作为金属扩散阻挡层的无定形碳的高选择性沉积的制作方法

本申请要求于2015年5月4日提交的美国临时申请No.62/156597的优先权。以上引用的申请的全部公开通过引用的方式并入本文。

技术领域

本发明涉及衬底处理系统，更具体地，涉及作为金属扩散阻挡层的无定形碳的选择性沉积。

背景技术：

这里提供的背景描述是为了总体呈现本公开的背景的目的。在此背景技术部分中描述的程度上的当前指定的发明人的工作，以及在提交申请时可能无法以其他方式有资格作为现有技术的说明书的各方面，既不明确也不暗示地承认是针对本公开的现有技术。

现在参考图1，衬底10包括例如铜(Cu)之类的金属层12，和设置在金属层12上的电介质层14。掩模层16沉积在电介质层14上，并被图案化用于随后的蚀刻。特征18诸如通孔被蚀刻通过掩模层16中的开口到电介质层14向下到金属层12。之后，沉积保形的金属扩散阻挡层20。在一些实施例中，金属扩散阻挡层20包括氮化钽(TaN)层22和钽(T)层24。金属扩散阻挡层20防止金属扩散到电介质层14。

现在参照图2，特征18被填充有诸如铜等金属，如以26所示的。即使金属扩散阻挡层20是非常薄的，但由于电子在其界面散射，因而它仍然贡献了通孔的电阻的大部分(在由参考数字30标识的位置)。修正的方法，例如通孔底部回蚀，可以被用于降低特征18的电阻。然而，这种方法使得处理流程复杂化并没有完全除去在特征18的底部的阻挡材料。因此，这些方法不显著降低接触电阻。

技术实现要素：

用于提供金属扩散阻挡层的方法包括：提供包含金属层的衬底；在所述金属层上沉积电介质层；在所述电介质层中定义特征，其中所述特征包括由所述电介质层定义的侧壁和由所述金属层定义的底表面；在所述特征的 所述侧壁上选择性地沉积金属扩散阻挡层，其中，所述金属扩散阻挡层包括无定形碳；以及在所述特征中沉积金属。

在其他特征中，选择性地沉积所述金属扩散层包括不在所述特征的所述底表面上沉积所述金属扩散阻挡层。定义所述特征还包括：沉积并图案化所述电介质层上的掩模层；以及蚀刻所述电介质层的暴露部分以定义所述特征。沉积所述金属扩散阻挡层使用高密度等离子体化学气相沉积(HDP-CVD)进行。在所述HDP-CVD过程中沉积所述金属扩散阻挡层包括供给包含甲烷和氦气的等离子体处理气体混合物。甲烷与氦气的比率小于0.15。甲烷与氦气的比率小于0.10。甲烷与氦气的比率小于0.05。

在其他特征中，沉积所述金属扩散阻挡层包括在所述HDP-CVD过程中供给包含乙炔和分子氢的等离子体处理气体混合物。所述HDP-CVD在处理室中进行，所述处理室包括圆顶形室、布置在所述圆顶形室的外表面上的线圈和布置在所述圆顶形室内的基座。所述方法还包括通过供给在第一频率的第一RF功率和在第二频率的第二RF功率使线圈偏置。所述第一频率低于所述第二频率。所述第一RF功率和所述第二RF功率的组合的RF功率在介于2000W和4000W的范围内。所述第一频率是360kHz，所述第二频率是400kHz。

在其他特征中，该方法包括通过供给在第一频率的RF功率使线圈偏置。所述RF功率在介于2000W和4000W之间的范围内。所述第一频率是400kHz。

在其他特征中，所述基座包括嵌入电极，并且所述方法还包括通过供给在第一频率的RF功率使所述嵌入电极偏置。所述RF功率在介于500W和2250W之间的范围内供给。所述第一频率为13.56MHz。

在其他特征中，该方法包括在沉积所述金属扩散阻挡层时控制处理温度小于或等于200℃。

在其他特征中，该方法包括在沉积所述金属扩散阻挡层时控制处理温度在介于80℃和180℃之间的范围内。该方法包括设置所述金属扩散阻挡层的沉积速率为在介于/分钟和200埃/分钟之间的范围内。

在其他特征中，使用混合机制沉积所述金属扩散阻挡层，在该混合 机制中，所述金属扩散阻挡层既被沉积又通过溅射被侵蚀。

具体而言，本发明的一些方面可以阐述如下：

1.一种用于提供金属扩散阻挡层的方法，其包括：

提供包含金属层的衬底；

在所述金属层上沉积电介质层；

在所述电介质层中定义特征，其中，所述特征包括由所述电介质层定义的侧壁和由所述金属层定义的底表面；

在所述特征的所述侧壁上选择性地沉积金属扩散阻挡层，其中，所述金属扩散阻挡层包括无定形碳；以及

在所述特征中沉积金属。

2.根据条款1所述的方法，其中，选择性地沉积所述金属扩散层包括不在所述特征的所述底表面上沉积所述金属扩散阻挡层。

3.根据条款1所述的方法，其中，定义所述特征还包括：

沉积并图案化所述电介质层上的掩模层；以及

蚀刻所述电介质层的暴露部分以定义所述特征。

4.根据条款1所述的方法，其中，沉积所述金属扩散阻挡层使用高密度等离子体化学气相沉积(HDP-CVD)进行。

5.根据条款4所述的方法，其中，沉积所述金属扩散阻挡层包括在所述HDP-CVD过程中供给包含甲烷和氦气的等离子体处理气体混合物。

6.根据条款5所述的方法，其中，甲烷与氦气的比率小于0.15。

7.根据条款5所述的方法，其中，甲烷与氦气的比率小于0.10。

8.根据条款5所述的方法，其中，甲烷与氦气的比率小于0.05。

9.根据条款4所述的方法，其中沉积所述金属扩散阻挡层包括在所述HDP-CVD过程中供给包含乙炔和分子氢的等离子体处理气体混合物。

10.根据条款4所述的方法，其中，所述HDP-CVD在处理室中进行，所述处理室包括圆顶形室、布置在所述圆顶形室的外表面上的线圈和布置在所述圆顶形室内的基座。

11.根据条款10所述的方法，其还包括通过供给在第一频率的第一RF功率和在第二频率的第二RF功率使所述线圈偏置，并且其中所述第一频率 低于所述第二频率，并且其中所述第一RF功率和所述第二RF功率的组合的RF功率在介于2000W和4000W之间的范围内。

12.根据条款11所述的方法，其中，所述第一频率是360kHz，所述第二频率是400kHz。

13.根据条款10所述的方法，其还包括通过供给在第一频率的RF功率使所述线圈偏置，其中，所述RF功率在介于2000W和4000W之间的范围内。

14.根据条款13所述的方法，其中，所述第一频率是400kHz。

15.根据条款10所述的方法，其中，所述基座包括嵌入电极，并且所述方法还包括通过供给在第一频率的RF功率使所述嵌入电极偏置。

16.根据条款15所述的方法，其中所述RF功率在介于500W和2250W之间的范围内被供给。

17.根据条款15所述的方法，其中，所述第一频率是13.56MHz。

18.根据条款4所述的方法，其还包括在沉积所述金属扩散阻挡层时控制处理温度小于或等于200℃。

19.根据条款4所述的方法，其还包括在沉积所述金属扩散阻挡层时控制处理温度在介于80℃和180℃之间的范围内。

20.根据条款1所述的方法，其还包括设置所述金属扩散阻挡层的沉积速率为在介于/分钟和200埃/分钟之间的范围内。

21.根据条款4所述的方法，其中，使用混合机制沉积所述金属扩散阻挡层，在该混合机制中，所述金属扩散阻挡层既被沉积又通过溅射被侵蚀。

从详细描述、权利要求和附图中本公开内容的适用性的进一步范围将变得显而易见。详细描述和具体实施例仅用于说明的目的，并非意在限制本公开的范围。

附图说明

根据详细描述和附图，本发明将被更充分地理解，其中：

图1是根据现有技术的衬底的侧剖视图；

图2是根据现有技术的在金属填充后的图1的衬底的侧剖视图；

图3是根据本发明所述的衬底的实施例的侧剖视图；

图4是根据本发明所述的在金属填充后的图3的衬底的实施例的侧剖视图；

图5和6是根据本发明所述的用于沉积选择性金属扩散阻挡层的方法的实施例的流程图；和

图7是根据本发明所述的高密度等离子体(HDP)化学气相沉积(CVD)衬底处理系统的实施例的功能框图。

在附图中，附图标记可以被重新使用以标识相似和/或相同的元件。

具体实施方式

现在参考图3，衬底50包含金属层12和设置在金属层12上的电介质层14。在一些实施例中，电介质层14为低k或超低k(ULK)电介质材料。掩模层16沉积在电介质层14上，并被图案化用于随后的蚀刻。诸如通孔之类的特征52通过掩模层16中的开口被蚀刻到电介质层14内向下到金属层12。

随后，包括无定形碳的金属扩散阻挡层54用等离子体处理选择性地沉积，所述等离子体处理诸如高密度等离子体化学气相沉积(HDP-CVD)。金属扩散阻挡层54防止金属扩散到电介质层14内。在掩模层16的场区和特征52的侧壁上，但不在特征52的底表面上，选择性地沉积金属扩散阻挡层54。

现在参考图4，特征52被填充有如Cu之类的金属，如以56所示的。相比于图2中的衬底10，特征52(在由附图标记60标识的位置)的电阻显著减小。

现在参考图5和6，示出了用于处理衬底50的方法的实施例。在图5中，示出了方法100，所述方法100包括提供包含金属层的衬底(在104)。在金属层上沉积低k或ULK电介质层(在108)。在112，沉积和图案化掩模层。在114，在不包括掩模的区域中去除电介质层的一部分。例如，湿法或干法蚀刻可以被用于去除电介质层的一部分。在116，在掩模层 的场区和特征的壁上而不在特征的底表面上选择性地沉积无定形碳层。在120，特征填充有如铜之类的金属。

在图6，示出了用于沉积包含无定形碳的金属扩散阻挡层的方法200(步骤116)的实施例。在204，设置处理温度或衬底温度在预定温度范围内。在208，输送处理气体到处理室。在一些实施例中，处理室进行HDP-CVD。在212，设置等离子体的RF功率在预定的范围内，并且激发等离子体。在214，沉积金属扩散阻挡层。

在一些实施例中，处理气体混合物包括甲烷(CH₄)和氦气(He)，但也可使用其它处理气体混合物。在一些实施例中，因为目标应用通常是相对薄的层，CH₄由He稀释，以产生相对低的沉积速率(约/分钟)。在一些实施例中，甲烷以30sccm供给，而He以1000sccm供给。在一些实施例中，源功率(低频率(LF)和中频(MF))被设置为3000W，而高频(HF)偏置功率设置为1000W。在一些实施例中，高频功率低于典型的HDP氧化处理(>2500W)。在一些实施例中，温度低于200℃，以最大化非晶性，从而改进阻挡性质。在一些实施例中，在Cu衬底上同时进行无定形碳沉积和蚀刻。

更具体地，在一些实施例中，(LF+MF)功率设置在从2000W到4000W的范围内。高频功率被设置在500W到2250W的范围内。在一些实施例中，CH₄和He以小于或等于0.15、0.10或0.05的比率供给。在一些实施例中，处理温度被设置在从80℃至180℃的范围内。在一些实施例中，沉积速率被设置在从/分钟至/分钟的范围内。所使用的特定值在某种程度上取决于所使用的具体的处理化学物和处理室。如果该HF功率太低，则沉积在Cu层上的无定形碳可能不被蚀刻太多。如果HF功率过高，电介质层上的无定形碳会被蚀刻。这两种情况都降低沉积的选择性。此外，如果沉积速度过高，则非晶碳膜可在Cu衬底上更容易成核。

在其它实施例中，处理气体混合物可以包括乙炔(C₂H₂)和分子氢(H₂)。C₂H₂比CH₄较少富H。如果使用比CH₄较少富H的碳前体，则掺合H₂可用于改善选择性。

在图7，示出了使用等离子处理(例如HDP-CVD)沉积金属扩散 阻挡层的衬底处理系统300的实施例。在HDP-CVD反应器中电介质膜的沉积通常是通过混合机制进行的，在该混合机制中，材料通过等离子体增强化学气相沉积化学物沉积并且同时通过溅射被侵蚀以在特征内提供期望的膜轮廓。

仅作为示例，在转让给Novellus Systems Inc.的，于1995年4月11日授权的，美国专利No.5405480，“Induction Plasma Source”，或转让给Novellus Systems Inc.的，于2009年2月17日授权的，美国专利No.7491660，“Method ofForming Nitride Films With High Compressive Stress For Improved PFET Device Performance中示出了适当的HDP-CVD系统，这两者其整体通过引用并入本文。虽然描述了电感耦合HDP-CVD，但可使用其他的等离子体工艺，如任何电感或电容耦合等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺。

在图7中，示例性HDP-CVD衬底处理系统250包括包围衬底处理室250的部件并包含RF等离子体的衬底处理室252。衬底处理室252包括圆顶形室254。感应线圈256围绕圆顶形室254的外表面设置。气体喷射器258围绕基座262布置以将气体供给到圆顶形室254中。感应线圈256由RF功率激发而产生在处理室产生等离子体的磁场。

在一些实施例中，气体喷射器258包括以隔开的间隔围绕基座262的外围布置的气体喷射器的阵列。基座262支撑衬底260，并包括电极264。信号产生器268产生输出到感应线圈256的低频(LF)信号或LF和中频(MF)信号。例如，信号产生器268在从2000W至4000W范围内的组合功率下可产生在360kHz的低频信号和400kHz的中频信号。替代地，可以使用在4000W至2000W的范围内的功率下的400kHz的单一信号。信号产生器272产生被输出到电极264的高频(HF)信号。例如，信号产生器272在从500W到2250W的范围内的功率下产生在13.56MHz的HF信号。

控制器280与信号产生器268和272进行通信，并根据需要控制信号产生器268和272。控制器280进一步与气体输送系统290通信并控制气体输送系统290以根据需要输送处理气体混合物和/或吹扫气体。气体输送系统290包括一个或多个气体源292-1，292-2，...，和292-N(统称为气体源 292)，其中N是大于零的整数。气体源供给一种或多种前体和它们的混合物。气体源也可供给吹扫气体。在一些实施例中，气体源292通过阀294-1，294-2，...，和294-N(统称为阀294)和质量流量控制器296-1，296-2，...，和296-N(统称为质量流量控制器296)直接连接到处理室和/或歧管300，但可以使用其他的气体输送系统。歧管300的输出被馈送到气体喷射器258。

控制器280进一步与基座温度控制系统310进行通信。基座温度控制系统310可以包括加热器、冷却器或可用于在处理期间控制衬底260的温度的加热器和冷却器。阀和泵(均未示出)可以用来控制室中的压强和/或从处理室抽空反应物。在一些实施例中，处理在真空压强下进行。

前面的描述在本质上仅仅是说明性的，并且决不旨在限制本公开、本公开的应用或用途。本公开的广泛教导可以以各种形式来实现。由于其它的修改将根据对附图、说明书和权利要求书的研究变得显而易见，因此，虽然本公开包括特定示例，但本公开的真实范围不应当受此限制。应当理解的是，在方法中的一个或多个步骤可以以不同的顺序(或同时)而不改变本公开的原理来执行。此外，虽然上面描述的各实施方式为具有特定特征，但相对于本公开的任何实施方式描述的这些特征中的任何一个或多个可以在任何其他实施方式的特征中执行和/或结合任何其他实施方式的特征来执行，即使该组合未明确说明也如此。换句话说，所描述的实施方式不是相互排斥的，并且一个或多个实施方式彼此的排列保持在本公开的范围内。

元件之间(例如，模块，电路元件，半导体层等之间)的空间和功能关系使用包括“连接”、“接合”、“联接”、“相邻”、“邻近”、“在...上”、“上方”、“下方”和“设置”之类的各种术语进行描述。当在上述公开中描述第一和第二元件之间的关系时，除非明确地描述为“直接”，否则这种关系可以是其中没有其他中间元件存在于所述第一和第二元件之间的直接的关系，但也可以是其中一个或多个中间元件(或者在空间上或功能上)存在于所述第一和第二元件之间的间接的关系。如本文所使用的，短语A、B和C中的至少一个应该被解释为指使用非排他性的逻辑或(OR)的逻辑(A或B或C)，且不应该被解释为指“A中的至少一个，B中的至少一个，和C中的至少一个”。

在一些实现方式中，控制器是系统的一部分，该系统可以是上述实例的一部分。这种系统可以包括半导体处理设备，该半导体处理设备包括一个或多个处理工具、一个或多个处理室、用于处理的一个或多个平台和/或具体的处理组件(晶片基座、气流系统等)。这些系统可以与用于控制它们在处理半导体晶片或衬底之前、期间和之后的操作的电子器件一体化。电子器件可以称为“控制器”，该控制器可以控制一个或多个系统的各种元件或子部件。根据处理要求和/或系统的类型，控制器可以被编程以控制本文公开的任何工艺，包括控制工艺气体输送、温度设置(例如，加热和/或冷却)、压强设置、真空设置、功率设置、射频(RF)产生器设置、RF匹配电路设置、频率设置、流速设置、流体输送设置、位置及操作设置、晶片转移进出工具和其他转移工具和/或与具体系统连接或通过接口连接的装载锁。

宽泛地讲，控制器可以定义为接收指令、发布指令、控制操作、启用清洁操作、启用端点测量等等的具有各种集成电路、逻辑、存储器和/或软件的电子器件。集成电路可以包括存储程序指令的固件形式的芯片、数字信号处理器(DSP)、定义为专用集成电路(ASIC)的芯片和/或一个或多个微处理器或执行程序指令(例如，软件)的微控制器。程序指令可以是以各种单独设置的形式(或程序文件)发送到控制器的指令，该设置定义用于在半导体晶片或系统上或针对半导体晶片或系统执行特定过程的操作参数。在一些实施方式中，操作参数可以是由工艺工程师定义的用于在制备晶片的一个或多个(种)层、材料、金属、氧化物、硅、二氧化硅、表面、电路和/或管芯期间完成一个或多个处理步骤的配方(recipe)的一部分。

在一些实现方式中，控制器可以是与系统集成、耦接或者说是通过网络连接系统或它们的组合的计算机的一部分或者与该计算机耦接。例如，控制器可以在“云端”或者是fab主机系统的全部或一部分，从而可以允许远程访问晶片处理。计算机可以启用对系统的远程访问以监测制造操作的当前进程，检查过去的制造操作的历史，检查多个制造操作的趋势或性能标准，改变当前处理的参数，设置处理步骤以跟随当前的处理或者开始新的工艺。在一些实施例中，远程计算机(例如，服务器)可以通过网络给系统提供工艺配方，网络可以包括本地网络或互联网。远程计算机可以包括允许输入 或编程参数和/或设置的用户界面，该参数和/或设置然后从远程计算机传输到系统。在一些实施例中，控制器接收数据形式的指令，该指令指明在一个或多个操作期间将要执行的每个处理步骤的参数。应当理解，参数可以针对将要执行的工艺类型以及工具类型，控制器被配置成连接或控制该工具类型。因此，如上所述，控制器可以例如通过包括一个或多个分立的控制器而分布，这些分立的控制器通过网络连接在一起并且朝着共同的目标(例如，本文所述的工艺和控制)工作。用于这些目的的分布式控制器的实例可以是与结合以控制室内工艺的一个或多个远程集成电路(例如，在平台水平或作为远程计算机的一部分)通信的室上的一个或多个集成电路。

在非限制性的条件下，示例的系统可以包括等离子体蚀刻室或模块、沉积室或模块、旋转清洗室或模块、金属电镀室或模块、清洁室或模块、倒角边缘蚀刻室或模块、物理气相沉积(PVD)室或模块、化学气相沉积(CVD)室或模块、原子层沉积(ALD)室或模块、原子层蚀刻(ALE)室或模块、离子注入室或模块、轨道室或模块、以及在半导体晶片的制备和/或制造中可以关联上或使用的任何其他的半导体处理系统。

如上所述，根据工具将要执行的一个或多个工艺步骤，控制器可以与一个或多个其他的工具电路或模块、其他工具组件、组合工具、其他工具界面、相邻的工具、邻接工具、位于整个工厂中的工具、主机、另一个控制器、或者在将晶片的容器往来于半导体制造工厂中的工具位置和/或装载口搬运的材料搬运中使用的工具通信。