[发明专利]Cu互连集成电路用多层合金扩散阻挡层及其制备方法

说明书

本发明属于半导体集成电路技术领域，具体涉及一种Cu互连集成电路用多层合金扩散阻挡层及其制备方法，自下而上依次包括Si衬底层、高熵合金中间阻隔层和Cu膜；所述高熵合金中间阻隔层自上而下依次包括第一涂层、第二涂层、第三涂层、第四涂层以及第五涂层；本发明以NbMoTaW和VCrTiZr高熵合金为靶材，采用直流磁控溅射的方法，在Si基体层上溅镀涂层得到Si‑VCrTiZr‑NbMoTaW‑VCrTiZr‑NbMoTaW‑VCrTiZr‑Cu复合结构的高熵合金扩散阻挡层。所得的Cu互连集成电路高熵合金扩散阻挡层在400℃～750℃下高温退火30min后仍能保持优异的热稳定性和扩散阻挡性能，在Cu互连集成电路上有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于半导体集成电路技术领域，具体涉及一种Cu互连集成电路用多层合金扩散阻挡层及其制备方法。

背景技术

自从大约60年前集成电路(IC)发展以来，铝(Al)和二氧化硅(SiO₂)一直被广泛地用作制造微处理器的导体和绝缘材料。随着技术需求的增长，微处理器中特征尺寸的不断减小和晶体管数量的爆炸性增加导致了所谓的栅极延迟的增长。为了解决这一问题，必须使用电阻率低于Al的新型布线材料和介电常数低于常规SiO₂的介质材料作为替代。IBM在1997年宣布用铜取代铝作为半导体加工中的互连材料。与铝相比，铜具有较小的栅极延迟，这是因为它的电阻率较低，但电子迁移、应力迁移阻力和熔点较高。然而，铜作为互连线的引入也带来了其他一些挑战，包括由于铜在相当低的温度下扩散到硅和硅基绝缘层中而导致的器件退化，缺乏自钝化氧化层导致芯片制造过程中铜的腐蚀，以及铜与绝缘层之间的粘附性差。

为了解决这些问题，需要一种与铜具有良好附着力的合适的阻挡层材料来防止铜扩散到介质层。合格的扩散阻挡材料需要是耐高温的，在相当高的温度下对导体和绝缘体都不起作用，通常包括过渡金属，如Ta，W，T及其与氮(N)，碳(C)或硅（Si）的复合材料，如Ta/TaN，W₂N，TiN，TiC，TaSiN，Si₃N₄等。为了满足下一代微电子学对尺寸小于32 nm的严格要求，对更合适的扩散阻挡层也提出了更高的要求。近年来，由三元元素或层状结构组成的扩散阻挡层被广泛研究。具有三元或更多组分的扩散阻挡层，如Ta-W-N(50 nm)、Ru-Ti-N(10nm)、Ta-Ge-(O)N(50 nm)和Ru-Ta-N(15 nm)，通常具有较大的晶格扭曲和非晶态结构，从而减少了可行的扩散路径的数量，并有效地增加了扩散阻力。层状(主要是双层)结构，包括Ti/MoN(5/5 nm)，Ir/TaN(5/5 nm)，Ru/TaN(5/5 nm），以及原子层沉积的Ru/TaCN(12/2nm)，通过层-界面晶格失配增加了扩散距离，增强了扩散阻力，并加强了铜的结合。

多组分引起的晶格扭曲和层状结构增加的扩散距离有效地提高了阻挡层抗铜扩散的能力。因此，高熵合金（HEAs)具有的多主族元素，热力学稳定的固溶体结构和严重的晶格扭曲和非晶态的结构，使其在作为铜扩散阻挡层方面具有广泛的潜在应用前景。

申请号为CN201810086772.X公开了一种Cu互连集成电路高熵合金扩散阻挡层及其制备方法通过加入多晶体改变原子扩散的方式以提高原子扩散难度，但在多晶结构中Cu原子易沿多晶结构晶界扩散。

发明内容

本发明提供了一种Cu互连集成电路用多层合金扩散阻挡层及其制备方法，以解决Cu原子易沿多晶结构晶界扩散的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种Cu互连集成电路用多层合金扩散阻挡层，自下而上依次包括Si衬底层、高熵合金中间阻隔层和Cu膜；所述高熵合金中间阻隔层自上而下依次包括第一涂层、第二涂层、第三涂层、第四涂层以及第五涂层；所述第一涂层为VCrTiZr薄膜；所述第二涂层为NbMoTaW薄膜；所述第三涂层为VCrTiZr薄膜；所述第四涂层为NbMoTaW薄膜；所述第五涂层为VCrTiZr薄膜。