CN103928440A - 一种铜互连扩散阻挡层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微电子技术领域，具体为一种集成电路铜互连扩散阻挡层及其备方法。本发明使用PEALD技术生长CoxN与Ru原子层，形成Ru-Co-N的交叠结构，代替传统的TaN/Ta结构，作为Cu扩散阻挡层/粘附层/籽晶层，其表达式为Ruy(CoxN)1-y；通过调节Ru与CoxN两者的比例，可以得到对Cu优秀的粘附能力和扩散阻挡能力。本发明可在高纵横比结构上生长出均匀非晶薄膜，可以减少工艺步骤与薄膜器件的整体厚度，可以改善对Cu的扩散阻挡与粘附性能，还可以提高铜互连的导电性能，为铜互连工艺提供了一种简单实用的可行性方案。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种集成电路铜互连扩散阻挡层及其制备方法。
技术背景
随着超大规模集成电路和特大规模集成电路的发展，器件集成度的不断提高必将导致器件特征尺寸的减小，这会导致互连线电阻R 和寄生电容C的增长，从而使得时间常数RC 大幅度提高，引起器件性能的下降，成为制约IC 速度进一步提高的主要因素。芯片互连成为影响芯片性能的关键因素。铜(Cu)具有比Al 低35%的电阻率, 比Al 高2个数量级的抗电迁徙性能和更高的热传导系数,已取代Al并广泛应用于集成电路互连工艺中。
但是Cu在低温下(<200 oC)极易在硅(Si)和氧化物介质层中快速扩散，容易在Si器件中形成Cu和Si的化合物，成为深能级受主杂质，使器件性能退化。因此必须在两者之间增加一层阻挡层来阻挡Cu的扩散，并增加Cu与介质层的粘附性。目前工业界使用TaN/Ta 双层结构作为Cu 的扩散阻挡层、粘附层。随着集成电路特征尺寸持续减小，为了使Cu 能够有良好的填充特性和可靠性，要求Cu的扩散阻挡层/粘附层/籽晶层具有较薄的厚度，在22nm 技术节点，扩散阻挡层厚度要求在2.6nm 左右，在15nm 节点，减小至1.3nm 左右。为了迎接这些更小技术节点带来的挑战，新的扩散阻挡层、粘附层和仔晶层材料的研究一直在持续。复合结构的扩散阻挡层、粘附层和仔晶层材料具有非常大的研究潜力。
金属钌（Ru）是一种良好的Cu阻挡层材料，它具有比Ta和TaN更低的电阻率，而且Ru与Cu的粘附性极好，可以在Ru上直接生长保形性良好的Cu互联结构，所以它可以同时作为Cu的扩散阻挡层/粘附层/籽晶层材料，能够减少工艺步骤。但是，Ru在退火后会出现阻挡失效的情形，而且Ru不是氧的良好扩散阻挡体，所以单独的Ru并不适合作为扩散阻挡层。而CoxN材料具有很低的电阻率，以及对Cu的很强的粘附性能，并且价格便宜，也可以作为Cu的仔晶层，是一种良好的粘附层和仔晶层材料。而且如果把CoxN与Ru做成叠层材料，N原子也可以与Ru形成稳定的RuN结构，RuN是一种理想的扩散阻挡层材料，不容易结晶出现阻挡失效的情况。因此Ru-N-Co结构作为Cu的扩散阻挡层/粘附层/仔晶层材料具有很大的潜在应用价值。
目前，工业界主要采用磁控溅射(Magnetron Sputtering)技术制备扩散阻挡层和Cu的籽晶层，然而，随着特征尺寸进一步缩小，介电层的厚度不会随之等比例缩小，导致特征纵横比增大。在填充纵横比大于4的孔洞和沟槽时就难以保证薄膜的均匀性与厚度可控性，目前原子层淀积技术（Atomic Layer Deposition，ALD）可以完美解决这个问题。ALD生长方法可以对薄膜厚度与材料中不同物质原子比例进行精确控制，由于其自限的表面反应，可在高纵横比(>10)的表面形成均匀覆盖，同时制得的薄膜为非晶态，不容易形成晶界结构，非常适合生长扩散阻挡层薄膜。而由于生长Ru和CoxN时气体反应物的反应活性较低，直接用热生长ALD技术很难生长，因此需要等离子体辅助ALD（plasma-enhanced ALD，PEALD）技术在工艺的某个步骤中引入等离子体的能量增强方法来提高反应物的反应活性。PEALD技术相比于ALD技术具有沉积温度低、制备出的薄膜密度大、改善薄膜性质等优点，因此适合用于生长Ru-Co-N结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺简单、电阻率低、厚度薄的集成电路铜互连扩散阻挡层及其制备方法。
本发明所提供的铜互连扩散阻挡层，使用等离子体辅助原子层沉积（PEALD）技术交替生长CoxN与Ru原子层，形成Ru-Co-N的交叠结构，代替传统的TaN/Ta结构，作为Cu扩散阻挡层/粘附层/籽晶层；其表达式为：
Ruy(CoxN)1-y
其中x的取值范围是1-10，x值可为非整数；y的取值范围是0.05-0.95。
上述集成电路铜互连扩散阻挡层制备的具体步骤为：
（1）采用RCA工艺清洗硅基衬底，然后在硅衬底上依次生成刻蚀阻挡层与绝缘介质层，使用光刻、离子刻蚀工艺，定位互连位置，形成用于互连结构的金属沟槽、接触孔或通孔；
（2）在金属沟槽、接触孔或通孔中，使用等离子体辅助原子层沉积（PEALD）技术交替生长n1层CoxN与n2层Ru，形成Ru-N-CoxN薄膜；不断重复上述过程，最终形成Ru-Co-N薄膜，其中n1、n2为大于等于1的整数；
（3）在Ru-Co-N薄膜结构表面使用电镀法或ALD等方法生长Cu，获得铜互连结构；
（4）对于所得的铜互连结构，使用化学机械抛光工艺，得到平整的晶片表面，即最终的铜互连扩散阻挡层。
本发明中，所述Ru-Co-N的厚度1-5nm，填入沟槽的深宽比3-10。
本发明中，在22 nm节点后，由于特征尺寸已极小，可使用ALD方法直接进行铜的填充互连而不再需要电镀铜工艺。
本发明中，可以通过调节x与y的值来获得较好的Cu扩散阻挡能力与粘附能力，并改善铜互连的导电性能；其中，x值可以通过调节CoxN反应源的通入时间来控制，y值可以通过调节生长n1层CoxN与n2层Ru时的n1和n2的值来控制。
本发明中，需要使用等离子辅助原子层沉积（PEALD）技术来沉积薄膜。
本发明中，制备CoxN所需的生长源中，Co源为双（N，N'-二异丙基乙脒基)钴或双（N-叔丁基-N'-乙 基-丙脒基）钴等； N源为氨气（NH3）或氮氢混合气体（N2/H2）；
本发明中，制备Ru需要的生长源为Ru(Cp)2、Ru(EtCp)2或Ru(OD)3；还原气体为氧气（O2）、臭氧（O3）或O2等离子气体。
本发明中，在PEALD方法的沉积过程中，Co 源温度应为60~150℃，Ru源温度应为60~140℃，反应腔温度应保持在100~300℃。
有益效果
本发明具有以下优点：
（1）利用CoxN与Ru复合结构良好的Cu扩散阻挡作用以及优秀的粘附能力，以单一的Ru-Co-N复合结构同时作为Cu扩散阻挡层/粘附层/籽晶层，可减少工艺步骤；
（2）因为只需要一种薄膜结构就可以实现工艺要求，可以大大降低薄膜的厚度；
（3）与传统TaN/Ta结构相比，可大大降低电阻率，与Cu的粘附性更好；
（4）使用PEALD技术可在纵横比很大的表面形成膜厚精确可控的均匀薄膜。
附图说明
图1 为在完成上层互连的Si衬底上依次完成沉积低介电常数介质层、刻蚀阻挡层、光阻层后形成的互连沟槽示意图。
图2 为在衬底上应用本发明沉积Ru-Co-N扩散阻挡/粘附层/籽晶层的示意图。
图3 为本发明沉积Ru-Co-N扩散阻挡/粘附层/籽晶层的局部放大图。
图4 为在采用本发明的方法在Ru-Co-N薄膜上沉积Cu的示意图。
图5 为化学机械抛光去除多余的Cu、和阻挡层/粘附层/籽晶层的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施实例对本发明作进一步说明。其中相同的附图标记表示相同的组件，不再作重复说明。
本发明的基本思想是使用PEALD方法生长CoxN与Ru原子层交叠结构形成Ru-N-Co复合结构代替现有的TaN/Ta作为Cu扩散阻挡层/粘附层/籽晶层。
参照图1，使用标准清洗SC-1、SC-2溶液、1:20稀释的氢氟酸及去离子水分别依序清洗Si衬底，去除杂质和自然氧化层，用高纯N2吹干。在清洗好的Si衬底（101）上，依序沉积刻蚀阻挡层氮化硅（102）、用于层间绝缘的介质层SiO2（103）。利用标准光刻和刻蚀工艺形成互连结构用的沟槽或通孔。
参照图2，在沟槽上使用PEALD技术生长Ru-N-CoxN薄膜（104）。其中CoxN生长源为双（N，N'-二异丙基乙脒基)钴与NH3等离子气体、Ru生长源为Ru(Cp)2和O2等离子气体。其中双（N，N'-二异丙基乙脒基)钴源温度为80 ℃，Ru(Cp)2源温度为90℃，反应腔温度为200℃, 反应基压为~2 Torr。
参照图3，首先生长3层CoxN和2层Ru，不断重复此过程以形成Ru-Co-N薄膜。一个CoxN的生长周期包括：往反应腔通入双（N，N'-二异丙基乙脒基)钴，脉冲时间为2 s，用高纯N2吹扫6 s，然后通入NH3等离子体，脉冲时间为3 s，用高纯氮气吹扫6 s。一个Ru的生长周期包括往反应腔通入Ru(Cp)2，脉冲时间为1.5 s，用高纯N2吹扫6 s，然后通入O2等离子体，脉冲时间为3 s，用高纯氮气吹扫6 s。通过改变CoxN与Ru的层数n1、n2，或者改变通入NH3等离子体的时间可以优化Ru-Co-N薄膜的Cu阻挡能力、粘附性与导电性能。
参照图4，在采用本发明方法沉积后的衬底上沉积铜（105）。
参照图5，化学机械抛光除去多余的铜、阻挡层和籽晶层，形成图样所示的器件结构。
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 (7)
1. 一种铜互连扩散阻挡层，其特征在于使用PEALD技术交替生长CoxN与Ru原子层，形成Ru-Co-N的交叠结构，作为Cu扩散阻挡层/粘附层/籽晶层；其表达式为：
Ruy(CoxN)1-y
其中，x的取值范围是1-10；y的取值范围是0.05-0.95。
2. 如权利要求1所述的铜互连扩散阻挡层,其特征在于通过调节x与y的值来调节Cu扩散阻挡能力与粘附能力，并改善铜互连的导电性能；其中，x值通过调节CoxN反应源的通入时间来控制，y值通过调节生长n1层CoxN与n2层Ru时的n1和n2的值来控制。
3. 一种如权利要求1所述的铜互连扩散阻挡层的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）采用RCA工艺清洗硅基衬底，然后在硅衬底上依次生成刻蚀阻挡层与绝缘介质层，使用光刻、离子刻蚀工艺，定位互连位置，形成用于互连结构的金属沟槽、接触孔或通孔；
（2）在金属沟槽、接触孔或通孔中，使用PEALD技术交替生长n1层CoxN与n2层Ru，形成Ru-N-CoxN薄膜；不断重复上述过程，最终形成Ru-Co-N薄膜，其中n1、n2为大于等于1的整数；
（3）在Ru-Co-N薄膜结构表面使用电镀法或ALD等方法生长Cu，获得铜互连结构；
（4）对于所得的铜互连结构，使用化学机械抛光工艺，得到平整的晶片表面，即最终的铜互连扩散阻挡层。
4. 如权利要求3所述的铜互连扩散阻挡层的制备方法，其特征在于所述Ru-Co-N的厚度1-5nm，填入沟槽的深宽比3-10。
5. 如权利要求3所述的铜互连扩散阻挡层的制备方法，其特征在于制备CoxN所需的生长源中，Co源为双（N，N'-二异丙基乙脒基)钴或双（N-叔丁基-N'-乙 基-丙脒基）钴； N源为氨气NH3或氮氢混合气体N2/H2。
6. 如权利要求3所述的铜互连扩散阻挡层的制备方法，其特征在于制备Ru需要的生长源为Ru(Cp)2、Ru(EtCp)2或Ru(OD)3；还原气体为氧气O2、臭氧O3或O2等离子气体。
7. 如权利要求3所述的铜互连扩散阻挡层的制备方法，其特征在于在所述PEALD方法的沉积过程中，Co 源温度应为60~150℃，Ru源温度应为60~140℃，反应腔温度应保持在100~300℃。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109609927A (zh) * | 2019-01-24 | 2019-04-12 | 复旦大学 | 一种碳氮掺杂的金属钴薄膜、其制备方法及用途 |
| CN110890317A (zh) * | 2018-09-11 | 2020-03-17 | 长鑫存储技术有限公司 | 半导体器件及其制备方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100295181A1 (en) * | 2009-05-19 | 2010-11-25 | International Business Machines Corporation | Redundant metal barrier structure for interconnect applications |
| CN102832198A (zh) * | 2012-09-25 | 2012-12-19 | 复旦大学 | 一种采用新型合金籽晶层的铜互连结构及其制备方法 |
| CN103325770A (zh) * | 2013-06-16 | 2013-09-25 | 复旦大学 | 一种集成电路铜互连结构及其制备方法 |
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100295181A1 (en) * | 2009-05-19 | 2010-11-25 | International Business Machines Corporation | Redundant metal barrier structure for interconnect applications |
| CN102832198A (zh) * | 2012-09-25 | 2012-12-19 | 复旦大学 | 一种采用新型合金籽晶层的铜互连结构及其制备方法 |
| CN103325770A (zh) * | 2013-06-16 | 2013-09-25 | 复旦大学 | 一种集成电路铜互连结构及其制备方法 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110890317A (zh) * | 2018-09-11 | 2020-03-17 | 长鑫存储技术有限公司 | 半导体器件及其制备方法 |
| CN109609927A (zh) * | 2019-01-24 | 2019-04-12 | 复旦大学 | 一种碳氮掺杂的金属钴薄膜、其制备方法及用途 |
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