专利名称：一种用于铜互连的导电阻挡层材料及制备方法
技术领域：
本发明涉及到一种用于铜互连的阻挡层材料及制备方法，特别适用用于超 大规模集成电路中的铜互连技术，属于微电子器件或其部件的制造或处理方法 技术领域。
技术背景目前，集成电路技术已飞速发展到超大规模集成电路(ULSI)阶段，器件性能 向着更高速、低功耗方向发展，相应的微细加工工艺也已进入深亚微米量级， 同吋使得高水平的互连线技术的可靠性变得越来越为迫切。由于金属铝有成S莫、 图形化加工容易实现，与硅和二氧化硅粘附t勉邻勺特点，目前LSI和VLSI集成 电路多采用铝布线技术。但是随着微细加工线条尺寸的缩小，通电的铝互连线 中的金属铝离子会沿电子流方向迁徙，这种传输在高温(T>200°C)和大电流密度 (j^loeA/cnf)的作用下尤为显著。经历几百小时甚至几小吋后，铝布线就会出 现空洞，空洞逐渐聚集而造成集成电路失效，这就是众所周知的"电徙动"现 象。随着集成电路集成度的不断提高，要求集成电路的特征尺寸越来越小，因 此，对于ULSI若仍然继续采用铝布线，将严重影响集成电路的可靠性。Cu的电 阻率比A1低350《，另外，Cu在275。C的条件下由电引起的离子漂移速度为Al的 1/65, Cu的应力特性也远好于Al 。使用Cu互连可以减小芯片上互连线的电阻, 降低耦合矂声和互连线的信号延迟。在保持同样的RC吋间延迟下，可以减少金
属布线的层数，同时芯片面积可缩小20^a^。虽然Cu有诸多优点，但是Cu在 微电子工业中的引入还有许多问题需要解决(1) Cu扩散进入S1衬底后会变成 深能级杂质，影响器件的性能;(2) Cu和S1、 S102的粘附性差;(3) Cu和S1 在200。C左右发生反应形成Cu与S1的化合物；(4) Cu不像A"l那样可以形成自 我保护的氧化层。因此，在铜互连技术中，为了防止上述问题的发生，需要在 Cu薄膜和硅衬底之间引入一层扩散阻挡层，以避免Cu与S1之间的直接接触。 Cu的应用需要以理想阻挡层的发现和应用为前提。 发明内容本发明的目的是提供一种成本低、热力学稳定性好、同S1衬底粘附性好、 导电性良好、熔点高的金属间化合物N1—A1薄膜用于铜互连导电阻挡层，通 过选择磁控溅射工艺参数实现阻挡层的制备，以实现未来大规模集成电路的铜 互连对阻挡层的需要。本发明的技术方案是这样实现的这种用于铜互连的导电阻挡层材料，由硅 衬底、导电阻挡层组成，其特征在于导电阻挡层材料是采用fi兹控溅射法在硅 衬底基体上生长非晶态N1-A1 二元合金薄膜，然后在N1-A1 二元合金薄膜原位 生长CU薄膜料制成。所述用于铜互连的导电阻挡层材料，所述的硅衬底为拋光的单晶硅、表面生 长有多晶硅的单晶硅以及其它材料的基片。所述用于铜互连的导电阻挡层材料，所述的N1-A1 二元合金薄膜厚度为 3-100nm。 所述用于铜互连的导电阻挡层材料，所述的Cu薄膜厚度为5-300nm。所述用于铜互连的导电阻挡层材料，所述硅衬底基体上生长的N1-Al 二元 合金薄膜和Cu薄膜为平面结构或大马士革结构。所述用于铜互连的导电阻挡层材料的制备方法，包括如下步骤A、 把拋光的单晶硅衬底依次用HF、去离子水超声处理后，用高纯氮气吹干 放置到磁控溅射真空室的样品台上；B、 选用高纯的N1-Al和Cu圆形耙材，先用细沙纸打磨靶的表面，以去除靶 表面的杂质，经过丙酮、无水乙醇清洗后分别将靶材安装在真空室中的磁性底 座上；C、 应用分子泵和真空泵将真空室的真空度抽至(0.1-5) xlO"Pa后，应用流量廿向真空室中通入高纯氩气，保持真空室的高纯氩动态平衡的气压为 0.8-50 Pa, N1-A1 5巴与衬底间距为25-65 rmi,溅射功率为1-50W,沉积时间为 30 mln，得到NI-Al非晶薄膜；D、 N1-A，薄膜制备完毕后，不打开真空室，将真空室的真空度抽至(1-5) xl0—Ta后，向真空室中充入高纯氩气，保持真空室的沉积气压为0.8-50Pa; Cu靶与衬底间距为20-60圆，溅射功率为IO - 100 W,转动样品台原位生长， Cu織莫；E、 应用高真空l ~ 5xl0"5 Pa退火系统对Cu/N1-Al/S1多层薄膜结构进行 退火处理，退火条件为300-900°C 。
所述用于铜互连的导电阻挡层材糊勺制备方法，步骤D中生长Cu薄膜的沉 积速率为l-50nm/分钟。所述的用于铜互连的导电阻挡层材料的制备方法，步骤D中在300-900。C温 度下，直接应用磁控溅射法实现Cu薄膜的制备，不另外进行退火处理。所述的用于铜互连的导电阻挡层材料的制备方法，步骤D在生长完Cu織莫之 后，在Cu薄膜上面再生长一层N1-A1钝化层。本发明采用磁控溅射法在半导体硅衬底上制备非晶态N1-A1薄膜扩散阻挡 层，进一步在其上生长Cu薄膜。N1-A]材料同S1和Cu具有良好的热力学稳定性； 非晶的N1-A1薄膜不存在扩散通道,可以有效避免Cu生长过程中向硅衬底的扩散； N1-A1薄膜具有成本低、热力学稳定性好、同S1衬底粘附性好、导电性良好、熔 点高等特点。研究发现应用磁控溅射法制备的非晶态的N1-A1薄膜可以避免Cu和 S1在高温退火吋发生反应，起到用于铜互连的阻挡层的功能。本发明易于控制、 设备要求低、可以与半导体工艺兼容，广泛应用于微电子领域。
图l :不同退火温度下Ol/N1-Al/S1的XRD图谱对不同温度退火的样品，在图中除了CU的衍射峰外，没有发现其它的杂相 峰存在，从而说明层与层之间的不存在化学反应。 图2 : Cu/N1-Al/S個电阻随退火温度的关系对不同温度退火的样品，Cu/N1-Al/S1面电阻随退火温度的升高没有明显的 增加，从而说明层与层之间的不存在化学反应和互扩散。
图3 : CU/N1-A1/S1界面高分辨电子显微镜图Cu/N1-Al/S1界面高分辨电子显微镜图告诉我们N1-Al为非晶结构，层与层之间界面清晰，硅衬底的原子像排列规则，进一步证明层与层之间的不存在化学 反应和互扩散，说明了N1-Al可以用作Cu和S1之间的阻挡层材料。具体鄉方式实施例1 :1、 非晶态N1-A1薄膜的制备1) 把拋光的(001)单晶硅衬底用10站勺HF、去离子水超声处理清洗后，用 高纯氮气吹干，迅速放入磁控溅射真空室的样品台上；2) 选用高纯的N1-Al和Oi圆形耙材，先用细沙纸打磨耙的表面，以去麟巴 表面的杂质，经过丙酮、无水乙醇清洗后分别将靴材安装在真空室中的磁 性底座上；3) 应用分子泵和真空泵将真空室的真空度抽至(1-5) Xl(T，a后，应用流 量廿向真空室中通入高纯氩气，保持真空室的高纯氩动态平衡的压强为 50 Pa，应用射频磁控溅法逬行N1-A1織莫的制备，N1-A1靶(北京泰科 诺有限公司)与衬底间距为60 mm，溅射功率为5W,沉积时间为20m1n, 得到N1-Al非晶薄膜；将真空室的真空度抽至1x10—，a，然后通入高纯 氩气，沉积气压为6 Pa ;得到的N1-A1非晶薄膜厚度3.4 nm ;2、 Cu薄膜的制备1)在步骤1制备的N1-A1非晶薄膜基础上，不打开真空室，将真空室的真 空度抽至lxlCT，a，然后通入高纯氩气，控制沉积气压为8Pa ; Cu靶(北 京泰科诺有限公司)与衬底间距为50 nm,转动样品台原位生长，溅射功 率为10-100W,沉积吋间为20 mln，得到的Cu薄膜厚度为120 nm ;2)把上述样品分割成数块小样品，在高真空条件下1 ~ 5xl03 Pa，分批 对Cu薄膜小样品迸行300。C一分钟、4(XTC—分钟、600。C一分钟和750 。C一分钟。对不同温度退火的样品，Cu/N1-Al/S1面电阻随退火温度的升 高没有明显的增加，如图2所示。 实施例2 :1、 非晶态N1-Al織莫的制备1) 把拋光的(001)单晶硅衬底用10站勺HF、去离子水超声处理清洗后，用 高纯氮气吹干，迅速放入磁控溅射真空室的样品台上；2) 选用高纯的N1-A1和Cu圆形耙材，先用细沙纸打磨靶的表面，以去除革巴 表面的杂质，经过丙酮、无水乙醇清洗后分别将 巴材安装在真空室中的磁 性底座上；3) 应用分子泵和真空泵将真空室的真空度抽至(1-5) xlO"Va后，应用流 量廿向真空室中通入高纯氩气，保持真空室的高纯氩动态平衡的压强为 50 Pa,应用射频磁控溅法进行N1-A1薄膜的制备，N1-A1靶(北京泰科 诺有限公司)与衬底间距为50 rmi,设置溅射功率为50 W,沉积时间为25 mln，得到的NI-Al非晶薄膜厚度100 nm ;2、 Cu薄膜的制备1) 在步骤1制备的N1-A1非晶薄膜基础上，不打开真空室，将真空室的真 空度抽至lxl0—卞a,然后通入高纯氩气，控制沉积气压为8Pa ; Cu耙(北 京泰科诺有限公司)与衬底间距为50nm，转动样品台原位生长，溅射功 率为IOO W,沉积吋间为9 m1n，得到的Cu薄膜厚度为300 nm。2) 把上述样品分割成数块小样品，在高真空条件下1 ~ 5xl(T Pa,分批 对Cu薄膜小样品进行300。C一分钟、400。C一分钟、600°C—分钟和750 。C一分钟，然后对获得的样品进行检测。实施例31 、非晶态N1-A1薄膜的制备1) 把拋光的(001)单晶硅衬底用10站勺HF、去离子水超声处理清洗后，用 高纯氮气吹干，迅速放入磁控溅射真空室的样品台上；2) 选用高纯的N1-Al和Cu圆碟巴材，先用细沙纸打磨 巴的表面，以去除革巴 表面的杂质，经过丙酮、无水乙醇清洗后分别将 巴材安装在真空室中的磁 性底座上；3) 应用分子泵和真空泵将真空室的真空度抽至(1-5) xl0—Ta后，应用流 量廿向真空室中通入高纯氩气，保持真空室的高纯氩动态平衝的压强为 50Pa，应用射频磁控溅法进行N1-A，薄膜的制备，N1-A1耙(北京泰科 诺有限公司)与衬底间距为60 rmi,溅射功率为5W,沉积时间为20m1n， 得到N1-A1非晶薄膜；将真空室的真空度抽至lxlO"Pa,然后通入高纯 氩气沉积气压为6 Pa ;得到的N1-A1非晶薄膜厚度4 nm ; 2、 Cu薄膜的制备1) 在步骤i制备的m-Ai非晶薄膜基础上，不打开真空室，将真空室的真空度抽至lxlO，a,然后通入高纯氩气,控制沉积气压为8Pa ; Cu靶(北 京泰科诺有限公司)与衬底间距为50rmi,转动样品台原位生长，溅射功 率为10-IOOW，沉积时间为0.8 mln,得到的Cu薄膜厚度为5 nm ;2) 把上述样品分割成数块小样品，在高真空条件下1 ~ 5xl0力Pa,分批 对Cu薄膜小样品进行300。C一分钟、400。C一分钟、600。C一分钟和750 。C一分钟，然后对获得的样品迸行检测。上述实施例生长Cu薄膜的沉积速率可选择为l-50nm/分钟。上述实施例给出的延伸技术方案是可以直接应用高温300-900。C的磁控溅 射法实现Cu薄膜的制备，不另外进行退火处理。上述实施例给出的延伸技术方案是在生长完Cu薄膜之后，在Cu薄膜上面 再生长一层N1-A，钝化层。上述实施例中所使用的磁控溅射系统是由沈阳科学仪器中心生产的多靶系统。上述实施例Cu/非晶态m-A1/S1异质结各个温度下的X射线衍射测量没有 发现杂相存在如图1所示；对异质结界面进行透射电子显微镜以及高分辨透 射电子显微镜的研究发现异质结界面清晰、不同材料之间不存在互扩散、相互 反应如图3所示，实验结果充分表明了用非晶态N1—Al薄膜作为铜互连阻挡 层的可行性。
本发明列举的实施例旨在更迸一步地阐明用于铜互连的阻挡层材料及制备 方法，而不对本发明的范围构成任何限制。
权利要求
1、一种用于铜互连的导电阻挡层材料，由硅衬底、导电阻挡层组成，其特征在于导电阻挡层材料是采用磁控溅射法在硅衬底基体上生长非晶态Ni-Al二元合金薄膜，然后在Ni-Al二元合金薄膜原位生长Cu薄膜料制成。
2、 根据权利要求1所述用于铜互连的导电阻挡层材料，其特征在于所 述的硅衬底为拋光的单晶硅、表面生长有多晶硅的单晶硅。
3、 根据权利要求1所述用于铜互连的导电阻挡层材料，其特征在于所 述的N1-A] 二元合金薄膜厚度为3-100nm 。
4、 根据权利要求1所述用于铜互连的导电阻挡层材料，其特征在于所 述的Cu薄膜厚度为5-300nm。
5、 根据杈利要求1所述用于铜互连的导电阻挡层材料，其特征在于所 述硅衬底基体上生长的N1-A1 二元合金薄膜和Cu薄膜为平面结构或大马士革 结构。
6、 根据权利要求1-5任一项权利要求所述用于铜互连的导电阻挡层材料 的制备方法，其特征包括如下步骤A、 把拋光的单晶硅衬底依次用HF、去离子水超声处理后，用高纯氮气吹 干放置到磁控溅射真空室的样品台上；B、 选用高纯的N1-Al和Cu圆形i巴材，先用细沙纸打磨耙的表面，以去除 靶表面的杂质，经过丙酮、无水乙醇清洗后分别将i巴材安装在真空室中的磁性底座上；C、 应用分子泵和真空泵将真空室的真空度抽至(1-5) xl0—节a后，应用流量廿向真空室中通入高纯氩气，保持真空室的高纯氩动态平衡的气压为 0.8-50 Pa, N1-A1靶与衬底间距为25-65 fTTTi,溅射功率为1-50W,沉积吋间 为30 mln，得到NI-Al非晶薄膜；D、 N1-A]薄膜制备完毕后，不打开真空室，将真空室的真空度抽至(1-5) x10—，a后，向真空室中充入高纯氩气,保持真空室的沉积气压为0.8-50Pa ; Cu靶与衬底间距为20-60 rmi,转动样品台原位生长，溅射功率为10-100W, 沉积时间为20m1n,得到Oi薄膜；E、 应用高真空1 ~ 5xl0"5 Pa退火系统对Cli/N1-A1/S1多层薄膜结构进 行退火处理，退火条件为300-900°C 。
7、 根据杈利要求6所述用于铜互连的导电阻挡层材料的制备方法，其特征 在于步骤D中生长Cu薄膜的沉积速率为1-50nm/分钟。
8、 根据权利要求6所述的用于铜互连的导电阻挡层材料的制备方法，其 特征在于步骤D中直接应用高温300-900。C的磁控溅射法实现Cu薄膜的制 备，不另外进行退火处理。
9、 根据权利要求6所述的用于铜互连的导电阻挡层材料的制备方法，其特 征在于步骤D在生长完Cu薄膜之后，在Cu薄膜上面再生长一层N1-Al钝化 层。
全文摘要
本发明提供一种用于铜互连的导电阻挡层材料，由硅衬底、导电阻挡层组成，其特征在于导电阻挡层材料是采用磁控溅射法在硅衬底基体上生长非晶态Ni-Al二元合金薄膜，然后在Ni-Al二元合金薄膜上原位生长Cu薄膜制成。本发明利用Ni-Al材料同Si和Cu具有良好的热力学稳定性；非晶的Ni-Al薄膜不存在扩散通道，可以有效避免Cu生长过程中向硅衬底的扩散；Ni-Al薄膜具有成本低、热力学稳定性好、同Si衬底粘附性好、导电性良好、熔点高等特点。研究发现应用磁控溅射法制备的非晶态的Ni-Al薄膜可以避免Cu和Si在高温退火时发生反应，起到用于铜互连的阻挡层的功能。本发明易于控制、设备要求低、可以与半导体工艺兼容，广泛应用于微电子领域。
文档编号H01L23/532GK101150115SQ20071018520
公开日2008年3月26日 申请日期2007年11月8日 优先权日2007年11月8日
发明者刘保亭, 王英龙, 赵庆勋, 芳 边, 邢金柱, 郭庆林, 霍骥川, 良 马 申请人:河北大学