专利名称：铜互连阻挡层材料TaWN薄膜的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种材料技术领域的薄膜，具体是一种铜互连阻挡层材料TaWN薄膜。
背景技术：
随着集成电路器件特征尺寸进入到深亚微米，集成密度将进一步提高，芯片朝向多功能和高速度方向发展，所有这些都要求金属连线减少宽度、增加连线层数。但连线宽度减小会引起连线电阻增加，电路的互连延迟时间增大，整体互连的时间延迟RC急剧上升，从而远远超过了局域互连对互连总延迟的影响，成为决定芯片性能的关键因素，即发生所谓的“互连危机”。为了降低互连RC延迟，在设计方面需要对布线进行几何优化，在工艺方面需要降低互连线的电阻率及线间电介质和层间电介质的介电常数。Cu的电阻率比Al低35％，抗电迁移能力比Al高两个数量级。因此，当特征尺寸为0.13μm或更小时，Cu替代Al作为集成电路互连金属的首选。但Cu对Si、SiO2粘附性较差，扩散系数很大，所以铜互连线外面需要包裹一层阻挡层，位于金属线/接触点与半导体/绝缘体/其他金属之间，起到阻挡Cu热扩散进Si器件及改善粘附性的作用。
近年来，由于非晶阻挡层缺少Cu的快速扩散的通道—晶界，从而具有较好的阻挡效果而被广泛研究。特别地，由于三元非晶薄膜有着较高的晶化温度，从而可能作为最有效的扩散阻挡层，如(Ta，W，Mo，Ti)-Si-N，W-B-N等。非晶结构是亚稳态结构，一般地，当薄膜淀积过程中成核或平衡相生长被打破时才会形成。由于不稳定的晶相可打破薄膜生长过程中晶相的平衡，从而促使非晶相的形成。Mo-N和W-N不稳定，易于形成非晶相。通过合并不同的二元系统(如过渡金属的氮化物和硅化物)可增加平衡相的数目，进而增大非晶化的趋势。
经对现有技术的文献检索发现，关于Ta-W-N系列的Cu互连阻挡层，凌惠琴等在《Microelectronic Engineering》75(3)309-3152004上发表的“Diffusion barrier performance of reactively sputtered Ta-W-N betweenCu and Si”(在铜和硅之间反应溅射制备的TaWN的扩散阻挡性能，微电子工程)一文，该文用反应溅射法制备了含钨10％的TaWNx，研究了其阻挡性。但该文对TaWN的研究只是一个探索性的，组成选择带有很大的随机性，对不同W含量对TaWN薄膜阻挡性能的影响没有进行系统的研究，而且经700℃退火30分钟后，铜已经穿过阻挡层扩散到硅基底，形成了Cu3Si，阻挡层已经开始失效，与传统的TaNx相比，失效温度仅提高了50～100℃。
发明内容
本发明针对现有技术的不足和缺陷，提供一种铜互连阻挡层材料TaWN薄膜，通过在TaNx中加入15～25％的WNx，使其能够提高TaNx的晶化温度，得到非晶的阻挡层，提高阻挡铜向硅基底扩散的能力。本发明得到的TaWN阻挡层经800℃退火30分钟后才失效，优于常用的TaNx阻挡层和含钨10％的TaWN阻挡层，W-N含量的提高还促进了Cu沿(111)取向择优生长的增强。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明TaWN薄膜包含的组分及重量百分比为W 13.6％～22.7％，N 9％，其余为Ta。本发明TaWN阻挡层材料可用通过多种方法制备，如化学气相沉积法(CVD)和磁控溅射等方法。CVD法有利于得到致密、台阶覆盖率好的阻挡层，而磁控溅射是半导体工艺中常用的金属薄膜的淀积方法，不同制备方法得到的阻挡层材料由于在微结构上的差异，阻挡层性能略有所不用。
TaNx中加入少量的WNx，利用W-N的不稳定晶相，打破薄膜生长过程中晶相的平衡态，得到非晶的TaWN，能有效阻挡铜扩散。当钨含量过低，W-N相少，对TaWN非晶相的稳定作用太弱，钨含量过高，高温下W-N中氮原子易于重新分布，热稳定性差，造成阻挡层的失效，而且WN的电阻率高，不利于互连电阻的减小。因此本发明TaWN薄膜的W占总重量的13.6％～22.7％。
而TaNx和WNx中N的含量对阻挡层的电阻率，结晶性能有很大的影响，进而影响阻挡层的阻挡性能，最佳N含量是综合考虑各种因素后折中的结果，本发明TaWN薄膜的N占9％。
本发明得到的TaWN薄膜为非晶薄膜，可以进一步减小铜的扩散通道，而且经800℃～850℃退火30分钟后才有晶相TaN产生，阻挡层失效。当含钨W为16.4～18.2％时，TaWN阻挡性能到850℃退火30分钟才失效，失效起因于WNx分解，释放所有的N，形成W，同时导致TaN晶化。阻挡性能提高的同时，电阻率略有升高。
与现有技术相比，本发明TaWN薄膜，保持了TaN与铜优良的粘附性和低电阻率的特点，同时，W的加入，打破了TaNx薄膜生长过程中晶相的平衡态，提高了TaNx的结晶温度，得到了非晶的TaWN，减小了铜扩散的通道，能有效阻挡铜扩散。而且TaWN促进了Cu沿(111)方向成核生长，该取向的铜的抗电迁移能力强于(200)取向生长的铜。因此，本发明TaWN薄膜是理想的铜互连阻挡层候选材料。
具体实施例方式
结合本发明的内容提供以下实施例，实施例中材料采用反应磁控溅射法制备，具体步骤如下1.按照配比制备合金靶；2.用反应磁控溅射法制备TaWN薄膜；溅射中N2流量占总流量的20％，氮气流量所占比例过低，TaNx易晶化，阻挡性能不佳，而且当比例低于15％时，WNx在低于500℃时，就会有钨以α-W或β-W的形式析出，不利于WN对TaN相的稳定，氮气比例过高(＞30％)，阻挡层电阻率随氮气比例的增加而增加，并且WNx以W2N的形式出现，氮含量过饱和，在高温下氮的释放易造成阻挡层的失效。
3.在TaWN上采用直流溅射法淀积铜。
实施例1 TaWN薄膜，其组分重量百分比为W 13.6％，N 9％其余为Ta。
按照配比制备合金靶，用反应磁控溅射法在硅衬底上淀积50nm厚的TaWN薄膜，然后在不破坏真空的条件下，在TaWN上原位淀积一层120nm厚的铜。反应腔背底真空为10-3Pa，溅射时Ar气分压为8×10-2Pa，N2分压为2×10-2Pa。
经各种性能测试，本发明TaWN为非晶状态，直到800℃、真空退火半小时后才有TaN晶相生成，铜通过阻挡层扩散到硅衬底，形成了Cu3Si，最终导致了阻挡层的失效。其阻挡性能优于同等条件下制备的WNx和TaNx薄膜；电阻率为300μΩ·cm，同时，TaWN促进了Cu沿(111)方向成核生长，该取向的铜的抗电迁移能力强于(200)取向生长的铜。
实施例2 TaWN薄膜，其组分重量百分比为W 16.4％，N 9％其余为Ta。
按照配比制备合金靶，用反应磁控溅射法在硅衬底上淀积50nm厚的TaWN薄膜，然后在不破坏真空的条件下，在TaWN上原位淀积一层120nm厚的铜。反应腔背底真空为10-3Pa，Ar气分压为8×10-2Pa，N2分压为2×10-2Pa。
经各种性能测试，本发明TaWN为非晶状态，850℃、真空退火半小时后由于WNx发生分解，氮被释放出来，W发生晶化，TaN也发生晶化，铜通过阻挡层扩散到硅衬底，形成了Cu3Si，最终导致了阻挡层的失效。
TaWN保持了TaNx与铜优异的粘附性和低电阻率的特点，提高了TaNx的结晶温度，减小了铜扩散的通道，是理想的铜互连阻挡层材料。
实施例3 TaWN薄膜，其组分重量百分比为W 17.3％，N 9％其余为Ta。
按照配比制备合金靶，用反应磁控溅射法在硅衬底上淀积50nm厚的TaWN薄膜，然后在不破坏真空的条件下，在TaWN上原位淀积一层120nm厚的铜。反应腔背底真空为10-3Pa，溅射时Ar气分压为8×10-2Pa，N2分压为2×10-2Pa。
经各种性能测试，本发明TaWN为非晶状态，直到850℃、真空退火半小时后由于氮的释放和W和TaN结晶，铜通过阻挡层扩散到硅衬底，形成了Cu3Si，最终导致了阻挡层的失效。其阻挡性能优于同等条件下制备的WNx和TaNx薄膜电阻率340μΩ·cm。同时，TaWN促进了Cu沿(111)方向成核生长，该取向的铜的抗电迁移能力强于(200)取向生长的铜。
实施例4 TaWN薄膜，其组分重量百分比为W 18.2％，N 9％其余为Ta。
按照配比制备合金靶，用反应磁控溅射法在硅衬底上淀积50nm厚的TaWN薄膜，然后在不破坏真空的条件下，在TaWN上原位淀积一层120nm厚的铜。反应腔背底真空为10-3Pa，溅射时Ar气分压为8×10-2Pa，N2分压为2×10-2Pa。
经各种性能测试，本发明TaWN为非晶状态，直到850℃、真空退火半小时后由于氮的释放和W和TaN结晶，铜通过阻挡层扩散到硅衬底，形成了Cu3Si，最终导致了阻挡层的失效。电阻率为350μΩ·cm，W含量的增加，使薄膜的电阻率略有升高。同时，TaWN促进了Cu沿(111)方向成核生长，该取向的铜的抗电迁移能力强于(200)取向生长的铜。
实施例5 TaWN薄膜，其组分重量百分比为W 22.7％，N 9％其余为Ta。
按照配比制备合金靶，用反应磁控溅射法在硅衬底上淀积50nm厚的TaWN薄膜，然后在不破坏真空的条件下，在TaWN上原位淀积一层120nm厚的铜。反应腔背底真空为10-3Pa，溅射时Ar气分压为8×10-2Pa，N2分压为2×10-2Pa。
经各种性能测试，本发明TaWN为非晶状态，直到800℃、真空退火半小时后由于氮的释放和W和TaN结晶，铜通过阻挡层扩散到硅衬底，形成了Cu3Si，最终导致了阻挡层的失效。阻挡层的电阻率为500μΩ·cm，W含量的增加，使薄膜的电阻率增加，同时随WN含量的增加，退火过程中释放的N增加，加速了阻挡层的失效。
经上述实施例可以看出TaWN保持了TaNx与铜优异的粘附性和低电阻率的特点，提高了TaNx的结晶温度，减小了铜扩散的通道，是理想的铜互连阻挡层材料。
权利要求
1.一种铜互连阻挡层材料TaWN薄膜，其特征在于，包含的组分及重量百分比为W 13.6％～22.7％，N 9％，其余为Ta。
2.根据权利要求1所述的铜互连阻挡层材料TaWN薄膜，其特征是，包含的组分及重量百分比为16.4～18.2％，N 9％，其余为Ta。
3.根据权利要求1或者2所述的铜互连阻挡层材料TaWN薄膜，其特征是，电阻率为300～500μΩ·cm。
4.根据权利要求1或者2所述的铜互连阻挡层材料TaWN薄膜，其特征是，为非晶状态。
全文摘要
一种材料技术领域的铜互连阻挡层材料TaWN薄膜，包含的组分及重量百分比为W 13.6％～22.7％，N 9％，其余为Ta。当W 16.4～18.2％时，TaWN薄膜阻挡性能到850℃退火30分钟才失效。与现有技术相比，本发明TaWN薄膜，保持了TaN与铜优良的粘附性和低电阻率的特点，同时，W的加入，打破了TaN
文档编号C23C30/00GK1760408SQ200510030978
公开日2006年4月19日 申请日期2005年11月3日 优先权日2005年11月3日
发明者凌惠琴, 陈寿面, 李明, 毛大立, 杨春生 申请人:上海交通大学, 上海集成电路研发中心有限公司