具有變化的銅金屬化成分的阻障層的制造方法

專利名稱：具有變化的銅金屬化成分的阻障層的制造方法
具有變化的銅金屬化成分的阻障層的制造方法
背景技術：
件，以及該集成電路的外部通信。用于通孔和溝槽互連金屬化的可
包括鋁合金和銅。隨著器件的尺寸持續減小到了45nm節點技術以及亞45nm ( sub-45-nm )技術，沿著高縱片黃比的形狀具有良好階梯覆蓋率，以提供無空隙的銅填充的要求變得更有挑戰性了。在45nm節點或亞45納米^支術中走向超薄和保形阻障的動才幾是減少阻障對通孔和連線電阻的影響。然而，銅在阻障層上不好的粘著性可能引起，在處理和熱加壓的過程中(熱加壓可能對電子遷移(EM)以及壓力引起的孔洞產生影響)，阻障層和銅之間的脫落。如圖1A所示，如大家所知，使用傳統的物理氣相沉積工藝(PVD)產生的，在4妄近互連結構100的頂端的阻障突出部101,在銅空隙填充過程中，由于不良的階梯覆蓋率，會引起金屬線和通孔內的空隙。如圖1A所示，阻障材料在底端角落102中的有限的沉積也是一個已知的問題，會帶來銅的擴散、電子遷移問題以及由壓力引起的孔洞。為了確保在底端角落中有足夠的阻障材料，需要在該互連結構中沉積足夠的阻障材料，這會導致銅填充期間的銅空隙。因此，需要一種更加^f呆形的阻障沉積工藝。除了階梯覆蓋率的問題，如氮化鉭(TaN)等阻障層能夠良好的粘著于電介質層150，然而，TaN和銅之間的粘著性是很差的。TaN是很好的銅擴散阻障。相反，如鉭等阻障層能夠良好的粘著于銅，但是與電介質層的粘著性就不那么好。盡管沉積TaN層lll來乂于互連結構進^亍布線，以佳J尋TaN4妄觸該電介質層150，并在后面為銅113沉積鉭層以與鉭112接觸是可能的，如圖1B所示。鉭層被用作襯墊層或膠合層。然而，兩個步驟的工藝是更加復雜的，并且該第一TaN使得互連結構的縱橫比更高，這會使后面鉭層的階梯覆蓋率問題更加惡化。鑒于上述問題，需要^是供一種沉積薄且〗呆形的阻障層的系統和工藝，該阻障層能夠與該互連結構周圍的電介質層間產生良好的粘著性，且與覆蓋該阻障層的銅層之間也產生良好的粘著性，從而能夠提升產量以及電子遷移性能，并降低銅互連中產生壓力導致的孔洞的危險。

發明內容
廣義上說，該實施方式通過提供改進的工藝和系統滿足了該需要，該改進的工藝和系統生產具有隨著薄膜厚度的增加而減少的氮濃度的阻障層。具有隨著薄膜厚度的增加而減少的氮濃度的阻障層使得具有高氮濃度的阻障層末端與電介質層有良好的粘著性，且具有低氮濃度(或富含金屬)的阻障層末端與銅有良好的粘著性。應當理解，本發明可以通過多種方式實施，包4舌方案、方法、工藝、裝置和系統。下面描述本發明的幾個創新性實施方式。
在一個實施方式中，^是供一種在互連結構上沉積阻障層的方法。該方法包括(a)提供原子層沉積環境，(b)在該原子層沉積環境中，在第一相4立沉積期間，在該互連結構上沉*積具有第一氮濃度的阻障層。該方法還包括(c)在該原子層沉積環境中，在第二相位沉積期間，繼續在該互連結構上沉積具有第二氮濃度的阻障層。
在另 一個實施方式中，提供一種在原子層沉積系統中在互連結構上沉積阻障層的方法。該方法包^舌在該原子層沉積系統中，在該互連結構上，沉積具有隨著薄膜厚度的增加而連續減少的氮濃度的
阻障層。
在另 一個實施方式中，提供一種在原子層沉積系統中在互連結構上沉積阻障層的方法。該方法包4舌在該原子層沉積系統中，在該互連結構上，沉積具有隨著薄膜厚度的增加而階梯狀減少的氮濃度的阻障層。通過下面的詳細描述，并結合附圖，以實施例的形式對本發明的原理估支了描述，本發明的其它方面和優點會變得顯而易見。


通過下述具體描述，結合附圖，能夠很容易地理解本發明，同類的參考數字代表同類的結構元件。圖1 A顯示了沉積有阻障層的互連結構。圖1B顯示了沉積有雙阻障層和銅層的互連結構。圖2顯示了沉積有阻障層和銅層的雙嵌入互連結構。圖3A顯示了具有在電介質層和銅層之間夾有阻障層的互連結構的一黃斷面。圖3B顯示了使用ALD工藝沉積在基板表面上的分子結構TaN阻障層。
圖3C顯示了具有隨著薄膜厚度的增加連續減少的氮濃度
的阻障層。圖3D顯示了具有隨著薄膜厚度的增加階梯狀減少的氮
濃度的阻障層。圖4顯示了示例性的ALD沉積周期。圖5A顯示了具有隨著薄膜厚度的增加連續減少的氮濃度的ALD阻障層的示例性沉積脈沖序列。圖5B顯示了具有隨著薄膜厚度的增加連續減少的氮濃度的ALD阻障層的另 一種示例性沉積月永沖序列。圖5C顯示了具有隨著薄膜厚度的增加連續減少的氮濃度的ALD阻障層的另 一種示例性沉積"永沖序列。圖5D顯示了具有隨著薄力莫厚度的增加連續減少的氮濃度的ALD阻障層的另 一種示例性沉積脈沖序列。圖6A顯示了具有隨著薄膜厚度的增加階梯狀減少的氮濃度的ALD阻障層的示例性沉積脈沖序列。圖6B顯示了具有隨著薄膜厚度的增加階梯狀減少的氮濃度的ALD阻障層的另 一種示例性沉積脈沖序列。圖7A顯示了具有隨著薄膜厚度的增加階梯狀減少的氮濃度的ALD阻障層的示例性沉積脈沖序列。圖7B顯示了具有隨著薄膜厚度的增加階梯狀減少的氮濃度的AL D阻障層的另 一 種示例性沉積力永沖序列
圖7C顯示了具有隨著薄膜厚度的增加階梯狀減少的氮濃度的ALD阻障層的另 一種示例性沉積3永沖序列圖8A顯示了示例性ALD沉積系統。圖8B顯示了另 一種示例性ALD沉積系統。
具體實施例方式提供了幾個示例性的沉積金屬阻障層的實施方式，從沉積的開始到沉積的最后氮濃度逐漸減少，以增強開始的金屬氮化物阻障層與電介質之間的粘著性，以及最后的鉭阻障層與銅之間的粘著性。應當理解，本發明可以通過多種方式完成，包括工藝、方法、裝置或系統。下面描述了本發明的幾個創新性實施方式。顯然，對本領域的技術人員來說，沒有此處所列的一些或全部技術細節，本發明仍然可以實玉見。圖2顯示了使用雙嵌入工藝序列圖形化之后的互連結構的示例性一黃斷面。該互連結構位于基纟反50上，并有電介質層115，該電介質層115是預先制造的，以在其內部形成金屬線IOI。該金屬線一^:是通過將溝槽刻蝕入該電介質層100，然后〗吏用導電金屬(例i口4同)i真充該溝沖曹而成的。在溝槽中有金屬阻障層120,用以阻止銅材料122擴散入該電介質層IOO。該阻障層120可以是由耐熱金屬化合物制成的，例如氮化鉭(TaN),鉭(Ta)，或這些膜的組合。也可以使用其它的阻障層材料。阻障層材料可以是其它的耐熱金屬化合物，包括但不限于，鈦(Ti)、鎢(W)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、鉬(Mo)、鈮(Nb)、釩(V)、釕(Ru)和鉻(Cr)，以及其它的。通常來說，耐熱金屬通常與活性元素例如氯(Cl)或氟(F)結合，并向其供應其它氣體以形成耐熱金屬化合物。例如，氯化4太(TiCU)、氟化鴒(WF6)、氯化鉭(TaCl5 )、氯化鋯(ZrCl4 )、氯化鉿(HfCl4 )、氯化鉬(MoCl5 )、氯化鈮(NbCl5 )、氯化釩(VC15)或氯化鉻(CrCl4 )可以被用作含耐熱金屬的化合物的氣體。阻障層102被沉積到該平坦化過的銅材料122上，以在刻蝕通孔114穿透上面的電介質材料106到該電介質阻障層102時，保護該銅材料122免于過早氧化。該電介質阻障層102也纟皮配置為具有選i奪性刻蝕停止以及銅擴散阻障的功能。示例性的電介質阻障層102包括氮化硅(SiN)或碳化硅(SiC)。該電介質層106被沉積到該電介質阻障層102上。該電介質層106可以由有機硅玻璃(OSG,碳摻雜氧化硅)或其它類型的電介質材料制成，優選地，該電介質材料具有低介電常數。示例性的氧化硅包括，PECVD非摻雜TEOS氧化硅，PECVD氟化硅玻璃(FSG )、 HDP FSG、 OSG、多孔OSG和碳摻雜氧化物(碳的氧化物)。低K電介質材料的介電常數為約3.0或更低。還可以使用商業上可獲得的電介質材料，包括美國加利福尼亞州圣克4立4立的AppliedMaterials乂^司生產的Black Diamond (I)禾口Black Diamond (11)，圣瓊4斤的Novellus Systems ^>司生產的Carol,亞利桑那鳳凰i成的ASMAmerica^^司生產的Aurora。或者，該電介質層可以^皮分為通孑L電介質層和溝槽電介質層。該通孔電介質層和該溝槽電介質層可以是由不同材并+制成的。；兄積完該溝槽電介質層106之后，具有該結構的基板50經過圖形化和刻蝕工藝，以使用已知技術形成通孔洞114和溝槽116。形成通孔洞114和溝槽116之后，沉積阻障層130和銅層132以布線并填充該通孔洞114和該溝槽116。該阻障層130可以是由
耐熱金屬制成的，例如氮化鉭(TaN)、鉭(Ta)、釕(Ru)或這些膜的混合組合物。也可以使用其它的阻障層初 H"。阻障層材津牛可以是其它的耐熱金屬化合物，包括但不限于，鈦(Ti)、鵠(W)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、鉬(Mo)、鈮(Nb)、釩(V)和鉻(Cr)，以及其它的。原子層沉積(ALD)，脈沖CVD或循環層沉積工藝可以用來獲得該阻障層的良好的階梯覆蓋。盡管這些是通常可以想到的材泮+,也可以z使用其它的阻障層材并牛。然后;冗積銅膜132以i真充該通孔洞114和該溝槽116。銅膜132填充該通孔洞114和該溝槽116之后，^吏用化學^L械拋光(CMP)使該基板50平坦化，以去除電介質層106表面上的
該銅材料(或銅冗余)和阻障層(或阻障冗余)。圖3 A顯示了互連結構的層的橫斷區域300的示意圖。金屬阻障層302被夾在電介質層301和銅層303之間。如上所述，該電介質-阻障交界層304應當是富含氮的，以纟是升該金屬阻障層302和該電介質層301之間良好的粘著性。該阻障-銅交界層305應當是富含阻障金屬的，以提升該金屬阻障層302和該銅層303之間良好的粘著性。為了確保該阻障層的良好的階梯覆蓋，需要使用ALD工藝沉積該阻障層，因為ALD工藝可以制造出具有更好的階梯覆蓋的更加保形的膜。圖3B描繪了基板350的示例性部分的橫斷面視圖，該基板350位于集成電路制造的一個階段，更具體地說，是在使用ALD工藝形成阻障層354的階段。圖3B中描繪的該示例性阻障材料是氮化鉭。通過將含鉭氣體？ 1入ALD工藝室，以在基板351的表面區域351T化學吸附含鉭化合物而形成鉭層352。.然后，所繪的氮層353化學吸附于鉭層352上，該鉭層352至少部分響應含氮氣體(例如氨)的引入。盡管不希望被理論約束，但是人們相信該氮層353是以類似的自我限制的方式形成的，像鉭層352—樣。每一個任意組合并直接互相接觸的鉭層352和氮層353形成子層354，不管其中的零個、任一個或兩個是不是單層的。連續進行子層354的形成，直到達到目標厚度355。該阻障層中的氮濃度可以連續變化，如圖3C所示，也可以隨著該金屬阻障層厚度的增加階梯狀減少，如圖3D所示。圖3D顯示了氮的濃度隨著厚度以三個階梯減少。然而，階梯的數目可以是兩個或者多于三個。當圖3D中的階梯是多個時，氮變化的樣式趨近于圖3C中所示的氮的濃度分布。如圖4所示，ALD沉積一般是用多個相互之間具有清洗的多個反應物的"永沖(例如兩個力永沖)完成的。對于金屬阻障沉積來說，含阻障金屬的反應物(M)的脈沖401被送到基板表面上，隨后是清洗氣體(P)的脈沖402。用作鉭等阻障金屬的含阻障金屬的反應物的實施方式包括但不限于五曱基乙基氮化鉭(PEMAT;Ta(NC2H5CH3)5 )、五二乙基氮化鉭(PDEAT, Ta[N(C2H5)2]5 )、五二甲基氮化鉭(PDMAT， Ta[N(CH3)2]5 )以及PEMAT、 PDEAT或PDMAT的一種或所有布f生物。其它的含鉭前體(precursors )包括〃f旦不限于叔丁基亞氨基三(二乙基氨基)鉭(TBTDET ),叔丁基亞氨基三(二曱基氨基)鉭(TBTDMT),及叔丁基亞氨基三(乙基曱基氨基)4旦(TBTEMT),以及TBTDET、 TBTDMT和TBTEMT的所有書亍生物。而且，其它的含4S前體包括 f旦不限于鉭的卣化物，例如TaXs,其中X是氟(F)、溴(Br)或氯(Cl),及其變種。清洗氣體的實施方式包括氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氫(H2 )、氮(N2 )及其組合。送至基板表面的含阻障反應物的脈沖401在該基板表面上形成阻障金屬(例如鉭)的單層。在一個實施方式中，清洗氣體的脈沖是等離子增強(或等離子輔助)氣體。該阻障金屬，例如鉭，固著于基才反表面上，該表面是由電介質桐H"制成的。該清洗氣體402從基板表面去除多余的含阻障金屬反應物401。在清洗氣體402的脈沖之后，反應物(B)的脈沖403被送至基板表面。該反應物(B)403可以是含氮氣體或含氫的還原氣體。如果該阻障金屬包含氮，例如TaN，該反應物(B) 403^艮可能包含氮。反應物(B) 403的實施方式包4舌氨(NH3)、氮(N2)和一氧4b氮(NO)。其它可以Y吏用的含氮前體氣體包括但不限于NxHy, x和y都是整數(例如N2H4)、氮氣等離子源、NH2N(CH3)2以及其它的。如果該阻障材料包含很少的氮或不含氮，該反應物(B)403可以是含氫的還原氣體，例如H2。在一個實施方式中，反應物(B)的脈沖403是等離子增強(或等離子輔助)的。"永沖403之后是清洗氣體脈沖404。圖4顯示了該阻障沉積脈沖的一個周期。在該阻障沉積力永沖的一個周期之后，就沉積了阻障沉積的一薄層(或一相)。進行多個周期，直到達到了想要的阻障層厚度。脈沖的持續時間為約100毫秒到約2秒之間。該阻障層的總厚度在約10埃到約50埃之間，優選地，在約20埃到30埃之間。圖5A顯示了反應物^永沖和清洗氣體樂:K沖的實施方式，作為圖3 C所示的在阻障層中實現氮含量連續減少的時間的函數。該沉積工藝開始于在該基板表面上應用含阻障金屬的反應物(M)的脈沖501。脈沖501后面是清洗氣體(P)的脈沖502,以從該基板表面去除多余的含阻障金屬的反應物501。然后，應用反應物氣體(B)的脈沖。因為隨著膜厚度的增加該阻障金屬層中氮的含量減少，所以用于脈沖503的該反應物氣體(B )應當包含氮。該月永沖503中的反應物與該基板上的該含阻障金屬的反應物(M )反應，以形成金屬氮化物(例如TaN)阻障層。該含氮氣體的實施方式包括氨(NKb)、氮(N2)和一氧化氮(NO),以及上面所述的其它含氮氣體反應物B。力永沖501、 502、 503以及504構成一個周期
(周期l)。第二個周期包括脈沖505、 506、 507和508。脈沖505跟脈沖501—樣。脈沖506跟脈沖502—樣。月永沖508跟脈沖504—樣。脈沖507與脈沖503使用同樣的反應物，然而脈沖507的持續時間
(tB2)比脈沖503 (tB1)短。更短的含氮氣體B的脈沖使得該阻障層內氮的濃度更低。周期持續到周期N。為了使氮的濃度從周期l到周
期2到周期N逐漸減少，反應物B的脈沖從周期2到周期N不應當充滿(或未充滿)該基一反表面。每一周期反應物B的月永沖的持續時間不斷減少，使得該沉積的阻障層中的氮的濃度的減少。在周期N結束時，阻障層達到了目標厚度。在一個實施方式中，反應物B的^^沖的持續時間為零秒，以使得該阻障上表面為富含金屬的。如上所述，反應物B和清洗氣體P的脈沖可以是等離子增強的。該等離子增強的清洗氣體可以使該阻障層更致密，也能敲掉附著于該阻障金屬的多余的分子。例如，該M前體PDMAT是具有化學化合物的大分子，連接在鉭分子上。在基板表面上的鉭被化學吸附之后，該化學化合物仍可以保持與鉭的連接。該清洗氣體或該反應物B的等離子可以敲掉連接在鉭上的多余的分子，/人而可以幫助反應物B與4S的反應。在一個實施方式中，還有一個最后的等離子處理，以進一步還原表面化合物為更加富含金屬的。該還原等離子可以包括氣體，例如氫氣或氨氣。該還原等離子可以包括惰性氣體，例如氬氣或氦氣。該最后的等離子處理也可以使該阻障層更加致密。在另一個實施方式中，在ALD工藝室內的沉積周期結束之后，該基々反凈皮移動到PVD工藝室以沉積阻障金屬薄層，該工藝被稱為阻障金屬閃光(barrier metal flash )。例如，如果該阻障金屬是鉭，該工藝#皮稱為被稱為鉭閃光。這使得該阻障上表面為鉭，鉭可以跟銅良好粘合。或者，該含阻障金屬反應物M的脈沖的持續時間隨著時間的增加而增加，然而該含氮氣體B的脈沖的持續時間隨著時間增加而減小，如圖5B所示。脈沖505'的持續時間tM2大于脈沖501'的持續時間tw,而脈沖506的持續時間tB2短于脈沖503的持續時間tw。該含阻障金屬反應物M的較長的脈沖及該含氮氣體B的較短的脈沖使得周期2中在阻障層內沉積的氮的濃度低于周期1中的氮的濃度。周期持續到周期N。隨著每一個周期中M的力永沖的持續時間的不斷增長及反應物B的"永沖的持續時間的不斷減少，帶來了該;兄積的阻障層中氮濃度的減少。在周期N結束時，該阻障層達到了目標厚度。在一個實施方式中，反應物B的脈沖的持續時間為零秒，以使得該阻障的上表面為富含金屬的。圖5C顯示了沉積工藝的另一種實施方式，該工藝可以產生隨著薄膜厚度的增加，該阻障層中氮含量減少的阻障層，如圖3C所示。在本實施方式中，在不同的沉積周期中，M和P月永沖〗呆持不變。反應物B是含氮化合物。反應物B的脈沖時間在各個周期中保持不變。然而，反應物B的脈沖中反應物B的濃度(或量)隨著每個沉積周期逐漸減小。如圖5C所示，脈沖553中反應物B的濃度高于脈沖557。隨著每個沉積周期中B的濃度(或量)的減少，氮的濃度隨著薄膜厚度的增加而減少。類似地，該沉積周期持續到周期N，在周
期N時達到了目標厚度。或者，該含阻障金屬反應物M的濃度隨著周期而增加，然而該含氮化合物B的濃度隨著周期而減少，如圖5D所示。這種組合也可以使得隨著薄膜厚度的增加阻障層中氮的含量的減少。如圖3D所示，另 一種創建在開始的層中具有高濃度的氮而在上表面具有較低濃度的氮(或沒有氮)的方式是創建具有階梯狀氮濃度的阻障膜。圖3D顯示了三個濃度等級。然而，其它的濃度等級也是可能的，只要氮的濃度隨著薄膜厚度的增加而減少。圖6A顯示了反應物和清洗氣體的實施方式，作為圖3D所示的在阻障層中實現氮含量減少的時間函教該沉積工藝開始于在該基板表面上應用含阻障金屬的反應物(M)的月永沖601。月永沖601后面是清;先氣體(P)的月永沖602,以從該基板表面去除多余的含阻障金屬的反應物601。然后，應用反應物氣體(B)的l永沖。因為隨著膜厚度的增加該阻障金屬層中氮的含量減少，所以用于脈沖603的該反應物氣體(B )應當包含氮。該月永沖603中的反應物與該基才反上的該含阻障金屬的反應物(M )反應，以形成金屬氮化物(例如TaN)阻障層，該阻障層具有圖3D所示的濃度C1。反應物B的脈沖603持續時間是Tm。該含氮氣體的實施方式包括氨(NH3)、氮(N2)和一氧化氮(NO)。上面所述的其它類型的含氮氣體也是可能的。^永沖601、 602、 603和604構成一個周期，以沉積具有C1等級的氮濃度的阻障層。該周期不斷重復直到該薄膜厚度達到了厚度tl (X周期)，如圖3D所示。第二種周期類型包括脈沖611、 612、 613和614，以沉積具有C2氮濃度的阻障層。脈沖611與脈沖601—樣。脈沖612與脈沖602—樣。脈沖614與脈沖604—樣。月永沖613與月永沖603^f吏用同樣的反應物，然而脈沖613的持續時間TB2比脈沖603的持續時間T^短。更短的含氮氣體B的脈沖使得該阻障層內氮的濃度更低。該周期不斷重復直到該阻障層達到了厚度t2 (Y周期)。然后，第三種周期類型包括脈沖621、 622、 623和624。反應物B的脈沖623的持續時間丁83比脈沖613的持續時間T b 2短。該周期不斷重復直到達到該阻障層的最終厚度(Z周期)。在Z周期結束時，阻障層已到其目標厚度。在一個實施方式中，反應物B的力永沖的持續時間為零秒，以佳j尋阻障上表面為富含金屬的。如上所述，反應物B和清洗氣體P的脈沖可以是等離子增強的。該等離子增強的清洗氣體可以使該阻障層更致密，也能敲掉附著于該阻障金屬的多余的分子。在一個實施方式中，還有一個最后的等離子處理，以進一步還原表面化合物為更加富含金屬的。該還原等離子可以包4舌氣體，例如氫氣或氨氣。該還原等離子可以包括惰性氣體，例如氬氣或氦氣。該最后的等離子處理也可以使該阻障層更加致密。在另一個實施方式中，在ALD工藝室內的沉積周期結束之后，該基板被移動到PVD工藝室以沉積阻障薄層，該工藝械: 稱為阻障閃光。例如，如果該阻障金屬是鉭，該工藝^皮稱為;f皮稱為 鉭閃光。這使得該阻障上表面為鉭，鉭可以跟銅良好粘合。圖6A中的沉積反應物和清洗氣體的脈沖濃度和持續時 間與圖5A類似，只是在圖5A中周期沒有重復，而在圖6A中周期是 重復的。類似地，圖5B中的該含阻障金屬的反應物M和含氮的反應 物B的持續時間同時發生變4匕這一思想，可以用于沉積具有階梯4犬 變化的氮濃度的阻障層。圖5B中的每個周期都以圖6A中所示的方式 重復，以獲得氮濃度的階梯狀變化。圖6B顯示了沉積工藝的另 一種實施方式，該沉積工藝可 以產生隨著薄膜厚度的增加，該阻障層氮含量減少的阻障層，如圖 3D所示。在本實施方式中，反應物B的脈沖時間在各個周期中保持 不變。然而，反應物B的脈沖中反應物B的濃度(或量)隨著每個周 期逐漸減小。如圖6B所示，脈沖653中反應物B的濃度高于脈沖663， 脈沖663中的反應物B的濃度又高于脈沖673。類似地，每個沉積周 期持續到達到目標厚度。在三種類型的沉積周期中，反應物B (包 含氮)的濃度的減少使得該沉積的阻障層具有隨著薄膜厚度的增加 而減少的氮濃度，如圖3D所示。如上所述，對于圖5B中的重復周期，為了沉積具有階梯 狀變化的氮濃度的阻障層，圖5D中的思想，該含阻障金屬的反應物 M和含氮的反應物B的持續時間同時發生變化，可以用于沉積具有 階梯狀變化的氮濃度的阻障層。圖5 D中的每個周期都以圖6A中所 示的方式重復，以獲得氮濃度的階梯狀變化。圖7A顯示了沉積工藝的另 一種實施方式，該沉積工藝可 以產生隨著薄膜厚度的增加，該阻障層氮含量減少的阻障層，如圖 3D所示。該沉積工藝開始于在該基纟反表面上應用含阻障金屬的反應物(M)的脈沖701。脈沖701后面是清洗氣體(P)的脈沖702,以 /人該基才反表面去除多余的含阻障金屬的反應物701。然后，應用反 應物氣體(B)的脈沖。因為隨著膜厚度的增加該阻障金屬層中氮 的含量減少，所以用于脈沖703的該反應物氣體(B)應當包含氮。 該脈沖703中的反應物(B)與該基板上的該含阻障金屬的反應物 (M)反應，以形成金屬氮4b物(例如TaN)阻障層，該阻障層具 有圖3D所示的濃度C1。月永沖701、 702、 703和704構成一個周期。該 周期不斷重復直到該薄膜厚度達到了厚度tl ( X周期)，如圖3D所示。第二種周期類型包4舌月永沖711、 712、 713和714，以沉積 具有C2氮濃度的阻障層。脈沖711與脈沖701—樣。脈沖712與脈沖 702—樣。脈沖714與月永沖704—才羊。月永沖713^f吏用反應物C,該反應 物C將與該含阻障金屬的反應物M發生反應以生成具有較低氮含量 C2的阻障層，C2小于M與反應物B反應生成的濃度C1。脈沖7U、 712、 713和714的周期不斷重復直到該薄膜厚度達到了厚度t2,如圖 3D所示。第三種周期類型包括脈沖721、 722、 723和724，以沉積具 有C3氮濃度的阻障層。脈沖721與脈沖701和711—樣。脈沖722與脈 沖702和712—樣。脈沖724與月永沖704和714—樣。脈沖723^f吏用反應 物D，該反應物D將與該含阻障金屬的反應物M發生反應以生成具有 較低氮濃度C3的阻障層，C3小于M與反應物C反應生成的濃度C2 。 脈沖721、 722、 723、 724的周期不斷重復直到該薄膜厚度達到了厚 度t3,如圖3D所示。B、 C、 D的脈沖時間和濃度可以是相同的，也 可以變化，B、 C、 D工藝可以是熱增強或等離子增強的。類似地， 使用清洗氣體P的工藝步驟可以是熱增加或等離子增強的。如上所述，反應物B和清洗氣體P的脈沖可以是等離子增 強的。該等離子增強的清洗氣體可以^使該阻障層更致密，也能敲掉 附著于該阻障金屬的多余的分子。在一個實施方式中，還有一個最 后的等離子處理，以進一步還原表面^f匕合物為更加富含金屬的。該還原等離子可以包括氣體，例如氫氣或氨氣。該還原等離子可以包 括惰性氣體，例如氬氣或氦氣。該最后的等離子處理也可以使該阻
障層更加致密。在另一個實施方式中，在ALD工藝室內的沉積周期 結束之后，該基板被移動到PVD工藝室以沉積阻障薄層，該工藝被 稱為阻障閃光。例如，如果該阻障金屬是鉭，該工藝^皮稱為^t旦閃光。 這使得該阻障上表面為鉭，鉭可以跟銅良好粘合。圖7A中的實施方式的替代實施方式是，增加該含阻障金 屬反應物M的持續時間或濃度701、 711、 721，以與B、 C、 D反應。
這種結合可以帶來阻障層中階梯狀增加的氮濃度。圖7B顯示了沉積工藝的另 一種實施方式，該沉積工藝可 以產生隨著薄膜厚度的增加，層氮含量減少的阻障層，如圖3D所示。 該沉積工藝開始于在該基板表面上應用含阻障金屬的反應物(Ma) 的脈沖751。脈沖751后面是清洗氣體(P)的脈沖752，以從該基4反 表面去除多余的含阻障金屬的反應物751。然后，應用反應物氣體 (B)的脈沖。因為隨著膜厚度的增加該阻障金屬層中氮的含量減 少，所以用于脈沖753的該反應物氣體(B)應當包含氮。該脈沖653 中的反應物與該基板上的該含阻障金屬的反應物(Ma)反應，以 形成金屬氮化物(例如TaN)阻障層。力永沖751、 752、 753和"4構 成一個周期，以沉積具有C1等級氮濃度的阻障層。該周期不斷重復 直到該薄膜厚度達到了厚度tl (X周期)，如圖3D所示。第二種周期類型包括脈沖761、 762、 763和764,以沉積 具有C2氮濃度的阻障層。脈沖761使用阻障金屬反應物Mb， Mb不 同于脈沖751中的Ma。脈沖762與脈沖752—樣。脈沖764與脈沖754 一樣。脈沖763使用反應物C,該反應物C將與該含阻障金屬的反應 物Mb發生反應以生成具有較低氮含量C2的阻障層，C2小于Ma與反 應物B反應生成的濃度C1。"永沖761、 762、 763和764的周期不斷重 復直到該薄膜厚度達到了厚度t2 (Y周期)，如圖3D所示。第三種周期類型包括脈沖771、 772、 773和774，以沉積具有C3氮濃度的阻障 層。脈沖771使用阻障金屬反應物Mc, Mc不同于脈沖751中的Ma 和月永沖761中的Mb。月永沖772與月永沖752和762—才羊。月永沖774與月永沖 754和764—樣。月永沖773^f吏用反應物D，該反應物D將與該含阻障金 屬的反應物Mc發生反應以生成具有較低氮濃度C3的阻障層，C3小 于Mb與反應物C反應生成的濃度C2。脈沖771、 772、 773、 774的周 期不斷重復直到該薄膜厚度達到了厚度t3 (Z周期)，如圖3D所示。 B、 C、 D的脈沖時間和濃度可以是相同的，也可以變化，B、 C、 D 工藝可以是熱增強或等離子增強的。類似地，使用清洗氣體P的工 藝步驟可以是熱增加或等離子增強的。用作鉭等阻障金屬的含阻障金屬的反應物的實施例包括 但不限于五曱基乙基氮化鉭(PEMAT; Ta(NC2H5CH3)5 )、五二乙基 氮化鉭(PDEAT, Ta[N(C2H5)2]5 )、五二甲基氮化鉭(PDMAT， Ta[N(CH3)2]5 )以及PEMAT、 PDEAT或PDMAT的一種或所有書亍生物。 其它的含鉭前體(precursors )包括<旦不限于*又丁基亞氨基三(二乙 基氨基)鉭(TBTDET)，叔丁基亞氨基三(二曱基氨基)鉭
(TBTDMT ),及叔丁基亞氨基三(乙基曱基氨基)鉭(TBTEMT )， 以及TBTDET、 TBTDMT和TBTEMT的所有書t生物。而且，其它的 含鉭前體包括但不限于鉭的卣化物，例如TaXs，其中X是氟(F)、 溴(Br)或氯(Cl)，及其變種。反應物B、 C和D的實施例包括氨
(NH3)、氮(N2)和一氧化氮(NO)。其它可以4吏用的含氮前體氣 體包括但不限于NxHy, x和y都是整數(例如NzH4)、氮氣等離子源、 NH2N(CH3)2以及其它的。如上所述，反應物B和清洗氣體P的脈沖可以是等離子增 強的。該等離子增強的清洗氣體可以使該阻障層更致密，也能敲掉 附著于該阻障金屬的多余的分子。在一個實施方式中，還有一個最 后的等離子處理，以進一步還原表面化合物為更加富含金屬的。該還原等離子可以包括氣體，例如氫氣或氨氣。該還原等離子可以包 4舌惰性氣體，例如氬氣或氦氣。該最后的等離子處理也可以^吏該阻
障層更加致密。在另一個實施方式中，在ALD工藝室內的沉積周期 結束之后，該基+反:故移動到PVD工藝室以沉積阻障薄層，該工藝祐: 稱為阻障閃光。例如，如果該阻障金屬是鉭，該工藝被稱為鉭閃光。 這使得該阻障上表面為鉭，鉭可以跟銅良好粘合。如圖7C所示，圖7B中的實施方式的替代實施方式是，在 圖7B的所有沉積周期中使用 一個單一的含氟反應物B。在X周期之 后，Ma與B反應以沉積具有Cl等級氮濃度的阻障層。在Y周期之后， Mb與B反應沉積具有C2'(小于C1 )等級氮濃度的阻障層。在Z周期 之后，Mc與B反應沉積具有C3'(小于C2')等級氮濃度的阻障層。圖8A描繪了示例性晶圓處理系統800的示意圖，該晶圓 處理系統800可以用來形成一個或多個具有此處所述的本發明的特 性的阻障層。系統800包含工藝室850、氣體面板830,以及其它的 硬件元件，例如電源806和真空泵802。為了更清晰的加以說明，下 面簡要描述工藝室850的突出特性。工藝室850大體容納支撐基座851，該基座851被用來支撐 工藝室850內的基板，例如半導體晶圓890。根據工藝要求，在形成 層之前，可以使用來自電源806的加熱能量將半導體晶圓8卯加熱到 所需的溫度或到某個所需的溫度范圍內。晶圓890可被維持在想要 的溫度范圍內，例如，約100。C到約400。C,優選地，約150。C到約 350。C。真空泵802被用來從工藝室850中抽出工藝氣體，以幫助 維持該工藝室850內的壓強為所需的壓強或在所需的壓強范圍內。 穿透室850壁的小孔82(H皮用來將工藝氣體引入工藝室850 。小孔820 的尺寸通常耳又決于工藝室850的尺寸。
氣體管831耦合于氣體面板830,通過氣體管831從三個或 更多的氣體源835、 836、 838向工藝室800供應工藝氣體。反應物源 835和836可以儲存在室溫下為液態相的前體，該前體后來在氣體面 板中時會被加熱以將其轉化為蒸汽氣相，以引入室850。氣體面板 830進一步一皮配置為容納然后供應清洗氣體到工藝室850，該清洗氣 體來自清洗氣體源838。在一個實施方式中，反應物源8354諸存M前 體，而反應物源836^f諸存上述反應物B。對于Y吏用多于一個M前體 (Ma、 Mb和Mc)的實施方式，可以4吏用多個反應物源835 ( 835a、 835b和835c)。類似地，對于4吏用多于一個B反應物(B、 C和D )的 實施方式，可以使用多個反應物源836 (836a、 836b和836c )。或者，該反應氣體可以祐:乂人該工藝室的 一側注射進去。 圖8B描繪了晶圓另 一種示例性晶圓處理系統870的示意圖，該晶圓 處理系統800可以用來形成一個或多個具有ot匕處所述的本發明的特 性的阻障層。在本實施方式中，該氣體管831'被耦合至氣體面板830 以通過該工藝室870的側壁供應工藝氣體到基板890的表面。在一個 實施方式中，該反應氣體被以層流的形式傳送至該基板8卯的表面。如上所述，在形成一個或多個阻障層的過禾呈中或形成之 后，基才反結構890可以^皮施以等離子工藝氣體，以反應或進4亍等離 子處理。盡管不希望^皮理i侖約束，該等離子處理，例如氬濺射，可 以幫助去除附著于該阻障金屬(例如鉭)的有^Mt合物，在該阻障 金屬被化學吸附在該基板表面上之后。附著于該阻障金屬的該有機 化合物是該阻障金屬前體的一部分。該等離子處理可以幫助從該阻 障層中去除雜質。該等離子處理還可以提升該阻障層的質量和密 度。參考圖8A，有一個或多個RF電源810和812。 RF電源810耦合于 噴淋頭860。噴淋頭860和晶圓支撐基座851提供了部分間隔開的電 極。該電極間產生電場，以激活引入室850的工藝氣體從而提供等離子。顯然，可以使用與該金屬阻障層相應的其它化學活性氣體，
以物理性取代金屬阻障層中的氮，包括但不限于氖(Ne)、氱(Xe)、 氦(He)和氫(H2)。通常，對于不與氮化鉭薄膜化學反應的等離 子氣體，需要有原子量更接近于氮而不是鉭的等離子氣體原子或分 子，以優先賊射氮。然而，也可以4吏用化學活性工藝，其中選用的 氣體可以^尤先反應以去除氮并留下鉭。上述各種實施方式中所描述的思想可以#1用來在該阻障 層內沉積具有增加的或減少的濃度的4匕合物的阻障層。例如，在其 它應用中，可能需要阻障層內的氮濃度隨著薄膜厚度的增加而增 加。在這種情況下，B反應物的持續時間或濃度隨著沉積周期而增 加，而不是Y象上面所述的一樣減少。具有增加或減少的濃度的化合 物不一定是氮。其它可以應用的〗匕合物也可以,人該思想受益。該思 想應用于任何需要兩種反應物的ALD沉積。
知道，本領域的才支術人員，通過閱讀前述失見范并研究附圖，可以意 識到本發明具有各種變形、增加、排列或等同替換。因此，我們的 目的在于所有這些變形、增加、排列或等同替換都落入本發明的真 實精神和范圍。在權利要求中，除非明確指出，否則各元件和/或步 驟都沒有暗示特定的纟喿作順序。
權利要求
1.一種在互連結構上沉積阻障層的方法，包含(a)提供原子層沉積環境；(b)在該原子層沉積環境中，在第一相位沉積期間，在該互連結構上沉積具有第一氮濃度的阻障層；及(c)在該原子層沉積環境中，在第二相位沉積期間，繼續在該互連結構上沉積具有第二氮濃度的阻障層。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中該第一氮濃度高于該第二氮濃度。
3. 根據權利要求1所述的方法，其中步驟(b)不斷重復直到達 到第一阻障層目標厚度，及步驟(c)不斷重復直到達到第二 阻障層目標厚度。
4. 根據權利要求1所述的方法，還包含(d) 在該原子層沉積環境中，在第三相位沉積期間，繼 續在該互連結構上沉積具有第三氮濃度的阻障層，其中該第三 相^f立沉積是在該第二相^f立沉積之后。
5. 根據權利要求3所述的方法，其中該氮濃度從該第一阻障層的 該第 一相位內的該第 一氮濃度到該阻障層的該第二相位內的 該第二氮濃度階梯狀減少。
6. 根據權利要求1所述的方法，其中該阻障層是通過在該互連結 構上施力口阻障金屬前體和氮前體的序列月永沖而形成的。
7. 根據權利要求6所述的方法，其中每個阻障金屬前體脈沖之 后，及每個氮前體"永沖之后，施加清洗氣體a永沖。
8. 根據權利要求6所述的方法，其中該氮前體是等離子化的。
9. 根據權利要求7所述的方法，其中該清洗氣體是等離子化的。
10. 根據權利要求1所述的方法，其中該阻障層的厚度是約10埃 到約50i矣之間。
11. 根據權利要求1所述的方法，其中該沉積工藝溫度是約100°C 到約400°C之間。
12. 4艮據^又利要求1所述的方法，其中該阻障層中的該阻障金屬是 從由鉭(Ta)、鈦(Ti)、鴒(W)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、鉬(Mo )、 鈮(Nb)、釩(V 釕(Ru)和鉻(Cr)構成的一組金屬中 選出來的。
13. 根據權利要求12所述的方法，其中該阻障金屬前體是五曱基 乙基氮化鉭(PEMAT)、五二乙基氮化鉭(PDEAT)、五二甲 基氮化鉭(PDMAT)、叔丁基亞氨基三(二乙基氨基)鉭(TBTDET )，叔丁基亞氨基三(二曱基氨基)鉭(TBTDMT ), 及叔丁基亞氨基三(乙基甲基氨基)鉭(TBTEMT)以及鉭的 鹵化物TaXs,其中X是氟(F)、溴(Br)或氯(Cl)以及上 述物質的任4可及所有4汙生物中的一種。
14. 根據權利要求7所述的方法，其中清洗氣體是氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氫(H2 )、氮(N2 )及其組合中的一種。
15. 根據權利要求7所述的方法，其中該氮前體是氨(NH3)、氮(N2)、 一氧化氮(NO)和NxHy中的一種，其中x和y都是整數。
16. —種在原子層沉積系統中在互連結構上沉積阻障層的方法，包 含在該原子層;冗積系統中，在該互連結構上，沉積具有隨 著薄膜厚度的增加而連續減少的氮濃度的阻障層。
17. 根據權利要求16所述的方法，其中該阻障層是通過執行多個 周期的阻障金屬前體、清洗氣體、含氮反應物和該清洗氣體的 序列"永沖而沉積的，其中該含氮氣體與該阻障金屬前體反應以 形成該阻障層。
18. 根據權利要求17所述的方法，其中該含氮氣體的持續時間或 濃度隨著該序列脈沖的每個周期而減少。
19. 一種在原子層沉積系統中在互連結構上沉積阻障層的方法，包 含在該原子層沉積系統中，在該互連結構上，沉積具有隨 著薄膜厚度的增加而階梯狀減少的氮濃度的阻障層。
20. 根據權利要求19所述的方法，其中該阻障層是通過執行多個 周期的阻障金屬前體、清洗氣體、具有第一持續時間和第一濃 度的含氮反應物和該清洗氣體的序列脈沖而沉積的，其中該具 有該第 一持續時間和該第 一濃度的該含氮氣體與該阻障金屬 前體反應以形成具有第 一 氮濃度的該阻障層。
21. 根據權利要求20所述的方法，其中該阻障層沉積之后，執行 多個周期的該阻障金屬前體、該清洗氣體、具有第二持續時間和第二濃度的含氮反應物和該清洗氣體的序列月永沖，其中該具 有該第二持續時間和該第二濃度的該含氮氣體與該阻障金屬 前體反應以形成具有第二氮濃度的該阻障層。
22. 根據權利要求20所述的方法，其中該第二持續時間短于該第 一持續時間，或者該第二濃度低于該第一濃度。
23. 根據權利要求19所述的方法，其中該阻障層是通過執行多個 周期的阻障金屬前體、清洗氣體、第一含氮反應物和該清洗氣 體的序列月永沖而沉積的，其中該第 一含氮氣體與該阻障金屬前 體反應以形成具有第 一 氮濃度的該阻障層。
24. 根據權利要求23所述的方法，其中該阻障層沉積之后，執行 多個周期的該阻障金屬前體、該清洗氣體、第二含氮反應物和 該清洗氣體的序列脈沖，其中該第二含氮氣體與該阻障金屬前 體反應以形成具有第二氮濃度的該阻障層，且該第二氮濃度低 于該第一氮濃度。
25. 根據權利要求19所述的方法，其中該阻障層是通過執行多個 周期的第一阻障金屬前體、清洗氣體、含氮反應物和該清洗氣 體的序列脈沖而沉積的，其中該第 一含氮氣體與該第 一阻障金 屬前體反應以形成具有第 一 氮濃度的該阻障層。
26. 根據權利要求25所述的方法，其中該阻障層沉積之后，執行 多個周期的第二阻障金屬前體、清洗氣體、含氮反應物和該清 洗氣體的序列脈沖，其中該含氮氣體與該第二阻障金屬前體反 應以形成具有第二氮濃度的該阻障層，且該第二氮濃度低于該第一氮濃度。
全文摘要
本發明的各種實施方式提供了改進的工藝和系統，該工藝和系統生產具有隨著薄膜厚度的增加而減少的氮濃度的阻障層。具有隨著薄膜厚度的增加而減少的氮濃度的阻障層使得具有高氮濃度的阻障層末端與電介質層有良好的粘著性，且具有低氮濃度(或富含金屬)的阻障層末端與銅有良好的粘著性。提供一種在互連結構上沉積阻障層的方法。該方法包括(a)提供原子層沉積環境，(b)在該原子層沉積環境中，在第一相位沉積期間，在該互連結構上沉積具有第一氮濃度的阻障層。該方法還包括(c)在該原子層沉積環境中，在第二相位沉積期間，繼續在該互連結構上沉積具有第二氮濃度的阻障層。
文檔編號H01L21/02GK101595550SQ200780040881
公開日2009年12月2日 申請日期2007年10月18日 優先權日2006年10月31日
發明者弗里茨·雷德克, 衡石·亞歷山大·尹 申請人:朗姆研究公司