专利名称：低电阻率的钽的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有较低电阻率和高取向程度的α相的钽及其制备方法。另外，根据本发明的α相的钽尤其可用作阻挡层，并且，特别是可在铜芯片互连结构中应用。此外，所述α相的钽在这种结构中起冗余电流层的作用，而且，可在芯片结构、封装、平板显示以及磁性元件中应用。
铝及其相关合金，AlCu，是目前主要使用的形成电子器件如集成电路的互连线路的导体。典型地，AlCu中的Cu量为约0．3～4％。
用Cu以及Cu合金取代AlCu作为芯片互连材料具有改善芯片性能的优点。性能改善的原因在于Cu以及某些铜合金的电阻率比AlCu的电阻率低。除性能外，也能够获得高的芯片成品率和较高的电路布线密度。
另外，采用Cu作为半导体器件中的互连线已更加引人注目，因为与较传统的铝或铝合金互连线相比，这种互连线对电迁移失效的敏感性较小。
铜金属化的优点已为整个半导体工业界所认识。铜金属化已经成为广泛研究的课题，这点可为“Materials Research Society(MRS)Bulletin”两整期的内容所证实。其中致力于该课题的学术研究的一期是MRS Bulletin，第十八卷，第六期(1993年6月)，致力于工业研究的另一期见第十九卷第八期的MRS Bulletin(1994年8月)。一篇1993年的Luther等的论文“Planar Copper-Polymide Back End ofthe line Interconnection for ULSI Devices”，此文被收录于1993年6月8-9日在加拿大的Santa clara召开的IEEE VLSI MultilevelInterconnections Conference的论文集的第15页，这篇论文介绍了具有四级(level)的金属化的铜芯片互连线的制备。
然而，由于铜在互连线路金属化过程中使用时具有扩散至周围介电材料如二氧化硅的倾向，因此，就必须对铜加以密封。帽封(capping)可阻止这种扩散发生。一个广泛提议的帽封方法包括沿着铜互连线的侧壁和底面使用一种导电的阻挡层，此类阻挡层的典型材料是钽和钛，以及它们的氮化物。铜互连线的上表面帽封通常用氮化硅。
典型地，所使用的钽为一种α相的钽层，该钽层除起阻挡作用外，也作为冗余导电层来帮助主要的导体铜进行电流分配。而且，当铜由于电迁移发生失效时，该钽层就成为主要的导体。然而，目前可获得的α相的钽层的电阻率典型地为约25微欧姆-厘米。尽管此电阻率已足够低，但仍然存在可进一步改善的余地。因此，理想的是将该冗余导电层的电阻率降低至实际可达到的低水平。
本发明涉及具有显著降低的电阻率的钽层。此外，根据本发明的钽层的取向程度高。更具体地，本发明涉及具有约15微欧姆-厘米或更低的电阻率的α相的钽。
本发明也涉及本发明的钽的制备方法。尤其是，所述方法涉及钽的溅射沉积，沉积时的真空度至少约1×10-6乇，功率为约0．5～6千瓦，有惰性气体存在，以产生约1～10亳乇的有效压力。
本发明也涉及一种半导体集成电路的互连结构，所述结构包括一个铜或铜合金层和一个具有约15微欧姆-厘米或更低的电阻率的α相的钽的阻挡层。
本发明的另一个方面涉及采用上述方法获得的α相的钽。
本领域的技术人员从下面的详细描述中将会很容易地了解本发明的其它目的和优点，在下面的描述中，只是通过描述实施本发明的预期最佳模式，来对本发明的优选实施方案进行了展示和介绍。将认识到的是，本发明能够包括其它以及不同的实施方案，而且，只要不偏离本发明的范围，也可以在各个显而易见的方面对本发明的若个细节进行修正。因此，此处的描述实质上只是说明性的，而不应看作具有限制性作用。
图1是根据本发明的半导体结构的示意图。
图2是本发明的α-钽的X射线衍射谱图。
下面结合所述附图进行介绍，以促进对本发明的了解。
如图1所示，铜布线1存在于半导体晶片(未示出)如硅、硅-锗合金、碳化硅、或砷化镓上。所述铜布线1通过引入中间能级(interlevel)的介电材料2如二氧化硅(SiO2)，磷硅酸盐(phosphosilicate)玻璃(PSG)，掺硼的PSG(BDPSG)或正硅酸乙酯(TEOS)加以电绝缘。此外，所述介电材料由可包括低介电常数的材料如氟化SiO2，有机聚合物及多孔介电材料。
根据本发明，沿着介于铜布线1与绝缘体2之间的铜布线1的下表面及侧壁表面使用本发明的α相的钽阻挡层。所述铜布线层典型地为约1000～20，000厚。本发明的α相钽具有约15微欧姆-厘米或更低的低电阻率，并被用作阻挡层以及冗余载流层。而且，根据本发明，所述α相的钽层优选是一种取向程度较高的膜，而且，在约49°(2θ)处存在一个&#60110&#62面的衍射峰，如图2所示。该X射线衍射谱图是通过在一种氮化钽衬底上沉积一个厚达几百个，如约400的α相的钽层来测得的，沉积所用的处理条件将在下面介绍。之后，进行了一种2θ式X射线衍射(XRD)扫描，如图2所示，所获得的谱图中存在非常细窄的衍射峰。如XRD系统使用的是来自于在35千伏和35毫安下工作的密封管源的单色铁辐射，则会在约49°(2θ)处产生一个&#60110&#62衍射峰。这证实根据本发明的α相的钽膜具有高度取向性。
本发明的α相的钽层可以使用溅射装备形成，所述溅射装备例如为Applied Materials Corporation制造的商品牌号为Endura5500的溅射机或者是Novellus Corporation生产的溅射机。这些设备很有名，此处不必详细介绍。典型地，用于本发明的溅射装置使用一种DC磁控源构造，而且，用作钽源的是纯度为约99．9％或更高的钽。在实施溅射过程中，以每分钟约50～130标准立方厘米(Sccm)的流速，将惰性气体如氩注入到装有靶材以及钽将沉积其上的晶片的处理腔内，在通入惰性气体之前，使用例如低温泵将处理腔抽至至少为1．0×10-6乇的真空水平。在通入惰性溅射气体的同时，也开始以约20～60标准立方厘米／分的流速通入另外的氮气流。所述处理腔内充满上述两种气体，直至有效压力达约1～10个毫乇。本发明中典型地用于产生等离子体的功率为约0．5～6千瓦，并且更优选为约2～3千瓦。可以对靶材电压和电流进行任意组合来获得上述功率水平。所沉积的材料是本发明的高度取向的α相的钽材料。沉积速率典型地是约1000～2000／分钟，而且，更典型地是约1200～1500／分。
在典型的互连结构中，所述α相的钽阻挡层3的厚度为约50～300，更典型地为约100～200。
另外，而且是任选地，如图1所示，在所述α相钽阻挡层3与绝缘体2之间还存在第二个阻挡层4。此第二个阻挡层4典型地是氮化钽，钽硅，氮化钽硅，氮化钛，钨或氮化钨。阻挡层4的厚度典型地为约25～300，并且，更典型地为约50～100。
给出下面的非限制性实施例的目的是对本发明加以进一步说明。
本发明中的上述介绍对本发明进行了说明和描述。另外，该公开展示及描述的只是本发明的优选实施方案，但如上所述，将了解的是，本发明能够在各种其它的组合、修正和场合中应用，而且，能够在此处所述的本发明的概念的范围内进行改变或修正，而与上述教导和／或相关领域的技术或知识相一致。上文所述的实施方案是打算对已知的实施本发明的最佳模式进行进一步解释。而且，能够使本领域的其它熟练技术人员在这些，或其它实施方案中利用本发明，以及通过由使用本发明或特殊应用场合所要求的各种修正来利用本发明。因此，或本说明书并非打算将本发明限制在此处公开的形式内。而且，其打算说明的是附后的权利要求包括各种替代方案。
权利要求
1．α相的钽，其具有约15微欧姆-厘米或更低的电阻率。
2．根据权利要求1的α相的钽，其在由X射线衍射测得的谱图中的约49°(2θ)处，存在一个&#60110&#62衍射峰，所述衍射分析时，使用的是来自于在35千伏和35毫安下工作的密封管源的单色铁辐射。
3．根据权利要求2的α相的钽，其具有如图2所示的X射线衍射谱图。
4．一种生产具有约15微欧姆-厘米或更低的电阻率的α相的钽的方法，其中包括在等离子体中，使用惰性溅射气体以获得约1～10毫乇的有效压力，以及使用约0．5～6千瓦的功率，从钽源进行溅射沉积。
5．根据权利要求4的方法，其中，钽源的纯度至少约99．9％。
6．根据权利要求4的方法，其使用的是一种DC磁控源构造。
7．根据权利要求4的方法，其中，所述惰性气体的流速为约50～130标准立方厘米／分，氮气的流速为约20～60标准立方厘米／分。
8．根据权利要求4的方法，其中，在通入气体之前，反应室被抽至至少为1．0×10-6乇的真空水平。
9．根据权利要求4的方法，其中，钽的沉积速率为约1200～1500／分。
10．根据权利要求4的方法，其中，惰性气体为氩。
11．采用根据权利要求4的方法获得的α相的钽层。
12．一种半导体集成电路的互连结构，其包括一个铜或铜合金层和一个具有约15微欧姆-厘米或更低的电阻率的α相的钽阻挡层。
13．根据权利要求12的互连结构，其中，所述α相的钽在由X射线衍射扫描获得的谱图中的约49°(2θ)处存在一个&#60110&#62衍射峰，所述衍射扫描时使用的是来自于在35千伏和35毫安下工作的密封管源的单色铁辐射。
14．根据权利要求12的互连结构，其中，所述α相的钽具有如图2所示的X射线衍射图谱。
15．根据权利要求12的互连结构，其中，所述铜的厚度为约200～1500。
16．根据权利要求12的互连结构，其中，所述α相的钽层的厚度为约50～300。
17．根据权利要求12的互连结构，其进一步包括电绝缘体，而且，其中，所述阻挡层将所述铜与绝缘体隔离开。
18．根据权利要求12的互连结构，其进一步包括一个介于所述绝缘体与所述α相的钽层之间的第二个阻挡层。
19．根据权利要求18的互连结构，其中，所述第二个阻挡层选自于氮化钽，钽硅，氮化钽硅，氮化钛，钨和氮化钨中。
20．根据权利要求18的互连结构，其中，所述第二个阻挡层是氮化钽或氮化钛。
21．根据权利要求18的互连结构，其中，所述第二个阻挡层是氮化钽。
22．根据权利要求18的互连结构，其中，所述第二个阻挡层的厚度为约25～300。
全文摘要
提供一种具有约15微欧姆－厘米或更低的电阻率的α相的钽,而且,所述钽特别适合用作铜以及铜合金互连线的阻挡层。
文档编号H01L23/532GK1290940SQ00119910
公开日2001年4月11日 申请日期2000年6月30日 优先权日1999年7月2日
发明者E·C·库尼三世, C·E·乌佐 申请人:国际商业机器公司