一种铜互联用氮化钽扩散阻挡层的制备方法

摘要

一种铜互联用氮化钽扩散阻挡层的制备方法，它涉及一种氮化钽扩散阻挡层的制备方法。本发明解决现有氮化钽沉积技术制备得到的氮化钽阻挡层厚度大、致密性差，导致氮化钽阻挡层的阻挡效果差的问题。制备方法：将衬底清洗后置于过滤阴极电弧沉积设备真空仓内的样品台上；然后对衬底进行离子清洗；抽真空后，将样品台加热，然后通入氮气，然后调入扫描波形，设置沉积参数；然后开启过滤阴极电弧沉积设备即可。铜互联用氮化钽扩散阻挡层厚度为10～20nm，而且阻挡层致密性好，表面均匀平整，能够保证后续电沉积铜层的优良质量；同时高温扩散阻挡性高，氮化钽扩散阻挡层受温度为600℃的热处理90分钟后，无铜硅化合物产生。

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮化钽扩散阻挡层的制备方法。

背景技术

随着集成电路工艺的发展，Cu替代Al成为新一代的互联材料。为了防止Cu扩散进Si器件中引起器件性能受损以及提高Cu与Si、SiO₂的粘附性，必须在Cu互联线外包裹一层扩散阻挡层。氮化钽具有非常良好的阻挡层材料性能，如电阻率低、熔点高、品格和晶界扩散的激活能高、界面稳定等一系列优异的性能，是当前扩散阻挡层的首选材料。当集成电路的特征尺寸小于45nm时，对阻挡层薄膜的厚度、阻挡效果等性能要求进一步提高，阻挡层的厚度应小于3.3nm，线路沟槽的深宽比增加，当前主要的沉积技术已不能保证制备出的氮化钽阻挡层依然具有良好的扩散阻挡性能和台阶覆盖性，现有沉积技术主要为磁控溅射、真空蒸镀等，制备得到的氮化钽阻挡层厚度过大(大于100nm)，阻挡层致密性差，导致阻挡效果差。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有氮化钽沉积技术制备得到的氮化钽阻挡层厚度大、致密性差，导致氮化钽阻挡层的阻挡效果差的问题，提供了一种铜互联用氮化钽扩散阻挡层的制备方法。

本发明的铜互联用氮化钽扩散阻挡层的制备方法，是通过以下步骤实现的：一、将单晶硅衬底用超声波清洗30～40min，然后将单晶硅衬底置于过滤阴极电弧沉积设备真空仓内的样品台上；二、将真空仓内抽真空至1.0×10^-6～9.9×10^-6Torr后通入氩气，控制氩气流量为50cm³/min，当真空仓内压强达到8.0×10^-5～1.0×10^-4Torr时，将样品台转至离子清洗位置，对单晶硅衬底表面进行离子清洗10～20min，然后关闭氩气，再将样品台转至沉积位置；三、继续对真空仓进行抽真空，当真空度达到1.0×10^-6～9.9×10^-6Torr时，再将样品台加热至200～600℃，然后通入氮气，氮气流量控制在2.6～8.8cm³/min，然后调入扫描波形，设置沉积参数为：电弧电流为120～150A，扫描时长为10min，起弧频率为10～15s/次，衬底直流偏压为20～200V；四、当真空仓内真空度为4.0×10^-4～7.0×10^-4Torr时，开启过滤阴极电弧沉积设备，开始对钽靶施加脉冲电源特性起弧，然后采用平特性电源稳弧，向单晶硅衬底表面沉积镀膜，沉积结束后即在单晶硅衬底表面得到氮化钽扩散阻挡层，实现铜互联用氮化钽扩散阻挡层的制备。

本发明的铜互联用氮化钽扩散阻挡层的制备方法利用过滤阴极真空电弧技术在单晶硅衬底上获得厚度仅为10～20nm的氮化钽扩散阻挡层，而且制备得到的氮化钽扩散阻挡层致密性好，表面均匀平整，能够保证后续电沉积铜层的优良质量；同时高温扩散阻挡性高，氮化钽扩散阻挡层受温度为600℃的热处理90分钟后，无铜硅化合物产生。

本发明的铜互联用氮化钽扩散阻挡层的制备方法工艺简单，制备周期短，适于工业化应用。本发明的制备方法能够实现深宽比至少为9∶1的要求，能够满足当前半导体产业的性能要求。

附图说明

图1是具体实施方式十三中热处理后的样品的掠入射X射线衍射(GIXRD)测试谱图，图中“■”为(111)晶向立方相TaN，“□”为(200)晶向立方相TaN，“◆”为(111)晶向立方相Cu，“◇”为(200)晶向立方相Cu，“▲”为(220)晶向立方相TaN，“△”为(220)晶向立方相Cu。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式是铜互联用氮化钽扩散阻挡层的制备方法，是通过以下步骤实现的：一、将单晶硅衬底用超声波清洗30～40min，然后将单晶硅衬底置于过滤阴极电弧沉积设备真空仓内的样品台上；二、将真空仓内抽真空至1.0×10^-6～9.9×10^-6Torr后通入氩气，控制氩气流量为50cm³/min，当真空仓内压强达到8.0×10^-5～1.0×10^-4Torr时，将样品台转至离子清洗位置，对单晶硅衬底表面进行离子清洗10～20min，然后关闭氩气，再将样品台转至沉积位置；三、继续对真空仓进行抽真空，当真空度达到1.0×10^-6～9.9×10^-6Torr时，再将样品台加热至200～600℃，然后通入氮气，氮气流量控制在2.6～8.8cm³/min，然后调入扫描波形，设置沉积参数为：电弧电流为120～150A，扫描时长为10min，起弧频率为10～15s/次，衬底直流偏压为20～200V；四、当真空仓内真空度为4.0×10^-4～7.0×10^-4Torr时，开启过滤阴极电弧沉积设备，开始对钽靶施加脉冲电源特性起弧，然后采用平特性电源稳弧，向单晶硅衬底表面沉积镀膜，沉积结束后即在单晶硅衬底表面得到氮化钽扩散阻挡层，实现铜互联用氮化钽扩散阻挡层的制备。

本实施方式步骤一中超声波清洗的目的是去除单晶硅衬底表面的污染物，如油渍、灰尘等。

本实施方式在单晶硅衬底上获得厚度仅为10～20nm的氮化钽扩散阻挡层，而且制备得到的氮化钽扩散阻挡层致密性好，表面均匀平整，能够保证后续电沉积铜层的优良质量；同时高温扩散阻挡性高，氮化钽扩散阻挡层受温度为600℃的热处理90分钟后，无铜硅化合物产生。

本实施方式的铜互联用氮化钽扩散阻挡层的制备方法工艺简单，制备周期短，适于工业化应用。本发明的制备方法能够实现深宽比至少为9∶1的要求，能够满足当前半导体产业的性能要求。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤二中将真空仓内抽真空至3.0×10^-6～8×10^-6Torr后通入氩气，控制氩气流量为50cm³/min，当真空仓内压强达到8.5×10^-5～9.5×10^-5Torr时，将样品台转至离子清洗位置。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤二中将真空仓内抽真空至6.0×10^-6Torr后通入氩气，控制氩气流量为50cm³/min，当真空仓内压强达到9×10^-5Torr时，将样品台转至离子清洗位置。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一、二或三不同的是步骤三中当真空度达到3.0×10^-6～8×10^-6Torr时，再将样品台加热至300～500℃。其它步骤及参数与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一、二或三不同的是步骤三中当真空度达到6×10^-6Torr时，再将样品台加热至400℃。其它步骤及参数与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤三中氮气流量控制在3～8cm³/min。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤三中氮气流量控制在4～6cm³/min。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤三中氮气流量控制在5cm³/min。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤三中设置沉积参数为：电弧电流为125～145A，扫描时长为10min，起弧频率为11～14s/次，衬底直流偏压为80～150V。其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤三中设置沉积参数为：电弧电流为135A，扫描时长为10min，起弧频率为12s/次，衬底直流偏压为120V。其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是步骤四中当真空仓内真空度为4.8×10^-4～6.2×10^-4Torr时，开启过滤阴极电弧沉积设备。其它步骤及参数与具体实施方式一至十之一相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是步骤四中当真空仓内真空度为5.6×10^-4Torr时，开启过滤阴极电弧沉积设备。其它步骤及参数与具体实施方式一至十之一相同。

具体实施方式十三：本实施方式是铜互联用氮化钽扩散阻挡层的制备方法，是通过以下步骤实现的：一、将单晶硅衬底用超声波清洗30min，然后将单晶硅衬底置于过滤阴极电弧沉积设备真空仓内的样品台上；二、将真空仓内抽真空至6×10^-6Torr后通入氩气，控制氩气流量为50cm³/min，当真空仓内压强达到9.0×10^-5Torr时，将样品台转至离子清洗位置，对单晶硅衬底表面进行离子清洗20min，然后关闭氩气，再将样品台转至沉积位置；三、继续对真空仓进行抽真空，当真空度达到6×10^-6Torr时，再将样品台加热至400℃，然后通入氮气，氮气流量控制在5cm³/min，然后调入扫描波形，设置沉积参数为：电弧电流为135A，扫描时长为10min，起弧频率为12s/次，衬底直流偏压为120V；四、当真空仓内真空度为5.6×10^-4Torr时，开启过滤阴极电弧沉积设备，开始对钽靶施加脉冲电源特性起弧，然后采用平特性电源稳弧，向单晶硅衬底表面沉积镀膜，沉积结束后即在单晶硅衬底表面得到氮化钽扩散阻挡层，实现铜互联用氮化钽扩散阻挡层的制备。

本实施方式在单晶硅表面沉积制备得到的氮化钽扩散阻挡层厚度仅为15nm，而且制备得到的氮化钽扩散阻挡层致密性好，表面均匀平整，能够保证后续电沉积铜层的优良质量；同时高温扩散阻挡性高，氮化钽扩散阻挡层受温度为600℃的热处理90分钟后，无铜硅化合物产生。

本实施方式将沉积有氮化钽扩散阻挡层的单晶硅再进行镀铜，使得在氮化钽扩散阻挡层上形成一层铜薄膜得到样品，然后将样品其放入600℃的条件下热处理90分钟后，然后采用荷兰Philips公司生产的X’Pert-Pro型X射线衍射仪对热处理后的样品进行掠入射X射线衍射(GIXRD)测试，测试结果如图1所示，图中“■”为(111)晶向立方相TaN，“□”为(200)晶向立方相TaN，“◆”为(111)晶向立方相Cu，“◇”为(200)晶向立方相Cu，“▲”为(220)晶向立方相TaN，“△”为(220)晶向立方相Cu。图1中可见，本实施方式在单晶硅衬底表面得到氮化钽扩散阻挡层受温度为600℃的热处理90分钟后，无铜硅化合物产生，扩散阻挡性能好。