒，铥，镱及其组合物。3.如权利要求1所述的方法，其中所述条件包括从约150℃至约400℃的温度和其间的范围，以及约1秒至约30分钟的持续时间。4.如权利要求1所述的方法，其中所述条件包括约300℃至约700℃的温度和其间的范围，以及约1毫秒至约30毫秒的持续时间。5.如权利要求1所述的方法，其中所述条件包括从约700℃至约1200℃的温度和其间的范围，以及约10纳秒至约100纳秒的持续时间。6.如权利要求1所述的方法，还包括步骤：将电镀到通孔和金属层中的Cu退火以在通孔的侧壁上形成Cu金属间化合物衬垫。7.根据权利要求6所述的方法，其中，在所述通孔的侧壁上形成所述Cu金属间化合物衬垫的退火在氮气环境中执行。8.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：将Cu籽晶层沉积到通孔中并衬垫所述通孔；退火所述金属层和Cu籽晶层，以在通孔的侧壁上形成Cu金属间化合物衬垫；和将Cu电镀到在Cu金属间化合物衬垫上方的通孔中。9.如权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡朝坤，C·拉沃伊，S·罗森纳格，T·M·邵，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：美国,US