溅射靶制造技术

本发明专利技术在此描述了涉及可被用来形成钛合金溅射靶的新型含钛材料。该钛合金溅射靶可以在含氮空气中进行反应溅射而形成一个ＴｉＮ合金膜，或者在含氮及含氧的溅射空气中进行溅射，从而形成一个ＴｉＯＮ合金膜。与用于薄膜Ｃｕ势垒层的ＴａＮ相比，根据本发明专利技术形成的薄膜可以具有无柱状晶粒结构、低电阻率、高化学稳定性及势垒层特性。另外，对半导体用途来说，根据本发明专利技术制造的钛合金溅射靶材料与高纯度钽材料相比有更高费效比并且具有适合高功率溅射用途的出色的机械强度。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及具有更高的铜扩散阻挡特性的钛合金薄膜。本专利技术也涉及钛合金溅射靶并且涉及禁止铜扩散入基底的方法。参见附图说明图1、2来描述与TiN势垒层有关的问题。确切地说，图1示出了优选的势垒层结构，图2示出了与TiN势垒层有关的问题。先参见图1，其中示出一个半导体晶片段10。晶片段10包括一可以包含如单晶硅的基底12。为了有助于解释后面的权利要求，术语“半导电基底”和“半导体基底”被定义为任何包括半导电材料的构造其中不局限于此地包括大批半导电材料如半导体晶片(单件或其上有其它材料的组件)和半导电材料层(单件或含其它材料的组件)。术语“基底”指不局限于此地包含上述半导电基底的任何支承结构。在基底12上形成一绝缘层14。绝缘层14可以包含如二氧化硅或磷硅酸硼(BPSG)。或者，绝缘层14可以包含介电常数小于或等于3.7的氟化二氧化硅或所谓的“低k”介电材料。在特殊实施例中，绝缘层14可以包含介电常数小于或等于3.0的绝缘材料。如此形成一势垒层16，即它延伸于绝缘材料14的一沟槽内，并且在势垒层16上形成一含铜籽晶层18。含铜籽晶层18可以通过如高纯度铜靶溅射沉积而形成，术语“高纯度”是指纯度至少为99.995％(如4N5纯度)的靶。含铜材料20形成在含铜籽晶层18上并且例如可以通过电化沉积到籽晶层18上来形成。含铜材料20和籽晶层18可以被共同称为铜基层或铜基物质。设置势垒层16的目的是防止铜从材料18、20中扩散到绝缘材料14中。据说，现有技术的钛材料不适用作防止铜扩散的势垒层。参见图2来描述与现有技术的含钛材料有关的问题，图2示出了图1的构造10，但它经过修改而显示出如果纯钛或氮化钛被用作势垒层16时可能发生的特殊问题。尤其是，图2表示经过势垒层16的通道22。通道22可以由与势垒层16钛材料有关的柱状晶长大而产生。通道22有效地为铜经过含钛势垒层16扩散到绝缘材料14中提供了通路。柱状晶长大可以发生在Ti或TiN层16的形成期间内，或发生在沉积后的高温处理期间内。确切地说，人们发现，即使是在没有柱状晶的情况下沉积现有技术的钛材料，该材料可能在超过450℃的温度下也失效。在努力避免图2所述问题的尝试中，人们已研究出用于扩散层16的非钛势垒材料。在所研制出的材料中包括了氮化钛(TaN)。人们发现，TaN作为防止铜扩散的势垒层具有大小近纳米级的晶粒组织及优良的化学稳定性。但是，与TaN有关的困难之处在于，钽的高成本使得很难经济地把TaN层合并到半导体加工过程中。换句话说，我们已经发现，许多钛合金与钽相比在溅射靶和溅射膜中都具有更出色的机械性能；因此，使它们适用于高功率用途。钛合金的成本比钽低。因而，如果可以为以含钛材料而不是以含钽材料为禁止铜扩散的势垒层研制出方法，则与用铜内连接技术的使用相比可以降低微电子工业的材料成本。因此，人们希望研制出新的、适用作阻止或防止铜扩散的势垒层的含钛材料。含钛材料可以具有任何纯度，但最好是高纯度的；术语“高纯度”是指纯度至少为99.95％(即，3N5纯度)的靶。一方面，本专利技术包括一种溅射靶，它包含Ti及一种或多种其标准电极电位小于-1.0伏的合金元素。在有Zr、Al或Si的情况下，人们希望它们不以与Ti的二元合金(二元合成物为TiZr、TiAl和TiSi)的形式存在。另外，如果靶包含二元合金TiZr，则希望Zr量为32原子％-38原子％或12原子％-18原子％；或者需要有大于0原子％且小于50原子％的Zr存在于Cu势垒层中。在溅射靶包含几种合金元素的实施例中，所有合金元素都可以有小于-1.0伏的标准电极电位，或者不是所有的合金元素都有小于-1.0伏的标准电极电位。在另一方面中，本专利技术包含禁止铜扩散到基底中的方法。一包含钛及一种或多种其标准电极电位小于-1.0伏的合金元素的第一层形成在该基底上。然后，一铜基层形成在第一层上并通过第一层与基底隔开。第一层禁止铜从铜基层扩散到所述基底中。在另一方面中，本专利技术包含一种溅射靶，它包含Ti及一种或多种熔化温度大于或等于2400℃的元素。在溅射靶包含多种除Ti外的合金元素的实施例中，除Ti外的所有元素都有大于或等于2400℃的熔化温度，或者不是除Ti外的所有元素都有大于或等于2400℃的熔化温度。在另一方面中，本专利技术包含一种溅射靶，它包含Ti及一种或多种其原子半径相对Ti差了至少8％或10％并且在某些应用中至少差20％的合金元素。在溅射靶包含多种合金元素的实施例中，所有元素都具有相对Ti至少差8％的原子半径差，或者不是所有的元素都具有相对Ti至少差8％的原子半径差。为解释本说明书和后续的权利要求书，“钛基”材料被定义为钛为主要元素的材料，而“合金元素”被定义为在特定材料中不是主要元素的元素。“主要元素”被定义为其含量比材料的任何其它元素都高的元素。主要元素可以是材料的主导元素，但也可以存在小于材料的50％。例如，钛可以是一种其中钛只有30％的材料的主要元素，假定在材料中的其它元素的含量都不大于或等于30％。含量小于或等于30％的其它元素就是“合金元素”。在此所述的钛基材料经常包含含量为0.001原子％-50原子％的合金元素。在此提及的百分比和含量为原子百分比和含量，明确指明不是原子百分比或含量的百分比与含量除外。另外，为解释说明书和后续权利要求书，“铜基”材料被定义为以铜为主要元素的材料。图1是现有技术的半导体晶片段的横截面图，它示出了通过势垒层与绝缘材料隔开的半导电铜材料。图2是图1的现有技术晶片段的视图，它示出了在以现有技术的含Ti材料为势垒层时可能发生的问题。图3是在本专利技术方法的预备步骤中的半导体晶片段的横截面图。图4是在图3步骤后的处理步骤中的图3晶片段的视图。图5是在图4步骤后的处理步骤中的图3晶片段的视图。图6是在图5步骤后的处理步骤中的图3晶片段的视图。图7是图5晶片段的局部放大图。图8是是曲线图，它示出了与沿图4所示轴线的含铜层、TiQ层和SiO层有关的材料“Q”的相对浓度。图9是曲线图，它示出了与沿图5所示轴线的含铜层、TiQ层和SiO层有关的材料“Q”的相对浓度。图10表示与现有技术的Ta相比Ti-Zr合金的机械特性的改善。图11是示范溅射靶构造的横截面示意图。图12是如沉积的Ti0.45Zr0.024N0.52的卢瑟福反散射能谱法截面。图13表示Ti0.45Zr0.024N0.52的片层电阻，Rs间距等于1/3sigma，而所示的梯度对应于68.99；67.88；66.76；65.65；64.54；63.42；62.31；61.19；和60.08。图14表示Ti0.45Zr0.024N0.52在450℃-700℃下真空退火1小时后的卢瑟福反散射能谱法截面。图15表示在从晶片上剥下Cu层后的TiZrN薄膜的卢瑟福反散射能谱法截面。TiZrN薄膜和Cu层最初为按照本专利技术的一个示范方法形成的结构的一部分，所示数据表明铜在700℃下经过5小时后没有明显扩散到TiZrN层中。见图4，一个势垒层58形成在绝缘层54上并在开口56内。根据本专利技术，势垒层58含钛并且被构造成要阻止其从随后形成的铜基层扩散到绝缘材料54中。在本专利技术一个方面中，势垒层58含钛及一种或多种其标准电极电位(尤其是用Cl-1/Cl参考电极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种被用来形成一个与含铜材料有关的势垒层的并含有Ｔｉ及一种或多种其标准电极电位小于约－１．０Ｖ的合金元素的溅射靶。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：J李，S图尔纳，L尧，
申请(专利权)人：霍尼韦尔国际公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]