[发明专利]一种用于铜互连的导电阻挡层材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及到一种用于铜互连的阻挡层材料及制备方法，特别适用于超大规模集成电路中的铜互连技术，属于微电子器件或其部件的制造或处理方法技术领域。

背景技术

目前，集成电路技术已飞速发展到超大规模集成电路(ULSI)阶段，器件性能向着更高速、低功耗方向发展，相应的微细加工工艺也已进入深亚微米量级，同时使得高水平的互连线技术的可靠性变得越来越为迫切。由于金属铝有成膜、图形化加工容易实现，与硅和二氧化硅粘附性好的特点，目前LSI和VLSI集成电路多采用铝布线技术。但是随着微细加工线条尺寸的缩小，通电的铝互连线中的金属铝离子会沿电子流方向迁徙，这种传输在高温(T＞200℃)和大电流密度(j＞＝10⁶A/cm²)的作用下尤为显著。经历几百小时甚至几小时后，铝布线就会出现空洞，空洞逐渐聚集而造成集成电路失效，这就是众所周知的“电徙动”现象。随着集成电路集成度的不断提高，要求集成电路的特征尺寸越来越小，因此，对于ULSI若仍然继续采用铝布线，将严重影响集成电路的可靠性。Cu的电阻率比Al低35％，另外，Cu在275℃的条件下由电引起的离子漂移速度为Al的1/65，Cu的应力特性也远好于Al。使用Cu互连可以减小芯片上互连线的电阻，降低耦合噪声和互连线的信号延迟。虽然Cu有诸多优点，但是Cu在微电子工业中的引入还有许多问题需要解决：(1)Cu扩散进入Si衬底后会变成深能级杂质，影响器件的性能；(2)Cu和Si、SiO₂的粘附性差；(3)Cu和Si在200℃左右发生反应形成Cu与Si的化合物；(4)Cu不像Al那样可以形成自我保护的氧化层。因此，在铜互连技术中，为了防止上述问题的发生，需要在Cu薄膜和硅衬底之间引入一层扩散阻挡层，以避免Cu与Si之间的直接接触。Cu的应用需要以理想阻挡层的发现和应用为前提。

发明内容

本发明的目的是提供一种成本低、热力学稳定性好、同Si衬底粘附性好、导电性良好、熔点高的金属间化合物Ti-Al薄膜用于铜互连导电阻挡层，通过选择磁控溅射工艺参数实现阻挡层的制备，以实现未来大规模集成电路的铜互连对阻挡层的需要。

本发明的技术方案是这样实现的：这种用于铜互连的导电阻挡层材料，由硅衬底、导电阻挡层组成，导电阻挡层材料是采用磁控溅射法在硅衬底基体上生长非晶态Ti-Al二元合金薄膜，然后在Ti-Al二元合金薄膜原位生长Cu薄膜料制成。

所述用于铜互连的导电阻挡层材料，所述的硅衬底为抛光的单晶硅或表面生长有多晶硅的单晶硅。

所述用于铜互连的导电阻挡层材料，所述的Ti-Al二元合金薄膜厚度为3-100nm。

所述用于铜互连的导电阻挡层材料，所述的Cu薄膜厚度为5-300nm。

所述用于铜互连的导电阻挡层材料，所述硅衬底基体上生长的Ti-Al二元合金薄膜和Cu薄膜为平面结构或大马士革结构。

所述用于铜互连的导电阻挡层材料的制备方法，包括如下步骤：

A、选用Ti和Al比率为3∶1纯度为99.99％的Ti-Al靶和纯度为99.95％的Cu圆形靶材，先用细沙纸打磨靶的表面，以去除靶表面的杂质，经过丙酮、无水乙醇清洗后用高纯氮气吹干，分别将靶材安装在真空室中的磁性底座上；

B、把抛光的单晶硅衬底依次用HF、去离子水超声处理后，用高纯氮气吹干迅速放置到磁控溅射真空室的样品台上；

C、应用分子泵和真空泵将真空室的真空度抽至(1-5)×10^-4Pa后，应用流量计向真空室中通入高纯氩气，保持真空室的高纯氩动态平衡的气压为0.8-50Pa，Ti-Al靶与衬底间距为25-65mm，溅射功率为1-50W，沉积时间为30min，得到Ti-Al厚度为2-100nm的非晶薄膜；

D、Ti-Al薄膜制备完毕后，不打开真空室，将真空室的真空度抽至(1-5)×10^-4Pa后，向真空室中充入高纯氩气，保持真空室的沉积气压为0.8-50Pa；Cu靶与衬底间距为20-60mm，转动样品台原位生长，溅射功率为10-100W，沉积时间为1-30min，得到厚度为20-150nm的Cu薄膜；

E、应用高真空1～5×10^-5Pa退火系统对Cu/Ti-Al/Si多层薄膜结构进行退火处理，退火条件为300-900℃。

所述用于铜互连的导电阻挡层材料的制备方法，步骤D中生长Cu薄膜的沉积速率为1-50nm/分钟。