CN102437145A - 一种自形成梯度Zr/ZrN双层扩散阻挡层及其制备方法 - Google Patents

一种自形成梯度Zr/ZrN双层扩散阻挡层及其制备方法 Download PDF

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何国华
李雁淮
钱旦
范丽娜
吴汇焱
徐可为
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Abstract

本发明提供了一种自形成梯度Zr/ZrN双层扩散阻挡层及其制备方法，扩散阻挡层包括衬底、沉积在衬底上并作为种子层和自析层的Cu(Zr)合金薄膜、植入于衬底和Cu(Zr)合金薄膜之间并作为预阻挡的纳米晶ZrN，以及沉积在Cu(Zr)合金薄膜上层的纯铜互联线。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、高的热稳定性和良好的粘附性，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

一种自形成梯度Zr/ZrN双层扩散阻挡层及其制备方法
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，特别是一种自形成梯度Zr/ZrN双层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自形成梯度Zr/ZrN双层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：
一种自形成梯度Zr/ZrN双层扩散阻挡层，包括衬底、沉积在衬底上并作为种子层和自析层的Cu(Zr)合金薄膜、植入于衬底和Cu(Zr)合金薄膜之间并作为预阻挡的纳米晶ZrN层，以及沉积在Cu(Zr)合金薄膜上层的纯铜互联线。
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6～15nm以内；
本发明自形成梯度Zr/ZrN双层扩散阻挡层的制备方法为：以硅片或者具有二氧化硅氧化层的硅片为衬底，在Ar/N2气体氛围中，反应溅射沉积纳米晶ZrN薄膜；然后在Ar气体氛围中，以Zr片和Cu片作为溅射靶材进行共磁控溅射Cu(Zr)合金薄膜；然后在Cu(Zr)合金薄膜表面镀上一层纯Cu作为互联线，形成Cu/Cu(Zr)/ZrN/Si堆栈体系或者Cu/Cu(Zr)/ZrN/SiO2/Si堆栈体系，最后将堆栈体系在真空炉里进行退火处理即可。
溅射时，总溅射气压为0.3Pa；在沉积纳米ZrN薄膜时，气体为N2/Ar混合气体，N2分压为0.03～0.09Pa，Ar分压为0.21～0.27Pa，基体施加100V的负偏压，Zr靶功率100-150W，沉积时间为5～10min；共沉积Cu(Zr)合金时，Cu靶和Zr靶的功率分别是150W和30W，沉积纯Cu的功率为150W。
与现有技术相比，本发明自形成梯度Zr/ZrN双层扩散阻挡层及其制备方法至少具有以下优点：1)植入纳米晶ZrN层为预阻挡层，ZrN层具有低的电阻率，同时与衬底Si、SiO2及介质层有很好的粘附性；2)采用Cu(Zr)合金为种子层和析出金属源提供Zr元素；3)析出的Zr元素自形成非晶的富Zr阻挡层，非晶型富Zr阻挡层与Cu及ZrN有良好的粘附性，非晶Zr层与纳米晶或非晶ZrN组成梯度阻挡层，两者得以优化组合；4)可实现通过简单退火处理自形成厚度仅几纳米的双层非晶阻挡层。
具体实施方式
下面对本发明自形成梯度Zr/ZrN双层扩散阻挡层及其制备方法做详细描述：
本发明自形成梯度Zr/ZrN双层扩散阻挡层包括衬底、沉积在衬底上并作为种子层和自析层的Cu(Zr)合金薄膜、植入于衬底和Cu(Zr)合金薄膜之间并作为预阻挡的纳米晶ZrN，以及沉积在Cu(Zr)合金薄膜上层的纯铜互联线。
所述衬底为硅片或者具有二氧化硅氧化层的硅片。本发明退火后的扩散阻挡层(Zr/ZrN)厚度为6～15nm，其中，纳米ZrN薄膜的厚度为3～10nm，退火前的种子层和析出层Cu(Zr)合金薄膜厚度为15～30nm，纯铜互联线的厚度为150～300nm。
实施例1
以硅片为衬底，在Ar/N2气体氛围中，反应溅射沉积10nm厚的纳米晶ZrN薄膜；然后在Ar气体氛围中，以直径×厚度为Φ50×3mm的Zr片和Cu片作为溅射靶材进行共磁控溅射30nm厚的Cu(Zr)合金薄膜；然后在Cu(Zr)合金薄膜表面镀上一层300nm厚的纯Cu作为互联线，形成Cu/Cu(Zr)/ZrN/Si堆栈体系。溅射气体总流量为30sccm，溅射气压为0.3Pa；反应沉积ZrN时，N2/Ar混合气体的N2分压为0.03Pa，Ar分压为0.27Pa，基体施加100V的负偏压，Zr靶功率100-150W，沉积时间为10min；共沉积Cu(Zr)合金的Cu和Zr靶的功率分别是150W和30W；沉积纯Cu的功率为150W。然后把Cu/Cu(Zr)/ZrN/Si堆栈体系在真空炉里进行一定温度退火处理，550℃下退火0.5-1h。
本实施例制备的为梯度Zr(非晶)/Zr(纳米晶)双层扩散阻挡层，其厚度可控制在15nm内，且均匀连续致密，热稳定性高可保持到650℃高温不失效，而芯片制程后续的最高温度一般低于500℃。
实施例2
以硅片为衬底，在Ar/N2气体氛围中，反应溅射沉积5nm厚的纳米晶ZrN薄膜；然后在Ar气体氛围中，以直径×厚度为Φ50×3mm的Zr片和Cu片作为溅射靶材进行共磁控溅射20nm厚的Cu(Zr)合金薄膜；然后在Cu(Zr)合金薄膜表面镀上一层200nm厚的纯Cu作为互联线，形成Cu/Cu(Zr)/ZrN/Si堆栈体系。溅射气体总流量为30sccm，溅射气压为0.3Pa；反应沉积ZrN时，N2/Ar混合气体的N2分压为0.045Pa，Ar分压为0.255Pa，基体施加100V的负偏压，Zr靶功率100-150W，沉积时间为5min；共沉积Cu(Zr)合金的Cu和Zr靶的功率分别是150W和30W，沉积纯Cu的功率为150W。然后把Cu/Cu(Zr)/ZrN/Si堆栈体系在真空炉里进行一定温度退火处理，500℃下退火0.5-1h。
本实施例制备的为梯度Zr(非晶)/Zr(纳米晶)双层扩散阻挡层，其厚度可控制在10nm内，且均匀连续致密，热稳定性高可保持到600℃高温不失效，而芯片制程后续的最高温度一般低于500℃。
实施例3
以具有二氧化硅氧化层的硅片为衬底，在Ar/N2气体氛围中，反应溅射沉积4nm厚的纳米晶ZrN薄膜；然后在Ar气体氛围中，以直径×厚度为Φ50×3mm的Zr片和Cu片作为溅射靶材进行共磁控溅射20nm厚的Cu(Zr)合金薄膜；然后在Cu(Zr)合金薄膜表面镀上一层200nm厚的纯Cu作为互联线，形成Cu/Cu(Zr)/ZrN/SiO2/Si堆栈体系。溅射气体总流量为30sccm，溅射气压为0.3Pa；反应沉积ZrN时，N2/Ar混合气体的N2分压为0.09Pa，Ar分压为0.21Pa，基体施加100V的负偏压，Zr靶功率100-150W，沉积时间为5min；共沉积Cu(Zr)合金的Cu和Zr靶的功率分别是150W和30W，沉积纯Cu的功率为150W。然后把Cu/Cu(Zr)/ZrN/SiO2/Si堆栈体系在N2/H2混合气氛保护下进行一定温度退火处理，500℃下退火0.5-1h。
本实施例制备的为梯度Zr(非晶)/ZrN(非晶)双层扩散阻挡层，其厚度可控制在8nm内，且均匀连续致密，热稳定性高可保持到600℃高温不失效，而芯片制程后续的最高温度一般低于500℃。
实施例4
以具有二氧化硅氧化层的硅片为衬底，在Ar/N2气体氛围中，反应溅射沉积3nm厚的纳米晶ZrN薄膜；然后在Ar气体氛围中，以直径×厚度为Φ50×3mm的Zr片和Cu片作为溅射靶材进行共磁控溅射15nm厚的Cu(Zr)合金薄膜；然后在Cu(Zr)合金薄膜表面镀上一层150nm厚的纯Cu作为互联线，形成Cu/Cu(Zr)/ZrN/SiO2/Si堆栈体系。溅射气体总流量为30sccm，溅射气压为0.3Pa；反应沉积ZrN时，N2/Ar混合气体的N2分压为0.09Pa，Ar分压为0.21Pa，基体施加150V的负偏压，Zr靶功率100-150W，沉积时间为5min；共沉积Cu(Zr)合金的Cu和Zr靶分别是150W和30W，沉积纯Cu的功率为150W。然后把Cu/Cu(Zr)/ZrN/SiO2/Si堆栈体系然后在N2/H2混合气氛保护下进行一定温度退火处理，500℃下退火0.5-1h。
本实施例制备的为梯度Zr(非晶)/ZrN(非晶)双层扩散阻挡层，其厚度可控制在6nm内，且均匀连续致密，热稳定性高可保持到600℃高温不失效，而芯片制程后续的最高温度一般低于500℃。
本发明在衬底和种子层之间植入纳米晶ZrN层为预阻挡层，ZrN层具有低的电阻率，同时与衬底Si、SiO2及介质层有很好的粘附性；本发明采用Cu(Zr)合金座位种子层并析出金属源提供Zr元素，析出的Zr元素自形成非晶的富Zr阻挡层，非晶型富Zr阻挡层与Cu及ZrN有良好的粘附性，非晶Zr层与纳米晶或非晶ZrN组成梯度阻挡层，两者得以优化组合。
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 (6)

1.一种自形成梯度Zr/ZrN双层扩散阻挡层，其特征在于：包括衬底、沉积在衬底上并作为种子层和自析层的Cu(Zr)合金薄膜、植入于衬底和Cu(Zr)合金薄膜之间并作为预阻挡的纳米晶ZrN层，以及沉积在Cu(Zr)合金薄膜上层的纯铜互联线。
2.如权利要求1所述的自形成梯度Zr/ZrN双层扩散阻挡层，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所述的自形成梯度Zr/ZrN双层扩散阻挡层，其特征在于：所述扩散阻挡层的厚度为6～15nm以内。
4.一种如权利要求1-3中任意一项所述的自形成梯度Zr/ZrN双层扩散阻挡层的制备方法，其特征在于：以硅片或者具有二氧化硅氧化层的硅片为衬底，在Ar/N2气体氛围中，反应溅射沉积纳米晶ZrN薄膜；然后在Ar气体氛围中，以Zr片和Cu片作为溅射靶材进行共磁控溅射Cu(Zr)合金薄膜；然后在Cu(Zr)合金薄膜表面镀上一层纯Cu作为互联线，形成Cu/Cu(Zr)/ZrN/Si堆栈体系或者Cu/Cu(Zr)/ZrN/SiO2/Si堆栈体系，最后将堆栈体系在真空炉里进行退火处理即可。
5.如权利要求4所述的自形成梯度Zr/ZrN双层扩散阻挡层，其特征在于：溅射时，溅射气压为0.3Pa。
6.如权利要求5所述的自形成梯度Zr/ZrN双层扩散阻挡层，其特征在于：在沉积纳米ZrN薄膜时，气体为N2/Ar混合气体，N2分压为0.03～0.09Pa，Ar分压为0.21～0.27Pa，基体施加100V的负偏压，Zr靶功率100-150W，沉积时间为5～10min；共沉积Cu(Zr)合金时，Cu靶和Zr靶的功率分别是150W和30W，沉积纯Cu的功率为150W。
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