專利名稱：銅金屬化自形成阻擋層低溫退火方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種半導(dǎo)體器件金屬化擴(kuò)散阻擋層制備工藝，具體地來說涉及一 種銅金屬化自形成阻擋層低溫退火工藝。
背景技術(shù)：
隨著微電子器件尺寸與線寬縮小化以及集成電路設(shè)計的復(fù)雜化，互連線RC延遲 和電遷徙引起的可靠性問題已經(jīng)成為影響電路性能的關(guān)鍵所在。由于銅具有低的電阻率和 高的抗電遷徙性能，使其成為一種理想的互連線材料而取代傳統(tǒng)的鋁布線。但是，銅屬快擴(kuò) 散雜質(zhì)，不僅容易擴(kuò)散進(jìn)入氧化物或其它層間介質(zhì)材料，形成互連線的低擊穿，而且能擴(kuò)散 到硅中形成深能級陷阱，或與硅在較低溫度下反應(yīng)生成高阻化合物，導(dǎo)致對有源區(qū)的沾污 而引起結(jié)漏電和閾值電壓漂移，甚至使器件失效。因此，需要在銅與氧化物及其它介質(zhì)材料 之間介入阻擋層來有效地阻擋銅向硅中擴(kuò)散，同時也改善銅膜與基體的結(jié)合能力。銅互連 技術(shù)中擴(kuò)散阻擋層的介入不僅會增加制程上的負(fù)擔(dān)，而且會大大增加導(dǎo)線的電阻值，使得 銅導(dǎo)線降低整體電阻值的優(yōu)勢不能得以維持?；谧钃鯇釉阢~互連工藝中的局限性，“自形成”阻擋層方法引起越來越多的關(guān) 注，以期能夠替代擴(kuò)散阻擋層的作用。該方法是在銅中加入少量固溶度較低的某些高熔點(diǎn) 合金元素，并使銅合金膜沉積在熱氧化硅基底上，薄膜退火加熱后，在Cu/Si02界面會形成 薄而穩(wěn)定的自形成阻擋層，從而起到界面擴(kuò)散阻擋層的作用。但是，由于合金元素的引入， 使得銅合金膜在退火后仍有較高的電阻率，不利于降低互連線的RC延遲，而采用過高的退 火溫度(如>500°C)則會引起金屬化系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性，且不適用于集成電路制造的后端工 藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能有效地解決銅金屬化體系電阻率和熱穩(wěn)定性在退 火溫度方面的矛盾，工藝簡單，與半導(dǎo)體器件制造工藝相兼容的銅金屬化自形成阻擋層低 溫退火方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的銅合金膜淀積于含氧化合物介質(zhì)之上得到的金屬化體系，將得到的金屬化體系在 300-400°C的溫度下退火處理，退火處理時，在金屬化體系上施加10V-60V的偏壓，在該偏 壓作用下產(chǎn)生由含氧化合物介質(zhì)指向銅合金膜方向的電場，使銅合金膜中合金原子更容易 偏析并在電場作用下向界面輸運(yùn)，與層間介質(zhì)反應(yīng)自形成擴(kuò)散阻擋層。所述銅合金膜是摻入&、Ag、V、Mg、Mn、Ti、Al或In的銅合金膜。所述氧化合物介質(zhì)是SiO2。本發(fā)明的銅金屬化自形成阻擋層低溫退火工藝的主要特點(diǎn)是將金屬化體系在 300-400°C的溫度下退火處理，退火處理時在金屬化體系上施加10V-60V的偏壓(簡稱場助 退火)，以增加銅合金膜中合金原子向界面輸運(yùn)的驅(qū)動力，使銅合金膜中合金原子更容易偏析并在電場作用下向界面輸運(yùn)，與層間介質(zhì)反應(yīng)自形成擴(kuò)散阻擋層。本發(fā)明所述的銅金屬化自形成阻擋層低溫退火工藝，可通過優(yōu)化銅合金膜中合金 原子濃度、退火溫度、時間以及退火時偏壓大小達(dá)到獲得性能優(yōu)良的銅金屬化體系。在不提 高退火溫度和不影響金屬化體系熱穩(wěn)定性的前提下，通過場助退火工藝獲得電阻率低且性 能穩(wěn)定的銅導(dǎo)線或電極。實(shí)際上，由于銅合金膜/介質(zhì)界面的不平整，所施加偏壓將會在界 面水平方向產(chǎn)生電場分量，從而改善水平方向合金原子的輸運(yùn)和反應(yīng)，從而有助于獲得均 勻而穩(wěn)定的界面層(即擴(kuò)散阻擋層)。本發(fā)明在不增加工藝復(fù)雜度的情況下，有效地解決了 銅金屬化體系電阻率和熱穩(wěn)定性在退火溫度方面的矛盾要求。同時，該工藝具有實(shí)施簡單， 與半導(dǎo)體器件制造工藝相兼容的特點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式下面舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)地描述實(shí)施例1銅合金膜Cu-ZHO. 3at. % )利用磁控濺射方法淀積于SiO2介質(zhì)之上，將得到的 Cu-Zr/Si02/Si金屬化體系在400°C的溫度下退火處理1小時。退火處理時，在金屬化體 系Si基底上施加20V的偏壓，在該偏壓作用下產(chǎn)生由半導(dǎo)體指向銅合金膜方向的電場，以 增加ττ原子向Cu-Zr/Si02界面輸運(yùn)的驅(qū)動力，使銅合金膜中&原子更容易偏析并在電場 作用下向界面輸運(yùn)，與SiO2介質(zhì)反應(yīng)自形成擴(kuò)散阻擋層&02。通過本實(shí)施例Cu-Zr/Si02/ Si金屬化體系退火溫度、時間以及退火時偏壓大小獲得約7nm厚的自形成阻擋層。在不 提高退火溫度和不影響金屬化體系熱穩(wěn)定性的前提下，通過場助退火工藝獲得電阻率約 2. 5μ Ω · cm且性能穩(wěn)定的銅膜。實(shí)施例2銅合金膜Cu-Al (0. 6at. % )利用磁控濺射方法淀積于SiOCH介質(zhì)之上，將得到的 Cu-Al/SiOCH/Si金屬化體系在400°C的溫度下退火處理1小時。退火處理時，在金屬化體 系Si基底上施加30V的偏壓，最終獲得約5nm厚的自形成阻擋層。在不提高退火溫度和不 影響金屬化體系熱穩(wěn)定性的前提下，通過場助退火工藝獲得電阻率低于2. 7μ Ω 且性 能穩(wěn)定的銅膜。實(shí)施例3銅合金膜Cu-Mn(0. 3at. % )利用磁控濺射方法淀積于SiO2介質(zhì)之上，將得到的 Cu-Mn/Si02/Si金屬化體系在350°C的溫度下退火處理1小時。退火處理時，在金屬化體系 Si基底上施加25V的偏壓，以增加Mn原子向Cu-Mn/Si02界面的輸運(yùn)與SiO2介質(zhì)反應(yīng)形成 約3nm厚的擴(kuò)散阻擋層，獲得電阻率約2. 2 μ Ω · cm的銅膜。
權(quán)利要求
1.一種銅金屬化自形成阻擋層低溫退火方法，其特征是銅合金膜淀積于含氧化合物 介質(zhì)之上得到的金屬化體系，將得到的金屬化體系在300-400°C的溫度下退火處理，退火處 理時，在金屬化體系上施加10V-60V的偏壓，在該偏壓作用下產(chǎn)生由含氧化合物介質(zhì)指向 銅合金膜方向的電場，使銅合金膜中合金原子更容易偏析并在電場作用下向界面輸運(yùn)，與 層間介質(zhì)反應(yīng)自形成擴(kuò)散阻擋層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅金屬化自形成阻擋層低溫退火方法，其特征是所述銅合 金膜是摻入Zr、Ag、V、Mg、Mn、Ti、Al或In的銅合金膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的銅金屬化自形成阻擋層低溫退火方法，其特征是所述 氧化合物介質(zhì)是SiO2。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種銅金屬化自形成阻擋層低溫退火方法。銅合金膜淀積于含氧化合物介質(zhì)之上得到的金屬化體系，將得到的金屬化體系在300-400℃的溫度下退火處理，退火處理時，在金屬化體系上施加10V-60V的偏壓，在該偏壓作用下產(chǎn)生由含氧化合物介質(zhì)指向銅合金膜方向的電場，使銅合金膜中合金原子更容易偏析并在電場作用下向界面輸運(yùn)，與層間介質(zhì)反應(yīng)自形成擴(kuò)散阻擋層。本發(fā)明在不增加工藝復(fù)雜度的情況下，有效地解決了銅金屬化體系電阻率和熱穩(wěn)定性在退火溫度方面的矛盾要求。同時，該工藝具有實(shí)施簡單，與半導(dǎo)體器件制造工藝相兼容的特點(diǎn)。
文檔編號H01L21/321GK102005384SQ20101028253
公開日2011年4月6日 申請日期2010年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月16日
發(fā)明者張密林, 張濤, 曹菲, 王穎 申請人:哈爾濱工程大學(xué)