防止半导体器件中的铜脱层制造技术

半导体器件包含形成于半导体衬底（１１０）上的阻挡层。开孔（１２０）形成于处在衬底上的绝缘层（１３０）中，从而露出下部铜层（１４０）。开孔和下部铜层被暴露于无等离子体还原气氛（２００）中进行热退火。阻挡层被沉积到暴露的开孔中以及沉积到暴露的下部铜层上。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
001本专利技术针对的是具有铜电学互连结构的半导体器件的制造。
技术介绍
002在集成电路半导体器件中越来越多地使用铜来制作电学互连。 然而，铜的这种使用在器件制作工艺中可能面临困难。例如，当铜被 蚀刻时，其可能在半导体器件上或者处理腔室中的其他地方重新沉积。 铜原子还容易扩散到含硅的电介质层中。由铜在不需要的位置上引起 的污染可以使集成电路的性能退化或破坏。003减少与铜蚀刻和扩散相关的问题的现有方法是在沉积铜之前沉 积阻挡层。该阻挡层用来阻止铜原子迁移到半导体器件的其他元件中。 第一薄的铜层(种子层)首先沉积在扩散阻挡层上以便有助于铜到扩 散阻挡层的粘附。然后，接着在铜种子层上沉积第二较厚的铜层(导 电层)。004在典型的半导体器件制造工艺中，层间或金属内绝缘层被沉积 到半导体晶片上并被图案化以形成连线、通路和沟槽开孔。然后，该晶片由一种或多种光刻胶清除设备处理，接着转移到沉积阻挡层和种 子层的设备。 一般而言，扩散阻挡层和铜种子层是通过真空工艺比如 物理气相沉积(PVD)而沉积到该晶片上的。厚的铜导电层通过湿法工 艺比如电化学沉积(ECD)进行沉积。005由于晶片清洗和阻挡层沉积在不同的设备上完成，因此在该晶 片被转移到沉积设备之前暴露在空气中一段时间。晶片清洗和种子层 沉积的机器运行时间的积压(backlog)和失配或者沉积设备故障可能 将这段时间延长到几小时甚至几天。当晶片的处理在延期后得以恢复 时，可能出现绝缘层或阻挡层从晶片上的脱离。006因此，需要一种形成阻挡层的方法，其使脱层最少且能够适应 晶片清洗与阻挡层沉积之间的延迟。
技术实现思路
007本专利技术提供了一种制造半导体器件的方法，该方法包括在半导 体衬底上形成阻挡层。008在所描述的示例性实施例中，开孔形成于处在衬底上的绝缘层 中从而露出下部铜层。在有热退火的情况下，该开孔和下部铜层被暴 露于无等离子体的还原气氛中。在暴露的开孔中以及暴露的下部铜层 上沉积阻挡层。009在另一个实施例中，集成电路单元位于半导体晶片上而铜互连 形成在绝缘层中。此铜互连是通过以下步骤形成的形成开孔以露出 下部铜层，如上所述暴露该开孔和下部铜层，以及在暴露的开孔中和 暴露的下部铜层上沉积阻挡层。形成该铜互连还包含在阻挡层上形成 铜种子层并在该铜种子层上电化学沉积第二铜层。该铜互连与集成电 路单元相连接以提供电通信路径。附图说明010图1-3说明了应用本专利技术的原理制造半导体器件的示例性方法 中的选定步骤的横截面图，该方法包括在半导体衬底上形成阻挡层； 以及011图4-6说明了依据本专利技术的原理制造示例性集成电路的方法中 的选定步骤的横截面图。具体实施例方式012结合本专利技术，人们认识到来自空气或者来自晶片清洗的残留水或碳氢化合物的分子污染物与绝缘层和下部铜层相互作用，所述下部铜层通过在绝缘层上形成开孔而暴露出来。这些分子污染物在晶片清 洗与阻挡层沉积之间的扩展延迟时间内会被吸收进入绝缘层。分子污染物还可以在扩展延迟期间与下部铜层相互作用，导致铜的氧化和羟 基化。此相互作用经确定在晶片的无源区比如不存在有源器件的划片 区中尤为强烈。人们进一步发现，划片区中的这些相互作用/反应往往 是脱层(delamination)的原因。013人们认为与下部铜层上氧化铜或氢氧化铜的形成相关的体积膨胀削弱了多层绝缘层的内部附着力。例如，包含氮化硅层的硬模层和 有机硅玻璃层之间的附着力可能被削弱。人们也认为在阻挡层沉积的 脱气步骤中对衬底的快速加热导致吸收进绝缘层比如氮化硅层和有机 硅玻璃层之间的分子污染物释放并蒸发出来。分子污染物在其快速加 热期间的气化削弱了多层绝缘层的内部附着力以及绝缘层与下部铜层 的附着力。014本专利技术是基于对将半导体衬底的开孔和下部铜层暴露于无等离 子体还原气氛中并经受热退火的优点的认知。尽管本专利技术是在铜互连 中形成阻挡层的情况下讨论的，但本专利技术可以应用于需要保护以防止 绝缘层和阻挡层从铜表面分离的任何地方。015图1说明了在位于衬底110上的绝缘层130中形成开孔120后， 设置于半导体器件衬底110上的铜电学互连100。该衬底110可以包含 用于制造集成电路的任何材料，例如硅晶片。在一些实施例中，绝缘 层130可以包含层间或金属内电介质材料。开孔120可以包含任何常 规互连100，该互连包括连线、通路或沟槽。例如，开孔120可以用常 规光刻和干法等离子蚀刻过程来形成。016如图1进一步所示，形成开孔120会露出位于下部绝缘层145 中的下部铜层140。该下部铜层140可以包含上述常规互连类型中的任 何类型。分子污染物150比如衬底110上方空气中所含的氧气和水可 能与下部铜层140反应以形成氧化铜或氢氧化铜沉淀物155。氧化铜和 氢氧化铜沉淀物的形成由于某些阻挡层制造工艺所喜欢的高湿度环境(例如，大约60%的湿度)而变得更加严重。017还如图1所示，分子污染物150例如水或碳氢化合物可以被吸 收进绝缘层130中。在一些实施例中，例如当绝缘层130包含多孔的 低k电介质材料时，对分子污染物150的吸收可能是相当大的。当绝 缘层130包含有机硅玻璃(OSG)层160、氮化硅层165和正硅酸乙酯 沉积的氧化硅层170中的一种或多种时，就会出现这种情况。018如上所指明的，分子污染物150可以来自衬底110上方的空气。 替代地，分子污染物150可以来自清洗残留物。在一些优选的实施例 中，在形成开孔120后但在沉积阻挡层前，光刻胶是通过等离子灰化 和湿法清洗中的一种或两种从衬底110去除的。在一些实施例中，等 离子灰化包括在200°C下将衬底110暴露于含有氧气和四氟化碳的等 离子体中，以便将光刻胶转化为挥发性的碳氧化物和水蒸气。分子污 染物150可以包含未被等离子灰化设备的真空系统去除的残留挥发性 碳氧化物和水蒸气。019在其他实施例中，湿法清洗包括用水溶剂或有机溶剂清洗衬底 110，且更优选用含氟化物的溶剂来清洗衬底，且更优选用pH缓冲氟 化物去膜剂比如ACT NE-14 (Ashland Specialty Chemical Company, Dublin, OH)。分子污染物150可以包含残留溶剂。020图2说明了在开孔120和下部铜层140暴露于无等离子体还原 气氛200进行热退火期间的铜互连100。术语还原气氛用来指代能 将氧化铜还原为金属铜的气体或气体组合。人们认为还原气氛200和 热退火协作以降低在阻挡层110沉积过程中脱层的发生率。021还原气氛200将氧化的和羟基化的铜沉淀物155 (图1)转变 为单质铜，从而提高下部铜层140和绝缘层130之间的附着力。同时 发生的热退火加速了将氧化铜和氢氧化铜沉淀物155还原为金属铜的 速率。此外，伴随还原气氛200的流动的热退火有助于从绝缘层上解 吸附和清除分子污染物150 (图1)。例如，在有还原气氛200的流动 的情况下分子污染物150的清除速率要比在真空的情况下快。从绝缘 层130上去除分子污染物150因而提高了绝缘层130中的多层160、 165、170之间的附着力以及下部铜层140和绝缘层130之间的附着力。 从绝缘层130上去除诸如水的分子污染物150还有利地消除了促进氧 化铜和氢氧本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造半导体器件的方法，其包括：在半导体衬底上的绝缘层中形成开孔，从而露出下部铜层；将所述开孔和所述下部铜层暴露于无等离子体还原气氛中进行热退火；以及将阻挡层沉积在所述暴露的开孔中及所述暴露的下部铜层上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2005-6-13 11/151,1541.一种制造半导体器件的方法，其包括在半导体衬底上的绝缘层中形成开孔，从而露出下部铜层；将所述开孔和所述下部铜层暴露于无等离子体还原气氛中进行热退火；以及将阻挡层沉积在所述暴露的开孔中及所述暴露的下部铜层上。2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述无等离子体还原气氛包 含还原气体，所述还原气体包括氢气、 一氧化碳或其混合物。3. 根据权利要求1所述的方法，其中所述热退火包括将所述衬底 的温度维持在约150°C至约300°C的温度范围内约3分钟至约6分钟。4. 根据权利要求1所述的方法，其中所述热退火包括以小于约 5°C每秒的速度提高所述衬底的温度。5. 根据权利要求1所述的方法，其中所述绝缘层包含有机硅玻璃 0SG、氮化硅、正硅...

【专利技术属性】
技术研发人员：S阿加尔瓦拉，KJ泰勒，
申请(专利权)人：德克萨斯仪器股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]