專利名稱：一種擴散阻擋層薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集中電路中一種銅與硅之間擴散阻擋層的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著芯片集成度的不斷提高，互連材料線寬尺寸不斷縮小，Al作為互連 材料其性能已難以滿足集成電路的要求。與A1相比，Cu具有更低的電阻率和 更高的抗電遷移性能,更高的熱傳導(dǎo)系數(shù),因而逐漸成為取代A1的首選互連材 料。但是由于Cu在Si、 Si02及大部分介質(zhì)中的擴散快的特性，且Cu與Si在20(TC 時即發(fā)生反應(yīng),生成Qi3Si，使器件失效，因而需要在Cu與Si之間添加擴散阻擋 層。Ru具有電阻率較低，且Ru和Cu的粘合性好等優(yōu)點，因而被認為最有可能 成為下一代應(yīng)用在大規(guī)模生產(chǎn)中的阻擋層材料。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，Ru薄膜阻擋 層材料中Cu在很低的溫度下便會發(fā)生擴散；這是因為Ru生長成柱狀的顯微結(jié) 構(gòu)，與Si襯底垂直，銅會很容易地通過晶界擴散并和Si發(fā)生反應(yīng)，使阻擋層失 效。在Ru薄膜中摻入N雖然可以有效地阻礙Cu向S沖擴散形成硅化物，提高阻 擋層的熱穩(wěn)定性；但由于Ru和N原子間化學(xué)鍵合強度很低，使N可以在高溫下 發(fā)生脫氣現(xiàn)象，經(jīng)退火后N原子向Cu/Ru界面處擴散并溢出，最終導(dǎo)致Cu層分 裂，使得Cu和Si之間的擴散繼續(xù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有銅與硅之間Ru-N薄膜擴散阻擋層無法有效 阻擋銅(Cu)原子和硅(Si)原子之間的擴散問題；而提供了Ru-TiN擴散阻 擋層薄膜的制備方法。
本發(fā)明中擴散阻擋層薄膜的制備方法是由下述步驟實現(xiàn)的 一、將硅基片 放入磁控濺射鍍膜設(shè)備的真空腔中，利用等離子體對硅基片濺射清洗；二、在 氮氣和氬氣的氣氛下，以釕和鈦作為靶陰極采用磁控共濺射法對經(jīng)步驟一處理 的硅基片進行沉積，時間為600s，其中沉積過程中，靶陰極釕的濺射功率均 為100W，靶陰極鈦的濺射功率為100 220W，氬氣的流量為10 25sccm，氮 氣的流量為5-20sccm，工作氣壓固定為10mTorr;三、以10°C/min升溫速率升溫至400 700°C ，保溫對經(jīng)步驟二處理的硅基片進行熱退火60min，真空條 件下冷卻至室溫；即得到擴散阻擋層薄膜。
本發(fā)明阻擋層薄膜材料的表面非常平滑。本發(fā)明通過磁控濺射的方法在材 料中引入鈦(Ti)原子，利用Ti原子和N原子間強化學(xué)鍵有效的抑制了N在 高溫下溢出的問題，從而極大程度地提高了阻擋層的性能；與Ru-N阻擋層相 比，本發(fā)明Ru-TiN阻擋層薄膜材料阻擋Cu原子擴散的性能明顯優(yōu)于Ru-N材 料，由于Ti的摻入抑制了N的溢出，在高達70(TC的溫度下仍能有效阻擋Cu 原子的擴散，顯著提高了工作溫度。


圖l是本發(fā)明磁控濺射制備Ru-TiN擴散阻擋層薄膜系統(tǒng)的示意圖，圖中 l表示靶陰極釕，2表示靶陰極鈦，3表示基底，4表示真空泵系統(tǒng)，5表示等 離子體，—表示氮氣、氬氣氣流方向；圖2是本發(fā)明Ru-TiN擴散阻擋層薄膜 示意圖，圖中6表示Ru-TiN薄膜，7表示無Ru-TiN薄膜沉積的硅基片，—表 示穿過整個涂層和非涂層區(qū)域進行測量的方向；圖3是Ru-TiN擴散阻擋層薄 膜的厚度與氮氣流量關(guān)系曲線圖；圖4是Ru-TiN擴散阻擋層薄膜的厚度與氮 氣流量關(guān)系曲線圖；圖5是Ru-TiN擴散阻擋層薄膜的電阻率與濺射功率密度 關(guān)系曲線圖；圖6是在不同的退火溫度下Ru-TiN擴散阻擋層薄膜的電阻率與 氮氣流量關(guān)系曲線圖，圖中-令-表示在退火溫度為40(TC下Ru-TiN擴散阻擋層 薄膜的電阻率與氮氣流量關(guān)系曲線，-國-表示在退火溫度為50(TC下Ru-TiN擴 散阻擋層薄膜的電阻率與氮氣流量關(guān)系曲線，-血-表示在退火溫度為60(TC下 Ru-TiN擴散阻擋層薄膜的電阻率與氮氣流量關(guān)系曲線，-x-表示在退火溫度為 70(TC下Ru-TiN擴散阻擋層薄膜的電阻率與氮氣流量關(guān)系曲線；與圖7是在不 同的退火溫度下Ru-TiN擴散阻擋層薄膜的電阻率與濺射功率密度關(guān)系曲線 圖，圖中-令-表示在退火溫度為40(TC下Ru-TiN擴散阻擋層薄膜的電阻率與濺 射功率密度關(guān)系曲線，-*-表示在退火溫度為40(TC下Ru-TiN擴散阻擋層薄膜 的電阻率與濺射功率密度關(guān)系曲線，-血-表示在退火溫度為400'C下Ru-TiN擴
散阻擋層薄膜的電阻率與濺射功率密度關(guān)系曲線，^-表示在退火溫度為400°C 下Ru-TiN擴散阻擋層薄膜的電阻率與濺射功率密度關(guān)系曲線；圖8是退火溫 度為40(TC制得Ru-TiN擴散阻擋層薄膜的三維原子力顯微形貌圖；圖9是退火溫度為50(TC制得Ru-TiN擴散阻擋層薄膜的三維原子力顯微形貌圖；圖10 是退火溫度為60(TC制得Ru-TiN擴散阻擋層薄膜的三維原子力顯微形貌圖； 圖11是退火溫度為700。C制得Ru-TiN擴散阻擋層薄膜的三維原子力顯微形貌圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一本實施方式中擴散阻擋層薄膜的制備方法是由下述步驟 實現(xiàn)的 一、將硅基片放入磁控濺射鍍膜設(shè)備的真空腔中，利用等離子對硅基 片進行濺射清洗；二、在氮氣和氬氣的氣氛下，以釕和鈦作為耙陰極采用磁控
共濺射法對經(jīng)步驟一處理的硅基片進行沉積處理600s (在硅基片上得到沉積 態(tài)薄膜)，其中沉積過程中，靶陰極釕的濺射功率均為IOOW，靶陰極鈦的濺 射功率為100 220W，氬氣的流量為10 25sccm，氮氣的流量為5 20sccm，工 作氣壓固定為lOmTorr;三、以10°C/min升溫速率升溫至400 700°C ，保溫對 經(jīng)步驟二處理的硅基片進行熱退火60min，真空條件下冷卻至室溫；即得到擴 散阻擋層薄膜。
本實施方式中磁控濺射擴散阻擋層薄膜的裝置示意圖見圖1。本實施方式 制得的阻擋層薄膜材料的表面非常平滑。
對本實施方式制備的擴散阻擋層薄膜材料進行性能檢測，具體內(nèi)容如下: 1、按本實施方式方法制備擴散阻擋層薄膜，參數(shù)及條件如表l所示 表1
序氬氣的流量氮氣的纟究量耙陰極釕的耙陰極鈦的工作壓力沉積處理
號(sccm)(sccm)濺射功率濺射功率(w)(mTorr)時間(s)
(w)
125510010010600
2201010010010600
3151510010010600
4102010010010600
.5102010013010600
6102010016010600
7102010019010600
8102010022010600
2、利用Alpha-step500表面光度儀測量了薄膜厚度，測量過程的示意圖 如圖2。為了保證測量的數(shù)值更加準確，分別取每個樣品的3個不同位置測量3 次厚度值，并取3個結(jié)果的平均值作為薄膜的厚度。按表l中序號l-4參數(shù)，經(jīng)步驟二處理得到的沉積態(tài)薄膜的厚度如圖3所示， 由圖3可知，厚度在101 136nm。
3、 利用CDEResMap 168型四點探針測試儀測定電阻率,每個樣品分別取5 個不同的位置測量電阻率，并取5個結(jié)果的平均值作為電阻率。
按表l中序號l-8參數(shù)，經(jīng)步驟二處理得到的沉積態(tài)薄膜，采用上述方法測 量電阻率，其電阻率如圖4和5所示，由圖4和5可知，電阻率在1.33 3.64mQ.cm。
按表l中序號l-4參數(shù)，分別在40(TC、 500°C、 60(TC和70(TC的退火溫度下 制得Ru-TiN阻擋層薄膜材料，采用上述方法測量電阻率，其電阻率如圖6和7 所示。
按表l中序號5-8參數(shù)，經(jīng)步驟二處理得到的沉積態(tài)薄膜，采用上述方法測 量電阻率，其電阻率如圖7所示。對比可知，經(jīng)退火處理后電阻率小于 0.5mQ.cm。
4、 利用Rigaku Dmax 2200型X射線衍射儀對薄膜樣品進行晶體結(jié)構(gòu)和物 相分析。采用1.542A的入射線(Cu-Ka)輻射，掃描范圍20°至80°加速電壓 和電流分別為40kV和40mA。
5、 采用X射線光電子光譜(XPS)研究薄膜樣品中元素的化學(xué)態(tài)，X射線是 由AlKa輻射產(chǎn)生的，其能量為1486.71 eV。
6、 用原子力顯微鏡(AFM)得到了樣品在退火后的三維原子力顯微形貌 圖，觀察退火后薄膜表面均方根粗糙度。
按表1中序號4的參數(shù)，分別在40(TC、 500°C、 600。C和70(TC的退火溫度下 制得Ru-TiN阻擋層薄膜材料，用原子力顯微鏡進行測試，結(jié)果如圖8、 9、 10 和11所示，由圖可知，所制得的Ru-TiN阻擋層薄膜材料的表面非常平滑。
具體實施方式
二本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中所 述硅基片為單晶硅拋光片。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一或二不同的是步驟二中
所述靶陰極鈦(Ti)的濺射功率為130~190W。其它步驟及參數(shù)與具體實施方 式一或二相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一或二不同的是步驟二中
所述靶陰極鈦(Ti)的濺射功率為160W。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一或二相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一至四不同的是步驟二中 所述氬氣的流量為15sccm。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一至四相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
一至四不同的是步驟二中
所述氬氣的流量為20sccm。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一至四相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
一至六不同的是步驟三中
熱退火溫度為500°C。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一至六相同。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
一至六不同的是步驟三中
熱退火溫度為600°C。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一至六相同。
具體實施方式
九本實施方式中銅與硅之間Ru-TiN擴散阻擋層薄膜的制
備方法是由下述步驟實現(xiàn)的一、將硅基片放入磁控濺射鍍膜設(shè)備的真空腔中， 將硅基片進行空氣濺射清洗，然后吹去表面微塵，其中硅基片為(100)單晶硅 拋光片；二、在氮氣和氬氣的氣氛下，以純度為99.99% (質(zhì)量)釕(Ru)和純 度為99.99% (質(zhì)量)鈦作為靶陰極采用磁控共濺射法對經(jīng)步驟一處理的硅基 片進行沉積處理600s，在硅基片上得到沉積態(tài)薄膜，其中沉積過程中，靶陰 極釕(Ru)的濺射功率均為IOOW，靶陰極鈦(Ti)的濺射功率為IOOW，氬 氣的流量為25sccm，氮氣的流量為5sccm，工作氣壓固定為10mTorr;三、以 1(TC/min升溫速率升溫至400°C ，保溫對經(jīng)步驟二處理的硅基片進行熱退火60 min，真空條件下冷卻至室溫；即得到銅與硅之間Ru-TiN擴散阻擋層薄膜。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施九不同的是步驟二中沉積過程 中，氬氣的流量為20sccm，氮氣的流量為10sccm。其它步驟及參數(shù)與具體實 施方式九相同。
具體實施方式
十一本實施方式與具體實施九不同的是步驟二中沉積過 程中，氬氣的流量為15sccm，氮氣的流量為15sccm。其它步驟及參數(shù)與具體 實施方式九相同。
具體實施方式
十二本實施方式與具體實施九不同的是步驟二中沉積過
程中，氬氣的流量為10sccm，氮氣的流量為20sccm。其它步驟及參數(shù)與具體 實施方式九相同。
具體實施方式
十三本實施方式與具體實施九不同的是步驟二中沉積過
7程中，靶陰極釕(Ru)的濺射功率均為100W，靶陰極鈦(Ti)的濺射功率為 130W，氬氣的流量為10sccm，氮氣的流量為20sccm，工作氣壓固定為llmTorr。
其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
九相同。
具體實施方式
十四本實施方式與具體實施十三不同的是步驟二中沉積
過程中，靶陰極釕(Ru)的濺射功率均為IOOW，耙陰極鈦(Ti)的濺射功率 為160W。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
十三相同。
具體實施方式
十五本實施方式與具體實施十三不同的是步驟二中沉積
過程中，靶陰極釕(Ru)的濺射功率均為100W，耙陰極鈦(Ti)的濺射功率 為190W。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
十三相同。
具體實施方式
十六本實施方式與具體實施十三不同的是步驟二中沉積
過程中，靶陰極釕(Ru)的濺射功率均為IOOW，靶陰極鈦(Ti)的濺射功率 為220W。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
十三相同。
具體實施方式
十七本實施方式與具體實施九至十六不同的是步驟三中
熱退火溫度為500°C。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
九至十六相同。
具體實施方式
十八本實施方式與具體實施九至十六不同的是步驟三中
熱退火溫度為600°C。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
九至十六相同。
具體實施方式
十九本實施方式與具體實施九至十六不同的是步驟三中
熱退火溫度為700°C。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
九至十六相同。
8
權(quán)利要求
1、一種擴散阻擋層薄膜的制備方法，其特征在于擴散阻擋層薄膜的制備方法是由下述步驟實現(xiàn)的一、將硅基片放入磁控濺射鍍膜設(shè)備的真空腔中，然后利用等離子體對硅基片進行清洗；二、在氮氣和氬氣的氣氛下，以釕和鈦作為陰極采用磁控共濺射法對經(jīng)步驟一處理的硅基片進行沉積600s，其中沉積過程中，靶陰極釕的濺射功率均為100W，靶陰極鈦的濺射功率為100～220W，氬氣的流量為10～25sccm，氮氣的流量為5～20sccm，工作氣壓固定為10mTorr；三、以10℃/min升溫速率升溫至400～700℃，保溫對經(jīng)步驟二處理的硅基片進行退火60min，真空條件下冷卻至室溫；即得到擴散阻擋層薄膜。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種擴散阻擋層薄膜的制備方法，其特征在于步驟一中所述硅基片為單晶硅拋光片。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種擴散阻擋層薄膜的制備方法，其特征在于步驟二中所述靶陰極鈦的濺射功率為130 1卯W。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種擴散阻擋層薄膜的制備方法，其特征在于步驟二中所述靶陰極鈦的濺射功率為160W。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種擴散阻擋層薄膜的制備方法，其特征在于步驟二中所述氬氣的流量為15sccm。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種擴散阻擋層薄膜的制備方法，其特征在于步驟二中所述氬氣的流量為20sccm。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 5或6所述的一種擴散阻擋層薄膜的制備方法，其特征在于步驟三中退火溫度為500°C。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 5或6所述的一種擴散阻擋層薄膜的制備方法，其特征在于步驟三中退火溫度為600°C。
全文摘要
一種擴散阻擋層薄膜的制備方法，它涉及集成電路中銅與硅之間一種新的擴散阻擋層的制備方法。本發(fā)明解決了現(xiàn)有銅與硅之間擴散阻擋層Ru-N在高溫下N元素容易溢出，從而使得Ru-N擴散阻擋層失效的問題。本發(fā)明方法如下1.清洗硅基片；2.利用磁控濺射法沉積薄膜；3.退火后得到Ru-TiN擴散阻擋層薄膜。本發(fā)明的工藝簡單；得到Ru-TiN擴散阻擋層薄膜能有效地抑制銅原子和硅原子之間的擴散。
文檔編號C23C14/35GK101673705SQ20091007301
公開日2010年3月17日 申請日期2009年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月29日
發(fā)明者呂宏振, 孫玉芳, 李宜彬, 赫曉東 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)