專利名稱：一種高熱穩(wěn)定性雙層擴散阻擋層材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高熱穩(wěn)定性Ru/TaN雙層擴散阻擋層薄膜材料及制備。
背景技術(shù)：
隨著科學技術(shù)的突飛猛進，半導體制造技術(shù)面臨日新月異的變化。傳統(tǒng)的半導體工藝主要采用鋁作為金屬互聯(lián)材料antercormect)，在信號延時(signal delay)上已經(jīng)受到限制。相對于鋁，銅具有良好的導電和電遷移性能，從而在超大規(guī)模集成電路(ULSI) 制造中銅已經(jīng)取代鋁成為主要的互連材料。簡單地說，以銅作為金屬互聯(lián)材料的一系列半導體制造工藝可以提高芯片的集成度，提高器件密度，提高時鐘頻率以及降低消耗的能量。 但是銅極易在硅基襯底上擴散形成銅硅化合物，降低器件的電學性能。為了防止銅在硅基材料中的擴散，所以必須在銅硅之間上沉積一層阻擋層，然后再沉積一層很薄的銅籽層作為電鍍銅的導電介質(zhì)，也作為電鍍銅的金屬晶體生長的晶核層。接著的工藝是化學機械磨平(CMP)，主要是磨掉多余的銅，同時將硅片表面磨平。隨著半導體器件的尺度越來越小，銅互連結(jié)構(gòu)中阻擋層對器件電學性能的影響也變得愈加明顯。傳統(tǒng)工業(yè)中廣泛使用的Ta基阻擋層在32nm工藝及更低的尺度下的缺陷愈加的明顯。Ta基阻擋層的表面較為粗糙，需要沉積較厚的Cu籽層，所以整個銅互連結(jié)構(gòu)的尺寸無法做到很小。其次Ta阻擋層的電阻較大也影響了銅互連結(jié)構(gòu)的電學性能。因此，如何制備性能更加優(yōu)異的阻擋層材料來替代Ta基阻擋層成為目前亟待解決的技術(shù)難題。Ru作為一種新興的阻擋層材料今年來受到學者的廣泛關(guān)注。Ru和Ta —樣具有高熔點、高溫穩(wěn)定性以及和Cu不發(fā)生化學反應等優(yōu)良特性。此外，Ru還具有Ta所不具備的優(yōu)良特性。Ru的其體電阻率為7. 6 μ Ω cm，大約是Ta電阻率的一半，更為重要的是在生產(chǎn)過程中Ru的表面粗糙度明顯優(yōu)于Ta，而且可以在Ru層上直接電鍍Cu而不需要事先沉積Cu 籽層。這一優(yōu)點減少了工藝降低了生產(chǎn)的成本。但是，Ru薄膜本身并不是一個很好的擴散阻擋層。文獻報道，Ru在室溫和退火過程中極易形成與基片垂直的柱狀晶為銅擴散提供擴散通道，此外20nm的Ru薄膜作為銅擴散阻擋層的失效溫度為450°C，而對于5nm的Ru薄膜，失效溫度僅為300°C。綜上所述，如何對提高Ru薄膜的熱穩(wěn)定性變得極其重要，也直接的影響了其在實際應用中的可靠性。常用的改性方法為摻雜其他元素或者制備雙層、多層薄膜的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種簡單可控的磁控濺射法來制備Ru/TaN雙層膜結(jié)構(gòu)。通過控制其濺射過程中的氮氣流量來得到不同N含量的非晶TaN膜，然后再沉積Ru膜，從而得到Ru/TaN雙層膜結(jié)構(gòu)。本發(fā)明目的還在于，過飽和的TaN膜中間隙的N原子在退火的過程中可以釋放出來，在擴散的過程中與上層的Ru鍵合形成RuN并且塞積在Ru的晶界處，通過對雙層阻擋層材料中N含量的精確控制，獲得高性能的擴散阻擋特性，有效的阻止了銅原子的擴散。發(fā)明的技術(shù)方案是高熱穩(wěn)定性雙層擴散阻擋層材料的制備方法，采用直流磁控濺射法制備具有不同氮含量(不飽和和過飽和N)的TaN底層膜的Ru/TaN雙層膜結(jié)構(gòu)。 濺射靶材為純度達到99. 9wt%以上的Ta和Ru，襯底為單晶Si片(111)，在沉積之前，將Si 片清洗，然后對真空室抽真空，對Ta和Ru靶進行約30min的預濺射；Ru和TaN膜制備時采用直流磁控濺射，真空室本底真空抽至6X 以上，制備時真空室加Ar氣，真空室的工作壓力設(shè)置為1. 5Pa ；襯底溫度保持為室溫，TaN膜的濺射功率80士 10W，通過控制濺射過程中氮氣的流量來獲得不同N含量的TaN薄膜；Ru膜的濺射功率為134士 10W。直流磁控濺射法制備不同N含量TaN膜的主要參數(shù)為在制備TaN膜之前，先抽本底真空至6X 10_5Pa，然后通入Ar氣，流量為20sCCm，通過閘板閥調(diào)節(jié)真空室真空度為 3. 5Pa,然后開始氣輝，為了除去Ta靶材表面的污漬和氧化物等，保證薄膜的純度，先要進行約30min的預濺射，預濺射之后，通入氮氣，再將真空度調(diào)至約1. 5Pa開始生長TaN膜，為了生長出不同N含量的TaN膜，我們通過調(diào)節(jié)濺射過程中氬氣和氮氣分壓來實現(xiàn)，濺射功率的范圍為80士 10W，襯底溫度為室溫。同樣的實驗步驟沉積Ru和Cu膜來獲得Cu/Ru/TaN/ Si互連結(jié)構(gòu)。Ru膜的濺射功率控制在134士 10W，Cu膜為80士 10W。雙層擴散阻擋層材料， 襯底Si上分別設(shè)有TaN、Ru和Cu膜，三者的膜厚分別為8士2nm、8士2nm和300士30nm。直流磁控濺射制備不同Cu/Ru/TaN/Si互連結(jié)構(gòu)的實驗方法步驟如下a.襯底材料選用單晶Si(Ill)片。b.先制備第一層為不同N含量的TaN薄膜，襯底溫度為室溫，濺射功率范圍為 80士IOW。c.再制備第二層為納米晶Ru，襯底溫度為室溫，濺射功率為134士 10W。d.最后沉積Cu膜，襯底溫度為室溫，濺射功率為80 士 10W。e.對不同N含量的TaN進行XPS分析。f.選取飽和和不飽和N含量的TaN作為底層，進行退火實驗。g.對兩組樣品進行XRD和電阻率測試。采用的直流濺射法所具有的較高的真空度可有效的防止Cu、Ru和TaN膜的純度防止雜質(zhì)氣體污染，有效的保證了 Ru和TaN的本征物理性能。同時通過對氮氣流量的精確調(diào)節(jié)，較好的實現(xiàn)了對TaN的N含量的控制，保證了其在實際應用中的穩(wěn)定性。本發(fā)明提供了一種N含量精確可控TaN做為底層薄膜來制備Ru/TaN雙層阻擋層結(jié)構(gòu)的制備方法。針對金屬Ru單獨作為互連引線中的擴散阻擋層材料的缺點，預先沉積 TaN底層薄膜，其中間隙的N原子在高溫退火的過程中釋放出來。釋放的N原子在擴散的過程中塞積在Ru晶界處阻止Cu原子的擴散，而且釋放的N可以和Ru鍵合可以提高Ru的熱穩(wěn)定性，在高溫下仍能保持Ru膜結(jié)構(gòu)的完整性，提高Ru/TaN的阻擋性能。與現(xiàn)有制備方法相比，本發(fā)明具有如下有益效果1.本發(fā)明是在一種高真空度下進行制備的方法，可有效避免薄膜被氧化。金屬Ru 在空氣中極易氧化，形成的原生Ru氧化物會降低Cu與Ru之間的附著力，使得互連結(jié)構(gòu)在服役過程中很快的失效。在我們的制備中也完全可以避免Ru膜的氧化，保證了所制備薄膜的質(zhì)量。2.本發(fā)明可實現(xiàn)對金屬TaN膜中N含量的精確控制。控制的方法也很簡單易操控，僅需要在濺射的過程中調(diào)節(jié)氮氣的流量，重復性也較好。CN 102392216 A
說明書
3/43.本發(fā)明可實現(xiàn)對金屬Ru和TaN膜厚進行精確控制。在相同的工藝參數(shù)下，薄膜的沉積速度穩(wěn)定，重復性好。膜厚可以控制在納米尺度。4.本發(fā)明制備工藝簡單方便，可控性好。本發(fā)明可實現(xiàn)對雙層阻擋層材料中N含量的精確控制，獲得高性能的擴散阻擋特性，最高工作溫度可達650°C。


圖1沉積態(tài)非晶相TaN膜的XRD (a)和XPS分析(b)。圖2沉積態(tài)和350_650°C退火后Cu/Ru/TaN/Si互連結(jié)構(gòu)的XRD分析，其中(a) TaN 不飽和，其中(b) TaN飽和。圖3沉積態(tài)和350_650°C退火后Cu/Ru/TaN/Si互連結(jié)構(gòu)電阻率分析。
具體實施例方式采用直流磁控濺射法制備不同N含量的Ru/TaN膜，一臺型號為JGP350的磁控濺射儀，該設(shè)備使用電磁靶，直徑60mm只加DC，最大濺射功率為400W。一臺六工位具有公轉(zhuǎn)功能的樣品轉(zhuǎn)盤，樣品既可加熱也可水冷，最高溫度可到達^0°C，加熱速率可調(diào)范圍在 IO0C /min-40°C /min，適用于制備多種不同材料薄膜。真空系統(tǒng)主要配有一臺2)(Z-8型機械泵和FB600渦淪分子泵，最高真空度可達到6. 6X 10_5Pa，超高的真空度有效的保護了薄膜的質(zhì)量。材料準備濺射靶材為純度達到99. 9% Ta，99. 9% Ru，99. 999% Cu，直徑60mm，厚度約3mm，襯底為單晶Si(Ill)。為了提高TaN膜與襯底的附著力，在沉積之前，將Si片依次由乙醇、丙酮清洗并超聲20min，以除去影響薄膜與襯底的黏附性的表面灰塵和油漬。另外在濺射之前，先對靶材進行約30min的預濺射，除去其表面的氧化層以及污漬，保證了薄膜的純度，也為保證薄膜的質(zhì)量提供了保障。TaN膜制備采用直流磁控濺射法，本底真空抽至6 X 10 , Ar氣流量為20sCCm， 工作壓力設(shè)置為1. 5Pa?？刂茷R射過程中氬氣和氮氣的分壓來精確調(diào)控TaN中N的含量。 根據(jù)濺射時間來控制薄膜的厚度，所有TaN膜的厚度為8士2nm。實驗根據(jù)襯底的溫度保持為室溫，濺射功率范圍為80士 10W。Ru膜的制備采用直流磁控濺射法，本底真空抽至6\10-節(jié)3^1~氣流量為20叱011， 工作壓力設(shè)置為1. 5Pa。根據(jù)濺射時間來控制薄膜的厚度，Ru膜的厚度為8士2nm。實驗根據(jù)襯底的溫度保持為室溫，濺射功率范圍為134士 10W。結(jié)構(gòu)表征與結(jié)果通過對沉積態(tài)TaN膜的XRD分析可知，在N氣流量從3-12sCCm變化時未出現(xiàn)任何的結(jié)晶峰，只有一個波包出現(xiàn)，表明完全為非晶TaN。通過對沉積態(tài)TaN膜的XPS分析可知， 在增加N氣流量的時候，TaN中Ta-N鍵數(shù)量不斷增加，Ta-O鍵數(shù)量不斷減少。當N氣流量超過kccm時，TaN中的N原子數(shù)量達到過飽和并且保持穩(wěn)定，Ta/N原子數(shù)比約為0. 33。通過對沉積態(tài)Ru膜的XRD和XPS分析可知，Ru膜為納米晶，根據(jù)謝樂公式可以算出Ru的平均晶粒尺寸約為25nm。Ru中不含有0雜質(zhì)，證明在磁控濺射可以制備非常純凈的Ru膜，有利于提高Cu和Ru之間的附著力。對Cu/Ru/TaN/Si互連結(jié)構(gòu)進行350_650°C 30分鐘退火試驗后的XRD、電阻和TEM分析結(jié)果表明N不飽和TaN可以提高Ru的阻擋性能到550°C，650°C時Ru/TaN(不飽和) 阻擋性能失效，電阻迅速上升。而N過飽和的TaN的Ru/TaN的阻擋層在650°C退火后仍然保持良好的阻擋性能，電阻略微上升。N過飽和的Ru/TaN不僅可以提高Ru的熱穩(wěn)定性而且互連結(jié)構(gòu)依然保持優(yōu)良的電學性能。
權(quán)利要求
1.高熱穩(wěn)定性雙層擴散阻擋層材料的制備方法，其特征是采用直流磁控濺射法制備不同N含量的TaN膜和膜，即Ru/TaN雙層膜結(jié)構(gòu)；濺射靶材為純度達到99. 9wt%以上的Ta 和Ru，襯底為單晶Si片(111)，在沉積之前，將Si片清洗，然后對真空室抽真空，對Ta和 Ru靶進行約30min的預濺射；Ru和TaN膜制備時采用直流磁控濺射，真空室本底真空抽至 6X10_5!^以上，制備時真空室加Ar氣，真空室的工作壓力設(shè)置為1. 5Pa ；襯底溫度保持為室溫，TaN膜的濺射功率80士 10W，通過控制濺射過程中氮氣的流量來獲得不同N含量的TaN 薄膜；Ru膜的濺射功率為134士 10W。
2.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的不同N含量TaN薄膜的制備方法，其特征是在制備TaN 膜之前，先抽本底真空至6X 10_5Pa，然后通入Ar氣，流量為20sCCm，通過閘板閥調(diào)節(jié)真空室真空度為3. 5Pa，然后開始氣輝，為了除去Ta靶材表面的污漬和氧化物等，保證薄膜的純度，先要進行約30min的預濺射，預濺射之后，通入氮氣，再將真空度調(diào)至約1. 5Pa開始生長TaN膜，為了生長出不同N含量的TaN膜，通過調(diào)節(jié)濺射過程中氬氣和氮氣分壓來實現(xiàn)， 濺射功率的范圍為80士 10W，襯底溫度為室溫；Ru膜的濺射功率控制在134士 10W，Cu膜為 80士IOW。
3.雙層擴散阻擋層材料，襯底Si上分別設(shè)有TaN、Ru和Cu膜，三者的膜厚分別為 8 士 2nm、8 士 2nm 和 300 士 30nm。
全文摘要
一種制備高熱穩(wěn)定性Ru/TaN雙層擴散阻擋材料的制備方法，采用直流磁控濺射法，通過調(diào)節(jié)N氣流量來實現(xiàn)對非晶TaN薄膜中N含量的精確控制，制備不同N含量的高性能雙層Ru/TaN擴散阻擋層結(jié)構(gòu)，有效工作穩(wěn)定高達650℃。TaN薄膜中間隙的N原子在退火過程中擴散后可以提高Ru/TaN雙層膜的擴散阻擋性能。通過對N含量的精確控制，可得到高熱穩(wěn)定性的雙層Ru/TaN擴散阻擋材料并且仍然保持優(yōu)良的電學性能，更好的保證了其實際應用。本發(fā)明操作簡單，重復性好，實現(xiàn)效果良好。
文檔編號C23C14/06GK102392216SQ20111037415
公開日2012年3月28日 申請日期2011年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月22日
發(fā)明者佘茜瑋, 孟祥康, 操振華, 汪蕾, 胡坤 申請人:南京大學