CN102392216A - 一种高热稳定性双层扩散阻挡层材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种制备高热稳定性Ru/TaN双层扩散阻挡材料的制备方法，采用直流磁控溅射法，通过调节N气流量来实现对非晶TaN薄膜中N含量的精确控制，制备不同N含量的高性能双层Ru/TaN扩散阻挡层结构，有效工作稳定高达650℃。TaN薄膜中间隙的N原子在退火过程中扩散后可以提高Ru/TaN双层膜的扩散阻挡性能。通过对N含量的精确控制，可得到高热稳定性的双层Ru/TaN扩散阻挡材料并且仍然保持优良的电学性能，更好的保证了其实际应用。本发明操作简单，重复性好，实现效果良好。

Description

一种高热稳定性双层扩散阻挡层材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种高热稳定性Ru/TaN双层扩散阻挡层薄膜材料及制备。

背景技术

随着科学技术的突飞猛进，半导体制造技术面临日新月异的变化。传统的半导体工艺主要采用铝作为金属互联材料(Interconnect)，在信号延时(signaldelay)上已经受到限制。相对于铝，铜具有良好的导电和电迁移性能，从而在超大规模集成电路(ULSI)制造中铜已经取代铝成为主要的互连材料。简单地说，以铜作为金属互联材料的一系列半导体制造工艺可以提高芯片的集成度，提高器件密度，提高时钟频率以及降低消耗的能量。但是铜极易在硅基衬底上扩散形成铜硅化合物，降低器件的电学性能。为了防止铜在硅基材料中的扩散，所以必须在铜硅之间上沉积一层阻挡层，然后再沉积一层很薄的铜籽层作为电镀铜的导电介质，也作为电镀铜的金属晶体生长的晶核层。接着的工艺是化学机械磨平(CMP)，主要是磨掉多余的铜，同时将硅片表面磨平。

随着半导体器件的尺度越来越小，铜互连结构中阻挡层对器件电学性能的影响也变得愈加明显。传统工业中广泛使用的Ta基阻挡层在32nm工艺及更低的尺度下的缺陷愈加的明显。Ta基阻挡层的表面较为粗糙，需要沉积较厚的Cu籽层，所以整个铜互连结构的尺寸无法做到很小。其次Ta阻挡层的电阻较大也影响了铜互连结构的电学性能。因此，如何制备性能更加优异的阻挡层材料来替代Ta基阻挡层成为目前亟待解决的技术难题。

Ru作为一种新兴的阻挡层材料今年来受到学者的广泛关注。Ru和Ta一样具有高熔点、高温稳定性以及和Cu不发生化学反应等优良特性。此外，Ru还具有Ta所不具备的优良特性。Ru的其体电阻率为7.6μΩcm，大约是Ta电阻率的一半，更为重要的是在生产过程中Ru的表面粗糙度明显优于Ta，而且可以在Ru层上直接电镀Cu而不需要事先沉积Cu籽层。这一优点减少了工艺降低了生产的成本。但是，Ru薄膜本身并不是一个很好的扩散阻挡层。文献报道，Ru在室温和退火过程中极易形成与基片垂直的柱状晶为铜扩散提供扩散通道，此外20nm的Ru薄膜作为铜扩散阻挡层的失效温度为450℃，而对于5nm的Ru薄膜，失效温度仅为300℃。

综上所述，如何对提高Ru薄膜的热稳定性变得极其重要，也直接的影响了其在实际应用中的可靠性。常用的改性方法为掺杂其他元素或者制备双层、多层薄膜的方法。

发明内容

本发明目的是：提供一种简单可控的磁控溅射法来制备Ru/TaN双层膜结构。通过控制其溅射过程中的氮气流量来得到不同N含量的非晶TaN膜，然后再沉积Ru膜，从而得到Ru/TaN双层膜结构。本发明目的还在于，过饱和的TaN膜中间隙的N原子在退火的过程中可以释放出来，在扩散的过程中与上层的Ru键合形成RuN并且塞积在Ru的晶界处，通过对双层阻挡层材料中N含量的精确控制，获得高性能的扩散阻挡特性，有效的阻止了铜原子的扩散。

本发明的技术方案是：高热稳定性双层扩散阻挡层材料的制备方法，采用直流磁控溅射法制备具有不同氮含量(不饱和和过饱和N)的TaN底层膜的Ru/TaN双层膜结构。溅射靶材为纯度达到99.9wt％以上的Ta和Ru，衬底为单晶Si片(111)，在沉积之前，将Si片清洗，然后对真空室抽真空，对Ta和Ru靶进行约30min的预溅射；Ru和TaN膜制备时采用直流磁控溅射，真空室本底真空抽至6×10^-5Pa以上，制备时真空室加Ar气，真空室的工作压力设置为1.5Pa；衬底温度保持为室温，TaN膜的溅射功率80±10W，通过控制溅射过程中氮气的流量来获得不同N含量的TaN薄膜；Ru膜的溅射功率为134±10W。

直流磁控溅射法制备不同N含量TaN膜的主要参数为：在制备TaN膜之前，先抽本底真空至6×10^-5Pa，然后通入Ar气，流量为20sccm，通过闸板阀调节真空室真空度为3.5Pa，然后开始气辉，为了除去Ta靶材表面的污渍和氧化物等，保证薄膜的纯度，先要进行约30min的预溅射，预溅射之后，通入氮气，再将真空度调至约1.5Pa开始生长TaN膜，为了生长出不同N含量的TaN膜，我们通过调节溅射过程中氩气和氮气分压来实现，溅射功率的范围为80±10W，衬底温度为室温。同样的实验步骤沉积Ru和Cu膜来获得Cu/Ru/TaN/Si互连结构。Ru膜的溅射功率控制在134±10W，Cu膜为80±10W。双层扩散阻挡层材料，衬底Si上分别设有TaN、Ru和Cu膜，三者的膜厚分别为8±2nm、8±2nm和300±30nm。

直流磁控溅射制备不同Cu/Ru/TaN/Si互连结构的实验方法步骤如下：

a.衬底材料选用单晶Si(111)片。

b.先制备第一层为不同N含量的TaN薄膜，衬底温度为室温，溅射功率范围为80±10W。

c.再制备第二层为纳米晶Ru，衬底温度为室温，溅射功率为134±10W。

d.最后沉积Cu膜，衬底温度为室温，溅射功率为80±10W。

e.对不同N含量的TaN进行XPS分析。

f.选取饱和和不饱和N含量的TaN作为底层，进行退火实验。

g.对两组样品进行XRD和电阻率测试。

采用的直流溅射法所具有的较高的真空度可有效的防止Cu、Ru和TaN膜的纯度防止杂质气体污染，有效的保证了Ru和TaN的本征物理性能。同时通过对氮气流量的精确调节，较好的实现了对TaN的N含量的控制，保证了其在实际应用中的稳定性。

本发明提供了一种N含量精确可控TaN做为底层薄膜来制备Ru/TaN双层阻挡层结构的制备方法。针对金属Ru单独作为互连引线中的扩散阻挡层材料的缺点，预先沉积TaN底层薄膜，其中间隙的N原子在高温退火的过程中释放出来。释放的N原子在扩散的过程中塞积在Ru晶界处阻止Cu原子的扩散，而且释放的N可以和Ru键合可以提高Ru的热稳定性，在高温下仍能保持Ru膜结构的完整性，提高Ru/TaN的阻挡性能。

与现有制备方法相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明是在一种高真空度下进行制备的方法，可有效避免薄膜被氧化。金属Ru在空气中极易氧化，形成的原生Ru氧化物会降低Cu与Ru之间的附着力，使得互连结构在服役过程中很快的失效。在我们的制备中也完全可以避免Ru膜的氧化，保证了所制备薄膜的质量。

2.本发明可实现对金属TaN膜中N含量的精确控制。控制的方法也很简单易操控，仅需要在溅射的过程中调节氮气的流量，重复性也较好。

3.本发明可实现对金属Ru和TaN膜厚进行精确控制。在相同的工艺参数下，薄膜的沉积速度稳定，重复性好。膜厚可以控制在纳米尺度。

4.本发明制备工艺简单方便，可控性好。

本发明可实现对双层阻挡层材料中N含量的精确控制，获得高性能的扩散阻挡特性，最高工作温度可达650℃。

附图说明

图1沉积态非晶相TaN膜的XRD(a)和XPS分析(b)。

图2沉积态和350-650℃退火后Cu/Ru/TaN/Si互连结构的XRD分析，其中(a)TaN不饱和，其中(b)TaN饱和。

图3沉积态和350-650℃退火后Cu/Ru/TaN/Si互连结构电阻率分析。

具体实施方式

采用直流磁控溅射法制备不同N含量的Ru/TaN膜，一台型号为JGP350的磁控溅射仪，该设备使用电磁靶，直径60mm只加DC，最大溅射功率为400W。一台六工位具有公转功能的样品转盘，样品既可加热也可水冷，最高温度可到达550℃，加热速率可调范围在10℃/min-40℃/min，适用于制备多种不同材料薄膜。真空系统主要配有一台2XZ-8型机械泵和FB600涡沦分子泵，最高真空度可达到6.6×10^-5Pa，超高的真空度有效的保护了薄膜的质量。

材料准备：溅射靶材为纯度达到99.9％Ta，99.9％Ru，99.999％Cu，直径60mm，厚度约3mm，衬底为单晶Si(111)。为了提高TaN膜与衬底的附着力，在沉积之前，将Si片依次由乙醇、丙酮清洗并超声20min，以除去影响薄膜与衬底的黏附性的表面灰尘和油渍。另外在溅射之前，先对靶材进行约30min的预溅射，除去其表面的氧化层以及污渍，保证了薄膜的纯度，也为保证薄膜的质量提供了保障。

TaN膜制备：采用直流磁控溅射法，本底真空抽至6×10^-5Pa，Ar气流量为20sccm，工作压力设置为1.5Pa。控制溅射过程中氩气和氮气的分压来精确调控TaN中N的含量。根据溅射时间来控制薄膜的厚度，所有TaN膜的厚度为8±2nm。实验根据衬底的温度保持为室温，溅射功率范围为80±10W。

Ru膜的制备：采用直流磁控溅射法，本底真空抽至6×10^-5Pa，Ar气流量为20sccm，工作压力设置为1.5Pa。根据溅射时间来控制薄膜的厚度，Ru膜的厚度为8±2nm。实验根据衬底的温度保持为室温，溅射功率范围为134±10W。结构表征与结果：

通过对沉积态TaN膜的XRD分析可知，在N气流量从3-12sccm变化时未出现任何的结晶峰，只有一个波包出现，表明完全为非晶TaN。通过对沉积态TaN膜的XPS分析可知，在增加N气流量的时候，TaN中Ta-N键数量不断增加，Ta-O键数量不断减少。当N气流量超过5sccm时，TaN中的N原子数量达到过饱和并且保持稳定，Ta/N原子数比约为0.33。通过对沉积态Ru膜的XRD和XPS分析可知，Ru膜为纳米晶，根据谢乐公式可以算出Ru的平均晶粒尺寸约为25nm。Ru中不含有O杂质，证明在磁控溅射可以制备非常纯净的Ru膜，有利于提高Cu和Ru之间的附着力。

对Cu/Ru/TaN/Si互连结构进行350-650℃30分钟退火试验后的XRD、电阻和TEM分析结果表明：N不饱和TaN可以提高Ru的阻挡性能到550℃，650℃时Ru/TaN(不饱和)阻挡性能失效，电阻迅速上升。而N过饱和的TaN的Ru/TaN的阻挡层在650℃退火后仍然保持良好的阻挡性能，电阻略微上升。N过饱和的Ru/TaN不仅可以提高Ru的热稳定性而且互连结构依然保持优良的电学性能。

Claims (3)

1.高热稳定性双层扩散阻挡层材料的制备方法，其特征是采用直流磁控溅射法制备不同N含量的TaN膜和膜，即Ru/TaN双层膜结构；溅射靶材为纯度达到99.9wt％以上的Ta和Ru，衬底为单晶Si片(111)，在沉积之前，将Si片清洗，然后对真空室抽真空，对Ta和Ru靶进行约30min的预溅射；Ru和TaN膜制备时采用直流磁控溅射，真空室本底真空抽至6×10^-5Pa以上，制备时真空室加Ar气，真空室的工作压力设置为1.5Pa；衬底温度保持为室温，TaN膜的溅射功率80±10W，通过控制溅射过程中氮气的流量来获得不同N含量的TaN薄膜；Ru膜的溅射功率为134±10W。

2.根据权利要求1和2所述的不同N含量TaN薄膜的制备方法，其特征是在制备TaN膜之前，先抽本底真空至6×10^-5Pa，然后通入Ar气，流量为20sccm，通过闸板阀调节真空室真空度为3.5Pa，然后开始气辉，为了除去Ta靶材表面的污渍和氧化物等，保证薄膜的纯度，先要进行约30min的预溅射，预溅射之后，通入氮气，再将真空度调至约1.5Pa开始生长TaN膜，为了生长出不同N含量的TaN膜，通过调节溅射过程中氩气和氮气分压来实现，溅射功率的范围为80±10W，衬底温度为室温；Ru膜的溅射功率控制在134±10W，Cu膜为80±10W。

3.双层扩散阻挡层材料，衬底Si上分别设有TaN、Ru和Cu膜，三者的膜厚分别为8±2nm、8±2nm和300±30nm。

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