CN1207763C - 金属线路铜背端的渐层式阻障层 - Google Patents

Abstract

一种渐层式阻障层，它具有金属/不同组成的金属盐/金属的复合式结构，例如，钽/不同组成的氮化钽/钽(Ta/Ta_xN_1-x/TaN/Ta_xN_1-x/Ta)的结构，可取代传统的阻障层应用于铜金属化工艺。渐层式阻障层可利用化学气相沉积技术或物理气相沉积技术形成。以化学气相沉积为例，利用容易控制通入的反应气体的特性，可逐渐调整钽元素(Ta)及氮元素(N)的比例，以形成渐层式阻障层。以物理气相沉积为例，沉积数个不同组成的氮化钽层(Ta_xN_1-x)，然后于后续热循环步骤如金属合金步骤中，内层间的扩散将造成钽元素(Ta)与氮元素(N)间较平滑的分布曲线而形成渐层式阻障层。其优点包括：容易控制工艺条件，介层洞与各金属间具有较强的粘着性，具有较佳的阶梯覆盖力以及延展性较大而不易断裂。

Description

金属线路铜背端的渐层式阻障层

技术领域

本发明有关一种形成渐层式阻障层的方法，特别是一种有关形成超大型集成电路(VLSI)金属线路铜背端(copper back end of the line，BEOL)的渐层式阻障层的方法，其具有钽/不同组成的氮化钽/钽(Ta/Ta_xN_1-x/TaN/Ta_xN_1-x/Ta)的复合式结构。

背景技术

当图形尺寸不断缩小，铜因为具有较金属铝为佳的应力及电致迁移特性，以及较低的阻抗，而使得铜金属化工艺被公认为是高集成度的集成电路中，可靠度佳及效能高的内连线工艺。然而，铜非常容易扩散到多种材料，包括金属或非金属，而影响到绝缘材料的介电常数。例如，当铜扩散到如氧化硅的内金属介电层(inter-metal dielectric，IMD)会造成相邻导线间的漏电流，及减低内层介电层(inter-level dielectric，ILD)的崩溃场(breakdown field)。因此，为改善铜内连线工艺上的困难，便促进了阻障层的发展，以避免铜扩散发生。

图1是集成电路的铜金属化工艺应用示意图。图中所示包括数十毫微米(nm)的氮化钽层(TaN)108及钽金属层(Ta)110的阻障层，包夹于双镶嵌结构的铜金属层112及如氧化硅的内金属介电层106之间，并且与底材100中的铜着落垫102电性相连。内金属介电层106通常形成于覆盖在底材100上的作为保护层的氮化硅层104上。必须一提的是，氮化钽是防止铜扩散较佳的阻障层，且氮化钽与绝缘材料的粘着性适当。而钽金属虽与氧化类介电层的粘着性较差，却是形成铜晶种(copper seed)较佳的材料。因此，钽金属层通常是形成于氮化钽层上，用以强化铜与氮化钽之间的粘着性。于传统的铜金属工艺中，利用氧化类介电材料形成内金属介电层时，阻障层的氮化钽层108与铜着落垫102之间并不会有显著的粘着性问题。因此，传统的阻障层主要的作用是于金属线路铜背端(BEOL)中，避免铜由着落垫102及112扩散，如箭号所示。

然而，于新的低介电常数的内金属介电材料系统中(low-k IMD)，因为低介电常数材料210具有较大的热膨胀系数，而且氮化钽层108与铜着落垫102的粘着性较差，使的氮化钽108与铜着落垫102间的介面212粘着非常弱，而容易分离，如图2所示。此外，氮化钽易脆的特性也容易造成断裂。这些因素会造成电性不连续的问题，更严重的甚至无法通过可靠度的测试，例如，热循环测试(thermal cycle test，TCT)及应力迁移测试(stress migration，SM)。因此，为解决应用低介电常数材料时产生的粘着性问题，发展出许多的方法，氩先行处理技术(Ar-preclean technique)即为其中之一。

氩先行处理技术的重点为先去除介层洞底部的氮化钽，然后再形成钽金属层，使钽金属层直接接触铜表面，以加强粘着性。然而，因为介层洞底部的氮化钽层非常的薄，使得氩先行处理的工艺条件非常难以控制。因而产生了许多副作用，进而造成可靠度的问题，例如，微沟渠(mtcor-trench)的形成，介层洞底部的材料再沉积于侧壁(material re-deposition)320，以及沟渠底部的阻障层薄化现象(barrier thinning)。微沟渠的形成是因为不均匀的过度蚀刻。而介层洞底部的材料甚至包括其下的铜，再沉积于侧壁或溅镀至低介电常数的介电层，更增加了电性不连续的机会，且改变低介电常数的介电层的特性。另外，当介层洞底部的氮化钽层108移除后，沟渠底部的部分氮化钽层也会同时去除，造成阻障层薄化现象，严重时甚至完全将氮化钽层去除，分别如标号330及340所示。

发明内容

本发明的目的为提供一种形成渐层式阻障层(gradient barrier)的方法，使其具良好的长晶表面以供铜金属沉积于上，具有优良的阻障特性，可避免铜向外扩散，该形成的阻障层具有低金属扩散系数，良好粘着性，延展性高及理想的阶梯覆盖力。

为实现上述目的，根据本发明一方面提供一种渐层式阻障层，其特点是包含：第一金属层；数个不同组成的一金属盐复合层；及第二金属层。

根据本发明另一方面提供一种形成一渐层式阻障层于一底材的方法，其特点是包括以下步骤：形成一第一金属层于该底材上；形成数个不同组成的一金属盐复合层于该第一金属层上；及形成一第二金属层于该数个不同组成的该金属盐复合层上。

根据本发明又一方面提供一种形成一渐层式阻障层于一底材的方法，其特点是包括：形成一第一钽金属层于该底材上；形成数个不同组成的一第一氮化钽复合层(Ta_x1N_1-x1)于该第一钽金属层上，其中x1递减于1至0.5之间；形成一氮化钽层于该数个不同组成的该第一氮化钽复合层；形成数个不同组成的一第二氮化钽复合层(Ta_x2N_1-x2)于该氮化钽金属层上，其中x2递增于0.5到1之间；及形成一第二金属层于该数个不同组成的该第二氮化钽复合层上。

渐层式阻障层具有金属/不同组成的金属盐/金属的复合式结构，例如，钽/不同组成的氮化钽/钽(Ta/Ta_xN_1-x/TaN/Ta_xN_1-x/Ta)的结构，可取代传统的阻障层应用于铜金属化工艺。而且渐层式阻障层可利用化学气相沉积技术(CVD)或物理气相沉积技术(PVD)形成。以化学气相沉积为例，利用容易控制通入的反应气体的特性，可逐渐调整钽元素(Ta)及氮元素(N)的比例，以形成渐层式阻障层。以多标靶(multi-target)的物理气相沉积为例，沉积数个不同组成的氮化钽层(Ta_xN_1-x)，然后于后续热循环步骤如金属合金步骤，内层问的扩散将造成钽元素(Ta)与氮元素(N)间较平滑的分布曲线，而形成渐层式阻障层。渐层式阻障层的优点是：容易控制工艺条件，介层洞与金属垫间具有较强的粘着性，具有较佳的阶梯覆盖力，以及延展性较大而不易断裂。

为更清楚理解本发明的目的、特点和优点，下面将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明。

附图说明

图1是传统阻障层避免铜扩散的横切面图；

图2是传统阻障层于介层洞底部与接触金属间存在粘着性问题的横切面图；

图3是传统阻障层利用氩先行处理技术所产生的副效应的横切面图；

图4A是本发明形成渐层式阻障层的横切面图；

图4B是本发明一实施例的渐层式阻障层的横切面图；

图5A是本发明另一实施例的渐层式阻障层的横切面图；及

图5B是本发明图5A经热循环处理后的渐层式阻障层的横切面图。

具体实施方式

本发明的一些实施例将详细描述如下。然而，除了详细描述外，本发明还可以广泛地在其他的实施例施行，且本发明的范围不受其限定，而以权利要求书所限定的专利范围为准。

参考图4A，于一实施例中，本发明提供了一种渐层式阻障层(gradient barrier)它具有金属/不同组成的金属盐/金属的复合式结构，例如，钽/不同组成的氮化钽/钽(Ta/Ta_xN_1-x/TaN/Ta_xN_1-x/Ta)的结构，以取代传统的阻障层应用于铜金属化工艺。如图所示为具有导体结构410的底材400，它可以是任何半导体制作阶段的底材，例如，铜金属化工艺阶段具有铜着落垫(landing pad)410的底材400。如氮化硅的惰性层430选择性地形成于具铜着落垫410的底材400上，以维护铜的电传导特性。双镶嵌结构的渐层式阻障层450形成于如低介电常数(low-k)或氧化型(oxide-like)的介电层440内。同时也可以运用本发明形成用以防止铜由铜着落垫410扩散至介电层440的阻障层420。然后，一金属层460形成于渐层式阻障层上，以完成双镶嵌内连线。必须一提，渐层式阻障层是包夹于金属层460及介电层440之间，且与铜着落垫410电性相连，以防止金属材料向外扩散。

渐层式阻障层450是依序形成的金属/不同组成的金属盐/金属的复合式结构。首先形成的金属层可以是任何与其下导体结构(如此例的铜着落垫)，具有良好粘着性的金属层，而且延展性较大，当以低介电常数材料作为内金属介电层时，不会因后续的热循环步骤造成断裂，例如，钽(tantalum)，钛(titanium)，钨(tungsten)金属层。不同组成的金属盐复合层具有较佳的阻障特质，可防止其上的导电层材料扩散至介电层。之后形成的金属层具有良好的长晶表面，以供金属材料沉积金属层于其上。当不同组成的氮化钽复合层(Ta_xN_1-x复合层)包夹于两金属层中，作为避免铜扩散的金属盐复合层时，钽金属因为与铜具有较佳的粘着性，阶梯覆盖力较好，适合铜晶种的形成，且制作容易控制，所以是做为先后形成的金属层的适当材料。

参考图4B，图中示出具有钽/不同组成的氮化钽/钽，即Ta/Ta_x1N_1-x1/TaN/Ta_x2N_1-x2/Ta的结构的渐层式阻障层450。钽金属层与第一不同组成的氮化钽层(Ta与Ta_x1N_1-x1)的厚度总合，约为10至100埃(angstrom)之间，如图4B的第一区域I所示。其中Ta_x1N_1-x1所含的金属成分(Ta)随着厚度的增加而递减，直到钽与氮的比例(Ta/N)为1。也即，x1约是介于1到0.5的递减数。依据图4B上的第二区域II所示，氮化钽(TaN)的厚度大约介于100至200埃之间。而钽金属层与另一不同组成的氮化钽层(Ta与Ta_x2N_1-x2)的厚度总合，约为100至200埃之间，如图4B的第三区域III所示。其中Ta_x2N_1-x2所含的金属成分(Ta)由钽与氮的比例(Ta/N)为1，随着厚度的增加而递增，直到几乎为百分的百的氮金属。也即，x2约是介于0.5到1的递增数。

本发明同时提供一种形成渐层式阻障层450的方法。渐层式阻障层可利用化学气相沉积技术(CVD)或多标靶的物理气相沉积技术(PVD)形成。以化学气相沉积为例，于另一实施例，利用容易控制通入的反应气体的特性，可逐渐调整钽元素(Ta)及氮元素(N)的比例，以同位形成渐层式阻障层。再次参考图4A，本发明步骤至少包括，提供一具有导电结构410于其内及内介电层440于其上的底材400。如氮化硅的惰性层430选择性地形成于具内介电层440之下，以维护导电结构的电传导特性。然后利用传统的双镶嵌工艺，例如，自行对准，先行形成介层洞，或先形成沟渠的双镶嵌步骤，形成双镶嵌的图形，其包括沟渠及介层洞开口。

然后，利用化学气相沉积工艺，形成具有金属/不同组成的金属盐/金属的复合式结构的渐层式阻障层450于具双镶嵌图形的底材400上。换句话说，利用控制通入的反应气体的技巧，通入第一反应气体，以形成第一金属层于内介电层440上，并覆盖双镶嵌的沟渠及介层洞的侧壁及底部。然后，逐渐调整通入的第二气体，形成数个具不同组成的金属盐于第一金属层上。再形成第二金属层于数个具不同组成的金属盐复合层上。以第一及第二金属层为钽金属，且金属盐组成成分为钽元素(Ta)及氮元素(N)来说明。利用对通入反应气体的控制，第一钽金属层形成于介电层440上。然后，逐渐调整通入的氮气流量，数个不同组成的氮化钽层(Ta_xN_1-x)形成于第一钽金属层上。此外，数个不同组成的氮化钽层(Ta_xN_1-x)可以具有类似图4B的组成。也即，逐渐增加通入的氮气形成如第一区域I的氮化钽复合层。当钽/氮比例趋近于1时，维持通入氮气的流量，直达到预设的厚度如第二区域II所示。然后，逐渐减少氮气流量直到趋近于零，形成如第三区域III的复合层。接着，停止通入氮气，第二钽金属层就形成于数个不同组成的氮化钽层(Ta_xN_1-x)上。然后，再形成一如铜金属层导体层460于渐层式阻障层450上，以形成双镶嵌内连线结构。必须一提的是，同时也可以运用本发明形成用以防止导体材料由导体结构410扩散至介电层440的阻障层420。

于再一实施例中，利用物理气相沉积技术(PVD)形成具有金属/不同组成的金属盐/金属的复合式结构的渐层式阻障层。物理气相沉积技术包括，多标靶(multi-target)的溅镀型的沉积技术，及金属离子等离子体技术(ion metal plasma，IMP)。同时参考图4A及图5A，于双镶嵌的沟渠及介层洞开口形成后，沉积数个不同组成的金属盐复合层。也即第一金属层450a形成于介电层440上。然后，形成数个不同组成的金数盐复合层于第一金属层上，如图所标示的450b，450c，450d，450e及450f。接着，形成第二金属层450g于不同组成的金数盐复合层上。然后，再形成一如铜金属层导体层460于渐层式阻障层450上，以形成双镶嵌内连线结构。

以第一及第二金属层为钽金属，且金属盐组成成分为钽元素(Ta)及氮元素(N)来说明。以溅镀沉积步骤，利用第一标靶(含100％Ta)，形成壁一钽金属层于介电层440上。然后，利用第二标靶(含约85％Ta)形成第一组成的氮化钽层(Ta_xN_1-x)于第一钽金属层上。接着依序形成钽含量递减的第二及第三组成的氮化钽层(分别含约65％及50％Ta)450c，及450d于第一组成的氮化钽层450b的上。之后，依序形成钽含量递增的第四及第五组成的氮化钽层(分别含约65％及85％Ta)450e，及450f于第三组成的氮化钽层450d的上。然后，形成第二钽金属层450g于第五组成的氮化钽层450f上。然后于后续热循环步骤如金属合金步骤，内层间的扩散将造成钽元素(Ta)与氮元素(N)间较平滑的分布曲线，而形成渐层式阻障层450，如虚线470所示。而渐层式阻障层的结构如图5B所示，其具有类似图4B的组成。必须强调的是，不同组成的氮化钽复合层的数目，并非唯一且不受此实施例的5层所限。

本发明提供的渐层式阻障层具有金属/不同组成的金属盐/金属的复合式结构，例如，钽/不同组成的氮化钽/钽(Ta/Ta_xN_1-x/TaN/Ta_xN_1-x/Ta)的结构，可取代传统的阻障层应用于铜金属化工艺。渐层式阻障层的优点包括，容易控制工艺条件，介层洞与着陆金属间具有较强的粘着性，具有较佳的阶梯覆盖力，以及延展性较大而不易断裂。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的申请专利范围；凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或等效替换，均应包括在权利要求书所限定的申请专利范围内。

Claims (15)

1.一种渐层式阻障层，其特征在于包含：

第一金属层，其中所述第一金属层是由下列所选出，第一钽金属层，第一钛金属层，及第一钨金属层；

组成随厚度变化的一金属盐复合层；及

第二金属层，其中所述第二金属层是由下列所选出，第二钽金属层，第二钛金属层，及第二钨金属层。

2.如权利要求1所述的渐层式阻障层，其特征在于，所述形成的金属盐至少包含钽元素及氮元素。

3.如权利要求2所述的渐层式阻障层，其特征在于，所述组成随厚度变化的该金属盐复合层至少包含，数个不同组成的一氮化钽复合层Ta_xN_1-x，钽元素含量x于为0.5到1之间变化。

4.如权利要求2所述的渐层式阻障层，其特征在于，所述组成随厚度变化的该金属盐复合层至少包含，数个Ta_x1N_1-x1层，一氮化钽层，及数个Ta_x2N_1-x2层，其中，x1递减于1到0.5之间，x2递增于0.5到1之间。

5.如权利要求4所述的渐层式阻障层，其特征在于，所述第一钽金属层与该数个Ta_x1N_1-x1层的总厚度为10到100埃之间。

6.如权利要求4所述的渐层式阻障层，其特征在于，所述氮化钽层的厚度为100到200埃之间。

7.如权利要求4所述的渐层式阻障层，其特征在于，所述该数个Ta_x2N_1-x2层与该第二钽金属层的总厚度为100到200埃之间。

8.一种形成一渐层式阻障层于一底材的方法，其特征在于包括以下步骤：

形成一第一钽金属层于该底材上；

形成组成随厚度变化的一金属盐复合层于该第一钽金属层上；及

形成一第二钽金属层于该数个不同组成的该金属盐复合层上。

9.如权利要求8所述的形成该渐层式阻障层的方法，其特征在于，所述形成该第一钽金属层的步骤至少包括于化学气相沉积过程中通入一第一反应气体，以形成该第一钽金属层。

10.如权利要求9所述的形成该渐层式阻障层的方法，其特征在于，所述组成随厚度变化的该金属盐复合层的步骤至少包括以通入不同流量的一第二反应气体，与该第一反应气体反应，以形成该数个不同组成的该金属盐复合层。

11.如权利要求10所述的形成该渐层式阻障层的方法，其特征在于，所述形成该第二钽金属层的步骤至少包括停止通入该第二反应气体，利用该第一反应气体，以形成该第二钽金属层。

12.如权利要求8所述的形成该渐层式阻障层的方法，其特征在于，所述组成随厚度变化的该金属盐复合层的步骤至少包括形成数个不同组成的一氮化钽复合层Ta_xN_1-x，其中，钽元素含量x于0.5至1之间变化。

13.如权利要求12所述的形成该渐层式阻障层的方法，其特征在于，所述组成随厚度变化的该金属盐复合层的步骤至少包括：

形成一第一组成的该氮化钽层Ta_x1N_1-x1，其中，x1小于1且大于0.5；

形成一第二组成的该氮化钽层TaN；及

形成一第三组成的该氮化钽层Ta_x2N_1-x2，其中，x2大于为0.5，且小于1。

14.如权利要求8所述的形成该渐层式阻障层的方法，其特征在于还包括执行一热循环步骤。

15.一种形成一渐层式阻障层于一底材的方法，其特征在于包括：

形成一第一钽金属层于该底材上；

形成数个不同组成的一第一氮化钽复合层Ta_x1N_1-x1于该第一钽金属层上，其中x1递减于1至0.5之间；

形成一氮化钽层于该数个不同组成的该第一氮化钽复合层；

形成数个不同组成的一第二氮化钽复合层Ta_x2N_1-x2于该氮化钽金属层上，其中x2递增于0.5到1之间；及

形成一第二金属层于该数个不同组成的该第二氮化钽复合层上。

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