[發明專利]一種用于銅互連的導電阻擋層材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201310399157.1
• 申請日: 2013-09-05
• 公開（公告）號: CN103441118A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發明（設計）人: 劉保亭;張磊;齊晨光;李曉紅;代秀紅;郭建新;周陽;趙慶勛;王英龍
• 申請（專利權）人: 河北大學
• 主分類號: H01L23/532
• 分類號: H01L23/532;H01L21/768
• 代理公司: 石家莊國域專利商標事務所有限公司 13112
• 代理人: 白海靜

技術領域

本發明涉及銅互連集成電路技術，具體的說是一種用于銅互連的導電阻擋層材料及其制備方法。

背景技術

隨著大規模集成電路的發展，芯片的集成程度越來越高，呈現出摩爾定律發展趨勢，基本上每隔1年集成程度就會增加1倍，器件的特征尺寸急劇縮小，目前對工藝的要求已達22nm節點。另外，在集成電路工藝中，銅互連由于其較低的電阻率、更好的抗電遷移能力以及高熔點等優勢，正在取代傳統的鋁互連。然而銅互連的器件在溫度達200℃以上時，銅原子會加速擴散到硅襯底中形成銅硅化合物，從而影響器件的正常工作。其解決辦法就是在銅與硅之間引入一層導電阻擋層，阻擋銅與硅的直接接觸。

由于導電阻擋層在制備過程中常常要經歷高溫熱處理過程，因此阻擋層材料必須具備良好的熱穩定性。研究人員最開始采用Ru、Ta等具備較高熔點的金屬材料來制備導電阻擋層。這些金屬材料雖然能夠經受一定的高溫熱處理，但在高溫熱處理過程中很容易形成柱狀晶粒，它們的晶界為銅原子提供了擴散通道，導致器件失效溫度過低，因此，其熱穩定性不夠好，限制了其在銅互連中的應用。為了消除這種“通道”，提高導電阻擋層的熱穩定性，研究人員用C、N、O等元素來填充晶界，如這些金屬材料的碳化物或氮化物TaN、TaC等，以及后來的三元化合物，如Ta-Ge-N、Ti-Si-N等，這些化合物由于晶界被填充，從而具有很高的熱穩定性以及優良的阻擋性能。但這些化合物也存在一個不可忽視的缺點，即由這些化合物制備的導電阻擋層的電阻率較高，這限制了它們在銅互連中的應用。以上所提到的導電阻擋層均為單層薄膜，除此之外，目前還出現了雙層薄膜導電阻擋層，如Mo/W-N、Ir/TaN，這些材料雖然具有較高的熱穩定性以及較低的電阻率，并且已經被證明具有良好的阻擋性能，但是與單層薄膜阻擋層相比，其制作工藝較復雜，且厚度大，難以滿足22nm節點工藝要求。

為適應目前22nm節點的工藝需要，以及滿足對導電阻擋層高熱穩定性、低電阻率的要求，研究人員正在積極尋找新的能夠用于銅互連的導電阻擋層材料。

發明內容

本發明的目的之一是提供一種新的銅互連導電阻擋層材料，以解決現有阻擋層材料熱穩定性差、電阻率高的問題。

本發明的另一個目的是提供一種上述銅互連導電阻擋層材料的制備方法，以解決現有方法操作繁瑣，且不適應目前對集成電路22nm節點工藝要求的問題。?

本發明的目的是這樣實現的：

本發明所提供的銅互連導電阻擋層材料，其異質結構層為Cu/Nb-Ni/Si，其中的Nb-Ni層為非晶Nb-Ni導電阻擋層。

所述非晶Nb-Ni導電阻擋層的厚度優選2~8000nm。

本發明所提供的銅互連導電阻擋層材料的制備方法，它包括以下步驟：

a）清洗硅基片：將硅基片依次用丙酮、無水乙醇超聲清洗后，再先后置于氫氟酸和去離子水中浸泡5-10分鐘，除掉其表面氧化層和雜質，再依次置于丙酮、無水乙醇中超聲清洗，用高純氮氣吹干后，放到真空室的樣品臺上；

b）將Nb-Ni靶安裝在真空室的靶臺上，將真空室抽真空至（0.01~10）×10^-4Pa，然后通入高純氬氣使真空室內的動態平衡氣壓為0.1~80Pa，調整Nb-Ni靶與硅基片間距為1~15cm，設定濺射功率為0.15~40W/cm²，在室溫下沉積非晶Nb-Ni導電阻擋層，沉積厚度為2~8000nm，構成Nb-Ni/Si異質結構層；

c）將Cu靶安裝在真空室的靶臺上，將真空室抽真空至（0.01~10）×10^-4Pa，然后通入高純氬氣使真空室內的動態平衡氣壓為0.1~80Pa，調整Cu靶與所述Nb-Ni/Si異質結構層間距為1~15cm，設定濺射功率為0.15~50W/cm²，在室溫下原位沉積Cu互連層，沉積厚度為5~8000nm，構成Cu/Nb-Ni/Si異質結構層；然后將所述Cu/Nb-Ni/Si異質結構層應用超高真空(0.01~10)×10^-4Pa退火系統進行退火處理，退火溫度為200~1000℃。

作為另外一種實現方案，本發明還提供了一種銅互連導電阻擋層材料的制備方法：它包括以下步驟：

a）清洗硅基片：將硅基片依次用丙酮、無水乙醇中超聲清洗后，再先后置于氫氟酸和去離子水中浸泡5-10分鐘，除掉其表面氧化層和雜質，再依次置于丙酮、無水乙醇中超聲清洗，用高純氮氣吹干后，放到真空室的樣品臺上；