製造具有擴散阻擋層的半導體裝置的方法
2023-05-15 23:49:41 1
專利名稱：製造具有擴散阻擋層的半導體裝置的方法
技術領域：
本發明涉及用於製造一半導體裝置的方法，尤其涉及用於在一半導體裝置中製造一擴散阻擋層的方法。
背景技術：
在一半導體裝置中，一擴散阻擋層作為延遲擴散至最大程度或防止互連線與一基板間，以及互連線間的化學反應的角色。一穩定的擴散阻擋層是開發一可靠的半導體裝置所必須的，然而擴散阻擋層不能很好地防止這種擴散且因此，擴散阻擋層的能力取決於擴散阻擋層在一熱處理中的不同條件下可耐用多久。
擴散阻擋層有被需要的特性。擴散阻擋應該是熱動力穩定的甚至在擴散阻擋層通過被形成於互連線與基板間接觸至互連線與基板的情況下。而且擴散阻擋層應該具有絕佳的黏著與低接觸電阻，而且擴散阻擋層應該具有對熱與機械應力的強容許度，對基板具有一相似的熱膨脹係數，且具有絕佳的導電性。
最近，因為一半導體裝置的集成規模的增加，連接一上互連線與一下互連線的一開口的縱橫比(aspect ratio)大幅地增加。一化學氣相沉積方法被用作為通過使用一金屬，例如一鎢(W)層以填補這些具有一大縱橫比的接觸孔的一方法。以下，經由化學氣相沉積方法的使用以形成鎢層的過程被表示為CVD鎢過程。
如以上所提及的CVD鎢過程，鎢層使用六氟化鎢(WF6)作為一前驅物(precursor)，此時一先行地沉積氮化鈦(TiN)作為擴散阻擋層的方法被使用以避免前驅物與前驅物分解的成份滲透進入下層。當沉積氮化鈦，一物理氣相沉積法(PVD)主要被使用；然而最近隨著縱橫比增加，一化學氣相沉積方法(CVD)更經常被使用。
圖1A與1B為簡要地說明經由一傳統的CVD鎢過程用以形成一金屬接觸的方法的示意圖。
參考圖1A，一金屬間絕緣層12被形成在一下金屬互連線11上。接著金屬間絕緣層12被蝕刻，由此形成曝露下互連線11的一部分的一開口13。
其次，一擴散阻擋層14被沉積在接觸孔13與該金屬間絕緣層12上，接著一鎢層15經由CVD鎢過程被沉積於擴散阻擋層14上直至填充該接觸孔13。此時擴散阻擋層14通過沉積一鈦(Ti)層與一氮化鈦(TiN)層而被形成，且當經由CVD方法沉積鎢層15時，一源氣體使用六氟化鎢(WF6)。
參考圖1B，一化學機械拋光過程(CMP)或一回蝕過程被執行。從此過程，圖1A中所示的擴散層14與鎢層15僅在該接觸孔13內部保留直到金屬間絕緣層12的一表面被曝露，於此，一參考數字15A標註一鎢塞其為一殘餘的鎢層。鎢塞15A作為連接該下金屬互連線11與一隨後的上金屬互連線的一金屬接觸的角色。
其次，另一個氮化鈦(TiN)層16被沉積在鎢塞15A上作為一黏著層，且一鎢層17被沉積在氮化鈦層16上。接著，該鎢層17和氮化鈦層16被圖案化，由此形成該上金屬互連線。
在此傳統方法中，氮化鈦(TiN)層被作為擴散阻擋層且鈦(Ti)層被用作該氮化鈦層的一溼層(wetting layer)。
因為接觸孔的縱橫比隨著半導體裝置的集成規模增加而快速地增加，在擴散阻擋層中需要許多的改變，例如在一存儲裝置具有一大小等於或小於100nm的情形中，經由一CVD方法直接沉積一薄氮化鈦(TiN)層而不沉積一鈦(Ti)層的方法被提出以減少接觸電阻。
然而，在僅沉積氮化鈦層的情形中，該氮化鈦層與被沉積於氮化鈦層下的金屬間絕緣層的黏著被惡化。而且因為氮化鈦層以島型成長，難以形成一連續薄層。所以一個不利點是氮化鈦層應該以超過一預定厚度的厚度被沉積以形成連續薄層。另外，接觸電阻的增加並非是可避免的因為電阻率隨著氮化鈦層的厚度增加而增加。即是，經由CVD方法所沉積的氮化鈦層具有比鎢層，即一主埋金屬(main burying metal)高的電阻率，因此導致接觸電阻的增加。而且該接觸電阻增加較大的程度因為假如氮化鈦層的厚度變得較厚以確保該氮化鈦層所設想的角色，即作為擴散阻擋層的角色，具有一高電阻率的一物質被厚地沉積。
如上提及的接觸電阻的增加可造成接觸電阻隨著接觸孔的縱橫比增加而增加較大的程度的問題。
依此，有必要儘可能薄地沉積擴散阻擋層而不劣化擴散阻擋能力。而且它是改進擴散阻擋層與下層間的黏著的一主要條件。
發明內容
因此本發明的一目的為提供一種製造具有能確保擴散阻擋能力同時與下層具有絕佳黏著的擴散阻擋層的一半導體裝置的方法。
依據本發明的一觀點，提供一種製造一半導體裝置的方法，包括步驟形成一絕緣層一金屬互連線；蝕刻絕緣層，由此形成一開口以曝露金屬互連線的一部分；形成一浸漬層(soaking layer)於絕緣層與開口上；形成一擴散阻擋層於浸漬層上；以及將一金屬層填進開口。
依據本發明的另一觀點，提供一種製造一半導體裝置的方法，包括步驟形成一絕緣層於一包含矽的一半導體層上；蝕刻絕緣層，由此形成一開口以曝露半導體層的一部分；形成一矽化物層於半導體層的曝露部分上；形成一浸漬層於矽化物層與開口上；形成一擴散阻擋層於浸漬層上；以及將一金屬層填進開口。
本發明的以上及其他目的與特徵將通過以下所給的結合附圖的較佳實施例的描述而變得較易了解，其中圖1A到1B為剖面圖簡要地說明經由使用一傳統的化學氣相沉積方法形成基於鎢的一金屬接觸的一方法；圖2A到2D為剖面圖說明依據本發明的形成氮化鈦(TiN)製成的一擴散阻擋層的一方法；
圖3A到3D為剖面圖說明依據本發明的製造形成於一互連線上的一接觸的一方法；圖4A到4E為剖面圖說明依據本發明的製造形成於矽上的一接觸的一方法；以及圖5A到5E為剖面圖說明依據本發明的製造形成於矽上的一接觸的一方法。
具體實施例方式
以下本發明的較佳實施例的詳細描述將參考附圖被提供。
本發明的較佳實施例提出製造一薄氮化鈦(TiN)擴散阻擋層的方法，擴散阻擋層通過引入使用硼(B)的浸漬技術而能夠確保擴散阻擋能力同時與下層具有絕佳黏著。
圖2A到2D為剖面圖說明依據本發明的形成氮化鈦(TiN)製成的一擴散阻擋層的一方法。
參考圖2A，對經由四氯化鈦(TiCl4)與氨(NH3)間的分子反應形成一氮化鈦層的化學氣相沉積方法(CVD)，已硼烷(B2H6)22做為一浸漬材料先前地被導入至一基板21，該基板以從大約100℃到大約800℃的一溫度範圍被加熱以產生一反應。此時一腔體的壓力被維持於從大約0.1mtorr到大約100torr的範圍。
參考圖2B，當乙硼烷22被導入該腔體，一些浸漬層23被形成於該基板21的表面上。於此，浸漬材料在增加黏著方面起著重要的作用，且在沉積擴散阻擋層前通過預處理該基板21幫助擴散阻擋層以一層一層型式生長。在一表面預處理過程後形成在該基板的表面上的一層被稱為一浸漬層。
參考圖2C，在形成浸漬層23例如硼層後，包含四氯化鈦24與氨25的氣體被導入基板21。
參考2D，假如注入包含四氯化鈦24與氨25的氣體，氮化鈦核均勻地以一快速度被產生在基板21的表面上，因為吸收在基板21表面上的硼會與四氯化鈦24快速反應。因此一薄氮化鈦層26以從大約1nm到大約10nm的一大小範圍被連續地形成。此時氯(Cl)與氫(H)反應的副產品被蒸發。於此，一參考數字27表示這些副產品。
依據圖2A到2D，氮化鈦層26與下層，即浸漬層23的黏著由於氮化鈦核的均勻產生與硼的一溼特性而被大幅改進。
雖然已硼烷22被示例為形成圖2A到2D中浸漬層23的一主要成份，矽烷(SiH4)也可作為形成浸漬層的主要成份。也可能通過使用等離子體執行一預處理過程而形成浸漬層23。預處理過程通過在包括以一大約0℃至大約800℃的溫度範圍所加熱的基板上供應有一射頻(RF)或一直流(DC)功率的浸漬材料的反應器(reactor)中直接形成一等離子體而被實施。而且預處理過程通過使用由一惰性氣體如氬(Ar)製成的一遠端等離子體(remote plasma)激活浸漬材料而被實施；且通過使用所激活的浸漬材料預處理一基板的表面。
圖3A到3D為剖面圖說明依據本發明的第一實施例在一互連線上形成的一開口的方法，其中用以形成圖2A到2D中所示的一擴散阻擋層的一方法被施加至該開口形成方法。
參考圖3A，一層間絕緣層或一金屬間絕緣層32被形成在一下金屬互連線31上。雖然該金屬間絕緣層32被用作為第一實施例的一解釋，本發明可應用於一層間絕緣層。其後金屬間絕緣層32被蝕刻以形成一曝露該下金屬互連線31的一部分的一開口33。下金屬互連線31可通過使用選自於鎢(W)、鋁(AL)、銅(Cu)、鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)氮化鉭(TaN)、鉭(Ta)與氮化鎢(WN)組成的一組中的一材料而被形成，且稍後被形成的上金屬互連線可通過使用在鎢層旁的鋁與銅之一而被形成。
參考圖3B，乙硼烷34作為一浸漬材料被導入維持在大約400℃至大約700℃的在溫度範圍的CVD腔體，用以吸收該注入的乙硼烷34的一膠層35被形成於接觸孔33內與金屬間絕緣層32上。於此該膠層35通過從乙硼烷34吸收硼被形成直到它從亞單層(sub-monolayer)生長至數個單層。
參考圖3C，因為包含四氯化鈦24與氨36的預定氣體36被導入CVD腔體，氮化鈦核以一快速度被均勻產生在膠層35上，因為膠層35會與預定的氣體36的四氯化鈦快速反應。因此一薄氮化鈦層37以從大約1nm到大約10nm的一大小範圍被連續地形成。此時氯(CL)與氫(H)反應的副產品被蒸發。
參考圖3D，一鎢層38經由一CVD方法被沉積在一薄氮化鈦層37上，直至被填入接觸孔33。於此當經由CVD方法沉積鎢層38時，六氟化鎢(WF6)被用作為一源氣體。
依據以上實施例，用於引入浸漬材料的一過程可在與形成氮化鈦層的CVD腔體分離的腔體中被實施。然而假如浸漬材料的射出過程對CVD腔體於同腔體原處(in-situ)被實施，在生產量與成本效率的改進可被實現。
依據以上實施例，薄氮化鈦層37被形成在膠層35上作為一擴散阻擋層。該薄氮化鈦層37為薄的且均勻的，且具有絕佳黏著因為該薄氮化鈦層37被形成在該膠層35上。
圖4A到4E為剖面圖說明依據本發明的第二實施例形成在矽基板上的一開口的方法，其中用以形成圖2A到2D中所示的擴散阻擋層的方法被用於該開口形成方法。
參考圖4A，一層間絕緣層42被形成在含有矽的一半導體層41上。其後層間絕緣層42被蝕刻以形成曝露該半導體層41的一部分的開口43。
參考圖4B，一化學氣相沉積方法(CVD)被使用以形成鈦層44。對CVD方法，四氯化鈦與氫氣被使用。此時該鈦層44被沉積在通過接觸孔43所曝露的半導體層41的一部分、接觸孔43的內壁以及層間絕緣層42上。
同時，因為鈦層的沉積在從大約400℃至大約700℃的一高溫範圍被執行，在沉積該鈦層44過程中，半導體層41中的矽與鈦層44中的鈦彼此反應，以形成一矽化鈦(TiSi2)層45於通過該開口所曝露的半導體層41的部分上。
如上所提及的，有可能形成矽化鈦層45且同時地沉積鈦層44，因為一額外的熱過程是不需要的，因為用以形成鈦層44的CVD方法在一高溫中被實施。
參考圖4C，鈦層44被沉積於其上的半導體層44被移送至被維持於從大約400℃至大約700℃的一溫度範圍的CVD腔體。後來乙硼烷46被導入CVD腔體作為浸漬材料，且接著一乙硼烷基膠層47被形成在鈦層44上。於此乙硼烷基膠層47採用源自於乙硼烷46的硼被形成且從亞單層成長至數個單層。
參考圖4D，因為包含四氯化鈦與氨的預定氣體48被注入，氮化鈦核被均勻地以一快速度產生在乙硼烷基膠層47上，因為乙硼烷基膠層47與預定氣體48中的四氯化鈦快速反應。這樣一薄氮化鈦層49被連續地以從大約1nm到大約10nm的一大小範圍被形成。此時氯與氫反應的副產品被蒸發。
參考圖4E，一鎢層50被沉積在薄氮化鈦層49上直到被填入接觸孔43。此時在經由CVD方法沉積鎢層50的過程中，六氟化鎢被用作為一源氣體。
如圖4A到4E中所解釋，在含矽的半導體層上形成開口的情況中，矽化鈦層被形成在開口的底部以減少接觸電阻，且接著該薄氮化鈦層作為一擴散阻擋層被形成。於此，當使用四氯化鈦與氨氣沉積該薄氮化鈦層49時，乙硼烷基膠層47提供避免含於四氯化鈦氣體中的氯引起對矽化鈦層損害的一優點。
除矽化鈦(TiSi2)層外，矽化鉭(TaSi2)、矽化鎢(WSi2)、矽化鈷(CoSi2)與矽化鎳(NiSi2)之一可被用作為形成在該開口的預定部分上的矽化物材料。所以除鈦層形成外更可能使用鉭(Ta)、鎢(W)、鈷(Co)與鎳(Ni)之一。
圖5A到5E為剖面圖說明用於在矽上形成一開口的方法，其中用於形成在圖2A到2D中所示的擴散阻擋層的方法被應用至該開口形成方法。
參考圖5A，一層間絕緣層52被形成在一含矽半導體層51上，且接著曝露半導體層51的一部分的一開口53通過蝕刻該層間絕緣層52而被形成。
參考圖5B，一矽化鈦層54通過實施一矽化(salicide)過程被直接形成在該開口53所曝露的半導體層51的一部分上。
於此過程過程通過使用數個連續步驟進行。雖然未被說明，一鈦層首先通過實施一物理氣相沉積(PVD)方法被形成。接著一預定熱過程被採行以促使含矽的半導體層51與鈦層間的反應，由此於通過開口53所曝露的半導體層51的一部分上形成矽化鈦層54。最後無反應的鈦分子被移除。
參考圖5C，具有矽化鈦層54的半導體層51被加載至維持在大約400℃至大約700℃的一溫度範圍的一CVD腔體。然後，因為乙硼烷55被用作為一浸漬材料被注入CVD腔體，一乙硼烷基膠層56被形成在層間絕緣層52與矽化鈦層54上。於此乙硼烷基膠層56被形成，因為被含於浸漬材料中的硼即乙硼烷55被吸收於乙硼烷基膠層56上且自亞單層生長至數個單層。
參考圖5D，在包含四氯化鈦與氨的預定氣體57被導入CVD腔體，氮化鈦核被均勻地以一快速度產生，因為乙硼烷基膠層56與預定氣體57中的四氯化鈦快速反應。所以一薄氮化鈦層58被連續地以從大約1nm到大約10nm的一大小範圍形成。此時氯與氫氣反應的副產品被蒸發。
參考圖5E，一鎢層59被沉積在薄氮化鈦層58上直到被填入接觸孔53。此時在經由CVD方法沉積鎢層59的過程中，六氟化鎢被用作為一源氣體。
如經由圖5A到5E所描述，在含矽的半導體層上形成開口的情況，矽化鈦層被形成在開口的底部以減少接觸電阻且接著，該薄氮化鈦層作為一擴散阻擋層被形成。於此乙硼烷基膠層提供當使用四氯化鈦與氨沉積該薄氮化鈦層時避免含於四氯化鈦中的氯引起對矽化鈦層損害的一優點。
除矽化鈦層外，有可能使用矽化鉭、矽化鎢、矽化鈷與矽化鎳之一。
另外被用作擴散阻擋層的氮化鉭(TaN)、氮化鎢(WN)、鎢化鈦(TiW)和非晶金屬可被均勻地形成於一薄厚度中能夠通過引入浸漬技術而得到的絕佳黏著的同時作用該擴散阻擋層。
本發明提供減少一高度集成半導體裝置的金屬接觸電阻且改進氮化鈦層的黏著效果，該氮化鈦層被用作為對具有位於氮化鈦層下的下層的鎢層的擴散阻擋層。
而且因為薄氮化鈦層為高度稠密化的，擴散阻擋層的特性被提升，且因為擴散阻擋層在包含浸漬材料的膠層存在時經由CVD方法被形成，下層可被保護免於被汙染，例如滷素，其可從用於CVD方法中的先驅物被產生。
本發明包含主題關於韓國專利申請號KR 2004-0031921，其系2004年5月6日申請於韓國專利局，其全部內容被併入於此作為參考。
當本發明參考一些較佳實施例已被描述，可在不用偏離如界定於以下權利要求的本發明精神與範疇的情況下做出各種變更與修改，這對本領域的技術人員將是明顯的。
11，31金屬互連線12，32金屬間絕緣層13，33，43接觸孔14擴散阻擋層15，17鎢層16，26，58，37，49氮化鈦層15A 鎢塞21基板22，34，46，55乙硼烷23浸漬層24四氯化鈦25氨27反應副產品35膠層36，48，57預定氣體38，50，59鎢層41，51半導體層42，52層間絕緣層44鈦層45，54矽化鈦層47，56乙硼烷基膠層53開口
權利要求
1.製造一半導體裝置的方法，包括步驟形成一絕緣層一金屬互連線；蝕刻絕緣層，由此形成一開口以曝露金屬互連線的一部分；形成一浸漬層於絕緣層與開口上；形成一擴散阻擋層於浸漬層上；與將一金屬層填進開口。
2.如權利要求1的方法，其中浸漬層通過使用乙硼烷(B2H6)被形成。
3.如權利要求1的方法，其中浸漬層通過使用矽烷(SiH4)被形成。
4.如權利要求1的方法，其中浸漬層經由一化學氣相沉積方法被形成。
5.如權利要求1的方法，其中浸漬層經由一等離子體氣氛被形成。
6.如權利要求1的方法，其中浸漬層在從大約100℃至大約800℃的一溫度範圍且從大約0.1mtorr到大約100torr的一壓力範圍下被形成。
7.如權利要求1的方法，其中浸漬層在從大約0℃至大約800℃的一溫度範圍通過使用一射頻功率與一直流電流功率之一直接形成等離子體而被形成。
8.如權利要求1的方法，其中形成該浸漬層的步驟包括如下步驟通過使用包括惰性氣體的遠端等離子體激活浸漬材料；且通過使用所激活的浸漬材料提供一預處理過程。
9.如權利要求1的方法，其中擴散阻擋層通過使用選自於氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)、氮化鎢(WN)、鎢化鈦(TiW)與一非晶金屬組成的一組中的材料而被形成。
10.一種製造一半導體裝置的方法，包括步驟形成一絕緣層於包含矽的一半導體層上；蝕刻絕緣層，由此形成一開口以曝露半導體層的一部分；形成一矽化物層於半導體層的曝露部分上；形成一浸漬層於矽化物層與開口上；形成一擴散阻擋層於浸漬層上；與將一金屬層填進開口。
11.如權利要求10的方法，其中浸漬層通過乙硼烷(B2H6)被形成。
12.如權利要求10的方法，其中浸漬層通過矽烷(SiH4)被形成。
13.如權利要求10的方法，其中浸漬層通過一化學氣相沉積方法被形成。
14.如權利要求10的方法，其中浸漬層經由一等離子體氣氛被形成。
15.如權利要求10的方法，其中浸漬層在從大約100℃至大約800℃的一溫度範圍且從大約0.1mtorr到大約100torr的一壓力範圍下被形成。
16.如權利要求10的方法，其中浸漬層在從大約0℃至大約800℃的一溫度範圍通過使用射頻功率與直流電流功率之一直接形成一等離子體而被形成。
17.如權利要求10的方法，其中形成浸漬層的步驟包括步驟通過使用包括惰性氣體的一遠端等離子體激活浸漬層材料；通過使用所激活的浸漬材料提供一預處理過程。
18.如權利要求10的方法，其中擴散阻擋層通過使用選自於氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)、氮化鎢(WN)、鎢化鈦(TiW)與一非晶金屬組成的一組中的材料而被形成。
19.如權利要求10的方法，其中形成矽化物層的步驟包括在一高溫下通過使用一化學氣相沉積方法形成一金屬層於開口與絕緣層上的步驟，因此在金屬層形成過程中在被開口所曝露的半導體層的一部分上形成矽化物層。
20.如權利要求10的方法，其中金屬層基於選自於Ti、Ta、W、Co與Ni組成的一組中的材料。
21.如權利要求10的方法，其中形成矽化物層的步驟包括在一高溫下通過使用一化學氣相沉積方法形成一金屬層於該開口與該絕緣層上的步驟，因此在金屬層形成過程中在被開口所曝露的半導體層的一部分上形成矽化物層。
22.如權利要求21的方法，其中金屬層基於選自於Ti、Ta、W、Co與Ni組成的一組中的材料。
全文摘要
本發明涉及用於製造一半導體裝置的一擴散阻擋層的方法，該方法包括步驟形成一絕緣層一金屬互連線；蝕刻絕緣層，由此形成一開口以曝露金屬互連線的一部分；形成一浸漬層於絕緣層與開口上；形成一擴散阻擋層於浸漬層上；且將一金屬層填進開口。
文檔編號H01L21/02GK1694238SQ200410104169
公開日2005年11月9日 申請日期2004年12月30日 優先權日2004年5月6日
發明者黃義晟 申請人:海力士半導體有限公司