[发明专利]使用铜金属间化合物提高铜互连中的可靠性的技术

说明书

提供了用于使用Cu金属间化合物提高Cu互连的可靠性的技术。在一方面，一种在Cu线(112)上方的电介质(114)中形成Cu互连的方法包括以下步骤：在Cu线(112)上方的电介质(114)中形成至少一个通孔(116)；将金属层(118)沉积到电介质(114)上并衬垫通孔(116)，使得金属层(118)与通孔(116)底部的Cu线(112)接触，其中金属层(118)包含至少一种能与Cu反应以形成Cu金属间化合物的金属；在足以在通孔(116)底部形成Cu金属间阻隔(120)的条件下，使金属层(118)和Cu线(112)退火；将Cu(122)电镀到通孔(116)中以形成Cu互连，其中Cu互连通过Cu金属间阻隔层(120)与Cu线(112)分离。还提供了一种装置结构。

技术领域

本发明涉及用于提高铜(Cu)互连中的可靠性的技术，更具体地，涉及使用Cu金属间化合物以形成用于Cu互连的衬垫(liners)，电迁移(EM)阻隔(barriers)和覆盖(caps)。

背景技术

随着在后段(BEOL)中继续结垢(scaling)，铜(Cu)线的电阻增加。电阻增加首先仅仅因为线具有较小的横截面积。也使进整体阻力，因为线中的金属表面变得更近并且金属中的晶粒(grain)在更窄的线中变得更小，来自晶界和表面/界面的散射的增加进一步促进电阻率的额外增加，因此突出了在结垢的(scaled)Cu线技术中控制界面和晶界散射的重要性。

同时，随着结垢继续其他问题也会出现。一个问题是扩散阻隔(barrier)完整性。即，当衬垫厚度减小时，性能不足并且金属可以扩散到电介质中。由于需要保持衬垫厚度，因此非常窄的线中的Cu的体积是有限的。另一个问题是电迁移或EM电阻。即，随着线面积减小，电流密度增加。结果，Cu原子迁移可导致在最小的线中的断裂。因此，定义好的EM界面是重要的。好的有界界面也可能有助于界面散射。还需要覆盖层来防止线的顶部表面处的EM。Cu线结垢产生的另一个问题是通孔底部的粘合。在芯片加工过程中需要好的粘合以防止裂纹扩展。通孔底部衬垫厚度的减小无助于水平之间的粘合。

所提出的解决方案包括使用包含诸如锰(Mn)，钴(Co)和/或钌(Ru)的材料的自形成嵌入式扩散阻隔。例如，参见授予Cabral Jr.等人的名称为“Self-Forming EmbeddedDiffusion Barriers”的美国专利号9,190,321。还参见McFeely等人的名称为“Multi-StepMethod to Selectively Deposit Ruthenium Layers of Arbitrary Thickness onCopper”的美国专利申请公开号2011/0045171以及授予Gambino等人的名称为“ConductorStructure including Manganese Oxide Capping Layer.”的美国专利号7,884,475。所有这些解决方案都包括完全可溶于Cu(例如Mn)或具有非常低的溶解度且不可能形成相(例如Co，Ru等)的元素。

因此，尤其对于结垢的应用，需要用于Cu互连的改进的阻隔，衬垫和覆盖。

发明内容

本发明提供了用于使用Cu金属间化合物改善铜(Cu)互连中的可靠性以形成用于Cu互连的衬垫，电迁移(EM)阻隔和覆盖的技术。在本发明的一个方面，提供了一种在Cu线上方的电介质中形成Cu互连的方法。该方法包括以下步骤：在Cu线上方的电介质中形成至少一个通孔；在所述电介质上沉积金属层并衬垫所述通孔，使得所述金属层与所述通孔底部的Cu线接触，其中所述金属层包含至少一种能与Cu反应以形成Cu金属间化合物的金属；在足以在通孔底部形成Cu金属间化合物阻隔的条件下退火所述金属层和Cu线；和将Cu电镀到所述通孔中以形成所述Cu互连，其中所述Cu互连通过Cu金属间化合物阻隔与Cu线分离。