[发明专利]一种铜互连扩散阻挡层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种集成电路铜互连扩散阻挡层及其制备方法。

技术背景

随着超大规模集成电路和特大规模集成电路的发展，器件集成度的不断提高必将导致器件特征尺寸的减小，这会导致互连线电阻R 和寄生电容C的增长，从而使得时间常数RC 大幅度提高，引起器件性能的下降，成为制约IC 速度进一步提高的主要因素。芯片互连成为影响芯片性能的关键因素。铜(Cu)具有比Al 低35%的电阻率, 比Al 高2个数量级的抗电迁徙性能和更高的热传导系数,已取代Al并广泛应用于集成电路互连工艺中。

但是Cu在低温下(<200 ^oC)极易在硅(Si)和氧化物介质层中快速扩散，容易在Si器件中形成Cu和Si的化合物，成为深能级受主杂质，使器件性能退化。因此必须在两者之间增加一层阻挡层来阻挡Cu的扩散，并增加Cu与介质层的粘附性。目前工业界使用TaN/Ta 双层结构作为Cu 的扩散阻挡层、粘附层。随着集成电路特征尺寸持续减小，为了使Cu 能够有良好的填充特性和可靠性，要求Cu的扩散阻挡层/粘附层/籽晶层具有较薄的厚度，在22nm 技术节点，扩散阻挡层厚度要求在2.6nm 左右，在15nm 节点，减小至1.3nm 左右。为了迎接这些更小技术节点带来的挑战，新的扩散阻挡层、粘附层和仔晶层材料的研究一直在持续。复合结构的扩散阻挡层、粘附层和仔晶层材料具有非常大的研究潜力。

金属钌（Ru）是一种良好的Cu阻挡层材料，它具有比Ta和TaN更低的电阻率，而且Ru与Cu的粘附性极好，可以在Ru上直接生长保形性良好的Cu互联结构，所以它可以同时作为Cu的扩散阻挡层/粘附层/籽晶层材料，能够减少工艺步骤。但是，Ru在退火后会出现阻挡失效的情形，而且Ru不是氧的良好扩散阻挡体，所以单独的Ru并不适合作为扩散阻挡层。而Co_xN材料具有很低的电阻率，以及对Cu的很强的粘附性能，并且价格便宜，也可以作为Cu的仔晶层，是一种良好的粘附层和仔晶层材料。而且如果把Co_xN与Ru做成叠层材料，N原子也可以与Ru形成稳定的RuN结构，RuN是一种理想的扩散阻挡层材料，不容易结晶出现阻挡失效的情况。因此Ru-N-Co结构作为Cu的扩散阻挡层/粘附层/仔晶层材料具有很大的潜在应用价值。

目前，工业界主要采用磁控溅射(Magnetron Sputtering)技术制备扩散阻挡层和Cu的籽晶层，然而，随着特征尺寸进一步缩小，介电层的厚度不会随之等比例缩小，导致特征纵横比增大。在填充纵横比大于4的孔洞和沟槽时就难以保证薄膜的均匀性与厚度可控性，目前原子层淀积技术（Atomic Layer Deposition，ALD）可以完美解决这个问题。ALD生长方法可以对薄膜厚度与材料中不同物质原子比例进行精确控制，由于其自限的表面反应，可在高纵横比(>10)的表面形成均匀覆盖，同时制得的薄膜为非晶态，不容易形成晶界结构，非常适合生长扩散阻挡层薄膜。而由于生长Ru和Co_xN时气体反应物的反应活性较低，直接用热生长ALD技术很难生长，因此需要等离子体辅助ALD（plasma-enhanced ALD，PEALD）技术在工艺的某个步骤中引入等离子体的能量增强方法来提高反应物的反应活性。PEALD技术相比于ALD技术具有沉积温度低、制备出的薄膜密度大、改善薄膜性质等优点，因此适合用于生长Ru-Co-N结构。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单、电阻率低、厚度薄的集成电路铜互连扩散阻挡层及其制备方法。

本发明所提供的铜互连扩散阻挡层，使用等离子体辅助原子层沉积（PEALD）技术交替生长Co_xN与Ru原子层，形成Ru-Co-N的交叠结构，代替传统的TaN/Ta结构，作为Cu扩散阻挡层/粘附层/籽晶层；其表达式为：

Ru_y(Co_xN)_1-y

其中x的取值范围是1-10，x值可为非整数；y的取值范围是0.05-0.95。

上述集成电路铜互连扩散阻挡层制备的具体步骤为：

（1）采用RCA工艺清洗硅基衬底，然后在硅衬底上依次生成刻蚀阻挡层与绝缘介质层，使用光刻、离子刻蚀工艺，定位互连位置，形成用于互连结构的金属沟槽、接触孔或通孔；