一種抑制銅互連結構中銅氧化的方法
2023-10-11 01:50:39 1
專利名稱：一種抑制銅互連結構中銅氧化的方法
技術領域：
本發明屬於微電子技術領域，具體為一種抑制Ru增強Cu氧化的方法。
背景技術：
隨著器件尺寸進一步縮小，為了減薄Cu擴散阻擋層的厚度，增加互連線的電導 率，無籽晶Cu互連技術(Cu直接電鍍在擴散阻擋層上)越來越受到重視。與鉭(Ta)相比， 釕(Ru)與Cu具有更好的粘附性，其良好的導電性以及與ALD工藝的兼容性使其成為超薄 Cu電鍍籽晶層的首選材料。實驗結果表明Ru與TaN薄膜一起具有非常優良的銅擴散阻擋 性能，因此，人們認為引入Ru在互連工藝中會大大提高整個互連體系的性能。
在互連工藝中，銅在工藝中的氧化不可避免，銅的氧化會導致銅的有效電阻率增 大，接觸性能變差，從而使得互連延遲增大，降低集成電路的性能以及可靠性。實驗結果 發現，當引入Ru後，由於Ru對Cu的增強氧化，經過退火工藝後，Cu的氧化問題更加嚴重。 無論是採用物理氣相澱積(Physical v即or d印osition， PVD)工藝還是化學氣相澱積 (Chemicalvapor Deposition) CVD)或者原子層澱禾只(Atomic Layer Deposition, ALD)工 藝，Ru上的Cu經過退火後，從35(TC開始就出現Cu20峰，這表明Ru膜上的Cu薄膜在一定 退火溫度區間有嚴重的氧化現象。而在用Ta基擴散阻擋層上看不到這一現象。我們稱之 為Ru對Cu的氧化增強效應。這種現象對於當採用Ru作為黏附層的更小尺寸的銅互連結 構是很不利的，使後期工藝中的處理變得複雜，一般要採用4氣氛退火和腐蝕去除表面的 氧化層。
發明內容
本發明的目的是提供一種抑制集成電路互連工藝中Ru增強Cu氧化效應的方法。
本發明利用在黏附層或擴散阻擋層材料中摻入C的方法來抑制該Ru氧化增強效 應。其步驟為在襯底上製備擴散阻擋層，再製備黏附層Ru，然後沉積Cu籽晶層或直接電 鍍銅，得到銅互連結構，其中在製備擴散阻擋層的時候摻入C，使擴散阻擋層成為摻C的擴 散阻擋層；或者在製備粘附層時摻入C，使黏附層Ru成為摻C的黏附層。然後再繼續澱積 Cu籽晶層或者直接電鍍銅，在一定溫度退火後，原有的Ru增強Cu氧化被抑制。
本發明中，C的摻入量為該摻C層(摻C黏附層或摻C擴散阻擋層)總質量的5 50%。 本發明所述的前一種抑制氧化的方法，是在介質、或者Si或者Si02襯底上澱積摻 入C的擴散阻擋層，澱積的方法包括原子層澱積、化學氣相澱積、物理氣相澱積等任何一種 方法，其起始擴散阻擋層可以是為Ti ， Ta等一元、TaN， TiN， WN， VN， Ru (N)等兩元或者TaSiN， TiSiN等一些多元氮化物。摻入的方法和原始澱積方法相關，如採用濺射這一物理氣相澱積 方法時，可以採用多靶共濺射的方法摻入C，也可以採用製備金屬-c合金靶的方法摻入C。 濺射仍然是目前大規模集成電路工藝製備互連阻擋層/籽晶層的最主流的方法。當採用原 子層澱積方法時，先體採用有機金屬氧化物源時，其先體中本身就含有C，在後期工藝中可以保留C在薄膜中。然後再在擴散阻擋層上澱積Ru薄膜作為後續銅工藝中的黏附層或者 電鍍籽晶層。然後用濺射方法或者電鍍方法繼續製備銅薄膜，完成一層互連工藝。
上述方法中，C的摻入量為該摻C擴散阻擋層總質量的5 50% 。
本發明所述的另一種抑制氧化的方法，是在已經澱積好擴散阻擋層的襯底上澱積 摻入C的Ru薄膜(RuC)。該擴散阻擋層可以是為Ti， Ta等一元、TaN， TiN，麗，VN， Ru (N)等 兩元或者TaSiN， TiSiN等一些多元氮化物。澱積RuC的方法可以採用濺射蒸發等物理氣相 澱積方法，或者原子層澱積、化學氣相澱積等任何一種方法。濺射仍然是目前大規模集成電 路工藝製備互連阻擋層/籽晶層的最主流的方法。對於濺射來說，可以採用Ru靶和C靶共 濺射的方法，通過控制功率和時間來控制摻入C的含量；也可以採用RuC合金靶濺射的方 法，通過控制起始靶中C的含量來控制薄膜摻入C的含量。最後再在RuC薄膜上濺射Cu或 者電鍍銅，得到需要的互連結構。 上述方法中，C的摻入量為該摻C黏附層總質量的5 50% 。
圖l.樣品結構示意圖。其中(a)Cu/Ru/摻C的擴散阻擋層/Si或介質，(b)Cu/ RuC/擴散阻擋層/Si或介質結構。 圖2在線XRD測試譜(In-situ XRD)，在線升溫速率為0. 2°C /s。樣品結構分別為 (a)Cu/Ru/TaCN/Si ， (b)Cu/RuC/TaN/Si 。 圖3.在線XRD測試譜(In-situ XRD)，在線退火升溫速率為0. 2°C /s。樣品結構 分別為(a)Cu/Ru/TiN/Si， (b) Cu/Ru/TaN/Si 。 圖中標號1為襯底，2為擴散阻擋層(不摻C)，2—為摻C擴散阻擋層，3為黏附層 (不摻C)，3—為摻C黏附層，4為Cu膜。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的實施以實例方式作進一步描述，但本發明不僅限於實 例。 實施例1 (1)在Si或者Si02或者介質襯底上，澱積摻C的擴散阻擋層，本實例採用的原始 擴散阻擋層為TaN層。採用磁控濺射方法，耙材採用高純Ta和高純C。濺射過程中，本底真 空越低製備的薄膜具有越好的質量。本實例給出的本底真空度為3X10—5Pa。澱積時通入 Ar氣和一定比例的N2。 Ar和N2的比例可以在9 : 1到2 : 1之間變化，N2含量越高製備 的薄膜的電阻率越大。最後的工作氣壓在O. 1Pa-lPa之間。C摻入的量通過調節Ta靶和C 靶的濺射功率獲得，(:的含量在5%-50%之間。通過控制澱積時間來控制薄膜厚度。擴散 阻擋層的厚度和半導體工藝要求有關，可以從50納米-3納米。本實例採用的薄膜厚度為 5歷。 (2)在該擴散阻擋層上用濺射方法澱積金屬Ru薄膜。Ru的厚度和工藝要求有關， 一般在3納米-20納米之間。 (3)再用濺射方法澱積銅。銅薄膜的厚度在50-100納米之間。上述三步後形成的 結構見附圖l(a)。
採用在線XRD觀察了多層結構在退火過程中的物相變化，顯示Cu20的產生得到了 明顯的抑制，如圖2(a)所示。
實施例2 (1)在Si或者Si02或者介質襯底上，先澱積TaN層。採用磁控濺射方法，耙材採 用高純Ta。本底真空度為3X 10—5Pa。澱積時通入Ar氣和一定比例的N2。 Ar和N2的比例 可以在9 : l到2 : 1之間變化，^含量越高製備的薄膜的電阻率越大。最後的工作氣壓 在O. 1Pa-lPa之間。擴散阻擋層的厚度和半導體工藝要求有關，可以從50納米-3納米。本 實例採用的薄膜厚度為5nm。 (2)在該擴散阻擋層上在不間斷真空的情況下，用磁控濺射方法澱積摻入C的金 屬Ru薄膜。耙材採用高純Ru和高純C耙。本底真空度為(3-5) X 10—5Pa。澱積時通入Ar 氣，工作氣壓O. 1Pa-lPa。 C摻入的量通過調節Ru靶和C靶的濺射功率獲得，C的含量在 5% -50%之間。Ru的厚度和工藝要求有關，一般在3納米-20納米之間。
(3)用濺射方法繼續澱積銅。銅薄膜的厚度在50-100納米之間。上述三步後形成 的結構見附圖l(b)。 採用在線XRD觀察了多層結構在退火過程中的物相變化，顯示Cu20的產生得到了 明顯的抑制，如圖2(b)所示。
比較例1 在製備完擴散阻擋層材料TiN後，在不間斷真空的情況下利用物理氣相澱積 (PVD)方法共濺射Ru薄膜。本底真空越低越好，本實例給出的本底真空度為5X10—5Pa。澱 積時通入Ar氣，工作氣壓為0. 22Pa。通過控制澱積時間來控制厚度，本實例中採用的Ru薄 膜厚度為5nm。之後在澱積銅，在線退火XRD顯示會有Ci^0的產生，如圖3(a)所示。
比較例2 在製備完擴散阻擋層材料TaN後，在不間斷真空的情況下利用物理氣相澱積 (PVD)方法共濺射Ru薄膜。本底真空越低越好，本實例給出的本底真空度為5X10—5Pa。澱 積時通入Ar氣，工作氣壓為0. 22Pa。通過控制澱積時間來控制厚度，本實例中採用的Ru薄 膜厚度為5nm。之後再澱積銅，在線退火XRD顯示會有Ci^0的產生，如圖3(b)所示。
權利要求
一種抑制銅互連結構中銅氧化的方法，其步驟包括在襯底上製備擴散阻擋層，再製備黏附層Ru，然後沉積Cu籽晶層或直接電鍍銅，得到銅互連結構，其特徵在於在製備粘附層Ru或擴散阻擋層時摻入C，使黏附層Ru成為摻C的黏附層或者使擴散阻擋層成為摻C的擴散阻擋層，C的摻入量為該層總質量的5～50％。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於在擴散阻擋層上澱積摻C的黏附層時採用 原子層澱積、化學氣相澱積或物理氣相澱積方法。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於製備摻C黏附層時，摻入C的方法包括共濺 射Ru和C、採用RuC合金靶材，或者在原子層澱積或化學氣相澱積的先體中使用含C先體或 離子注入C。
4. 根據權利要求l所述的方法，其特徵在於在襯底上製備摻C擴散阻擋層時，採用原子 層澱積、化學氣相澱積或者物理氣相澱積方法。
5. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於製備摻C擴散阻擋層時摻入C的方法包括 反應共濺射金屬和C、採用金屬一 C合金靶材或者在原子層澱積或化學氣相澱積的先體中 使用含C先體。
6. 根據權利要求1 5之一所述的方法，其特徵在於所述的擴散阻擋層的材料為一元 的Ti或Ta，或者為二元的TaN， TiN， WN， VN或Ru (N)，或者為多元的TaSiN或TiSiN ;所述的 摻C的擴散阻擋層中，原始材料為一元的Ti或Ta，或者為二元的TaN， TiN， WN， VN或Ru (N)， 或者為多元的TaSiN或TiSiN。
全文摘要
本發明屬於微電子技術領域，具體為一種在銅互連技術中當採用釕(Ru)黏附層時抑制銅氧化的方法。其主要方法就是利用在銅的黏附層或擴散阻擋層中摻入適量的碳(C)，從而來抑制在退火過程中Ru對Cu的增強氧化效應，或是集成電路工作中由於溫度升高而引起的Ru對Cu的增強氧化效應。本方法通過改進集成電路的工藝來提高Ru在集成電路銅互連工藝中的性能，並保證其在集成電路銅互連應用中的可靠性。所用方法簡單、方便、實用性強。
文檔編號H01L21/768GK101710577SQ20091019905
公開日2010年5月19日 申請日期2009年11月19日 優先權日2009年11月19日
發明者丁少鋒, 屈新萍, 謝琦 申請人:復旦大學