本发明专利技术公开了一种方法，用于在沉积级间介质或介质扩散阻挡层之前，用１－５ｎｍ厚的元素涂覆Ｃｕ镶嵌线的自由表面。该涂层提供防氧化保护，增加Ｃｕ和介质之间的粘附强度，并减小Ｃｕ的界面扩散。另外，薄覆盖层进一步增加了电迁移Ｃｕ寿命并减小了应力产生空隙。选定元素可以直接沉积在嵌入下层介质中的Ｃｕ上，而不引起Ｃｕ线之间的电短路。这些选定元素基于它们与氧和水的高负还原电势，和在Ｃｕ中的低溶解度并能与Ｃｕ形成化合物。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及用于集成电路的铜基互连的常规领域。
技术介绍
工业需要提高集成电路(IC)芯片性能突破0.25μm技术并降低部件尺寸，这使互连系统迁移至较低电阻率Cu基导体。通常通过单和/或双镶嵌工艺形成通常包括4到8级Cu互连的现代商业Cu IC芯片。在Cu互连电路元件中，两个最重要的芯片上互连可靠性问题是电迁移和应力产生空隙。用于IC芯片的铜金属化中的电迁移已被广泛研究。电迁移和应力产生空隙分别是在电场和应力梯度中通过扩散的原子运动。当互连在dc电流中受到电应力时，Cu原子的漂移会在微结构和/或材料改变的位置，即存在原子流量不平衡的位置，引起质量损耗(导致空隙或开路)或积聚(导致突出或短路)。Hu等人(1999年国际互连技术会议文集，p.197)报道了在Cu互连中的Cu质量输运首先发生在界面表面上而不是晶界上。在Cu互连结构中，线的顶部表面上通常覆盖如氮化硅的绝缘体，而线的底部和侧壁覆盖有如TaN/Ta的衬里。Cu线通过级间过孔与其它线相连。因为在Cu中顶部Cu/氮化硅界面上的扩散占优，从而电迁移流量被限制在δsw面积的顶部界面，其中δs是界面区域的有效厚度而w是线宽。在恒定线电流密度j下，流经界面区域的流量的相对量成比于界面面积除以线面积比率，δsw/(wh)或δs/h，其中h是线的厚度。Cu的电迁移寿命τ为ΔL/Vd＝ΔLhkT/(δsDsFe)，其中ΔL为引起故障的临界空隙长度，Vd是空隙生长率，Ds是界面扩散率，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，Fe是界面上的电迁移驱动力。ΔL通常与级间过孔尺寸相同。上述等式示出了寿命受界面扩散率Ds控制。为了当部件尺寸缩小到更小尺寸(这引起更高的电流密度和甚至更大的电迁移)时充分利用Cu芯片，沿界面的快速扩散路径，Ds，必须改变。本专利技术的意图和目的是调整在镶嵌结构中Cu线顶部表面的特性以减小快速扩散。这由于电迁移或应力产生故障的减少，将导致电路寿命(可靠性)的增加。在Cu镶嵌工艺中，美国专利申请号4,954,142、4,789,648和4,702,792，在绝缘材料中蚀刻过孔和沟槽，沉积金属以填充这些孔洞，并用化学机械抛光(CMP)去除多余金属并形成金属过孔和线。金属填充金属线、Cu籽晶层和Cu主体导体，都是通过物理气相沉积和电镀沉积技术的结合形成。该Cu互连(线和过孔)镶嵌在介质中。Hu等人(Thin Solid Films，262，p.84-92，1995)报道了除主体Cu导体之外Cu互连还需要金属和绝缘体粘附/扩散阻挡层。美国专利申请号6,342,733公开了在Cu表面顶部使用的无电镀选择性沉积膜选自CoWP、CoSnP、CoP、Pd、CoB、CoSnB、In、NiB和W，用于减小Cu线的电迁移和应力产生迁移。E.G.Colgan报道了一种用于覆盖Cu镶嵌线的选择性CVD-W膜(Thin Solid Films，262，p.120-123，(1995))，用于抑制Cu凸起形成和氧化保护。美国专利申请号5,447,599公开了用Ti/Cu和Cu(Ti)合金通过热退火和选择性湿法蚀刻形成TiN(O)。美国专利申请号5,447,887公开了Cu硅化物的使用，用于提高Cu和氮化硅之间的粘附性。美国专利申请号5,693,563公开了用于Cu镶嵌工艺的蚀刻停止方法，在Cu镶嵌线的顶部使用50到200nm厚的TiN覆盖膜，接着利用光致抗蚀剂构图TiN并随后蚀刻。美国专利申请号5,968,333将用纯Cu填充沟槽/孔洞的普通电镀方法扩展到使用Cu(Al)合金。美国专利申请号6,136,707公开了使用利用不同沉积技术的多层Cu籽晶层，用于提高在Cu或Ag工艺中的主体导体电镀。美国专利申请号6,181,012公开了Cu合金籽晶层的使用，用于提高电迁移阻抗和Cu互连的粘附/表面特性。美国专利申请号5,023,698公开了铜合金的使用，铜合金包含选自Al、Be、Cr、Mg、Ni、Si、Sn和Zn的至少一种合金元素。美国专利申请号5,077,005公开了铜合金的使用，铜合金包含选自In、Cd、Sb、Bi、Ti、Ag、Sn、Pb、Zr和Hf的至少一种合金元素，其中使用的合金元素的重量百分比介于0.0003到0.01之间。美国专利申请号5,004,520公开了用于膜载体应用的铜箔的使用，铜箔包含选自P、Al、Cd、Fe、Mg、Ni、Sn、Ag、Hf、Zn、B、As、Co、In、Mn、Si、Te、Cr和Zn的至少一种合金元素，其中杂质浓度重量百分比从0.03到0.5。美国专利申请号4,749,548公开了铜合金的使用，铜合金包含选自Cr、Zr、Li、P、Mg、Si、Al、Zn、Mn、Ni、Sn、Be、Fe、Co、Y、Ce、La、Nb、W、V、Ta、B、Hf、Mo和C的至少一种合金元素，以提高铜合金的强度。然而，当前技术没有一个公开使用这样的Cu互连，其构造为在顶部Cu表面上直接沉积0.5到5纳米的很薄的层，该层包括具有与氧的高负还原电势和与铜形成化合物的能力的金属元素。此创新的应用将充分改善Cu互连以便Cu ULSI芯片上布线可以扩展到将来的生产。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是改善集成电路的Cu互连，以便Cu ULSI芯片上布线可以扩展到将来的生产。本专利技术的另一个目的是提供Cu镶嵌互连部件，其中线的顶部表面直接覆盖有0.5到5nm厚的金属层以提高电迁移和侵蚀阻抗，增强粘附，并减小应力产生空隙。本专利技术的另一个目的是调整在集成电路中的镶嵌结构中的Cu线的顶部表面的特性以减小快速扩散，因为电迁移或应力产生故障的减小导致电路寿命(可靠性)的提高。根据本专利技术，提供了Cu镶嵌互连部件，其中线的顶部表面直接覆盖有0.5到5nm厚的金属层，该层提高电迁移和侵蚀阻抗，增强粘附，并减小应力产生空隙。在优选实施例中，提供用于给电子器件提供电通信的Cu互连，该互连包括基本上由铜或铜合金导体形成的体块，以及在Cu线和介质材料的顶部表面上沉积的包括相当于2到25原子层的0.5到5nm的金属膜。在介质材料上沉积的选定金属将转化为金属氧化物。薄层由选自Al、Ca、Hf、Mg、In、P、Pr、Sb、Se、Sn、Ti、V和Zr的至少一种元素形成。本专利技术的其它好处和优点，将通过随后参考详细说明并示出本专利技术的的优选实施例的附图的详细描述变的更加明显。附图说明图1是Cu镶嵌互连的截面图的图示表示。图2是根据本专利技术的实施例的Cu镶嵌互连的截面图的图示表示。图3是根据本专利技术的实施例的Cu镶嵌互连的截面图的图示表示，其中选择性地去除图2中的金属氧化物层。图4是在300℃下沉积的1nm Sb覆盖的Cu线的截面TEM图，其中示出了包括位错环的26nm厚的富Sb层。图5是覆盖有1nm Sb的Cu线的截面TEM图(左)和通过穿过Cu表面顶部的x射线扫描取得的Sb和Cu的强度数(右)。图6是覆盖有3nm In的Cu线的截面TEM图(左)和穿过Cu表面顶部的In和Cu的强度数(右)。图7是0.18μm宽Cu镶嵌线的电迁移中值寿命与1/T的关系图。具体实施例方式在图1中示出了常规Cu互连的截面示意图。电子结构1包括典型的三级Cu双镶嵌互连。示出了粘附/扩散金属衬里(例如TaN/Ta，TaTi)12和Cu导体块体13，绝缘体(Si本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种多级互连结构，包括双或单镶嵌Ｃｕ互连，所述互连覆盖有０．５－５ｎｍ厚的选定元素的膜，所述元素具有针对电化序从－０．０１Ｖ至－４Ｖ的标准还原电势，以及在３００℃下小于３原子百分比的低溶解度，并与Ｃｕ形成化合物。
【技术特征摘要】
US 2005-1-18 11/037,9701.一种多级互连结构，包括双或单镶嵌Cu互连，所述互连覆盖有0.5-5nm厚的选定元素的膜，所述元素具有针对电化序从-0.01V至-4V的标准还原电势，以及在300℃下小于3原子百分比的低溶解度，并与Cu形成化合物。2.根据权利要求1的互连结构，其中所述Cu互连包括Cu，所述Cu覆盖有选自Sb、In、Sn、Hf、Ti和P的至少一种元素，用于所述互连结构提高电迁移阻抗和侵蚀阻抗，以及减小应力产生空隙。3.根据权利要求1的互连结构，其中所述Cu互连包括厚度在0.5到5nm之间的金属覆盖层。4.根据权利要求1的互连结构，其中所述Cu互连包括Cu块体，所述Cu块体覆盖有二到二十五原子层的Sb、In、Sn、Hf、P和Ti。5.根据权利要求4的互连结构，其中所述Cu互连包括Cu块体，所述Cu块体覆盖有可以通过物理气相沉积、化学气相沉积、电镀和/或原子层沉积技术沉积的二到二十五原子层的Sb、In、Sn、Hf、P和Ti。6.根据权利要求1的互连结构，其中所述Cu互连包括Cu块体，所述Cu块体覆盖有在高于200℃的温度下沉积的In和Sn的薄金属层。7.根据权利要求1的互连结构，其中所述Cu互连包括Cu块体，所述Cu块体覆盖有在高于300℃的温度下沉积的Sb、Hf或Ti的薄金属层。8.根据权利要求1的互连结构，其中所述Cu互连包括Cu块体，所述Cu块体覆盖有0.5-5nm厚的薄金属层，所述薄金属层在高于300℃的样品温度下的Cu-杂质混合后，在Cu互连的顶部表面上形成金属间Cu化合物和/或1-26nm的富杂质区域。9.根据权利要求1的互连结构，其中所述Cu互连包括覆盖有薄金属层的Cu线或部件，并且所述相同金属层在相邻绝缘体表面上形成金属氧化物...
【专利技术属性】
技术研发人员：J布吕莱，RA卡拉瑟斯，LM吉纳克，胡朝坤，EG利宁格，SG马尔霍特拉，SM罗斯纳格尔，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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