CN102903699A

CN102903699A - 一种铜互连结构及其制备方法

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Publication number: CN102903699A
Application number: CN2012103894721A
Authority: CN
Inventors: 卢红亮; 张卫; 谢立恒; 丁士进; 王鹏飞
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2012-10-15
Filing date: 2012-10-15
Publication date: 2013-01-30

Abstract

本发明属于微电子工艺技术领域，具体是一种以Ru-Al-O作为扩散、粘附阻挡层的铜互连结构以及制备方法。本发明以现有铜互连结构为基础，采用Ru-Al-O代替传统的TaN/Ta双层结构，作为铜互连结构的新的铜扩散阻挡层。利用原子层淀积（ALD）方法，在经过热氧化的二氧化硅薄膜上层淀积一层3~5nm厚的Ru-Al-O作为粘附层，并在其上生长一层5~10nm厚的Ru作为扩散阻挡层，并可作为电镀铜的籽晶层。通过调节Ru-Al-O中的Ru、Al、O三者的比例，可以获得较佳的铜扩散阻挡能力和粘附特性。本发明可以提高扩散阻挡层与下层二氧化硅层的粘附强度，并保持与籽晶层连接的紧密性，为现有的铜互连技术在增强粘附能力方面提供一种改善的可行性方案。

Description

一种铜互连结构及其制备方法

技术领域

本发明属于微电子工艺技术领域，具体涉及一种以Ru-Al-O\Ru叠层结构作为扩散、粘附阻挡层的新型铜互连结构以及制备方法。

背景技术

在铜互连工艺中，为了防止Cu扩散到Si器件中引起器件性能受损，需要在铜互连线外面包裹一层扩散阻挡层，以起到隔离Cu与SiO₂、Si，以及提高Cu与它们之间的粘附性的效果。传统工艺中TaN/Ta的双层结构得到了广泛的应用，然而随着器件尺寸的减小，在特征尺寸小于45nm的情况下，为了保证铜互连仍然能够拥有好的填充效果，扩散阻挡层面临着挑战，即要求有更薄的厚度并且仍然拥有较强的阻挡效果。传统的TaN/Ta双层结构由于主要用物理汽相淀积（PVD）技术而导致台阶覆盖能力差、沟槽和通孔填充能力不佳，从而表现出阻挡致密性差，阻挡效果不佳，因此为了适应器件尺寸减小的节奏，寻找其他材料充当扩散阻挡层迫在眉睫。

在其他可以考虑作为扩散阻挡层的材料中，Ru是一种非常具有前景的材料。通过引入Ru材料作为扩散阻挡层，可以有效的克服传统的TaN/Ta结构的不足。其主要原因在于Ru与Cu的粘附性极好，可以增强粘附性，同时Ru是一种惰性金属，与Ta和TaN相比，Ru的电阻率要低许多。不过单层的Ru不适合作为扩散阻挡层，因为有实验表明Ru单层扩散阻挡层在退火后会出现阻挡失效的情形。为此我们提出一种在利用ALD生长Ru-Al-O作为粘附层，之后在其上生长Ru扩散阻挡层的结构，来解决这一问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型材料作为扩散阻挡层的铜互连结构，用于改善在器件尺寸减小的情况下，传统的TaN/Ta双层结构作为扩散阻挡层，所起到的阻挡效果不佳的状况。

[0005] 本发明提供的铜互连结构，是以现有铜互连结构为基础，其改进之处在于采用Ru-Al-O作为铜互连结构的粘附层，Ru作为扩散阻挡层，两层的厚度分别为3~5nm、5~10nm。

本发明提供的铜互连结构的制备方法，具体步骤如下：

（1）采用RCA标准工艺清洗p型硅（111）的硅基衬底；

（2）在硅基衬底上依次形成一层刻蚀阻挡层、绝缘介质层；

（3）通过光刻、刻蚀工艺，定义出互连位置，形成金属沟槽、接触孔或通孔；

（4）在上述步骤形成的结构上，利用ALD方法生长厚度为3~5nm的Ru-Al-O粘附层，此后在此粘附层上面生长一层厚度为5~10nm的Ru，作为扩散阻挡层，同时可充当传统结构的籽晶层的作用；

（6）之后再采用电镀的方法，获得铜互连结构；

（7）最后用化学机械抛光工艺平整化晶片表面。

进一步地，上述方法中所述的绝缘介质层材料为SiO₂、SiOF、SiCOH或多孔的SiCOH，所述的刻蚀阻挡层材料为氮化硅。

所述的Ru-Al-O薄膜和Ru层薄膜，采用ALD生长技术，使用的Ru反应前驱体为Ru(THD)₃或Ru₅(CO)₁₃或RCpRu(CO)₂R，使用的Al的反应前驱体为三甲基铝（TMA），使用的氧源为H₂O、H₂O₂或O₃，反应腔体的温度在200 ~300 ^oC, 反应的基压在1~4Torr。

所述的铜互连结构使用电镀的方法实现，电镀的电流密度为0.5A/dm²~3.0A/dm²。

与传统的铜扩散阻挡层采用TaN/Ta的双层结构相比，本发明使用Ru-Al-O作为粘附层、Ru作为扩散阻挡层材料，在于与金属钌（Ru）具有更低的电阻率，并且与上层的籽晶层铜之间有很强的粘附能力。引入氧化铝可以保证Ru与下层SiO₂的粘附能力。与传统的采用PVD溅射方法制备扩散阻挡层相比，采用ALD生长扩散阻挡层可以保证良好的台阶覆盖能力以及沟槽填充能力，另外Ru与ALD工艺的极好的兼容性也是本发明的优势之处。利用此方法制备出的新型铜互连结构可以有效的解决传统TaN工艺出现的粘附性不好的问题，克服PVD溅射工艺在深亚微米环境下的不足，保证铜互连结构的可靠性。

附图说明

图1~图5为依照本发明实施的一种新型Cu扩散阻挡层与铜互连的集成工艺剖面图。

图中标号：101为半导体衬底晶片，102为刻蚀阻挡层，103为绝缘介质层，104为粘附层Ru-Al-O，105为Ru扩散阻挡层，106为电镀铜薄膜。

具体实施方式

下面参考附图描述本发明的实施方式。后面的描述中，相同的附图标记表示相同的组件，对其重复描述将省略。

本发明所提出的Ru-Al-O材料扩散阻挡层及其制备方法可以适用于不同集成电路技术的后道铜互连结构中，以下所叙述的是制备该铜互连线扩散阻挡层为实施例的工艺流程。

首先，在p型Si(100)衬底101上，采用标准CMOS工艺，完成硅片的清洗工作，主要包括：用含有硫酸和双氧水的混合溶液、标准清洗SC-1、SC-2溶液、稀释的氢氟酸及去离子水分别依序清洗Si衬底，去除各种杂质和自然氧化层，并用高纯N₂吹干。在清洗好的Si(100)衬底101上，依序淀积一层刻蚀阻挡层氮化硅102、用于层间绝缘的介质层103 (如SiO₂薄膜)。接着，利用标准的光刻和刻蚀工艺形成互连结构用的沟槽或通孔201。

然后，在沟槽或通孔形成后，开始利用ALD来生长Ru-Al-O粘附层薄膜104。使用的Ru反应前驱体为Ru(THD)₃或Ru₅(CO)₁₃或RCpRu(CO)₂R，使用的Al反应前驱体为三甲基铝（TMA），使用的氧源为H₂O、H₂O₂或O₃，生长温度为200~300^oC, 反应的基压在1~4Torr。首先，在反应腔中通入三甲基铝（TMA）源，时间为1~5 s；用高纯N₂吹洗反应腔1~10 s；再通入氧源，时间为1~5 s；用高纯N₂吹洗反应腔1~10 s，这样完成一个氧化铝的ALD生长周期。根据薄膜的性质，重复这样的周期n次(n=1~20)。接着，在反应腔中通入Ru源，时间为1~5 s；用高纯N₂吹洗反应腔1~10 s；再通入氧源，时间为1~5 s；用高纯N₂吹洗反应腔1~10 s，这样完成一个氧化钌的ALD生长周期。通过ALD生长RuO₂的周期数，可以控制在整个Ru-Al-O薄膜中Ru的含量，优化相应的工艺参数，可以使得整个互连阻挡层具有最佳的电学和机械性能。再接着分别重复ALD生长前面相同生长周期数的氧化铝、RuO₂薄膜，直到获得理想的扩散阻挡层厚度3~5 nm。如图3所示为制备完成的粘附层Ru-Al-O。

之后利用ALD生长一层5~10nm厚度的Ru扩散阻挡层105，与上面一步采用的钌源和相同，生长周期设定为原来的2倍。

然后，采用电镀的方式，在沟槽或通孔结构中，电镀铜导线106，形成铜互连线结构，如图4所示。

最后，用化学机械抛光(CMP)技术平整化晶片表面，完成一层的互连结构，如图5所示，为下一层互连结构做准备。

Claims

1.一种铜互连结构，以现有铜互连结构为基础，其特征在于利用Ru-Al-O作为粘附层，Ru作为在此之上的扩散阻挡层，这两层的厚度分别为3~5nm和5~10nm。

2.一种如权利要求1所述的铜互连结构制备方法，其特征在于具体步骤为：

（1）采用RCA工艺清洗p型硅（111）的硅基衬底；

（2）在硅基衬底上依次形成一层刻蚀阻挡层、绝缘介质层；

（4）在上述步骤形成的结构上，利用ALD方法生长厚度为3~5nm的Ru-Al-O粘附层，此后在此粘附层上面生长一层厚度为5~10nm的Ru，作为扩散阻挡层，同时充当传统结构的籽晶层的作用；

（5）之后再采用电镀的方法，获得铜互连结构；

（6）最后用化学机械抛光工艺平整化晶片表面。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述的绝缘介质层材料为SiO₂、SiOF、SiCOH或多孔的SiCOH。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述的刻蚀阻挡层材料为氮化硅。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）所述ALD方法生长Ru-AlO薄膜和Ru层薄膜时，使用的Ru反应前驱体为Ru(THD)₃或Ru₅(CO)₁₃或RCpRu(CO)₂R，使用的铝的反应前驱体为三甲基铝，使用的氧源为H₂O、H₂O₂或O₃，反应腔体的温度在200~300 ^oC, 反应的基压在1~4Torr。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（5）所述的铜互连结构使用电镀的方法实现，电镀的电流密度为0.5A/dm²~3.0A/dm²。