專利名稱：一種用于納米集成電路的銅擴(kuò)散阻擋層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種阻止銅擴(kuò)散的新型阻擋層材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代集成電路的銅互連技術(shù)中，通常采用Cu/low-k雙鑲嵌工藝來制備銅互連結(jié)構(gòu)，在刻蝕好的通孔中淀積鉭(Ta) /氮化鉭(TaN)雙層結(jié)構(gòu)作為銅的擴(kuò)散阻擋層，然后淀積較厚的銅籽晶層以獲得良好的電鍍銅層。有效的阻擋層必須既能阻止銅擴(kuò)散進(jìn)入介質(zhì)層，又能改善阻擋層與介質(zhì)層之間的粘附性。眾所周知，在0. 13微米的技術(shù)節(jié)點(diǎn)中，Ta/TaN 雙層阻擋層已經(jīng)被成功應(yīng)用于工業(yè)銅互連技術(shù)中。然而，隨著集成電路最小特征尺寸逐漸縮小到32nm或以下，這種結(jié)構(gòu)將面臨各種挑戰(zhàn)。隨著溝槽和通孔高寬比的大幅度增加，由物理氣相沉積(PVD)方法濺射的擴(kuò)散阻擋層和籽晶銅層的臺(tái)階覆蓋性變得較差，可能會(huì)導(dǎo)致溝槽和通孔產(chǎn)生空洞。因此采用超薄的能夠直接電鍍銅的擴(kuò)散阻擋層，不僅能夠簡(jiǎn)化工藝，還可以減輕由于臺(tái)階覆蓋特性不好的擴(kuò)散阻擋層和銅籽晶層所帶來的各種問題。原子層淀積(ALD)是一種在經(jīng)過表面活性處理的襯底上利用表面飽和反應(yīng)，對(duì)溫度和反應(yīng)物通量不太敏感的淀積方法。原子層淀積與普通的化學(xué)沉積有相似之處，但是在原子層淀積過程中，新一層原子膜的化學(xué)反應(yīng)是直接與前一層相關(guān)聯(lián)的，這種方式使每次反應(yīng)只淀積一層原子，因此通過控制反應(yīng)周期的數(shù)量就可以精準(zhǔn)的控制薄膜的厚度。相對(duì)于傳統(tǒng)的淀積工藝而言，原子層淀積方法在薄膜的均勻性、階梯覆蓋率以及厚度控制等方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，它順應(yīng)了工業(yè)界向更低熱預(yù)算方向發(fā)展的趨勢(shì)。但是原子層淀積的生長(zhǎng)過程需要滿足其化學(xué)吸附反應(yīng)的要求，選擇合適的反應(yīng)源以及設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)纳L(zhǎng)工藝參數(shù)用來作為阻擋層材料的淀積至關(guān)重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種超薄的能夠直接電鍍銅的擴(kuò)散阻擋層材料，可以有效解決Cu/low-k雙鑲嵌工藝所面臨的溝槽和通孔中空洞的產(chǎn)生以及由于臺(tái)階覆蓋特性不好的擴(kuò)散阻擋層和銅籽晶層所帶來的嚴(yán)重問題。為達(dá)到本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提出了一種銅的擴(kuò)散阻擋層的制備方法，具體步驟包括
在第一層金屬互連層上形成互連通孔； 然后形成第一層金屬薄膜；
采用原子層淀積技術(shù)在第一層金屬薄膜上形成第二層金屬薄膜； 最后形成銅互連結(jié)構(gòu)。其中，所述的第二層金屬薄膜的原子層淀積過程包括
①.將基片放入原子層淀積反應(yīng)腔中，并加熱反應(yīng)腔至工藝溫度；
②.通入第二層金屬的金屬有機(jī)物前驅(qū)體；③.通入氮?dú)?、氬氣或者氦氣等惰性氣體帶走殘余的金屬有機(jī)物前驅(qū)體；
④.通入氨氣或者氧氣等氧化劑蒸汽；
⑤.再次通入氮?dú)狻鍤饣蛘吆獾榷栊詺怏w帶走殘余的氧化劑蒸汽；
⑥.重復(fù)進(jìn)行步驟②-步驟⑤，直至達(dá)到所需求的薄膜厚度；
⑦.通入氫氣或者甲烷等還原性氣體，得到所需求的金屬薄膜。進(jìn)一步地，所述的第一層金屬為TaN。所述的第二層金屬為Co或者為Ru。更進(jìn)一步地，當(dāng)所述的第二層金屬為Co時(shí)，采用的金屬有機(jī)物前驅(qū)體包括但不局限于乙酰丙酮鈷(Co(C5H7O2)2)；當(dāng)所述的第二層金屬為Ru時(shí)，采用的金屬有機(jī)物前驅(qū)體包括但不局限于CpRu (CO) 2Et。本發(fā)明所提出的銅的擴(kuò)散阻擋層材料及其制備方法具有以下優(yōu)點(diǎn)
選用合適的反應(yīng)前軀體，采用原子層沉積技術(shù)在TaN層上生長(zhǎng)Co或者Ru，可以得到用于32nm或以下工藝節(jié)點(diǎn)中的互連中的擴(kuò)散阻擋層，克服PVD淀積Ta/TaN雙層結(jié)構(gòu)作為銅的擴(kuò)散阻擋層在臺(tái)階覆蓋和保形性上的不足，有效解決Cu/low-k雙鑲嵌工藝中所面臨的溝槽和通孔中空洞的產(chǎn)生以及電遷移穩(wěn)定性的嚴(yán)重問題。相對(duì)于Ta/TaN阻擋層結(jié)構(gòu)，Co/Cu和Ru/Cu結(jié)構(gòu)的黏附性大于Ta/Cu結(jié)構(gòu)的黏附性，使得Co和Ru直接作為電鍍籽晶層成為可能。


圖1為本發(fā)明所提出的采用原子層沉積技術(shù)制備Co或Ru等金屬薄膜的工藝流程圖。圖2-圖6為本發(fā)明所提供的制備銅的擴(kuò)散阻擋層的一個(gè)實(shí)施例的工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式圖1為本發(fā)明所提出的采用原子層淀積方法制備Co或者Ru等金屬薄膜的工藝流程圖，按照此工藝方法制備Co薄膜的實(shí)施例的具體工藝過程包括
1、將制備了 TaN擴(kuò)散阻擋層的基片放入ALD反應(yīng)腔中，并將ALD反應(yīng)腔加熱到反應(yīng)所需溫度200°C，并且在整個(gè)ALD生長(zhǎng)期間保持這一溫度。在生長(zhǎng)薄膜之前將反應(yīng)前軀體加熱至設(shè)定溫度，并且在整個(gè)ALD生長(zhǎng)期間保持這一溫度。在脈沖周期中的第一脈沖之前，使反應(yīng)室達(dá)到反應(yīng)所需的氣壓2torr，并且在整個(gè)工藝期間保持這一氣壓。2、以惰性氣體比如氮?dú)庾鳛檩d體氣體流將加熱Co(C5H7O2)2揮發(fā)出的氣體引入到反應(yīng)腔中，脈沖時(shí)間為0.5秒。3、通入惰性氣體，比如氬氣，從反應(yīng)腔中清除未反應(yīng)的Co (C5H7O2)2氣體和副產(chǎn)物， 脈沖時(shí)間為2-15秒。4、通入氧化劑蒸汽，比如氨氣，脈沖時(shí)間為1-2秒。5、再次通入惰性氣體，比如氬氣，從反應(yīng)腔中清除未反應(yīng)的氧化劑蒸汽和副產(chǎn)物。6、重復(fù)進(jìn)行步驟2-步驟5以達(dá)到所需要的薄膜厚度。7、在ALD反應(yīng)腔中通入還原性氣體，比如H2與Ar2混合氣體，其中H2濃度為20%， 經(jīng)過20分鐘后去除表面可能的氧殘余。本發(fā)明所提出的銅的擴(kuò)散阻擋層材料及其制備方法適用于各種半導(dǎo)體集成電路的銅互連技術(shù)中，以下所敘述的是本發(fā)明所提供的在22nm工藝中制備Co/TaN雙層擴(kuò)散阻擋層的一個(gè)實(shí)施例。在圖中，為了方便說明，放大或縮小了層和區(qū)域的厚度，所示大小并不代表實(shí)際尺寸。盡管這些圖并不能完全準(zhǔn)確的反映出器件的實(shí)際尺寸，但是它們還是完整的反映了區(qū)域和組成結(jié)構(gòu)之間的相互位置，特別是組成結(jié)構(gòu)之間的上下和相鄰關(guān)系。首先，在已經(jīng)形成有第一層金屬互連層的基片上，利用化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝依次制備一層刻蝕阻擋層和一層Low-k介質(zhì)層，如圖2所示，所示201為絕緣介質(zhì)層，比如為二氧化硅；所示202為第一層金屬互連層；所示203為刻蝕阻擋層，比如為氮化硅；所示204 為L(zhǎng)ow-k介質(zhì)層。接下來，在Low-k介質(zhì)層204上淀積一層刻蝕阻擋層205，比如為氮化硅，然后利用包括光刻、刻蝕在內(nèi)的雙鑲嵌工藝形成互連通孔，如圖3所示。接著利用反應(yīng)離子濺射或原子層淀積的方法制備TaN擴(kuò)散阻擋層206，如圖4所示。接下來，將制備了 TaN擴(kuò)散阻擋層的基片放入原子層淀積設(shè)備中，采用本發(fā)明所提供的Co薄膜的原子層淀積方法在TaN擴(kuò)散阻擋層206上生長(zhǎng)一層Co薄膜207，從而構(gòu)成 Co/TaN雙層結(jié)構(gòu)的銅擴(kuò)散阻擋層，如圖5所示。最后，利用電鍍技術(shù)形成一層金屬銅208，然后利用化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)形成銅互連結(jié)構(gòu)，如圖6所示。如上所述，在不偏離本發(fā)明精神和范圍的情況下，還可以構(gòu)成許多有很大差別的實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，除了如所附的權(quán)利要求所限定的，本發(fā)明不限于在說明書中所述的具體實(shí)例。
權(quán)利要求
1.一種銅擴(kuò)散阻擋層的制備方法，其特征在于具體步驟包括在第一層金屬互連層上形成互連通孔；形成第一層金屬薄膜；采用原子層淀積技術(shù)形成第二層金屬薄膜；形成銅互連結(jié)構(gòu)；其中，所述的第二層金屬薄膜的原子層淀積過程為①.將基片放入原子層淀積反應(yīng)腔中，并加熱反應(yīng)腔至工藝溫度；②.通入第二層金屬的金屬有機(jī)物前驅(qū)體；③.通入惰性氣體帶走殘余的金屬有機(jī)物前驅(qū)體；④.通入氧化劑蒸汽；⑤.再次通入惰性氣體帶走殘余的氧化劑蒸汽；⑥.重復(fù)進(jìn)行步驟②-步驟⑤，直至達(dá)到所需求的薄膜厚度；⑦.通入還原性氣體得到所需求的金屬薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅的擴(kuò)散阻擋層的制備方法，其特征在于，所述的第一層金屬為I^aN。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅的擴(kuò)散阻擋層的制備方法，其特征在于，所述的第二層金屬為Co或者為Ru。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的銅的擴(kuò)散阻擋層的制備方法，其特征在于，所述的第二層金屬為Co，其金屬有機(jī)物前驅(qū)體為Co (C5H7O2) 2。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的銅的擴(kuò)散阻擋層的制備方法，其特征在于，所述的第二層金屬為Ru，其金屬有機(jī)物前驅(qū)體為CpRu(CO)2Ett5
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的銅的擴(kuò)散阻擋層的制備方法，其特征在于，所述的惰性氣體為氮?dú)狻鍤饣蛘吆狻?br> 7.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的銅的擴(kuò)散阻擋層的制備方法，其特征在于，所述的氧化劑為氨氣或氧氣。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的銅的擴(kuò)散阻擋層的制備方法，其特征在于，所述的還原性氣體為氫氣或甲烷。
全文摘要
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種銅的擴(kuò)散阻擋層的制備方法。本發(fā)明選用合適的反應(yīng)前軀體，采用原子層沉積技術(shù)在TaN層上生長(zhǎng)Co或者Ru，可以得到用于32nm或以下工藝節(jié)點(diǎn)中的互連中的擴(kuò)散阻擋層，克服PVD淀積Ta/TaN雙層結(jié)構(gòu)作為銅的擴(kuò)散阻擋層在臺(tái)階覆蓋和保形性上的不足，有效解決Cu/low-k雙鑲嵌工藝中所面臨的溝槽和通孔中空洞的產(chǎn)生以及電遷移穩(wěn)定性的嚴(yán)重問題。
文檔編號(hào)H01L21/768GK102332426SQ201110285348
公開日2012年1月25日 申請(qǐng)日期2011年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月23日
發(fā)明者孫清清, 張衛(wèi), 楊雯, 王鵬飛, 陳琳 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)