[发明专利]一种高热稳定性双层扩散阻挡层材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高热稳定性Ru/TaN双层扩散阻挡层薄膜材料及制备。

背景技术

随着科学技术的突飞猛进，半导体制造技术面临日新月异的变化。传统的半导体工艺主要采用铝作为金属互联材料(Interconnect)，在信号延时(signal delay)上已经受到限制。相对于铝，铜具有良好的导电和电迁移性能，从而在超大规模集成电路(ULSI)制造中铜已经取代铝成为主要的互连材料。简单地说，以铜作为金属互联材料的一系列半导体制造工艺可以提高芯片的集成度，提高器件密度，提高时钟频率以及降低消耗的能量。但是铜极易在硅基衬底上扩散形成铜硅化合物，降低器件的电学性能。为了防止铜在硅基材料中的扩散，所以必须在铜硅之间上沉积一层阻挡层，然后再沉积一层很薄的铜籽层作为电镀铜的导电介质，也作为电镀铜的金属晶体生长的晶核层。接着的工艺是化学机械磨平(CMP)，主要是磨掉多余的铜，同时将硅片表面磨平。

随着半导体器件的尺度越来越小，铜互连结构中阻挡层对器件电学性能的影响也变得愈加明显。传统工业中广泛使用的Ta基阻挡层在32nm工艺及更低的尺度下的缺陷愈加的明显。Ta基阻挡层的表面较为粗糙，需要沉积较厚的Cu籽层，所以整个铜互连结构的尺寸无法做到很小。其次Ta阻挡层的电阻较大也影响了铜互连结构的电学性能。因此，如何制备性能更加优异的阻挡层材料来替代Ta基阻挡层成为目前亟待解决的技术难题。

Ru作为一种新兴的阻挡层材料今年来受到学者的广泛关注。Ru和Ta一样具有高熔点、高温稳定性以及和Cu不发生化学反应等优良特性。此外，Ru还具有Ta所不具备的优良特性。Ru的其体电阻率为7.6μΩcm，大约是Ta电阻率的一半，更为重要的是在生产过程中Ru的表面粗糙度明显优于Ta，而且可以在Ru层上直接电镀Cu而不需要事先沉积Cu籽层。这一优点减少了工艺降低了生产的成本。但是，Ru薄膜本身并不是一个很好的扩散阻挡层。文献报道，Ru在室温和退火过程中极易形成与基片垂直的柱状晶为铜扩散提供扩散通道，此外20nm的Ru薄膜作为铜扩散阻挡层的失效温度为450℃，而对于5nm的Ru薄膜，失效温度仅为300℃。

综上所述，如何对提高Ru薄膜的热稳定性变得极其重要，也直接的影响了其在实际应用中的可靠性。常用的改性方法为掺杂其他元素或者制备双层、多层薄膜的方法。

发明内容

本发明目的是：提供一种简单可控的磁控溅射法来制备Ru/TaN双层膜结构。通过控制其溅射过程中的氮气流量来得到不同N含量的非晶TaN膜，然后再沉积Ru膜，从而得到Ru/TaN双层膜结构。本发明目的还在于，过饱和的TaN膜中间隙的N原子在退火的过程中可以释放出来，在扩散的过程中与上层的Ru键合形成RuN并且塞积在Ru的晶界处，通过对双层阻挡层材料中N含量的精确控制，获得高性能的扩散阻挡特性，有效的阻止了铜原子的扩散。

本发明的技术方案是：高热稳定性双层扩散阻挡层材料的制备方法，采用直流磁控溅射法制备具有不同氮含量(不饱和和过饱和N)的TaN底层膜的Ru/TaN双层膜结构。溅射靶材为纯度达到99.9wt％以上的Ta和Ru，衬底为单晶Si片(111)，在沉积之前，将Si片清洗，然后对真空室抽真空，对Ta和Ru靶进行约30min的预溅射；Ru和TaN膜制备时采用直流磁控溅射，真空室本底真空抽至6×10^-5Pa以上，制备时真空室加Ar气，真空室的工作压力设置为1.5Pa；衬底温度保持为室温，TaN膜的溅射功率80±10W，通过控制溅射过程中氮气的流量来获得不同N含量的TaN薄膜；Ru膜的溅射功率为134±10W。

直流磁控溅射法制备不同N含量TaN膜的主要参数为：在制备TaN膜之前，先抽本底真空至6×10^-5Pa，然后通入Ar气，流量为20sccm，通过闸板阀调节真空室真空度为3.5Pa，然后开始气辉，为了除去Ta靶材表面的污渍和氧化物等，保证薄膜的纯度，先要进行约30min的预溅射，预溅射之后，通入氮气，再将真空度调至约1.5Pa开始生长TaN膜，为了生长出不同N含量的TaN膜，我们通过调节溅射过程中氩气和氮气分压来实现，溅射功率的范围为80±10W，衬底温度为室温。同样的实验步骤沉积Ru和Cu膜来获得Cu/Ru/TaN/Si互连结构。Ru膜的溅射功率控制在134±10W，Cu膜为80±10W。双层扩散阻挡层材料，衬底Si上分别设有TaN、Ru和Cu膜，三者的膜厚分别为8±2nm、8±2nm和300±30nm。

直流磁控溅射制备不同Cu/Ru/TaN/Si互连结构的实验方法步骤如下：