本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域，更具體地涉及一種擴(kuò)散阻擋層制備方法及銅互連結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

隨著集成電路技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的人將目光投向低介電常數(shù)材料在超大規(guī)模集成電路(ulsi，ultralarge-scaleintegratedcircuit)中的應(yīng)用?，F(xiàn)代先進(jìn)的超大規(guī)模集成電路器件的互連結(jié)構(gòu)包括作為絕緣體的多孔低k電介質(zhì)以及作為導(dǎo)體的銅(cu)。然而，電應(yīng)力下的cu⁺容易擴(kuò)散到低k電介質(zhì)中從而破壞ulsi性能。因此，必須利用金屬阻擋層將cu線與低k電介質(zhì)隔離開，即用金屬阻擋層來防止cu擴(kuò)散到低k材料，如圖1所示。在金屬線(cu線)間金屬阻擋層隔離金屬線的同時，用層間電介質(zhì)(ild)隔離不同的金屬化能級。與al/sio2互連相比，cu/低k互連結(jié)構(gòu)能降低互連中的阻容遲滯(即rc遲滯，r為電阻，c為電容)。這是通過進(jìn)一步降低了低k電介質(zhì)的介電常數(shù)并降低了金屬(cu)的電阻系數(shù)實現(xiàn)的。降低低k材料的介電常數(shù)的一種方法為在介電材料內(nèi)部制造空隙，以降低材料的分子密度，因此減小薄膜密度的重要途徑就是在薄膜中引入孔隙。另一方面，可以將金屬阻擋層制備得足夠薄來減少他們對cu/低k的rc遲滯效應(yīng)的影響。

然而，制備非常薄的金屬阻擋層并不容易，尤其是在互連結(jié)構(gòu)中采用超低k材料的情況下，這是因為隨著k值的降低，多孔超低k材料的孔徑增加(孔隙度增加)。而阻擋層的厚度必須要比超低k材料的孔徑厚幾倍以能夠蓋住低k材料的孔。因此目前難以制備出足夠薄的金屬阻擋層。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種擴(kuò)散阻擋層制備方法及銅互連結(jié)構(gòu)。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供的一種擴(kuò)散阻擋層制備方法包括如下步驟：

在低k電介質(zhì)層的溝槽內(nèi)沉積鉬金屬層，其中所述低k電介質(zhì)層形成在硅片上，所述鉬金屬層的厚度為3-5nm；

對沉積的鉬金屬層進(jìn)行退火處理，形成擴(kuò)散阻擋層。

在一實施例中，所述低k電介質(zhì)層為采用等離子化學(xué)氣相沉積形成的無機(jī)硅薄膜，所述無機(jī)硅薄膜的孔隙率為30％，孔隙半徑大致為1納米。

在一實施例中，所述低k電介質(zhì)層的k值為2.2-4。

在一實施例中，所述鉬金屬層是利用物理氣相沉積pvd工藝采用直流濺射方法沉積的，沉積條件為：沉積氣氛為氬氣氣氛；襯底壓強(qiáng)為5×10^-5pa，壓力為2.2×10^-1pa的氬氣流量10sccm；當(dāng)沉積功率為120w時，金屬mo的沉積速率約為3.3nm/min；沉積時間為200s。

在一實施例中，退火溫度為250-400℃，退火時間為30秒鐘-5分鐘。

在一實施例中，所述方法還包括：將退火后的樣品放置3-10天時間，并再次進(jìn)行退火處理。

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種銅互連結(jié)構(gòu)，該銅互連結(jié)構(gòu)包括：

硅片；

形成在硅片上的低k電介質(zhì)層，所述低k電介質(zhì)層具有溝槽；

利用如前所述的方法在低k電介質(zhì)的溝槽內(nèi)制備的擴(kuò)散阻擋層；以及形成在所述擴(kuò)散阻擋層上的銅互連。

在一實施例中，該銅互連結(jié)構(gòu)還包括：形成在銅互連上的層間電介質(zhì)。

本發(fā)明通過沉積鉬金屬層并進(jìn)行退火處理，能夠獲得比現(xiàn)有技術(shù)更薄的擴(kuò)散阻擋層，進(jìn)一步降低了rc遲滯效應(yīng)。

本發(fā)明的附加優(yōu)點、目的，以及特征將在下面的描述中將部分地加以闡述，且將對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在研究下文后部分地變得明顯，或者可以根據(jù)本發(fā)明的實踐而獲知。本發(fā)明的目的和其它優(yōu)點可以通過在書面說明及其權(quán)利要求書以及附圖中具體指出的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)到并獲得。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解的是，能夠用本發(fā)明實現(xiàn)的目的和優(yōu)點不限于以上具體所述，并且根據(jù)以下詳細(xì)說明將更清楚地理解本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)的上述和其他目的。

附圖說明

參照以下附圖，將更好地理解本發(fā)明的許多方面。附圖中：

圖1為現(xiàn)有的銅互連結(jié)構(gòu)；

圖2為本發(fā)明一實施例中的擴(kuò)散阻擋層制備方法；

圖3為本發(fā)明另一實施例中的擴(kuò)散阻擋層制備方法；

圖4為對樣品進(jìn)行退火前、退火后、以及將退火后的樣品放置一周后進(jìn)行橢偏實驗檢測的橢偏參數(shù)δ的實驗數(shù)據(jù)示例；

圖5為對樣品進(jìn)行退火前、退火后、以及將退火后的樣品放置一周后進(jìn)行橢偏實驗檢測的橢偏參數(shù)φ的實驗數(shù)據(jù)示例。

具體實施方式

下面，對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進(jìn)行詳細(xì)說明。這些優(yōu)選實施方式的示例在附圖中進(jìn)行了例示。附圖中所示和根據(jù)附圖描述的本發(fā)明的實施方式僅僅是示例性的，并且本發(fā)明的技術(shù)精神及其主要操作不限于這些實施方式。

在此，還需要說明的是，為了避免因不必要的細(xì)節(jié)而模糊了本發(fā)明，在附圖中僅僅示出了與根據(jù)本發(fā)明的方案密切相關(guān)的結(jié)構(gòu)和/或處理步驟，而省略了與本發(fā)明關(guān)系不大的其他細(xì)節(jié)。

本發(fā)明還要強(qiáng)調(diào)的是，術(shù)語“包括/包含”在本文使用時指特征、步驟或組成部分的存在，但并不排除一個或更多個其它特征、步驟或組成部分的存在或附加。

此外，本發(fā)明還要強(qiáng)調(diào)的是，本申請中描述一個組成部分在另一組成部分上并不意味著這兩個組成部分之間沒有其他組成部分。

本發(fā)明中，將介電常數(shù)k小于4的電介質(zhì)都稱為低k電介質(zhì)，低k電介質(zhì)當(dāng)然也包括超低k(k＜2)電介質(zhì)。

由于cu在硅中具有高的擴(kuò)散率，它可以產(chǎn)生深陷阱狀態(tài)或聚集短路，因此，金屬阻擋層必須防止cu擴(kuò)散到周圍的低k電介質(zhì)和硅中。銅互連需要完全嵌入的阻擋層，它除了直接的阻擋功能，還須滿足一些其他要求，如保證充分的機(jī)械穩(wěn)定性和電介質(zhì)和導(dǎo)體之間的附著力。阻擋層-互連結(jié)構(gòu)的基本要求之一是具有盡可能低的電阻率和周圍材料具有低介電常數(shù)。通常情況下，擴(kuò)散阻擋層上使用的互連金屬具有最高的介電常數(shù)，而覆蓋的cu線側(cè)壁的金屬擴(kuò)散阻擋層具有比銅更高的電阻率。因此，減小金屬阻擋層厚度來減少總互連結(jié)構(gòu)的rc值是很重要的。這又存在與超低k電介質(zhì)孔徑的增加的矛盾：大孔徑明顯要求更厚的阻擋層。可以想象，在低k電介質(zhì)具有2-3納米的孔隙半徑的情況下，沉積1納米厚的阻擋層永遠(yuǎn)無法關(guān)閉這些孔隙。如果低k電介質(zhì)有空隙，氧氣和水分子會擴(kuò)散通過低k毛孔阻擋層或者在銅界面形成銅離子。在電應(yīng)力作用下，它們是最活躍的擴(kuò)散材料。

因為銅表面氧化層的靈敏度高，金屬阻擋層通常采用金屬氮化物或純金屬。目前工業(yè)應(yīng)用中是使用tan/ta作為擴(kuò)散阻擋層。當(dāng)前，22納米技術(shù)節(jié)點的金屬阻擋層厚度約為3-5nm。7-10納米技術(shù)節(jié)點的阻擋層厚度需要更厚，因為低k電介質(zhì)的孔隙半徑大約1nm左右，除非低k電介質(zhì)具有更小的孔隙半徑。

因此，目前，在7-10納米技術(shù)節(jié)點上，使用tan/ta等作為擴(kuò)散阻擋層已經(jīng)難于制備出足夠薄(超薄)的tan/ta的薄膜阻擋層，因此，進(jìn)一步降低rc遲滯變得越發(fā)困難。

針對上述難題，本發(fā)明的發(fā)明人經(jīng)過不懈努力，提供了一種新的制備擴(kuò)散阻擋層的方法，制備出了一種超薄的金屬阻擋層，從而提供了一種能夠顯著降低rc遲滯的銅互連結(jié)構(gòu)。

圖2示出了本發(fā)明實施例中的擴(kuò)散阻擋層制備方法，如圖2所示，該方法包括如下步驟：

步驟s210，在低k電介質(zhì)層上沉積鉬(mo)金屬層。

和cu相比，mo具有顯著較高的電阻率，且mo的氧化物會增加其電阻率。在本發(fā)明中，我們使用mo層做薄的擴(kuò)散阻擋層，以致于其電阻率的變化基本不會影響的銅-鉬結(jié)構(gòu)的電阻率。

作為一個示例，本發(fā)明在具有約30％的孔隙度且孔徑約1nm(0.97nm)的低k(k值約2.3)電介質(zhì)上采用物理氣相沉積(pvd)工藝沉積了3nm厚度的鉬膜作為金屬擴(kuò)散阻擋層(簡稱擴(kuò)散阻擋層或金屬阻擋層)。其中，低k電介質(zhì)可以形成在硅片上。例如，低k電介質(zhì)可以是采用等離子化學(xué)氣相沉積(pecvd)沉積的標(biāo)準(zhǔn)無機(jī)硅薄膜，膜的k值約2.3，膜的孔隙率約30％。但本發(fā)明本不限于此，還可以為用其他方法制備的低k電介質(zhì)或是其他材料的低k電介質(zhì)。

作為示例，金屬擴(kuò)散阻擋層利用pvd工藝用直流濺射方法來沉積，沉積工藝中采用的參數(shù)例如如下：沉積氣氛為氬氣氣氛，沉積室壓強(qiáng)為5×10^-5pa，沉積期間沉積室中以10sccm的流量充入壓強(qiáng)為2.2×10^-1pa的氬氣，當(dāng)沉積功率為120w時，金屬mo的沉積速率約為3.3nm/min，沉積溫度可以為室溫，沉積時間例如為200秒(s)。這些沉積參數(shù)僅為示例，本發(fā)明也并不限于給出的這些參數(shù)，可以合理的變換或調(diào)節(jié)沉積參數(shù)(沉積速率、氬氣流量、真空度和沉積時間等等)，來得想要的厚度(如3-5nm)的mo薄膜。

由于pvd技術(shù)是一種成熟的現(xiàn)有技術(shù)，在此不再贅述。

在下面通過實驗檢測了沉積后得到的mo膜的阻擋能力。

步驟s230，對沉積后得到的mo膜進(jìn)行退火處理。

作為示例，可在250℃的溫度下使mo膜退火30秒鐘。該參數(shù)僅為示例，退火溫度和退火時間都可以調(diào)節(jié)，優(yōu)選地，退火溫度可選擇在250-400攝氏度范圍，退火時間在30秒-5分鐘之間。

另選地，如圖3所示，本發(fā)明的方法還可包括以下步驟：

步驟s250，將沉積了mo膜的樣品放置預(yù)定時間，如3-10天時間。

作為示例，將沉積了mo膜的樣品放置1周，但并不限于此。

步驟s270，放置預(yù)定時間后，可進(jìn)一步對樣品進(jìn)行再次退火處理。

為了驗證退火前、退火后以及放置一周后膜層(阻擋層)的阻擋能力，本發(fā)明根據(jù)阻擋層在庚烷蒸汽的吸附情況(模仿中性分子擴(kuò)散)，使用橢圓偏振儀(簡稱橢偏儀)通過橢圓偏振法來評估阻擋層的阻擋性能。橢圓偏振法通過兩個物理量φ和δ來描述反射光偏振態(tài)的變化，由于橢圓偏振法已經(jīng)是廣泛應(yīng)用于光學(xué)、半導(dǎo)體、生物、醫(yī)學(xué)等諸方面的檢測方法，再次不再贅述其檢測原理和φ和δ的獲得過程。

評估過程如下：

樣品包含形成在硅片上的多孔低k膜以及沉積在多孔低k膜上的擴(kuò)散阻擋層。將樣品放置于橢偏桌上，并將有機(jī)溶劑(如正庚烷)注射到樣品表面。有機(jī)溶劑的蒸氣壓應(yīng)足以使得有機(jī)溶劑在室溫下被壓縮到孔中。如果樣品不具有阻擋層且孔是開放的，則橢偏特性的變化能夠測量低k膜的孔隙度以及孔的大小。如果在低k電介質(zhì)上沉積了完全致密的阻擋層，則觀察不到橢偏特性的變化，這是因為阻擋層不允許整齊分子滲入到低k材料的孔中。

圖4所示為對樣品進(jìn)行退火前、退火后、以及將退火后的樣品放置一周后進(jìn)行橢偏實驗檢測的橢偏參數(shù)δ的實驗數(shù)據(jù)示例。圖4為對樣品進(jìn)行退火前、退火后、以及將退火后的樣品放置一周后進(jìn)行橢偏實驗檢測的橢偏參數(shù)φ的實驗數(shù)據(jù)示例。具體地，圖4中，1-δ-before/after是第一次實驗所測量的δ值，其中，1-δ-before是退火前所測量的δ值，1-δ-after是退火后所測量的δ值。2-δ-before/after是第二次實驗所測量的δ值，即沉積有mo阻擋層的硅片經(jīng)過一周之后所測量的δ值，其中，2-δ-before是放置一周后再次退火前所測量的δ值，2-δ-after是放置一周并再次退火后所測量的δ值。圖5中，是第一次實驗所測量的值，其中，是退火前所測量的值，是退火后所測量的值。是第二次實驗所測量的值，即沉積有mo阻擋層的硅片經(jīng)過一周之后所測量的值，其中，是放置一周后再次退火前所測量的值，是放置一周并再次退火后所測量的值。

在本發(fā)明中，對于退火之前的樣品的阻擋層，在低k膜上沉積3nm厚的鉬膜后，在橢偏測試中，正庚烷氣壓會從0增加到飽和(p/p0＝1)，接著降回至零。將樣品暴露于正庚烷蒸氣中能清楚驗證出阻擋層不連續(xù)(吸附期間橢偏特性的變化)，參見圖4中的“1-δ-before”曲線。圖4中，δ值形成的曲線越平滑，說明阻擋層的阻擋效果越好，沒有正庚烷浸入低k層。1-δ-before這個曲線是因為阻擋層或者低k電介質(zhì)里面吸附了一些水分，所以在進(jìn)行吸附脫附期間有正庚烷進(jìn)入低k電介質(zhì)層，導(dǎo)致曲線凹凸不平。

對未退火樣品的橢偏測試中橢偏參數(shù)δ和φ示出了顯著的變化，這說明阻擋層不連續(xù)并且蒸氣進(jìn)入到了低k材料中。

對于在低k膜上沉積了3nm厚的鉬膜、又在250℃的溫度下退火30秒鐘后得到的樣品的阻擋層，可以看到，在相同正庚烷蒸氣循環(huán)氣氛下，橢偏角變得小了很多(圖4中的“1-δ-after”曲線)。因此，正庚烷蒸氣到低k材料中的滲入顯著降低。

此外，進(jìn)一步將退火后的樣品存放在空氣中一周時間之后，進(jìn)行橢偏測試，結(jié)果顯示進(jìn)一步降低了正庚烷滲透(“2-δ-before”曲線)，這說明沉積的阻擋層有效封住了低k膜的孔。

此后，進(jìn)一步的退火并不會改變橢偏角的行為(“2-δ-after”曲線)。通過上面的實驗觀察到的現(xiàn)象說明了：僅沉積mo層不足以封住低k膜的孔。3nm厚的鉬膜經(jīng)進(jìn)一步退火之后被氧化，形成的氧化物增加了膜體積，由此能夠完全封住低k材料的這些孔。

由此可見，基于圖2和圖3的擴(kuò)散阻擋層制備方法制備出的擴(kuò)散阻擋層不僅足夠薄，能夠做到3nm的厚度甚至3nm以下，而且具有足夠高的阻擋能力，能夠完全封住低k材料的孔。這是現(xiàn)有技術(shù)中的tan/ta擴(kuò)散阻擋層所不能實現(xiàn)的。

相應(yīng)地，本發(fā)明還提供一種具有按如上方式制備的擴(kuò)散阻擋層銅互連結(jié)構(gòu)，該銅互連結(jié)構(gòu)可包括：

硅片；

形成在硅片上的低k電介質(zhì)層，該低k電介質(zhì)層具有溝槽；

利用前述方法在低k電介質(zhì)層的溝槽內(nèi)制備的擴(kuò)散阻擋層；以及

形成在擴(kuò)散阻擋層上的銅互連。

進(jìn)一步地，該銅互連結(jié)構(gòu)還包括：形成在銅互連上的層間電介質(zhì)。

本發(fā)明通過沉積鉬金屬層并進(jìn)行退火處理，能夠獲得比現(xiàn)有技術(shù)更薄的擴(kuò)散阻擋層，進(jìn)一步降低了銅互連結(jié)構(gòu)的rc遲滯效應(yīng)。

本發(fā)明不僅適用于采用k為2.3左右的低k電介質(zhì)的銅互連結(jié)構(gòu)，同樣適用于其他取值的低k或超低k電介質(zhì)，相比于現(xiàn)有技術(shù)，同樣能降低擴(kuò)散阻擋層的膜厚從而降低rc遲滯效應(yīng)。

本發(fā)明中，針對一個實施方式描述和/或例示的特征，可以在一個或更多個其它實施方式中以相同方式或以類似方式使用，和/或與其他實施方式的特征相結(jié)合或代替其他實施方式的特征。

需要說明的是，上述實施例僅為說明本發(fā)明而非限制本發(fā)明的專利范圍，任何基于本發(fā)明的等同變換技術(shù)，均應(yīng)在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。