深亚微米集成电路Cu互连用梯度扩散阻挡层制备工艺

摘要

本发明涉及一种深亚微米集成电路Cu互连用梯度扩散阻挡层制备工艺，属于半导体集成电路制造技术领域。该工艺采用射频磁控溅射镀膜设备在单晶Si基体上沉积一层非晶态TaN层；之后再沉积TaN梯度层，并通过逐渐调小反应气体N

说明书

技术领域

本发明属于半导体集成电路制造工艺技术领域，特别涉及一种深亚微米超大规模集成电路Cu互连模系用低阻、高稳定性α-Ta/TaN梯度扩散阻挡层的制备工艺。

背景技术

随着集成电路特征尺寸的持续缩小、集成度不断提高，Cu已逐步取代Al作为新一代互连金属材料。然而，由于Cu在Si和Si基氧化物介质中，在低温下即可扩散生成深能级杂质，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，在Cu和Si或SiO₂之间必须要增加金属阻挡层，起到阻止Cu扩散以及改善Cu与基体结合性能的作用。在2007年版的《半导体路线体技术发展路线图》中也把引入超薄、高保形的低阻值金属阻挡层作为近期即2015年前的挑战之一，如文献[王洪波，2007年国际半导体技术发展路线图摘要介绍，中国集成电路2008；106：14]。

目前工业界常用的金属扩散阻挡层是Ta/TaN双层薄膜，这种双层薄膜主要是利用难熔金属Ta和氮化物TaN的高熔点，即Ta：2996℃，TaN：3087℃的高熔点，晶格和晶界扩散激活能较高的优势，如文献[姜蕾，集成电路Cu互连工艺中的Ta基扩散阻挡层研究，上海：复旦大学，2003]，特别是由于Ta层与Cu具有好的粘附性和界面稳定性，以及TaN与电介质较好的粘附性和高的热稳定性，使得双层薄膜Ta/TaN金属扩散阻挡层能够满足Cu互连的相关性能要求。一般来说Ta有两种相结构，即电阻率为15-60μΩ·cm稳定的α-Ta(体心立方)的低阻相结构和电阻率为200-700μΩ·cm亚稳的β-Ta(四方相)的高阻相结构。由于集成电路工艺中制备Ta膜时多采用远离平衡态的溅射沉积方法，因此制备出的Ta膜多是亚稳的β-Ta结构或α-Ta和β-Ta共存的相结构，如文献[S.M.Rossnagel，Journal of Vacuum Science & Technology B 20/6(2002)2328]和文献[R.Saha，J.A.Barnard，10th American Conference on CrystalGrowth/9th International Conference].

为了在非晶态TaN上得到α-Ta或α-Ta(N)相结构，大多采用方法包括：1、沉积后退火，如文献[L.Liu，Y.Wang，H.Gong，J.Appl.Phys.90/1(2001)416.]和文献[R.Knepper，B.Stevens，S.P.Baker，J.Appl.Phys.100/12(2006).]；2、高温环境下沉积，如文献[Y.M.Zhou，Z.Xie，H.N.Xiao，P.F.Hu，J.He，Vacuu 83(2008)286.]；3、晶格匹配法，(以Nb、TaN_0.1、fcc-TaN、Ti、W等为缓冲层或TaN表面Ar⁺反溅技术)，如文献[J.C.Tsao，C.P.Liu，Y.L.Wang，Y.S.Wang，K.W.Chen，2nd InternationalSymposium on Point Defects and Nonstoichiometry，Sendai，JAPAN，2005，p.501.]、文献[G.S.Chen，S.T.Chen，S.C.Huang，H.Y.Lee，Appl.Surf.Sci.169-170(2001)353.]、文献[Y.S.Wang，C.C.Hung，W.H.Lee，S.C.Chang，Y.L.Wang，3rd InternationalConference on Advances of Thin Films and Coatings，Singapore，SINGAPORE，2006，p.5241]；4、微量N添加法，如文献[J.W.Bae，J.W.Lim，K.Mimura，M.Isshiki，Thin Solid Films 515/11(2007)4768.]和文献[G.S.Chen，S.T.Chen，J.Appl.Phys.87/12(2000)8473.]等。在这些方法中均存在不同的缺陷，或制作成本较高，或制作工艺复杂等缺陷。如沉积后退火法，虽能实现β-Ta到α-Ta的相变，但退火工艺温度需达到600℃，且高温退火时常见的O元素等对相结构转换有明显的阻滞作用。高温环境下沉积制备的Ta往往是α与β-Ta的两相混合。而与这两种方法不同的晶格匹配法是通过引入异质元素做缓冲层或是进行TaN表面溅射处理，以形成与α-Ta较好的晶格匹配特性，但其工艺复杂程度较高，且异质缓冲层的热稳定性以及反溅造成的损伤不可忽视。微量N添加法则是将Ta层在低量氮气氛围中沉积，稳定α-Ta相结构，但得到的固溶态α-Ta(N)的电阻率较高。如台湾逢甲大学(Feng Chia University)G.S.Chen等人在N₂氛围中得到的固溶态α-Ta(N)电阻率约为180μΩ·cm，如文献[G.S.Chen，S.T.Chen，S.C.Huang，H.Y.Lee，Appl.Surf.Sci.169-170(2001)353.]，远高于纯α-Ta的电阻率15-60μΩ·cm。因此，如能开发一种深亚微米集成电路Cu互连用低阻的、高稳定性的α-Ta/TaN双层梯度扩散阻挡层的制备工艺，这正是本发明的任务所在。

发明内容

本发明的目的正是为了克服上述现有技术中所存在的缺陷，实现所述的发明任务，提出一种适用于深亚微米集成电路Cu互连用的超薄、低阻及高热稳定性的α-Ta/TaN双层梯度扩散阻挡层的制备工艺。该制备工艺简便易行、并可通过对工艺参数的调控获得梯度阻挡层材料，从而大幅度改善及提高器件服役可靠性。

本发明的基本思想是：提出一种制备深亚微米集成电路Cu互连用的超薄、低阻及高热稳定性的α-Ta/TaN双层梯度扩散阻挡层。一是在Si基体上先沉积一层非晶态TaN层，目的在于改善Si基体与扩散阻挡层的结合性能，同时利用TaN层的高热稳定性，提高整个扩散阻挡层的失效温度；二是在双层扩散阻挡层α-Ta/TaN中，提出了TaN梯度层沉积的设计方案，即通过在所述TaN涂层中逐渐减小所用工作气氛N₂流量，使N含量在TaN层上形成一个由里向外逐渐递减的梯度层，目的是通过N元素的逐步缺失，减小晶格常数，提高晶格匹配率，确保在梯度层上生成低电阻率的α-Ta(体心立方)，以降低双层模阻挡层体系的电阻率。本发明α-Ta层的沉积是在不破坏上一步真空条件下，紧接着在梯度层沉积完成后连续沉积α-Ta层，目的有二，其一是为减少污染元素吸附，保持梯度层洁净；其二是为让真空室中少量残余的N原子进入沉积层，达到稳定α-Ta结构的目的。

为了实现本发明的目的，本发明采用以下措施构成的技术方案实现的。

本发明深亚微米集成电路Cu互连用梯度扩散阻挡层的制备工艺，按照本发明，包括以下工艺步骤：

(1)沉积前对基体的处理

将单晶Si(111)基体分别放在浓度为99.7％的丙酮和无水乙醇中进行超声清洗10-20min，烘干后，放入射频反应磁控溅射镀膜设备真空室，待其真空室本底真空度达到2.0×10^-4Pa后，再进行10-20min反溅清洗，去除Si表面氧化物，所述镀膜设备的反溅功率为50-150W，溅射气氛为Ar，工作真空度为1.0-5.0Pa；

(2)沉积非晶态TaN层

在所述单晶Si基体上沉积一层非晶态TaN层，所用靶材为一个金属Ta，其真空室本底真空度为2.0×10^-4Pa，工作气氛为Ar和N₂混合气体，混合气体总流量为40sccm，其中，Ar流量为28-36sccm，N₂流量为12-4sccm，沉积时工作真空度为0.3-1.0Pa，Ta靶溅射功率为100-200W；沉积时间为1-6min；

(3)沉积TaN梯度层

所述非晶态TaN层沉积完成后，在不破坏第(2)步的工作真空，不改变Ta靶的溅射功率及Ar流量前提下，通过逐渐调小工作气氛中反应气体N₂流量以调控其在TaN梯度涂层中的含量，在30-150s时间内，将N₂流量从4-12sccm逐渐降低至0sccm，使N含量在所述TaN梯度层中由里到外逐步递减，完成原位沉积TaN梯度层；

(4)沉积低阻α-Ta层

所述TaN梯度层沉积完成后，在不破坏第(3)步中结束时的真空条件，保持溅射功率100-200W和工作气氛中Ar流量28-36sccm工艺参数，继续沉积金属Ta层，沉积时间为1-6min，即制得深亚微米Cu互连用的超薄、低电阻率及高热稳定性的α-Ta/TaN梯度扩散阻挡层样品，随即关闭溅射气体Ar，自然冷却后样品出炉，整个沉积工艺过程均在常温下进行。

上述技术方案中，所述非晶态TaN层沉积工作气氛Ar流量优选为36sccm，N₂流量优选为4sccm。

上述技术方案中，为获得更薄的、电阻率更低的α-Ta/TaN梯度扩散阻挡层，所述TaN梯度层沉积时间优选为30s。

本发明与现有技术相比具有以下有益技术效果：

1、本发明针对Ta与单晶Si基体结合强度及其热稳定性均较差的弱点，采用射频反应磁控溅射技术在单晶Si基体上先沉积一层非晶态的TaN层，改善了基体与阻挡层的结合强度及粘附性，并提高了梯度扩散阻挡层的整体热稳定性及失效温度。

2、本发明工艺吸收了微量N添加法和晶格匹配法的优点，采用射频反应磁控溅射技术，并通过工艺参数调控，将N₂流量逐渐从4-12sccm降至0sccm，获得用于深亚微米Cu互连用的超薄、低阻以及高热稳定性的梯度双层α-Ta/TaN梯度扩散阻挡层，其阻挡层整体电阻率低至112μΩ·cm，失效温度高于700℃。

3、本发明工艺所述非晶态TaN沉积完成后，连续沉积金属Ta层，其目的是为了获得低电阻率的α-Ta体心立方结构。

4、本发明工艺所述α-Ta层的沉积是不破坏上一步真空条件，即保持原有Ar流量和Ta靶溅射功率不变，紧接着在梯度层沉积完成后，连续沉积α-Ta层，目的有二，其一为减少污染元素吸附，保持梯度层洁净；其二为了让真空室中少量残余的N原子进入该沉积层，达到稳定α-Ta结构的目的。

5、本发明工艺采用的常规反应射频磁控溅射技术，具有技术成熟，成本低，污染物少等特点。

6、本发明工艺简单易行，适合于规模化应用，并可与现有的微电子制造工艺步骤兼容。

附图说明

图1本发明制备工艺所需制备的双层Ta/TaN梯度扩散阻挡层结构示意图；

图2本发明制备工艺制备的双层Ta/TaN梯度扩散阻挡层的透射电镜(TEM)形貌：其中，a)低分辨；b)高分辨；

图3本发明制备工艺制备的沉积态Cu/梯度Ta/TaN扩散阻挡层XRD谱图，其中，a为无梯度层，b为10nm梯度层，c为20nm梯度层，d为30nm梯度层。

图中，1为Si基体，2为TaN层，3为TaN梯度层，4为Ta层。

具体实施方式

下面用实施例并结合实施例产生结果图对本发明进行详细的说明，但不意味着对本发明保护内容的任何限定。

实施例1

本发明采用自行研制的射频反应磁控溅射镀膜设备；

所用溅射金属Ta靶纯度为99.99％；工作气体Ar和N₂纯度均为99.999％；

所述的双层梯度扩散阻挡层沉积厚度为100nm；

整个沉积工艺过程均在常温下进行，本实施例是在优选的工艺参数制备的双层梯度扩散阻挡层。

在上述条件下，Ta/TaN梯度扩散阻挡层制备操作步骤如下：

(1)沉积前对基体的处理

将单晶Si(111)放入丙酮中进行超声清洗20min、再放入无水乙醇中进行超声清洗20min，烘干后，放入射频反应磁控溅射镀膜设备真空室，待镀膜设备本底真空度达到2.0×10^-4Pa后，进行15min反溅清洗，以去除表面氧化物；所述镀膜设备其反溅功率为100W，溅射气氛为Ar，工作真空度为1.2Pa；

(2)沉积非晶态TaN层

同样用射频反应磁控溅射镀膜设备，在单晶Si基体上沉积一层非晶态TaN层，其厚度45nm，所用靶材为一个金属Ta靶，其镀膜设备真空室本底真空度为2.0×10^-4Pa，工作气氛为Ar和N₂混合气体，其总流量为40sccm，其中，Ar流量为36sccm，N₂流量为4sccm，沉积时工作真空度为0.3Pa，Ta靶溅射功率为200W，沉积时间为4min；

(3)沉积TaN梯度层

所述非晶态TaN层沉积完成后，在不破坏第(2)步的工作真空，不改变沉积Ta靶的溅射功率及Ar流量前提下，通过逐渐调小工作气氛中反应气体N₂流量以调控TaN涂层中N含量，在30s时间内，将N₂流量从4sccm逐步降低至0sccm，使N含量在TaN梯度层中由里到外逐步递减，完成原位沉积TaN梯度层；

(4)低阻α-Ta层的沉积

所述TaN梯度层沉积完成后，在不破坏第(3)步中结束时的真空条件，保持溅射功率200W和工作气氛中Ar流量36sccm工艺参数，继续沉积金属Ta层，沉积时间为3min，即获得深亚微米Cu互连用的超薄、低电阻率及高热稳定性的α-Ta/TaN梯度扩散阻挡层样品，然后关闭溅射气体Ar，自然冷却后样品出炉。

对上述实施例1所制备的α-Ta/TaN双层梯度扩散阻挡层，采用四探计测试仪进行涂层的电阻率测试，在涂层表面测试3个点，取其平均值计算电阻率为112.5μΩ·cm，与现有技术制备的双层Ta/TaN涂层相比其电阻率大幅降低，700℃退火后其电阻率为177μΩ·cm。通过TEM截面形貌分析，如图2所示，梯度层厚度约为10nm，非晶态TaN层和Ta层均为45nm。X射线衍射仪分析结果如图3中b所示，沉积态中金属Ta以体心立方结构(α-Ta)存在，且Cu/α-Ta/TaN/Si多层膜系样品在700℃退火后仍末出现铜硅化合物；而没有采用TaN梯度层工艺的试样，在TaN层上直接沉积的金属Ta层以亚稳的β-Ta存在，如图3中a所示。

实施例2

本实施例操作步骤，所用镀膜设备和其它工作条件均与实施例1相同，并保持所述双层梯度扩散阻挡层沉积总厚度100nm不变，调节非晶态TaN层、TaN梯度层、金属Ta层的沉积时间，以改变所述非晶态TaN层、TaN梯度层、金属Ta层各层在双层梯度扩散阻挡层中的厚度。

本实例中非晶态TaN层沉积时间为3min 50s，沉积厚度为40nm；TaN梯度层沉积时间为1min，沉积厚度为20nm；Ta层沉积时间为2min50s，沉积厚度为40nm，即制得α-Ta/TaN梯度扩散阻挡层样品。将所得样品经XRD分析，均显示生成的为N固溶的α-Ta，如图3中c所示，从图中结果，说明在TaN上生成α-Ta的工艺与各层厚度无关；双层阻挡层总电阻率为136.2μΩ·cm，由于梯度层厚度增加，金属Ta层变薄，导致整体电阻率有所增加，但仍低于现有技术相同参数条件下，没有采用沉积梯度层而制得的β-Ta(50nm)/TaN(50nm)的电阻率247.5μΩ·cm。

实施例3

本实施例操作步骤，所用镀膜设备和其它工作条件均与实施例1相同，并保持所述双层梯度扩散阻挡层沉积总厚度100nm不变，调节非晶态TaN层、TaN梯度层、金属Ta层的沉积时间，以改变所述非晶态TaN层、TaN梯度层、金属Ta层各层在双层梯度扩散阻挡层中的厚度。

本实例中非晶态TaN层沉积时间为3min，沉积厚度为35nm；TaN梯度层沉积时间为2min20s，沉积厚度为30nm；Ta层沉积时间为2min20s，沉积厚度为35nm，即制得α-Ta/TaN梯度扩散阻挡层样品，将所得样品经XRD分析，均显示生成的为N固溶的α-Ta，如图3中d所示，图中结果说明在TaN上生成α-Ta的工艺与各层厚度无关；双层阻挡层总电阻率为160.5μΩ·cm，由于梯度层厚度增加，金属Ta层变薄，导致整体电阻率有所增加，但仍低于现有技术相同参数条件下，没有采用沉积梯度层而制得的β-Ta(50nm)/TaN(50nm)的电阻率247.5μΩ·cm。