銅互連布線及其形成方法和裝置的製作方法

2023-08-10 17:36:01 2

專利名稱：銅互連布線及其形成方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明一般地涉及銅互連布線層表面上的蓋層以及通過利用氣體團簇
離子束(GCIB)處理形成用於半導體集成電路的互連結構的改進方法和裝置。
背景技術：
"摩爾定律"使半導體持續的按比例縮放而具有更高的密度和更好的性 能，這為工業以及我們社會的生產力提供了極大的增長。然而，這種按比 例縮放產生的問題是需要在越來越小的互連線上傳送越來越高的電流。當 如此小的導線中的電流密度和溫度變得過高時，互連線會由於被稱為電遷 移的現象而失效。這種發生於高電流密度的互連線中的所謂"電子風"效應導 致金屬原子被從他們的初始晶格位置掃除，從而導致在線中形成開路或在 這些擴散的金屬原子聚集區發生擠壓短路。將銅作為布線材料引入以取代 鋁在電遷移壽命方面提供了極大的改善，然而，互連線的繼續縮放預示著 將來需要在銅電遷移壽命上做出進一步的改進。
與由於鋁原子沿晶界的擴散而失效的鋁互連不同的是，銅互連電遷移 失效模式是由沿表面和界面的擴散控制的。特別是對於傳統的銅布線互連 配置，銅線的頂表面典型地具有覆蓋的電介質蓋層，該電介質蓋層必須具 有良好的擴散阻擋性質，以防止銅遷移到周圍的電介質中。兩種最為普遍 使用的電介質遮蓋材料為氮化矽和碳氮化矽(Si-C-N)，它們傳統上通過等 離子體增強化學氣相沉積(PECVD)技術沉積。不幸的是，這些由PECVD 沉積的遮蓋材料與銅形成缺陷界面，這導致沿著銅線的頂表面增強的銅遷 移，並因此具有的更高的電遷移失效率。銅線結構的其它表面典型地具有 與阻擋層或雙層(典型為金屬的，例如TaN/Ta、 TaN/Ru、或Ru )形成的 界面，而阻擋層或雙層與銅形成強界面以限制銅擴散，因而抑制電遷移效 應。我們將這種阻擋層或雙層稱為"阻擋層"，我們將線互連層稱為互連層或線層，並且每個線互連層包括至少一金屬導體層和一層間電介質層，該層 間電介質層使金屬導體層與較低層的襯底或較低層的互連層以及與同一線 互連層中的其它金屬導體絕緣。
已嘗試通過使用選擇性沉積的金屬蓋遮蓋所述銅布線的頂表面來改進 銅布線的電遷移。當所述頂部銅界面被選擇性鎢或選擇性鈷鎢磷化物
(CoWP)金屬層遮蓋時，據報導銅的電遷移壽命確實得到極大的改善。不 幸的是，所有這些使用選擇性金屬遮蓋方案的方法也都可能在附近的絕緣 體表面上沉積上相同的金屬，並因此導致在相鄰的金屬線之間產生不期望 的洩漏或短路。本發明使用氣體團簇離子束處理來解決上述許多問題。
圖1示出闡述普遍用於銅雙鑲嵌集成工藝中的現有技術氮化矽遮蓋的 銅互連的布線配置300的示意圖。它包括第一銅線層302、第二銅線層304， 以及連接上述兩個銅層的銅通孔結構306。上述兩個線層302和304的側壁 和底部以及通孔結構306均覆蓋有阻擋層312。所述阻擋層312提供了優良 的擴散阻擋性質，防止銅擴散到附近的絕緣體結構中而且還提供與銅的優 良低擴散界面，從而抑制沿這些界面的電遷移。第一層間電介質層308和 第二層間電介質層310提供銅線之間的絕緣。第一銅線層302的頂表面以 及第二銅線層304的頂表面中的每一個都分別地覆蓋有絕緣阻擋膜314和 316，所述絕緣阻擋膜典型地由氮化矽或碳氮化矽組成。這些絕緣阻擋膜314 和316傳統上通過PECVD沉積，並且它們與暴露的銅表面形成的界面都有 許多缺陷並且為銅原子的遷移提供快速擴散路徑。在這種現有技術的布線 配置中，在銅的電遷移期間幾乎所有不期望的材料移動都是沿著這些界面 發生的。在像這樣的傳統雙鑲嵌銅互連中，在各個互連級上，在層間電介 質層中形成槽和通孔、然後沉積銅以形成互連線和通孔之後，接著使用化 學機械拋光技術(CMP)典型地進行平坦化步驟。該平坦化步驟從層間電 介質層的上表面去除了阻擋層材料，並使得銅線層的上表面和層間電介質 層的上表面共面。緩蝕劑用於CMP和CMP之後的刷清處理，並且在蓋層 的沉積之前，這些緩蝕劑和其它的汙染物必須通過原位清洗從銅表面去除。 使用非原位清洗工藝可能讓銅表面易於遭受腐蝕和氧化。PECVD反應器典 型地被設置為不能在沉積絕緣體蓋層前對銅表面進行有效的原位清洗。布 線配置300典型地形成在包括需要電互連以實現集成電路的有源元件和/或無源元件的半導體襯底上，然而未在圖l中示出。
圖2示出現有技術的選擇性金屬遮蓋的銅互連的布線配置400。它包括 第一銅線層402、第二銅線層404，以及連接上述兩個銅層的銅通孔結構406。 上述兩個線層402和404的側壁和底部以及通孔結構406均覆蓋有阻擋層 412。所述阻擋層412提供了優良的擴散阻擋性質，防止銅擴散到附近的絕 緣體結構中而且還提供了與銅的優良低擴散界面，從而抑制沿這些界面的 電遷移。第一層間電介質層408和第二層間電介質層410提供銅線之間的 絕緣。第一銅線層402的頂表面以及第二銅線層404的頂表面分別被選擇 性沉積的金屬層414和416遮蓋，該選擇性沉積的金屬層度典型地包含通 過化學氣相沉積(CVD)或無電鍍技術分別沉積的選擇性鉤或選擇性 CoWP。在這種傳統雙鑲嵌銅互連中，在各個互連級上，在層間電介質層中 形成槽和通孔、然後沉積銅以形成互連線和通孔之後，接著使用化學機械 拋光(CMP)技術典型地進行平坦化步驟。該平坦化步驟從層間電介質層 的上表面去除阻擋層材料，並使得銅線層的上表面和層間電介質層的上表 面共面。緩蝕劑用於CMP和CMP之後的刷清處理，並且在蓋層的沉積之 前，這些緩蝕劑和其它的汙染物必須從銅表面去除。已報導當銅層的頂部 銅界面被鎢或CoWP金屬層遮蓋時，銅電遷移壽命得到極大改善。不幸的 是，所有這些使用選擇性金屬遮蓋方案的方法也同樣可能如所示在附近的 絕緣體表面上沉積不需要的金屬418，因而導致相鄰金屬線之間的漏電或短 路。雖然選擇性金屬沉積技術保證了電遷移的巨大改進，但是由於不期望 的汙染金屬沉積在層間電介質層的附近絕緣體表面而使半導體管芯產量的 損失存在高潛在性，因此選擇性金屬沉積技術還沒有廣泛用於製造業。布 線配置400被典型地形成在包括需要電互連以實現集成電路的有源元件和/ 或無源元件的半導體襯底上，然而其未在圖2中示出。
使用氣體團簇離子束來處理表面已為本領域所公知(例如，參見美國 專利5，814，194， Dcguchi等)。當在此使用這個術語時，氣體團簇為在標準 溫度和壓力的條件下為氣態的材料的納米級聚集體。這種氣體團簇典型地 包含幾個到幾千個分子的聚集體，它們鬆散地結合以形成氣體團簇。氣體 團簇能夠通過電子轟擊或其它方法電離，從而使它們形成可控制能量的定 向光束。各個這種離子典型地帶有q化的正電荷(其中e為電荷，而q為表示氣體團簇離子的電荷狀態的從一到幾的整數)。非電離氣體團簇也可以存 在於氣體團簇離子束中。由於較大尺寸的氣體團簇離子攜帶大量能量的能 力，而每個分子僅具有適中的能量，因此較大尺寸的氣體團簇離子通常為 最有用的。氣體團簇離子在衝擊下分裂，各個獨立的分子僅攜帶有整個氣 體團簇離子能量的一小部分。因此，大型氣體團簇離子的衝擊效應是顯著 的，但限於非常狹窄的表面區。這使氣體團簇離子對於各種表面改性工藝 有效，而不具有傳統單個離子束處理的造成更深亞表面損傷特性的傾向。
這種GCIB的創建和加速方法已在先前引用的參考文獻(US 5,814,194)中 描述。目前可用的氣體團簇離子源產生具有寬尺寸分布的氣體團簇離子，N (其中N-各個氣體團簇離子中的分子數，在如Ar的單原子氣體的情況下， 在整個討論中，這種單原子氣體中的原子將被稱為分子並且該單原子氣體 的電離原子將被稱為分子離子，或簡稱單體離子)。通過用GCIB轟擊表面 可以達到許多有效的表面處理效果。這些處理效果包括清洗、光滑化、 蝕刻、摻雜以及膜形成或膜生長，但不一定局限於此。Allen等人的美國專 利6，537，606教導了使用GCIB對初始不均勻薄膜的矯正蝕刻以改善其空間 均勻性。US6，537，606的全部內容通過引用而結合於此。
在高能氣體團簇對固體靶表面的衝擊下，由於貫穿深度受限於各個單 獨組成原子的低能量，並主要地依賴於氣體團簇離子衝擊時發生的瞬態熱 效應，進入靶表面的團簇的原子的貫穿通常很淺。在衝擊下氣體團簇分裂 並且單獨的氣體原子隨後變得游離以進行反衝，並可能從靶表面逃逸。與 逃逸的單獨氣體原子攜帶的能量不同的是，衝擊前的高能團簇的總能量沉 積在耙表面的衝擊區。靶衝擊區的尺寸依賴於團簇的能量，但相似於該衝 擊團簇的橫截面尺寸並且很小，例如，對於包含1000個原子的團簇而言直 徑約為30埃。由於團簇攜帶的總能量的大部分沉積在靶上的小衝擊區內， 因此在衝擊位置的靶材料內產生強烈的瞬態熱。通過更深地傳導到靶中， 這種瞬態熱作為損失的能量從衝擊區迅速散失。瞬態熱的持續時間由靶材 料的傳導性決定，但典型地小於10'6秒。
在氣體團簇衝擊位置附近，靶表面的很大一部分能夠瞬間達到數百到 幾千開氏度的溫度。例如，在表面下高度激發的、延伸至約100埃的近似 半球區內，攜帶有10 keV總能量的氣體團簇的衝擊被估計為能夠產生約2000開氏度的瞬間溫度增長。這種高熱瞬變推動工件和氣體團簇離子束成 分的混合和/或反應，從而使電遷移壽命得到改善。
在高能氣體團簇衝擊位置下方的靶體積內開始升高的溫度瞬變之後， 受影響區迅速冷卻。 一些氣體團簇成分在該過程中逃逸，而其它的氣體團 簇成分保留並結合在表面中。原表面材料的一部分也可以通過濺射或相似 效應而去除。通常地，越多的揮發性組分和惰性組分的氣體團簇就越易於 逃逸，而較少揮發性組分和較多化學活性組分的氣體團簇越易於結合在表 面中。雖然實際過程可能更加複雜，但是將氣體團簇衝擊位置和被環繞的 受影響區視為"熔區"是方便的，其中所述氣體團簇原子可以與襯底表面暫時 地互相作用並且混合，並且其中氣體團簇材料逃逸出表面或者注入到表面 至受影響區的深度。發明人所使用的術語"注入(infiision)"或"使注入 (inflising)"是指這種工藝，使其區別於離子"植入(implantation)"或"植 入(implanting)"，後者是一種產生完全不同結果的完全不同的工藝。高能 氣體團簇離子中具有揮發性和不反應性的惰性氣體，例如Ar和Xe，很可 能從受影響區逃逸，而具有較低揮發性和/或更可能形成化學鍵的材料例如 碳、硼、氟、硫、氮、氧、鍺和矽均更易於保持在受影響區內，結合到襯 底的表面中。
惰性氣體，例如為Ar和Xe，但不限於Ar和Xe，可以與包含較低揮 發性和/或更高反應性的元素的氣體混合以形成混合團簇。能夠通過使用合 適的源氣體混合物作為產生氣體團簇離子束的源氣體，或通過將兩種或更 多種氣體(或氣體混合物)加入到氣體團簇離子產生源內並使得這些氣體 在源中混合，而利用現有的氣體團簇離子束處理設備形成這種氣體團簇， 這將在下文進行描述。在近期的出版物中，Borland等人("USJ and strained-Si formation using inflision doping and deposition" ， Solid State Technology, May 2004， p53)展示了 GCIB注入可以產生從襯底材料平滑地過渡到表面上的 沉積層的漸變表面層。
因此，本發明的一個目的是提供在互連結構中遮蓋銅線的方法，以降 低對不期望的電遷移效應的敏感性且不需使用選擇性金屬來沉積蓋。
本發明的更進一步目的是提供在互連結構中有效地遮蓋銅互連的方 法，而不影響附近的電介質材料的絕緣性能或洩漏性能。本發明的另一個目的是提供形成多級銅互連的方法，用於具有高工藝 成品率和降低的電遷移效應失效敏感性的電路。
本發明的進一步的目的是提供用於集成電路的改進的遮蓋銅互連層， 該電路的特徵在於具有高工藝成品率和降低的電遷移失效敏感性。
本發明的另一個目的是提供一種改善的裝置，用於通過集簇設備
(clustertool)中的整合處理步驟而避免不期望的汙染，以根據本發明的方 法對集成電路的銅互連結構進行改進的遮蓋，所述集簇設備被配置為通過 氣體團簇離子束處理執行所述方法中的至少一個步驟。

發明內容
本發明的一個實施例提供了一種在包括一個或多個銅互連表面和覆蓋 電介質材料的阻擋層材料的一個或多個表面的結構上形成遮蓋結構的方 法，並且可以包括以下步驟將所述結構置於減壓腔(reduced pressure chamber)內；在所述減壓腔內形成加速的遮蓋GCIB;以及將所述加速的 遮蓋GCIB弓I導到所述一個或多個銅互連表面中的至少一個上，並引導到覆 蓋所述電介質材料的所述阻擋層材料的一個或多個表面中的至少一個上， 從而在所述加速的遮蓋GCIB被引導到其上的一個或多個銅互連表面上形 成至少一個遮蓋結構。
所述阻擋層材料可以具有第一厚度並且所述引導步驟可以在將一層注 入覆蓋所述電介質材料的所述阻擋層材料的一個或多個表面中的至少一個 內，所述注入層具有小於所述第一厚度的第二厚度。該方法還可以包括蝕 刻掉所述注入層和覆蓋所述電介質材料的所述阻擋層材料。所述蝕刻步驟 可以進步一地包括如下步驟在減壓腔內形成加速的蝕刻GCIB;並且將所 述加速的蝕刻GCIB引導到覆蓋所述電介質材料的阻擋層的至少一個表面 上。
在所述遮蓋GCIB形成和引導步驟之前，該方法還可以包括以下步驟 在減壓腔內形成加速的清洗GCIB;以及將所述加速的清洗GCIB引導到所 述一個或多個銅互連表面中的至少一個上和覆蓋所述電介質材料的阻擋層 材料的一個或多個表面中的至少一個上，以清洗所述加速的清洗GCIB被引 導到其上的至少一個或多個表面。形成加速的清洗GCIB的步驟還可以進一步地包括從選自由Ar、 N2、 NH3和H2組成的組中的至少一種氣體的分子 產生氣體團簇離子。所述形成加速的清洗GCIB的步驟還可以進一步地包 括使用約3kV至約50kV範圍內的束加速電壓加速清洗GCIB氣體團簇離 子。所述引導加速的遮蓋GCIB的步驟可能導致約lxl0"至約lxlO"個氣 體團簇離子/cn^範圍內的照射劑量被傳送到所述一個或多個銅互連表面中 的至少一個和覆蓋所述電介質材料的所述阻擋層的一個或多個表面中的至 少一個。
該方法可以進一步地包括形成至少一層絕緣層的步驟，所述至少一層 絕緣層覆蓋至少一個已形成的遮蓋結構。所述形成至少一層絕緣層的步驟 可以使用PECVD沉積工藝。所形成的至少一層絕緣層可以包含選自由碳化 矽、氮化矽和碳氮化矽組成的組中的一種材料。所述形成覆蓋至少一個遮 蓋結構的至少一層絕緣層的步驟可以進一步包括以下步驟在減壓腔內形 成加速的沉積GCIB;並且將加速的沉積GCIB引導到一個或多個銅互連表 面上，以沉積所述至少一層絕緣層。所述覆蓋所述至少一個遮蓋結構的至 少一層絕緣層可以為電介質擴散阻擋膜。
本發明的另一實施例提供了一種用於在減壓環境下處理至少一個晶片
的集簇設備，該集簇設備可以包括至少一個用於將至少一個晶片移入或 移出所述集簇設備的鎖；至少一個傳送腔；至少一個GCIB處理腔；至少一 個清洗腔；以及至少一個適於在腔之間轉移至少一個晶片的傳送裝置。
所述GCIB處理腔可以適用於在所述至少一個晶片的至少一個部分上 進行銅遮蓋處理，並且清洗腔可以適用於在該銅遮蓋處理前進行清洗。所 述清洗腔可以為等離子清洗腔。所述GCIB處理腔可以適用於在所述至少一 個晶片的至少一部分上形成電介質擴散阻擋膜。
本發明的另一實施例提供了一種用於在減壓環境下處理至少一個晶片 的集簇設備，該集簇設備可以包括至少一個用於將至少一個晶片移入或 移出所述集簇設備的鎖；至少一個傳送腔；至少一個GCIB處理腔；至少一 個沉積腔；以及至少一個適於在腔之間轉移所述至少一個晶片的傳送裝置。
所述GCIB處理腔可以適用於在至少一個晶片的至少一部分上進行銅 遮蓋處理，並且所述沉積腔可以適用於在所述至少一個晶片的至少一部分 上的被遮蓋的銅上形成電介質擴散阻擋膜。所述沉積腔可以為PECVD沉積腔。所述GCIB處理腔可以適用於在銅遮蓋操作前進行清洗。
本發明的另一實施例提供了一種用於減壓環境下處理至少一個晶片的
集簇設備，該集簇設備可以包括至少一個用於將至少一個晶片移入或移 出所述集簇設備的鎖；至少一個傳送腔；至少一個GCIB處理腔；至少一個 沉積腔；至少一個清洗腔；以及至少一個適於在腔之間轉移至少一個晶片 的晶片傳送裝置。
所述GCIB處理腔可以適用於在至少一個晶片的至少一部分上進行銅 遮蓋處理，並且所述清洗腔可以適用於在銅遮蓋處理之前進行清洗。所述 GCIB處理腔可以適用於在至少一個晶片的至少一部分上進行銅遮蓋處理， 並且該沉積腔可以適用於在被遮蓋的銅上形成電介質擴散阻擋膜。所述沉 積腔可以為PECVD沉積腔。所述清洗腔可以為等離子體清洗腔。所述GCIB 處理腔可以適用於形成電介質擴散阻擋膜。所述GCIB處理腔可以適用於在 銅遮蓋處理之前對所述至少一個晶片的至少一部分進行清洗。
本發明的另一實施例提供了一種用於在壓力降低的環境中處理至少一 個晶片的集簇設備，該集簇設備可以包括至少一個用於將所述至少一個 晶片移入和/或移除所述集簇設備的鎖；多個GCIB處理腔；以及至少一個 適於在腔之間轉移所述至少一個晶片的晶片傳送裝置。
所述GCIB處理腔可以適用於在所述至少一個晶片的至少一部分上執 行銅遮蓋處理，並且所述GCIB處理腔可以適用於在被遮蓋的銅上形成電介 質擴散阻擋膜。所述GCIB處理腔可以適用於在所述至少一個晶片的至少一 部分上執行銅遮蓋處理，並且所述GCIB處理腔可以適用於在銅遮蓋處理之 前執行清洗處理。所述GCIB處理腔可以適用於在所述至少一個晶片的至少 一部分上進行銅遮蓋處理，該GCIB處理腔可以適用於在所述銅遮蓋處理前 進行清洗，並且該GCIB處理腔可以適用於在被遮蓋的銅上形成電介質擴散 阻擋膜。
本發明的另一實施例提供了在包括一個或多個銅互連表面和一個或多 個電介質表面的結構上形成遮蓋結構的方法，該方法可以包括將所述結 構設置在減壓腔內；在減壓腔內形成加速的遮蓋GCIB;以及將該加速的遮 蓋GCIB引導到一個或多個銅互連表面和一個或多個電介質表面中的至少 一個上，以便在加速的遮蓋GCIB被引導到其上的一個或多個表面上形成至少一個遮蓋結構。
所述加速的遮蓋GCIB可以進一步包括:從注入銅表面時形成電絕緣材 料並且注入電介質表面時形成電絕緣材料的元素產生氣體團簇離子；並且 所形成的至少一個遮蓋結構是電絕緣的遮蓋結構。形成加速的遮蓋GCIB
的步驟可以進一步包括從注入銅表面時形成導電材料並且注入電介質表 面時形成電絕緣材料的元素產生氣體團簇離子；並且所形成的至少一個遮 蓋結構可以包括在銅互連部分的照射區上的導電遮蓋結構和在電介質部分 的照射區上的電絕緣遮蓋結構中的至少一個。形成加速的遮蓋GCIB的步驟 可以進一步包括由惰性氣體或惰性氣體的混合物產生氣體團簇離子；並 且所形成的至少一個遮蓋結構可以包括在銅互連部分的照射區上的至少一 個導電遮蓋結構。形成加速的遮蓋GCIB的步驟可以進一步地包括從Ar或 Xe或Ar和Xe的混合物中產生氣體團簇離子；並且所形成的至少一個遮蓋 結構可以包括在銅互連部分的照射區上的至少一個導電遮蓋結構。
本發明的另一實施例提供了一種在集成電路互連層上形成銅蓋結構的 方法，所述集成電路互聯層包括一個或多個銅互連表面以及一個或多個被 阻擋層材料覆蓋的電介質層區，並且該方法可以包括如下步驟在一個或 多個銅互連表面上形成至少一個蓋結構；以及在一個或多個銅互連表面上 形成所述至少一個蓋結構後，去除覆蓋所述一個或多個電介質層區中的至 少一個的阻擋層材料。所述形成步驟可以進一步包括形成加速的遮蓋 GCIB，並將該加速的遮蓋GCIB引導到所述一個或多個銅互連表面中的至 少一個上。所述去除步驟可以包括形成加速的蝕刻GCIB並且將該加速的蝕 刻GICB引導至阻擋層材料上。
本發明的另一實施例提供了一種在集成電路互連層上形成銅遮蓋結構 的方法，所述集成電路互連層包括一個或多個銅互連表面和一個或多個覆 蓋有阻擋層材料的電介質層區，並且該方法可以包括以下步驟利用第一 束加速電壓形成加速的遮蓋GCIB;將所述加速的遮蓋GCIB引導到所述一 個或多個銅互連表面中的至少一個上，以在所述一個或多個銅互連表面上 形成至少一個遮蓋結構；使用低於所述第一束加速電壓的第二束加速電壓 形成加速的蝕刻GCIB;以及將加速的蝕刻GCIB引導到至少一個遮蓋結構 和阻擋層材料上，以去除所述阻擋層材料。本發明的另一實施例提供了一種在集成電路互連層上形成銅遮蓋結構 的方法，所述集成電路互連層包括一個或多個銅互連表面和一個或多個覆 蓋有阻擋層材料的電介質層區，並且該方法可以包括以下步驟形成加速
的遮蓋GCIB;將該加速的遮蓋GCIB引導到所述一個或多個銅互連表面中
的至少一個上，以在所述一個或多個銅互連表面上形成至少一個遮蓋結構;
形成加速的蝕刻GCIB;以及將該加速的蝕刻GCIB引導到所述至少一個遮
蓋結構和阻擋層材料上，以去除覆蓋所述一個或多個電介質層區中的至少 一個的阻擋層材料，但不去除全部的所述至少一個遮蓋結構。
本發明的另一實施例提供了一種通過一個或多個上述方法步驟製得的 集成電路互連層，該集成電路互連層包括一個或多個被遮蓋的銅互連表面 和一個或多個電介質層區。
本發明的另一種實施例提供了一種通過一個或多個上述方法步驟製得 的集成電路互連層，該集成電路互連層包括一個或多個被遮蓋的銅互連表 面和一個或多個電介質層區。
本發明的另一實施例提供了一種用於在集簇設備系統中處理半導體晶 片的方法，同時在該集簇設備系統中保持減壓環境，並且該方法可以包括
以下步驟在所述集簇設備的第一GCIB處理腔內，使用GCIB處理在半導 體晶片上的銅互連表面和覆蓋電介質材料的阻擋層材料表面上形成蓋層； 在所述集簇設備的減壓環境內，將所述半導體晶片從所述集簇設備的第一 GCIB處理腔轉移至第二 GCIB處理腔；以及在該第二 GCIB處理腔內使用 GCIB蝕刻處理從所述電介質層去除阻擋層材料。
在所述形成的步驟之前，該方法可以進一步包括如下步驟在所述集 簇設備的第三處理腔內，使用清洗處理對所述銅互連表面和阻擋層材料表 面進行清洗；以及在所述集簇設備的減壓環境內，將所述半導體晶片從所 述集簇設備的第三處理腔轉移至該集簇設備的第一 GCIB處理腔。所述集簇 設備的第三處理腔可以為GCIB處理腔，並且其中所述清洗處理包括GCIB 清洗處理。
本發明的另一實施例提供了一種用於在集簇設備系統中處理半導體晶 片的方法，同時在該集簇設備系統中保持減壓環境，並且該方法可以包括 以下步驟在所述集簇設備的第一 GCIB處理腔內使用GCIB處理在半導體晶片上的銅互連表面和電介質材料上形成蓋層；在所述集簇設備的減壓環 境內，將所述半導體晶片從所述集簇設備的第一 GCIB處理腔轉移至第二處 理腔；以及在所述集簇設備的第二處理腔內，通過形成電介質膜的方法在 所述蓋層上形成電介質擴散阻擋膜。
在所述形成步驟之前，該方法可以進一步地包括以下步驟在所述集 簇設備的第三處理腔內，使用清洗處理清洗所述銅互連表面和阻擋層材料 表面；以及在所述集簇設備的減壓環境內，將所述半導體晶片從所述集簇 設備的第三處理腔轉移送至該集簇設備的第一 GCIB處理腔。所述集簇設備 的第三處理腔可以為GCIB處理腔，並且其中所述清洗處理可以包括GCIB 清洗處理。所述集簇設備的第二處理腔可以為GCIB處理腔並且所述形成電 介質膜的方法可以包括GCIB注入方法。


為了更好地理解本發明以及本發明的其它和進一步的目的，請參考附
圖和詳細的描述，其中
圖1為示出現有技術中的氮化矽遮蓋的銅互連布線配置的示意圖； 圖2為示出現有技術中的選擇性金屬遮蓋的銅互連布線配置的示意圖； 圖3為示出現有技術中的GCIB處理裝置的基本元件的示意圖； 圖4A、 4B、 4C、 4D和4E為示出通過根據本發明第一實施例的GCIB
注入而進行銅互連遮蓋(capping)的工藝的示意圖5A、 5B、 5C、 5D、 5E、 5F、 5G、 5H、 51、 5J、 5K和5L為示出通
過使用根據本發明第二實施例的GCffi注入和沉積來進行銅互連遮蓋的工
藝的示意圖6A、 6B、 6C、 6D、 6E、 6F和6G為示出通過使用根據本發明第三 實施例的GCIB注入和沉積而進行銅互連遮蓋的工藝的示意圖7A、 7B、 7C、 7D、 7E、 7F和7G為示出通過使用根據本發明第四 實施例的GCIB注入和沉積而進行銅互連遮蓋的工藝的示意圖8A和圖8B為能夠用於本發明一些示例性實施例的示例性集簇設備 的圖示；以及
圖9為示出表示這裡描述的實施例的不同例子的表格。
具體實施例方式
圖3示出用於現有技術中已知形式的GCIB處理裝置100的典型構造的 基本元件的示意圖，並且GCIB處理裝置100可以被描述如下真空容器 102被分為源腔104、電離/加速腔106和處理腔108三個相通的腔室。這三 個腔室被真空泵系統146a、 146b和146c分別抽空至合適的操作壓力。儲存 在第一儲氣瓶111內的第一可壓縮源氣體112 (例如Ar或氮或預先混合的 氣體混合物)被容許在壓力下經過第一氣體截止閥115和第一氣體計量閥 113以及進氣管114而進入停滯腔116內。儲存在可選第二儲氣瓶230中的 可選第二可壓縮源氣體232(例如二氧化碳、氧氣或預先混合的氣體混合物) 可選地被容許在壓力下經過第二氣體截止閥236和第二氣體計量閥234。上 述兩種源氣體都被使用時，它們在進氣管114和停滯腔116內混合。停滯 腔116內的氣體或氣體混合物通過適當形狀的噴嘴110被噴入較低壓力的 真空內。產生超音速氣體射流118。射流中的膨脹造成的冷卻導致部分氣體 射流118凝結成氣體團簇，每個氣體團簇包含數個到數千個弱鍵合的原子 或分子。氣體漏孔(skimmer aperture) 120將沒有凝結成氣體團簇射流的氣 體分子部分地從氣體團簇射流中分離，以最小化下遊區的壓力，在下遊區 中這種較高的壓力將是有害的(例如，離子發生器122、高壓電極126和處 理腔108)。適當的可壓縮源氣體112包括但不必局限於Ar、氮、二氧化碳、 氧氣和其它氣體和/或氣體混合物。
形成包含氣體團簇的超音速氣體射流118後，所述氣體團簇在離子發 生器122內被電離。所述離子發生器122通常為電子衝擊離子發生器，它 從一個或多個白熾燈絲124產生熱電子，加速並引導這些電子使這些電子 在所述射流穿過所述離子發生器122處與氣體射流118中的氣體團簇碰撞。 這種電子衝擊從所述氣體團簇噴射出電子，導致氣體團簇的一部分被正電 離。部分氣體團簇被噴射出的電子可以多於一個並可以被多重離子化。一 套適當偏置的高壓電極126從所述離子發生器中提取氣體團簇離子，形成 束並隨後將其加速至所需能量(典型地，利用從數百伏到數十kV的加速電 壓)並聚焦以形成GCIB128。燈絲電源136提供燈絲電壓Vf以加熱所述離 子發生器燈絲124。陽極電源134提供陽極電壓VA以加速從燈絲124發射的熱電子，從而使他們照射包含氣體射流118的氣體團簇以產生離子。引 出電源138提供引出電壓VE來偏置高壓電極，以從離子發生器122的離子 化區抽提離子並形成GCIB128。加速器電源140提供加速電壓Vacc來相対 於離子發生器122偏置高壓電極，從而使得總GCIB加速電壓等於VACC。 可以提供一個或多個透鏡電源(lens power supply)(例如圖示的142和144) 來利用聚焦電壓(例如Vu和Vl2)偏置高壓電極，以聚焦所述GCIB128。
工件152可以是半導體晶片或其它將通過GCIB處理加工的工件，將工 件152固定在工件固定器150上，而將工件固定器150置於GCIB 128的路 徑上。由於大部分的應用期望以在空間上均勻的結果處理大型工件，因此 需要掃描系統均勻地掃描大面積的GCIB 128，以得到空間上均勻的結果。
GCIB 128是靜止的，具有GCIB軸129，並且工件152通過GCIB 128 被機械地掃描，以在工件152的表面上分配GCIB 128的作用。
X掃描制動器202為工件固定器150在X掃描運動208方向(進或出 紙平面的方向)上提供直線運動。Y掃描制動器204為工件固定器150在Y 掃描運動210方向上提供直線運動，所述Y掃描運動210典型地與所述X 掃描運動208垂直。X掃描運動和Y掃描運動結合起來使由工件固定器150 固定的工件152以光柵狀掃描運動穿過GCIB 128移動，以通過用於處理工 件152的GCIB 128在工件152的表面上產生均勻(或相反設計的)照射。 工件固定器150將工件152設置成相對於GCIB 128的軸線成一定角度，使 得GCIB 128相對於工件152的表面具有束入射角度206。束入射角度206 可以為90。或其它角度，但典型地為90°或接近90°。在Y掃描中，工件152 和工件固定器150從所示位置移動至由標識符152A和150A分別指示的另 一位置"A"。注意到在所述兩個位置之間移動時，通過GCIB 128掃描工件 152並在兩個極限位置處被完全地移出GCIB 128的路徑(全掃描)。雖然沒 有在圖3中明確地表示，在(典型地)垂直的X掃描運動208方向(進和 出紙平面的方向)上進行類似的掃描和全掃描。
束電流傳感器218被置於GCIB 128路徑上工件固定器150之後，以便 在從GCIB 128的路徑外掃描工件固定器150時，截獲GCIB 128的樣本。 束電流傳感器218典型地是除了束進入開口外均封閉的法拉第杯等，並且 典型地通過電絕緣套212固定在真空容器102的壁上。控制器220可以為基於微型電子計算機的控制器，其通過電線216連 接至X掃描制動器202和Y掃描制動器204上，並控制所述X掃描制動器 202和Y掃描制動器204，從而將工件152放入GCIB 128或將工件152從 GCIB 128取出並相對於GCIB 128均勻地掃描工件152，以通過GCIB 128 實現對工件152的所需處理。控制器220通過引線214接收由束電流傳感 器218採集的採樣束流，從而監控GCIB並且當已經傳遞了預定的需要劑量 時，將工件152從GCIB 128移出，進而控制由工件152接收的GCIB的劑
圖4A為示出使用根據本發明第一實施例的GCIB注入進行遮蓋的銅互 連的布線配置500 (用於舉例而非限制地顯示了兩個銅線層互連級)的示意 圖。所述示意圖示出了襯底501，其支撐第一銅線層502、第二銅線層504 以及連接上述兩個銅層的銅通孔結構506，各個銅層可以使用傳統技術形 成。所襯底501典型地為包括需要電互連的有源和/或無源元件(可能包括 較低互連級)的半導體襯底。銅線層502和504的側壁和底部以及通孔結 構506覆蓋有TaN/Ta或其它可以用傳統技術形成的傳統阻擋層512。第一 層間電介質層508和第二層間電介質層510提供銅線層和其它元件之間的 電絕緣，並可以通過使用傳統技術形成。第一銅線層502的頂表面和第一 層間電介質層508的頂表面和第二銅線層504的頂表面以及第二層間電介 質層510的頂表面均通過GCIB處理遮蓋以形成蓋膜514、 516和518。單 獨的GCIB遮蓋處理優選在各個互連級的頂表面進行。在傳統的雙鑲嵌銅互 連中，在層間電介質層中形成槽和通孔、接著沉積銅以形成互連線和通孔 之後，典型地使用化學機械拋光(CMP)技術在暴露的銅和層間電介質層 材料表面上進行平坦化的步驟。在CMP技術和CMP之後的刷除(brush cleaning)處理中都可以在待拋光的表面上使用緩蝕劑，優選地，在形成蓋 層前通過原位清洗將緩蝕劑從銅和電介質表面(與其它雜質一起)去除(如 同這裡使用的，"原位"意味著在相同的減壓環境下進行清洗，其中在清洗和 遮蓋步驟之間進行遮蓋沉積而不回復到大氣壓，並降低了在清洗步驟和遮 蓋步驟之間使經清洗的表面再汙染的機率)。PECVD反應器通常不被設置 成在絕緣體蓋層沉積前對銅表面進行有效的原位清洗。與PECVD系統不同 的是，GCIB處理系統例如處理裝置100為易於且典型地構造成實現原位有順序的清洗和遮蓋。接下來清洗暴露的銅和層間電介質表面，該清洗可以 通過傳統的乾洗處理，例如等離子體清洗處理進行或者優選地通過將在下
文描述的GCIB處理進行，優選原位進行，使用GCIB注入處理以遮蓋平坦 化的表面(同時處理銅和暴露的層間電介質)。
圖4B示出布線配置500的初始階段500B。在所示的階段，在襯底501 上已經形成互連級。所述互連級包括通過使用傳統技術沉積在襯底上的第 一層間電介質層508。傳統的槽和通孔己經形成在第一層間電介質層508中， 並且覆蓋有(linedwith)傳統的阻擋層512。使用傳統技術將銅沉積在槽和 通孔中。利用傳統工藝對該結構的上表面進行平坦化和清洗。第一銅線層 502和第一層間電介質層508的上表面具有殘餘的汙染物503。在此階段而 且在各個隨後互連級(假設多於一個互連級)的相應階段，優選為原位進 行傳統的乾洗處理例如等離子清洗處理或GCIB清洗處理。所述GCIB清洗 包括使用GCIB團簇離子照射待清洗的表面，所述GCIB團簇離子包含氣 體Ar、 N2、 NH3或H2或它們的混合物中的任一種的分子；以及使用優選在 約3kV至約50kV範圍內的束加速電壓VACC，並且以在約5xl013至約5xl016 個離子/cm2範圍內的總氣體團簇離子劑量。本領域的技術人員將意識到， 本發明並不局限於這些示例氣體，而可以利用能夠從銅表面去除CMP後的 殘留、氧化銅和其它汙染物的其它氣體或氣體混合物實施。優選地，但對 於本發明而言不是必須的，這種GCIB清洗處理為原位清洗處理。
圖4C示出GCIB清洗步驟後布線配置500的階段500C。第一銅線層 502和第一層間電介質層508的上表面己被清洗去除汙染物並準備好進行遮 蓋步驟。在此階段而且在各個隨後互連級(假設多於一個互連級)的相應 階段，進行GCIB遮蓋處理。所述GCIB遮蓋處理包括使用GCIB照射第 一銅線層502和/或第一電介質層508的上表面，所述GCIB包含當注入初 始時暴露的電介質和/或銅表面時形成絕緣材料的元素。具有氣體團簇離子 元素的GCIB適於並且能夠在銅上形成漸變蓋膜，例如，Si3N4、SiCN、CuC03 和BN，所述氣體團簇離子元素包含例如C、 N、 O、 Si、 B或Ge或它們的 混合物。也可以使用在注入銅和/或鄰近絕緣體時形成適當電介質材料的其 它元素和組合物。可以使用例如CH4、 SiHf、 NH3、 N2、 C02、 B2H6、 GeH4 及其混合物之類的源氣體。這種氣體以其純淨形式或通過與惰性氣體例如Ar或Xe混合而用於形成團簇離子。參考圖3的GCIB處理裝置100，可以 使用在約3kV至約50kV範圍內的束加速電壓VAcc，並且以從約lxlO"至 約lxlo"個離子/cn^範圍內的總氣體團簇離子劑量來實現注入。
圖4D示出在GCIB遮蓋步驟後布線配置500的階段500D。在銅表面 和/或鄰近層間電介質表面上，GCIB處理的衝擊能量和熱瞬態特性對暴露 於GCIB的銅線和/或鄰近層間電介質結構的頂表面進行注入，分別形成蓋 層514和516。可選地，蓋層514和516可以附加地包括作為電介質阻擋膜 的上層部分。在所述形成過程的開始部分，混合的銅/GCIB類組合物的漸 變層514A被注入銅表面內。這種混合層在任何隨後沉積的電介質阻擋膜 514B和下部的銅之間提供漸變界面，因而限制了界面處的銅擴散並改善了 電子遷移壽命。雖然隨後沉積的電介質阻擋514B層可以是通過傳統PECVD 沉積的獨立附加膜，但優選通過作為所述GCIB遮蓋注入步驟的延續的 GCIB沉積，簡單繼續進行所述遮蓋GCIB照射處理，該處理最開始創建混 合漸變層，直至所述處理從注入處理(以增加的劑量)進行到純沉積處理， 在銅注入表面的混合層上沉積電介質材料。初始注入的混合漸變層514A用 作蓋層，並通過持續進行的GCIB照射，對電介質材料的隨後附加的沉積形 成沉積的電介質阻擋膜514B。由於混合的漸變層，這形成了整合於銅互連 的電介質膜，進而導致包括優良電遷移壽命的界面特性改善。形成蓋層514 的同一 (或另一個)遮蓋GCIB優選在層間電介質層508上形成蓋層516。 類似於蓋層514，蓋層516可以為雙層。蓋層516首先在表面上形成混合的 電介質/GCIB類組合物的混合漸變層，並通過繼續進行的GCIB處理或附加 的獨立(例如PECVD)沉積還可以包括沉積的電介質阻擋膜。如果例如電 介質材料膜514B不是通過使用延伸的GCIB處理而形成，或者需要特殊厚 度的電介質阻擋膜514B，則注入的蓋層514A或蓋層516可以任選地使用 傳統的絕緣層從上方遮蓋，例如PECVD Si3N4、 SiCN或SIC,從而為附加 的銅擴散阻擋或通孔蝕刻停止特性提供電介質阻擋膜。在遮蓋步驟和形成 任何電介質阻擋膜之後，如果需要可以通過使用傳統技術加入互連的附加 級。
圖4E示出在GCffi遮蓋的(包括電介質阻擋的)第一互連級上附加第 二互連級後的布線配置500的階段500E。在此階段，在蓋層514和516上已經形成第二互連級。所述第二互連級包括通過使用傳統技術沉積在蓋層
514和516上的第二層間電介質510。在第二層間電介質層510中已經形成 槽和通孔，所述槽和通孔已經覆蓋有阻擋層512並且通過使用傳統技術在 槽和通孔中沉積銅。通過利用例如CMP的傳統工藝平坦化並清洗該結構的 上表面。圖中示出第二銅線層504和第二層間電介質層510的上表面具有 殘留汙染物505。在第二互連級(如果有)處和隨後的較高互連級(如果有) 處，如以上所描述的，對布線配置500進行GCIB清洗和GCIB注入步驟， 形成(例如)如圖4A中所示的蓋膜518。因此，可以按照需要形成兩級或 多級互連結構。
因此，為了降低電遷移提供所描述的技術，而避免與選擇性金屬遮蓋 過程相關的不期望的負作用。在該電介質表面上，所述注入層和電介質保 持絕緣，且極薄的注入層具有對該層的整個介電常數和層間電容量來說可 以忽視的效應。
圖5A為示出使用根據本發明第二實施例的GCIB注入和沉積遮蓋的銅 互連的布線配置600 (用於舉例而非限制性地顯示了兩個銅線層互連級)的 示意圖。該示意圖顯示了襯底601，其支撐第一銅線層602、第二銅線層604 以及連接兩個銅層的銅通孔結構606，各個銅層可以使用傳統技術形成。襯 底601典型地為包括需要電互連的有源和/或無源元件(可能包括較低互連 級)的半導體襯底。銅線層602和604的側壁和底部以及通孔結構606覆 蓋有TaN/Ta或其它可以使用傳統技術形成的阻擋層612。第一層間電介質 層608和第二層間電介質層610提供銅線層之間的電絕緣，並可以通過使 用傳統技術形成。層間電介質層608和610通常可以為多孔的以增強其介 電特性。在這些情況下，所述層間電介質層可選擇地在其上沉積硬掩模層， 例如分別為第一硬掩模層609和第二硬掩模層611，所述硬掩模層包含例如 Si02、 SiC、 Si3N4等材料，並且各個硬掩模層可以通過使用傳統技術沉積。 第一銅線層602、第一層間電介質層608 (或可選擇地，如果存在，第一硬 掩模層609的頂表面)、第二銅線層604和第二層間電介質層610 (或可選 擇地，如果存在，第二硬掩模層611的頂表面)的頂表面都通過GCIB處理 遮蓋，以形成蓋膜614、 616、 618和620。本第二實施例區別於第一實施例 的地方在於，選擇構成GCIB氣體團簇離子的元素，使得注入的類型在銅表面上保持導電特性(銅蓋膜614和618)。然而，還選擇注入元素，使得在 注入到各個互連級的電介質區的層間電介質和/或電介質硬掩模材料的表面 時相同的元素形成絕緣膜(層間電介質蓋膜或硬掩模蓋膜612和620)。增 強的電介質擴散阻擋物(第一互連級的阻擋膜622和第二互連級的阻擋膜 624)優選通過GCIB沉積形成，但也可以通過傳統技術形成。這種阻擋膜 進一步增強擴散阻擋性能和GCIB注入的蓋的通孔蝕刻停止特性。
GCIB注入處理優選為在各個互連級的頂表面上實施以形成銅蓋和層 間電介質蓋。如以上所指出的，優選地在銅互連和層間電介質的CMP平坦 化之後使用GCIB原位清洗。圖5G闡釋了布線配置600G，其中在層間電 介質層608和610的頂表面上不具有硬掩模層609和611。現在將提供構建 布線配置600G的工藝的描述。
圖5B示出布線配置600G的初步階段。在襯底601上建立的互連級包 括傳統地沉積的第一層間電介質層608，其中形成有槽和通孔並且覆蓋有阻 擋層612。通過使用傳統技術在所述槽和通孔上沉積銅。該結構的上表面被 平坦化和清洗。圖中示出第一銅線層602和第一層間電介質層608的上表 面具有殘留汙染物603。在此階段的頂表面和各個隨後互連級(假設多於一 個互連級)的各個相應階段，優選原位進行傳統的乾洗處理，例如等離子 體清洗處理或GCIB清洗處理。所述GCIB清洗包括使用GCIB團簇離子 照射待清洗的表面，所述GCIB團簇離子包含氣體Ar、 N2、皿3或112或它 們的混合物中的任一種的分子；以及使用優選在約3kV至約50kV範圍內 的束加速電壓VAa:，並且採用約5xl0"至約5xlO"個離子/cmS範圍內的總 氣體團簇離子劑量。本領域的技術人員將意識到，本發明並不局限於上述 示例氣體，而可以通過能夠從銅表面去除CMP後的殘留、氧化銅和其它汙 染物的其它氣體或氣體混合物實施。優選地，但對於本發明不是必須的， 這種GCIB清洗處理為原位清洗處理。
圖5C示出在GCIB清洗步驟後構建布線配置600G的中間階段600C。 第一銅線層602和第一層間電介質層608的上表面已被清洗去除汙染物並 準備好進行遮蓋步驟。GCIB遮蓋處理現在可以被應用於這一階段以及各個 隨後互連級(假設有多於一個互連級)的各個階段的被清洗的頂表面。同 時(或作為替換地，通過獨立的遮蓋GCIB)使用(優選原位的)GCIB注入處理來遮蓋經平坦化的表面(銅和/或暴露的層間電介質層)。所述GCIB 遮蓋處理包括使用GCIB照射第一銅線層602和第一層間電介質層608 的上表面，所述GCIB包含當注入到銅表面中時形成導電材料而在注入到層 間電介質表面中時形成電絕緣材料的元素。此外，選擇這些導電元素使得 在銅中不具有高固溶度，以避免對其導電性的不利影響。不受限制地，具
有包含元素B或Ti的氣體團簇離子的GCIB為合適的並且與適當的電介質 硬掩模材料結合，所述電介質硬掩模材料例如為但不限於Si02、 SiC、 SiCN、 SiCOH等，以形成絕緣的氧化物、碳化物或氮化物。 一些包含B和Ti的適 當源氣體包括但不限於B2He、 TiCl4、四次二乙基銨基鈦(TDEAT)和四二 甲胺鈦(TDMAT)。這些氣體以它們的純淨形式或與例如Ar或Xe的惰性 氣體混合而被使用。在電介質表面上這種注入形成(例如)TK)2漸變膜和 硼矽酸玻璃，而在銅表面上它們形成例如硼和鈦的漸變膜。或者，僅包含 惰性氣體團簇離子，例如而不局限於Ar或Xe或其它惰性氣體或它們的混 合物的GCIB能夠通過物理地改變銅的表面形成漸變蓋膜。在這種情況下， 銅遮蓋結構為自然地漸變且導電的銅物理改性層，該形成在層間電介質層 中物理改性層是電絕緣的。這些僅包含惰性氣體團簇離子(例如Ar或Xe 或其它惰性氣體或它們的混合物)的其它GCIB不形成注入層，而是以在銅 中形成有效遮蓋結構的方式物理地改變表面，並且使電介質處於絕緣條件 下。因此，該效應與進行GCIB遮蓋處理時相同，所述GCIB遮蓋處理包括 使用GCIB照射銅和層間電介質層的上表面，所述GCIB包含當注入到銅表 面時形成導電材料而在注入到層間電介質表面時形成電絕緣材料的元素， 即使在表面內注入新的物質，這種情況也不發生。參考圖3的GCIB裝置 100，可以使用優選在約3kV至約50kV範圍內的束加速電壓VACC，並且以 lxl0"至約lxl(^個離子/cn^的總氣體團簇離子劑量。在銅和電介質表面， GCIB注入處理的衝擊能量產生了瞬態高溫區，該瞬態高溫區促進注入物質 與現有電介質層或電介質硬掩模層的互相混合和/或相互作用，以形成新的 絕緣(在層間電介質或硬掩模上)材料，並且還在銅線表面形成注入導電 膜，從而限制銅界面擴散並改進電遷移壽命。因而，如圖5D所示，單個 GCIB遮蓋注入步驟在第一銅線層602上形成導電蓋膜614，並在第一層間 電介質層608上形成絕緣蓋膜616。圖5E示出在GCIB遮蓋步驟後構建布線配置600G的階段600E。可以 在此階段和各個隨後互連級的各個階段的頂表面上進行GCIB處理以形成 電介質擴散阻擋膜。電介質擴散阻擋膜622優選地包含碳氮化矽，也可以 包含氮化矽、碳化矽或其它電介質膜。可以通過PECVD傳統地沉積，但優 選通過照射蓋膜(614和614)的表面來沉積，在該蓋膜上阻擋膜622將通 過GCIB沉積，所述GCIB由注入時形成絕緣材料的元素形成。具有例如C、 N和Si或其混合物的氣體團簇離子的GCIB為合適的，並且可以在銅上沉 積擴散阻擋膜，例如Si3N4、 SiCN和SiC。例如C、 N和Si的源氣體包括但 不限於CH4、 SiH4、 NH3和N2。這些氣體能夠通過使用純淨的氣體或通過 將它們與例如Ar或Xe的惰性氣體混合而形成用於沉積的氣體團簇離子。 可以使用優選在約3kV至約50kV範圍內的束加速電壓VACC，並且採用約 lxlO"至約lxlO"個離子/ci^範圍內的總氣體團簇離子劑量。
圖5F示出構建布線配置600G的階段600F，反映在GCIB遮蓋的(包 括電介質阻擋膜)第一互連級和阻擋膜622上附加第二互連級。所述第二 互連級由沉積在阻擋膜622上的第二層間電介質610組成，其中形成有槽 和通孔並且覆蓋有阻擋層612。通過使用傳統技術將銅沉積在槽和通孔上。 使用傳統的方法平坦化和清洗該結構的上表面。圖中示出第二銅線層604 和第二層間電介質層610的上表面具有殘留的汙染物626。在所述第二互連 級的和隨後更高互連級(如果有)的頂表面上，可以按上文所描述進行GCIB 清洗、GCIB注入和GCIB沉積步驟以構建布線配置600G。這些操作步驟 導致形成蓋膜618、 620和阻擋膜624。相應地，圖5G的2個互連級結構 或多級互連結構可以根據需要形成。
圖5H示出構建圖5A完整示出的布線配置600 (具有硬掩模層609和 611)的工藝中的初步階段600H。在襯底601上建立的第一互連級包含通 過使用傳統技術沉積在該襯底上的第一層間電介質層608。通過傳統技術形 成的硬掩模層609覆蓋第一層間電介質層608的頂表面。槽和通孔形成在 第一層間電介質層608中並覆蓋有阻擋層612，並且銅沉積在所述槽和通孔 中。使用傳統清洗技術平坦化和清洗該結構的上表面。圖中示出第一銅線 層602和硬掩模層609的頂表面具有殘留的汙染物605。在此階段和在各個 隨後互連級的相應階段的頂表面上，優選進行如上所述的GCIB清洗步驟。優選的但對於本發明不是必要的，此GCIB清洗步驟為原位清洗處理。
圖51示出GCIB清洗步驟之後構建布線配置600 (圖5A)的工藝中的 階段6001。第一銅線層602和硬掩模層609的上表面已被清洗去除汙染物 並準備好進行遮蓋步驟。在此階段和在各個隨後互連級的相應階段的頂表 面，優選進行如上所述的GCIB遮蓋處理以形成蓋層614和616 (圖5J)。 在本實施例中，蓋層616形成在硬掩模層609上而不是直接形成在第一層 間電介質層608上。
圖5J ^^出形成蓋層614和616的步驟後構建布線配置600的工藝中的 階段600J。如上所述的GCIB處理可以應用於此階段和各個隨後互連級的 各個相應階段的頂表面以在蓋層614和616上形成電介質擴散阻擋膜622。 圖5K示出沉積阻擋膜622後構建布線配置600的工藝中的階段600K。 圖5L示出構建布線配置600的工藝中的階段600L，該階段在GCIB(包 括電介質阻擋膜)遮蓋的第一互連級上添加第二互連級之後。在此階段中， 在阻擋膜622上已經形成第二互連級。所述第二互連級包括通過使用傳統 技術沉積在阻擋膜622上的第二層間電介質層610。硬掩模層611通過傳統 技術形成，其覆蓋第一層間電介質層610的頂表面。傳統的槽和通孔已經 形成在第二層間電介質層610中並覆蓋有傳統的阻擋層612，並且已經通過 使用傳統技術在槽和通孔中沉積了銅。使用傳統工藝平坦化和清洗該結構 的上表面。圖中示出第二銅線層604和硬掩模層611的上表面具有殘留的 汙染物613。在第二互連級(如果有)和隨後更高的互連級(如果有)處按 照以上所述進行用於布線配置600的GCIB清洗、GCIB注入和GCIB沉積 步驟，形成(例如)遮蓋膜618和620並形成阻擋膜624 (圖5A)。因此， 圖5A的兩個互連級結構或多級互連結構可以根據需要形成。
因此，為了降低電遷移而提供所公開的技術，而避免了與選擇性金屬 遮蓋工藝有關的不期望的副作用。在該電介質表面上，在遮蓋後電介質保 持絕緣並且非常薄的注入層對介電常數的影響可以忽略。
圖6A為示出根據本發明第三實施例的使用GCIB注入進行遮蓋的銅互 連的布線配置700的示意圖(用於說明而非限制性地示出兩個銅線層互連 級)。該示意圖示出襯底701，其支撐第一銅線層702、第二銅線層704以 及連接兩個銅層的銅通孔結構706，各個銅層可以使用傳統技術形成。襯底701典型地為半導體襯底，包括需要電互連的有源和/或無源元件(可能包 括較低的互連級)。銅線層702和704的側壁和底部以及通孔結構706覆蓋 有可以使用傳統技術形成的阻擋層712。第一層間電介質層708和第二層間 電介質層710提供銅線之間的電絕緣，並可以通過使用傳統技術形成。第 一層間電介質層708具有上表面709並且第二層間電介質層710具有上表 面711。如下文更詳細描述的，在各個銅互連級處，如傳統地沉積的，阻擋 層712起初覆蓋層間電介質層708和710的上表面709和711 (圖6B)。在 本發明的該實施例中，下文所述的GCIB處理從上表面709和711去除了阻 擋層712材料，因而阻擋層712材料不顯示在圖6A中所示完成結構中的那 些表面上。第一銅線層702的頂表面和第二銅線層704的頂表面通過GCIB 處理被遮蓋以形成注入遮蓋膜713和715。所述注入的銅遮蓋膜713和715 和相應的鄰近層間電介質層708和710，可以分別附加地遮蓋有電介質阻擋 膜714和716，以提供改進的銅擴散阻擋和通孔蝕刻停止特性。電介質阻擋 膜714和716優選為碳氮化矽，但也可以為氮化矽或碳化矽或其它合適的 電介質，並可以通過使用PECVD傳統地沉積，但優選通過GCIB沉積來進 行。
圖6B示出構建布線配置700的工藝中的初步階段700B。在所示階段， 在襯底701上已經形成互連級。該互連級包括己經沉積在該襯底上的第一 層間電介質層708。槽和通孔形成在第一層間電介質層708上並覆蓋有阻擋 層712。在槽和通孔內已經沉積了銅。阻擋層712起初覆蓋層間電介質層 708的上表面709。通過傳統CMP已經去除了過多的銅，停止在阻擋層材 料712的材料上。另外，通過使用選擇用於以大大高於阻擋層材料的速率 優先去除銅的傳統CMP工藝條件，例如，通過使用與阻擋材料相比選擇性 地去除銅的高選擇性漿，在所示阻擋層712頂表面下方銅輕微地凹陷。使 用傳統的工藝清洗該表面。圖中所示第一銅線層702和阻擋層712的上表 面具有殘留的汙染物703。在此階段和各個隨後互連級(假設多於一個互連 級)的各個相應階段的頂表面處，優選原位進行傳統的乾洗處理，例如等 離子體清洗或GCIB清洗處理。GCIB清洗包括使用GCffi團簇離子照射 待清洗的表面，所述GCIB團簇離子包含氣體Ar、 N2、皿3或1€2或其混合 物中任一種的分子，並使用優選在約3kV至約50kV範圍內的束加速電壓VACC，並且採用約5><1016個離子/0112範圍內的總氣體團簇離子 劑量。本領域的技術人員將意識到，本發明並不局限於上述示例氣體，而 可以通過能夠從銅表面去除CMP後的殘留、氧化銅和其它汙染物的其它氣 體或氣體混合物實施。優選地，但對於本發明不是必須的，這種GCIB清洗 處理為原位清洗處理。
圖6C示出GCIB清洗步驟後構建布線配置700的過程的階段700C。 第一銅線層702和阻擋層712的上表面已清洗去除了汙染物，並準備好進 行遮蓋步驟。現在可以實施GCIB遮蓋處理。使用(優選為原位的)GCIB 蝕刻和注入遮蓋處理，以便同時地遮蓋第一銅線層702的表面並將覆蓋上 表面709的阻擋層712蝕刻掉。所述GCIB蝕刻和遮蓋處理包括使用GCIB 照射第一銅線層702和第一層間電介質層708的上表面，所述GCIB包含這 樣的元素，其在注入銅表面內時形成遮蓋材料，而對阻擋層712材料進行 蝕刻。所述GCIB照射蝕刻掉在上表面709上暴露的阻擋層712材料，而同 時將遮蓋物質注入第一銅線層702，形成遮蓋膜713。包含元素氟和/或硫， 包括但不限制於SF6、 CF4、 C3F6或NF3的源氣體被用於形成GCIB。通過 使用純淨氣體或通過與N2或惰性氣體例如Ar或Xe混合，可以使用這些氣 體來形成用以注入的氣體團簇離子。這種注入形成銅遮蓋膜，例如CuF2。 使用優選約10kV至約50kV範圍內的束加速電壓VACC，並且使用約200至 約3000sccm範圍內的噴嘴氣體流速。例如，用於蝕刻阻擋層材料而同時形 成銅遮蓋膜的優選工藝使用源氣體混合物，該源氣體混合物為包含10%的 NF3的N2，流速為700sccm。進行GCIB蝕刻和注入處理，直到所有的阻擋 層材料被去除，這導致第一層間電介質層708的上表面709相對地未改性， 並且也產生已經注入有遮蓋膜713的銅表面。由於在絕大部分的操作中被 阻擋層712材料遮蔽而不受GCIB的影響，因此上表面709幾乎不受影響。
圖6D示出GCIB蝕刻和遮蓋步驟之後構建布線配置700的工藝中的階 段700D。第一銅線層702的上表面被蓋層713遮蓋，而阻擋層712被蝕刻 掉，暴露出第一層間電介質層708的上表面709。該結構被準備好以形成電 介質阻擋膜。現在可以進行GCIB處理，從而通過使用與上述的用於沉積阻 擋膜622的相同的方法，在蓋層713和第一層間電介質層708的上表面709 上形成電介質擴散阻擋膜714。圖6E示出形成電介質擴散阻擋膜714之後構建布線配置700的工藝中 的階段700E。
圖6F示出構建在GCIB遮蓋(包括電介質阻擋膜)的第一互連級上的 具有第二互連級的布線配置700的工藝中的階段700F。在此階段，第二互 連級已經形成在阻擋膜714上。第二互連級包括已經沉積在阻擋膜714上 的第二層間電介質層710。槽和通孔已經形成在第二層間電介質710中並覆 蓋有阻擋層712。使用傳統技術在槽和通孔中沉積銅。阻擋層712起初覆蓋 層間電介質層710的上表面。通過傳統CMP去除過量的銅，停止在阻擋層 712的材料上。另外，通過使用選擇用於以大大高於阻擋層材料的速率優先 去除銅的傳統CMP工藝條件，例如，通過使用相比於阻擋材料選擇性地去 除銅的高選擇性漿，在所示阻擋層712頂表面下方銅輕微地凹陷。使用傳 統工藝清洗表面。圖中示出第二銅線層704和阻擋層712的上表面具有殘 留的汙染物717。在第二互連級(如果有)和隨後更高互連級(如果有)處 應用如上所述的用於布線配置700中的第一互連級的GCIB清洗、GCIB(蝕 刻和注入遮蓋)和GCIB沉積步驟，形成(例如)遮蓋膜715和阻擋膜716。 因此，圖6A中的兩層互連級結構或多級互連結構可以根據需要構建。
在以上布線配置700中所述的通過CMP去除過量的銅之後，如果暴露 的阻擋層材料具有不需要的空間不均勻厚度，可任選但優選地以補償的方 式使GCIB蝕刻空間上不均衡。通過在工件晶片表面使用傳統的金屬膜映射
(mapping)設備(例如Rudolph Technologies METAPULSE -II金屬膜測量 系統，從Rudolph Technologies, Inc,購買到，One Rudolph Road， Flanders, NJ 07836， U.S.A.)第一次映射阻擋層的厚度，這就可能使如上所述的阻擋層蝕 刻為補償性蝕刻，從而在阻擋層材料較厚的地方蝕刻較多並在阻擋層材料 較薄的地方蝕刻較少，因此使得對在其它情況下由於阻擋層材料的初始薄 度而過度蝕刻的區域中的下部層間電介質層的去除最小化。這種空間補償 蝕刻是通過使用測量的阻擋層厚度圖與Allen等人的美國專利6，537，606
(606專利)中教導的技術結合來實現的，所述美國專利的內容通過引用結 合於此。氣體團簇離子束處理設備，例如Epion Corporation nFusion GCIB 處理系統(Epion Corporation, Billerica, MA)可以購買到，其配備有自動補 償蝕刻能力，根據在606專利中公開的技術基於測量圖工作。在本發明的本實施例中，優選地，如上所述，所述阻擋層蝕刻和所述
銅遮蓋都以同時進行的使用Gcm處理的單個步驟來執行。在一些情況下有
可能並且可能有用的是，為了進行作為獨立GCIB處理步驟的阻擋層蝕刻和 銅遮蓋處理，對於各個步驟使用具有不同特性的GCIB。在這種情況下，當 達到圖6C所示的階段時，通過先於GCIB遮蓋步驟的GCIB蝕刻處理去除 起初覆蓋層間電介質層708的上表面709的阻擋層材料。在GCIB蝕刻步驟 之後，結構如圖6G所示，並準備用於銅線層和層間電介質層遮蓋，該遮蓋 操作通過之前在本發明的各種實施例中描述的GCIB遮蓋處理進行。在各個 互連級，優選的蝕刻步驟為用GCIB團簇離子照射待清洗的表面，所述GCIB 團簇離子是由包含元素氟的一種或多種源氣體形成，所述源氣體包括但不 局限於SF6、 CF4、 QFs或NF3。通過使用純淨氣體或者與Na或例如Ar或 Xe的惰性氣體混合，這些氣體可以用來形成用於蝕刻的氣體團簇離子。使 用優選在約10kV至約50kV範圍內的束加速電壓VACC，並且可以使用約 200至約3000 sccm範圍內的噴嘴氣體流速。例如，用於蝕刻阻擋層材料的 優選工藝使用源氣體混合物，其為包含10。/。的NF3的N2，流速為700sccm。 在需要時，所述GCIB蝕刻步驟可以是如上所述的補償蝕刻步驟，以補償阻 擋層材料在厚度上的空間不均勻性。
圖7A為示出根據本發明第四實施例的使用GCIB注入進行遮蓋的銅互 連的布線配置800的示意圖(例如，非限制性地示出兩個銅線層互連級)。 該示意圖示出襯底801，其支撐第一銅線層802、第二銅線層804以及連接 兩個銅層的銅通孔結構806，各個銅層可以使用傳統技術形成。襯底801典 型地為半導體襯底，包括需要電互連的有源和/或無源元件(可能包括較低 的互連級)。銅線層802和804的側壁和底部以及通孔結構806覆蓋有可以 用傳統技術形成的阻擋層812。第一層間電介質層808和第二層間電介質層 810提供銅線層之間的電絕緣，並可以通過傳統技術形成。第一層間電介質 層808具有上表面809，而第二層間電介質層810具有上表面811。如下文 更詳細說明的，在各個銅互連級，如傳統地沉積的阻擋層812起初覆蓋層 間電介質層808和810的上表面809和811。在本發明的該實施例中，將阻 擋層812的材料從上表面809和811上去除，因而阻擋層812材料不顯示 在圖7A所示的完成結構的那些表面上。優選通過在此描述的GCIB處理或通過使用傳統方法從上表面809和811去除阻擋層812的材料。第一銅線 層802的上表面和第二銅線層804的上表面通過GCIB處理而被遮蓋，以形 成注入遮蓋膜813和815。分別遮蓋膜813和815和鄰近的層間電介質層 808和810的注入銅，可以分別可選地遮蓋有電介質阻擋膜814和816，以 提供改進的銅擴散阻擋和通孔蝕刻停止特性。電介質阻擋膜814和816優 選為碳氮化矽，但也可以為氮化矽或碳化矽或其它合適的電介質，並可以 通過使用PECVD傳統地沉積，但優選為通過GCIB沉積進行。
圖7B示出構建布線配置800的工藝中的初步階段800B。在所示的階 段中，在襯底801上已經形成互連級。該互連級包括已經沉積在該襯底上 的第一層間電介質808。槽和通孔已經形成在該第一層間電介質層808中並 覆蓋有阻擋層812。在槽和通孔內已經沉積了銅。阻擋層82起初覆蓋層間 電介質層808的上表面809。已通過傳統的CMP去除過量的銅，停止在阻 擋層812的材料上。另外，通過使用選擇用於以大大高於阻擋層材料的速 率優先去除銅的傳統CMP工藝條件，例如，通過使用相比於阻擋材料選擇 性地去除銅的高選擇性漿，在所示阻擋層812的頂表面下方銅輕微地凹陷。 已使用傳統工藝清洗該表面。圖中示出第一銅線層802和阻擋層812的上 表面具有殘留的汙染物803。在此階段和各個隨後互連級(假設多於一個互 連級)的各個相應階段的頂表面處，優選原位進行傳統的乾洗處理，例如 等離子體清洗或GCIB清洗處理。GCIB清洗包括使用GCIB團簇離子照 射待清洗的表面，所述GCIB團簇離子包含氣體Ar、 N2、皿3或112或其混 合物中任一種的分子，並使用優選在約3kV至約50kV範圍內的束加速電 壓VACC，並且採用約5xl0"至約5xlO"個離子/cmS範圍內的總氣體團簇離 子劑量。本領域的技術人員將意識到，本發明並不局限於上述示例氣體， 而可以通過能夠從銅表面去除CMP後的殘留、氧化銅和其它汙染物的其它 氣體或氣體混合物實施。優選地，但對於本發明不是必須的，這種GCIB 清洗處理為原位清洗處理。
圖7C示出在GCIB清洗步驟後構建布線配置800的工藝中的階段 800C。第一銅線層802和阻擋層812的上表面已被清洗去除汙染物,並準備 好進行遮蓋步驟。現在可以實施GCIB遮蓋處理。GCIB注入遮蓋處理被採 用，以同時遮蓋覆蓋上表面809的第一銅線層802和阻擋層812的表面。所述GCIB蝕刻和遮蓋處理包括使用GCIB照射第一銅線層802和暴露的阻 擋層812的上表面，所述GCIB包含當注入銅表面內時形成遮蓋材料的元素。 所述GCIB照射將遮蓋物質注入到第一銅線層802中，形成遮蓋膜813 (圖 7D)。所述GCIB照射同時將注入層注入到暴露的阻擋層材料812中。在本 實施例中，選擇注入的條件，從而當完成遮蓋注入步驟時，在暴露的阻擋 層中的注入深度小於覆蓋上表面809的暴露的阻擋層812的厚度。因此， 遮蓋物質對暴露的阻擋層812的注入不會穿透到層間電介質層808內。由 於阻擋層812遮蔽層間電介質層808，使其免受銅遮蓋注入，因此可使用的 注入遮蓋物質的範圍擴大至包括否則可能降低被注入的層間電介質層808 的特性的遮蓋物質。注入深度依賴於加速GCIB的束加速電壓。使用優選在 約3kV至約50kV範圍內的束加速電壓VACC，選擇實際值確保在暴露的阻 擋層中形成的注入層不會穿透到層間電介質層808。使用從約lxlO"至約 lxlO"個離子/cr^範圍內的GCIB劑量，用以進行銅遮蓋注入。可以使用任 何適於形成銅遮蓋膜(本發明的其它實施例中已經列舉許多)的源氣體， 但由於本實施例中所述層間電介質被遮蔽而不受到注入物質的影響，因此 可以選擇氣體或氣體混合物而不需要考慮這些氣體是否會在層間電介質材 料中產生導電層或其它不利的膜。 一些示例性源氣體為WF6、其它金屬氟 化物氣體、含碳氣體和有機金屬氣體。
圖7D示出GCIB遮蓋步驟之後構建布線配置800的工藝中的階段 800D。第一銅線層802的上表面被蓋層813遮蓋，並且阻擋層812具有由 遮蓋注入步驟產生的注入層818。放大的插圖820更具體地示出暴露的阻擋 層812中的蓋層813和注入層818。製備該結構是為了去除覆蓋層間電介質 層808的上表面809的阻擋層812和注入層818。現在可以進行蝕刻處理(優 選使用如下文所述的GCIB處理)以去除覆蓋層間電介質層808的上表面 809的阻擋層812和注入層818，而不去除注入的銅蓋層(雖然只要保留有 效的蓋層，而可以去除某些部分或銅蓋層)。
圖7E示出GCIB蝕刻步驟之後構建布線配置800的工藝中的階段 800E。第一銅線層802的上表面已被蓋層813遮蓋，而阻擋層812己經被 蝕刻掉，暴露出第一層間電介質層808的上表面809。該結構被製備用於形 成電介質阻擋膜。現在可以使用如上所述的用於沉積阻擋膜622的沉積工藝(優選通過GCIB)，在蓋層813和第一層間電介質層808的上表面809 上可選地形成電介質擴散阻擋膜814 (圖7F)。
圖7F示出在可選擇地形成電介質擴散阻擋膜814後構建布線配置800 的工藝中的階段800F。
圖7G示出在GCIB遮蓋(包括電介質阻擋膜)的第一互連級上具有第 二互連級的情況下構建布線配置800的工藝中的階段800G。在此階段，第 二互連級己經形成在阻擋膜814上。所述第二互連級包括已經沉積在阻擋 膜814上的第二層間電介質層810。槽和通孔已經形成在第二層間電介質層 810中並覆蓋有阻擋層812。已使用傳統技術在槽和通孔中沉積銅。阻擋層 812初始地覆蓋層間電介質層810的上表面。已通過傳統CMP去除過量的 銅，停止在阻擋層812的材料上。另外，通過使用選擇用於以大大高於阻 擋層材料的速率優先去除銅的傳統CMP工藝條件，例如，通過使用相比於 阻擋材料選擇性地去除銅的高選擇性漿，在所示阻擋層812頂表面下方銅 輕微地凹陷。已使用傳統工藝清洗該表面。圖中示出第二銅線層804和阻 擋層812的上表面被示為具有殘留的汙染物817。在第二互連級(如果有) 和隨後更高的互連級(如果有)進行如上所述的用於布線配置800中的第 一互連級的GCIB清洗、GCIB注入遮蓋、GCIB蝕刻和GCIB沉積步驟， 形成(例如)遮蓋膜815和可選的阻擋膜816。因此，圖7A中的兩個互連 級結構或多個互連級結構可以根據需要構建。
在各個互連級，優選的蝕刻步驟為用GCIB團簇離子照射待清洗的表 面，所述GCIB團簇離子是由包含元素氟的一種或多種源氣體形成，所述源 氣體包括但不局限於SF6、 CF4、 QF8或NF3。通過使用純淨氣體或者與N2 或例如Ar或Xe的惰性氣體混合，這些氣體可以用來形成用於蝕刻的氣體 團簇離子。使用優選在約10kV至約50kV範圍內的束加速電壓VACC，並且 可以使用約200至約3000 sccm範圍內的噴嘴氣體流速。例如，用於蝕刻阻
擋層材料而對銅很少蝕刻或不蝕刻的優選工藝使用源氣體混合物，該源氣 體混合物為包含10%的NF3的N2，流速為800sccm。在本發明的第四實施 例中，優選地，所述GCIB蝕刻步驟的效果不貫穿之前通過GCIB銅遮蓋注 入步驟在銅表面上形成的蓋層。因此，同樣優選地，用於加速該阻擋材料 蝕刻GCIB的束加速電壓VAcc可以選擇為低於用於加速銅遮蓋注入GCIB的束加速電壓Vm:c。
上述本發明的四個實施例中的每一個均包括需要使用GCIB處理或可 選GCIB處理的步驟。在一些情況下，本發明實施例中的GCIB處理步驟可 選地與傳統(非GCIB)處理步驟結合，從而通過依次應用各個所需的步驟 來實現本發明。當然，使用如圖3中所示的GCIB處理系統結合用於提供其 它操作步驟的其它標準獨立設備(用於舉例而非限制地，用於沉積的 PECVD設備和用於清洗的等離子體清洗設備)來實施本發明也是可行的 (並且在一些情況下是優選的)。然而，依賴於生產需要的量，可以優選其 它處理設備。出於一些原因，可以優選地在單個設備中同時操作多重序列 步驟。原因之一是產量-處理中的半導體晶片越快地通過生產過程，該晶片 在設備之間轉移的次數就越少。產量越高，使得成本就越低。在單個設備 內進行多重步驟的另一個優勢是更高質量的處理帶來更好的集成電路性 能。例如，若銅線被氧化，導線的電阻增大並且導線的可靠性降低。因此， 優選地，在步驟之間不將晶片暴露於大氣下，在單個真空系統內原位地進 行電介質擴散阻擋膜的清洗、遮蓋和形成。此外，通過在單個設備內進行 多重步驟，而不在步驟之間暴露於大氣下(在壓力降低的環境或真空中進 行)，可以避免汙染，從而減少工藝中需要的額外清洗步驟。
進行銅遮蓋步驟和從層間電介質層的上表面去除擴散阻擋的步驟的順 序為第四實施例帶來了獨特的優勢。在如上所述的傳統現有技術的處理順 序中，並且在本發明的前兩個實施例中，對於各個互連層，在互連層中進 行銅遮蓋處理之前，從層間電介質層的上表面去除阻擋層材料。在本發明 的第三實施例中，對於各個互連層，在互連層中進行銅遮蓋處理的同時， 從層間電介質層的上表面去除阻擋層材料。在所有的傳統現有技術處理順 序中以及本發明的前兩種實施例中，所述銅遮蓋處理被限制於使用不會以 不期望的方式與層間電介質層的上表面互相作用的遮蓋處理，由於沒有不 期望的附加掩蔽步驟以遮蔽所述層間電介質的上表面，因此層間電介質的 上表面暴露在銅遮蓋操作的作用下。在本發明第三實施例的情況下，銅遮 蓋處理被限制於使用GCIB，所述GCIB能夠蝕刻掉阻擋層材料同時形成銅 蓋層，此外當所述阻擋層材料被完全地蝕刻掉時，由於在所述蝕刻/遮蓋工 藝的最後對層間電介質層進行短期照射，從而使得對於層間電介質層的上表面來說存在一些汙染物或不期望的效應的可能。在本發明第四實施例的 情況下，在整個銅遮蓋處理中層間電介質的上表面上的阻擋層材料完全掩
蔽層間電介質層的上表面，並且具有選擇用於GCIB銅遮蓋的GCIB組分的 完全自由，以最優化銅遮蓋特性，而不需要考慮可能出現的對層間電介質 層上的不期望影響。
因此，在結合本發明的大量生產中，優選地使用如圖8A所示的集簇設 備。圖8A示出集簇設備卯OA的示意圖。傳送腔902包括工件傳送裝置904， 優選為用於將晶片從一個位置傳送到另一個位置的晶片傳送機器人等。加 載/卸載鎖906提供了用於將工件轉移到集簇設備中和從集簇設備轉移出的 大氣-真空鎖。所述加載/卸載鎖906具有用於將工件轉移到集簇設備中和從 集簇設備轉移出來的關閉物或閥門908和910。加載/卸載鎖906可以在真 空(壓力降低的環境中)和大氣壓下循環，從而便於將工件(未示出)從 大氣轉移到集簇設備的真空環境下。可以單獨或在包括多個工件的盒子
(cassette)或殼(pod)中通過加載御載鎖906轉移工件。雖然圖中示出用 單個加載/卸載鎖來將工件置入和移出集簇設備，但是對於本領域的技術人 員而言可以理解的是，當可以與各種標準設計的集簇設備一致時，也可以 使用單獨的加載和卸載鎖。
集簇設備900A具有多個處理腔(用以舉例而非限制性地示出的912、 916、 920、 924和928)。各個處理腔通過關閉物或閥門(分別為914、 918、 922、 926和930)與傳送腔902連通。各個處理腔可以被設置為用於不同
(或相同)類型工件處理的設備，並且集簇設備可以具有5個(如圖所示) 或更多或更少的附屬處理腔。典型地，傳送腔卯2和處理腔均在真空條件 下操作以便於在工件上進行多個操作而不需要在操作步驟之間將工件暴露 在大氣下。如圖3所示，GCIB處理系統的功能性處理能力可以被設置在集 簇設備處理腔內，從而能夠將GCIB處理步驟整合到集簇設備中。Epkm Corporation of Billerica， MA, USA生產並銷售適於作為集簇設備處理模塊而 運作的GCIB處理系統。
圖8B示出集簇設備900B，其安裝有分配給5個處理腔的處理模塊A、 處理模塊B、處理模塊C、處理模塊D和處理模塊E (分別相應於圖8A的 處理腔912、 916、 920、 924和928)。這些處理模塊(處理腔)中的一個或多個可以被設置為GCIB處理系統。其它的這些處理模塊可以被設置為其它 處理系統，例如(但非限制性的)，等離子體清洗系統、PECVD沉積系統 等等。工件傳送裝置904在各個處理腔(912、 916、 920、 924和928)、傳 送腔卯4以及加載/卸載鎖卯6之間移動晶片。當集簇設備被配置為具有一 個或更多等離子體清洗系統模塊時，等離子體清洗系統模塊可以適用於在 同一集簇設備內在進行GCIB銅遮蓋操作前使用傳統技術進行工件(晶片) 的清洗。當設有一個或多個PECVD沉積系統模塊時，PECVD沉積系統模 塊可以適用於在遮蓋的銅上進行電介質膜的沉積，所述銅之前已經通過使 用在同一個集簇設備中進行的GCIB銅遮蓋操作而被遮蓋。所述集簇設備可 以被配置為具有多個GCIB處理腔。這種GCIB處理腔適用於進行任何GCIB 銅遮蓋處理、GCIB表面清洗處理和/或GCIB沉積處理(例如，沉積電介質 膜包括在同一集簇設備內通過GCIB處理在被遮蓋的銅上沉積電介質擴散 阻擋膜)。
上述本發明的四種實施例整合了圖9的表格中所示的各個例子中列舉 的步驟和可選步驟。對於本發明的四種實施例，圖9的表格示出一些使用 傳統處理和GCIB處理的處理步驟的一些可能的示例性組合以及有效進行 步驟的各種組合的集簇設備結構(包括優選結構)。
雖然圖9的表格中所示的集簇設備結構顯示了最多4個處理模塊，但 是對於本領域的技術人員而言顯而易見的是，在一些情況下能夠支持比根 據圖9的表格所需的更多處理模塊的集簇設備是有利的，通過使用附加處 理模塊以重複較慢的處理，從而通過在重複模塊之間分擔工作量，和/或通 過添加不是本發明的一部分但是本質上在本發明各種實施例的步驟順序之 前或之後，並且是整個集成電路製造工藝的附加部分所需的附加處理步驟， 而使產量最優化。
雖然針對多種實施例描述了本發明，但是應當意識到的是，在本發明 的精神內，本發明還能夠有更多的和其它的實施例。例如，對於本領域的 技術人員而言，顯然的是本發明不局限於雙鑲嵌集成配置，並且同樣可以 適用於其它銅互連配置。此外，雖然以術語注入膜和沉積膜或包含各種化 合物(例如，Si3N4、 SiC、 SiCN、 BN、 CuF2、 Ti02、 CuC03、 B、 Ti、氮化 矽、碳化矽、碳氮化矽、氮化硼、氟化銅、二氧化鈦、碳酸銅、硼、鈦和硼矽酸鹽玻璃)的層描述本發明，但是本領域的技術人員可以理解的是， 在實施本發明中形成的許多膜和層為分級的並且即使在最純的形式下，它 們也不具有由化學式或名稱所表示的精確化學劑量，而是近似於這些化學 劑量，並可以附加地包括氫和/或其它雜質，這對於用於類似應用中的這種 膜而言是正常的。
權利要求
1、一種在包括一個或多個銅互連表面和覆蓋電介質材料的阻擋層材料的一個或多個表面的結構上形成遮蓋結構的方法，所述方法包括以下步驟將所述結構置於減壓腔內；在所述減壓腔內形成加速的遮蓋GCIB；以及將所述加速的遮蓋GCIB引導到所述一個或多個銅互連表面中的至少一個上，並將其引導到覆蓋所述電介質材料的所述阻擋層材料的所述一個或多個表面中的至少一個上，從而在所述加速的遮蓋GCIB被引導到其上的一個或多個銅互連表面上形成至少一個遮蓋結構。
2、根據權利要求1所述的方法，其中所述阻擋層材料具有第一厚度， 並且其中所述引導步驟進一步將注入層注入覆蓋所述電介質材料的所述阻 擋層材料的一個或多個表面的至少一個中，所述注入層具有小於所述第一 厚度的第二厚度。
3、 根據權利要求2所述的方法，進一步包括以下步驟蝕刻去除所述 注入層和覆蓋電介質材料的阻擋層材料。
4、 根據權利要求3所述的方法，其中所述蝕刻去除步驟進一步包括以下步驟在所述減壓腔內形成加速的蝕刻GCIB;以及將所述加速的蝕刻GCIB引導到覆蓋所述電介質材料的所述阻擋層材 料的至少一個表面上。
5、 根據權利要求1所述的方法，在形成和引導所述遮蓋GCIB的步驟 之前進一步包括以下步驟在所述減壓腔內形成加速的清洗GCIB;以及將所述加速的清洗GCIB引導到所述一個或多個銅互連表面中的至少 一個上，並將其引導到覆蓋所述電介質材料的所述阻擋層材料的所述一個或多個表面中的至少一個上，從而對所述加速的清洗GCIB被引導到其上的 一個或多個表面進行清洗。
6、 根據權利要求5所述的方法，其中，形成加速的清洗GCIB的步驟 進一步包括由選自Ar、 N2、 NH3和H2所組成的組中的至少一種氣體的分子產生氣體團簇離子。
7、 根據權利要求5所述的方法，其中形成所述加速的清洗GCIB的步 驟進一步包括使用約3kV到約50kV範圍內的加速電壓加速清洗GCIB氣體 團簇離子。
8、 根據權利要求5所述的方法，其中，所述引導所述加速的清洗GCIB 的步驟使得約5><1013到約5xl0"個氣體團簇離子/cn^範圍內的照射劑量被 傳遞到所述一個或多個銅互連表面中的至少一個。
9、 根據權利要求1所述的方法，其中，所述電介質材料包括層間電介 質層的一部分。
10、 根據權利要求1所述的方法，其中所述形成加速的遮蓋GCIB的步 驟進一歩包括產生氣體團簇離子，所述氣體團簇離子包括由Ar、 Xe、 CH4、 SiH4、 NH3、 N2、 C02、 GeH4、 B2H2、 B2H6、 TiCU和TDEAT所組成的組中 的一種或多種分子。
11、 根據權利要求1所述的方法，其中形成所述加速的遮蓋GCIB進一 步包括使用約3kV到約50kV範圍內的加速電壓加速所產生的氣體團簇離子。
12、 根據權利要求1所述的方法，其中，所述引導所述加速的遮蓋GCIB 的步驟使得約lxlO"到約lxlO"個氣體團簇離子/cn^範圍內的照射劑量被 傳遞到所述一個或多個銅互連表面中的至少一個，並被傳遞到覆蓋所述電介質材料的所述阻擋層材料的所述一個或多個表面中的至少一個。
13、 根據權利要求1所述的方法，進一步包括以下步驟形成至少一 個覆蓋所形成的至少一個遮蓋結構的絕緣層。
14、 根據權利要求13所述的方法，其中，所述形成至少一個絕緣層的 步驟利用PECVD沉積工藝。
15、 根據權利要求13所述的方法，其中，所形成的至少一個絕緣層包 含選自由碳化矽、氮化矽和碳氮化矽所組成的組中的一種材料。
16、 根據權利要求13所述的方法，其中，所述形成至少一個覆蓋所述 至少一個遮蓋結構的絕緣層的步驟進一步包括以下步驟在所述減壓腔內形成加速的沉積GCIB;並且將所述加速的沉積GCIB引導到所述一個或多個銅互連表面上，從而沉 積所述至少一個絕緣層。
17、 根據權利要求13所述的方法，其中，覆蓋所述至少一個遮蓋結構 的所述至少一個絕緣層為電介質擴散阻擋膜。
18、 一種用於在減壓環境下處理至少一個晶片的集簇設備，所述集簇 設備包括至少一個鎖，用於將所述至少一個晶片移入和/或移出該集簇設備； 至少一個傳送腔；至少一個GCIB處理腔； 至少一個清洗腔；以及至少一個晶片傳送裝置，適於在各個腔之間轉移所述至少一個晶片。
19、 根據權利要求18所述的集簇設備，其中，至少一個GCIB處理腔 適於在所述至少一個晶片的至少一部分上進行銅遮蓋處理，並且進一步地，其中至少一個清洗腔適於在銅遮蓋處理之前進行清洗。
20、 根據權利要求19所述的集簇設備，其中，至少一個清洗腔為等離 子體清洗腔。
21、 根據權利要求19所述的集簇設備，其中，至少一個GCIB處理腔 適於在所述至少一個晶片的至少一部分上形成電介質擴散阻擋膜。
22、 一種用於在減壓環境下處理至少一個晶片的集簇設備，所述集簇 設備包括至少一個鎖，用於將所述至少一個晶片移入和/或移出所述集簇設備； 至少一個傳送腔；至少一個GCIB處理腔； 至少一個沉積腔；以及至少一個晶片傳送裝置，適於在腔之間轉移所述至少一個晶片。
23、 根據權利要求22所述的集簇設備，其中，至少一個GCIB處理腔 適於在所述至少一個晶片的至少一部分上進行銅遮蓋處理，此外其中，至 少一個沉積腔 適於在所述至少一個晶片的至少一部分上的被遮蓋的銅上形 成電介質擴散阻擋膜。
24、 根據權利要求22所述的集簇設備,其中，至少一個沉積腔為PECVD 沉積腔。
25、 根據權利要求22所述的集簇設備，其中，至少一個GCIB處理腔 適於在銅遮蓋處理之前進行清洗。
26、 一種用於在減壓環境下處理至少一個晶片的集簇設備，所述集簇 設備包括至少一個鎖，用於將所述至少一個晶片移入和/或移出所述集簇設備；至少一個傳送腔；至少一個GCIB處理腔；至少一個沉積腔； 至少一個清洗腔；以及至少一個晶片傳送裝置，適於在腔之間轉移所述至少一個晶片。
27、 根據權利要求26所述的集簇設備，其中，至少一個GCIB處理腔 適於在所述至少一個晶片的至少一部分上進行銅遮蓋處理，此外其中，至 少一個清洗腔適於在銅遮蓋處理之前進行清洗。
28、 根據權利要求26所述的集簇設備，其中，至少一個GCIB處理腔 適於在所述至少一個晶片的至少一部分上進行銅遮蓋處理，此外其中，至 少一個沉積腔適於在被遮蓋的銅上形成電介質擴散阻擋膜。
29、 根據權利要求26所述的集簇設備，其中，至少一個沉積腔為PECVD 沉積腔。
30、 根據權利要求26所述的集簇設備，其中，至少一個清洗腔為等離 子體清洗腔。
31、 根據權利要求26所述的集簇設備，其中，至少一個GCIB處理腔 適於形成電介質擴散阻擋膜。
32、 根據權利要求26所述的集簇設備，其中至少一個GCIB處理腔適 於在銅遮蓋處理之前清洗所述至少一個晶片的至少一部分。
33、 一種用於在減壓環境下處理至少一個晶片的集簇設備，所述集簇 設備包括至少一個鎖，用於將所述至少一個晶片移入和/或移出所述集簇設備； 多個GCIB處理腔；以及至少一個晶片傳送裝置，適於在腔之間轉移所述至少一個晶片。
34、 根據權利要求33所述的集簇設備，其中，至少一個GCIB處理腔 適於在所述至少一個晶片的至少一部分上進行銅遮蓋處理，此外其中，至 少一個GCIB處理腔適於在被遮蓋的銅上形成電介質擴散阻擋膜。
35、 根據權利要求33所述的集簇設備，其中，至少一個GCIB處理腔 適於在所述至少一個晶片的至少一部分上進行銅遮蓋處理，此外其中，至 少一個GCIB處理腔適於在銅遮蓋處理之前進行清^fe。
36、 根據權利要求33所述的集簇設備，其中，至少一個GCIB處理腔 適於在所述至少一個晶片的至少一部分上進行銅遮蓋處理，此外其中，至 少一個GCIB處理腔適於在銅遮蓋處理之前進行清洗，此外其中，至少一個 GCIB處理腔適於在被遮蓋的銅上形成電介質擴散阻擋膜。
37、 一種在包括一個或多個銅互連表面和一個或多個電介質表面的結 構上形成遮蓋結構的方法，所述方法包括以下步驟將所述結構設置在減壓腔內； 在所述減壓腔內形成加速的遮蓋GCIB;以及將所述加速的遮蓋GCIB引導到所述一個或多個銅互連表面和所述一 個或多個電介質表面中的至少一個上，從而在所述加速的遮蓋GCIB被引導 到其上的一個或多個表面上形成至少一個遮蓋結構。
38、 根據權利要求37所述的方法，其中-形成所述加速的遮蓋GCIB進一步包括從在注入銅表面內時形成電絕 緣材料並且在注入電介質表面內時形成電絕緣材料的元素產生氣體團簇離 子；並且所形成的至少一個遮蓋結構是電絕緣的遮蓋結構。
39、 根據權利要求37所述的方法，其中形成所述加速的覆蓋GCIB進 一步包括從在注入銅表面內時形成導電材料並且在注入電介質表面時形成電絕緣材料的元素產生氣體團簇離子；並且所形成的至少一個遮蓋結構包 括所述銅互連部分的照射區上的導電遮蓋結構和所述電介質部分的照射區 上的電絕緣遮蓋結構中的至少一個。
40、 根據權利要求37所述的方法，其中，形成所述加速的遮蓋GCIB 進一步包括從惰性氣體或惰性氣體的混合物產生氣體團簇離子；並且所形 成的至少一個遮蓋結構至少包括銅互連部分的照射區上的導電遮蓋結構。
41、 根據權利要求37所述的方法，其中，形成所述加速的遮蓋GCIB 進一步包括從Ar、 Xe或Ar和Xe的混合物產生氣體團簇離子；並且所形 成的至少一個遮蓋結構至少包括所述銅互連部分的照射區上的導電遮蓋結 構。
42、 一種在包括一個或多個銅互連表面和一個或多個覆蓋有阻擋層材 料的電介質層區的集成電路互連層上形成銅遮蓋結構的方法，所述方法包 括以下歩驟-在所述一個或多個銅互連表面上形成至少一個遮蓋結構；以及 在所述一個或多個銅互連表面上形成所述至少一個遮蓋結構之後，去 除覆蓋所述一個或多個電介質層區中的至少一個的所述阻擋層材料。
43、 根據權利要求42所述的方法，其中所述形成步驟進一步包括 形成加速的遮蓋GCIB;以及將所述加速的遮蓋GCIB引導到所述一個或多個銅互連表面中的至少 一個上。
44、 根據權利要求42所述的方法，其中所述去除步驟包括 形成加速的蝕刻GCIB;以及將所述加速的蝕刻GCIB引導到所述阻擋層材料上。
45、 一種在包括一個或多個銅互連表面和一個或多個覆蓋有阻擋層材料的電介質層區的集成電路互連層上形成銅遮蓋結構的方法，所述方法包 括以下步驟利用第一束加速電壓形成加速的遮蓋GCIB;將所述加速的遮蓋GCIB引導到所述一個或多個銅互連表面中的至少一個上，以在所述一個或多個銅互連表面上形成至少一個遮蓋結構；使用低於所述第一束加速電壓的第二束加速電壓形成加速的蝕刻 GCIB;以及將所述加速的蝕刻GCIB引導到所述至少一個遮蓋結構上並引導到所 述阻擋層材料上，以去除所述阻擋層材料。
46、 一種在包括一個或多個銅互連表面和一個或多個覆蓋有阻擋層材 料的電介質層區的集成電路互連層上形成銅遮蓋結構的方法，所述方法包 括以下步驟形成加速的遮蓋GCIB;將所述加速的遮蓋GCIB引導到所述一個或多個銅互連表面中的至少 一個上，以在所述一個或多個銅互連表面上形成至少一個遮蓋結構； 形成加速的蝕刻GCIB;以及將所述加速的蝕刻GCIB引導到所述至少一個遮蓋結構上並引導到所 述阻擋層材料上，以去除覆蓋所述一個或多個電介質層區中的至少一個的 阻擋層材料，而不去除全部的所述至少一個遮蓋結構。
47、 一種集成電路互連層，所述集成電路互連層包括一個或多個遮蓋 的銅互連表面和一個或多個電介質層區，所述集成電路互連層通過權利要 求42所述的方法製成。
48、 一種集成電路互連層，所述集成電路互連層包括一個或多個遮蓋 的銅互連表面和一個或多個電介質層區，所述集成電路互連層通過權利要 求45所述的方法製成。
49、 一種用於在集簇設備系統中保持減壓環境的同時在該集簇設備系統中處理半導體晶片的方法，所述方法包括以下步驟在所述集簇設備的第一 GCIB處理腔中，使用GCIB處理在半導體晶片 的銅互連表面上和電介質材料上的阻擋層材料表面上形成蓋層；在所述集簇設備的減壓環境內，將所述半導體晶片從所述第一 GCIB 處理腔傳送到所述集簇設備的第二GCIB處理腔；以及在所述第二 GCIB處理腔中，使用GCffi蝕刻處理將所述阻擋層材料從 電介質層去除。
50、 根據權利要求49所述的方法，在所述形成步驟之前進一步包括以 下步驟在所述集簇設備的第三處理腔中，使用清洗處理來清洗所述銅互連表 面和阻擋層材料表面；以及在所述集簇設備的減壓環境內，將所述半導體晶片從所述集簇設備的 第三處理腔傳送到所述集簇設備的第一 GCIB處理腔。
51、 根據權利要求50所述的方法，其中，所述集簇設備的第三處理腔 為GCIB處理腔，並且其中所述清洗處理包括GCIB清洗處理。
52、 一種用於在集簇設備系統中保持減壓環境的同時在所述集簇設備 系統中處理半導體晶片的方法，所述方法包括以下步驟在所述集簇設備的第一 GCIB處理腔中，使用GCIB處理在半導體晶片 的銅互連表面上和電介質材料上形成蓋層；在所述集簇設備的減壓環境內，將所述半導體晶片從所述第一 GCIB 處理腔傳送到所述集簇設備的第二處理腔；以及在所述集簇設備的第二處理腔中，利用電介質膜形成工藝在所述蓋層 上形成電介質擴散阻擋膜。
53、 根據權利要求52所述的方法，在所述形成步驟之前進一步包括以 下步驟在所述集簇設備的第三處理腔中，利用清洗處理清洗所述銅互連表面和阻擋層材料表面；以及在所述集簇設備的減壓環境內，將所述半導體晶片從所述集簇設備的 第三處理腔傳送到所述集簇設備的第一 GCIB處理腔。
54、 根據權利要求53所述的方法，其中，所述集簇設備的第三處理腔 為GCIB處理腔，並且其中所述清洗處理包括GCIB清洗處理。
55、 根據權利要求52所述的方法，其中，所述集簇設備的第二處理腔 為GCIB處理腔，並且所述電介質膜形成工藝包括GCIB注入工藝。
全文摘要
在銅互連布線層上遮蓋一層或多層，以用於集成電路的互連結構，以及通過應用氣體團簇離子束處理來形成用於集成電路的改進集成互連、結構的方法和裝置。銅擴散減小且提高了電遷移壽命，並避免了選擇性金屬遮蓋技術的使用以及該技術所伴隨產生的問題。公開了包括用於銅遮蓋、清洗、蝕刻以及膜成形步驟的氣體團簇離子束處理模塊的多種集簇設備配置。
文檔編號H01L21/425GK101416291SQ200780011696
公開日2009年4月22日 申請日期2007年2月6日 優先權日2006年2月6日
發明者A·J·勒恩, J·J·豪塔拉, R·M·格夫肯, S·R·舍曼 申請人:Tel埃皮恩公司