CN102005384B - 铜金属化自形成阻挡层低温退火方法 - Google Patents

铜金属化自形成阻挡层低温退火方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种铜金属化自形成阻挡层低温退火方法。铜合金膜淀积于含氧化合物介质之上得到的金属化体系，将得到的金属化体系在300-400℃的温度下退火处理，退火处理时，在金属化体系上施加10V-60V的偏压，在该偏压作用下产生由含氧化合物介质指向铜合金膜方向的电场，使铜合金膜中合金原子更容易偏析并在电场作用下向界面输运，与层间介质反应自形成扩散阻挡层。本发明在不增加工艺复杂度的情况下，有效地解决了铜金属化体系电阻率和热稳定性在退火温度方面的矛盾要求。同时，该工艺具有实施简单，与半导体器件制造工艺相兼容的特点。

Description

铜金属化自形成阻挡层低温退火方法
技术领域
本发明涉及的是一种半导体器件金属化扩散阻挡层制备工艺，具体地来说涉及一种铜金属化自形成阻挡层低温退火工艺。
背景技术
随着微电子器件尺寸与线宽缩小化以及集成电路设计的复杂化，互连线RC延迟和电迁徙引起的可靠性问题已经成为影响电路性能的关键所在。由于铜具有低的电阻率和高的抗电迁徙性能，使其成为一种理想的互连线材料而取代传统的铝布线。但是，铜属快扩散杂质，不仅容易扩散进入氧化物或其它层间介质材料，形成互连线的低击穿，而且能扩散到硅中形成深能级陷阱，或与硅在较低温度下反应生成高阻化合物，导致对有源区的沾污而引起结漏电和阈值电压漂移，甚至使器件失效。因此，需要在铜与氧化物及其它介质材料之间介入阻挡层来有效地阻挡铜向硅中扩散，同时也改善铜膜与基体的结合能力。铜互连技术中扩散阻挡层的介入不仅会增加制程上的负担，而且会大大增加导线的电阻值，使得铜导线降低整体电阻值的优势不能得以维持。
基于阻挡层在铜互连工艺中的局限性，“自形成”阻挡层方法引起越来越多的关注，以期能够替代扩散阻挡层的作用。该方法是在铜中加入少量固溶度较低的某些高熔点合金元素，并使铜合金膜沉积在热氧化硅基底上，薄膜退火加热后，在Cu/SiO2界面会形成薄而稳定的自形成阻挡层，从而起到界面扩散阻挡层的作用。但是，由于合金元素的引入，使得铜合金膜在退火后仍有较高的电阻率，不利于降低互连线的RC延迟，而采用过高的退火温度(如＞500℃)则会引起金属化系统的热稳定性，且不适用于集成电路制造的后端工艺。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能有效地解决铜金属化体系电阻率和热稳定性在退火温度方面的矛盾，工艺简单，与半导体器件制造工艺相兼容的铜金属化自形成阻挡层低温退火方法。
本发明的目的是这样实现的：
铜合金膜淀积于含氧化合物介质之上得到的金属化体系，将得到的金属化体系在300-400℃的温度下退火处理，退火处理时，在金属化体系上施加10V-60V的偏压，在该偏压作用下产生由含氧化合物介质指向铜合金膜方向的电场，使铜合金膜中合金原子更容易偏析并在电场作用下向界面输运，与层间介质反应自形成扩散阻挡层。
所述铜合金膜是掺入Zr、Ag、V、Mg、Mn、Ti、Al或In的铜合金膜。
所述氧化合物介质是SiO2。
本发明的铜金属化自形成阻挡层低温退火工艺的主要特点是将金属化体系在300-400℃的温度下退火处理，退火处理时在金属化体系上施加10V-60V的偏压(简称场助退火)，以增加铜合金膜中合金原子向界面输运的驱动力，使铜合金膜中合金原子更容易偏析并在电场作用下向界面输运，与层间介质反应自形成扩散阻挡层。
本发明所述的铜金属化自形成阻挡层低温退火工艺，可通过优化铜合金膜中合金原子浓度、退火温度、时间以及退火时偏压大小达到获得性能优良的铜金属化体系。在不提高退火温度和不影响金属化体系热稳定性的前提下，通过场助退火工艺获得电阻率低且性能稳定的铜导线或电极。实际上，由于铜合金膜/介质界面的不平整，所施加偏压将会在界面水平方向产生电场分量，从而改善水平方向合金原子的输运和反应，从而有助于获得均匀而稳定的界面层(即扩散阻挡层)。本发明在不增加工艺复杂度的情况下，有效地解决了铜金属化体系电阻率和热稳定性在退火温度方面的矛盾要求。同时，该工艺具有实施简单，与半导体器件制造工艺相兼容的特点。
具体实施方式
下面举例对本发明做更详细地描述：
实施例1
铜合金膜Cu-Zr(0.3at.％)利用磁控溅射方法淀积于SiO2介质之上，将得到的Cu-Zr/SiO2/Si金属化体系在400℃的温度下退火处理1小时。退火处理时，在金属化体系Si基底上施加20V的偏压，在该偏压作用下产生由半导体指向铜合金膜方向的电场，以增加Zr原子向Cu-Zr/SiO2界面输运的驱动力，使铜合金膜中Zr原子更容易偏析并在电场作用下向界面输运，与SiO2介质反应自形成扩散阻挡层ZrO2。通过本实施例Cu-Zr/SiO2/Si金属化体系退火温度、时间以及退火时偏压大小获得约7nm厚的自形成阻挡层。在不提高退火温度和不影响金属化体系热稳定性的前提下，通过场助退火工艺获得电阻率约2.5μΩ·cm且性能稳定的铜膜。
实施例2
铜合金膜Cu-Al(0.6at.％)利用磁控溅射方法淀积于SiOCH介质之上，将得到的Cu-Al/SiOCH/Si金属化体系在400℃的温度下退火处理1小时。退火处理时，在金属化体系Si基底上施加30V的偏压，最终获得约5nm厚的自形成阻挡层。在不提高退火温度和不影响金属化体系热稳定性的前提下，通过场助退火工艺获得电阻率低于2.7μΩ·cm且性能稳定的铜膜。
实施例3
铜合金膜Cu-Mn(0.3at.％)利用磁控溅射方法淀积于SiO2介质之上，将得到的Cu-Mn/SiO2/Si金属化体系在350℃的温度下退火处理1小时。退火处理时，在金属化体系Si基底上施加25V的偏压，以增加Mn原子向Cu-Mn/SiO2界面的输运与SiO2介质反应形成约3nm厚的扩散阻挡层，获得电阻率约2.2μΩ·cm的铜膜。

Claims (3)

1.一种铜金属化自形成阻挡层低温退火方法，其特征是：将铜合金膜淀积于含氧化合物介质之上得到的金属化体系在300-400℃的温度下退火处理，退火处理时，在金属化体系上施加10V-60V的偏压，在所述偏压作用下产生由含氧化合物介质指向铜合金膜方向的电场，使铜合金膜中合金原子更容易偏析并在电场作用下向界面输运，与层间介质反应自形成扩散阻挡层。
2.根据权利要求1所述的铜金属化自形成阻挡层低温退火方法，其特征是：所述铜合金膜是掺入Zr、Ag、V、Mg、Mn、Ti、Al或In的铜合金膜。
3.根据权利要求1或2所述的铜金属化自形成阻挡层低温退火方法，其特征是：所述含氧化合物介质是SiO2。
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