[发明专利]一种Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成双层非晶扩散阻挡层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路Cu互连体系扩散阻挡层材料，特别是一种Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成双层非晶扩散阻挡层及其制备方法。

背景技术

随着超大规模集成电路的发展，低电阻率的Cu替代Al成为互连材料，然而Cu互连线存在易扩散污染，低温和空气下易被氧化，与SiO₂及大多数介质材料的粘附性较差等问题。需在Cu与Si、SiO₂及介质层之间增加适当的扩散阻挡层(Diffusion Barrier Layer)，防止Cu膜氧化和阻挡Cu原子扩散，增加Cu与介质层的结合强度，从而改善Cu互连的界面特性，降低电迁移，提高可靠性。

随着Cu互连特征尺寸减小到几十纳米时，阻挡层的厚度相应只有十几纳米甚至几纳米。这就对阻挡层制备工艺与性能提出了更为苛刻的要求。性能要求：阻挡层具有高温稳定性；良好的电导性，减少额外的电压降；尽可能的薄，以确保Cu互连线尽可能大的有效横截面尺寸；良好的台阶覆盖性、低应力、致密均匀。采用传统方法难以制备出如此超薄均匀的高性能扩散阻挡层。

鉴于以上缺陷，实有必要提供一种扩散阻挡层及其制备方法以解决以上技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成双层非晶扩散阻挡层及其制备方法，以解决Cu互连线在低温和空气下易被氧化，与SiO₂及大多数介质材料的粘附性较差等问题，本发明阻挡层薄膜材料由非晶Zr层与ZrN两层优化组合而成，完全可以满足超大规模Cu互连线扩散阻挡层薄膜的要求。

为此，本发明采用以下技术方案：

一种Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成双层非晶扩散阻挡层，包括衬底、沉积在衬底上并作为种子层和析出层的Cu(Ru)合金薄膜、植入于衬底和Cu(Ru)合金薄膜之间并作为预阻挡和耗尽层的非晶Ru-Ge合金薄膜，以及沉积在Cu(Ru)合金薄膜上并作为互连层的纯Cu层。

所述衬底为硅片或者具有二氧化硅氧化层的硅片；

所述扩散阻挡层的厚度为5～15nm；

所述Ru-Ge合金薄膜中Ge含量为40％-70％；

本发明Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成双层非晶扩散阻挡层的制备方法为：在Ar气体氛围中，以Ru片、Ge片和Cu片作为溅射靶材进行共磁控溅射，在硅片或者具有二氧化硅氧化层的硅片表面分别依次沉积Ru-Ge合金薄膜和Cu(Ru)合金薄膜，然后纯Cu膜沉积在Cu(Ru)合金薄膜表面，形成Cu/Cu(Ru)/Ru-Ge/Si堆栈体系或者Cu/Cu(Ru)/Ru-Ge/SiO₂/Si堆栈体系，最后将该堆栈体系进行退火处理即可。

沉积条件：总溅射气压为0.2Pa，共沉积Ru-Ge合金时，Ru靶和Ge靶功率比为1～1/2；共沉积Cu(Ru)合金薄膜时，Cu靶和Ru靶的功率分别是150W和30W，沉积纯Cu的功率为150W。

退火处理的条件：在真空或N₂/H₂混合气氛保护下，200℃～250℃保温1.5～2h。

与现有技术相比，本发明Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成双层非晶扩散阻挡层及其制备方法至少具有以下优点：1)植入非晶RuGe层为中间层，可结合扩散来的Cu原子形成低电阻率的Cu-Ge化合物，从而形成具有良好的电导性的Ru-Ge-Cu三元非晶层；2)采用Cu(Ru)合金为种子层和析出金属源提供Ru元素；3)非晶RuGe层可结合扩散来的Cu原子，进一步促进Cu(Ru)合金中Ru原子的析出，从而更容易自形成富Ru-RuO层；4)可实现在较低温度下退火自形成仅几纳米厚的双层非晶阻挡层。

具体实施方式

下面对本发明Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成双层非晶扩散阻挡层及其制备方法做详细描述：

本发明Ru-RuO/Ru-Ge-Cu自形成双层非晶扩散阻挡层包括衬底、沉积在衬底上并作为种子层和析出层的Cu(Ru)合金薄膜、植入于衬底和Cu(Ru)合金薄膜之间并作为预阻挡和耗尽层的非晶Ru-Ge合金薄膜，以及镀在Cu(Ru)合金薄膜上并作为互连层的纯Cu层。

所述衬底为硅片或者具有二氧化硅氧化层的硅片。本发明退火后形成的扩散阻挡层的厚度为5～15nm，所述Ru-Ge合金薄膜的厚度10～15nm，所述Cu(Ru)合金薄膜的厚度为20～30nm，所述纯铜膜的厚度为200～300nm。

实施例1