专利名称：一种利用含氮的等离子体制备低阻钽和氮化钽双层阻挡层的方法
技术领域：
本发明属于集成电路工艺领域，涉及一种制造低阻钽和氮化钽双层阻挡层的方法，具体涉及一种利用含氮的等离子体制备低阻钽和氮化钽双层阻挡层的方法。
背景技术：
与铝相比，铜(Cu)的电阻率小，抗电迁移能力强，应力特征也远好于铝，因此在高性能的CMOS (互补金属氧化物半导体)微处理器中，与低介电常数介质层相结合的铜互连技术逐步代替了铝互连技术。然而由于易氧化、易扩散的缺点，铜在硅(Si)及其氧化物以及大部分介质层中的扩散相当快。铜一旦进入器件即形成深能级杂质，对器件中的载流子具有很强的陷阱效应，使得器件的性能退化甚至失效。防止铜扩散的有效途径是在铜与介质之间增加一扩散阻挡层，阻挡层要求在一定的高温条件下能有效阻止铜的扩散，而且与铜及介质层有良好的粘附性及较小的接触电阻。近年来，难熔金属及其氮化物特别是钽和氮化钽(Ta/TaN)双层阻挡层由于具有较好的阻挡性能和热稳定性能而受到了广泛的关注。由于器件尺寸的不断缩小以及与之相伴的接触孔直径和互连线线宽的减小，铜扩散阻挡层已经越来越成为导体本身的一部分。在32纳米技术节点之后，铜扩散阻挡层本身的电阻率已成为越来越重要的一个参数，对于常用的Ta/TaN双层阻挡层，这就要求TaN阻挡层的厚度要足够薄，并且Ta阻挡层的阻值要尽量的低。Ta具有两种晶体结构，体心立方结构的α相钽(α-Ta)和四方体结构的β相钽(β-Ta)。β-Ta的电阻率较高(>200 μ Ω -cm),温度系数较低；而α-Ta的电阻率较低(薄膜为30 μ Ω._)，温度系数较高，因此α-Ta更有希望作为铜互连中的扩散阻挡层。
没有中间的TaN层时，在氧化硅(SiO2)或含碳氧化硅(SiOCH)等基底上生长出来的是高电阻率的β-Ta。相比之下，在生长Ta之前先淀积一层足够厚的TaN层时，生长得到的Ta层就是低电阻率的α-Ta。然而，TaN层厚度增加的同时也增加了阻挡层的电阻。实验发现，低电阻率的α-Ta更容易生长于氮含量丰富的TaN层之上。目前，通常通过调整TaN层生长过程中的工艺参数来调整TaN层中的氮的含量，以得到低阻的α -Ta，然后该方法难以操作也难以控制。
发明内容
本发明的目的在于提出一种新的制备低阻α -Ta和TaN双层阻挡层的方法，以克服目前低阻α -Ta和TaN双层阻挡层的制备方法的不足。本发明所提供的一种利用含氮的等离子体制备低阻钽和氮化钽双层阻挡层的方法，包括:
在提供的半导体基底上生长氮化钽阻挡层；
用含氮的等离子体对所形成的氮化钽阻挡层进行处理；
在所述氮化钽阻挡层之上生长钽阻挡层，所得到的钽阻挡层和氮化钽阻挡层构成双层阻挡层结构。如上所述的利用含氮的等离子体制备低阻钽和氮化钽双层阻挡层的方法，所述的用含氮的等离子体对氮化钽阻挡层进行处理是将生长氮化钽阻挡层后的半导体基底放入反应设备中，并向反应设备中通入含氮气体，然后利用直流放电或者交流放电的方法得到含氮的等离子体对氮化钽阻挡层进行处理。如上所述的利用含氮的等离子体制备低阻钽和氮化钽双层阻挡层的方法，所述的
含氮气体为氨气、一氧化二氮、三氟化氮中的一种。如上所述的利用含氮的等离子体制备低阻钽和氮化钽双层阻挡层的方法，所述的用含氮的等离子体对氮化钽阻挡层进行处理的时间为1-30分钟。由于α-Ta更容易生长于氮含量丰富的氮化钽层之上，本发明通过用含氮的等离子体对氮化钽层进行处理，可以显著得提升氮化钽层中的氮含量，从而可以在氮化钽层较薄的情况下生长得到低电阻率的α-Ta，以达到制备低阻钽和氮化钽双层阻挡层的目的。相比于传统的通过调整氮化钽生长过程中的工艺参数来调整氮化钽层中的氮含量，本发明所提出的通过用含氮的等离子体对氮化钽层进行处理来提升氮化钽层中的氮含量的整个过程更易操作也更容易控制。
图1为本发明所提出的利用含氮的等离子体对氮化钽阻挡层进行处理的示意图。图2-图4为本发明所提出的利用含氮的等离子体制备低阻钽和氮化钽双层阻挡层的方法的一个实施例的工艺流程图。
具体实施例方式下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明，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。图1为本发明所提出的利用含氮的等离子体对氮化钽阻挡层进行处理的示意图。如图1，氮化钽阻挡层102形成于半导体基底101之上，然后用含氮的等离子体对氮化钽阻挡层102进行处理，可以显著提高氮化钽阻挡层102中的氮含量，从而可以在钽阻挡层102之上得到低阻的α-Ta阻挡层。所述半导体基底101的材质可以是单晶硅、多晶硅、非晶硅中的一种，也可以是绝缘体上的硅结构或硅上外延层结构。在所述半导体基底101中形成有半导体器件(未示出)，例如具有栅极、源极和漏极的金属氧化物半导体器件。所述半导体基底101中还可以形成有金属互连结构(未示出)，如铜的通孔或者互连线。含氮的等离子体对氮化钽阻挡层102进行处理方法可以为，将制备好氮化钽阻挡层102的半导体基底101放入反应设备中，并向反应设备中通入含氮气体，然后利用直流放电或者交流放电的方法得到含氮的等离子体对氮化钽阻挡层102进行处理。反应设备可以为等离子体增强化学气相沉积(PECVD)设备、磁控溅射设备或者电感耦合等离子体刻蚀设备等。含氮的气体可以为氨气、一氧化二氮、三氟化氮等气体。
本发明所提出的利用含氮的等离子体制备低阻钽和氮化钽双层阻挡层的方法可以应用于不同结构的铜互连工艺中，以下所叙述的是一个用含氮的等离子体对磁控溅射生长的TaN阻挡层进行处理以形成Cu/ a -Ta/TaN/Si结构的实施例的工艺流程。首先，如图2所示，将N型硅衬底利用RCA (美国无线电公司)标准工艺进行清洗，该工艺是业界所熟知的。接着将硅衬底用高纯氮气吹干或者将硅衬底放入烘箱中烘干。然后将处理好的硅衬底放入磁控溅射设备中，通过溅射工艺在硅衬底200上生长一层约3纳米厚的氮化钽薄膜201。通过溅射工艺制备氮化钽薄膜201的具体工艺过程包括将磁控溅射设备的反应腔体进行抽真空和衬底加热至预设定的温度(200-500°C)。当反应腔体达到本底真空度后，对溅射工艺的各项参数进行设置，比如为选择氮气为工作气体、工作气压为1.4Pa、气体流量为50SCCm、靶材溅射功率为200w和溅射时间为1.5分钟，不同设备的工作条件不同。然后自旋转衬底以提高氮化钽薄膜的均匀性。之后先对钽靶进行5分钟的预溅射以去除钽靶材表面的杂质和氧化层等，然后打开靶材挡板，淀积得到约3纳米厚的氮化钽薄膜201。接下来，将样品等离子体处理设备中，比如放入PECVD设备中，用氨气、一氧化二氮或者三氟化氮等离子体对氮化钽薄膜201进行5分钟的处理。接下来，重新将样品放入磁控溅射设备中在氮化钽薄膜201之上淀积得到约5纳米厚的Ta薄膜202，如图3所示。Ta薄膜202和氮化钽薄膜201构成双层阻挡层结构。通过含氮等离子处理过的氮化钽层中的氮含量丰富，在其上制备的Ta为低阻的α-Ta。钽的溅射条件比如为选择氩气为工作气体、工作气压为IPa、气体流量为50sCCm、靶材溅射功率为200w和溅射时间为I分钟，不同设备的工作条件不同。为提高钽阻挡层的质量，同样需要自旋转衬底以提高钽阻挡层的均匀性。最后，在不破坏溅射设备反应腔体真空的情况下，在α -Ta薄膜202之上直接沉积约400纳米厚的铜薄膜203，如图4所示。铜的溅射条件比如为选择氩气为工作气体、工作气压为IPa、气体流量为50SCCm、靶材溅射功率为150w和溅射时间为5分钟，不同设备的工作条件不同。为提高铜的质量，同样需要自旋转衬底以提高铜的均匀性。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
1.一种利用含氮的等离子体制备低阻钽和氮化钽双层阻挡层的方法，包括: 在提供的半导体基底上生长氮化钽阻挡层； 其特征在于， 用含氮的等离子体对所形成的氮化钽阻挡层进行处理； 在所述氮化钽阻挡层之上生长钽阻挡层，所得到的钽阻挡层和氮化钽阻挡层构成双层阻挡层结构。
2.如权利要求1所述的利用含氮的等离子体制备低阻钽和氮化钽双层阻挡层的方法，其特征在于，所述的用含氮的等离子体对氮化钽阻挡层进行处理是将生长氮化钽阻挡层后的半导体基底放入反应设备中，并向反应设备中通入含氮气体，然后利用直流放电或者交流放电的方法得到含氮的等离子体对氮化钽阻挡层进行处理。
3.如权利要求1或2所述的利用含氮的等离子体制备低阻钽和氮化钽双层阻挡层的方法，其特征在于，所述的含氮气体为氨气、一氧化二氮、三氟化氮中的一种。
4.如权利要求1或2所述的利用含氮的等离子体制备低阻钽和氮化钽双层阻挡层的方法，其特征在于，所述的用含氮的等离子体对氮化钽阻挡层进行处理的时间为1-30分钟。
全文摘要
本发明属于集成电路工艺领域，具体涉及一种利用含氮的等离子体制备低阻钽和氮化钽双层阻挡层的方法。由于α-Ta更容易生长于氮含量丰富的氮化钽层之上，通过用含氮的等离子体对氮化钽层进行处理，可以显著得提升氮化钽层中的氮含量，从而可以在氮化钽层较薄的情况下生长得到低电阻率的α-Ta，以达到制备低阻钽和氮化钽双层阻挡层的目的。相比于传统的通过调整氮化钽生长过程中的工艺参数来调整氮化钽层中的氮含量，本发明所提出的通过用含氮的等离子体对氮化钽层进行处理来提升氮化钽层中的氮含量的整个过程更易操作也更容易控制。
文档编号H01L21/768GK103151302SQ20131005937
公开日2013年6月12日 申请日期2013年2月26日 优先权日2013年2月26日
发明者孙清清, 杨雯, 王鹏飞, 张卫, 周鹏 申请人:复旦大学