具有变化的铜金属化成分的阻障层的制造方法

专利名称：具有变化的铜金属化成分的阻障层的制造方法
具有变化的铜金属化成分的阻障层的制造方法
背景技术：
件，以及该集成电路的外部通信。用于通孔和沟槽互连金属化的可
包括铝合金和铜。随着器件的尺寸持续减小到了45nm节点技术以及亚45nm ( sub-45-nm )技术，沿着高纵片黄比的形状具有良好阶梯覆盖率，以提供无空隙的铜填充的要求变得更有挑战性了。在45nm节点或亚45纳米^支术中走向超薄和保形阻障的动才几是减少阻障对通孔和连线电阻的影响。然而，铜在阻障层上不好的粘着性可能引起，在处理和热加压的过程中(热加压可能对电子迁移(EM)以及压力引起的孔洞产生影响)，阻障层和铜之间的脱落。如图1A所示，如大家所知，使用传统的物理气相沉积工艺(PVD)产生的，在4妄近互连结构100的顶端的阻障突出部101,在铜空隙填充过程中，由于不良的阶梯覆盖率，会引起金属线和通孔内的空隙。如图1A所示，阻障材料在底端角落102中的有限的沉积也是一个已知的问题，会带来铜的扩散、电子迁移问题以及由压力引起的孔洞。为了确保在底端角落中有足够的阻障材料，需要在该互连结构中沉积足够的阻障材料，这会导致铜填充期间的铜空隙。因此，需要一种更加^f呆形的阻障沉积工艺。除了阶梯覆盖率的问题，如氮化钽(TaN)等阻障层能够良好的粘着于电介质层150，然而，TaN和铜之间的粘着性是很差的。TaN是很好的铜扩散阻障。相反，如钽等阻障层能够良好的粘着于铜，但是与电介质层的粘着性就不那么好。尽管沉积TaN层lll来乂于互连结构进^亍布线，以佳J寻TaN4妄触该电介质层150，并在后面为铜113沉积钽层以与钽112接触是可能的，如图1B所示。钽层被用作衬垫层或胶合层。然而，两个步骤的工艺是更加复杂的，并且该第一TaN使得互连结构的纵横比更高，这会使后面钽层的阶梯覆盖率问题更加恶化。鉴于上述问题，需要^是供一种沉积薄且〗呆形的阻障层的系统和工艺，该阻障层能够与该互连结构周围的电介质层间产生良好的粘着性，且与覆盖该阻障层的铜层之间也产生良好的粘着性，从而能够提升产量以及电子迁移性能，并降低铜互连中产生压力导致的孔洞的危险。

发明内容
广义上说，该实施方式通过提供改进的工艺和系统满足了该需要，该改进的工艺和系统生产具有随着薄膜厚度的增加而减少的氮浓度的阻障层。具有随着薄膜厚度的增加而减少的氮浓度的阻障层使得具有高氮浓度的阻障层末端与电介质层有良好的粘着性，且具有低氮浓度(或富含金属)的阻障层末端与铜有良好的粘着性。应当理解，本发明可以通过多种方式实施，包4舌方案、方法、工艺、装置和系统。下面描述本发明的几个创新性实施方式。
在一个实施方式中，^是供一种在互连结构上沉积阻障层的方法。该方法包括(a)提供原子层沉积环境，(b)在该原子层沉积环境中，在第一相4立沉积期间，在该互连结构上沉*积具有第一氮浓度的阻障层。该方法还包括(c)在该原子层沉积环境中，在第二相位沉积期间，继续在该互连结构上沉积具有第二氮浓度的阻障层。
在另 一个实施方式中，提供一种在原子层沉积系统中在互连结构上沉积阻障层的方法。该方法包^舌在该原子层沉积系统中，在该互连结构上，沉积具有随着薄膜厚度的增加而连续减少的氮浓度的
阻障层。
在另 一个实施方式中，提供一种在原子层沉积系统中在互连结构上沉积阻障层的方法。该方法包4舌在该原子层沉积系统中，在该互连结构上，沉积具有随着薄膜厚度的增加而阶梯状减少的氮浓度的阻障层。通过下面的详细描述，并结合附图，以实施例的形式对本发明的原理估支了描述，本发明的其它方面和优点会变得显而易见。


通过下述具体描述，结合附图，能够很容易地理解本发明，同类的参考数字代表同类的结构元件。图1 A显示了沉积有阻障层的互连结构。图1B显示了沉积有双阻障层和铜层的互连结构。图2显示了沉积有阻障层和铜层的双嵌入互连结构。图3A显示了具有在电介质层和铜层之间夹有阻障层的互连结构的一黄断面。图3B显示了使用ALD工艺沉积在基板表面上的分子结构TaN阻障层。
图3C显示了具有随着薄膜厚度的增加连续减少的氮浓度
的阻障层。图3D显示了具有随着薄膜厚度的增加阶梯状减少的氮
浓度的阻障层。图4显示了示例性的ALD沉积周期。图5A显示了具有随着薄膜厚度的增加连续减少的氮浓度的ALD阻障层的示例性沉积脉沖序列。图5B显示了具有随着薄膜厚度的增加连续减少的氮浓度的ALD阻障层的另 一种示例性沉积月永冲序列。图5C显示了具有随着薄膜厚度的增加连续减少的氮浓度的ALD阻障层的另 一种示例性沉积"永冲序列。图5D显示了具有随着薄力莫厚度的增加连续减少的氮浓度的ALD阻障层的另 一种示例性沉积脉冲序列。图6A显示了具有随着薄膜厚度的增加阶梯状减少的氮浓度的ALD阻障层的示例性沉积脉沖序列。图6B显示了具有随着薄膜厚度的增加阶梯状减少的氮浓度的ALD阻障层的另 一种示例性沉积脉冲序列。图7A显示了具有随着薄膜厚度的增加阶梯状减少的氮浓度的ALD阻障层的示例性沉积脉沖序列。图7B显示了具有随着薄膜厚度的增加阶梯状减少的氮浓度的AL D阻障层的另 一 种示例性沉积力永冲序列
图7C显示了具有随着薄膜厚度的增加阶梯状减少的氮浓度的ALD阻障层的另 一种示例性沉积3永冲序列图8A显示了示例性ALD沉积系统。图8B显示了另 一种示例性ALD沉积系统。
具体实施例方式提供了几个示例性的沉积金属阻障层的实施方式，从沉积的开始到沉积的最后氮浓度逐渐减少，以增强开始的金属氮化物阻障层与电介质之间的粘着性，以及最后的钽阻障层与铜之间的粘着性。应当理解，本发明可以通过多种方式完成，包括工艺、方法、装置或系统。下面描述了本发明的几个创新性实施方式。显然，对本领域的技术人员来说，没有此处所列的一些或全部技术细节，本发明仍然可以实玉见。图2显示了使用双嵌入工艺序列图形化之后的互连结构的示例性一黄断面。该互连结构位于基纟反50上，并有电介质层115，该电介质层115是预先制造的，以在其内部形成金属线IOI。该金属线一^:是通过将沟槽刻蚀入该电介质层100，然后〗吏用导电金属(例i口4同)i真充该沟冲曹而成的。在沟槽中有金属阻障层120,用以阻止铜材料122扩散入该电介质层IOO。该阻障层120可以是由耐热金属化合物制成的，例如氮化钽(TaN),钽(Ta)，或这些膜的组合。也可以使用其它的阻障层材料。阻障层材料可以是其它的耐热金属化合物，包括但不限于，钛(Ti)、钨(W)、锆(Zr)、铪(Hf)、钼(Mo)、铌(Nb)、钒(V)、钌(Ru)和铬(Cr)，以及其它的。通常来说，耐热金属通常与活性元素例如氯(Cl)或氟(F)结合，并向其供应其它气体以形成耐热金属化合物。例如，氯化4太(TiCU)、氟化鴒(WF6)、氯化钽(TaCl5 )、氯化锆(ZrCl4 )、氯化铪(HfCl4 )、氯化钼(MoCl5 )、氯化铌(NbCl5 )、氯化钒(VC15)或氯化铬(CrCl4 )可以被用作含耐热金属的化合物的气体。阻障层102被沉积到该平坦化过的铜材料122上，以在刻蚀通孔114穿透上面的电介质材料106到该电介质阻障层102时，保护该铜材料122免于过早氧化。该电介质阻障层102也纟皮配置为具有选i奪性刻蚀停止以及铜扩散阻障的功能。示例性的电介质阻障层102包括氮化硅(SiN)或碳化硅(SiC)。该电介质层106被沉积到该电介质阻障层102上。该电介质层106可以由有机硅玻璃(OSG,碳掺杂氧化硅)或其它类型的电介质材料制成，优选地，该电介质材料具有低介电常数。示例性的氧化硅包括，PECVD非掺杂TEOS氧化硅，PECVD氟化硅玻璃(FSG )、 HDP FSG、 OSG、多孔OSG和碳掺杂氧化物(碳的氧化物)。低K电介质材料的介电常数为约3.0或更低。还可以使用商业上可获得的电介质材料，包括美国加利福尼亚州圣克4立4立的AppliedMaterials乂^司生产的Black Diamond (I)禾口Black Diamond (11)，圣琼4斤的Novellus Systems ^>司生产的Carol,亚利桑那凤凰i成的ASMAmerica^^司生产的Aurora。或者，该电介质层可以^皮分为通孑L电介质层和沟槽电介质层。该通孔电介质层和该沟槽电介质层可以是由不同材并+制成的。；兄积完该沟槽电介质层106之后，具有该结构的基板50经过图形化和刻蚀工艺，以使用已知技术形成通孔洞114和沟槽116。形成通孔洞114和沟槽116之后，沉积阻障层130和铜层132以布线并填充该通孔洞114和该沟槽116。该阻障层130可以是由
耐热金属制成的，例如氮化钽(TaN)、钽(Ta)、钌(Ru)或这些膜的混合组合物。也可以使用其它的阻障层初 H"。阻障层材津牛可以是其它的耐热金属化合物，包括但不限于，钛(Ti)、鵠(W)、锆(Zr)、铪(Hf)、钼(Mo)、铌(Nb)、钒(V)和铬(Cr)，以及其它的。原子层沉积(ALD)，脉冲CVD或循环层沉积工艺可以用来获得该阻障层的良好的阶梯覆盖。尽管这些是通常可以想到的材泮+,也可以z使用其它的阻障层材并牛。然后;冗积铜膜132以i真充该通孔洞114和该沟槽116。铜膜132填充该通孔洞114和该沟槽116之后，^吏用化学^L械抛光(CMP)使该基板50平坦化，以去除电介质层106表面上的
该铜材料(或铜冗余)和阻障层(或阻障冗余)。图3 A显示了互连结构的层的横断区域300的示意图。金属阻障层302被夹在电介质层301和铜层303之间。如上所述，该电介质-阻障交界层304应当是富含氮的，以纟是升该金属阻障层302和该电介质层301之间良好的粘着性。该阻障-铜交界层305应当是富含阻障金属的，以提升该金属阻障层302和该铜层303之间良好的粘着性。为了确保该阻障层的良好的阶梯覆盖，需要使用ALD工艺沉积该阻障层，因为ALD工艺可以制造出具有更好的阶梯覆盖的更加保形的膜。图3B描绘了基板350的示例性部分的横断面视图，该基板350位于集成电路制造的一个阶段，更具体地说，是在使用ALD工艺形成阻障层354的阶段。图3B中描绘的该示例性阻障材料是氮化钽。通过将含钽气体？ 1入ALD工艺室，以在基板351的表面区域351T化学吸附含钽化合物而形成钽层352。.然后，所绘的氮层353化学吸附于钽层352上，该钽层352至少部分响应含氮气体(例如氨)的引入。尽管不希望被理论约束，但是人们相信该氮层353是以类似的自我限制的方式形成的，像钽层352—样。每一个任意组合并直接互相接触的钽层352和氮层353形成子层354，不管其中的零个、任一个或两个是不是单层的。连续进行子层354的形成，直到达到目标厚度355。该阻障层中的氮浓度可以连续变化，如图3C所示，也可以随着该金属阻障层厚度的增加阶梯状减少，如图3D所示。图3D显示了氮的浓度随着厚度以三个阶梯减少。然而，阶梯的数目可以是两个或者多于三个。当图3D中的阶梯是多个时，氮变化的样式趋近于图3C中所示的氮的浓度分布。如图4所示，ALD沉积一般是用多个相互之间具有清洗的多个反应物的"永冲(例如两个力永沖)完成的。对于金属阻障沉积来说，含阻障金属的反应物(M)的脉沖401被送到基板表面上，随后是清洗气体(P)的脉沖402。用作钽等阻障金属的含阻障金属的反应物的实施方式包括但不限于五曱基乙基氮化钽(PEMAT;Ta(NC2H5CH3)5 )、五二乙基氮化钽(PDEAT, Ta[N(C2H5)2]5 )、五二甲基氮化钽(PDMAT， Ta[N(CH3)2]5 )以及PEMAT、 PDEAT或PDMAT的一种或所有布f生物。其它的含钽前体(precursors )包括〃f旦不限于叔丁基亚氨基三(二乙基氨基)钽(TBTDET ),叔丁基亚氨基三(二曱基氨基)钽(TBTDMT),及叔丁基亚氨基三(乙基曱基氨基)4旦(TBTEMT),以及TBTDET、 TBTDMT和TBTEMT的所有书亍生物。而且，其它的含4S前体包括 f旦不限于钽的卣化物，例如TaXs,其中X是氟(F)、溴(Br)或氯(Cl),及其变种。清洗气体的实施方式包括氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氢(H2 )、氮(N2 )及其组合。送至基板表面的含阻障反应物的脉冲401在该基板表面上形成阻障金属(例如钽)的单层。在一个实施方式中，清洗气体的脉冲是等离子增强(或等离子辅助)气体。该阻障金属，例如钽，固着于基才反表面上，该表面是由电介质桐H"制成的。该清洗气体402从基板表面去除多余的含阻障金属反应物401。在清洗气体402的脉沖之后，反应物(B)的脉沖403被送至基板表面。该反应物(B)403可以是含氮气体或含氢的还原气体。如果该阻障金属包含氮，例如TaN，该反应物(B) 403^艮可能包含氮。反应物(B) 403的实施方式包4舌氨(NH3)、氮(N2)和一氧4b氮(NO)。其它可以Y吏用的含氮前体气体包括但不限于NxHy, x和y都是整数(例如N2H4)、氮气等离子源、NH2N(CH3)2以及其它的。如果该阻障材料包含很少的氮或不含氮，该反应物(B)403可以是含氢的还原气体，例如H2。在一个实施方式中，反应物(B)的脉冲403是等离子增强(或等离子辅助)的。"永冲403之后是清洗气体脉冲404。图4显示了该阻障沉积脉沖的一个周期。在该阻障沉积力永冲的一个周期之后，就沉积了阻障沉积的一薄层(或一相)。进行多个周期，直到达到了想要的阻障层厚度。脉冲的持续时间为约100毫秒到约2秒之间。该阻障层的总厚度在约10埃到约50埃之间，优选地，在约20埃到30埃之间。图5A显示了反应物^永冲和清洗气体乐:K冲的实施方式，作为图3 C所示的在阻障层中实现氮含量连续减少的时间的函数。该沉积工艺开始于在该基板表面上应用含阻障金属的反应物(M)的脉冲501。脉冲501后面是清洗气体(P)的脉沖502,以从该基板表面去除多余的含阻障金属的反应物501。然后，应用反应物气体(B)的脉冲。因为随着膜厚度的增加该阻障金属层中氮的含量减少，所以用于脉冲503的该反应物气体(B )应当包含氮。该月永冲503中的反应物与该基板上的该含阻障金属的反应物(M )反应，以形成金属氮化物(例如TaN)阻障层。该含氮气体的实施方式包括氨(NKb)、氮(N2)和一氧化氮(NO),以及上面所述的其它含氮气体反应物B。力永冲501、 502、 503以及504构成一个周期
(周期l)。第二个周期包括脉冲505、 506、 507和508。脉沖505跟脉沖501—样。脉冲506跟脉沖502—样。月永沖508跟脉冲504—样。脉冲507与脉冲503使用同样的反应物，然而脉冲507的持续时间
(tB2)比脉沖503 (tB1)短。更短的含氮气体B的脉冲使得该阻障层内氮的浓度更低。周期持续到周期N。为了使氮的浓度从周期l到周
期2到周期N逐渐减少，反应物B的脉冲从周期2到周期N不应当充满(或未充满)该基一反表面。每一周期反应物B的月永冲的持续时间不断减少，使得该沉积的阻障层中的氮的浓度的减少。在周期N结束时，阻障层达到了目标厚度。在一个实施方式中，反应物B的^^冲的持续时间为零秒，以使得该阻障上表面为富含金属的。如上所述，反应物B和清洗气体P的脉沖可以是等离子增强的。该等离子增强的清洗气体可以使该阻障层更致密，也能敲掉附着于该阻障金属的多余的分子。例如，该M前体PDMAT是具有化学化合物的大分子，连接在钽分子上。在基板表面上的钽被化学吸附之后，该化学化合物仍可以保持与钽的连接。该清洗气体或该反应物B的等离子可以敲掉连接在钽上的多余的分子，/人而可以帮助反应物B与4S的反应。在一个实施方式中，还有一个最后的等离子处理，以进一步还原表面化合物为更加富含金属的。该还原等离子可以包括气体，例如氢气或氨气。该还原等离子可以包括惰性气体，例如氩气或氦气。该最后的等离子处理也可以使该阻障层更加致密。在另一个实施方式中，在ALD工艺室内的沉积周期结束之后，该基々反净皮移动到PVD工艺室以沉积阻障金属薄层，该工艺被称为阻障金属闪光(barrier metal flash )。例如，如果该阻障金属是钽，该工艺#皮称为被称为钽闪光。这使得该阻障上表面为钽，钽可以跟铜良好粘合。或者，该含阻障金属反应物M的脉冲的持续时间随着时间的增加而增加，然而该含氮气体B的脉冲的持续时间随着时间增加而减小，如图5B所示。脉冲505'的持续时间tM2大于脉沖501'的持续时间tw,而脉沖506的持续时间tB2短于脉冲503的持续时间tw。该含阻障金属反应物M的较长的脉冲及该含氮气体B的较短的脉沖使得周期2中在阻障层内沉积的氮的浓度低于周期1中的氮的浓度。周期持续到周期N。随着每一个周期中M的力永冲的持续时间的不断增长及反应物B的"永冲的持续时间的不断减少，带来了该;兄积的阻障层中氮浓度的减少。在周期N结束时，该阻障层达到了目标厚度。在一个实施方式中，反应物B的脉冲的持续时间为零秒，以使得该阻障的上表面为富含金属的。图5C显示了沉积工艺的另一种实施方式，该工艺可以产生随着薄膜厚度的增加，该阻障层中氮含量减少的阻障层，如图3C所示。在本实施方式中，在不同的沉积周期中，M和P月永冲〗呆持不变。反应物B是含氮化合物。反应物B的脉沖时间在各个周期中保持不变。然而，反应物B的脉冲中反应物B的浓度(或量)随着每个沉积周期逐渐减小。如图5C所示，脉冲553中反应物B的浓度高于脉冲557。随着每个沉积周期中B的浓度(或量)的减少，氮的浓度随着薄膜厚度的增加而减少。类似地，该沉积周期持续到周期N，在周
期N时达到了目标厚度。或者，该含阻障金属反应物M的浓度随着周期而增加，然而该含氮化合物B的浓度随着周期而减少，如图5D所示。这种组合也可以使得随着薄膜厚度的增加阻障层中氮的含量的减少。如图3D所示，另 一种创建在开始的层中具有高浓度的氮而在上表面具有较低浓度的氮(或没有氮)的方式是创建具有阶梯状氮浓度的阻障膜。图3D显示了三个浓度等级。然而，其它的浓度等级也是可能的，只要氮的浓度随着薄膜厚度的增加而减少。图6A显示了反应物和清洗气体的实施方式，作为图3D所示的在阻障层中实现氮含量减少的时间函教该沉积工艺开始于在该基板表面上应用含阻障金属的反应物(M)的月永沖601。月永沖601后面是清;先气体(P)的月永冲602,以从该基板表面去除多余的含阻障金属的反应物601。然后，应用反应物气体(B)的l永沖。因为随着膜厚度的增加该阻障金属层中氮的含量减少，所以用于脉沖603的该反应物气体(B )应当包含氮。该月永沖603中的反应物与该基才反上的该含阻障金属的反应物(M )反应，以形成金属氮化物(例如TaN)阻障层，该阻障层具有图3D所示的浓度C1。反应物B的脉冲603持续时间是Tm。该含氮气体的实施方式包括氨(NH3)、氮(N2)和一氧化氮(NO)。上面所述的其它类型的含氮气体也是可能的。^永冲601、 602、 603和604构成一个周期，以沉积具有C1等级的氮浓度的阻障层。该周期不断重复直到该薄膜厚度达到了厚度tl (X周期)，如图3D所示。第二种周期类型包括脉沖611、 612、 613和614，以沉积具有C2氮浓度的阻障层。脉沖611与脉沖601—样。脉冲612与脉冲602—样。脉冲614与脉冲604—样。月永沖613与月永冲603^f吏用同样的反应物，然而脉冲613的持续时间TB2比脉冲603的持续时间T^短。更短的含氮气体B的脉沖使得该阻障层内氮的浓度更低。该周期不断重复直到该阻障层达到了厚度t2 (Y周期)。然后，第三种周期类型包括脉沖621、 622、 623和624。反应物B的脉冲623的持续时间丁83比脉冲613的持续时间T b 2短。该周期不断重复直到达到该阻障层的最终厚度(Z周期)。在Z周期结束时，阻障层已到其目标厚度。在一个实施方式中，反应物B的力永冲的持续时间为零秒，以佳j寻阻障上表面为富含金属的。如上所述，反应物B和清洗气体P的脉冲可以是等离子增强的。该等离子增强的清洗气体可以使该阻障层更致密，也能敲掉附着于该阻障金属的多余的分子。在一个实施方式中，还有一个最后的等离子处理，以进一步还原表面化合物为更加富含金属的。该还原等离子可以包4舌气体，例如氢气或氨气。该还原等离子可以包括惰性气体，例如氩气或氦气。该最后的等离子处理也可以使该阻障层更加致密。在另一个实施方式中，在ALD工艺室内的沉积周期结束之后，该基板被移动到PVD工艺室以沉积阻障薄层，该工艺械: 称为阻障闪光。例如，如果该阻障金属是钽，该工艺^皮称为;f皮称为 钽闪光。这使得该阻障上表面为钽，钽可以跟铜良好粘合。图6A中的沉积反应物和清洗气体的脉冲浓度和持续时 间与图5A类似，只是在图5A中周期没有重复，而在图6A中周期是 重复的。类似地，图5B中的该含阻障金属的反应物M和含氮的反应 物B的持续时间同时发生变4匕这一思想，可以用于沉积具有阶梯4犬 变化的氮浓度的阻障层。图5B中的每个周期都以图6A中所示的方式 重复，以获得氮浓度的阶梯状变化。图6B显示了沉积工艺的另 一种实施方式，该沉积工艺可 以产生随着薄膜厚度的增加，该阻障层氮含量减少的阻障层，如图 3D所示。在本实施方式中，反应物B的脉冲时间在各个周期中保持 不变。然而，反应物B的脉冲中反应物B的浓度(或量)随着每个周 期逐渐减小。如图6B所示，脉沖653中反应物B的浓度高于脉冲663， 脉沖663中的反应物B的浓度又高于脉冲673。类似地，每个沉积周 期持续到达到目标厚度。在三种类型的沉积周期中，反应物B (包 含氮)的浓度的减少使得该沉积的阻障层具有随着薄膜厚度的增加 而减少的氮浓度，如图3D所示。如上所述，对于图5B中的重复周期，为了沉积具有阶梯 状变化的氮浓度的阻障层，图5D中的思想，该含阻障金属的反应物 M和含氮的反应物B的持续时间同时发生变化，可以用于沉积具有 阶梯状变化的氮浓度的阻障层。图5 D中的每个周期都以图6A中所 示的方式重复，以获得氮浓度的阶梯状变化。图7A显示了沉积工艺的另 一种实施方式，该沉积工艺可 以产生随着薄膜厚度的增加，该阻障层氮含量减少的阻障层，如图 3D所示。该沉积工艺开始于在该基纟反表面上应用含阻障金属的反应物(M)的脉冲701。脉沖701后面是清洗气体(P)的脉冲702,以 /人该基才反表面去除多余的含阻障金属的反应物701。然后，应用反 应物气体(B)的脉冲。因为随着膜厚度的增加该阻障金属层中氮 的含量减少，所以用于脉冲703的该反应物气体(B)应当包含氮。 该脉沖703中的反应物(B)与该基板上的该含阻障金属的反应物 (M)反应，以形成金属氮4b物(例如TaN)阻障层，该阻障层具 有图3D所示的浓度C1。月永冲701、 702、 703和704构成一个周期。该 周期不断重复直到该薄膜厚度达到了厚度tl ( X周期)，如图3D所示。第二种周期类型包4舌月永沖711、 712、 713和714，以沉积 具有C2氮浓度的阻障层。脉沖711与脉沖701—样。脉冲712与脉沖 702—样。脉冲714与月永冲704—才羊。月永冲713^f吏用反应物C,该反应 物C将与该含阻障金属的反应物M发生反应以生成具有较低氮含量 C2的阻障层，C2小于M与反应物B反应生成的浓度C1。脉沖7U、 712、 713和714的周期不断重复直到该薄膜厚度达到了厚度t2,如图 3D所示。第三种周期类型包括脉冲721、 722、 723和724，以沉积具 有C3氮浓度的阻障层。脉冲721与脉冲701和711—样。脉冲722与脉 冲702和712—样。脉冲724与月永冲704和714—样。脉冲723^f吏用反应 物D，该反应物D将与该含阻障金属的反应物M发生反应以生成具有 较低氮浓度C3的阻障层，C3小于M与反应物C反应生成的浓度C2 。 脉沖721、 722、 723、 724的周期不断重复直到该薄膜厚度达到了厚 度t3,如图3D所示。B、 C、 D的脉冲时间和浓度可以是相同的，也 可以变化，B、 C、 D工艺可以是热增强或等离子增强的。类似地， 使用清洗气体P的工艺步骤可以是热增加或等离子增强的。如上所述，反应物B和清洗气体P的脉沖可以是等离子增 强的。该等离子增强的清洗气体可以^使该阻障层更致密，也能敲掉 附着于该阻障金属的多余的分子。在一个实施方式中，还有一个最 后的等离子处理，以进一步还原表面^f匕合物为更加富含金属的。该还原等离子可以包括气体，例如氢气或氨气。该还原等离子可以包 括惰性气体，例如氩气或氦气。该最后的等离子处理也可以使该阻
障层更加致密。在另一个实施方式中，在ALD工艺室内的沉积周期 结束之后，该基板被移动到PVD工艺室以沉积阻障薄层，该工艺被 称为阻障闪光。例如，如果该阻障金属是钽，该工艺^皮称为^t旦闪光。 这使得该阻障上表面为钽，钽可以跟铜良好粘合。图7A中的实施方式的替代实施方式是，增加该含阻障金 属反应物M的持续时间或浓度701、 711、 721，以与B、 C、 D反应。
这种结合可以带来阻障层中阶梯状增加的氮浓度。图7B显示了沉积工艺的另 一种实施方式，该沉积工艺可 以产生随着薄膜厚度的增加，层氮含量减少的阻障层，如图3D所示。 该沉积工艺开始于在该基板表面上应用含阻障金属的反应物(Ma) 的脉沖751。脉冲751后面是清洗气体(P)的脉冲752，以从该基4反 表面去除多余的含阻障金属的反应物751。然后，应用反应物气体 (B)的脉沖。因为随着膜厚度的增加该阻障金属层中氮的含量减 少，所以用于脉沖753的该反应物气体(B)应当包含氮。该脉冲653 中的反应物与该基板上的该含阻障金属的反应物(Ma)反应，以 形成金属氮化物(例如TaN)阻障层。力永冲751、 752、 753和"4构 成一个周期，以沉积具有C1等级氮浓度的阻障层。该周期不断重复 直到该薄膜厚度达到了厚度tl (X周期)，如图3D所示。第二种周期类型包括脉沖761、 762、 763和764,以沉积 具有C2氮浓度的阻障层。脉冲761使用阻障金属反应物Mb， Mb不 同于脉冲751中的Ma。脉沖762与脉冲752—样。脉冲764与脉沖754 一样。脉冲763使用反应物C,该反应物C将与该含阻障金属的反应 物Mb发生反应以生成具有较低氮含量C2的阻障层，C2小于Ma与反 应物B反应生成的浓度C1。"永沖761、 762、 763和764的周期不断重 复直到该薄膜厚度达到了厚度t2 (Y周期)，如图3D所示。第三种周期类型包括脉冲771、 772、 773和774，以沉积具有C3氮浓度的阻障 层。脉沖771使用阻障金属反应物Mc, Mc不同于脉冲751中的Ma 和月永冲761中的Mb。月永沖772与月永沖752和762—才羊。月永沖774与月永沖 754和764—样。月永冲773^f吏用反应物D，该反应物D将与该含阻障金 属的反应物Mc发生反应以生成具有较低氮浓度C3的阻障层，C3小 于Mb与反应物C反应生成的浓度C2。脉沖771、 772、 773、 774的周 期不断重复直到该薄膜厚度达到了厚度t3 (Z周期)，如图3D所示。 B、 C、 D的脉冲时间和浓度可以是相同的，也可以变化，B、 C、 D 工艺可以是热增强或等离子增强的。类似地，使用清洗气体P的工 艺步骤可以是热增加或等离子增强的。用作钽等阻障金属的含阻障金属的反应物的实施例包括 但不限于五曱基乙基氮化钽(PEMAT; Ta(NC2H5CH3)5 )、五二乙基 氮化钽(PDEAT, Ta[N(C2H5)2]5 )、五二甲基氮化钽(PDMAT， Ta[N(CH3)2]5 )以及PEMAT、 PDEAT或PDMAT的一种或所有书亍生物。 其它的含钽前体(precursors )包括<旦不限于*又丁基亚氨基三(二乙 基氨基)钽(TBTDET)，叔丁基亚氨基三(二曱基氨基)钽
(TBTDMT ),及叔丁基亚氨基三(乙基曱基氨基)钽(TBTEMT )， 以及TBTDET、 TBTDMT和TBTEMT的所有书t生物。而且，其它的 含钽前体包括但不限于钽的卣化物，例如TaXs，其中X是氟(F)、 溴(Br)或氯(Cl)，及其变种。反应物B、 C和D的实施例包括氨
(NH3)、氮(N2)和一氧化氮(NO)。其它可以4吏用的含氮前体气 体包括但不限于NxHy, x和y都是整数(例如NzH4)、氮气等离子源、 NH2N(CH3)2以及其它的。如上所述，反应物B和清洗气体P的脉沖可以是等离子增 强的。该等离子增强的清洗气体可以使该阻障层更致密，也能敲掉 附着于该阻障金属的多余的分子。在一个实施方式中，还有一个最 后的等离子处理，以进一步还原表面化合物为更加富含金属的。该还原等离子可以包括气体，例如氢气或氨气。该还原等离子可以包 4舌惰性气体，例如氩气或氦气。该最后的等离子处理也可以^吏该阻
障层更加致密。在另一个实施方式中，在ALD工艺室内的沉积周期 结束之后，该基+反:故移动到PVD工艺室以沉积阻障薄层，该工艺祐: 称为阻障闪光。例如，如果该阻障金属是钽，该工艺被称为钽闪光。 这使得该阻障上表面为钽，钽可以跟铜良好粘合。如图7C所示，图7B中的实施方式的替代实施方式是，在 图7B的所有沉积周期中使用 一个单一的含氟反应物B。在X周期之 后，Ma与B反应以沉积具有Cl等级氮浓度的阻障层。在Y周期之后， Mb与B反应沉积具有C2'(小于C1 )等级氮浓度的阻障层。在Z周期 之后，Mc与B反应沉积具有C3'(小于C2')等级氮浓度的阻障层。图8A描绘了示例性晶圓处理系统800的示意图，该晶圓 处理系统800可以用来形成一个或多个具有此处所述的本发明的特 性的阻障层。系统800包含工艺室850、气体面板830,以及其它的 硬件元件，例如电源806和真空泵802。为了更清晰的加以说明，下 面简要描述工艺室850的突出特性。工艺室850大体容纳支撑基座851，该基座851被用来支撑 工艺室850内的基板，例如半导体晶圆890。根据工艺要求，在形成 层之前，可以使用来自电源806的加热能量将半导体晶圆8卯加热到 所需的温度或到某个所需的温度范围内。晶圓890可被维持在想要 的温度范围内，例如，约100。C到约400。C,优选地，约150。C到约 350。C。真空泵802被用来从工艺室850中抽出工艺气体，以帮助 维持该工艺室850内的压强为所需的压强或在所需的压强范围内。 穿透室850壁的小孔82(H皮用来将工艺气体引入工艺室850 。小孔820 的尺寸通常耳又决于工艺室850的尺寸。
气体管831耦合于气体面板830,通过气体管831从三个或 更多的气体源835、 836、 838向工艺室800供应工艺气体。反应物源 835和836可以储存在室温下为液态相的前体，该前体后来在气体面 板中时会被加热以将其转化为蒸汽气相，以引入室850。气体面板 830进一步一皮配置为容纳然后供应清洗气体到工艺室850，该清洗气 体来自清洗气体源838。在一个实施方式中，反应物源8354诸存M前 体，而反应物源836^f诸存上述反应物B。对于Y吏用多于一个M前体 (Ma、 Mb和Mc)的实施方式，可以4吏用多个反应物源835 ( 835a、 835b和835c)。类似地，对于4吏用多于一个B反应物(B、 C和D )的 实施方式，可以使用多个反应物源836 (836a、 836b和836c )。或者，该反应气体可以祐:乂人该工艺室的 一侧注射进去。 图8B描绘了晶圆另 一种示例性晶圆处理系统870的示意图，该晶圆 处理系统800可以用来形成一个或多个具有ot匕处所述的本发明的特 性的阻障层。在本实施方式中，该气体管831'被耦合至气体面板830 以通过该工艺室870的侧壁供应工艺气体到基板890的表面。在一个 实施方式中，该反应气体被以层流的形式传送至该基板8卯的表面。如上所述，在形成一个或多个阻障层的过禾呈中或形成之 后，基才反结构890可以^皮施以等离子工艺气体，以反应或进4亍等离 子处理。尽管不希望^皮理i仑约束，该等离子处理，例如氩溅射，可 以帮助去除附着于该阻障金属(例如钽)的有^Mt合物，在该阻障 金属被化学吸附在该基板表面上之后。附着于该阻障金属的该有机 化合物是该阻障金属前体的一部分。该等离子处理可以帮助从该阻 障层中去除杂质。该等离子处理还可以提升该阻障层的质量和密 度。参考图8A，有一个或多个RF电源810和812。 RF电源810耦合于 喷淋头860。喷淋头860和晶圆支撑基座851提供了部分间隔开的电 极。该电极间产生电场，以激活引入室850的工艺气体从而提供等离子。显然，可以使用与该金属阻障层相应的其它化学活性气体，
以物理性取代金属阻障层中的氮，包括但不限于氖(Ne)、氱(Xe)、 氦(He)和氢(H2)。通常，对于不与氮化钽薄膜化学反应的等离 子气体，需要有原子量更接近于氮而不是钽的等离子气体原子或分 子，以优先賊射氮。然而，也可以4吏用化学活性工艺，其中选用的 气体可以^尤先反应以去除氮并留下钽。上述各种实施方式中所描述的思想可以#1用来在该阻障 层内沉积具有增加的或减少的浓度的4匕合物的阻障层。例如，在其 它应用中，可能需要阻障层内的氮浓度随着薄膜厚度的增加而增 加。在这种情况下，B反应物的持续时间或浓度随着沉积周期而增 加，而不是Y象上面所述的一样减少。具有增加或减少的浓度的化合 物不一定是氮。其它可以应用的〗匕合物也可以,人该思想受益。该思 想应用于任何需要两种反应物的ALD沉积。
知道，本领域的才支术人员，通过阅读前述失见范并研究附图，可以意 识到本发明具有各种变形、增加、排列或等同替换。因此，我们的 目的在于所有这些变形、增加、排列或等同替换都落入本发明的真 实精神和范围。在权利要求中，除非明确指出，否则各元件和/或步 骤都没有暗示特定的纟喿作顺序。
权利要求
1.一种在互连结构上沉积阻障层的方法，包含(a)提供原子层沉积环境；(b)在该原子层沉积环境中，在第一相位沉积期间，在该互连结构上沉积具有第一氮浓度的阻障层；及(c)在该原子层沉积环境中，在第二相位沉积期间，继续在该互连结构上沉积具有第二氮浓度的阻障层。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中该第一氮浓度高于该第二氮浓度。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中步骤(b)不断重复直到达 到第一阻障层目标厚度，及步骤(c)不断重复直到达到第二 阻障层目标厚度。
4. 根据权利要求1所述的方法，还包含(d) 在该原子层沉积环境中，在第三相位沉积期间，继 续在该互连结构上沉积具有第三氮浓度的阻障层，其中该第三 相^f立沉积是在该第二相^f立沉积之后。
5. 根据权利要求3所述的方法，其中该氮浓度从该第一阻障层的 该第 一相位内的该第 一氮浓度到该阻障层的该第二相位内的 该第二氮浓度阶梯状减少。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中该阻障层是通过在该互连结 构上施力口阻障金属前体和氮前体的序列月永沖而形成的。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中每个阻障金属前体脉冲之 后，及每个氮前体"永冲之后，施加清洗气体a永沖。
8. 根据权利要求6所述的方法，其中该氮前体是等离子化的。
9. 根据权利要求7所述的方法，其中该清洗气体是等离子化的。
10. 根据权利要求1所述的方法，其中该阻障层的厚度是约10埃 到约50i矣之间。
11. 根据权利要求1所述的方法，其中该沉积工艺温度是约100°C 到约400°C之间。
12. 4艮据^又利要求1所述的方法，其中该阻障层中的该阻障金属是 从由钽(Ta)、钛(Ti)、鴒(W)、锆(Zr)、铪(Hf)、钼(Mo )、 铌(Nb)、钒(V 钌(Ru)和铬(Cr)构成的一组金属中 选出来的。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中该阻障金属前体是五曱基 乙基氮化钽(PEMAT)、五二乙基氮化钽(PDEAT)、五二甲 基氮化钽(PDMAT)、叔丁基亚氨基三(二乙基氨基)钽(TBTDET )，叔丁基亚氨基三(二曱基氨基)钽(TBTDMT ), 及叔丁基亚氨基三(乙基甲基氨基)钽(TBTEMT)以及钽的 鹵化物TaXs,其中X是氟(F)、溴(Br)或氯(Cl)以及上 述物质的任4可及所有4汙生物中的一种。
14. 根据权利要求7所述的方法，其中清洗气体是氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氢(H2 )、氮(N2 )及其组合中的一种。
15. 根据权利要求7所述的方法，其中该氮前体是氨(NH3)、氮(N2)、 一氧化氮(NO)和NxHy中的一种，其中x和y都是整数。
16. —种在原子层沉积系统中在互连结构上沉积阻障层的方法，包 含在该原子层;冗积系统中，在该互连结构上，沉积具有随 着薄膜厚度的增加而连续减少的氮浓度的阻障层。
17. 根据权利要求16所述的方法，其中该阻障层是通过执行多个 周期的阻障金属前体、清洗气体、含氮反应物和该清洗气体的 序列"永冲而沉积的，其中该含氮气体与该阻障金属前体反应以 形成该阻障层。
18. 根据权利要求17所述的方法，其中该含氮气体的持续时间或 浓度随着该序列脉沖的每个周期而减少。
19. 一种在原子层沉积系统中在互连结构上沉积阻障层的方法，包 含在该原子层沉积系统中，在该互连结构上，沉积具有随 着薄膜厚度的增加而阶梯状减少的氮浓度的阻障层。
20. 根据权利要求19所述的方法，其中该阻障层是通过执行多个 周期的阻障金属前体、清洗气体、具有第一持续时间和第一浓 度的含氮反应物和该清洗气体的序列脉冲而沉积的，其中该具 有该第 一持续时间和该第 一浓度的该含氮气体与该阻障金属 前体反应以形成具有第 一 氮浓度的该阻障层。
21. 根据权利要求20所述的方法，其中该阻障层沉积之后，执行 多个周期的该阻障金属前体、该清洗气体、具有第二持续时间和第二浓度的含氮反应物和该清洗气体的序列月永冲，其中该具 有该第二持续时间和该第二浓度的该含氮气体与该阻障金属 前体反应以形成具有第二氮浓度的该阻障层。
22. 根据权利要求20所述的方法，其中该第二持续时间短于该第 一持续时间，或者该第二浓度低于该第一浓度。
23. 根据权利要求19所述的方法，其中该阻障层是通过执行多个 周期的阻障金属前体、清洗气体、第一含氮反应物和该清洗气 体的序列月永沖而沉积的，其中该第 一含氮气体与该阻障金属前 体反应以形成具有第 一 氮浓度的该阻障层。
24. 根据权利要求23所述的方法，其中该阻障层沉积之后，执行 多个周期的该阻障金属前体、该清洗气体、第二含氮反应物和 该清洗气体的序列脉冲，其中该第二含氮气体与该阻障金属前 体反应以形成具有第二氮浓度的该阻障层，且该第二氮浓度低 于该第一氮浓度。
25. 根据权利要求19所述的方法，其中该阻障层是通过执行多个 周期的第一阻障金属前体、清洗气体、含氮反应物和该清洗气 体的序列脉冲而沉积的，其中该第 一含氮气体与该第 一阻障金 属前体反应以形成具有第 一 氮浓度的该阻障层。
26. 根据权利要求25所述的方法，其中该阻障层沉积之后，执行 多个周期的第二阻障金属前体、清洗气体、含氮反应物和该清 洗气体的序列脉沖，其中该含氮气体与该第二阻障金属前体反 应以形成具有第二氮浓度的该阻障层，且该第二氮浓度低于该第一氮浓度。
全文摘要
本发明的各种实施方式提供了改进的工艺和系统，该工艺和系统生产具有随着薄膜厚度的增加而减少的氮浓度的阻障层。具有随着薄膜厚度的增加而减少的氮浓度的阻障层使得具有高氮浓度的阻障层末端与电介质层有良好的粘着性，且具有低氮浓度(或富含金属)的阻障层末端与铜有良好的粘着性。提供一种在互连结构上沉积阻障层的方法。该方法包括(a)提供原子层沉积环境，(b)在该原子层沉积环境中，在第一相位沉积期间，在该互连结构上沉积具有第一氮浓度的阻障层。该方法还包括(c)在该原子层沉积环境中，在第二相位沉积期间，继续在该互连结构上沉积具有第二氮浓度的阻障层。
文档编号H01L21/02GK101595550SQ200780040881
公开日2009年12月2日 申请日期2007年10月18日 优先权日2006年10月31日
发明者弗里茨·雷德克, 衡石·亚历山大·尹 申请人:朗姆研究公司