专利名称：一种用于纳米集成电路的铜扩散阻挡层的制备方法
技术领域：
本发明属于半导体集成电路技术领域，具体涉及一种阻止铜扩散的新型阻挡层材料及其制备方法。
背景技术：
在现代集成电路的铜互连技术中，通常采用Cu/low-k双镶嵌工艺来制备铜互连结构，在刻蚀好的通孔中淀积钽(Ta) /氮化钽(TaN)双层结构作为铜的扩散阻挡层，然后淀积较厚的铜籽晶层以获得良好的电镀铜层。有效的阻挡层必须既能阻止铜扩散进入介质层，又能改善阻挡层与介质层之间的粘附性。众所周知，在0. 13微米的技术节点中，Ta/TaN 双层阻挡层已经被成功应用于工业铜互连技术中。然而，随着集成电路最小特征尺寸逐渐缩小到32nm或以下，这种结构将面临各种挑战。随着沟槽和通孔高宽比的大幅度增加，由物理气相沉积(PVD)方法溅射的扩散阻挡层和籽晶铜层的台阶覆盖性变得较差，可能会导致沟槽和通孔产生空洞。因此采用超薄的能够直接电镀铜的扩散阻挡层，不仅能够简化工艺，还可以减轻由于台阶覆盖特性不好的扩散阻挡层和铜籽晶层所带来的各种问题。原子层淀积(ALD)是一种在经过表面活性处理的衬底上利用表面饱和反应，对温度和反应物通量不太敏感的淀积方法。原子层淀积与普通的化学沉积有相似之处，但是在原子层淀积过程中，新一层原子膜的化学反应是直接与前一层相关联的，这种方式使每次反应只淀积一层原子，因此通过控制反应周期的数量就可以精准的控制薄膜的厚度。相对于传统的淀积工艺而言，原子层淀积方法在薄膜的均勻性、阶梯覆盖率以及厚度控制等方面都具有明显的优势，它顺应了工业界向更低热预算方向发展的趋势。但是原子层淀积的生长过程需要满足其化学吸附反应的要求，选择合适的反应源以及设计适当的生长工艺参数用来作为阻挡层材料的淀积至关重要。
发明内容
本发明的目的在于提出一种超薄的能够直接电镀铜的扩散阻挡层材料，可以有效解决Cu/low-k双镶嵌工艺所面临的沟槽和通孔中空洞的产生以及由于台阶覆盖特性不好的扩散阻挡层和铜籽晶层所带来的严重问题。为达到本发明的上述目的，本发明提出了一种铜的扩散阻挡层的制备方法，具体步骤包括
在第一层金属互连层上形成互连通孔； 然后形成第一层金属薄膜；
采用原子层淀积技术在第一层金属薄膜上形成第二层金属薄膜； 最后形成铜互连结构。其中，所述的第二层金属薄膜的原子层淀积过程包括
①.将基片放入原子层淀积反应腔中，并加热反应腔至工艺温度；
②.通入第二层金属的金属有机物前驱体；③.通入氮气、氩气或者氦气等惰性气体带走残余的金属有机物前驱体；
④.通入氨气或者氧气等氧化剂蒸汽；
⑤.再次通入氮气、氩气或者氦气等惰性气体带走残余的氧化剂蒸汽；
⑥.重复进行步骤②-步骤⑤，直至达到所需求的薄膜厚度；
⑦.通入氢气或者甲烷等还原性气体，得到所需求的金属薄膜。进一步地，所述的第一层金属为TaN。所述的第二层金属为Co或者为Ru。更进一步地，当所述的第二层金属为Co时，采用的金属有机物前驱体包括但不局限于乙酰丙酮钴(Co(C5H7O2)2)；当所述的第二层金属为Ru时，采用的金属有机物前驱体包括但不局限于CpRu (CO) 2Et。本发明所提出的铜的扩散阻挡层材料及其制备方法具有以下优点
选用合适的反应前躯体，采用原子层沉积技术在TaN层上生长Co或者Ru，可以得到用于32nm或以下工艺节点中的互连中的扩散阻挡层，克服PVD淀积Ta/TaN双层结构作为铜的扩散阻挡层在台阶覆盖和保形性上的不足，有效解决Cu/low-k双镶嵌工艺中所面临的沟槽和通孔中空洞的产生以及电迁移稳定性的严重问题。相对于Ta/TaN阻挡层结构，Co/Cu和Ru/Cu结构的黏附性大于Ta/Cu结构的黏附性，使得Co和Ru直接作为电镀籽晶层成为可能。
图1为本发明所提出的采用原子层沉积技术制备Co或Ru等金属薄膜的工艺流程图。图2-图6为本发明所提供的制备铜的扩散阻挡层的一个实施例的工艺流程图。
具体实施例方式图1为本发明所提出的采用原子层淀积方法制备Co或者Ru等金属薄膜的工艺流程图，按照此工艺方法制备Co薄膜的实施例的具体工艺过程包括
1、将制备了 TaN扩散阻挡层的基片放入ALD反应腔中，并将ALD反应腔加热到反应所需温度200°C，并且在整个ALD生长期间保持这一温度。在生长薄膜之前将反应前躯体加热至设定温度，并且在整个ALD生长期间保持这一温度。在脉冲周期中的第一脉冲之前，使反应室达到反应所需的气压2torr，并且在整个工艺期间保持这一气压。2、以惰性气体比如氮气作为载体气体流将加热Co(C5H7O2)2挥发出的气体引入到反应腔中，脉冲时间为0.5秒。3、通入惰性气体，比如氩气，从反应腔中清除未反应的Co (C5H7O2)2气体和副产物， 脉冲时间为2-15秒。4、通入氧化剂蒸汽，比如氨气，脉冲时间为1-2秒。5、再次通入惰性气体，比如氩气，从反应腔中清除未反应的氧化剂蒸汽和副产物。6、重复进行步骤2-步骤5以达到所需要的薄膜厚度。7、在ALD反应腔中通入还原性气体，比如H2与Ar2混合气体，其中H2浓度为20%， 经过20分钟后去除表面可能的氧残余。本发明所提出的铜的扩散阻挡层材料及其制备方法适用于各种半导体集成电路的铜互连技术中，以下所叙述的是本发明所提供的在22nm工艺中制备Co/TaN双层扩散阻挡层的一个实施例。在图中，为了方便说明，放大或缩小了层和区域的厚度，所示大小并不代表实际尺寸。尽管这些图并不能完全准确的反映出器件的实际尺寸，但是它们还是完整的反映了区域和组成结构之间的相互位置，特别是组成结构之间的上下和相邻关系。首先，在已经形成有第一层金属互连层的基片上，利用化学气相沉积(CVD)工艺依次制备一层刻蚀阻挡层和一层Low-k介质层，如图2所示，所示201为绝缘介质层，比如为二氧化硅；所示202为第一层金属互连层；所示203为刻蚀阻挡层，比如为氮化硅；所示204 为Low-k介质层。接下来，在Low-k介质层204上淀积一层刻蚀阻挡层205，比如为氮化硅，然后利用包括光刻、刻蚀在内的双镶嵌工艺形成互连通孔，如图3所示。接着利用反应离子溅射或原子层淀积的方法制备TaN扩散阻挡层206，如图4所示。接下来，将制备了 TaN扩散阻挡层的基片放入原子层淀积设备中，采用本发明所提供的Co薄膜的原子层淀积方法在TaN扩散阻挡层206上生长一层Co薄膜207，从而构成 Co/TaN双层结构的铜扩散阻挡层，如图5所示。最后，利用电镀技术形成一层金属铜208，然后利用化学机械抛光技术形成铜互连结构，如图6所示。如上所述，在不偏离本发明精神和范围的情况下，还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实例。
权利要求
1.一种铜扩散阻挡层的制备方法，其特征在于具体步骤包括在第一层金属互连层上形成互连通孔；形成第一层金属薄膜；采用原子层淀积技术形成第二层金属薄膜；形成铜互连结构；其中，所述的第二层金属薄膜的原子层淀积过程为①.将基片放入原子层淀积反应腔中，并加热反应腔至工艺温度；②.通入第二层金属的金属有机物前驱体；③.通入惰性气体带走残余的金属有机物前驱体；④.通入氧化剂蒸汽；⑤.再次通入惰性气体带走残余的氧化剂蒸汽；⑥.重复进行步骤②-步骤⑤，直至达到所需求的薄膜厚度；⑦.通入还原性气体得到所需求的金属薄膜。
2.根据权利要求1所述的铜的扩散阻挡层的制备方法，其特征在于，所述的第一层金属为I^aN。
3.根据权利要求1所述的铜的扩散阻挡层的制备方法，其特征在于，所述的第二层金属为Co或者为Ru。
4.根据权利要求3所述的铜的扩散阻挡层的制备方法，其特征在于，所述的第二层金属为Co，其金属有机物前驱体为Co (C5H7O2) 2。
5.根据权利要求3所述的铜的扩散阻挡层的制备方法，其特征在于，所述的第二层金属为Ru，其金属有机物前驱体为CpRu(CO)2Ett5
6.根据权利要求1或3所述的铜的扩散阻挡层的制备方法，其特征在于，所述的惰性气体为氮气、氩气或者氦气。
7.根据权利要求1或3所述的铜的扩散阻挡层的制备方法，其特征在于，所述的氧化剂为氨气或氧气。
8.根据权利要求1或3所述的铜的扩散阻挡层的制备方法，其特征在于，所述的还原性气体为氢气或甲烷。
全文摘要
本发明属于半导体集成电路技术领域，具体为一种铜的扩散阻挡层的制备方法。本发明选用合适的反应前躯体，采用原子层沉积技术在TaN层上生长Co或者Ru，可以得到用于32nm或以下工艺节点中的互连中的扩散阻挡层，克服PVD淀积Ta/TaN双层结构作为铜的扩散阻挡层在台阶覆盖和保形性上的不足，有效解决Cu/low-k双镶嵌工艺中所面临的沟槽和通孔中空洞的产生以及电迁移稳定性的严重问题。
文档编号H01L21/768GK102332426SQ201110285348
公开日2012年1月25日 申请日期2011年9月23日 优先权日2011年9月23日
发明者孙清清, 张卫, 杨雯, 王鹏飞, 陈琳 申请人:复旦大学