用于阻障層表面鈍化的方法和系統的制作方法

專利名稱：用于阻障層表面鈍化的方法和系統的制作方法
用于阻障層表面鈍化的方法和系統本申請是申請日為2007年12月8日，申請號為200780046899. 9，申請人為朗姆研 究公司，名稱為“用于阻障層表面鈍化的方法和系統”的專利申請的分案申請。交叉引用
本申請有關于美國專利申請文獻號)(CR-002，名稱為“METHODS AND SYSTEMS FOR LOW INTERFACIAL 0XIDEC0NTACT BETWEEN BARRIER AND C0PPERMETALLIZATI0N”，申請人為 Fritz REDEKER, John B0YD，YezdiDORDI，Alex Υ00Ν, and Shijian Li，串請曰為12/18/2006的美國專利申請，05/25/2006申請的、申請序列號 為11/382,906的美國專利申請，06Λ8/2006申請的、申請序列號為11/427, 266的美國 專利申請，07/27/2006申請的、申請序列號為11/461,415的美國專利申請，08/30/2006 申請的、申請序列號為11/514,038的美國專利申請，02/03/2003申請的、申請序列號為 10/357，664的美國專利申請，02/03/2003申請的、申請序列號為10/357，664的美國專利申 it,06/28/2004申請的、申請序列號為10/879，263的美國專利申請以及06/27/2003申請 的、申請序列號為10/607，61的美國專利申請，所有這些專利或專利申請的內容均皆由引 用納入此處。
背景技術：
本發明涉及比如集成電路、存儲單元等使用銅金屬化來制造的半導體器件 的金屬化的改進的方法和系統；更準確地說，本發明有關于硅集成電路的銅基底金屬化的 方法和系統。
半導體器件制造的一個重要的部分是器件的金屬化，以使器件元件電性互 連。對于許多這樣的器件，可選的金屬化方法包括使用銅金屬線路。使用銅金屬線路的金 屬化系統還必須使用阻障材料以使銅與該電子器件的銅敏感區隔離。所考慮的一些銅金屬 化的阻障層是比如鉭和比如氮化鉭這樣的材料。使用銅的金屬化系統的常用的制造工藝包 括將銅沉積在阻障層上。將銅沉積在該阻障層上的優選的工藝是無電銅沉積。
對于銅金屬化使用的標準技術，出現了一個問題許多的優選的阻障材 料，比如鉭和氮化鉭，如果曝露在空氣中一個較長的時間長度的話，可能在該阻障層的表面 上形成氧化物，比如氧化鉭和鉭的氧氮化物。已經知道，如果該阻障層上有氧化物存在的 話，銅在阻障層上的無電沉積就會被抑制。另外，銅的確與阻障層上的氧化物粘著，而且它 還與純凈的阻障金屬或金屬富集的阻障層表面(比如鉭和氮化鉭上的鉭富集表面)粘著。 這里提到鉭和/或氮化鉭阻障層僅僅是作為例子；其它的阻障層材料也存在類似問題。不 良粘著可能對半導體器件的電遷移性能和可靠性帶來負面影響。另外，阻障層表面上氧化 鉭或鉭的氧氮化物的形成可能增強阻障層的電阻率。更準確地說，阻障層和銅的復合物之 間的氧化物的存在可能降低使用標準的銅金屬化技術制造的電子器件的性能并降低電子 器件的可靠性。
顯然，許多應用都要求高性能高可靠性的電子器件。使用銅金屬化來制造 電子器件的標準技術表明，需要允許使用具有改進的性能和改進的可靠性的銅金屬化來制造電子器件的方法和系統。

發明內容
本發明涉及比如集成電路、存儲單元等使用銅金屬化來制造的半導體器件 的標準技術中的一個或多個缺點。
本發明的一個方面是提供一種在過渡金屬阻障層或過渡金屬化合物阻障 層上沉積填隙銅層用于集成電路金屬化以便在其間產生基本上不含氧的界面的方法。在一 個實施方式中，該方法包括形成在基板的表面形成該阻障層并對該阻障層施加工藝條件以 在該阻障層上形成可除去的鈍化表面。該方法進一步包含從該阻障層上除去該鈍化表面以 及在該阻障層上沉積該填隙銅層。
本發明的另一個方面是提供一種在過渡金屬阻障層或過渡金屬化合物阻 障層上沉積填隙銅層用于集成電路金屬化以便在其間產生基本上不含氧的界面的集成系 統。在一個實施方式中，該集成系統包含至少一個工藝模塊，其被配置為阻障層沉積和鈍化 表面形成，以及至少另一個工藝模塊，被配置為除去鈍化表面和在該阻障層上沉積銅。該系 統進一步包含至少一個傳送模塊，耦合于該至少一個工藝模塊和該至少另一個工藝模塊。 該至少一個傳送模塊被配置以便該基板能夠在這些模塊之間傳送而大體上不暴露于含氧 環境。
應當理解，本發明不將其應用限制于在下述說明中提到的以及在附圖中描 繪的元件的構造細節和裝置。本發明有其他的實施方式且能夠被以多種方式實現和執行。 而且，應當理解，此處所用的語句和術語是出于描述的目的而不應當被理解為限制。
如此，本領域的技術人員可以理解，該觀念，本揭示即基于該觀念，容易作 為其他用來執行本發明的各方面的結構、方法和系統的設計基礎。因此，重要的是，權利要 求應當被認為包括這種等同結構因為其不悖離本發明的精神和范圍。


圖1是本發明的一個實施方式的工藝流程圖。圖IA是本發明的一個實施 方式的工藝流程圖。
圖2是本發明的一個實施方式的圖解。
圖3是本發明的一個實施方式的圖解。
圖4是本發明的一個實施方式的圖解。
圖5是本發明的一個實施方式的圖解。
圖6是本發明的一個實施方式的圖解
圖7是本發明的一個實施方式的圖解。
本領域的技術人員可以理解，圖中的元件是簡單而清楚的表示的，不一定 是按照比例描繪。例如，圖中一些元件的尺寸可能相對于其它的元件是夸大的，以便于促進 對本發明的實施方式的理解。
具體實施例方式
本發明有關于制造半導體器件的方法和系統。更準確地說，本發明有關于使用阻障層和金屬線路對集成電路金屬化。下面會對本發明的實施方式的操作進行描述， 主要是，以過渡金屬阻障層或過渡金屬化合物阻障層和銅金屬線路作為硅集成電路為背 景。然而，應當理解，依照本發明的實施方式可被用于其他的金屬化系統，在該金屬化系統 中在阻障層和金屬線路之間需要大體上無氧的界面。
在下面對附圖的描述中，使用同樣的參考標號代表所有附圖共有的實質上 相同的元件或步驟。
在下面的描述中，這里定義的術語“鈍化表面”是指，沒有形成一定數量的 氧化化合物而且該鈍化表面的元件不包含一定數量的氧鍵。而且，鈍化表面是以對氧的遷 移有抵抗力為特征的，否則它就會阻止隨后的工藝步驟中鈍化表面下的材料的真正氧化。 還應當理解，鈍化表面可能具有原子單層的厚度，但是不限于單層的厚度。對本發明的一些 實施方式來說，該鈍化表面可能具有大于單層厚度的厚度。
現在參考圖1，其中顯示了依照本發明的一個實施方式的工藝流程圖20。 工藝流程圖20顯示了在過渡金屬阻障層或過渡金屬化合物阻障層上沉積填隙銅層用于集 成電路金屬化以便在其間產生基本上不含氧的界面。工藝流程圖20包括步驟25、步驟30、 步驟35和步驟40。步驟25包括在基板表面上形成阻障層。步驟30包括對該阻障層施加 至少一個可控工藝條件以便在阻障層上形成可移除的鈍化表面。步驟35包括從該阻障層 上移除該鈍化表面。步驟40包括在該阻障層沉積填隙銅層。執行工藝流程20以便阻障層 和填隙銅層之間大體上沒有氧化物存在。
通過選擇各種選項來執行流程圖20中顯示的步驟，可以獲得本發明的許 多實施方式。步驟25可以由一個或多個工藝完成，比如物理氣相沉積、化學氣相沉積和原 子層沉積。在步驟25中，可以使用多種材料或材料系統來形成阻障層。選擇作為阻障層的 材料將是影響用來形成阻障層的工藝的選擇的因素。在本發明的一個優選實施方式中，步 驟25包括形成阻障層，該阻障層包括過渡金屬或過渡金屬化合物。對于銅金屬化系統，本 發明的實施方式的優選的阻障層材料是鉭、氮化鉭或兩者的結合。鉭和氮化鉭可以通過物 理氣相沉積工藝沉積。然而，對于本發明的優選實施方式來說，步驟25是使用原子層沉積 完成的，以沉積氮化鉭阻障層。
進一步的步驟對于本發明的一些實施方式是可選的(圖1中未示)，包括 在阻障形成以后處理該阻障層的表面。處理該阻障層的表面可以用多種方式執行；選擇該 步驟以便為接下來的處理步驟準備該阻障層的表面。處理該阻障層的表面主要是針對改善 表面粘著性或改善沉積在該阻障層上的層的接觸阻抗。依照本發明的一個實施方式，處理 該阻障層的表面包括對該阻障層的表面施加含氫等離子體。該含氫等離子體可被配置為除 去阻障層表面上的污染物或其它材料以便將阻障層表面上的金屬氧化物或金屬氮化物分 解為金屬從而在該阻障層的表面上產生金屬富集表面。處理該阻障層的表面的合適的含氫 等離子體的一個實施例在申請序列號為11/514,038，申請日為2006年8月30日的共同持 有的美國專利申請中有所描述，其內容皆由引用納入此處。
作為另一種選擇，處理該阻障的表面可包括使該阻障層的表面富含金屬， 例如通過將金屬沉積在該阻障層的表面上。本發明的實施方式的一個優選的處理阻障表面 的方法包括使用等離子體注入工藝沉積金屬以使金屬合并到阻障層的表面。優選地，處理 該阻障層表面是作為步驟25的一部分或者是在阻障層上形成該可除去的鈍化表面之前的工藝中的另一點上執行的。應當理解，處理該阻障層表面不是本發明的所有實施方式的要 求的步驟。
依照本發明的優選實施方式，選擇用來在該阻障層上形成該可除去的鈍化 表面的工藝條件，以便該鈍化表面大體上是無氧的。這意味著，選擇工藝條件以便其不需 要使用氧或氧化合物，氧或氧化合物可能導致該阻障層表面的氧化或者在鈍化表面中摻入氧。
多種工藝和工藝條件可被用于工藝流程20的步驟30。作為步驟30的選 項，在步驟25中，可以使用原子層沉積或物理氣相沉積以在阻障層上形成鈍化表面。在本 發明的一個實施方式中，步驟30包括沉積有效量的釕以形成該鈍化表面。該有效量的釕包 含的量足以大體上阻止下面的阻障層上或阻障層中氧化物的形成。對本發明的一些實施方 式，被用來阻止氧化的釕的厚度可以是大約2-10個單層。對本發明的其它實施方式，步驟 30包括沉積有效量的鈷、銠、錸、鋨、銥和鉬中的至少一種，以形成該鈍化表面。再次，該有效 的量包含的量足以大體上阻止下面的阻障層上或阻障層中氧化物的形成。
作為本發明的實施方式的另一個選項，工藝流程20的步驟30是通過形成 包含硅的鈍化表面完成的。更準確地說，對于一個實施方式，步驟30包括對該阻障層施加 包含硅的活性氣體以便能得到硅從而形成該鈍化表面。可選地，步驟30可包括硅化工藝， 其中將硅沉積在過渡金屬或過渡金屬化合物阻障層的表面上。加熱該阻障層和該硅有效量 以在該阻障層的表面上形成具有過渡金屬的硅化物。作為另一個選項，步驟30可包括在該 阻障層上沉積金屬和硅以形成硅化物作為該鈍化表面。在本發明的一個優選實施方式中， 工藝流程20使用鉭或者氮化鉭作為阻障層且步驟30包括形成硅化鉭作為鈍化表面。
如上所述，本發明的實施方式不限于通過在阻障層上沉積一個材料層形成 的鈍化表面。可選地，該鈍化表面可以是通過與該阻障層表面的化學反應以在該阻障層的 表面形成鹵素化合物形成的，其中該鹵素化合物足以防止該阻障層上和該阻障層中氧化物 的真正形成。依照發明的一個實施方式，工藝流程20的工藝步驟30是通過對該阻障層施 加活性氣體以形成該鈍化表面來完成的，其中該活性氣體包含元素氟、溴和碘中的一種或 多種。優選地，該活性氣體是從包含元素氟、溴和碘中的一種或多種的化合物中產生的。作 為一個選項，該活性氣體可以是從使用合適的輸入氣體的輝光放電等離子體中產生的，比 如包含元素氟、溴和碘中的一種或多種的輝光放電等離子體。
形成阻障層的工藝如步驟25所示，且工藝流程20可以是使用一種工藝進 行的，在該工藝中，在阻障沉積步驟過程中使用靜電卡盤將該基板固定在適當的位置。固定 該基板的靜電力的產生通常被稱為卡持(chucking)該基板。中和該靜電力以松開該基板 通常被稱為解卡持(dechucking)。對一些工藝來說，解卡持包括在適當的工藝條件下運行 等離子體以中和該靜電力以便該基板可以被松開。
本發明的另一個實施方式是如圖1所示的工藝流程，其中步驟25在阻障層 形成過程中使用靜電卡盤來固定該基板，且步驟30使用等離子體工藝條件以形成該鈍化 表面同時也提供解卡持該基板的條件。更準確地說，對于本發明的有些實施方式，步驟30 使用等離子體中的活性氣體以形成該鈍化表面并提供解卡持該基板的電荷。一種途徑將是 將通常被用來解卡持該基板一種或多種氣體替換為用來形成該鈍化表面的一種或多種活 性氣體。一些合適的氣體的實施例是包含元素氟、溴和碘中的一種或多種的氣體。
步驟35包括從該阻障層上除去該鈍化表面，且可以通過各種工藝完成，比 如干法刻蝕工藝以及比如液體化學刻蝕工藝。作為選項，該干法刻蝕工藝可以是這樣的工 藝，比如使用活性氣體刻蝕以除去該鈍化表面，以及比如等離子體增強刻蝕工藝。液體刻蝕 工藝的實施例是使用酸性溶液刻蝕、使用堿性溶液刻蝕以及使用溶劑除去。對于本發明的 一個優選實施方式，選擇具有這樣特性的鈍化表面以便它可以通過用來進行無電銅沉積的 溶液除去。換句話說，本發明的一個優選實施方式包括除去該鈍化表面，作為無電銅沉積工 藝的一部分。
更優選地，該鈍化表面具有特征，以便在使用水溶液進行無電銅沉積的過 程中具有生存能力。這意味著，優選地，該鈍化表面得以完整保留以保護該阻障層免于氧化 且該鈍化表面在無電鍍銅過程中被原地除去。
可以使用多種工藝和工藝條件來執行步驟40。作為步驟40的一個選項， 無電沉積可用于在步驟25中形成的該阻障層上沉積該填隙銅層。在一個更優選的實施方 式中，步驟40包括使用無電沉積以沉積銅種晶層，然后電鍍銅填隙層。無電銅沉積和電化 學鍍工藝是熟知的濕法工藝。
在本發明的又一個實施方式中，工藝流程20進一步包含以下兩個步驟中 的至少一個存儲阻障層上具有鈍化表面的基板一定的時間和將該基板傳送到預處理模塊 以對該基板進行預處理以沉積該填隙銅層。本發明的這種實施方式適于鈍化表面，該鈍化 表面能夠在環境條件下在傳送和存儲過程中保護下面的阻障層免于形成氧化物，而不是那 些在真空傳送模塊或受控環境傳送模塊中的。更特別地，本發明的這種實施方式使用鈍化 表面，該鈍化表面可以在較長的時間段內或者在暴露于沒有該鈍化表面可能會或者可能不 會導致氧化物形成的工藝條件中時，防止下面的阻障層的氧化物的真正形成。本發明的一 個實施方式包括工藝流程20，其中該鈍化表面被配置為，當在含氧的環境下傳送或存儲具 有該鈍化表面的阻障層時，防止阻障層上氧化物的真正形成。
依照本發明的另一個實施方式，工藝步驟30包括在該阻障層上形成鈍化 表面，其對于銅的無電沉積具有自動催化特性。更準確地說，步驟30中形成的該鈍化表面 具有保護下面的阻障層免于形成氧化物的特征。該鈍化表面還具有促進銅的無電沉積的特 征。在本發明的一個實施方式中，該鈍化表面參與置換反應，其中無電沉積溶液中的銅置換 鈍化表面的材料。
應當理解，對本發明的一些實施方式，步驟35是可選步驟。換句話說，本發 明的另一個實施方式是圖IA所示的工藝流程，該工藝流程包括步驟25、步驟31和步驟40 ； 沒有使用步驟35。尤其是，該鈍化表面沒有被除去，且作為該阻障和銅互連材料的整體元件 在無電鍍銅或其它的銅沉積工藝過程中保存下來。步驟25與圖1所述的工藝流程基本相 同。步驟31與圖1所述的工藝流程步驟30基本相同，只是鈍化表面在接下來的工藝中不 需要去除。步驟41與步驟40基本相同，只是銅被沉積到該鈍化表面上。
現在參考圖2，其中顯示了依照本發明的一個實施方式的示例性集成系統 50的示意圖，以在基板上的過渡金屬阻障層或者過渡金屬化合物阻障層上沉積銅層用于集 成電路金屬化。配置集成系統50以在該阻障層和該銅層之間制造大體上無氧的界面。配 置集成系統50的一個優選實施方式以大體上執行工藝流程20及其變種的各步驟。
對于圖2所示的實施方式，集成系統50包含至少一傳送模塊52、阻障沉積模塊58、鈍化表面形成模塊60、鈍化表面除去模塊63和銅填隙模塊65。配置集成系統50 以便它允許，在不想要氧化物形成的關鍵步驟中，使該基板表面對氧有最小的暴露。另外， 因為它是一個集成系統，該基板可以從一個工藝模塊立即傳送到下一站，這限制了暴露到 氧中的時間。
依照本發明的一個實施方式，配置集成系統50，以在圖1的工藝流程20及 其變種的整個工藝序列中處理基板。更準確地說，配置阻障沉積模塊58，以在基板上形成阻 障層。優選地，阻障沉積模塊58被配置為沉積阻障層材料比如鉭、氮化鉭和二者的結合。作 為一個選項，配置阻障沉積模塊58，以進行該阻障層的物理氣相沉積或者該阻障層的原子 層沉積。在一個優選實施方式中，阻障沉積模塊58被配置為進行原子層沉積。在一種可能 的結構中，阻障沉積模塊58被配置為進行工作于小于1托氣壓下的原子層沉積工藝。作為 另一個選項，阻障沉積模塊58被配置為進行高壓工藝的原子層沉積，該高壓工藝使用超臨 界(X)2和有機金屬前體以形成該阻障層。在又一個結構中，阻障沉積模塊58被配置為進行 工作于小于1托氣壓下的物理氣相沉積工藝。使用超臨界的(X)2的高壓工藝的示例性反應 器的細節在申請序列號為 10/357，664，名稱為“Method andApparatus for Semiconductor Wafer Cleaning Using High-FrequencyAcoustic Energy with Supercritical Fluid，，， 申請日為2003年2月3日的共同轉讓的專利申請中描述過，其內容皆由引用納入此處。一 旦該阻障層形成之后，在可控的周圍環境下傳送基板以限制對氧的暴露；這是通過傳送模 塊52完成的。
鈍化表面形成模塊60被配置為在該阻障層上形成上面定義的鈍化表面。 鈍化表面形成模塊60可以是由可形成該鈍化表面的各種結構來實現的。在一種結構中，鈍 化表面形成模塊60被配置為對該阻障層施加包含元素氟、溴和碘中的一個或多個的活性 氣體混合物，以在該阻障層上形成鹵素化合物，該鹵素化合物足以防止下面的阻障層的氧 化。作為一個進一步的選項，鈍化表面形成模塊60被配置為在包含元素氟、溴和碘中的一 個或多個的的氣體中產生等離子體，以形成該鈍化表面。
可選地，鈍化表面形成模塊60被配置為對該阻障層施加包含硅的活性氣 體以在該阻障層上沉積一薄層硅。在另一個實施方式中，鈍化表面形成模塊60被配置為對 該阻障層施加包含硅的活性氣體并加熱該基板有效量以在該阻障層的表面形成過渡金屬 硅化物。鈍化表面形成模塊60可以被配置以進行其他類型的硅化工藝以形成該鈍化表面。 作為另一個選項，鈍化表面形成模塊60被配置為在該阻障層上沉積金屬和硅以形成硅化 物。對于一個優選實施方式，鈍化表面形成模塊60被配置為進行原子層沉積有效量的鈷、 銠、錸、鋨、銥和鉬的至少一種，以大體上阻止下面的阻障層的氧化。更特別地，對本發明的 一些實施方式，該鈍化表面形成模塊包含原子層沉積模塊、硅沉積模塊或硅化模塊。
依照本發明的一個實施方式，鈍化表面形成模塊60是沉積模塊。合適類型 的沉積模塊的實施例是化學氣相沉積模塊、原子層沉積模塊、等離子體增強化學氣相沉積 模塊和物理氣相沉積模塊。該沉積模塊在該阻障層的表面上沉積該鈍化表面的材料。
依照本發明的另一個實施方式，鈍化表面形成模塊是化學反應器，其引起 與該阻障層表面的化學反應。該化學反應的產品形成該鈍化表面。
鈍化表面除去模塊63被配置為從該阻障層上除去該鈍化表面。鈍化表面 除去模塊63可以由各種結構實現。對于本發明的特定實施方式，鈍化表面除去模塊63的結構取決于要除去的鈍化表面的類型。
作為一個選項，鈍化表面除去模塊63是干法刻蝕模塊，其使用活性氣體以 除去該鈍化表面，或等離子體刻蝕模塊，比如配置為進行等離子體增強刻蝕工藝的模塊。作 為另一個選項，鈍化表面除去模塊63是液體刻蝕模塊，其使用這樣的工藝，比如使用酸性 溶液刻蝕，使用堿性溶液刻蝕和使用溶劑除去。對于本發明的一個優選實施方式，配置鈍化 表面除去模塊63以便其工藝與接下來的沉積銅的工藝兼容。
依照本發明的一個優選實施方式，選擇該鈍化表面的特性以便該鈍化表面 具有一定量的生存能力以在無電銅沉積工藝過程中提供一些保護，免于氧化。更準確地說， 這意味著，選擇該鈍化表面以便在該無電銅沉積工藝中它被除去。作為一個選項，當銅沉積 在該阻障層的表面上時，從該阻障層除去該鈍化表面。一個額外的選項包括原封不動地保 留該鈍化表面并直接在該鈍化表面上沉積該銅層。
銅填隙模塊65被配置為沉積填隙銅層。可選地，銅填隙模塊65可被配置 為使用無電沉積、電化學鍍或無電沉積和電化學鍍沉積該填隙銅層。更準確地說，銅填隙模 塊65可被配置為在該阻障表面上沉積保形的銅種晶層，然后是厚的銅填隙(或體量填充) 工藝。在一個實施方式中，銅填隙模塊65被配置為執行無電工藝以制造保形的銅種晶層。 銅填隙模塊65可以進一步被配置為通過無電沉積工藝或電化學鍍工藝進行厚的銅體量填 充工藝。無電銅沉積和電化學鍍工藝是熟知的濕法工藝。對于要集成到具有可控的處理和 傳送環境的濕法工藝，反應器必須與漂洗/干燥器集成以具備干入/干出工藝能力。另外， 必須將該系統充滿惰性氣體以保證該基板對氧的最小暴露。最近，干入/干出的無電銅工 藝已經開發出來。進一步，將工藝中用到的所有的流體除氣，也就是說，通過市場上可買到 的除氣系統除去溶解的氧。
無電沉積的環境也必須是可控的，以提供低(或受限的)水平的氧和濕氣 (水蒸汽)。在銅填隙模塊65還可以使用惰性氣體，以保證該處理環境中的氧的低水平。銅 填隙模塊65可被配置為以許多方式執行該無電沉積工藝，比如水池鍍(puddle-plating)， 其中流體被分發到基板上并被允許在靜止狀態下發生反應，然后除去并丟棄或者回收該 反應物。在另一個實施方式中，銅填隙模塊65包括趨近工藝頭以限制該無電工藝液體以 便它僅僅與該基板表面的有限區域接觸。不在該趨近工藝頭下方的基板表面是干燥的。 這種工藝和系統的細節可以在申請號為10/607，611，名稱為“Apparatus AndMethod For Depositing And Planarizing Thin Films Of SemiconductorWafers，，，申請日為 2003年6 月27日的美國專利申請，以及申請號為10/879，洸3，名稱為“Method and Apparatus For Plating kmiconductorWafers”，申請日為2004年6月沘日的美國專利申請中描述過,兩 者的內容皆納入此處。
該至少一個傳送模塊52被配置為在真空下傳送該基板或在可控環境下傳 送該基板。替代地，該至少一個傳送模塊52可包含兩個傳送模塊，一個傳送模塊被配置為 在真空下傳送而第二個傳送模塊被配置為在可控環境下傳送。傳送模塊52被耦合于阻障 沉積模塊58、鈍化表面形成模塊60、鈍化表面除去模塊63和銅填隙模塊65。配置傳送模塊 52以便基板可以在模塊之間傳送而大體上不會暴露于含氧環境或氧化物形成環境。
濕法工藝，比如那些在銅填隙模塊65中進行的和那些可能在鈍化表面除 去模塊63中進行的，通常工作于接近大氣壓下，而干法工藝，比如那些在阻障沉積模塊58、鈍化表面形成模塊60和可能地鈍化表面除去模塊63中進行的通常工作于小于1托氣壓 下。因此，集成系統50必須能夠處理干法和濕法工藝的組合。至少在一個傳送模塊52中 裝備有一個或多個機械手，以將基板從一個工藝區域移動到另一個工藝區域。該工藝區域 可以是基板盒、反應器或加載鎖(圖2中基板盒和加載鎖未示)。
如上所述，重要的是，在形成該鈍化表面之前，控制處理和傳送環境以最小 化該阻障層表面對氧的暴露以避免該阻障層上氧化物的形成。該基板應該在可控環境下進 行處理，其中該環境或者是在真空下，或者是充滿一種或多種惰性氣體，以限制該基板對氧 的暴露。為了提供基板傳送的可控環境，配置傳送模塊52以便該環境是可控的從而是無氧 的。在一個示例性結構中，傳送模塊52被配置為在基板傳送過程中，有一種或多種惰性氣 體充滿該傳送模塊。而且，將工藝中用到的所有的流體除氣，也就是說，通過市場上可買到 的除氣系統除去溶解的氧。示例性的惰性氣體包括氮(N2)、氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪 (Kr)和氙(Xe)。
現在參考圖3，其中顯示了依照本發明的另一個實施方式的示例性集成系 統100的示意圖，以在基板上的過渡金屬阻障層或者過渡金屬化合物阻障層上沉積銅層以 進行集成電路金屬化。配置集成系統100以在該阻障層和該銅層之間制造大體上無氧的界 面。配置集成系統100的一個優選實施方式以大體上執行工藝流程20及其變種的各步驟。
集成系統100包含與阻障沉積模塊108、加載鎖110、阻障處理模塊113和 鈍化表面形成模塊115相連接的真空傳送模塊105。集成系統100還包括與鈍化表面除去 模塊125相連接的可控環境傳送模塊120、銅種晶沉積模塊1 和銅填隙模塊130。第二加 載鎖123被包括在集成系統100中以連接真空傳送模塊105和可控環境傳送模塊120。
對于集成系統100，配置阻障沉積模塊108以必要地具有和上述阻障沉積 模塊58相同的結構；配置鈍化表面形成模塊115以必要地有和上述鈍化表面形成模塊60 相同的結構。提供加載鎖110以允許基板傳送到真空傳送模塊105同時保持真空傳送模塊 105的真空條件。
阻障處理模塊113被配置為在阻障層形成以后處理該阻障層的表面。更準 確地說，配置阻障處理模塊113以接下來的工藝步驟準備該阻障層的表面。首先，阻障處理 模塊113被配置為產生阻障層的表面性質的改進，以獲得表面粘著性的改進并改進沉積在 阻障層上的層的接觸電阻。依照本發明的一個實施方式，阻障處理模塊113包括等離子體 室，該等離子體室被配置為對該阻障層的表面施加含氫等離子體以除去該阻障層表面上的 污染物或分解阻障層表面上形成的金屬氧化物以在該阻障層的表面產生金屬富集表面。
作為另一個選項，阻障處理模塊113被配置為，比如通過將金屬沉積在該 阻障層的表面上，使該阻障層的表面富含金屬。在一個優選結構中，阻障處理模塊113包括 等離子體室，該等離子體室被配置為進行金屬的等離體注入。被注入的金屬與該阻障層的 表面合并以產生該阻障層的金屬富集表面。
真空傳送模塊105被配置為工作在真空下(< 1托)。可控環境傳送模塊 120被配置為工作于1個大氣壓附近。加載鎖123被放置在真空傳送模塊105和可控環境 傳送模塊125之間以允許基板在這兩個工作在不同氣壓下的模塊間傳送，同時保持每個傳 送模塊內的環境的完整。加載鎖123被配置為是工作于小于1托氣壓的真空下，或在實驗 室環境下，或被充滿惰性氣體，該惰性氣體是從一組惰性氣體中選出的。
鈍化表面除去模塊125被配置為除去在鈍化表面形成模塊115中形成的該 鈍化表面。優選地，鈍化表面除去模塊125被配置為使用工作于大約大氣壓下的工藝除去 該鈍化表面，比如使用液體化學品以除去該鈍化表面的除去工藝。在一個實施方式中，鈍化 表面除去模塊125包含液體刻蝕工藝模塊，其被配置為執行液體刻蝕工藝，比如使用酸性 溶液刻蝕、使用堿性溶液刻蝕和使用溶劑除去。對于本發明的一個更優選的實施方式，配置 鈍化表面除去模塊63以便其工藝與接下來的沉積銅的工藝兼容。
銅種晶沉積模塊1 被配置為在該阻障表面上沉積保形的銅種晶層。優選 地，銅種晶沉積模塊1 被配置為執行無電工藝以制造該銅種晶層。銅填隙模塊130被配置 為通過無電沉積工藝或電化學鍍工藝進行厚的銅體量填充工藝。如上所述，無電銅沉積和 電化學鍍工藝是熟知的濕法工藝。對于要集成到具有可控的處理和傳送環境的濕法工藝， 反應器必須與漂洗/干燥器集成以具備干入/干出工藝能力。另外，必須將該系統充滿惰 性氣體以保證該基板對氧的最小暴露。最近，干入/干出的無電銅工藝已經開發出來。進 一步，將工藝中用到的所有的流體除氣，也就是說，通過市場上可買到的除氣系統除去溶解 的氧。
濕法工藝，比如那些在鈍化表面除去模塊125、銅種晶沉積模塊1 和銅 填隙模塊130中進行的，通常工作于接近大氣壓下，而干法工藝，比如那些在阻障沉積模塊 108、表面形成模塊115和阻障清潔模塊113中進行的，通常工作于小于1托氣壓下。因此， 集成系統50必須能夠處理干法和濕法工藝的組合。真空傳送模塊105和可控環境傳送模 塊120裝備有一個或多個機械手，以將基板從一個工藝區域移動到另一個工藝區域。該工 藝區域可以是基板盒、反應器或加載鎖(圖3中基板盒和加載鎖未示)。
現在參考圖4，其中顯示了依照本發明的另一個實施方式的示例性集成系 統150的示意圖，以在基板上的過渡金屬阻障層或者過渡金屬化合物阻障層上沉積銅層以 進行集成電路金屬化。配置集成系統150以在該阻障層和該銅層之間制造大體上無氧的界 面。配置集成系統150的一個優選實施方式以大體上執行工藝流程20及其變種的各步驟。
集成系統150包含與阻障沉積模塊108、加載鎖110、阻障處理模塊113和 鈍化表面形成模塊115A相連接的真空傳送模塊105。集成系統150還包括與銅種晶沉積模 塊相連接的可控環境傳送模塊120和銅填隙模塊130。第二加載鎖123被包括在集成系統 150中以連接真空傳送模塊105和可控環境傳送模塊120。
集成系統150與圖3中描述的集成系統100基本相同，除了配置集成系統 150以便鈍化表面形成模塊115A形成鈍化表面之外，其中該鈍化表面在無電銅沉積過程中 在原地被除去。換句話說，該鈍化表面具有用來無電銅沉積的水溶液的一些生存能力。該 鈍化表面在銅種晶沉積模塊1 或銅填隙模塊130中被除去，作為為銅種晶沉積或銅填隙 作準備的一部分。更準確地說，集成系統150包括銅種晶沉積模塊128，其被配置為除去鈍 化表面并沉積銅種晶。可選地，該鈍化表面在銅種晶沉積模塊1 或銅填隙模塊130中被 維持，作為銅種晶沉積或銅填隙的一部分。
現在參考圖5，其中顯示了依照本發明的另一個實施方式的示例性集成系 統175的示意圖，以在基板上的過渡金屬阻障層或者過渡金屬化合物阻障層上沉積銅層以 進行集成電路金屬化。配置集成系統175以在該阻障層和該銅層之間制造大體上無氧的界 面。配置集成系統175的一個優選實施方式以大體上執行工藝流程20及其變種的各步驟。
集成系統175包含與阻障沉積和鈍化表面形成模塊108A和加載鎖110相 連接的真空傳送模塊105。集成系統175還包括與鈍化表面除去模塊125相連接的可控環 境傳送模塊120、銅種晶沉積模塊1 和銅填隙模塊130。第二加載鎖123被包括在集成系 統100中以連接真空傳送模塊105和可控環境傳送模塊120。
集成系統175與圖3中描述的集成系統100基本相同，除了配置集成系統 175以便模塊108A形成阻障層而且還在該阻障層上形成鈍化表面以外。而且，集成系統175 不要求處理該阻障層以進行某些應用的單獨模塊。配置集成系統175以便該鈍化表面在鈍 化表面除去模塊125中被除去。
現在參考圖6，其中顯示了依照本發明的另一個實施方式的示例性集成系 統200的示意圖，以在基板上的過渡金屬阻障層或者過渡金屬化合物阻障層上沉積銅層以 進行集成電路金屬化。配置集成系統200以在該阻障層和該銅層之間制造大體上無氧的界 面。配置集成系統200的一個優選實施方式以大體上執行工藝流程20及其變種的各步驟。
集成系統200包含與阻障沉積和鈍化表面形成模塊108B和加載鎖110相 連接的真空傳送模塊105。集成系統200還包括與銅種晶沉積模塊1 和銅填隙模塊130 相連接的可控環境傳送模塊120。第二加載鎖123被包括在集成系統150中以連接真空傳 送模塊105和可控環境傳送模塊120。
集成系統200與圖4中描述的集成系統150基本相同，除了配置集成系統 200以便模塊108B形成阻障層而且還在該阻障層上形成可在無電銅沉積過程中原地除去 的鈍化表面以外。集成系統225與圖6中描述的集成系統200基本相同，除了配置集成系 統225以便鈍化表面除去和銅填隙模塊132除去該鈍化表面并沉積該銅填隙層以外。在銅 種晶沉積模塊1 或銅填隙模塊130中除去該鈍化表面，作為為銅種晶沉積作準備的一部 分。更準確地說，集成系統200包括銅種晶沉積模塊128，其被配置為除去鈍化表面并沉積 銅種晶。
現在參考圖7，其中顯示了依照本發明的另一個實施方式的示例性集成系 統225的示意圖，以在基板上的過渡金屬阻障層或者過渡金屬化合物阻障層上沉積銅層以 進行集成電路金屬化。配置集成系統225以在該阻障層和該銅層之間制造大體上無氧的界 面。配置集成系統225的一個優選實施方式以大體上執行工藝流程20及其變種的各步驟。
集成系統225包含與阻障沉積鈍化表面形成模塊108B和加載鎖110相連 接的真空傳送模塊105。集成系統225還包括與鈍化表面除去和銅填隙模塊132相連接的 可控環境傳送模塊120。第二加載鎖123被包括在集成系統150中以連接真空傳送模塊105 和可控環境傳送模塊120。
集成系統225與圖6中描述的集成系統200基本相同，除了配置集成系統 225以便鈍化表面除去和銅填隙模塊132除去該鈍化表面并沉積該銅填隙層以外。在一個 實施方式中，模塊132被配置為使用無電銅沉積工藝，為了該工藝，在模塊108B中形成的該 鈍化表面在無電銅沉積過程中被原地除去。該鈍化表面在模塊132中被除去，作為為銅種 晶沉積或銅填隙作準備的一部分。
本發明的另一個實施方式是用于將銅層沉積在過渡金屬阻障層或過渡金 屬化合物阻障層上以進行集成電路金屬化的系統。該系統包含阻障沉積和鈍化表面形成模 塊，其被配置為在基板上形成阻障層并被配置為在該阻障層上形成鈍化表面。該系統進一步包含鈍化表面除去和銅沉積模塊，其被配置為從該阻障層除去該鈍化表面并被配置為在 該阻障層上沉積銅層。在鈍化表面形成模塊和該鈍化表面除去和銅沉積模塊中的阻障沉積 被處理以便在該阻障沉積和鈍化表面形成模塊中處理過的基板，在暴露在含氧環境中、存 儲一定時間、和存儲在無氧環境中一定時間中的至少一個以后，可以在該鈍化表面除去和 銅沉積模塊中被處理。此實施方式的系統不要求與鈍化表面形成模塊和鈍化表面除去和銅 沉積模塊中的阻障沉積連接。W075]在前述詳細說明中，參考具體的實施方式對本發明進行了描述。然而，本領 域的普通技術人員可以理解，在不悖離權利要求所述的本發明的范圍的情況下，可以作出 各種修改和改變。相應地，該詳細說明和附圖意為說明性的而不是限制性的，而且所有的這 些修改都被認為是包括在本發明的范圍內。
上面參靠具體實施方式
描述了利益、優點和問題的解決方案。然而，該利 益、優點、問題的解決方案，以及可能導致任何利益、優點或問題的解決方案的任何元件的 出現或變成再次宣告都不被認為是任何或全部權利要求的關鍵的、要求的或必需的特征或 元件。
此處所用的術語“包含”、“包括”、“具有”、“至少一個”或其任何其他的變
形，都意在涵蓋非排除性的內涵。例如，包含一系列元件的工藝、方法、產品或裝置并不一 定僅僅限于那些元件，而是可以包括其他的沒有明顯列出或者隱含在這些工藝、方法、產品 或裝置中的元件。而且，除非明確表示相反意見，“或”指的是包含性的“或”而非排除性的 “或”。例如，條件A或B可通過下述任何一個滿足:A為真(或存在)且B為假(或不存 在)，A為假(或不存在)且B為真(或存在)以及A和B兩者都為真(或存在)。
而且，除非明確表示相反意見，“至少一個”應當被解讀為“一個或多個”。 例如，包含一系列元件中的一個或多個的工藝、方法、產品、或裝置，且如果該元件中的一個 或多個包含一個子目錄的子元件，那么該子元件也和該元件被認為是同樣的方式。例如，A 和B的至少一個可以通過下述任何一個滿足A為真(或存在)且B為假(或不存在)，A 為假(或不存在)且A為真(或存在)以及A和B兩者都為真(或存在)。
權利要求
1.一種在過渡金屬阻障層或過渡金屬化合物阻障層上沉積填隙銅層用于集成電路金 屬化以便在其間產生基本上不含氧的界面的方法，包括(a)在基板的表面形成該阻障層；(b)在該阻障層上形成可除去的鈍化表面；(c)從該阻障層上除去該鈍化表面；以及(d)在該阻障層上沉積該填隙銅層；其中形成該可除去的鈍化表面是在形成該阻障層的解卡持工藝過程中完成的。
2.根據權利要求1所述的方法，進一步包括使該阻障層的該表面富含過渡金屬。
3.根據權利要求1所述的方法，其中該阻障層包含鉭或氮化鉭。
4.根據權利要求1所述的方法，其中形成該可除去的鈍化表面是通過對該阻障層施加 包含元素氟、溴和碘中的至少一種的活性氣體完成的。
5.根據權利要求1所述的方法，其中形成該可除去的鈍化表面是通過對該阻障層施加 包含元素氟、溴和碘中的至少一種的化合物產生的活性氣體完成的。
6.根據權利要求1所述的方法，其中形成該可除去的鈍化表面是通過對該阻障層施加 包含元素氟、溴和碘中的至少一種的輝光放電完成的。
全文摘要
本發明有關于制造半導體器件的方法和系統。本發明的一個方面是在阻障層上沉積填充銅層以進行半導體器件金屬化的方法。在一個實施方式中，該方法包含在基板的表面形成該阻障層并對該阻障層施加工藝條件以在該阻障層上形成可除去的鈍化表面。該方法進一步包含從該阻障層上除去該鈍化表面以及在該阻障層上沉積該填隙銅層。本發明的另一個方面是在阻障層上沉積填充銅層以進行半導體器件金屬化的集成系統。在一個實施方式中，該集成系統包含至少一個工藝模塊，被配置為阻障層沉積和鈍化表面形成以及至少另一個工藝模塊，被配置為除去鈍化表面和在該阻障層上沉積銅。該系統進一步包含至少一個耦合的以便該基板能夠在該模塊之間傳送而大體上不暴露于含氧環境。
文檔編號C23C8/02GK102061469SQ20101060996
公開日2011年5月18日 申請日期2007年12月8日 優先權日2006年12月18日
發明者威廉·蒂, 弗里茨·雷德克, 約翰·博伊德, 耶茲迪·多爾迪, 蒂魯吉拉伯利·阿魯娜, 衡石·亞歷山大·尹 申請人:朗姆研究公司