一種採用新型合金籽晶層的銅互連結構及其製備方法
2023-08-07 11:33:56
專利名稱：一種採用新型合金籽晶層的銅互連結構及其製備方法
技術領域：
本發明屬於半導體集成電路製造技術領域，具體涉及一種銅互連結構及其製備方法。
背景技術：
IC製造技術在2000年進入了納米科技時代，當時製造出集成電路的最小特徵尺寸已小於IOOnm, IC工業每兩年應用一種新製造技術,使特徵尺寸縮小30%，同時使每一代的器件的集成度提高兩倍(摩爾定律)。已經展示的IC電晶體的尺寸可以一直縮小到IOnm以下有效地運行，然而，需要對很多材料進行替換或者改進以用於更先進的製造工藝，納米結構的材料為延續矽技術和摩爾定律到本世紀的第二個十年提供了革新的機會，但是還存在一些重大的挑戰性問題需要加以克服。隨著電晶體特徵尺寸的縮小，互連線的尺寸和間距都在減小，而互連線的電阻和 相鄰金屬互連線間的耦合電容會增大，為了降低互連線的電阻，業界已採用金屬銅來代替 鋁，但是必須將銅包裹在阻擋層中來防止銅擴散到矽中並損傷電晶體。層間介質用機械強度較弱的低介電常數材料所取代。互連中另一個主要挑戰是要顯著減小包裹互連線的阻擋層厚度。當互聯線的特徵尺寸減小時，電阻較大的阻擋層將成為互連線剖面的重要部分，使其導電性能退化，因此，需要一種更薄的阻擋層，但仍能保持有效且與可能的納米多孔低介質材料兼容。這就需要採用能對組分和厚度進行原子層控制新的生長工藝技術。隨著超大規模集成電路(VLSI)的發展，封裝密度不斷提高使得電路元器件越來越密，導致了 VLSI金屬互連線的截面積和線間距持續下降。增加的互連線電阻R和寄生電容C使得互連線的時間常數RC大幅度的提高。這時，IC的速度將會從邏輯門延時時間控制變為由互連線的時間常數RC起主要的控制作用。而要從根本上來解決這個問題需要用更低的電阻率材料來取代目前的鋁。與鋁相比，銅具有電阻率低，抗電遷移和應力遷移特性好等優點，因此銅是一種比較理想的互連材料。銅的導電性比鋁好，銅除了低電阻的特性外，還有較好的抗電遷移能力和無應力遷移的特性。並且導熱性也比鋁好，但銅也有很多缺點，容易在矽和氧化物中擴散，在製造器件過程中，銅的這些特性會使器件性能退化甚至失效。因此，必須防止銅汙染。為了解決這些問題，需要找到能夠阻止銅向矽或介質中擴散的阻擋層材料，可以使用PVD技術生長TaN/Ta阻擋層。目前，電鍍銅籽晶層採用PVD技術生長一層籽晶層薄膜，而採用PEALD技術來生長Co-Ru材料作為籽晶層，可以提電鍍銅與籽晶層的粘附特性。
發明內容
本發明的目的在於提供一種採用新型合金籽晶層的銅互連結構及其製備方法，以改善電鍍銅與籽晶層的粘附特性。本發明提供的銅互連結構，是以現有銅互連結構為基礎，其改進之處在於利用等離子原子層澱積(PEALD)技術在溝槽或通孔上生長一層Co-Ru，作為電鍍銅籽晶層，以改善集成電路特徵尺寸不斷減少導致RC延遲大的缺點，提升半導體晶片的性能。本發明提供的銅互連結構的製備方法，具體步驟如下
化學清洗矽基襯底；
在矽基襯底上依次形成一層刻蝕阻擋層、絕緣介質層；
通過光刻、刻蝕工藝，定義出互連位置，形成金屬溝槽、接觸孔或通孔；
在上述步驟形成的結構上，利用PVD設備生長TaN/Ta薄膜，作為擴散阻擋層；
利用等離子原子層澱積(PEALD)技術在溝槽或通孔上生長一層Co-Ru，作為電鍍銅籽 晶層;
再直接電鍍銅，獲得銅互連結構；
最後用化學機械拋光工藝平整化晶片表面。進一步地，上述方法中所述的刻蝕阻擋層材料為氮化矽。所述的絕緣介質層材料為 Si02、SiOF、SiCOH 或多孔的 SiCOH0 所述的Co-Cu薄膜，採用PEALD生長技術，使用的Co-Cu反應前驅體為Co (Cp) 2和Ru(Cp)2，再通入NH3或H2等還原氣體，生長溫度為20(T400°C，反應的基壓在廣4Torr0與傳統的銅籽晶層，及使用的PVD製備方法相比，本發明使用的Co-Ru層材料，具有很好的粘附性。而且利用PEALD來生長籽晶層，憑藉其自限制的生長特性，較低的工藝溫度，每個生長周期只形成約為O. 03、. Inm左右厚度的薄膜，可以實現在納米級寬，高縱深比的結構中，高保形製備Co-Ru層材料籽晶層層，避免了後續工藝中孔洞或縫隙等缺陷的產生，降低溝槽或通孔中的接觸電阻，從而有效地提高晶片的性能和可靠性。
圖I -圖5為依照本發明實施的一種新型合金籽晶層與銅互連的集成工藝流程圖。圖中標號101為半導體襯底晶片，102為刻蝕阻擋層，103為絕緣介質層，104，TaN/Ta阻擋層薄膜104，105為籽晶層Co-Ru銅膜，106為電鍍銅薄膜。
具體實施例方式本發明所提出的銅互連的新型合金籽晶層的製備方法可以適用於不同集成電路技術的後道銅互連結構中，製備新型合金Co-Ru籽晶層的工藝流程如下
1，採用標準清洗工藝清洗半導體晶片Si(IOO)襯底101，然後用氮氣槍吹乾，放入PVD設備依序生長一層刻蝕阻擋層氮化矽102和層間結緣的介質層103，進行光刻和刻蝕出互連結構的溝槽或通孔201. I。2，將製備好通孔的基片放入PVD設備中澱積一層TaN/Ta阻擋層薄膜104。3，將長好阻擋層的基片放入PEALD設備中，Co-Ru反應前驅體為Co (Cp) 2，和Ru (Cp)2，再通入或H2等還原氣體，生長溫度為20(T400 0C,反應的基壓在I 4 Torr。，即可獲得一定厚度的Co-Ru籽晶層105。4，將長好Co-Ru籽晶層的基片放入用電鍍銅系統設備(ECP)進行電鍍，在溝槽或通孔結構中，電鍍銅導線106，形成銅互連線結構，如圖4所示。
5，用化學機械拋光(CMP)技術平整化晶片表面，完成一層的互連結構，如圖5所示，為下一層互連結構作準備。上述實施例只是本發明的舉例，儘管為說明目的公開了本發明的最佳實施例和附圖，但是本領域的技術人員可以理解在不脫離本發明及所附的權利要求的精神和範圍 內，各種替換、變化和修改都是可能的。因此，本發明不應局限於最佳實施例和附圖所公開的內容。
權利要求
1.一種銅互連結構，以現有銅互連結構為基礎，其特徵在於採用Co-Ru材料作為銅互連結構的籽晶層。
2.—種銅互連結構的製備方法，其特徵在於具體步驟為 化學清洗矽基襯底； 在矽基襯底上依次形成一層刻蝕阻擋層、絕緣介質層； 通過光刻、刻蝕工藝，定義出互連位置，形成金屬溝槽、接觸孔或通孔； 在上述步驟形成的結構上，利用PVD設備生長TaN/Ta薄膜，作為擴散阻擋層； 利用等離子原子層澱積技術在溝槽或通孔上生長一層Co-Ru，作為電鍍銅籽晶層； 再直接電鍍銅，獲得銅互連結構； 最後用化學機械拋光工藝平整化晶片表面。
3.根據權利要求2所述的製備方法，其特徵在於，所述的絕緣介質層材料為Si02、SiOF, SiCOH 或多孔的 SiCOH。
4.根據權利要求2所述的製備方法，其特徵在於，所述的刻蝕阻擋層材料為氮化矽。
5.根據權利要求2所述的製備方法，其特徵在於，所述PEALD方法生長Co-Ru材料時，使用的Co-Ru反應前驅體為Co (Cp) 2和Ru (Cp)2,再通入NH3或H2還原氣體，反應腔體的溫度在200 400 0C,反應的基壓在I 4 Torr0
全文摘要
本發明屬於半導體集成電路製造技術領域，具體為銅互連結構及其製備方法。本發明以現有銅互連結構為基礎，採用Co-Ru層材料作為銅互連結構的籽晶層。本發明用等離子原子層澱積方法在銅互連的溝槽和通孔結構中來生長的Co-Ru材料籽晶層，澱積的薄膜能夠具有良好的粘附性。此外，通過調節Co-Ru材料籽晶層中的Co和Ru比例，可以獲得較佳的粘附特性。本發明的優點是可以提電鍍銅與籽晶層的粘附特性性，並保持其在集成電路銅互連應用中的可靠性，為22nm及其以下工藝技術節點提供了一種理想的互連工藝技術解決方案。
文檔編號H01L23/532GK102832198SQ20121036037
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月25日 優先權日2012年9月25日
發明者盧紅亮, 張衛, 孫清清, 徐賽生, 王鵬飛, 丁士進 申請人:復旦大學