專(zhuān)利名稱(chēng)：一種抑制銅互連結(jié)構(gòu)中銅氧化的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種抑制Ru增強(qiáng)Cu氧化的方法。
背景技術(shù)：
隨著器件尺寸進(jìn)一步縮小，為了減薄Cu擴(kuò)散阻擋層的厚度，增加互連線(xiàn)的電導(dǎo) 率，無(wú)籽晶Cu互連技術(shù)(Cu直接電鍍?cè)跀U(kuò)散阻擋層上)越來(lái)越受到重視。與鉭(Ta)相比， 釕(Ru)與Cu具有更好的粘附性，其良好的導(dǎo)電性以及與ALD工藝的兼容性使其成為超薄 Cu電鍍籽晶層的首選材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Ru與TaN薄膜一起具有非常優(yōu)良的銅擴(kuò)散阻擋 性能，因此，人們認(rèn)為引入Ru在互連工藝中會(huì)大大提高整個(gè)互連體系的性能。
在互連工藝中，銅在工藝中的氧化不可避免，銅的氧化會(huì)導(dǎo)致銅的有效電阻率增 大，接觸性能變差，從而使得互連延遲增大，降低集成電路的性能以及可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果 發(fā)現(xiàn)，當(dāng)引入Ru后，由于Ru對(duì)Cu的增強(qiáng)氧化，經(jīng)過(guò)退火工藝后，Cu的氧化問(wèn)題更加嚴(yán)重。 無(wú)論是采用物理氣相淀積(Physical v即or d印osition， PVD)工藝還是化學(xué)氣相淀積 (Chemicalvapor Deposition) CVD)或者原子層淀禾只(Atomic Layer Deposition, ALD)工 藝，Ru上的Cu經(jīng)過(guò)退火后，從35(TC開(kāi)始就出現(xiàn)Cu20峰，這表明Ru膜上的Cu薄膜在一定 退火溫度區(qū)間有嚴(yán)重的氧化現(xiàn)象。而在用Ta基擴(kuò)散阻擋層上看不到這一現(xiàn)象。我們稱(chēng)之 為Ru對(duì)Cu的氧化增強(qiáng)效應(yīng)。這種現(xiàn)象對(duì)于當(dāng)采用Ru作為黏附層的更小尺寸的銅互連結(jié) 構(gòu)是很不利的，使后期工藝中的處理變得復(fù)雜，一般要采用4氣氛退火和腐蝕去除表面的 氧化層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種抑制集成電路互連工藝中Ru增強(qiáng)Cu氧化效應(yīng)的方法。
本發(fā)明利用在黏附層或擴(kuò)散阻擋層材料中摻入C的方法來(lái)抑制該Ru氧化增強(qiáng)效 應(yīng)。其步驟為在襯底上制備擴(kuò)散阻擋層，再制備黏附層Ru，然后沉積Cu籽晶層或直接電 鍍銅，得到銅互連結(jié)構(gòu)，其中在制備擴(kuò)散阻擋層的時(shí)候摻入C，使擴(kuò)散阻擋層成為摻C的擴(kuò) 散阻擋層；或者在制備粘附層時(shí)摻入C，使黏附層Ru成為摻C的黏附層。然后再繼續(xù)淀積 Cu籽晶層或者直接電鍍銅，在一定溫度退火后，原有的Ru增強(qiáng)Cu氧化被抑制。
本發(fā)明中，C的摻入量為該摻C層(摻C黏附層或摻C擴(kuò)散阻擋層)總質(zhì)量的5 50%。 本發(fā)明所述的前一種抑制氧化的方法，是在介質(zhì)、或者Si或者Si02襯底上淀積摻 入C的擴(kuò)散阻擋層，淀積的方法包括原子層淀積、化學(xué)氣相淀積、物理氣相淀積等任何一種 方法，其起始擴(kuò)散阻擋層可以是為T(mén)i ， Ta等一元、TaN， TiN， WN， VN， Ru (N)等兩元或者TaSiN， TiSiN等一些多元氮化物。摻入的方法和原始淀積方法相關(guān)，如采用濺射這一物理氣相淀積 方法時(shí)，可以采用多靶共濺射的方法摻入C，也可以采用制備金屬-c合金靶的方法摻入C。 濺射仍然是目前大規(guī)模集成電路工藝制備互連阻擋層/籽晶層的最主流的方法。當(dāng)采用原 子層淀積方法時(shí)，先體采用有機(jī)金屬氧化物源時(shí)，其先體中本身就含有C，在后期工藝中可以保留C在薄膜中。然后再在擴(kuò)散阻擋層上淀積Ru薄膜作為后續(xù)銅工藝中的黏附層或者 電鍍籽晶層。然后用濺射方法或者電鍍方法繼續(xù)制備銅薄膜，完成一層互連工藝。
上述方法中，C的摻入量為該摻C擴(kuò)散阻擋層總質(zhì)量的5 50% 。
本發(fā)明所述的另一種抑制氧化的方法，是在已經(jīng)淀積好擴(kuò)散阻擋層的襯底上淀積 摻入C的Ru薄膜(RuC)。該擴(kuò)散阻擋層可以是為T(mén)i， Ta等一元、TaN， TiN，麗，VN， Ru (N)等 兩元或者TaSiN， TiSiN等一些多元氮化物。淀積RuC的方法可以采用濺射蒸發(fā)等物理氣相 淀積方法，或者原子層淀積、化學(xué)氣相淀積等任何一種方法。濺射仍然是目前大規(guī)模集成電 路工藝制備互連阻擋層/籽晶層的最主流的方法。對(duì)于濺射來(lái)說(shuō)，可以采用Ru靶和C靶共 濺射的方法，通過(guò)控制功率和時(shí)間來(lái)控制摻入C的含量；也可以采用RuC合金靶濺射的方 法，通過(guò)控制起始靶中C的含量來(lái)控制薄膜摻入C的含量。最后再在RuC薄膜上濺射Cu或 者電鍍銅，得到需要的互連結(jié)構(gòu)。 上述方法中，C的摻入量為該摻C黏附層總質(zhì)量的5 50% 。


圖l.樣品結(jié)構(gòu)示意圖。其中(a)Cu/Ru/摻C的擴(kuò)散阻擋層/Si或介質(zhì)，(b)Cu/ RuC/擴(kuò)散阻擋層/Si或介質(zhì)結(jié)構(gòu)。 圖2在線(xiàn)XRD測(cè)試譜(In-situ XRD)，在線(xiàn)升溫速率為0. 2°C /s。樣品結(jié)構(gòu)分別為 (a)Cu/Ru/TaCN/Si ， (b)Cu/RuC/TaN/Si 。 圖3.在線(xiàn)XRD測(cè)試譜(In-situ XRD)，在線(xiàn)退火升溫速率為0. 2°C /s。樣品結(jié)構(gòu) 分別為(a)Cu/Ru/TiN/Si， (b) Cu/Ru/TaN/Si 。 圖中標(biāo)號(hào)1為襯底，2為擴(kuò)散阻擋層(不摻C)，2—為摻C擴(kuò)散阻擋層，3為黏附層 (不摻C)，3—為摻C黏附層，4為Cu膜。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施以實(shí)例方式作進(jìn)一步描述，但本發(fā)明不僅限于實(shí) 例。 實(shí)施例1 (1)在Si或者Si02或者介質(zhì)襯底上，淀積摻C的擴(kuò)散阻擋層，本實(shí)例采用的原始 擴(kuò)散阻擋層為T(mén)aN層。采用磁控濺射方法，耙材采用高純Ta和高純C。濺射過(guò)程中，本底真 空越低制備的薄膜具有越好的質(zhì)量。本實(shí)例給出的本底真空度為3X10—5Pa。淀積時(shí)通入 Ar氣和一定比例的N2。 Ar和N2的比例可以在9 : 1到2 : 1之間變化，N2含量越高制備 的薄膜的電阻率越大。最后的工作氣壓在O. 1Pa-lPa之間。C摻入的量通過(guò)調(diào)節(jié)Ta靶和C 靶的濺射功率獲得，(:的含量在5%-50%之間。通過(guò)控制淀積時(shí)間來(lái)控制薄膜厚度。擴(kuò)散 阻擋層的厚度和半導(dǎo)體工藝要求有關(guān)，可以從50納米-3納米。本實(shí)例采用的薄膜厚度為 5歷。 (2)在該擴(kuò)散阻擋層上用濺射方法淀積金屬Ru薄膜。Ru的厚度和工藝要求有關(guān)， 一般在3納米-20納米之間。 (3)再用濺射方法淀積銅。銅薄膜的厚度在50-100納米之間。上述三步后形成的 結(jié)構(gòu)見(jiàn)附圖l(a)。
采用在線(xiàn)XRD觀察了多層結(jié)構(gòu)在退火過(guò)程中的物相變化，顯示Cu20的產(chǎn)生得到了 明顯的抑制，如圖2(a)所示。
實(shí)施例2 (1)在Si或者Si02或者介質(zhì)襯底上，先淀積TaN層。采用磁控濺射方法，耙材采 用高純Ta。本底真空度為3X 10—5Pa。淀積時(shí)通入Ar氣和一定比例的N2。 Ar和N2的比例 可以在9 : l到2 : 1之間變化，^含量越高制備的薄膜的電阻率越大。最后的工作氣壓 在O. 1Pa-lPa之間。擴(kuò)散阻擋層的厚度和半導(dǎo)體工藝要求有關(guān)，可以從50納米-3納米。本 實(shí)例采用的薄膜厚度為5nm。 (2)在該擴(kuò)散阻擋層上在不間斷真空的情況下，用磁控濺射方法淀積摻入C的金 屬Ru薄膜。耙材采用高純Ru和高純C耙。本底真空度為(3-5) X 10—5Pa。淀積時(shí)通入Ar 氣，工作氣壓O. 1Pa-lPa。 C摻入的量通過(guò)調(diào)節(jié)Ru靶和C靶的濺射功率獲得，C的含量在 5% -50%之間。Ru的厚度和工藝要求有關(guān)，一般在3納米-20納米之間。
(3)用濺射方法繼續(xù)淀積銅。銅薄膜的厚度在50-100納米之間。上述三步后形成 的結(jié)構(gòu)見(jiàn)附圖l(b)。 采用在線(xiàn)XRD觀察了多層結(jié)構(gòu)在退火過(guò)程中的物相變化，顯示Cu20的產(chǎn)生得到了 明顯的抑制，如圖2(b)所示。
比較例1 在制備完擴(kuò)散阻擋層材料TiN后，在不間斷真空的情況下利用物理氣相淀積 (PVD)方法共濺射Ru薄膜。本底真空越低越好，本實(shí)例給出的本底真空度為5X10—5Pa。淀 積時(shí)通入Ar氣，工作氣壓為0. 22Pa。通過(guò)控制淀積時(shí)間來(lái)控制厚度，本實(shí)例中采用的Ru薄 膜厚度為5nm。之后在淀積銅，在線(xiàn)退火XRD顯示會(huì)有Ci^0的產(chǎn)生，如圖3(a)所示。
比較例2 在制備完擴(kuò)散阻擋層材料TaN后，在不間斷真空的情況下利用物理氣相淀積 (PVD)方法共濺射Ru薄膜。本底真空越低越好，本實(shí)例給出的本底真空度為5X10—5Pa。淀 積時(shí)通入Ar氣，工作氣壓為0. 22Pa。通過(guò)控制淀積時(shí)間來(lái)控制厚度，本實(shí)例中采用的Ru薄 膜厚度為5nm。之后再淀積銅，在線(xiàn)退火XRD顯示會(huì)有Ci^0的產(chǎn)生，如圖3(b)所示。
權(quán)利要求
一種抑制銅互連結(jié)構(gòu)中銅氧化的方法，其步驟包括在襯底上制備擴(kuò)散阻擋層，再制備黏附層Ru，然后沉積Cu籽晶層或直接電鍍銅，得到銅互連結(jié)構(gòu)，其特征在于在制備粘附層Ru或擴(kuò)散阻擋層時(shí)摻入C，使黏附層Ru成為摻C的黏附層或者使擴(kuò)散阻擋層成為摻C的擴(kuò)散阻擋層，C的摻入量為該層總質(zhì)量的5～50％。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在擴(kuò)散阻擋層上淀積摻C的黏附層時(shí)采用 原子層淀積、化學(xué)氣相淀積或物理氣相淀積方法。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于制備摻C黏附層時(shí)，摻入C的方法包括共濺 射Ru和C、采用RuC合金靶材，或者在原子層淀積或化學(xué)氣相淀積的先體中使用含C先體或 離子注入C。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于在襯底上制備摻C擴(kuò)散阻擋層時(shí)，采用原子 層淀積、化學(xué)氣相淀積或者物理氣相淀積方法。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于制備摻C擴(kuò)散阻擋層時(shí)摻入C的方法包括 反應(yīng)共濺射金屬和C、采用金屬一 C合金靶材或者在原子層淀積或化學(xué)氣相淀積的先體中 使用含C先體。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1 5之一所述的方法，其特征在于所述的擴(kuò)散阻擋層的材料為一元 的Ti或Ta，或者為二元的TaN， TiN， WN， VN或Ru (N)，或者為多元的TaSiN或TiSiN ;所述的 摻C的擴(kuò)散阻擋層中，原始材料為一元的Ti或Ta，或者為二元的TaN， TiN， WN， VN或Ru (N)， 或者為多元的TaSiN或TiSiN。
全文摘要
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種在銅互連技術(shù)中當(dāng)采用釕(Ru)黏附層時(shí)抑制銅氧化的方法。其主要方法就是利用在銅的黏附層或擴(kuò)散阻擋層中摻入適量的碳(C)，從而來(lái)抑制在退火過(guò)程中Ru對(duì)Cu的增強(qiáng)氧化效應(yīng)，或是集成電路工作中由于溫度升高而引起的Ru對(duì)Cu的增強(qiáng)氧化效應(yīng)。本方法通過(guò)改進(jìn)集成電路的工藝來(lái)提高Ru在集成電路銅互連工藝中的性能，并保證其在集成電路銅互連應(yīng)用中的可靠性。所用方法簡(jiǎn)單、方便、實(shí)用性強(qiáng)。
文檔編號(hào)H01L21/768GK101710577SQ20091019905
公開(kāi)日2010年5月19日 申請(qǐng)日期2009年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月19日
發(fā)明者丁少鋒, 屈新萍, 謝琦 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)