專利名稱：擴(kuò)散阻擋層和帶擴(kuò)散阻擋層的半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及擴(kuò)散阻擋層和帶擴(kuò)散阻擋層的半導(dǎo)體器件。更具體而言，涉及一種由硅、碳、氮和氫形成的新穎的擴(kuò)散阻擋層，氮在擴(kuò)散阻擋層的上表面和下表面附近濃度更大，即在整個(gè)擴(kuò)散阻擋層中氮是非均勻分布的，并且涉及帶這種擴(kuò)散阻擋層的半導(dǎo)體器件。同時(shí)還涉及生產(chǎn)這種帶擴(kuò)散阻擋層的半導(dǎo)體器件的方法。
一般來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體器件包括形成集成電路的許多電路。集成電路對(duì)計(jì)算機(jī)和電子設(shè)備是有用的，它可以包括幾百萬(wàn)個(gè)晶體管和其他電路元件，它們可制造在一個(gè)硅晶體半導(dǎo)體器件上，即芯片。為了使該器件能使用，通常會(huì)把一個(gè)復(fù)雜的信號(hào)通道網(wǎng)連接到分布在器件表面的電路元件上。通過(guò)器件的這些信號(hào)的有效布線隨著集成電路的復(fù)雜程度和數(shù)量的增加而變得更為困難。因此，諸如雙鑲嵌布線結(jié)構(gòu)這種多級(jí)或多層互連方案變得更為需要，這是由于它們?cè)趶?fù)雜的半導(dǎo)體芯片上的大量晶體管之間提供高速信號(hào)布線圖案的有效作用。
用多層方案為集成電路布線時(shí)，像氧化硅這樣的絕緣或是介電材料通常會(huì)用光處理技術(shù)構(gòu)圖形成數(shù)千個(gè)孔口，來(lái)形成導(dǎo)電線孔和/或通孔，例如，采用光刻隨后通過(guò)等離子體處理進(jìn)行刻蝕。這些通孔典型地填以諸如鋁、銅等導(dǎo)電金屬材料，以互相連接集成電路的有源元件和/或無(wú)源元件。然后，這些半導(dǎo)體器件被拋光以修平表面。
擴(kuò)散阻擋層，比如由氮化硅形成的在整個(gè)層中氮均勻分布的擴(kuò)散阻擋層，被規(guī)則地沉積在介電材料和導(dǎo)電金屬材料的平整化表面上。下一步，一種介電材料沉積在該擴(kuò)散阻擋層上，如前所述在介電層和阻擋層內(nèi)產(chǎn)生通孔和線孔，在孔口中沉積另一種導(dǎo)電金屬材料，另一個(gè)擴(kuò)散阻擋層沉積在它上面。接著，重復(fù)該過(guò)程來(lái)制作多層互連布線系統(tǒng)。擴(kuò)散阻擋層起一種粘接的作用，來(lái)保持互連結(jié)構(gòu)的相續(xù)的層連在一起?？墒?，當(dāng)所用的是一個(gè)由氮在整個(gè)層中均勻分布的硅和氮即氮化硅形成的擴(kuò)散阻擋層時(shí)，存在幾個(gè)問(wèn)題。首先，擴(kuò)散阻擋層不能提供最佳的粘著力，因此，在半導(dǎo)體器件制造和使用中就會(huì)帶來(lái)分層的危險(xiǎn)。第二，這種擴(kuò)散阻擋層也導(dǎo)致半導(dǎo)體器件具有相對(duì)較高的介電常數(shù)，一般在6到7之間，因此就會(huì)在導(dǎo)電金屬材料間產(chǎn)生較高的電容，從而導(dǎo)致電信號(hào)以較慢速度傳播，同時(shí)，在這種互連布線方式中增加串?dāng)_。
因此希望提供一種既能在互連層之間提供強(qiáng)粘著力又能保持器件有相對(duì)較低的介電常數(shù)的帶擴(kuò)散阻擋層的半導(dǎo)體器件，從而使電信號(hào)在其間傳播快一些。
本發(fā)明發(fā)現(xiàn)了一種新的擴(kuò)散阻擋層。用于半導(dǎo)體器件中的新的擴(kuò)散阻擋層有一個(gè)上表面、一個(gè)下表面和一個(gè)中間部分，包含有硅、碳、氮和氫，在整個(gè)擴(kuò)散阻擋層中氮是非均勻分布的，即與擴(kuò)散阻擋層的中間部分相比，氮在阻擋層的上下表面附近濃度更大。這樣，這種新的層可以描述為是三個(gè)層，中間層主要含有硅、碳和氫，上層和下層有氮、硅、碳、氫，和選擇地有氧。
帶擴(kuò)散阻擋層的半導(dǎo)體器件包括一個(gè)襯底，襯底包括第一組導(dǎo)電金屬元件，第一個(gè)擴(kuò)散阻擋層加在至少一部分襯底上而接觸導(dǎo)電金屬元件，該擴(kuò)散阻擋層有一個(gè)上表面、一個(gè)下表面和一個(gè)中間部分，且由硅、碳、氮和氫形成，氮在整個(gè)擴(kuò)散阻擋層中是非均勻分布的。因此，例如，與擴(kuò)散阻擋層的中間部分相比，氮在擴(kuò)散阻擋層的上下表面附近濃度更大。半導(dǎo)體器件還可以包括加在第一擴(kuò)散阻擋層上的一個(gè)介電層，穿過(guò)介電層和第一擴(kuò)散阻擋層形成的線孔和通孔暴露至少一種導(dǎo)電金屬元件的表面，從而使沉積并填充線孔和通孔的導(dǎo)電金屬材料來(lái)提供第二組電接觸導(dǎo)電金屬元件。或者，加上第二個(gè)擴(kuò)散阻擋層接觸第二組導(dǎo)電金屬元件的上表面的至少一部分，該擴(kuò)散阻擋層有一個(gè)上表面、一個(gè)下表面和一個(gè)中間部分，是由硅、碳、氮和氫形成的，氮在整個(gè)擴(kuò)散阻擋層中是非均勻分布的。
本發(fā)明還發(fā)現(xiàn)一種制作該半導(dǎo)體器件的方法，包括如下步驟a)在半導(dǎo)體襯底上形成第一個(gè)擴(kuò)散阻擋層，襯底中含有第一組導(dǎo)電金屬元件，該擴(kuò)散阻擋層有一個(gè)上表面、一個(gè)下表面和一個(gè)中間部分，且含有硅、碳、氮和氫，而且其中的氮是非均勻分布沉積的；b)至少在一部分第一擴(kuò)散阻擋層上形成一個(gè)介電層；c)在介電層和擴(kuò)散阻擋層中形成線孔和通孔，以暴露第一組導(dǎo)電金屬元件的至少一個(gè)的上表面；d)在線孔和通孔中沉積并填充導(dǎo)電金屬材料，以形成第二組導(dǎo)電金屬元件；以及e)在第二組導(dǎo)電金屬元件的上表面形成第二個(gè)擴(kuò)散阻擋層，該擴(kuò)散阻擋層有一個(gè)上表面、一個(gè)下表面和一個(gè)中間部分，且含有硅、碳、氮和氫，氮在整個(gè)層中是非均勻分布的。
這里描述的半導(dǎo)體器件包括一個(gè)由硅、碳、氮和氫形成的擴(kuò)散阻擋層，氮在整個(gè)擴(kuò)散阻擋層中是非均勻分布的，該半導(dǎo)體器件有低介電常數(shù)，因此導(dǎo)致由器件產(chǎn)生的電信號(hào)能以較快的速度傳播并減小串?dāng)_，同時(shí)擴(kuò)散阻擋層充當(dāng)一種粘合劑，使得半導(dǎo)體器件在更長(zhǎng)的時(shí)間里更牢固地連在一起。
下面參照


本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，說(shuō)明如下圖1A是含有第一組導(dǎo)電金屬元件的半導(dǎo)體襯底截面示意圖；圖1B是第一擴(kuò)散阻擋層形成在襯底的一部分上與導(dǎo)電金屬元件相接觸的圖1A的半導(dǎo)體襯底截面示意圖；圖1C是在第一個(gè)擴(kuò)散阻擋層上形成了一個(gè)介電層的圖1B的半導(dǎo)體襯底截面示意圖；圖1D是具有刻蝕了線孔和通孔的圖1C的半導(dǎo)體襯底截面示意圖；圖1E是導(dǎo)電金屬材料沉積在刻蝕的孔口以形成第二組導(dǎo)電金屬元件的圖1D的半導(dǎo)體襯底截面示意圖；以及圖1F是在介電層和第二組導(dǎo)電金屬元件的上表面形成了第二個(gè)擴(kuò)散阻擋層的圖1E的半導(dǎo)體襯底截面示意圖。
根據(jù)本發(fā)明的一種半導(dǎo)體器件包括一個(gè)半導(dǎo)體襯底，襯底包括，例如，第一個(gè)介電層和第一組導(dǎo)電金屬元件，加在襯底的至少一部分上的第一擴(kuò)散阻擋層，接觸導(dǎo)電金屬元件的至少一部分。該半導(dǎo)體器件還可以包括加在擴(kuò)散阻擋層上的第二個(gè)介電層，在第2個(gè)介電層和第一個(gè)擴(kuò)散阻擋層中形成的線孔和通孔并暴露至少一個(gè)導(dǎo)電金屬元件的表面，一種導(dǎo)電金屬材料沉積在孔口中填充孔口以形成第二組導(dǎo)電金屬元件，并且，第二個(gè)擴(kuò)散阻擋層加在其上表面上。
如圖1A-1F的實(shí)施例所示，這里描述的半導(dǎo)體器件通過(guò)首先提供一種半導(dǎo)體襯底8來(lái)形成，該襯底是常規(guī)類型的，可以包括例如電路和其他互連層。一般地，半導(dǎo)體襯底8有一個(gè)介電層10，且導(dǎo)電金屬材料沉積在孔口中填滿線孔，從而提供第一組導(dǎo)電金屬元件12。對(duì)介電層10和導(dǎo)電金屬元件12適合的材料可以包括本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所熟知的任何常規(guī)的介電和導(dǎo)電金屬材料。優(yōu)選的材料包括但不限于氟化SiO2,SiO2,有機(jī)熱固或熱塑介電材料，諸如聚酰亞胺，聚芳撐醚，苯并環(huán)丁烯等，帶孔或不帶孔的旋裝玻璃(spin on glasses),諸如倍半氧丙環(huán)硅氫(hydrogen silsesquioxane)，甲基倍半氧丙環(huán)硅(methyl silsesquioxane)，基于四乙基原硅酸鹽的旋裝膜(spin on film)等，Si、O、C和H的非晶合金，Si、O、F和H的非晶合金等，以上用于介電層10，其中優(yōu)選使用有機(jī)電介質(zhì)；Ti,TiN,TiW,Ta,TaN,W,Al,Pd,Cu等以及它們的組合物，以上用于導(dǎo)電金屬元件12，其中Cu為優(yōu)選使用材料。在襯底8上形成介電層12和導(dǎo)電金屬元件12的技術(shù)(例如，化學(xué)汽相沉積、物理汽相沉積、旋涂與硬化和電鍍)屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員范圍。形成的介電層10和導(dǎo)電金屬元件12接著經(jīng)過(guò)一個(gè)諸如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員熟知的標(biāo)準(zhǔn)CMP拋光這種平面化處理，這有利地提供如圖1A中總體繪制的一個(gè)基本平的表面。
介電層10和導(dǎo)電金屬元件12形成之后，第一擴(kuò)散阻擋層14加在至少一部分襯底上至少接觸導(dǎo)電金屬元件12的一部分。第一擴(kuò)散阻擋層14由硅、碳、氮和氫形成，有一個(gè)上表面14a，一個(gè)下表面14b和一個(gè)中間部分14c，氮在整個(gè)層中是非均勻分布的。這樣，與中間部分14C相比，氮在上表面14a和下表面14b附近濃度更大。一般地，擴(kuò)散阻擋層14是使半導(dǎo)體襯底8用任何常規(guī)的等離子體增益化學(xué)汽相沉積(PECVD)反應(yīng)器或是反應(yīng)室通過(guò)PECVD而形成的?；蛘撸瑪U(kuò)散阻擋層14也可以由原子層沉積而形成。使用PECVD時(shí)，反應(yīng)器或是反應(yīng)室的內(nèi)壁涂覆一層諸如氮化硅的膜。通過(guò)在反應(yīng)器內(nèi)壁涂覆氮化硅，擴(kuò)散層14到襯底，例如介電層10和導(dǎo)電金屬元件12的上表面，可以得到更強(qiáng)的粘著力。
下一步，把半導(dǎo)體襯底8放在PECVD反應(yīng)器中。典型地，導(dǎo)電金屬元件12暴露的上表面，例如銅，會(huì)含有雜質(zhì)，例如Cu氧化物(由于空氣對(duì)銅的氧化)，這會(huì)導(dǎo)致擴(kuò)散阻擋層對(duì)導(dǎo)電金屬元件12的粘著力變差。因此，優(yōu)選的是基本上全部除去這些污染物。因此，襯底8要經(jīng)過(guò)一個(gè)注入氣流的等離子體清潔過(guò)程，等離子體是由諸如純NH3氣體或是例如NH3或選擇其他含氮?dú)怏w混合物進(jìn)入反應(yīng)器而形成的，這有利于去除污染物?；蛘?，含H2的氣體混合物也可以用于等離子體清潔。
使用含氮的氣體混合物特別有利，因?yàn)樵诘入x子體清潔過(guò)程中，在介電層10和導(dǎo)電金屬元件12的上表面上，例如Cu的上表面上，即形成的擴(kuò)散阻擋層的下表面14b，形成一個(gè)含氮的薄膜，而且發(fā)現(xiàn)，這層膜與銅反應(yīng)，使膜與導(dǎo)電金屬元件12之間產(chǎn)生更強(qiáng)的粘著力。還發(fā)現(xiàn)這層含氮的薄膜也能阻止銅元件的上表面被空氣氧化。一般地，應(yīng)用這種膜的時(shí)候，這種含氮膜具有(1)含氮量約為1-20atomic％N，優(yōu)選的是5atomic％(2)氮與碳的比例約小于0.2，約在0.1～0.5范圍內(nèi)。應(yīng)當(dāng)理解，少量的氧，例如少于5atomic％的氧，優(yōu)選的是少于2atomic％，可以任意存在于膜中，例如由于空氣暴露或是其他氧源。含氮膜的厚度一般約在1～10納米，優(yōu)選的是在2～4納米。在此需要一個(gè)薄膜，因?yàn)槟ぴ胶衲ぶ械暮吭礁?，這會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體器件具有較高的介電常數(shù)。這一工序中所用的溫度和功率分別是約200～500℃和約100～1000瓦。除去污染物并形成膜的時(shí)間周期一般不會(huì)超過(guò)約120秒。
除去污染物并形成上述含氮膜之后，例如含硅、碳和氫的有機(jī)硅烷和一種惰性氣體的氣體混合物被注進(jìn)PECVD反應(yīng)器，在含氮薄膜的上表面即所產(chǎn)生的擴(kuò)散阻擋層的中間部分14C形成一個(gè)含硅/碳/氮的膜?？捎玫挠袡C(jī)硅烷氣體混合物包括甲基硅烷，二甲基硅烷、三甲基硅烷、四甲基硅烷等，或者，也可以用硅烷和碳?xì)浠衔餁怏w的混合物，比如甲烷、乙烯、乙炔等。此處可用的惰性氣體包括氬、氦等，其中優(yōu)選的是氦。
含硅/碳/氫的膜厚度一般在約5～100納米，優(yōu)選的是在約20～60納米。一般地，所用溫度約為200～500℃，功率約為100～1000瓦，優(yōu)選的是500瓦。形成膜的時(shí)間周期約在10～30秒范圍。
下一步，含硅/碳/氫的膜要經(jīng)過(guò)等離子體處理，使膜有更大的密度和對(duì)氣體更低的滲透性，使得用于下面描述的接著進(jìn)行的等離子體步驟中的氮保留在含硅/碳/氫膜的上表面。氮有利地是保留在上表面而不滲透進(jìn)含硅/碳/氫的膜中，從而使該含硅/碳/氫膜保持低介電常數(shù)。該含氮膜的上表面也導(dǎo)致了下面描述的介電層16在擴(kuò)散阻擋層14上有強(qiáng)的粘著力。所用的等離子體可以是任何適當(dāng)?shù)臍怏w，比如氦，而且典型地，在約10～60秒的時(shí)間周期和100～500瓦的功率下注入到反應(yīng)器中。
等離子體處理之后，第二個(gè)含氮?dú)怏w等離子體被注入到反應(yīng)器中形成第二層含氮膜，即所產(chǎn)生的擴(kuò)散阻擋層的上表面14a，從而完成第一個(gè)擴(kuò)散阻擋層14的形成。適當(dāng)?shù)暮獨(dú)怏w包括，例如NH3,NH3和N2的混合物等。一般地，應(yīng)用這個(gè)膜的時(shí)候，含氮膜具有(1)氮含量為1-20atomic％N，優(yōu)選的是5atomic％N，(2)氮與碳的比例在約0.1～0.5，優(yōu)選的是約小于0.2。應(yīng)當(dāng)理解，含氮層還可以包括來(lái)自空氣暴露或是其他氧源的少量氧，一般含量少于約5atomic％，優(yōu)選少于約2atomic％。含氮膜的厚度通常在約1～10納米，優(yōu)選的是在約2～5納米。形成第二個(gè)含氮層的參數(shù)(例如，溫度、時(shí)間、功率等)可以是溫度約為250～500℃，時(shí)間約5～100秒，功率約50-500瓦。選擇地，形成的擴(kuò)散阻擋層14可以包括，比如來(lái)自空氣暴露或是其他氧源的約1-5atomic％的氧。
還考慮到本發(fā)明的擴(kuò)散阻擋層沉積的另一種方法也可以在此使用。比如，擴(kuò)散阻擋層可以用脈沖CVD或原子層沉積法來(lái)沉積，由此在沉積形成擴(kuò)散阻擋層時(shí)以高程度的組分控制而形成每個(gè)膜的極薄層，從而得到擴(kuò)散阻擋層中所希望的氮分布。
一旦第一個(gè)擴(kuò)散阻擋層14形成后，介電層16可以加到擴(kuò)散阻擋層14(參見(jiàn)圖1C)的表面上。然而，形成介電層16之前，用一種助粘劑選擇地處理擴(kuò)散阻擋層14的表面是特別有幫助的。用于此處的適當(dāng)?shù)闹硠┛梢允潜绢I(lǐng)域普通技術(shù)人員熟悉的任何常規(guī)的助粘劑。優(yōu)選的助粘劑包括諸如γ-氨基丙基硅烷等有機(jī)硅烷。用助粘劑處理阻擋層14表面的技術(shù)屬于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員范圍之內(nèi)，比如，可以使用旋涂機(jī)。此處用于形成介電層16的介電材料可以是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員熟知的任何介電材料。用于此處的優(yōu)選的介電材料包括但不限于，氟化SiO2,SiO2，有機(jī)熱固或熱塑介電材料，諸如聚酰亞胺，聚芳撐醚，苯并環(huán)丁烯等，帶孔或不帶孔的旋裝玻璃(spin on glasses)，諸如倍半氧丙環(huán)硅氫(hydrogen silsesquioxane)，甲基倍半氧丙環(huán)硅(methylsilsesquioxane)，基于四乙基原硅酸鹽的旋裝膜(spin on film)等，Si、O、C和H的非晶合金，Si、O、F和H的非晶合金等，其中優(yōu)選使用有機(jī)電介質(zhì)。
介電層16可以一般地在阻擋層14的表面作為一個(gè)基本平的層應(yīng)用。一個(gè)基本平的層可以直接通過(guò)形成過(guò)程，例如在膜上旋涂的情況下得到，一旦介電層16形成后，也可以使用熟知和常規(guī)的方法，比如化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)。介電層厚度一般約在200～1000納米范圍，優(yōu)選的是300～700納米。形成介電層16的技術(shù)屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員范圍。
一旦在擴(kuò)散阻擋層表面上形成介電層16，接著線孔17和通孔18就在介電層16和阻擋層14中形成，來(lái)暴露至少一個(gè)導(dǎo)電金屬元件12的上表面。(參見(jiàn)圖1D)。產(chǎn)生用于此處的單或雙鑲嵌(damascene)(通孔加上下一層導(dǎo)體)布線結(jié)構(gòu)的線孔和通孔是特別有利的。諸如鑲嵌結(jié)構(gòu)的線孔和通孔可以通過(guò)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的技術(shù)在介電層16和阻擋層14中形成。例如，一個(gè)保護(hù)層(沒(méi)示出)可以用于介電層16的上表面。保護(hù)層用熟知的光刻技術(shù)構(gòu)圖并顯影。接著通過(guò)刻蝕形成孔口17和18，例如通過(guò)運(yùn)用一個(gè)適當(dāng)?shù)母飨虍愋钥涛g技術(shù)，例如活性離子刻蝕(RIE)。制作孔口17和18的參數(shù)(例如蝕刻劑的類型、蝕刻劑的濃度、時(shí)間、溫度等)都屬于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員范圍。所希望的每個(gè)孔口17和18的尺寸一般按給定導(dǎo)體攜帶電流的需要而變化。
孔口17和18形成之后，一種導(dǎo)電金屬材料被沉積在每個(gè)孔口17和18里并使之填滿，形成如圖1E中所示的第二組導(dǎo)電金屬元件20。第二組導(dǎo)電金屬元件20可以通過(guò)任何所知道的或是常規(guī)的方法來(lái)形成，例如，通過(guò)電鍍，或是選擇或非選擇化學(xué)汽相沉積(CVD)，濺射或其他物理汽相沉積。這里可以用任何一種常規(guī)的導(dǎo)電金屬材料。形成導(dǎo)電金屬元件20的適當(dāng)金屬材料包括但不限于Ti,TiN,TiW,Ta,TaN,W,Al,Cu,Pd等以及它們的組合物，此處優(yōu)選的是用Cu。
接著在介電層16和導(dǎo)電金屬元件20(參見(jiàn)圖1F)的上表面形成第二個(gè)擴(kuò)散阻擋層22，該擴(kuò)散阻擋層22包括一個(gè)上表面22a、一個(gè)下表面22b和一個(gè)中間部分22c。形成擴(kuò)散阻擋層22的技術(shù)和參數(shù)(例如，時(shí)間、溫度、功率等)已在上文有關(guān)第一擴(kuò)散阻擋層中描述過(guò)了，這些可以用于形成擴(kuò)散阻擋層22。用于形成擴(kuò)散阻擋層14的上述每個(gè)膜的厚度一般與用于形成擴(kuò)散阻擋層22的相同。
如果需要，可以把額外的層(未圖示出)加在擴(kuò)散阻擋層22上。例如，一個(gè)介電層可以首先加在擴(kuò)散阻擋層上，在介電層和阻擋層22中產(chǎn)生線孔和通孔暴露至少一部分導(dǎo)電金屬元件20的上表面。一種導(dǎo)電金屬元件，例如銅，可以沉積在每個(gè)孔口中并填滿孔口形成第三組導(dǎo)電金屬元件。下一步，如上文中討論的一個(gè)第三層擴(kuò)散阻擋層可以在其上形成。
下面是與對(duì)照例相比較的本發(fā)明的舉例說(shuō)明。
例1給出下例來(lái)舉例說(shuō)明在本發(fā)明范圍內(nèi)的擴(kuò)散阻擋層對(duì)導(dǎo)電金屬材料的粘著力。按照上面給出的一般描述，在有三個(gè)構(gòu)圖的金屬層的集成電路試驗(yàn)區(qū)此例中所用的方法在形成本發(fā)明的完整擴(kuò)散阻擋層中也用于沉積三層膜的每一層。
本例中用的半導(dǎo)體襯底由沉積在直徑200毫米的硅晶片襯底上的未構(gòu)圖的銅膜構(gòu)成，其適當(dāng)結(jié)合沉積在銅膜和硅襯底之間的粘著層。適當(dāng)?shù)恼持鴮拥睦邮窃诠杈椭T如Ti,Ta和Cr的粘著金屬上的氮化硅或是氧化硅。這樣，這個(gè)襯底被描述為銅/粘著金屬/氮化硅/硅晶片。然后銅膜被CMP拋光以產(chǎn)生一個(gè)基本平的銅表面。下一步，由Applied Materials制成的型號(hào)為DxZ的一種等離子體增益化學(xué)汽相沉積反應(yīng)器用于沉積擴(kuò)散阻擋層。在形成擴(kuò)散阻擋層之前，PECVD反應(yīng)器的內(nèi)壁被涂鍍上一層含有硅、氮和氫的膜(一種氮化硅涂層)。
帶未構(gòu)圖的銅膜的測(cè)試襯底被放在溫度為350℃反應(yīng)器中的一個(gè)加熱板上。銅的氧化物和其他污染物按如下方式被從銅表面去除純NH3氣體以4.5托(torr)的氣壓引入反應(yīng)器中，用325瓦的RF功率經(jīng)過(guò)45秒形成一種等離子體。襯底的溫度達(dá)到約350℃，這段時(shí)間內(nèi)，厚度為2～4納米的第一層含氮膜被沉積在襯底上。下一步，三甲基硅烷氣體和氦的混合氣體以8.7托氣壓引入反應(yīng)器，經(jīng)過(guò)30秒形成一種等離子體來(lái)沉積厚度為55納米的硅、碳和氫膜。接著，一種氦等離子體工序使硅/碳/氫膜具有更高的密度和對(duì)氣體更低的滲透性，這是通過(guò)讓He以8.7托氣壓流入反應(yīng)器中，使用250瓦的RF功率，經(jīng)過(guò)40秒完成的。然后把NH3加入這種等離子體中10秒鐘，同時(shí)保持其他條件恒定。通過(guò)向硅/碳/氫膜的上層3納米中添加氦形成擴(kuò)散阻擋層，使用NH3和He的混合物的分立的等離子體步驟，形成一個(gè)薄的第二含氮膜。第一層和第二層含氮膜的厚度是用透射式電子顯微鏡(TEM)測(cè)量的，每層膜的組分是用俄歇電子分光鏡(AES)深度剖面測(cè)量的。
本例中的擴(kuò)散阻擋層是以X射線光電子分光鏡(XPS)得到原子濃度(包括氫原子)和化合鍵信息為進(jìn)一步特征的。如上述所沉積和處理的阻擋層用XPS分析。該層的上表面中Si,C,O和N的原子濃度分別為30％,56％,10％和3.3％，有約80％的Si原子顯示碳化硅和氮化硅的化學(xué)鍵合特征。剩余的Si顯示出氧化硅的鍵合特征。C的約45％原子顯現(xiàn)碳化硅的化學(xué)鍵合特征，并且55％顯現(xiàn)有機(jī)化合物(包括例如甲基碳)的鍵合特征。這些結(jié)果證明，擴(kuò)散阻擋層包括不同鍵合狀態(tài)的硅、碳、氮和氧，并且，碳實(shí)際上主要是碳化硅和有機(jī)物，在擴(kuò)散阻擋層中有很少量的氮化硅。
把試驗(yàn)襯底進(jìn)行6次熱應(yīng)力循環(huán)45分鐘，使溫度達(dá)到400℃，在此之前和之后，分別在此試驗(yàn)襯底上進(jìn)行剝離試驗(yàn)。剝離試驗(yàn)包括把試驗(yàn)載體涂覆上聚酰亞胺(20微米厚)，把襯底切成長(zhǎng)方條形(約100×0.5cm)，讓每一個(gè)條形受一個(gè)標(biāo)定的剝離力。熱應(yīng)力之前測(cè)量剝離強(qiáng)度為70g/mm，之后為69g/mm。在整個(gè)銅晶片表面剝離強(qiáng)度完全均勻(100％的區(qū)域表現(xiàn)出強(qiáng)的粘著性)。
比較例1下面所給出的對(duì)比例是舉例說(shuō)明本發(fā)明范圍之外對(duì)導(dǎo)電金屬材料有差的粘著力的擴(kuò)散阻擋層。
例1的半導(dǎo)體襯底用于此例，該襯底包括沉積在直徑為200mm的硅晶片襯底上的未構(gòu)圖的銅膜，適當(dāng)結(jié)合沉積在銅膜和硅襯底之間的一個(gè)粘著層，銅膜經(jīng)過(guò)CMP拋光產(chǎn)生一個(gè)基本平的銅表面。適當(dāng)?shù)恼持鴮拥睦邮窃诠杈拖馮i,Ta或Cr這種粘合金屬上的氮化硅或氧化硅。這樣，該襯底被描述為Cu/粘著金屬/氮化硅/硅晶片。例1中所用的PECVD反應(yīng)器也用在此例中。首先，在形成擴(kuò)散阻擋層之前，PECVD反應(yīng)器的內(nèi)壁涂一層包括硅、氧和氫的涂層(一種氧化硅涂層)。
把帶未構(gòu)圖的銅膜的襯底放在反應(yīng)器中溫度為350℃的加熱板上，下一步，將銅氧化物和其他污染物從銅表面除去的步驟如下純NH3以4.5托壓力引入反應(yīng)器中，用325瓦的RF功率經(jīng)過(guò)15秒形成一種等離子體。襯底溫度達(dá)到約350℃，在15秒這段時(shí)間里，在銅膜上沉積一個(gè)薄的分界層，它的成份基本上是氧，因此對(duì)銅表面產(chǎn)生較差的粘著力。下一步，由三甲基硅烷氣體和He組成的氣體混合物以8.7托的壓力導(dǎo)入反應(yīng)器，經(jīng)過(guò)30秒形成一種等離子體，來(lái)沉積厚度為55納米的硅/碳/氫膜。一種He等離子體方法用于使膜的密度更大、對(duì)氣體滲透性更低，通過(guò)以8.7托氣壓向反應(yīng)器中流入He，使用250瓦RF功率經(jīng)過(guò)20秒來(lái)形成擴(kuò)散阻擋層。
把試驗(yàn)襯底進(jìn)行6次熱應(yīng)力循環(huán)45分鐘，使溫度達(dá)到400℃，在此之前和之后，分別在此試驗(yàn)襯底上進(jìn)行例1的剝離試驗(yàn)。在進(jìn)行熱應(yīng)力之前測(cè)得的剝離強(qiáng)度為0～40g/mm，熱應(yīng)力之后為0g/mm。在銅晶片表面的剝離強(qiáng)度是不均勻的，60％的區(qū)域是0g/mm(自發(fā)分層)，40％的區(qū)域是40g/mm。
比較例2下面所給出的對(duì)比例是舉例說(shuō)明本發(fā)明范圍之外對(duì)導(dǎo)電金屬材料有差的粘著力的擴(kuò)散阻擋層。
例1的半導(dǎo)體襯底用于此例，該襯底包括沉積在直徑為200mm的硅晶片襯底上的未構(gòu)圖的銅膜，沉積在銅膜和襯底之間的一個(gè)適當(dāng)結(jié)合的粘著層，銅膜經(jīng)過(guò)CMP拋光產(chǎn)生一個(gè)基本平的銅表面。適當(dāng)?shù)恼持鴮拥睦邮窃诠杈拖馮i,Ta或Cr這種粘著性金屬上的氮化硅或氧化硅。這樣該襯底被描述為Cu/粘著金屬/氮化硅/硅晶片。例1中所用的PECVD反應(yīng)器也用在此例中。首先，在形成擴(kuò)散阻擋層之前，通過(guò)以三甲基硅烷和He為反應(yīng)氣體的沉積，在PECVD反應(yīng)器的內(nèi)壁涂一層包括Si,C和H的膜(一種SiCH涂層)。
把包括未構(gòu)圖的銅膜的試驗(yàn)襯底放在反應(yīng)器中溫度為350℃的加熱板上，下一步，將銅氧化物和其他污染物從銅表面除去的步驟如下純NH3氣體氣壓為4.5托流入反應(yīng)器中，用325瓦的RF功率經(jīng)過(guò)15秒形成一種等離子體。襯底溫度達(dá)到約350℃，在15秒這段時(shí)間里，在銅膜上沉積一個(gè)薄的分界層，它的成份基本上是碳，因此在銅表面產(chǎn)生較差的粘著力。包括三甲基硅烷和He的氣體混合物以氣壓8.7托進(jìn)入反應(yīng)器，經(jīng)過(guò)30秒形成一種等離子體來(lái)沉積厚度為55納米的硅/碳/氫膜。一個(gè)He等離子體方法用來(lái)使膜有更高的密度和對(duì)氣體更低的滲透性，通過(guò)把He以8.7托的壓力流入反應(yīng)器，加RF功率為250瓦，經(jīng)過(guò)20秒形成擴(kuò)散阻擋層。
把試驗(yàn)襯底進(jìn)行6次熱應(yīng)力循環(huán)45分鐘，使溫度達(dá)到400℃，在此之前和之后，分別在此試驗(yàn)襯底上進(jìn)行例1的剝離試驗(yàn)。在進(jìn)行熱應(yīng)力之前測(cè)得的剝離強(qiáng)度為0～5g/mm，熱應(yīng)力之后為0g/mm。在銅晶片表面的剝離強(qiáng)度是不均勻的，90％的區(qū)域是0g/mm自發(fā)分層，10％的區(qū)域是2～5g/mm。
盡管本發(fā)明已用它的優(yōu)選形式以一定的具體性做了說(shuō)明，很明顯，由此的許多改變和變化是可能的，而且對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，讀了前面的說(shuō)明后會(huì)很明顯。因此，應(yīng)當(dāng)理解，除了這里具體描述的之外，本發(fā)明還能以不偏離其精神和范圍的其他形式存在。
權(quán)利要求
1．一種用于半導(dǎo)體器件的擴(kuò)散阻擋層，該擴(kuò)散阻擋層有一個(gè)上表面、一個(gè)下表面和一個(gè)中間部分，且含有硅、碳、氮和氫，氮在整個(gè)擴(kuò)散阻擋層中是非均勻分布的。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的擴(kuò)散阻擋層，其中，與擴(kuò)散阻擋層的中間部分相比，氮在擴(kuò)散阻擋層的上表面附近濃度更大。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的擴(kuò)散熱壘層，其中，與擴(kuò)散阻擋層的中間部分相比，氮在擴(kuò)散阻擋層的下表面附近濃度更大。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的擴(kuò)散阻擋層，其中，與擴(kuò)散阻擋層的中間部分相比，氮在擴(kuò)散阻擋層的上表面和下表面附近濃度更大。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的擴(kuò)散阻擋層還包括氧。
6．根據(jù)權(quán)利要求1的擴(kuò)散阻擋層，其中層中的一部分碳和硅是以碳化硅的形式存在的。
7．一種半導(dǎo)體器件，包括一種帶導(dǎo)電元件的襯底；以及一個(gè)擴(kuò)散阻擋層，加在至少一部分襯底上與導(dǎo)電金屬元件形成接觸，該擴(kuò)散阻擋層有一個(gè)上表面、一個(gè)下表面和一個(gè)中間部分，且含有硅、碳、氮和氫，其中氮在整個(gè)擴(kuò)散阻擋層中是非均勻分布的。
8．根據(jù)權(quán)利要求7的半導(dǎo)體器件，其中，與擴(kuò)散阻擋層的中間部分相比，氮在擴(kuò)散阻擋層的上表面附近濃度更大。
9．根據(jù)權(quán)利要求7的半導(dǎo)體器件，其中，與擴(kuò)散阻擋層的中間部分相比，氮在擴(kuò)散阻擋層的下表面附近濃度更大。
10．根據(jù)權(quán)利要求7的半導(dǎo)體器件，其中，與擴(kuò)散阻擋層的中間部分相比，氮在擴(kuò)散阻擋層的上表面和下表面附近濃度更大。
11．根據(jù)權(quán)利要求7的半導(dǎo)體器件，其中氮只分布在擴(kuò)散阻擋層的上表面。
12．根據(jù)權(quán)利要求7的半導(dǎo)體器件，其中的導(dǎo)電元件是由選自Ti,TiN,TiW,Ta,TaN,W,Al,Pd,Cu及它們的組合所構(gòu)成的組中的一種金屬制成的。
13．根據(jù)權(quán)利要求7的半導(dǎo)體器件，其中的導(dǎo)電元件是由銅制成的。
14．根據(jù)權(quán)利要求7的半導(dǎo)體器件，其中擴(kuò)散阻擋層的厚度約為7～120納米。
15．根據(jù)權(quán)利要求7的半導(dǎo)體器件，其中擴(kuò)散阻擋層的厚度約為24～68納米。
16．根據(jù)權(quán)利要求7的半導(dǎo)體器件，其中層中的一部分碳和硅是以碳化硅的形式存在的。
17．一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括如下步驟a)提供一個(gè)帶導(dǎo)電元件的襯底；以及b)在該襯底的至少一部分上形成擴(kuò)散阻擋層與導(dǎo)電金屬元件形成接觸，該擴(kuò)散阻擋層有一個(gè)上表面、一個(gè)下表面和一個(gè)中間部分，且由硅、碳、氮和氫構(gòu)成，氮在整個(gè)擴(kuò)散阻擋層中是非均勻分布的。
18．根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中形成擴(kuò)散阻擋層的步驟導(dǎo)致了與擴(kuò)散阻擋層的中間部分相比，氮在擴(kuò)散阻擋層的上表面附近濃度更大。
19．根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中形成擴(kuò)散阻擋層的步驟導(dǎo)致了與擴(kuò)散阻擋層的中間部分相比，氮在擴(kuò)散阻擋層的下表面附近濃度更大。
20．根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中形成擴(kuò)散阻擋層的步驟導(dǎo)致了與擴(kuò)散阻擋層的中間部分相比，氮在擴(kuò)散阻擋層的上表面和下表面附近濃度更大。
21．根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中形成擴(kuò)散阻擋層的步驟導(dǎo)致了擴(kuò)散阻擋層中還含有氧。
22．根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中在步驟(a)中提供的襯底中帶有導(dǎo)電金屬元件，該元件是由選自Ti,TiN,TiW,Ta,TaN,W,Al,Pd,Cu及它們的組合所構(gòu)成的組中的一種金屬形成的。
23．根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中導(dǎo)電元件是由Cu形成的。
24．根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中形成擴(kuò)散阻擋層的步驟產(chǎn)生一個(gè)厚度約為7～120納米的擴(kuò)散阻擋層。
25．根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中形成擴(kuò)散阻擋層的步驟產(chǎn)生一個(gè)厚度約為24～68納米的擴(kuò)散阻擋層。
26．根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中形成擴(kuò)散阻擋層的步驟包括原子層沉積。
27．根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中層中的一部分碳和硅是以碳化硅的形式存在的。
28．一種方法包括在導(dǎo)電材料上形成一個(gè)擴(kuò)散阻擋層，該擴(kuò)散阻擋層有一個(gè)上表面、一個(gè)下表面和一個(gè)中間部分，且含有硅、碳、氮和氫，氮在整個(gè)擴(kuò)散阻擋層中是非均勻分布的，由此，導(dǎo)電材料和該擴(kuò)散阻擋層之間的粘著力比相同導(dǎo)電材料和氮分布均勻的擴(kuò)散阻擋層之間的粘著力有改進(jìn)。
29．根據(jù)權(quán)利要求28的方法，其中，與中間部分相比，氮在擴(kuò)散阻擋層的上表面附近濃度更大。
30．根據(jù)權(quán)利要求28的方法，其中，與中間部分相比，氮在擴(kuò)散阻擋層的下表面附近濃度更大。
31．根據(jù)權(quán)利要求28的方法，其中，與中間部分相比，氮在擴(kuò)散阻擋層的上表面和下表面附近濃度更大。
32．根據(jù)權(quán)利要求28的方法，其中擴(kuò)散阻擋層還含有氧。
33．根據(jù)權(quán)利要求28的方法，其中導(dǎo)電材料選自Ti,TiN,TiW,Ta,TaN,W,Al,Pd,Cu及它們的組合所構(gòu)成的組中。
34．根據(jù)權(quán)利要求28的方法，其中導(dǎo)電金屬材料是Cu。
全文摘要
提供了一種帶擴(kuò)散阻擋層的半導(dǎo)體器件,該半導(dǎo)體器件包括,至少一個(gè)帶導(dǎo)電金屬元件的半導(dǎo)體襯底;還有加在至少一部分襯底上的一個(gè)擴(kuò)散阻擋層,其接觸導(dǎo)電金屬元件,該擴(kuò)散阻擋層有一個(gè)上表面、一個(gè)下表面和一個(gè)中間部分,由硅、碳、氮和氫形成,氮在整個(gè)擴(kuò)散阻擋層中是非均勻分布的。因此,與擴(kuò)散阻擋層的中間部分相比,氮在層的上表面和下表面附近濃度更大。還提供了制造這種半導(dǎo)體器件的方法。
文檔編號(hào)H01L23/532GK1308375SQ0110343
公開(kāi)日2001年8月15日 申請(qǐng)日期2001年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月11日
發(fā)明者斯蒂芬·A·科恩, 蒂莫西·J·多爾頓, 約翰·A·費(fèi)茲西蒙斯, 斯蒂芬·M·蓋茲, 萊恩·M·基格納克, 保羅·C·詹米森, 康－吾·李, 辛帕斯·帕魯舒塔曼, 達(dá)爾·D·利斯坦諾, 伊萬(wàn)·西蒙尼, 霍雷肖·S·威爾德曼 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司