[發(fā)明專利]用于銅互連的Ta－Al－N擴(kuò)散阻擋層薄膜及其制備工藝

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810031500.6
• 申請日: 2008-06-16
• 公開（公告）號: CN101295704A
• 公開（公告）日: 2008-10-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周繼承;李幼真;趙保星;陳海波;劉正;陳勇民
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號: H01L23/532
• 分類號: H01L23/532;H01L21/3205;H01L21/768;C23C14/35;C23C14/06
• 代理公司: 長沙市融智專利事務(wù)所
• 代理人: 顏勇

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明所涉及一種新一代集成電路工藝領(lǐng)域應(yīng)用的銅互連阻擋層Ta-Al-N薄膜工藝，具體為一種用于銅互連的Ta-Al-N擴(kuò)散阻擋層薄膜及其制備工藝。

背景技術(shù)

隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，集成電路金屬互連間的RC延遲及串?dāng)_正取代門延遲成為制約集成電路速度進(jìn)一步提高的主要因素。采用Cu/低K介質(zhì)取代傳統(tǒng)的Al/SiO₂系統(tǒng)可使集成電路性能大幅提高。然而由于Cu在Si及其氧化物以及大部分介質(zhì)中擴(kuò)散相當(dāng)快，且Cu一旦進(jìn)入器件結(jié)構(gòu)中即形成深能級雜質(zhì)，對器件中的載流子具有很強(qiáng)的陷阱效應(yīng)，使器件性能退化甚至失效。因此必須在Cu與介質(zhì)層之間增加一個(gè)盡可能薄的擴(kuò)散阻擋層，來阻止Cu的擴(kuò)散。阻擋層要求有良好的熱穩(wěn)定性、高溫下不與Cu反應(yīng)，且與Cu及介質(zhì)層有良好結(jié)合。

Ta、Zr、W等難熔金屬由于具有高熔點(diǎn)、與Cu的互溶率低、對Cu原子的良好阻擋等特性，加之與Cu的結(jié)合良好而成為研究熱點(diǎn)。Ta基薄膜一直以來被認(rèn)為是最有希望的下一代集成電路阻擋層，Ta膜在600℃以下可有效阻擋Cu的擴(kuò)散，且同Cu結(jié)合良好，但在較高溫度下由于Ta晶粒的長大產(chǎn)生了大量可供Cu原子快速擴(kuò)散的晶界而失去阻擋能力。在Ta膜中加入N、C等原子可填充晶界，從而有效提高其熱穩(wěn)定性和阻擋能力。但隨著集成電路向亞微米級發(fā)展，對阻擋層的要求越來越高，人們開始把目光轉(zhuǎn)向Ta(Ti、Zr、W)、N、Si的三元非晶薄膜，這種非晶薄膜的晶化溫度很高，存在較少的晶界及缺陷，從而可更有效地阻擋Cu原子的擴(kuò)散，但是其阻擋性能還有待進(jìn)一步提高。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種用于銅互連的Ta-Al-N擴(kuò)散阻擋層薄膜及其制備工藝。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種用于銅互連的Ta-Al-N擴(kuò)散阻擋層薄膜，其特征在于，其組分為質(zhì)量百分比為1.5％～7.8％的Al，8.4％～11.5％的N，余量為Ta，該用于銅互連的Ta-Al-N擴(kuò)散阻擋層薄膜采用用多靶磁控濺射方法制備而成。

所述用于銅互連的Ta-Al-N擴(kuò)散阻擋層薄膜的方塊電阻為120～500Ω/□。

所述的用于銅互連的Ta-Al-N擴(kuò)散阻擋層薄膜為非晶態(tài)。

一種制備如權(quán)利要求1所述用于銅互連的Ta-Al-N擴(kuò)散阻擋層薄膜的工藝，其特征在于，包括以下步驟：

1)在多靶磁控濺射儀中同時(shí)安裝Ta靶、Cu靶、Al靶；其中Ta靶和Cu靶在直流濺射位，Al靶在射頻濺射位，將硅片清洗烘干后安裝在基片位置上；充入氣流，控制氮?dú)庹細(xì)饬骺偭髁康?～10％；

2)采用磁控濺射法原位制備Ta-Al-N薄膜；

另外，可以在Ta-Al-N薄膜上直流濺射銅膜，驗(yàn)證阻擋層特性。

作為改進(jìn)，在原位制備Ta-Al-N薄膜時(shí)，將氣流的氣壓穩(wěn)定在0.9～1.2Pa。

具體來說，在步驟3)中，銅膜厚度在150～200nm。

作為改進(jìn)，在原位制備Ta-Al-N薄膜時(shí)，將基片旋轉(zhuǎn)以提高成膜均勻性。

步驟1)中所述的將硅片清洗為：用去離子水、超聲波、無水乙醇和丙酮對硅片進(jìn)行清洗，或者用去離子水、超聲波和無水乙醇對硅片進(jìn)行清洗。

本發(fā)明的原理在于，在難熔金屬氮化物中摻入部分鋁后在薄膜表面形成極薄的氧化鋁薄膜可有效阻止其在高溫下的進(jìn)一步氧化，同時(shí)可提高Cu膜的粘附力從而可保持較高的熱穩(wěn)定性，并保持較低的接觸電阻。

本發(fā)明的有益效果有：

本發(fā)明提供一種新型銅互連阻擋層Ta-Al-N薄膜材料。通過在Ta-N薄膜中摻入少量Al(1.5～7.8％)提高薄膜晶化溫度，得到非晶的擴(kuò)散阻擋層，使其對Cu的擴(kuò)散阻擋能力提高。本發(fā)明得到的Ta-Al-N薄膜經(jīng)900℃退火5分鐘后，其擴(kuò)散阻擋特性才失效，明顯優(yōu)于普通Ta-N阻擋層。同時(shí)該薄膜還可促使銅沿(111)取向生長。

本發(fā)明的Ta-Al-N薄膜，其組分質(zhì)量比分為：Al含量為1.5～7.8％，N含量為8.4～11.5％，其余為Ta。本發(fā)明的阻擋層薄膜可通過化學(xué)氣相沉積和磁控濺射法制備，由于其制備工藝不同得到的阻擋層薄膜微結(jié)構(gòu)存在差異，阻擋性能略有不同。

磁控濺射Ta-Al-N薄膜是非晶的，這種結(jié)構(gòu)可有效減少晶界，提高阻擋性能。同時(shí)，薄膜表面極少量的Al對阻擋層本身起到了保護(hù)作用，抑制其進(jìn)一步氧化，并且保持了薄膜與銅的優(yōu)良黏附性和低電阻率的優(yōu)點(diǎn)。