[发明专利]一种阻挡层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件中阻挡层技术领域，具体涉及一种具有多层膜结构的阻挡层及其制备方法。

背景技术

在半导体技术领域，最早的互连金属是Al，然而随着器件的集成度的不断提高，特别是超大规模集成电路的发展,器件的特征尺寸不断缩小，芯片上互连线的截面积和线间距持续下降，这导致了互连线电阻R和寄生电容C不断增大，并使互连线的延迟时间常数RC大幅度地提高。由于RC在集成电路系统延迟中所占的比例越来越大,使其成为限制互连速度的主要因素。

为了保证集成电路的高速度、高集成度、高稳定性以及低功率，需要进一步减小互连线电阻R 和寄生电容C。前者的解决方法是采用电阻率更低的Cu金属来代替传统的互连材料Al，即开发Cu互连技术，后者则需要开发低介电常数k的材料作为绝缘介质材料。

目前，Cu互连已经替代Al互连成为主流工艺，然而在其应用过程中也带来了一些新的挑战:

1) Cu在Si及其氧化物及大部分介质层中扩散很快，且Cu一旦进入器件中就会形成深能级杂质，对器件中的载流子有很强的陷阱效应，使器件性能退化甚至失效。

2) Cu 在200 ℃以下极易与Si 、SiO₂ 发生反应，形成铜硅化合物造成组件失效。

3) Cu与介质材料的粘附性较差，导致集成电路中薄膜的机械强度不够高。

4) Cu不像Al可形成一层致密的氧化物保护层，因此易被氧化和腐蚀，从而影响金属连线的导电稳定性。

为了解决这些问题，需要在Cu与介质之间添加一层超薄的阻挡层来抑制铜与介质的反应。由于集成电路工艺要进行较高温度的热处理，作为具有扩散阻挡作用的阻挡层应具有良好的热稳定性、导电性、与其上的Cu及其下的介质都有好的粘附性、较小的热应力及机械应力。

金属氮化物（例如：HfN、TaN、TiN、MoN等）因具有优良的热稳定性和电学特性而被研究用来作为阻挡层材料。其中TaN因其优异的阻挡性能成为广泛使用的Cu互连阻挡层材料。同时为了提高与Cu的粘附性，通常采用Ta/TaN双层结构。

目前在多层互连工艺中，Cu双大马士革工艺已在除第一层金属互连以外的其它各层实现，而第一层金属互连仍然使用钨塞/硅化物源漏接触结构。由于钨的电阻率（~9.17μΩ˙cm）相对于Cu（~1.67μΩ˙cm）大很多，随着器件及互连尺寸的不断缩小，钨塞造成的RC延迟将大到难以忽略；另外，由于钨塞占有较高的电阻份额造成其功耗大，将对第一层的互连的可靠性产生很大影响。因此采用Cu塞替代钨塞变得十分必要，然而这对阻挡层的性能提出了更高的要求。目前已使用的阻挡层还不能满足Cu塞工艺的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有多层膜结构的阻挡层，拥有优异的阻挡性能，满足Cu塞工艺的要求。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种阻挡层，包括TaSiN层，位于TaSiN层上的TaN层，以及位于TaN层上的Ta层。

上述方案中，所述TaSiN层为非晶结构，厚度为4-40nm。

上述方案中，所述TaN层为非晶结构，厚度为4-40nm。

上述方案中，所述Ta层为多晶结构，厚度为4-40nm。

该阻挡层的制备方法，包括如下步骤：

采用物理气相沉积方法依次沉积TaSi层、Ta层；将TaSi层、Ta层置于浸没式等离子注入机中注入N生成TaSiN层、TaN层；用物理气相沉积方法在TaN层上沉积Ta层。

上述方案中，所述物理气相沉积方法为磁控溅射方法。

上述方案中，所述等离子注入机使用的等离子注入方法为浸没式等离子注入。

与现有技术相比，本发明采用的技术方案产生的有益效果如下：

本发明提供的多层膜结构的阻挡层将更加致密，其中的TaSiN/TaN层为非晶结构，由于非晶不存在晶界这样的可供快速扩散的通道，是理想的阻挡层结构，保证其热稳定性更好。

附图说明

图1为本发明实施例提供的多层结构阻挡层的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。