專利名稱：作為用于銅金屬化的阻擋層的原子層沉積氮化鉭和α相鉭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例涉及用于制備集成電路器件的方法。更具體地，本發(fā)明的實(shí)施例涉及利用一個(gè)或多個(gè)循環(huán)沉積工藝來(lái)形成金屬互連結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
由于集成電路(IC)器件的結(jié)構(gòu)尺寸按比例降至亞1/4微米的范圍，所以電阻和電流密度已成為急需考慮并改善的因素。多層互連結(jié)構(gòu)提供了貫穿IC器件的導(dǎo)電路徑，其中的IC器件被形成在高寬比(aspect ratio)較高的構(gòu)造(feature)中，包括接頭、插塞、通孔、線(line)、導(dǎo)線和其他構(gòu)造。在襯底(substrate)上形成互連的典型方法包括沉積一層或多層，蝕刻其中的至少一層來(lái)形成一個(gè)或多個(gè)構(gòu)造，在構(gòu)造中沉積阻擋層，并沉積一層或多層來(lái)填滿構(gòu)造。通常，構(gòu)造在設(shè)置于下層導(dǎo)電層和上層導(dǎo)電層之間的介電層內(nèi)形成。互連在構(gòu)造內(nèi)形成以連接上層導(dǎo)電層和下層導(dǎo)電層?？煽康匦纬蛇@些互連構(gòu)造對(duì)電路的生成，以及單個(gè)襯底和模片(die)上的電路密度和質(zhì)量的提高是重要的。
近來(lái)，由于銅及其合金的電阻率小于鋁，所以銅已成為填充亞微米、高寬比較高的互連構(gòu)造的首選金屬。但是，銅更容易擴(kuò)散進(jìn)周圍的材料內(nèi)，并能改變相鄰層的電子器件特性(例如形成層間的導(dǎo)電路徑)，從而降低了整個(gè)電路的可靠性，并可能導(dǎo)致器件損壞。
因此，在銅金屬化之前沉積阻擋層來(lái)防止或阻礙銅原子的擴(kuò)散。阻擋層通常含有難熔金屬，例如鎢、鈦、鉭及其氮化物，所有這些材料的電阻率都大于銅。為在構(gòu)造內(nèi)沉積阻擋層，阻擋層必須沉積在構(gòu)造的底面及其側(cè)壁上。因此，構(gòu)造底部上的阻擋層的附加量不僅增加了構(gòu)造的總電阻，而且成為多層互連結(jié)構(gòu)的上層金屬互連和下層金屬互連之間的障礙。
因此，需要一種使互連的電阻最小的形成金屬互連結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于在襯底上形成金屬互連的方法。一方面，本方法包括沉積含難熔金屬的阻擋層，所述阻擋層的厚度呈現(xiàn)類晶體結(jié)構(gòu)，并足以抑制至少一部分金屬層上的原子遷移。通過(guò)交替地引入一次或多次含金屬化合物的脈沖和一次或多次含氮化合物的脈沖，在至少一部分阻擋層上沉積晶種層，并在至少一部分晶種層上沉積第二金屬層來(lái)生成互連。
另一方面，本方法包括在襯底表面上沉積第一金屬層；通過(guò)交替地引入一次或多次含鈦化合物的脈沖、一次或多次含硅化合物的脈沖和一次或多次含氮化合物的脈沖，在至少一部分第一金屬層上沉積厚度小于約20埃的鈦硅氮化物層；沉積雙合金晶種層，并在至少一部分雙合金晶種層上沉積第二金屬層。
另一方面，本方法還包括在至少一部分金屬層上沉積厚度小于約20埃的雙層阻擋，沉積雙合金晶種層，并在至少一部分雙合金晶種層上沉積第二金屬層。雙層阻擋包括通過(guò)交替地引入一次或多次含鉭化合物的脈沖和一次或多次含氮化合物的脈沖而沉積的第一氮化鉭層和第二α相鉭層。
另一方面，本方法包括在襯底表面上沉積第一金屬層；通過(guò)交替地引入一次或多次含鉭化合物的脈沖和一次或多次含氮化合物的脈沖，在至少一部分第一金屬層上沉積厚度小于約20埃的氮化鉭阻擋層；沉積雙合金晶種層，其包括銅和選自鋁、鎂、鈦、鋯、錫及其組合的金屬；并在至少一部分雙合金晶種層上沉積第二金屬層。


為能詳細(xì)地獲悉并理解本發(fā)明的上述特征，可參照在附圖中所說(shuō)明的其實(shí)施例，從而對(duì)以上簡(jiǎn)短概括的本發(fā)明進(jìn)行更具體的描述。但是，應(yīng)該注意附圖僅說(shuō)明了本發(fā)明的典型實(shí)施例，因此不應(yīng)認(rèn)為是限制其范圍，因?yàn)楸景l(fā)明包括其他等效的實(shí)施例。
圖1圖示了根據(jù)這里所描述的各種實(shí)施例的處理工藝順序。
圖2A-2D是根據(jù)這里所描述的實(shí)施例的互連制備的不同階段的示例性晶片的示意性橫截面視圖。
圖3圖示了根據(jù)這里所描述循環(huán)沉積技術(shù)用來(lái)形成薄阻擋層的示例性處理室200的示意性部分橫截面。
圖4圖示了適于進(jìn)行這里所描述的互連制備順序的示例性集束工具的示意性平面圖。
圖5是其中具有根據(jù)這里所描述的沉積技術(shù)而沉積的氮化鈦?zhàn)钃鯇拥臉?gòu)造的透射電子顯微鏡(TEM)圖像。
圖6是表示多層互連結(jié)構(gòu)的部分橫截面視圖的TEM圖像。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了形成一個(gè)或多個(gè)互連結(jié)構(gòu)的工藝過(guò)程序列。與現(xiàn)有技術(shù)的互連相比較，根據(jù)這里所描述的實(shí)施例而形成的互連結(jié)構(gòu)具有更低的總電阻率和更好的電性能，尤其適用于制造存儲(chǔ)器以及集成電路制備中用到的邏輯結(jié)構(gòu)。所述互連結(jié)構(gòu)的形成包括至少部分沉積在底層(underlying)金屬層上的薄阻擋層、至少部分沉積在所述阻擋層上的晶種層、以及至少部分沉積在所述晶種層上的本體金屬層的形成。這里所用的術(shù)語(yǔ)“互連”指集成電路內(nèi)形成的任意導(dǎo)電路徑。這里所用的術(shù)語(yǔ)“本體金屬(bulkmetal)”指相對(duì)于用來(lái)形成互連結(jié)構(gòu)所沉積的其他金屬，這里沉積的金屬量更大。
圖1圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的工藝流程順序。首先，例如如步驟480所示，薄阻擋層至少部分沉積在底層襯底表面上，例如下層金屬互連或金屬柵。根據(jù)這里所描述的循環(huán)層沉積技術(shù)進(jìn)行阻擋層沉積，以便提供優(yōu)異的阻擋性能，并允許底層金屬層持續(xù)生長(zhǎng)穿過(guò)阻擋層而進(jìn)入上層金屬互連或隨后沉積的金屬層內(nèi)。一方面，阻擋層是含難熔金屬層，例如鉭、鈦和鎢，并且可包括難熔金屬氮化物材料，例如氮化鉭(TaN)。另一方面，阻擋層是TaN和α相鉭的薄雙層。另一方面，阻擋層還可以是由含難熔金屬的化合物、含硅化合物和含氮化合物而形成的三元材料。阻擋層也可作為后續(xù)的金屬化過(guò)程的潤(rùn)濕層、粘合層或膠層。
這里所用的“薄層”指沉積在襯底表面上的材料層，厚度約20?；蚋伲缂s10。阻擋層的厚度如此薄以致相鄰的金屬互連的電子能夠隧穿過(guò)阻擋層。因此，阻擋層通過(guò)降低總電阻率，提供優(yōu)良的器件可靠性從而顯著提高了金屬互連的電性能。
根據(jù)這里所述的循環(huán)沉積方法而沉積的薄阻擋層顯示出外延生長(zhǎng)的現(xiàn)象。換句話說(shuō)，阻擋層呈現(xiàn)與底層相同或基本相同的結(jié)晶特性。結(jié)果，生長(zhǎng)出的基本是單晶，使得阻擋層和底層之間的界面沒(méi)有空隙形成。同樣，隨后沉積在阻擋層上的金屬層呈現(xiàn)相同或基本相同的外延生長(zhǎng)特性，即繼續(xù)形成單晶。因此，在這個(gè)界面處沒(méi)有生成空隙。所得的類似單晶的結(jié)構(gòu)消除了空隙的形成，從而顯著增加了器件的可靠性。單晶結(jié)構(gòu)在仍能提供優(yōu)異的阻擋性能的同時(shí)，還減小了互連的總電阻。而且，我們相信由于互連材料界面上相似且均勻的晶體取向，單晶的生長(zhǎng)減小了對(duì)電遷移和應(yīng)力遷移的敏感度。
這里所用的“循環(huán)沉積”指連續(xù)地引入兩種或多種反應(yīng)性化合物以在襯底表面上沉積出單層材料。這兩種或多種反應(yīng)性化合物是交替地引入處理室的反應(yīng)區(qū)的。通過(guò)時(shí)間延遲來(lái)分開(kāi)各種反應(yīng)性化合物，以使每種化合物粘附在襯底表面上并/或在襯底表面上反應(yīng)。一方面，第一前體或化合物A被脈沖輸入反應(yīng)區(qū)內(nèi)后，進(jìn)行第一時(shí)間延遲。接著，第二前體或化合物B被脈沖輸入反應(yīng)區(qū)內(nèi)后，進(jìn)行第二時(shí)間延遲。如果例如鈦硅氮化物的三元材料是所期望的，則例如第三化合物(C)被定量/脈沖輸入反應(yīng)區(qū)內(nèi)后，進(jìn)行第三時(shí)間延遲。在每次時(shí)間延遲期間，例如氬氣的惰性氣體被引入處理室內(nèi)，來(lái)清洗反應(yīng)區(qū)或去除反應(yīng)區(qū)的任意殘留反應(yīng)性化合物?；蛘?，清洗氣在整個(gè)沉積過(guò)程中可連續(xù)地流動(dòng)，使得在反應(yīng)性化合物脈沖輸入之間的時(shí)間延遲期間僅有清洗氣流動(dòng)。反應(yīng)性化合物被交替地脈沖輸入，直至在襯底表面上形成所期望的膜或膜層厚度。
這里所用的“襯底表面”指在其上進(jìn)行膜處理的任意襯底表面。例如，取決于應(yīng)用，襯底表面可包括硅、硅氧化物、摻雜硅、鍺、砷化鎵、玻璃、藍(lán)寶石和例如金屬、金屬氮化物、金屬合金和其他導(dǎo)電材料的任意其他材料。襯底表面還可包括例如二氧化硅和碳摻雜硅氧化物的介電材料。
這里所用的“脈沖輸入”或“定量輸入”意指一定量的特定化合物被間歇地或非連續(xù)地引入處理室的反應(yīng)區(qū)內(nèi)。取決于脈沖的持續(xù)時(shí)間，每次脈沖內(nèi)的特定化合物的量可隨時(shí)間變化。每次脈沖的持續(xù)時(shí)間是可變的，這取決于許多因素，例如所用的處理室的體積容量、耦合到所述處理室的真空系統(tǒng)及特定化合物本身的揮發(fā)性/反應(yīng)性。
術(shù)語(yǔ)“化合物”意在包括一種或多種前體、氧化劑、還原劑、反應(yīng)物和催化劑，及其組合。術(shù)語(yǔ)“化合物”也意在包括一組化合物，例如當(dāng)兩種或多種化合物同時(shí)被引入處理裝置時(shí)。例如，一組化合物可包括一種或多種催化劑，以及一種或多種前體。術(shù)語(yǔ)“化合物”還意在包括例如通過(guò)解離或離子化而呈活化態(tài)或激發(fā)態(tài)的一種或多種前體、氧化劑、還原劑、反應(yīng)物、和催化劑，或其組合。
我們相信在襯底表面上物理吸附、吸附、吸收或化學(xué)吸附單層反應(yīng)物所用的表面吸引力是自限式的，這是因?yàn)橛捎谝r底表面具有有限個(gè)反應(yīng)物可利用的位點(diǎn)，所以在給定脈沖期間僅有一個(gè)單層被沉積在襯底表面上。一旦有限個(gè)位點(diǎn)被反應(yīng)物占據(jù)，則反應(yīng)物的進(jìn)一步沉積將受阻。可重復(fù)這個(gè)循環(huán)來(lái)達(dá)到所期望厚度的層。
仍參照?qǐng)D1，如步驟485所示的，晶種層至少部分沉積在阻擋層上?？衫萌我鈧鹘y(tǒng)沉積技術(shù)，例如化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、電鍍、或無(wú)電鍍來(lái)沉積晶種層。優(yōu)選地，晶種層保形地(conformally)沉積在底層阻擋層上，所形成的厚度在約100-500之間。一方面，晶種層是傳統(tǒng)的銅晶種層。另一方面，晶種層是雙合金晶種層。示例性的雙合金晶種層包括1)利用含有未摻雜的銅的目標(biāo)材料而沉積的未摻雜的銅，2)利用含有約2.0原子百分比的鋁的銅-鋁目標(biāo)材料而沉積的含有約2.0原子百分比的鋁的銅合金，3)利用含有約2.0原子百分比的錫的銅-錫目標(biāo)材料而沉積的含有約2.0原子百分比的錫的銅合金，及4)利用含有約2.0原子百分比的鋯的銅-鋯目標(biāo)材料而沉積的含有約2.0原子百分比的鋯的銅合金。
如步驟487所示的，本體金屬層至少被部分沉積在晶種層上。也可利用任意傳統(tǒng)沉積技術(shù)，例如化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、電鍍、或無(wú)電鍍來(lái)沉積金屬層。金屬層優(yōu)選包括任意導(dǎo)電材料，例如鋁、銅、鎢或其組合。
圖2A-2D是在制備的不同階段的示例性互連結(jié)構(gòu)的示意圖。圖2A示出了其上形成有介電層112的底層金屬層110。圖2B示出了至少部分沉積在底層金屬層110上的阻擋層130。底層金屬層110可含有任意導(dǎo)電金屬，例如鋁、銅、鎢或其組合，并且可形成為互連構(gòu)造的一部分，例如插塞、通孔、接頭、線、導(dǎo)線，而且還可作為金屬柵電極的一部分。圖2C示出了至少部分沉積在阻擋層130上的晶種層140，且圖2D示出了至少部分沉積在晶種層140上的本體金屬層142。
參照?qǐng)D2A，介電層112可以是任意介電材料，包括無(wú)論是目前已知的或是將要被發(fā)現(xiàn)的低介電常數(shù)的介電材料(k≤4.0)。例如，介電層112可以是硅的氧化物或碳摻雜的硅氧化物。利用傳統(tǒng)的公知技術(shù)，介電層112已被蝕刻來(lái)形成其中的構(gòu)造114。構(gòu)造114可以是插塞、通孔、接頭、線、導(dǎo)線、或任意其他互連元件。一般地，構(gòu)造114具有垂直的側(cè)壁116和底面118，其高寬比約4∶1或更大，例如約6∶1。底面118暴露出下層金屬互連110的至少一部分。
參照?qǐng)D2B，阻擋層130保形地沉積在構(gòu)造114的底面118及側(cè)壁116上。優(yōu)選地，通過(guò)向其內(nèi)設(shè)置有襯底的反應(yīng)區(qū)以約100sccm-1000sccm的流速在約1.0秒或更短的時(shí)段內(nèi)提供一個(gè)或多個(gè)含鉭化合物的脈沖，并以約100sccm-1000sccm的流速在約1.0秒或更短的時(shí)段內(nèi)提供一個(gè)或多個(gè)含氮化合物的脈沖，阻擋層含有沉積厚度約20?；蚋〉牡g，優(yōu)選約10。示例性含鉭化合物包括t-丁基亞氨基-三(二乙基氨基)鉭(TBTDET)；五(乙基甲基氨基)鉭(PEMAT)；五(二甲基氨基)鉭(PDMAT)；五(二乙基氨基)鉭(PDEAT)；t-丁基亞氨基-三(二乙基甲基氨基)鉭(TBTMET)；t-丁基亞氨基-三(二甲基氨基)鉭(TBTDMT)；二(環(huán)戊二烯基)鉭化三氫((Cp)2TaH3)；二(甲基環(huán)戊二烯基)鉭化三氫((CpMe)2TaH3)；其衍生物；及其組合。示例性含氮化合物包括氨；肼；甲基肼；二甲基肼；t-丁基肼；苯肼；偶氮基異丁烷(azoisobutane)；疊氮基乙烷；其衍生物；及其組合。
應(yīng)該理解，這些化合物或任意其他以上未列出的化合物在室溫下可以是固體、液體或氣體。例如，PDMAT在室溫下是固體，而TBTDET在室溫下是液體。因此，在引入處理室之前，非氣相前體要經(jīng)過(guò)升華或蒸發(fā)步驟，而這都是本領(lǐng)域公知的。如本領(lǐng)域公知的，例如氬氣、氦氣、氮?dú)狻錃饣蚱浠旌衔锏妮d氣也可用來(lái)幫助將化合物輸入處理室內(nèi)。
按順序進(jìn)行每個(gè)脈沖輸入，并伴隨著速度在約200sccm-1000sccm之間的單獨(dú)的非反應(yīng)性氣體流。單獨(dú)的非反應(yīng)性氣體流可在每個(gè)反應(yīng)性化合物的脈沖輸入之間脈沖地輸入，或者可在整個(gè)沉積過(guò)程中連續(xù)地引入單獨(dú)的非反應(yīng)性氣體流。無(wú)論是脈沖的還是連續(xù)的，單獨(dú)的非反應(yīng)性氣體流起到去除反應(yīng)區(qū)的任意多余反應(yīng)物的作用，從而防止反應(yīng)性化合物進(jìn)行不需要的氣相反應(yīng)，并且也起到去除處理室的任意反應(yīng)副產(chǎn)物的作用，類似于清洗氣。除了這些作用，連續(xù)的非反應(yīng)性氣體的單獨(dú)流動(dòng)幫助將反應(yīng)性化合物脈沖地傳輸?shù)揭r底表面，類似于載氣。這里所用的術(shù)語(yǔ)“非反應(yīng)性氣體”指不會(huì)參與金屬層形成的一種氣體或氣體混合物。示例性的非反應(yīng)性氣體包括氬氣、氦氣、氮?dú)?、氫氣或其組合。
“反應(yīng)區(qū)”意在包括與正在被處理的襯底表面流體連接的任意空間。反應(yīng)區(qū)可包括在氣源和襯底表面之間的處理室內(nèi)的任意空間。例如，反應(yīng)區(qū)包括襯底設(shè)置在其中的定量閥下游的任意空間。
每次脈沖輸入/定量輸入的持續(xù)時(shí)間是可變的，并可被調(diào)節(jié)，例如可借此來(lái)適應(yīng)處理室的體積容量及與其耦合的真空系統(tǒng)的容量。此外，化合物的定量輸入時(shí)間可根據(jù)化合物的流速、化合物的壓力、化合物的溫度、定量閥的類型、所用控制裝置的類型、及化合物在襯底表面上的吸附能力而變化。定量輸入時(shí)間也可基于正被形成的層的類型和正被形成的器件的幾何結(jié)構(gòu)而變化。
一般地，每次脈沖輸入的持續(xù)時(shí)間或“定量輸入時(shí)間”一般為1.0秒或更少。但是，定量輸入時(shí)間可在幾微秒到幾毫秒，到幾秒，甚至到幾分鐘的范圍內(nèi)。一般，定量輸入時(shí)間應(yīng)足夠長(zhǎng)，從而為一定體積的化合物提供充足的時(shí)間吸附/化學(xué)吸附到襯底的整個(gè)表面上，并在其上形成化合物層。
圖3圖示了示例性處理室200的示意性部分橫截面，該處理室能夠利用循環(huán)層沉積、原子層沉積、數(shù)字化學(xué)氣相沉積和快速化學(xué)氣相沉積技術(shù)來(lái)形成阻擋層。術(shù)語(yǔ)“循環(huán)層沉積”、“原子層沉積”、“數(shù)字化學(xué)氣相沉積”和“快速化學(xué)氣相沉積”這里可互相交換地使用，指氣相沉積技術(shù)，通過(guò)該技術(shù)兩種或多種化合物被按順序引入處理室的反應(yīng)區(qū)內(nèi)，并在襯底表面上沉積出薄層材料。這種處理室200可從位于加利福尼亞的圣克拉拉的應(yīng)用材料公司獲得，其簡(jiǎn)短說(shuō)明如下。更詳細(xì)的說(shuō)明可在2001年12月21日提交的題為“Gas Delivery Apparatus and Method For AtomicLayer Deposition”的共同受讓的美國(guó)專利申請(qǐng)No.10/032,284中找到，作為參考資料這里引用了其內(nèi)容。
處理室200可被集成進(jìn)集成處理平臺(tái)內(nèi)，例如也可從應(yīng)用材料公司獲得的EnduraTM平臺(tái)。EnduraTM平臺(tái)的細(xì)節(jié)在1999年11月30日提交的題為“Integrated Modular Processing Platform”的共同受讓的美國(guó)專利申請(qǐng)No.09/451,628中有描述，作為參考資料這里引用了其內(nèi)容。
參照?qǐng)D3，室200包括室體202和設(shè)置在其內(nèi)的襯底支架212，室體202具有在其側(cè)壁204中形成的條閥208。襯底支架212安裝在提升電機(jī)214上，來(lái)升高和降低襯底支架212及設(shè)置在其上的襯底210。襯底支架212也可包括在處理過(guò)程中用來(lái)將襯底210固定在襯底支架212上的真空吸盤(pán)、靜電吸盤(pán)、或夾持環(huán)。而且，可利用嵌入的加熱元件，例如電阻加熱器來(lái)加熱襯底支架212，或可利用例如設(shè)置在襯底支架212上的加熱燈的輻射熱來(lái)加熱襯底支架212。清洗環(huán)222可設(shè)置在襯底支架212上，從而限定出清洗通道224，其提供清洗氣以防止在襯底210的周邊部分上的沉積。
輸氣裝置230設(shè)置在室體202的上部，用來(lái)向室200提供氣，例如處理氣和/或清洗氣。真空裝置278與抽吸通道279相連，用來(lái)抽空室200中的氣體，并幫助維持室200的抽吸區(qū)266內(nèi)所期望的壓力或所期望的壓力范圍。
輸氣裝置230包括室蓋232，其具有在其中間部分內(nèi)形成的膨脹通道234。室蓋232還包括從膨脹通道234延伸到室蓋232的周邊部分的底面260。底面260的大小和形狀可充分地覆蓋設(shè)置在襯底支架212上的襯底210。膨脹通道234的內(nèi)徑從上部237向鄰近室蓋232的底面260的下部235逐漸增加。隨著氣體流過(guò)膨脹通道234，由于氣體的膨脹，通過(guò)它流動(dòng)的氣體速度會(huì)減小。減小的氣速降低了吹走吸附在襯底210的表面上的反應(yīng)物的可能性。
輸氣裝置230還包括至少兩個(gè)具有一個(gè)或多個(gè)端口的高速啟動(dòng)閥242。至少一個(gè)閥242是每種反應(yīng)性化合物專用的。例如，第一閥是含難熔金屬的化合物專用的，例如鉭和鈦，而第二閥是含氮化合物專用的。如果希望三元材料，則第三閥是另一種化合物專用的。例如，如果硅化物是所期望的，則另一種化合物可以是含硅的化合物。
閥242可以是任意能夠精確并重復(fù)地將短脈沖的化合物輸入室體202內(nèi)的閥。在某些情況下，閥242的開(kāi)/關(guān)循環(huán)周期或脈沖可約為100毫秒或更短。閥242可由系統(tǒng)計(jì)算機(jī)直接控制，例如大型機(jī)，或由面向特定的室/應(yīng)用的專用控制器來(lái)控制，例如在2001年3月7日提交的題為“ValveControl System For ALD Chamber”的共同待審的美國(guó)專利申請(qǐng)No.09/800,881中詳細(xì)描述的可編程邏輯計(jì)算機(jī)(PLC)，作為參考資料這里引用了其內(nèi)容。例如，閥242可以是電控(EC)閥，如日本Fujikin公司市售的部件號(hào)為FR-21-6.35 UGF-APD的閥。
為方便控制并自動(dòng)操作整個(gè)裝置，集成處理裝置可包括含有中央處理單元(CPU)142、存儲(chǔ)器144和支持電路146的控制器140。CPU 142可以是一種任意形式的計(jì)算機(jī)處理器，其用在工業(yè)環(huán)境中來(lái)控制各種傳動(dòng)和壓力。存儲(chǔ)器144與CPU 142連接，可以是一種或多種容易獲得的存儲(chǔ)器，例如隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器(RAM)、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、軟盤(pán)、硬盤(pán)、或任意其他形式的數(shù)字存儲(chǔ)器、本地或遠(yuǎn)程存儲(chǔ)器。軟件指令和數(shù)據(jù)可被編碼，并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器144內(nèi)，用來(lái)指示CPU 142。支持電路146也與CPU 142連接，用來(lái)以傳統(tǒng)方式支持處理器142。支持電路146可包括緩存、電源、時(shí)鐘電路、輸入/輸出電路、子系統(tǒng)等。
在具體實(shí)施例中，通過(guò)向襯底表面循環(huán)地引入PDMAT和氨而形成TaN阻擋層。為開(kāi)始TaN層的循環(huán)沉積，例如氬氣的載氣/惰性氣體被引入處理室200內(nèi)以穩(wěn)定其壓力和溫度。在沉積過(guò)程中允許載氣連續(xù)地流動(dòng)，使得僅有氬氣在每種化合物的脈沖輸入之間流動(dòng)。在室內(nèi)溫度和壓力已分別穩(wěn)定在約200℃-300℃和約1Torr-5Torr之后，由氣源238以約100sccm-400sccm的流速，脈沖時(shí)間約為0.6秒或更短來(lái)提供PDMAT的第一脈沖輸入。然后由氣源239以約200sccm-600sccm的流速，脈沖時(shí)間約為0.6秒或更短來(lái)提供氨的脈沖輸入。
PDMAT和氨的脈沖輸入之間可暫停約1.0秒或更短，優(yōu)選暫停約0.5秒或更短，更優(yōu)選暫停約0.1秒或更短。在各個(gè)方面，脈沖輸入之間的時(shí)間減少至少提供了更高的處理量。結(jié)果，脈沖輸入氨之后也暫停約1.0秒或更短，約0.5秒或更短，或者約0.1秒或更短。氣源240通過(guò)各個(gè)閥242連續(xù)地提供在約100sccm-1000sccm之間流動(dòng)的氬氣，例如約100sccm-400sccm。一方面，當(dāng)氨的脈沖進(jìn)入時(shí)，PDMAT的脈沖可能仍在室內(nèi)。一般，載氣和/或抽吸排空的持續(xù)時(shí)間應(yīng)足夠長(zhǎng)以防止在反應(yīng)區(qū)中PDMAT和氨的脈沖混合在一起。
室壓約1.0-5.0Torr時(shí)，加熱器的溫度維持在約100℃-300℃。優(yōu)選地，沉積溫度在約200℃-250℃之間。由PDMAT的脈沖輸入、暫停、氨的脈沖輸入和暫停組成的每個(gè)循環(huán)周期提供了每循環(huán)厚度在約0.3-1.0之間的鉭氮化物層?？芍貜?fù)這個(gè)交替的順序，直至達(dá)到所期望的厚度，即少于約20，例如約10。因此，該沉積方法需要10-70個(gè)循環(huán)周期，更具體地是20-30個(gè)循環(huán)周期。
另一方面，通過(guò)提供一個(gè)或多個(gè)含難熔金屬的化合物的脈沖輸入、一個(gè)或多個(gè)含氮化合物的脈沖輸入及一個(gè)或多個(gè)含硅化合物的脈沖輸入，沉積出厚度小于約20(例如10)的三元阻擋層。調(diào)節(jié)每次脈沖以提供所期望的組成、含硅量、厚度、密度和難熔金屬-硅的氮化物層的階梯覆蓋(step coverage)。這里所用的“三元阻擋層”指包括三種主要元素的組合物的材料，例如鈦、氮和硅。示例性的“三元阻擋層”也可包括鉭、氮和硅。
在上述相同的工藝條件下，按順序進(jìn)行每次脈沖輸入，并伴隨有單獨(dú)的載氣/惰性氣體流。單獨(dú)的載氣/惰性氣體流可在每次反應(yīng)性化合物的脈沖輸入之間脈沖地引入，或者可在整個(gè)沉積工藝過(guò)程中連續(xù)地引入。
優(yōu)選地，三元阻擋層含有鈦硅氮化物。在這個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)循環(huán)周期包括含鈦化合物的脈沖輸入、暫停、含硅化合物的脈沖輸入、暫停、含氮化合物的脈沖輸入和暫停。示例性的含鈦化合物包括四(二甲基氨基)鈦(TDMAT)、四(乙基甲基氨基)鈦(TEMAT)、四(二乙基氨基)鈦(TDEAT)、四氯化鈦(TiCl4)、四碘化鈦(TiI4)、四溴化鈦(TiBr4)和其他鈦的鹵化物。示例性的含硅化合物包括硅烷、乙硅烷、甲基硅烷、二甲基硅烷、氯代硅烷(SiH3Cl)、二氯代硅烷(SiH2Cl2)和三氯代硅烷(SiHCl3)。示例性的含氮化合物包括氨、肼；甲基肼；二甲基肼；t-丁基肼；苯肼；偶氮基異丁烷；疊氮基乙烷；其衍生物；及其組合。
為開(kāi)始TixSiyN層的循環(huán)沉積，將氬氣引入處理室200來(lái)穩(wěn)定其中的壓力和溫度。這種單獨(dú)的氬氣流在整個(gè)沉積工藝過(guò)程中連續(xù)地流動(dòng)，使得在每種化合物的脈沖輸入之間僅有氬氣流動(dòng)。單獨(dú)的氬氣流以約100sccm-1000sccm流動(dòng)，例如在約100sccm-400sccm之間。一方面，在室內(nèi)溫度和壓力已分別穩(wěn)定在約250℃和約2Torr之后，以約10sccm-1000sccm的流速，脈沖時(shí)間約為0.6秒或更短來(lái)提供TDMAT的脈沖輸入。然后以約5sccm-500sccm的流速，脈沖時(shí)間約為1秒或更短來(lái)提供硅烷的脈沖輸入。然后以約100sccm-5000sccm的流速，脈沖時(shí)間約為0.6秒或更短來(lái)提供氨的脈沖輸入。
TDMAT和硅烷的脈沖輸入之間可暫停約1.0秒或更短，優(yōu)選暫停約0.5秒或更短，更優(yōu)選暫停約0.1秒或更短。硅烷和氨的脈沖輸入之間可暫停約1.0秒或更短，優(yōu)選暫停約0.5秒或更短，更優(yōu)選暫停約0.1秒或更短。脈沖輸入氨之后也暫停約1.0秒或更短，約0.5秒或更短，或者約0.1秒或更短。一方面，當(dāng)硅烷的脈沖進(jìn)入時(shí)，TDMAT的脈沖可能仍在室內(nèi)，且當(dāng)氨的脈沖進(jìn)入時(shí)，硅烷的脈沖可能仍在室內(nèi)。
室壓約1.0-5.0Torr下，加熱器的溫度維持在約100℃-300℃。由TDMAT的脈沖輸入、暫停、硅烷的脈沖輸入、暫停、氨的脈沖輸入和暫停組成的每個(gè)循環(huán)周期提供了每循環(huán)厚度在約0.3-1.0之間的鈦硅氮化物層?？芍貜?fù)這個(gè)交替的工藝順序，直至達(dá)到所期望的厚度，即少于約20，例如約10。因此，該沉積方法需要10-70個(gè)循環(huán)周期。
另一方面，厚度約為20或更少，例如約10的α相鉭(α-Ta)層可沉積在至少一部分已先沉積的二元層(TaN)或三元層(TiSiN)上?？衫脗鹘y(tǒng)技術(shù)，例如PVD和CVD來(lái)沉積α-Ta層，以形成雙層疊層。例如，雙層疊層可包括通過(guò)上述循環(huán)層沉積而沉積的TaN部分，和通過(guò)高密等離子物理氣相沉積(HDP-PVD)而沉積的α-Ta部分。相對(duì)于β相鉭，由于α相鉭的電阻較低，所以α相是優(yōu)選的。
進(jìn)一步說(shuō)明，疊層的α-Ta部分可利用離子化金屬等離子(IMP)室沉積，例如可從加利福尼亞的圣克拉拉的應(yīng)用材料公司獲得的VectraTM室。IMP室包括目標(biāo)材料、線圈和偏置襯底支架部件，并也可被集成進(jìn)也可從應(yīng)用材料公司獲得的EnduraTM平臺(tái)內(nèi)。約0.5kW-5kW的功率應(yīng)用在目標(biāo)材料上，約0.5kW-3kW的功率應(yīng)用在線圈上。頻率約13.56MHz，約200W-500W的功率還應(yīng)用在襯底支架部件以使襯底偏置。氬氣以約35sccm-85sccm的速率流進(jìn)室內(nèi)，并以約5sccm-100sccm的速率向室內(nèi)加入氮?dú)?。室壓通常在約5mTorr-100mTorr之間，而室溫在約20℃-300℃之間。
上述阻擋層膜可從后沉積處理工藝中受益，例如等離子處理工藝或化學(xué)處理工藝。等離子處理工藝可降低電阻，提高產(chǎn)率。典型的等離子處理可包括氬等離子、氮等離子、或氮和氫等離子。等離子處理可在發(fā)生阻擋層沉積的同一沉積室中或不同的室中進(jìn)行。如果等離子處理在同一室中發(fā)生，則等離子體可以是原位等離子體或由遠(yuǎn)程等離子源發(fā)送的等離子體，例如遠(yuǎn)程感應(yīng)耦合源或微波源。
雖然不希望被理論所限，但我們相信例如氮化鉭膜的等離子處理通過(guò)噴濺出氮而降低了一個(gè)或多個(gè)亞層的氮含量，從而降低了電阻率。例如，我們認(rèn)為相對(duì)于非等離子處理過(guò)的氮化鉭層，等離子處理使得氮化鉭層含有更多的鉭。換句話說(shuō)，利用等離子處理工藝，1∶1的Ta∶N膜可轉(zhuǎn)變?yōu)?∶1的Ta∶N膜?？色@得對(duì)于0.004微米(40埃)厚的膜，其層電阻約等于1200微歐姆厘米或更低的氮化鉭膜。
因此，其他非化學(xué)反應(yīng)性氣體可用來(lái)從阻擋層物理地置換氮，例如氖氣(Ne)、氙氣(Xe)、氦氣(He)和氫氣(H2)。一般地，為了優(yōu)先噴射出N，更希望等離子氣體原子或分子的原子質(zhì)量接近N的原子質(zhì)量，而不是接近Ta。但是，如果特定氣體優(yōu)先進(jìn)行反應(yīng)來(lái)去除N，而留下Ta時(shí)，則可利用化學(xué)反應(yīng)工藝過(guò)程。
化學(xué)處理工藝過(guò)程也能降低電阻，提高產(chǎn)率。典型的化學(xué)處理可包括暴露于鋁化合物或硅化合物。這些化合物可包括但不限于DMAH、TMA、硅烷、二甲基硅烷、三甲基硅烷和其他有機(jī)硅烷化合物?；瘜W(xué)處理通常在約1Torr-10Torr的壓力下、約200℃-400℃的溫度下進(jìn)行。化學(xué)處理之后，已觀察到根據(jù)上述方法沉積的氮化鉭膜相對(duì)于未進(jìn)行化學(xué)處理的膜，其去濕能力得以改善。
后續(xù)沉積處理工藝過(guò)程可在形成阻擋層之后進(jìn)行?；蛘撸撎幚砜稍诟鱾€(gè)單層的沉積之間進(jìn)行，或在每個(gè)循環(huán)周期的沉積之間進(jìn)行。例如，處理工藝過(guò)程可在每形成約0.003-0.005微米(30-50埃)的層之后進(jìn)行，或在約每7-10個(gè)循環(huán)周期后進(jìn)行。
而且，在沉積阻擋層130之前，可清洗已圖案化的或蝕刻過(guò)的襯底介電層112來(lái)去除表面的自然氧化物或其他污染物。例如，在遠(yuǎn)程等離子源(例如可從位于加利福尼亞的圣克拉拉的應(yīng)用材料公司獲得的反應(yīng)預(yù)清洗室)內(nèi)，反應(yīng)性氣體被激發(fā)成等離子體。通過(guò)將遠(yuǎn)程等離子源連接到金屬CVD或PVD室，也可在這些室內(nèi)完成預(yù)清洗?；蛘?，具有輸氣裝置的金屬沉積室可改為通過(guò)現(xiàn)有的氣體入口(例如位于襯底上方的氣體分配噴頭)來(lái)傳送預(yù)清洗氣體等離子體。
一方面，反應(yīng)預(yù)清洗工藝過(guò)程形成來(lái)自一種或多種反應(yīng)性氣體的等離子體的自由基，例如氬氣、氦氣、氫氣、氮?dú)?、含氟化合物及其組合。例如，反應(yīng)性氣體可包括四氟化碳(CF4)和氧氣(O2)的混合物，或氦氣(He)和三氟化氮(NF3)的混合物。更優(yōu)選地，反應(yīng)性氣體是氦氣和三氟化氮的混合物。
氬氣等離子處理之后，室壓增加到約140mTorr，基本由氫氣和氦氣組成的處理氣體被引入處理區(qū)。優(yōu)選地，這種處理氣體包括約5％的氫氣和約95％的氦氣。通過(guò)應(yīng)用約50瓦-500瓦的功率來(lái)產(chǎn)生氫等離子體。將氫等離子體維持約10秒-300秒。
再參照?qǐng)D2C，可利用高密等離子物理氣相沉積(HDP-PVD)來(lái)沉積晶種層140，以能實(shí)現(xiàn)較好的保形覆蓋。HDP-PVD室的一個(gè)實(shí)例是可從加利福尼亞的圣克拉拉的應(yīng)用材料公司獲得的自離子化等離子SIPTM室，可將其集成進(jìn)從應(yīng)用材料公司獲得的EnduraTM平臺(tái)。當(dāng)然，也可利用其他技術(shù)，例如物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、無(wú)電鍍和電鍍。
典型的SIPTM室包括目標(biāo)材料、線圈和偏置襯底支架部件。為形成銅晶種層，約0.5kW-5kW的功率應(yīng)用在目標(biāo)材料上，約0.5kW-3kW的功率應(yīng)用在線圈上。并應(yīng)用頻率約13.56MHz下約200W-500W的功率來(lái)偏置襯底。氬氣以約35sccm-85sccm的速率流進(jìn)室內(nèi)，并以約5sccm-100sccm的速率向室內(nèi)加入氮?dú)?。室壓通常在約5mTorr-100mTorr之間。
或者，可通過(guò)任意合適技術(shù)，例如物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、無(wú)電沉積或其組合技術(shù)，來(lái)沉積含有銅合金的晶種層140。優(yōu)選地，銅合金晶種層140含有鋁，且是利用上述PVD技術(shù)沉積的。在沉積過(guò)程中，處理室的壓力維持在約0.1mtorr-10mtorr之間。目標(biāo)材料包括銅和原子重量百分比在約2-10之間的鋁。目標(biāo)材料可以是在約5kW-100kW的功率下直流偏置的。支架可以是在約10W-1000W的功率下射頻偏置的。銅合金晶種層140的沉積厚度至少約5，且在約5-500之間。
參照?qǐng)D2D，可利用化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、電鍍或其組合來(lái)形成金屬層142。例如，由含有二甲基氫化鋁(DMAH)和氫氣(H2)或氬氣(Ar)的氣體混合物或其他含DMAH的混合物的反應(yīng)可沉積鋁(Al)層，由含有Cu+2(hfac)2(六氟乙酰丙酮銅)、Cu+2(fod)2(七氟二甲基辛二烯烴銅)、Cu+1hfac TMVS(六氟乙酰丙酮銅三甲基乙烯基硅烷)或其組合的氣體混合物可沉積CVD銅層，并且由含有六氟化鎢(WF6)和還原氣體的氣體混合物可沉積CVD鎢層。由銅目標(biāo)材料、鋁目標(biāo)材料或鎢目標(biāo)材料可沉積PVD層。
而且，金屬層142可以是難熔金屬化合物，包括但不限于鈦(Ti)、鎢(W)、鉭(Ta)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、鉬(Mo)、鈮(Nb)、釩(V)和鉻(Cr)等。通常，難熔金屬與反應(yīng)組分結(jié)合，例如氯(Cl)或氟(F)，并與另一種氣體一起提供以形成難熔金屬化合物。例如，四氯化鈦(TiCl4)、六氟化鎢(WF6)、五氯化鉭(TaCl5)、四氯化鋯(ZrCl4)、四氯化鉿(HfCl4)、五氯化鉬(MoCl5)、五氯化鈮(NbCl5)、五氯化釩(VCl5)或四氯化鉻(CrCl4)可作為含難熔金屬的化合物氣體。
優(yōu)選地，金屬層142是銅，在電鍍單元內(nèi)形成，例如可從加利福尼亞的圣克拉拉的應(yīng)用材料公司獲得的ElectraTMCu ECP裝置。ElectraTMCuECP裝置也可集成進(jìn)也可從應(yīng)用材料公司獲得的EnduraTM平臺(tái)。
在題為“Electro-deposition Chemistry”的共同受讓的美國(guó)專利No.6,113,771中描述了銅電解質(zhì)溶液和銅電鍍技術(shù)，作為參考文獻(xiàn)這里引用了其內(nèi)容。一般地，電鍍?cè)〉你~濃度大于約0.7M，硫酸銅濃度約為0.85，pH值約為1.75。電鍍?cè)∫部砂鞣N本領(lǐng)域公知的添加劑。浴溫在約15℃-25℃之間。偏壓在約-15伏到15伏之間。一方面，正偏壓在約0.1伏到10伏之間，而負(fù)偏壓在約-0.1到-10伏之間。
可選地，金屬層142沉積之后，可進(jìn)行熱退火工藝過(guò)程，使晶片處于約100℃-400℃溫度下約10分鐘到1小時(shí)，優(yōu)選約30分鐘。以約100sccm-10000sccm的速率引入例如氦氣、氫氣、氮?dú)饣蚱浠旌衔锏妮d氣/清洗氣。室壓維持在約2Torr-10Torr之間。射頻功率在約13.56MHz的頻率下約為200W-1000W，且襯底間距優(yōu)選在約300密爾-800密爾之間。
沉積之后，可對(duì)所得結(jié)構(gòu)的頂部進(jìn)行平坦化?？捎没瘜W(xué)機(jī)械拋光(CMP)裝置，例如可從加利福尼亞的圣克拉拉的應(yīng)用材料公司獲得的MirraTM裝置。可選地，在上述后續(xù)層的沉積之間可對(duì)結(jié)構(gòu)的中間表面進(jìn)行平坦化。
圖4是示例性多室處理裝置600的示意性俯視圖，其適于用來(lái)進(jìn)行以上公開(kāi)的沉積序列。這種處理裝置600可以是加利福尼亞的圣克拉拉的應(yīng)用材料公司市售的EnduraTM裝置。在1993年2月16日授權(quán)的題為“StageVacuum Wafer Processing System and Method”的美國(guó)專利No.5,186,718中公開(kāi)了類似的多室處理裝置，作為參考文獻(xiàn)這里引用了其內(nèi)容。
裝置600一般包括用來(lái)將襯底送入裝置600和從裝置600中取出襯底的負(fù)荷固定室602、604。通常，由于裝置600處于真空條件下，所以負(fù)荷固定室602、604可將引入裝置600內(nèi)的襯底“吸出”(pump down)。第一機(jī)械手610可在負(fù)荷固定室602、604與第一套一個(gè)或多個(gè)襯底處理室612、614、616、618(所圖示的有四個(gè))之間傳送襯底。每個(gè)處理室612、614、616、618可配備成能進(jìn)行許多襯底處理操作，例如循環(huán)層沉積、化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、蝕刻、預(yù)清洗、脫氣、定位和其他襯底工藝過(guò)程。第一機(jī)械手610還能將襯底傳遞到一個(gè)或多個(gè)傳送室622、624，并從傳送室中取出襯底。
傳送室622、624在允許將襯底在裝置600內(nèi)傳遞的同時(shí)，并被用來(lái)維持超高真空狀態(tài)。第二機(jī)械手630可在傳送室622、624與第二套一個(gè)或多個(gè)襯底處理室632、634、636、638之間傳送襯底。類似于處理室612、614、616、618，處理室632、634、636、638可配備成能進(jìn)行多種不同襯底處理操作，例如循環(huán)層沉積、化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、蝕刻、預(yù)清洗、脫氣、定位。襯底處理室612、614、616、618、632、634、636、638中的任一個(gè)如果對(duì)于裝置600進(jìn)行的具體工藝過(guò)程是不需要的，都可從裝置600中除去。
在一種結(jié)構(gòu)方案中，每個(gè)處理室632和638可以是適于沉積晶種層的物理氣相沉積室、化學(xué)氣相沉積室或循環(huán)沉積室；每個(gè)處理室634和636可以是適于沉積阻擋層的循環(huán)沉積室、化學(xué)氣相沉積室或物理氣相沉積室；每個(gè)處理室612和614可以是適于沉積介電層的物理氣相沉積室、化學(xué)氣相沉積室或循環(huán)沉積室；并且每個(gè)處理室616和618可以是配備成能夠?yàn)榛ミB構(gòu)造蝕刻孔或開(kāi)口的蝕刻室。裝置600的這種具體結(jié)構(gòu)方案是用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明，并非用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。
我們相信厚度大于約20埃的難熔金屬氮化物層將終止下層金屬互連的生長(zhǎng)模式。厚度大于或等于約20埃的難熔金屬氮化物層將建立其自身獨(dú)特的生長(zhǎng)模式，這種模式將被更高層的互連首先采用，直至更高層的互連達(dá)到特定厚度并建立其自身的模式，從而形成不同的晶體結(jié)構(gòu)。這種現(xiàn)象發(fā)生是因?yàn)樵诔跏汲练e階段，后續(xù)沉積的層的生長(zhǎng)模式通常類似于其底層的生長(zhǎng)模式，但是一旦后續(xù)層達(dá)到特定厚度，則所述后續(xù)層將呈現(xiàn)其自身的內(nèi)在模式。
例如氮化鉭自然趨向于形成厚度不小于20埃的無(wú)定形結(jié)構(gòu)。在厚度小于約20埃時(shí)，TaN類似其底層的生長(zhǎng)模式。因此，后續(xù)銅互連層令人驚訝地穿過(guò)阻擋層而生長(zhǎng)，所述阻擋層是根據(jù)本發(fā)明的方法沉積的，呈現(xiàn)類似于底層銅互連的生長(zhǎng)模式。換句話說(shuō)，厚度小于或等于約20埃的TaN阻擋層使得銅粒能夠較好地生長(zhǎng)，使得銅粒能夠穿過(guò)TaN阻擋層延伸生長(zhǎng)，或簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是銅在氮化鉭阻擋層上呈現(xiàn)出外延生長(zhǎng)。
圖5是構(gòu)造300的透射電子顯微鏡(TEM)圖像，構(gòu)造300具有根據(jù)上述沉積技術(shù)而在其內(nèi)沉積的氮化鉭阻擋層310。構(gòu)造300的高寬比為5∶1，并在200mm的晶片上形成。阻擋層310由氮化鉭組成，并是在250℃、2Torr下沉積出的。每個(gè)循環(huán)周期持續(xù)約2秒，并進(jìn)行了30個(gè)循環(huán)周期。氮化鉭阻擋層310的厚度約為15埃。如所示的，阻擋層310是保形的(conformal)，表明在整個(gè)構(gòu)造300中階梯覆蓋較好。
圖6是表示多層互連結(jié)構(gòu)400的部分橫截面的TEM圖像。多層互連結(jié)構(gòu)400包括下層銅互連405、氮化鉭阻擋層410和上層銅互連420。下層銅互連405的銅粒生長(zhǎng)穿過(guò)阻擋層410，延伸進(jìn)上層銅互連420內(nèi)，從而表明氮化鉭阻擋層410的外延生長(zhǎng)。阻擋層410由氮化鉭組成，并是在250℃、2Torr下沉積出的。每個(gè)循環(huán)周期持續(xù)約2秒，并進(jìn)行了30個(gè)循環(huán)周期。阻擋層410的厚度約為10埃，這個(gè)厚度足以抑制銅遷移進(jìn)介電層內(nèi)。
利用TEM儀器測(cè)量參照?qǐng)D3和4所示和描述的阻擋層310和410。應(yīng)該理解，這種測(cè)量技術(shù)及任意其他用來(lái)測(cè)量沉積層厚度的技術(shù)都存在邊緣誤差。因此，這里所提供的厚度是近似的，且是根據(jù)目前已知的最好技術(shù)來(lái)量化的，但并非意在限制本發(fā)明的范圍。
下面的實(shí)例意在提供本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的非限制性說(shuō)明。
實(shí)例利用循環(huán)沉積在下層銅層上沉積出厚約為20的TaN層。通過(guò)物理氣相沉積在TaN層上沉積出厚約為100的銅合金晶種層。銅合金晶種層含有濃度約為2.0個(gè)原子百分比的鋁，并且是通過(guò)PVD，利用由濃度約為2.0個(gè)原子百分比的鋁組成的銅-鋁目標(biāo)材料而沉積出的。然后利用ECP沉積本體銅層來(lái)填滿構(gòu)造。接著在氮?dú)?N2)和氫氣(H2)的環(huán)境中，約380℃的溫度下將襯底熱退火約15分鐘。
構(gòu)造總電阻顯著降低，上層銅層令人驚訝地呈現(xiàn)出類似于下層銅層的晶粒生長(zhǎng)。與50的PVD Ta相比較，TaN層的阻擋性能呈現(xiàn)出更長(zhǎng)的無(wú)故障工作時(shí)間(TTF)。另外，TaN層表現(xiàn)出更低的接觸電阻和緊密的擴(kuò)散分布。TaN層還呈現(xiàn)出優(yōu)異的形態(tài)學(xué)特性，包括光滑的表面形態(tài)和針孔自由表面。
此外，根據(jù)這里所描述的PDMAT和氨工藝過(guò)程沉積的TaN膜表現(xiàn)出不同尋常的膜均勻性。膜厚度與沉積循環(huán)次數(shù)成線性比例，從而保證了精確的厚度控制。并發(fā)現(xiàn)在200mm的襯底上，對(duì)于10埃，厚度均勻性是1.8％；對(duì)于100埃，厚度均勻性是2.1％。沉積膜呈現(xiàn)出非同尋常的保形覆蓋，至少在某些結(jié)果中接近100％。
最后，銅合金晶種層表現(xiàn)出對(duì)TaN層優(yōu)異的粘合/潤(rùn)濕性能。
(PVD)銅晶種層在沉積的阻擋層上呈現(xiàn)出優(yōu)選的{111}取向。{111}晶體取向是優(yōu)選的，這是因?yàn)檫@種取向提供了較大的晶粒尺寸，并由于更大的晶粒尺寸從而呈現(xiàn)出較好的電遷移電阻。
雖然前述部分涉及本發(fā)明的實(shí)施例，但在不偏離本發(fā)明的基本范圍以及由所附的權(quán)利要求所確定的范圍的情況下，可設(shè)計(jì)本發(fā)明的其他進(jìn)一步
權(quán)利要求
1.一種在襯底上形成金屬互連的方法，包括通過(guò)交替地引入一次或多次含金屬化合物的脈沖和一次或多次含氮化合物的脈沖，沉積含難熔金屬的阻擋層，所述阻擋層的厚度呈現(xiàn)類晶體結(jié)構(gòu)，并足以抑制至少一部分金屬層上的原子遷移；在至少一部分所述阻擋層上沉積晶種層；以及在至少一部分所述晶種層上沉積第二金屬層。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述含難熔金屬的阻擋包括氮化鉭。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述金屬層的晶粒生長(zhǎng)延伸穿過(guò)所述阻擋層進(jìn)入所述第二金屬層內(nèi)。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中重復(fù)每次脈沖輸入，直至所述含難熔金屬的阻擋層的厚度小于約20埃。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述含難熔金屬的阻擋層的厚度約10埃。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述交替的脈沖輸入被重復(fù)10-70次來(lái)形成所述難熔金屬氮化物層。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在每次含金屬化合物的脈沖輸入和每次含氮化合物的脈沖輸入過(guò)程中連續(xù)地流入清洗氣。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述清洗氣包括氬氣、氮?dú)狻⒑饣蚱浣M合。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中通過(guò)一時(shí)間延遲把每次含金屬化合物的脈沖輸入和含氮化合物的脈沖輸入分開(kāi)。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中每次時(shí)間延遲對(duì)于一定量的含金屬化合物或一定量的含氮化合物吸附在所述襯底表面上是足夠長(zhǎng)的。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述時(shí)間延遲足夠長(zhǎng)以去除所述襯底表面上的未吸附的分子。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述含氮化合物選自氨；肼；甲基肼；二甲基肼；t-丁基肼；苯肼；偶氮基異丁烷；疊氮基乙烷；其衍生物；及其組合。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述含金屬化合物選自四(二甲基氨基)鈦(TDMAT)；四(乙基甲基氨基)鈦(TEMAT)；四(二乙基氨基)鈦(TDEAT)；四氯化鈦(TiCl4)；四碘化鈦(TiI4)；四溴化鈦(TiBr4)；t-丁基亞氨基-三(二乙基氨基)鉭(TBTDET)；五(乙基甲基氨基)鉭(PEMAT)；五(二甲基氨基)鉭(PDMAT)；五(二乙基氨基)鉭(PDEAT)；t-丁基亞氨基-三(二乙基甲基氨基)鉭(TBTMET)；t-丁基亞氨基-三(二甲基氨基)鉭(TBTDMT)；二(環(huán)戊二烯基)鉭化三氫((Cp)2TaH3)；二(甲基環(huán)戊二烯基)鉭化三氫((CpMe)2TaH3)；其衍生物；及其組合。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一金屬層和第二金屬層各個(gè)都包括鎢、銅或其組合。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述晶種層包括沉積在所述阻擋層上的第一晶種層和沉積在所述第一晶種層上的第二晶種層。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述第一晶種層包括銅和選自鋁、鎂、鈦、鋯、錫及其組合的金屬的銅合金晶種層，或者其中所述第一晶種層包括選自鋁、鎂、鈦、鋯、錫及其組合的金屬。
18.一種在襯底上形成金屬互連的方法，包括在襯底表面上沉積第一金屬層；通過(guò)交替地引入一次或多次含鈦化合物的脈沖、一次或多次含硅化合物的脈沖和一次或多次含氮化合物的脈沖，在至少一部分所述第一金屬層上沉積厚度小于約20埃的鈦硅氮化物層；沉積雙合金晶種層；以及在至少一部分所述雙合金晶種層上沉積第二金屬層。
19.一種在襯底上形成金屬互連的方法，包括在至少一部分金屬層上沉積厚度小于約20埃的雙層阻擋，所述雙層阻擋包括通過(guò)交替地引入一次或多次含鉭化合物的脈沖和一次或多次含氮化合物的脈沖而沉積的第一氮化鉭層；和第二α相鉭層；沉積雙合金晶種層；以及在至少一部分所述雙合金晶種層上沉積第二金屬層。
20.一種在襯底上形成金屬互連的方法，包括在襯底表面上沉積第一金屬層；通過(guò)交替地引入一次或多次含鉭化合物的脈沖和一次或多次含氮化合物的脈沖，在至少一部分所述第一金屬層上沉積厚度小于約20埃的氮化鉭阻擋層；沉積雙合金晶種層，其包括銅和選自鋁、鎂、鈦、鋯、錫及其組合的金屬；以及在至少一部分所述雙合金晶種層上沉積第二金屬層。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于在襯底上形成金屬互連的方法。一方面，本方法包括沉積含難熔金屬的阻擋層，所述阻擋層的厚度小于2nm使得其呈現(xiàn)類晶體結(jié)構(gòu)，并足以抑制至少一部分金屬層上的原子遷移；通過(guò)交替地引入一次或多次含金屬化合物的脈沖和一次或多次含氮化合物的脈沖，在至少一部分阻擋層上沉積晶種層；并在至少一部分晶種層上沉積第二金屬層來(lái)生成互連。
文檔編號(hào)C23C16/34GK1575517SQ02821269
公開(kāi)日2005年2月2日 申請(qǐng)日期2002年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月26日
發(fā)明者陳嶺, 仲華, 肖恩·M·瑟特爾, 邁克爾·X·楊, 奚明, 文森特·庫(kù), 吳典曄, 艾倫·烏業(yè), 諾曼·納卡希瑪, 巴里·金, 張弘 申請(qǐng)人:應(yīng)用材料公司