直接在芯片上铜互连结构的钽合金层上沉积铜的方法技术

本发明专利技术提供一种直接在芯片上铜互连结构的钽合金层上沉积铜的方法，其包括由中性或碱性电解质电沉积铜到钽合金层的表面上，其中所述钽合金层沉积在所述芯片上铜互连结构的衬底上，且其中在没有使用籽层的情况下铜成核到所述钽合金层的表面上以形成铜导体。

【技术实现步骤摘要】

本开涉及 一 种在芯片上铜互连结构(on-chip copper interconnect structure)的钽合金层上直接沉积铜的方法，该方法包括从中性或碱性电解 质电沉积铜(Cu)到Ta合金层的表面上，其中Ta合金层沉积在芯片上Cu 互连结构的衬底上，在没有采用籽层的情况下Cu在Ta合金层的表面上成核 以形成Cu导体。在Ta合金上直接沉积Cu消除了为了形成Cu导体而沉积 Cu籽层的需要和缺点。
技术介绍
制造芯片上铜互连的现有技术依靠采用铜籽层(copper seed layer)作为 电镀基底(plating base )用于随后的铜电沉积反应。铜籽层一般通过物理气 相沉积(PVD)、真空沉积4支术来沉积。铜冲予层沉积在衬垫层(liner)上， 村垫层通常为亦通过PVD沉积的Ta/TaN (氮化钽)双层。TaN作为扩散阻 挡，防止铜扩散到电介质中并破坏下面的硅器件，例如半导体逻辑和存储器 件。已发现PVD沉积的铜籽层对电沉积的Cu与衬底的良好粘合是必要的， 对随后用电沉积的铜成功地填充特征也是必要的。用铜填充的特征通常可包 括窄金属线、通孔和大垫片(pad)。随着未来技术的特征尺寸缩小，在特 征内获得PVDCu籽层的良好阶梯覆盖变得越来越难，特别是在侧壁上。不 完整或非连续的籽层覆盖(其可被称为鳞化(scaling))导致电镀特征中没 有籽层处的孔洞(void)和低的产率。结果，在深的、高纵4黄比的特征中不 能获得良好的PVD Cu籽层覆盖，使得不能用电沉积的Cu填充特征。本公开的方法通过利用Ta合金层代替单独的Ta作为衬垫层克服了 PVD Cu籽层鳞化的难题。然而，TaN层可沉积且保留在Ta合金层下面作为扩散 阻挡层。如果使用适当的电镀化学品(例如中性或碱性的Cu电镀电解质， 诸如基于柠檬酸盐(citrate)或焦磷酸盐(pyrophosphate salt)的那些)，与 Ta合金的元素(其可包括Cu)允许直接沉积到Ta合金表面上。亦可使用使4Cu成功成核到Ta合金表面上的其他合金元素，其可包括Pt族金属和铁族 金属，当它们与Ta形成合金时促进Cu成核。可通过PVD或一些其他真空 沉积手段例如化学气相沉积来沉积Ta合金层。阶段沉积(phase-in deposition )(故意沉积成分上呈梯度的合金膜，表 面富含Cu的TaCu合金是一个这样的例子)能有利地用来获得Cu层到Ta 合金表面的良好成核和二者之间的良好粘合。用中性或石成性Cu电解质在Ta 合金上沉积初始Cu层之后，采用常规的酸性Cu电解质，其具有实现良好 的特征填充所需的普通的有机添加剂。由于PVDCu籽层阶梯被消除，所以 不完整或非连续的Cu籽层沉积的问题被克服。
技术实现思路
因此，本公开的一个方面在于通过在芯片上铜互连结构的Ta合金层上 直接沉积铜来克服PVDCu籽层鳞化的难题。特别地，所述方法大体包括 从中性或碱性电解质电沉积铜到钽合金层的表面上， 其中钽合金层沉积在芯片上铜互连结构的衬底上，且 其中在没有使用籽层的情况下铜成核到钽合金层的表面上以形成铜导体。本公开的其他目的和优点将从下面的详细描述变得对本领域技术人员 而言显而易见，下面的详细描述中4叉以示范优选才莫式的方式在优选实施例中 简单地示出和描述了本专利技术。如将要认知的那样，本公开能够包括其他且不 同的实施例，其若干细节能在各种明显的方面进行修改而不偏离本公开的含附图说明图1示出在》威性铜电镀电解质中具有各种Cu含量的TaCu合金衬底的 极化行为的曲线图。图2示出TaCu、 TaPt和TaNi合金衬底的极化行为的曲线图。图3显示在TaCu、TaPt和TaNi合金上电镀的Cu的数张SEM显微照片。图4显示在Ta和具有各种Cu含量的TaCu合金上沉积的20nm Cu的形貌。图5和图6显示在具有各种Cu含量的TaCu合金上沉积的Cu的数个截面图。具体实施例方式结合附图参考下面的详细描述能更好地理解/人而容易地获得本公开的 更完整的认知和许多附带优点。在本公开的方法中，用于实现电沉积的Cu在Ta合金衬底上的高的核密 度的电解质成分可包括但不限于例如基于种檬酸的铜盐、乙二胺四乙酸 (ethylene diamine tetra-acetic acid， EDTA )的铜盐、焦石岸@臾的4同盐、或氰才艮 离子的铜盐的电介质。这种电解质化学品一^:称为打底电解液(strike bath)，因为当沉积在其他方式难以电镀的衬底表面上时它们能够具有高的成 核密度。例如，以约1至约5mA/cn^的电流密度从含有O.IM硫酸铜、0.2M柠檬 酸钠和0.3M硼酸的pH值在约9至约12范围的室温4科蒙酸电解液沉积铜可 用于该目的。替代地，也可以卩吏用以约10至约20mA/cm2的电流密度在50 。C从含有0.25M焦磷酸铜、l.OM焦磷酸钾和0.4M磷酸钾的pH值约8.5的 焦磷酸电解液发生的沉积。这样的电解液的其他示例可在文献中找到。取决于特征几何图形和层的厚度分布均匀度，Ta合金层和/或扩散阻挡 层的厚度可乂人约1至约50nm。通常，膜的额定厚度(nominal thickness )可 以用来保证全部特征中材料的良好覆盖。在Ta合金中的合金元素可包括但不限于Fe、 Ru、 Os、 Co、 Rh、 Ir、 Ni、 Pd、 Pt、 Cu、 Ag、 Au、以及它们的混合物。Ta合金优选是TaCu、 TaPt或 TaNi之一。当Ta合金是TaCu时，合金中的Cu量可以是40至45重量百分 比，如下文所述。百分比范围。通常，期望保持合金元素的含量尽可能低从而最大化Ta合金 的衬垫性能。同时，必须包括足够量的合金元素以确保铜电沉积在合金表面 上。参照本公开的附图，图1显示在各种TaCu合金衬底上从碱性柠檬酸盐 电解质进行的铜沉积的极化行为。在含有40%和45% Cu的TaCu合金上的 更高沉积电流证实在这些衬底上比在更低Cu含量的TaCu合金和纯Ta上更 容易地进行沉积。图2显示由石威性柠檬酸盐电解质在分别具有40%Cu、 20% Pt和20% Ni (重量百分数)的Ta合金上的铜沉积的极化行为。沉积最容易在TaCu合金 上发生，其次是TaPt合金，然后是TaNi合金，如电流密度行为所示。图3显示由柠檬酸盐电解液在与图2所示相同的合金上电沉积的5nm Cu的自顶向下扫描电子显微镜(SEM)照片。对于TaCu合金观察到最高的 成核密度，其次为TaPt合金，然后为TaNi合金。这与图2中观察到的电流 密度趋势一致。图4显示通过原子力显微镜(AFM)观察到的由柠檬酸盐电解液在各种 TaCu合金上电沉积的20nm Cu的形貌。对于每种沉积示出均方4艮(root mean square)值。从表面光滑的角度来看，在促进铜在合金表面上的均匀成核方 面，Ta中仅5°/。的Cu是有效的。图5显示对于各种TaCu合金，在合金表面上的铜成核的数个自顶向下 SEM图像。如通过图4的AFM所观察，仅5%的Cu提高了 TaCu表面上电 沉积的Cu的成核密度。图6显示劈开的合金衬底的数个SEM截面图，示出了对于具有5%、 10%、 40%的Cu的TaCu合金和纯铜在合金表面上电沉积的Cu膜。如在前 面两幅图中的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直接在芯片上铜互连结构的钽合金层上沉积铜的方法，该方法包括：　由中性或碱性电解质电沉积铜到钽合金层的表面上，　其中所述钽合金层沉积在所述芯片上铜互连结构的衬底上，且　其中在没有使用籽层的情况下铜成核到所述钽合金层的表面 上以形成铜导体。

【技术特征摘要】
US 2007-11-19 11/942,3931. 一种直接在芯片上铜互连结构的钽合金层上沉积铜的方法，该方法包括由中性或碱性电解质电沉积铜到钽合金层的表面上，其中所述钽合金层沉积在所述芯片上铜互连结构的衬底上，且其中在没有使用籽层的情况下铜成核到所述钽合金层的表面上以形成铜导体。2. 如权利要求l所述的方法，其中所述Ta合金层中的合金元素选自由 Fe、 Ru、 Os、 Co、 Rh、 Ir、 Ni、 Pd、 Pt、 Cu、 Ag、 Au、以及它们的混合物 构成的组。3. 如权利要求1所述的方法，其中所述Ta合金中合金元素的量在约0.1 至约50重量百分数的范围。4. 如权利要求1所述的方法，其中所述钽合金选自由TaCu、 TaPt和TaNi 构成的组。5. 如权利要求l所述的方法，其中所述钽合金是TaCu。6. 如权利要求l所述的方法，其中所述钽合金是TaPt。7. 如权利要求l所述的方法，其中所述钽合金是TaNi。8. 如权利要求1所述的方法，其中所述电沉积的沉积电流在约1至约 5mA/cm2的范围。9. 如4又利要求1所述的方法，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：布雷特贝克奥尼尔，小西里尔卡布拉尔，哈里克利亚德利吉亚尼，詹姆斯J凯利，郑敏，
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]