專利名稱：金屬線路銅背端的漸層式阻障層的制作方法
技術領域：
本發明有關一種形成漸層式阻障層的方法，特別是一種有關形成超大型集成電路(VLSI)金屬線路銅背端(copper back end of the line，BEOL)的漸層式阻障層的方法，其具有鉭/不同組成的氮化鉭/鉭(Ta/TaxN1-x/TaN/TaxN1-x/Ta)的復合式結構。
背景技術：
當圖形尺寸不斷縮小，銅因為具有較金屬鋁為佳的應力及電致遷移特性，以及較低的阻抗，而使得銅金屬化工藝被公認為是高集成度的集成電路中，可靠度佳及效能高的內連線工藝。然而，銅非常容易擴散到多種材料，包括金屬或非金屬，而影響到絕緣材料的介電常數。例如，當銅擴散到如氧化硅的內金屬介電層(inter-metal dielectric，IMD)會造成相鄰導線間的漏電流，及減低內層介電層(inter-level dielectric，ILD)的崩潰場(breakdown field)。因此，為改善銅內連線工藝上的困難，便促進了阻障層的發展，以避免銅擴散發生。
圖1是集成電路的銅金屬化工藝應用示意圖。圖中所示包括數十毫微米(nm)的氮化鉭層(TaN)108及鉭金屬層(Ta)110的阻障層，包夾于雙鑲嵌結構的銅金屬層112及如氧化硅的內金屬介電層106之間，并且與底材100中的銅金屬結構102電性相連。內金屬介電層106通常形成于覆蓋在底材100上的作為保護層的氮化硅層104上。必須一提的是，氮化鉭是防止銅擴散較佳的阻障層，且氮化鉭與絕緣材料的粘著性適當。而鉭金屬雖與氧化類介電層的粘著性較差，卻是形成銅晶種(copper seed)較佳的材料。因此，鉭金屬層通常是形成于氮化鉭層上，用以強化銅與氮化鉭之間的粘著性。于傳統的銅金屬工藝中，利用氧化類介電材料形成內金屬介電層時，阻障層的氮化鉭層108與銅金屬層102之間并不會有顯著的粘著性問題。因此，傳統的阻障層主要的作用是于金屬線路銅背端(BEOL)中，避免銅由結構102及112擴散，如箭號所示。
然而，于新的低介電常數的內金屬介電材料系統中(low-k IMD)，因為低介電常數材料210具有較大的熱膨脹系數，而且氮化鉭層108與銅著落墊102的粘著性較差，使的氮化鉭108與銅著落墊102間的介面212粘著非常弱，而容易分離，如圖2所示。此外，氮化鉭易脆的特性也容易造成斷裂。這些因素會造成電性不連續的問題，更嚴重的甚至無法通過可靠度的測試，例如，熱循環測試(thermal cycle test，TCT)及應力遷移測試(stress migration，SM)。因此，為解決應用低介電常數材料時產生的粘著性問題，發展出許多的方法，氬先行處理技術(Ar-preclean technique)即為其中之一。
氬先行處理技術的重點為先去除介層洞底部的氮化鉭，然后再形成鉭金屬層，使鉭金屬層直接接觸銅表面，以加強粘著性。然而，因為介層洞底部的氮化鉭層非常的薄，使得氬先行處理的工藝條件非常難以控制。因而產生了許多副作用，進而造成可靠度的問題，例如，微溝渠(mtcor-trench)的形成，介層洞底部的材料再沉積于側壁(material re-deposition)320，以及溝渠底部的阻障層薄化現象(barrier thinning)。微溝渠的形成是因為不均勻的過度蝕刻。而介層洞底部的材料甚至包括其下的銅，再沉積于側壁或濺鍍至低介電常數的介電層，更增加了電性不連續的機會，且改變低介電常數的介電層的特性。另外，當介層洞底部的氮化鉭層108移除后，溝渠底部的部分氮化鉭層也會同時去除，造成阻障層薄化現象，嚴重時甚至完全將氮化鉭層去除，分別如標號330及340所示。
發明內容
本發明的目的為提供一種形成漸層式阻障層(gradient barrier)的方法，使其具良好的長晶表面以供銅金屬沉積于上，具有優良的阻障特性，可避免銅向外擴散，該形成的阻障層具有低金屬擴散系數，良好粘著性，延展性高及理想的階梯覆蓋力。
為實現上述目的，根據本發明一方面提供一種漸層式阻障層，其特點是包含第一金屬層；數個不同組成的一金屬鹽復合層；及第二金屬層。
根據本發明另一方面提供一種形成一漸層式阻障層于一底材的方法，其特點是包括以下步驟形成一第一金屬層于該底材上；形成數個不同組成的一金屬鹽復合層于該第一金屬層上；及形成一第二金屬層于該數個不同組成的該金屬鹽復合層上。
根據本發明又一方面提供一種形成一漸層式阻障層于一底材的方法，其特點是包括形成一第一鉭金屬層于該底材上；形成數個不同組成的一第一氮化鉭復合層(Tax1N1-x1)于該第一鉭金屬層上，其中x1遞減于1至0.5之間；形成一氮化鉭層于該數個不同組成的該第一氮化鉭復合層；形成數個不同組成的一第二氮化鉭復合層(Tax2N1-x2)于該氮化鉭金屬層上，其中x2遞增于0.5到1之間；及形成一第二金屬層于該數個不同組成的該第二氮化鉭復合層上。
漸層式阻障層具有金屬/不同組成的金屬鹽/金屬的復合式結構，例如，鉭/不同組成的氮化鉭/鉭(Ta/TaxN1-x/TaN/TaxN1-x/Ta)的結構，可取代傳統的阻障層應用于銅金屬化工藝。而且漸層式阻障層可利用化學氣相沉積技術(CVD)或物理氣相沉積技術(PVD)形成。以化學氣相沉積為例，利用容易控制通入的反應氣體的特性，可逐漸調整鉭元素(Ta)及氮元素(N)的比例，以形成漸層式阻障層。以多標靶(multi-target)的物理氣相沉積為例，沉積數個不同組成的氮化鉭層(TaxN1-x)，然后于后續熱循環步驟如金屬合金步驟，內層間的擴散將造成鉭元素(Ta)與氮元素(N)間較平滑的分布曲線，而形成漸層式阻障層。漸層式阻障層的優點是容易控制工藝條件，介層洞與金屬墊間具有較強的粘著性，具有較佳的階梯覆蓋力，以及延展性較大而不易斷裂。
為更清楚理解本發明的目的、特點和優點，下面將結合附圖對本發明的較佳實施例進行詳細說明。
圖1是傳統阻障層避免銅擴散的橫切面圖；圖2是傳統阻障層于介層洞底部與接觸金屬間存在粘著性問題的橫切面圖；圖3是傳統阻障層利用氬先行處理技術所產生的副效應的橫切面圖；圖4A是本發明形成漸層式阻障層的橫切面圖；圖4B是本發明一實施例的漸層式阻障層的橫切面圖；圖5A是本發明另一實施例的漸層式阻障層的橫切面圖；及圖5B是本發明圖5A經熱循環處理后的漸層式阻障層的橫切面圖。
具體實施例方式
本發明的一些實施例將詳細描述如下。然而，除了詳細描述外，本發明還可以廣泛地在其他的實施例施行，且本發明的范圍不受其限定，而以權利要求書所限定的專利范圍為準。
參考圖4A，于一實施例中，本發明提供了一種漸層式阻障層(gradient barrier)它具有金屬/不同組成的金屬鹽/金屬的復合式結構，例如，鉭/不同組成的氮化鉭/鉭(Ta/TaxN1-x/TaN/TaxN1-x/Ta)的結構，以取代傳統的阻障層應用于銅金屬化工藝。如圖所示為具有導體結構410的底材400，它可以是任何半導體制作階段的底材，例如，銅金屬化工藝階段具有銅著落墊(landing pad)410的底材400。如氮化硅的惰性層430選擇性地形成于具銅著落墊410的底材400上，以維護銅的電傳導特性。雙鑲嵌結構的漸層式阻障層450形成于如低介電常數(low-k)或氧化型(oxide-like)的介電層440內。同時也可以運用本發明形成用以防止銅由銅著落墊410擴散至介電層440的阻障層420。然后，一金屬層460形成于漸層式阻障層上，以完成雙鑲嵌內連線。必須一提，漸層式阻障層是包夾于金屬層460及介電層440之間，且與銅著落墊410電性相連，以防止金屬材料向外擴散。
漸層式阻障層450是依序形成的金屬/不同組成的金屬鹽/金屬的復合式結構。首先形成的金屬層可以是任何與其下導體結構(如此例的銅著落墊)，具有良好粘著性的金屬層，而且延展性較大，當以低介電常數材料作為內金屬介電層時，不會因后續的熱循環步驟造成斷裂，例如，鉭(tantalum)，鈦(titanium)，鎢(tungsten)金屬層。不同組成的金屬鹽復合層具有較佳的阻障特質，可防止其上的導電層材料擴散至介電層。之后形成的金屬層具有良好的長晶表面，以供金屬材料沉積金屬層于其上。當不同組成的氮化鉭復合層(TaxN1-x復合層)包夾于兩金屬層中，作為避免銅擴散的金屬鹽復合層時，鉭金屬因為與銅具有較佳的粘著性，階梯覆蓋力較好，適合銅晶種的形成，且制作容易控制，所以是做為先后形成的金屬層的適當材料。
參考圖4B，圖中示出具有鉭/不同組成的氮化鉭/鉭，即Ta/Tax1N1-x1/TaN/Tax2N1-x2/Ta的結構的漸層式阻障層450。鉭金屬層與第一不同組成的氮化鉭層(Ta與Tax1N1-x1)的厚度總合，約為10至100埃(angstrom)之間，如圖4B的第一區域I所示。其中Tax1N1-x1所含的金屬成分(Ta)隨著厚度的增加而遞減，直到鉭與氮的比例(Ta/N)為1。也即，x1約是介于1到0.5的遞減數。依據圖4B上的第二區域II所示，氮化鉭(TaN)的厚度大約介于100至200埃之間。而鉭金屬層與另一不同組成的氮化鉭層(Ta與Tax2N1-x2)的厚度總合，約為100至200埃之間，如圖4B的第三區域III所示。其中Tax2N1-x2所含的金屬成分(Ta)由鉭與氮的比例(Ta/N)為1，隨著厚度的增加而遞增，直到幾乎為百分的百的氮金屬。也即，x2約是介于0.5到1的遞增數。
本發明同時提供一種形成漸層式阻障層450的方法。漸層式阻障層可利用化學氣相沉積技術(CVD)或多標靶的物理氣相沉積技術(PVD)形成。以化學氣相沉積為例，于另一實施例，利用容易控制通入的反應氣體的特性，可逐漸調整鉭元素(Ta)及氮元素(N)的比例，以同位形成漸層式阻障層。再次參考圖4A，本發明步驟至少包括，提供一具有導電結構410于其內及內介電層440于其上的底材400。如氮化硅的惰性層430選擇性地形成于具內介電層440之下，以維護導電結構的電傳導特性。然后利用傳統的雙鑲嵌工藝，例如，自行對準，先行形成介層洞，或先形成溝渠的雙鑲嵌步驟，形成雙鑲嵌的圖形，其包括溝渠及介層洞開口。
然后，利用化學氣相沉積工藝，形成具有金屬/不同組成的金屬鹽/金屬的復合式結構的漸層式阻障層450于具雙鑲嵌圖形的底材400上。換句話說，利用控制通入的反應氣體的技巧，通入第一反應氣體，以形成第一金屬層于內介電層440上，并覆蓋雙鑲嵌的溝渠及介層洞的側壁及底部。然后，逐漸調整通入的第二氣體，形成數個具不同組成的金屬鹽于第一金屬層上。再形成第二金屬層于數個具不同組成的金屬鹽復合層上。以第一及第二金屬層為鉭金屬，且金屬鹽組成成分為鉭元素(Ta)及氮元素(N)來說明。利用對通入反應氣體的控制，第一鉭金屬層形成于介電層440上。然后，逐漸調整通入的氮氣流量，數個不同組成的氮化鉭層(TaxN1-x)形成于第一鉭金屬層上。此外，數個不同組成的氮化鉭層(TaxN1-x)可以具有類似圖4B的組成。也即，逐漸增加通入的氮氣形成如第一區域I的氮化鉭復合層。當鉭/氮比例趨近于1時，維持通入氮氣的流量，直達到預設的厚度如第二區域II所示。然后，逐漸減少氮氣流量直到趨近于零，形成如第三區域III的復合層。接著，停止通入氮氣，第二鉭金屬層就形成于數個不同組成的氮化鉭層(TaxN1-x)上。然后，再形成一如銅金屬層導體層460于漸層式阻障層450上，以形成雙鑲嵌內連線結構。必須一提的是，同時也可以運用本發明形成用以防止導體材料由導體結構410擴散至介電層440的阻障層420。
于再一實施例中，利用物理氣相沉積技術(PVD)形成具有金屬/不同組成的金屬鹽/金屬的復合式結構的漸層式阻障層。物理氣相沉積技術包括，多標靶(multi-target)的濺鍍型的沉積技術，及金屬離子等離子體技術(ion metal plasma，IMP)。同時參考圖4A及圖5A，于雙鑲嵌的溝渠及介層洞開口形成后，沉積數個不同組成的金屬鹽復合層。也即第一金屬層450a形成于介電層440上。然后，形成數個不同組成的金數鹽復合層于第一金屬層上，如圖所標示的450b，450c，450d，450e及450f。接著，形成第二金屬層450g于不同組成的金數鹽復合層上。然后，再形成一如銅金屬層導體層460于漸層式阻障層450上，以形成雙鑲嵌內連線結構。
以第一及第二金屬層為鉭金屬，且金屬鹽組成成分為鉭元素(Ta)及氮元素(N)來說明。以濺鍍沉積步驟，利用第一標靶(含100％Ta)，形成壁一鉭金屬層于介電層440上。然后，利用第二標靶(含約85％Ta)形成第一組成的氮化鉭層(TaxN1-x)于第一鉭金屬層上。接著依序形成鉭含量遞減的第二及第三組成的氮化鉭層(分別含約65％及50％Ta)450c，及450d于第一組成的氮化鉭層450b的上。之后，依序形成鉭含量遞增的第四及第五組成的氮化鉭層(分別含約65％及85％Ta)450e，及450f于第三組成的氮化鉭層450d的上。然后，形成第二鉭金屬層450g于第五組成的氮化鉭層450f上。然后于后續熱循環步驟如金屬合金步驟，內層間的擴散將造成鉭元素(Ta)與氮元素(N)間較平滑的分布曲線，而形成漸層式阻障層450，如虛線470所示。而漸層式阻障層的結構如圖5B所示，其具有類似圖4B的組成。必須強調的是，不同組成的氮化鉭復合層的數目，并非唯一且不受此實施例的5層所限。
本發明提供的漸層式阻障層具有金屬/不同組成的金屬鹽/金屬的復合式結構，例如，鉭/不同組成的氮化鉭/鉭(Ta/TaxNi-x/TaN/TaxN1-x/Ta)的結構，可取代傳統的阻障層應用于銅金屬化工藝。漸層式阻障層的優點包括，容易控制工藝條件，介層洞與著陸金屬間具有較強的粘著性，具有較佳的階梯覆蓋力，以及延展性較大而不易斷裂。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，并非用以限定本發明的申請專利范圍；凡其它未脫離本發明所揭示的精神下所完成的等效改變或等效替換，均應包括在權利要求書所限定的申請專利范圍內。
權利要求
1.一種漸層式阻障層，其特征在于包含第一金屬層；數個不同組成的一金屬鹽復合層；及第二金屬層。
2.如權利要求1所述的漸層式阻障層，其特征在于，所述第一金屬層是由一鉭金屬層、一鈦金屬層和一鎢金屬層之一組成。
3.如權利要求1所述的漸層式阻障層，其特征在于，所述形成的金屬鹽至少包含鉭元素(Ta)及氮元素(N)。
4.如權利要求3所述的漸層式阻障層，其特征在于，所述數個不同組成的該金屬鹽復合層至少包含，數個不同組成的一氮化鉭復合層(TaxN1-x)，其特征在于，鉭元素含量(x)于約為0.5到1的間變化。
5.如權利要求3所述的漸層式阻障層，其特征在于，所述數個不同組成的該金屬鹽復合層至少包含，數個Tax1N1-x1層，一氮化鉭層，及數個Tax2N1-x2層，其中，x1遞減于1到0.5之間，x2遞增于0.5到1之間。
6.如權利要求5所述的漸層式阻障層，其特征在于，所述第一金屬層為一鉭金屬層，且該鉭金屬層與該數個Tax1N1-x1層的總厚度為10到100埃之間。
7..如權利要求5所述的漸層式阻障層，其特征在于，所述氮化鉭層(TaN)的厚度為100到200埃之間。
8.如權利要求5所述的漸層式阻障層，其特征在于，所述第二金屬層為一鉭金屬層，且該數個Tax2N1-x2層與該鉭金屬層的總厚度為100到200埃之間。
9.如權利要求1所述的漸層式阻障層，其特征在于，所述第二金屬層是由一鉭金屬層、一鈦金屬層及一鎢金屬層之一所組成。
10.一種形成一漸層式阻障層于一底材的方法，其特征在于包括以下步驟形成一第一金屬層于該底材上；形成數個不同組成的一金屬鹽復合層于該第一金屬層上；及形成一第二金屬層于該數個不同組成的該金屬鹽復合層上。
11.如權利要求10所述的形成該漸層式阻障層的方法，其特征在于，所述形成該第一金屬層的步驟至少包括于化學氣相沉積過程中通入一第一反應氣體，以形成該第一金屬層。
12.如權利要求11所述的形成該漸層式阻障層的方法，其特征在于，所述形成該數個不同組成的該金屬鹽復合層的步驟至少包括以通入不同流量的一第二反應氣體，與該第一反應氣體反應，以形成該數個不同組成的該金屬鹽復合層。
13.如權利要求12所述的形成該漸層式阻障層的方法，其特征在于，所述形成該第二金屬層的步驟至少包括停止通入該第二反應氣體，利用該第一反應氣體，以形成該第二金屬層。
14.如權利要求10所述的形成該漸層式阻障層的方法，其特征在于，所述第一金屬層是一鉭金屬層。
15.如權利要求14所述的形成該漸層式阻障層的方法，其特征在于，所述形成該數個不同組成的該金屬鹽復合層的步驟至少包括形成數個不同組成的一氮化鉭復合層(TaxN1-x)，其中，鉭元素含量(x)于0.5至1之間變化。
16.如權利要求15所述的形成該漸層式阻障層的方法，其特征在于，所述形成該數個不同組成的該金屬鹽復合層的步驟至少包括形成一第一組成的該氮化鉭層(Tax1N1-x1)，其中，x1小于1且大于0.5；形成一第二組成的該氮化鉭層(TaN)；及形成一第三組成的該氮化鉭層(Tax2N1-x2)，其中，x2大于為0.5，且小于1。
17.如權利要求10所述的形成該漸層式阻障層的方法，其特征在于還包括執行一熱循環步驟。
18.一種形成一漸層式阻障層于一底材的方法，其特征在于包括形成一第一鉭金屬層于該底材上；形成數個不同組成的一第一氮化鉭復合層(Tax1N1-x1)于該第一鉭金屬層上，其中x1遞減于1至0.5之間；形成一氮化鉭層于該數個不同組成的該第一氮化鉭復合層；形成數個不同組成的一第二氮化鉭復合層(Tax2N1-x2)于該氮化鉭金屬層上，其中x2遞增于0.5到1之間；及形成一第二金屬層于該數個不同組成的該第二氮化鉭復合層上。
全文摘要
一種漸層式阻障層，它具有金屬/不同組成的金屬鹽/金屬的復合式結構，例如，鉭/不同組成的氮化鉭/鉭(Ta/Ta
文檔編號H01L21/3205GK1426097SQ01143889
公開日2003年6月25日 申請日期2001年12月12日 優先權日2001年12月12日
發明者劉富臺, 洪政裕, 游萃蓉 申請人:聯華電子股份有限公司