專(zhuān)利名稱(chēng)：一種銅互連結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子工藝技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種以Ru-Al-0\Ru疊層結(jié)構(gòu)作為擴(kuò)散、粘附阻擋層的新型銅互連結(jié)構(gòu)以及制備方法。
背景技術(shù)：
在銅互連工藝中，為了防止Cu擴(kuò)散到Si器件中引起器件性能受損，需要在銅互連線外面包裹一層擴(kuò)散阻擋層，以起到隔離Cu與Si02、Si，以及提高Cu與它們之間的粘附性的效果。傳統(tǒng)工藝中TaN/Ta的雙層結(jié)構(gòu)得到了廣泛的應(yīng)用，然而隨著器件尺寸的減小，在特征尺寸小于45nm的情況下，為了保證銅互連仍然能夠擁有好的填充效果，擴(kuò)散阻擋層面臨著挑戰(zhàn)，即要求有更薄的厚度并且仍然擁有較強(qiáng)的阻擋效果。傳 統(tǒng)的TaN/Ta雙層結(jié)構(gòu)由于主要用物理汽相淀積(PVD)技術(shù)而導(dǎo)致臺(tái)階覆蓋能力差、溝槽和通孔填充能力不佳，從而表現(xiàn)出阻擋致密性差，阻擋效果不佳，因此為了適應(yīng)器件尺寸減小的節(jié)奏，尋找其他材料充當(dāng)擴(kuò)散阻擋層迫在眉睫。在其他可以考慮作為擴(kuò)散阻擋層的材料中，Ru是一種非常具有前景的材料。通過(guò)引入Ru材料作為擴(kuò)散阻擋層，可以有效的克服傳統(tǒng)的TaN/Ta結(jié)構(gòu)的不足。其主要原因在于Ru與Cu的粘附性極好，可以增強(qiáng)粘附性，同時(shí)Ru是一種惰性金屬，與Ta和TaN相比，Ru的電阻率要低許多。不過(guò)單層的Ru不適合作為擴(kuò)散阻擋層，因?yàn)橛袑?shí)驗(yàn)表明Ru單層擴(kuò)散阻擋層在退火后會(huì)出現(xiàn)阻擋失效的情形。為此我們提出一種在利用ALD生長(zhǎng)Ru-Al-O作為粘附層，之后在其上生長(zhǎng)Ru擴(kuò)散阻擋層的結(jié)構(gòu)，來(lái)解決這一問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種新型材料作為擴(kuò)散阻擋層的銅互連結(jié)構(gòu)，用于改善在器件尺寸減小的情況下，傳統(tǒng)的TaN/Ta雙層結(jié)構(gòu)作為擴(kuò)散阻擋層，所起到的阻擋效果不佳的狀況。本發(fā)明提供的銅互連結(jié)構(gòu)，是以現(xiàn)有銅互連結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，其改進(jìn)之處在于采用Ru-Al-O作為銅互連結(jié)構(gòu)的粘附層，Ru作為擴(kuò)散阻擋層，兩層的厚度分別為T(mén)5nm、5 10nm。本發(fā)明提供的銅互連結(jié)構(gòu)的制備方法，具體步驟如下
(1)采用RCA標(biāo)準(zhǔn)工藝清洗P型硅(111)的硅基襯底；
(2)在硅基襯底上依次形成一層刻蝕阻擋層、絕緣介質(zhì)層；
(3)通過(guò)光刻、刻蝕工藝，定義出互連位置，形成金屬溝槽、接觸孔或通孔；
(4)在上述步驟形成的結(jié)構(gòu)上，利用ALD方法生長(zhǎng)厚度為3飛nm的Ru-Al-O粘附層，此后在此粘附層上面生長(zhǎng)一層厚度為5 10nm的Ru，作為擴(kuò)散阻擋層，同時(shí)可充當(dāng)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的籽晶層的作用；
(6)之后再采用電鍍的方法，獲得銅互連結(jié)構(gòu)；
(7)最后用化學(xué)機(jī)械拋光工藝平整化晶片表面。進(jìn)一步地，上述方法中所述的絕緣介質(zhì)層材料為Si02、SiOF, SiCOH或多孔的SiCOH,所述的刻蝕阻擋層材料為氮化硅。所述的Ru-Al-O薄膜和Ru層薄膜，采用ALD生長(zhǎng)技術(shù)，使用的Ru反應(yīng)前驅(qū)體為Ru (THD) 3或Ru5 (CO) 13或RCpRu (CO) 2R，使用的Al的反應(yīng)前驅(qū)體為三甲基鋁(TMA)，使用的氧源為H20、H2O2或03，反應(yīng)腔體的溫度在200 300 0C,反應(yīng)的基壓在f 4Torr。所述的銅互連結(jié)構(gòu)使用電鍍的方法實(shí)現(xiàn)，電鍍的電流密度為O. 5A/dnT3. OA/dm2。與傳統(tǒng)的銅擴(kuò)散阻擋層采用TaN/Ta的雙層結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明使用Ru-Al-O作為粘附層、Ru作為擴(kuò)散阻擋層材料，在于與金屬釕(Ru)具有更低的電阻率，并且與上層的籽晶層銅之間有很強(qiáng)的粘附能力。引入氧化鋁可以保證Ru與下層SiO2的粘附能力。與傳統(tǒng)的采用PVD濺射方法制備擴(kuò)散阻擋層相比，采用ALD生長(zhǎng)擴(kuò)散阻擋層可以保證良好的臺(tái)階覆蓋能力以及溝槽填充能力，另外Ru與ALD工藝的極好的兼容性也是本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)之處。利用此方法制備出的新型銅互連結(jié)構(gòu)可以有效的解決傳統(tǒng)TaN工藝出現(xiàn)的粘附性不好的問(wèn)題，克服PVD濺射工藝在深亞微米環(huán)境下的不足，保證銅互連結(jié)構(gòu)的可靠性。


圖廣圖5為依照本發(fā)明實(shí)施的一種新型Cu擴(kuò)散阻擋層與銅互連的集成工藝剖面圖。圖中標(biāo)號(hào)101為半導(dǎo)體襯底晶片，102為刻蝕阻擋層，103為絕緣介質(zhì)層，104為粘附層Ru-Al-0，105為Ru擴(kuò)散阻擋層，106為電鍍銅薄膜。
具體實(shí)施例方式下面參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施方式。后面的描述中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的組件，對(duì)其重復(fù)描述將省略。本發(fā)明所提出的Ru-Al-O材料擴(kuò)散阻擋層及其制備方法可以適用于不同集成電路技術(shù)的后道銅互連結(jié)構(gòu)中，以下所敘述的是制備該銅互連線擴(kuò)散阻擋層為實(shí)施例的工藝流程。首先，在P型Si (100)襯底101上，采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，完成硅片的清洗工作，主要包括用含有硫酸和雙氧水的混合溶液、標(biāo)準(zhǔn)清洗sc-l、SC-2溶液、稀釋的氫氟酸及去離子水分別依序清洗Si襯底，去除各種雜質(zhì)和自然氧化層，并用高純N2吹干。在清洗好的Si(IOO)襯底101上，依序淀積一層刻蝕阻擋層氮化硅102、用于層間絕緣的介質(zhì)層103 (如SiO2薄膜)。接著，利用標(biāo)準(zhǔn)的光刻和刻蝕工藝形成互連結(jié)構(gòu)用的溝槽或通孔201。然后，在溝槽或通孔形成后，開(kāi)始利用ALD來(lái)生長(zhǎng)Ru-Al-O粘附層薄膜104。使用的Ru反應(yīng)前驅(qū)體為Ru (THD) 3或Ru5 (CO) 13或RCpRu (CO) 2R，使用的Al反應(yīng)前驅(qū)體為三甲基鋁(TMA)，使用的氧源為H2CKH2O2或O3，生長(zhǎng)溫度為20(T300°C，反應(yīng)的基壓在f4Torr。首先，在反應(yīng)腔中通入三甲基鋁(TMA)源，時(shí)間為廣5 s ;用高純N2吹洗反應(yīng)腔f 10 s;再通入氧源，時(shí)間為廣5 s ;用高純N2吹洗反應(yīng)腔f 10 S，這樣完成一個(gè)氧化鋁的ALD生長(zhǎng)周期。根據(jù)薄膜的性質(zhì)，重復(fù)這樣的周期η次(n=f 20)。接著，在反應(yīng)腔中通入Ru源，時(shí)間為f 5 s ;用高純N2吹洗反應(yīng)腔f 10 s ;再通入氧源，時(shí)間為f 5 s ;用高純N2吹洗反應(yīng)腔Γ10 s，這樣完成一個(gè)氧化釕的ALD生長(zhǎng)周期。通過(guò)ALD生長(zhǎng)RuO2的周期數(shù)，可以控制在整個(gè)Ru-Al-O薄膜中Ru的含量，優(yōu)化相應(yīng)的工藝參數(shù)，可以使得整個(gè)互連阻擋層具有最佳的電學(xué)和機(jī)械性能。再接著分別重復(fù)ALD生長(zhǎng)前面相同生長(zhǎng)周期數(shù)的氧化鋁、RuO2薄膜，直到獲得理想的擴(kuò)散阻擋層厚度3 5 nm。如圖3所示為制備完成的粘附層Ru_Al-0。之后利用ALD生長(zhǎng)一層5 10nm厚度的Ru擴(kuò)散阻擋層105，與上面一步采用的釕源和相同，生長(zhǎng)周期設(shè)定為原來(lái)的2倍。然后，采用 電鍍的方式，在溝槽或通孔結(jié)構(gòu)中，電鍍銅導(dǎo)線106，形成銅互連線結(jié)構(gòu)，如圖4所示。最后，用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)技術(shù)平整化晶片表面，完成一層的互連結(jié)構(gòu)，如圖5所示，為下一層互連結(jié)構(gòu)做準(zhǔn)備。
權(quán)利要求
1.一種銅互連結(jié)構(gòu)，以現(xiàn)有銅互連結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，其特征在于利用Ru-Al-O作為粘附層，Ru作為在此之上的擴(kuò)散阻擋層，這兩層的厚度分別為3飛nm和5 10nm。
2.一種如權(quán)利要求I所述的銅互連結(jié)構(gòu)制備方法，其特征在于具體步驟為 (1)采用RCA工藝清洗ρ型硅(111)的硅基襯底； (2)在硅基襯底上依次形成一層刻蝕阻擋層、絕緣介質(zhì)層； (3)通過(guò)光刻、刻蝕工藝，定義出互連位置，形成金屬溝槽、接觸孔或通孔； (4)在上述步驟形成的結(jié)構(gòu)上，利用ALD方法生長(zhǎng)厚度為3飛nm的Ru-Al-O粘附層，此后在此粘附層上面生長(zhǎng)一層厚度為5 10nm的Ru，作為擴(kuò)散阻擋層，同時(shí)充當(dāng)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的籽晶層的作用； (5)之后再采用電鍍的方法，獲得銅互連結(jié)構(gòu)； (6)最后用化學(xué)機(jī)械拋光工藝平整化晶片表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)所述的絕緣介質(zhì)層材料為SiO2, SiOF, SiCOH 或多孔的 SiCOH。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)所述的刻蝕阻擋層材料為氮化硅。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟(4)所述ALD方法生長(zhǎng)Ru-AlO薄膜和Ru層薄膜時(shí)，使用的Ru反應(yīng)前驅(qū)體為Ru (THD) 3或Ru5 (CO) 13或RCpRu (CO) 2R，使用的鋁的反應(yīng)前驅(qū)體為三甲基鋁，使用的氧源為H20、H2O2或O3，反應(yīng)腔體的溫度在20(T300 0C,反應(yīng)的基壓在I 4Torr。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟(5)所述的銅互連結(jié)構(gòu)使用電鍍的方法實(shí)現(xiàn)，電鍍的電流密度為O. 5A/dnT3. OA/dm2。
全文摘要
本發(fā)明屬于微電子工藝技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種以Ru-Al-O作為擴(kuò)散、粘附阻擋層的銅互連結(jié)構(gòu)以及制備方法。本發(fā)明以現(xiàn)有銅互連結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，采用Ru-Al-O代替?zhèn)鹘y(tǒng)的TaN/Ta雙層結(jié)構(gòu)，作為銅互連結(jié)構(gòu)的新的銅擴(kuò)散阻擋層。利用原子層淀積(ALD)方法，在經(jīng)過(guò)熱氧化的二氧化硅薄膜上層淀積一層3~5nm厚的Ru-Al-O作為粘附層，并在其上生長(zhǎng)一層5~10nm厚的Ru作為擴(kuò)散阻擋層，并可作為電鍍銅的籽晶層。通過(guò)調(diào)節(jié)Ru-Al-O中的Ru、Al、O三者的比例，可以獲得較佳的銅擴(kuò)散阻擋能力和粘附特性。本發(fā)明可以提高擴(kuò)散阻擋層與下層二氧化硅層的粘附強(qiáng)度，并保持與籽晶層連接的緊密性，為現(xiàn)有的銅互連技術(shù)在增強(qiáng)粘附能力方面提供一種改善的可行性方案。
文檔編號(hào)H01L21/768GK102903699SQ20121038947
公開(kāi)日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月15日
發(fā)明者盧紅亮, 張衛(wèi), 謝立恒, 丁士進(jìn), 王鵬飛 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)