專利名稱：一種用于銅互連的導電阻擋層材料及制備方法
—種用于銅互連的導電P且擋層材料及制備方法
技糊域
本發明涉及到一種用于銅互連的阻擋層材料及制備方法，特別適用于超大 規模集成電路中的銅互連技術，屬于微電子器件或其部件的希隨或處理方法技 術領域。
背景技術：
目前，集成電路技術已飛速發展至鵬大規t鎮成電路(ULSI)階段，謝一生能 向著更高速、低功率毛方向發展，相應的微細加工工藝也已迸入深亞微米量級， 剛寸使得高水平的互連線技術的可靠性變得越來越為迫切。由于金屬鋁有成膜、 圖形化加工容易實現，與硅和二氧化硅粘附l勉鄰勺特點，目前LSI和VLSI集成 電路多采用鋁布線技術。但是隨著微細加工線條尺寸的縮小，通電,互連線 中的金屬鋁離子會沿電子流方向遷徙，這種傳輸在高溫(T>200°C)和大電流密度 (j>=Kf A/cnf)的作用下尤為顯著。經歷幾百小吋甚至幾小時后，鋁布線i[會出 現空洞，空洞逐漸聚集而造成集成電路失效，這就是眾所周知的"電徙動"現 象。隨著集成電路集成度的不斷提高，要求集成電S各的特征尺寸越來越小，因 此，對于ULSI若仍然繼續采用鋁布線，將嚴識響誠電路的可讀生。Cu的電 阻率比A1低35X另外，Cu在275。C的條件下由電引起的離子漂移速度為Al的 1/65, Cu的應力糊生也遠好于Al 。使用Cu互連可以減小芯片上SM縱電阻, 斷氏耦合矂聲和互連線的信號5BE。雖然Cu有諸多優點，但是Cu在微電子工業中的引入還有許多問題需要解決(1) CU擴散進入S1襯底后會，深首激雜 質，影響器件頓生能；(2) Cu和S1、 SiU的粘附性差；(3) Cu和S1在200。C左 右發生反應形成Cu與S1的化合物；(4) Cu不像A1那樣可以形成自我保護的氧 化層。因此，在銅互連技術中，為了防止上述問題的發生，需要在Cu^81fG硅 襯底之間引入一層擴散船當層，以避免Cu與之間的直接接觸。Cu的應用需 要以理想阻擋層的發現和應用為前提。
發明內容
本發明的目的是提供一種成本低、熱力學穩定性好、同S1襯底粘附徵子、 導電性良好、熔點高的金屬間化合物T1—Al薄膜用于銅互連導電阻擋層，通 過選擇^濺lt工藝參數實現阻擋層的制備，以實現未來大規，，成電路的銅 互連對(U當層的需要。
本發明S勺技術方案是這樣實現的這種用于銅互連的導電,層材料，由硅 襯底、導電阻擋層組成，導電阻擋層材料是采用,濺射法在硅襯底基體上生 長非晶態T1-Al 二元合金，，然后在T1-A1 二元合金薄,位生長Cu薄膜 料制成。
所述用于銅互連的導電阻擋層材料，所述的硅襯底為拋光的單晶硅^面生
長有多^85圭的單，8 圭。
所述用于銅互連的導電阻擋層材料，所述的T1-A1 二元合金薄膜厚度為 3-100nm。
所述用，互連的導電阻擋層材料，所述的Cujiii厚度為5"300rm。所述用于銅互連的導電阻擋層材料，所述硅襯底基體上生長的T1-A1 二元 合金薄膜和Cu潮莫為平面結構或大馬士革結構。
所述用于銅互連的導電阻擋層材料的制備方法，包括如下步驟 A 、選用T1和Al比率為3:1純度為99.郷的T1-A1革EfO純度為99.95%的 Cu圓形耙材，先用細沙紙打 面，以去除vlE表面的雜質，^it丙酮、無 水乙醇清洗后用高純氮氣吹干，分別將耙材安裝在真空室中的磁t4E座上；
B、 把拋光的單晶硅襯底依次用HF、去離子7)C^聲處理后，用高純^氣吹干 fflM放置到磁，射真空室的樣品臺上；
C、 應用分子泵和真空泵將真空室的真空度抽至(1-5) xl(T，a后，jSiffl流 量計向真空室中通入高純氬氣，保持真空室的高純氬動態平衝的氣壓為0.8-50 Pa, T1-A1靶與襯底間距為25-65rrni，濺射功率為1-50W，沉積吋間為30m1n， 得到T1-Al厚度為2-100nm的非s^織莫；
D、 T1-A1薄膜制備完畢后，不打開真空室，將真空室的真空度抽至(1-5) xlO，a后，向真空室中充入高純氬氣，保持真空室的沉積氣壓為0，8-50Pa; Cu靶與襯底間距為20~60圓，H^3樣品臺原位生長，濺射功率為10 - 10) W， 沉積時間為1-30 mln，得到厚度為2(H50nm的Cu薄膜；
E、 應用高真空l 5xl(T5 Pa退火系統對Cu/T1-Al/S1多層薄膜結構進行 退火處理，退火條件為300-900T。
所述用于銅互連的導電阻擋層材料的制備方法，步驟D中生長Cu ，的沉 積速率為l-50nm/分鐘。戶腿的用于銅互連的導電阻擋層材料的希條方法，步驟D中直接應用高溫 300-80CTC的磁，射法實現Cu JiSi的制備，不另外迸行ii^處理。
所述的用于銅互連的導電阻擋層材料的制備方法，步驟D在生長完Cu薄膜 之后，在Cu薄膜上面再生長一層T1-Al鈍化層。
本發明采用磁控濺射法在半導體硅襯底上制備非晶態T1-A1薄膜擴散阻擋 層，進一步在其上生長Cu潮莫。T1-Al材料同S1和Cu具有良好的熱力學穩定性； 非晶的T1-A1薄膜不存在擴散通道,可以有效避免Cu生長過程中向硅襯底的擴散； T1-A1薄膜具有成本低、熱力學穩定性好、同S1襯)^占附性好、導電性良好、熔 點高等特點。研究發現應用磁空鵬寸法制備的非晶態的T1-A1離可以避免Cu和 S1在高溫退火BlT發生反應， 于銅互連的阻擋層的功能。本發明易于控制、 設備要求低、可以與半導體工藝兼容，廣泛應用于微電子領域。
圖l :不同退火^^下CU/T1-Al/S1的Xm圖譜
對不同溫度退火的樣品，在圖中可以看出退火溫度升至8orc時仍沒有發現
CU-S1衍射峰的存在，從而說明T1-A1阻擋層^C響S1的擴散在高溫下超!J了很好 的阻擋，。
圖2 : Cu/T1-Al/S1面電阻隨退火溫度的關系
對不同溫度退火的樣品，Cu/T1-A] /S1面電阻P通M^溫度的升高至80(rc沒有 明顯的增加，從而說B月層與層之間的不存在化學反應和5T散。 圖3 : CU/T1-Al/S1界面高分辨電子顯微鏡圖Cu/T1-Al/S1界面高分辨電子顯微鏡圖告訴我們T1-Al為非晶結構，層與層 之間界面清晰，硅襯底的原子像排列規則，進一步證明層與層之間的不存在化學 反應和互擴散，說明了T1-A1可以用作Cu和S1之間的阻擋層材料。 具體鄉方式 實施例1 :
1 、非晶態T1-A1潮奠的制備
1) 把拋光的單晶硅襯底用1W的HF、去離子水超聲處衝青洗后，用高純氮 氣吹干，迅,入^濺射真空室的樣品臺上；
2) 選用高純的T1-Al(99.,和Cu(99.95SQ圓形耙材，先用細沙紙打飄 的表面，以去除耙表面的雜質，經過丙酮、無水SII清洗后分別將IE材安裝在 真空室中的磁性底座上；
3) 應用分子泵和真空泵將真空室的真空度抽至(1-5) xlO，a后，應用流 量廿向真空室中通入高純氬氣，保持真空室的高純氬動態平衝的壓強為6 Pa, 應用射頻離濺法迸行T1-A1離的制備，T1-Al靶(北京泰科諾有限公司)與 襯底間距為40圓,濺射功率為1W,沉積吋間為30 mln,得到厚度為4rm的T1-A1 非晶潮莫；
2 、 Cu ，的制備
l)錢驟l制備的NI-Al非晶^H基礎上，不打開真空室，將真空室的真空 度抽至lxl0—Ta,然后通入高純氬氣，控制沉積綴為8Pa; Cu靶(北京泰 科諾有限公司)與襯底間距為40 rrm,轉動樣品臺原位生長，濺射功率為80W，沉積吋間為20 mln,得到的Cu jiiDl度為120 rm;
2) 把上述樣品分割成數塊小樣品，在高真空條件下l-5xl(T Pa，分批對 Cu薄膜小樣品迸行300。C一分鐘、40CTC—分鐘、60CTC—分鐘和850。C"^鐘。 對不同溫度退火的樣品，Cu/T1-Al/S1面電阻隨退火溫度的升高沒有明顯的增 加，如圖2所示。
實施例2 :
1 、非晶態T1-A1潮勤琉!J備 步驟1) 、 2)同實施例1;
3) 應用分子泵和真空泵將真空室的真空度抽至(1-5) xl(T，a后，應用流 量廿向真空室中通入高純氬氣，保持真空室的高純氬動態平衝的JS雖為0.8 Pa， 應用射頻磁您敗法進行TVA1離的制備，T1-A1靶(北京泰科諾有限公司)與 襯底間距為25鬧，設置濺射功率為50W,沉積時間為25m1n，得到的T1-Al非 晶薄膜厚度100 nm;
2、 Cu薄膜的制備
1)在步驟1制備的T1-A1非晶潮莫基礎上，不打開真空室，將真空室的真 空度抽至lxlO，a,然后通入高純氬氣，控制沉積氣壓為8 Pa ; Cu靶(北京 泰科諾有限公司)與襯底間距為50rrm，糊樣品臺原位生長，鵬W力率為IOO W,沉積時間為9 m1n,得到的Cu離厚度為300 nm。 實施例3 :步驟1) 、 2)同，例1;
3)應用分子泵和真空泵將真空室的真空度抽至(1-5) xlO，a后，應用流 量計向真空室中通入高純氬氣，保持真空室的高純氬動態平衝的壓強為50 Pa, 應用射頻磁^1法進行T1-Al離的制備，T1-Al靶(北京泰科諾有限公司)與 襯底間距為60鬧，濺射功率為5W,沉積吋間為20m1n,得到T1-Al非晶薄膜； 將真空室的真空度抽至lxlO，a，然后通入高純氬氣，沉積氣壓為6Pa;得到 的N1-A1非晶薄fliil度4 nm ; 2、Cu織莫的制備
l)在步驟l制備的TI-Al非晶，基礎上，不打開真空室，將真空室的真空 度抽至lxlO，a,然后通入高純氬氣，控制沉積氣壓為8 Pa ; Cu靶(北京泰 科諾有限公司)與襯底間距為50 rmi,轉動樣品臺原位生長，濺射功率為 IO-I固，沉積時間為0.8 m1n，f穀啲Cu薄膜厚度為5 nm;
，^iS包例生長Cu薄膜的沉積速率可選擇為l-50nm/分鐘。
上述實施例給出的延伸技術方案是可以直接應用高溫300-9OTC的離濺 射法實現Cu薄膜的制備，不另夕卜迸行退火處理。
上述實施例給出的延伸技術方案是在生長完Cu薄膜之后，在Cu薄11±面 再生長一層T1-A1鈍化層。
上述實施例中所使用的磁控濺射系統是由沈陽科學儀器中心生產的多耙系統。
上述實施例Cu/非晶態T1-A1 /S1異質結各個溫度下的X射纟絲，射測^有發現雜相存在如圖1所示；對異質結界面逬行透射電子顯微鏡以及高辨辟透
射電子顯微鏡的研究發現異質結界面清晰、不同材料之間不存在互擴散、相互
反應如圖3所示，實驗結果充分表明了用非晶態T1一A， ^膜作為銅互連阻擋 層的可f3生。
本發明列舉的實施例旨在更迸一步地闡明用于銅互連的阻擋層材料及制備 方法，而不對本發明的范圍構成任何限制，T1一A1潮辭,薄膜可以用其它的 物理或化學的薄fl莫制備方法去實現。
權利要求
1、一種用于銅互連的導電阻擋層材料，由硅襯底、導電阻擋層組成，其特征在于導電阻擋層材料是采用磁控濺射法在硅襯底基體上生長非晶態Ti-Al二元合金薄膜，然后在Ti-Al二元合金薄膜原位生長Cu薄膜料制成。
2、 根據權利要求1所述用于銅互連的導電阻擋層材料，其特征在于所 述的硅，寸底為拋光的單晶硅或表面生長有多晶硅的單晶硅。
3、 根據權利要求1所述用于銅互連的導電阻擋層材料，其特征在于所述的T1-A1 二元餘薄膜厚度為3-100nm。
4、 根據杈利要求1戶腿用于銅5S的導電阻擋層材料，其稱正在于所 述的Cu薄膜厚度為5"300nm。
5、 根據杈利要求1所述用于銅互連的導電阻擋層材料，其特征在于所 述硅襯底基體上生長的T1-A1 二元合金薄辭[)Cu潮莫為平面結構或大馬士革 結構。
6、 豐點居權利要求1-5任一頂權利要求所述用于銅互連的導電阻擋層材料 的制備方法，其稱正包括如下步驟A、 選用T1和A1比率為3:U鍍為99.99^的T1-A1I^D鄉鍍為99.95X 的Cu圓形耙材，先用細沙敏了齲巴的表面，以去除革隨面的雜質，t逝丙酮、 無水乙醇清洗后用高純氮氣吹干，分別將 巴材安裝在真空室中的^ttil座上；B、 把拋光的單晶硅襯底依次用HF、去離子水超聲處理后，用高純氮氣吹干ifim置到 i^i射真空室的樣品臺上；C、 應用分子泵和真空泵將真空室的真空度抽至(l"5) xlCT，a后，應用流量廿向真空室中通入高純氬氣，保持真空室的高純氬動態平衝的氣壓為0.8-50 Pa, T1-A1靶與襯底間距為25~65圓，濺射功率為1-50W，沉積時間 為30 mln,得到TI-Al厚度為2-100nm的非晶薄膜；D、 T1-Al潮難ij備完畢后，府了開真空室，3尋真空室的真空度抽至(1-5) xl0—fa后，向真空室中充入高純氬氣保持真空室的沉積氣壓為0.8-50Pa ; Oi靶與襯底間距為20-60畫，轉動樣品臺原位生長，濺射功率為10-100W， 沉積時間為1-30 mln，得到厚度為2CH50nm的Cu薄膜；E、 應用高真空l ~ 5xl(T5 Pa退火系統對Cu/T1-Al/S1多層，結構迸 行歡處理，歡條件為300~8000。
7 、根據權利要求6所述用于銅互連的導電阻擋層材料的制備方法，其, 在于步驟D中生長Cu薄膜牧冗積速率為l-50rm/^1中。
8、根據杈利要求6所述的用，互連的導電阻擋層材料頓幡方法，其 特征在于步驟D中直接應用高溫300"80(rc的^i射法實i見Cu ，的制 備，不另外迸f，退火處理。
9 、根據杈利要求6所述的用于銅互連的導電阻擋層材料的制備方法，其特 征在于步驟D在生長完Cu薄膜之后，在Cu薄膜上面再生長一層T1-A1鈍化 層。
全文摘要
本發明提供一種用于銅互連的導電阻擋層材料，由硅襯底、導電阻擋層組成，其特征在于導電阻擋層材料是采用磁控濺射法在硅襯底基體上生長非晶態Ti-Al二元合金薄膜，然后在Ti-Al二元合金薄膜上原位生長Cu薄膜制成。本發明利用Ti-Al材料同Si和Cu具有良好的熱力學穩定性；非晶的Ti-Al薄膜不存在擴散通道，可以有效避免Cu生長過程中向硅襯底的擴散；Ti-Al薄膜具有成本低、熱力學穩定性好、同Si襯底粘附性好、導電性良好、熔點高等特點。研究發現應用磁控濺射法制備的非晶態的Ti-Al薄膜可以避免Cu和Si在高溫退火時發生反應，起到用于銅互連的阻擋層的功能。本發明易于控制、設備要求低、可以與半導體工藝兼容，廣泛應用于微電子領域。
文檔編號C23C14/35GK101286496SQ20081005475
公開日2008年10月15日 申請日期2008年4月10日 優先權日2008年4月10日
發明者劉保亭, 王英龍, 趙慶勛, 芳 邊, 邢金柱, 郭慶林, 霍驥川, 良 馬 申請人:河北大學