专利名称：一种金属氮化物阻挡层的制备方法
技术领域：
本发明涉及半导体器件制造技术领域，具体涉及一种金属氮化物阻挡层的制备方法。
背景技术：
在半导体技术领域，最早的互连金属是Al，然而随着器件的集成度的不断提高，特别是超大规模集成电路的发展，器件的特征尺寸不断缩小，芯片上互连线的截面积和线间距持续下降，这导致了互连线电阻R和寄生电容C不断增大，使得互连线的延迟时间常数 RC大幅度提高。由于延迟时间常数RC在集成电路系统延迟中所占的比例越来越大，使其成为限制互连速度的主要因素。
为了保证集成电路的高速度、高集成度、高稳定性以及低功率，需要进一步减小互连线电阻R和寄生电容C。前者的解决方法是采用电阻率更低的Cu金属来代替传统的互连金属Al，即开发Cu互连技术，后者则需要开发低介电常数k的材料作为绝缘介质材料。
目前，Cu互连已经替代Al互连成为主流工艺，然而在其应用过程中也带来了一些新的问题I) Cu在Si及其氧化物及大部分介质层中扩散很快，且Cu—旦进入器件中就会形成深能级杂质，对器件中的载流子有很强的陷阱效应，使器件性能退化甚至失效。
2) Cu在200 °C以下极易与S1、SiO2发生反应，形成铜硅化合物造成组件失效。
3) Cu与介质材料的粘附性较差，导致集成电路中薄膜的机械强度不够高。
4) Cu不像Al可形成一层致密的氧化物保护层，因此易被氧化和腐蚀，从而影响金属连线的导电稳定性。
为了解决这些问题，需要在Cu与介质之间添加一层超薄的阻挡层来抑制铜与介质的反应。由于集成电路工艺 要进行较高温度的热处理，作为具有扩散阻挡作用的阻挡层应具有良好的热稳定性、导电性，与其上的Cu及其下的介质都有好的粘附性、较小的热应力及机械应力。
金属氮化物(例如HfN、TaN、TiN、MoN等)因具有优良的热稳定性和电学特性而被研究用来作为阻挡层材料。其中TaN因其优异的阻挡性能成为广泛使用的Cu互连阻挡层材料。同时为了提高与Cu的粘附性，通常采用Ta/TaN双层结构。
TaN阻挡层通常用物理气相沉积(Physical Vapor Deposition,PVD)的方法制备， 此方法的一个问题是薄膜不够致密存在孔洞，这将导致其阻挡性能变差。随着器件的特征尺寸的不断缩小，阻挡层将变得愈来愈薄，这一问题将愈加突出。发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种金属氮化物阻挡层的制备方法，使用此方法制备阻挡层可提高阻挡层的致密性。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为一种金属氮化物阻挡层的制备方法，所述金属氮化物阻挡层采用物理气相沉积方法制备，在沉积金属层时，物理气相沉积设备上的离子源产生氮离子束，向所述金属层中注入氮离子。
上述方案中，所述物理气相沉积方法为直流磁控溅射。
上述方案中，所述离子源为考夫曼型离子源、霍尔效应型离子源、冷/热阴极潘宁离子源、高频放电离子源、等离子体阴极离子源、微波阴极离子源或电子束激励离子源。
上述方案中，所述直流磁控溅射的条件为溅射前本底真空度为10_3_10_6 Pa，溅射时通入氩气，溅射时的真空度为O. Ι-lPa，溅射速度为O. 1-1 nm/s。
上述方案中，所述金属层为Ta、Hf、T1、W、Mo、Ru、Zr、N1、Cr或Nb层。
上述方案中，所述金属层的厚度为2_50nm。
上述方案中，所述离子源的腔室的本底压强范围为10_7Pa lOOOPa，工作时压强范围为10_3Pa IOOOPa ;工作气体为氮气、氨气或笑气，流量为I lOOOsccm ;离子源的输出功率为I 500000W，引出电压为IV 5MV，束流为0. Ol-lOOmA。
上述方案中，所述离子源的腔室的本底压强范围为10_5Pa 10Pa，工作时压强范围为10_2Pa IOOPa ;工作气体为氮气、氨气或笑气，流量为I lOOsccm ;离子源的输出功率为I 50000W，弓丨出电压为IOV 50KV，束流为O. l_50mA。
上述方案中，所述离子源的腔室的本底压强范围为10_5Pa 10_3Pa ;工作时压强范围为O.1Pa 50Pa ;工作气体为氮气、氨气或笑气，流量为I 50sCCm ;离子源的输出功率为10 5000W，弓丨 出电压为20V 5KV，束流为l_20mA。
上述方案中，所述注入氮离子时，对承载所述金属层的硅片加温，通过调节注入偏压控制注入深度，通过调节注入束流控制注入的剂量。
与现有技术相比，本发明采用的技术方案产生的有益效果如下本发明采用等离子体辅助的物理气相沉积的制备方法提高阻挡层的致密性，同时也保证其为非晶结构。非晶不存在晶界这样的可供快速扩散的通道，是理想的阻挡层结构。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明技术方案进行详细描述。
本发明实施例提供一种金属氮化物阻挡层的制备方法，具体包括如下步骤(I)采用物理气相沉积方法中的直流磁控溅射的方法在硅片上沉积Ta层，溅射前本底真空度为10_3-10_6 Pa，溅射时通入氩气，此时真空度为0. Ι-lPa，在此真空度下进行溅射， 溅射速度为0. 1-1 nm/s，溅射Ta层的厚度为2_50nm。
(2)直流磁控溅射的同时，离子源产生N离子束，向金属Ta层中注入氮离子使其氮化，离子源腔室的本底压强范围为10_7Pa lOOOPa，优选地可为10_5Pa 10Pa，更为优选地可为KT5Pa KT3Pa ;工作时压强范围为KT3Pa lOOOPa，优选为0. OlPa lOOPa， 更为优选地可为0.1Pa 50Pa ;工作气体为氮气、氨气及笑气等含氮的气体，流量可为I IOOOsccm,优选为I IOOsccm,更为优选地可为I 50sccm ;离子源的输出功率为I 500000W，优选为I 50000W，更为优选地可为10 5000W ;引出电压为IV 5MV，优选为 10V 50KV，更为优选地可为20V 5KV ;束流为0. Ol-1OOmA,优选为0. l_50mA，更为优选地可为l_20mA。注入时可对承载金属层的硅片加温，使N原子向膜内扩散，注入深度可通过调节注入偏压加以控制，注入的剂量则由调节注入的束流来控制。
氮离子注入到Ta层中，将自身的能量传递给Ta，由此导致Ta原子位移和二次的级联碰撞，Ta的活性增加将有助于消除薄膜中的孔洞、提高其致密性。同时注入导致的晶格原子的位移会破坏薄膜的晶格结构，使之非晶化。从结构上讲，最理想的阻挡层应是单晶材料，不过单晶材料的生长困难，成本高，难以大规模使用。多晶材料由于存在晶界这样的快速扩散通道，不是理想的阻挡层结构。非晶材料由于没有晶界，其阻挡Cu扩散的效果显然优于多晶材料。本发明中采用离子源辅助沉积的方法，对薄膜的非晶化起决定性的作用。
除了上述实施例描述的使用金属Ta制备金属氮化物阻挡层，还可以使用金属Hf、 T1、W、Mo、Ru、Zr、N1、Cr或Nb制备金属氮化物阻挡层，制备方法同上述实施例。
本实施例中的离子源可以为考夫曼型离子源、霍尔效应型离子源、冷/热阴极潘宁离子源、高频放电离子源、等离子体阴极离子源、微波阴极离子源或电子束激励离子源。
本发明采用等离子体辅助的物理气相沉积的制备方法提高阻挡层的致密性，同时也保证其为非晶结构。非晶不存在晶界这样的可供快速扩散的通道，是理想的阻挡层结构。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。
权利要求
1.一种金属氮化物阻挡层的制备方法，所述金属氮化物阻挡层采用物理气相沉积方法制备，其特征在于，在沉积金属层时，物理气相沉积设备上的离子源产生氮离子束，向所述金属层中注入氮离子。
2.如权利要求1所述的金属氮化物阻挡层的制备方法，其特征在于所述物理气相沉积方法为直流磁控溅射。
3.如权利要求2所述的金属氮化物阻挡层的制备方法，其特征在于所述直流磁控溅射的条件为溅射前本底真空度为10_3-1(Γ6 Pa，溅射时通入氩气，溅射时真空度为O.Ι-lPa，溅射速度为 O. 1-1 nm/s。
4.如权利要求1所述的金属氮化物阻挡层的制备方法，其特征在于所述离子源为考夫曼型离子源、霍尔效应型离子源、冷/热阴极潘宁离子源、高频放电离子源、等离子体阴极离子源、微波阴极离子源或电子束激励离子源。
5.如权利要求1所述的金属氮化物阻挡层的制备方法，其特征在于所述金属层为Ta、 Hf、T1、W、Mo、Ru、Zr、N1、Cr 或 Nb 层。
6.如权利要求1所述的金属氮化物阻挡层的制备方法，其特征在于所述金属层的厚度为 2_50nm。
7.如权利要求1所述的金属氮化物阻挡层的制备方法，其特征在于所述离子源的腔室的本底压强范围为10_7Pa lOOOPa，工作时压强范围为10_3Pa IOOOPa ;工作气体为氮气、氨气或笑气，流量为I IOOOsccm ;离子源的输出功率为I 500000W，引出电压为IV 5MV，束流为 O. Ol-1OOmA0
8.如权利要求7所述的金属氮化物阻挡层的制备方法，其特征在于所述离子源的腔室的本底压强范围为10_5Pa 10Pa，工作时压强范围为10_2Pa IOOPa ;工作气体为氮气、 氨气或笑气，流量为I IOOsccm ;离子源的输出功率为I 50000W，引出电压为IOV 50KV，束流为 O. l-50mA。
9.如权利要求8所述的金属氮化物阻挡层的制备方法，其特征在于所述离子源的腔室的本底压强范围为10_5Pa 10_3Pa ;工作时压强范围为O.1Pa 50Pa ;工作气体为氮气、 氨气或笑气，流量为I 50sccm ;离子源的输出功率为10 5000W，引出电压为20V 5KV， 束流为l_20mA。
10.如权利要求1所述的金属氮化物阻挡层的制备方法，其特征在于所述注入氮离子时，对承载所述金属层的硅片加温，通过调节注入偏压控制注入深度，通过调节注入束流控制注入的剂量。
全文摘要
本发明公开了一种金属氮化物阻挡层的制备方法，属于半导体器件制造技术领域。所述金属氮化物阻挡层采用物理气相沉积方法制备，在沉积金属层时，物理气相沉积设备上的离子源产生氮离子束，向金属层中注入氮离子。本发明采用等离子体辅助的物理气相沉积的制备方法提高阻挡层的致密性，同时也保证其为非晶结构，非晶不存在晶界这样的可供快速扩散的通道，是理想的阻挡层结构。
文档编号H01L21/768GK103021931SQ20111028551
公开日2013年4月3日 申请日期2011年9月23日 优先权日2011年9月23日
发明者王文东, 夏洋, 李超波, 李勇滔, 刘训春 申请人:北京泰龙电子技术有限公司, 中国科学院微电子研究所