專利名稱：半導體裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于半導體裝置，且特別是有關(guān)于一種半導體裝置，其包含具有最少厚度的氮化鉭(TaN)阻障層的銅接觸物，以及其制造方法。
背景技術(shù)：
于電子與集成電路裝置中，導線提供了如信號傳遞的必要功能。位于不同層內(nèi)的導線是借由設置于適當位置的導電接觸物而形成電性連結(jié)，以提供特定功用。
近年來，隨著元件集成度提升的需求，針對起因于元件特征尺寸縮減所導致如阻容延遲(RC delay)的不良效應，已借由于半導體制作中導入銅材料的使用以解決如此問題。此外，銅材料較傳統(tǒng)鋁材質(zhì)表現(xiàn)出較佳導熱性與抗電致變遷(EM)表現(xiàn)。因此，搭配銅金屬與低介電常數(shù)介電材料的制程便成為當今普遍應用的內(nèi)連線制程。
然而，如此制程缺點之一在于鄰近介電材料處的銅擴散效應，其將影響集成電路裝置的可靠性。因此，便需要于提供一抑制其擴散的金屬阻障層，其包含如鉭(Ta)或氮化鉭(TaN)的材料。然而，如此的鉭或氮化鉭材質(zhì)的阻障層通常借由如濺鍍(sputtering)的物理氣相沉積方法(PVD)所形成，其具有超過100埃的厚度。
隨著半導體裝置特征尺寸的縮小化趨勢，便需要于前段制程(front end process)中應用如銅接觸插栓的銅接觸物，以電性連結(jié)形成于半導體基底上的元件的主動區(qū)域或晶體管的柵電極，以改善前段的元件效能。由于應用于前段的接觸物尺寸較后段內(nèi)連線結(jié)構(gòu)來的較小，因此，便需要較薄且可靠的擴散阻障層，以實現(xiàn)銅接觸插栓的應用且避免不期望的銅擴散問題。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的就是提供一種適用于半導體前段制程的銅接觸插栓結(jié)構(gòu)，其采用了厚度少于20埃的薄化的氮化鉭阻障層。如此的薄氮化鉭阻障層可于形成接觸插栓開口中表現(xiàn)出極佳的階梯覆蓋以及金屬擴散阻障效果，以作為具有較小特征尺寸接觸插栓結(jié)構(gòu)的擴散阻障層之用。
基于上述目的，本發(fā)明提供了一種半導體裝置，其包括一基底；至少一晶體管，位于該基底上；一介電層，覆蓋該晶體管且具有一開口，露出該晶體管的一主動區(qū)；一氮化鉭(TaN)阻障層，順應地襯覆于該開口內(nèi)，其中該氮化鉭阻障層是原子層沉積(atomic layer deposited)而成，且具有少于20埃的厚度；以及一銅層，位于該氮化鉭阻障層上并填入于該開口。
本發(fā)明所述的半導體裝置，該介電層包括磷硅玻璃或硼磷硅玻璃。
本發(fā)明所述的半導體裝置，該主動區(qū)為該晶體管的一源極/漏極區(qū)。
本發(fā)明所述的半導體裝置，該主動區(qū)為該晶體管的一柵電極。
本發(fā)明所述的半導體裝置，更包括一銅晶種層，位于該銅層與該氮化鉭阻障層之間。
本發(fā)明亦提供了一種半導體裝置的制造方法，包括下列步驟提供具有為一第一介電層所覆蓋的至少一晶體管的一基底；于該第一介電層內(nèi)形成一第一開口，露出該晶體管的一主動區(qū)；于該第一開口內(nèi)順應地形成一第一氮化鉭(TaN)阻障層，其中該第一氮化鉭阻障層是原子層沉積(atomic layer deposited)而成，且具有少于20埃的厚度；以及形成一第一銅層于該第一氮化鉭(TaN)阻障層上，并填入該第一開口。
本發(fā)明所述的半導體裝置的制造方法，該第一介電層包括磷硅玻璃或硼磷硅玻璃。
本發(fā)明所述的半導體裝置的制造方法，該第一氮化鉭阻障層是借由間歇地使該介電層與五(二甲基胺)鉭化合物(penta-dimethyl-amino-tantalum，PDMAT)以及氨氣反應至少循環(huán)三次所形成。
本發(fā)明所述的半導體裝置的制造方法，更包括下列步驟平坦化該第一銅層，移除高出該第一介電層的該第一銅層部分，露出該第一介電層以及該第一開口內(nèi)的該第一銅層；形成一第二介電層于該第一介電層與該第一銅層上；形成一第二開口于該第二介電層內(nèi)，露出一部分的該第一銅層；于該第二開口內(nèi)順應地形成一第二氮化鉭阻障層，其中該第二氮化鉭阻障層是原子層沉積而成，且具有少于20埃的厚度；以及形成一第二銅層于該第二氮化鉭阻障層上，并填入該第二開口。
本發(fā)明所述的半導體裝置的制造方法，該第二介電層包括具有少于3.9的介電常數(shù)的低介電常數(shù)介電材料、磷硅玻璃或硼磷硅玻璃。
本發(fā)明所述半導體裝置及其制造方法可有效防止如銅擴散的金屬擴散問題。


圖1、圖3至圖6為一系列剖面圖，用以說明依據(jù)本發(fā)明一較佳實施例的具有銅內(nèi)連物與銅接觸物的半導體裝置的制造方法；圖2為一示意圖，用以顯示圖1的原子層沉積步驟165中，投入反應氣體以及清除用氣體的一示范方法。
具體實施例方式
為了讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，并配合所附圖示，作詳細說明如下本發(fā)明的實施例將配合圖1至圖6作一詳細敘述如下。
請參照圖1，首先提供一基底100，例如為一硅基底，其上形成有一晶體管。在此，晶體管包括由依序堆疊于部分基底100上的柵絕緣層110與柵電極130所形成的一柵極堆疊，而柵電極130與基底100之間則借由柵絕緣層110所絕緣。此外，晶體管更包括一對源極/漏極區(qū)120對稱地設置于鄰近柵電極130的基底100。較佳地，柵電極130為多晶硅材質(zhì)且可為特定導電類型摻質(zhì)所摻雜，而源極/漏極區(qū)120則為N型或P型的摻雜區(qū)域。此外，上述晶體管更包括分別形成于柵極堆疊對稱側(cè)壁上的絕緣間隔物140。
于基底100與晶體管上則形成有第一介電層150，其較佳地為如磷硅玻璃(PSG)或硼磷硅玻璃(BPSG)的含磷介電層，且于第一介電層150內(nèi)形成有開口160。開口160可形成對應于晶體管的源極/漏極區(qū)120或柵電極130等主動區(qū)域處。在此，如圖1所示，開口160是形成于對應于一源極/漏極區(qū)120的位置并露出此源極/漏極區(qū)120的表面。
接著，順應地于第一介電層150上以及開口160內(nèi)形成一氮化鉭(TaN)阻障層170。氮化鉭阻障層170的厚度介于0～50埃，較佳地少于20埃，其是借由原子層沉積(atomic layerdeposition，ALD)步驟165所形成。原子層沉積步驟165可借由具有多個反應腔的一原子層沉積(ALD)機臺(未圖示)所達成。于開口160內(nèi)，此氮化鉭阻障層170表現(xiàn)出極佳的階梯覆蓋效果且表現(xiàn)出可改善后續(xù)形成的導電接觸物的抗電致變遷效果。接著，于氮化鉭阻障層170上形成具有厚度約為500～1800埃的銅晶種層180。上述原子層沉積165將于下文中仔細解說。
圖2顯示了于原子層沉積步驟165中投入氣態(tài)反應物(gaseous reactant)、吹凈用氣體(purge gas)以及載氣(carriergas)的一示范性方法。原子層沉積步驟165是借由具有多個制程腔體的一原子層沉積群聚機臺于介于約0～5托的制程壓力以及低于300℃的制程溫度下進行。當形成氮化鉭阻障層170時，于原子層沉積步驟165中所使用的反應氣體包括有五(二甲基胺)鉭化合物(penta-dimethyl-amino-tantalum，PDMAT)以及氨氣(NH3)，其于每次注入中的氣體流量分別約為0～100sccm以及0～100sccm。再者，采用了如氫氣(H2)或氮氣(N2)的載氣，于介于0～100sccm的氣體流量以攜帶前述反應氣體進入制程腔體內(nèi)。此外，亦采用了如氦氣(He)、氮氣(N2)以及氬氣(Ar)的吹凈用氣體，于介于0～100sccm的流速下以吹出殘留于制程腔體內(nèi)的剩余反應氣體。如圖2所示，五(二甲基胺)鉭化合物-氨氣等反應氣體是間歇地搭配吹凈用氣體而注入。因此，氮化鉭阻障層170于介于約1～3埃/每循環(huán)(cycle)的速率形成。上述反應氣體的注入時間約為0.01～0.001秒。因此，氮化鉭阻障層170可借由至少三次前述的循環(huán)所形成。
接著，于圖3中，于銅晶種層170上借由沉積步驟195以形成有一較厚的銅層190并將之填入于開口160內(nèi)。沉積步驟195可借由電化學電鍍或無電電鍍法所達成。由于氮化鉭阻障層170的形成，可避免銅層的擴散現(xiàn)象且因銅層的使用而降低了接觸物的接觸電阻。
請參照圖4，接著施行如化學機械研磨程序(CMP)的一平坦化程序，以移除高于第一介電層150的銅層、銅晶種層以及氮化鉭阻障層170部分，而留下一接觸插栓200作為介于晶體管以及后續(xù)形成導線(未圖標)之間的內(nèi)部連結(jié)。在此，接觸插栓200包括一順應形成的氮化鉭阻障層170a、銅層190a以及其間的銅晶種層180a，以接觸晶體管的源極/漏極區(qū)120。于前述例如為化學機械研磨程序的平坦化程序中，由于氮化鉭阻障層170厚度極薄而可于前述平坦化程序移除，而無需額外地對于氮化鉭阻障層170再次施行平坦化程序。
請參照圖5，接著借由傳統(tǒng)導線制程以于第一介電層150上形成一第二介電層210，其內(nèi)具有如銅導線的導線220。在此，于導線220以及第二介電層210之間較佳地形成有一順應的金屬阻障層215。金屬阻障層215亦可為借由前述的原子層沉積步驟165所形成的氮化鉭阻障層。其厚度類似于前述的氮化鉭阻障層170a，因而提供了尺寸更為縮小的可靠導電對象。第二介電層210可包括如磷硅玻璃、硼磷玻璃或具有介電常數(shù)低于3.9的低介電常數(shù)介電材料。
接著，于第二介電層210上形成包含接觸介層物240的第三介電層230，其中接觸介層物240是電性連結(jié)于導線220。第三介電層可包含一具有低于3.9的介電常數(shù)的低介電常數(shù)介電材料。接觸介層物240則包含借由傳統(tǒng)鑲嵌制程所形成的一金屬阻障層250以及一導電層260以及形成于其間的一晶種層(為圖示)。導電層260例如為一銅層而金屬阻障層250例如為借由前述原子層沉積步驟165所形成的氮化鉭層。在此，金屬阻障層250的厚度可類似于前述的氮化鉭層170a的厚度，因而可提供具有縮減尺寸的可靠接觸介層物。因此，源極/漏極區(qū)120之一可借由接觸插栓200、導線220而電性連結(jié)于位于上層的接觸介層物240。
另外，請參照圖6，開口160可形成于對應于柵電極130的位置且包含氮化鉭阻障層170a、銅晶種層180a銅層190a的接觸插栓200可借由如圖3、圖4所示的制程步驟而形成于開口160內(nèi)。
此外，于圖6中，包含如銅質(zhì)的導線220、以及金屬阻障層215的第二介電層210形成于第一介電層150上，以電性連接于導電插栓200。再者，于第二介電層210上的第三介電層230內(nèi)可形成包括金屬阻障層250以及導電層260的接觸介層物240。接觸介層物240是電性連結(jié)于導線220。
如圖4與圖6所示，本發(fā)明提供了一種具有銅接觸物的半導體裝置，包括一基底；至少一晶體管，位于該基底上；一介電層，覆蓋該晶體管且具有一開口，露出該晶體管的一主動區(qū)；一氮化鉭(TaN)阻障層，順應地襯覆于該開口內(nèi)，其中該氮化鉭阻障層是原子層沉積而成(atomic layer deposited)且具有少于20埃的厚度；以及一銅層，位于該氮化鉭阻障層上并填入于該開口。
如圖5與圖6所示，本發(fā)明提供了一種具有銅接觸物以及內(nèi)連物的半導體裝置，包括一基底；至少一晶體管，位于該基底上；一第一介電層，覆蓋該晶體管且具有一第一開口，露出該晶體管的一主動區(qū)；一第一氮化鉭(TaN)阻障層，順應地襯覆于該第一開口內(nèi)，其中該第一氮化鉭阻障層是原子層沉積而成(atomic layer deposited)且具有少于20埃的厚度；一第一銅層，位于該第一氮化鉭阻障層上并填入該第一開口；一第二介電層，位于該第一銅層上，且具有一第二開口，露出一部分的該第一銅層；一第二氮化鉭(TaN)阻障層，順應地襯覆于該第二開口內(nèi)，其中該第二氮化鉭阻障層是原子層沉積而成(atomic layer deposited)且具有少于20埃的厚度；以及一第二銅層，位于該第二氮化鉭阻障層上并填入該第二開口。
前述包括銅接觸物與銅內(nèi)連線的半導體裝置中所應用的薄氮化鉭阻障層是借由原子層沉積以降低其厚度，其于開口中可表現(xiàn)出較佳的階梯覆蓋效果，并可有效防止如銅擴散的金屬擴散問題。因此，其適用應用于納米時的半導體制作技術(shù)，以提供具有較小特征尺寸結(jié)構(gòu)的擴散阻障層之用。如此的氮化鉭阻障層亦表現(xiàn)出介于銅晶種層與介電層間的最佳附著情形。
以上所述僅為本發(fā)明較佳實施例，然其并非用以限定本發(fā)明的范圍，任何熟悉本項技術(shù)的人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可在此基礎上做進一步的改進和變化，因此本發(fā)明的保護范圍當以本申請的權(quán)利要求書所界定的范圍為準。
附圖中符號的簡單說明如下100基底110柵絕緣層120源極/漏極區(qū)130柵電極140絕緣間隔物150第一介電層160開口165原子層沉積步驟170、170a氮化鉭阻障層180、180a銅晶種層190、190a銅層195沉積步驟200導電插栓210第二介電層220、260導電層215、250金屬阻障層230第三介電層
權(quán)利要求
1.一種半導體裝置，其特征在于所述半導體裝置包括一基底；至少一晶體管，位于該基底上；一介電層，覆蓋該晶體管且具有一開口，露出該晶體管的一主動區(qū)；一氮化鉭阻障層，順應地襯覆于該開口內(nèi)，其中該氮化鉭阻障層是原子層沉積而成，且具有少于20埃的厚度；以及一銅層，位于該氮化鉭阻障層上并填入于該開口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體裝置，其特征在于該介電層包括磷硅玻璃或硼磷硅玻璃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體裝置，其特征在于該主動區(qū)為該晶體管的一源極/漏極區(qū)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體裝置，其特征在于該主動區(qū)為該晶體管的一柵電極。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體裝置，其特征在于更包括一銅晶種層，位于該銅層與該氮化鉭阻障層之間。
6.一種半導體裝置的制造方法，其特征在于所述半導體裝置的制造方法包括下列步驟提供具有為一第一介電層所覆蓋的至少一晶體管的一基底；于該第一介電層內(nèi)形成一第一開口，露出該晶體管的一主動區(qū)；于該第一開口內(nèi)順應地形成一第一氮化鉭阻障層，其中該第一氮化鉭阻障層是原子層沉積而成，且具有少于20埃的厚度；以及形成一第一銅層于該第一氮化鉭阻障層上，并填入該第一開口。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于該第一介電層包括磷硅玻璃或硼磷硅玻璃。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于該第一氮化鉭阻障層是借由間歇地使該介電層與五(二甲基胺)鉭化合物以及氨氣反應至少循環(huán)三次所形成。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于更包括下列步驟平坦化該第一銅層，移除高出該第一介電層的該第一銅層部分，露出該第一介電層以及該第一開口內(nèi)的該第一銅層；形成一第二介電層于該第一介電層與該第一銅層上；形成一第二開口于該第二介電層內(nèi)，露出一部分的該第一銅層；于該第二開口內(nèi)順應地形成一第二氮化鉭阻障層，其中該第二氮化鉭阻障層是原子層沉積而成，且具有少于20埃的厚度；以及形成一第二銅層于該第二氮化鉭阻障層上，并填入該第二開口。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于該第二介電層包括具有少于3.9的介電常數(shù)的低介電常數(shù)介電材料、磷硅玻璃或硼磷硅玻璃。
全文摘要
本發(fā)明是關(guān)于一種半導體裝置及其制造方法，所述半導體裝置包括一基底；至少一晶體管，位于該基底上；一介電層，覆蓋該晶體管且具有一開口，露出該晶體管的一主動區(qū)；一氮化鉭阻障層，順應地襯覆于該開口內(nèi)，其中該氮化鉭阻障層是原子層沉積而成且具有少于20埃的厚度；以及一銅層，位于該氮化鉭阻障層上并填入于該開口。本發(fā)明所述半導體裝置及其制造方法可有效防止如銅擴散的金屬擴散問題。
文檔編號H01L21/3205GK1783477SQ20051007490
公開日2006年6月7日 申請日期2005年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月1日
發(fā)明者王俊杰, 彭兆賢, 吳啟明, 張志維, 眭曉林 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司