CN117253911A - 金属叠层及金属叠层的形成方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种金属叠层，包括衬底、第一金属阻挡层、第二金属层以及第二金属阻挡层。第一金属阻挡层设置于衬底并包括第一金属层。第二金属层设置于第一金属层上，并透过第一金属层，使第二金属层朝特定晶向生长。第二金属阻挡层设置于第二金属层上。透过第一金属层的配置，使第二金属层朝向单一特定晶向生长，使金属叠层的平整度提高。

Description

金属叠层及金属叠层的形成方法

技术领域

本申请关于半导体技术领域，特别是一种金属叠层及金属叠层的形成方法。

背景技术

随着半导体技术的进步，晶体管的尺寸缩小，使集成电路能容纳更多的晶体管。此时，晶体管的电性连接需求增加，如何利用金属叠层连接多个晶体管逐渐变为重要的课题。铝材料由于其良好的导电率，易于沉积和刻蚀等优势，成为集成电路金属化工艺中最普遍使用的金属导电层。

目前，以铝为主的金属叠层包括两层金属阻挡层以及铝层，铝层设置于两层金属阻挡层之间。然而，由于金属阻挡层的晶体结构影响，导致铝层的上表面凹凸不平，使金属叠层的平整度降低，进而影响金属叠层的导电性能，还对后续刻蚀工艺产生较大影响。

发明内容

根据前述，本申请提供一种金属叠层及金属叠层的形成方法，解决金属叠层的不平整的问题。

基于上述目的，本申请提供一种金属叠层，包括衬底、第一金属阻挡层、第二金属层以及第二金属阻挡层。第一金属阻挡层设置于衬底并包括第一金属层。第二金属层设置于第一金属层上，并透过第一金属层，使第二金属层朝特定晶向生长。第二金属阻挡层设置于第二金属层上。

在本申请的实施例中，第一金属层的晶向为[002]，第二金属层的特定晶向为[111]。

在本申请的实施例中，第一金属阻挡层包括第一金属粘附层及第一金属氮化物层，第一金属粘附层设置于衬底上，第一金属氮化物层设置于第一金属粘附层上，第一金属层设置于第一金属氮化物层和第二金属层之间。

在本申请的实施例中，第二金属阻挡层包括第二金属粘附层及第二金属氮化物层，第二金属粘附层设置于第二金属层上，第二金属氮化物层设置于第二金属粘附层上，第二金属层设置于第一金属层和第二金属粘附层之间。

在本申请的实施例中，第一金属粘附层的材料、第二金属粘附层的材料以及第一金属层的材料包括钛，第一金属氮化物层的材料及第二金属氮化物层的材料包括氮化钛，第二金属层的材料为铜铝合金。

在本申请的实施例中，第一金属粘附层的材料、第二金属粘附层的材料以及第一金属层的材料包括钽，第一金属氮化物层的材料及第二金属氮化物层的材料包括氮化钽，第二金属层的材料为铜铝合金。

基于上述目的，本申请提供一种金属叠层的形成方法，包括：在第一工艺腔内形成第一金属阻挡层于衬底上，其中第一金属阻挡层包括第一金属层；在第二工艺腔内形成第二金属层于第一金属层上，其中透过第一金属层，使第二金属层朝特定晶向生长；以及在第三工艺腔内形成第二金属阻挡层于第二金属层上。

在本申请的实施例中，第一金属层的晶向为[002]，第二金属层的特定晶向为[111]。

在本申请的实施例中，在第一工艺腔内形成第一金属阻挡层于所述衬底上包括：形成第一金属粘附层于衬底上；形成第一金属氮化物层于第一金属粘附层上；形成第一金属层于第一金属氮化物层上，其中第一金属层设置于第一金属氮化物层和第二金属层之间。

在本申请的实施例中，在第三工艺腔内形成第二金属阻挡层于第二金属层上包括：形成第二金属粘附层于第二金属层上，其中第二金属层设置于第一金属层和第二金属粘附层之间；形成第二金属氮化物层于第二金属粘附层上。

综上所述，本申请的金属叠层，透过第一金属层的配置，使第二金属层朝向特定晶向生长，使金属叠层的平整度提高。

综上所述，本申请的金属叠层的形成方法，在透过溅镀形成第一金属层时，将靶材表面残留的金属氮化物去除，保证下一片晶圆片在第一工艺腔内形成第一金属粘附层时并无金属氮化物，有利于提高第一金属粘附层与衬底之间的欧姆接触和粘附，并避免第二金属层与衬底之间的裂纹。另外，传统工艺为了改善铝薄膜的平整度而采用10kW～19kW低功率沉积铝薄膜，本申请由于第一金属层的配置而能使用25kW～35kW高功率沉积铝薄膜，从而缩短工艺时间及增加生产效率。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本申请较佳的实施例并配合附图对本申请进行详细说明。

附图说明

图1为根据本申请一实施例绘示金属叠层的截面图。

图2为根据本申请一实施例绘示金属叠层的形成方法的流程图。

图3A至图3C为根据本申请一实施例绘示金属叠层的形成方法的各个阶段的截面图。

图4为根据本申请另一实施例绘示金属叠层的形成方法的流程图。

附图标记说明：

10：衬底

20：第一金属阻挡层

21：第一金属粘附层

22：第一金属氮化物层

23：第一金属层

30：第二金属层

40：第二金属阻挡层

41：第二金属粘附层

42：第二金属氮化物层

S11～S13、S21～S25：步骤

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本申请的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所公开的内容轻易地了解本申请的其他优点及功效。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以互相组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于包覆不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

请参阅图1，其为根据本申请一实施例绘示金属叠层的截面图。如图1所示，金属叠层，包括衬底10、第一金属阻挡层20。衬底10为硅衬底或碳化硅衬底，且可为N型或P型。第一金属阻挡层20设置于衬底10上。进一步而言，第一金属阻挡层20包括第一金属粘附层21、第一金属氮化物层22以及第一金属层23。第一金属粘附层21设置于衬底10上，并用于改善第二金属层30和衬底10之间的欧姆接触，且作为粘附层使得衬底10与第一金属氮化物层22的粘附更为牢固。

在本实施例中，第一金属粘附层21的材料包括钛(Ti)。第一金属氮化物层22设置于第一金属粘附层21上；换句话说，第一金属粘附层21位于衬底10和第一金属氮化物层22之间。第一金属氮化物层22防止第二金属层30扩散至衬底10形成金属穿刺。第一金属氮化物层22的材料包括氮化钛(TiN)。第一金属层23设置于第一金属氮化物层22上；换句话说，第一金属氮化物层22位于第一金属粘附层21和第一金属层23之间。第一金属层23的材料包括钛(Ti)，第一金属层23的晶向为[002]。

在另一实施例中，第一金属粘附层21的材料以及第一金属层23的材料包括钽(Ta)，第一金属氮化物层22的材料及包括氮化钽(TaN)。

请参阅图1，金属叠层还包括第二金属层30。第二金属层30设置于第一金属阻挡层20上。进一步而言，第二金属层30设置于第一金属层23上；换句话说，第一金属层23设置于第一金属氮化物层22和第二金属层30之间。透过第一金属层23，使第二金属层30朝特定晶向生长，以改善第二金属层30的平整度。举例来说，第二金属层30的材料为铜铝合金，铜的质量百分比为第二金属层30的0.5％，第二金属层30的特定晶向为[111]。

请参阅图1，金属叠层还包括第二金属阻挡层40。第二金属阻挡层40设置于第二金属层30上。在本实施例中，第二金属阻挡层40包括第二金属粘附层41及第二金属氮化物层42。第二金属粘附层41设置于第二金属层30上；换句话说，第二金属层30设置于第一金属层23和第二金属粘附层41之间。透过第二金属粘附层41，第二金属层30和第二金属氮化物层42的粘附更为牢固，第二金属粘附层41可以作为阻挡层以防止铝与氮气反应形成氮化铝。第二金属粘附层41的材料包括钛。第二金属氮化物层42设置于第二金属粘附层41上；换句话说，第二金属粘附层41位于第二金属层30和第二金属氮化物层42之间。第二金属氮化物层42作为光刻时的抗反射层，以利金属叠层的刻蚀及形成电极。第二金属氮化物层42的材料包括氮化钛。

在另一实施例中，第二金属粘附层41的材料包括钽，第二金属氮化物层42的材料包括氮化钽。

氮化钛的晶向有[111]和[200]，因此若铝薄膜直接沉积在氮化钛薄膜上，铝薄膜则相应地也有两种晶向，两种晶向分别为[111]和[200]，导致铝薄膜的表面凹凸不平，铝薄膜的平整度较差。透过原子力显微镜(atomic force microscope，AFM)的测量，利用钛、氮化钛以及铝所形成的传统金属叠层的波幅为39.26nm，传统金属叠层的波峰数为11。

反观本申请，钛薄膜位于铝薄膜和氮化钛薄膜之间，钛薄膜为晶向[002]的密排立方晶系，铝薄膜为晶向[111]的面心立方晶系。晶向[002]的密排立方晶系与晶向[111]的面心立方晶系间晶格排布差异最小，晶格间应力也最小，因此钛薄膜使铝薄膜朝向晶向[111]生长，从而改善金属叠层的平整度。透过AFM的测量，本申请的金属叠层的波幅为5.43nm，本申请的金属叠层的波峰数为6。

另外，氮化钽的晶向有[111]和[200]，钽薄膜为晶向[111]的体心立方晶系。由于钽薄膜的晶向[111]和铝薄膜的晶向[111]相同，钽薄膜使铝薄膜朝向晶向[111]生长，从而改善金属叠层的平整度。

请参阅图2，为根据本申请一实施例绘示金属叠层的形成方法的流程图。如图2所示，金属叠层的形成方法，包括步骤S11～步骤S13。以下示例地说明利用图2所示的金属叠层的形成方法形成如图1所示的金属叠层。

步骤S11：在第一工艺腔内形成第一金属阻挡层20于衬底10上，其中第一金属阻挡层20包括第一金属层23。

如图3A所示，第一金属阻挡层20包括第一金属粘附层21、第一金属氮化物层22以及第一金属层23。相应地，步骤S11可分为三个部分，三个部分为形成第一金属粘附层21的部分、形成第一金属氮化物层22的部分以及形成第一金属层23的部分，形成第一金属阻挡层20的方法可为化学气相沉积法或溅镀，下文将以溅镀为例说明形成第一金属粘附层21的部分、形成第一氮化物层22的部分以及形成第一金属层23的部分。

在形成第一金属粘附层21的部分，设定溅镀的功率为3kW～10kW及氩气的流量为28sccm～31sccm，并以钛靶材进行溅镀，高能量的氩离子撞击钛靶材，而使钛原子被撞击出来，进而形成第一金属粘附层21于衬底10上，第一金属粘附层21的厚度为50埃～100埃。

在形成第一金属氮化物层22的部分，设定功率为11kW～19kW、氩气流量为28sccm以及氮气流量为80sccm～120sccm，并以钛靶材进行溅镀，此时氮气发生游离而产生氮离子，氮离子与钛产生化学反应而形成氮化钛，进而形成第一金属氮化物层22在第一金属粘附层21上，第一氮化物层22的厚度为150埃～250埃。

在形成第一金属层23的部分，设定功率为3kW～10kW及氩气的流量为28sccm～31sccm，并以钛靶材进行溅镀，高能量的氩离子撞击钛靶材，而使钛原子被撞击出来，进而形成第一金属层23于第一氮化物层22上，第一金属层23的厚度为20埃～100埃。需说明的是，由于在同一腔室内透过溅镀形成钛薄膜和氮化钛薄膜后，再透过溅镀形成钛薄膜，将钛靶材表面残留的氮化钛去除，保证下一片晶圆片沉积的底层钛薄膜为纯钛，不含氮化钛成分，有利于提高金属层与衬底之间的欧姆接触和粘附性。

步骤S12：在第二工艺腔内形成第二金属层30于第一金属层23上。

如图3B所示，第二金属层30位于第一金属层23上。其中，形成第二金属层30的方法可为化学气相沉积法或溅镀，下文将以溅镀为例说明第二金属层30的形成。设定工艺温度为270度、功率为25kW～30kW及氩气的流量为100sccm～160sccm，并铜铝合金靶材进行溅镀，高能量的氩离子撞击铜铝合金靶材，而使铝原子被撞击出来，进而形成第二金属层30于第一金属层23上，第二金属层30的厚度为1200埃～4000埃。

步骤S13：在第三工艺腔内形成第二金属阻挡层40于第二金属层30上。

如图3C所示，第二金属阻挡层40包括第二金属粘附层41及第二金属氮化物层42。相应地，步骤S13可分为两个部分，两个部分为形成第二金属粘附层41的部分以及形成第二金属氮化物层42的部分，形成第二金属阻挡层40的方法可为化学气相沉积法或溅镀，下文将以溅镀为例说明形成第二金属粘附层41的部分以及形成第二金属氮化物层42的部分。

在形成第二金属粘附层41的部分，设定功率为3kW～10kW以及氩气流量为28sccm～31sccm，并以钛靶材进行溅镀，高能量的氩离子撞击钛靶材，而使钛原子被撞击出来，进而形成第二金属粘附层41于第二金属层30上，第二金属粘附层41的厚度为50埃～150埃。

在形成第二金属氮化物层42的部分，设定功率为11kW～19kW、氩气流量为28sccm以及氮气流量为80sccm～120sccm，并以钛靶材进行溅镀，此时氮气发生游离而产生氮离子，氮离子与钛产生化学反应而形成氮化钛，进而形成第二金属氮化物层42于第二金属粘附层41上，第二金属氮化物层42的厚度约为150埃～250埃。

请参阅图4，其为根据本申请另一实施例绘示金属叠层的形成方法的流程图。如图4所示，金属叠层的形成方法，包括步骤S21～步骤S25。其中，步骤S21、步骤S23以及步骤S25与图2所示的步骤S11、步骤S12以及步骤S13相同，于此不再重复叙述。

步骤S22：透过机械手臂，从第一工艺腔传送具有第一金属阻挡层20的衬底10至第二工艺腔。由于机械手臂的辅助，而不需从第一工艺腔将具有第一金属阻挡层20的衬底10取出及接触空气，进而避免空气中灰尘污染第一金属阻挡层20，并使第一金属阻挡层20的衬底10在传送的过程中仍处于高真空环境。

步骤S24：透过机械手臂，从第二工艺腔传送具有第二金属层30的衬底10至第三工艺腔。由于机械手臂的辅助，而不需从第二工艺腔将具有第二金属层30的衬底10取出及接触空气，进而避免空气中灰尘污染第二金属层30，并使具有第二金属层30的衬底10在传送的过程中仍处于高真空环境。

综上所述，本申请的金属叠层，透过第一金属层的配置，使第二金属层朝向单一特定晶向生长，使金属叠层的平整度提高。

综上所述，本申请的金属叠层的形成方法，在透过溅镀形成第一金属层时，将靶材表面残留的金属氮化物去除，保证下一片晶圆片在第一工艺腔内形成第一金属粘附层时并无金属氮化物，有利于提高第一金属粘附层与衬底之间的欧姆接触和粘附，并避免第二金属层与衬底之间的裂纹。另外，传统工艺为了改善铝薄膜的平整度而采用10kW～19kW低功率沉积铝薄膜，本申请由于第一金属层的配置而能使用25kW～35kW高功率沉积铝薄膜，从而缩短工艺时间及增加生产效率。

Claims (10)

1.一种金属叠层，其特征在于，包括：

衬底(10)；

第一金属阻挡层(20)，设置于所述衬底(10)上并包括第一金属层(23)；

第二金属层(30)，设置于所述第一金属层(23)上，并透过所述第一金属层(23)，使所述第二金属层(30)朝特定晶向生长；以及

第二金属阻挡层(40)，设置于所述第二金属层(30)上。

2.如权利要求1所述的金属叠层，其特征在于，所述第一金属层(23)的晶向为[002]，所述第二金属层(30)的所述特定晶向为[111]。

3.如权利要求1所述的金属叠层，其特征在于，所述第一金属阻挡层(20)包括第一金属粘附层(21)及第一金属氮化物层(22)，所述第一金属粘附层(21)设置于所述衬底(10)上，所述第一金属氮化物层(22)设置于所述第一金属粘附层(21)上，所述第一金属层(23)设置于所述第一金属氮化物层(22)和所述第二金属层(30)之间。

4.如权利要求3所述的金属叠层，其特征在于，所述第二金属阻挡层(40)包括第二金属粘附层(41)及第二金属氮化物层(42)，所述第二金属粘附层(41)设置于所述第二金属层(30)上，所述第二金属氮化物层(42)设置于所述第二金属粘附层(41)上，所述第二金属层(30)设置于所述第一金属层(23)和所述第二金属粘附层(41)之间。

5.如权利要求4所述的金属叠层，其特征在于，所述第一金属粘附层(21)的材料、所述第二金属粘附层(41)的材料以及所述第一金属层(23)的材料包括钛，所述第一金属氮化物层(22)的材料及所述第二金属氮化物层(42)的材料包括氮化钛，所述第二金属层(30)的材料为铜铝合金。

6.如权利要求4所述的金属叠层，其特征在于，所述第一金属粘附层(21)的材料、所述第二金属粘附层(41)的材料以及所述第一金属层(23)的材料包括钽，所述第一金属氮化物层(22)的材料及所述第二金属氮化物层(42)的材料包括氮化钽，所述第二金属层(30)的材料为铜铝合金。

7.一种金属叠层的形成方法，其特征在于，包括：

在第一工艺腔内形成第一金属阻挡层(20)于衬底(10)上，其中所述第一金属阻挡层(20)包括第一金属层(23)；

在第二工艺腔内形成第二金属层(30)于所述第一金属层(23)上，其中透过所述第一金属层(23)，使所述第二金属层(30)朝特定晶向生长；以及

在第三工艺腔内形成第二金属阻挡层(40)于所述第二金属层(30)上。

8.如权利要求7所述的金属叠层的形成方法，其特征在于，所述第一金属层(23)的晶向为[002]，所述第二金属层(30)的所述特定晶向为[111]。

9.如权利要求7所述的金属叠层的形成方法，其特征在于，在所述第一工艺腔内形成所述第一金属阻挡层(20)于所述衬底(10)上包括：

形成第一金属粘附层(21)于所述衬底(10)上；

形成第一金属氮化物层(22)于所述第一金属粘附层(21)上；以及

形成所述第一金属层(23)于所述第一金属氮化物层(22)上，其中所述第一金属层(23)设置于所述第一金属氮化物层(22)和所述第二金属层(30)之间。

10.如权利要求7所述的金属叠层的形成方法，其特征在于，在所述第三工艺腔内形成所述第二金属阻挡层(40)于所述第二金属层(30)上包括：

形成第二金属粘附层(41)于所述第二金属层(30)上，其中所述第二金属层(30)设置于所述第一金属层(23)和所述第二金属粘附层(41)之间；以及

形成第二金属氮化物层(42)于所述第二金属粘附层(41)上。