一种铜互连结构及其制备方法
【专利摘要】本发明属于半导体【技术领域】，具体为一种铜互连结构以及制备方法。本发明依托于原有的铜互连结构，采用双层Ru/TiAlN结构作为扩散阻挡层/粘附层/籽晶层结构。具体制备步骤为：使用原子层淀积方法，先在绝缘介质层上淀积一层TiAlN薄膜，再淀积一层Ru薄膜，最后可直接电镀铜获得铜互连结构。由于在TiN薄膜中加入了Al，可以获得非晶态的TiAlN薄膜，使其能够有比TiN薄膜更好的Cu扩散阻挡性能。本发明使用致密度高的非晶态TiAlN薄膜，不存在晶界这样的可供快速扩散的通道，提供了理想的扩散阻挡性和热稳定性，为22nm及其以下工艺技术节点的铜互连技术提供了一种更为切实可靠的方案。
【专利说明】一种铜互连结构及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体【技术领域】，具体涉及一种集成电路铜互连结构及其制备方法。【背景技术】
[0002]随着集成电路工艺技术的不断发展，半导体器件和电路的特征尺寸持续缩小，互连线延迟取代器件门延迟成为制约IC速度进一步提高的主要因素，寻找电阻率较低的导电材料和介电常数较低的介质材料成为超大规模集成电路工艺的一大发展方向。由于Cu具有比Al更低的电阻率、更高的抗电迁移能力和更高的热传导系数，逐渐成为目前采用最广泛的互连材料。但是，Cu在Si和氧化物中扩散相当快，且Cu—旦进入其中即形成深能级杂质，对器件中的载流子具有很强的陷阱效应，使器件性能退化甚至失效，因此需要在Cu与Si衬底之间形成一层有效的扩散阻挡层，以起到隔绝Cu与Si，同时提高Cu与Si衬底粘附性的效果。目前半导体制造业中最常使用的阻挡材料是TiN，虽然TiN与Cu、Si在热力学上是稳定的，但其最大的缺点就是多晶和柱状微结构，这些是作为阻挡层最不愿意看到的，因为存在的较多晶界将成为Cu快速扩散的路径。非晶结构的TiN能消除这一缺陷，但非晶态的TiN是非常不稳定的。另外一些过渡金属的氮化物与Cu也是热力学稳定并可通过反应溅射的方法制备得到非晶态，但其也将在TiN作为阻挡层失效的温度下开始晶化。所以寻找一种具有更高热稳定性的阻挡层材料追在眉睫。
[0003]随着半导体工艺技术的持续推进，传统的薄膜淀积技术已很难有效的精确控制薄膜特性及满足日益严苛的工艺技术要求，而原子层淀积(ALD)技术由于可完成精度较高的工艺，正逐渐成为微电子器件制造领域的关键技术。它具有较低的淀积温度、较快的淀积速率、易控制的掺杂浓度和高薄膜质量等优点，更重要的是，在对通孔和沟槽上淀积扩散阻挡层时，它比溅射等方法具有更好的保形性。
[0004]在各种扩散阻挡层材料中，Ru是一种非常有前景的铜扩散阻挡层材料，这是因为它是一种惰性金属，其电阻率比TaN和Ta要低很多；而且与Cu有着非常好的粘附性，保证了器件的可靠性。然而，单纯的Ru薄膜却不适合来做扩散阻挡层，因为纯Ru薄膜是多晶柱状结构，它的晶界为Cu的短程扩散提供了路径。同时，Ru薄膜在二氧化硅和低介电常数材料的表面粘附性也比较差。
[0005]考虑到在深亚微米层次下对扩散阻挡层更高的要求，我们提出利用双层Ru/TiAIN结构做为扩散阻挡层。Ru层提供了下一步镀铜所需的粘附性和成核的可能JiAlN层则弥补了 Ru层阻挡性能不好的缺点，而AlN的引入不仅改变了 TiN原本的多晶结构，而且增强了薄膜致密性和热稳定性，使这种结构达到一种完美的扩散阻挡效果。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种新型的铜互连结构的及其制备方法，以应对集成电路特征尺寸不断缩小带来的铜互连布线的困难和对扩散阻挡层性能更高的要求。
[0007]本发明提出的铜互连结构，采用Ru/TiAIN双层结构作为铜扩散阻挡层和籽晶层。[0008]本发明还提供了使用上述Ru/TiAIN双层的铜互连结构的制备方法，具体步骤包括:
(1)采用RCA标准清洗工艺清洗硅基衬底；
(2)在硅片上依次形成刻蚀阻挡层、绝缘介质层；
(3)通过光刻、刻蚀工艺，定义出互连位置，形成金属沟槽、接触孔或通孔；
(4)在上述步骤形成的结构上，利用原子层淀积方法交替生长TiN层和AlN层，获得TiAlN薄膜，再接着生长Ru薄膜，从而形成Ru/TiAIN双层扩散阻挡层；
(5)在上述结构上直接电镀铜，得到铜互连结构； (6)最后用化学机械抛光工艺平整化晶片表面。
[0009]进一步的，所述的绝缘介质层材料为Si02、SiOF、SiCOH或多孔的SiCOH，所述的刻蚀阻挡层材料为氮化硅。
[0010]所述双层扩散阻挡层的生长采用PEALD方法，其具体步骤包括两个阶段，第一阶段交替生长Ii1层TiN与n2层AlN薄膜，不断重复上述过程，形成TiAlN薄膜；第二阶段生长n3层Ru,从而形成双层Ru/TiAIN薄膜,其中Iipn2和n3为大于等于I的整数。
[0011]所述的Ru/TiAIN双层薄膜，第一阶段先淀积TiAlN薄膜，使用的Ti前驱体为四次二甲基胺基钛(TDMAT)、(二乙基氨基)钛(TDEAT)或TiCl4,气体源为NH3或队/仏，使用的Al前驱体为三甲基铝(TMA)，液态源为H2O ;第二阶段淀积Ru薄膜，使用的Ru前驱体为Ru (Cp) 2、Ru (EtCp) 2 或 Ru (OD) 3，使用气体源为 02、ΝΗ3 或 H2。plasma 功率为 50~100W，载气流量300-400 sccm，反应腔体的温度为250~350 0C,反应腔体的工作压强为I~4 Torr0
[0012]所述的第一阶段中，首先进行Ii1个TiN生长周期循环和n2个AlN生长周期循环，再进行重复以上过程完成生长。一个TiN的生长周期包括:往反应腔通入Ti前驱体，脉冲时间为21 S，用高纯N2吹扫8~16s，然后通入气体源等离子体，脉冲时间为4~6s，用高纯氮气吹扫8~12s ;—个AlN的生长周期包括往反应腔通入Al前驱体，脉冲时间为广2 S，用高纯队吹扫4~8s，然后通入液态源，脉冲时间为2~4s，用高纯氮气吹扫4~8s。所述第二阶段包括n3个Ru生长周期循环(Iiprvn3为大于I的整数)。一个Ru的生长周期包括:往反应腔通入Ru前驱体，脉冲时间为Hs，用高纯N2吹扫2~10s，然后通入气体源等离子体，脉冲时间为0.3~2s，用高纯氮气吹扫f 5s。通过改变TiN与AlN的层数Ii1、n2可以优化TiAlN薄膜的Cu阻挡能力、致密性与导电性。
[0013]本发明使用双层Ru/TiAIN作为扩散阻挡层以及籽晶层，同时利用了 TiN良好的Cu扩散阻挡作用与Ru优秀的粘附能力，并通过在TiN薄膜中掺入Al元素使得TiN层从多晶结构转变为非晶结构，从而进一步提高了扩散阻挡能力和热稳定性；另外采用ALD技术能够在高深宽比结构薄膜沉积时具有100%台阶覆盖率，对沉积薄膜成份和厚度具有出色的控制能力，从而获得纯度很高质量很好的薄膜，这就克服了传统的PVD等薄膜淀积技术在超深亚微米环境下互连布线的不足，从而有效地提高了铜互连结构的性能和可靠性。本发明的优点是使用致密度高的非晶态TiAlN薄膜，不存在晶界这样的可供快速扩散的通道，提供了理想的扩散阻挡性和热稳定性，为22nm及其以下工艺技术节点的铜互连技术提供了一种更为切实可靠的方案。
【专利附图】
【附图说明】[0014]图1-图6为依照本发明实施的一种新型Cu扩散阻挡层与铜互连的集成工艺流程图。
[0015]图中标号:101为半导体衬底晶片，102为刻蚀阻挡层，103为绝缘介质层，104为扩散阻挡层TiAIN，105为籽晶层Ru，106为电镀铜薄膜。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图与【具体实施方式】作进一步详细的说明，在图中，为了方便说明，放大和缩小了层和区域的厚度，所示大小并不代表实际尺寸，相同的附图标记表示相同的组件，对其重复描述将省略。
[0017]本发明所提出的Ru/TiAIN扩散阻挡层及其制备方法适用于各种半导体集成电路的铜互连技术，以下所叙述的是采用本发明制备Ru/TiAIN扩散阻挡层的一个实施例的工艺流程。
[0018]首先，在Si (100)衬底101上，采用标准CMOS工艺，完成硅片的清洗工作，具体工艺主要包括:用硫酸和双氧水混合溶液、标准清洗sc-l、SC-2、稀释的氢氟酸以及去离子水分别依序清洗Si衬底，去除各种杂质和自然氧化层，并用高纯N2吹干。在清洗好的Si (100)衬底101上，依序淀积一层刻蚀阻挡层氮化硅102、用于层间绝缘的介质层103 (如SiO2薄膜)。接着利用标准的光刻和刻蚀工艺形成互连结构用的沟槽或通孔201，如图1。
[0019]在沟槽或通孔形成后，利用PEALD技术来生长TiAlN薄膜104。Ti前驱体为TDMAT，气体源为NH3 ；A1前驱体为三甲基铝(TMA)，液态源为H2O,生长温度为200-350 °C，反应腔的压强为广4 Torr, plasma功率为80W。首先生长3个生长周期的TiN和2个生长周期的AlN,不断重复此过程以形成TiAlN薄膜，如图2所示。一个TiN的生长周期包括:往反应腔通入TDMAT，脉冲时间为2 S，用高纯N2吹扫8s，然后通入NH3等离子体，脉冲时间为4s，用高纯氮气吹扫8s。一个AlN的生长周期包括往反应腔通入TMA，脉冲时间为I S，用高纯N2吹扫4s，然后通入H2O,脉冲时间为4s，用高纯氮气吹扫8s。结构如图3所示。
[0020]接下来再生长Ru薄膜105，使用的Ru前驱体为Ru (EtCp) 2，气体源为02，其他条件不变。首先，在反映腔中通入Ru源，脉冲时间为Is ;用高纯N2吹洗反应腔2s ;通入O2，时间为0.5 S，用高纯N2吹洗反映腔2s ;重复50个生长周期，最后获得Ru/TiAIN阻挡层结构，如图4所示。
[0021]然后，采用电镀的方式，在沟槽或通孔结构中，电镀铜导线106，形成铜互连结构，如图5所示。
[0022]最后，用化学机械抛光(CMP)技术平整化晶片表面，完成一层的互连结构，如图6所示，为下一层互连结构做准备。
[0023]以上结合附图对本发明的【具体实施方式】作了说明，但是这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种铜互连结构，其特征在于采用双层Ru/TiAIN结构作为铜扩散阻挡层和籽晶层。
2.一种如根据权利要求1所述的铜互连结构的制备方法，其特征在于具体步骤为: (1)采用RCA标准清洗工艺清洗硅基衬底； (2)在硅衬底上依次形成一层刻蚀阻挡层、绝缘介质层； (3)通过光刻、刻蚀工艺，定义出互连位置，形成金属沟槽、接触孔或通孔； (4)在上述步骤形成的结构上，利用原子层淀积方法交替生长TiN层和AlN层获得TiAlN薄膜，再接着生长Ru薄膜，从而形成Ru/TiAIN双层扩散阻挡层； (5)在上述步骤形成的结构上，直接电镀铜，得到铜互连结构； (6)最后用化学机械抛光工艺平整化晶片表面。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的绝缘介质层材料为Si02、SiOF、SiCOH 或多孔的 SiCOH0
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的刻蚀阻挡层材料为氮化硅。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述双层扩散阻挡层的生长采用等离子助原子 层沉积(PEALD)方法，其具体过程分为两个阶段，第一阶段交替生长Ii1层TiN与n2层AlN薄膜，不断重复上述过程，形成TiAlN薄膜；第二阶段生长n3层Ru，从而形成双层Ru/TiAIN薄膜,其中叫、n2和n3为大于等于I的整数，通过控制叫、n2和n3的数值，最终获得所需厚度的阻挡层薄膜。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述PEALD生长TiN所需Ti源为四次二甲基胺基钛、二乙基氨基钛或TiCl4，气体源为NH3或队/4 ;生长AlN所需Al源为三甲基铝，液态源为H2O ;生长Ru所需Ru源为Ru (Cp) 2、Ru (EtCp) 2或Ru (OD) 3，气体源为02、NH3或H2, plasma功率为50~100W，载气流量300-400 sccm,反应腔体的温度为250~350?C，反应腔体的工作压强为1~4 Torr0
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，一个TiN的生长周期包括:往反应腔通入Ti前驱体，脉冲时间为2~4 S，用高纯N2吹扫8~16s，然后通入气体源等离子体，脉冲时间为4~6s，用高纯氮气吹扫8~12s ;—个AlN的生长周期包括往反应腔通入Al前驱体，脉冲时间为广2 S，用高纯N2吹扫4~8s，然后通入液态源，脉冲时间为2~4s，用高纯氮气吹扫Os ;一个Ru的生长周期包括:往反应腔通入Ru前驱体，脉冲时间为f 5s，用高纯N2吹扫2~10s，然后通入气体源等离子体，脉冲时间为0.3~2s，用高纯氮气吹扫Hs。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)所述的铜互连结构使用电镀的电流密度为0.5A/dm2-3.0A/dm2。
【文档编号】H01L21/768GK103681478SQ201310700297
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月19日 优先权日:2013年12月19日
【发明者】卢红亮, 朱尚斌, 张卫 申请人:复旦大学