專利名稱：使用低溫形成的阻擋金屬層制作金屬互連線的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制作半導(dǎo)體裝置的方法；更具體地，涉及一種用低溫形成的阻擋金屬層制作金屬互連線的方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體裝置的大規(guī)模集成導(dǎo)致設(shè)計(jì)規(guī)則的不斷減小，因而為了保證半導(dǎo)體裝置的可靠性以及實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，也要求發(fā)展用來填充具有高的高度和0.5微米以下尺寸的接觸孔(contact hole)或通孔(via hole)的合適技術(shù)。這種用來填充接觸孔或通孔的技術(shù)對(duì)多層金屬互連線形成的整體工藝有著重大影響。
對(duì)于填充接觸孔或通孔的技術(shù)，最常用的方法是用由覆蓋沉積(blanketdeposition)法形成的鎢層來填充接觸孔，然后對(duì)鎢層進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝。
圖1A和1B是說明用覆蓋沉積法將鎢層填入接觸開孔(contact openings)內(nèi)的傳統(tǒng)方法的截面圖。
參考圖1A，在襯底11上形成絕緣層12，然后蝕刻形成接觸開孔13。為保證低的接觸電阻和與氧化層的附著力，在絕緣層12上形成基于金屬氮化物的附著層。此處，鈦層14和氮化鈦層15形成為附著層。在氮化鈦層15上形成鎢(W)層16使鎢層16充分填入接觸開孔13中。此時(shí)，采用具有良好的臺(tái)階覆蓋特性的化學(xué)氣相沉積法(CVD)。而且，所形成的鎢層16的厚度要大于接觸開孔13的半徑。
參考圖1B，通過進(jìn)行干蝕刻工藝或CMP工藝去除鎢層16、氮化鈦層15和鈦層14，直至僅在接觸開孔13內(nèi)保留鎢層16。之后，進(jìn)行濕法清洗工藝去除還留在上述所得的襯底結(jié)構(gòu)表面上的殘留金屬微粒。
然而上面的傳統(tǒng)方法要用不同的設(shè)備分多步進(jìn)行。這種傳統(tǒng)方法由于延長(zhǎng)了工藝時(shí)間，所以形成覆蓋鎢層的總成本非常高而半導(dǎo)體裝置的產(chǎn)率很低，因而是不利的。
由于這個(gè)原因，提出了另一種在接觸開孔內(nèi)形成選擇性鎢層的方法。與上述用來形成覆蓋鎢層的傳統(tǒng)方法不同，選擇性鎢層形成方法是一種以不同的生長(zhǎng)速率選擇性地形成栓塞的方法，其取決于暴露在接觸開孔內(nèi)的底部互連線材料，例如純金屬、金屬硅化物和N/P+硅。特別是，當(dāng)形成至少多于兩層通過通孔連接的互連線而不形成附著層時(shí)，選擇性鎢層形成方法利用了以下事實(shí)，即由連接互連線的通孔所暴露出的底部金屬層、單晶/多晶硅和在通孔側(cè)壁形成的絕緣層例如氧化硅層，具有不同的沉積特性。
圖2是通過應(yīng)用傳統(tǒng)的選擇性鎢層形成方法形成栓塞(plug)的截面圖。
如圖所示，在底部互連線21上形成絕緣層22，然后蝕刻形成接觸開孔23露出底部互連線21。填入接觸開孔23內(nèi)的鎢栓塞24是利用在底部互連線21和成為接觸開孔23側(cè)壁的絕緣層22之間的選擇性沉積特性的不同來形成的。
然而根據(jù)選擇性鎢層形成方法，鎢栓塞24從接觸開孔23的底表面向上生長(zhǎng)，但是在接觸開孔23內(nèi)形成的鎢層24的生長(zhǎng)繼續(xù)進(jìn)行，使得鎢層24溢出到旁邊區(qū)域。在這種情況下，與覆蓋鎢層形成方法類似，使用CMP工藝以除去鎢塞24的溢出部分，隨后應(yīng)用濕法清洗工藝。
而且，如果底部互連線21是硅襯底，則位于由接觸開孔23露出的部分硅襯底21上的鎢栓塞24向硅襯底21生長(zhǎng)和擴(kuò)散，從而形成蟲洞(wormhole)造成漏電流和隨后的有缺陷裝置。結(jié)果，這種選擇性鎢層形成方法在填充形成在至少多于兩個(gè)互連線結(jié)構(gòu)上的接觸開孔的情況時(shí)的應(yīng)用就受到限制。
此外，因?yàn)樾纬山佑|開孔側(cè)壁和底部互連線的材料間的選擇性沉積特性不同，在選擇性形成的鎢栓塞和接觸開孔的側(cè)壁間形成了縫隙，因而造成不良的形態(tài)以及由于溢出的鎢所導(dǎo)致的頂部互連線可靠性下降。
圖3是應(yīng)用化學(xué)氣相沉積法填充到接觸開孔中的傳統(tǒng)的金屬栓塞的截面圖。
如圖所示，在具有雜質(zhì)層的硅基襯底31上形成絕緣層33，然后該層33被蝕刻形成接觸開孔34。在上述得到的襯底結(jié)構(gòu)上形成鈦層35和氮化鈦層36。
接著，在氮化鈦層36上形成銅(Cu)層37，并且通過用物理氣相沉積(PVD)法，即濺射法，在位于絕緣層33的未蝕刻部分的銅層37上形成基于材料如鋁、鈦和鉭的金屬層38。
之后，通過暴露于空氣中或者通過使用氧等離子體使金屬層38氧化，從而形成金屬沉積阻擋層39。
在銅層37的暴露部分上選擇性地形成金屬線40。然后，通過應(yīng)用金屬-有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)法形成填充由金屬線40所圍成區(qū)域的金屬栓塞41。這里金屬栓塞41是鋁制的。
然而當(dāng)接觸開孔的直徑突然減小時(shí)，如果接觸開孔的高度增加，那么使用濺射法如離子金屬等離子體(IMP)法、長(zhǎng)程貫穿濺射(LTS)法或平行濺射法，來形成作為阻擋金屬層的氮化鈦層36的缺點(diǎn)就會(huì)很突出。即沉積材料的方向性增加，因而臺(tái)階覆蓋能力在接觸開孔34的底部增加而在接觸開孔34的側(cè)壁減小，結(jié)果，在接觸開孔34的側(cè)壁上就不會(huì)發(fā)生形成金屬栓塞41所必需的成核。在這種情況下，金屬栓塞41形成在接觸開孔34的底表面上并向上生長(zhǎng)，如果接觸開孔34的高度較低，與選擇性鎢層形成方法類似，金屬栓塞41就會(huì)溢出到旁邊區(qū)域，或者如果接觸開孔34的高度較高，那么形成金屬栓塞41的周期就被延長(zhǎng)。同樣，由于通過預(yù)定的氧化工藝，金屬沉積阻擋層39形成在部分阻擋金屬層36的上方，因此金屬栓塞41就不會(huì)在金屬沉積阻擋層39上生長(zhǎng)。
圖4A是說明當(dāng)通過應(yīng)用IMP方法，該方法是能夠通過提高方向性來改善在接觸開孔的底表面的臺(tái)階覆蓋特性的物理沉積法，將由氮化鈦(TiN)制成的阻擋金屬層沉積在高度較高，例如長(zhǎng)徑比約為7.5的接觸開孔上時(shí)的臺(tái)階覆蓋特性的圖示。
與此同時(shí)，圖4B是說明通過應(yīng)用CVD法在阻擋金屬層上形成金屬層時(shí)的臺(tái)階覆蓋特性的圖示。在這種情況下，該阻擋金屬層由鈦制成，并通過應(yīng)用IMP法將其沉積在高度較低，如長(zhǎng)徑比約為2.5的接觸開孔上。
參考圖4A，發(fā)現(xiàn)阻擋金屬層約50％的厚度在接觸開孔的底部。然而在接觸開孔的側(cè)壁，幾乎看不到阻擋金屬層。阻擋金屬層在底部和側(cè)壁的厚度差異加速了在將該阻擋金屬層暴露于空氣后，沉積鎢層的過程中初始成核所用時(shí)間的差異。該結(jié)果的原因是因?yàn)楫?dāng)阻擋金屬層暴露在空氣中時(shí)，由于阻擋金屬層的密度變化取決于這些厚度差異，因而通過天然氧化反應(yīng)在薄的阻擋金屬層上所獲得的氧氣量有大幅變化。
也就是說，如所測(cè)量的從接觸開孔的入口到接觸開孔的側(cè)壁，阻擋金屬層的厚度減小，并且這種厚度的減小在長(zhǎng)徑比增大時(shí)變得明顯。這種阻擋金屬層厚度減小的結(jié)果就是鎢層的厚度減少，如同下降到接觸開孔的底部一樣。這個(gè)結(jié)果也在圖4B中示出，其中鎢層在具有低長(zhǎng)徑比的接觸開孔上沉積的阻擋金屬層上形成。由于在接觸開孔的入口和表面沉積迅速進(jìn)行，因此在入口處產(chǎn)生突起，從而在用于栓塞的鎢層中產(chǎn)生縫隙。
為解決上述的缺陷，提出通過應(yīng)用具有良好臺(tái)階覆蓋特性的CVD法形成基于材料如氮化鈦的阻擋金屬層。
然而，由于氮化鈦層的沉積在高溫下進(jìn)行并且使用無機(jī)化合物如四氯化鈦(TiCl4)作為原始?xì)猓?dāng)?shù)伒某练e溫度變高時(shí)，用來降低接觸電阻的鈦在接觸開孔底部與硅襯底會(huì)過度反應(yīng)。這種鈦和硅襯底的過度反應(yīng)導(dǎo)致漏電流增加，進(jìn)而在裝置中產(chǎn)生缺陷。
同樣，如果腐蝕性元素如氯(Cl)留在阻擋金屬層內(nèi)，則金屬栓塞和互連線會(huì)被腐蝕，從而產(chǎn)生斷路，進(jìn)一步造成缺陷裝置。
當(dāng)應(yīng)用使用金屬有機(jī)材料的CVD或MOCVD法時(shí)，可以在低溫下進(jìn)行沉積；然而由于含雜質(zhì)的碳?xì)埩粼诔练e層內(nèi)以及在接觸開孔的側(cè)壁和底部臺(tái)階覆蓋特性劣化導(dǎo)致電阻上升。尤其是在用銅來形成金屬互連線的情況下，與使用鋁栓塞和CVD法的情況相比，形成厚度更大的用來防止銅擴(kuò)散的阻擋金屬層。在應(yīng)用具有比銅更好的阻擋特性而比氮化鈦的電阻率高的氮化鉭作為阻擋金屬材料的情況下，通過使用銅作為互連線材料所得到的改善互連線電阻的作用被嚴(yán)重削弱。例如，如果互連線的寬度是0.2μm，與填充接觸開孔并同時(shí)形成互連線的雙層鑲嵌(dual damascene)工藝相比，使用單層鑲嵌(single damascene)工藝形成銅互連線的方法使互連線的電阻下降了11％。尤其是與單層鑲嵌工藝比較，因?yàn)殚L(zhǎng)徑比增加，為了防止銅的擴(kuò)散，在應(yīng)用雙層鑲嵌工藝時(shí)阻擋金屬層就形成得很厚。如果阻擋金屬層在硅基襯底上形成得很薄，那么由于高擴(kuò)散性，即使在200℃的低溫下銅也會(huì)擴(kuò)散到硅基襯底的內(nèi)側(cè)，從而以銅硅化合物的形式形成進(jìn)一步降低裝置特性的深位阱(deep level trap)。
因此，更常應(yīng)用單層鑲嵌工藝通過使用傳統(tǒng)的覆蓋鎢層形成方法或回蝕刻(etch-back)工藝用鋁來填充接觸開孔，并隨后形成銅互連線。同樣，當(dāng)通過采用CVD法使用鋁時(shí)，在通過應(yīng)用PVD法得到的襯底上，或者在通過用有機(jī)化合物沉積的阻擋金屬層上不能均勻成核。這種不均勻的成核造成了粗糙表面。即使為了解決上述問題而不暴露在空氣中連續(xù)進(jìn)行CVD法和PVD法，由于高度較高的接觸開孔的側(cè)壁處的不良臺(tái)階覆蓋特性，導(dǎo)致可能仍然難以形成栓塞。因而，為了降低沉積溫度，即CVD法中的問題，提出另一種應(yīng)用原子層沉積法和等離子體的方法；然而由于要求使用新設(shè)備來實(shí)施所提出的方法，因而依然可能是不利的，并且這將不利地增加制造成本。

發(fā)明內(nèi)容
因而，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種制造半導(dǎo)體裝置中的金屬互連線的方法，該方法能夠保證阻擋金屬層所要求的臺(tái)階覆蓋特性的同時(shí)在低溫下形成阻擋金屬層。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種制造半導(dǎo)體裝置中的金屬互連線的方法，包括以下步驟在襯底上形成一個(gè)內(nèi)層絕緣層；蝕刻該內(nèi)層絕緣層的預(yù)定區(qū)域形成多個(gè)接觸開孔；在接觸開孔和蝕刻的內(nèi)層絕緣層上形成歐姆金屬層；在該歐姆金屬層上形成籽晶層；反復(fù)在籽晶層上形成金屬層并氮化該金屬層以形成阻擋金屬層；然后通過埋入接觸開孔在阻擋金屬層上形成金屬互連線。


結(jié)合附圖和對(duì)以下優(yōu)選實(shí)施方案的描述，將更好地理解本發(fā)明的上述和其他目的和特征，其中圖1A和1B是說明通過使用覆蓋沉積方法形成鎢層的傳統(tǒng)方法的截面圖；圖2是簡(jiǎn)要示出用傳統(tǒng)的選擇性鎢層形成法形成鎢栓塞的截面圖；圖3是說明用化學(xué)氣相沉積(CVD)法填充接觸開孔的傳統(tǒng)方法的截面圖；圖4A是說明用離子金屬等離子體(IMP)法在高度高接觸開孔上形成的阻擋金屬層的臺(tái)階覆蓋特性圖；圖4B是示出在阻擋金屬層上通過用CVD法形成的金屬層的臺(tái)階覆蓋特性的圖示，該阻擋金屬層是用IMP法在低高度的接觸開孔上形成的；圖5A-5G是說明根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方案制造金屬互連線結(jié)構(gòu)的方法的截面圖；圖6是本發(fā)明的第二實(shí)施方案的金屬互連線結(jié)構(gòu)的截面圖；圖7是本發(fā)明的第三實(shí)施方案的金屬互連線結(jié)構(gòu)的截面圖；圖8A是說明根據(jù)本發(fā)明在低溫下形成的阻擋金屬層的臺(tái)階覆蓋特性的圖示；圖8B是說明根據(jù)本發(fā)明低溫下沉積在阻擋金屬層上的鋁互連線的臺(tái)階覆蓋特性的圖示；圖9A和9B是說明根據(jù)本發(fā)明用雙層鑲嵌法形成金屬互連線的方法的截面圖。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案并參考附圖，將詳細(xì)描述利用在低溫下形成的阻擋金屬層制作金屬互連線的方法。
圖5A-5G是說明根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方案制造金屬互連線的方法的截面圖。
參考圖5A，在具有半導(dǎo)體裝置元件52如柵結(jié)構(gòu)或位線的硅基襯底51上形成絕緣層53。然后應(yīng)用光刻法工藝和干蝕刻法蝕刻絕緣層53，從而得到暴露出襯底51和半導(dǎo)體裝置元件52的接觸開孔54。這里，接觸開孔54是用金屬互連線接觸半導(dǎo)體元件52和硅基襯底51的接觸孔或通孔。隨著半導(dǎo)體裝置集成電路的規(guī)模增大，每個(gè)接觸開孔54的高度變高，同時(shí)接觸開孔54之間高度的差異變得顯著。
在形成接觸開孔54后，進(jìn)行去除在每個(gè)接觸開孔54底面上的原始氧化物層和殘留雜質(zhì)的濕蝕刻工藝。這時(shí)通過首先將上述的襯底結(jié)構(gòu)浸入到硫酸(H2SO4)浴中約5分鐘，然后浸入稀釋的氫氟(HF)酸浴中約90秒來進(jìn)行濕蝕刻工藝。這里氫氟酸相對(duì)于稀釋化學(xué)品的稀釋比例為約200比約1。
下一步，采用具有良好方向性的高密度等離子體的干蝕刻工藝去除可能留在接觸開孔54的底面上的原始氧化物層，或者在之前所進(jìn)行的形成接觸開孔54的干蝕刻工藝后留在接觸開孔54的底面上的含有材料例如氟化碳(CF)的高度聚合層。
如上所述，如果接觸開孔54經(jīng)過隨后的兩個(gè)蝕刻工藝處理，就可以保持接觸開孔54表面清潔，而沒有雜質(zhì)和原始氧化物層。
參考圖5B，通過應(yīng)用在高度較高的接觸開孔54的側(cè)壁上具有不良臺(tái)階覆蓋特性的物理氣相沉積(PVD)法形成歐姆金屬層55。用來形成歐姆金屬層55的PVD法的例子有離子金屬等離子體體法(IMP)、長(zhǎng)程貫穿濺射法(LTS)和平行濺射法。這里該歐姆金屬層55優(yōu)選由材料如鈦(Ti)或氮化鈦(TiN)制成，該材料用作降低接觸電阻的低電阻穩(wěn)定材料。這時(shí)，考慮絕緣層53的最大厚度和接觸開孔54的直徑以確定歐姆金屬層55的厚度。同樣，評(píng)估電子特性如漏電流和接觸電阻來確定歐姆接觸層55的最佳厚度。
參考圖5C，在歐姆金屬層55上形成用來形成鎢層的籽晶層56。這時(shí)，籽晶層56為硅層和含氫的無定形硅(SiHx)層的其中之一，其中表示氫原子數(shù)比的x的范圍為約0≤x≤約4。
作為將無定形硅層形成為籽晶層56的例子，硅基襯底51被轉(zhuǎn)移到腔室內(nèi)，然后在真空狀態(tài)下在約400℃到約500℃的溫度范圍內(nèi)加熱。同時(shí)，將Ar和SiH4氣體注入爐內(nèi)，同時(shí)保持在例如約1托到約10托的范圍的低壓狀態(tài)。保持這種狀態(tài)，在表面反應(yīng)區(qū)域形成無定形硅層。由于無定形硅層是通過表面反應(yīng)形成的，因此無定形層具有良好的臺(tái)階覆蓋特性。同樣，通過考慮隨后形成的上述鎢層的厚度來確定隨時(shí)間和溫度增加的籽晶層56的厚度。
參考圖5D，在籽晶層56上尤其是通過硅的還原反應(yīng)來形成上述鎢層57。通過提供六氟化鎢(WF6)氣體到籽晶層56來引起形成鎢層57的硅的還原反應(yīng)。該硅的還原反應(yīng)表達(dá)如下式1在硅的還原反應(yīng)中，存在于籽晶層56底部的硅被消耗掉的量是鎢層57厚度的約1.2到約1.3倍，并且在鎢層57形成后保留預(yù)定厚度。特別地，該鎢層的功能為粘結(jié)層。
同時(shí)，上述硅還原反應(yīng)的產(chǎn)物如未反應(yīng)的WF6、SiF4和SiHF3可以通過被吸收在鎢層57的內(nèi)側(cè)和表面上而依然留存。因而為了除去這些吸收的產(chǎn)物，將鎢層57暴露在Ar和H2的混合氣中一段預(yù)定的時(shí)間。
在用銅作為金屬互連線材料的情況下，為加強(qiáng)擴(kuò)散阻擋性就有必要增大鎢層57的厚度。
當(dāng)被置于籽晶層56上時(shí)，鎢層57具有自限性(self-limited)，雖然該特性依形成鎢層57的工藝方案而不同。因而，重復(fù)形成鎢層57和氮化該鎢層57的步驟，從而得到氮化鎢(WN)層。
參考圖5E，將更詳細(xì)地描述氮化鎢層57A的形成。
如圖所示，圖5D中所示的鎢層通過硅的還原反應(yīng)形成，隨后被氮化。重復(fù)這些連貫的步驟將鎢層57轉(zhuǎn)化成上述成為阻擋金屬層的氮化鎢層57A。此處，氮化鎢層57A特別用作擴(kuò)散阻擋金屬層。這時(shí)，利用含氮?dú)怏w如NH3、N2H4或N2通過應(yīng)用遠(yuǎn)程等離子體體法來使鎢層57氮化。
若鎢層57在高于約300℃的溫度下沉積，則鎢層47的沉積速率迅速提高，從而導(dǎo)致鎢層57的密度減小。例如，如果在沉積時(shí)總壓力為約0.5托，并且使用約15sccm的WF6氣體和約2slm的Ar氣，沉積速率在約240℃溫度下為約1.1nm/分鐘，但在約290℃下就變成約165nm/分鐘。
如上所述，若沉積速率增加，就很難精確控制成為連續(xù)層型的依賴接觸開孔54直徑的阻擋金屬層的厚度。阻擋金屬層的適宜厚度范圍為約2nm到約30nm。
同時(shí)，如果沉積溫度升到約450℃，形成鎢層57的WF6原始?xì)馀c籽晶層56反應(yīng)形成硅化鎢(WSix)，其中表示硅的原子比的x小于或等于約2。原始?xì)夂妥丫?6間的化學(xué)反應(yīng)表示如下。
式2硅化鎢層的形成引起電阻率急劇增大。例如，當(dāng)鎢布置在氮化鈦/鎢鈦的粘結(jié)層上時(shí)，鎢的電阻率為約5Ω-cm到約10Ω-cm。同樣，當(dāng)鎢在從約236℃到約292℃的溫度范圍內(nèi)被置于硅襯底上時(shí)，鎢的電阻率在約31.7μΩ-cm到約114μΩ-cm的范圍內(nèi)。然而，當(dāng)在約500℃的溫度下被置于硅襯底上時(shí)，硅化鎢具有約500μΩ-cm的高電阻率。
同樣，在反應(yīng)壓力增大的情況下，鎢層57的自限制(self-limited)厚度也增大。例如，如果反應(yīng)壓力以約0.5毫托、約1.0毫托和約2.0毫托的順序依次增大，鎢層57的自限制厚度就分別以約18nm、約32nm和約60nm的順序依次變化。這時(shí)沉積溫度為約345℃，并使用約20sccm的WF6氣體和約2slm的Ar氣。
由于鎢層57的自限制厚度增大，有必要確定一個(gè)考慮到不同的參數(shù)的最佳工藝方案。在籽晶層6的形成期間的更詳細(xì)的參數(shù)中，SiH4氣體的供應(yīng)參數(shù)為例如溫度的變化范圍為約400℃到約500℃，使用或不使用遠(yuǎn)等離子體法，不同的SiH4氣體暴露時(shí)間，然后測(cè)量依賴于從約200℃到約300℃的沉積溫度范圍和從約1毫托到約1托的壓力范圍的鎢層57沉積速率的變化。在使用遠(yuǎn)等離子體法的情況下，可以在低于約400℃的溫度下形成籽晶層56。
在形成氮化鎢層57即阻擋金屬層的步驟中，可依次單獨(dú)在反應(yīng)室中分別加入反應(yīng)原料，或者在供應(yīng)每種反應(yīng)原料的中間供應(yīng)惰性氣體一段預(yù)定的時(shí)間。通過這種反應(yīng)原料的特殊供應(yīng)，可以改善沉積層的臺(tái)階覆蓋性質(zhì)并除去沉積層內(nèi)存在的雜質(zhì)。
參考圖5F，通過應(yīng)用提供良好臺(tái)階覆蓋性質(zhì)的典型沉積方法，例如化學(xué)氣相沉積(CVD)法或原子層沉積(ALD)法，將第一鋁(Al)層58A填充到開孔54內(nèi)。然后將第一鋁層58A暴露于空氣中。雖然未示出，但這時(shí)由于此種暴露，就在第一鋁層58A的表面上形成了原始氧化物層。然后利用Ar等離子體通過物理蝕刻工藝除去該原始氧化物層。如果第一鋁層58A不暴露在空氣中，則可省略該物理蝕刻工藝。
下一步，通過應(yīng)用物理氣相沉積(PVD)法在第一鋁層58A上形成第二鋁層58B。之后，進(jìn)行重熔(re-flow)法使第二鋁層58B平坦化。這里通過在真空狀態(tài)下對(duì)上述襯底結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱處理來進(jìn)行重熔法。特別地，在惰性氣體如Ar的氣氛中，在約350℃到約500℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行熱處理，持續(xù)約幾秒到幾分鐘，優(yōu)選為約30秒到約180秒。
參考圖5G，在重熔法和物理蝕刻工藝期間，為去除原始氧化物層而向所得的襯底結(jié)構(gòu)所供的熱導(dǎo)致第一鋁層58A和第二鋁層58B之間界面的消除，從而形成單層鋁互連線58。即，當(dāng)?shù)谝缓偷诙X層58A和58B的鋁流動(dòng)以填入開孔54時(shí)，就形成了鋁互連線58，同時(shí)由于重熔法使鋁互連線58的上表面平坦化。
如上所述，由于鋁互連線58源于通過晶粒生長(zhǎng)而形成的第一鋁層58A，所以鋁互連線58具有改善的結(jié)晶質(zhì)量。
在形成鋁互連線58后，通過應(yīng)用PVD法在鋁互連線58上形成抗反射涂層59。這時(shí)，該抗反射涂層59由材料如鈦和氮化鈦制成，并且可由該選定材料的單層或這些材料的堆疊層形成。
根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方案，使用鋁來代替使用鎢作為形成互連線，例如栓塞的材料，同時(shí)應(yīng)用CVD法。當(dāng)應(yīng)用預(yù)定工藝來形成鋁互連線并在高于界面反應(yīng)初始溫度的溫度下進(jìn)行該預(yù)定工藝時(shí)，鎢層隔絕空氣加熱到約400℃≤T≤約500℃的溫度(T)范圍，然后利用預(yù)定氣體例如NH3或N2進(jìn)行遠(yuǎn)等離子體工藝，這樣鎢層就轉(zhuǎn)化成氮化鎢(WNx)，其中代表氮的原子比的x小于或等于約2。這時(shí)，氮化鎢層作為阻擋金屬層來防止隨后形成的鋁互連線的鋁擴(kuò)散和與位于鋁互連線下的底層反應(yīng)。
同時(shí)，為了應(yīng)用CVD法將第一鋁層埋入接觸開孔，可以利用鋁化合物，例如氫化二甲基鋁(DMAH)或甲基吡咯烷鋁烷(MPA)的只在導(dǎo)體材料上形成的選擇性生長(zhǎng)特性，僅在氮化鎢層上形成第一鋁層。因此，第一鋁層就在約250℃到約400℃的溫度范圍和約1托到約10托的壓力范圍下形成。
當(dāng)鋁化合物擴(kuò)散到襯底內(nèi)時(shí)，在低溫下使用具有上述選擇性生長(zhǎng)特性的鋁化合物會(huì)干擾有機(jī)化合物。結(jié)果，就得到了通過控制導(dǎo)致裝置產(chǎn)量下降的工藝方案來防止或最小化由于不穩(wěn)定反應(yīng)產(chǎn)生的粒子所導(dǎo)致的裝置產(chǎn)量下降的作用。
因此，當(dāng)在其上形成有阻擋金屬層接觸開孔內(nèi)選擇性形成金屬栓塞，例如鋁互連線時(shí)，由于反應(yīng)氣體在氣相分解的特性，傳統(tǒng)使用的不具有選擇性生長(zhǎng)特性的鋁化合物例如三甲基鋁(TMA)、三異丁基鋁(TIBA)和二甲基乙胺鋁烷(DMEAA)可導(dǎo)致在除了阻擋金屬層外的絕緣層上成核。同樣，當(dāng)金屬栓塞在襯底結(jié)構(gòu)的整個(gè)表面上連續(xù)形成時(shí)，其通過在隔絕空氣的情況下在接觸開孔上形成阻擋金屬層來制備，由于粒子生成與所使用的沉積方法無關(guān)，因此裝置的產(chǎn)率仍然下降。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方案示出金屬互連線的截面圖。這里對(duì)圖中同樣的結(jié)構(gòu)元件使用與在第一實(shí)施方案中相同的附圖標(biāo)記，并且該結(jié)構(gòu)元件的形成將不再詳細(xì)描述。
特別地，除了如在第一實(shí)施方案中所述的采用鋁層58作為栓塞來填充接觸開孔54以外，第二實(shí)施方案舉例說明將鋁層58用作互連線。
如該圖所示，通過應(yīng)用CVD法，在阻擋金屬層57A上形成鋁層58。這里，阻擋金屬層由氮化鎢制成并在低溫下形成同時(shí)具有良好的臺(tái)階覆蓋性。同樣，除了CVD法以外，鋁層58可通過應(yīng)用ALD法或交替供應(yīng)反應(yīng)氣體的多序列步驟來形成。
下一步，通過應(yīng)用上述相同的方法，在鋁層58上形成銅層60。這時(shí)銅層60不暴露在空氣中，并通過考慮計(jì)劃注入鋁層58的銅量來確定銅層60的厚度。然后將銅原子分散到鋁層58內(nèi)，并且，為了通過晶粒生長(zhǎng)來提高可靠性，在保持真空狀態(tài)的爐內(nèi)和在惰性氣體例如Ar的氣氛中進(jìn)行預(yù)定時(shí)間的熱處理。在熱處理進(jìn)行的同時(shí)，平坦化鋁層58。
之后在銅層60和平坦化的鋁層58上形成抗反射層，從而得到具有良好可靠性的平坦化的金屬互連結(jié)構(gòu)。
如果需要摻入可改善由于對(duì)金屬互連線施加應(yīng)力而引起的金屬互連線斷路的允許限度的雜質(zhì)，例如硅，那么在沉積氮化鎢層57A和隨后的鋁層58時(shí)，順序加入含硅化合物、氫氣和惰性氣體。在這種情況下，在后續(xù)的熱處理過程中能包含在鋁層58內(nèi)的硅濃度較低，因而當(dāng)大部分硅由于在氮化鎢層57A內(nèi)集聚在一起而留存時(shí)，僅痕量的硅被擴(kuò)散。
圖7示出根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施方案的金屬互連線結(jié)構(gòu)的截面圖。特別是在第三實(shí)施方案中，相對(duì)于互連線具有最低電阻的銅層在阻擋金屬層，即低溫下沉積的氮化鎢層上形成。同樣，出現(xiàn)在第一和第二實(shí)施方案中的相同附圖標(biāo)記被用于在第三實(shí)施方案中的相同的結(jié)構(gòu)元件。
如圖所示，與第二實(shí)施方案不同，其中鋁層用于填充接觸開孔，同時(shí)形成金屬互連線，通過應(yīng)用CVD法在成為阻擋金屬層的氮化鎢層57A上形成銅層61，然后在銅層61上形成抗反射涂層59。
由于銅的高擴(kuò)散性，重復(fù)數(shù)次形成無定形硅層、形成鎢層和對(duì)鎢層進(jìn)行氮化的步驟，以防止發(fā)生由在形成多層互連結(jié)構(gòu)的后續(xù)過程期間施加到襯底51上的熱能所引起的銅擴(kuò)散。
這時(shí)，氮化鎢層57A的厚度或上述連續(xù)步驟的重復(fù)次數(shù)可因取決于所應(yīng)用的半導(dǎo)體裝置的后續(xù)熱處理工藝溫度的不同而變化。因此，對(duì)每個(gè)所應(yīng)用的半導(dǎo)體裝置，有必要確定最佳厚度和形成氮化鎢層57A的重復(fù)步驟的次數(shù)。
當(dāng)形成作為阻擋金屬層并具有通過PVD法形成在另一由Ti或TiN制成的阻擋金屬層55上的具有良好的臺(tái)階覆蓋特性的上述氮化鎢層57A時(shí)，通過形成在上述兩個(gè)阻擋金屬層57A和55之間的不連續(xù)層和這兩個(gè)阻擋金屬層57A和55晶格的不同來改善對(duì)銅擴(kuò)散的阻擋特性。因此，無需重復(fù)形成金屬層和為強(qiáng)化阻擋層而氮化金屬層的步驟。即可以一步形成具有預(yù)期厚度的金屬層和氮化金屬層。如上所述，氮化鎢層57A對(duì)銅擴(kuò)散具有良好的阻擋特性，因而當(dāng)?shù)u層57A的厚度為約8nm時(shí)，就可以在約600℃的溫度下阻止銅擴(kuò)散約30分鐘。在氮化鎢層57A的厚度為約25nm的情況下，就可以在約790℃的溫度下防止銅擴(kuò)散約30分鐘。
當(dāng)提供選擇性生長(zhǎng)特性的氣體，如Cu(hfac)TMVS與Ar氣一起被供應(yīng)到反應(yīng)室中的熱襯底51上時(shí)，由于通過進(jìn)行CVD法用來形成金屬互連線的銅被均勻沉積在在每個(gè)接觸開孔54的底表面、側(cè)壁和頂表面上，所以可以觀察到覆蓋沉積的特性。這里Cu(hfac)TMVS的hfac和TMVS分別是六氟乙酰丙酮化物和三甲基乙烯基硅烷的縮寫。也就是說，由于較差的臺(tái)階覆蓋性導(dǎo)致初始成核所用的時(shí)間不同，因而每個(gè)接觸開孔的底表面、側(cè)壁和頂表面顯示出各自不同的臺(tái)階覆蓋特性。這種不均一的臺(tái)階覆蓋特性在圖8A和8B中詳細(xì)描述。
特別地，圖8A是描述在低溫下沉積的阻擋金屬層的臺(tái)階覆蓋特性的圖示。
如圖所示，在低溫下，阻擋金屬層形成在高度較高的接觸開孔上，例如長(zhǎng)徑比約為7和臨界尺寸約為0.3μm。這時(shí)當(dāng)阻擋金屬層的厚度約為5nm時(shí)，該阻擋金屬層顯示出具有良好的臺(tái)階覆蓋特性。
例如，為測(cè)試通過選擇性生長(zhǎng)環(huán)境在低于約400℃的溫度下在無定形硅層上形成的阻擋金屬層的臺(tái)階覆蓋特性，通過應(yīng)用CVD法將鎢層沉積在阻擋金屬層上。如該圖所示，用鋁層填充接觸開孔并且不生成縫隙。
圖8B是描述在低溫下沉積在阻擋金屬層上所形成的鋁互連線的臺(tái)階覆蓋性的圖示。
如圖所示，將在阻擋金屬層上的具有選擇性生長(zhǎng)特性的鋁基有機(jī)化合物材料完全填充入高度較高，例如長(zhǎng)徑比約為20和臨界尺寸約為0.3μm的接觸開孔內(nèi)。
上述具有良好臺(tái)階覆蓋性的阻擋金屬層可應(yīng)用于單或雙層鑲嵌工藝中。
圖9A和9B是說明利用鑲嵌法形成金屬互連線的方法的截面圖。這里，用從第一實(shí)施方案到第三實(shí)施方案中相同的附圖標(biāo)記來描述相同的結(jié)構(gòu)元件。
參考圖9A，通過應(yīng)用一種典型方法形成雙層鑲嵌結(jié)構(gòu)。即，在具有預(yù)先形成的裝置元件，例如柵結(jié)構(gòu)或位線的襯底51上順序形成第一絕緣層53，蝕刻阻擋層62和第二絕緣層63。然后，蝕刻第二絕緣層63以形成在其中形成有互連線的溝道，接著蝕刻第一絕緣層43以形成上述將在其上形成栓塞的接觸開孔(圖中未示出)。之后，依次在以上所得到的襯底結(jié)構(gòu)上順序形成籽晶層和阻擋金屬層57A。
下一步，利用對(duì)于金屬層64下的底層具有選擇性沉積特性的化合物，通過應(yīng)用CVD法形成具有低電阻值的金屬層64。這里，用材料如銅或鋁來形成金屬層64。通過這種CVD法，可以在襯底51、接觸開孔(圖中未示出)和裝置元件52上均一地形成金屬層64而不生成粒子。
參考圖9B，進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝和清洗工藝。這時(shí)，對(duì)金屬層64進(jìn)行平坦化直至其高度低于第二絕緣層63。
盡管沒有示出，還是進(jìn)行了使金屬層64重結(jié)晶的熱處理工藝，然后通過重復(fù)選擇性形成另一金屬層和氮化所述的另一金屬層的步驟，可只在暴露的金屬層64上形成另一金屬阻擋層。
同樣，本發(fā)明舉例說明了將鎢用作金屬層；然而金屬層可以由選自鉬(Mo)和引起籽晶層還原反應(yīng)的難熔金屬的材料來制成。
根據(jù)上述本發(fā)明的實(shí)施方案，在低于約400℃的溫度下，利用通過在連續(xù)步驟中提供反應(yīng)氣體所引起的表面反應(yīng)和表現(xiàn)出依賴于形成在金屬層下的底層的類型和狀態(tài)的金屬層的選擇性沉積特性，能夠作為阻擋金屬層的金屬層均一地形成在所制備的具有不同高度的襯底結(jié)構(gòu)的整個(gè)表面上。結(jié)果，與鋁層的覆蓋沉積和隨后的蝕刻工藝的情況相比較，可以減少設(shè)備安裝成本，并且可以通過應(yīng)用傳統(tǒng)上所采用的PVD和CVD設(shè)備也能夠減少相關(guān)的工廠設(shè)備投資的成本。
此外，形成栓塞和互連線的步驟數(shù)減少，從而提高了半導(dǎo)體裝置的生產(chǎn)率和產(chǎn)量。
另外，在具有高長(zhǎng)徑比的多層互連線結(jié)構(gòu)中，由于可以不顧金屬互連線的位置而埋入接觸開孔和形成互連線，因此可以通過應(yīng)用不顧持續(xù)微型化趨勢(shì)的產(chǎn)品制造技術(shù)來減少制造成本和半導(dǎo)體裝置的產(chǎn)率。
本發(fā)明包括于2004年5月10日遞交到韓國(guó)專利局的韓國(guó)專利申請(qǐng)No.KR2004-0032847的主題，在此通過引用并入該專利的全部?jī)?nèi)容。
雖然以特定的優(yōu)選實(shí)施方案來描述本發(fā)明，但是很明顯本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)其作不同修改和改變而不偏離下述權(quán)利要求所限定的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種制作半導(dǎo)體裝置中的金屬互連線的方法，其步驟包括在襯底上形成一個(gè)內(nèi)層絕緣層；蝕刻內(nèi)層絕緣層的預(yù)定區(qū)域以形成多個(gè)接觸開孔；在接觸開孔和蝕刻的內(nèi)層絕緣層上形成歐姆金屬層；在歐姆金屬層上形成籽晶層；反復(fù)多次在籽晶層上形成金屬層并氮化該金屬層以形成阻擋金屬層；和通過埋入接觸開孔在阻擋金屬層上形成金屬互連線。
2.權(quán)利要求1的方法，其中形成阻擋金屬層的步驟包括通過由籽晶層的還原所引起的表面反應(yīng)在籽晶層上沉積金屬層；和氮化所述的金屬層以將金屬層轉(zhuǎn)化成阻擋金屬層。
3.權(quán)利要求1的方法，其中氮化金屬層的步驟通過用遠(yuǎn)等離子體法進(jìn)行以將金屬層轉(zhuǎn)化成阻擋金屬層。
4.權(quán)利要求3的方法，其中氮化金屬層的步驟通過提供選自NH3、N2H4和N2中的含氮?dú)怏w進(jìn)行。
5.權(quán)利要求2的方法，其中金屬層由鎢制成。
6.權(quán)利要求1的方法，其中阻擋金屬層由氮化鎢制成。
7.權(quán)利要求2的方法，其中形成金屬層的步驟在約200℃到約300℃的溫度范圍和約1毫托到約1托的壓力范圍進(jìn)行。
8.權(quán)利要求2的方法，其中通過使用鉬和引起籽晶層還原反應(yīng)的難熔金屬的其中之一來形成金屬層。
9.權(quán)利要求1的方法，其中籽晶層是硅層。
10.權(quán)利要求1的方法，其中籽晶層是含有氫的無定形硅層。
11.權(quán)利要求9的方法，其中籽晶層通過將襯底加熱至約400℃到500℃的溫度范圍，同時(shí)通過向加熱的襯底提供含硅氣體來形成。
12.權(quán)利要求10的方法，其中籽晶層通過將襯底加熱至約400℃到500℃的溫度范圍，同時(shí)通過向加熱的襯底提供含硅氣體來形成。
13.權(quán)利要求1的方法，其中形成籽晶層和阻擋金屬層的步驟通過在各個(gè)步驟中順序提供反應(yīng)原料來進(jìn)行。
14.權(quán)利要求1的方法，其中形成籽晶層和阻擋金屬層的步驟通過在各個(gè)步驟中的反應(yīng)原料的供應(yīng)間隔之間持續(xù)提供惰性氣體一段預(yù)定時(shí)間而進(jìn)行。
15.權(quán)利要求1的方法，其中形成金屬互連線的步驟包括通過應(yīng)用化學(xué)氣相沉積法和原子層沉積法的其中之一來形成第一鋁層；通過應(yīng)用物理氣相沉積法形成第二鋁層；和對(duì)第一和第二鋁層進(jìn)行重熔法。
16.權(quán)利要求15的方法，其中在形成第一鋁層的步驟中，反應(yīng)原料為氫化二甲基鋁(DMAH)和甲基吡咯烷鋁烷(MPA)的其中之一。
17.權(quán)利要求1的方法，其中形成金屬互連線的步驟包括通過使用化學(xué)氣相沉積法形成鋁層，直至該鋁層填入接觸開孔；在鋁層上形成銅層；和將銅原子注入鋁層。
18.權(quán)利要求1的方法，其中形成金屬互連線的步驟包括通過使用化學(xué)氣相沉積法在阻擋金屬層上形成銅層。
19.權(quán)利要求17的方法，其中形成銅層的步驟通過使用反應(yīng)原料[Cu(hfac)TMVS]進(jìn)行。
20.權(quán)利要求18的方法，其中形成銅層的步驟通過使用反應(yīng)原料[Cu(hfac)TMVS]進(jìn)行。
21.權(quán)利要求1的方法，還包括形成抗反射層的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用在低溫下形成的阻擋金屬層來制作金屬互連線的方法。該方法包括步驟在襯底上形成內(nèi)層絕緣層；蝕刻內(nèi)層絕緣層的預(yù)定區(qū)域以形成多個(gè)接觸開孔；在接觸開孔和蝕刻的內(nèi)層絕緣層上形成歐姆金屬層；在歐姆金屬層上形成籽晶層；反復(fù)多次在籽晶層上形成金屬層并氮化該金屬層以形成阻擋金屬層；并通過埋入接觸開孔在阻擋金屬層上形成金屬互連線。
文檔編號(hào)H01L21/285GK1697156SQ20041010417
公開日2005年11月16日 申請(qǐng)日期2004年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月10日
發(fā)明者樸昌洙 申請(qǐng)人:海力士半導(dǎo)體有限公司