一种铜互连扩散阻挡层结构及其制备方法与流程

本发明涉及半导体制造，具体涉及一种铜互连扩散阻挡层结构及其制备方法。

背景技术：

1、随着集成电路集成度的提高，铜(cu)由于具有低电阻率和高抗电迁移能力被广泛用作金属互连材料。但铜易扩散进入含硅的介质层中，生成铜硅化合物，因此，为阻止铜与硅(si)之间发生扩散，在铜布线层和含硅层之间使用金属阻挡层。为了保证产品的质量和性能，金属阻挡层必须和铜层及含硅介质层有良好的粘附力、高的热稳定性、低的电阻率。

2、金属阻挡层广泛使用过渡金属氮化物(例如：氮化铪(hfn)、氮化钽(tan)、氮化钛(tin)、氮化铌(nbn)、氮化钼(mon)等)，其具有优良的热稳定性和电学特性。随着器件及互连尺寸的不断缩小，对阻挡层的性能也提出了更严格的要求，为提高铜的扩散阻挡能力，掺硅的三元金属氮化物被研究出来(例如:铪硅氮化物(hfsin)、钽硅氮化物(tasin)、钛硅氮化物(tisin)、铌硅氮化物(nbsin)等)，硅的掺入能有效抑制阻挡层的结晶，使阻挡层有更加优异的阻挡性能。但是硅的掺入使得在阻挡层和铜布线层的界面之间，硅原子会逐渐进入铜布线层，进而降低铜的电学性能。

技术实现思路

1、本发明所解决的技术问题为：如何避免铜扩散到介质层并且能抑制硅原子进入到铜层。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种铜互连扩散阻挡层结构，包括：

4、衬底，所述衬底包括第一导电层和介质层；

5、扩散阻挡层，所述扩散阻挡层设置在衬底和第二导电层之间，所述扩散阻挡层包括依次设置第一层、第二层、第三层，所述第一层为铌层，所述第二层为铌硅氮化物层，所述第三层为氮化铌层，所述第三层与所述第二导电层接触。

6、作为本发明进一步的方案：所述第一层、第二层、第三层的厚度范围为2nm-50nm。

7、作为本发明进一步的方案：所述介质层的材质包括二氧化硅、硅碳氧。

8、作为本发明进一步的方案：所述第二导电层的厚度为20-1000nm。

9、本发明还提供一种铜互连扩散阻挡层结构的制备方法，包括如下步骤：

10、s1：提供衬底；

11、s2：多层膜结构的扩散阻挡层生成：

12、s21：在衬底的介质层上采用磁控溅射法溅射一层铌薄膜形成第一层；

13、s22：在所述第一层上原子沉积一层厚度为2nm-50nm的铌硅氮化物形成第二层；

14、s23：在第二层上生长一层厚度为2nm-50nm的氮化铌形成第三层；

15、s3：在所述第三层上填充厚度为20-1000nm的铜，形成第二导电层。

16、作为本发明进一步的方案：所述第一层的制备方法为：

17、s211：将铌靶材装入磁控溅射仪的靶位上，将衬底安装在样品台上，样品台加热温度300-500℃；

18、s212：将腔体抽真空达到真空度为9.0*10-5pa-1.0*10-4pa，通入ar至工作压力为0.5-2pa；

19、s213：利用磁控溅射在衬底的介质层上溅射厚度为2nm-50nm的铌薄膜形成第一层，溅射功率为200-500w，沉积时间0.3-1h。

20、作为本发明进一步的方案：所述第二层的制备方法为：

21、s221：将形成第一层完毕的衬底放入原子层沉积设备中，将腔体温度加热至工艺温度100℃-450℃，腔体抽真空至0-30pa；

22、s222：将铌前驱体通过输送系统以脉冲形式输送到反应腔，前驱体和衬底上的表面活性基团进行化学吸附；

23、s223：向反应腔中通入惰性气体，吹扫过量的铌前驱体和反应副产物；

24、s224：通过电感耦合或电容耦合将含氮气体放电，生成等离子反应气体，和衬底表面的化学吸附的铌前驱体反应，生成氮化铌；

25、s225：利用惰性气体吹扫过量的含氮气体及反应副产物；

26、s226：重复步骤s222-s225，直到达到预设循环次数，然后进入到下一步骤；

27、s227：将硅前驱体通过输送系统以脉冲形式输送到反应腔，硅前驱体和衬底上表面活性基团进行化学吸附；

28、s228：向反应腔中通入惰性气体，吹扫过量的硅前驱体和反应副产物；

29、s229：通过含氮气体与衬底表面的化学吸附的硅前驱体反应，生成氮化硅；

30、s2210：利用惰性气体吹扫过量的含氮气体及反应副产物；

31、s2211：重复步骤s227-s2210，直到达到预设循环次数，然后进入到下一步骤；

32、s2212：重复步骤s222-s2211，直至获得目标厚度的第二层结构。

33、作为本发明进一步的方案：所述第三层的制备方法为：

34、s231：将第二层制备完成的衬底放入原子层沉积设备中，将腔体温度加热至工艺温度100℃-450℃，腔体抽真空至0-30pa；

35、s232：将铌前驱体通过输送系统以脉冲形式输送到反应腔，铌前驱体和衬底上的表面活性基团进行化学吸附；

36、s233：向反应腔中通入惰性气体，吹扫过量的铌前驱体和反应副产物；

37、s234：通过电感耦合或电容耦合将含氮气体放电，生成等离子反应气体，和衬底表面的化学吸附的铌前驱体反应，生成氮化铌；

38、s235：利用惰性气体吹扫过量的含氮气体及反应副产物；

39、s236：重复步骤s232-s235，直到获得目标厚度的第三层结构。

40、作为本发明进一步的方案：铌前驱体包括叔丁亚胺基三(二乙胺基)铌、叔丁亚胺基三(甲乙胺基)铌、(叔丁亚胺基)双(二甲胺基)(环戊二烯基)铌、五氯化铌。

41、作为本发明进一步的方案：硅前驱体包括二异丙氨基硅烷、双(二乙氨基)硅烷、双(叔丁氨基)硅烷、二碘硅烷、二氯硅烷。

42、根据本发明的一种铜互连扩散阻挡层结构及其制备方法，至少具有如下技术效果之一：

43、通过在铜层和介质层之间设置有多层膜结构的阻挡扩散层，可以有效阻挡铜扩散到介质层中。同时，阻挡扩散层包括铌硅氮化物层和氮化铌层，且氮化铌层位于铌硅氮化物层与铜层之间，可以有效防止铌硅氮化物层中的硅元素进入铜层，破坏铜的电学性能。铌硅氮化物层包括多次循环交替形成的氮化铌、氮化硅，两者相互扩散之后形成铌硅氮化物复合层，使得阻挡扩散层具有优异的附着性能和稳定性。

44、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种铜互连扩散阻挡层结构，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种铜互连扩散阻挡层结构,其特征在于，所述第一层、第二层、第三层的厚度范围为2nm-50nm。

3.根据权利要求1所述的一种铜互连扩散阻挡层结构,其特征在于，所述介质层的材质包括二氧化硅、硅碳氧。

4.根据权利要求1所述的一种铜互连扩散阻挡层结构,其特征在于，所述第二导电层的厚度为20-1000nm。

5.一种铜互连扩散阻挡层结构的制备方法,其特征在于，包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种铜互连扩散阻挡层结构的制备方法,其特征在于，所述第一层的制备方法为：

7.根据权利要求6所述的一种铜互连扩散阻挡层结构的制备方法,其特征在于，所述第二层的制备方法为：

8.根据权利要求7所述的一种铜互连扩散阻挡层结构的制备方法,其特征在于，所述第三层的制备方法为：

9.根据权利要求8所述的一种铜互连扩散阻挡层结构的制备方法,其特征在于，铌前驱体包括叔丁亚胺基三(二乙胺基)铌、叔丁亚胺基三(甲乙胺基)铌、(叔丁亚胺基)双(二甲胺基)(环戊二烯基)铌、五氯化铌。

10.根据权利要求9所述的一种铜互连扩散阻挡层结构的制备方法,其特征在于，硅前驱体包括二异丙氨基硅烷、双(二乙氨基)硅烷、双(叔丁氨基)硅烷、二碘硅烷、二氯硅烷。

技术总结
本发明公开了一种铜互连扩散阻挡层结构及其制备方法，包括：衬底和扩散阻挡层，所述衬底包括第一导电层和介质层；所述扩散阻挡层设置在衬底和第二导电层之间，所述扩散阻挡层包括依次设置的铌层、铌硅氮化物层和氮化铌层，所述第三层与所述第二导电层接触。通过在铜层和介质层之间设置有多层膜结构的阻挡扩散层，可以有效阻挡铜扩散到介质层中。同时，阻挡扩散层包括铌硅氮化物层和氮化铌层，且氮化铌层位于铌硅氮化物层与铜层之间，可以有效防止铌硅氮化物层中的硅元素进入铜层，破坏铜的电学性能。

技术研发人员：扈静,芮祥新,汪穹宇,李建恒
受保护的技术使用者：合肥安德科铭半导体科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15