在低热导率材料上沉积氮化钽扩散阻挡区域的方法技术

本发明专利技术涉及在低ｋ材料上沉积氮化钽（ＴａＮ）扩散阻挡区域的方法。该方法包括在腔中通过进行等离子体增强原子层沉积（ＰＥ－ＡＬＤ）在低ｋ材料衬底（１０２）上从钽基前体和氮等离子体形成保护层（１０４）。保护层（１０４）具有比其钽含量大的氮含量。然后通过进行ＰＥ－ＡＬＤ从钽基前体以及包括氢和氮的等离子体形成基本化学计量的氮化钽层。本发明专利技术还包括这样形成的氮化钽扩散阻挡区域（１０８）。在一个实施例中，该金属前体包括五氯化钽（ＴａＣｌ↓［５］）。本发明专利技术产生低ｋ材料与衬垫材料之间锐利的界面。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总地涉及扩散阻挡层，更特别地，涉及在低k材料上产生锐利阻挡界面的氮化钽扩散阻挡区域的等离子体增强原子层沉积的方法。
技术介绍
原子层沉积(ALD)近来已经被研究用于半导体互连技术，尤其是用于衬垫(liner)应用。ALD是逐层薄膜沉积技术，其进行化学物质的交替暴露。用于铜(Cu)互连技术的各种金属衬垫中，钽(Ta)基材料是最广泛使用的材料之一，因为它们提供高度的热和机械稳定性和扩散阻挡属性、以及良好的粘合性，这些都产生良好的可靠性。常规集成方案包括通过物理气相沉积(PVD)沉积钽/氮化钽(Ta/TaN)双层以用作铜(Cu)扩散阻挡层。然而，该方法的一个缺点在于，随着器件技术朝向亚100nm架构迁移，该技术的定向性质所导致的PVD技术的差的保形性(conformality)已成为一个潜在的问题。ALD所产生的潜在问题包括污染物引入和前体(precursor)与衬底材料之间的可能反应。恶化这些问题的一种特殊材料类型是低热导率(低k)电介质，例如道氏化学(Dow Chemical)的SiLK。例如，通常难以通过常规热ALD在低k材料上生长钽(Ta)基材料。特别地，难以在足够低的温度下生长该材料以用于互连技术，其需要400℃以下的生长温度。为了解决上述问题，等离子体增强ALD(PE-ALD)已经被提出作为一种替代方法。PE-ALD的一个可能问题在于一般使用原子氢(H)作为还原剂来沉积衬垫材料。原子氢的使用对于在低k电介质上旋涂尤其成问题。特别地，公知SiLK与原子氢(H)反应，从而当暴露于原子氢(H)时发生蚀刻。类似地，已知氮化钽(TaN)的PE-ALD产生金属前体与包括氢的等离子体之间的反应。考虑到上述问题，本领域需要一种技术来沉积衬垫材料而不使用原子氢。
技术实现思路
本专利技术包括在低k材料上沉积氮化钽(TaN)扩散阻挡区域的方法。该方法包括在腔中通过从钽基前体和氮等离子体进行等离子体增强原子层沉积(PE-ALD)在低k材料衬底上形成保护层。该保护层具有比其钽含量大的氮含量。然后通过从该钽基前体和包括氢和氮的等离子体进行PE-ALD形成基本化学计量(stoichiometric)的氮化钽层。本专利技术还包括如此形成的氮化钽扩散阻挡区。在一个实施例中，该金属前体包括五氯化钽(TaCl5)。本专利技术产生低k材料与衬垫材料之间锐利的界面。通过本专利技术产生的具有高氮(N)含量的铜(Cu)互连衬垫提供非常稳定的衬垫结构从而防止铜向内扩散到衬底材料中。本专利技术还防止下层(underlayer)的层离(delamination)和混合。本专利技术的第一方面涉及一种在低k材料衬底上形成氮化钽扩散阻挡区域的方法，该方法包括步骤通过等离子体增强原子层沉积(PE-ALD)从钽基前体和氮等离子体在低k材料衬底上形成保护层；以及通过PE-ALD从该钽基前体以及氢和氮的等离子体形成随后的基本化学计量的氮化钽扩散阻挡层。本专利技术的第二方面涉及一种在衬底上形成氮化钽扩散阻挡区域的方法，该方法包括步骤在腔中通过进行第一数量的第一循环在低k材料衬底上形成保护层，每个第一循环包括将该衬底暴露于钽基前体，对该腔抽真空，从该钽基前体和氮等离子体进行等离子体增强原子层沉积(PE-ALD)，以及对该腔抽真空；以及在该腔中通过进行第二数量的第二循环形成随后的基本化学计量的氮化钽扩散阻挡层，每个第二循环包括将该衬底暴露于钽基前体，对该腔抽真空，从该钽基前体以及氢和氮的等离子体进行PE-ALD，以及对该腔抽真空。本专利技术的第三方面涉及与低k材料一起使用的氮化钽扩散阻挡区域，该层包括与该低k材料相邻的保护层，该保护层包括氮化钽材料，具有比钽含量大的氮含量；以及与该保护层相邻的基本化学计量的氮化钽扩散阻挡层。本专利技术的前述和其他特征和优点将从以下关于本专利技术的实施例的特别说明变得明显。附图说明将参照附图详细描述本专利技术的实施例，附图中相似的附图标记表示相似的元件，其中图1示出根据本专利技术的氮化钽扩散阻挡区域的示意性剖视图；图2示出根据本专利技术用于产生TaN扩散阻挡区域的方法流程图；图3示出图2的方法产生的高氮TaN保护层的XRD谱；图4示出热退火期间高氮TaN保护层的光散射和表面电阻曲线；图5A-5B示出扩散阻挡层样品的透射电子显微镜图像；图6A-6B示出图5A-5B的扩散阻挡区域样品的微能量弥散x射线(EDX)数据曲线。具体实施例方式参照附图，图1示出根据本专利技术的用于与低k材料102一起使用的氮化钽(TaN)扩散阻挡区域100。阻挡区域100包括与低k材料102相邻的保护层104，包括TaN材料，具有比钽含量大的氮含量；以及与保护层104相邻的随后的基本化学计量的TaN扩散阻挡层108。如下面将进一步描述的，在低k材料102(例如SiLK)和保护层104之间基本没有反应，导致非常平滑且锐利的界面。另外，保护层104成功地防止原子氢(H)与SiLK层102在后面的基本化学计量的TaN层108的形成期间相互作用，且允许层108即使在低k材料(例如SiLK)102上也能顺利生长。参照图2，示出根据本专利技术利用等离子体增强原子层沉积(PE-ALD)形成高氮TaN保护层104和基本化学计量的TaN扩散阻挡层的方法的流程图。应理解，将相关于该方法对样品的一个示例性应用来描述本专利技术。然而，本专利技术不限于该特定示例性应用的操作参数，例如温度、压强等，除了所附权利要求描绘的那些。如图所示，该方法包括如PE-ALD技术预期的那样重复多次循环。在一个示例性实施例中，该方法在能够操纵直径200mm大的样品尺寸的非商用ALD腔中进行。该腔可包括反应气体级涡轮分子泵，具有10-7托的工作基压(base pressure)。样品加热可利用陶瓷电阻加热板进行，其提供达450℃的生长温度。在一个实施例中，该方法在约300℃进行。所述温度可通过改变到所述加热器的电流来改变，这可以参照附着到样品的热偶(thermocouple)来校准。在第一步骤S1，通过PE-ALD从钽基前体和氮等离子体在低k材料衬底102(图1)上形成保护层104(图1)。特别地，在步骤S1A，衬底暴露于钽基前体。在一个实施例中，容纳在玻璃管中的固体五氯化钽(TaCl5)(粉末形式)用作钽基前体。然而，也可以替代地使用五碘化钽(TaI5)、五氟化钽(TaF5)或五溴化钽(TaBr5)。玻璃管可维持在例如90℃的温度从而形成适当的蒸气压。另外，传送管线(delivery line)可被加热在90-110℃之间从而阻止该前体的凝结。为了改善钽基前体的传输，可以使用包括例如氩(Ar)的载气，其流量可以通过源管上游的质量流控制器来控制。在一个实施例中，衬底暴露于Ar气携载的＞1000朗缪尔(Langmuir，L)的TaCl5。一朗缪尔等于在10-6托暴露1秒。其上可进行该方法的衬底包括任何低k材料，例如二氧化硅(SiO2)、浸氢氟酸的硅(Si)、以及诸如二氧化硅上SiLK的低k电介质材料。但是，其他衬底也是可行的。在步骤S1B中，例如利用真空泵对腔抽真空。在一个实施例中，在金属前体与等离子体暴露(下面的步骤S1C或步骤S2C)之间没有使用清洗气体。然而，应意识到，可以使用清洗气体，其不会改变本方法的结果。在步骤S1C中，衬底暴露于氮等离子体。在此本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在衬底上形成氮化钽扩散阻挡区域的方法，该方法包括步骤：在腔中通过进行第一数量的第一循环在低ｋ材料衬底（１０２）上形成保护层（１０４），每个第一循环包括：将该衬底暴露于钽基前体，将该腔抽真空，从该钽基前体和 氮等离子体进行等离子体增强原子层沉积（ＰＥ－ＡＬＤ），以及将该腔抽真空；以及在该腔中通过进行第二数量的第二循环形成随后的基本化学计量的氮化钽扩散阻挡层（１０８），每个第二循环包括：将该衬底暴露于钽基前体，将该 腔抽真空，从该钽基前体以及氢和氮的等离子体进行ＰＥ－ＡＬＤ，以及将该腔抽真空。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2004-6-2 10/709,8651.一种在衬底上形成氮化钽扩散阻挡区域的方法，该方法包括步骤在腔中通过进行第一数量的第一循环在低k材料衬底(102)上形成保护层(104)，每个第一循环包括将该衬底暴露于钽基前体，将该腔抽真空，从该钽基前体和氮等离子体进行等离子体增强原子层沉积(PE-ALD)，以及将该腔抽真空；以及在该腔中通过进行第二数量的第二循环形成随后的基本化学计量的氮化钽扩散阻挡层(108)，每个第二循环包括将该衬底暴露于钽基前体，将该腔抽真空，从该钽基前体以及氢和氮的等离子体进行PE-ALD，以及将该腔抽真空。2.根据权利要求1的方法，该钽基前体选自包括五氯化钽(TaCl5)、五碘化钽(TaI5)、五氟化钽(TaF5)和五溴化钽(TaBr5)的组。3.根据权利要求1的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：德伦N邓恩，金亨俊，斯蒂芬M罗斯纳杰尔，徐顺天，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]