用于铜互连的Ta－Al－N扩散阻挡层薄膜及其制备工艺

摘要

本发明公开了一种用于铜互连的Ta－Al－N扩散阻挡层薄膜，其特征在于，其质量百分比为1.5％～7.8％的Al、8.4％～11.5％的N和余量为Ta，用多靶磁控溅射方法制备而成。本发明还公开了一种制备该Ta－Al－N扩散阻挡层薄膜的工艺，具体来说采用磁控溅射法来制备。该Ta－Al－N薄膜经900℃退火5分钟后，其阻挡特性才失效。与传统Ta－N或Ta/Ta－N阻挡层相比，本发明的Ta－Al－N薄膜在保持了传统阻挡层材料良好黏附性和低电阻率的同时，由于少量Al的加入，可有效提高其阻挡性能；同时少量Al的存在，使薄膜表面易于形成极薄的氧化铝薄层，有效避免了阻挡层的氧化。

说明书

技术领域

本发明所涉及一种新一代集成电路工艺领域应用的铜互连阻挡层Ta-Al-N薄膜上艺，具体为一种用于铜互连的Ta-Al-N扩散阻挡层薄膜及其制备工艺。

背景技术

随着超大规模集成电路的发展，集成电路金属互连间的RC延迟及串扰正取代门延迟成为制约集成电路速度进一步提高的主要因素。采用Cu/低K介质取代传统的Al/SiO₂系统可使集成电路性能大幅提高。然而由于Cu在Si及其氧化物以及大部分介质中扩散相当快，且Cu一旦进入器件结构中即形成深能级杂质，对器件中的载流子具有很强的陷阱效应，使器件性能退化甚至失效。因此必须在Cu与介质层之间增加一个尽可能薄的扩散阻挡层，来阻止Cu的扩散。阻挡层要求有良好的热稳定性、高温下不与Cu反应，且与Cu及介质层有良好结合。

Ta、Zr、W等难熔金属由于具有高熔点、与Cu的互溶率低、对Cu原子的良好阻挡等特性，加之与Cu的结合良好而成为研究热点。Ta基薄膜一直以来被认为是最有希望的下一代集成电路阻挡层，Ta膜在600℃以下可有效阻挡Cu的扩散，且同Cu结合良好，但在较高温度下由于Ta晶粒的长大产生了大量可供Cu原子快速扩散的晶界而失去阻挡能力。在Ta膜中加入N、C等原子可填充晶界，从而有效提高其热稳定性和阻挡能力。但随着集成电路向亚微米级发展，对阻挡层的要求越来越高，人们开始把目光转向Ta(Ti、Zr、W)、N、Si的三元非晶薄膜，这种非晶薄膜的晶化温度很高，存在较少的晶界及缺陷，从而可更有效地阻挡Cu原子的扩散，但是其阻挡性能还有待进一步提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于铜互连的Ta-Al-N扩散阻挡层薄膜及其制备工艺。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种用于铜互连的Ta-Al-N扩散阻挡层薄膜，其特征在于，其组分为质量百分比为1.5％～7.8％的Al，8.4％～11.5％的N，余量为Ta，该用于铜互连的Ta-Al-N扩散阻挡层薄膜采用用多靶磁控溅射方法制备而成。

所述用于铜互连的Ta-Al-N扩散阻挡层薄膜的方块电阻为120～500Ω/□。

所述的用于铜互连的Ta-Al-N扩散阻挡层薄膜为非晶态。

一种制备如权利要求1所述用于铜互连的Ta-Al-N扩散阻挡层薄膜的工艺，其特征在于，包括以下步骤：

1)在多靶磁控溅射仪中同时安装Ta靶、Cu靶、Al靶；其中Ta靶和Cu靶在直流溅射位，Al靶在射频溅射位，将硅片清洗烘干后安装在基片位置上；充入气流，控制氮气占气流总流量的5～10％；

2)采用磁控溅射法原位制备Ta-Al-N薄膜；

另外，可以在Ta-Al-N薄膜上直流溅射铜膜，验证阻挡层特性。

作为改进，在原位制备Ta-Al-N薄膜时，将气流的气压稳定在0.9～1.2Pa。

具体来说，在步骤3)中，铜膜厚度在150～200nm。

作为改进，在原位制备Ta-Al-N薄膜时，将基片旋转以提高成膜均匀性。

步骤1)中所述的将硅片清洗为：用去离子水、超声波、无水乙醇和\或丙酮对硅片进行清洗。

本发明的原理在于，在难熔金属氮化物中掺入部分铝后在薄膜表面形成极薄的氧化铝薄膜可有效阻止其在高温下的进一步氧化，同时可提高Cu膜的粘附力从而可保持较高的热稳定性，并保持较低的接触电阻。

本发明的有益效果有：

本发明提供一种新型铜互连阻挡层Ta-Al-N薄膜材料。通过在Ta-N薄膜中掺入少量Al(1.5～7.8％)提高薄膜晶化温度，得到非晶的扩散阻挡层，使其对Cu的扩散阻挡能力提高。本发明得到的Ta-Al-N薄膜经900℃退火5分钟后，其扩散阻挡特性才失效，明显优于普通Ta-N阻挡层。同时该薄膜还可促使铜沿(111)取向生长。

本发明的Ta-Al-N薄膜，其组分质量比分为：Al含量为1.5～7.8％，N含量为8.4～11.5％，其余为Ta。本发明的阻挡层薄膜可通过化学气相沉积和磁控溅射法制备，由于其制备工艺不同得到的阻挡层薄膜微结构存在差异，阻挡性能略有不同。

磁控溅射Ta-Al-N薄膜是非晶的，这种结构可有效减少晶界，提高阻挡性能。同时，薄膜表面极少量的Al对阻挡层本身起到了保护作用，抑制其进一步氧化，并且保持了薄膜与铜的优良黏附性和低电阻率的优点。

该Ta-Al-N薄膜经900℃退火5分钟后，其阻挡特性才失效。与传统Ta-N或Ta/Ta-N阻挡层相比，本发明的Ta-Al-N薄膜在保持了传统阻挡层材料良好黏附性和低电阻率的同时，由于少量Al的加入，打破了TaN薄膜生长时的晶相平衡，得到非晶态的阻挡层薄膜，减少了晶界，可有效提高其阻挡性能；同时少量Al的存在，使薄膜表面易于形成极薄的氧化铝薄层，有效避免了阻挡层的氧化。此外，Ta-Al-N薄膜可促进其表面Cu膜沿(111)晶向生长。(111)取向的Cu薄膜抗电迁移能力较其它生长取向强，因此本发明Ta-Al-N阻挡层及其制备工艺是极具前景的阻挡层技术。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

用于铜互连的Ta-Al-N扩散阻挡层薄膜，其组分为质量百分比为1.5％～7.8％的Al，8.4％～11.5％的N，余量为Ta，用于铜互连的Ta-Al-N扩散阻挡层薄膜采用多靶磁控溅射方法制备而成。所述的用于铜互连的Ta-Al-N扩散阻挡层薄膜的方块电阻为120～500Ω/□。所述的用于铜互连的Ta-Al-N扩散阻挡层薄膜为非晶态。

实施例2

采用磁控溅射法制备用于铜互连的Ta-Al-N扩散阻挡层薄膜，包括以下步骤：

(1)在多靶磁控溅射仪中同时安装Ta靶、Cu靶、Al靶。其中Ta靶、Cu靶在直流溅射位，Al靶在射频溅射位；控制各原料及组分为：质量百分比为1.5％～7.8％的Al、8.4％～11.5％的N和余量为Ta的原料；对硅片用去离子水、超声波、无水乙醇、丙酮进行清洗并烘干；控制溅射气氛，即往多靶磁控溅射仪充入气流，控制其中氮气占气流总流量的5～10％，气压稳定在0.9～1.2Pa；

(2)采用磁控溅射法原位制备Ta-Al-N薄膜；旋转基片以提高成膜均匀性。

在Ta-Al-N薄膜上直接直流溅射铜膜，铜膜厚度在150～200nm。验证阻挡层特性。