具有金屬互連的半導體器件、製造方法及半導體集群設備的製作方法

2023-05-29 04:35:16 1

專利名稱：具有金屬互連的半導體器件、製造方法及半導體集群設備的製作方法
技術領域：
本發明總體涉及半導體器件，更特別地，涉及製造半導體器件的設備和 方法。
背景技術：
隨著半導體器件的高度集成，金屬互連的寬度和厚度逐漸減小從而增大 了金屬互連的電阻。因而，廣泛用作金屬互連層的鋁層已被具有低電阻率的 銅層代替。然而，當銅層用於最頂上的互連例如結合焊盤的形成時，銅層會 容易地被氧化。因而，鋁層仍用於形成位於銅互連上方的最頂上的互連。在 該情況下，在接觸區域例如接觸孔中鋁互連會直接接觸銅互連，且銅互連中 的銅原子或鋁互連中的鋁原子會擴散出來從而形成含有銅原子和鋁原子的 合金層。該合金層會具有高電阻率，從而使半導體器件的電特性退化。
此外，鋁互連可形成在開口例如接觸孔中。隨著半導體器件的集成密度
增大，接觸孔的縱橫比(aspect ratio)也會增大。因此，在鋁互連的形成期 間難以完全填充接觸孔而沒有任何空隙(void)。接觸孔中的空隙會導致半導 體器件電特性的退化。

發明內容
本發明的示範性實施例涉及具有金屬互連的半導體器件、在該半導體器 件的製造中使用的半導體集群設備、以及製造該半導體器件的方法。在一示 範性實施例中，半導體器件包括具有導電圖案的半導體襯底。絕緣層設置在 該導電圖案和該半導體襯底上。絕緣層具有穿透該絕緣層以露出部分導電圖 案的開口。金屬互連設置在該絕緣層上和該開口中。第一擴散阻擋圖案設置 在該金屬互連和該導電圖案之間。該第一擴散阻擋圖案含有氧原子。
在一些實施例中，氧原子可位於該第一擴散阻擋圖案的晶界(grain boundary )。
在另一些實施例中，該導電圖案可含有銅，該金屬互連可含有鋁。在又一些實施例中，該半導體器件還可包括在該第 一擴散阻擋圖案和該 金屬互連之間的第二擴散阻擋圖案。該第 一和第二擴散阻擋圖案的每個可含
有難熔金屬。該難熔金屬可包括Ti、 Ta、 Nb、 V、 Zr、 Hf、 Mo、 Re、 W和 TiZr中的至少一種。供選地，該第一和第二擴散阻擋圖案的每個可包括難熔 金屬氮化物。在該情況下，該難熔金屬氮化物層可包括氮化鈦(TiN)、氮化 鉭(TaN )、氮化鈮(NbN )、氮化釩(VN )、氮化鋯(ZrN )、氮化鉿(HfN )、 氮化鉬(MoN )、氮化錸(ReN )、氮化鴒(WN)和氮化鋯鈦(TiZrN)之一。 該第二擴散阻擋圖案可延伸到開口的側壁上。在該情況下，該半導體器件還
可包括設置在開口中的第二擴散阻擋圖案的上側壁與開口中的金屬互連的 上側壁之間的抗沉積圖案(deposition resistant pattern )。如此，開口中的第二 擴散阻擋圖案的下側壁可與金屬互連直接接觸。第二擴散阻擋圖案可包括第 一金屬氮化物層，抗沉積圖案可包括第二金屬氮化物層。第二金屬氮化物層 的氮含量可高於第一金屬氮化物層的氮含量。第一和第二金屬氮化物層可含 有相同的難熔金屬。第二擴散阻擋圖案可包括難熔金屬層，抗沉積圖案可包 括難熔金屬氮化物層。
在另一示範性實施例中， 一種半導體集群設備包括第一腔室，其執行在 具有開口的襯底上形成預擴散阻擋層，提供氧原子到該預擴散阻擋層上以形 成第一擴散阻擋層和在該第一擴散阻擋層上形成第二擴散阻擋層中的至少 一個。第二腔室設置來在開口中的第二擴散阻擋層的上側壁和開口外的第二 擴散阻擋層的頂表面上形成抗沉積層。抗沉積層露出開口中的第二擴散阻擋 層的下側壁。第三腔室設置來在具有抗沉積層的村底上形成金屬層。金屬層 填充該開口 。
在一些實施例中，該半導體集群設備可包括第四腔室和第五腔室。在該 情況下，在第一腔室中執行預擴散阻擋層的形成，在第四腔室中執行氧原子 的提供，在第五腔室中執行第二擴散阻擋層的形成。
在另一些實施例中，第四腔室可以是清潔室、脫氣(degassing)室和冷 卻室之一。清潔室可配置來清潔具有開口的襯底的表面。
在另一些實施例中，襯底可具有絕緣層，開口定位得穿透該絕緣層。
在另一示範性實施例中， 一種製造半導體器件的方法包括提供具有導電 圖案的半導體襯底。絕緣層形成在導電圖案和半導體襯底上。絕緣層被構圖 以形成露出部分導電圖案的開口 。在開口的內壁和絕緣層的頂面上形成預擴散阻擋層。向預擴散阻擋層上提供氧原子以形成第一擴散阻擋層。在第一擴 散阻擋層上形成金屬層。形成金屬層以填充由第 一擴散阻擋層圍繞的開口 。 在一些實施例中，氧原子可以提供至預擴散阻擋層的晶界。 在其他的實施例中，可以使用熱氧處理工藝提供氧原子。
在另外的其他實施例中，可以使用氧等離子體工藝提供氧原子。 在另外的其它實施例中，可以使用02氣體、N20氣體、H20氣體、02
氣體和H2氣體的混合物、和03氣體中的至少 一種提供氧原子。
在另外的其它實施例中，在形成金屬層之前，在第一擴散阻擋層上另外 形成第二擴散阻擋層。第一和第二擴散阻擋層的每一個由難熔金屬層形成。
難熔金屬層可以含有鈦(Ti)、鉭(Ta)、鈮(Nb)、釩(V)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、 鉬(Mo)、錸(Re)、和鴒(W)中的至少一種。作為選擇，第一和第二擴 散阻擋氮化物層的每一個由難熔金屬氮化物層形成。難熔金屬氮化物層含有 氮化鈥(TiN)、氮化鉭(TaN)、氮化鈮(NbN)、氮化釩(VN)、氮化鋯(ZrN)、 氮化鉿(HfN)、氮化鉬(MoN)、氮化錸(ReN)、氮化鎢(WN )和氮化鋯 鈦(TiZrN)之一。
在另一實施例中，導電圖案由銅層形成，金屬層由鋁層形成。 在另 一實施例中，該方法還可以包括在形成金屬層前在第一擴散阻擋層 上形成第二擴散阻擋層和對金屬層、第二擴散阻擋層和第一擴散阻擋層進行 構圖以形成順序堆疊的第 一擴散阻擋圖案、第二擴散阻擋圖案和金屬互連。 在這種情況下，金屬互連可以形成為填充由第二擴散阻擋圖案圍繞的開口 。 在形成金屬層之前，在具有第二擴散阻擋層的襯底上可以另外形成抗沉積 層。抗沉積層可以形成在開口外面的第二擴散阻擋層的頂面和開口中的第二 擴散阻擋層的上側壁上以露出開口中的第二擴散阻擋層的下側壁。在形成金 屬互連期間可以對抗沉積層進行構圖，從而在金屬互連之下形成抗沉積圖 案。可以使用化學氣相沉積(CVD)方法形成金屬層。在這種情況下，在 露出的第二擴散阻擋層上的金屬層的沉積速率可以大於抗沉積層上的金屬 層。第二擴散阻擋層可以由第一金屬氮化物層形成，和抗沉積層可以由第二 金屬氮化物層形成。另外，第二金屬氮化物層的含氮量可以高於第一金屬氮 化物層。第二擴散阻擋層和抗沉積層可以由相同的難熔金屬形成。第二擴散 阻擋層可以由難熔金屬層形成，和抗沉積層可以由難熔金屬氮化物層形成。 可以使用化學氣相沉積(CVD)方法形成第二擴散阻擋層，和可以使用物理氣相沉積(PVD )方法形成抗沉積層。可以使用單一集群設備形成導電圖案、 預擴散阻擋層、第一擴散阻擋層、第二擴散阻擋層、抗沉積層和金屬層。


造的半導體器件的橫截面圖。
圖9至11是顯示根據本發明的實施例的半導體器件的一些特性的曲線圖。
圖12是說明根據本發明的實施例的用於製造半導體器件的半導體集群 設備的示意圖。
具體實施例方式
在下文中將參考其中顯示本發明的示範性實施例的附圖更充分地描述 本發明。然而，本發明可以以許多不同的形式體現並且不能解釋為局限於在 這裡提出的示範性實施例。此外，提供公開的實施例以便本公開徹底和全面 地，並充分地將本發明的範圍傳達至本領域的技術人員。在圖中，為了清楚 起見，誇大了層和區域的尺寸和相對尺寸。此外，在這裡描述和說明的每個 實施例也包括它的互補導電型實施例。貫穿全文相同的標號表示相同的元 件。
可以明白當一個元件或層稱為是"在...上"，"連接到"和/或"耦合至" 另一個元件或層時，它可以是直接在...上，連接或耦合至另一個元件或層或 者可以存在插入元件或層。相反，當一個元件稱為是"直接地在...上"，"直 接連接到"和/或"直接耦合至"另一個元件或者層時，則沒有插入元件或者 層存在。如同在這裡使用，術語"和/或"包括一個或多個相關列表項的任意 和全部組合。
可以明白，儘管在這裡術語第一、第二、第三等等可以用於描述各種各 樣的元件、部件、區域、層和/或部分，但這些元件、部件、區域、層和/或 部分不受這些術語的限制。這些術語可以用來將一個元件、部件、區域、層 和/或部分與另一個區域、層和/或部分區分開。例如，在不脫離本發明教導 的情況下，可以將在下面論述的第一元件、部件、區域、層和/或部分稱為第 二元件、部件、區域、層和/或部分。為了便於描述在這裡可以使用空間相對術語，例如"在下面"、"下層的，，、 "在...之上"、"上面的，，等等以如同附圖中所示的來描述一個元件和/或特徵 與另 一個元件和/或特徵的關係。可以明白空間相對術語意圖是除附曲線圖示 的方向外還含有使用或操作中的器件的不同的方向。例如，如果翻轉附圖中 的器件，描述為"在其他的元件或特徵下面"的元件將定向為"在另一個元件或 特徵之上"。因而，實例術語"在下面"可以含有在上面和在下面的兩個方向。
用的空間相對表達方式。另外，術語"在...之下"指出一層或區域相對於襯 底與另一層或區域的關係，如同附圖中描述。
在這裡使用的術語僅僅用於描述具體實施例的目的，並不意在限制本發 明。如同在這裡使用，單數術語"一"和"該"也包括複數形式，除上下文 另外清楚地指出之外。還應當理解當在說明書中使用時術語"包含
(comprise)"和/或"包括(include)"說明所述特徵、整體、步驟、操作、 元件、和/或部件的存在，但不排除一個或多個其他的特徵、整體、步驟、操 作、元件、部件、和/或它們的組的存在或增加。
在這裡將參考作為本發明的理想化實施例(和中間結構)的示意圖的平 面圖和橫截面圖描述本發明的示範性實施例。同樣地，可以預想到例如由於 製造工藝和/或公差引起實例的形狀的變化。因而，本發明的公開的示範性實 施例不能解釋為是對這裡描述的區域的具體形狀的限制，除非如在這裡清楚 地定義，而將包括例如由於製造導致的形狀的偏差。例如，描述為矩形的注 入區域將典型地具有圓的或彎曲的特徵和/或在它的邊緣處注入濃度存在梯 度而不是從注入區至非注入區域呈現二元變化。同樣地，由注入形成的埋置 區可以在埋置層和注入所經過的表面之間的區域中造成一些注入的存在。因 而，附圖中說明的區域實質上是示意的，他們的形狀不說明器件的區域的實 際形狀並且不意在限制本發明的範圍，除非在這裡清楚地定義。
除非另外定義，在這裡使用的全部術語(含有技術和科學術語)具有與 本領域普通技術人員通常理解的相同的含義。還應當理解類似例如通常使用 的詞典中定義的術語這樣的術語應該解釋為與現有技術和本發明的上下文 中一致的意義，並且不應以理想化地或過度正式地意義解釋，除非在這裡清 楚地定義。
圖1至8是說明根據本發明的實施例的半導體器件的製造方法和由此製造的半導體器件的橫截面圖。
參照圖1,提供一種具有導電圖案105的半導體襯底100。導電圖案105 可以包括銅(Cu)。也就是說，導電圖案105可以由銅層形成。可以在導電 圖案105和半導體襯底IOO上形成絕緣層110。可以^使用化學氣相沉積(CVD ) 方法由二氧化矽層形成絕緣層110。對絕緣層110進行構圖，以形成露出一 部分導電圖案105的開口 115。可以將開口 115形成為具有孔形結構或線形 結構。
參照圖2，在開口 115的內壁和絕緣層110的頂面上形成預擴散阻擋層 120。開口 115的內壁包括開口 115的側壁和由開口 H5露出的導電圖案105 的表面。預擴散阻擋層120可以使用CVD方法形成，從而具有與包括絕緣 層110和開口 115的襯底大致一致的表面輪廓，如圖2所示。預擴散阻擋層 120可以由難熔金屬層形成。例如，預擴散阻擋層120可以由鈦(Ti)層、 鉭(Ta)層、鈮(Nb)層、釩(V)層、鋯(Zr)層、鉿(Hf)層、鉬(Mo ) 層、錸(Re)層、鴒(W)層和鋯鈦(TiZr)層中的至少一個形成。作為選 擇，預擴散阻擋層120可以由難熔金屬氮化物層形成。例如，預擴散阻擋層 120可以由氮化鈦(TiN)層、氮化鉭(TaN)層、氮化鈮(NbN)層、氮化 釩(VN)層、氮化鋯(ZrN)層、氮化鉿(HfN)層、氮化鉬(MoN)層、 氮化錸(ReN)層、氮化鴒(WN)層和氮化鋯鈦(TiZrN)層中的至少一個 形成。
參照圖3,向預擴散阻擋層120上提供氧原子以形成第一擴散阻擋層 120a。氧原子可以在預擴散阻擋層120上反應，以氧化預擴散阻擋層120的 晶粒或填充預擴散阻擋層120的晶界。可以使用氧基氣體提供氧原子。氧基 氣體可以包括02氣體、N20氣體、H20氣體、02氣體和H2氣體的混合氣體、 和03氣體中的至少一種。
作為選擇，可以使用氧處理工藝提供氧原子。氧處理工藝包括在高溫下 用氧氣執行的熱處理工藝。例如，可以在具有大約20°C至600。C的溫度、 每分鐘大約1至10000標準立方釐米(sccm)的氧氣流速、和大於大約0託 並小於或等於大約1000託的壓力的工藝操作條件下執行氧處理工藝。在另 一實施例中，可以使用氧等離子體工藝(oxygen plasma process )提供氧原子。 例如，可以在具有大約20。C至600。C的溫度、大約1至10000 sccm的氧氣 流速、大約1至10000 sccm的惰性氣體流速、和大於大約O託並小於或等於大約1000託的壓力的工藝條件之下用氧基團(oxygen radical)和氧離子 執行氧等離子體工藝。
參照圖4，可以在第一擴散阻擋層120a上形成第二擴散阻擋層130。第 二擴散阻擋層130可以使用CVD方法形成，從而具有與第 一擴散阻擋層120a 大致一致的表面輪廓，如圖4所示。第二擴散阻擋層130可以由難熔金屬層 形成。例如，第二擴散阻擋層130可以由鈦(Ti)、鉭(Ta)、鈮(Nb)、釩 (V)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、鉬(Mo)、錸(Re)、鴒(W)和鋯鈦(TiZr) 的至少一個形成。作為選擇，第二擴散阻擋層130可以由難熔金屬氮化物層 形成。例如，第二擴散阻擋層130可以由氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)、氮 化鈮(NbN)、氮化釩(VN)、氮化鋯(ZrN)、氮化鉿(HfN)、氮化鉬(MoN)、 氮化錸(ReN)、氮化鴒(WN)和氮化鋯鈦(TiZrN)的至少一個形成。
參照圖5,抗沉積層140a可以形成在第二擴散阻擋層130上。在所示實 施例中，可以使用展示出較小臺階覆蓋率(step coverage)的沉積方法形成 抗沉積層140a。因此，抗沉積層140a可以形成在開口 115中的第二擴散阻 擋層130的上部側壁上以及開口 115外側的第二擴散阻擋層130的頂面上。 另外，抗沉積層140a可以形成在開口 115的底面上方的第二擴散阻擋層130 的頂面上。如此，將抗沉積層140a形成為具有覆蓋開口 115的上拐角的懸 垂體，如圖所示。另外，抗沉積層140a可以形成為露出開口 115中的第二 擴散阻擋層130的下側壁，如圖所示。可以使用物理氣相沉積(PVD)方法 由難熔金屬氮化物層形成抗沉積層140a。例如，可以使用濺射工藝形成抗沉 積層140a。在這種情況下，在形成抗沉積層140a時可以使用氮氣。
第二擴散阻擋層130可以由第一金屬氮化物層形成，抗沉積層140a可 以由第二金屬氮化物層形成。在這種情況下，第二金屬氮化物的含氮量可以 大於第一金屬氮化物層的含氮量。含有在抗沉積層140a中的難熔金屬與含 有在第二擴散阻擋層130中的難熔金屬可以是相同的材料。當第二擴散阻擋 層130由難熔金屬層形成時，抗沉積層140a可以由難熔金屬氮化物層形成。
參照圖6，可以在包括抗沉積層140a的襯底上形成第一金屬層152。可 以使用CVD工藝形成第一金屬層152。第一金屬層152可以包括鋁。當使 用CVD工藝形成第一金屬層152時，以第一沉積速率在露出在開口 115內 部的第二擴散阻擋層130上和以第二沉積速率在抗沉積層MOa上沉積第一 金屬層152。在這種情況下，第一沉積速率可以高於第二沉積速率。這是因為第二擴散阻擋層130的含氮量小於抗沉積層140a的含氮量。因此，第一 金屬層152可以形成為完全地沒有任何空隙地填充開口 115。參照圖7，在第一金屬層152上形成第二金屬層154。可以使用PVD工 藝形成第二金屬層154以減小其沉積時間。當在^[氐溫下沉積第二金屬層154 時，在沉積第二金屬層154之後執行回流工藝。作為選4奪，當在高溫下沉積 第二金屬層154時，可以省略回流工藝。第一和第二金屬層152和154組成 金屬層150。可以使用單一集群設備形成導電圖案105、預擴散阻擋層120、第一擴 散阻擋層120a、第二擴散阻擋層130、抗沉積層140a和金屬層150。根據上述實施例，第一和第二擴散阻擋層120a和130可以阻止或防止 導電圖案105中的銅原子擴散至金屬層150和/或金屬層150中的鋁原子擴散 至導電圖案105。也就是說，第一和第二擴散阻擋層120a和130的一個可以 用來阻擋銅擴散，另一層可以用來阻擋鋁擴散。更具體地，因為第一擴散阻 擋層120a的晶界填滿了氧原子，因此金屬層150中的鋁原子可以與氧原子 反應從而在晶界處形成氧化鋁。氧化鋁可以阻擋鋁原子的擴散路徑。參照圖8,可以對金屬層150、抗沉積層140a、第二擴散阻擋層DO和 第一擴散阻擋層120a進行構圖，以形成順序堆疊的第一擴散阻擋圖案120a，、 第二擴散阻擋圖案130，、抗沉積圖案140a，和金屬互連150，。金屬互連l50， 可以包括順序堆疊的第一金屬圖案152，和第二金屬圖案154，。可以形成金屬 互連150'以^隻蓋開口 115。現在，參照圖8描述根據本發明的實施例的半導體器件。再次參照圖8,提供具有導電圖案105的半導體襯底100。導電圖案105 可以包括銅(Cu)。也就是說，導電圖案105可以是銅線。在導電圖案105 和半導體襯底100上可以配置中間絕緣層110。通過穿透中間絕緣層110的 開口 115可以露出導電圖案105的一部分。金屬互連150，配置在中間絕緣層 110上和開口 115中。金屬互連150，可以包括順序堆疊的第一金屬圖案152， 和第二金屬圖案154，。可以使用CVD工藝形成第一金屬圖案1S2，以填充開 口 115,可以使用PVD工藝形成第二金屬圖案154，。金屬互連150，可以包 括鋁並可以具有圓柱形結構或線形結構。第一擴散阻擋圖案120a，可以配置在金屬互連150，和導電圖案105之間。 第一擴散阻擋圖案120a，延伸到開口 115的側壁和中間絕緣層110的頂面上。也就是說，第一擴散阻擋圖案120a，可以配置在金屬互連150，和中間絕緣層 110之間。第一擴散阻擋圖案120a，可以包括氧。例如，第一擴散阻擋圖案 120a，可以具有填有氧原子的晶界。第二擴散阻擋圖案130，可以配置在第一 擴散阻擋圖案120a，和金屬互連150，之間。第一和第二擴散阻擋圖案120a，和130，中的每一個可以包括難熔金屬。 例如，第一和第二擴散阻擋圖案120a，和130，每一個可以包括鈦(Ti )、鉭(Ta )、 鈮(Nb)、釩(V)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、鉬(Mo)、錸(Re)、鴒(W)和 鋯鈦(TiZr)中的至少一個。作為選擇，第一和第二擴散阻擋圖案120a，和 130，每一個可以包括難熔金屬氮化物。例如，第一和第二擴散阻擋層圖案 120a，和130，可以均包括氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)、氮化鈮(NbN)、氨 化釩(VN )、氮化鋯(ZrN )、氮化鉿(HfN )、氮化鉬(MoN )、氮化錸(ReN )、 氮化鴒(WN)和氮化鋯鈦(TiZrN)中的至少一個。第一和第二擴散阻擋圖案120a，和130，可以阻止導電圖案105中的銅原 子擴散至金屬互連150，或金屬互連150，中的鋁原子擴散至導電圖案105。這 是因為第一擴散阻擋圖案120a，的晶界填有氧原子。也就是說，如果金屬互 連150，中的鋁原子達到第一擴散阻擋圖案120a，，鋁原子可以與金屬互連 150，中的氧原子反應以形成氧化鋁。氧化鋁材料可以阻擋鋁原子的擴散路 徑。抗沉積圖案140a，可以配置在第二擴散阻擋圖案130，和金屬互連150，之 間的一部分交界面處。例如，抗沉積圖案140a，可以配置在中間絕緣層110 上方的第二擴散阻擋圖案130，的頂面和金屬互連150，的邊緣之間。另外，抗 沉積圖案140a，延伸而覆蓋開口 115中的第二擴散阻擋圖案130，的上側壁。 另外，抗沉積圖案140a，可以配置在開口 115的底面上方的第二擴散阻擋130， 的頂面和開口 115中的金屬互連150，之間。如此，金屬互連150，可以與開口 115中的第二擴散阻擋圖案130，的下側壁直接接觸。抗沉積層140a可以包括 難熔金屬氮化物層。第二擴散阻擋圖案130，可以包括第一金屬氮化物層，抗沉積圖案140a， 可以包括第二金屬氮化物層。在這種情況下，第二金屬氮化物的含氮量可以 大於第一金屬氮化物層的含氮量。含有在抗沉積圖案140a，中的難熔金屬與 含有在第二擴散阻擋圖案130，中的難熔金屬可以是相同的材料。當第二擴散 阻擋圖案130，包括難熔金屬層時，該抗沉積圖案140a，可以包括難熔金屬氮化物層。圖9是顯示根據傳統技術和本發明製造的各種金屬層的表面電阻變化。 在圖9中，橫坐標表示傳統的金屬層和根據本發明製造的金屬層，以及縱坐標表示在退火工藝之前的金屬層的第一表面電阻RS1和退火工藝之後的金 屬層的第二表面電阻RS2之間的表面電阻變化RV。橫坐標上的"Tal"、 "Ta2"、 "TaNl"和"TaN2"表示傳統的金屬層，橫坐標上的"Tal (氧處 理)，，、"Ta2 (氧處理)"、"TaNl (氧處理)，，和"TaN2 (氧處理)，，表示根 據本發明的金屬層。通過在半導體襯底上形成銅層，在銅層上形成擴散阻擋 層，在擴散阻擋層上形成鋁層以及退火該銅層、該擴散阻擋層和該鋁層的步 驟製造每一金屬層。在這種情況下，在退火工藝之前測量第一表面電阻RSl., 和在退火工藝之後測量第二表面電阻RS2。因此，使用下列公式計算表面電 阻變化RV。RV= { ( RS2- RS1 ) x 100} + RS1在傳統技術中，擴散阻擋層由具有50埃厚的第一鉭層(見"Tal")、具 有100埃厚的第二鉭層(見"Ta2")、具有50埃厚的第一氮化鉭層(見"TaNl")、 或第二氮化鉭層(見"TaN2")形成。相反地，根據本發明的擴散阻擋層在 形成預擴散阻擋層(見"Tal (氧處理)"、"Ta2 (氧處理)，，、"TaNl (氧 處理)"、或"TaN2 (氧處理)")之後使用氧填充工藝形成。在這種情況下， 預擴散阻擋層對應於傳統的擴散阻擋層的一個。參照圖9，傳統的金屬層Tal、 Ta2、 TaNl和TaN2表現出大約80%至 120%的表面電阻變化。相反，根據本發明的金屬層表現出大約5%至25%的 表面電阻變化RV。這可以理解為，在退火工藝期間在傳統的金屬層中形成 含有銅和鋁的合金層，以大大增加表面電阻。圖10是說明金屬層的根據具有不同含氮量的氮化鉭層的物理和電參數 的曲線圖。在圖10中，橫坐標表示具有不同含氮量的不同的氮化鉭層TaNl、 TaN2、...、和TaN8，左側縱坐標表示沉積在氮化鉭層上的CVD鋁層的厚度， 右側縱坐標表示各個氮化鉭層的電阻率。分別使用氮反應濺射工藝形成氮化鉭層TaNl、 TaN2.....和TaN8，並且在氮化鉭層上形成CVD鋁層。在相同的沉積時間中沉積CVD鋁層。氮化鉭層的含氮量朝右側縱坐標逐漸地增 加。也就是說，第八氮化鉭層TaN8形成為具有最大含氮量，第一氮化鉭層 TaNl形成為具有最低的含氮量。如圖IO所示，氮化鉭層的含氮量越高，氮化鉭層上的CVD鋁層的沉積 速率就越低。因此，當氮化鉭層用作參照圖4和5描述的第二擴散阻擋層130 和抗沉積層140a時，為了完全而沒有任何空隙地填充開口，優選第二擴散 阻擋層130的含氮量低於抗沉積層140a的含氮量。圖11是說明沉積在具有不同的含氮量的不同的氮化鈦層上的CVD鋁層 的表面電阻的曲線圖。在圖11中，橫坐標表示具有不同的含氮量的不同的 氮化鈦層TiNl、 TiN2、 TiN3和TiN4，縱坐標表示沉積在氮化鈦層TiNl 、 TiN2、 TiN3和TiN4上的CVD鋁層的表面電阻。使用氮反應賊射工藝形成 氮化鈦層TiNl 、 TiN2、 TiN3和TiN4。在相同的沉積時間中沉積CVD鋁層。 氮化鈦層的含氮量朝右側縱坐標逐漸地增力o。也就是說，第四氮化鈦層TiN4 形成為具有最大的含氮量，第一氮化鈦層TiNl形成為具有最低的含氮量。如圖ll所示，氮化鈦層的含氮量越高，氮化鈦層上的CVD鋁層的表面 電阻就越大。這可以理解為，沉積在氮化鈦層上的CVD鋁層的厚度與氮化 鈦層的含氮量成反比。圖12是說明根據本發明的實施例的用於製造半導體器件的半導體集群 設備的示意圖。參照圖12,半導體集群設備10可以包括第一和第二裝載鎖定腔室(load lock chamber) 20、第一和第二傳送室30、第一和第二冷卻室44和多個處理 腔室。第一和第二裝載鎖定腔室20可以聯接於第一傳送室30，第一和第二 冷卻室44可以並列配置在第一和第二傳送室30之間。處理腔室可以包括清 潔腔室42、脫氣腔室46和第一至第七腔室52、 54、 56、 58、 62、 64和70。 清潔腔室42、脫氣腔室46、第三腔室56和第四腔室58聯接於第一傳送室 30,第一腔室52、第二腔室54、第五至第七腔室62、 64和70聯接於第二 傳送室30。每一傳送室30可以包括用於移動晶片的晶片傳送單位，晶片傳送單位 可以具有晶片位於其上的機械臂35。機械臂35可以將位於傳送室30中的晶 片轉移至聯接於傳送室30的一個腔室。另外，機械臂35可以將位於聯接於 傳送室30的一個腔室中的晶片轉移至傳送室30。現在，將描述使用半導體集群設備10製造半導體器件的方法。 再次參照圖1-7和圖12,可以將晶片製造成具有開口 115，例如接觸孔 或線形槽。具有開口 115的晶片可以被裝入一個裝載鎖定腔室20中。裝載鎖定腔室20中的晶片可以通過第一傳送室30傳送至清潔腔室42。可以在清 潔腔室42中使用氬(Ar)氣和/或氦(He)氣清潔具有開口 115的晶片。 被清潔的晶片可以通過第一和第二傳送室30和一個冷卻室44傳送至第一腔 室52，並且預擴散阻擋層120可形成在第一腔室52中的被清潔的晶片上。 隨後，可以將氧原子提供至第一腔室52以形成第一擴散阻擋層120a。作為 選擇，在將具有預擴散阻擋層的晶片傳送至第二腔室54之後，可以將氧原 子提供至第二腔室54。也就是說，第一擴散阻擋層120a可以形成在第一腔 室52或第二腔室54中。具有第一擴散阻擋層120a的晶片可以通過第一和第二傳送室30和一個 冷卻室44移至第三腔室56。第二擴散阻擋層130可以形成在第三腔室56 中的第一擴散阻擋層120a上。作為選擇，第二擴散阻擋層130可以形成在 第一腔室52中。也就是說，預擴散阻擋層120、第一擴散阻擋層120a和第 二擴散阻擋層130可以在其中能夠提供氧原子的相同的腔室中形成。可以將具有第二擴散阻擋層130的晶片傳送至聯接於第一傳送室130的 第四腔室58，抗沉積層140a可以形成在具有第二擴散阻擋層130的晶片上。 在這種情況下，第四腔室58可以是展示出較小臺階覆蓋率的PVD腔室。因 而，抗沉積層140a可以形成在開口 115中的第二擴散阻擋層130的上側壁 上和開口 115外側的第二擴散阻擋層130的頂面上。因此，即使形成抗沉積 層140a之後，仍然可以露出開口 115中的第二擴散阻擋層130的下側壁。具有抗沉積層140a的晶片傳送至第五腔室62,第一金屬層152，例如， 鋁層形成在抗沉積層140a上和開口 115中。第五腔室62可以是CVD腔室。 具有第一金屬層152的晶片可以傳送至第六腔室64,第二金屬層154可以形 成在第一金屬層152上。第六腔室64可以是PVD腔室。晶片還可以包括導電圖案105。在形成開口 115之前，在第七腔室70 中形成導電圖案105。 在其他的實施例中，用於形成第一擴散阻擋層120a 的氧原子可以提供至脫氣腔室46或冷卻室44。根據上述實施例，擴散阻擋層可以由組合層形成，擴散層的晶界可以填 滿氧原子。因而，具有填滿的氧原子的擴散阻擋層可以充當銅擴散和/或鋁擴 散的阻擋層。另外，使用展示出較小臺階覆蓋率的PVD工藝在擴散阻擋層 上形成抗沉積層，抗沉積層可以具有高於擴散阻擋層的含氮量。如此，當在 開口外側的抗沉積層和開口內部的擴散阻擋層上形成鋁層時，鋁層可以完全而沒有任何空隙地填充開口。雖然已經結合附圖所示的本發明的實施例描述本發明，但本發明不局限 於此。在不脫離本發明的範圍和精神下可以進行各種各樣的替換、修改和改 變對本領域的技術人員來說是顯而易見的。在附圖和說明書中，已有公開了本發明的實施例，雖然使用了專用術語， 但僅僅按照一般和描述的意義使用這些術語，不是限制的目的，權利要求用 於闡述本發明的範圍。本申請要求2007年1月18日提交的韓國專利申請No.2007-5732和2007 年4月24日提交的韓國專利申請No.2007-39874的優先權，在此以引用方 式併入其全部內容。
權利要求
1. 一種半導體器件的製造方法，包括 提供具有導電圖案的半導體襯底；在導電圖案和半導體襯底上形成絕緣層； 對絕緣層進行構圖以形成露出 一部分導電圖案的開口 ； 在開口的內壁和絕緣層的頂面上形成預擴散阻擋層； 向預擴散阻擋層提供氧原子以形成第 一擴散阻擋層；和 在第一擴散阻擋層上形成金屬層，其中，金屬層形成為填充由第一擴散阻擋層圍繞的該開口。
2. 如權利要求1所述的方法，其中將氧原子提供至預擴散阻擋層的晶界。
3. 如權利要求1所述的方法，其中使用熱氧處理工藝提供氧原子。
4. 如權利要求1所述的方法，其中使用氧等離子體工藝提供氧原子。
5. 如權利要求1所述的方法，其中使用02氣體、N20氣體、H20氣體、 02氣體和H2氣體的混合氣體以及03氣體中的至少一種提供氧原子。
6. 如權利要求1所述的方法，其中還包括在形成金屬層之前在第一擴散 阻擋層上形成第二擴散阻擋層。
7. 如權利要求6所述的方法，其中第一和第二擴散阻擋層中的每一個由 難熔金屬層形成。
8. 如權利要求7所述的方法，其中難熔金屬層包括Ti、 Ta、 Nb、 V、 Zr、 Hf、 Mo、 Re和W中的至少一種。
9. 如權利要求7所述的方法，其中難熔金屬層包括TiZr。
10. 如權利要求6所述的方法，其中第 一和第二擴散阻擋層中的每一個由 難熔金屬氮化物層形成。
11. 如權利要求IO所述的方法，其中難熔金屬氮化物層包括TiN、 TaN、 NbN、 VN、 ZrN、 HfN、 MoN、 ReN和WN之一。
12. 如權利要求IO所述的方法，其中難熔金屬氮化物層包括TiZrN。
13. 如權利要求1所述的方法，其中導電圖案包括銅，金屬層包括鋁。
14. 如權利要求6所述的方法，其中還包括對金屬層、第二擴散阻擋層 和第一擴散阻擋層進行構圖，以形成順序堆疊的第一擴散阻擋圖案、第二擴 散阻擋圖案和金屬互連，所述金屬互連形成為填充由第二擴散阻擋圖案圍繞的開口。
15. 如權利要求14所述的方法，其中還包括在形成金屬層之前在具有第二擴散阻擋層的襯底上形成抗沉積層，其中抗沉積層形成在開口外面的第二擴散阻擋層的頂面和開口中的第 二擴散阻擋層的上側壁上，以露出開口中的第二擴散阻擋層的下側壁，並且在形成金屬互連期間對抗沉積層進行構圖，從而在金屬互連下方形成抗 沉積圖案。
16. 如權利要求15所述的方法，其中使用化學氣相沉積工藝形成金屬層，並且在露出的第二擴散阻擋層上的金屬層的沉積速率大於在抗沉積層上的 金屬層的沉積速率。
17. 如權利要求16所述的方法，其中第二擴散阻擋層由第一金屬氮化物 層形成，抗沉積層由第二金屬氮化物層形成，並且第二金屬氮化物層的含氮量大於第一金屬氮化物層的含氮量。
18. 如權利要求17所述的方法，其中第二擴散阻擋層和抗沉積層包括相 同的難熔金屬。
19. 如權利要求16所述的方法，其中第二擴散阻擋層由難熔金屬層形成， 抗沉積層由難熔金屬氮化物層形成。
20. 如權利要求15所述的方法，其中使用化學氣相沉積工藝形成第二擴 散阻擋層，使用物理氣相沉積工藝形成抗沉積層。
21. 如權利要求15所述的方法，其中使用單個集群設備形成導電圖案、 預擴散阻擋層、第一擴散阻擋層、第二擴散阻擋層、抗沉積層和金屬層。
22. —種半導體器件，包括 包括導電圖案的半導體襯底；在導電圖案和半導體襯底上的絕緣層，該絕緣層具有穿透絕緣層以露出 一部分導電圖案的開口；填充該開口的金屬互連；和配置在金屬互連和導電圖案之間的第 一擴散阻擋圖案， 其中第一擴散阻擋圖案含有氧原子。
23. 如權利要求22所述的半導體器件，其中氧原子位於第一擴散阻擋圖 案的晶界中。
24. 如權利要求22所述的半導體器件，其中導電圖案包括銅，金屬互連包括鋁。
25. 如權利要求22所述的半導體器件，其中還包括在第一擴散阻擋圖案 和金屬互連之間的第二擴散阻擋圖案。
26. 如權利要求25所述的半導體器件，其中第一和第二擴散阻擋圖案中 的每一個包括難熔金屬。
27. 如權利要求26所述的半導體器件，其中難熔金屬包括Ti、 Ta、 Nb、 V、 Zr、 Hf、 Mo、 Re和W中的至少一個。
28. 如權利要求26所述的半導體器件，其中難熔金屬包括TiZr。
29. 如權利要求25所述的半導體器件，其中第一和第二擴散阻擋圖案中 的每一個包括難熔金屬氮化物。
30. 如權利要求29所述的半導體器件，其中難熔金屬氮化物層包括TiN、 TaN、 NbN、 VN、 ZrN、 HfN、 MoN、 ReN和WN之一。
31. 如權利要求29所述的半導體器件，其中難熔金屬氮化物層包括 TiZrN。
32. 如權利要求25所述的半導體器件，其中第二擴散阻擋圖案延伸到開 口的側壁上。
33. 如權利要求32所述的半導體器件，其中還包括配置在開口中的第二 擴散阻擋圖案的上側壁和開口中的金屬互連的上側壁之間的抗沉積圖案，其中開口中的第二擴散阻擋圖案的下側壁與金屬互連直接接觸。
34. 如權利要求33所述的半導體器件，其中第二擴散阻擋圖案包括第一 金屬氮化物層，抗沉積圖案包括第二金屬氮化物層，並且第二金屬氮化物層的含氮量高於第一金屬氮化物層的含氮量。
35. 如權利要求34所述的半導體器件，其中第一和第二金屬氮化物層包 括相同的難熔金屬。
36. 如權利要求33所述的半導體器件，其中第二擴散阻擋圖案包括難熔 金屬層，抗沉積圖案包括難熔金屬氮化物層。
37. —種半導體集群設備，包括配置成在具有開口的襯底上形成預擴散阻擋層、向預擴散阻擋層提供氧 原子以形成第一擴散阻擋層、和/或在第一擴散阻擋層上形成第二擴散阻擋層 的第一腔室；配置成在開口中的第二擴散阻擋層的上側壁和開口外的第二擴散阻擋 層的頂面上形成抗沉積層，從而露出開口中的第二擴散阻擋層的下側壁的第二腔室；和配置成在具有抗沉積層的襯底上形成金屬層以填充開口的第三腔室。
38. 如權利要求37所述的半導體集群設備，其中還包括 第四腔室；和第五腔室，其中第 一腔室配置成形成預擴散阻擋層，其中第四腔室配置成提供氧原 子，並且第五腔室配置成形成第二擴散阻擋層。
39. 如權利要求38所述的半導體集群設備，其中將第四腔室配置為清潔 腔室、脫氣腔室和/或冷卻室。
40. 如權利要求39所述的半導體集群設備，其中清潔腔室配置成清潔具 有開口的村底的表面。
41. 如權利要求37所述的半導體集群設備，其中襯底具有絕緣層，並且 開口定位成穿透絕緣層。
全文摘要
本發明提供一種半導體器件的製造方法。該方法包括提供具有導電圖案的半導體襯底和在導電圖案和半導體襯底上形成絕緣層。對絕緣層進行構圖以形成露出一部分導電圖案的開口。在開口的內壁和絕緣層的頂面上形成預擴散阻擋層。向預擴散阻擋層上提供氧原子以形成第一擴散阻擋層。在第一擴散阻擋層上形成金屬層。金屬層形成為填充由第一擴散阻擋層圍繞的開口。本發明還提供通過該方法製造的半導體器件和用於製造該半導體器件的半導體集群設備。
文檔編號H01L21/70GK101312154SQ20081012776
公開日2008年11月26日 申請日期2008年1月18日 優先權日2007年1月18日
發明者崔吉鉉, 崔慶寅, 李賢培, 李鐘鳴, 洪琮沅 申請人:三星電子株式會社