銅互連阻擋層材料TaWN薄膜的製作方法

2023-10-07 05:38:14

專利名稱：銅互連阻擋層材料TaWN薄膜的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種材料技術領域的薄膜，具體是一種銅互連阻擋層材料TaWN薄膜。
背景技術：
隨著集成電路器件特徵尺寸進入到深亞微米，集成密度將進一步提高，晶片朝向多功能和高速度方向發展，所有這些都要求金屬連線減少寬度、增加連線層數。但連線寬度減小會引起連線電阻增加，電路的互連延遲時間增大，整體互連的時間延遲RC急劇上升，從而遠遠超過了局域互連對互連總延遲的影響，成為決定晶片性能的關鍵因素，即發生所謂的「互連危機」。為了降低互連RC延遲，在設計方面需要對布線進行幾何優化，在工藝方面需要降低互連線的電阻率及線間電介質和層間電介質的介電常數。Cu的電阻率比Al低35％，抗電遷移能力比Al高兩個數量級。因此，當特徵尺寸為0.13μm或更小時，Cu替代Al作為集成電路互連金屬的首選。但Cu對Si、SiO2粘附性較差，擴散係數很大，所以銅互連線外面需要包裹一層阻擋層，位於金屬線/接觸點與半導體/絕緣體/其他金屬之間，起到阻擋Cu熱擴散進Si器件及改善粘附性的作用。
近年來，由於非晶阻擋層缺少Cu的快速擴散的通道—晶界，從而具有較好的阻擋效果而被廣泛研究。特別地，由於三元非晶薄膜有著較高的晶化溫度，從而可能作為最有效的擴散阻擋層，如(Ta，W，Mo，Ti)-Si-N，W-B-N等。非晶結構是亞穩態結構，一般地，當薄膜澱積過程中成核或平衡相生長被打破時才會形成。由於不穩定的晶相可打破薄膜生長過程中晶相的平衡，從而促使非晶相的形成。Mo-N和W-N不穩定，易於形成非晶相。通過合併不同的二元系統(如過渡金屬的氮化物和矽化物)可增加平衡相的數目，進而增大非晶化的趨勢。
經對現有技術的文獻檢索發現，關於Ta-W-N系列的Cu互連阻擋層，凌惠琴等在《Microelectronic Engineering》75(3)309-3152004上發表的「Diffusion barrier performance of reactively sputtered Ta-W-N betweenCu and Si」(在銅和矽之間反應濺射製備的TaWN的擴散阻擋性能，微電子工程)一文，該文用反應濺射法製備了含鎢10％的TaWNx，研究了其阻擋性。但該文對TaWN的研究只是一個探索性的，組成選擇帶有很大的隨機性，對不同W含量對TaWN薄膜阻擋性能的影響沒有進行系統的研究，而且經700℃退火30分鐘後，銅已經穿過阻擋層擴散到矽基底，形成了Cu3Si，阻擋層已經開始失效，與傳統的TaNx相比，失效溫度僅提高了50～100℃。

發明內容
本發明針對現有技術的不足和缺陷，提供一種銅互連阻擋層材料TaWN薄膜，通過在TaNx中加入15～25％的WNx，使其能夠提高TaNx的晶化溫度，得到非晶的阻擋層，提高阻擋銅向矽基底擴散的能力。本發明得到的TaWN阻擋層經800℃退火30分鐘後才失效，優於常用的TaNx阻擋層和含鎢10％的TaWN阻擋層，W-N含量的提高還促進了Cu沿(111)取向擇優生長的增強。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明TaWN薄膜包含的組分及重量百分比為W 13.6％～22.7％，N 9％，其餘為Ta。本發明TaWN阻擋層材料可用通過多種方法製備，如化學氣相沉積法(CVD)和磁控濺射等方法。CVD法有利於得到緻密、臺階覆蓋率好的阻擋層，而磁控濺射是半導體工藝中常用的金屬薄膜的澱積方法，不同製備方法得到的阻擋層材料由於在微結構上的差異，阻擋層性能略有所不用。
TaNx中加入少量的WNx，利用W-N的不穩定晶相，打破薄膜生長過程中晶相的平衡態，得到非晶的TaWN，能有效阻擋銅擴散。當鎢含量過低，W-N相少，對TaWN非晶相的穩定作用太弱，鎢含量過高，高溫下W-N中氮原子易於重新分布，熱穩定性差，造成阻擋層的失效，而且WN的電阻率高，不利於互連電阻的減小。因此本發明TaWN薄膜的W佔總重量的13.6％～22.7％。
而TaNx和WNx中N的含量對阻擋層的電阻率，結晶性能有很大的影響，進而影響阻擋層的阻擋性能，最佳N含量是綜合考慮各種因素後折中的結果，本發明TaWN薄膜的N佔9％。
本發明得到的TaWN薄膜為非晶薄膜，可以進一步減小銅的擴散通道，而且經800℃～850℃退火30分鐘後才有晶相TaN產生，阻擋層失效。當含鎢W為16.4～18.2％時，TaWN阻擋性能到850℃退火30分鐘才失效，失效起因於WNx分解，釋放所有的N，形成W，同時導致TaN晶化。阻擋性能提高的同時，電阻率略有升高。
與現有技術相比，本發明TaWN薄膜，保持了TaN與銅優良的粘附性和低電阻率的特點，同時，W的加入，打破了TaNx薄膜生長過程中晶相的平衡態，提高了TaNx的結晶溫度，得到了非晶的TaWN，減小了銅擴散的通道，能有效阻擋銅擴散。而且TaWN促進了Cu沿(111)方向成核生長，該取向的銅的抗電遷移能力強於(200)取向生長的銅。因此，本發明TaWN薄膜是理想的銅互連阻擋層候選材料。
具體實施例方式
結合本發明的內容提供以下實施例，實施例中材料採用反應磁控濺射法製備，具體步驟如下1.按照配比製備合金靶；2.用反應磁控濺射法製備TaWN薄膜；濺射中N2流量佔總流量的20％，氮氣流量所佔比例過低，TaNx易晶化，阻擋性能不佳，而且當比例低於15％時，WNx在低於500℃時，就會有鎢以α-W或β-W的形式析出，不利於WN對TaN相的穩定，氮氣比例過高(＞30％)，阻擋層電阻率隨氮氣比例的增加而增加，並且WNx以W2N的形式出現，氮含量過飽和，在高溫下氮的釋放易造成阻擋層的失效。
3.在TaWN上採用直流濺射法澱積銅。
實施例1 TaWN薄膜，其組分重量百分比為W 13.6％，N 9％其餘為Ta。
按照配比製備合金靶，用反應磁控濺射法在矽襯底上澱積50nm厚的TaWN薄膜，然後在不破壞真空的條件下，在TaWN上原位澱積一層120nm厚的銅。反應腔背底真空為10-3Pa，濺射時Ar氣分壓為8×10-2Pa，N2分壓為2×10-2Pa。
經各種性能測試，本發明TaWN為非晶狀態，直到800℃、真空退火半小時後才有TaN晶相生成，銅通過阻擋層擴散到矽襯底，形成了Cu3Si，最終導致了阻擋層的失效。其阻擋性能優於同等條件下製備的WNx和TaNx薄膜；電阻率為300μΩ·cm，同時，TaWN促進了Cu沿(111)方向成核生長，該取向的銅的抗電遷移能力強於(200)取向生長的銅。
實施例2 TaWN薄膜，其組分重量百分比為W 16.4％，N 9％其餘為Ta。
按照配比製備合金靶，用反應磁控濺射法在矽襯底上澱積50nm厚的TaWN薄膜，然後在不破壞真空的條件下，在TaWN上原位澱積一層120nm厚的銅。反應腔背底真空為10-3Pa，Ar氣分壓為8×10-2Pa，N2分壓為2×10-2Pa。
經各種性能測試，本發明TaWN為非晶狀態，850℃、真空退火半小時後由於WNx發生分解，氮被釋放出來，W發生晶化，TaN也發生晶化，銅通過阻擋層擴散到矽襯底，形成了Cu3Si，最終導致了阻擋層的失效。
TaWN保持了TaNx與銅優異的粘附性和低電阻率的特點，提高了TaNx的結晶溫度，減小了銅擴散的通道，是理想的銅互連阻擋層材料。
實施例3 TaWN薄膜，其組分重量百分比為W 17.3％，N 9％其餘為Ta。
按照配比製備合金靶，用反應磁控濺射法在矽襯底上澱積50nm厚的TaWN薄膜，然後在不破壞真空的條件下，在TaWN上原位澱積一層120nm厚的銅。反應腔背底真空為10-3Pa，濺射時Ar氣分壓為8×10-2Pa，N2分壓為2×10-2Pa。
經各種性能測試，本發明TaWN為非晶狀態，直到850℃、真空退火半小時後由於氮的釋放和W和TaN結晶，銅通過阻擋層擴散到矽襯底，形成了Cu3Si，最終導致了阻擋層的失效。其阻擋性能優於同等條件下製備的WNx和TaNx薄膜電阻率340μΩ·cm。同時，TaWN促進了Cu沿(111)方向成核生長，該取向的銅的抗電遷移能力強於(200)取向生長的銅。
實施例4 TaWN薄膜，其組分重量百分比為W 18.2％，N 9％其餘為Ta。
按照配比製備合金靶，用反應磁控濺射法在矽襯底上澱積50nm厚的TaWN薄膜，然後在不破壞真空的條件下，在TaWN上原位澱積一層120nm厚的銅。反應腔背底真空為10-3Pa，濺射時Ar氣分壓為8×10-2Pa，N2分壓為2×10-2Pa。
經各種性能測試，本發明TaWN為非晶狀態，直到850℃、真空退火半小時後由於氮的釋放和W和TaN結晶，銅通過阻擋層擴散到矽襯底，形成了Cu3Si，最終導致了阻擋層的失效。電阻率為350μΩ·cm，W含量的增加，使薄膜的電阻率略有升高。同時，TaWN促進了Cu沿(111)方向成核生長，該取向的銅的抗電遷移能力強於(200)取向生長的銅。
實施例5 TaWN薄膜，其組分重量百分比為W 22.7％，N 9％其餘為Ta。
按照配比製備合金靶，用反應磁控濺射法在矽襯底上澱積50nm厚的TaWN薄膜，然後在不破壞真空的條件下，在TaWN上原位澱積一層120nm厚的銅。反應腔背底真空為10-3Pa，濺射時Ar氣分壓為8×10-2Pa，N2分壓為2×10-2Pa。
經各種性能測試，本發明TaWN為非晶狀態，直到800℃、真空退火半小時後由於氮的釋放和W和TaN結晶，銅通過阻擋層擴散到矽襯底，形成了Cu3Si，最終導致了阻擋層的失效。阻擋層的電阻率為500μΩ·cm，W含量的增加，使薄膜的電阻率增加，同時隨WN含量的增加，退火過程中釋放的N增加，加速了阻擋層的失效。
經上述實施例可以看出TaWN保持了TaNx與銅優異的粘附性和低電阻率的特點，提高了TaNx的結晶溫度，減小了銅擴散的通道，是理想的銅互連阻擋層材料。
權利要求
1.一種銅互連阻擋層材料TaWN薄膜，其特徵在於，包含的組分及重量百分比為W 13.6％～22.7％，N 9％，其餘為Ta。
2.根據權利要求1所述的銅互連阻擋層材料TaWN薄膜，其特徵是，包含的組分及重量百分比為16.4～18.2％，N 9％，其餘為Ta。
3.根據權利要求1或者2所述的銅互連阻擋層材料TaWN薄膜，其特徵是，電阻率為300～500μΩ·cm。
4.根據權利要求1或者2所述的銅互連阻擋層材料TaWN薄膜，其特徵是，為非晶狀態。
全文摘要
一種材料技術領域的銅互連阻擋層材料TaWN薄膜，包含的組分及重量百分比為W 13.6％～22.7％，N 9％，其餘為Ta。當W 16.4～18.2％時，TaWN薄膜阻擋性能到850℃退火30分鐘才失效。與現有技術相比，本發明TaWN薄膜，保持了TaN與銅優良的粘附性和低電阻率的特點，同時，W的加入，打破了TaN
文檔編號C23C30/00GK1760408SQ200510030978
公開日2006年4月19日 申請日期2005年11月3日 優先權日2005年11月3日
發明者凌惠琴, 陳壽麵, 李明, 毛大立, 楊春生 申請人:上海交通大學, 上海集成電路研發中心有限公司