[发明专利]一种金属氮化物阻挡层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件中阻挡层的制备方法，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，并使互连线的延迟时间常数RC大幅度地提高。由于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材料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挑战：

1)Cu在Si及其氧化物及大部分介质层中扩散很快，且Cu一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℃以下极易与Si、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。本发明采用PVD与全方位等离子浸没注入(Plasma Immersion Ion Implantation)相结合的方法提高膜层的致密性，以满足不断缩小的特征尺寸的工艺要求。

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，包括如下步骤，

(1)采用物理气相沉积方法沉积金属层；

(2)将金属层置于等离子注入机，通过等离子注入机向所述金属层中注入氮离子。

上述方案中，所述步骤(1)中物理气相沉积方法为直流磁控溅射。

上述方案中，所述步骤(2)中等离子注入机为浸没式等离子注入机。

上述方案中，所述直流磁控溅射的条件为：溅射前本底真空为10^-3-10^-6Pa，溅射时通入氩气在0.1-1Pa下溅射，溅射速度控制在0.1-1nm/s。

上述方案中，所述金属层为Ta、Hf、Ti、W、Mo、Ru、Zr、Ni、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，所述步骤(2)中等离子注入机的注入腔室的本底压强范围为10^-7Pa～1000Pa，注入腔室的工作压强范围为10^-3Pa～1000Pa；注入腔室内的氮气，流量为1～1000sccm；等离子注入机的等离子体电源的输出功率为1～100000W，所施加偏置电压为-100000～100000V；脉宽为1us～1s；占空比为1％～99％，等离子体电源的频率为1KHz～10GHz。

上述方案中，所述注入腔室的本底压强范围为10^-5Pa～10Pa，注入腔室的工作压强范围为0.01Pa～100Pa；注入腔室内的氮气，流量为10～100sccm；等离子体电源的输出功率为10～50000W；所施加偏置电压为-50000～50000V；脉宽为1us～0.1s；占空比为10％～90％，等离子体电源的频率为1MHz～5GHz。