引入了金属籽晶层的铜互连结构制造技术

本发明专利技术公开了一种用于提供与电子器件电联耦合的互连结构，该互连结构包括基本上由铜构成的主体和或者是铜合金或者是不含铜的金属构成的籽晶层，所说籽晶层夹在铜导电体和电子器件之间，用于改善互连结构的抗电迁移性、粘附性和其它表面特性。本发明专利技术还公开了形成用于提供与电子器件的电连接的互连结构的方法，包括以下步骤：首先在电子器件上淀积铜合金或不含铜的其它金属构成的籽晶层，然后在籽晶层上与之紧密键合地形成铜导电主体，以便改善互连结构的抗电迁移性、粘附性和其它表面特性。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种提供与电子器件的电耦合的互连结构，及制造这种结构的方法，特别涉及一种提供与电子器件的电连接的互连结构，通过引入夹在铜导电主体和电子器件间的铜合金籽晶层，从而改善互连结构的抗电迁移性、粘附性和表面特性。制造为半导体芯片结构、平板显示器、及封装应用中的通孔、连线、或其它凹槽提供互连的技术已开发出许多年了。例如，在开发用于超大规模集成(VLSI)结构的互连技术中，采用了铝作为位于单个衬底上的各半导体区或各器件的接触和互连的主要金属来源。由于铝的低成本、良好欧姆接触、及高导电性，选择了铝材料。然而，纯铝薄膜导体具有所不希望的特性，如限制了其用于低温处理的低熔点，导致接触和结失效的退火期间向硅中的可能扩散，及电迁移。因而，已研究了多种优于纯铝的铝合金。例如，美国专利4566177公开了一种含高达3wt％的硅、铜、镍、铬和镁以提高抗电迁移性的铝合金导电层。美国专利3631304公开了一种具有也用于提高抗电迁移性的氧化铝的铝合金。近年来开发的ULSI技术由于这些器件的极高电路密度和更快的工作速度，对于布线需要有更严格的要求。这导致了在日益变小的导电连线中更高的电流密度。结果，需要有更高导电性的布线，而该布线对于铝合金导体来说要求有较大截面的金属线，或者要求具有较高导电性的不同布线材料。显然工业上的选择是利用具有期望的高导电性的纯铜开发后者。在形成如通孔和连线等ULSI互连结构的过程中，铜可以淀积到这些凹槽中，从而互连位于同一衬底上的各半导体区或各器件。然而，已知由于铜的低抗电迁移性，其在半导体器件的结中存在问题。在电场叠加于金属化固体中的随机热扩散上引起了离子在电子流方向的净漂移时，会发生电迁移现象。任何铜离子扩散到硅衬底中都会导致器件失效。此外，纯铜与如二氧化硅和聚酰亚胺等含氧介质不能很好粘附。为了在互连技术中充分利用铜，还必须提高铜的粘附性。转让给本专利技术的共同受让人的美国专利5130274公开了利用含原子百分比少于2％的合金元素的铜合金的方法，首先在互连结构的凹槽中淀积合金，然后，形成铜合金栓塞，并在铜栓塞的暴露表面上形成合金元素的氧化物薄层。然而，该技术仍不能满足对于薄膜芯片互连来说是严重问题的其临界尺寸小于0.5微米的ULSI结构的严格要求。在深亚微米逻辑电路布线结构中采用标准Al(Cu)合金和二氧化硅介质导致了由布线互连引起的大电路延迟。其它人已试图采用Cu作ULSI布线结构中的Al(Cu)的替代材料提高芯片的速度。然而，在Cu互连中仍存在许多问题，如Cu易于侵蚀，铜在薄膜中有很快的表面扩散速率。已知纯Cu具有比Al(Cu)的电迁移激活能0.8-0.9eV小的电迁移激活能，即0.5-0.8eV。于是，采用Cu减小芯片工作条件下的互连电迁移失效是很好的折衷方案。附图说明图1中展示了利用由铜合金制造的常规互连的电子结构的放大剖面示意图。电子结构10包括在预先制造的器件20上利用镶嵌工艺的两级铜互连12、16和一个间柱级14，例示了铜布线结构。器件20建立在半导体衬底24上。如图1所示，首先利用平面介质叠层26制造典型的镶嵌级。然后，利用标准的光刻和干法腐蚀技术构图并腐蚀介质叠层26，形成所要求的布线或通孔图形。然后，是薄粘附/扩散衬里18和铜合金金属12的金属淀积，其中底部氮化硅层28用作扩散阻挡层，其预先淀积在器件20的上部，以防止铜扩散。形成了铜合金互连12后，淀积上部氮化硅层32，作为限定下一级铜互连14的腐蚀停止层。淀积了第二级介质叠层34后，在介质层34和氮化硅层32中腐蚀用于互连的凹槽。然后，利用与淀积第一级铜合金互连12类似的技术，淀积具有衬里22的层间铜合金间柱14。可以用不同的金属淀积技术填充该沟槽或通孔。这些技术包括准直溅射工艺、离子簇束工艺、电子回旋共振工艺、化学汽相淀积工艺、无电镀敷工艺和电解镀敷工艺。在形成铜合金层时，还可以用如共淀积方法等其它技术，其中铜和合金元素一同淀积。例如，共淀积法包括共溅射、共镀敷、共化学汽相淀积和共蒸发。完成了层间铜合金间柱14后，重复另一类似的工艺，在第三级介质叠层38中形成带有衬里24的第二级铜互连16。该间柱和第二级互连间采用氮化硅作腐蚀停止层36。最后，在铜布线结构10的上部淀积上部氮化硅层42，用于保护器件免受环境影响。另外一些人试图用铜合金提供增强的抗电迁移能力。例如，美国专利5023698教导了至少含选自Al、Be、Cr、Fe、Mg、Ni、Si、Sn、和Zn中一种合金元素的铜合金。美国专利5077005教导了至少含选自In、Cd、Sb、Bi、Ti、Ag、Sn、Pb、Zr和Hf中一种的铜箔，其中合金元素的重量百分比为0.0003-0.01。这些铜合金用于TAB工艺和用作印刷电路板部件。美国专利5004520教导了用于膜载体应用的铜合金，其中至少含选自P、Al、Cd、Fe、Mg、Ni、Sn、Ag、Hf、Zn、B、As、Co、In、Mn、Si、Te、Cr、和Zn中的一种合金元素，合金元素的浓度为0.03-0.5wt％。这些合金用作集成电路芯片安装中的连接引线。另外，美国专利4749548教导了至少含选自Cr、Zr、Li、P、Mg、Si、Al、Zn、Mn、Ni、Sn、Ti、Be、Fe、Co、Y、Ce、La、Nb、W、V、Ta、B、Hf、Mo和C中一种合金元素的铜合金。这些合金元素用于提高铜合金的强度。美国专利5243222和5130274教导了用于改善扩散阻挡层的粘附性和形成的铜合金。然而，这些现有技术中没有一种教导很好地改善了用于ULSI芯片上或芯片下布线互连，以满足抗电迁移性和粘附性的要求的铜合金。USLI器件的互连结构必须在宽度远小于0.5微米、高宽比大于1的绝缘体结构中提供致密、完全连续的金属布线。因此，本专利技术的一个目的是提供一种铜合金互连结构，不存在常规铜互连结构的缺点和问题。本专利技术另一目的是提供一种铜合金互连结构，具有改善了的抗电迁移性、粘附性和其它表面特性。本专利技术再一目的是提供一种铜合金互连结构，在铜合金互连体和与之相连的电子器件之间的界面处使用了籽晶层。本专利技术又一目的是提供一种铜合金互连结构，其中引入了夹在铜导电主体和该互连与之相连的电子器件之间的铜合金籽晶层。本专利技术又再一目的是提供一种铜合金互连结构，其中在形成铜导电主体之前淀积铜合金耔晶层，所说铜合金籽晶层中至少含有Sn、In、C、Ti、Zr、N、O、Cl、或S中的一种元素，用于提高互连结构的抗电迁移性。本专利技术还一目的是提供一种铜合金互连结构，其中在形成铜导电主体之前淀积铜合金籽晶层，所说铜合金籽晶层中至少含有选自Al、Mg、Be、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的一种元素。本专利技术又一目的是提供铜合金互连结构，其中利用至少含有B、N、P、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt、Ag、Au、Zn或Cd中的一种元素的铜合金籽晶层，以改善互连结构的表面特性。本专利技术再一目的是提供一种铜合金互连系统，其中淀积夹在铜导电主体和电子器件之间由一种金属构成的金属籽晶层，所说金属选自Ag、Mo、W或Co，以改善铜导电主体的淀积工艺。本专利技术还一目的是提供一种形成互连结构的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于提供与电子器件的电连接的互连结构，包括： 基本上由铜形成的主体；及 夹在所说主体和所说电子器件之间且与它们紧密接触的铜合金籽晶层，用于改善所说互连结构的抗电迁移性。

【技术特征摘要】
US 1998-4-27 09/0678511·一种用于提供与电子器件的电连接的互连结构，包括基本上由铜形成的主体；及夹在所说主体和所说电子器件之间且与它们紧密接触的铜合金籽晶层，用于改善所说互连结构的抗电迁移性。2·根据权利要求1的互连结构，其中所说铜合金籽晶层包括铜和至少选自Sn、In、Zr、Ti、C、N、O、Cl、和S中的一种元素。3·根据权利要求1的互连结构，其中所说铜合金籽晶层的厚度为约0.1nm-约100nm。4·根据权利要求1的互连结构，其中所说铜合金籽晶层的厚度最好为约1nm-约100nm。5·根据权利要求1的互连结构，还包括其上淀积有铜合金籽晶层的扩散阻挡层。6·根据权利要求5的互连结构，其中所说扩散阻挡层由选自Ta、TaN、W、TaSiN、TiN、WN、WSiN、TiAlN和TiSiN中的一种材料淀积。7·根据权利要求5的互连结构，其中利用选自溅射、电离溅射、化学汽相淀积、蒸发和电化学法中的一种技术在所说阻挡层上淀积所说铜合金籽晶层。8·根据权利要求1的互连结构，其中基本上由铜构成的所说主体是由铜和重量百分比为约0.001％-10％的选自C、N、Cl、O和S中的至少一种合金元素形成。9·根据权利要求1的互连结构，其中所说铜合金籽晶层由金属化合物、金属固溶体或金属相的两相混合物构成的。10·根据权利要求1的互连结构，其中所说铜合金籽晶层是约0.25-1.5原子％的Sn或In的铜。11·根据权利要求1的互连结构，其中所说结构用于芯片上或芯片外(off-chip)。12·根据权利要求1的互连结构，其中所说结构是选自通孔、连线、间柱和用于TAB、BGA或PGA的布线引线中的一种部件。13·根据权利要求1的互连结构，其中所说结构是具有2-10个布线级的多级结构。14·根据权利要求1的互连结构，其中所说结构建立在预先淀积的金属硅化物或W间柱和W局部互连层上。15·一种用于提供与电子器件的电连接的互连结构，包括铜导电主体，及夹在所说铜导电主体和形成于所说电子器件上的扩散阻挡层之间且与它们紧密接触的铜合金籽晶层，用于改善与所说底层扩散阻挡层的粘附性，所说铜合金籽晶层包括铜和选自Al、Mg、Be、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Pb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Re、Si和Ge中的至少一种元素。16·根据权利要求15的互连结构，其中所说铜合金籽晶层的电阻率大于铜导电主体的电阻率。17·根据权利要求15的互连结构，其中所说铜合金籽晶层的厚度为约0.1nm-约100nm。18·根据权利要求15的互连结构，其中基本上由铜构成的所说铜导电主体，由铜和重量百分比为约0.001％-约10％的选自C、N、Cl、和0中的至少一种合金元素形成。19·根据权利要求15的互连结构，其中所说铜合金籽晶层由金属化合物、金属固溶体或金属相的两相混合物形成。20·根据权利要求15的互连结构，其中所说结构是选自通孔、连线、间柱扣用于TAB、BGA或PGA的布线引线中的一种部件。21·根据权利要求15的互连结构，其中所说结构是具有2-10个布线级的多级结构。22·根据权利要求15的互连结构，其中所说结构建立在预先淀积的金属硅化物层上。23·一种用于提供与电子器件的电连接的互连系统，包括铜导电主体，及夹在所说铜导电主体和所说电子器件之间且与它们紧密接触的铜合金耔晶层，用于改善电子器件的表面特性，所说铜合金籽晶层包括铜和选自B、O、N、P、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt、Ag、Au、Zn和Cd中的至少一种元素。24·根据权利要求23的互连系统，还包括夹在所说铜合金籽晶层和所说电子器件间的扩散阻挡层。25·根据权利要求24的互连系统，其中所说扩散层由选自Ti、Ta、Wb、Mo、TaN、W、WN、TiN、TaSiN、WSiN、TiAlN和TiSiN中的一种材料淀积。26·根据权利要求23的互连系统，其中所说铜合金籽晶层的厚度为约0.1nm-约100nm。27·根据权利要求23的互连系统，其中所说结构是选自通孔、连线、间柱和用于TAB、BGA或PGA的布线引线中的一种部件。28·根据权利要求23的互连系统，其中基本上由铜构成的所说铜导电主体由铜和重量百分比为约0.001％-约10％的选自C、N、O、Cl、和S中的至少一种合金元素形成。29·根据权利要求23的互连系统，其中所说铜合金籽晶层是金属相的1a-相混合物。30·一种用于提供与电子器件的电连接的互连系统，包括铜导电主体，及夹在所说铜导电主体和所说电子器件之间且与它们紧密接触的金属籽晶层，用于改善铜导电主体淀积工艺，所说金属耔晶层由在铜中的溶解度小到基本上不能形成...

【专利技术属性】
技术研发人员：DC埃德尔斯坦，JME哈珀，AH西蒙，CE乌祖赫，胡朝坤，
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]