專利名稱：一種Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成雙層非晶擴散阻擋層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路Cu互連體系擴散阻擋層材料，特別是一種Ru-RuO/Ru-Ge-Cu 自形成雙層非晶擴散阻擋層及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，低電阻率的Cu替代Al成為互連材料，然而Cu互連線存在易擴散污染，低溫和空氣下易被氧化，與SiO2及大多數(shù)介質(zhì)材料的粘附性較差等問題。需在Cu與Si、SiO2及介質(zhì)層之間增加適當(dāng)?shù)臄U散阻擋層(Diffusion Barrier Layer)，防止Cu膜氧化和阻擋Cu原子擴散，增加Cu與介質(zhì)層的結(jié)合強度，從而改善Cu互連的界面特性，降低電遷移，提高可靠性。隨著Cu互連特征尺寸減小到幾十納米時，阻擋層的厚度相應(yīng)只有十幾納米甚至幾納米。這就對阻擋層制備工藝與性能提出了更為苛刻的要求。性能要求阻擋層具有高溫穩(wěn)定性；良好的電導(dǎo)性，減少額外的電壓降；盡可能的薄，以確保Cu互連線盡可能大的有效橫截面尺寸；良好的臺階覆蓋性、低應(yīng)力、致密均勻。采用傳統(tǒng)方法難以制備出如此超薄均勻的高性能擴散阻擋層。鑒于以上缺陷，實有必要提供一種擴散阻擋層及其制備方法以解決以上技術(shù)問題。

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Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成雙層非晶擴散阻擋層及其制備方法，以解決Cu互連線在低溫和空氣下易被氧化，與SiA及大多數(shù)介質(zhì)材料的粘附性較差等問題，本發(fā)明阻擋層薄膜材料由非晶^ 層與ZrN兩層優(yōu)化組合而成，完全可以滿足超大規(guī)模Cu互連線擴散阻擋層薄膜的要求。為此，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成雙層非晶擴散阻擋層，包括襯底、沉積在襯底上并作為種子層和析出層的Cu(Ru)合金薄膜、植入于襯底和Cu(Ru)合金薄膜之間并作為預(yù)阻擋和耗盡層的非晶Ru-Ge合金薄膜，以及沉積在Cu(Ru)合金薄膜上并作為互連層的純Cu
層。 片或者具有二氧化硅氧化層的硅片；所述擴散阻擋層的厚度為5 15nm ；所述Ru-Ge合金薄膜中Ge含量為40 % -70 % ；本發(fā)明Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成雙層非晶擴散阻擋層的制備方法為在Ar氣體氛圍中，以Ru片、Ge片和Cu片作為濺射靶材進行共磁控濺射，在硅片或者具有二氧化硅氧化層的硅片表面分別依次沉積Ru-Ge合金薄膜和Cu(Ru)合金薄膜，然后純Cu膜沉積在 Cu (Ru)合金薄膜表面，形成 Cu/Cu (Ru) /Ru-Ge/Si 堆棧體系或者 Cu/Cu (Ru) /Ru_Ge/Si02/Si堆棧體系，最后將該堆棧體系進行退火處理即可。沉積條件總濺射氣壓為0. 2Pa,共沉積Ru-Ge合金時，Ru靶和Ge靶功率比為1 1/2 ；共沉積Cu (Ru)合金薄膜時，Cu靶和Ru靶的功率分別是150W和30W，沉積純Cu的功率為 150W。退火處理的條件在真空或N2/H2混合氣氛保護下，200°C 250°C保溫1. 5 2h。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成雙層非晶擴散阻擋層及其制備方法至少具有以下優(yōu)點1)植入非晶RuGe層為中間層，可結(jié)合擴散來的Cu原子形成低電阻率的Cu-Ge化合物，從而形成具有良好的電導(dǎo)性的Ru-Ge-Cu三元非晶層；幻采用Cu(Ru) 合金為種子層和析出金屬源提供Ru元素；幻非晶RuGe層可結(jié)合擴散來的Cu原子，進一步促進Cu (Ru)合金中Ru原子的析出，從而更容易自形成富Ru-RuO層；4)可實現(xiàn)在較低溫度下退火自形成僅幾納米厚的雙層非晶阻擋層。
具體實施例方式下面對本發(fā)明Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成雙層非晶擴散阻擋層及其制備方法做詳細描述本發(fā)明Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成雙層非晶擴散阻擋層包括襯底、沉積在襯底上并作為種子層和析出層的Cu(Ru)合金薄膜、植入于襯底和Cu(Ru)合金薄膜之間并作為預(yù)阻擋和耗盡層的非晶Ru-Ge合金薄膜，以及鍍在Cu (Ru)合金薄膜上并作為互連層的純Cu層。所述襯底為硅片或者具有二氧化硅氧化層的硅片。本發(fā)明退火后形成的擴散阻擋層的厚度為5 15nm，所述Ru-Ge合金薄膜的厚度10 15nm，所述Cu(Ru)合金薄膜的厚度為20 30nm，所述純銅膜的厚度為200 300nm。實施例1在Ar氣體氛圍中，以直徑X厚度為Φ 50 X 3mm的Ru片、Ge片和Cu片作為濺射靶材進行共磁控濺射，在硅片Si表面沉積分別依次沉積15nm厚的Ru-Ge合金薄膜和30nm厚的Cu (Ru)合金薄膜，最后300nm厚純Cu膜沉積在Cu (Ru)合金薄膜表面，形成Cu/Cu (Ru) / Ru-Ge/Si堆棧體系。濺射氣體總流量為30sCCm，濺射氣壓為0. 2Pa,共沉積RuGex合金時， Ru靶和Ge靶功率分別是50W和100W，沉積時間150s ；共沉積Cu (Ru)合金的Cu和Ru靶分別是150W和30W，沉積純Cu的功率為150W。然后把Cu/Cu (Ru)/RuGex/Si堆棧體系在真空爐里，200°C 250°C退火1. 5 2h。本實施例制備的Ru-RuO/Ru-Ge-Cu雙層非晶擴散阻擋層阻擋層，其厚度可控制在 15nm內(nèi)，且均勻連續(xù)致密，組織結(jié)構(gòu)為非晶型，熱穩(wěn)定性高可保持到650°C高溫不失效，而芯片制程后續(xù)工藝的最高溫度一般低于500°C。實施例2在Ar氣體氛圍中，以直徑X厚度為Φ 50 X 3mm的Ru片、Ge片和Cu片作為濺射靶材進行共磁控濺射，在硅片Si表面沉積分別依次沉積IOnm厚的Ru-Ge合金薄膜和20nm厚的Cu (Ru)合金薄膜，最后200nm厚純Cu膜沉積在Cu (Ru)合金薄膜表面，形成Cu/Cu (Ru) / RuGex/Si堆棧體系。濺射氣體總流量為30sCCm，濺射氣壓為0. 2Pa ；共沉積RuGex合金時， Ru靶和Ge靶功率分別是50W和100W，沉積時間IOOs ；共沉積Cu (Ru)合金的Cu和Ru靶分別是150W和30W，沉積純Cu的功率為150W。然后把Cu/Cu (Ru)/RuGex/Si堆棧體系在真空爐里，200°C 250°C退火1. 5 2h。本實施例制備的Ru-RuO/Ru-Ge-Cu雙層非晶擴散阻擋層阻擋層，其厚度可控制在 IOnm內(nèi)，且均勻連續(xù)致密，組織結(jié)構(gòu)為非晶型，熱穩(wěn)定性高可保持到600°C高溫不失效，而芯片制程后續(xù)工藝的最高溫度一般低于500°C。實施例3在Ar氣體氛圍中，以直徑X厚度為Φ 50 X 3mm的Ru片、Ge片和Cu片作為濺射靶材進行共磁控濺射，在硅片Si表面先沉積SW2介質(zhì)層，再分別依次沉積IOnm厚的Ru-Ge合金薄膜和20nm厚的Cu (Ru)合金薄膜，最后200nm厚純Cu膜沉積在Cu (Ru)合金薄膜表面， 形成Cu/Cu(Ru)/RuGex/Si02/Si堆棧體系。濺射氣體總流量為30sCCm，濺射氣壓為0. 2Pa ； 共沉積RuGex合金時，Ru靶和Ge靶功率分別是50W和100W，沉積時間IOOs ；共沉積Cu (Ru) 合金的Cu和Ru靶分別是150W和30W，沉積純Cu的功率為150W。然后在高真空環(huán)境里， 200°C 250°C下退火1. 5 2h，自形成雙層Ru-RuO/Ru-Ge-Cu非晶擴散阻擋層阻擋層。本實施例制備阻擋層，其厚度可控制在IOnm內(nèi)，且均勻連續(xù)致密，組織結(jié)構(gòu)為非晶型，具有高熱穩(wěn)定性，可保持到600°C高溫不失效，芯片制程后續(xù)工藝的最高溫度一般低于 500"C。實施例4在Ar氣體氛圍中，以直徑X厚度為Φ 50 X 3mm的Ru片、Ge片和Cu片作為濺射靶材進行共磁控濺射，在硅片Si表面先沉積S^2介質(zhì)層，再分別依次沉積5nm厚的Ru-Ge合金薄膜和IOnm厚的Cu (Ru)合金薄膜，最后200nm厚純Cu膜沉積在Cu (Ru)合金薄膜表面， 形成Cu/Cu(Ru)/Ru-Ge/Si02/Si堆棧體系。濺射氣體總流量為30sCCm，濺射氣壓為0. 2Pa ； 共沉積RuGex合金時，Ru靶和Ge靶功率分別是50W和100W，沉積時間60s ；共沉積Cu (Ru) 合金的Cu和Ru靶分別是150W和30W，沉積純Cu的功率為150W。然后在隊/吐混合氣氛保護下，200°C 250°C退火1. 5 2h，自形成雙層Ru-RuO/Ru-Ge-Cu非晶擴散阻擋層阻擋層。本實施例制備自形成阻擋層，厚度可控制在5nm內(nèi)，且均勻連續(xù)致密，組織結(jié)構(gòu)為非晶型，具有高熱穩(wěn)定性，可保持到600°C高溫不失效，芯片制程后續(xù)工藝的最高溫度一般低于500 °C。本發(fā)明在襯底和種子層之間植入非晶RuGe層為中間層，可結(jié)合擴散來的Cu原子形成低電阻率的Cu-Ge化合物，從而形成具有良好的電導(dǎo)性的Ru-Ge-Cu三元非晶層；本發(fā)明Cu(Ru)合金為種子層并為析出金屬源提供Ru元素，非晶RuGe層可結(jié)合擴散來的Cu原子，進一步促進Cu (Ru)合金中Ru原子的析出，從而更容易自形成富Ru-RuO層，實現(xiàn)在較低溫度下退火自形成僅幾納米厚的雙層非晶阻擋層。以上所述僅為本發(fā)明的一種實施方式，不是全部或唯一的實施方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通過閱讀本發(fā)明說明書而對本發(fā)明技術(shù)方案采取的任何等效的變換，均為本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成雙層非晶擴散阻擋層，其特征在于包括襯底、沉積在襯底上并作為種子層和析出層的Cu(Ru)合金薄膜、植入于襯底和Cu(Ru)合金薄膜之間并作為預(yù)阻擋和耗盡層的非晶Ru-Ge合金薄膜，以及沉積在Cu (Ru)合金薄膜上并作為互連層的純Cu層。
2.如權(quán)利要求1所述的Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成雙層非晶擴散阻擋層，其特征在于 所述襯底為硅片或者具有二氧化硅氧化層的硅片。
3.如權(quán)利要求1所述的Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成雙層非晶擴散阻擋層，其特征在于 所述擴散阻擋層的厚度為5 15nm。
4.如權(quán)利要求1所述的Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成雙層非晶擴散阻擋層，其特征在于 所述Ru-Ge合金薄膜中Ge含量為40% -70%。
5.一種如權(quán)利要求1-3中任意一項所述的Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成雙層非晶擴散阻擋層的制備方法，其特征在于在Ar氣體氛圍中，以Ru片、Ge片和Cu片作為濺射靶材進行共磁控濺射，在硅片或者具有二氧化硅氧化層的硅片表面分別依次沉積Ru-Ge合金薄膜和 Cu (Ru)合金薄膜，然后純Cu膜沉積在Cu (Ru)合金薄膜表面，形成Cu/Cu (Ru) /Ru-Ge/Si堆棧體系或者Cu/Cu (Ru)/Ru-Ge/Si02/Si堆棧體系，最后將該堆棧體系進行退火處理即可。
6 如權(quán)利要求5所述的Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成雙層非晶擴散阻擋層，其特征在于 總濺射氣壓為0. 2Pa ；共沉積Ru-Ge合金時，Ru靶和Ge靶功率比為1 1/2 ；共沉積Cu (Ru) 合金薄膜時，Cu靶和Ru靶的功率分別是150W和30W ；沉積純Cu的功率為150W。
7.如權(quán)利要求5所述的Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成雙層非晶擴散阻擋層，其特征在于 所述退火處理的條件為，真空或混合氣氛保護下，200°C 250°C保溫1. 5 2h。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成雙層非晶擴散阻擋層及其制備方法，擴散阻擋層體系包括襯底、沉積在襯底上并作為種子層和析出層的Cu(Ru)合金薄膜、植入于襯底和Cu(Ru)合金薄膜之間并作為預(yù)阻擋和耗盡層的非晶Ru-Ge合金薄膜，以及鍍在Cu(Ru)合金薄膜上并作為互連層的純Cu層。本發(fā)明自形成的雙層阻擋層連續(xù)均勻致密，厚度可控制在幾納米內(nèi)，且具有低的電阻和高的熱穩(wěn)定性，滿足超大規(guī)模集成電路對Cu互連擴散阻擋層的性能要求。
文檔編號H01L23/532GK102437144SQ20111040280
公開日2012年5月2日 申請日期2011年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月6日
發(fā)明者何國華, 吳匯焱, 宋忠孝, 徐可為, 李雁淮, 范麗娜, 錢旦 申請人:西安交通大學(xué)