專利名稱：銅金屬化制作工藝的低電阻值阻擋層的制造方法
技術領域：
本發(fā)明有關于銅金屬化制作工藝的阻擋層(Barrier Layer)的制造方法，特別是有關于集成電路銅制作工藝中，形成具梯度濃度變化的低電阻值氮化鉭(TaNx)阻擋層的制造方法。
但是，銅金屬的一些化學性質(zhì)卻阻礙了其在集成電路組件上的應用，其中包括(1)銅金屬在約200℃的低溫下極易與許多元素反應，例如與硅或硅基材反應，形成如Cu3Si的化合物于集成電路結構中，而造成組件失效。(2)銅金屬無法像鋁金屬一樣生成自我保護的氧化層，因此容易氧化與腐蝕，而影響金屬聯(lián)機的導電穩(wěn)定性。(3)銅金屬與介電層的附著性不良，使得集成電路中薄膜結構的機械強度不足。(4)銅原子具有快速的擴散性，在電場的加速下，銅原子能穿透介電層而快速的擴散，尤其一旦銅原子擴散至硅基材中，造成組件的特性退化與失效。因此，便需要在基材或介電層與銅金屬間形成一阻擋層來解決上述問題。
良好的阻擋層必需可做為有效的粘著層，不但與銅金屬的附著性良好，且與介電層附著良好。同時，也需要高溫下能有效抑制銅原子擴散到硅組件內(nèi)部，并具有良好的熱穩(wěn)定性以提高組件的壽命與可靠度。其中現(xiàn)今較常在銅制作工藝中使用的阻擋層材料為氮化鉭(TaN)材料，其擁有較佳的阻障效果。

圖1所繪示為一般利用氮化鉭做為阻擋層材料的銅金屬內(nèi)聯(lián)機的結構示意圖。請參照圖1，其中在基材10中已形成一銅金屬內(nèi)聯(lián)機14，并在基材10上形成具有一開口20的介電層18，而在基材10與介電層18間具有蝕刻終止層12，以方便形成例如金屬鑲嵌結構的開口20時的制作工藝所需。接著，在開口20中，沉積一層以氮化鉭所構成的阻擋層22，再通過銅晶種層(Seed Layer)、銅電鍍(Electroplating)與化學機械研磨(Chemical Mechanical Polishing)等制作工藝以形成銅金屬層24，便可完成另一銅金屬內(nèi)聯(lián)機結構。
但是，在公知技術中，常會出現(xiàn)如圖1所示的銅金屬層24的回拉(Pull Back)現(xiàn)象26。此回拉現(xiàn)象26有可能是因為構成阻擋層22的氮化鉭材料與銅金屬層24間的附著性不良，或后續(xù)制作工藝或?qū)嶋H產(chǎn)品應用時的電與熱的加壓所導致。由于回拉現(xiàn)象26的存在，會影響銅制作工藝中多層金屬內(nèi)聯(lián)機(Multilevel Interconnect)的導電穩(wěn)定性與產(chǎn)品可靠度。
另外，本發(fā)明的目的之一為提供一種銅金屬化制作工藝的氮化鉭阻擋層的制造方法，以解決公知銅金屬內(nèi)聯(lián)機制作工藝中，利用氮化鉭材料做為阻擋層所遭遇到銅金屬內(nèi)聯(lián)機回拉的問題。
根據(jù)上述的目的，本發(fā)明所提供銅金屬化制作工藝的低電阻值阻擋層的制造方法包括提供一基材；形成一開口于基材中；以及，進行一沉積步驟，在沉積具有一厚度的阻擋層后，使含氮反應氣體流量遞減，并繼續(xù)形成阻擋層覆蓋于開口，此阻擋層由數(shù)個金屬原子與數(shù)個氮原子(N)所構成，而此氮原子的濃度由阻擋層的底面向表面遞減。本發(fā)明銅金屬的阻擋層4的制造方法中，上述的開口可為溝渠(Trench)結構、介層窗(Via)結構、或金屬鑲嵌(Damascene)結構。而上述的沉積步驟可利用物理氣相沉積法(Physical VaporDeposition)、或化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition)來進行。在本發(fā)明一較佳實施例中，上述的金屬原子為鉭原子(Ta)，含氮反應氣體為氮氣，而所形成的阻擋層由氮化鉭(TaNx)材料所構成，并在阻擋層的底面中，鉭原子與氮原子的具有的較佳X值介于0.5至0.8之間，其值視實際應用時的需求而定。另外，更可將上述的含氮反應氣體流量遞減為零，因此，所形成的阻擋層表面，氮原子的濃度為零。本發(fā)明更可在上述開口中形成銅金屬，即可形成銅金屬內(nèi)聯(lián)機的結構。
利用本發(fā)明銅金屬化制作工藝的低電阻值阻擋層的制造方法，可制造具有梯度濃度變化的氮化鉭阻擋層，其與銅金屬間的附著性較公知應用氮化鉭材料好，而可降低阻擋層的電阻及提升組件的抗電遷移阻抗與導電穩(wěn)定性。
20開口 22阻擋層24銅金屬層 26回拉現(xiàn)象50基材 52蝕刻終止層54銅金屬內(nèi)聯(lián)機 58介電層60開口 62阻擋層64位置 66氮原子70最先沉積部分 72中段沉積部分74最后沉積部分 80銅金屬層圖2所繪示為本發(fā)明銅金屬化制作工藝的低電阻值阻擋層的結構示意圖。請參照圖2，首先，基材50中具有已形成的銅金屬內(nèi)聯(lián)機54，但本發(fā)明不限于基材50中一定具有銅金屬內(nèi)聯(lián)機54的結構。接著，在基材50上形成隔離金屬聯(lián)機所需的介電材料，例如介電層58，并在介電材料中形成一開口60，此開口可為溝渠結構、介層窗結構、或如圖2中所示的金屬鑲嵌結構。若要以如金屬鑲嵌制作工藝來形成開口60，則可在基材50與介電層58間形成蝕刻終止層52，以防止過度蝕刻。其中，上述形成溝渠結構、介層窗結構或金屬鑲嵌結構的方法并非本發(fā)明的重點，且其操作原理為熟悉此技藝者所知，故本發(fā)明不在此贅述。
形成開口60后，本發(fā)明即利用物理氣相沉積法或化學氣相沉積法在開口60上形成阻擋層62。其中，若為提高鍍膜時的階梯覆蓋率，則可選擇化學氣相沉積法較能得到厚度均勻的膜，但以例如氮化鉭做為銅金屬阻擋層材料而言，在高真空下以物理氣相沉積法所鍍出的氮化鉭阻擋層薄膜品質(zhì)較佳，操作者可依所需而加以選擇，本發(fā)明不限于此。氮化鉭氣相沉積法中，含氮反應氣體與鉭原子結合，以在基材中形成氮化鉭的薄膜，其中上述的含氮反應氣體可為例如氮氣或其它氮化物氣體等，本發(fā)明不限于此。公知形成氮化鉭薄膜過程中，不論是物理氣相沉積法或化學氣相沉積法，其中所使用的氮氣反應氣體的流量是固定的，因此所制造出來的氮化鉭薄膜成分非常均勻，亦即氮原子在薄膜中的分布非常均勻。但是，本發(fā)明的特點在于，在物理或化學氣相沉積法中，于沉積一定厚度的氮化鉭后，改變含氮反應氣體的流量，使含氮反應氣體流量慢慢遞減，并繼續(xù)沉積氮化鉭阻擋層。因此，所制造出來的氮化鉭薄膜中的氮原子會呈現(xiàn)逐漸下降的梯度濃度。
圖3所繪示為本發(fā)明銅金屬化制作工藝的低電阻值阻擋層的放大結構示意圖，此圖3為圖2中位置64的放大結構。請參照圖3，沉積在開口60中的阻擋層62具有數(shù)個氮原子66，其中，在最先沉積部分70中，由于參與反應的含氮反應氣體流量最大，因此所含有的氮原子66數(shù)量也最多。接著，由于含氮反應氣體流量遞減，因此在中斷沉積部分72所含有的氮原子66數(shù)量即少于最先沉積部分70所含有的氮原子66數(shù)量。隨后，當含氮反應氣體流量非常微小時，最后沉積部分74中的氮原子66數(shù)量即非常稀少。
在本發(fā)明一較佳實施例中沉積氮化鉭(TaNx)阻擋層，此X用來代表氮化鉭阻擋層中，鉭原子數(shù)量比上氮原子數(shù)量的比值。其中，在阻擋層底面，亦即最先沉積部分中，X值大約在0.5至0.8之間(視實際應用時的需求而定)，而當含氮反應氣體流量逐漸遞減的情況下，使X值逐漸下降，甚至下降至零。亦即在沉積氮化鉭的制作工藝中，最后可將含氮反應氣體關閉，如此可在阻擋層表面形成僅有鉭原子的金屬結構，如此可結合鉭金屬與氮化鉭材料的特性，以做為特性良好的阻擋層結構。值得注意的是，本發(fā)明銅金屬化制作工藝的低電阻值阻擋層的制造方法除了可應用在氮化鉭阻擋層的制造中，更可應用在其它氮化金屬的阻擋層結構制作工藝中，本發(fā)明不限于此。另外，本發(fā)明制造方法中，X值遞減至零僅為舉例，更可視產(chǎn)品或制作工藝需要，選擇含氮反應氣體流量的遞減程度，亦即控制X的變化值，以制造所需梯度濃度變化的阻擋層，本發(fā)明并不限于此。本發(fā)明低電阻值阻擋層的制造方法除了可應用在底部為基材的介電層的開口結構外，更可應用在內(nèi)聯(lián)機金屬介電層的開口中，亦即銅制作工藝中，需要形成低電阻值阻擋層的位置，皆可應用本發(fā)明的制造方法。
最后，請參照圖4，形成銅金屬層80在圖2的結構中，即可形成銅金屬內(nèi)聯(lián)機的結構。利用本發(fā)明上述的制造方法可制造具有梯度濃度變化的例如氮化鉭阻擋層，其中于表面形成的鉭金屬與銅金屬間的附著性較公知所應用的單純氮化鉭材料好。另外，再加上本發(fā)明的阻擋層底部應用氮化鉭材料，而可獲得良好的阻隔效果。如此一來，利用本發(fā)明銅金屬化制作工藝的低電阻值阻擋層的制造方法，可獲得同時具有良好附著性與阻隔特性的阻擋層，應用在銅金屬鑲嵌制作工藝中，即可降低介層窗阻值，并提升其多層金屬內(nèi)聯(lián)機的抗電遷移阻抗，使組件的導電穩(wěn)定性提升。
如熟悉此技術的人員所了解的，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用以限定本發(fā)明的申請專利范圍；凡其它未脫離本發(fā)明所公開的精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含在權利要求書內(nèi)。
權利要求
1.一種銅金屬化制作工藝的低電阻值阻擋層的制造方法，其特征在于至少包括提供一基材；形成一開口于該基材中；進行一沉積步驟，先沉積具有一厚度的一阻擋層后，使一含氮反應氣體流量遞減，并繼續(xù)形成該阻擋層覆蓋于該開口，其中該阻擋層由復數(shù)個金屬原子與復數(shù)個氮原子(N)所構成，而該些氮原子的濃度由該阻擋層的一底面向該阻擋層的一表面遞減。
2.如權利要求1所述的銅金屬化制作工藝的低電阻值阻擋層的制造方法，其特征在于其中上述的開口可選自于由一溝渠(Trench)結構、一介層窗(Via)結構與一金屬鑲嵌(Damascene)結構所組成的一族群。
3.如權利要求1所述的銅金屬化制作工藝的低電阻值阻擋層的制造方法，其特征在于其中上述的沉積步驟利用一物理氣相沉積法(Physical Vapor Deposition)。
4.如權利要求1所述的銅金屬化制作工藝的低電阻值阻擋層的制造方法，其特征在于其中上述的沉積步驟利用一化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition)。
5.如權利要求1所述的銅金屬化制作工藝的低電阻值阻擋層的制造方法，其特征在于其中上述的金屬原子為鉭原子(Ta)。
6.如權利要求5所述的銅金屬化制作工藝的低電阻值阻擋層的制造方法，其特征在于其中上述的底面中，該阻擋層由氮化鉭(TaNx)材料所構成，X為該些鉭原子與該些氮原子的一比例值，且該比例值介于0.5至0.8之間。
7.如權利要求1所述的銅金屬化制作工藝的低電阻值阻擋層的制造方法，其特征在于其中上述的含氮反應氣體為氮氣。
8.如權利要求1所述的銅金屬化制作工藝的低電阻值阻擋層的制造方法，其特征在于其中若該含氮反應氣體的流量遞減為零，則該阻擋層的該表面所含有的該些氮原子的濃度為零。
9.一種銅金屬化制作工藝的氮化鉭阻擋層的制造方法，其特征在于至少包括提供一基材，其中該基材的表面具有一介電層；形成至少一開口于該介電層中；進行一沉積步驟，在沉積具有一厚度的一氮化鉭阻擋層后，使一含氮反應氣體的流量遞減，并繼續(xù)形成該氮化鉭阻擋層覆蓋于該至少一開口中，該氮化鉭阻擋層由復數(shù)個鉭原子與復數(shù)個氮原子所構成，其中該些氮原子的濃度由該氮化鉭阻擋層的一底面向該氮化鉭阻擋層的一表面遞減。
10.一種銅金屬內(nèi)聯(lián)機結構的制造方法，其特征在于至少包括提供一基材，其中該基材的表面具有一介電層；形成至少一開口于該介電層中；進行一沉積步驟，在沉積具有一厚度的一阻擋層后，使一含氮反應氣體的流量遞減，并繼續(xù)形成該阻擋層覆蓋于該至少一開口中，該阻擋層由復數(shù)個鉭原子與復數(shù)個氮原子所構成，其中該些氮原子的濃度由該阻擋層的一底面向該阻擋層的一表面遞減；形成一銅金屬層于該阻擋層上，并填滿該至少一開口。
全文摘要
一種銅金屬化制作工藝的低電阻值阻擋層的制造方法，利用改變物理氣相沉積法或化學氣相沉積法中的含氮反應氣體流量，使所沉積的氮化鉭薄膜中所含有的氮原子濃度由底面向表面遞減，而形成表面為鉭金屬結構的氮化鉭阻擋層。應用此銅金屬化制作工藝的低電阻值阻擋層的制造方法，可結合鉭金屬與氮化鉭材料的結構特性，使阻擋層同時具有良好的附著性與阻隔效果，改善一般銅金屬內(nèi)聯(lián)機的回拉現(xiàn)象。如此一來，可提升銅制作工藝中集成電路多層金屬內(nèi)聯(lián)機(Multilevel Interconnect)的導電穩(wěn)定性，而提高其抗電遷移阻抗及產(chǎn)品可靠度。
文檔編號H01L21/768GK1458680SQ02120268
公開日2003年11月26日 申請日期2002年5月17日 優(yōu)先權日2002年5月17日
發(fā)明者李顯銘, 潘興強, 劉重希, 余振華 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司