專利名稱：改善與銅粘附力的方法
技術領域：
本發明涉及銅或銅合金在半導體器件中的利用，尤其涉及另一層到銅或銅合金粘附力的改善。
和更傳統的鋁或鋁合金互連相比，由于銅具有較低的電阻率以及具有對電遷移失效更小的敏感度，人們對半導體器件中用銅作為互連的興趣持續增加。
然而，由于在互連冶金時，銅易于擴散到周圍的諸如二氧化硅等絕緣材料中，銅的封蓋是必須的。封蓋阻止了這種擴散。一種廣泛推薦的封蓋方法包括沿著銅互連的側壁和底表面使用導電阻擋層。這種阻擋層一般是鉭或鈦。銅互連上表面的封蓋通常使用氮化硅。
然而，氮化硅未顯示出到銅表面的強粘附性。因此，氮化硅到銅的界面，特別是在機械加載的條件下，極易受分層的影響。可以導致分層的機械加載實例包括晶片處理中的化學-機械拋光步驟，用在襯底再加工的芯片拉伸以及老化后從臨時附著在襯底上移去芯片。
氮化硅從銅表面的分層產生了銅向外擴散的通路和濕氣或其它污染物向內擴散的通路。這帶來了半導體器件的可靠性問題。
此外，諸如二氧化硅等各種其它材料不能很好粘附到銅表面。
有人已經建議在銅互連上使用銅硅化物薄膜來消除氮化硅到銅界面的粘附性問題。按照如此方法，參見Filipiak等的美國專利5,447,887。然而，銅硅化物顯示出相對較高的電阻率，并可能導致銅互連電阻不可接受地增大。而且，已有報告指出銅硅化物與空氣中的氧有反應，室溫下，暴露在氧中的銅硅化物的電阻率易于增大。另外，形成銅硅化物時存在問題，這又導致工序的不一致性和不可重復性。
因此，存在改善諸如氮化硅和二氧化硅到銅表面粘附力而不伴隨有使用銅硅化物的缺點的需要。
本發明涉及銅表面與不能很好地粘附到銅表面的表面之間粘附力的改善。特別是，本發明涉及半導體結構，包括在半導體器件里安置的銅部件。在至少一個銅部件的表面上安置銅鍺化物層、鍺氧化物層、氮化鍺層或它們的組合。在銅鍺化物、鍺氧化物或氮化鍺層上安置一層沒有牢固地粘附到銅的材料。含鍺層改善了弱粘附到銅的材料的粘附力。
另外，本發明涉及制造半導體結構的工藝，該工藝包括以下步驟在銅部件的至少一個表面上提供從銅鍺化物、鍺氧化物、氮化鍺和它們的組合組成的組中選擇的至少一種含鍺材料層；然后在該含鍺材料層上提供不能很好粘附到銅的一個材料層。本發明也涉及通過以上工藝獲得的半導體結構。
通過下面的詳細描述，本發明的其它目的和優點對那些熟練的技術人員將變得顯而易見，其中筒單地通過對考慮實現本發明的最好方式的示例，僅顯示和描述了本發明的優選實施方式。應該認識到本發明能夠應用到其它的和不同的實施方式，在不違背本發明的情況下，在各種顯而易見的方面，它的一些細節能夠進行修改。因此，本描述在本質上只起說明作用而不作為發明限制。
圖1是根據本發明的一個半導體結構實例的原理圖。
圖2是根據本發明的另一個半導體結構實例的原理圖。
圖3是根據本發明的又一個半導體結構實例的原理圖。
為了便于理解本發明，將參考給出根據本發明的半導體結構實例的原理圖。
根據本發明，弱粘附到銅表面的材料的粘附力通過包括插入的含鍺層而得到改善。含鍺層可以是銅鍺化物、鍺氧化物、氮化鍺或這些層的組合。
如圖1所示，銅連線1被包括在諸如硅、鍺硅合金或鎵砷等半導體晶片(沒有示出)上。銅連線通過包含諸如二氧化硅(SiO2)、磷硅玻璃(PSG)、摻硼磷硅玻璃(BPSG)或原硅酸四乙酯(TEOS)的層間介質2而被隔離。另外，該介質可以包括諸如氟化SiO2、有機聚合物、多孔介質等低介電常數材料，為了集成的目的，有時也使用封蓋(capping)結構。銅連線包括銅和銅合金。另外，可以沿著銅連線的底部和側壁表面用諸如鉭或鈦等導電阻擋層(沒有示出)覆蓋銅連線。銅的厚度一般大約為1000到大約20000根據本發明，在銅上提供一含鍺材料層。含鍺材料包括銅鍺化物、鍺氧化物、氮化鍺或這些材料的組合。根據本發明的優選方面，通過使鍺烷(GeH4)在溫度由大約200到大約400℃提升，最好是由大約350到大約400℃提升時流過銅結構，在暴露的銅表面上形成銅鍺化物層3。鍺烷的流率一般大約為15到大約80sccm，更一般為大約2到大約5sccm。一般使用鍺烷和諸如氦、氬或氮等惰性氣體的混合物，其中鍺烷的濃度大約為0.05-5％，最好大約為0.1-0.5％。使用稀釋的鍺烷混合物以限制銅和鍺烷的反應量。一般，由該反應形成的銅鍺化物厚度大約為100到大約1000，最好是大約150到大約400。可以使用諸如Ge2H6等其它含鍺氣體替代鍺烷有選擇地形成銅鍺化物。實例見美國專利5,420,069。也可以使用諸如銅鍺化物的化學汽相淀積等在銅上提供銅鍺化物層的其它方法。然而，并不提倡這種工藝，因為為了僅在暴露的銅表面提供銅鍺化物層，需要掩模和刻蝕的步驟。另一方面，利用和鍺烷氣體的反應，有選擇地只在那些暴露有銅的表面上形成銅鍺化物。
尤其和形成銅硅化物相比，銅鍺化物以相對均勻和可重復的方式形成。而且和銅硅化物相比，銅鍺化物的電阻率相對更低。特別是，銅鍺化物的電阻率在室溫下大約為5.5μohm cm，而此時銅硅化物的電阻率大約為55μohm cm。另一方面，銅具有大約為2.2μohm cm以下的電阻率。
如果需要，接著可以在銅鍺化物層3上淀積諸如氮化硅或二氧化硅等弱粘附材料層5。對氮化硅可以用熟知的等離子增強化學汽相淀積工藝(PECVD)淀積。這種工藝包括在存在等離子體時引入諸如硅烷等含硅氣體種類和諸如氨和/或氮等含氮氣體種類。其它的含硅氣體種類包括乙硅烷、二氯硅烷和原硅酸四乙酯。其它含氮氣體種類包括六甲基乙硅烷。通常淀積氮化硅在大約300到大約450℃的溫度下進行，更典型地是在大約350到大約400℃的溫度下進行。層5的厚度一般為大約100到大約20000，對氮化硅該層的厚度更一般為大約100到大約1000，對硅厚度甚至更一般為大約350到大約700。
如圖2和3所示，如果需要，在淀積層5之前，銅鍺化物層的全部或部分可以轉換成鍺氧化物和/或氮化鍺4以提供更進一步的氧化隔離來保護其下的銅。圖2示出涉及的部分銅鍺化物層，而圖3示出轉換全部的銅鍺化物層。可以利用含氧氣體在大約20到大約400℃的溫度下，對銅鍺化物進行氧化。含氧氣體的流率一般為大約5到大約15slm，氧化過程的時間為大約5秒到幾天。在氧化過程中，銅從銅鍺化物被排回到其下的銅部件中。在溫度由大約300到大約750℃提升時，通過和諸如氨或氮等含氮氣體或等離子體的反應，銅鍺化物可以轉換成氮化鍺。
已經發現在銅鍺化物形成和氮化物淀積之間通過與空氣接觸(室溫下暴露在空氣中)形成的鍺氧化物能帶來氮化物到銅分層和分布拉力測試(stud pull test)的大大減少。在鍺化物形成后，沒有與空氣接觸的原位氮化物罩淀積引起邊緣分層測試的改善，但不帶來分布拉力測試的改善。Shaffer等在邊緣分層測試薄膜涂層粘附力的測量方法一文中描述了邊緣分層測試，該文發表在由材料研究協會，Pittsburgh，PA，USA出版的材料研究協會研討會論文集vol.308，1993的微電子應用的第一部分薄膜的數值分析和初步結果應力和機械性質IV，pp.535-539。所提到的被認為弱粘附到銅或是不能很好粘附到銅的材料指的是那些在邊緣分層測試中，在高于測試中硅失效溫度的溫度下分層的材料。
可以在第8版的Gmelins Handbuch der anorganishen Chemie，Vol.45，p.34(Verlag Chernie，Stuttgart，1961)中找到形成氮化鍺的工序。例如，在溫度從700到750℃下，把鍺氧化物暴露在NH3中導致Ge3N4的形成。
前面本發明的描述解釋和描述了本發明。此外，說明書中顯示和描述的只是本發明的優選實施例，但是如前所述，應該明白本發明能夠用在各種其它組合、修改、和環境中，在這里表達的有關上述教導和/或相關技術的技能或知識的發明思想的范圍內，也能夠進行改變和修改。以上這里所描述的實施例的目的還在于解釋實施本發明的已知的最好方式，和使其它熟練的技術人員能夠在這種或其它的實施例中，以由特殊應用和本發明的使用需要所作的各種修改利用本發明。因此，不打算讓本描述把本發明限制在這里公開的形式中。后附的權利要求解釋為包括其它的實施例。
權利要求
1.半導體結構，包括安置在半導體器件里的銅部件；安置在銅部件的至少一個表面上，從銅鍺化物、鍺氧化物、氮化鍺和它們的組合組成的組中選擇的至少一種含鍺材料層；和安置在含鍺層上的弱粘附到銅的材料層。
2.權利要求1的半導體結構，其中銅部件是銅或銅合金。
3.權利要求1的半導體結構，其中含鍺層包括銅鍺化物。
4.權利要求1的半導體結構，其中含鍺層包括鍺氧化物。
5.權利要求1的半導體結構，其中含鍺層包括氮化鍺。
6.權利要求1的半導體結構，其中含鍺層包括銅鍺化物層和鍺氧化物層。
7.權利要求1的半導體結構，其中含鍺層包含銅鍺化物層和氮化鍺層。
8.權利要求1的半導體結構，其中含鍺層包含銅鍺化物層，鍺氧化物層和氮化鍺層。
9.權利要求1的半導體結構，其中含鍺層具有大約100到大約1000的厚度。
10.權利要求1的半導體結構，其中含鍺層具有大約150到大約400的厚度。
11.權利要求9的半導體結構，其中銅具有大約1000到大約20,000的厚度。
12.權利要求9的半導體結構，其中弱粘附到銅的材料層具有大約100到大約20000的厚度。
13.權利要求1的半導體結構，其中弱粘附到銅的材料是氮化硅。
14.權利要求1的半導體結構，其中弱粘附到銅的材料是二氧化硅。
15.制造半導體結構的工藝，包括以下步驟將從銅鍺化物、鍺氧化物、氮化鍺和它們的組合組成的組中選擇的至少一種含鍺層提供到銅部件的至少一個表面上；在該含鍺材料層上提供不能很好粘附到銅的材料層。
16.權利要求15的工藝，包括通過在結構上流過鍺烷有選擇地在銅部件上形成銅鍺化物來提供含鍺層。
17.權利要求16的工藝，其中鍺烷處在大約200到大約450℃的溫度。
18.權利要求16的工藝，包括提供包含鍺烷含量大約為0.05-5％和由氮、氦、氬以及它們混合物組成的組中選擇的第二氣體的氣體混合物。
19.權利要求15的工藝，其中含鍺層是這樣提供的，通過在銅上提供銅鍺化物層，然后氧化全部或部分銅鍺化物以提供鍺氧化物層。
20.權利要求15的工藝，其中含鍺層的厚度大約為100到大約1000。
21.權利要求15的工藝，其中含鍺層的厚度大約為150到大約400。
22.權利要求19的工藝，其中銅鍺化物層的厚度大約為100到大約1000，鍺氧化物層的厚度大約為100到大約1000。
23.權利要求15的工藝，其中含鍺層包括提供銅鍺化物層，然后氮化全部或部分銅鍺化物層以提供氮化鍺。
24.權利要求23的工藝，其中銅鍺化物層的厚度大約為100到大約1000，氮化鍺層的厚度大約為100到大約1000。
25.權利要求15的工藝，其中含鍺層是這樣提供的，通過在銅上提供銅鍺化物層，然后氧化全部或部分銅鍺化物以提供鍺氧化物層，接著氮化部分銅氧化物層以提供氮化鍺。
26.權利要求15的工藝，其中銅部件是銅或銅合金。
27.權利要求15的工藝，其中銅部件的厚度大約為1000到大約20,000。
28.權利要求15的工藝，其中氮化硅層的厚度大約為100到大約20,000。
29.權利要求15的工藝，其中不能很好粘附到銅的材料是氮化硅。
30.權利要求15的工藝，其中不能很好粘附到銅的材料是二氧化硅。
31.通過權利要求15的工藝獲得的半導體結構。
全文摘要
通過提供插入的含鍺層,諸如氮化硅和二氧化硅等弱粘附材料表現出與銅粘附力得到改善。含鍺層是銅鍺化物、鍺氧化物、氮化鍺或它們的組合。含鍺層提高了粘附力,使得弱粘附層從銅部件的分層減少。
文檔編號H01L23/52GK1269606SQ9912610
公開日2000年10月11日 申請日期1999年12月10日 優先權日1999年1月14日
發明者文森特·J·邁哥亥, 托馬斯·A·伊沃斯, 亨利·A·尼耶三世, 喬伊斯·C·劉 申請人:國際商業機器公司