CN102623389A - 一种金属氮化物阻挡层的制备方法 - Google Patents

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夏洋
李超波
李勇滔
刘邦武
刘训春
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Abstract

本发明涉及半导体器件中阻挡层的制备方法，具体涉及一种金属氮化物阻挡层的制备方法，包括如下步骤：（1）采用物理气相沉积方法沉积金属层；（2）将金属层置于等离子注入机，通过等离子注入机向所述金属层中注入氮离子。本发明采用物理气相沉积与全方位等离子浸没注入相结合的制备方法提高阻挡层的致密性，同时也保证其为非晶结构。非晶不存在晶界这样的可供快速扩散的通道，是理想的阻挡层结构。

Description

一种金属氮化物阻挡层的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体器件中阻挡层的制备方法，具体涉及一种金属氮化物阻挡层的制备方法。
背景技术
在半导体技术领域，最早的互连金属是Al，然而随着器件的集成度的不断提高，特别是超大规模集成电路的发展，器件的特征尺寸不断缩小，芯片上互连线的截面积和线间距持续下降，这导致了互连线电阻R和寄生电容C不断增大，并使互连线的延迟时间常数RC大幅度地提高。由于RC在集成电路系统延迟中所占的比例越来越大，使其成为限制互连速度的主要因素。
为了保证集成电路的高速度、高集成度、高稳定性以及低功率，需要进一步减小互连线电阻R和寄生电容C。前者的解决方法是采用电阻率更低的Cu金属来代替传统的互连材料Al，即开发Cu互连技术，后者则需要开发低介电常数k的材料作为绝缘介质材料。
目前，Cu互连已经替代Al互连成为主流工艺，然而在其应用过程中也带来了一些新的挑战：
1)Cu在Si及其氧化物及大部分介质层中扩散很快，且Cu一旦进入器件中就会形成深能级杂质，对器件中的载流子有很强的陷阱效应，使器件性能退化甚至失效。
2)Cu在200℃以下极易与Si、SiO2发生反应，形成铜硅化合物造成组件失效。
3)Cu与介质材料的粘附性较差，导致集成电路中薄膜的机械强度不够高。
4)Cu不像Al可形成一层致密的氧化物保护层，因此易被氧化和腐蚀，从而影响金属连线的导电稳定性。
为了解决这些问题，需要在Cu与介质之间添加一层超薄的阻挡层来抑制铜与介质的反应。由于集成电路工艺要进行较高温度的热处理，作为具有扩散阻挡作用的阻挡层应具有良好的热稳定性、导电性、与其上的Cu及其下的介质都有好的粘附性、较小的热应力及机械应力。
金属氮化物(例如：HfN、TaN、TiN、MoN等)因具有优良的热稳定性和电学特性而被研究用来作为阻挡层材料。其中TaN因其优异的阻挡性能成为广泛使用的Cu互连阻挡层材料。同时为了提高与Cu的粘附性，通常采用Ta/TaN双层结构。
TaN阻挡层通常用物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)的方法制备，此方法的一个问题是薄膜不够致密存在孔洞，这将导致其阻挡性能变差。随着器件的特征尺寸的不断缩小，阻挡层将变得愈来愈薄，这一问题将愈加突出。本发明采用PVD与全方位等离子浸没注入(Plasma Immersion IonImplantation)相结合的方法提高膜层的致密性，以满足不断缩小的特征尺寸的工艺要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种金属氮化物阻挡层的制备方法，使用此方法制备阻挡层可提高阻挡层的致密性。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种金属氮化物阻挡层的制备方法，包括如下步骤，
(1)采用物理气相沉积方法沉积金属层；
(2)将金属层置于等离子注入机，通过等离子注入机向所述金属层中注入氮离子。
上述方案中，所述步骤(1)中物理气相沉积方法为直流磁控溅射。
上述方案中，所述步骤(2)中等离子注入机为浸没式等离子注入机。
上述方案中，所述直流磁控溅射的条件为：溅射前本底真空为10-3-10-6Pa，溅射时通入氩气在0.1-1Pa下溅射，溅射速度控制在0.1-1nm/s。
上述方案中，所述金属层为Ta、Hf、Ti、W、Mo、Ru、Zr、Ni、Cr或Nb层。
上述方案中，所述金属层的厚度为2-50nm。
上述方案中，所述步骤(2)中等离子注入机的注入腔室的本底压强范围为10-7Pa～1000Pa，注入腔室的工作压强范围为10-3Pa～1000Pa；注入腔室内的氮气，流量为1～1000sccm；等离子注入机的等离子体电源的输出功率为1～100000W，所施加偏置电压为-100000～100000V；脉宽为1us～1s；占空比为1％～99％，等离子体电源的频率为1KHz～10GHz。
上述方案中，所述注入腔室的本底压强范围为10-5Pa～10Pa，注入腔室的工作压强范围为0.01Pa～100Pa；注入腔室内的氮气，流量为10～100sccm；等离子体电源的输出功率为10～50000W；所施加偏置电压为-50000～50000V；脉宽为1us～0.1s；占空比为10％～90％，等离子体电源的频率为1MHz～5GHz。
上述方案中，所述注入腔室的本底压强范围为10-5Pa～10-3Pa；注入腔室的工作压强范围为0.1Pa～50Pa；注入腔室内的氮气，流量为20～80sccm；等离子体电源的输出功率为300～5000W；所施加偏置电压为-10000～0V；脉宽为1us～1ms；占空比为20％～80％，等离子体电源的频率为13.56MHz～5GHz。
上述方案中，所述步骤(2)中注入氮离子时，对基片加温，注入深度通过调节注入偏压加以控制，注入的剂量由调节注入时间来控制。
与现有技术相比，本发明采用的技术方案产生的有益效果如下：
本发明采用物理气相沉积与全方位等离子浸没注入相结合的制备方法提高阻挡层的致密性，同时也保证其为非晶结构。非晶不存在晶界这样的可供快速扩散的通道，是理想的阻挡层结构。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明技术方案进行详细描述。
本发明实施例提供一种金属氮化物阻挡层的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)采用直流磁控溅射的方法制备Ta层，溅射前本底真空为10-3-10-6Pa，溅射时通入氩气在0.1-1Pa下溅射，溅射速度控制在0.1-1nm/s，溅射Ta层的厚度为2-50nm。
(2)将溅射得到的Ta层置于浸没式等离子注入机中，注入腔室的本底压强范围可为10-7Pa～1000Pa，优选地可为10-5Pa～10Pa，更为优选地可为10-5Pa～10-3Pa；注入腔室的工作压强范围可为10-3Pa～1000Pa，优选为0.01Pa～100Pa，更为优选地可为0.1Pa～50Pa；工作气体为氮气，流量可为1～1000sccm，优选为10～100sccm，更为优选地可为20～80sccm；等离子体电源的输出功率为1～100000W，优选为10～50000W，更为优选地可为300～5000W；所施加偏置电压为-100000～100000V，优选为-50000～50000V，更为优选地可为-10000～0V；脉宽为1us～1s，优选为1us～0.1s，更为优选地可为1us～1ms；占空比为1％～99％，优选为10％～90％，更为优选地可为20％～80％，等离子体电源的频率为1KHz～10GHz，优选为1MHz～5GHz，更为优选地可为13.56MHz～5GHz。注入时可对基片加温，使N原子向膜内扩散，注入深度可通过调节注入偏压加以控制，注入的剂量则由调节注入时间来控制。
氮离子注入到Ta层中，将自身的能量传递给Ta，由此导致Ta原子位移和二次的级联碰撞，Ta的活性增加将有助于消除薄膜中的孔洞、提高其致密性。同时注入导致的晶格原子的位移会破坏薄膜的晶格结构，使之非晶化。从结构上讲，最理想的阻挡层应是单晶材料，不过单晶材料的生长困难，成本高，难以大规模使用。多晶材料由于存在晶界这样的快速扩散通道，不是理想的阻挡层结构。非晶材料由于没有晶界，其阻挡Cu扩散的效果显然优于多晶材料。本发明中采用离子注入的方法，对薄膜的非晶化起决定性的作用。
等离子体浸没离子注入(Plasma Immersion Ion Implantation，简称为PIII)，在半导体业界有时也称为等离子体注入、等离子体掺杂、等离子体浸没注入、等离子体源离子注入或等离子体基离子注入等。这几种称法表示相同的一种工艺技术，即待注入样品直接浸没在等离子体中，通过向样品加偏置电压(也可称为“注入电压”)，使得样品和等离子体之间形成注入鞘层电场；位于注入鞘层电场内和从等离子体进入注入鞘层电场的反应离子在电场的加速作用下直接注入到样品中。由于在样品的表面形成鞘层，所以曝露在等离子体中的样品表面各处将同时被注入。
等离子体浸没注入的特点是全方位离子注入，可以实现大面积地均匀注入。由于束流强度高，注入速率是常规离子注入机的数十倍甚至数百倍，其注入剂量可达到1020/cm2，非常适合用来大规模制备TaN保护层。
除了上述实施例描述的使用金属Ta制备金属氮化物阻挡层，还可以使用金属Hf、Ti、W、Mo、Ru、Zr、Ni、Cr或Nb制备金属氮化物阻挡层，制备方法同上述实施例。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属氮化物阻挡层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)采用物理气相沉积方法沉积金属层；
(2)将金属层置于等离子注入机，通过等离子注入机向所述金属层中注入氮离子。
2.如权利要求1所述的金属氮化物阻挡层的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中物理气相沉积方法为直流磁控溅射。
3.如权利要求1所述的金属氮化物阻挡层的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中等离子注入机为浸没式等离子注入机。
4.如权利要求2所述的金属氮化物阻挡层的制备方法，其特征在于：所述直流磁控溅射的条件为：溅射前本底真空为10-3-10-6 Pa，溅射时通入氩气在0.1-1Pa下溅射，溅射速度控制在0.1-1nm/s。
5.如权利要求1所述的金属氮化物阻挡层的制备方法，其特征在于：所述金属层为Ta、Hf、Ti、W、Mo、Ru、Zr、Ni、Cr或Nb层。
6.如权利要求5所述的金属氮化物阻挡层的制备方法，其特征在于：所述金属层的厚度为2-50nm。
7.如权利要求1所述的金属氮化物阻挡层的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中等离子注入机的注入腔室的本底压强范围为10-7Pa～1000Pa，注入腔室的工作压强范围为10-3Pa～1000Pa；注入腔室内的氮气，流量为1～1000sccm；等离子注入机的等离子体电源的输出功率为1～100000W，所施加偏置电压为-100000～100000V；脉宽为1us～1s；占空比为1％～99％，等离子体电源的频率为1KHz～10GHz。
8.如权利要求7所述的金属氮化物阻挡层的制备方法，其特征在于：所述注入腔室的本底压强范围为10-5Pa～10Pa，注入腔室的工作压强范围为0.01Pa～100Pa；注入腔室内的氮气，流量为10～100sccm；等离子体电源的输出功率为10～50000W；所施加偏置电压为-50000～50000V；脉宽为1us～0.1s；占空比为10％～90％，等离子体电源的频率为1MHz～5GHz。
9.如权利要求8所述的金属氮化物阻挡层的制备方法，其特征在于：所述注入腔室的本底压强范围为10-5Pa～10-3Pa；注入腔室的工作压强范围为0.1Pa～50Pa；注入腔室内的氮气，流量为20～80sccm；等离子体电源的输出功率为300～5000W；所施加偏置电压为-10000～0V；脉宽为1us～1ms；占空比为20％～80％，等离子体电源的频率为13.56MHz～5GHz。
10.如权利要求2所述的金属氮化物阻挡层的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中注入氮离子时，对基片加温，注入深度通过调节注入偏压加以控制，注入的剂量由调节注入时间来控制。
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