TW535254B - Barrier layer structure for copper metallization and method of forming the structure - Google Patents

Barrier layer structure for copper metallization and method of forming the structure Download PDF

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Description

535254 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（） 螢j月範圍： 本發明係關於銅金屬化之阻障層結構及形成該結構之 方法。 I明背景： 耐火金屬及其氮化物已於鋁金屬化技術中廣泛地使用 為襯墊/阻障層。例如，經常使用鈦及氮化鈦（Ti/TiN)來改 善附著力及減少鋁擴散至下層。但是，於先進之積體電路 製造中，漸漸地增加銅（Cu)及其合金用做金屬連接因為它 們具有比鋁還低的電阻率及較佳的電子漂移特徵。 在接觸器或介層結構中形成之銅金屬連接，可利用化 學氣相沉積（CVD)沈積氮化鈦阻障層以在接觸器或介層上 提供保形的同階覆蓋。然後再於氮化鈦阻障物上形成銅層 而填入該接觸器或介層。其後，使用諸如化學機械拋光之 平面化技術以移除位於接觸器或介層外部的銅/氮化鈦堆疊 而形成平面結構，該結構包括在接觸器或介層内部的銅 栓。通常，銅層可利用電鍍、CVD或物理氣相沉積（PVD) 法來形成。於電鐘實例中，通常於氮化鈦阻障層上形成相 當薄的銅種子層，以使隨後的銅電鍍容易。 雖然CVD氮化鈦可提供保形的同階覆蓋，於現在的銅 金屬化技術中則使用PVD之Ta及TaN做為阻障物材料，因 為於PVD之Ta或TaN表面上形成的銅層具有好的（in)方 位’此方位為想要的因為其可提供較好的電子漂移阻抗及 可改善生命週期。雖然其會限制同階覆蓋，但對現在的應 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------------------訂---------给|^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 535254 A7 B7 五、 發明說明（ 用來說做為阻障層之p VD的Ta或TaN性能已足夠。但是’ 對未來的應用來說需要能提供保形的同階覆蓋之CVD阻 障層。因此，目前正在進行形成改善的阻障層之需求，以 合適於未來數代的銅金屬化製程。 明目的及概诚： 本發明係關於金屬化之阻障層結構及形成該結構之 方法。本發明之具體實施例提供一種方法，其使用化學氣 相沉積形成第一阻障層、使用物理氣相沉積形成第二阻障 層及於第二阻障層上形成至少一層銅層。 1示簡單說明： 本發明之教導可使用下列詳細的說 的圖形而容易地了解，其中·· 佧奴著相關 第1圖闡明合適用來實行本發明的 八貫施例凌敕人 造系統； j <正合的製 第2圖為合適用來實行本發明之具 、實施例的物 ^ 積室之圖式表示圖； 里现相 >儿 第3圖為併入本發明之具體實施 ^ 灰造流程圖· 弟4a-e圖為進行金屬化製程之基材的部分 问， 第5圖為在氮化鈕層上使用物理氣相沉積截面圖， X-射線繞射光譜圖； 、v成之鋼層’其 第6圖為在氮化鈦層上使用化學 、 几積形成之翻爲甘 X-射線繞射光譜圖； 層’其 本紙張尺錢財關家標準（CNS)A4規格（210 X 297公餐 -----------I—警------- —訂---------缴一 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 535254 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（） 第7 a-b圖為沈積在二種不同基材上之銅層的掃描式電子 顯微圖； 第8圖為合適用來實行本發明的具體實施例之化學氣相沉 積室的圖式表示圖；及 第9圖為合適用來實行本發明之具體實施例的另一種物理 氣相沉積室之圖式表示圖。 為了容易了解，已儘可能使用相同的參考數字來指出 於圖中相同之共同元件。 圖號對照說明： 100-整合的製造系統 102-CVD 室 104-PVD 室 110-控制單元 1 12-CPU 114-支援電路系統 116-記憶體 118-軟體 120-訊號匯流排 202-真空室 204-氣體來源 206-幫浦系統 208-電源 2 10-標的 212-台座 238-冷凝器 214-擋板 216-起模機械裝置 2 1 8 -反應區域 220-基材 222-薄膜 224-電源 226-磁鐵 230-線圈 232-AC來源 234-加熱器電能供應器 236-電阻加熱器 400-基材 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------------------訂---------漆 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 535254 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（） 402-絕緣層 406-半導體層 404S-側邊 4 10-第二阻障層 414-金屬層 802-室主體 805-電阻加熱器 808-環狀幫浦管道 8 14-電源 840-蓮蓬頭 844-氣體注入器 864-環狀絕緣環 880-真空泵 9 14-標的 922-DC電能供應器 926-質量流量控制器 950-室 954-磁鐵 958-磁性偏轉線圈 960-網柵電極 962-不同的DC電能供應器 發明詳細說明： 本發明係關於金屬化 404-開口 404B-開口底部 408-阻障層 412-金屬種子層 800-CVD 室 804-台座 806-隙缝閥8 1 2 -定心玉募 816-RF來源 842-通道 850-製程區域 870-幫浦腔 890-基材 920-擋板 924-氣體來源 938-高密度控制器 9 5 2 -減低尺寸的電磁管 956-環狀磁鐵9 5 9 -中心軸 966-電能供應器 阻障層結構及形成該結構之 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------------------訂 ---- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
535254 五、發明說明（） 方法。本發明家已知未來的銅（Cu)金屬化應用需要使用具 有保形的同階覆蓋之阻障層（諸如其可使用化學氣相沉積 (CVD)來提供），以防止於接觸器、介層或溝槽的側邊處之 銅擴散。但是，本發明家亦熟知沈積在CVD氮化鈦阻障層 上的銅層不具有需要用來改善電子漂移特徵之強有力的 (111)結晶方位。 因此，根據本發明之具體實施例，該阻障層結構包括 一雙層，其中第一阻障層利用化學氣相沉積（CVD)形成及 罘二阻障層利用物理氣相沉積（PVD)形成。第一阻障層典 土地匕括種金屬或一種金屬氮化物，例如鎢（w)、鈥 (Ti)、鋰（Ta)、氮化鎢（WN)、氮化鈦（TiN)、氮化妲（TaN)、 三元的氮化物（諸如氮化鈦矽（TiSiN))及其它類似物。第二 阻障層包括一種金屬或其氮化物，例如耐火金屬或其氮化 物諸如Ta、TaN、w、簡、TUTiN、或三元的氮化物。 該CVD阻障層可提供側邊的阻障物保護，同時該ρν〇阻障 層可提供對隨後的銅沈積有好的界面，以進一步加強銅層 的（111)方位而改善對電子漂移的阻抗。 設備 本發明之製程可於單-的多室中、或具有PVD及CVD 室二者之整合的製造系統(例如，'组工具)中、或個別的 製造系統中進行。較佳地為使用整合的製造系統，因為基 材可保持在真空環境中以防止在製程步驟間的污染。整合 的製造系統之實例包括，主^ ^ 1 j匕祜 女木拉（ENDURA®)及仙朵拉 8 本紙張尺度適用中關家標準（CNS)A4規1 (210 X 297公£3 --一 ^---------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 535254 Α7 ________ Β7 五、發明說明（） (CENTURA®)平台與相關的製程室諸如VECTRA IMPtm、 SIPTM、協調及標準的 PVD室（Coherent and Standard PVD chamber)、或TxZTM CVD室及其它類似物一起使用。這些 整合的製造系統及室可從位於加州之聖克拉拉的應用材 料有限公司商業上購得。 第1圖描述出合適用來實行本發明的具體實施例之整 合的製造系統1 〇 〇之圖式表示圖（例如，安朵拉系統）。類 似的階段-真S晶圓製造系統揭示於1 9 9 3年2月1 6日由泰 普門（Tepman)等人主張之美國專利案號5，186,718，發表名 稱為”階段-真空晶圓製造系統及方法”，其以參考之方式 併於本文。於本文中顯示的系統1 00之特別的具體實施例 合適用來製造平面基材（諸如半導體基材），及可用來闡明 本發明之具體實施例’及不應用做本發明之任何觀點的範 圍限制。系統1 00典型地包括一組相連接的製程室，例如， CVD 室 102及 PVD 室 104。 本發明之方法可使用電腦程式產品或於傳統的電腦 系統中執行之微處理控制器做為工具。如闡明於第1圖， 控制單元110包括中央處理器單元（cpu)11 2、支援電路系 統（support circuitry) 114及含相關的控制軟體U8之記憶 體116。控制單元112用來自動化控制數個晶圓製程所需的 步驟-諸如晶圓運輸、氣體氣流控制、溫度控制、室排空 等等。在控制單元1 12及整合的製造系統ι〇〇之不同的構件 間的雙向通訊透過數條共同地指為訊號匯流排12〇的訊號 電纜來處理，某些電纜於第1圖中闡明。 9 本紙張尺度適用中關家標準（CNS)A4規格（21G X 297公爱) ------—- ---------------------訂----- (請先閱讀背面之注咅心事項再填寫本頁)
Mri 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 535254 A7 ---- B7 五、發明說明（） PVD言 第2圖闡明合適用來實行本發明之具體實施例的Pvd 室104之實例其截面圖。該Pvd室104包括真空室202、氣 體來源204、幫浦系統206及標的電源208。在真空室202 内部為標的2 1 0、可垂直地移動的台座2 1 2及包住反應區域 218的擋板214。起模機械裝置216與台座212結合以定出台 座2 1 2與標的2 1 0之相對位置。 基材220由台座21 2支持在室202中，及通常配置在離 標的210—段距離。台座212可在室202中使用起模機械裝 置2 1 6沿著垂直移動範圍移動。可使用連接至加熱器電能 供應器234之電阻加熱器236以將基材220維持至所需的製 程溫度。對需要較低溫度的製程來說，可使用接合至台座 2 1 2的冷凝器23 8來冷卻台座2 1 2至所需的操作溫度。 雖然標的210可包括絕緣體或半導體（其為欲沈積的材 料）’該標的2 1 0通常包括金屬，例如鈥（Ti)、麵（Ta)、鶴 (W)、銘（A1)、銅（Cu)、鎳（Ni)及其它類似物。此外，標的 2 1 0亦可包括數種組分以用來沈積多組分薄膜。該標的2 j 〇 結合至該標的電源208。 標的電源208可包括DC來源、無線電輻射頻率（RF)來 源或DC-脈衝來源。當施加電能至標的2丨〇時，電漿從反應 區域218的製程氣體中形成’包括離子、電子及中性原子。 若該標的電源208為DC或DC-脈衝，則標的210做為負偏壓 的陰極同時擒板2 1 4做為接地的陽極。若該標的電源2 〇 $ 10 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） I—警------- 丨訂----- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 535254 A7 ----------- Π7___ 五、發明說明（） 為RF來源，則擋板214典型地接地及於標的21〇之電壓相對 万；擋板214的典線電輻射頻率（典型地為ι3·56μΗζ)而不 同。於此實例中，電漿中的電子累積在標的21〇處以產生 自身-偏壓的電壓而對標的21〇負向地施加偏壓。 該電場加速該製程氣體離子朝向標的210而從標的 210濺射出標的粒子。這些標的粒子亦可於電漿中離子 化。此構造可使從標的21 〇濺射出及離子化之標的粒子能 夠沈積到基材220上以形成薄膜222。該擋板214會將反應 區域2 1 8中的濺射粒子及電漿氣體限制在室2〇2中，以防止 標的材料沈積在台座2 1 2下或標的2 1 0背面等不想沈積的 地方。 在濺射沈積期間，可將惰性氣體（諸如氬（Ar)、氙 (Xe)、氖（Ne)或某些其它的惰性氣體）導入真空室202中。 可使用幫浦系統206來控制室壓。例如，使用約1〇〇-24,000 瓦（更典型地約100-10,000瓦）的DC偏壓從惰性氣體產生 電漿以濺射標的2 1 0。使用電漿從標的濺射出標的材料及 將該材料沈積在基材220上。 PVD室1 04可包括其它構件以改善濺射沈積製程。例 如，電源224可結合至台座212以對基材220施加偏壓，以 控制於基材220上沈積的薄膜222。電源224典型地為具有 頻率，例如約400kHz，或在約350至約450kHz之間的AC來 源。當施加偏壓電源224時，會在基材220及台座212處會 引起負的DC補償（由於電子的累積）。於基材220處的負偏 壓吸引已離子化之濺射的標的材料。該標的材料通常在實 11 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---------------------訂---------綠- C請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) Α7
535254 五、發明說明（） 負上與基材220的正交方向吸引至基材22〇。諸如，與無加 偏壓的基材220比較，該偏壓電源224可改善沈積的材料之 同階覆蓋。 PVD室104亦可包括一磁鐵226或放置在標的21〇背面 的磁性次-組合物以產生最接近標的21〇的磁場。此外，線 圈23 0可最近地配置在擋板214内而在標的21〇及基材212 之間。該線圈230可包括單圈線圈或多圈線圈，當供給能 量時，其可幫助產生及維持在標的210及基材211間之電 漿。該製程熟知為離子金屬電漿（IMp)沈積。線圈23〇通常 連接至具有頻率例如約2MHz的AC來源232。VECTRA IMP 室之細部已揭示在1999年11月1曰共同地簽屬之美國專利 申請序號09/430,998中’發表名稱為”以重氣體賤射<IMp 技術”，其以參考之方式併入本文。 本發明之具體實施例亦可使用另一種含自身-離子化 電漿（S IP)之Ρ VD技術來進行。於SIP製程中，初始地使用 惰性氣體（諸如氬）激發成電漿。在電漿激發後，終止惰性 氣體氣流，及該沈積電漿使用產生自濺射標的之離子來維 持。當從標的濺射出之原子有足夠的數量離子化時此自身 -離子化的沈積電漿可持續，及以足夠高的能量吸引回標 的以提供做為濺射離子而取代更多典型的氬離子。此製程 可於SIPTM的PVD室中完成，此室可從位於加州之聖克拉 拉的應用材料有限公司購得。 第9圖為類似於已揭示在1997年5月8曰共同地簽屬於 申請中的美國專利申請序號08/854,008中，發表名稱為υ 12 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公f ) .-!%------- 丨訂---------缘j (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 535254 A7 ---------- B7 五、發明說明（） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 具有增加密度的電漿之持續自身_濺射反應器，，的室之圖 式表不圖’其以參考之方式併於本文。該室950的許多構 件類似於傳統的PVD室，例如，對標的9 i 4施加偏壓之DC 電能供應器922、用來控制提供從氣體來源924來之工作氣 體的負量流量控制器926、用來保護室95〇壁而隔離濺射材 料之擔板9 2 0及其它類似物。但是，還有一些可提供額外 的製程改良 < 特徵。例如，這些特徵包括減低尺寸的電磁 管952、網柵電極96〇及可施加相對於網柵96〇之偏壓的台 座 918。 減低尺寸的電磁管952(具有比於傳統的Pvd室中使用 的還小之尺寸）可包括一極為鈕扣磁鐵954及另一極為環 狀磁鐵956而面對標的914之背面。於磁鐵954、956背面之 磁性偏轉線圈95 8會限制磁場。具有減低尺寸的電磁管 952 ’可減低維持自身-離子化電漿所需的起始電能能階。 電磁管952可進一步配置在遠離室950的中心軸959處，及 繞著軸959圓形地掃描以改善濺射沈積的均勻性。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 可將配置在標的9 1 4及台座9 1 8間之網柵電極9 6 0接地 以ί疋供做為陽極，或可使用不同的DC電能供應器962施加 笔壓（佳地為正壓）’或此外，可以RF施加偏壓以增加電漿 舍度。但是’咸信對許多應用來說接地該網栅9 6 〇即足夠。 網栅電極960較佳地配置在儘量接近標的914以有效地作 為陽極，即，提供一平面幾何以防止電漿延伸至擋板 920(因此減少損失濺射離子），若不夠接近則會妨礙於高 凌度電聚9 3 8中的電子軌跡。諸如，網柵電極9 6 〇可提供增 13 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 535254 A7 __ B7 五、發明說明（） 加的電漿密度及在離子運輸上之其它的控制。 於此室中，於室950中的台座918可使用可選擇的電能 供應器9 6 6來施加電偏壓’特別是相對於網拇9 6 〇，其中該 電能供應器可為DC電能供應器、RF電能供應器或其組 合。此台座之偏壓可在各自獨立地施加電偏壓條件下相對 地進行，該條件為需要用來產生該電漿及增加該電漿離子 密度。因此，該台座之偏壓對高方向性的沈積（例如，對 填入高縱深比率的形狀部分來說，諸如接觸器、介層或溝 槽）及其它製程特徵來說可更自由地最佳化。 CVD室 第8圖闡明合適用來進行本發明之製程的cvd電漿室 之圖式截面圖。例如，此CVD室之細部已揭示於1998年12 月8日共同地簽屬之美國專利案號5,846,332中，發表名稱 為”於化學氣相沉積室中之熱漂浮台座軸環”，及於1999年 11月30日共同地簽屬之美國專利案號5,993,91 6中，發表名 稱為”具改善產量及產率之基材加工方法”，二者以參考之 方式併於本文。CVD室800適合於減壓環境下操作，該減 壓環境可經由幫浦管道8〇8連接至真空泵880而形成。室 800包括室主體802及裝載著欲加工的基材890之台座 804。基材890透過隙縫閥806傳進及傳出室8〇〇,及使用定 心環8 1 2放置在台座8 0 2中心。合適的機械傳遞組合可將基 材傳進及傳出系統，而該組合諸如描述在199〇年8月28日 共同地簽屬之美國專利案號4,951，601中，發表名稱為，，多 14 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------------------訂---------缴^!· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 535254 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（） 室整合的製造系統”，全文以參考之方式併於本文，。 在製程期間’基材890放置在儘量接近至氣體分佈面 板或蓮蓬頭840處，其包括大量的通遒842以讓從氣體注入 器844來的製程氣體流入室8〇〇内部的製程區域850。當製 程氣體在加熱的基材890處反應時，在基材890表面上發生 薄膜沈積。隨後地將任何過量的製程氣體及副產物透過連 接至幫浦腔870之環狀幫浦管道808抽出室800。 第8圖之CVD室8 00可以二種模式操作，熱式及電漿_ 促進式。於熱模式中，電源814提供電能至台座804的電阻 加熱器805。台座802及基材890因此維持在足以熱活化 CVD反應的高溫。於電漿-促進模式中，從rf來源8 16來的 RF電能施加至蓮蓬頭840以作為上電極。蓮蓬頭840使用環 狀絕緣環8 6 4 (典型地由不導電的陶瓷製造）與室8 〇 〇的基 座電絕緣。由RF來源8 1 6施加足夠的電壓及電能以在製程 區域850中從製程氣體產生電漿。將室8〇0設計成可減少在 不同的室構件上不想要的沈積-例如，將定心環8 1 2的溫度 維持在比台座8 0 4低，如此可減少於定心環之薄膜沈積。 CVD室800可使用於具不同前驅物氣體之熱或電漿促 進的CVD方法，該前驅物包括金屬有機前驅物（例如，四_ (二基胺基）飲化合物）或四_化欽。 可將金屬有機前驅物，例如四（二甲基胺基）鈥 (Ti(N(CH3)2)4或TDMAT)，透過蓮蓬頭840注入室8〇〇。室 壓維持在範圍約0.01托耳至約50托耳中，同時台座8〇4將 基材890維持在溫度至少約l〇〇°c，或較佳地約3〇〇。匚_5〇〇 15 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ΙΦ4 —訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 535254 A7 B7 i、發明說明（） °C。TDM AT之熱分解會於基材890上產生導電及保形的氮 化鈦層之沈積。 製程 第3圖為一製程流程圖，其闡明併入本發明之具體實 施例的金屬化方法。該製程程序可於含CVD及PVD室二者 之多室系統中執行。於步驟3 01中，例如第一阻障層使用 CVD於基材上沈積。該基材可包括具有開口之結構，諸如 於絕緣層中形成之接觸器、介層或溝槽。該開口可延伸過 絕緣層至下層導電或半導電層以形成金屬接觸。第一阻障 層可為一金屬、金屬氮化物或三元的氮化物，諸如Ti、Ta、 W、TiN、TaN、WN或TiSiN。依特別的應用或技術而定， 可使用不同的厚度做為第一阻障層。例如，對次-0·35微米 應用來說，適當的厚度為少於約3〇〇埃，例如，在約25及 約1 00埃之間，較佳地約5 〇埃。典型地，CVD阻障層的厚 度應該足夠’使得其可沿著開口側邊提供適當的阻障物保 護。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 根據本發明之具體實施例，然後於第一阻障層上沈積 第二阻障層’如顯示在步驟3〇3。第二阻障層可為使用pvD 沈積之金屬或金屬氮化物，例如Ta、TaN、Ti、TiN、W或 WN、或三元的氮化物。可使用不同的pvD技術諸如標準 濺射、IMP或SIP。該第二阻障層及該第一阻障層可形成一 雙層阻障物堆疊，而可有效地防止於隨後沈積的金屬層中 之金屬擴散至下層的導電或半導電層或至絕緣層。所需的 16 本紙張尺度_巾酬緖準(CNS)A4規i(2i〇x 297公餐7 535254
五、發明說明（） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第二阻障層厚度可依第一阻障層的厚度而定。例如，若使 用較厚的第一阻障層，則第二阻障層較薄即可足夠。通 常，可使用之第二阻障層厚度範圍在約25及約300埃之 間，較佳地約100埃。例如，若第一阻障層的厚度約5〇 = 則可使用的第二阻障層之厚度約100埃。依特別的應用或 技術而定，亦可使用其它厚度。 於步驟305中，可於第二阻障層上至少形成—層金屬 層。通常，該金屬層可使用不同的沈積技術諸如pvD或 CVD來形成。該金屬層較佳地就地沈積在第二阻障層上， 即，在相同的整合製造系統中或沒有將第二阻障層至曝露 大氣氛下。如此，可避免該阻障物及金屬層界面之不想要 的污染物。 於一個具體實施例中，該金屬層可為銅（Cu)層，其可 使用CVD或PVD沈積至不同的厚度，如闡明於步驟3〇7。 銅層之厚度為至少足以填滿於基材中的開口（例如，接觸 器、介層或溝槽）。 另一個具體實施例則由步驟3 〇 9及3丨丨來闡明。於步驟 3 09中’金屬種子層（例如，銅）可使用pvD(諸如IMp4 sip) 沈積在第二阻障層上。使用金屬種子層以使隨後的金屬本 體層之形成容易。可使用的金屬種子層厚度在約1〇〇及約 2000埃之間。於一個實例中，該銅種子層沈積在pVD阻障 層（例如，Ta或TaN)上。與在CVD阻障層上形成之銅層比 較’该產生的銅種子層具有加強的（丨1丨）方位。再者，P VD 之Ta或TaN層會對銅種子層提供一個好的界面而產生最 17 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ----------1.¾------ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂----- 535254 Α7 Β7 五、發明說明（） 小的銅結塊。於步驟3丨丨中，另一層銅層（或更通常地，金 屬本體層）沈積在PVD銅種子層上。此銅層經常使用電鐘 (ECP)來沈積’與其它技術諸如CVD或PVD比較，此方法 可以相當咼的沈積速率形成銅本體層。例如，對現在最多 的應用來說通常地使用約1〇,000埃的厚度，雖然亦可適當 地使用其它厚度至該裝置結構。 其後，含銅及阻障物結構之該基材可接受進一步的製 程步驟（無顯示）。例如，這些隨後的製程步驟可包括化學 機械拋光（CMP)，其用來形成平面化在開口内部的金屬 栓。 第4a-e圖為根據於第3圖中闡明的一個具體實施例，其 於金屬化製程的不同階段之基材的部分截面圖。第4a圖為 具有開口 404的基材400，而該開口於已沈積在下層導電或 半導電層406上之絕緣層402上形成。名稱，，基材”通常地指 為任何工件諸如半導體晶圓，其亦可包括其它在上面形成 的材料層。開口 404可為延伸至導電或半導電層406之表面 的接觸器、介層或溝槽，及該層406可包括矽、聚矽、銅、 鎢、導電矽化物及其它類似物。 第4b圖顯示出使用CVD沈積的第一阻障層408。第— 阻障層408可為一種金屬諸如Ti、Ta、W，或一種導電氮 化物諸如TiN、TaN、WN或TiSiN，及其它類似物。例如， 該沈積可於多種的CVD室中使用熱或電漿促進的方法來 進行。例如，TxZ的CVD室（可從位於加州之聖克拉拉的庭 用材料有限公司購得）可合適地用來沈積第一阻障層 18 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ----------：I— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
訂---------線I 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 535254 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ___B7 ______ 五、發明說明（） 408。如闡明於第4b圖，使用CVD可保形地沈積第一阻障 層408而在側邊404S上及於開口 404的底部404B二者提供 好的同階覆蓋。使用CVD形成之第一阻障層408相當適合 於具高縱深比率形狀之次微米應用，因為於側邊404S處需 要適當的同階覆蓋以避免不想要的金屬擴散進入絕緣層 402 ° 於一個闡明的具體實施例中，氮化鈦阻障層沈積自含 Ti的前驅物，諸如四（二甲基胺基）鈦（TDMAT)或其它有機 金屬化合物。於TxZ室中進行沈積，其使用惰性載體氣體 (例如，氦（He))於流速約375 seem下將TDMAT導入室中。 該氮化鈥阻障層於壓力約5托耳及溫度約380 °C對TDM AT 進行熱分解而沈積在基材400上。於此引用的製程參數意 欲闡明及可適當地調整以適合其它的應用、製程室及不同 的結構及尺寸之基材。 典型地使用電漿處理步驟來處理接著沈積的氮化鈦 薄膜。可就地進行該電漿處理而沒有從τ X z室中移開基 材。例如’處理電漿可藉由施加約7 5 〇瓦的無線電輻射頻 率（RF)電能至於TxZ室中的電極，從流速約3〇〇 sccm的氮 (NO及流速約450 sccm的氫（H,)之混合物而產生。典型地 於壓力約1.3托耳及溫度約380它下進行該電漿處理。例 如，可使用該電漿處理來減低沈積薄膜的電阻率。於一個 具體實施例中，對50埃厚的薄膜來說在電漿處理之後可獲 得約300微歐姆-公分的薄膜電阻率。經了解亦可使用多種 的CVD技術來沈積其它金屬氮化物做為第一阻障層4〇8。 19 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210 X 297 ------------- 丨訂---------線ϋΡ" (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 535254 A7 -----B7 五、發明說明（） 例如’三元的氮化物（諸如TisiN)之形成可首先沈積一氮化 欽層’然後於含矽的環境（例如，矽烷）下處理該氮化鈦層 以形成TiSiN。此外，矽烷可加入至其它含Ti的氣體混合 物以形成TiSiN。 在形成CVD阻障層408後，形成第二阻障層410，如顯 示在第4c圖。根據本發明之具體實施例，使用Pvd技術（例 如’標準濺射、IMP或SIP)形成第二阻障層410,其可於多 種PVD室（諸如那些可從位於加州之聖克拉拉的應用材料 有限公司購得）中進行。該第二阻障層41〇典型地包括一金 屬或金屬氮化物，諸如Ta、TaN、Ti、TiN、W、WN，或 三元的氮化物諸如TiSiN，及其它類似物。雖然在開口 404 的側邊404S上形成相當薄的第二阻障層41〇(由於Pvd技 術不具有保形的本質），於側邊的金屬擴散仍然可使用本 發明之阻障物結構由於第一阻障層4〇8之存在而有效地防 止。 於一個具體實施例中，沈積在第一阻障層408上之Ta 或TaN層的厚度在約25及約300埃之間，較佳地約100埃。 該T a或T aN阻障層可使用適當的標的材料及製程氣體以 於技藝中熟知的製程條件下沈積。對使用IMP沈積的Ta來 說’將惰性氣體（例如，氬）於流速約3 5 seem，及壓力約35 毫托耳下導入IMP室。該沈積較佳地於二個分離的階段進 行。於第一沈積階段中，電漿藉由施加約100〇瓦的DC電 能至Ta標的及一起施加約1 500瓦的RF電能至IMP室的線 圈而產生。該基材溫度可維持在少於約1 〇 〇 °C，包括例如 20 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） " ---------------------訂---------線* (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 535254 A7 -----B7 五、發明說明（） 室溫或華氏零下溫度。在此第一階段期間，於基材上在沒 有施加任何偏壓下繼續沈積Ta數秒。於第二沈積階段，施 加約350瓦的AC偏壓電能至基材，其它參數則與第一沈積 階段相同。第二沈積階段的時間通常與第一沈積階段相 同。例如，可獲得厚度約1 〇〇埃的以層，於各自的沈積階 段使用之沈積時間約3至5秒。可使用二階段沈積程序以最 佳化沈積的Ta層之均勻性。於其它具體實施例中，例如， 該Ta層410亦可於單一階段沈積中形成（不論基材有無施 加AC偏壓），或於多階段沈積下以不同的基材偏壓組合而 形成。經了解於本文中揭示的製程參數意欲闡明-例如， 合適於直徑約200毫米的加工基材。因為製程參數趨向於 與設備相關，它們可因其它製程應用、室結構及/或基材 尺寸而適當地調整。 此外，可使用IMP沈積TaN做為第二阻障層4 1 0。例 如，典型地可使用含惰性氣體及氮（N2)之製程氣體混合 物，而A氣體與濺射的Ta反應以產生TaN。於一個具體實 施例中，可於不同的階段沈積TaN層。在第一階段期間， Ar流速約56 seem而N2流速約35 seem。室壓維持在約35毫 托耳。電漿可藉由施加約1000瓦的DC電能至Ta標的，同 時施加約25 00瓦的RF電能至IMP室中的線圈而產生自製 程氣體混合物。該基材的溫度維持在約1 〇 〇。(3或較低（例 如，包括室溫或華氏零下溫度），TaN層在沒有對基材施加 任何偏壓下於基材上沈積。在第二沈積階段期間，對基材 施加約400瓦的AC電能偏壓，同時其它製程參數維持在與 21 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --------訂---------線 · 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 535254 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 五、發明說明（） 第一步驟相同的設定。在完成第二階段的TaN沈積後終止 A流動’同時於隨後的第三階段中維持ac偏壓、DC及RF 電能約2秒。在此第三階段期間，TaN層表面由於缺乏n2 流動而改質成富含Ta。經發現藉由形成富含丁&的TaN層表 面’可在阻障層及隨後沈積的金屬層之間獲得好的接觸電 阻。經了解此三階段TaN沈積意欲闡明，及於形成第二阻 障層410中可使用其它TaN沈積順序。再者，亦可適當地調 整不同的製程參數以適合不同的應用需要、製程室結構及 /或基材尺寸。 在形成第二阻障層410之後，然後形成金屬層412，如 顯π於第4c圖。根據本發明之一個具體實施例，該金屬層 412為可使用！>¥1)(例如，1厘？或311>)形成之銅（(：11)種子層， 及典型地沈積至厚度在約1〇〇及約2000埃之間。可使用不 同的PVD室使用於技藝中熟知的製程參數來形成銅種子 層412。於使用SIP室的典型具體實施例中，首先施加約 6 000瓦的DC電能至銅標的從Ar氣流激發出電漿。一旦產 生電漿則終止Ar氣流，及將DC電能增加至約24,000瓦，或 在約500及約3 0,000瓦之間。不像IMP製程，該電漿使用鋼 離子本身（因此名為”自身離子化的電漿”）來持續，而不需 要施加RF電能至線圈。典型地，亦使用約1 75瓦的ac電能 以對基材施加偏壓，其維持在約室溫或較低（例如，2(rc 或華氏零下溫度）。可藉由對基材施加偏壓而改善沈積的 均勻性及同階覆蓋。 當使用PVD於PVD之Ta或TaN層410上沈積銅種子層 -----------.1¾------- 丨訂---- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 緣«· 22 535254
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（） 412時，與沈積在CVD阻障層上的銅層比較，會產生具可 加強顆粒生長之好的（1 1 1)方位之銅層4 1 2。（ 1 1 1)方位對長 時間對抗電子漂移及壓力漂移之信賴度很重要。於PVD之 TaN層410上加強的（1 1 1)方位之銅層412 (比較至在CVD氮 化鈦層上的銅層）可使用二個X-射線繞射（XrD)光譜來闡 明，顯示在第5及6圖。 第5圖顯示出沈積在厚度約250埃之PVD的TaN層上之 500埃銅層的XRD光譜圖。第5圖之銅/TaN層結構已於約 3 5 0 °C的惰性大氣氛中退火約3 0分鐘。該XRD光譜顯示出 於角度約44度處（其為（111)方位的象徵）有強有力的波奪 (例如，約1200個計數）。雖然第5圖之銅層使用SIP沈積， 亦可使用其它PVD技術，因為加強的（ill)方位與用來形成 銅層之特定的PVD技術相當地無關。 加強的銅（1 1 1)方位進一步地藉由比較第5圖與第6圖 的XRD光譜而闡明。第6圖顯示出於厚度約5 0埃的CVD氮 化鈦層上形成之5 00埃銅層的XRD光譜。再次，該銅層使 用SIP形成及該銅/氮化鈦層結構約3 5 〇 °C下接受熱退火約 30分鐘。第6圖之XRD光譜顯示出很弱的（1 1 1)波峰，例如， 比沈積在P VD的T aN層上之銅層所獲得的還弱約1 7倍。需 注意於CVD的TaN層上形成的PVD銅層亦產生類似的結 果’即，弱的（1 11)方位，如顯示於第6圖。 除了加強的銅（1 1 1)方位外，P VD的Ta阻障層對銅金屬 化提供另一種優點。例如，該T a表面對隨後的銅沈積提供 好的界面（可形成具最小的結塊之銅種子層），及好的附著 23 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---------」||噘------- 丨訂--------- 線"！Γ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 535254
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（） 力特徵。此闡明於第7a-b圖，其為從”向外溼潤，，（dewetting) 實驗之掃描式電子顯微鏡（SEM)獲得的影像，其於各別地 在二層不同的下層上沈積之二層薄銅層（約30埃）上進 行。該向外除溼實驗包括在下層基材層上沈積該銅層，及 於、力350C的氲（H；2)中退火該基材約15分鐘。於理想的狀 況下’该鋼層將不具有任何結塊或從下層去積層。 第7a圖為在厚度約5〇埃的下層cvd氮化鈦層上之經 退火的30埃銅層之SEM影像。容易地觀察到形成小銅群或 結塊。此結塊通常不想要的，因為銅層之不均勻性會導致 隨後的電鍍銅本體層無均勻性。將此與第7b圖比較，其為 於本發明的下層阻障物雙層上之經退火的3〇埃銅層之 SEM影像。該雙層由沈積在厚度約5〇埃的cvd氮化鈦層上 之PVD的Ta層（約50埃）組成。於此實例中由於Pvd的Ta/ 銅界面之存在大大地改善銅結塊的問題。 第4d圖顯示出於金屬種子層412上的金屬層414隨後 沈積（或本體層）諸如銅。例如，銅本體層414可於 ELECTRAMtm Cu ECP 系統，或 ElectraTM Cu Integrated ECP(iECPTM)系統中使用電化學電鍍（Ecp)來形成，二系統 皆可從位於加州之聖克拉拉的應用材料有限公司購得。例 如’銅本體層414可從包括約〇·85Μ含適當的添加劑之硫酸 銅溶液於溫度約15°C下電鍍形成。該添加劑（熟知為
Electra plate X Rev· 1·0及 Electra plate Y Rev. 1.0)由 Lea Ronal of New York提供。由於該銅種子層412之較佳的 (111)方位，該銅本體層414亦形成加強的（1U)方位，而產 24 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------------— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線一 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 25 535254 A7 _B7_ 五、發明說明（） 生具改善的抗電子漂移或應力漂移之銅金屬連接。 雖然已顯示及詳細地描述數個併入本發明之教導的 較佳具體實施例，熟知此技藝之人士可容易地設計出許多 其它不同的具體實施例，但是其仍然併入這些教導。例 如，於本文揭示的CVD及PVD方法初始地用於闡明目的。 經了解本發明之具體實施例可使用多種CVD及PVD製程 條件於不同的室中進行。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

Claims (1)

  1. 535254 ABCD 第办//94 >4號靜 W年/用修正 六、申請專利範圍 1·一種銅金屬化之方法，該方法至少包括下列步驟： (a) 利用化學氣相沉積形成第一阻障層； (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) (b) 於第一阻障層上利用物理氣相沉積形成第二 障層；及 ~ (c) 於第二阻障層上形成一金屬層。 2·如申請專利範圍第1項之方法，其中該第 為罘—阻障層為一 金屬或金屬氮化物。 3·如申請專利範圍第2項之方法，其中該第一阻障層包括 一金屬，其選自鈦、鈕及鎢。 4·如申請專利範圍第1項之方法，其中該第—阻障層的厚 度在約25及約1〇〇埃之間。 5·如申請專利範圍第1項之方法，其中該第二阻障層包括 一金屬，其選自纽、数或鎢。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 6.如申請專利範圍第5項之方法，其中該第二阻障層為备 或氮化纽。 7·如申請專利範圍第1項之方法，其中該第二阻障層之厚 度在約25及約300埃之間。 26 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐） "~ ---- 535254 ABC 申請專利範圍 8·如肀請專利範圍第1項之方法， 其中該金屬層為銅 9·如申請專利範圍第8項之方 ^ ’其中步驟（c)至少包括： (d)於罘二阻障層上利用礼， 層；及 物理氣相沉積形成第一銅 (e)於第一銅層上形成第二 鋼層 10.如申請專利範圍第8項 的（111)方位。 之方法， 其中該銅層具有較佳 11·如申請專利範圍第9項之 <万法，其中該第 電鍍來沈積。 二銅層使用 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 I2.如申請專利範圍第1項之 ^ 万去，其中步驟（0至少包括： (d) 於罘二阻障層上形成一 ^ 種子層；及 (e) 於該種子層上利用電 电蝮形成一金屬層。 1 3 ·如申請專利範圍第1項之 … 去，其中步騾（C)至少包括： ⑷利用物理氣相沉積形成第一金屬層；及 ⑷於第-金屬層上利用化學氣相沉積形成第二金 屬層。 14·”請專利範圍第1項之方法，其中該金屬層利用化 學氣相沉積形成。 27 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) 訂* 華 535254 ABCD 申請專利範圍 15·如申請專利範圍第1項之方法，其中該第一阻障層為 金屬或金屬氮化物，其選自欽、纽、嫣、氮化欽、氛 化鈕、氮化鎢及氮化鈦矽；及該第二阻障層包括一金屬， 其選自鈕、鈦及鎢。 16·—種阻障層結構，其至少包括： 耐火金屬阻障層，其利用化學氣相沉積形成；及 耐火金屬氮化物阻障層，其利用物理氣相沉積於該 耐火金屬阻障層上形成。 17.如申請專利範園第16項之阻障層結構，其中該耐火金 屬阻障層包括一金屬，其選自鈦、鈕及鎢。 .......--_餐： (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1 8 ·如申凊專利範圍第1 6項之阻障層結構，其中該耐火金 屬氮化物阻障層包括一金屬，其選自备、鈥及嫣。 1 9 · 一種金屬化結構，其至少包括： 耐火金屬阻障層，其利用化學氣相沉積形成； 耐火金屬氮化物阻障層，其利用物理氣相沉積於該 耐火金屬阻障層上形成；及 第一金屬層，其於該耐火金屬象·化物阻障層上形 成。 28 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) 535254 六、申請專利範圍
    20.如申請專利範圍第19項之金屬化結構，其中該耐火金 屬阻障層選自鈦、氮化鈦、鈕、氮化鈕、鎢、氮化鎢及 氮化鈦矽。 21·如申請專利範圍第19項之金屬化結構，其中該耐火. 屬氮化物阻障層包括一金屬，其選自鈕、鈦及鎢。 “ 22·如申請專利範圍第19項之金屬化結構，其中該第— 屬層為於該耐火金屬氮化物阻障層上形成之種子層 該金屬化結構進一步包括於該種子層上形成之第一 金屬 層0 ........ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁 > 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 23·如申請專利範圍第22項之金屬化結構 屬層利用電鍍來形成。 24·如申請專利範圍第23項之金屬化結構 及該第二金屬層二者均包含銅。 25·如申請專利範圍第19項之金屬化結構 屬層利用化學氣相沉積或物理氣相沉積形成。 2 6 · —種銅金屬化之方法，該方法至少包·括下列步驟· 利用化學氣相沉積法沉積耐火金屬阻障層； 於該耐火金屬阻障層上利用物理氣相沉積法沉 29 其中 金 其中該種子 其中該第— 訂 層 金 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) 535254 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 火今屬氮化物阻障層； 於該耐火金屬氮化物阻障層上利用物理氣相沉積法 沉積一銅種子層；及 在足以形成一（1 1 1)結晶方位的條件下沉積一鋼層 於該銅種子層上。 •如申請專利範圍第26項之方法，其中該耐火金屬阻障 層包含一或更多金屬，其選自姮、欽及鎢所組成的群組 中。 28·如申請專利範圍第26項之方法，其中該耐火金屬阻障 層的厚度在約25埃及約100埃之間。 29·如申請專利範圍第26項之方法，其中該耐火金屬氮化 物阻障層包括一金屬，其選自妲、鈦及鎢所組成的群組 中。 ' 30·如申請專利範圍第26項之方法，其中該耐火金屬氮化 物阻障層為氮化鈕、氮化鈦、氮化鎢、氮化鈦矽或氮化 31·如申請專利範圍第％項之方法，其中該耐火金屬氮化 物阻障層之厚度在約25埃及約300埃之間。 30 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) ——：........-¾.........、可——.——華 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ABCD 535254 六、申請專利範圍 32.如申請專利範圍第26項之方法，其中該銅種子層係在 足以形成一（1 1 1)結晶方位的條件下沉積而成。 3 3 · —種銅金屬化之方法，該方法至少包括下列步驟·· 利用化學氣相沉積法沉積耐火金屬阻障層； 於該耐火金屬阻障層上利用物理氣相沉積法沉積耐 火金屬氮化物阻障層； 在足以形成一（1 11)結晶方位的條件下，於該耐火 金屬氮化物阻障層上利用物理氣相沉積法沉積一銅種子 層；及 在足以形成一（111)結晶方位的條件下沉積一銅層 於該銅種子層上。 .............::、耵——_——雜 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1A 3 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) 535254 f/_/糾,θ條正/更正/補兔
    116 118 控制單位 112 第1圖 CPU - i i己憶體 支援電 軟體 路系統 114
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