低电阻率的钽

1.一种生产具有约15微欧姆-厘米或更低的电阻率的α相的钽的方 法，其中包括在等离子体中，使用惰性气体和氮气的混合气体以获得约 1～10毫乇的有效压力，以及使用约0.5～6千瓦的功率，从钽源进行溅 射沉积，其中，所述惰性气体的流速为约50～130标准立方厘米/分，氮 气的流速为约20～60标准立方厘米/分。
2.根据权利要求1的方法，其中，钽源的纯度至少约99.9％。
3.根据权利要求1的方法，其使用的是一种直流磁控源构造。
4.根据权利要求1的方法，其中，在通入气体之前，反应室被抽 至至少为1.0×10-6乇的真空水平。
5.根据权利要求1的方法，其中，钽的沉积速率为约1200～1500/ 分。
6.根据权利要求1的方法，其中，惰性气体为氩。

技术领域\n本发明涉及一种具有较低电阻率和高取向程度的α相的钽及其制 备方法。另外，根据本发明的α相的钽尤其可用作阻挡层，并且，特别 是可在铜芯片互连结构中应用。此外，所述α相的钽在这种结构中起冗 余电流层的作用，而且，可在芯片结构、封装、平板显示以及磁性元件 中应用。\n背景技术\n铝及其相关合金，AlCu，是目前主要使用的形成电子器件如集成电 路的互连线路的导体。典型地，AlCu中的Cu量为约0.3～4％。\n用Cu以及Cu合金取代AlCu作为芯片互连材料具有改善芯片性能 的优点。性能改善的原因在于Cu以及某些铜合金的电阻率比AlCu的 电阻率低。除性能外，也能够获得高的芯片成品率和较高的电路布线密 度。\n另外，采用Cu作为半导体器件中的互连线已更加引人注目，因为 与较传统的铝或铝合金互连线相比，这种互连线对电迁移失效的敏感性 较小。\n铜金属化的优点已为整个半导体工业界所认识。铜金属化已经成为 广泛研究的课题，这点可为“Materials Research society(MRS)Bulletin” 两整期的内容所证实。其中致力于该课题的学术研究的一期是MRS Bulletin，第十八卷，第六期(1993年6月)，致力于工业研究的另一期见第 十九卷第八期的MRS Bulletin(1994年8月)。一篇1993年的Luther等 的论文“Planar Copper-Polymide Back End of the line Interconnection for ULSI Devices”，此文被收录于1993年6月8-9日在加拿大的Santa clara召开的IEEE VLSI Multilevel Interconnections Conference的论文 集的第15页，这篇论文介绍了具有四级(level)的金属化的铜芯片互连线 的制备。\n然而，由于铜在互连线路金属化过程中使用时具有扩散至周围介电 材料如二氧化硅的倾向，因此，就必须对铜加以密封。帽封(capping)可 阻止这种扩散发生。一个广泛提议的帽封方法包括沿着铜互连线的侧壁 和底面使用一种导电的阻挡层，此类阻挡层的典型材料是钽和钛，以及 它们的氮化物。铜互连线的上表面帽封通常用氮化硅。\n典型地，所使用的钽为一种α相的钽层，该钽层除起阻挡作用外， 也作为冗余导电层来帮助主要的导体铜进行电流分配。而且，当铜由于 电迁移发生失效时，该钽层就成为主要的导体。然而，目前可获得的α 相的钽层的电阻率典型地为约25微欧姆-厘米。尽管此电阻率已足够低， 但仍然存在可进一步改善的余地。因此，理想的是将该冗余导电层的电 阻率降低至实际可达到的低水平。\n发明内容\n本发明涉及具有显著降低的电阻率的钽层。此外，根据本发明的钽 层的取向程度高。更具体地，本发明涉及具有约15微欧姆-厘米或更低 的电阻率的α相的钽。\n本发明也涉及本发明的钽的制备方法。尤其是，所述方法涉及钽的 溅射沉积，沉积时的真空度至少约1×10-6乇，功率为约0.5～6千瓦， 有惰性气体存在，以产生约1～10毫乇的有效压力。\n本发明也涉及一种半导体集成电路的互连结构，所述结构包括一个 铜或铜合金层和一个具有约15微欧姆-厘米或更低的电阻率的α相的钽 的阻挡层。\n本发明的另一个方面涉及采用上述方法获得的α相的钽。\n本领域的技术人员从下面的详细描述中将会很容易地了解本发明 的其它目的和优点，在下面的描述中，只是通过描述实施本发明的预期 最佳模式，来对本发明的优选实施方案进行了展示和介绍。将认识到的 是，本发明能够包括其它以及不同的实施方案，而且，只要不偏离本发 明的范围，也可以在各个显而易见的方面对本发明的若个细节进行修 正。因此，此处的描述实质上只是说明性的，而不应看作具有限制性作 用。\n本发明提供以下技术方案：\n(1)α相的钽层，其具有约15微欧姆-厘米或更低的电阻率。\n(2)根据上述(1)的α相的钽层，其在由X射线衍射测得的谱图 中的2θ为约49°处，存在一个<110>衍射峰，所述衍射分析时，使 用的是来自于在35千伏和35毫安下工作的密封管源的单色铁辐射。\n(3)一种生产具有约15微欧姆-厘米或更低的电阻率的α相的钽的 方法，其中包括在等离子体中，使用惰性气体和氮气的混合气体以获得 约1～10毫乇的有效压力，以及使用约0.5～6千瓦的功率，从钽源进行 溅射沉积，其中，所述惰性气体的流速为约50～130标准立方厘米/分， 氮气的流速为约20～60标准立方厘米/分。\n(4)根据上述(3)的方法，其中，钽源的纯度至少约99.9％。\n(5)根据上述(3)的方法，其使用的是一种直流磁控源构造。\n(6)根据上述(3)的方法，其中，在通入气体之前，反应室被抽 至至少为1.0×10-6乇的真空水平。\n(7)根据上述(3)的方法，其中，钽的沉积速率为约1200～1500/ 分。\n(8)根据上述(3)的方法，其中，惰性气体为氩。\n(9)采用根据上述(3)的方法获得的α相的钽层。\n(10)一种半导体集成电路的互连结构，其包括一个铜或铜合金层 和一个具有约15微欧姆-厘米或更低的电阻率的α相的钽阻挡层。\n(11)根据上述(10)的互连结构，其中，所述α相的钽在由X射 线衍射扫描获得的谱图中的2θ为约49°处存在一个<110>衍射峰， 所述衍射扫描时使用的是来自于在35千伏和35毫安下工作的密封管源 的单色铁辐射。\n(12)根据上述(10)的互连结构，其中，所述铜的厚度为约200～ 1500。\n(13)根据上述(10)的互连结构，其中，所述α相的钽层的厚度 为约50～300。\n(14)根据上述(10)的互连结构，其进一步包括电绝缘体，而且， 其中，所述阻挡层将所述铜与绝缘体隔离开。\n(15)根据上述(10)的互连结构，其进一步包括一个介于所述绝 缘体与所述α相的钽层之间的第二个阻挡层。\n(16)根据上述(15)的互连结构，其中，所述第二个阻挡层选自 于氮化钽，钽硅，氮化钽硅，氮化钛，钨和氮化钨中。\n(17)根据上述(15)的互连结构，其中，所述第二个阻挡层是氮 化钽或氮化钛。\n(18)根据上述(15)的互连结构，其中，所述第二个阻挡层是氮 化钽。\n(19)根据上述(15)的互连结构，其中，所述第二个阻挡层的厚 度为约25～300。\n附图说明\n图1是根据本发明的半导体结构的示意图。\n图2是本发明的α-钽的X射线衍射谱图。\n下面结合所述附图进行介绍，以促进对本发明的了解。\n如图1所示，铜布线1存在于半导体晶片(未示出)如硅、硅-锗合金、 碳化硅、或砷化镓上。所述铜布线1通过引入中间能级(interlevel)的介 电材料2如二氧化硅(SiO2)，磷硅酸盐(phosphosilicate)玻璃(PSG)，掺硼 的PSG(BDPSG)或正硅酸乙酯(TEOS)加以电绝缘。此外，所述介电材料 由可包括低介电常数的材料如氟化SiO2，有机聚合物及多孔介电材料。\n根据本发明，沿着介于铜布线1与绝缘体2之间的铜布线1的下表 面及侧壁表面使用本发明的α相的钽阻挡层。所述铜布线层典型地为约 1000～20,000厚。本发明的α相钽具有约15微欧姆-厘米或更低的低 电阻率，并被用作阻挡层以及冗余载流层。而且，根据本发明，所述α 相的钽层优选是一种取向程度较高的膜，而且，在约49°(2θ)处存在 一个<110>面的衍射峰，如图2所示。该X射线衍射谱图是通过在一 种氮化钽衬底上沉积一个厚达几百个，如约400的α相的钽层来测 得的，沉积所用的处理条件将在下面介绍。之后，进行了一种2θ式X 射线衍射(XRD)扫描，如图2所示，所获得的谱图中存在非常细窄的衍 射峰。如XRD系统使用的是来自于在35千伏和35毫安下工作的密封 管源的单色铁辐射，则会在约49°(2θ)处产生一个<110>衍射峰。这 证实根据本发明的α相的钽膜具有高度取向性。\n本发明的α相的钽层可以使用溅射装备形成，所述溅射装备例如为 Applied Materials Corporation制造的商品牌号为Endura5500的溅射机 或者是Novellus Corporation生产的溅射机。这些设备很有名，此处不 必详细介绍。典型地，用于本发明的溅射装置使用一种DC磁控源构造， 而且，用作钽源的是纯度为约99.9％或更高的钽。在实施溅射过程中， 以每分钟约50～130标准立方厘米(Sccm)的流速，将惰性气体如氩注入 到装有靶材以及钽将沉积其上的晶片的处理腔内，在通入惰性气体之 前，使用例如低温泵将处理腔抽至至少为1.0×10-6乇的真空水平。在 通入惰性溅射气体的同时，也开始以约20～60标准立方厘米/分的流速 通入另外的氮气流。所述处理腔内充满上述两种气体，直至有效压力达 约1～10个毫乇。本发明中典型地用于产生等离子体的功率为约0.5～6 千瓦，并且更优选为约2～3千瓦。可以对靶材电压和电流进行任意组 合来获得上述功率水平。所沉积的材料是本发明的高度取向的α相的钽 材料。沉积速率典型地是约1000～2000/分钟，而且，更典型地是约 1200～1500/分。\n在典型的互连结构中，所述α相的钽阻挡层3的厚度为约50～ 300，更典型地为约100～200。\n另外，而且是任选地，如图1所示，在所述α相钽阻挡层3与绝缘 体2之间还存在第二个阻挡层4。此第二个阻挡层4典型地是氮化钽， 钽硅，氮化钽硅，氮化钛，钨或氮化钨。阻挡层4的厚度典型地为约25～ 300，并且，更典型地为约50～100。\n给出下面的非限制性实施例的目的是对本发明加以进一步说明。\n本发明中的上述介绍对本发明进行了说明和描述。另外，该公开展 示及描述的只是本发明的优选实施方案，但如上所述，将了解的是，本 发明能够在各种其它的组合、修正和场合中应用，而且，能够在此处所 述的本发明的概念的范围内进行改变或修正，而与上述教导和/或相关领 域的技术或知识相一致。上文所述的实施方案是打算对已知的实施本发 明的最佳模式进行进一步解释。而且，能够使本领域的其它熟练技术人 员在这些，或其它实施方案中利用本发明，以及通过由使用本发明或特 殊应用场合所要求的各种修正来利用本发明。因此，或本说明书并非打 算将本发明限制在此处公开的形式内。而且，其打算说明的是附后的权 利要求包括各种替代方案。

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