專利名稱：在介電材料上選擇性沉積阻擋層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例一般涉及阻擋層形成的方法。
背景技術(shù)：
集成電路已經(jīng)發(fā)展到在單個(gè)芯片上可以包括數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的元件(如晶體管，電容器和電阻器)的復(fù)雜的器件。芯片設(shè)計(jì)的發(fā)展不斷地要求更快電路系統(tǒng)和更高的電路密度。更高電路密度的要求需要減小集成電路元件尺寸。
隨著集成電路元件尺寸的減小(如亞微米尺寸)，用于制造這樣的元件的材料對(duì)電氣性能做出貢獻(xiàn)。例如，低電阻金屬互連(如鋁(Al)和銅(Cu))提供集成電路上元件之間的導(dǎo)電路徑。
參看圖1，金屬互連2通常是通過(guò)體絕緣材料4彼此電絕緣的。當(dāng)鄰近金屬互連2之間的距離和/或體絕緣材料4的厚度為亞微米量級(jí)時(shí)，這樣的互連2之間出現(xiàn)電容性耦合。在鄰近金屬互連2之間的電容性耦合可能引起串話和/或電阻—電容(RC)延遲，其降低集成電路的整體性能。
為了最小化鄰近金屬互連之間的電容性耦合，低介電常數(shù)的體絕緣材料4(如介電常數(shù)約低于3.5)被采用。低介電常數(shù)體絕緣材料的例子包括二氧化硅(SiO2)，硅酸鹽玻璃和有機(jī)硅酸鹽玻璃，及其它材料。
此外，阻擋層6常將金屬互連2與體絕緣材料4隔開(kāi)。阻擋層6最小化金屬?gòu)慕饘倩ミB2擴(kuò)散到體絕緣材料4。來(lái)自金屬互連2的金屬擴(kuò)散到體絕緣材料4是不期望的，因?yàn)檫@樣的擴(kuò)散可影響集成電路的電性能(如串話和/或RC延遲)或使得集成電路不能工作。阻擋層材料的例子包括難熔金屬如鈦(Ti)，鉭(Ta)和鎢(W)，其它金屬，以及難熔金屬氮化物，如氮化鈦(TiN)，氮化鉭(TaN)和氮化鎢(WN)，及其它氮化物。
阻擋層材料通常用物理氣相沉積(PVD)和/或化學(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù)沉積的。這樣的技術(shù)沉積阻擋層材料于互連結(jié)構(gòu)的所有表面上，該互連結(jié)構(gòu)包括金屬互連2和絕緣材料4。然而，當(dāng)互連結(jié)構(gòu)的尺寸為亞四分之一微米時(shí)，阻擋層材料沉積于互連2傾向于增加互連結(jié)構(gòu)的電阻，這可以降低器件的電性能。
因此，需要一種選擇性沉積阻擋層于介電材料上的方法。

發(fā)明內(nèi)容
提供一種在介電材料上選擇性沉積阻擋層的方法，該介電材料圍繞一個(gè)或多個(gè)在襯底上的金屬互連。阻擋層可以包括難熔金屬氮化物，如，氮化鉭(TaN)。該阻擋層是用循環(huán)沉積工藝(cyclicl depositionprocess)選擇性地沉積于金屬膜上，該工藝包括預(yù)定次數(shù)的沉積循環(huán)，然后是清洗步驟。
在循環(huán)沉積工藝中，每次沉積循環(huán)包括可替換地吸附含難熔金屬的前體(precursor)和在形成于襯底上的介電材料上的還原氣體，該介電材料是在工藝腔室中形成于襯底上的。含難熔金屬的前體和還原氣體反應(yīng)以形成阻擋層于介電材料上。在預(yù)定次數(shù)沉積循環(huán)完成后，工藝腔室中的含難熔金屬的前體和還原氣體被清洗。執(zhí)行預(yù)定次數(shù)的沉積循環(huán)的沉積序列之后是清洗工藝腔室，然后重復(fù)沉積循環(huán)直到達(dá)到所需的阻擋層厚度。
選擇預(yù)定次數(shù)的沉積循環(huán)，以利用所需的沉積循環(huán)次數(shù)的差異，開(kāi)始沉積阻擋層材料于不同類型的材料層。因此，沉積循環(huán)的預(yù)定次數(shù)的選擇有利于開(kāi)始在介電材料上的阻擋層材料的沉積，但是該循環(huán)次數(shù)少于需要開(kāi)始沉積這樣的阻擋層材料于金屬互連上的沉積循環(huán)次數(shù)。同樣地，阻擋層材料只沉積于介電材料上，而不沉積于任何金屬互連上。
阻擋層的選擇性沉積和集成電路制造工藝相兼容。在一種集成電路制造工藝中，阻擋層用于鑲嵌結(jié)構(gòu)(damascene structure)中。對(duì)于這樣的實(shí)施例，優(yōu)選的工藝序列包括提供一個(gè)或多個(gè)介電材料層于其上的襯底，該介電材料層具有穿過(guò)其中到達(dá)金屬特征部件(metalfeatures)的通孔。阻擋層是用循環(huán)沉積工藝選擇性沉積于介電材料上的，其中沉積循環(huán)次數(shù)是預(yù)定的，每次循環(huán)包括可替換地吸附含難熔金屬前體和在介電材料上的還原氣體，然后是工藝腔室清洗步驟。重復(fù)循環(huán)沉積工藝直到達(dá)到所需的阻擋層厚度。在阻擋層被選擇性地沉積于介電材料上后，通過(guò)用導(dǎo)電性材料填充通孔完成鑲嵌結(jié)構(gòu)。


為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述特征的方式并能被詳細(xì)理解，已經(jīng)總結(jié)如上的本發(fā)明的更具體的說(shuō)明，可通過(guò)具體實(shí)施例進(jìn)行，這些實(shí)施例如附圖所說(shuō)明的。
然而，應(yīng)該注意，附圖只說(shuō)明本發(fā)明的典型實(shí)施例，且因此不能被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明范圍的限制，對(duì)于本發(fā)明，包括其它等價(jià)的有效實(shí)施例。
圖1顯示金屬互連結(jié)構(gòu)的剖視圖，其包括形成于金屬互連和體絕緣材料上的阻擋層；圖2描繪工藝腔室示意的剖視圖，其可用于執(zhí)行這里所述的循環(huán)沉積工藝；圖3說(shuō)明結(jié)合選擇性地沉積阻擋層于介電材料上的工藝序列，該沉積過(guò)程應(yīng)用根據(jù)此處所述的一個(gè)實(shí)施例的循環(huán)沉積工藝；圖4說(shuō)明結(jié)合在介電材料上選擇性沉積阻擋層的工藝序列，該沉積過(guò)程應(yīng)用根據(jù)此處所述的一個(gè)可替換的實(shí)施例的循環(huán)沉積工藝；圖5A顯示開(kāi)始形成氮化鉭層于介電材料上所需的沉積循環(huán)次數(shù)與開(kāi)始形成氮化鉭層于銅上所需的沉積循環(huán)次數(shù)作比較的曲線圖；圖5B顯示，在約為200℃的溫度，開(kāi)始形成氮化鉭層于氧化硅和銅上所需的沉積循環(huán)次數(shù)的曲線圖；圖5C顯示作為開(kāi)始形成氮化鉭層于氧化硅上所需的沉積循環(huán)次數(shù)作為工藝腔室壓力的函數(shù)的曲線圖；以及圖6A-6C顯示在互連制造工藝的不同階段的襯底剖視圖。
具體實(shí)施例方式
圖2示意地示出工藝腔室36的剖視圖，其可用于按照此處描述的實(shí)施例執(zhí)行循環(huán)沉積工藝。工藝腔室36通常容放晶片支撐基座148，其被用于支撐基座(未示出)。晶片支撐基座148利用位移裝置148a可在垂直方向在工藝腔室36內(nèi)移動(dòng)。
根據(jù)具體的工藝，襯底在沉積之前或沉積過(guò)程中可被加熱到某個(gè)所需的溫度。例如，晶片支撐基座148可利用內(nèi)嵌的加熱器元件152a加熱。晶片支撐基座148可通過(guò)從交流電源152施加電流至加熱器元件152a電阻性地加熱。以便襯底(未示出)通過(guò)基座148加熱。可替換地，晶片支撐基座148可利用輻射加熱器加熱，如燈(未示出)。
溫度傳感器150a，如熱電偶，也內(nèi)嵌在晶片支撐基座148中以常規(guī)的方式監(jiān)視基座148的溫度。測(cè)量的溫度閉環(huán)反饋以控制用于加熱元件152a的交流電源152，以便保持或控制襯底溫度于所需的溫度，此溫度適合于特定的工藝應(yīng)用。
真空泵118用于抽取工藝腔室36且保持工藝腔室內(nèi)36的壓力。通過(guò)氣體歧管134，工藝氣體被引入到工藝腔室36中，該氣體歧管位于晶片支撐基座148上方。氣體歧管134被連到氣體面板111，該氣體面板控制并供應(yīng)多種工藝氣體至工藝腔室36。
進(jìn)入氣體歧管134的氣流的適當(dāng)控制和調(diào)節(jié)是通過(guò)質(zhì)量流量控制器(未示出)和微處理控制器154執(zhí)行的。氣體歧管134使工藝氣體引入并均勻分布于工藝腔室36。而且，氣體歧管134可以被加熱以防止任何反應(yīng)性氣體凝結(jié)于歧管內(nèi)。
氣體歧管134包括多個(gè)電子控制閥(未示出)。用于此處的電子控制閥指任何這樣的控制閥，其能夠在少于約1-2秒時(shí)間，更優(yōu)選地小于約0.1秒的閥門開(kāi)關(guān)周期，以提供快速和精確的進(jìn)入工藝腔室36的氣流。
微處理器控制器154可以是任何一種通用目的的計(jì)算機(jī)處理器(CPU)171，其能夠被用于工業(yè)場(chǎng)所，以用于控制多種腔室和子處理器(sub-processors)。計(jì)算機(jī)可使用任何合適的存儲(chǔ)器172，如隨機(jī)存儲(chǔ)器，只讀存儲(chǔ)器，軟盤，硬盤，或任何其它形式的數(shù)字存儲(chǔ)，本地的或遠(yuǎn)程的。多種支撐電路173可耦合到CPU上，以傳統(tǒng)方式支持處理器。必要的軟件程序可存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上或由第二CPU執(zhí)行，該第二CPU是遠(yuǎn)程的。
執(zhí)行軟件程序以初始化工藝配方(process recipe)或序列(sequence)。軟件程序被執(zhí)行的時(shí)候，其將通用目的的計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)換為特定的工藝計(jì)算機(jī)，該工藝計(jì)算機(jī)控制腔室操作，以便腔室工藝被執(zhí)行。例如，軟件程序可以用于精確控制電子控制閥的活動(dòng)以用于根據(jù)本發(fā)明的工藝序列的執(zhí)行?？商鎿Q地，軟件程序可在硬件中執(zhí)行，如應(yīng)用特定集成電路或其它類型硬件實(shí)現(xiàn)，或軟件或硬件的組合。
在介電層上沉積選擇性阻擋層描述選擇性沉積阻擋層于襯底上形成的介電層上的方法。阻擋層可包括難熔金屬氮化物，如氮化鉭(TaN)，及其它物質(zhì)。阻擋層是用循環(huán)沉積工藝選擇性沉積于介電層上，循環(huán)沉積工藝包括預(yù)定次數(shù)的沉積循環(huán)，然后是清洗步驟。
在循環(huán)沉積工藝中，每次沉積循環(huán)包括可替換地吸附含難熔金屬的前體和在介電層上的還原氣體，該介電層是在工藝腔室中在襯底上形成的。含難熔金屬的前體和還原氣體反應(yīng)形成阻擋層于金屬膜上。在預(yù)定次數(shù)的沉積循環(huán)完成后，工藝腔室中的含難熔金屬的前體和還原氣體被清洗。執(zhí)行預(yù)定次數(shù)的沉積循環(huán)的沉積序列之后是工藝腔室清洗，沉積序列可重復(fù)直到達(dá)到所需的阻擋層厚度。
選擇預(yù)定次數(shù)的沉積循環(huán)以利用沉積循環(huán)次數(shù)的差異，開(kāi)始沉積阻擋層材料于不同類型的材料層上。因此，沉積循環(huán)的預(yù)定次數(shù)的選擇有利于開(kāi)始在介電材料上的阻擋層材料的沉積，但是該次數(shù)比為了開(kāi)始沉積這樣的阻擋層材料于鄰近的金屬膜上所需的沉積循環(huán)次數(shù)少。
圖3圖示根據(jù)本發(fā)明的工藝序列200，詳細(xì)說(shuō)明用于選擇性沉積阻擋層于介電層上的多個(gè)步驟，其利用恒定的載體氣流。這些步驟可執(zhí)行于類似于上面參考圖2所說(shuō)明的工藝腔室。如步驟202指示的那樣，襯底被引入到工藝腔室。襯底可以是，例如硅襯底，其上具有由介電材料層圍繞的一個(gè)或多個(gè)銅特征部件。調(diào)整工藝腔室條件，如溫度和壓力，以增強(qiáng)阻擋層材料選擇性沉積于介電材料層上，且阻止阻擋層材料沉積于金屬膜上。
在一個(gè)實(shí)施例中，其中恒定的載體氣流是必須的，載體氣流建立于工藝腔室中，如步驟204所指示的那樣?？蛇x擇載體氣以便還用作清洗氣體以除去工藝腔室中揮發(fā)性的反應(yīng)物和/或副產(chǎn)品，載體氣諸如，例如氦氣(He)，氬氣(Ar)，氮?dú)?N2)和氫氣(H2)，以及它們的組合，及其它氣體也可使用。
參看步驟206，在載體氣建立于工藝腔室中后，含難熔金屬的前體的一個(gè)脈沖(pulse)加入到載體氣流中。此處用的術(shù)語(yǔ)脈沖是指一定劑量的材料注入到工藝腔室或載體氣流中。該脈沖可包括含難熔金屬前體的一次注入，或幾次短暫的連續(xù)的注入。含難熔金屬前體的脈沖持續(xù)預(yù)定的時(shí)間間隔。當(dāng)阻擋層包括氮化鉭(TaN)時(shí)，合適的含鉭前體可包括，例如，五(二甲酰氨基)鉭(pentakis(dimethylamido)tantalum)(PDMAT)、五(二乙酰氨基)鉭(pentakis(diethylamido)tantalum)(PDEAT)、五(甲乙酰氨基)鉭(pentakis(ethylmethylamido)tantalum)(PEMAT)、三(甲乙酰氨基)叔丁基酰氨基鉭(t-butylaminotris(methylethylamido)tantalum)(TBTMET)、三(二甲酰氨基)叔丁基酰氨基鉭(t-butylamino tris(dimethylamido)tantalum)(TBTDMT)、二(環(huán)戊二烯基)三氫化鉭(bis(cyclopentadienyl)tantalum trihydride)、二(甲基環(huán)戊二烯基)三氫化鉭(bis(methylcyclopentadienyl)tantalumtrihydride)、和三(二乙基酰氨基)叔丁基酰氨基鉭(t-butylaminotris(diethylamido)tantalum)(TBTDET)，及其它類似物質(zhì)。
用于含難熔金屬前體脈沖的時(shí)間間隔可根據(jù)多個(gè)因子諸如，例如所采用的工藝腔室的體積容量，耦合到其上的真空系統(tǒng)，和所用的反應(yīng)物的活潑性/反應(yīng)性而改變。一般來(lái)說(shuō)，有利地選擇工藝條件以便含難熔金屬前體的至少一個(gè)單層被吸附在介電層上，而沒(méi)有含難熔金屬前體被吸附在鄰近的金屬膜上。此后，被保存在工藝腔室中的過(guò)量的含難熔金屬的前體可通過(guò)恒定載體氣流與真空系統(tǒng)結(jié)合而除去。
在步驟208，在過(guò)量的含難熔金屬前體通過(guò)載體氣流從工藝腔室中被充分除去，以防止與隨后提供的工藝氣體反應(yīng)或形成顆粒，之后，還原氣體脈沖加入到載體氣流中。當(dāng)阻擋層包括氮化鉭(TaN)合適的還原氣體，包括例如，氨氣(NH3)、聯(lián)氨(N2H4)、甲基聯(lián)氨(CH3N2H3)、二甲基聯(lián)氨(C2H6N2H2)、叔丁基聯(lián)氨(t-butyl hydrazine)(C4H9N2H3)、苯基聯(lián)氨(C6H5N2H3)、2，2’-偶氮異丁烷(2，2’-azoisobutane)((CH3)6C2N2)和疊氮基乙烷(C2H5N3)，及其它物質(zhì)。
還原氣體的脈沖也持續(xù)預(yù)定的時(shí)間間隔。一般來(lái)說(shuō)，還原氣體脈沖的時(shí)間間隔應(yīng)足夠長(zhǎng)以提供足夠量的還原氣體以與含難熔金屬的前體反應(yīng)，該前體已經(jīng)被吸附在介電層上。此后，過(guò)量的還原氣體通過(guò)載體氣流和真空系統(tǒng)結(jié)合沖洗工藝腔室被清除。
步驟204到步驟208包括用于阻擋層沉積循環(huán)的實(shí)施例。對(duì)這樣的實(shí)施例，恒定的載體氣流供應(yīng)到工藝腔室，其由交互的脈沖周期和非脈沖周期調(diào)節(jié)，其中脈沖周期中，含難熔金屬的前體和還原氣體及載體氣流交替通過(guò)，而非脈沖周期只包括載體氣流。
用于含難熔金屬的前體和還原氣體的每個(gè)脈沖的時(shí)間間隔可以是相同的。也就是說(shuō)，含難熔金屬的前體的持續(xù)時(shí)間和還原氣體的脈沖持續(xù)時(shí)間是相同的。對(duì)于這樣的實(shí)施例，用于含難熔金屬前體的脈沖時(shí)間間隔(T1)等于用于還原氣體的脈沖時(shí)間間隔(T2)。
可替換地，用于含難熔金屬的前體和還原氣體的每個(gè)脈沖的時(shí)間間隔可以是不同的。也就是說(shuō)，含難熔金屬的前體的持續(xù)時(shí)間可以比還原氣體的脈沖持續(xù)時(shí)間短或長(zhǎng)。對(duì)于這樣的實(shí)施例，用于含難熔金屬前體的脈沖時(shí)間間隔(T1)不同于用于還原氣體的脈沖時(shí)間間隔(T2)。
而且，在含難熔金屬前體和還原氣體的每個(gè)非脈沖之間時(shí)間可以相同。也就是說(shuō)，在含難熔金屬前體和還原氣體的每個(gè)脈沖之間的非脈沖持續(xù)時(shí)間可以是相同的。對(duì)于這樣的實(shí)施例，在含難熔金屬前體和還原氣體的脈沖之間非脈沖時(shí)間間隔(T3)等于在還原氣體和含難熔金屬前體脈沖之間的非脈沖的時(shí)間間隔(T4)。在非脈沖時(shí)間間隔時(shí)間段，只有恒定的載體氣流被供應(yīng)到工藝腔室。
可替換地，在每個(gè)含難熔金屬前體和還原氣體的脈沖之間的非脈沖時(shí)間段可以有不同的時(shí)間長(zhǎng)度。也就是說(shuō)，在含難熔金屬前體和還原氣體的每個(gè)脈沖之間的持續(xù)時(shí)間段可比還原氣體和含難熔金屬前體每個(gè)脈沖之間的非脈沖持續(xù)時(shí)間短或長(zhǎng)。例如一個(gè)實(shí)施例，在含難熔金屬前體和還原氣體的脈沖之間的非脈沖時(shí)間間隔(T3)不同于還原氣體和含難熔金屬前體的脈沖之間的非脈沖時(shí)間間隔(T4)。在非脈沖時(shí)間段，只有恒定的載體氣流被供應(yīng)到工藝腔室。
此外，對(duì)于每次沉積循環(huán)，含難熔金屬前體，還原氣體的每個(gè)脈沖時(shí)間間隔，和它們之間的非脈沖時(shí)間段，可以有相同的持續(xù)時(shí)間。例如，在第一次沉積循環(huán)(C1)中，用于含難熔金屬前體的脈沖的時(shí)間間隔(T1)可與用于在隨后的沉積循環(huán)(C2…CN)中的含難熔金屬前體的脈沖時(shí)間間隔具有相同的持續(xù)時(shí)間。相似地，第一次沉積循環(huán)(C1)中，還原氣體的每個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間及在含難熔金屬前體的脈沖和還原氣體脈沖之間的非脈沖時(shí)間段，可與隨后的沉積循環(huán)(C2…CN)中還原氣體的每個(gè)脈沖和在含難熔金屬前體和還原氣體的脈沖之間的非脈沖時(shí)間段分別具有相同的持續(xù)時(shí)間。
可替換地，對(duì)于阻擋層沉積工藝循環(huán)，含難融金屬前體、還原氣體的至少每一個(gè)脈沖的時(shí)間間隔和它們之間一次或多次沉積循環(huán)的非脈沖時(shí)間段可具有不同的持續(xù)時(shí)間。例如，在第一次沉積循環(huán)(C1)中，用于含難熔金屬前體脈沖的時(shí)間間隔(T1)可長(zhǎng)或短于隨后的沉積循環(huán)(C2…CN)中用于含難熔金屬前體的脈沖的時(shí)間間隔(T1)。相似地，在沉積循環(huán)(C1)中，還原氣體的一個(gè)或多個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間或在含難熔金屬前體和還原氣體的脈沖之間的非脈沖時(shí)間段，可以分別長(zhǎng)或短于隨后的沉積循環(huán)(C2…CN)中還原氣體相應(yīng)的脈沖持續(xù)時(shí)間或含難熔金屬前體脈沖和還原氣體之間脈沖的非脈沖時(shí)間段。
參考步驟210，在每次沉積循環(huán)(步驟204到208)之后，確定總的執(zhí)行的沉積循環(huán)次數(shù)。如果沒(méi)有執(zhí)行預(yù)定的沉積循環(huán)次數(shù)，步驟204到208被重復(fù)直到完成預(yù)定的沉積循環(huán)次數(shù)。然而，如果預(yù)定的沉積循環(huán)次數(shù)已經(jīng)完成，工藝腔室中的含難熔金屬前體和還原氣體都被清洗，如步驟212所指示的那樣。工藝腔室可用載體氣流清洗。在工藝腔室被清洗之后，可執(zhí)行額外預(yù)定次數(shù)的沉積循環(huán)(步驟203到208)，直到獲得所需要的阻擋層厚度，如步驟214所指示的那樣，或如步驟216所指示的那樣結(jié)束。
對(duì)于特定的阻擋層材料，選擇預(yù)定次數(shù)的沉積循環(huán)以在最初的幾次沉積循環(huán)中開(kāi)始沉積阻擋材料于介電層上，但是該預(yù)定次數(shù)比所需的開(kāi)始沉積這樣阻擋層材料于鄰近金屬膜上的沉積循環(huán)次數(shù)少。限制沉積循環(huán)次數(shù)為預(yù)定的次數(shù)，該預(yù)定次數(shù)比所需的開(kāi)始沉積阻擋材料于鄰近的金屬膜上的次數(shù)少，然后清洗工藝腔室，以允許僅在介電層上選擇性沉積阻擋材料。
在圖4中所描述的可替換的工藝序列中，阻擋層沉積循環(huán)可包括分開(kāi)的含難熔金屬前體的脈沖。對(duì)這樣的實(shí)施例，阻擋層沉積序列300包括引入襯底至工藝腔室(步驟302)中，提供載體氣脈沖至工藝腔室(步驟304)，提供含難熔金屬前體的脈沖至工藝腔室(步驟306)，提供載體氣脈沖至工藝腔室(308)，提供還原氣體脈沖至工藝腔室(步驟310)，及重復(fù)步驟304到310，直到執(zhí)行了預(yù)定次數(shù)的沉積循環(huán)(步驟312)。當(dāng)預(yù)定次數(shù)的沉積循環(huán)完成，工藝腔室中的含難熔金屬前體和還原氣體(步驟314)被清洗。在工藝腔室被清洗后，可執(zhí)行額外預(yù)定次數(shù)的沉積循環(huán)(步驟304到310)，直到獲得所需要的阻擋層厚度(步驟316)，或結(jié)束(步驟318)。
含難熔金屬前體，還原氣體和載體氣的每個(gè)脈沖的時(shí)間間隔，可以與如上面關(guān)于圖3所討論的具有相同或不同的持續(xù)時(shí)間?？商鎿Q地，在阻擋層沉積工藝的一次或多次沉積循環(huán)中，含難熔金屬前體，還原氣體和載體氣的一個(gè)或多個(gè)脈沖的相應(yīng)的時(shí)間間隔可具有不同的持續(xù)時(shí)間。
在圖3-4中描述了阻擋層沉積循環(huán)，其以含難熔金屬前體脈沖開(kāi)始，然后是還原氣體脈沖。可替換地，阻擋層沉積循環(huán)可從還原氣體脈沖開(kāi)始，然后是含難熔金屬前體的脈沖。此外，一個(gè)脈沖可包括一種氣體的一次注入，或幾次短的，連續(xù)的注入。
一個(gè)用于選擇性形成氮化鉭阻擋層于氧化硅介電材料上的示例性沉積循環(huán)，包括依次地提供五(甲乙酰氨基)鉭(PEMAT)脈沖和氨氣脈沖至工藝腔室，類似于上面關(guān)于圖2所做的說(shuō)明，該氧化硅介電材料鄰近于銅特征部件。對(duì)于這樣的沉積循環(huán)，提供氬氣至適當(dāng)?shù)臍饬骺刂崎y，例如電子氣流控制閥，流速在100sccm(標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每秒)到1000sccm，優(yōu)選為500sccm，然后，約脈動(dòng)5秒到25秒，優(yōu)選為15秒。通過(guò)通入氫氣(H2)，提供五(甲乙酰氨基)鉭(PEMAT)至合適的氣流控制閥，例如，電子氣流控制閥，其中氫氣的流速約為30sccm到約1500sccm，優(yōu)選為100sccm，通過(guò)含液體PEMAT的安瓿在約50℃到95℃的溫度下，脈動(dòng)約5秒到50秒，優(yōu)選約為15秒。然后以約100sccm到約1000sccm的速率提供氬氣，優(yōu)選為約500sccm，脈動(dòng)5秒到25秒，優(yōu)選約為15秒。提供氨氣(NH3)至適當(dāng)?shù)臍饬骺刂崎y，例如電子氣流控制閥，以約150sccm到700sccm的流速，優(yōu)選為250sccm，然后脈動(dòng)約3秒到45秒，優(yōu)選5秒。襯底的溫度保持在150℃到350℃，優(yōu)選為200℃，腔室壓力最大為40托，優(yōu)選為0.5托。
在執(zhí)行完預(yù)定次數(shù)的沉積循環(huán)后，通過(guò)通入載體氣清洗工藝腔室。氣體，例如氬氣(Ar)，氦氣(He)，氮?dú)?N2)和氫氣(H2)，及其它氣體可以使用。提供用來(lái)清洗工藝腔室的氣體流速為約100sccm到約1000sccm，優(yōu)選為約500sccm，持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)為2分鐘，優(yōu)選為1分鐘。
圖5A說(shuō)明開(kāi)始形成氮化鉭層于介電氧化物上所需的沉積循環(huán)次數(shù)，并與開(kāi)始形成氮化鉭層于銅上所需的沉積循環(huán)次數(shù)相比較。每次沉積循環(huán)都在225℃的襯底上執(zhí)行，沉積腔室的壓力約為0.5托，五(甲乙酰氨基)鉭和氫氣(H2)的流速約為100sccm，其約脈動(dòng)15秒，氨氣流約為250sccm，約脈動(dòng)5秒，氬氣流約為500sccm，其在每個(gè)五(甲乙酰氨基)鉭(PEMAT)脈沖和每個(gè)氨氣(NH3)脈沖之間約脈動(dòng)15秒。
參考圖5A，在第一次沉積循環(huán)中，氮化鉭(TaN)開(kāi)始沉積于氧化硅上，如線400所指示的那樣。在第五次沉積循環(huán)，氮化鉭(TaN)開(kāi)始沉積于氟硅酸鹽玻璃(FSG)上，如線405所指示的那樣。然而，在第14次沉積循環(huán)，氮化鉭開(kāi)始沉積于銅上，如線410所指示的那樣。同樣地，對(duì)于上面關(guān)于圖5A所述的工藝條件，選擇性沉積氮化鉭(TaN)于氧化硅或氟硅酸鹽(FSG)上，而不沉積于銅上，要求工藝腔室每完成13次沉積循環(huán)清洗一次。
開(kāi)始形成氮化鉭(TaN)層于材料層上所需的沉積循環(huán)次數(shù)可作為襯底的溫度的函數(shù)變化。例如，氮化鉭(TaN)層在襯底溫度為200℃時(shí)形成于氧化硅和銅上。每次沉積循環(huán)在約為0.5托的腔室壓力下執(zhí)行，帶有氫氣的五(甲乙酰氨基)鉭的流速約為100sccm，氫氣(H2)脈動(dòng)約15秒，氨氣流速為250sccm，其脈動(dòng)約5秒，而氬氣(Ar)流速約為500sccm，其在每個(gè)五(甲乙酰氨基)鉭(PEMAT)脈沖和每個(gè)氨氣脈沖之間脈動(dòng)約15秒。
參考圖5B，大約需要5次沉積循環(huán)以開(kāi)始形成氮化鉭層于氧化硅上，襯底溫度約為200℃，如線415所指示的那樣，相比較，當(dāng)襯底溫度為225℃時(shí)只要一次沉積循環(huán)，如線400所指示的那樣(圖5A)。相比較，約需要40次沉積循環(huán)以開(kāi)始形成氮化鉭(TaN)層于銅上，襯底溫度約為200℃，如線420所指示的那樣，相比較，當(dāng)襯底溫度為225℃時(shí)需要14次沉積循環(huán)，如線410所指示的那樣(圖5A)。
所需的沉積循環(huán)次數(shù)以開(kāi)始形成氮化鉭層于氧化硅上，可以作為工藝腔室壓力的函數(shù)而變化。例如，在工藝腔室壓力為0.5托，1托，2托和6托時(shí)，氮化鉭層形成于氧化硅上。每次沉積循環(huán)在襯底溫度約為210℃下執(zhí)行，帶有氫氣的五(甲乙酰氨基)鉭流速約為100sccm，氫氣(H2)約脈動(dòng)15秒，氨氣(NH3)流速為250sccm，其脈動(dòng)約5秒，而氬氣(Ar)流速約為500sccm，其在每個(gè)五(甲乙酰氨基)鉭(PEMAT)脈沖和每個(gè)氨氣(NH3)脈沖之間約脈動(dòng)15秒。
參考圖5C，開(kāi)始形成氮化鉭(TaN)層于氧化硅上約需要8次沉積循環(huán)，工藝腔室的壓力為0.5托，1托和2托，如線440，線435和線430分別所指示的那樣。相比較，開(kāi)始形成氮化鉭(TaN)層氧化硅上約需要兩次沉積循環(huán)，工藝腔室的壓力為6托，如線425所指示的那樣。
集成電路制造工藝圖6A-6C圖示在集成電路制造工藝序列中不同階段的襯底500的示意剖視圖，該襯底上有形成于介電材料上的氮化鉭阻擋層。根據(jù)特定的加工階段，襯底500可相當(dāng)于硅襯底，或已經(jīng)在襯底500上形成的其它材料層。例如圖6A圖示具有導(dǎo)電引線501于其上的襯底500的剖視圖，該引線501被介電材料502包圍。導(dǎo)電引線501可以是金屬(如鋁(Al)或銅(Cu))。介電材料502可是氧化物(如，氧化硅)。
圖6A圖示一個(gè)實(shí)施例，其中襯底500是具有銅引線于其上的硅。根據(jù)所要制造的結(jié)構(gòu)尺寸，銅引線501厚度為5000埃()到2微米。介電材料502包圍銅引線501。介電材料502可以是低介電常數(shù)的氧化硅層。介電材料502的厚度約為5微米。
通孔503形成于介電材料502中，并連到銅引線501。通孔是用傳統(tǒng)的光刻和蝕刻技術(shù)在介電材料502中形成的。
參考圖6B，氮化鉭阻擋層505選擇性地形成于介電材料502上，其包括通孔503的側(cè)壁。氮化鉭阻擋層505可根據(jù)上面關(guān)于圖3-4所述的工藝參數(shù)形成。氮化鉭阻擋層505的厚度應(yīng)約為50埃()到500埃()。
此后，參考圖6C，通孔503被注入導(dǎo)電性材料506，如鋁(Al)，銅(Cu)，鎢(W)，或它們的組合。優(yōu)選地，銅(Cu)用于填充通孔503，這是因?yàn)樗碗娮杪?電阻率約為1.7/cm)。導(dǎo)電性材料506可用化學(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù)，物理氣相沉積(PVD)技術(shù)，電鍍技術(shù)或其組合沉積。
在包括通孔503的側(cè)壁的介電材料502上形成氮化鉭阻擋層505，其在通孔被填充導(dǎo)電性材料506后有利地防止金屬遷移到這樣的介電材料中。而且，只選擇性沉積阻擋層505于通孔503的側(cè)壁最小化互連結(jié)構(gòu)總的電阻的任何增加，否則，將出現(xiàn)阻擋材料505也沉積在銅引線501上。
雖然前述內(nèi)容是針對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明其它的和進(jìn)一步的實(shí)施例也可被設(shè)計(jì)出來(lái)，而不偏離本發(fā)明的基本范圍及權(quán)利要求限定的范圍。
權(quán)利要求
1.一種在介電材料上選擇性形成阻擋層的方法，其包括提供具有暴露的金屬特征部件的襯底至工藝環(huán)境中，該金屬特征部件被介電材料包圍；利用循環(huán)沉積工藝，在所述介電材料上，形成阻擋層，其中所述循環(huán)沉積工藝包括預(yù)定次數(shù)的沉積循環(huán)，然后是清洗步驟，且其中每次沉積循環(huán)交替提供含難熔金屬的前體和還原氣體至工藝環(huán)境中；以及重復(fù)所述循環(huán)沉積工藝直到形成所需的所述阻擋層厚度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中選擇所述預(yù)定次數(shù)的沉積循環(huán)以開(kāi)始在介電材料上形成阻擋層，但該次數(shù)少于在所述暴露的金屬特征部件上開(kāi)始形成阻擋層所需要的沉積循環(huán)次數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述含難熔金屬的前體是含鉭的前體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述含鉭前體選自下面物質(zhì)組成的組五(二甲酰氨基)鉭、五(二乙酰氨基)鉭、五(甲乙酰氨基)鉭、三(甲乙酰氨基)叔丁基酰氨基鉭、三(二甲酰氨基)叔丁基酰氨基鉭、二(環(huán)戊二烯基)三氫化鉭、二(甲基環(huán)戊二烯基)三氫化鉭，和三(二乙基酰氨基)叔丁基酰氨基鉭。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述含鉭前體是五(甲乙酰氨基)鉭。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述含鉭前體是通過(guò)通入載體氣提供的，所述載體氣的流速約為30sccm到1500sccm，其是通過(guò)其中具有所述含鉭前體的安瓿提供的。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述含鉭前體是通過(guò)通入載體氣提供的，所述載體氣流速約為100sccm，其是通過(guò)其中具有所述含鉭前體的安瓿提供的。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中提供所述含鉭前體持續(xù)的時(shí)間約為5秒到50秒。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中提供所述含鎢前體持續(xù)的時(shí)間約為15秒。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述還原氣體選自下面的物質(zhì)組成的組氨氣(NH3)、聯(lián)氨(N2H4)、甲基聯(lián)氨(CH3N2H3)、二甲基聯(lián)氨(C2H6N2H2)、叔丁基聯(lián)氨(C4H9N2H3)、苯基聯(lián)氨(C6H5N2H3)、2，2’-偶氮異丁烷((CH3)6C2N2)和疊氮基乙烷(C2H5N3)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述還原氣體是氨氣(NH3)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述還原氣體以約為150sccm到約700sccm的流速提供。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述還原氣體以約為250sccm的流速提供。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中提供所述還原氣體的持續(xù)時(shí)間約為3秒到約45秒。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中提供所述還原氣體的持續(xù)時(shí)間約為5秒。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述清洗步驟包括提供清洗氣體至所述工藝環(huán)境。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述清洗氣體選自包括氦氣(He)、氬氣(Ar)、氮?dú)?N2)、氫氣(H2)，及其組合組成的組。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述清洗氣體以約為100sccm到約1000sccm的流速提供。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述工藝環(huán)境包括約150℃到約350℃的溫度。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述工藝環(huán)境包括約200℃的溫度。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述工藝環(huán)境包括最大為100托的壓力。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述工藝環(huán)境包括約為0.5托的壓力。
23.一種選擇性形成氮化鉭阻擋層于介電材料上的方法，該方法包括提供具有暴露的金屬特征部件的襯底至工藝環(huán)境，該金屬特征部件被介電材料包圍；采用所述循環(huán)沉積工藝，形成氮化鉭阻擋層于所述介電材料上，其中所述循環(huán)沉積工藝包括預(yù)定次數(shù)的沉積循環(huán)，然后是清洗步驟，并且其中每次沉積循環(huán)包括交替地提供含鉭前體和還原氣體至所述工藝環(huán)境；以及重復(fù)所述循環(huán)沉積工藝直到形成所述氮化鉭阻擋層所需要的厚度。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中選擇所述預(yù)定次數(shù)的沉積循環(huán)以開(kāi)始形成所述氮化鉭阻擋層于所述介電材料上，但是該次數(shù)比開(kāi)始形成氮化鉭阻擋層于暴露的金屬特征部件上所需的沉積循環(huán)次數(shù)少。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述含鉭前體選自下面物質(zhì)組成的組五(二甲酰氨基)鉭、五(二乙酰氨基)鉭、五(甲乙酰氨基)鉭、三(甲乙酰氨基)叔丁基酰氨基鉭、三(二甲酰氨基)叔丁基酰氨基鉭、二(環(huán)戊二烯基)三氫化鉭、二(甲基環(huán)戊二烯基)三氫化鉭，和三(二乙基酰氨基)叔丁基酰氨基鉭。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中所述含鉭前體是五(甲乙酰氨基)鉭。
27.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述含鉭前體是通過(guò)通入載體氣提供的，所述載體氣的流速約為30sccm到1500sccm，其是通過(guò)其中具有所述含鉭前體的安瓿提供的。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中所述含鉭前體是通過(guò)通入載體氣提供的，所述載體氣的流速約為100sccm，其是通過(guò)其中具有所述含鉭前體的安瓿提供的。
29.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中提供所述含鉭前體持續(xù)的時(shí)間約為5秒到50秒。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中提供所述含鉭前體持續(xù)的時(shí)間約為15秒。
31.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述還原氣體選自下面的物質(zhì)組成的組氨氣(NH3)、聯(lián)氨(N2H4)、甲基聯(lián)氨(CH3N2H3)、二甲基聯(lián)氨(C2H6N2H2)、叔丁基聯(lián)氨(C4H9N2H3)、苯基聯(lián)氨(C6H5N2H3)、2，2’-偶氮異丁烷((CH3)6C2N2)和疊氮基乙烷(C2H5N3)。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其中所述還原氣體是氨氣(NH3)。
33.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述還原氣體以約為150sccm到約700sccm的流速提供。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中所述還原氣體以約為250sccm的流速提供。
35.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中提供所述還原氣體的持續(xù)時(shí)間約為3秒到約45秒。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中提供所述還原氣體的持續(xù)時(shí)間約為5秒。
37.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述清洗步驟包括提供清洗氣體至所述工藝環(huán)境。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，其中所述清洗氣體是從包括氦氣(He)、氬氣(Ar)、氮?dú)?N2)、氫氣(H2)，及其組合的組中選擇的。
39.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，其中所述清洗氣體以約為100sccm到約1000sccm的流速提供。
40.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述工藝環(huán)境包括約150℃到約350℃的溫度。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的方法，其中所述工藝環(huán)境包括約200℃的溫度。
42.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述工藝環(huán)境包括最大約為100托的壓力。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其中所述工藝環(huán)境包括約為0.5托的壓力。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種選擇性沉積阻擋層于介電材料上的方法，該材料包圍襯底上的一個(gè)或多個(gè)金屬互連。阻擋層是用循環(huán)沉積工藝選擇性沉積于金屬膜上，循環(huán)沉積工藝包括預(yù)定次數(shù)的沉積循環(huán)，然后是清洗步驟。每次沉積循環(huán)可替換地包括吸附含難熔金屬的前體和在介電材料上的還原氣體，該介電材料在工藝腔室中形成于襯底上。
文檔編號(hào)C23C16/34GK1620721SQ02828198
公開(kāi)日2005年5月25日 申請(qǐng)日期2002年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月21日
發(fā)明者H·鐘, L·陳, V·W·顧, M·X·楊, G·姚 申請(qǐng)人:應(yīng)用材料有限公司