[发明专利]一种Cu互连用扩散阻挡层及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种Cu互连用扩散阻挡层及其制备方法和应用，通过在ZrB₂薄膜中掺入不同含量的Ru原子，改变了薄膜的晶体结构，消除了Cu原子的快速扩散通道，延长扩散路径，提高了扩散阻挡层的高温稳定性能。此外，金属Ru具有较低的电阻率，且在扩散阻挡层中以单质金属形式存在，可以提高Zr‑Ru‑B的导电性能，Ru原子相比Zr原子，不容易氧化，因此，减少了O元素的掺入，通过高温退火处理，Cu膜表面出现大量孔洞，生成铜硅高阻相，且样品表面对电子的散射作用增强，得到的Zr‑Ru‑B三元结构具有较好的高温稳定性，提高了扩散阻挡层的扩散阻挡性能，进而提高了Cu互连线的可靠性，从而提高了集成电路的寿命。

技术领域

本发明属于超大规模集成电路制造技术领域，具体涉及一种Cu互连用扩散阻挡层及其制备方法。

背景技术

Cu金属线因具有较低的电阻率、高温稳定性和高热导率，以及优良的抗电迁移性能，替代传统的Al引线成为主流的互连材料。尽管Cu线是超大规模集成电路最具应用潜力的互连引线，但是它也有自己的不足之处：一是在低于200℃温度条件下就可以与Si或低k介质层发生反应，生成高电阻铜硅相Cu₃Si，从而导致整个互连体系电阻的增高，并会破坏互连体系，最终导致器件失效，另外，Cu还可以快速扩散到Si中(扩散系数D_Cu＝4.7×10^-3cm²·s^-1)造成深阱缺陷，减少少数载流子寿命；二是，Cu与Si基底的结合性能比较差，容易出现膜层与基底的剥离，以上不足明显会限制Cu互连线在超大规模集成电路中的应用。

目前最好的解决方法是在Cu与Si或SiO₂层之间添加一层扩散阻挡层(Diffusionbarrier，DB)，简称为扩散阻挡层(Barrier)，它的作用是一方面可以阻挡Cu扩散到Si或SiO₂中，另一方面可以增强Cu与介质层之间的结合强度。除了Cu互连，扩散阻挡层在芯片封装方面也有应用。因此，扩散阻挡层材料的选材及如何选择最佳的制备工艺等问题成为研究热点。

在扩散阻挡层的备选材料中，硼化物具有非常优异的物理性能，如低电阻率、高熔点、良好的化学稳定性以及优异的力学性能。尤其是二元化合物ZrB₂，本身具有较低的电阻率(4.6μΩ·cm)和较高的熔点(3245℃)。此外，ZrB₂在Si(111)、4H-SiC(0001)、GaN(0001)和Si(001)基底上均可以发生外延生长，晶格失配度小，有利于结构稳定并抑制原子在ZrB₂中的高温扩散。Wang P等人利用CVD技术在石墨烯基底上沉积了ZrB₂，结果表明所制备的ZrB₂是多晶结构，内部结构较疏松。这会为Cu原子提供快速扩散通道，阻挡效果较差，此外，结构疏松会提高电阻率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Cu互连用扩散阻挡层及其制备方法，以克服现有方法的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种Cu互连用扩散阻挡层的制备方法，包括以下步骤：

步骤1)、对硅基片表面去污处理；

步骤2)、在去污处理后的硅基片表面通过磁控溅射共溅射Ru靶材和ZrB₂靶材，Ru靶材溅射功率为20～50W，ZrB₂靶材溅射功率为100～150W；共溅射时间为1200～1800s，得到Zr-Ru-B扩散阻挡层薄膜。

进一步的，步骤2)中磁控溅射在真空惰性气体氛围下进行。

进一步的，惰性气体采用Ne气或Ar气，惰性气体流量为20～30sccm，工作气压为0.3～0.5Pa。