金属线路铜背端的渐层式阻障层制造技术

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＃－［ｘ］Ｎ＃－［１－ｘ］／ＴａＮ／Ｔａ＃－［ｘ］Ｎ＃－［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＃－［ｘ］Ｎ＃－［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。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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/TaxN1-x/TaN/TaxN1-x/Ta)的复合式结构。
技术介绍
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中的铜金属结构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与铜金属层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，避免铜由结构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。
技术实现思路
本专利技术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，根据本专利技术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。根据本专利技术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。根据本专利技术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(Tax1N1-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(Tax2N1-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/TaxN1-x/TaN/TaxN1-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(TaxN1-x)，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。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。为更清楚理解本专利技术的目的、特点和优点，下面将结合附图对本专利技术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是本专利技术形成渐层式阻障层的横切面图；图4B是本专利技术一实施例的渐层式阻障层的横切面图；图5A是本专利技术另一实施例的渐层式阻障层的横切面图；及图5B是本专利技术图5A经热循环处理后的渐层式阻障层的横切面图。具体实施例方式本专利技术的一些实施例将详细描述如下。然而，除了详细描述外，本专利技术还可以广泛地在其他的实施例施行，且本专利技术的范围不受其限定，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，本专利技术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/TaxN1-x/TaN/TaxN1-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4本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种渐层式阻障层，其特征在于包含： 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。

【技术特征摘要】
1.一种渐层式阻障层，其特征在于包含第一金属层；数个不同组成的一金属盐复合层；及第二金属层。2.如权利要求1所述的渐层式阻障层，其特征在于，所述第一金属层是由一钽金属层、一钛金属层和一钨金属层之一组成。3.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(Ta)及氮元素(N)。4.如权利要求3所述的渐层式阻障层，其特征在于，所述数个不同组成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(TaxN1-x)，其特征在于，钽元素含量(x)于约为0.5到1的间变化。5.如权利要求3所述的渐层式阻障层，其特征在于，所述数个不同组成的该金属盐复合层至少包含，数个Tax1N1-x1层，一氮化钽层，及数个Tax2N1-x2层，其中，x1递减于1到0.5之间，x2递增于0.5到1之间。6.如权利要求5所述的渐层式阻障层，其特征在于，所述第一金属层为一钽金属层，且该钽金属层与该数个Tax1N1-x1层的总厚度为10到100埃之间。7..如权利要求5所述的渐层式阻障层，其特征在于，所述氮化钽层(TaN)的厚度为100到200埃之间。8.如权利要求5所述的渐层式阻障层，其特征在于，所述第二金属层为一钽金属层，且该数个Tax2N1-x2层与该钽金属层的总厚度为100到200埃之间。9.如权利要求1所述的渐层式阻障层，其特征在于，所述第二金属层是由一钽金属层、一钛金属层及一钨金属层之一所组成。10.一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。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，所述形成该第一金属层的步骤至少包括于化学气相沉积过程中...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘富台，洪政裕，游萃蓉，
申请(专利权)人：联华电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]