在接觸孔中形成金屬－氮化物層的方法和如此形成的層的製作方法

2023-06-29 15:54:56

專利名稱：在接觸孔中形成金屬－氮化物層的方法和如此形成的層的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於形成半導體集成電路的方法，更具體涉及在半導體集成電路中形成金屬布線層的方法和如此形成的層。
背景技術：
眾所周知在半導體製造工藝中使用濺射工藝(有時稱為物理汽相澱積)形成較薄的層。例如，濺射有時用來形成較薄的金屬擴散阻擋層和/或抗反射層，以覆蓋半導體結構。
圖1中示出了常規濺射設備100的示意圖。具體，濺射設備100表示的是通常稱為中空陰極磁控管(HCM)濺射設備。參考圖1，HCM濺射設備100包括被電磁線圈106A-106H圍繞的「杯形」靶102。屏蔽件114從杯形靶102延伸到保持襯底108的表面112，在襯底108上可以通過濺射工藝澱積較薄的金屬層。應當理解由於內部區域116由靶102的「杯形」形狀限定，因此HCM濺射設備100有時稱為「中空的」。
在工作中，在杯形靶102和襯底108之間的內部區域116中建立真空。氬氣被允許進入區域116，氬氣被在其處提供的磁場和電場電離。電離的氬氣朝杯形靶102加速，導致組成杯形靶102的部分材料向外噴射。通過由電磁線圈106A-H產生的場(電/磁)，靶的噴射部分朝向襯底108。由此，從杯形靶102噴射的材料澱積在襯底108上。例如，在Lu等人的、名稱為Pasting Method for Eliminating FlakingDuring Nitrite Sputtering的美國專利號6,589,398中進一步論述了常規HCM濺射設備，在此將其內容全部引入作為參考。
眾所周知使用上述的常規類型的HCM設備，使用杯形鈦(Ti)靶、使用氬氣(Ar)和氮氣(N2)，在內部區域116中的襯底上形成氮化鈦(TiN)層。施加的磁場/電場用於使氬氣(Ar)朝向鈦靶102加速，由此促使部分鈦靶噴射和朝向襯底108加速。噴射的鈦與N2結合，以形成TiN材料澱積在襯底108上。眾所周知為了減小導電材料(在接觸孔中隨後形成的)的擴散，在襯底108中的接觸孔底部澱積這種TiN材料，以形成TiN阻擋層。
具體，眾所周知為了形成TiN層，以兩種模式的一種操作常規的HCM濺射設備100，金屬的TiN模式或中毒的(poisoned)TiN模式。在金屬的TiN模式中，在TiN層中Ti的數量一般超過氮(N)的數量，Ar流量(flow rate)遠遠大於N2的流量。例如，眾所周知濺射Ti使用常規的HCM濺射設備100，使用約135sccm的Ar流量和28sccm的N2流量。
相反，在中毒的TiN模式(poisoned TiN mode)(有時稱為氮化的TiN)中，在TiN層中Ti量約等於氮(N)量，以及Ar流量小於N2流量。例如，眾所周知，在中毒的模式中濺射TiN，使用常規的HCM濺射設備100，使用約30sccm的Ar流量和約70sccm的N2流量(亦即使用小於N2流量的Ar流量)。眾所周知，與金屬的TiN模式濺射相比，中毒的TiN模式濺射可以顯示出優越的擴散阻擋層性能和產生較少的顆粒。
即使使用根據圖1上述的常規類型的HCM濺射設備100，眾所周知利用該方法可以出現幾種問題。圖2-4說明與在較高密度的集成電路襯底中形成的接觸孔相關的一些公共問題。高密度的接觸孔可以具有較高的高寬比，以致與接觸孔的寬度相比接觸孔的深度較深。眾所周知，在高的高寬比接觸孔中完全形成導電材料可能是困難的。
例如，圖2說明襯底200上的絕緣層205，絕緣層205具有在其中形成的雜質摻雜區203，雜質摻雜區203被接觸孔露出。在接觸孔中和雜質摻雜區203的露出表面上形成擴散阻擋層207(如TiN擴散阻擋層)。在接觸孔中包括的擴散阻擋層207上形成導電層209。根據圖2，因為接觸孔高的高寬比，在接觸孔中可能形成空隙211，因為懸垂部分215的形成可能阻擋在接觸孔中進一步澱積導電層209。例如，在Lee等人的、名稱為Method of Selectively Depositing a MetalLayer in an Opening in a Dielectric Layer by Forming a Metal-Deposition-Prevention Layer Around the Opening of the Dielectric Layer的美國專利號6,432,820中也論述了在接觸孔中形成金屬層，在此將其內容全部引入作為參考。
圖3示出了使用HCM濺射在高的高寬比接觸孔中澱積導電層的過程中可以導致的另一類缺陷。在襯底300的露出雜質區303上的絕緣層305中的接觸孔上可以完全形成導電層309，由此形成空隙311。由此，圖2和3中所示的缺陷類型是使用常規的HCM濺射可能發生的同一類問題的變型。
圖4說明在襯底400上的介質層405中形成的接觸孔402，露出其中的摻雜雜質區407。具體，接觸孔402最初形成在臺階區域416中，臺階區域416具有比隨後形成的接觸孔402更寬的開口。臺階區域416的形成有時可以形成作為一種措施，以減輕圖2和3所示的問題。但是，臺階區域416的使用可能導致「遮蔽」效果，在接觸孔402中可以產生懸垂部分415，這可以導致在接觸孔中的導電層中形成空隙。具體，如圖4所示，接觸孔402的側壁部分404可能被露出，以致由於懸垂部分415，在其上沒有澱積導電層409。

發明內容
根據發明的實施例可以提供在接觸孔中形成金屬-氮化物層的方法及如此形成的層。依據這些實施例，在集成電路中形成金屬層的方法可以包括在凹槽中形成金屬-氮化物層，包括在凹槽底部的金屬-氮化物層中的第一氮濃度，第一氮濃度小於緊鄰凹槽開口的金屬-氮化物層中的第二氮濃度。在凹槽中包括的金屬-氮化物層上形成金屬層。
在根據發明的某些實施例中，為了形成金屬-氮化物層，可以使用W、Ti和/或Ta。在根據本發明的某些實施例中，形成金屬-氮化物層包括以約3.0秒至約10.0秒的時間間隔濺射鈦靶。在根據本發明的某些實施例中，形成金屬-氮化物層包括使用金屬模式中的中空陰極磁控管以約4.0秒至約6.0秒濺射鈦靶。
在根據本發明的某些實施例中，形成金屬-氮化物層包括形成具有錐形厚度的金屬-氮化物層，錐形厚度包括在底部的第一厚度，第一厚度約為緊鄰開口的第二厚度的百分之十或更小。在根據本發明的某些實施例中，形成具有錐形厚度的金屬-氮化物層包括形成金屬-氮化物層，以提供約50埃以下的第二厚度和約5.0埃以下的第一厚度。
在根據本發明的某些實施例中，形成金屬-氮化物層包括形成具有錐形厚度的金屬-氮化物層，錐形厚度包括在底部的第一厚度和緊鄰開口、大於第一厚度的第二厚度。在根據本發明的某些實施例中，金屬-氮化物層的錐形厚度具有隨金屬-氮化物層從底部向開口延伸而逐漸增加的厚度。
在根據本發明的某些實施例中，形成金屬-氮化物層包括使用金屬模式中空-陰極-磁控管(HCM)濺射在凹槽中形成富Ti-TiN層。在根據本發明的某些實施例中，使用金屬模式在凹槽中形成富Ti-TiN層還包括在HCM濺射過程中以不同的流量引入Ar和N2。
在根據本發明的某些實施例中，使用金屬模式在凹槽中形成富Ti-TiN層還包括在濺射過程中以大於N2氣流量的流量引入Ar氣。在根據本發明的某些實施例中，在濺射過程中以大於N2氣流量的流量引入Ar氣包括以約135sccm的流量引入Ar和以約28sccm的流量引入N2。
在根據本發明的某些實施例中，使用金屬模式中空-陰極-磁控管(HCM)濺射在凹槽中形成富Ti-TiN層還包括使與Ti靶相關的陰極保持約20千瓦至約40千瓦的功率。在根據本發明的某些實施例中，形成金屬-氮化物層還包括在HCM內部區域中保持約150℃和約350℃的溫度。
在根據本發明的某些實施例中，形成金屬層包括，在相對於形成金屬-氮化物層沒有真空破壞的條件下形成CVD-Al層。在根據本發明的某些實施例中，形成金屬層包括，在約120℃至約130℃的溫度下和約5.0乇至約10.0乇的壓力下以及以約300sccm至約500sccm的流量提供Ar氣，形成CVD-Al層。
在根據本發明的某些實施例中，形成金屬-氮化物層包括，與N2相比使用更大的Ar流量，以約4和10秒之間的時間間隔，在包括凹槽的襯底上濺射Ti靶。在時間間隔流逝之後，停止濺射Ti靶。
在根據本發明的某些實施例中，在集成電路中形成金屬層的方法包括，在襯底的凹槽中形成TiN浸潤層，包括在凹槽底部的溼潤層中的第一氮(N)濃度，第一氮(N)濃度小於緊鄰凹槽開口的浸潤層中的第二氮(N)濃度。使用化學氣相澱積在TiN溼潤層上形成金屬層。
在根據本發明的某些實施例中，形成TiN溼潤層包括，以約3.0秒至約10.0秒的時間間隔濺射鈦靶。在根據本發明的某些實施例中，在時間間隔之後，停止濺射Ti靶。
在根據本發明的某些實施例中，形成TiN溼潤層包括，在金屬模式的HCM濺射過程中以不同的流量引入Ar和N2氣。在根據本發明的某些實施例中，形成TiN溼潤層還包括以大於N2氣流量的流量引入Ar氣。
在根據本發明的某些實施例中，在濺射過程中以大於N2氣流量的流量引入Ar氣包括，以約135sccm的流量引入Ar和以約28sccm的流量引入N2。在根據本發明的某些實施例中，形成TiN溼潤層還包括，使與Ti靶相關的陰極保持約20千瓦至約40千瓦的功率。
在根據本發明的某些實施例中，形成金屬層包括，在約120℃至約130℃的溫度下和在約5.0乇至約10.0乇的壓力下以及以約300sccm至約500sccm的流量提供Ar氣，形成CVD-Al層。在根據本發明的某些實施例中，在集成電路中形成金屬層的方法包括，在襯底中的凹槽中形成金屬-氮化物層。在與N2相比包括較高濃度的氬(Ar)的Ar/N2環境中在襯底上濺射金屬靶，以在凹槽中形成富金屬-金屬氮化物層，在底部具有第一氮(N)濃度，第一氮(N)濃度小於凹槽開口處的第二氮(N)濃度。在相對於濺射沒有真空破壞條件下使用化學氣相澱積在富金屬-氮化物層上的凹槽中澱積金屬層。
在根據本發明的某些實施例中，濺射包括，以約3.0秒至約10.0秒的時間間隔濺射鈦靶。在時間間隔之後，停止濺射Ti靶。在根據本發明的某些實施例中，濺射還包括，濺射過程中以大於N2氣流量的流量引入Ar氣。在根據本發明的某些實施例中，引入還包括，以約135sccm的流量引入Ar和以約28sccm的流量引入N2。
在根據本發明的某些實施例中，濺射包括，使用金屬模式的中空-陰極-磁控管(HCM)濺射金屬靶，使與靶相關的陰極保持約20千瓦至約40千瓦的功率。在根據本發明的某些實施例中，濺射還包括，使HCM內部區域中保持約150℃和約350℃的溫度。在根據本發明的某些實施例中，濺射還包括，以不同的流量在凹槽的不同部分中澱積金屬層。
在根據本發明的某些實施例中，澱積還包括，在凹槽中以與富金屬-金屬氮化物層的厚度間接地成正比的不同流量澱積金屬層。
在根據本發明的某些實施例中，在集成電路中形成金屬層的方法包括，在襯底中的凹槽底部形成金屬-氮化物層至第一厚度，在凹槽外面的襯底上形成金屬-氮化物層至第二厚度，其中第一厚度約小於或等於第二厚度的百分之十。在凹槽中的層上形成金屬層。在根據本發明的某些實施例中，第一厚度約為或小於5.0埃。在根據本發明的某些實施例中，第二厚度約為100埃至約30埃。
在根據本發明的某些實施例中，在集成電路中形成金屬層的方法包括，在凹槽內部以與凹槽中的富金屬-金屬氮化物層的厚度間接地成正比的不同流量(rate)在錐形厚度的富金屬-金屬氮化物層上澱積CVD金屬層，其上澱積了CVD金屬層。
在根據本發明的某些實施例中，集成電路中的金屬層包括，襯底中的凹槽中的富金屬-金屬氮化物層，包括在底部的第一氮(N)濃度，第一氮(N)濃度小於凹槽開口處的第二氮(N)濃度，以及富金屬-金屬氮化物層上的凹槽中的CVD金屬層。在根據本發明的某些實施例中，富金屬-金屬氮化物層在凹槽的外面是第一厚度以及在凹槽的底部是第二厚度，其中第一厚度約小於或等於第二厚度的百分之十。


圖1是常規的中空陰極磁控管(HCM)濺射設備的示意圖。
圖2-4是在其中形成的導電材料的接觸孔的剖面圖，具有根據常規技術形成的空隙。
圖5是根據本發明中的某些實施例包括阻擋金屬層的接觸孔的剖面圖。
圖6-7是說明根據本發明中的某些實施例接觸孔中的第一金屬阻擋層的形成截面圖。
圖8是根據本發明中的某些實施例可以用於金屬模式，以形成金屬-氮化物阻擋層的HCM濺射設備的示意圖。
圖9-14是說明具有第二金屬-氮化物阻擋層的接觸孔的剖面圖，具有根據本發明的某些實施例形成的錐形厚度。
圖15-25是根據本發明中的某些實施例形成的示例性接觸的掃描電子顯微圖片。
具體實施例方式
下面參考附圖更完全地描述本發明，附圖中示出本發明的優選實施例。但是，本發明不應該被認為是局限於在此闡述的實施例。相反，提供這些實施例是為了本公開是徹底的和完全的，並將本發明的範圍完全傳遞給所屬領域的技術人員。在圖中，為了清楚放大了層和區域的厚度。相同的標記始終指相同的元件。如在此使用的術語「和/或」包括一個或多個相關列項的任一和所有組合。
在此使用的專業詞彙是僅僅用於描述具體實施例而不是限制本發明。如在此使用，單數形式「a」，「an」和「the」同樣打算包括複數形式，除非上下文另外清楚地表明。還應當理解，當說明書中使用的術語「包括(comprises)」和/或「包括(comprising)」說明所述屬性(features)、整數(integers)、步驟、操作、元件和/或零件的存在，但是不排除存在或增加一個或多個其他屬性、整數、步驟、操作、元件、零件和/或其組。
應當理解當一個元件例如層、區域或襯底稱為在另一元件「上」或在另一個元件「上」延伸時，它可以直接在另一元件上或直接在元件上延伸或也可以存在插入元件。相反，當一個元件稱為直接在另一個元件「上」或直接在另一個元件「上」延伸時，不存在插入元件。應當理解當一個元件稱為「連接」或「耦接」到另一個元件時，它可以直接連接或耦接到另一個元件或可以存在插入元件。相反，當一個元件稱為「直接連接」或「直接耦合」到另一個元件時，不存在插入元件。在整個說明書中，相同的標記指相同的元件。
應當理解儘管在此可以使用術語第一、第二等描述各個元件、部件、區域、層和/或部分，但是這些元件、部件、區域、層和/或部分不應該被這些術語限制。這些術語僅僅是用來使一個元件、組件、區域、層或部分與其它區、層或部分相區分。因此，在不脫離本發明教導的條件下，下面論述的第一元件、零件、區域、層或部分可以稱為第二元件、零件、區域、層或部分。
此外，在此可以使用相對術語，例如「下」或「底部」和「上」或「頂部」描述一個元件與圖中所示的其它元件的關係。應當理解相對術語意圖是包括除圖中描繪的取向之外的器件的不同取向。例如，如果圖中的器件被翻轉，那麼被描述為在其他元件「下」側的元件將定向在其他元件的「上」側上。因此示例性術語「下」可以包括「下」和「上」兩種方向，視圖的具體方向而定。類似地，如果圖中的器件被翻倒，那麼被描述為在其他元件的「下面」或「底下」的元件將定向在其他元件的「上」。因此示例性術語「在…下面」或「在…底下」可以包括「在…之上」和「在…下面」的兩種方向。
在此參考截面(和/或平面圖)圖描述了本發明的實施例，截面圖是本發明的理想化實施例的示意圖。因而，由於製造技術和/或容差，應當預想圖例形狀的變化。因此，本發明的實施例不應該認為限於在此所示的區域的特定形狀，而是包括由製造所得的形狀的偏差。例如，圖示或描述為矩形的刻蝕區一般具有圓滑的或彎曲的特點。因此，圖中所示的區域本質上是示意性的，且它們的形狀不打算圖示器件區域的精確形狀以及不打算限制本發明的範圍。
除非另外限定，在此使用的所有術語(包括技術和科學術語)具有屬於本發明的技術領域的普通技術人員通常理解的相同意思。還應當理解術語，如在通常使用的詞典中定義的那些術語應該解釋為具有符合相關技術的環境中的意思，不被理想化解釋或過度的形式感知，除非在此清楚地定義。所屬領域的技術人員還應當理解，「鄰近」其他部件布置的部件結構可以具有重疊相鄰部件或位於相鄰部件下面的部分。
如在此所公開，在根據本發明的某些實施例中，與其他部分相比金屬-氮化物層的較薄部分(例如，具有約5.0埃或更小厚度的部分)和/或具有較低氮濃度的部分可以提供較大數目的成核位置。較大數目的成核位置可以促進在接觸孔的底部隨後形成CVD-Al層，以減小在接觸孔內完成CVD-Al的形成(即，填充接觸孔522中的任意空隙)之前，在接觸孔開口附近生長的CVD-Al將密閉接觸孔的可能性。
圖5示出了根據本發明的某些實施例接觸孔中的錐形厚度金屬-氮化物阻擋層的截面圖，在其中具有變化的氮濃度。具體，層間介質層520中的接觸孔522包括在其中形成的阻擋金屬層530。金屬-氮化物阻擋層540形成在接觸孔522中的阻擋金屬層530上。如圖5所示，在接觸孔522中的側壁上金屬-氮化物阻擋層540的厚度是錐形的，以致在接觸孔522底部，金屬-氮化物阻擋層540的部分542的厚度t1小於接觸孔522外部(例如，在阻擋金屬層530的上表面上)的金屬-氮化物阻擋層540的部分544的厚度t2。在根據本發明的某些實施例中，阻擋金屬層530是Ti或多層的Ti/TiN結構。在根據本發明的某些實施例中，金屬-氮化物阻擋層540是富Ti-TiN層。如在此使用的術語「富Ti-TiN」包括中空陰極磁控管(HCM)金屬模式的TiN層。具體。富Ti指襯底的接觸孔中澱積的TiN層的化學計量是與N2相比TiN層中包括更多的Ti。
如圖5所示，金屬-氮化物阻擋層540的厚度沿從其開口向接觸孔522的底部延伸的接觸孔522的側壁逐漸減小。在根據本發明的某些實施例中，部分542處的金屬-氮化物阻擋層540的厚度t1約小於(或少於)金屬-氮化物阻擋層540的部分544的厚度t2的10％。例如，在根據本發明的某些實施例中，富Ti-TiN層540的部分544的厚度約為50埃，而富Ti-TiN層540的部分542的厚度約為5.0埃以下。
應當理解富Ti-TiN層540的較薄部分(例如，具有約5.0埃以下厚度的部分)可以提供較大數目的成核位置(以及在根據發明的某些實施例中可以露出底下的Ti/TiN層)。例如，非常薄的富Ti-TiN層540可以部分地露出底下的CVD-Ti/TiN層，這與阻擋金屬層530例如Ti/TiN層相比可以更容易促進CVD-Al的澱積。較大數目的成核位置可以促進接觸孔522底部的CVD-Al層的後續形成，以減小在完成接觸孔522內的CVD-Al的形成之前(即，填充接觸孔522中的任意空隙)，在接觸孔522的開口附近CVD-Al的生長將封閉接觸孔522的可能性。
應當理解在根據本發明的某些實施例中，與部分542中相比，部分544中的富Ti-TiN層540中的氮(N)濃度更大。換句話說，在根據本發明的某些實施例中，與接觸孔522內相比，富Ti-TiN層540中的氮(N)濃度大於接觸孔522中外的氮(N)濃度，具體，在部分542的接觸孔522的底部。還應當理解，在根據本發明的某些實施例中，富Ti-層540中的氮(N)濃度隨接觸孔522的側壁上的富Ti-TiN層540的錐形厚度而變化。
在根據本發明的某些實施例中，富Ti-TiN層540中的氮(N)的變化濃度也可以影響接觸孔522中CVD-Al層的生長流量。具體，與包括更大濃度的部分相比，在包括較低氮(N)濃度的部分富Ti-TiN層540上可以更容易地澱積CVD-Al。由此，與具有更大氮(N)濃度的部分相比(例如，在接觸孔522外面)，在包括較低氮(N)濃度(例如，在接觸孔522的底部)的部分富Ti-TiN層上可以更快地澱積CVD-Al。
隨著富Ti-TiN層540的形成，可以使用化學氣相澱積(CVD)在接觸孔522中和在富Ti-TiN層540的上表面上就地形成CVD-Al層550。應當理解與接觸孔522中的富Ti-TiN層540的不同部分相比，由於接觸孔522底部的下阻擋金屬層530中的成核位置的相對數目，因此可以在接觸孔522內以可變流量成長CVD-Al層550。
換句話說，在根據本發明的某些實施例中，由於與富Ti-TiN層540的較厚部分相比，通過該類型的層提供較大數目的成核位置，因此在接觸孔522的底部(或富Ti-TiN層540的薄部分)，在部分地露出的Ti/TiN層530上可以更迅速地形成CVD-Al層550。此外，由於其中N2的濃度和/或厚度增加，因此在鄰近接觸孔522開口的側壁上可以更緩慢地形成CVD-Al層550。在根據本發明的某些實施例中，可以以與富Ti-TiN層540的厚度和/或富Ti-TiN層540中的氮濃度間接地成正比的流量，在富Ti-TiN層540上形成CVD-Al層550。
因此，最初CVD-Al層550可以更迅速地澱積在接觸孔522的底部，而不是更鄰近接觸孔522的開口和接觸孔522外面，由此從接觸孔522的底部朝著開口的方向澱積CVD-Al，這可以避免上面參考常規方法論述的問題類型。
圖6-7是說明根據本發明中的某些實施例在襯底中形成接觸孔的剖面圖。具體，如圖6所示，在襯底610上形成構圖的層間介質層620，在其中提供露出部分襯底610的接觸孔622。儘管圖6示出了接觸孔622，但是應當理解在此論述的實施例同樣可以應用於更普通的「凹槽」如層間介質層中的溝槽或孔。
根據圖7，在接觸孔622中形成金屬阻擋層630，以提供例如用於隨後在其上形成的澱積層的粘附層。在根據本發明的某些實施例中，金屬阻擋層630是TiN或Ti/TiN(即，包括Ti和TiN層的多層阻擋金屬層)。可以使用CVD、物理汽相澱積(PVD)和/或原子層澱積(ALD)形成Ti和TiN層。在根據本發明的某些實施例中，可以使用等離子體CVD形成Ti/TiN層，用TiCl4形成Ti，而可以通過用TiCl4作為Ti源和NH3作為氮源的CVD形成TiN層。在根據本發明的某些實施例中，金屬阻擋層630是單層，如使用上述相同方法的層。
圖8是根據本發明的某些實施例用於在接觸孔中製造富Ti-TiN層的在金屬模式中操作的HCM濺射設備800的略圖。在根據本發明的某些實施例中，包括在其中具有金屬阻擋層的構圖層間介質層的襯底808被放置在HCM濺射設備800的內部區域816中。HCM濺射設備800包括被電磁體806A-H圍繞的「杯形(cupped)」Ti靶802。在根據本發明的某些實施例的操作中，在Ti靶802的濺射過程中，使襯底810保持約150℃和350℃之間的溫度。以不同的流量將Ar和N2氣提供到內部區域816。此外，在根據本發明的某些實施例中，在澱積工序過程中與杯形Ti靶802相關的陰極保持約20至約40千瓦的功率。
在根據本發明的某些實施例中，被提供到內部區域816的Ar氣的流量大於提供N2氣的流量，由此允許在襯底810(在此指「金屬模式」中的操作)的接觸孔622形成富Ti-TiN層，以致在TiN層中包括比N2更多的Ti。
該澱積可以產生錐形厚度的富Ti-TiN層940，在其中具有變化的氮(N)濃度，如圖9所示。應當理解由於接觸孔922的底部比接觸孔922外面的部分更遠離Ti靶，因此接觸孔922外面(即，更靠近Ti靶)的富Ti-TiN層940比接觸孔922內更厚(以及主要在接觸孔922的底部)。由此，在接觸孔922外的部分富Ti-TiN層940比在接觸孔922內的部分富Ti-TiN層940更厚(以及特別在接觸孔922的底部部分)。
此外，在根據本發明的某些實施例中，由於接觸孔922中的富Ti-TiN層940的部分更遠離被引入內部區域816的N2氣，因此與更靠近Ti靶的部分相比可以更少的暴露於N2，所以接觸孔922內的更遠部分的富Ti-TiN層940具有比其中N2更低的濃度。因此相對於接觸孔922外的部分富Ti-TiN層940，暴露於更少量N2的部分富Ti-TiN層940在其中具有更低的氮濃度(N)。此外，接觸孔922的側壁上的富Ti-TiN層940的錐形形狀在其中也具有逐漸減小的N2濃度，從接觸孔922的開口朝著接觸孔922的底部延伸。
在根據本發明的某些實施例中，N2的濃度和富Ti-TiN層940的厚度取決於澱積TiN層的持續時間。在根據本發明的某些實施例中，富Ti-TiN層940中的N2濃度還可以取決於處理氣體的相對流量以及施加到與TiN靶關聯的陰極的功率。在根據本發明的進一步實施例中，Ti靶的濺射被執行約3.0至約10.0秒，優選約4.0至約6.0秒。
這些處理時間可以促進富Ti-TiN層940的形成，以致接觸孔底部的厚度約為(或小於)接觸孔922外的富Ti-TiN層940厚度的10％。例如，在根據本發明的某些實施例中，接觸孔922底部的富Ti-TiN層940的厚度足夠薄，以露出底下的CVD-Ti/TiN金屬阻擋層或底下的CVD-Ti金屬阻擋層(或在底部的位置中約5.0埃以下)，而接觸孔外的富Ti-TiN層940的厚度約為50.0埃厚度。
圖10-14是說明在根據本發明的某些實施例形成的接觸孔1022中形成CVD-Al層1050的剖面圖。具體，可以使用CVD-Al澱積工藝在圖9所示的富Ti-TiN層940上形成圖10-14中所示的截面部分。在根據本發明的某些實施例中，在沒有真空破壞的條件下，襯底從內部區域816移動到CVD室，以致可以就地形成CVD-Al層1050。可以在約120℃至約130℃的溫度下執行CVD-Al工序，優選在約125℃下。可以在約5.0乇至約10.0乇的壓力下執行CVD-Al澱積，以及優選在約9.0乇的壓力下。載體氣體可以是以約300sccm至約500sccm流量提供的Ar，使用金屬有機化學氣相澱積(MOCVD)形成CVD-Al層1050。Al源可以是甲吡咯(Methylpyrrolidine)鋁烷(MPA)、二甲乙胺(Dimethylethylamine)鋁烷(DMEAA)、二甲基氫化鋁(DMAH)和/或三甲胺鋁烷(TMAA)。
富Ti-TiN層1040(可以有效地露出底下的CVD-Ti/TiN阻擋層或底下的CVD-TiN阻擋層)的薄部分中包括的較高數目的成核位置可以促進起始於接觸孔1022底部的CVD-Al 1050的澱積，以及朝著接觸孔1022的開口前進，如圖12所示。
在根據本發明的某些實施例中，在CVD-Al 1050上形成金屬層1360如Al或Al合金，通過在約350℃至約500℃的溫度下的回流金屬層1360被加熱，如圖13所示。回流的金屬層1360被平整，以提供如圖14所示的金屬布線層1470。
圖15-18示出了在根據本發明的某些實施例形成的接觸孔中選擇性澱積的CVD-Al的掃描電子顯微(SEM)圖片。圖15-18所示的示例性樣品以70nm的臨界尺寸形成以及接觸具有約350nm的深度。使用等離子體CVD和分別使用TiCl4和NH3作為Ti和N2源的熱CVD工藝，在包括接觸孔的層間介質圖形上形成Ti/TiN阻擋層。
使用如上所公開的金屬模式HCM，在接觸孔中形成富Ti-TiN層。在富Ti-TiN層上就地形成CVD-Al層。具體，圖15-18示出了分別以10秒、20秒、30秒和40秒間隔的CVD-Al澱積。此外，圖15-18示出了CVD-Al層最初澱積在接觸孔的底部(參見圖15)以及朝著其開口方向繼續澱積(參見圖18)。Ar和N2氣被分別以135sccm和28sccm的流量提供給HCM設備。此外，用來形成富Ti-TiN層的濺射工序進行約5.0秒。
圖19是說明在圖18所示的結構上形成的回流PVD-Al層的SEM圖片。如圖19所示，凹槽區的內部填有CVD-Al，而沒有任何明顯的空隙。
圖20A和20B示出了評價CVD-Al層形成的試驗結果。具體，圖20A和20B示出了接觸孔中的CVD/Al層(在凹槽中形成CVD-Ti/TiN層作為金屬阻擋層之後)的表面形態。使用等離子體CVD工藝和使用TiCl4作為Ti源和NH3作為NH2源的熱處理形成CVD-Ti/TiN層。
圖21A和21B示出了評價CVD-Al層形成的試驗結果。具體，圖21A和21B示出了由富Ti-TiN層和其上的CVD-Al層的形成產生的表面形態。圖20A-21B所示的試驗結果表明，在根據本發明的某些實施例中，由於由每個不同類型的層提供的成核位置的相對數目，與富Ti-TiN層相比，CVD-Al可以更容易地形成在CVD-Ti/TiN層上，CVD-Ti/TiN層在接觸孔的底部被部分地露出。
換句話說，由於與富Ti-TiN層相比由這類層提供較大數目的成核位置，因此在接觸孔的底部部分地露出的CVD-Ti/TiN上可以更迅速形成CVD-Al層。因此，CVD-Al層最初澱積在接觸孔的底部，而不是鄰近接觸孔的開口和在接觸孔的外面，由此從接觸孔的底部朝著開口澱積CVD-Al，這可以避免與常規方法有關的上述類型的問題。如上所述，在Ti濺射過程中在相對短的時期形成富Ti-TiN層可能導致在接觸孔底部部分地露出底下的CVD-Ti/TiN層，而位於接觸孔開口附近的CVD-Ti/TiN層可以更完全地被通過Ti濺射形成的富Ti-TiN層覆蓋。
圖22和23分別是根據常規方法和根據本發明的某些實施例在接觸孔上澱積的CVD-Al材料的截面SEM圖片。根據圖22，在層間介質圖形上形成具有約150埃厚度的常規溼潤層(CVD-Ti/TiN)，以及在CVDTi/TiN層上形成CVD-Al層。如圖22所示，在接觸孔底部澱積CVD-Al層之前，接觸孔的開口可能被「修剪」，因為在接觸孔的開口附近CVD-Al層生長較迅速。
相反，如圖23所示，根據本發明的一個實施例，在接觸孔中形成富Ti-TiN層，由此允許在接觸孔的底部更容易地進行CVD-Al的澱積，而不是在接觸孔的開口附近，以促進從接觸孔的底部朝著開口的方向超時澱積CVD-Al，由此允許在接觸孔中形成CVD-Al層，具有減小的空隙。
如圖24和25所示，在沒有真空破壞的條件下和具有真空破壞的條件下分別在CVD-Ti/TiN和富Ti-TiN層的接觸孔中形成CVD-Al層具體，圖24示出了在就地形成富Ti-TiN層之後(即，在形成CVD-Al和富Ti-TiN層之間沒有真空破壞)，用5.0秒形成CVD-Al層。
相反，圖25表明在富Ti-TiN層形成之後，在有真空破壞的條件下形成的CVD-Al。因此，圖24和25所示的結構差異說明在富Ti-TiN層的形成和CVD-Al層的形成之間沒有破壞真空形成的CVD-Al層可以提供的相對優點。
如在此公開，在根據本發明的某些實施例中，金屬-氮化物層的較薄部分(例如，具有約5.0埃或更小厚度的部分)和/或與其他部分相比具有較低氮濃度的部分可以提供較大數目的成核位置。較大數目的成核位置可以提高接觸孔底部的CVD-Al層的後續形成，以減小在接觸孔內CVD-Al的形成完成之前(即，填充在接觸孔522中的任意空隙)，接觸孔的開口附近生長的CVD-Al將封閉接觸孔的可能性。
在不脫離本發明的精神和範圍的條件下所屬領域的普通技術人員可以進行許多改變和改進，給出本公開的利益。因此，必須理解被闡述例示性實施例僅僅用於實例的目的，它不應該視為限制由下列權利要求所限定的發明。因此下列權利要求視為不僅包括字面上闡述的要素組合而且包括在基本上相同的方法中執行基本上相同作用而獲得基本上相同結果所有等效要素。因此應當理解權利要求包括上面具體說明和描述的、概念上等效的以及引入發明的基本思想的內容。
權利要求
1.一種在集成電路中形成金屬層的方法，包括在凹槽中形成金屬-氮化物層，包括在凹槽底部的金屬-氮化物層中的第一氮濃度，第一氮濃度小於緊鄰凹槽開口的金屬-氮化物層中的第二氮濃度；以及在凹槽中包括的金屬-氮化物層上形成金屬層。
2.根據權利要求1的方法，其中形成金屬-氮化物層包括，使用W、Ti和/或Ta形成金屬-氮化物層。
3.根據權利要求1的方法，其中形成金屬-氮化物層包括，以約3.0秒至約10.0秒的時間間隔濺射鈦靶。
4.根據權利要求1的方法，其中形成金屬-氮化物層包括，使用金屬模式中的中空陰極磁控管以約4.0秒至約6.0秒的時間間隔濺射鈦靶。
5.根據權利要求1的方法，其中形成金屬-氮化物層包括，形成具有錐形厚度的金屬-氮化物層，包括在底部的第一厚度和緊鄰開口的第二厚度，第一厚度約為第二厚度的百分之十或更小。
6.根據權利要求5的方法，其中形成具有錐形厚度的金屬-氮化物層包括形成金屬-氮化物層，以提供約50埃以下的第二厚度和約5.0埃以下的第一厚度。
7.根據權利要求1的方法，其中形成金屬-氮化物層包括形成具有錐形厚度的金屬-氮化物層，錐形厚度包括在底部的第一厚度和緊鄰開口、大於第一厚度的第二厚度。
8.根據權利要求7的方法，其中金屬氮化層的錐形厚度包括隨金屬-氮化物層從底部朝著開口延伸而逐漸增加的厚度。
9.根據權利要求1的方法，其中形成金屬-氮化物層包括，使用金屬模式中空-陰極-磁控管(HCM)濺射在凹槽中形成富Ti-TiN層。
10.根據權利要求9的方法，其中使用金屬模式在凹槽中形成富Ti-TiN層還包括在HCM濺射過程中以不同的流量引入Ar和N2。
11.根據權利要求9的方法，其中使用金屬模式在凹槽中形成富Ti-TiN層還包括在濺射過程中以大於N2氣流量的流量引入Ar氣。
12.根據權利要求11的方法，其中在濺射過程中以大於N2氣流量的流量引入Ar氣包括，以約135sccm的速率引入Ar和約28sccm的速率引入N2。
13.根據權利要求9的方法，其中使用金屬模式中空-陰極-磁控管(HCM)濺射在凹槽中形成富Ti-TiN層還包括，使與Ti靶相關的陰極保持約20千瓦至約40千瓦的功率。
14.根據權利要求1的方法，其中形成金屬-氮化物層還包括使HCM的內部區域中保持約150℃和約350℃的溫度。
15.根據權利要求1的方法，其中形成金屬層包括，在相對於形成金屬-氮化物層沒有真空破壞的條件下形成CVD-Al層。
16.根據權利要求1的方法，其中形成金屬層包括，在約120℃至約130℃的溫度下和在約5.0乇至約10.0乇的壓力下和以約300sccm至約500sccm的流量提供Ar氣，形成CVD-Al層。
17.根據權利要求1的方法，其中形成金屬-氮化物層包括以約4和10秒之間的時間間隔，與N2相比使用更大流量的Ar，在包括凹槽的襯底上濺射Ti靶；以及在時間間隔流逝之後，停止濺射Ti靶。
18.一種在集成電路中形成金屬層的方法，包括在襯底的凹槽中形成TiN溼潤層，包括在凹槽底部的溼潤層中的第一N2濃度，第一N2濃度小於緊鄰凹槽開口的溼潤層中的第二N2濃度；以及使用化學氣相澱積在TiN溼潤層上形成金屬層。
19.根據權利要求18的方法，其中形成TiN溼潤層包括以約3.0秒至約10.0秒的時間間隔濺射鈦靶；以及在時間間隔之後，停止濺射靶。
20.根據權利要求19的方法，其中形成Ti溼潤層包括在金屬模式HCM濺射過程中，以不同的流量引入Ar氣和N2氣。
21.根據權利要求19的方法，其中形成TiN溼潤層還包括以大於N2氣流量的流量引入Ar氣。
22.根據權利要求21的方法，其中在濺射過程中以大於N2氣流量的流量引入Ar氣包括，以約135sccm的流量引入Ar和約28sccm的流量引入N2。
23.根據權利要求19的方法，其中形成TiN溼潤層還包括使與Ti靶相關的陰極保持約20千瓦至約40千瓦的功率。
24.根據權利要求18的方法，其中形成金屬層包括在約120℃至約130℃的溫度下和在約5.0乇至約10.0乇的壓力下和以約300sccm至約500sccm的流量提供Ar氣，形成CVD-Al層。
25.一種在集成電路中形成金屬層的方法，包括在襯底中的凹槽中形成金屬-氮化物層；在與N2相比包括較高濃度Ar的Ar/N2環境中，在襯底上濺射金屬靶，以在凹槽中形成金屬-富金屬-氮化層，在底部具有第一N2濃度，第一N2濃度小於凹槽開口處的第二N2濃度；以及在相對於濺射沒有真空破壞的條件下，使用化學氣相澱積在富金屬-金屬氮化物層上的凹槽中澱積金屬層。
26.根據權利要求25的方法，其中濺射包括，以約3.0秒至約10.0秒的時間間隔濺射鈦靶；以及在時間間隔之後，停止濺射靶。
27.根據權利要求25的方法，其中濺射還包括在濺射過程中以大於N2氣流量的流量引入Ar氣。
28.根據權利要求27的方法，其中引入還包括，以約135sccm的流量引入Ar和約28sccm的流量引入N2。
29.根據權利要求25的方法，其中濺射包括，使用金屬模式中空-陰極-磁控管(HCM)濺射來濺射金屬靶，使與靶相關的陰極保持約20千瓦至約40千瓦的功率。
30.根據權利要求29的方法，其中濺射還包括使HCM內部區域中保持約150℃和約350℃的溫度。
31.根據權利要求25的方法，其中濺射還包括以不同的流量在凹槽的不同部分中澱積金屬層。
32.根據權利要求31的方法，其中澱積還包括在凹槽中以與富金屬-金屬氮化物層的厚度間接地成正比的不同流量澱積金屬層。
33.一種在集成電路中形成金屬層的方法，包括在襯底中的凹槽底部形成金屬-氮化物層至第一厚度，以及在凹槽外面的襯底上形成金屬-氮化物層至第二厚度，其中第一厚度約小於或等於第二厚度的百分之十；以及在凹槽中的層上形成金屬層。
34.根據權利要求33的方法，其中第一厚度包括約等於或小於5.0埃。
35.根據權利要求33的方法，其中第二厚度包括約100埃至約30埃。
36.一種在集成電路中形成金屬層的方法，包括在凹槽內部以與凹槽中的富金屬-金屬氮化物層的厚度間接地成正比的不同流量在錐形厚度的富金屬-金屬氮化物層上澱積CVD金屬層，凹槽上澱積了CVD金屬層。
37.一種集成電路中的金屬層，包括襯底的凹槽中的富金屬-金屬氮化物層，包括在底部的第一N2濃度，第一N2濃度小於凹槽開口處的第二N2濃度；以及富金屬-金屬氮化物層上的凹槽中的CVD金屬層。
38.根據權利要求37的金屬層，其中富金屬-金屬-氮化物層包括在凹槽外的第一厚度和在凹槽底部的第二厚度，其中第一厚度約小於或等於第二厚度的百分之十。
全文摘要
通過在凹槽中形成金屬－氮化物層可以在集成電路中形成金屬層，包括在凹槽底部的金屬－氮化物層中的第一氮濃度，第一氮濃度小於緊鄰凹槽開口的金屬－氮化物層中的第二氮濃度。在凹槽中包括的金屬－氮化物層上可以形成金屬層。
文檔編號H01L21/768GK1716549SQ20051007387
公開日2006年1月4日 申請日期2005年5月25日 優先權日2004年5月25日
發明者韓成鎬, 崔吉鉉, 李相遇, 金洛煥, 崔慶寅 申請人:三星電子株式會社