[发明专利]扩散阻挡层及其制备方法、集成电路Cu互连结构

说明书

本发明涉及一种扩散阻挡层及其制备方法、集成电路Cu互连结构，扩散阻挡层的材料包括高熵合金及其氮化物，实现扩散阻挡层结构热力学和机械的稳定性，抵抗长期服役过程中的晶格缺陷所造成的扩散阻挡失效的问题，提高集成电路中Cu互连结构的可靠性。扩散阻挡层自第一侧至第二侧氮含量逐渐降低，减少了扩散阻挡层中的晶界，阻断了Cu向基体扩散的通道。扩散阻挡层的第一侧的氮含量较高，材料性质和热膨胀系数更接近于衬底，第二侧的氮含量较低，材料性质和热膨胀系数更接近于Cu层，因此能够提高层间结合力，并且梯度变化单层膜结构有效消除因不同材料间热膨胀系数差异较大所造成的服役过程中界面分层、出现孔洞失效等问题。

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别是涉及一种扩散阻挡层及其制备方法、集成电路Cu互连结构。

背景技术

在集成电路领域，随着技术节点的不断减小以及互连布线密度的急剧增加，互连系统的电阻、电容带来的RC延迟等问题突显。为此，互连线材料采用低电阻率和高抗电子迁移率的金属铜（Cu）替代传统的金属铝（Al）。然而，Cu与衬底介质的结合力较差，而且Cu的扩散系数高，在较低的温度下就会与衬底介质产生互扩散，生成高阻化合物Cu₃Si，导致器件性能退化，甚至失效。因此，为了提高Cu与衬底介质的结合力、抑制Cu原子的扩散，需要在Cu和衬底介质之间设置高粘附性、高热稳定性和低电阻率的扩散阻挡层，以提高器件的可靠性和稳定性。

互连结构中的扩散阻挡层材料广泛采用过渡金属的氮化物，如TiN、TaN等，其具有较好的粘附性和高的热稳定性。然而，如图1所示，该类材料容易形成晶界或柱状结构等微观结构缺陷，成为Cu原子快速扩散的通道，而降低了阻挡性能。如图2所示，横轴代表退火处理的温度，纵轴代表150℃下的表面方阻，在一定温度的退火处理后，TaN-Si叠层和TiN-Si叠层的表面方阻未上升，而Cu-TaN-Si叠层和Cu-TiN-Si叠层的表面方阻在经过600℃以上温度退火处理后出现明显上升，这说明在600℃时Cu原子就已发生了明显扩散，生成高阻化合物Cu₃Si，扩散阻挡层失效。

近年来，为满足先进制程Cu互连工艺要求，三元或四元组分以及层状结构的氮化物阻挡层被广泛研究，如RuTiN、ZrCuNiAlN、Ti/MoN等，其晶格畸变以及层状结构延长了扩散距离，提高了对Cu的扩散阻挡能力。其中，高熵合金（High-entropy alloys，HEA）及其氮化物在互连应用方面获得了广泛关注。高熵合金是将5种以上的元素以每种元素摩尔分数在5%~35%之间组合形成的新型合金。高熵合金的多主单元组合所产生的热力学高混合熵效应、动力学的迟滞扩散效应、原子结构严重晶格畸变、非晶态生长和性能上的鸡尾酒效应等特点，使其具有高热稳定、耐腐蚀性和阻扩散等优异性能。图3为AlCrTaTiZr高熵合金薄膜非晶态截面形貌的电镜图，没有明显的晶界或柱状结构等微观结构缺陷，有利于提高扩散阻挡性能。

然而，集成电路中由于高熵合金氮化物（HEAN）与Cu、HEA及衬底之间热膨胀系数差别较大，导致结合力较差，服役时界面处容易出现孔洞、分层，而使扩散阻挡层失效。目前，主要通过多层结构，即Si/金属氮化物/金属/Cu等结构，以提高膜层结合力，但这种方式增加了工艺复杂度，也增加了扩散阻挡膜层结构中的晶界，给Cu原子的扩散提供了通道。

发明内容

基于此，有必要提供一种扩散阻挡层及其制备方法、集成电路Cu互连结构，以提高扩散阻挡性能、膜层结合力。

本发明的其中一个方面提供一种Cu互连集成电路的扩散阻挡层，方案如下：

一种Cu互连集成电路的扩散阻挡层，用于设置在衬底和Cu层之间，所述扩散阻挡层具有相对设置的第一侧和第二侧，所述第一侧用于连接所述衬底，所述第二侧用于连接所述Cu层，所述扩散阻挡层的材料包括高熵合金及其氮化物，所述扩散阻挡层的氮含量自所述第一侧至所述第二侧逐渐降低，所述第二侧的氮含量为0。

在其中一个实施例中，所述第一侧的氮含量为30wt%~50wt%。