改善与铜粘附力的方法技术

通过提供插入的含锗层，诸如氮化硅和二氧化硅等弱粘附材料表现出与铜粘附力得到改善。含锗层是铜锗化物、锗氧化物、氮化锗或它们的组合。含锗层提高了粘附力，使得弱粘附层从铜部件的分层减少。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及铜或铜合金在半导体器件中的利用，尤其涉及另一层到铜或铜合金粘附力的改善。和更传统的铝或铝合金互连相比，由于铜具有较低的电阻率以及具有对电迁移失效更小的敏感度，人们对半导体器件中用铜作为互连的兴趣持续增加。然而，由于在互连冶金时，铜易于扩散到周围的诸如二氧化硅等绝缘材料中，铜的封盖是必须的。封盖阻止了这种扩散。一种广泛推荐的封盖方法包括沿着铜互连的侧壁和底表面使用导电阻挡层。这种阻挡层一般是钽或钛。铜互连上表面的封盖通常使用氮化硅。然而，氮化硅未显示出到铜表面的强粘附性。因此，氮化硅到铜的界面，特别是在机械加载的条件下，极易受分层的影响。可以导致分层的机械加载实例包括晶片处理中的化学-机械抛光步骤，用在衬底再加工的芯片拉伸以及老化后从临时附着在衬底上移去芯片。氮化硅从铜表面的分层产生了铜向外扩散的通路和湿气或其它污染物向内扩散的通路。这带来了半导体器件的可靠性问题。此外，诸如二氧化硅等各种其它材料不能很好粘附到铜表面。有人已经建议在铜互连上使用铜硅化物薄膜来消除氮化硅到铜界面的粘附性问题。按照如此方法，参见Filipiak等的美国专利5,447,887。然而，铜硅化物显示出相对较高的电阻率，并可能导致铜互连电阻不可接受地增大。而且，已有报告指出铜硅化物与空气中的氧有反应，室温下，暴露在氧中的铜硅化物的电阻率易于增大。另外，形成铜硅化物时存在问题，这又导致工序的不一致性和不可重复性。因此，存在改善诸如氮化硅和二氧化硅到铜表面粘附力而不伴随有使用铜硅化物的缺点的需要。本专利技术涉及铜表面与不能很好地粘附到铜表面的表面之间粘附力的改善。特别是，本专利技术涉及半导体结构，包括在半导体器件里安置的铜部件。在至少一个铜部件的表面上安置铜锗化物层、锗氧化物层、氮化锗层或它们的组合。在铜锗化物、锗氧化物或氮化锗层上安置一层没有牢固地粘附到铜的材料。含锗层改善了弱粘附到铜的材料的粘附力。另外，本专利技术涉及制造半导体结构的工艺，该工艺包括以下步骤在铜部件的至少一个表面上提供从铜锗化物、锗氧化物、氮化锗和它们的组合组成的组中选择的至少一种含锗材料层；然后在该含锗材料层上提供不能很好粘附到铜的一个材料层。本专利技术也涉及通过以上工艺获得的半导体结构。通过下面的详细描述，本专利技术的其它目的和优点对那些熟练的技术人员将变得显而易见，其中筒单地通过对考虑实现本专利技术的最好方式的示例，仅显示和描述了本专利技术的优选实施方式。应该认识到本专利技术能够应用到其它的和不同的实施方式，在不违背本专利技术的情况下，在各种显而易见的方面，它的一些细节能够进行修改。因此，本描述在本质上只起说明作用而不作为专利技术限制。附图说明图1是根据本专利技术的一个半导体结构实例的原理图。图2是根据本专利技术的另一个半导体结构实例的原理图。图3是根据本专利技术的又一个半导体结构实例的原理图。为了便于理解本专利技术，将参考给出根据本专利技术的半导体结构实例的原理图。根据本专利技术，弱粘附到铜表面的材料的粘附力通过包括插入的含锗层而得到改善。含锗层可以是铜锗化物、锗氧化物、氮化锗或这些层的组合。如图1所示，铜连线1被包括在诸如硅、锗硅合金或镓砷等半导体晶片(没有示出)上。铜连线通过包含诸如二氧化硅(SiO2)、磷硅玻璃(PSG)、掺硼磷硅玻璃(BPSG)或原硅酸四乙酯(TEOS)的层间介质2而被隔离。另外，该介质可以包括诸如氟化SiO2、有机聚合物、多孔介质等低介电常数材料，为了集成的目的，有时也使用封盖(capping)结构。铜连线包括铜和铜合金。另外，可以沿着铜连线的底部和侧壁表面用诸如钽或钛等导电阻挡层(没有示出)覆盖铜连线。铜的厚度一般大约为1000到大约20000根据本专利技术，在铜上提供一含锗材料层。含锗材料包括铜锗化物、锗氧化物、氮化锗或这些材料的组合。根据本专利技术的优选方面，通过使锗烷(GeH4)在温度由大约200到大约400℃提升，最好是由大约350到大约400℃提升时流过铜结构，在暴露的铜表面上形成铜锗化物层3。锗烷的流率一般大约为15到大约80sccm，更一般为大约2到大约5sccm。一般使用锗烷和诸如氦、氩或氮等惰性气体的混合物，其中锗烷的浓度大约为0.05-5％，最好大约为0.1-0.5％。使用稀释的锗烷混合物以限制铜和锗烷的反应量。一般，由该反应形成的铜锗化物厚度大约为100到大约1000，最好是大约150到大约400。可以使用诸如Ge2H6等其它含锗气体替代锗烷有选择地形成铜锗化物。实例见美国专利5,420,069。也可以使用诸如铜锗化物的化学汽相淀积等在铜上提供铜锗化物层的其它方法。然而，并不提倡这种工艺，因为为了仅在暴露的铜表面提供铜锗化物层，需要掩模和刻蚀的步骤。另一方面，利用和锗烷气体的反应，有选择地只在那些暴露有铜的表面上形成铜锗化物。尤其和形成铜硅化物相比，铜锗化物以相对均匀和可重复的方式形成。而且和铜硅化物相比，铜锗化物的电阻率相对更低。特别是，铜锗化物的电阻率在室温下大约为5.5μohm cm，而此时铜硅化物的电阻率大约为55μohm cm。另一方面，铜具有大约为2.2μohm cm以下的电阻率。如果需要，接着可以在铜锗化物层3上淀积诸如氮化硅或二氧化硅等弱粘附材料层5。对氮化硅可以用熟知的等离子增强化学汽相淀积工艺(PECVD)淀积。这种工艺包括在存在等离子体时引入诸如硅烷等含硅气体种类和诸如氨和/或氮等含氮气体种类。其它的含硅气体种类包括乙硅烷、二氯硅烷和原硅酸四乙酯。其它含氮气体种类包括六甲基乙硅烷。通常淀积氮化硅在大约300到大约450℃的温度下进行，更典型地是在大约350到大约400℃的温度下进行。层5的厚度一般为大约100到大约20000，对氮化硅该层的厚度更一般为大约100到大约1000，对硅厚度甚至更一般为大约350到大约700。如图2和3所示，如果需要，在淀积层5之前，铜锗化物层的全部或部分可以转换成锗氧化物和/或氮化锗4以提供更进一步的氧化隔离来保护其下的铜。图2示出涉及的部分铜锗化物层，而图3示出转换全部的铜锗化物层。可以利用含氧气体在大约20到大约400℃的温度下，对铜锗化物进行氧化。含氧气体的流率一般为大约5到大约15slm，氧化过程的时间为大约5秒到几天。在氧化过程中，铜从铜锗化物被排回到其下的铜部件中。在温度由大约300到大约750℃提升时，通过和诸如氨或氮等含氮气体或等离子体的反应，铜锗化物可以转换成氮化锗。已经发现在铜锗化物形成和氮化物淀积之间通过与空气接触(室温下暴露在空气中)形成的锗氧化物能带来氮化物到铜分层和分布拉力测试(stud pull test)的大大减少。在锗化物形成后，没有与空气接触的原位氮化物罩淀积引起边缘分层测试的改善，但不带来分布拉力测试的改善。Shaffer等在边缘分层测试薄膜涂层粘附力的测量方法一文中描述了边缘分层测试，该文发表在由材料研究协会，Pittsburgh，PA，USA出版的材料研究协会研讨会论文集vol.308，1993的微电子应用的第一部分薄膜的数值分析和初步结果应力和机械性质IV，pp.535-539。所提到的被认为弱粘附到铜或是不能很好粘附到铜的材料指的是那些在边缘分层测试中，在高于测试中硅失效温度的温度下分层的材料。可以在第8版的Gmelins Handbuc本文档来自技高网...

【技术保护点】
半导体结构，包括：安置在半导体器件里的铜部件；安置在铜部件的至少一个表面上，从铜锗化物、锗氧化物、氮化锗和它们的组合组成的组中选择的至少一种含锗材料层；和安置在含锗层上的弱粘附到铜的材料层。

【技术特征摘要】
US 1999-1-14 09/231，6181.半导体结构，包括安置在半导体器件里的铜部件；安置在铜部件的至少一个表面上，从铜锗化物、锗氧化物、氮化锗和它们的组合组成的组中选择的至少一种含锗材料层；和安置在含锗层上的弱粘附到铜的材料层。2.权利要求1的半导体结构，其中铜部件是铜或铜合金。3.权利要求1的半导体结构，其中含锗层包括铜锗化物。4.权利要求1的半导体结构，其中含锗层包括锗氧化物。5.权利要求1的半导体结构，其中含锗层包括氮化锗。6.权利要求1的半导体结构，其中含锗层包括铜锗化物层和锗氧化物层。7.权利要求1的半导体结构，其中含锗层包含铜锗化物层和氮化锗层。8.权利要求1的半导体结构，其中含锗层包含铜锗化物层，锗氧化物层和氮化锗层。9.权利要求1的半导体结构，其中含锗层具有大约100到大约1000的厚度。10.权利要求1的半导体结构，其中含锗层具有大约150到大约400的厚度。11.权利要求9的半导体结构，其中铜具有大约1000到大约20,000的厚度。12.权利要求9的半导体结构，其中弱粘附到铜的材料层具有大约100到大约20000的厚度。13.权利要求1的半导体结构，其中弱粘附到铜的材料是氮化硅。14.权利要求1的半导体结构，其中弱粘附到铜的材料是二氧化硅。15.制造半导体结构的工艺，包括以下步骤将从铜锗化物、锗氧化物、氮化锗和它们的组合组成的组中选择的至少一种含锗层提供到铜部件的至少一个表面上；在该含锗材料层上提供不能很好粘附到铜的材料层。16.权利要求15的工艺，包括通过在结构上流过锗烷...

【专利技术属性】
技术研发人员：文森特J迈哥亥，托马斯A伊沃斯，亨利A尼耶三世，乔伊斯C刘，
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]