专利名称：铜金属化制作工艺的低电阻值阻挡层的制造方法
技术领域：
本发明有关于铜金属化制作工艺的阻挡层(Barrier Layer)的制造方法，特别是有关于集成电路铜制作工艺中，形成具梯度浓度变化的低电阻值氮化钽(TaNx)阻挡层的制造方法。
但是，铜金属的一些化学性质却阻碍了其在集成电路组件上的应用，其中包括(1)铜金属在约200℃的低温下极易与许多元素反应，例如与硅或硅基材反应，形成如Cu3Si的化合物于集成电路结构中，而造成组件失效。(2)铜金属无法像铝金属一样生成自我保护的氧化层，因此容易氧化与腐蚀，而影响金属联机的导电稳定性。(3)铜金属与介电层的附着性不良，使得集成电路中薄膜结构的机械强度不足。(4)铜原子具有快速的扩散性，在电场的加速下，铜原子能穿透介电层而快速的扩散，尤其一旦铜原子扩散至硅基材中，造成组件的特性退化与失效。因此，便需要在基材或介电层与铜金属间形成一阻挡层来解决上述问题。
良好的阻挡层必需可做为有效的粘着层，不但与铜金属的附着性良好，且与介电层附着良好。同时，也需要高温下能有效抑制铜原子扩散到硅组件内部，并具有良好的热稳定性以提高组件的寿命与可靠度。其中现今较常在铜制作工艺中使用的阻挡层材料为氮化钽(TaN)材料，其拥有较佳的阻障效果。
图1所绘示为一般利用氮化钽做为阻挡层材料的铜金属内联机的结构示意图。请参照图1，其中在基材10中已形成一铜金属内联机14，并在基材10上形成具有一开口20的介电层18，而在基材10与介电层18间具有蚀刻终止层12，以方便形成例如金属镶嵌结构的开口20时的制作工艺所需。接着，在开口20中，沉积一层以氮化钽所构成的阻挡层22，再通过铜晶种层(Seed Layer)、铜电镀(Electroplating)与化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing)等制作工艺以形成铜金属层24，便可完成另一铜金属内联机结构。
但是，在公知技术中，常会出现如图1所示的铜金属层24的回拉(Pull Back)现象26。此回拉现象26有可能是因为构成阻挡层22的氮化钽材料与铜金属层24间的附着性不良，或后续制作工艺或实际产品应用时的电与热的加压所导致。由于回拉现象26的存在，会影响铜制作工艺中多层金属内联机(Multilevel Interconnect)的导电稳定性与产品可靠度。
另外，本发明的目的之一为提供一种铜金属化制作工艺的氮化钽阻挡层的制造方法，以解决公知铜金属内联机制作工艺中，利用氮化钽材料做为阻挡层所遭遇到铜金属内联机回拉的问题。
根据上述的目的，本发明所提供铜金属化制作工艺的低电阻值阻挡层的制造方法包括提供一基材；形成一开口于基材中；以及，进行一沉积步骤，在沉积具有一厚度的阻挡层后，使含氮反应气体流量递减，并继续形成阻挡层覆盖于开口，此阻挡层由数个金属原子与数个氮原子(N)所构成，而此氮原子的浓度由阻挡层的底面向表面递减。本发明铜金属的阻挡层4的制造方法中，上述的开口可为沟渠(Trench)结构、介层窗(Via)结构、或金属镶嵌(Damascene)结构。而上述的沉积步骤可利用物理气相沉积法(Physical VaporDeposition)、或化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition)来进行。在本发明一较佳实施例中，上述的金属原子为钽原子(Ta)，含氮反应气体为氮气，而所形成的阻挡层由氮化钽(TaNx)材料所构成，并在阻挡层的底面中，钽原子与氮原子的具有的较佳X值介于0.5至0.8之间，其值视实际应用时的需求而定。另外，更可将上述的含氮反应气体流量递减为零，因此，所形成的阻挡层表面，氮原子的浓度为零。本发明更可在上述开口中形成铜金属，即可形成铜金属内联机的结构。
利用本发明铜金属化制作工艺的低电阻值阻挡层的制造方法，可制造具有梯度浓度变化的氮化钽阻挡层，其与铜金属间的附着性较公知应用氮化钽材料好，而可降低阻挡层的电阻及提升组件的抗电迁移阻抗与导电稳定性。
20开口 22阻挡层24铜金属层 26回拉现象50基材 52蚀刻终止层54铜金属内联机 58介电层60开口 62阻挡层64位置 66氮原子70最先沉积部分 72中段沉积部分74最后沉积部分 80铜金属层图2所绘示为本发明铜金属化制作工艺的低电阻值阻挡层的结构示意图。请参照图2，首先，基材50中具有已形成的铜金属内联机54，但本发明不限于基材50中一定具有铜金属内联机54的结构。接着，在基材50上形成隔离金属联机所需的介电材料，例如介电层58，并在介电材料中形成一开口60，此开口可为沟渠结构、介层窗结构、或如图2中所示的金属镶嵌结构。若要以如金属镶嵌制作工艺来形成开口60，则可在基材50与介电层58间形成蚀刻终止层52，以防止过度蚀刻。其中，上述形成沟渠结构、介层窗结构或金属镶嵌结构的方法并非本发明的重点，且其操作原理为熟悉此技艺者所知，故本发明不在此赘述。
形成开口60后，本发明即利用物理气相沉积法或化学气相沉积法在开口60上形成阻挡层62。其中，若为提高镀膜时的阶梯覆盖率，则可选择化学气相沉积法较能得到厚度均匀的膜，但以例如氮化钽做为铜金属阻挡层材料而言，在高真空下以物理气相沉积法所镀出的氮化钽阻挡层薄膜品质较佳，操作者可依所需而加以选择，本发明不限于此。氮化钽气相沉积法中，含氮反应气体与钽原子结合，以在基材中形成氮化钽的薄膜，其中上述的含氮反应气体可为例如氮气或其它氮化物气体等，本发明不限于此。公知形成氮化钽薄膜过程中，不论是物理气相沉积法或化学气相沉积法，其中所使用的氮气反应气体的流量是固定的，因此所制造出来的氮化钽薄膜成分非常均匀，亦即氮原子在薄膜中的分布非常均匀。但是，本发明的特点在于，在物理或化学气相沉积法中，于沉积一定厚度的氮化钽后，改变含氮反应气体的流量，使含氮反应气体流量慢慢递减，并继续沉积氮化钽阻挡层。因此，所制造出来的氮化钽薄膜中的氮原子会呈现逐渐下降的梯度浓度。
图3所绘示为本发明铜金属化制作工艺的低电阻值阻挡层的放大结构示意图，此图3为图2中位置64的放大结构。请参照图3，沉积在开口60中的阻挡层62具有数个氮原子66，其中，在最先沉积部分70中，由于参与反应的含氮反应气体流量最大，因此所含有的氮原子66数量也最多。接着，由于含氮反应气体流量递减，因此在中断沉积部分72所含有的氮原子66数量即少于最先沉积部分70所含有的氮原子66数量。随后，当含氮反应气体流量非常微小时，最后沉积部分74中的氮原子66数量即非常稀少。
在本发明一较佳实施例中沉积氮化钽(TaNx)阻挡层，此X用来代表氮化钽阻挡层中，钽原子数量比上氮原子数量的比值。其中，在阻挡层底面，亦即最先沉积部分中，X值大约在0.5至0.8之间(视实际应用时的需求而定)，而当含氮反应气体流量逐渐递减的情况下，使X值逐渐下降，甚至下降至零。亦即在沉积氮化钽的制作工艺中，最后可将含氮反应气体关闭，如此可在阻挡层表面形成仅有钽原子的金属结构，如此可结合钽金属与氮化钽材料的特性，以做为特性良好的阻挡层结构。值得注意的是，本发明铜金属化制作工艺的低电阻值阻挡层的制造方法除了可应用在氮化钽阻挡层的制造中，更可应用在其它氮化金属的阻挡层结构制作工艺中，本发明不限于此。另外，本发明制造方法中，X值递减至零仅为举例，更可视产品或制作工艺需要，选择含氮反应气体流量的递减程度，亦即控制X的变化值，以制造所需梯度浓度变化的阻挡层，本发明并不限于此。本发明低电阻值阻挡层的制造方法除了可应用在底部为基材的介电层的开口结构外，更可应用在内联机金属介电层的开口中，亦即铜制作工艺中，需要形成低电阻值阻挡层的位置，皆可应用本发明的制造方法。
最后，请参照图4，形成铜金属层80在图2的结构中，即可形成铜金属内联机的结构。利用本发明上述的制造方法可制造具有梯度浓度变化的例如氮化钽阻挡层，其中于表面形成的钽金属与铜金属间的附着性较公知所应用的单纯氮化钽材料好。另外，再加上本发明的阻挡层底部应用氮化钽材料，而可获得良好的阻隔效果。如此一来，利用本发明铜金属化制作工艺的低电阻值阻挡层的制造方法，可获得同时具有良好附着性与阻隔特性的阻挡层，应用在铜金属镶嵌制作工艺中，即可降低介层窗阻值，并提升其多层金属内联机的抗电迁移阻抗，使组件的导电稳定性提升。
如熟悉此技术的人员所了解的，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的申请专利范围；凡其它未脱离本发明所公开的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在权利要求书内。
权利要求
1.一种铜金属化制作工艺的低电阻值阻挡层的制造方法，其特征在于至少包括提供一基材；形成一开口于该基材中；进行一沉积步骤，先沉积具有一厚度的一阻挡层后，使一含氮反应气体流量递减，并继续形成该阻挡层覆盖于该开口，其中该阻挡层由复数个金属原子与复数个氮原子(N)所构成，而该些氮原子的浓度由该阻挡层的一底面向该阻挡层的一表面递减。
2.如权利要求1所述的铜金属化制作工艺的低电阻值阻挡层的制造方法，其特征在于其中上述的开口可选自于由一沟渠(Trench)结构、一介层窗(Via)结构与一金属镶嵌(Damascene)结构所组成的一族群。
3.如权利要求1所述的铜金属化制作工艺的低电阻值阻挡层的制造方法，其特征在于其中上述的沉积步骤利用一物理气相沉积法(Physical Vapor Deposition)。
4.如权利要求1所述的铜金属化制作工艺的低电阻值阻挡层的制造方法，其特征在于其中上述的沉积步骤利用一化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition)。
5.如权利要求1所述的铜金属化制作工艺的低电阻值阻挡层的制造方法，其特征在于其中上述的金属原子为钽原子(Ta)。
6.如权利要求5所述的铜金属化制作工艺的低电阻值阻挡层的制造方法，其特征在于其中上述的底面中，该阻挡层由氮化钽(TaNx)材料所构成，X为该些钽原子与该些氮原子的一比例值，且该比例值介于0.5至0.8之间。
7.如权利要求1所述的铜金属化制作工艺的低电阻值阻挡层的制造方法，其特征在于其中上述的含氮反应气体为氮气。
8.如权利要求1所述的铜金属化制作工艺的低电阻值阻挡层的制造方法，其特征在于其中若该含氮反应气体的流量递减为零，则该阻挡层的该表面所含有的该些氮原子的浓度为零。
9.一种铜金属化制作工艺的氮化钽阻挡层的制造方法，其特征在于至少包括提供一基材，其中该基材的表面具有一介电层；形成至少一开口于该介电层中；进行一沉积步骤，在沉积具有一厚度的一氮化钽阻挡层后，使一含氮反应气体的流量递减，并继续形成该氮化钽阻挡层覆盖于该至少一开口中，该氮化钽阻挡层由复数个钽原子与复数个氮原子所构成，其中该些氮原子的浓度由该氮化钽阻挡层的一底面向该氮化钽阻挡层的一表面递减。
10.一种铜金属内联机结构的制造方法，其特征在于至少包括提供一基材，其中该基材的表面具有一介电层；形成至少一开口于该介电层中；进行一沉积步骤，在沉积具有一厚度的一阻挡层后，使一含氮反应气体的流量递减，并继续形成该阻挡层覆盖于该至少一开口中，该阻挡层由复数个钽原子与复数个氮原子所构成，其中该些氮原子的浓度由该阻挡层的一底面向该阻挡层的一表面递减；形成一铜金属层于该阻挡层上，并填满该至少一开口。
全文摘要
一种铜金属化制作工艺的低电阻值阻挡层的制造方法，利用改变物理气相沉积法或化学气相沉积法中的含氮反应气体流量，使所沉积的氮化钽薄膜中所含有的氮原子浓度由底面向表面递减，而形成表面为钽金属结构的氮化钽阻挡层。应用此铜金属化制作工艺的低电阻值阻挡层的制造方法，可结合钽金属与氮化钽材料的结构特性，使阻挡层同时具有良好的附着性与阻隔效果，改善一般铜金属内联机的回拉现象。如此一来，可提升铜制作工艺中集成电路多层金属内联机(Multilevel Interconnect)的导电稳定性，而提高其抗电迁移阻抗及产品可靠度。
文档编号H01L21/768GK1458680SQ02120268
公开日2003年11月26日 申请日期2002年5月17日 优先权日2002年5月17日
发明者李显铭, 潘兴强, 刘重希, 余振华 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司