[发明专利]溅射设备及制造金属化结构的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种溅射设备及制造金属化结构的方法，特别是涉及一种用于半导体芯片的金属化结构。

背景技术

半导体芯片长久以来的目标是在于同时增加芯片电路的性能与减少芯片整体的物理尺寸。近来，例如集成电路(integrated circuits，IC’s)的能量耗费与制程技术等物理限制已激励以多个芯片垂直堆栈的方式来取代增加横向组件密度的方式，以确保性能。

垂直堆栈的半导体芯片可具有硅穿孔，以建立此些垂直堆栈半导体芯片之间的电性连接。硅穿孔一般为高深宽比的孔洞，而位于半导体芯片中，并填充或镀有金属或导体，以电性连接电路单元的二或更多层。

半导体芯片亦可提供多层重新布线结构(multi-level rewiring structure)，其一般具有电性传导性的数值和介电层，介电层是制造于半导体芯片的前侧。此多层重新布线结构允许集成电路结构可制造于半导体本体中，以连接于芯片最外侧表面的接垫。同时，延伸于多层金属化的不同层之间的穿孔侧壁亦需具有均匀的覆盖。

穿孔可同时作为部分的多层重新布线结构以及延伸于半导体芯片半体中的硅穿孔，其具有一深宽比，至少为5∶1或至少为10∶1，未来可能甚至为20∶1。深宽比是用以描述穿孔的高度相对于宽度的比例。然而，高深宽比会造成穿孔的侧壁上的覆盖层材料难以具有均匀的厚度。

此外，使用铜来取代铝的金属化可提供此多层重新布线结构于半导体芯片的表面上，或硅穿孔，其可改善散热，这是因为铜的电阻仅约为铝的一半。然而，铜具有一缺点，其容易扩散于硅中，因而可能容易损害芯片的集成电路，且可能影响性能。

美国专利第6,911,124B2号与第7,253,109B2号揭露包括有低钽(Ta)或TaNx层、中氮化钽(TaN)晶种层及高Ta层的结构，其在于避免铜扩散于硅基材中。

然而，钽金属具有二结晶相：低电阻(15-60micro-ohm-cm)α-相(体心立方晶相)，以及高电阻(150-210micro-ohm-cm)β-相(正方晶相)。由于具有低阻抗，此α-相是预期形成于β-相上，用以作为电子应用中的阻障。然而，此沈积条件需谨慎地控制，以避免形成更高阻抗的β-相。

因此，需要提供一种半导体芯片的金属化结构，以可靠地进行沈积，并具有低电阻来适用于铜导线。

发明内容

一种用以沈积金属化结构的方法包含提供基材；沈积氮化钽(TaN)层于基材上；以及接着沈积钽(Ta)层于氮化钽层上。此氮化钽层是利用提供靶材来溅射于基材上，靶材是至少部分由钽所形成，并提供溅射气体，其包含氮和惰性气体，且以多个脉冲来施加电源于阳极与阴极之间，阴极包括此靶材。脉冲电源是以高电流及低占空比来进行施加，特别是，脉冲是以介于10Hz与1000Hz之间的频率与介于0.01％与20％之间的占空比来进行施加，并产生介于0.1A/cm²与10A/cm²之间的电流密度于靶材上。磁场是施加于邻接靶材的表面。在电源的每一脉冲的期间中，钽是反应性地由靶材溅射至基材，以形成氮化钽晶种层。钽层是沈积于氮化钽晶种层上，其是利用提供惰性溅射气体，以及以多个脉冲来施加电源于阳极与阴极之间的方式来沈积，阴极包括此靶材。正如沈积氮化钽层，此脉冲电源是以高电流及低占空比来进行施加，特别是，脉冲是以介于10Hz与1000Hz之间的频率与介于0.01％与20％之间的占空比来进行施加，并产生介于0.1A/cm²与10A/cm²之间的电流密度于靶材上。再者，当沈积此钽层时，高频率信号是加于基座，以产生自偏压场(self-bias field)来邻接于基材。在电源的每一脉冲的期间中，钽是由靶材来沈积至氮化钽层上，以形成钽层。

一种用以沈积TaN/Ta阻障层结构，其适合使用于铜导线，其利用物理气相沈积来进行沈积，特别是溅射，更特别是使用高电流且低占空比脉冲的溅射技术。

此方法使具有低电阻率的钽层可沈积于氮化钽晶种层上，此钽层可是由α-钽所组成，亦即钽具有体心立方(bcc)结构，其具有低电阻率，或者可包含至少95体积％的α-钽。在一实施例中，此钽层包含少于20体积％或少于10体积％的具有正方结晶结构和高电阻率的钽相，亦称为β-钽。再者，利用高电流且低占空比脉冲溅射技术来沈积氮化钽层，可使层厚度减低，因而整体看来，具有低电阻率的金属结构的制造可更快速且更具成本效益。