CN103325769A - 一种铜互连结构及其制备方法 - Google Patents

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本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种铜互连结构以及制备方法。本发明在原有的铜互连结构为基础，以单层Ru-N结构取代传统的扩散阻挡层/粘附层/籽晶层3层结构。具体制备步骤为：使用原子层淀积方法，先在绝缘介质层上淀积一层Ru薄膜，再进行原位等离子体处理使其转化为Ru-N薄膜，最后直接沉积Cu籽晶层或电镀铜获得铜互连结构。通过调节Ru-N薄膜中的Ru、N比例，可以同时获得较佳的导电特性、Cu扩散阻挡特性和粘附特性。本发明的优点是使用Ru-N可以获得更好的扩散阻挡性能和粘附性能，并且简化了铜互连技术的工艺，从而大大提高了整体集成密度，为22nm及其以下工艺技术节点的铜互连技术提供了一种更为切实可靠的方案。

Description

一种铜互连结构及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种铜互连结构及其制备方法。
背景技术
随着半导体器件的临界尺寸进入深亚微米层次，互连线的RC延迟已经超过门延迟成为制约集成电路各项性能的主要瓶颈，寻找电阻率较低的导电材料和介电常数较低的介质材料成为超大规模集成电路工艺的一大发展方向。由于Cu具有比Al更低的电阻率和更高的抗电迁移能力，逐渐成为目前采用最广泛的互连材料。但是，Cu对Si有很强的扩散能力从而易扩散到Si中引起集成电路失效，因此需要在Cu与Si衬底之间形成一层有效的扩散阻挡层，以起到隔绝Cu与Si，同时提高Cu与Si衬底粘附性的效果。TaN/Ta双层结构是近年来研究比较多的扩散阻挡层结构，也被证实是一种非常有效的阻挡层，但是随着集成电路集成度的日益提高，这种结构将面临着更多挑战。随着沟槽和通孔宽高比的大幅度增加，由物理气相淀积（PVD）方法溅射生长的传统TaN/Ta双层结构台阶覆盖性变得较差，可能会导致沟槽和通孔产生空洞，从而导致阻挡特性的失效。因此，为了满足器件尺寸缩小的要求，寻找一种能够直接电镀铜的超薄扩散阻挡层材料就变得愈加重要。 
随着半导体工艺技术的持续推进，传统的薄膜淀积技术已很难有效的精确控制薄膜特性及满足日益严苛的工艺技术要求，而原子层淀积(ALD)技术由于可完成精度较高的工艺，正逐渐成为微电子器件制造领域的关键技术。它具有较低的淀积温度、较快的淀积速率、易控制的掺杂浓度和高薄膜质量等优点，更重要的是，在对通孔和沟槽上淀积扩散阻挡层时，它比溅射等方法具有更好的保形性。
金属Ru是一种非常有前景的铜扩散阻挡层材料，这是因为它有着可以和铜相比拟的电阻率，比TaN和Ta要低很多；而且在没有Cu籽晶层的情况下可以在其表面直接电镀Cu，节省了工艺步骤；另外它和Cu之间还有良好的粘附性，保证了器件的可靠性。然而，单层的纯Ru薄膜却不适合来做扩散阻挡层，因为纯Ru薄膜是多晶柱状结构，它的晶界为Cu的短程扩散提供了路径。另外有文献表明在金属中引入氮可以填充晶粒间界中的扩散通道而限制扩散，从而改善阻挡特性。为此我们提出利用ALD技术生长Ru薄膜，并进行原位氮等离子体处理使其转化为Ru-N薄膜，从而有效的提高其阻挡性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铜互连结构及其制备方法，以应对集成电路特征尺寸不断缩小带来的铜互连布线的困难，提高整体集成密度。
本发明提供的铜互连结构，是以现有的铜互连结构为基础，其改进之处在于采用原子层淀积(ALD) 技术在沟槽或通孔上生长一层Ru，并进行原位氮等离子体处理使其转化为Ru-N层，作为扩散阻挡层及籽晶层，以取代传统的扩散阻挡层/粘附层/籽晶层3层结构。
本发明还提供了使用上述Ru-N层的铜互连结构的制备方法，具体步骤如下：
（1）清洗硅基衬底，可采用RCA标准清洗工艺；
（2）在硅片上依次形成刻蚀阻挡层、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，利用原子层淀积方法生长一层Ru, 再进行原位等离子体处理使其转化为Ru-N薄膜，该薄膜作为扩散阻挡层以及籽晶层；
（5）然后沉积Cu 籽晶层或直接电镀铜，得到铜互连结构；
（6）最后用化学机械抛光工艺平整化晶片表面。 
进一步的，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Ru扩散阻挡层的生长采用原子层淀积技术，其具体步骤包括多个循环生长周期，对于每个生长周期，交替脉冲式地通入Ru源和气体源，并进行两次吹洗以保证自限制生长，通过控制生长不同的循环周期数，可以最终获得所需厚度的阻挡层薄膜。
所述的生长Ru薄膜，使用的Ru前驱体为Ru(Cp)2、Ru(EtCp)2或Ru(OD)3，使用气体源为O2、NH3或者H2，Ru前驱体的ALD脉冲时间为1-5 s，吹洗时间为2-10 s；气体源脉冲时间为0.3-2.0 s，吹洗时间为0.5-5.0 s，载气流量300-400 sccm，反应腔体的温度为150~350 oC, 反应腔体的工作压强为1~4 Torr。
所述的原位等离子体处理为在Ru薄膜生长完成后，直接在ALD反应腔内进行等离子体处理，气体选择为N2或者NH3，流量为100-300 sccm，等离子体所加功率为200-500 W，处理时间为15-60 min，反映腔的温度200-350 oC，反应腔的压强为1~4 Torr。 
所述的Ru-N薄膜厚度为1-8 nm。
本发明使用单层Ru作为扩散阻挡层以及籽晶层，降低了沟槽填充难度，简化了铜互连工艺，提高了器件集成度；同时通过等离子体处理掺入N元素使得Ru层从多晶柱状结构转变为非晶结构，从而大大提高了扩散阻挡能力；另外采用ALD技术能够在高深宽比结构薄膜沉积时具有100%台阶覆盖率，对沉积薄膜成份和厚度具有出色的控制能力，从而获得纯度很高质量很好的薄膜，这就克服了传统的PVD等薄膜淀积技术在超深亚微米环境下互连布线的不足，从而有效地提高了铜互连结构的性能和可靠性。为22 nm及其以下工艺技术节点的铜互连技术提供了一种更为切实可靠的方案。  
附图说明
图1-图4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流程图。
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为扩散阻挡层Ru-N，105为电镀铜薄膜。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式作进一步详细的说明，在图中，为了方便说明，放大和缩小了层和区域的厚度，所示大小并不代表实际尺寸，相同的附图标记表示相同的组件，对其重复描述将省略。
本发明所提出的新型Ru-N扩散阻挡层及其制备方法适用于各种半导体集成电路的铜互连技术，以下所叙述的是采用本发明制备新型Ru-N扩散阻挡层的一个实施例的工艺流程。
首先，在Si(100)衬底101上，采用标准CMOS工艺，完成硅片的清洗工作，具体工艺主要包括：用硫酸和双氧水混合溶液、标准清洗SC-1、SC-2、稀释的氢氟酸以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。
在沟槽或通孔形成后，利用ALD技术来生长Ru阻挡层薄膜104。使用的Ru反应前驱体为Ru(Cp)2、Ru(EtCp)2或Ru(OD)3，使用的气体源为O2、NH3或者H2，生长温度为200-350 oC，反应腔的压强为1~4 Torr。首先，在反映腔中通入Ru源，时间为1-5 s；用高纯N2吹洗反映腔2-10 s；在通入气体源，时间为0.3-2 s，用高纯N2吹洗反映腔0.5-5 s；这样就完成一个Ru的生长周期。通过重复不同的周期数，可以控制Ru薄膜的生长厚度为2-8 nm。
接下来，在ALD反应腔室中直接进行原位等离子体处理，具体过程为向腔室内持续通入N2或者NH3，流量为100-300 sccm，通过向气体施加200-500 W的功率使其离化产生活性N自由基，然后与Ru薄膜反应使其转化为Ru-N薄膜，处理时间为15-60 min，反应腔的温度200-350 oC，反应腔的压强为1~4 Torr。通过控制功率大小以及施加时间可以控制掺入N元素的比例，从而获得理想的扩散阻挡性能和电学性能。如图2所示。
然后，采用电镀的方式，在沟槽或通孔结构中，电镀铜导线105，形成铜互连结构，如图3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4所示，为下一层互连结构做准备。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但是这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (8)

1. 一种铜互连结构，其特征在于以现有铜互连结构为基础，采用原子层淀积技术在沟槽或通孔上生长一层Ru，并进行原位氮等离子体处理使其转化为Ru-N层，作为扩散阻挡层和籽晶层，以取代传统的扩散阻挡层/粘附层/籽晶层3层结构。
2. 如权利要求1所述的铜互连结构的制备方法，其特征在于具体步骤为：
（1）清洗硅基衬底；
（2）在硅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，利用原子层淀积方法生长一层Ru, 再进行原位等离子体处理使其转化为Ru-N薄膜，该薄膜作为扩散阻挡层以及籽晶层；
（5）然后沉积Cu 籽晶层或直接电镀铜，得到铜互连结构；
（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）所述生长Ru扩散阻挡层的步骤包括多个循环生长周期，对于每个生长周期，交替脉冲式地通入Ru源和气体源，并进行两次吹洗以保证自限制生长，通过控制生长不同的循环周期数，最终获得所需厚度的阻挡层薄膜。
6. 根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）所述生长Ru扩散阻挡层所需Ru源为Ru(Cp)2、Ru(EtCp)2或Ru(OD)3，气体源为O2、NH3或者H2，Ru源的ALD脉冲时间为1-5 s，吹洗时间为2-10 s；气体源脉冲时间为0.3-2.0 s，吹洗时间为0.5-5.0 s，载气流量300-400 sccm，反应腔体的温度为150~350 oC, 反应腔体的工作压强为1~4 Torr。
7. 根据权利要求2 所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）所述原位等离子体处理为在Ru薄膜生长完成后，直接在ALD反应腔内进行等离子体处理，所用气体为N2或NH3，流量为100-300 sccm，等离子体施加功率为200-500W，处理时间为15-60 min，通过调整等离子体所加功率和时间，控制Ru-N薄膜中Ru、N的比例。
8. 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电流密度为0.5-3.0 A/dm2。
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