专利名称：低热导率材料上氮化钽扩散阻挡区域的等离子体增强原子层沉积的制作方法
技术领域：
本发明总地涉及扩散阻挡层，更特别地，涉及在低k材料上产生锐利阻挡界面的氮化钽扩散阻挡区域的等离子体增强原子层沉积的方法。
背景技术：
原子层沉积(ALD)近来已经被研究用于半导体互连技术，尤其是用于衬垫(liner)应用。ALD是逐层薄膜沉积技术，其进行化学物质的交替暴露。用于铜(Cu)互连技术的各种金属衬垫中，钽(Ta)基材料是最广泛使用的材料之一，因为它们提供高度的热和机械稳定性和扩散阻挡属性、以及良好的粘合性，这些都产生良好的可靠性。常规集成方案包括通过物理气相沉积(PVD)沉积钽/氮化钽(Ta/TaN)双层以用作铜(Cu)扩散阻挡层。然而，该方法的一个缺点在于，随着器件技术朝向亚100nm架构迁移，该技术的定向性质所导致的PVD技术的差的保形性(conformality)已成为一个潜在的问题。
ALD所产生的潜在问题包括污染物引入和前体(precursor)与衬底材料之间的可能反应。恶化这些问题的一种特殊材料类型是低热导率(低k)电介质，例如道氏化学(Dow Chemical)的SiLK。例如，通常难以通过常规热ALD在低k材料上生长钽(Ta)基材料。特别地，难以在足够低的温度下生长该材料以用于互连技术，其需要400℃以下的生长温度。
为了解决上述问题，等离子体增强ALD(PE-ALD)已经被提出作为一种替代方法。PE-ALD的一个可能问题在于一般使用原子氢(H)作为还原剂来沉积衬垫材料。原子氢的使用对于在低k电介质上旋涂尤其成问题。特别地，公知SiLK与原子氢(H)反应，从而当暴露于原子氢(H)时发生蚀刻。类似地，已知氮化钽(TaN)的PE-ALD产生金属前体与包括氢的等离子体之间的反应。
考虑到上述问题，本领域需要一种技术来沉积衬垫材料而不使用原子氢。
发明内容
本发明包括在低k材料上沉积氮化钽(TaN)扩散阻挡区域的方法。该方法包括在腔中通过从钽基前体和氮等离子体进行等离子体增强原子层沉积(PE-ALD)在低k材料衬底上形成保护层。该保护层具有比其钽含量大的氮含量。然后通过从该钽基前体和包括氢和氮的等离子体进行PE-ALD形成基本化学计量(stoichiometric)的氮化钽层。本发明还包括如此形成的氮化钽扩散阻挡区。在一个实施例中，该金属前体包括五氯化钽(TaCl5)。本发明产生低k材料与衬垫材料之间锐利的界面。通过本发明产生的具有高氮(N)含量的铜(Cu)互连衬垫提供非常稳定的衬垫结构从而防止铜向内扩散到衬底材料中。本发明还防止下层(underlayer)的层离(delamination)和混合。
本发明的第一方面涉及一种在低k材料衬底上形成氮化钽扩散阻挡区域的方法，该方法包括步骤通过等离子体增强原子层沉积(PE-ALD)从钽基前体和氮等离子体在低k材料衬底上形成保护层；以及通过PE-ALD从该钽基前体以及氢和氮的等离子体形成随后的基本化学计量的氮化钽扩散阻挡层。
本发明的第二方面涉及一种在衬底上形成氮化钽扩散阻挡区域的方法，该方法包括步骤在腔中通过进行第一数量的第一循环在低k材料衬底上形成保护层，每个第一循环包括将该衬底暴露于钽基前体，对该腔抽真空，从该钽基前体和氮等离子体进行等离子体增强原子层沉积(PE-ALD)，以及对该腔抽真空；以及在该腔中通过进行第二数量的第二循环形成随后的基本化学计量的氮化钽扩散阻挡层，每个第二循环包括将该衬底暴露于钽基前体，对该腔抽真空，从该钽基前体以及氢和氮的等离子体进行PE-ALD，以及对该腔抽真空。
本发明的第三方面涉及与低k材料一起使用的氮化钽扩散阻挡区域，该层包括与该低k材料相邻的保护层，该保护层包括氮化钽材料，具有比钽含量大的氮含量；以及与该保护层相邻的基本化学计量的氮化钽扩散阻挡层。
本发明的前述和其他特征和优点将从以下关于本发明的实施例的特别说明变得明显。
将参照附图详细描述本发明的实施例，附图中相似的附图标记表示相似的元件，其中图1示出根据本发明的氮化钽扩散阻挡区域的示意性剖视图；图2示出根据本发明用于产生TaN扩散阻挡区域的方法流程图；图3示出图2的方法产生的高氮TaN保护层的XRD谱；图4示出热退火期间高氮TaN保护层的光散射和表面电阻曲线；图5A-5B示出扩散阻挡层样品的透射电子显微镜图像；图6A-6B示出图5A-5B的扩散阻挡区域样品的微能量弥散x射线(EDX)数据曲线。
具体实施例方式
参照附图，图1示出根据本发明的用于与低k材料102一起使用的氮化钽(TaN)扩散阻挡区域100。阻挡区域100包括与低k材料102相邻的保护层104，包括TaN材料，具有比钽含量大的氮含量；以及与保护层104相邻的随后的基本化学计量的TaN扩散阻挡层108。如下面将进一步描述的，在低k材料102(例如SiLK)和保护层104之间基本没有反应，导致非常平滑且锐利的界面。另外，保护层104成功地防止原子氢(H)与SiLK层102在后面的基本化学计量的TaN层108的形成期间相互作用，且允许层108即使在低k材料(例如SiLK)102上也能顺利生长。
参照图2，示出根据本发明利用等离子体增强原子层沉积(PE-ALD)形成高氮TaN保护层104和基本化学计量的TaN扩散阻挡层的方法的流程图。应理解，将相关于该方法对样品的一个示例性应用来描述本发明。然而，本发明不限于该特定示例性应用的操作参数，例如温度、压强等，除了所附权利要求描绘的那些。
如图所示，该方法包括如PE-ALD技术预期的那样重复多次循环。在一个示例性实施例中，该方法在能够操纵直径200mm大的样品尺寸的非商用ALD腔中进行。该腔可包括反应气体级涡轮分子泵，具有10-7托的工作基压(base pressure)。样品加热可利用陶瓷电阻加热板进行，其提供达450℃的生长温度。在一个实施例中，该方法在约300℃进行。所述温度可通过改变到所述加热器的电流来改变，这可以参照附着到样品的热偶(thermocouple)来校准。
在第一步骤S1，通过PE-ALD从钽基前体和氮等离子体在低k材料衬底102(图1)上形成保护层104(图1)。特别地，在步骤S1A，衬底暴露于钽基前体。在一个实施例中，容纳在玻璃管中的固体五氯化钽(TaCl5)(粉末形式)用作钽基前体。然而，也可以替代地使用五碘化钽(TaI5)、五氟化钽(TaF5)或五溴化钽(TaBr5)。玻璃管可维持在例如90℃的温度从而形成适当的蒸气压。另外，传送管线(delivery line)可被加热在90-110℃之间从而阻止该前体的凝结。为了改善钽基前体的传输，可以使用包括例如氩(Ar)的载气，其流量可以通过源管上游的质量流控制器来控制。在一个实施例中，衬底暴露于Ar气携载的＞1000朗缪尔(Langmuir，L)的TaCl5。一朗缪尔等于在10-6托暴露1秒。其上可进行该方法的衬底包括任何低k材料，例如二氧化硅(SiO2)、浸氢氟酸的硅(Si)、以及诸如二氧化硅上SiLK的低k电介质材料。但是，其他衬底也是可行的。
在步骤S1B中，例如利用真空泵对腔抽真空。在一个实施例中，在金属前体与等离子体暴露(下面的步骤S1C或步骤S2C)之间没有使用清洗气体。然而，应意识到，可以使用清洗气体，其不会改变本方法的结果。
在步骤S1C中，衬底暴露于氮等离子体。在此步骤中，用于氮的闸式阀(gate valve)打开以用于射频(RF)源。RF等离子体源可以是任何常规等离子体源，包括例如包覆以铜(Cu)箔的石英管用于产生等离子体。从该氮等离子体(没有氢)中的钽基前体的PE-ALD导致TaN保护层104(图1)的形成，TaN保护层104具有比钽更高的氮含量，其优点将在下面描述。
在步骤S1D中，腔再次被抽真空且完成用于形成保护层104(图1)的PE-ALD的一个循环。如图2所示，步骤S1可重复多个循环，其决定保护层104(图1)的厚度。
接着，在步骤S2中，通过PE-ALD从钽基前体以及氢和氮的等离子体形成随后的基本化学计量的TaN扩散阻挡层108(图1)。步骤S2A-S2D表示步骤S1A-S1D的重复，变化在于等离子体包括氢和氮。在此步骤中，用于氢和氮的闸式阀打开以用于射频(RF)源。通过经一个或更多泄漏阀控制氮(N)和/或氢(H)的流量来控制TaN扩散阻挡层108(图1)中钽和氮含量之间的平衡。如图2所示，步骤S2可以重复多个循环，其决定基本化学计量的TaN扩散阻挡层108(图1)的厚度。
在任何情况下，保护层104(图1)的形成的循环次数小于其中形成基本化学计量的TaN层108(图1)的循环的次数，即，基本化学计量的TaN层更厚。在一个实施例中，所采用的循环次数对于保护层为100循环，对于基本化学计量的TaN扩散阻挡层为800循环。
为了说明保护层104(图1)的物理属性，结合图3-4参照图1。参照图3，示出利用TaCl5形式的钽基前体和氮等离子体沉积的保护层104的示例性x射线衍射(XRD)谱。即使没有原子H，仅有氮等离子体，保护层被沉积。RBS分析显示，对于示例性1200循环沉积，1.360×1017cm2的钽(Ta)原子可以以1.3的氮比钽(N/Ta)比率被沉积。虽然注意到XRD图案表明了Ta3N5相，但是其他高氮含量TaNx相例如Ta4N5和Ta5N6也可存在，因为所有这些相具有类似的XRD峰。特别地，衍射图案非常接近于现有技术已知的对于通过五氯化钽(TaCl5)和氨(NH3)沉积的Ta3N5相所获得的图案。然而，利用NH3沉积的氯含量在约300℃高约5％。但是，对于氮等离子体工艺，Cl含量在0.5％以下，其表明氮等离子体的氯(Cl)提取效率至少与氢等离子体相当。
参照图4，通过热退火研究了铜(Cu)扩散阻挡属性，且获得了沉积至例如约25厚度的保护层的表面电阻和光学散射结果。特别地，当样品在形成气体中以3℃/s的温度斜率从100℃至1000℃退火时，利用同时进行的两种不同原位技术研究了铜(Cu)扩散阻挡失效。温度利用K型热偶监测，其利用与硅(Si)接触的各种金属的共晶熔点校准以达到±3℃的精确度。首先，对于光学散射，削波氦氖(HeNe)激光束通过纤维光缆引入到退火腔中且通过透镜以65°的入射角聚焦到样品表面上，形成1×2mm的斑点尺寸。利用分别定位在50°和-20°允许约5mm和0.5mm的横向长度的测量的两个裸光纤测量散射强度。对于从样品表面散射的仅削波HeNe光的检测，锁相放大器与硅(Si)光电二极管和干涉滤波器一起使用，其除去了其他波长的背景光。该光散射技术检测源自表面粗糙度的散射强度改变以及阻挡失效会导致的折射率改变(例如多相成分域的共存)。
所使用的第二原位技术是作为温度函数的四点探针表面电阻测量。四个弹簧加载的钽(Ta)探针近似以正方形几何图案布置且维持与样品表面接触，同时25mA的电流流过探针中的两个，通过另外两个测量电压。这允许利用室温标定的相对表面电阻测量，绝对测量利用固定在线内的四点探针几何形状进行。
如图4所示，保护层104具有大于约820℃的热稳定性，与基本化学计量的TaNALD层相比其是高得多的温度，基本化学计量的TaNALD层在约620℃失效(未示出)。这表明单独的保护层是良好的扩散阻挡，但是该层的高电阻率在器件应用中会成问题。
为了示出应用于低k电介质例如SiLK时本发明的优点，参照图5A-5B和图6A-6B，其示出SiLK材料上准备的两个不同样品的测试分析的数目的结果。样品通过在150nm多晶硅上ALD TaNx的沉积来准备从而在表面电阻分析期间电隔离该硅衬底。第一样品(图5A和6A)利用氢和氮混合等离子体利用常规PE-ALD立方TaN层沉积制备。第二样品(图5B和6B)根据本发明制备。关于第二样品，该方法包括100循环的保护层形成(仅氮等离子体)，接着是800循环的基本化学计量的TaN层形成(氢和/或氮)。对于两样品(图5A-5B)完成解析透射电子显微镜(下面称为“TEM”)从而观察界面锐度和表面粗糙度。成分和厚度通过卢瑟福(Rutherford)背散射谱(下文称为“RBS”)确定。
图5A示出根据现有技术方法在低k材料(例如SiLK)上氮化钽沉积的TEM分析，图5B示出根据本发明在低k材料(例如SiLK)上TaNx沉积的TEM分析。如上所述，在等离子体沉积期间当暴露于原子H时低k材料例如SiLK是易受影响的。图5A示出氢等离子体在SiLK层12上沉积基本化学计量的TaN层10的结果。在800循环的沉积之后，对于该膜观察到肉眼可见的层离，源自于SiLK与氢等离子体的反应。特别地，TaN层10与SiLK层12之间界面非常粗糙，且混合清晰可见。
相比较，图5B示出根据本发明准备的第二样品的TEM图像。从图5B可见，在低k材料102(例如SiLK)与保护层104之间基本没有反应，导致非常平滑且锐利的界面。该结果表明保护层104成功地防止原子氢(H)与SiLK层102在后面的TaN扩散阻挡层108的形成期间相互作用，且允许层108即使在低k材料(例如SiLK)102上也能顺利生长。
图6A-6B分别示出对于图5A-5B所示的样品得到的微能量弥散x射线(EDX)数据。在图6A中，常规钽(Ta)分布曲线(profile)显示严重的混合且界面非常扩散。相反，图6B示出本发明产生的钽(Ta)分布曲线，其中该分布曲线示出如果有的话也是非常小的混合且非常平滑的界面。
虽然已经结合上述特定实施例描述了本发明，但是显然的是，许多替代、修改和变型对本领域技术人员来说是明显的。因此，上述本发明的实施例是示例性的，而不是用于限制。在不偏离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。
工业实用性本发明可对半导体器件领域产生影响，更特别地，会影响在半导体器件上形成氮化钽扩散阻挡区域的方法。
权利要求
1.一种在衬底上形成氮化钽扩散阻挡区域的方法，该方法包括步骤在腔中通过进行第一数量的第一循环在低k材料衬底(102)上形成保护层(104)，每个第一循环包括将该衬底暴露于钽基前体，将该腔抽真空，从该钽基前体和氮等离子体进行等离子体增强原子层沉积(PE-ALD)，以及将该腔抽真空；以及在该腔中通过进行第二数量的第二循环形成随后的基本化学计量的氮化钽扩散阻挡层(108)，每个第二循环包括将该衬底暴露于钽基前体，将该腔抽真空，从该钽基前体以及氢和氮的等离子体进行PE-ALD，以及将该腔抽真空。
2.根据权利要求1的方法，该钽基前体选自包括五氯化钽(TaCl5)、五碘化钽(TaI5)、五氟化钽(TaF5)和五溴化钽(TaBr5)的组。
3.根据权利要求1的方法，该暴露步骤还包括为该钽基前体提供载气。
4.根据权利要求3的方法，该载气包括氩。
5.根据权利要求1的方法，该保护层(104)包括比钽含量大的氮含量。
6.根据权利要求1的方法，该保护层(104)形成步骤包括暴露该低k材料衬底(102)大于1000朗缪尔。
7.根据权利要求1的方法，该衬底选自包括二氧化硅(SiO2)、浸氢氟酸的硅(Si)和低k材料的组。
8.根据权利要求1的方法，该循环的所述第一数量小于循环的所述第二数量。
9.根据权利要求1的方法，在该低k材料与该保护层(104)之间基本没有扩散。
10.根据权利要求1的方法，该氮化钽材料选自包括Ta3N5、Ta4N5和Ta5N6的组。
11.根据权利要求1的方法，该保护层(104)具有大于约820℃的热稳定性。
12.根据权利要求1的方法，该氮化钽扩散阻挡层(108)厚于该保护层(104)。
全文摘要
本发明涉及在低k材料上沉积氮化钽(TaN)扩散阻挡区域的方法。该方法包括在腔中通过进行等离子体增强原子层沉积(PE－ALD)在低k材料衬底(102)上从钽基前体和氮等离子体形成保护层(104)。保护层(104)具有比其钽含量大的氮含量。然后通过进行PE－ALD从钽基前体以及包括氢和氮的等离子体形成基本化学计量的氮化钽层。本发明还包括这样形成的氮化钽扩散阻挡区域(108)。在一个实施例中，该金属前体包括五氯化钽(TaCl
文档编号H01L21/52GK101036217SQ200580018051
公开日2007年9月12日 申请日期2005年5月31日 优先权日2004年6月2日
发明者德伦·N·邓恩, 金亨俊, 斯蒂芬·M·罗斯纳杰尔, 徐顺天 申请人:国际商业机器公司