专利名称：半导体器件的互连的制作方法
技术领域：
本发明涉及到半导体互连冶金学技术领域，更具体地说，涉及到互连冶金技术的阻挡层及其制作方法。
背景技术：
先进的半导体技术将铜互连冶金技术用于集成电路中有源器件的连接。典型的互连冶金学技术使用嵌入或双嵌入工艺。嵌入工艺的引线具有很窄的线条、大(大于1)的高宽比(高度除以宽度)以及高密度的特点。在嵌入工艺中，在介电层中腐蚀沟槽。淀积足够厚的导电层来填充沟槽，然后用化学机械抛光(CMP)工艺除去淀积在介电层表面上的导体。在CMP工艺之后，只留下填充在沟槽中的导电层，使填充的沟槽表面与介电层表面齐平。在嵌入工艺中，不同的互连层经由通道来连接，这些通道分别制作在插入的介电层中。在双嵌入工艺中，这些通道集中制作在同一介电层中作为导电引线。
铜已成为导体冶金学技术的选择，因为它的高电导率可使较窄的引线中流过的电流较旧有的铝基互连冶金学技术所达到者更高。虽然铜改善了电迁徙及机械应力的可靠性，但通常铜是与冗余(redundant)的导体如钽一起使用，后者以薄层的形式衬在沟槽的底部和侧壁以改善可靠性。然而，钽不直接淀积在如氧化硅这样的介电层上，因为这会形成β相钽。β相钽具有200μΩ/cm的电阻率，用作冗余的导电层是太高了。而且，在与氧化硅介电层一起使用时，铜和钽需要有助粘层。一种铜和钽的助粘材料为氮化钽。当钽淀积在氮化钽上时，形成α相钽。α相钽具有12-20μΩ/cm的电阻率。此外，氮化钽也起铜扩散阻挡层的作用。铜可改变有源硅器件的特性，且必须防止其经介电层迁徙进入硅。这不仅与氧化硅介电层有关，而且当使用低κ值的介电层如SILKTM(Dow Corning，Midland，MI)时也与之有很大关系，因为低κ值材料是多孔的。
然而，由于具有250-500μΩ/cm的电阻率，氮化钽不是很好的导体。随着互连密度的增高，线宽减小至0.25μm及0.25μm尺度时，这种高电阻率就变得极为重要。对于0.225μm宽和深的沟槽和25-50nm的氮化物层，氮化钽为引线截面积的30-56％，则部分抵消了铜电导率增大的得益。而且，随着沟槽高宽比的增大，达到只有一窄条铜可填充在沟槽的侧壁之间的程度，如果需要则可用铜完全填充其余的开口部分。
发明内容
本发明的第一方面为半导体器件用的互连，它包括具有侧壁和底部的导体芯；以及淀积在所述导体芯侧壁和底部上的超薄层。
本发明的第二方面为一种制作超薄氮化钽层的方法，包括提供钽靶；启动惰性气体等离子体，并在预定时间内向等离子体通入氮气而在衬底上溅射氮化钽；到达预定的固定时间后停止氮气流。
本发明的第三方面为一种制作超薄氮化钽层的方法，包括提供钽靶；用氮气流对钽靶预充氮；然后启动惰性气体等离子体而在衬底上溅射氮化钽。
本发明的第四方面为一种制作半导体器件互连的方法，包括在半导体衬底上制作介电层；在介电层中制作沟槽；将半导体衬底置于有钽靶的等离子体淀积室中；在等离子体淀积室中存在氮时启动等离子体；以及在沟槽中淀积含钽和氮的超薄层。
现在，将参照附图，只通过实例来描述本发明的实施方式。
图1A-1D为部分的剖面图，说明根据本发明的一种实施方式来制作氮化钽/钽/铜互连线；图2为根据本发明的一种实施方式来淀积超薄氮化钽层的第一种设备的示意剖面图；图3为根据本发明的一种实施方式来淀积超薄氮化钽层的第二种设备的示意剖面图；图4为说明根据本发明的一种实施方式来淀积超薄氮化钽层的第一种方法的流程图；图5为说明根据本发明的一种可选实施方式来淀积超薄氮化钽层的第二种方法的流程图。
具体实施例方式
图1A-1D为部分的剖面图，说明了氮化钽/钽/铜互连线的制作。在图1A中，介电层100制作在衬底110的上表面105上。在一个实例中，衬底110为半导体衬底。制作在介电层100中的是沟槽115，其侧壁120从介电层100的上表面125伸展至衬底110的上表面105。沟槽115还有底部130。介电层100可为氧化硅或低κ值介电材料。在一个实例中，低κ值介电材料为SILKTM(Dow Corning，Midland，MI)。沟槽115可由反应离子刻蚀(RIE)工艺来制作。
在图1B中，氮化钽超薄层135由等离子体淀积工艺来淀积。在图2和3中说明了氮化钽层135的制作设备，并在下面加以描述。图4和5说明了氮化钽层135的制作工艺，并在下面加以描述。氮化钽层135约为0.5-3nm厚的保形涂层，覆盖沟槽115的侧壁120和底部130以及介电层100的上表面125。由于氮化钽分子的直径约为0.42nm，氮化钽层135包含1-6个单层。
在图1C中，钽层140淀积在氮化钽层135上面。钽层140是在淀积了氮化钽后在淀积氮化钽层135所用的同一设备和同一淀积室中淀积的。在一个实例中，钽层140约为5-30nm厚。钽层140在氮化钽层135上形成一保形层。
在图1D中，在钽层140上制作保形的铜籽层145。铜籽层145是溅射淀积或蒸发的，厚约10-200nm。铜籽层可在有进样设备的第二室中进行淀积或蒸发，第一室用来制作氮化钽层135和钽层140。然后在铜籽层145上用电镀制作铜导体芯150，使其厚度足以完全填充沟槽115。然后进行CMP步骤来从介电层100的上表面125上除去氮化钽层135、钽层140、铜籽层145和铜导体芯150，留下的铜引线155其上表面160基本上与介电层的上表面齐平。虽然在图1D中示出了铜籽层145，实际上铜籽层成了铜芯导体150的一部分，不能与铜芯导体区分开。
图2为淀积超薄氮化钽层第一种设备的示意剖面图。淀积室165为离子金属等离子体室，例如，购自Applied Materials Inc.，SantaClara，Calif.的IMP VectraTM室。淀积室165包含侧壁170、顶盖175以及底部180。钽靶185设在淀积室165的顶盖175上。在淀积室165中设有可移动的衬底台190，其上表面195用于承载衬底200。在一个实例中，衬底200为半导体衬底。衬底台190装在与提升马达205相连的轴上，马达205使衬底台190在降下的装片/取片位置与升高的加工位置间升降。淀积室165备有开口210，使当衬底台190在降下的装片/取片位置时，机械手(未示出)可经由此开口向室中送入或从室中取出衬底200。在淀积室165中还装有与提升马达220相连的提升台215以及装在衬底台190中的升降杆225。杆225使衬底200从衬底台190的上表面195升起或落至上表面195上。淀积室165中还设有屏蔽罩235，使溅射的材料不致淀积到侧壁170上。线圈230经衬底台190与靶185间的支撑件240装在屏蔽罩235上。为了增强等离子体中的离化成分，线圈230提供RF能量来帮助启动和维持等离子体以及增大等离子体强度。支撑件240使线圈230与屏蔽罩235及淀积室165电绝缘。淀积室165使用了三个电源。DC电源250为靶185供电，使处理气体产生等离子体。环状磁铁252设在靶185后面，在靶表面形成磁力线而俘获电子并提高靶面附近的等离子体强度，以提高溅射效率。第一RF电源经由第一匹配网络255B为线圈230供给RF功率以提高等离子体强度。第二RF电源260A经由第二匹配网络260B在衬底台190与等离子体间施加偏压，将离化的溅射材料直接引向衬底200。两种等离子体气体从气源270、275经气体入口265送入淀积室165，每一路气体分别由各自的质量流量控制器280和285来计量。在本实例中，第一种气体为氮，第二种气体为惰性气体如氩、氦、氖或氪，或为其组合。一个或多个真空泵290接在淀积室165的排气口295上，为淀积室抽气使之保持所需的压力。在一个实例中，真空泵290为冷凝泵或任何能够维持10-8Torr低压的泵。控制器300控制电源250、255A和260A、匹配网络255B和260B、提升马达205和220、质量流量控制器280和285、真空泵290以及淀积室其他相关部件与功能。控制器300执行储存在存储器中的系统控制软件，在一个实例中，存储器为硬盘，并可包括模拟-数字输入/输出板、接口板和步进马达控制板。光学和/或磁传感器一般用来移动和确定可动机械组件的位置。
在工作时，机械手将衬底200经开口210送入淀积室165。杆225上升，将衬底200从机械手托起。然后机械手从淀积室165退出，开口210封闭。然后，杆225使衬底200落至衬底台190的上表面195上。衬底台190将衬底200提升至靶185下面的加工位置。然后将一种或多种等离子体气体送入淀积室165，使室中的气压稳定在工作压力下。电源250供电使靶185与衬底台190间产生等离子体。第一RF电源255A向线圈230供电来产生足够强的等离子体，使从靶185溅射的靶材料流离化。第二RF电源260A使离子向偏置的衬底200加速。淀积后，衬底台190下降，杆225上升托起衬底200，机械手进入淀积室165取去衬底200，如果需要，再送入另一个衬底进行加工。
图3为淀积超薄氮化钽层第二种设备的示意剖面图。图3代表一般的直流磁控溅射等离子体淀积设备。淀积室305包含侧壁170、顶盖175和底部180。钽靶185设在淀积室305的顶盖175上。在淀积室305中设有可动衬底台190，其上表面195用于承载衬底200。衬底台190可包含静电晶片吸盘。衬底台190装在与提升马达205相连的轴上，马达205使衬底台190在降下的装片/取片位置与升高的加工位置间升降。淀积室305备有开口210，使当衬底台190在降下的装片/取片位置时，机械手(未示出)可经由此开口向室中送入或从室中取出衬底200。在淀积室305中还装有与提升马达220相连的提升台215以及装在衬底台190中的升降杆225。杆225使衬底200从衬底台190的上表面195升起或落至上表面195上。淀积室305中设有屏蔽罩235，使溅射的材料不致淀积到侧壁170上。淀积室305使用了两个电源。DC电源250为靶185供电，使处理气体产生等离子体。环状磁铁252设在靶185后面，在靶表面形成磁力线而陷住电子并提高靶面附近的等离子体强度，以提高溅射效率。RF电源260A经由匹配网络260B在衬底台190与等离子体间施加偏压，将离化的溅射材料直接引向衬底200。也可不对衬底台190施加偏压，也可不使用RF电源260A和匹配网络或不作为淀积室305的一部分。两种等离子体气体从气源270、275经气体入口265送入淀积室305，每一路气体分别由各自的质量流量控制器280和285来计量。在本实例中，第一种气体为氮，第二种气体为惰性气体如氩、氦、氖或氪，或为其组合。一个或多个真空泵290接在淀积室305的排气口295上，为淀积室抽气使之保持所需的压力。在一个实例中，真空泵290为冷凝泵或任何能够维持10-8Torr低压的泵。控制器300控制电源250和260A、匹配网络260B、提升马达205和220、质量流量控制器280和285、真空泵290以及淀积室其他相关部件与功能。控制器300执行储存在存储器中的系统控制软件，在一个实例中，存储器为硬盘，并可包括模拟-数字输入/输出板、接口板和步进马达控制板。光学和/或磁传感器一般用来移动和确定可动机械组件的位置。
在工作时，机械手将衬底200经开口210送入淀积室305。杆225上升，将衬底200从机械手托起。然后机械手从淀积室305退出，开口210封闭。然后，杆225使衬底200落至衬底台190的上表面195上。衬底台190将衬底200提升至靶185下面的加工位置。然后将一种或多种等离子体气体送入淀积室305，使室中的气压稳定在工作压力下。由DC电源250和RF电源260A供电在靶185与衬底台190间产生等离子体，使等离子体足够强而将从靶185溅射的靶材料流离化。离子向衬底加速。此外，从靶185溅射出来的未离化的金属成分也会淀积在衬底上。淀积后，衬底台190下降，杆225上升托起衬底200，机械手进入淀积室305取去衬底200，如果需要，再送入另一个衬底进行加工。
图4为说明淀积超薄氮化钽层第一种方法的流程图。第一种方法可使用上述的图2所示的第一种设备，也可使用图3所示的第二种设备。在步骤301中，将衬底200装入淀积室，并将淀积室抽真空至约10-8Torr。在步骤315中，将惰性气体如氩、氦、氖或氪、或是其组合通入淀积室，流量约为5-200sccm。下面的步骤320和325是同时进行的。在步骤320中，开启DC和RF电源来启动惰性气体等离子体，使钽开始从靶185溅射。使用淀积室165时，DC电源250向靶185供给约500-3000W的功率，RF电源255A向线圈230供给约500-5000W的功率，而RF电源260A向衬底台190供给约10-500W的功率。使用淀积室305时，DC电源250向靶185供给约500-3000W的功率，RF电源260A向衬底台190供给约10-500W的功率。无论使用淀积室165还是305，衬底200的温度都保持约0-200℃，对所有以后的加工步骤，钽的溅射率都控制在约2-50(0.2-5nm)/秒。在步骤325中，一开始溅射钽就通入氮。在继续溅射钽时，通入流量约5-200sccm的氮约1-15秒。在步骤325期间，发生两个过程。在第一个过程中，钽原子与等离子体中的氮离子反应，形成氮化钽而淀积在衬底200上。在第二个过程中，在靶185上形成氮化钽层，然后再溅射出来淀积在衬底200上。在步骤330中，关断氮气流，并继续溅射钽。在步骤325中所淀积的钽层上继续溅射钽，直至使钽达到预定的厚度为止。在步骤335中，关闭RF和DC电源，等离子体消失，钽的溅射和淀积停止。最后，在步骤340中，关断惰性气体流，从淀积室取出衬底200。
图5为说明淀积超薄氮化钽层第二种方法的流程图。第二种方法可使用上述的图2所示的第一种设备，也可使用图3所示的第二种设备。在步骤345中，将衬底200装入淀积室，并将淀积室抽真空至约10-8Torr。在步骤350中，通入氮气，流量约为50-200sccm。在步骤355中，经过预定的时间后，停止氮气流。通入氮气足够长的时间使之吸附在靶185表面上或与靶上的钽起反应而在靶表面上形成氮化钽层。此外，氮也可吸附在线圈230上而从线圈溅射。步骤350使靶185表面有效地预充氮。在步骤360中，在淀积室通入惰性气体如氩、氦、氖或氪、或其组合，流量约5-200sccm。在步骤365中，开启DC和RF电源来启动惰性气体等离子体，开始从靶185溅射氮化钽。重要的是在通入惰性气体流约0-2秒间的等离子体轰去不致使靶185表面吸附的氮被冲刷掉。在步骤365期间，随着钽和氮从靶185上溅射而形成氮化钽淀积在衬底200上。使用淀积室165，DC电源250向靶185供给约500-3000W的功率，RF电源255A向线圈230供给约500-5000W的功率，而RF电源260A向衬底台190供给约10-500W的功率。使用淀积室305时，DC电源250向靶185供给约500-3000W的功率，RF电源260A向衬底台190供给约10-500W的功率。无论使用淀积室165还是305，衬底200的温度都保持约0-200℃。在步骤370中，吸附的氮被用尽，钽的溅射开始。可在步骤360中所淀积的钽层上继续溅射钽，直至钽层达到预定的厚度为止。在步骤375中，关闭RF和DC电源，等离子体消失，钽的溅射和淀积停止。最后，在步骤380中关断惰性气体流，从淀积室取出衬底200。
要求超薄氮化钽膜是连续的，以免在用钽作为冗余导体时形成β相钽。如前面所提到的，β相钽的电阻率比α相钽高得多。如果在氧化硅中制作的通道中氮化钽层是不连续的，在制作钽衬层时将会形成β相钽。β相钽氮化钽的存在可由简单地测量电阻率来确定，作为依据判断超薄氮化钽层是否连续。
实例制作了两对铜通道链结构。在此对中的一个通道链包含68,000个串联通道，第二个通道链包含100个串联通道。每个链中的每个通道为1微米深、直径0.4微米，制作在氧化硅介电层中。第一对是用10nm厚的厚氮化钽衬层和40nm厚的钽衬层制作的。第二对是用本发明的衬层厚1-3nm的超薄氮化钽衬层和40nm厚的钽衬层制作的。对四个晶片上的每四十个位置测量四十个链。表1列出了对厚的和超薄的氮化钽通道链测量的每链欧姆数和每个通道链的标准偏差。
表1厚TaN 超薄TaN第一通道链电阻率 0.618 0.594标准偏差 0.014 0.001第二通道链电阻率 0.858 0.792标准偏差 0.013 0.001由于超薄氮化钽元的电阻率实际上与厚氮化钽元的电阻率相同，没有发现β相钽，可以断定超薄氮化钽层是连续的。
这样，就描述了在钽和钽/铜互连冶金学技术中使用很薄的氮化钽层作为衬层，以及这样的层的制作方法。
权利要求
1.一种半导体器件用的互连，包含具有侧壁和底部的导体芯；及在所述导体芯侧壁和底部上的超薄层。
2.权利要求1的互连，其中所述导体芯包含铜，所述超薄层包含氮化钽。
3.权利要求1或2的互连，其中超薄层为0.5-3nm厚。
4.前面任何权利要求的互连，其中超薄层包含1-7个单层的氮化钽。
5.前面任何权利要求的互连，还包含导体芯与超薄层之间的冗余导体。
6.权利要求5的互连，其中冗余导体包括钽。
7.权利要求5或权利要求6的互连，其中冗余导体约为5-30nm厚。
8.一种制作超薄氮化钽层的方法，包括提供钽靶；启动惰性气体等离子体，并在预定时间内向等离子体通入氮气流，从而在衬底上溅射氮化钽层；以及在预定时间到达后，停止所述氮气流。
9.权利要求8的方法，还包括在氮化钽层的顶部上溅射钽层。
10.权利要求8或权利要求9的方法，其中所述预定的时间足以产生不厚于3nm的氮化钽层。
11.权利要求8-10中任一项的方法，其中所述预定的时间足以产生包含1-7个单层的氮化钽层。
12.一种制作超薄氮化钽层的方法，包括提供钽靶；用氮气流过钽靶使之预充氮；以及启动惰性气体等离子体，从而在衬底上溅射氮化钽。
13.权利要求12的方法，还包括在所述氮化钽层的顶部上溅射钽层。
14.权利要求12或13的方法，其中所述预充氮仅足以产生不厚于3nm的氮化钽层。
15.权利要求12-14中任一项的方法，其中所述预充氮仅足以产生包含1-7个单层的氮化钽层。
16.一种制作半导体器件互连的方法，包括在半导体衬底上制作介电层；在所述介电层中制作沟槽；将所述半导体衬底置于有钽靶的等离子体淀积室中；在等离子体淀积室中存在氮的情况下启动等离子体；以及在沟槽中淀积含钽和氮的超薄层。
17.权利要求16的方法，其中在启动等离子体后向等离子体淀积室通氮气来引入氮。
18.权利要求16的方法，其中在启动等离子体前向等离子体淀积室通入氮气，使钽靶表面预充氮。
19.权利要求16-18中任一项的方法，其中含钽和氮的超薄层为0.5-3nm厚。
20.权利要求16-18中任一项的方法，其中含钽和氮的超薄层包含1-7个单层的钽和氮。
21.权利要求16-20中任一项的方法，还包括在超薄层上溅射钽层。
22.权利要求16-21中任一项的方法，其中介电层包括选自由氧化硅、低κ值介电材料和SILKTM构成的组中的材料。
23.权利要求16-22中任一项的方法，其中等离子体淀积室为DC磁控溅射室。
24.权利要求16-22中任一项的方法，其中等离子体淀积室为离子金属等离子体室。
25.权利要求16-24中任一项的方法，其中所述沟槽具有大高宽比。
全文摘要
公开了半导体器件互连的一种制作方法。此方法包括在半导体衬底上制作介电层；在介电层中制作沟槽；将半导体衬底置于有钽靶的等离子体淀积室中；在等离子体淀积室中存在氮的情况下启动等离子体；以及在沟槽中淀积含钽和氮的超薄层。
文档编号H01L23/532GK1653613SQ02809623
公开日2005年8月10日 申请日期2002年4月19日 优先权日2001年5月11日
发明者爱德华·库尼三世, 安东尼·斯坦珀 申请人:国际商业机器公司