[发明专利]双层高熵合金扩散阻挡层的制备方法

说明书

技术领域

本申请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互连膜系用双层高熵合金扩散阻挡层的制备方法。

背景技术

随着超大规模集成电路(ULSI)工艺技术的飞速发展，集成电路特征尺寸持续减小，要求扩散阻挡层尽可能减薄的同时，维持高温下的扩散阻挡性能和热稳定性能，这使得Al作为互连材料产生的RC延迟急剧增加所导致的器件性能严重下降的问题日趋严重。时至今日，Cu已逐步取代Al作为新一代互连金属材料。然而，虽然Cu自身的诸多物理性质对其应用在Si器件上有很大的优势，但是Cu在Si器件中的应用却存在一些无法避免的问题，如Cu在Si及其氧化物中有着较高的扩散速率，一旦Cu原子进入Si层，在较低的温度下便会成为深能级受主杂质，对器件中的载流子具有很强的陷阱效应，导致器件性能退化，最终失效。另外Cu和介质的粘附性能较弱，易被氧化。因此，在Cu互连工艺中必须引入适当的金属或合金膜层以增强Cu和介质的粘附性，同时起到阻止Cu与Si的扩散反应。

目前对Cu扩散阻挡层的研究主要集中在以下几个方面：(1)单质难熔金属和合金材料，如文献[Khin Maung LATT，H.S.PARK，S.LI.Journal of Materials Science，2002,37(2002):1941–1949]和[J.S.FANG，T.P.HSU，H.C.CHEN.2007，Journal of ElectronicMaterials，36(5):614-622]。难溶单质金属和二元合金尽管具有较低的电阻率及与Cu粘附性较好等优点，但其热稳定性一般较差，在600℃以下即与Si反应导致阻挡层失效；(2)难熔金属的氮/碳化物和难熔金属三元化合物，如文献[Khin Maung Latt，C.Sher-Yi，T.Osipowicz.Journal of Materials Science，2001，36(2001):5705–5712]和[L.W.Lin,B.Liu，D.Ren et al.Surface and Coatings Technology.2012]。难熔金属氮化物和三元化合物虽然拥有较高的热稳定性，但由于高温条件下N、O、C易扩散至阻挡层与Cu的界面处，导致阻挡层与Cu的粘附性降低，导致界面间隙的出现。

为克服上述材料所存在的缺点，寻求新材料和新工艺解决上述问题势在必行。近年来，研究者们纷纷将目光投向高熵合金，希望以利用高熵合金所具有的优良物理和化学性能解决上述问题。

高熵合金之所以具有优异的物理和化学性能主要依赖于传统合金所不具有的效应[叶均蔚.高熵合金的发展.华冈工程学报，2011，27(2011):1-18]。研究者希望可以利用高熵合金所具有的高熵效应、严重的晶格畸变效应在解决粘附性，提高材料稳定性同时，利用其迟缓扩散效应、鸡尾酒效应提高扩散阻挡层阻碍扩散的能力。

正因为高熵合金具有良好的扩散阻挡性能和热稳定性，使得研究者们纷纷将高熵合金及其氮化物应用在Cu互连扩散阻挡层中，并且取得了很好的效果。如将50nm AlCrTaTiZr氮化物薄膜作为Cu互连扩阻挡层，失效温度可达900℃[Shou-Yi Chang，Ming-Ku Chen.Thin Solid Films，2009，517(2009):4961–4965]；为满足扩散阻挡层超薄化的要求，Chang设计了厚度为4nm的(AlCrRuTaTiZr)Nx扩散阻挡层[Chang S Y，Li C E，Huang Y C，Huang Y C.J Alloys Compd,2012；515:4]。为达到改善扩散阻挡层与金属层结合性能的目的，避免由于氮化物与Cu的热膨胀系数差别较大，高温下在界面处易形成空洞，导致金属互连线失效，Chang和Chen等设计了(AlCrTaTiZr)N/(AlCrTaTiZr)N0.7双层扩散阻挡层，但(AlCrTaTiZr)N0.7在改善粘附性的同时也增加了体系的电阻率，使得互连体系延迟增大[Chang S Y,Chen D S.Mater Chem Phys,2011；125:5]。

发明内容

针对双层高熵合金扩散阻挡层的技术现状与不足，本申请的目的旨在提供一种适于工业化的双层高熵合金扩散阻挡层的制备方法，通过该方法制备制备出热稳定性好、电阻率低，并能改善与Cu之间粘附性能的双层高熵合金扩散阻挡层。