防止銅擴(kuò)散的雙層阻擋層及相應(yīng)的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種防止銅擴(kuò)散的雙層阻擋層及相應(yīng)的 制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著集成電路工藝的發(fā)展，Cu已逐步替代A1成為新一代的互連材料。但是，銅更 容易擴(kuò)散進(jìn)入周圍的材料內(nèi)，并能改變相鄰層的電子器件特性，造成組件的特性退化與失 效。因此，需要在相鄰層與銅金屬層間形成一擴(kuò)散阻擋層來防止或妨礙銅原子的擴(kuò)散，這擴(kuò) 散阻擋層要求在一定的高溫條件下能有效阻止銅的擴(kuò)散，而且與銅及相鄰層均具有良好的 粘附性及較小的接觸電阻。
[0003] 目前工業(yè)界常采用傳統(tǒng)的物理氣相沉積（PVD)系統(tǒng)沉積TaN薄膜作為阻擋層，這 是因?yàn)門aN薄膜擁有較佳的阻障效果，通過增加TaN薄膜的厚度可以提高阻擋層對(duì)銅原子 的阻障效果。例如，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS)中由下至上依次形成有銅金屬層、阻擋層和A1襯墊 (PAD)(用于打引線與外部進(jìn)行連接)，請(qǐng)參見圖1，圖1所示的是傳統(tǒng)的PVD系統(tǒng)在具有銅 金屬層的半導(dǎo)體基底10上形成阻擋層的腔體結(jié)構(gòu)示意圖，此時(shí)的阻擋層（圖中未示出)的厚 度為1KA左右，然而，MEMS經(jīng)過長時(shí)間的熱退火工藝之后，研究者發(fā)現(xiàn)銅原子在熱退火工 藝的作用下會(huì)穿透阻擋層并在A1襯墊區(qū)域析出，這是因?yàn)樗鰝鹘y(tǒng)的PVD系統(tǒng)只可施加反 濺功率（DC)，導(dǎo)致在銅金屬層上形成的阻擋層的沉積速率很快，形成的阻擋層并不致密。
[0004] 隨著集成電路特征尺寸的持續(xù)縮小、集成度不斷提高，阻擋層已經(jīng)越來越成為器 件本身的一部分。當(dāng)集成電路的特征尺寸小于45nm時(shí)，阻擋層本身的電阻率也已成為越來 越重要的一個(gè)參數(shù)，這就要求對(duì)阻擋層薄膜的厚度、阻擋效果等性能要求進(jìn)一步提高，當(dāng)前 主要的PVD沉積技術(shù)已不能保證制備出的TaN阻擋層依然具有良好的擴(kuò)散阻擋性能，因此 如何制備一深亞微米集成電路Cu互連用的具有良好阻擋效果的阻擋層，這正是本發(fā)明的 任務(wù)所在。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種防止銅擴(kuò)散的雙層阻擋層及相應(yīng)的制造方法，以便能 制備出一深亞微米集成電路Cu互連用的具有良好阻擋效果的阻擋層。
[0006] 為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種防止銅擴(kuò)散的雙層阻擋層的制造方法，包括 如下步驟：
[0007] 步驟1:提供一半導(dǎo)體基底，所述半導(dǎo)體基底的正面具有銅金屬層；
[0008] 步驟2 :將所述半導(dǎo)體基底置于第一PVD系統(tǒng)的EnCoRe工藝腔中，所述EnCoRe工 藝腔的反濺功率為20-40KW，濺射氣氛為Ar的等離子體轟擊的EnCoRe工藝腔的靶材，產(chǎn)生 Ta活性原子；
[0009] 步驟3 :施加在所述半導(dǎo)體基底背面的交流偏壓和氣壓分別為100-900W、 4000mT-8000mT，工作氣氛為N2與所述Ar的等離子體形成的混合氣體，其混合氣體中N2的 摩爾百分比為2%-4%，沉積時(shí)間為10?50s，在所述銅金屬層的表面形成六角密堆相結(jié)構(gòu)的Ta2N薄膜層；
[0010] 步驟4 :不改變步驟3的工藝參數(shù)，將混合氣體中N2的摩爾百分比變?yōu)?%-6%，在 所述六角密堆相結(jié)構(gòu)的Ta2N薄膜層的表面上形成體心立方結(jié)構(gòu)的a相TaN薄膜層；
[0011] 步驟5 :將形成有Ta2N/a相TaN薄膜層的半導(dǎo)體基底移入第二PVD系統(tǒng)中，用H2 的等離子體對(duì)所述銅金屬層上形成的Ta2N/a相TaN薄膜層進(jìn)行處理；
[0012] 步驟6:用Ar的等離子體轟擊所述第二PVD系統(tǒng)的靶材，在所述銅金屬層上所形 成的最上方的a相TaN薄膜層上形成A1層。
[0013] 進(jìn)一步的，在步驟4之后、步驟5之前還包括：重復(fù)步驟3和步驟4,在所述銅金屬 層上依次形成1 &#薄膜層和a相TaN薄膜層交替組合結(jié)構(gòu)。
[0014] 進(jìn)一步的，每一所述1&$薄膜層的厚度為75-380A,每一所述體心立方結(jié)構(gòu)的a 相TaN薄膜層的厚度為75-380A。
[0015] 進(jìn)一步的，所述第一PVD系統(tǒng)的EnCoRe工藝腔為AMATENDURAPVD系統(tǒng)的增強(qiáng)覆 蓋能力的再濺射工藝腔。
[0016] 進(jìn)一步的，所述第二PVD系統(tǒng)為傳統(tǒng)的PVD系統(tǒng)。
[0017] 進(jìn)一步的，在步驟5中，用H2的等離子體處理的工藝參數(shù)為：工作氣氛為He，其比 和He的混合氣體的總流量為50100sccm，處理時(shí)間為20-40s。
[0018] 進(jìn)一步的，在步驟6中，所述第二PVD系統(tǒng)的反濺功率為9000-13000W，Ar的等離 子體的流量為2〇-5〇SCCm，形成的A1層的厚度為10KA-12KA。
[0019] 本發(fā)明為達(dá)到另一目的，還提供一種防止銅擴(kuò)散的雙層阻擋層，包括：
[0020] 一半導(dǎo)體基底，所述半導(dǎo)體基底的正面具有銅金屬層；
[0021] 六角密堆相結(jié)構(gòu)的Ta2N薄膜層，位于所述銅金屬層的表面上；
[0022] 體心立方結(jié)構(gòu)的a相TaN薄膜層，位于所述六角密堆相結(jié)構(gòu)的Ta2N薄膜層上；
[0023] -A1層，位于所述銅金屬層上所形成的最上方的所述a相TaN薄膜層上。
[0024] 進(jìn)一步的，所述的防止銅擴(kuò)散的雙層阻擋層還包括：所述六角密堆相結(jié)構(gòu)的Ta2N 薄膜層和體心立方結(jié)構(gòu)的a相TaN薄膜層為依次交替組合結(jié)構(gòu)。
[0025] 進(jìn)一步的，每一所述Ta2N薄膜層的厚度為75-380A，每一所述體心立方結(jié)構(gòu)的a 相TaN薄膜層的厚度為75-380人。
[0026] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明公開的防止銅擴(kuò)散的雙層阻擋層的制造方法，包括如 下步驟：步驟1:提供一半導(dǎo)體基底，所述半導(dǎo)體基底的正面具有銅金屬層；步驟2:將所 述半導(dǎo)體基底置于第一PVD系統(tǒng)的EnCoRe工藝腔中，所述EnCoRe工藝腔的反濺功率為 20-40KW，濺射氣氛為Ar的等離子體轟擊的EnCoRe工藝腔的靶材，產(chǎn)生Ta活性原子；步驟 3:施加在所述半導(dǎo)體基底背面的交流偏壓和氣壓分別為100-900W、4000mT-8000mT，工作 氣氛為N2與所述Ar的等離子體形成的混合氣體，其混合氣體中N2的摩爾百分比為2%-4%， 沉積時(shí)間為10?50s，在所述銅金屬層的表面形成六角密堆相結(jié)構(gòu)的1&#薄膜層；步驟4 : 不改變步驟3的工藝參數(shù)，將混合氣體中N2的摩爾百分比變?yōu)?%-6%，在所述六角密堆相結(jié) 構(gòu)的Ta2N薄膜層的表面上形成體心立方結(jié)構(gòu)的a相TaN薄膜層；步驟5:將形成有Ta2N/ a相TaN薄膜層的半導(dǎo)體基底移入第二PVD系統(tǒng)中，用H2的等離子體對(duì)所述銅金屬層上形 成的Ta2N/a相TaN薄膜層進(jìn)行處理；步驟6:用Ar的等離子體轟擊所述第二PVD系統(tǒng)的 靶材，在所述銅金屬層上所形成的最上方的a相TaN薄膜層上形成A1層，由于第一PVD系 統(tǒng)的EnCoRe工藝腔中還可施加交流偏壓，通過控制混合氣體中的N2的摩爾百分比，可以在 銅金屬層上依次形成致密性更好的六角密堆相結(jié)構(gòu)的Ta2N薄膜層和體心立方結(jié)構(gòu)的a相 TaN薄膜層的雙阻擋層，解決了傳統(tǒng)的PVD系統(tǒng)由于只能施加反濺功率而導(dǎo)致的薄膜沉積 速率快、薄膜不致密的缺點(diǎn)。
[0027] 此外，本發(fā)明公開的制造方法還對(duì)銅金屬層上所獲得的雙阻擋層結(jié)構(gòu)進(jìn)行氧化去 除，之后，在雙阻擋層上沉積A1層，解決了傳統(tǒng)的MEMS中的A1襯墊與阻擋層間由于氧化物 的存在而導(dǎo)致易脫落的問題。
[0028] 另外，本發(fā)明公開的制造方法中還包括，在步驟4之后、步驟5之前重復(fù)步驟3和 步驟4,在所述銅金屬層上依次形成六角密堆相結(jié)構(gòu)的Ta2N薄膜層和體心立方結(jié)構(gòu)的a相 TaN薄膜層交替組合結(jié)構(gòu)，因此，覆蓋在銅金屬層上的周期性雙阻擋層可以更好的阻擋銅擴(kuò) 散進(jìn)入A1層的現(xiàn)象。
【附圖說明】
[0029] 圖1為傳統(tǒng)的PVD系統(tǒng)在具有銅金屬層的半導(dǎo)體基底上形成阻擋層的腔體結(jié)構(gòu)示 意圖；
[0030] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中的防止銅擴(kuò)散的雙層阻擋層的制造方法的流程示意圖；
[0031] 圖3a至圖3c為本發(fā)明實(shí)施例中的防止銅擴(kuò)散的雙層阻擋層的制造方法的側(cè)面結(jié) 構(gòu)示意圖；
[0032] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例中的具有銅金屬層的半導(dǎo)體基底放入第一PVD系統(tǒng)的EnCoRe 工藝腔中的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明 的【具體實(shí)施方式】做詳細(xì)的說明。
[0034] 在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠以 很多不同于在此描述的其它方式來實(shí)施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況 下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實(shí)施的限制。
[0035] 圖3c示出了本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中防止銅擴(kuò)散的雙層阻擋層的截面結(jié)構(gòu)示意圖。 如圖3c所示，所述防止銅擴(kuò)散的雙層阻擋層包括：一半導(dǎo)體基底100,所述半導(dǎo)體基底100 的正面具有銅金屬層101 ;六角密堆相結(jié)構(gòu)的Ta2N薄膜層102,所述六角密堆相結(jié)構(gòu)的Ta2N 薄膜層102位于所述銅金屬層101的表面上；體心立方結(jié)構(gòu)的a相TaN薄膜層104,所述 體心立方結(jié)構(gòu)的a相TaN薄膜層104位于所述六角密堆相結(jié)構(gòu)的Ta2N薄膜層102上；一 A1層106,所述A1層106位于所述體心立方結(jié)構(gòu)的a相TaN薄膜層104上。
[0036] 進(jìn)一步的，所述防止銅擴(kuò)散的雙層阻擋層所包括的六角密堆相結(jié)構(gòu)的Ta2N薄膜層 102和體心立方結(jié)構(gòu)的a相TaN薄膜層104為依次交替組合結(jié)構(gòu)。
[0037] 以圖2所示的制造流程為例，結(jié)合圖3a至圖3c以及圖4,對(duì)本發(fā)明提供的一種防 止銅擴(kuò)散的雙層阻擋層的制造方法進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0038] 在步驟S1中，參