使用低溫形成的阻擋金屬層製作金屬互連線的方法
2023-09-19 11:55:30 2
專利名稱：使用低溫形成的阻擋金屬層製作金屬互連線的方法
技術領域：
本發明涉及製作半導體裝置的方法；更具體地，涉及一種用低溫形成的阻擋金屬層製作金屬互連線的方法。
背景技術：
半導體裝置的大規模集成導致設計規則的不斷減小，因而為了保證半導體裝置的可靠性以及實現大規模生產，也要求發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。這種用來填充接觸孔或通孔的技術對多層金屬互連線形成的整體工藝有著重大影響。
對於填充接觸孔或通孔的技術，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，然後對鎢層進行化學機械拋光(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)內的傳統方法的截面圖。
參考圖1A，在襯底11上形成絕緣層12，然後蝕刻形成接觸開孔13。為保證低的接觸電阻和與氧化層的附著力，在絕緣層12上形成基於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，採用具有良好的臺階覆蓋特性的化學氣相沉積法(CVD)。而且，所形成的鎢層16的厚度要大於接觸開孔13的半徑。
參考圖1B，通過進行幹蝕刻工藝或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內保留鎢層16。之後，進行溼法清洗工藝去除還留在上述所得的襯底結構表面上的殘留金屬微粒。
然而上面的傳統方法要用不同的設備分多步進行。這種傳統方法由於延長了工藝時間，所以形成覆蓋鎢層的總成本非常高而半導體裝置的產率很低，因而是不利的。
由於這個原因，提出了另一種在接觸開孔內形成選擇性鎢層的方法。與上述用來形成覆蓋鎢層的傳統方法不同，選擇性鎢層形成方法是一種以不同的生長速率選擇性地形成栓塞的方法，其取決於暴露在接觸開孔內的底部互連線材料，例如純金屬、金屬矽化物和N/P+矽。特別是，當形成至少多於兩層通過通孔連接的互連線而不形成附著層時，選擇性鎢層形成方法利用了以下事實，即由連接互連線的通孔所暴露出的底部金屬層、單晶/多晶矽和在通孔側壁形成的絕緣層例如氧化矽層，具有不同的沉積特性。
圖2是通過應用傳統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，然後蝕刻形成接觸開孔23露出底部互連線21。填入接觸開孔23內的鎢栓塞24是利用在底部互連線21和成為接觸開孔23側壁的絕緣層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，但是在接觸開孔23內形成的鎢層24的生長繼續進行，使得鎢層24溢出到旁邊區域。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，隨後應用溼法清洗工藝。
而且，如果底部互連線21是矽襯底，則位於由接觸開孔23露出的部分矽襯底21上的鎢栓塞24向矽襯底21生長和擴散，從而形成蟲洞(wormhole)造成漏電流和隨後的有缺陷裝置。結果，這種選擇性鎢層形成方法在填充形成在至少多於兩個互連線結構上的接觸開孔的情況時的應用就受到限制。
此外，因為形成接觸開孔側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壁間形成了縫隙，因而造成不良的形態以及由於溢出的鎢所導致的頂部互連線可靠性下降。
圖3是應用化學氣相沉積法填充到接觸開孔中的傳統的金屬栓塞的截面圖。
如圖所示，在具有雜質層的矽基襯底31上形成絕緣層33，然後該層33被蝕刻形成接觸開孔34。在上述得到的襯底結構上形成鈦層35和氮化鈦層36。
接著，在氮化鈦層36上形成銅(Cu)層37，並且通過用物理氣相沉積(PVD)法，即濺射法，在位於絕緣層33的未蝕刻部分的銅層37上形成基於材料如鋁、鈦和鉭的金屬層38。
之後，通過暴露於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。然後，通過應用金屬-有機化學氣相沉積(MOCVD)法形成填充由金屬線40所圍成區域的金屬栓塞41。這裡金屬栓塞41是鋁製的。
然而當接觸開孔的直徑突然減小時，如果接觸開孔的高度增加，那麼使用濺射法如離子金屬等離子體(IMP)法、長程貫穿濺射(LTS)法或平行濺射法，來形成作為阻擋金屬層的氮化鈦層36的缺點就會很突出。即沉積材料的方向性增加，因而臺階覆蓋能力在接觸開孔34的底部增加而在接觸開孔34的側壁減小，結果，在接觸開孔34的側壁上就不會發生形成金屬栓塞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的底表面上並向上生長，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就會溢出到旁邊區域，或者如果接觸開孔34的高度較高，那麼形成金屬栓塞41的周期就被延長。同樣，由於通過預定的氧化工藝，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就不會在金屬沉積阻擋層39上生長。
圖4A是說明當通過應用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階覆蓋特性的物理沉積法，將由氮化鈦(TiN)製成的阻擋金屬層沉積在高度較高，例如長徑比約為7.5的接觸開孔上時的臺階覆蓋特性的圖示。
與此同時，圖4B是說明通過應用CVD法在阻擋金屬層上形成金屬層時的臺階覆蓋特性的圖示。在這種情況下，該阻擋金屬層由鈦製成，並通過應用IMP法將其沉積在高度較低，如長徑比約為2.5的接觸開孔上。
參考圖4A，發現阻擋金屬層約50％的厚度在接觸開孔的底部。然而在接觸開孔的側壁，幾乎看不到阻擋金屬層。阻擋金屬層在底部和側壁的厚度差異加速了在將該阻擋金屬層暴露於空氣後，沉積鎢層的過程中初始成核所用時間的差異。該結果的原因是因為當阻擋金屬層暴露在空氣中時，由於阻擋金屬層的密度變化取決於這些厚度差異，因而通過天然氧化反應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，如所測量的從接觸開孔的入口到接觸開孔的側壁，阻擋金屬層的厚度減小，並且這種厚度的減小在長徑比增大時變得明顯。這種阻擋金屬層厚度減小的結果就是鎢層的厚度減少，如同下降到接觸開孔的底部一樣。這個結果也在圖4B中示出，其中鎢層在具有低長徑比的接觸開孔上沉積的阻擋金屬層上形成。由於在接觸開孔的入口和表面沉積迅速進行，因此在入口處產生突起，從而在用於栓塞的鎢層中產生縫隙。
為解決上述的缺陷，提出通過應用具有良好臺階覆蓋特性的CVD法形成基於材料如氮化鈦的阻擋金屬層。
然而，由於氮化鈦層的沉積在高溫下進行並且使用無機化合物如四氯化鈦(TiCl4)作為原始氣，當氮化鈦的沉積溫度變高時，用來降低接觸電阻的鈦在接觸開孔底部與矽襯底會過度反應。這種鈦和矽襯底的過度反應導致漏電流增加，進而在裝置中產生缺陷。
同樣，如果腐蝕性元素如氯(Cl)留在阻擋金屬層內，則金屬栓塞和互連線會被腐蝕，從而產生斷路，進一步造成缺陷裝置。
當應用使用金屬有機材料的CVD或MOCVD法時，可以在低溫下進行沉積；然而由於含雜質的碳殘留在沉積層內以及在接觸開孔的側壁和底部臺階覆蓋特性劣化導致電阻上升。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散的阻擋金屬層。在應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重削弱。例如，如果互連線的寬度是0.2μm，與填充接觸開孔並同時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，因為長徑比增加，為了防止銅的擴散，在應用雙層鑲嵌工藝時阻擋金屬層就形成得很厚。如果阻擋金屬層在矽基襯底上形成得很薄，那麼由於高擴散性，即使在200℃的低溫下銅也會擴散到矽基襯底的內側，從而以銅矽化合物的形式形成進一步降低裝置特性的深位阱(deep level trap)。
因此，更常應用單層鑲嵌工藝通過使用傳統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，並隨後形成銅互連線。同樣，當通過採用CVD法使用鋁時，在通過應用PVD法得到的襯底上，或者在通過用有機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進行CVD法和PVD法，由於高度較高的接觸開孔的側壁處的不良臺階覆蓋特性，導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，提出另一種應用原子層沉積法和等離子體的方法；然而由於要求使用新設備來實施所提出的方法，因而依然可能是不利的，並且這將不利地增加製造成本。
發明內容
因而，本發明的一個目的在於提供一種製造半導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階覆蓋特性的同時在低溫下形成阻擋金屬層。
根據本發明的一個方面，提供一種製造半導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內層絕緣層；蝕刻該內層絕緣層的預定區域形成多個接觸開孔；在接觸開孔和蝕刻的內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；反覆在籽晶層上形成金屬層並氮化該金屬層以形成阻擋金屬層；然後通過埋入接觸開孔在阻擋金屬層上形成金屬互連線。
結合附圖和對以下優選實施方案的描述，將更好地理解本發明的上述和其他目的和特徵，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方法的截面圖；圖2是簡要示出用傳統的選擇性鎢層形成法形成鎢栓塞的截面圖；圖3是說明用化學氣相沉積(CVD)法填充接觸開孔的傳統方法的截面圖；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是說明根據本發明的第一實施方案製造金屬互連線結構的方法的截面圖；圖6是本發明的第二實施方案的金屬互連線結構的截面圖；圖7是本發明的第三實施方案的金屬互連線結構的截面圖；圖8A是說明根據本發明在低溫下形成的阻擋金屬層的臺階覆蓋特性的圖示；圖8B是說明根據本發明低溫下沉積在阻擋金屬層上的鋁互連線的臺階覆蓋特性的圖示；圖9A和9B是說明根據本發明用雙層鑲嵌法形成金屬互連線的方法的截面圖。
具體實施例方式
根據本發明的優選實施方案並參考附圖，將詳細描述利用在低溫下形成的阻擋金屬層製作金屬互連線的方法。
圖5A-5G是說明根據本發明的第一實施方案製造金屬互連線的方法的截面圖。
參考圖5A，在具有半導體裝置元件52如柵結構或位線的矽基襯底51上形成絕緣層53。然後應用光刻法工藝和幹蝕刻法蝕刻絕緣層53，從而得到暴露出襯底51和半導體裝置元件52的接觸開孔54。這裡，接觸開孔54是用金屬互連線接觸半導體元件52和矽基襯底51的接觸孔或通孔。隨著半導體裝置集成電路的規模增大，每個接觸開孔54的高度變高，同時接觸開孔54之間高度的差異變得顯著。
在形成接觸開孔54後，進行去除在每個接觸開孔54底面上的原始氧化物層和殘留雜質的溼蝕刻工藝。這時通過首先將上述的襯底結構浸入到硫酸(H2SO4)浴中約5分鐘，然後浸入稀釋的氫氟(HF)酸浴中約90秒來進行溼蝕刻工藝。這裡氫氟酸相對於稀釋化學品的稀釋比例為約200比約1。
下一步，採用具有良好方向性的高密度等離子體的幹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，或者在之前所進行的形成接觸開孔54的幹蝕刻工藝後留在接觸開孔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經過隨後的兩個蝕刻工藝處理，就可以保持接觸開孔54表面清潔，而沒有雜質和原始氧化物層。
參考圖5B，通過應用在高度較高的接觸開孔54的側壁上具有不良臺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)、長程貫穿濺射法(LTS)和平行濺射法。這裡該歐姆金屬層55優選由材料如鈦(Ti)或氮化鈦(TiN)製成，該材料用作降低接觸電阻的低電阻穩定材料。這時，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，籽晶層56為矽層和含氫的無定形矽(SiHx)層的其中之一，其中表示氫原子數比的x的範圍為約0≤x≤約4。
作為將無定形矽層形成為籽晶層56的例子，矽基襯底51被轉移到腔室內，然後在真空狀態下在約400℃到約500℃的溫度範圍內加熱。同時，將Ar和SiH4氣體注入爐內，同時保持在例如約1託到約10託的範圍的低壓狀態。保持這種狀態，在表面反應區域形成無定形矽層。由於無定形矽層是通過表面反應形成的，因此無定形層具有良好的臺階覆蓋特性。同樣，通過考慮隨後形成的上述鎢層的厚度來確定隨時間和溫度增加的籽晶層56的厚度。
參考圖5D，在籽晶層56上尤其是通過矽的還原反應來形成上述鎢層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的矽的還原反應。該矽的還原反應表達如下式1在矽的還原反應中，存在於籽晶層56底部的矽被消耗掉的量是鎢層57厚度的約1.2到約1.3倍，並且在鎢層57形成後保留預定厚度。特別地，該鎢層的功能為粘結層。
同時，上述矽還原反應的產物如未反應的WF6、SiF4和SiHF3可以通過被吸收在鎢層57的內側和表面上而依然留存。因而為了除去這些吸收的產物，將鎢層57暴露在Ar和H2的混合氣中一段預定的時間。
在用銅作為金屬互連線材料的情況下，為加強擴散阻擋性就有必要增大鎢層57的厚度。
當被置於籽晶層56上時，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，重複形成鎢層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中所示的鎢層通過矽的還原反應形成，隨後被氮化。重複這些連貫的步驟將鎢層57轉化成上述成為阻擋金屬層的氮化鎢層57A。此處，氮化鎢層57A特別用作擴散阻擋金屬層。這時，利用含氮氣體如NH3、N2H4或N2通過應用遠程等離子體體法來使鎢層57氮化。
若鎢層57在高於約300℃的溫度下沉積，則鎢層47的沉積速率迅速提高，從而導致鎢層57的密度減小。例如，如果在沉積時總壓力為約0.5託，並且使用約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範圍為約2nm到約30nm。
同時，如果沉積溫度升到約450℃，形成鎢層57的WF6原始氣與籽晶層56反應形成矽化鎢(WSix)，其中表示矽的原子比的x小於或等於約2。原始氣和籽晶層56間的化學反應表示如下。
式2矽化鎢層的形成引起電阻率急劇增大。例如，當鎢布置在氮化鈦/鎢鈦的粘結層上時，鎢的電阻率為約5Ω-cm到約10Ω-cm。同樣，當鎢在從約236℃到約292℃的溫度範圍內被置於矽襯底上時，鎢的電阻率在約31.7μΩ-cm到約114μΩ-cm的範圍內。然而，當在約500℃的溫度下被置於矽襯底上時，矽化鎢具有約500μΩ-cm的高電阻率。
同樣，在反應壓力增大的情況下，鎢層57的自限制(self-limited)厚度也增大。例如，如果反應壓力以約0.5毫託、約1.0毫託和約2.0毫託的順序依次增大，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。這時沉積溫度為約345℃，並使用約20sccm的WF6氣體和約2slm的Ar氣。
由於鎢層57的自限制厚度增大，有必要確定一個考慮到不同的參數的最佳工藝方案。在籽晶層6的形成期間的更詳細的參數中，SiH4氣體的供應參數為例如溫度的變化範圍為約400℃到約500℃，使用或不使用遠等離子體法，不同的SiH4氣體暴露時間，然後測量依賴於從約200℃到約300℃的沉積溫度範圍和從約1毫託到約1託的壓力範圍的鎢層57沉積速率的變化。在使用遠等離子體法的情況下，可以在低於約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，可依次單獨在反應室中分別加入反應原料，或者在供應每種反應原料的中間供應惰性氣體一段預定的時間。通過這種反應原料的特殊供應，可以改善沉積層的臺階覆蓋性質並除去沉積層內存在的雜質。
參考圖5F，通過應用提供良好臺階覆蓋性質的典型沉積方法，例如化學氣相沉積(CVD)法或原子層沉積(ALD)法，將第一鋁(Al)層58A填充到開孔54內。然後將第一鋁層58A暴露於空氣中。雖然未示出，但這時由於此種暴露，就在第一鋁層58A的表面上形成了原始氧化物層。然後利用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，通過應用物理氣相沉積(PVD)法在第一鋁層58A上形成第二鋁層58B。之後，進行重熔(re-flow)法使第二鋁層58B平坦化。這裡通過在真空狀態下對上述襯底結構進行熱處理來進行重熔法。特別地，在惰性氣體如Ar的氣氛中，在約350℃到約500℃的溫度範圍內進行熱處理，持續約幾秒到幾分鐘，優選為約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構所供的熱導致第一鋁層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，當第一和第二鋁層58A和58B的鋁流動以填入開孔54時，就形成了鋁互連線58，同時由於重熔法使鋁互連線58的上表面平坦化。
如上所述，由於鋁互連線58源於通過晶粒生長而形成的第一鋁層58A，所以鋁互連線58具有改善的結晶質量。
在形成鋁互連線58後，通過應用PVD法在鋁互連線58上形成抗反射塗層59。這時，該抗反射塗層59由材料如鈦和氮化鈦製成，並且可由該選定材料的單層或這些材料的堆疊層形成。
根據本發明的第一實施方案，使用鋁來代替使用鎢作為形成互連線，例如栓塞的材料，同時應用CVD法。當應用預定工藝來形成鋁互連線並在高於界面反應初始溫度的溫度下進行該預定工藝時，鎢層隔絕空氣加熱到約400℃≤T≤約500℃的溫度(T)範圍，然後利用預定氣體例如NH3或N2進行遠等離子體工藝，這樣鎢層就轉化成氮化鎢(WNx)，其中代表氮的原子比的x小於或等於約2。這時，氮化鎢層作為阻擋金屬層來防止隨後形成的鋁互連線的鋁擴散和與位於鋁互連線下的底層反應。
同時，為了應用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)的只在導體材料上形成的選擇性生長特性，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℃的溫度範圍和約1託到約10託的壓力範圍下形成。
當鋁化合物擴散到襯底內時，在低溫下使用具有上述選擇性生長特性的鋁化合物會干擾有機化合物。結果，就得到了通過控制導致裝置產量下降的工藝方案來防止或最小化由於不穩定反應產生的粒子所導致的裝置產量下降的作用。
因此，當在其上形成有阻擋金屬層接觸開孔內選擇性形成金屬栓塞，例如鋁互連線時，由於反應氣體在氣相分解的特性，傳統使用的不具有選擇性生長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)可導致在除了阻擋金屬層外的絕緣層上成核。同樣，當金屬栓塞在襯底結構的整個表面上連續形成時，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製備，由於粒子生成與所使用的沉積方法無關，因此裝置的產率仍然下降。
圖6是根據本發明的第二實施方案示出金屬互連線的截面圖。這裡對圖中同樣的結構元件使用與在第一實施方案中相同的附圖標記，並且該結構元件的形成將不再詳細描述。
特別地，除了如在第一實施方案中所述的採用鋁層58作為栓塞來填充接觸開孔54以外，第二實施方案舉例說明將鋁層58用作互連線。
如該圖所示，通過應用CVD法，在阻擋金屬層57A上形成鋁層58。這裡，阻擋金屬層由氮化鎢製成並在低溫下形成同時具有良好的臺階覆蓋性。同樣，除了CVD法以外，鋁層58可通過應用ALD法或交替供應反應氣體的多序列步驟來形成。
下一步，通過應用上述相同的方法，在鋁層58上形成銅層60。這時銅層60不暴露在空氣中，並通過考慮計劃注入鋁層58的銅量來確定銅層60的厚度。然後將銅原子分散到鋁層58內，並且，為了通過晶粒生長來提高可靠性，在保持真空狀態的爐內和在惰性氣體例如Ar的氣氛中進行預定時間的熱處理。在熱處理進行的同時，平坦化鋁層58。
之後在銅層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構。
如果需要摻入可改善由於對金屬互連線施加應力而引起的金屬互連線斷路的允許限度的雜質，例如矽，那麼在沉積氮化鎢層57A和隨後的鋁層58時，順序加入含矽化合物、氫氣和惰性氣體。在這種情況下，在後續的熱處理過程中能包含在鋁層58內的矽濃度較低，因而當大部分矽由於在氮化鎢層57A內集聚在一起而留存時，僅痕量的矽被擴散。
圖7示出根據本發明的第三實施方案的金屬互連線結構的截面圖。特別是在第三實施方案中，相對於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，出現在第一和第二實施方案中的相同附圖標記被用於在第三實施方案中的相同的結構元件。
如圖所示，與第二實施方案不同，其中鋁層用於填充接觸開孔，同時形成金屬互連線，通過應用CVD法在成為阻擋金屬層的氮化鎢層57A上形成銅層61，然後在銅層61上形成抗反射塗層59。
由於銅的高擴散性，重複數次形成無定形矽層、形成鎢層和對鎢層進行氮化的步驟，以防止發生由在形成多層互連結構的後續過程期間施加到襯底51上的熱能所引起的銅擴散。
這時，氮化鎢層57A的厚度或上述連續步驟的重複次數可因取決於所應用的半導體裝置的後續熱處理工藝溫度的不同而變化。因此，對每個所應用的半導體裝置，有必要確定最佳厚度和形成氮化鎢層57A的重複步驟的次數。
當形成作為阻擋金屬層並具有通過PVD法形成在另一由Ti或TiN製成的阻擋金屬層55上的具有良好的臺階覆蓋特性的上述氮化鎢層57A時，通過形成在上述兩個阻擋金屬層57A和55之間的不連續層和這兩個阻擋金屬層57A和55晶格的不同來改善對銅擴散的阻擋特性。因此，無需重複形成金屬層和為強化阻擋層而氮化金屬層的步驟。即可以一步形成具有預期厚度的金屬層和氮化金屬層。如上所述，氮化鎢層57A對銅擴散具有良好的阻擋特性，因而當氮化鎢層57A的厚度為約8nm時，就可以在約600℃的溫度下阻止銅擴散約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℃的溫度下防止銅擴散約30分鐘。
當提供選擇性生長特性的氣體，如Cu(hfac)TMVS與Ar氣一起被供應到反應室中的熱襯底51上時，由於通過進行CVD法用來形成金屬互連線的銅被均勻沉積在在每個接觸開孔54的底表面、側壁和頂表面上，所以可以觀察到覆蓋沉積的特性。這裡Cu(hfac)TMVS的hfac和TMVS分別是六氟乙醯丙酮化物和三甲基乙烯基矽烷的縮寫。也就是說，由於較差的臺階覆蓋性導致初始成核所用的時間不同，因而每個接觸開孔的底表面、側壁和頂表面顯示出各自不同的臺階覆蓋特性。這種不均一的臺階覆蓋特性在圖8A和8B中詳細描述。
特別地，圖8A是描述在低溫下沉積的阻擋金屬層的臺階覆蓋特性的圖示。
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，例如長徑比約為7和臨界尺寸約為0.3μm。這時當阻擋金屬層的厚度約為5nm時，該阻擋金屬層顯示出具有良好的臺階覆蓋特性。
例如，為測試通過選擇性生長環境在低於約400℃的溫度下在無定形矽層上形成的阻擋金屬層的臺階覆蓋特性，通過應用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並且不生成縫隙。
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特性的鋁基有機化合物材料完全填充入高度較高，例如長徑比約為20和臨界尺寸約為0.3μm的接觸開孔內。
上述具有良好臺階覆蓋性的阻擋金屬層可應用於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。這裡，用從第一實施方案到第三實施方案中相同的附圖標記來描述相同的結構元件。
參考圖9A，通過應用一種典型方法形成雙層鑲嵌結構。即，在具有預先形成的裝置元件，例如柵結構或位線的襯底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。然後，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)。之後，依次在以上所得到的襯底結構上順序形成籽晶層和阻擋金屬層57A。
下一步，利用對於金屬層64下的底層具有選擇性沉積特性的化合物，通過應用CVD法形成具有低電阻值的金屬層64。這裡，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，進行化學機械拋光(CMP)工藝和清洗工藝。這時，對金屬層64進行平坦化直至其高度低於第二絕緣層63。
儘管沒有示出，還是進行了使金屬層64重結晶的熱處理工藝，然後通過重複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的難熔金屬的材料來製成。
根據上述本發明的實施方案，在低於約400℃的溫度下，利用通過在連續步驟中提供反應氣體所引起的表面反應和表現出依賴於形成在金屬層下的底層的類型和狀態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製備的具有不同高度的襯底結構的整個表面上。結果，與鋁層的覆蓋沉積和隨後的蝕刻工藝的情況相比較，可以減少設備安裝成本，並且可以通過應用傳統上所採用的PVD和CVD設備也能夠減少相關的工廠設備投資的成本。
此外，形成栓塞和互連線的步驟數減少，從而提高了半導體裝置的生產率和產量。
另外，在具有高長徑比的多層互連線結構中，由於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，因此可以通過應用不顧持續微型化趨勢的產品製造技術來減少製造成本和半導體裝置的產率。
本發明包括於2004年5月10日遞交到韓國專利局的韓國專利申請No.KR2004-0032847的主題，在此通過引用併入該專利的全部內容。
雖然以特定的優選實施方案來描述本發明，但是很明顯本領域的技術人員可以對其作不同修改和改變而不偏離下述權利要求所限定的精神和範圍。
權利要求
1.一種製作半導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內層絕緣層；蝕刻內層絕緣層的預定區域以形成多個接觸開孔；在接觸開孔和蝕刻的內層絕緣層上形成歐姆金屬層；在歐姆金屬層上形成籽晶層；反覆多次在籽晶層上形成金屬層並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化成阻擋金屬層。
3.權利要求1的方法，其中氮化金屬層的步驟通過用遠等離子體法進行以將金屬層轉化成阻擋金屬層。
4.權利要求3的方法，其中氮化金屬層的步驟通過提供選自NH3、N2H4和N2中的含氮氣體進行。
5.權利要求2的方法，其中金屬層由鎢製成。
6.權利要求1的方法，其中阻擋金屬層由氮化鎢製成。
7.權利要求2的方法，其中形成金屬層的步驟在約200℃到約300℃的溫度範圍和約1毫託到約1託的壓力範圍進行。
8.權利要求2的方法，其中通過使用鉬和引起籽晶層還原反應的難熔金屬的其中之一來形成金屬層。
9.權利要求1的方法，其中籽晶層是矽層。
10.權利要求1的方法，其中籽晶層是含有氫的無定形矽層。
11.權利要求9的方法，其中籽晶層通過將襯底加熱至約400℃到500℃的溫度範圍，同時通過向加熱的襯底提供含矽氣體來形成。
12.權利要求10的方法，其中籽晶層通過將襯底加熱至約400℃到500℃的溫度範圍，同時通過向加熱的襯底提供含矽氣體來形成。
13.權利要求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步驟中順序提供反應原料來進行。
14.權利要求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步驟中的反應原料的供應間隔之間持續提供惰性氣體一段預定時間而進行。
15.權利要求1的方法，其中形成金屬互連線的步驟包括通過應用化學氣相沉積法和原子層沉積法的其中之一來形成第一鋁層；通過應用物理氣相沉積法形成第二鋁層；和對第一和第二鋁層進行重熔法。
16.權利要求15的方法，其中在形成第一鋁層的步驟中，反應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氣相沉積法在阻擋金屬層上形成銅層。
19.權利要求17的方法，其中形成銅層的步驟通過使用反應原料[Cu(hfac)TMVS]進行。
20.權利要求18的方法，其中形成銅層的步驟通過使用反應原料[Cu(hfac)TMVS]進行。
21.權利要求1的方法，還包括形成抗反射層的步驟。
全文摘要
本發明涉及一種利用在低溫下形成的阻擋金屬層來製作金屬互連線的方法。該方法包括步驟在襯底上形成內層絕緣層；蝕刻內層絕緣層的預定區域以形成多個接觸開孔；在接觸開孔和蝕刻的內層絕緣層上形成歐姆金屬層；在歐姆金屬層上形成籽晶層；反覆多次在籽晶層上形成金屬層並氮化該金屬層以形成阻擋金屬層；並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H01L21/285GK1697156SQ20041010417
公開日2005年11月16日 申請日期2004年12月30日 優先權日2004年5月10日
發明者樸昌洙 申請人:海力士半導體有限公司