專利名稱：一種自形成梯度Zr/ZrN雙層擴(kuò)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(kuò)散阻擋層材料，特別是一種自形成梯度Zr/ ZrN雙層擴(kuò)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(kuò)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(wèn)題。需在Cu與Si、SiO2及介質(zhì)層之間增加適當(dāng)?shù)臄U(kuò)散阻擋層(Diffusion Barrier Layer)，防止Cu膜氧化和阻擋Cu原子擴(kuò)散，增加Cu與介質(zhì)層的結(jié)合強(qiáng)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(shí)，阻擋層的厚度相應(yīng)只有十幾納米甚至幾納米。這就對(duì)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(tái)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(kuò)散阻擋層。鑒于以上缺陷，實(shí)有必要提供一種擴(kuò)散阻擋層及其制備方法以解決以上技術(shù)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種自形成梯度雙層擴(kuò)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SiO2及大多數(shù)介質(zhì)材料的粘附性較差等問(wèn)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(kuò)散阻擋層薄膜的要求。為此，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案—種自形成梯度灶/ZrN雙層擴(kuò)散阻擋層，包括襯底、沉積在襯底上并作為種子層和自析層的Cu(Zr)合金薄膜、植入于襯底和Cu(Zr)合金薄膜之間并作為預(yù)阻擋的納米晶 ZrN層，以及沉積在Cu(Zr)合金薄膜上層的純銅互聯(lián)線。所述襯底為硅片或者具有二氧化硅氧化層的硅片；所述擴(kuò)散阻擋層的厚度為6 15nm以內(nèi)；本發(fā)明自形成梯度雙層擴(kuò)散阻擋層的制備方法為以硅片或者具有二氧化硅氧化層的硅片為襯底，在Ar/隊(duì)氣體氛圍中，反應(yīng)濺射沉積納米晶ZrN薄膜；然后在 Ar氣體氛圍中，以ττ片和Cu片作為濺射靶材進(jìn)行共磁控濺射Cu(Zr)合金薄膜；然后在 Cu(Zr)合金薄膜表面鍍上一層純Cu作為互聯(lián)線，形成CU/CU(Zr)/ZrN/Si堆棧體系或者 Cu/Cu(Zr)/ZrN/Si02/Si堆棧體系，最后將堆棧體系在真空爐里進(jìn)行退火處理即可。濺射時(shí)，總濺射氣壓為0. 3Pa ；在沉積納米ZrN薄膜時(shí)，氣體為隊(duì)/Ar混合氣體， N2分壓為0. 03 0. 09Pa, Ar分壓為0. 21 0. 27Pa,基體施加100V的負(fù)偏壓，Zr靶功率100-150W，沉積時(shí)間為5 IOmin ；共沉積Cu(Zr)合金時(shí)，Cu靶和Ir靶的功率分別是150W 和30W，沉積純Cu的功率為150W。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明自形成梯度灶/ZrN雙層擴(kuò)散阻擋層及其制備方法至少具有以下優(yōu)點(diǎn)1)植入納米晶ZrN層為預(yù)阻擋層，ZrN層具有低的電阻率，同時(shí)與襯底Si、 SiO2及介質(zhì)層有很好的粘附性；幻采用Cu(Zr)合金為種子層和析出金屬源提供ττ元素； 3)析出的ττ元素自形成非晶的富ττ阻擋層，非晶型富ττ阻擋層與Cu及ZrN有良好的粘附性，非晶^ 層與納米晶或非晶ZrN組成梯度阻擋層，兩者得以優(yōu)化組合；4)可實(shí)現(xiàn)通過(guò)簡(jiǎn)單退火處理自形成厚度僅幾納米的雙層非晶阻擋層。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明自形成梯度雙層擴(kuò)散阻擋層及其制備方法做詳細(xì)描述本發(fā)明自形成梯度雙層擴(kuò)散阻擋層包括襯底、沉積在襯底上并作為種子層和自析層的Cu(Zr)合金薄膜、植入于襯底和Cu(Zr)合金薄膜之間并作為預(yù)阻擋的納米晶&N，以及沉積在Cu(Zr)合金薄膜上層的純銅互聯(lián)線。所述襯底為硅片或者具有二氧化硅氧化層的硅片。本發(fā)明退火后的擴(kuò)散阻擋層 (Zr/ZrN)厚度為6 15nm，其中，納米ZrN薄膜的厚度為3 lOnm，退火前的種子層和析出層Cu(Zr)合金薄膜厚度為15 30nm，純銅互聯(lián)線的厚度為150 300nm。實(shí)施例1以硅片為襯底，在Ar/N2氣體氛圍中，反應(yīng)濺射沉積IOnm厚的納米晶ZrN薄膜；然后在Ar氣體氛圍中，以直徑X厚度為Φ 50 X 3mm的^ 片和Cu片作為濺射靶材進(jìn)行共磁控濺射30nm厚的Cu(Zr)合金薄膜；然后在Cu(Zr)合金薄膜表面鍍上一層300nm厚的純 Cu作為互聯(lián)線，形成CU/CU(Zr)/ZrN/Si堆棧體系。濺射氣體總流量為30sCCm，濺射氣壓為 0. 3Pa ；反應(yīng)沉積ZrN時(shí)，N2/Ar混合氣體的N2分壓為0. 03Pa, Ar分壓為0. 27Pa，基體施加 IOOV的負(fù)偏壓，Zr靶功率100-150W，沉積時(shí)間為IOmin ；共沉積Cu(Zr)合金的Cu和Zr靶的功率分別是150W和30W ；沉積純Cu的功率為150W。然后把Cu/Cu (Zr)/ZrN/Si堆棧體系在真空爐里進(jìn)行一定溫度退火處理，550°C下退火0. 5-lh。本實(shí)施例制備的為梯度Zr (非晶)/ (納米晶)雙層擴(kuò)散阻擋層，其厚度可控制在15nm內(nèi)，且均勻連續(xù)致密，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)的最高溫度一般低于500°C。實(shí)施例2以硅片為襯底，在Ar/N2氣體氛圍中，反應(yīng)濺射沉積5nm厚的納米晶ZrN薄膜；然后在Ar氣體氛圍中，以直徑X厚度為Φ 50 X 3mm的^ 片和Cu片作為濺射靶材進(jìn)行共磁控濺射20nm厚的Cu(Zr)合金薄膜；然后在Cu(Zr)合金薄膜表面鍍上一層200nm厚的純 Cu作為互聯(lián)線，形成Cu/Cu (Zr)/ZrN/Si堆棧體系。濺射氣體總流量為30sCCm，濺射氣壓為 0. 3Pa ；反應(yīng)沉積時(shí)，N2/Ar混合氣體的N2分壓為0. 045Pa, Ar分壓為0. 255Pa，基體施加IOOV的負(fù)偏壓，Zr靶功率100-150W，沉積時(shí)間為5min ；共沉積Cu(Zr)合金的Cu和Zr 靶的功率分別是150W和30W，沉積純Cu的功率為150W。然后把Cu/Cu (Zr) /ZrN/Si堆棧體系在真空爐里進(jìn)行一定溫度退火處理，500°C下退火0. 5-lh。本實(shí)施例制備的為梯度Zr (非晶)/ (納米晶)雙層擴(kuò)散阻擋層，其厚度可控制在IOnm內(nèi)，且均勻連續(xù)致密，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)的最高溫度一般低于500°C。實(shí)施例3以具有二氧化硅氧化層的硅片為襯底，在Ar/N2氣體氛圍中，反應(yīng)濺射沉積4nm厚的納米晶ZrN薄膜；然后在Ar氣體氛圍中，以直徑X厚度為Φ 50 X 3mm的^ 片和Cu片作為濺射靶材進(jìn)行共磁控濺射20nm厚的Cu(Zr)合金薄膜；然后在Cu(Zr)合金薄膜表面鍍上一層200nm厚的純Cu作為互聯(lián)線，形成Cu/Cu (Zr)/ZrN/Si02/Si堆棧體系。濺射氣體總流量為30SCCm，濺射氣壓為0. 3Pa ；反應(yīng)沉積ZrN時(shí)，N2/Ar混合氣體的N2分壓為0. 09Pa, Ar分壓為0. 21Pa，基體施加100V的負(fù)偏壓，&靶功率100-150W，沉積時(shí)間為5min ；共沉積 Cu (Zr)合金的Cu和rLx靶的功率分別是150W和30W，沉積純Cu的功率為150W。然后把Cu/ Cu(Zr)/ZrN/Si02/Si堆棧體系在隊(duì)/吐混合氣氛保護(hù)下進(jìn)行一定溫度退火處理，500°C下退火0.5-lho本實(shí)施例制備的為梯度^ (非晶)/&Ν(非晶)雙層擴(kuò)散阻擋層，其厚度可控制在 Snm內(nèi)，且均勻連續(xù)致密，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)的最高溫度一般低于500°C。實(shí)施例4以具有二氧化硅氧化層的硅片為襯底，在Ar/N2氣體氛圍中，反應(yīng)濺射沉積3nm厚的納米晶ZrN薄膜；然后在Ar氣體氛圍中，以直徑X厚度為Φ 50 X 3mm的^ 片和Cu片作為濺射靶材進(jìn)行共磁控濺射15nm厚的Cu(Zr)合金薄膜；然后在Cu(Zr)合金薄膜表面鍍上一層150nm厚的純Cu作為互聯(lián)線，形成CU/CU(Zr)/ZrN/Si02/Si堆棧體系。濺射氣體總流量為30SCCm，濺射氣壓為0. 3Pa ；反應(yīng)沉積ZrN時(shí)，N2/Ar混合氣體的N2分壓為0. 09Pa, Ar分壓為0. 21Pa，基體施加150V的負(fù)偏壓，&靶功率100-150W，沉積時(shí)間為5min ；共沉積 Cu (Zr)合金的Cu和rLr靶分別是150W和30W，沉積純Cu的功率為150W。然后把Cu/Cu (Zr) / ZrN/Si02/Si堆棧體系然后在RAl2混合氣氛保護(hù)下進(jìn)行一定溫度退火處理，500°C下退火
0.5-lho本實(shí)施例制備的為梯度^ (非晶)/&Ν(非晶)雙層擴(kuò)散阻擋層，其厚度可控制在 6nm內(nèi)，且均勻連續(xù)致密，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)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納米晶ZrN層為預(yù)阻擋層，ZrN層具有低的電阻率，同時(shí)與襯底Si、SiO2及介質(zhì)層有很好的粘附性；本發(fā)明采用Cu(Zr)合金座位種子層并析出金屬源提供ττ元素，析出的ττ元素自形成非晶的富ττ阻擋層，非晶型富ττ阻擋層與 Cu及ZrN有良好的粘附性，非晶ττ層與納米晶或非晶ZrN組成梯度阻擋層，兩者得以優(yōu)化組合。以上所述僅為本發(fā)明的一種實(shí)施方式，不是全部或唯一的實(shí)施方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通過(guò)閱讀本發(fā)明說(shuō)明書而對(duì)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
1.一種自形成梯度灶/ZrN雙層擴(kuò)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自析層的Cu(Zr)合金薄膜、植入于襯底和Cu(Zr)合金薄膜之間并作為預(yù)阻擋的納米晶ZrN層，以及沉積在Cu(Zr)合金薄膜上層的純銅互聯(lián)線。
2.如權(quán)利要求1所述的自形成梯度雙層擴(kuò)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所述的自形成梯度&/ZrN雙層擴(kuò)散阻擋層，其特征在于所述擴(kuò)散阻擋層的厚度為6 15nm以內(nèi)。
4.一種如權(quán)利要求1-3中任意一項(xiàng)所述的自形成梯度灶/ZrN雙層擴(kuò)散阻擋層的制備方法，其特征在于以硅片或者具有二氧化硅氧化層的硅片為襯底，在Ar/隊(duì)氣體氛圍中，反應(yīng)濺射沉積納米晶薄膜；然后在Ar氣體氛圍中，以ττ片和Cu片作為濺射靶材進(jìn)行共磁控濺射Cu(Zr)合金薄膜；然后在Cu(Zr)合金薄膜表面鍍上一層純Cu作為互聯(lián)線，形成 Cu/Cu(Zr)/ZrN/Si堆棧體系或者Cu/Cu (Zr)/ZrN/Si02/Si堆棧體系，最后將堆棧體系在真空爐里進(jìn)行退火處理即可。
5.如權(quán)利要求4所述的自形成梯度雙層擴(kuò)散阻擋層，其特征在于濺射時(shí)，濺射氣壓為0. 3Pa。
6.如權(quán)利要求5所述的自形成梯度&/ZrN雙層擴(kuò)散阻擋層，其特征在于在沉積納米 ZrN薄膜時(shí)，氣體為N2/Ar混合氣體，N2分壓為0. 03 0. 09Pa, Ar分壓為0. 21 0. 27Pa, 基體施加100V的負(fù)偏壓，&靶功率100-150W，沉積時(shí)間為5 IOmin ；共沉積Cu(Zr)合金時(shí)，Cu靶和rLr靶的功率分別是150W和30W，沉積純Cu的功率為150W。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種自形成梯度Zr/ZrN雙層擴(kuò)散阻擋層及其制備方法，擴(kuò)散阻擋層包括襯底、沉積在襯底上并作為種子層和自析層的Cu(Zr)合金薄膜、植入于襯底和Cu(Zr)合金薄膜之間并作為預(yù)阻擋的納米晶ZrN，以及沉積在Cu(Zr)合金薄膜上層的純銅互聯(lián)線。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、高的熱穩(wěn)定性和良好的粘附性，滿足超大規(guī)模集成電路對(duì)Cu互連擴(kuò)散阻擋層的性能要求。
文檔編號(hào)H01L21/768GK102437145SQ201110402808
公開日2012年5月2日 申請(qǐng)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(guó)華, 吳匯焱, 宋忠孝, 徐可為, 李雁淮, 范麗娜, 錢旦 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)