CN102437144A - 一种Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成双层非晶扩散阻挡层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成双层非晶扩散阻挡层及其制备方法，扩散阻挡层体系包括衬底、沉积在衬底上并作为种子层和析出层的Cu(Ru)合金薄膜、植入于衬底和Cu(Ru)合金薄膜之间并作为预阻挡和耗尽层的非晶Ru-Ge合金薄膜，以及镀在Cu(Ru)合金薄膜上并作为互连层的纯Cu层。本发明自形成的双层阻挡层连续均匀致密，厚度可控制在几纳米内，且具有低的电阻和高的热稳定性，满足超大规模集成电路对Cu互连扩散阻挡层的性能要求。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路Cu互连体系扩散阻挡层材料，特别是一种Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成双层非晶扩散阻挡层及其制备方法。
背景技术
随着超大规模集成电路的发展，低电阻率的Cu替代Al成为互连材料，然而Cu互连线存在易扩散污染，低温和空气下易被氧化，与SiO2及大多数介质材料的粘附性较差等问题。需在Cu与Si、SiO2及介质层之间增加适当的扩散阻挡层(Diffusion Barrier Layer)，防止Cu膜氧化和阻挡Cu原子扩散，增加Cu与介质层的结合强度，从而改善Cu互连的界面特性，降低电迁移，提高可靠性。
随着Cu互连特征尺寸减小到几十纳米时，阻挡层的厚度相应只有十几纳米甚至几纳米。这就对阻挡层制备工艺与性能提出了更为苛刻的要求。性能要求：阻挡层具有高温稳定性；良好的电导性，减少额外的电压降；尽可能的薄，以确保Cu互连线尽可能大的有效横截面尺寸；良好的台阶覆盖性、低应力、致密均匀。采用传统方法难以制备出如此超薄均匀的高性能扩散阻挡层。
鉴于以上缺陷，实有必要提供一种扩散阻挡层及其制备方法以解决以上技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成双层非晶扩散阻挡层及其制备方法，以解决Cu互连线在低温和空气下易被氧化，与SiO2及大多数介质材料的粘附性较差等问题，本发明阻挡层薄膜材料由非晶Zr层与ZrN两层优化组合而成，完全可以满足超大规模Cu互连线扩散阻挡层薄膜的要求。
为此，本发明采用以下技术方案：
一种Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成双层非晶扩散阻挡层，包括衬底、沉积在衬底上并作为种子层和析出层的Cu(Ru)合金薄膜、植入于衬底和Cu(Ru)合金薄膜之间并作为预阻挡和耗尽层的非晶Ru-Ge合金薄膜，以及沉积在Cu(Ru)合金薄膜上并作为互连层的纯Cu层。
所述衬底为硅片或者具有二氧化硅氧化层的硅片；
所述扩散阻挡层的厚度为5～15nm；
所述Ru-Ge合金薄膜中Ge含量为40％-70％；
本发明Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成双层非晶扩散阻挡层的制备方法为：在Ar气体氛围中，以Ru片、Ge片和Cu片作为溅射靶材进行共磁控溅射，在硅片或者具有二氧化硅氧化层的硅片表面分别依次沉积Ru-Ge合金薄膜和Cu(Ru)合金薄膜，然后纯Cu膜沉积在Cu(Ru)合金薄膜表面，形成Cu/Cu(Ru)/Ru-Ge/Si堆栈体系或者Cu/Cu(Ru)/Ru-Ge/SiO2/Si堆栈体系，最后将该堆栈体系进行退火处理即可。
沉积条件：总溅射气压为0.2Pa，共沉积Ru-Ge合金时，Ru靶和Ge靶功率比为1～1/2；共沉积Cu(Ru)合金薄膜时，Cu靶和Ru靶的功率分别是150W和30W，沉积纯Cu的功率为150W。
退火处理的条件：在真空或N2/H2混合气氛保护下，200℃～250℃保温1.5～2h。
与现有技术相比，本发明Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成双层非晶扩散阻挡层及其制备方法至少具有以下优点：1)植入非晶RuGe层为中间层，可结合扩散来的Cu原子形成低电阻率的Cu-Ge化合物，从而形成具有良好的电导性的Ru-Ge-Cu三元非晶层；2)采用Cu(Ru)合金为种子层和析出金属源提供Ru元素；3)非晶RuGe层可结合扩散来的Cu原子，进一步促进Cu(Ru)合金中Ru原子的析出，从而更容易自形成富Ru-RuO层；4)可实现在较低温度下退火自形成仅几纳米厚的双层非晶阻挡层。
具体实施方式
下面对本发明Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成双层非晶扩散阻挡层及其制备方法做详细描述：
本发明Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成双层非晶扩散阻挡层包括衬底、沉积在衬底上并作为种子层和析出层的Cu(Ru)合金薄膜、植入于衬底和Cu(Ru)合金薄膜之间并作为预阻挡和耗尽层的非晶Ru-Ge合金薄膜，以及镀在Cu(Ru)合金薄膜上并作为互连层的纯Cu层。
所述衬底为硅片或者具有二氧化硅氧化层的硅片。本发明退火后形成的扩散阻挡层的厚度为5～15nm，所述Ru-Ge合金薄膜的厚度10～15nm，所述Cu(Ru)合金薄膜的厚度为20～30nm，所述纯铜膜的厚度为200～300nm。
实施例1
在Ar气体氛围中，以直径×厚度为Φ50×3mm的Ru片、Ge片和Cu片作为溅射靶材进行共磁控溅射，在硅片Si表面沉积分别依次沉积15nm厚的Ru-Ge合金薄膜和30nm厚的Cu(Ru)合金薄膜，最后300nm厚纯Cu膜沉积在Cu(Ru)合金薄膜表面，形成Cu/Cu(Ru)/Ru-Ge/Si堆栈体系。溅射气体总流量为30sccm，溅射气压为0.2Pa，共沉积RuGex合金时，Ru靶和Ge靶功率分别是50W和100W，沉积时间150s；共沉积Cu(Ru)合金的Cu和Ru靶分别是150W和30W，沉积纯Cu的功率为150W。然后把Cu/Cu(Ru)/RuGex/Si堆栈体系在真空炉里，200℃～250℃退火1.5～2h。
本实施例制备的Ru-RuO/Ru-Ge-Cu双层非晶扩散阻挡层阻挡层，其厚度可控制在15nm内，且均匀连续致密，组织结构为非晶型，热稳定性高可保持到650℃高温不失效，而芯片制程后续工艺的最高温度一般低于500℃。
实施例2
在Ar气体氛围中，以直径×厚度为Φ50×3mm的Ru片、Ge片和Cu片作为溅射靶材进行共磁控溅射，在硅片Si表面沉积分别依次沉积10nm厚的Ru-Ge合金薄膜和20nm厚的Cu(Ru)合金薄膜，最后200nm厚纯Cu膜沉积在Cu(Ru)合金薄膜表面，形成Cu/Cu(Ru)/RuGex/Si堆栈体系。溅射气体总流量为30sccm，溅射气压为0.2Pa；共沉积RuGex合金时，Ru靶和Ge靶功率分别是50W和100W，沉积时间100s；共沉积Cu(Ru)合金的Cu和Ru靶分别是150W和30W，沉积纯Cu的功率为150W。然后把Cu/Cu(Ru)/RuGex/Si堆栈体系在真空炉里，200℃～250℃退火1.5～2h。
本实施例制备的Ru-RuO/Ru-Ge-Cu双层非晶扩散阻挡层阻挡层，其厚度可控制在10nm内，且均匀连续致密，组织结构为非晶型，热稳定性高可保持到600℃高温不失效，而芯片制程后续工艺的最高温度一般低于500℃。
实施例3
在Ar气体氛围中，以直径×厚度为Φ50×3mm的Ru片、Ge片和Cu片作为溅射靶材进行共磁控溅射，在硅片Si表面先沉积SiO2介质层，再分别依次沉积10nm厚的Ru-Ge合金薄膜和20nm厚的Cu(Ru)合金薄膜，最后200nm厚纯Cu膜沉积在Cu(Ru)合金薄膜表面，形成Cu/Cu(Ru)/RuGex/SiO2/Si堆栈体系。溅射气体总流量为30sccm，溅射气压为0.2Pa；共沉积RuGex合金时，Ru靶和Ge靶功率分别是50W和100W，沉积时间100s；共沉积Cu(Ru)合金的Cu和Ru靶分别是150W和30W，沉积纯Cu的功率为150W。然后在高真空环境里，200℃～250℃下退火1.5～2h，自形成双层Ru-RuO/Ru-Ge-Cu非晶扩散阻挡层阻挡层。
本实施例制备阻挡层，其厚度可控制在10nm内，且均匀连续致密，组织结构为非晶型，具有高热稳定性，可保持到600℃高温不失效，芯片制程后续工艺的最高温度一般低于500℃。
实施例4
在Ar气体氛围中，以直径×厚度为Φ50×3mm的Ru片、Ge片和Cu片作为溅射靶材进行共磁控溅射，在硅片Si表面先沉积SiO2介质层，再分别依次沉积5nm厚的Ru-Ge合金薄膜和10nm厚的Cu(Ru)合金薄膜，最后200nm厚纯Cu膜沉积在Cu(Ru)合金薄膜表面，形成Cu/Cu(Ru)/Ru-Ge/SiO2/Si堆栈体系。溅射气体总流量为30sccm，溅射气压为0.2Pa；共沉积RuGex合金时，Ru靶和Ge靶功率分别是50W和100W，沉积时间60s；共沉积Cu(Ru)合金的Cu和Ru靶分别是150W和30W，沉积纯Cu的功率为150W。然后在N2/H2混合气氛保护下，200℃～250℃退火1.5～2h，自形成双层Ru-RuO/Ru-Ge-Cu非晶扩散阻挡层阻挡层。
本实施例制备自形成阻挡层，厚度可控制在5nm内，且均匀连续致密，组织结构为非晶型，具有高热稳定性，可保持到600℃高温不失效，芯片制程后续工艺的最高温度一般低于500℃。
本发明在衬底和种子层之间植入非晶RuGe层为中间层，可结合扩散来的Cu原子形成低电阻率的Cu-Ge化合物，从而形成具有良好的电导性的Ru-Ge-Cu三元非晶层；本发明Cu(Ru)合金为种子层并为析出金属源提供Ru元素，非晶RuGe层可结合扩散来的Cu原子，进一步促进Cu(Ru)合金中Ru原子的析出，从而更容易自形成富Ru-RuO层，实现在较低温度下退火自形成仅几纳米厚的双层非晶阻挡层。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (7)
1.一种Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成双层非晶扩散阻挡层，其特征在于：包括衬底、沉积在衬底上并作为种子层和析出层的Cu(Ru)合金薄膜、植入于衬底和Cu(Ru)合金薄膜之间并作为预阻挡和耗尽层的非晶Ru-Ge合金薄膜，以及沉积在Cu(Ru)合金薄膜上并作为互连层的纯Cu层。
2.如权利要求1所述的Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成双层非晶扩散阻挡层，其特征在于：所述衬底为硅片或者具有二氧化硅氧化层的硅片。
3.如权利要求1所述的Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成双层非晶扩散阻挡层，其特征在于：所述扩散阻挡层的厚度为5～15nm。
4.如权利要求1所述的Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成双层非晶扩散阻挡层，其特征在于：所述Ru-Ge合金薄膜中Ge含量为40％-70％。
5.一种如权利要求1-3中任意一项所述的Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成双层非晶扩散阻挡层的制备方法，其特征在于：在Ar气体氛围中，以Ru片、Ge片和Cu片作为溅射靶材进行共磁控溅射，在硅片或者具有二氧化硅氧化层的硅片表面分别依次沉积Ru-Ge合金薄膜和Cu(Ru)合金薄膜，然后纯Cu膜沉积在Cu(Ru)合金薄膜表面，形成Cu/Cu(Ru)/Ru-Ge/Si堆栈体系或者Cu/Cu(Ru)/Ru-Ge/SiO2/Si堆栈体系，最后将该堆栈体系进行退火处理即可。
6.如权利要求5所述的Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成双层非晶扩散阻挡层，其特征在于：总溅射气压为0.2Pa；共沉积Ru-Ge合金时，Ru靶和Ge靶功率比为1～1/2；共沉积Cu(Ru)合金薄膜时，Cu靶和Ru靶的功率分别是150W和30W；沉积纯Cu的功率为150W。
7.如权利要求5所述的Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成双层非晶扩散阻挡层，其特征在于：所述退火处理的条件为，真空或N2/H2混合气氛保护下，200℃～250℃保温1.5～2h。
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