[发明专利]深亚微米集成电路Cu互连用梯度扩散阻挡层制备工艺

说明书

技术领域

本发明属于半导体集成电路制造工艺技术领域，特别涉及一种深亚微米超大规模集成电路Cu互连模系用低阻、高稳定性α-Ta/TaN梯度扩散阻挡层的制备工艺。

背景技术

随着集成电路特征尺寸的持续缩小、集成度不断提高，Cu已逐步取代Al作为新一代互连金属材料。然而，由于Cu在Si和Si基氧化物介质中，在低温下即可扩散生成深能级杂质，对器件中的载流子具有很强的陷阱效应，使器件性能退化甚至失效。因此，在Cu和Si或SiO₂之间必须要增加金属阻挡层，起到阻止Cu扩散以及改善Cu与基体结合性能的作用。在2007年版的《半导体路线体技术发展路线图》中也把引入超薄、高保形的低阻值金属阻挡层作为近期即2015年前的挑战之一，如文献[王洪波，2007年国际半导体技术发展路线图摘要介绍，中国集成电路2008；106：14]。

目前工业界常用的金属扩散阻挡层是Ta/TaN双层薄膜，这种双层薄膜主要是利用难熔金属Ta和氮化物TaN的高熔点，即Ta：2996℃，TaN：3087℃的高熔点，晶格和晶界扩散激活能较高的优势，如文献[姜蕾，集成电路Cu互连工艺中的Ta基扩散阻挡层研究，上海：复旦大学，2003]，特别是由于Ta层与Cu具有好的粘附性和界面稳定性，以及TaN与电介质较好的粘附性和高的热稳定性，使得双层薄膜Ta/TaN金属扩散阻挡层能够满足Cu互连的相关性能要求。一般来说Ta有两种相结构，即电阻率为15-60μΩ·cm稳定的α-Ta(体心立方)的低阻相结构和电阻率为200-700μΩ·cm亚稳的β-Ta(四方相)的高阻相结构。由于集成电路工艺中制备Ta膜时多采用远离平衡态的溅射沉积方法，因此制备出的Ta膜多是亚稳的β-Ta结构或α-Ta和β-Ta共存的相结构，如文献[S.M.Rossnagel，Journal of Vacuum Science & Technology B 20/6(2002)2328]和文献[R.Saha，J.A.Barnard，10th American Conference on CrystalGrowth/9th International Conference].

为了在非晶态TaN上得到α-Ta或α-Ta(N)相结构，大多采用方法包括：1、沉积后退火，如文献[L.Liu，Y.Wang，H.Gong，J.Appl.Phys.90/1(2001)416.]和文献[R.Knepper，B.Stevens，S.P.Baker，J.Appl.Phys.100/12(2006).]；2、高温环境下沉积，如文献[Y.M.Zhou，Z.Xie，H.N.Xiao，P.F.Hu，J.He，Vacuu 83(2008)286.]；