本发明属于集成电路cu互连领域，涉及针对cu互连技术中抗cu扩散阻挡层材料，具体涉及一种电阻率较低且可调的锰氧氮（mn-o-n）抗cu扩散阻挡层材料。
背景技术：
在集成电路制造领域中，为了不断的提高芯片的性能，集成电路的特征尺寸不断的减小，同时器件结构及材料在不断的创新，如：为尽可能的减小器件尺寸而提出的鳍形结构场效应晶体管（finfet），为增强栅极控制能力而引入的高介电常数介质（high-k）材料和金属栅极材料。同样，在集成电路互连领域，为了减小互连线和互连线和介质引起的电阻和电容（rc）延迟，引入了cu和低介电常数（low-k）材料作为互连线和介质，并且为了防止cu向low-k材料中扩散，在cu和low-k之间插入使用物理气相沉积技术（pvd）生长的ta/tan材料作为阻挡层，同时ta/tan还可以起到增强层间粘附性的作用。然而，阻挡层材料的导电性比cu的导电性差很多，由于互连尺寸随电路特征尺寸不断减小，阻挡层的厚度也必然要随之减小以维持电路性能。当电路中互连的沟槽宽度缩小至20~30nm时，pvd沉积ta/tan双层阻挡层的厚度已接近其极限，且很难在沟槽中实现均匀淀积。因此，许多新阻挡层沉积方案及新型阻挡材料体系被提出，如：co基阻挡层、w基阻挡层、ru基阻挡层和mn基阻挡层等。其中，mn基阻挡层中，mnn可以增强cu与low-k介质之间的粘附性，而mn可以与low-k介质在界面处反应生成一层超薄的mnsixoy薄膜，从而保持足够大的沟槽空间，且这层mnsixoy对low-k介质的介电常数影响较小，因而mn基阻挡层在cu互连阻挡层的应用中得到了广泛的关注。但是，传统的mn基阻挡层中形成锰硅氧化合物阻挡层的同时伴随着与low-k介质的反应，这就意味着要消耗掉一部分介质。同时，生成的mnsixoy化合物的导电性较差，一般为绝缘体，这就不可避免的增加了互连电阻。技术实现要素：本发明的目的是解决现有mn基材料的上述缺陷，提供一种导电的、不损耗介质材料或者与介质材料反应活性较弱的并且抗cu扩散性能较好的阻挡层材料，其同时含有mn、o和n三种元素，具有高导电性，且该阻挡层材料与集成电路互连工艺相兼容，制备方法简单易行，有很好的应用前景。为实现以上目的，本发明提供了一种低电阻率锰氧氮抗cu扩散阻挡层材料，该阻挡层材料为由mn、o、n三种元素组成的薄膜，其中，各元素的比例为：o原子含量：1份；n原子含量：1.05~1.25份；mn原子含量：2.45~3.11份；以上原子含量是指的原子数含量。较佳地，该阻挡层材料可通过ald方法生长，各元素的比例通过控制生长温度、mn源、n源及o源的通入量进行调节。如果通过pvd的方法，便可以通过控制含o的气体流量和含n的气体流量来调节薄膜内部的o和n的含量。较佳地，所述的mn源选择含有mn的金属有机物或者靶材。较佳地，所述的mn源选择mncp2、mn(etcp)2、金属mn靶材、mno靶材和mnn靶材较佳地，所述的n源选择含有n元素的气体。较佳地，所述的n源选择nh3、n2o或n2。较佳地，所述的o源选择含有o元素的气体。较佳地，所述的o源选择o2、h2o蒸汽或o3。较佳地，该阻挡层材料通过磁控溅射、化学气相沉积或原子层沉积中的一种方法制备。较佳地，该阻挡层材料采用原子层沉积方法制备，通过调节衬底或反应腔温度来控制薄膜的元素组成。较佳地，加热温度选择100~300℃，优选200-300℃。本发明中所述的“低电阻率”是指相对于传统常见的mnsixoy锰氧化合物mn基阻挡层的电阻率而言较低。与传统mn基阻挡层材料相比，本发明提供的低电阻率锰氧氮抗cu扩散阻挡层材料具有以下显著的进步：1）电阻率大幅降低，具有较好的导电特性；2）不损耗介质材料或者对介质材料损耗较少；3）本发明同时含有o元素和n元素，同时具有较高的粘附性和较好的阻挡特性；4）本发明生长的阻挡层材料在厚度很薄的情况下，如~2.4nm，便可以具备优异的抗cu扩散特性，结合较好的导电性，可以有效的降低互连延迟。具体实施方式本发明提供了一种低电阻率锰氧氮抗cu扩散阻挡层材料，该阻挡层材料为由mn、o、n三种元素组成的薄膜，其中，各元素的原子比例为：o原子含量：1份；n原子含量：1.05~1.25份；mn原子含量：2.45~3.11份。所述的阻挡层材料中各元素的比例通过控制薄膜生长时的工艺参数来进行调节。具体来说，ald方法通过控制生长温度来实现元素比例的调整，也可通过控制mn源、n源及o源的通入量来实现薄膜中不同元素含量的调控；pvd的方法可以通过控制溅射功率、含o气体的流量、含n气体的流量和工作压强来调节薄膜内部的o和n的含量。该材料可以通过调控原子比例实现材料电阻率的控制（实际生长的过程中，电阻率与薄膜的结晶度也有很大关系，一般体现为结晶度越高，电阻率越低。），并且可以利用与集成电路工艺兼容的磁控溅射沉积技术、化学气相沉积技术和原子层沉积技术等方法制备，工艺简单，易于推广。所述的mn源选择含有mn的金属有机物或者靶材；优选mncp2、mn(etcp)2、金属mn靶材、mno靶材和mnn靶材（其中mno和mnn只表示由哪几种元素组成，不表示靶材的实际组成）。所述的n源选择含有n元素的气体，优选nh3、n2o或n2。所述的o源选择含有o元素的气体，优选o2、h2o蒸汽或o3。本发明的阻挡层材料可分别通过多种方法制备，如磁控溅射、化学气相沉积或原子层沉积。以下结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。本发明的具体实施方式如下：首先，为了获得本发明提出的mn-o-n阻挡层材料，本实施例使用原子层沉积技术作为mn-o-n材料的制备方法，选用mn(etcp)2作为mn源，nh3等离子体作为n源，o2或h2o蒸汽作为o源。例如，先通入mn源、使用n2吹扫多余的mn源，随后同时通入n源和o源的混合物进行反应。最后使用n2将反应副产物吹扫干净，生成mn-o-n阻挡层材料。其次，本发明采用改变衬底温度的方式控制薄膜中mn、o和n各元素的相对含量，在不同温度下获得了厚度为~20nm的四种不同组分的mn-o-n阻挡层薄膜，及其内部各元素的原子比例以及薄膜的电阻率如表1所示。表1：在不同温度下生长的mn-o-n薄膜中不同元素的原子比例及薄膜的电阻率温度(℃)225250275300mn:o:n2.45:1:1.252.74:1:1.213.11:1:1.222.84:1:1.05电阻率(ω∙cm)0.03400.01030.00650.0056可以看出，本实施例制备的mn-o-n阻挡层材料均具有较好的导电性，且电阻率随着生长温度的上升而逐渐降低，并伴随着薄膜中元素比例发生改变。为了体现本发明的抗cu扩散性能，表2给出了本实施例中原子比例为mn:o:n=2.45:1:1.25的不同厚度（2.4nm、3.7nm）的超薄阻挡层（即表示为mn2.45on1.25）的抗cu扩散性能测试结果。其中，阻挡性能测试采用在n2/h2-4%气氛下退火并测试退火前后方块电阻变化的方式进行表征。若方块电阻与未退火时相当或较低时，说明阻挡层薄膜未失效；若在某一退火温度下，薄膜的方块电阻发生突然明显升高，则说明阻挡层薄膜失效。表2：不同厚度的mn2.45on1.25阻挡层的抗cu扩散特性如表2所示，本发明所生长的超薄阻挡层在厚度为~2.4nm时，可以承受550℃退火30分钟而不失效（失效时的温度越高越理想，一般是以450℃作为最低的标准）。当厚度增加到3.7nm时，薄膜可以在600℃退火30分钟的条件下可以有效阻挡cu的扩散。这说明本发明生长的mn-o-n阻挡层材料不但具有较好的导电性，同时还具备优异的抗cu扩散性能。以上所述，仅作为本发明的实施例对本发明的优势进行说明，并非对本发明做任何形式上的限定。虽然本实施例将本发明的沉积方法描述为原子层沉积技术，但本发明并不局限于此，本发明所述的mn-o-n阻挡层薄膜的制备方法同样适用于磁控溅射技术和化学气相沉积技术等。本实施例使用控制衬底温度的方式调节材料内部元素含量，但同样还可以通过调节生长过程中mn源、n源及o源的含量或流量来调控材料内部的元素含量。综上所述，本发明提出的mn-o-n材料可以通过与集成电路工艺兼容的磁控溅射沉积技术、化学气相沉积技术和原子层沉积技术等方法来实现材料的制备。其中，可以通过控制薄膜生长过程中的工艺参数来实现薄膜中元素含量的调节。譬如，采用ald技术制备mn-o-n材料薄膜时，可以通过调节衬底温度来控制薄膜的元素组成。优选地，加热温度选择100~300℃，更佳地，选择200~300℃。本发明制备的mn-o-n阻挡层薄膜具备较好的导电性、化学稳定性和抗cu扩散性能，沉积方法简单，易于广泛推广。尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。当前第1页12