用于互连件覆盖应用的金属互连件中的碳基污染物的清洁的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及在部分制成的集成电路上形成材料层的方法。具体地说，本发明涉及 用于互连件覆盖应用的清洁金属互连件中的碳基污染物的方法。
【背景技术】
[0002] 镶嵌处理是用于在集成电路上形成金属线的方法。该方法涉及在形成于电介质层 (层间电介质）中的沟槽和通孔中形成镶嵌式金属线。镶嵌处理通常是一种优选的方法，因 为此方法相比于其他方法需要较少的处理步骤，并提供了较高的产率。该方法也特别适合 于不能轻易通过等离子体蚀刻所图案化的金属（诸如铜）。
[0003] 在典型的镶嵌处理中，金属沉积到图案化的电介质上以填充形成在电介质层中的 通孔和沟槽。所得的金属化层通常直接形成在承载有源器件的层上或者形成在下伏的金属 化层上。电介质扩散阻挡材料（如碳化硅或氮化硅）薄层沉积在相邻的金属化层之间，以 防止金属扩散到电介质的主体层。在一些情况下，碳化硅或氮化硅电介质扩散阻挡层还兼 作在层间电介质（ILD)的图案化期间的蚀刻停止层。
[0004] 在典型的集成电路（IC)中，若干金属化层一层一层地沉积以形成堆叠，其中，金 属填充的通孔和沟槽充当集成电路导电路径。一个金属化层的导电路径通过一系列镶嵌互 连件被连接到下伏层或上覆层的导电路径。
[0005] 这些互连件的制造提出了若干挑战，随着IC器件特征的尺寸不断缩小，这些挑战 变得越来越显著。例如，铜金属与上覆的电介质扩散阻挡层的粘附通常是较差的，这导致所 形成的IC器件的可靠性降低。此外，铜线尺寸的大幅降低导致电迀移增加。在一些情况下， 覆盖层沉积在铜的顶部上以解决这些问题并提高互连件的稳定性。
【发明内容】
[0006] 在集成电路制造期间所遇到的一个挑战性问题是带有含碳残余物的金属线表面 的污染。这种污染的存在会阻碍覆盖物在金属线上的沉积。例如，当含金属的覆盖物（如 含钴覆盖物或含锰覆盖物）通过化学气相沉积（CVD)或原子层沉积（ALD)沉积在受碳污染 的表面上时，可能导致低的沉积速率、斑块状和不均匀的沉积。此外，当沉积含金属的导电 覆盖物层时，这样的覆盖层应当选择性地沉积在金属线表面上而不应当沉积在ILD表面周 围。在许多情况下，金属线的表面上的碳基污染物的存在减少了这种沉积的选择性。
[0007] 含有氧化物物质（如铜氧化物）的污染可通过用还原剂处理衬底（例如，通过等 离子体或还原环境下的热处理）被容易除去时，含有含碳物质的污染一般不容易处理。出 乎意料的是，发现了用于使用硅烷基化剂从金属表面去除碳基污染物的处理。这种处理可 用于去除碳基污染物（例如含有碳-碳和/或碳-氧键的污染物）以清洁诸如铜、钴和镍 (包括它们的合金）之类的金属。
[0008] 在一个方面中，本发明提供了一种用于形成半导体器件结构的方法。该方法涉及： (a)提供包含暴露金属层（如铜，钴，镍）和暴露电介质层的半导体衬底；(b)使所提供的半 导体衬底与硅烷基化剂在第一温度下接触，以使所述硅烷基化剂与所述暴露金属层的表面 上的含碳污染物反应；以及（C)在接触之后，在更高温度下加热所述半导体衬底以从所述 半导体衬底的金属表面去除已反应的硅烷基化剂。接下来，在从所述金属表面去除所述已 反应的硅烷基化剂之后，处理继续，选择性地沉积覆盖层在所述金属表面上，而不将相同覆 盖层沉积在所述电介质层上。在覆盖层被选择性地形成在金属线上之后，在所述覆盖金属 层上和所述暴露电介质上沉积电介质扩散阻挡层（例如，掺杂的或者非掺杂的碳化硅或者 氮化硅）。
[0009] 所提供的方法特别适用于含金属覆盖层的沉积，所述金属覆盖层如钴覆盖层和锰 覆盖层。在一些实施方式中，所述覆盖层是通过使经处理的所述衬底与有机金属化合物接 触而形成。例如，所述衬底可与包含钴和配体的有机钴合物接触，所述配体选自由烯丙基、 脒基（amidinate)、二氮杂二烯基和环戊二烯基所构成的组。用于选择性沉积含钴覆盖层的 适当有机钴化合物的实例包括但不限于：羰基叔丁基乙炔钴、苯并钴（cobaltacene)、环戊 二烯基二羰基钴（Π )、钴脒（cobalt amidinate)、二氮杂二稀钴、以及这些化合物的组合。
[0010] 在一些实施方式中，所提供的方法还包括在使所述衬底与所述硅烷基化剂接触之 前预处理所述衬底以调整所述衬底的表面。能够执行预处理来使电介质表面针对覆盖材料 的沉积和/或从金属表面去除金属氧化物（如铜氧化物）更加惰性。预处理能够通过直接 等离子体处理、远程等离子体处理、UV处理和在包含Ar、He、N2、NHjP H2中的至少一种气体 内的热处理中的一种或者多种处理来执行。为了防止衬底的再次污染，使衬底在预处理之 后并且在与硅烷基化剂接触之前不暴露于大气。
[0011] 使用所述硅烷基化剂的处理优选地在介于约100和约300°C之间的温度下并且在 约0. 5至20托之间的压强下执行。诸如氩和/或氦之类的惰性气体能够与硅烷基化剂流 一起供给。在一些实施方式中，所述惰性气体的流率比所述硅烷基化剂的流率大至少约10 倍。合适的硅烷基化剂的实例包括三甲氧基硅烷、二乙氧基甲基硅烷、二甲基氨基三甲基硅 烷、乙氧基三甲基硅烷、双-二甲基氨基二甲基硅烷、乙烯基三甲基硅烷、乙烯基三甲氧基 硅烷、三甲基硅烷基乙炔、（3-巯基丙基）三甲氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷以及它们的组 合。
[0012] 在用硅烷基化剂处理结束并且硅烷基化剂的流动停止之后，加热衬底以从金属表 面驱离已反应的硅烷基化剂。在一些实施方式中，所述加热是在介于约120和约450°C之间 的温度下在气体内执行，所述气体选自由Ar、He、N2、NH3、氏和它们的混合物所构成的组。
[0013] 在一些实施方式中，所述电介质层还能在用硅烷基化剂处理期间与硅烷基化剂反 应。在一些实施方式中，所述电介质在与所述硅烷基化剂反应时针对覆盖层的沉积而变得 钝化，由此增加了覆盖沉积处理的选择性。
[0014] 在一些实施方式中，所提供的方法被集成到处理方案内，该处理方案包括光刻图 案化并且还包括：施加光致抗蚀剂到所述衬底；将所述光致抗蚀剂暴露于光；将所述光致 抗蚀剂图案化并且将图案转印到所述衬底；以及从所述衬底选择性地去除所述光致抗蚀 剂。
[0015] 在另一方面中，本发明还提供了一种用于在晶片衬底上形成半导体器件结构的装 置。该装置包括：处理腔，其具有用于导入气相的或者挥发性的反应物的进口；晶片衬底支 撑件，其用于在所述处理腔内处理所述晶片衬底的期间将所述晶片衬底保持在适当位置； 以及控制器，其包含用于执行本发明所提供的方法的程序指令。例如所述控制器可以包含 程序指令，所述程序指令用于：（i)使具有暴露电介质层和暴露金属层的所述晶片衬底在 第一温度下与硅烷基化剂接触，以使所述硅烷基化剂与所述暴露金属层的表面上的含碳污 染物反应，其中所述金属选自由铜、钴和镍所构成的组；（ii)在接触之后，在更高的温度下 加热所述晶片衬底以从所述晶片衬底的所述金属表面去除所述已反应的硅烷基化剂；以及 (iii)在从所述金属表面去除所述已反应的硅烷基化剂之后，选择性地沉积覆盖层在所述 金属表面上，而不将相同覆盖层沉积在所述电介质层上。
[0016] 在一些实施方式中，提供了一种系统，其中该系统包括本文所述的装置和步进曝 光机（stepper)。
[0017] 在另一方面，本发明提供了一种非暂时性计算机可读介质，其中所述介质包括用 于沉积装置的程序指令，所述程序指令包含用于执行本文所述方法中的任意操作的代码。
【附图说明】
[0018] 图1A-1D示出了根据本文所提供的一些实施方式的选择性覆盖处理期间所生成 的器件结构的示意性横截面图。
[0019] 图2呈现了根据本文所提供的一些实施方式的覆盖处理的处理流程图。
[0020] 图3呈现了根据本文所提供的实施方式的适用于去除碳基污染物的处理腔的示 意图。
[0021] 图4A是示意了通过化学机械抛光（CMP)平坦化的电沉积铜层的铜表面上存在碳 的X射线光电子能谱（XPS)图。
[0022] 图4B是示意了通过物理气相沉积（PVD)所沉积的铜层的铜表面上存在碳的XPS 图。
[0023] 图5是示意了用硅烷基化剂处理之后的铜表面上的碳和硅的含量。
[0024] 图6是示意了针对在不同条件下所处理的样品的衬底表面组成的图表。
[0025] 图7A是示意了经过了不同条件下的处理之后的电介质和铜上的钴沉积物的柱状 图。
[0026] 图7B是示意了经过了不同条件下的处理之后的电介质和铜上的钴沉积物的柱状 图。
【具体实施方式】
[0027] 提供了用于从在半导体衬底上的金属表面去除含碳污染物的方法和装置。污染物 是通过用硅烷化试剂处理金属表面来去除。所提供的方法可以用来清洁铜、钴和镍的表面 并且能够用来准备这些表面以用于覆盖层的CVD和ALD沉积。
[0028] 术语"半导体衬底"和"部分制成的半导体装置"可互换使用，并且包括包含位于 衬底中任何位置的半导体材料的衬底。应理解，除了半导体材料，半导体衬底通常还包括金 属层和介电材料层。合适的半导体衬底的一个例子是包含由镶嵌处理形成的一个或多个金 属化层的硅晶片。本文所提供的方法可以在后端和前端处理都使用。
[0029]