一種無銅籽晶互連用碳化鉬摻雜釕基合金擴散阻擋層制備工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種碳化鉬摻雜釕基合金（RuMoC）擴散阻擋層制備工藝，它涉及超深亞微米集成電路后端互連結(jié)構(gòu)中銅（Cu）與氧化硅基絕緣介質(zhì)（SiOC：H）之間一種新型擴散阻擋層的制備工藝。本發(fā)明沉積的RuMoC(5nm)阻擋層熱穩(wěn)定溫度可達600℃以上，能有效地抑制銅原子朝氧化硅基介質(zhì)體內(nèi)擴散。采用該工藝制備的RuMoC(5nm)擴散阻擋層能有效降低互連膜系電阻率，降低互連電路的阻容耦合（RC）延遲效應(yīng)，提高半導(dǎo)體器件的運行速度和穩(wěn)定性。
【專利說明】一種無銅籽晶互連用碳化鉬摻雜釕基合金擴散阻擋層制備工藝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于半導(dǎo)體集成電路制造工藝【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及超深亞微米集成電路后端互連中銅(Cu)與低介電常數(shù)(1wi)氧化硅基絕緣介質(zhì)(SiOC:H)之間一種新型擴散阻擋層的制備工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)今，超大規(guī)模集成電路后端互連主流工藝已經(jīng)采用銅(Cu)互連材料和低介電常數(shù)(1w-A)替代傳統(tǒng)的AVSiO2結(jié)構(gòu)來應(yīng)對急劇增長的阻容(D延遲和功率消耗效應(yīng)。由于Cu極易被氧化以及在低溫下(〈200 °C)易與氧化硅基氧化物介質(zhì)(low-1)反應(yīng)形成深能級雜質(zhì)，對載流子具有很強的陷阱效應(yīng)，使器件性能退化甚至失效，見文獻[B.Liu,Z.X.Song, Y.H.Li, K.ff.Xu, Appl.Phys.Lett.93/17 (2008)]。因此，如何選擇擴散阻擋層材料抑止Cu與氧化硅基介質(zhì)(lowi)間的互擴散，以及改善其界面特性一直是工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究熱點問題。
[0003]國際半導(dǎo)體發(fā)展規(guī)劃預(yù)言，32 nm、22 nm節(jié)點技術(shù)要求其阻擋層的厚度分別持續(xù)縮減至5 nm和3 nm。開發(fā)超薄、高穩(wěn)定性的低阻值金屬阻擋層作為近期(2015年前)的重點挑戰(zhàn)之一，見文獻[王洪波，中國集成電路106 (2008) 14]。目前，過渡族難熔金屬及氮化物，如Ta、TaN, WN、ZrN已經(jīng)被業(yè)界廣泛研究和采用。但已有研究結(jié)果也表明:數(shù)納米厚的過渡金屬及氮化物在較低溫度(400°C?500°C)下再結(jié)晶，見文獻[S.Rawal, D.P.Norton, KeeChan Kim, T.J.Anderson, and L.McElwee-ffhite.Ge/HfNx diffusionbarrier for Cu metallization on S1.Applied Physics Letters 89, 231914 (2006)],晶界成為Cu擴散至Si及Si基介質(zhì)引發(fā)早期失效的快速通道；再者，過渡族難熔金屬氮化物電阻率高，當(dāng)其厚度按比例持續(xù)微縮至數(shù)納米將對互連此'延遲效應(yīng)貢獻巨大，遠不能滿足32 nm及以下互連技術(shù)的要求,見文獻[H.ffojcik, C.Krien, U.Merkel, J.W.Bartha, M.Knaut, M.Geidel, B.Adolphi, V.Neumann, C.Wenzel, M.Bendlin, K.Richter, D.Makarov.Microelectronic Engineering 112, 103-109 (2013)]。
[0004]因過渡族金屬釕(Ru，7.1 μ Ω.cm)相對鉭(Ta，13.6 μΩ.αιι)而言具有更低的電阻率且在其表面無需沉積銅籽晶層可直接實施電鍍Cu膜，能進一步簡化Cu互連工藝程序而備受業(yè)界關(guān)注，見文獻[Kuo-Chung Hsu, Dung-Ching Perng, Y1-Chun Wang.Journal of Alloys and Compounds 516, 102-106 (2012)]。但純 Ru 薄膜阻擋層多晶柱狀結(jié)構(gòu)晶界不可避免也為Cu原子提供快速擴散通道，導(dǎo)致Ru阻擋層失效溫度通常低于400 ° C。進一步研究結(jié)果表明通過添加N、P、Ta、Mo等第三種元素至Ru薄膜晶格中，通過晶界固溶強化或調(diào)控薄膜非晶化等手段來提升Ru阻擋層性能，見文獻[M.Damayanti,T.Scritharan, S.G.Mhaisalkar, H.J.Engelmann, E.Zschech, A.V.Vairagar, L.Chan.Electrochemical Solid State Letter 10,15-17 (2007)]及文獻[D.C Perng,J.B.Yeh, K.C.Hsu.Applied Surface Science 254,6059-6062 (2008)]。但部分研究結(jié)果也表明，N、P等元素摻雜導(dǎo)致Ru膜電阻率的急劇增加，如文獻[S.Bouhtiyya, R.Lucio Porto, B.La'ik, P.Boulet, F.Capon, J.P.Pereira-Ramos, T.Brousseb andJ.F.Piersona.ScriptaMaterialia, 68, 659-662 (2013)]報道 RuN 的電阻率為 865μ Ω.cm，比純Ru電阻率高出兩個數(shù)量級；此外在升溫退火過程中還N易從Ru薄膜體內(nèi)析出導(dǎo)致Cu膜孔隙率增加[孫玉芳，Ru-TiN擴散阻擋層的制備與表征，哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士論文(2010)]。其余Mo、Ta摻雜Ru合金在較高溫度下亦存在再結(jié)晶現(xiàn)象，因此，超薄(〈5nm)高熱穩(wěn)定性Ru基合金阻擋層性能面臨巨大挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的在于針對上述Ru基合金阻擋層材料設(shè)計和性能研究方面面臨的不足，利用Mo、Ru原子與C原子鍵合難易程度特性，提出一種穩(wěn)態(tài)固溶的碳化鑰摻雜釕基(RuMoC)阻擋層制備工藝，該工藝不僅簡便易行，而且通過該工藝制備的RuMoC阻擋層為非晶結(jié)構(gòu)、電阻低、抗氧化性強，能夠有效阻擋Cu擴散，有望成為納器件無銅籽晶互連技術(shù)實施可靠候選材料之一。
[0006]為達到上述目的，本發(fā)明的基本思想是:一是Ru、Mo和C元素都與Cu不互溶，有利阻擋Cu原子的擴散，且Ru、Mo和C元素與現(xiàn)有集成電路工藝技術(shù)兼容性強；二是Mo與C原子屬強結(jié)合鍵，但Ru與C原子鍵合能力弱，因此可通過調(diào)節(jié)薄膜中MoC摻雜量能有效調(diào)控Ru阻擋層薄膜微觀組織結(jié)構(gòu)，并獲取高熱穩(wěn)定性能的非晶RuMoC阻擋層薄膜，且可避免形成脆性σ -MoRu相；三是MoC的電阻率也較低(29 μ Ω.cm)，因此MoC摻雜對Ru薄膜電阻率的影響較小，能夠獲取低電阻率的RuMoC阻擋層。
[0007]本發(fā)明提供的技術(shù)方案是:提供一種無銅籽晶互連用碳化鑰摻雜釕基合金(RuMoC)阻擋層制備工藝，在常溫下實施，其特征在于包含以下步驟:
a、清洗襯底材料:
將單晶硅(Si)/摻碳氧化硅(SiOC:H，200 nm)多層結(jié)構(gòu)襯底材料依次放入丙酮、無水乙醇中分別進行20分鐘超聲波清洗，干燥后放入真空腔室內(nèi)，然后抽真空度至2.0X 10_4Pa ；
b、沉積前襯底預(yù)處理:
在步驟a的真空條件下，用偏壓反濺射清洗Si/SiOC:H襯底5分鐘，去除Si /SiOCiH襯底表面雜質(zhì)，反濺功率為100-200 W，反濺偏壓為-500 V ;反濺氣體為氬氣(Ar);工作真空度為 1.0-3.0 Pa ；
C、沉積RuMoC阻擋層薄膜:
采用反應(yīng)磁控濺射技術(shù)，在經(jīng)步驟b處理后的Si/Si0C:H基體上沉積厚度為5 nm的RuMoC薄膜；所用靶材為高純碳化鑰(MoC)靶和釕(Ru)靶；工作氣氛為Ar氣，Ar氣流量控制為35-40標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘(sccm)之間；工作真空度為0.45-0.60 Pa ;磁控MoC靶和磁控Ru靶濺射功率分別控制為120-150 W和100-120 W范圍內(nèi);沉積偏壓為-100 V至-150V之間；沉積時間為10-20秒；沉積完成后關(guān)閉各磁控靶，關(guān)閉氣體Ar，反應(yīng)室基底真空度恢復(fù)為2.0X 10_4 Pa ;冷卻后出爐即獲得RuMoC阻擋層。
[0008]所述磁控Ru靶和磁控MoC靶的純度均為99.95%。
[0009]所述RuMoC合金層中Ru原子百分比控制在44_50 %范圍之間；Mo原子百分比控制在23-25 %范圍之間；C原子百分比控制在23-25 %范圍之間。
[0010]所述采用磁控Ru靶和磁控MoC靶共濺射的工藝，上述兩個工作靶與真空腔中心軸線方向呈45 夾角偏頭。
[0011]上述步驟C中，反應(yīng)室基底真空為2.0X 10_4 Pa ;工作氣氛為Ar氣，Ar氣流量控制為35-40標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘(sccm)之間；工作真空度為0.45-0.60 Pa ;磁控MoC靶和磁控Ru靶濺射功率分別控制為120-150 W和100-120 W范圍內(nèi);沉積偏壓為-100 V至-150V之間；沉積時間為10-20秒。
[0012]上述步驟c中的冷卻是在反應(yīng)室基底真空度為2.0X 10_4下自然冷卻。
[0013]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果:
1、本發(fā)明依據(jù)Mo與C原子屬強結(jié)合鍵，但Ru與C原子鍵合能力弱角度，通過調(diào)節(jié)薄膜中MoC摻雜量能有效調(diào)控Ru阻擋層薄膜微觀組織結(jié)構(gòu)，并獲取高熱穩(wěn)定性能的非晶RuMoC阻擋層薄膜，且可避免形成脆性σ -MoRu相；
2、本發(fā)明工藝制備的非晶RuMoC阻擋層保留了Ru金屬表面直接電鍍Cu的特性前提下還具有很強的抗氧化性，并能有效阻擋Cu原子的擴散；
3、經(jīng)本發(fā)明提供的工藝制備的RuMoC阻擋層的厚度能有效控制在5nm以下,MoC的電阻率較低(29 μ Ω.cm),因此MoC摻雜對Ru薄膜電阻率的影響較小，能夠獲取低電阻率的RuMoC阻擋層，失效溫度高于600 °C，在有效降低阻擋層厚度的同時，還降低了阻擋層的電阻率，提聞了阻擋層的聞熱穩(wěn)定性；
4、本發(fā)明采用的是常規(guī)反應(yīng)磁控濺射技術(shù)，具有技術(shù)成熟，成本低，污染物少的特點，并可與現(xiàn)有的微電子制備工藝相兼容。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為500 °C退火態(tài)Si/SiOC:H/RuMoC/Cu多層膜的高分辨透射電鏡(HRTEM)明場像。
[0015]圖2為Si/SiOC:H/RuMoC/Cu多層膜方塊電阻率隨退火溫度變化曲線。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明進行詳細的說明，但不意味著對本發(fā)明保護內(nèi)容的任何限定。
[0017]本發(fā)明提供的碳化鑰摻雜釕基合金(RuMoC)阻擋層制備工藝，在常溫下實施，采用反應(yīng)磁控濺射鍍膜設(shè)備；所用的磁控Ru靶和MoC靶的純度均為99.95% ;所用的磁控Ru靶和MoC靶均與真空腔中心軸線方向呈45夾角偏頭分別共沉積獲得；制備的RuMoC阻擋層薄膜厚度為5 nm。
[0018]實施例1
本實施例采用的碳化鑰摻雜釕基合金(RuMoC)阻擋層制備工藝包含以下步驟:
a、清洗襯底材料:
將單晶硅(Si)/摻碳氧化硅(SiOC:H，200 nm)多層結(jié)構(gòu)襯底材料依次放入丙酮、無水乙醇中分別進行20分鐘超聲波清洗，干燥后放入真空腔室內(nèi)，然后抽真空度至2.0X 10_4Pa ；b、沉積前對襯底的處理:偏壓反濺；
在步驟a的真空條件下，用偏壓反濺清洗Si/SiOC:H襯底5分鐘，去除Si /SiOC = H襯底表面雜質(zhì)，反濺功率為100 W，反濺偏壓為-500 V;反濺氣體為氬氣(Ar);工作真空度為
1.0 Pa ；
C、沉積RuM0C阻擋層薄膜:
采用反應(yīng)磁控濺射技術(shù)，在經(jīng)步驟b處理后的Si/SiOC:H基體上沉積厚度為5 nm的RuMoC薄膜；所用靶材為高純碳化鑰(MoC)靶和釕(Ru)靶；工作氣氛為Ar氣，Ar氣流量為35標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘(sccm);工作真空度為0.45 Pa ;磁控MoC靶和磁控Ru靶濺射功率分別為120 W和100 W ;沉積偏壓為-100 V ;沉積時間為10秒，冷卻后出爐即獲得Si/SiOCiH (200 nm) /RuMoC (5 nm)多層膜結(jié)構(gòu)。
[0019]為校驗阻擋層效能，部分薄膜結(jié)構(gòu)為沉積完RuMoC薄膜層后在不間斷真空條件下，在其表面沉積100 nm的純Cu膜；所用靶材為高純Cu靶；工作氣氛為Ar氣，Ar氣流量為35標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘(sccm);工作真空度為0.45 Pa ;磁控Cu靶濺射功率分別為100W ;沉積時間為150秒。沉積完成后關(guān)閉各磁控靶，關(guān)閉氣體Ar，反應(yīng)室基底真空度恢復(fù)為
2.0Χ10-4 Pa ;冷卻后出爐即獲得 Si/SiOC:H (200 nm) /RuMoC (5 nm) /Cu (100 nm)多層膜測試結(jié)構(gòu)。
[0020]對上述實施例1所制備的RuMoC阻擋層，采用四點探針測試儀進行了涂層的電阻率測試，先后在涂層表面測試了 5個點，取其平均值計算電阻率為9.5 μ Ω.cm，相比常規(guī)阻擋層電阻率而言大幅降低。如圖1所示多層膜截面HRTEM像可見5 nm厚的非晶RuMoC阻擋層界面清晰完整，表明Si/SiOC:H/RuMoC/Cu多層膜具有高的熱穩(wěn)定性。圖2所示Si/SiOC:H/RuMoC/Cu多層膜 的方塊電阻率隨退火溫度變化曲線結(jié)果顯示600 °C退火條件下多層膜方塊電阻率并無顯著上升，表明RuMoC (5 nm)阻擋層在此高溫條件下能有效阻擋Cu朝Si基體的擴散。
[0021]實施例2、3
由于在沉積RuMoC阻擋層過程中，沉積偏壓和濺射功率對涂層的成分、均勻度和厚度均有影響。本實例RuMoC阻擋層操作步驟及條件、參數(shù)與實例I基本相同。只是在沉積RuMoC阻擋層時通過分別改變磁控Ru靶和磁控MoC靶的沉積偏壓或者濺射功率，如選定沉積偏壓為-50 V,-100 V,-150 V, -200 V，或者濺射功率為 50 W、100 W、150 W、200 W 可對RuMoC阻擋層的成分，均勻度和厚度進行調(diào)控，進而實現(xiàn)RuMoC阻擋層的厚度、電阻率和耐高溫性等性能進行調(diào)控，以滿足產(chǎn)品用途的使用需求。
[0022]實施例4
由于在沉積RuMoC阻擋層過程中，C的含量對阻擋層的成分、結(jié)構(gòu)和電性能影響較大。本實例RuMoC阻擋層操作步驟及條件、參數(shù)與實例I基本相同。只是在沉積RuMoC阻擋層阻擋層時通過改變磁控MoC靶功率來改變C和Mo的含量進而改變涂層結(jié)構(gòu)和成分，如選定磁控MoC靶功率分別為50 W、100 W、150 W、200 W、進而調(diào)控Ge原子的百分含量在6.5、
12.5、17.5、25 (%)范圍可對RuMoC阻擋層的成分和結(jié)構(gòu)進行調(diào)控，進而實現(xiàn)RuMoC阻擋層的厚度、電阻率和耐高溫性等性能進行調(diào)控，以滿足產(chǎn)品用途的使用需求。
[0023]本發(fā)明所用的襯底材料為Si/SiOC:H，對于其他如Si/Si02或者是單晶Si，該制備RuMoC阻擋層的工藝同樣適用。
【權(quán)利要求】
1.一種無銅籽晶互連用碳化鑰摻雜釕基合金(RuMoC)阻擋層制備工藝，在常溫下實施，其特征在于包含以下步驟: a、清洗襯底材料: 將單晶硅(Si)/摻碳氧化硅(SiOC:H，200 nm)多層結(jié)構(gòu)襯底材料依次放入丙酮、無水乙醇中分別進行20分鐘超聲波清洗，干燥后放入真空腔室內(nèi)，然后抽真空度至2.0X 10_4Pa ； b、沉積前襯底預(yù)處理: 在步驟a的真空條件下，用偏壓反濺射清洗Si/SiOC:H襯底5分鐘，去除Si /SiOCiH襯底表面雜質(zhì)，反濺功率為100-200 W，反濺偏壓為-500 V ;反濺氣體為氬氣(Ar);工作真空度為 1.0-3.0 Pa ； C、沉積RuMoC阻擋層薄膜: 采用反應(yīng)磁控濺射技術(shù)，在經(jīng)步驟b處理后的Si/SiOC:H基體上沉積厚度為5 nm的RuMoC薄膜；所用靶材為高純碳化鑰(MoC)靶和釕(Ru)靶；工作氣氛為Ar氣，Ar氣流量控制為35-40標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘(sccm)之間；工作真空度為0.45-0.60 Pa;磁控MoC靶和磁控Ru靶濺射功率分別控制為120-150 W和100-120 W范圍內(nèi);沉積偏壓為-100 V至-150V之間；沉積時間為10-20秒；沉積完成后關(guān)閉各磁控靶，關(guān)閉氣體Ar，反應(yīng)室基底真空度恢復(fù)為2.0X 10_4 Pa ;冷卻后出爐即獲得RuMoC阻擋層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化鑰摻雜釕基合金(RuMoC)阻擋層制備工藝，其特征在于:所述磁控MoC靶和磁控Ru靶的純度均為99.95%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化鑰摻雜釕基合金(RuMoC)阻擋層制備工藝，其特征在于:所述RuMoC合金層中Ru原子百分比控制在44-50 %范圍之間；Mo原子百分比控制在23-25%范圍之間；C原子百分比控制在23-25 %范圍之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化鑰摻雜釕基合金(RuMoC)阻擋層制備工藝，其特征在于:采用磁控MoC靶和磁控Ru靶共濺射的工藝，上述兩個工作靶與真空腔中心軸線方向呈45夾角。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化鑰摻雜釕基合金(RuMoC)阻擋層制備工藝，其特征在于:步驟c中，反應(yīng)室本底真空為2.0X 10_4 Pa ;工作真空度為0.45-0.60 Pa ;磁控MoC靶和磁控Ru靶濺射功率分別控制為120-150 W和100-120 W范圍內(nèi);沉積偏壓為-100至-150 V之間。
【文檔編號】H01L21/3205GK103972162SQ201410201533
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月13日
【發(fā)明者】劉波, 張彥坡, 林黎蔚, 廖小東 申請人:四川大學(xué)