專利名稱：沉積含金屬膜于具有圖案化構(gòu)造的基板上的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種金屬膜的沉積方法，尤其涉及ー種在具有高深寬比的細(xì)微半導(dǎo)體裝置結(jié)構(gòu)上由底部向上的金屬化方法。
背景技術(shù)：
為改善半導(dǎo)體裝置效能所付出的持續(xù)努力，伴隨著持續(xù)縮減半導(dǎo)體裝置尺寸的持續(xù)努力，由此改善了裝置的運(yùn)算速度和功能性的能力。隨著裝置上的構(gòu)造尺寸的降低，該裝置的效能逐漸地依賴內(nèi)連線而決定，這些內(nèi)連線在功能性裝置之間是必需的。為了改善半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的內(nèi)連線外觀且降低對(duì)裝置內(nèi)連線的相對(duì)沖擊，典型地使用多層內(nèi)連線結(jié)構(gòu)制造集成電路。多層內(nèi)連線包含在這些多重芯片模塊中，并借由交錯(cuò)的介電層來分離，所述介電層是用做金屬構(gòu)造之間的電性絕緣。用于構(gòu)筑該互連的金屬構(gòu)造的金屬的選擇特性是依據(jù)低電阻率、對(duì)電子遷移的抵抗性、對(duì)底層基板材料的粘結(jié)性、穩(wěn)定性(兼具有電性和機(jī)械
性)、以及エ藝的容易度。基于上述理由，常選擇銅是因?yàn)槠渚哂械碗娮杪省?duì)電子遷移的高抵抗性、及對(duì)應(yīng)カ孔洞的抵抗性。通常會(huì)沉積ー擴(kuò)散阻障層以襯墊所述多個(gè)溝槽和導(dǎo)孔(開孔)。該擴(kuò)散阻障層有時(shí)也作為提升粘結(jié)性的膜層。對(duì)于接觸栓，通常使用鎢(W)填入栓塞結(jié)構(gòu)，而非使用銅，以避免銅擴(kuò)散到柵極。也會(huì)使用一粘結(jié)層襯墊所述多個(gè)接觸栓。隨著裝置構(gòu)造尺寸的降低，接觸物、導(dǎo)孔和溝槽結(jié)構(gòu)的間隙填入漸漸地變得具有挑戰(zhàn)性。除了金屬內(nèi)連線之外，在制造互補(bǔ)式金屬-氧化物-半導(dǎo)體(CMOS)晶體管的柵極電極時(shí)，因使用high-k介電材料和金屬置換原先的ニ氧化娃和多晶娃，因此也具有金屬填隙的挑戰(zhàn)性。置換金屬柵極エ藝通常使用于形成該柵極電極。一典型的置換金屬柵極エ藝的開始為在一半導(dǎo)體基板上形成一 high-k介電材料和形成一犧牲柵極于ー對(duì)間隙子之間。在完成后續(xù)的エ藝步驟后，移除該犧牲柵極，并將遺留下的溝槽填入一或多層金屬?；谠?gòu)造的縮小，將遺留下的溝槽填入一或多層金屬也逐漸地變得困難。對(duì)于先進(jìn)的エ藝技術(shù)，溝槽、導(dǎo)孔和接觸物的填隙以及以金屬膜層取代柵極結(jié)構(gòu)而不產(chǎn)生空洞并使其具有優(yōu)良的電性效能和可靠度是很關(guān)鍵的。因此，業(yè)界急需的是ー種改良的金屬填隙エ藝因應(yīng)先進(jìn)的半導(dǎo)體制造技木。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例掲示由底部向上的金屬沉積以填入內(nèi)連線結(jié)構(gòu)和置換柵極結(jié)構(gòu)的方法，能使具有高深寬比的細(xì)微構(gòu)造的間隙填入不會(huì)造成空洞，并且提供良好鍍膜品質(zhì)的金屬膜。利用氣體團(tuán)簇離子束(gas cluster ion beam,簡(jiǎn)稱GCIB)エ藝沉積金屬膜的臨場(chǎng)前處理能允許表面雜質(zhì)和表面氧化物，以改善底層和沉積的金屬之間的粘結(jié)性。借由光誘發(fā)化學(xué)氣相沉積(photo-induced chemical vapor deposition,簡(jiǎn)稱 PI-CVD)エ藝沉積的金屬膜是使用高能量低頻率的光源，于相對(duì)低的溫度時(shí)展現(xiàn)類液態(tài)的性質(zhì)，而允許金屬膜由底部向上地填入該細(xì)微構(gòu)造。由PI-CVDエ藝沉積的金屬膜的后沉積退火エ藝能使金屬膜致密化，并從該金屬膜移除殘留的氣態(tài)物種。對(duì)于先進(jìn)的制造技術(shù)，上述由底部向上金屬沉積方法解決了具有高深寬比的細(xì)微構(gòu)造在間隙填入時(shí)所面臨的挑戰(zhàn)。以下所描述的由底部向上的金屬沉積以填入內(nèi)連線結(jié)構(gòu)和置換柵極結(jié)構(gòu)的方法，能使具有高深寬比的細(xì)微構(gòu)造的間隙填入不會(huì)造成空洞，并且提供良好鍍膜品質(zhì)的金屬膜。利用氣體團(tuán)簇離子束(GCIB)エ藝沉積金屬膜的臨場(chǎng)前處理能允許移除表面雜質(zhì)和表面氧化物，以改善底層和沉積的金屬之間的粘結(jié)性。借由光誘發(fā)化學(xué)氣相沉積(PI-CVD)エ藝沉積的金屬膜是使用高能量低頻率的光源，于相對(duì)低的溫度時(shí)展現(xiàn)類液態(tài)的性質(zhì)，而允許金屬膜由底部向上填入該細(xì)微構(gòu)造。由PI-CVDエ藝沉積的金屬膜的后沉積退火エ藝能使金屬膜致密化，并且在相對(duì)低的溫度下從該金屬膜移除殘留的氣態(tài)物種。借由GCIB和PI-CVDエ藝沉積的金屬膜并未或僅有極少部分沉積在所述多個(gè)構(gòu)造(或開ロ)的側(cè)壁表面上。因?yàn)樵诔练e過程中，開ロ的尺寸并未減少以及所述多個(gè)開ロ(或構(gòu)造)的高寬比也并未増加，因此上述由底部向上填入的特性很重要。對(duì)于先進(jìn)的制造技術(shù)，上述由底部向上金屬沉積方法解決了具有高深寬比的細(xì)微構(gòu)造在間隙填入時(shí)所面臨的挑戰(zhàn)。于ー實(shí)施例中，提供一種沉積一含金屬膜在具有圖案化構(gòu)造的基板上的方法。上述方法包括放置一具有圖案化構(gòu)造的基板于ー氣體團(tuán)簇離子束(GCIB)エ藝腔體中；在 GCIBエ藝腔體中借由使用離子團(tuán)簇的處理氣體，施以一基板的表面處理，以移除該基板的一表面層或?qū)⒃摫砻鎸愚D(zhuǎn)換；以及在GCIBエ藝腔體中借由使用GCIB法沉積ー含金屬膜，從底部往上填入該圖案化構(gòu)造，其中極少的含金屬膜沉積在該圖案化構(gòu)造的側(cè)壁上。于另ー實(shí)施例中，提供一種沉積一含金屬膜在具有圖案化構(gòu)造的基板上的方法。該方法包括放置一具有圖案化構(gòu)造的基板于一光誘發(fā)化學(xué)氣相沉積(PI-CVD)エ藝腔體中；使用PI-CVD法沉積ー含金屬膜，其中該含金屬膜的類液態(tài)本質(zhì)致使該含金屬膜從底部往上填入該圖案化構(gòu)造；以及實(shí)施一退火エ藝于該含金屬膜層，以致密化該含金屬膜層并從該含金屬膜層釋放殘留的氣態(tài)化合物。本發(fā)明能使具有高深寬比的細(xì)微構(gòu)造的間隙填入不會(huì)造成空洞，并且提供良好鍍膜品質(zhì)的金屬膜。為使本發(fā)明能更明顯易懂，下文特舉實(shí)施例，并配合所附附圖，作詳細(xì)說明如下


圖IA顯示根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的一內(nèi)連線結(jié)構(gòu)的剖面示意IB顯示根據(jù)本發(fā)明的ー實(shí)施例，將金屬沉積填入開ロ的剖面示意圖。圖IC顯不開ロ可利用由底部向上的金屬沉積エ藝填入一金屬層的剖面不意圖。圖2A顯示根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例具有方向性的離子團(tuán)簇到達(dá)具有阻障/粘結(jié)層的開ロ，以沉積一金屬層的剖面不意圖。圖2B顯示根據(jù)本發(fā)明的ー實(shí)施例，當(dāng)離子團(tuán)簇撞擊基板表面時(shí)，離子團(tuán)簇將分解成金屬和殘留的氣態(tài)物種的示意圖。圖3A顯示根據(jù)本發(fā)明的ー實(shí)施例，在一 GCIBエ藝腔體中整合表面前處理和沉積鍍膜的制造流程圖。圖3B顯示根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例在基板中具有導(dǎo)通孔開口和溝槽開ロ的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)。圖3C顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的一置換柵極結(jié)構(gòu)位于一基板的上面。
圖3D顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例在圖3C的開ロ中填入ー選擇性的阻障/粘結(jié)層和
ー柵極金屬層。圖3E顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例借由GCIB法沉積功函數(shù)層于ー置換柵極結(jié)構(gòu)中。圖3F顯示根據(jù)本發(fā)明的ー實(shí)施例，借由GCIB法沉積的金屬層和功函數(shù)層可填入一置換柵極結(jié)構(gòu)中。圖4A顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例以光子能量打斷金屬分子和有機(jī)化合物之間的鍵結(jié)的示意圖。圖4B顯示根據(jù)本發(fā)明的ー實(shí)施例，以PICVDエ藝沉積的金屬層呈現(xiàn)類液態(tài)的本質(zhì)，能使金屬分子移動(dòng)(“流動(dòng)”)至構(gòu)造的底部，并且由底部向上填滿開ロ。圖5顯示根據(jù)本發(fā)明的ー實(shí)施例，借由PI-CVDエ藝沉積含金屬膜于ー圖案化構(gòu)造 上，接續(xù)實(shí)施退火步驟的制造流程圖。其中，附圖標(biāo)記說明如下100 內(nèi)連線結(jié)構(gòu)；101 介電材料；102、102’ 開ロ ；103 阻障層；104 懸掛凸出結(jié)構(gòu)；105 基板；106 空洞(void)；115、115’ 金屬層；202 開 ロ；214、215、216 金屬膜；211 離子團(tuán)簇；205 基板；225 基板表面；300 制造流程；301-304 エ藝步驟；311 導(dǎo)通孔開ロ；312 溝槽開ロ；313 阻障/粘結(jié)層；314 金屬膜層；315 基板；320 置換柵極結(jié)構(gòu)；321 基板；322 開 ロ；323 間隙子；325 阻障層；326、326’ 功函數(shù)層；327 阻障/粘結(jié)層；
328、328’ 柵極金屬層；330 介電層；401 基板表面；410 構(gòu)造；411 金屬膜層；415 開 ロ；500 制造流程；501-503 エ藝步驟； M 金屬分子；S 殘留的氣態(tài)物種；MP 金屬有機(jī)前驅(qū)物團(tuán)簇；P 光子能量；O 有機(jī)化合物。
具體實(shí)施例方式以下以各實(shí)施例詳細(xì)說明并伴隨著

的范例，作為本發(fā)明的參考依據(jù)。在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分均使用相同的附圖標(biāo)記。且在附圖中，實(shí)施例的形狀或是厚度可擴(kuò)大，并以簡(jiǎn)化或是方便標(biāo)示。另外，附圖中各元件的部分將以分別描述說明，值得注意的是，圖中未示出或描述的元件，為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知的形式，另外，特定的實(shí)施例僅為掲示本發(fā)明使用的特定方式，其并非用以限定本發(fā)明。圖IA顯示根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的ー內(nèi)連線結(jié)構(gòu)100的剖面示意圖。結(jié)構(gòu)100是借由蝕刻法在介電材料101中形成ー開ロ 102。結(jié)構(gòu)100可以是ー溝槽、導(dǎo)孔(開孔)、或一接觸(洞)。介電材料101可設(shè)置在一基板105上?；?05可以是硅或其他類型的材料。結(jié)構(gòu)100可包含構(gòu)造和元件區(qū)域。例如，在開ロ 102的下方可具有一接觸物或一金屬構(gòu)造，其提供電性連接至基板105的元件區(qū)域(未示出)。此外，介電材料101可由ー單一層所構(gòu)成，或者由多于ー層(例如一復(fù)合層)所構(gòu)成。開ロ 102具有ー寬度“W”和一深度“D”。于先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)中，寬度“ W”持續(xù)地縮小，使得能允許更多的元件制作于ー芯片中。然而，為了使金屬電阻維持相當(dāng)?shù)氐?，介電材?01的深度“D”(或厚度)并非如寬度“W”以相同的速率縮減。其結(jié)果為，結(jié)構(gòu)100的深寬比(D/W)便隨著先進(jìn)的元件技術(shù)而增加。就先進(jìn)エ藝技術(shù)而言，例如40nm節(jié)點(diǎn)、28nm節(jié)點(diǎn)、22nm節(jié)點(diǎn)、或以下的節(jié)點(diǎn)エ藝，開ロ的最小寬度可達(dá)0.1微米或更小，并且最高的深寬比可達(dá)I : I或更高。圖IB顯示根據(jù)本發(fā)明的ー實(shí)施例，將金屬沉積填入開ロ的剖面示意圖。于圖IB所示的范例，將ー阻障層或ー粘結(jié)層103沉積，以襯墊開ロ 102。阻障層103的例子可包括鈦(Ti)、鉭(Ta)、氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)、或一復(fù)合層，例如Ti/TiN、Ta/TaN等。阻障層103通常是借由物理氣相沉積(PVD)エ藝形成，其導(dǎo)致位在靠近開口角落(參閱圖1B)104懸掛凸出結(jié)構(gòu)。阻障層103可為復(fù)合層,具有多于ー層的次層(sub-layer)。在完成沉積阻障層及/或粘結(jié)層之后，沉積ー金屬層115。金屬層115的范例可包括銅、鋁合金、鎢、或其他適合的材料。傳統(tǒng)用以沉積金屬層115的エ藝方法可包括物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、電鍍、無電鍍等。在沉積金屬層115之后，通常會(huì)形成一空洞(void) 106。阻障層/粘結(jié)層103和金屬層115的階梯覆蓋能力(step coverage)不佳、開ロ 102構(gòu)造尺寸小、及開ロ 102深寬比高等因素會(huì)造成空洞(void) 106的形成?？斩?void) 106可陷捕金屬層內(nèi)部的雜質(zhì)，并且在沉積金屬膜后平坦化(例如化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)エ藝)的過程中可能造成空洞被打開。埋藏的空洞或打開的孔可降低元件的合格率并導(dǎo)致可靠度問題，例如在可靠度的測(cè)試過程中，發(fā)生脫層及電子遷移效應(yīng)。為了改善元件合格率并避免可靠度問題，所欲提出的是ー種能制造無空洞沉積結(jié)果的金屬沉積エ藝。圖IC顯示根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例利用由底部向上的金屬沉積エ藝填入ー開ロ。在完成沉積阻障層/粘結(jié)層103之后，開ロ 102的尺寸縮小成為開ロ 102’。圖IC顯不開ロ 102’可利用由底部向上的金屬沉積エ藝填入一金屬層115’。所述由底部向上的金屬沉積エ藝并非ー選擇性的沉積エ藝，因此在開ロ 102’的外部表面也沉積了金屬層115’。一由底部向上的金屬沉積エ藝從開ロ 102’的底部向上填入,并且不會(huì)發(fā)生傳統(tǒng)金屬沉積エ藝所造成的階梯覆蓋能力問題。此由底部向上的金屬沉積エ藝填入具有高深寬比的小開ロ，例如開ロ 102’，并未留下空洞。另外，由底部向上的金屬沉積エ藝并沒有像眾所周 知選擇性的沉積エ藝所伴隨非常窄的エ藝窗ロ的問題。氣體團(tuán)簇離子束(GCIB)エ藝可使用于提供由底部向上的金屬沉積エ藝。此氣體團(tuán)簇為納米尺寸材料的聚集，此納米尺寸材料在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)和提升溫度和壓カ的條件下為氣態(tài)。當(dāng)氣態(tài)的材料以噴射氣流的方式釋放進(jìn)入一真空腔體，當(dāng)噴射氣流的靜洽(staticenthalpy)轉(zhuǎn)換成動(dòng)能吋，噴射氣流自然地冷卻。此冷卻效果導(dǎo)因于噴射氣流在真空腔體中膨脹。一部分的噴射氣流快速冷卻并從氣體狀態(tài)凝結(jié)?？山栌呻娮邮Z擊將此氣體團(tuán)簇離子化，因?yàn)殡娮邮Z擊可允許氣體團(tuán)簇形成為具有方向性的可控制能量束，也可將此離子化的氣體團(tuán)簇加速，以獲得所欲的動(dòng)能。雖然每個(gè)各別的分子僅具有適當(dāng)?shù)哪芰?，但是因?yàn)槊繄F(tuán)簇離子所攜帯能量的能力較高，因此較大尺寸的團(tuán)簇離子通常是最有用的。離子團(tuán)簇在沖擊基板時(shí)發(fā)生分解。在一個(gè)特定的分解離子團(tuán)簇中，各個(gè)個(gè)體的分子僅帶走整體團(tuán)簇能量中的一小部分。因此，此大離子團(tuán)簇的沖擊效應(yīng)是實(shí)實(shí)在在的，但僅局限于非常淺的表面區(qū)域。此結(jié)果使得氣體團(tuán)簇離子在表面改質(zhì)、沉積、蝕刻等エ藝非常具有效果，而不會(huì)發(fā)生傳統(tǒng)離子束エ藝易造成的較深的次表面損傷。氣體團(tuán)簇離子束(GCIB)裝置的實(shí)例已出現(xiàn)于2007年9月29日申請(qǐng)的美國(guó)專利申請(qǐng)?jiān)缙诠_第2009/0087578號(hào)，標(biāo)題為“Method for Depositing Films UsingGas Cluster Ion Beam Processing，，。圖2A顯示根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例具有方向性的離子團(tuán)簇到達(dá)具有阻障/粘結(jié)層的開ロ，以沉積一金屬層的剖面示意圖。圖2A顯示離子團(tuán)簇211為具有方向性的，且以垂直于基板的方向到達(dá)基板的表面。由于離子團(tuán)簇211為具有方向性的，因此僅少數(shù)或沒有沉積物出現(xiàn)在平行于離子團(tuán)簇行徑方向的表面(開ロ 202的側(cè)壁)上。此沉積特性消除了傳統(tǒng)PVD和CVD沉積所發(fā)生的懸掛凸出結(jié)構(gòu)和深寬比增加的問題。圖2A顯示金屬膜215沉積于開ロ 202的底部,且金屬膜215沉積于基板的頂部,上述金屬膜215、216的厚度遠(yuǎn)大于沉積于開ロ 202側(cè)壁表面的金屬膜214。于ー實(shí)施例中，金屬膜214的厚度約為零(幾乎沒有沉積)。上述氣體團(tuán)簇的形成是借由將含金屬氣態(tài)的前驅(qū)物，例如金屬有機(jī)前驅(qū)物或金屬鹵化物釋放于一真空腔體中?？蓪F(tuán)簇離子化或加以過濾，使其行徑垂直于基板的表面。也可借由ー電場(chǎng)將離子團(tuán)簇MP加速，以獲致所欲的動(dòng)能，并且根據(jù)本發(fā)明的ー實(shí)施例的圖2B中所示，當(dāng)離子團(tuán)簇MP撞擊基板205的表面225吋，離子團(tuán)簇將分解成金屬M(fèi)和殘留的氣態(tài)物種S。離子團(tuán)簇可包含數(shù)千個(gè)分子。離子團(tuán)簇可具有動(dòng)能的能量范圍約介于IkeV至數(shù)十keV之間，例如IkeV至90keV。一旦離子團(tuán)簇沖擊基板的表面，此動(dòng)能即轉(zhuǎn)換成局部的高溫，有助于釋放(或驅(qū)動(dòng))氣態(tài)物種離開已沉積的金屬膜。如同先前所述，以GCIBエ藝沉積金屬膜所使用的氣體可為含金屬的前驅(qū)物，包括金屬有機(jī)前驅(qū)物和金屬鹵化物。這些含金屬的前驅(qū)物在室溫可為液態(tài)，且可借惰性乘載氣體，例如He、Ne、Ar、Kr、Xe、或Rn,變成氣體的類型。另可替換地,使用于沉積金屬膜的氣體可為兩或多種氣體的混合物，在室溫或低溫并不發(fā)生反應(yīng)，例如大約介于室溫和200°C之間。當(dāng)氣體混合物的離子團(tuán)簇撞擊基板表面時(shí)，離子團(tuán)簇的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成熱能，此結(jié)果導(dǎo)致非常高的局部溫度(例如> 400°C )，能使氣體混合物發(fā)生反應(yīng)形成金屬和將會(huì)離開基板表面的殘留氣態(tài)物種。例如，氣體混合物包含WF6和SiF4，在> 400°C會(huì) 發(fā)生反應(yīng)以形成金屬W和HF、H2氣體。僅僅只有金屬W會(huì)留在基板表面，HF和H2氣體將會(huì)脫離基板表面。GCIBエ藝可用于沉積多種類型的金屬膜，例如銅、鋁、鎢、鈦、鉭、及任何具有氣態(tài)前驅(qū)物的金屬膜。GCIBエ藝也可用于沉積含金屬膜。例如,借由將氣態(tài)的含金屬前驅(qū)物與含氮的氣體(例如N2、NH3)混合產(chǎn)生的氣體混合物可沉積普通的阻障層和粘結(jié)層，TiN和TaN。然而，此GCIBエ藝并不適用于沉積襯墊開ロ的阻障層/粘結(jié)層，例如圖IA的開ロ 102，這是因?yàn)橛蒅CIBエ藝所沉積的膜層并無法于開ロ的側(cè)壁提供足夠的覆蓋能力。整合銅エ藝的已知考量為銅和阻障層之間的粘結(jié)性。對(duì)應(yīng)于銅的阻障層，例如TiN或TaN，在暴露于空氣時(shí)，其表面易于氧化。銅并無法與氧化的阻障層形成良好的粘結(jié)。在借由GCIBエ藝沉積銅膜的步驟之前，可臨場(chǎng)(于同一反應(yīng)腔體中)使用具有惰性氣體(例如Ar或He)的GCIBエ藝移除阻障層的氧化的表面。于此范例中，借由實(shí)施Ar或He的分子團(tuán)簇可移除阻障層的頂表面。此移除的反應(yīng)機(jī)構(gòu)相似于氬濺鍍(Ar sputtering)。在沉積金屬膜之前的臨場(chǎng)表面處理的優(yōu)點(diǎn)為高產(chǎn)出，并且在金屬沉積之前，限制前處理表面使其不暴露于空氣。此GCIB腔體具有獨(dú)特的能力，可于單ー的腔體中實(shí)施前處理及由底部向上的金屬沉積。另可替換地，GCIBエ藝可使用含氫的氣體進(jìn)行表面前處理。含氫的離子團(tuán)簇可將氧化的TiN或TaN還原成一富金屬層(metal rich layer),此富金屬層能允許銅層與阻障/粘結(jié)層之間產(chǎn)生較佳地粘結(jié)。為了改善粘結(jié)性將位于下層的表面處理步驟也可應(yīng)用于GCIBエ藝的其他金屬沉積，例如W、Al、Ta、Ti等。圖3A顯示根據(jù)本發(fā)明的ー實(shí)施例，在一 GCIBエ藝腔體中整合表面前處理和沉積鍍膜的制造流程300圖。于步驟301中，將ー具有圖案化構(gòu)造的基板移入一 GCIBエ藝腔體中。于步驟302中，借由使用一處理氣體的離子團(tuán)簇實(shí)施一表面前處理。所述前處理步驟可移除一表面層，例如借由一惰性氣體或借由還原表面層。也可能使用其他類型的表面處理步驟，例如配合一化學(xué)化合物轉(zhuǎn)換表面層。例如，可使用一含氮的離子團(tuán)簇處理金屬表面，將金屬表面，例如Ti或Ta，轉(zhuǎn)換成含氮的膜層例如TiN或TaN。于步驟303中，在完成步驟302的實(shí)施表面前處理步驟之后，于相同腔體中以GCIBエ藝即刻沉積ー膜層于基板上，以由底部向上填入基板的圖案化構(gòu)造中。例如，此沉積的膜層是ー金屬層。應(yīng)注意的是，也可沉積其他膜層，例如氧化層、半導(dǎo)體層或阻障層(例如TiN或TaN)。在完成基板的前處理步驟之后，于相同腔體中即刻沉積ー金屬膜可使基板以最低的程度暴露或不暴露在環(huán)境中，并且可避免基板表面的再氧化或污染。就沉積在阻障/粘結(jié)層(例如TiN或TaN)上面的金屬膜而言，此前處理步驟可大幅地改善金屬膜與阻障/粘結(jié)層之間的粘結(jié)性。此外，借由GCIBエ藝由底部向上的填入能使具有高深寬比的小尺寸構(gòu)造有良好的填入結(jié)果。在步驟303之后接續(xù)ー選擇性的步驟304。于步驟304中，以GCIBエ藝將步驟303沉積的金屬膜進(jìn)行后處理。此后處理步驟可包括以惰性氣體的離子團(tuán)簇轟擊金屬膜，以致密化膜層，或者移除遺留在膜層表面的殘留化合物，例如源自金屬有機(jī)前驅(qū)物的有機(jī)化合物。另可替換地，后處理步驟的離子團(tuán)簇可由一或多種反應(yīng)性氣體構(gòu)成，以改變步驟303沉積的膜層的表面。例如，若沉積的膜層為ー TiN層，其表面需要成為富金屬成份，則可使用含氫氣體的離子團(tuán)簇使膜層的表面成為富金屬成份。上述于制造流程300所掲示的沉積方法，不僅可以用于沉積金屬于圖2A所 示的結(jié)構(gòu)中，此結(jié)構(gòu)可為接觸物、導(dǎo)通孔和溝槽，也可以用于填入雙鑲嵌結(jié)構(gòu)中，例如根據(jù)本發(fā)明的ー實(shí)施例的圖3B的結(jié)構(gòu)310。圖3B顯示根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例在基板315中具有導(dǎo)通孔開ロ 311和溝槽開ロ 312的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)。已沉積一阻障/粘結(jié)層313以襯墊開ロ 311和312。如同先前所描述，阻障/粘結(jié)層313可以是ー復(fù)合層。導(dǎo)通孔開ロ 311為小且具有高深寬比，并且很困難填入。使用制造流程300的步驟，以GCIB法前處理基板表面和由底部向上沉積金屬膜，可粘入開ロ 311和312，而不會(huì)留下空洞于開口中，并且沉積膜層與下方的阻障/粘結(jié)層313之間具有良好的粘結(jié)性。借由GCIB法沉積的金屬膜層314可為任何的導(dǎo)電材料，例如鋁、銅、鎢等。除了填入例如是接觸物、導(dǎo)通孔和溝槽的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)，制造流程300也可用于沉積含金屬膜于ー置換柵極結(jié)構(gòu)中。圖3C顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的一置換柵極結(jié)構(gòu)320位于一基板321的上面。結(jié)構(gòu)320具有由間隙子323的ー開ロ 322，此間隙子323被介電層330所環(huán)繞。開ロ 322是在移除例如是多晶硅的一虛置柵極(dummy gate)之后的步驟形成。一高介電常數(shù)(high-k)材料層324位在開ロ 322的下方且位于基板321的正上方。一阻障層325位于高介電常數(shù)材料層的上方，阻障層325用以保護(hù)高介電常數(shù)材料層324。于ー實(shí)施例中，位于阻障層325的上方，具有一功函數(shù)層326。開ロ 322需填入ー柵極材料(導(dǎo)電層)，例如鋁，或其他類型具有低導(dǎo)電性的金屬。 對(duì)于先進(jìn)技術(shù)而言，開ロ 322可以是非常小，且具有高深寬比。圖3D顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例在圖3C的開ロ 322中填入ー選擇性的阻障/粘結(jié)層327和ー柵極金屬層328。阻障/粘結(jié)層327可借由CVD、PVD、ALD、或其他適用的エ藝沉積。柵極金屬層328是使用以上描述的制造流程300借由GCIB法沉積(在金屬膜層沉積之前先施以表面前處理步驟)。例如，阻障/粘結(jié)層327可由Ti、TiN, Ta、TaN、或者由Ti/Ti或Ta/TaN的組合構(gòu)成。如同以上所討論，為了確保良好的粘結(jié)性和良好的電子遷移性，急需要從阻障/粘結(jié)層327的表面移除表面氧化物或污染物，或者使表面變成富金屬成份。如果阻障/粘結(jié)層327為非必要的，則需要將位在柵極金屬層下方的最頂層(例如是功函數(shù)層326)進(jìn)行表面處理，以移除最頂層的表面氧化物。借由GCIBエ藝由底部向上沉積的膜層的本質(zhì)特性能使具有高深寬比的微小開ロ的間隙填入結(jié)果具有良好的鍍膜品質(zhì)，并且與下方的膜層間具有良好的粘結(jié)性。其他的置換柵極制造流程可涉及在移除虛置柵極的步驟之后，沉積一功函數(shù)層326’。圖3E顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例使用以上描述的制造流程300借由GCIB法沉積功函數(shù)層326’于ー置換柵極結(jié)構(gòu)上。功函數(shù)層可為一 N型功函數(shù)層或ー P型功函數(shù)層。N型功函數(shù)層的范例材料包括，但不限定于，La、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Ti、及金屬碳化物。功函數(shù)層可包含雜質(zhì)。例如，用于提供N型功函數(shù)層偏移的雜質(zhì)為擇自鑭系元素。用于沉積含有雜質(zhì)的金屬膜層的GCIBエ藝可借由引入兩種不同形態(tài)的氣體前驅(qū)物進(jìn)入エ藝腔體。P型功函數(shù)層的范例材料包括，但不限定于，Re、Fe、Ru、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、及Pt。Pd可使用于P型功函數(shù)層的雜質(zhì)。為了沉積上述的功函數(shù)層，將氣態(tài)的金屬前驅(qū)物引入エ藝腔體中。如同以上所描述，金屬前驅(qū)物可與一乘載氣體混合。此外，可同時(shí)引入另ーエ藝氣體。于ー實(shí)施例中，在阻障層325和功函數(shù)層326’之間仍具有一或多個(gè)膜層。如果在功函數(shù)層326’和柵極金屬層328’之間不需要阻障/粘結(jié)層，根據(jù)本發(fā)明的ー實(shí)施例，則在相同的エ藝腔體中使用不同的エ藝氣體可臨場(chǎng)(in situ)沉積功函數(shù)層326’，如圖3F所示。如果沉積步驟是以臨場(chǎng)完成，在沉積功函數(shù)層之前的前處理工藝便是選擇性的。另可替換地，柵極金屬層328’的沉積エ藝可在一分開的GCIBエ藝腔體中實(shí)施，此分開的腔體連接到用于沉積功函數(shù)層326’的GCIB腔體。如果柵極金屬層328’的沉積 步驟是在分開的GCIBエ藝腔體中實(shí)施，則應(yīng)該重新執(zhí)行一次制造流程300中所述的表面前處理步驟。除了 GCIBエ藝之外，光誘發(fā)化學(xué)氣相沉積(photo-induced chemical vaporexposition，簡(jiǎn)稱PI-CVD)エ藝也可以提供由底部向上的沉積エ藝。PI-CVD反應(yīng)器為具有光源的CVD反應(yīng)器，此光源對(duì)エ藝氣體照射光線。從光源所發(fā)出的光子能量可打斷金屬分子和非金屬分子之間的鍵結(jié)。圖4A顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例以光子能量P打斷金屬分子M和有機(jī)化合物O之間的鍵結(jié)的示意圖。所述光子可由低頻率的光源產(chǎn)生，例如紫外光(UV)、深紫外光(deep-UV)、X-光或頻率低于X-光的光源。一旦將金屬分子自貼附的有機(jī)化合物分離，金屬分子可沉積于基板表面401上。此沉積エ藝的溫度為相對(duì)地低。于一實(shí)施例中，沉積溫度是介于室溫(RT)和大約100°C之間。于另ー實(shí)施例中，沉積溫度是介于室溫(RT)和大約150°C之間?；谙鄬?duì)地低的沉積溫度，當(dāng)沉積在基板表面時(shí)，金屬分子呈現(xiàn)類液態(tài)的本質(zhì)且移動(dòng)橫越基板表面。根據(jù)本發(fā)明的ー實(shí)施例，此金屬分子的類液態(tài)本質(zhì)能使金屬分子移動(dòng)(“流動(dòng)”)至構(gòu)造(例如圖4B的構(gòu)造410)的底部，并且由底部向上填滿開ロ 415。于ー實(shí)施例中，重力有助于類液態(tài)的金屬分子M的“流動(dòng)”進(jìn)入開ロ，使其由由底部向上填入開ロ。這些金屬分子沉積于構(gòu)造410上成為膜層411。用于PI-CVD沉積金屬膜的反應(yīng)源可包括金屬有機(jī)前驅(qū)物、金屬鹵化物、以及其他鍵結(jié)可被低頻率光打斷鍵結(jié)的含金屬有機(jī)源。這些含金屬有機(jī)源在室溫下可為液態(tài)。上述金屬有機(jī)前驅(qū)物在室溫下可為液態(tài)，并且可結(jié)由惰性乘載氣體攜入。惰性乘載氣體例如是He、Ne、Ar、Kr、Xe或Rn。另可替換地,用于沉積金屬膜的氣體可以是兩或多種氣體的混合物，在室溫下或低溫下(例如介于室溫和大約200°C之間)并不發(fā)生反應(yīng)。光子能量能使氣體混合物反應(yīng)以形成金屬膜，具有殘留的氣體物種會(huì)離開基板表面。例如，氣體混合物可包括WF6和SH4，在〉400°C條件下會(huì)反應(yīng)形成W以及HF和H2氣體。僅只有W會(huì)留在基板的表面，而HF和H2氣體會(huì)離開基板表面。如果殘留的氣體被陷捕在鍍膜中，可借由一后退火エ藝將殘留的氣態(tài)物種從鍍膜中釋放。PI-CVDエ藝可使用于沉積各種類型的金屬膜，例如銅、鋁、鎢、鈦、鉭、及任何具有氣態(tài)前驅(qū)物的金屬膜。PI-CVDエ藝也可用于沉積含金屬膜。例如,借由將氣態(tài)的含金屬前驅(qū)物與含氮的氣體(例如N2、NH3)混合產(chǎn)生的氣體混合物可沉積普通的阻障層和粘結(jié)層，TiN和TaN。此PI-CVDエ藝也適用于沉積由底部向上沉積堆迭柵極中的材料。例如，借由PI-CVDエ藝沉積的膜層可包括如以上所述的P型功函數(shù)材料或N型功函數(shù)材料。如以上所討論，各種形態(tài)的金屬膜可借由PI-CVDエ藝沉積，以填入內(nèi)連線及置換柵極。就先進(jìn)的エ藝技術(shù)而言，此エ藝技術(shù)需要將金屬填入具有高深寬比的微小構(gòu)造中，因此由PI-CVD金屬沉積エ藝的由底部向上的沉積本質(zhì)可確使良好的間隙填入效果。由于金屬膜是在相對(duì)低的溫度條在下沉積，一部分的殘留有機(jī)化合物、鹵化物、或反應(yīng)副產(chǎn)物非?？赡芟菰诓⒉⑷虢饘倌?11中。為了確使沉積的金屬膜中無殘留的化合物，可使用一沉積后退火エ藝致密化鍍膜，并且允許殘留的化合物經(jīng)由氣體或蒸氣形式脫離金屬膜。退火エ藝應(yīng)于ー相對(duì)短的時(shí)間內(nèi)完成，以確保熱エ藝不會(huì)改變摻雜的輪廓或元件的效能。此外，如果目前沉積的金屬層下方存在一金屬層，則此退火エ藝不應(yīng)將此下方的金屬層熔化或蒸氣化。一快速退火エ藝可使用快速熱エ藝(RTP)、尖峰退火、和激光退火。另 可替換地，退火エ藝并非快速熱エ藝，例如是爐管退火。如果此退火エ藝是在低溫的條件下實(shí)施，可使用較長(zhǎng)的エ藝時(shí)間(或退火時(shí)間)而不會(huì)影響摻雜的輪廓或影響退火膜層下方的膜層的整合性。如果退火エ藝是用于柵極堆迭中的金屬膜層，退火溫度則可高達(dá)600°C。對(duì)于內(nèi)連線的膜層，退火溫度應(yīng)保持在低于約450°C或低于約400°C。于ー實(shí)施例中，退火的溫度范圍約為介于200°C到450°C之間，退火持續(xù)的時(shí)間約介于I分鐘到30分鐘之間，例如是針對(duì)內(nèi)連線的應(yīng)用。于另ー實(shí)施例中，退火的溫度范圍約為介于300°C到600°C之間，退火持續(xù)的時(shí)間約介于I分鐘到30分鐘之間(例如是針對(duì)前段エ藝應(yīng)用)。退火可于相同的PI-CVD腔體中(臨場(chǎng))實(shí)施，或者于個(gè)別的腔體中實(shí)施。于ー實(shí)施例中，退火腔體在真空狀態(tài)下，以允許殘留氣體(或副產(chǎn)物)借由退火エ藝被泵離開金屬膜。圖5顯示根據(jù)本發(fā)明的ー實(shí)施例，借由PI-CVDエ藝沉積含金屬膜于ー圖案化構(gòu)造上，接續(xù)實(shí)施退火步驟的制造流程500圖。于步驟501中，將ー具有圖案化構(gòu)造的基板移入一 PI-CVDエ藝腔體中。于ー實(shí)施例中，基板被一阻障/粘結(jié)層所覆蓋。于另ー實(shí)施例中，在基板被放置在PI-CVDエ藝腔體內(nèi)之前，基板的表面已進(jìn)行一前處理步驟，例如Ar濺鍍或氫還原步驟，以移除表面氧化物。于步驟502中，借由PI-CVDエ藝將ー鍍膜沉積在基板上，使其由底部向上填入圖案化構(gòu)造中。于ー實(shí)施例中，鍍膜為一金屬層。借由PI-CVDエ藝將金屬膜由底部向上的填入能確使小尺寸構(gòu)造(例如上述構(gòu)造具有開ロ的尺寸約等于或小于O. I微米)得到良好的間隙填入效果。借由PI-CVDエ藝將金屬膜由底部向上的填入能確使具有深寬比大于2 I小尺寸構(gòu)造得到良好的填入效果。于ー實(shí)施例中，光源具有頻率低于紫外光(UV)的頻率。在步驟502之后接續(xù)ー步驟503。于步驟503中，在完成步驟502的金屬膜沉積步驟之后，將基板進(jìn)行退火步驟。于ー實(shí)施例中，退火步驟為快速退火步驟，實(shí)施退火的溫度范圍約為介于300°C到450°C之間，退火持續(xù)的時(shí)間約介于I秒鐘到2分鐘之間。如同以上所描述，退火エ藝可致密化金屬膜，并且能使殘留氣態(tài)物種從金屬膜離開(或釋放)。如同上述提到，退火エ藝的實(shí)施溫度范圍和時(shí)間范圍并不會(huì)導(dǎo)致?lián)诫s輪廓改變，或者不會(huì)導(dǎo)致任何位于沉積金屬膜下方的膜層發(fā)生劣化。
以上所述用以填入內(nèi)連線或置換柵極結(jié)構(gòu)的由底層向上的金屬沉積方法能確使細(xì)微構(gòu)造的間隙填入得到良好的結(jié)果，例如細(xì)微構(gòu)造等于或約小于O. I微米，無論此細(xì)微構(gòu)造具有多大的深寬比。以上所述用以填入內(nèi)連線或置換柵極結(jié)構(gòu)的由底層向上的金屬沉積方法也能確使具有深寬比例如大于2 I的細(xì)微構(gòu)造的間隙填入得到良好的結(jié)果。借由GCIBエ藝沉積金屬膜的臨場(chǎng)處理步驟能確使移除表面的雜質(zhì)和表面氧化物，以改善沉積金屬膜層和下方的膜層之間的粘結(jié)性。借由PI-CVDエ藝使用高能量低頻率的光源于相對(duì)低溫下沉積的金屬膜呈現(xiàn)類液態(tài)的本質(zhì)，此類液態(tài)的本質(zhì)可允許金屬膜由底層向上填入細(xì)微構(gòu)造。由PI-CVDエ藝沉積的金屬膜經(jīng)沉積后退火步驟可致密化金屬膜，并且從相對(duì)低溫沉積的膜層中移除殘留的氣態(tài)物種。借由GCIB和PI-CVDエ藝所沉積的金屬膜層僅出現(xiàn)有限地沉積在構(gòu)造(或開ロ)的側(cè)壁上。此由底層向上填入特性極為重要，因?yàn)樵谀映练e的過程中，這些開ロ的尺寸并不會(huì)減少，且這些開ロ(或構(gòu)造)的深寬比不會(huì)増加。對(duì)于先進(jìn)的制造而言，此由底層向上填入的金屬沉積方法可解決具有高深寬比的微細(xì)構(gòu)造的間隙填入所面臨的挑戰(zhàn)。本發(fā)明雖以各種實(shí)施例掲示如上，然其并非用以限定本發(fā)明的范圍，任何本領(lǐng)域 普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可做些許的更動(dòng)與潤(rùn)飾。本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視所附的權(quán)利要求所界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種沉積含金屬膜于具有圖案化構(gòu)造的基板上的方法，包括 放置一具有圖案化構(gòu)造的基板于一光誘發(fā)化學(xué)氣相沉積工藝腔體中，該光誘發(fā)化學(xué)氣相沉積即PI-CVD ； 使用PI-CVD法沉積一含金屬膜，其中該含金屬膜的類-液態(tài)本質(zhì)致使該含金屬膜從底部往上填入該圖案化構(gòu)造；以及 實(shí)施一退火工藝于該含金屬膜，以致密化該含金屬膜并從該含金屬膜釋放殘留的氣態(tài)化合物。
2.如權(quán)利要求I所述的沉積含金屬膜于具有圖案化構(gòu)造的基板上的方法，其中該含金屬膜擇自一群組實(shí)質(zhì)上包含鎢、鋁、鋁合金、銅、銅合金、鈦、鉭、氮化鈦、氮化鉭、鈦/氮化鈦、鉭/氣化鉭、鑭、錯(cuò)、鉿、銀、銀、錸、鐵、釕、鈷、錯(cuò)、鉺、鎳、鈕、鉬、上述金屬的碳化物、及含有鈀摻雜的上述金屬。
3.如權(quán)利要求I所述的沉積含金屬膜于具有圖案化構(gòu)造的基板上的方法，其中該圖案化構(gòu)造的一開口的寬度約等于或小于O. I微米。
4.如權(quán)利要求I所述的沉積含金屬膜于具有圖案化構(gòu)造的基板上的方法，其中使用于該P(yáng)I-CVD法的光子的頻率約等于或小于紫外光。
5.如權(quán)利要求I所述的沉積含金屬膜于具有圖案化構(gòu)造的基板上的方法，其中以PI-CVD法沉積含金屬膜的步驟是使用一含金屬的前驅(qū)物,為金屬有機(jī)化合物或金屬鹵化物的其中之一，以及其中在引入該P(yáng)I-CVD工藝腔體時(shí)，該含金屬的前驅(qū)物為氣體狀態(tài)。
6.如權(quán)利要求I所述的沉積含金屬膜于具有圖案化構(gòu)造的基板上的方法，其中該含金屬膜是在介于大約室溫和150 °C的溫度范圍之間沉積。
7.如權(quán)利要求I所述的沉積含金屬膜于具有圖案化構(gòu)造的基板上的方法，其中該退火工藝為一快速退火工藝，其使用一技術(shù)擇自一群組實(shí)質(zhì)上包含快速熱工藝、尖峰退火、和激光退火，其中于一溫度范圍及持續(xù)時(shí)間不會(huì)改變?cè)摶鍍?nèi)部的摻雜輪廓并且不會(huì)損傷位于該沉積的含金屬膜下方的膜層。
全文摘要
本發(fā)明實(shí)施例公開了一種沉積含金屬膜于具有圖案化構(gòu)造的基板上的方法，即揭示由底部向上的金屬沉積方法，以填入內(nèi)連線結(jié)構(gòu)和置換柵極結(jié)構(gòu)，能使具有高深寬比的細(xì)微構(gòu)造的間隙填入不會(huì)造成空洞，并且提供具有良好鍍膜品質(zhì)的金屬膜。利用GCIB工藝沉積金屬膜的臨場(chǎng)前處理能允許表面雜質(zhì)和表面氧化物，以改善底層和沉積的金屬之間的粘結(jié)性。借由PI-CVD工藝沉積的金屬膜是使用高能量低頻率的光源，于相對(duì)低的溫度時(shí)呈現(xiàn)類液態(tài)的性質(zhì)，而允許金屬膜由底部向上填入細(xì)微構(gòu)造。由PI-CVD工藝沉積的金屬膜的后沉積退火工藝能使金屬膜致密化，并從金屬膜移除殘留的氣態(tài)物種。本發(fā)明解決了具有高深寬比的細(xì)微構(gòu)造在間隙填入時(shí)所面臨的挑戰(zhàn)。
文檔編號(hào)C23C16/56GK102851647SQ20121032084
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2010年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月9日
發(fā)明者林思宏, 楊棋銘, 陳其賢, 林進(jìn)祥 申請(qǐng)人:臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司