一種銅互連結構及其制備方法技術

本發(fā)明專利技術屬于微電子工藝技術領域，具體是一種以Ru-Al-O作為擴散、粘附阻擋層的銅互連結構以及制備方法。本發(fā)明專利技術以現(xiàn)有銅互連結構為基礎，采用Ru-Al-O代替?zhèn)鹘y(tǒng)的TaN/Ta雙層結構，作為銅互連結構的新的銅擴散阻擋層。利用原子層淀積（ALD）方法，在經(jīng)過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，并在其上生長一層5~10nm厚的Ru作為擴散阻擋層，并可作為電鍍銅的籽晶層。通過調節(jié)Ru-Al-O中的Ru、Al、O三者的比例，可以獲得較佳的銅擴散阻擋能力和粘附特性。本發(fā)明專利技術可以提高擴散阻擋層與下層二氧化硅層的粘附強度，并保持與籽晶層連接的緊密性，為現(xiàn)有的銅互連技術在增強粘附能力方面提供一種改善的可行性方案。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術屬于微電子工藝
，具體涉及一種以Ru-Al-0\Ru疊層結構作為擴散、粘附阻擋層的新型銅互連結構以及制備方法。
技術介紹
在銅互連工藝中，為了防止Cu擴散到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的雙層結構得到了廣泛的應用，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的阻擋效果。傳 統(tǒng)的TaN/Ta雙層結構由于主要用物理汽相淀積(PVD)技術而導致臺階覆蓋能力差、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，因此為了適應器件尺寸減小的節(jié)奏，尋找其他材料充當擴散阻擋層迫在眉睫。在其他可以考慮作為擴散阻擋層的材料中，Ru是一種非常具有前景的材料。通過引入Ru材料作為擴散阻擋層，可以有效的克服傳統(tǒng)的TaN/Ta結構的不足。其主要原因在于Ru與Cu的粘附性極好，可以增強粘附性，同時Ru是一種惰性金屬，與Ta和TaN相比，Ru的電阻率要低許多。不過單層的Ru不適合作為擴散阻擋層，因為有實驗表明Ru單層擴散阻擋層在退火后會出現(xiàn)阻擋失效的情形。為此我們提出一種在利用ALD生長Ru-Al-O作為粘附層，之后在其上生長Ru擴散阻擋層的結構，來解決這一問題。
技術實現(xiàn)思路
本專利技術的目的在于提供一種新型材料作為擴散阻擋層的銅互連結構，用于改善在器件尺寸減小的情況下，傳統(tǒng)的TaN/Ta雙層結構作為擴散阻擋層，所起到的阻擋效果不佳的狀況。本專利技術提供的銅互連結構，是以現(xiàn)有銅互連結構為基礎，其改進之處在于采用Ru-Al-O作為銅互連結構的粘附層，Ru作為擴散阻擋層，兩層的厚度分別為T5nm、5 10nm。本專利技術提供的銅互連結構的制備方法，具體步驟如下 (1)采用RCA標準工藝清洗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、絕緣介質層； (3)通過光刻、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構上，利用ALD方法生長厚度為3飛nm的Ru-Al-O粘附層，此后在此粘附層上面生長一層厚度為5 10nm的Ru，作為擴散阻擋層，同時可充當傳統(tǒng)結構的籽晶層的作用； (6)之后再采用電鍍的方法，獲得銅互連結構； (7)最后用化學機械拋光工藝平整化晶片表面。進一步地，上述方法中所述的絕緣介質層材料為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生長技術，使用的Ru反應前驅體為Ru (THD) 3或Ru5 (CO) 13或RCpRu (CO) 2R，使用的Al的反應前驅體為三甲基鋁(TMA)，使用的氧源為H20、H2O2或03，反應腔體的溫度在200 300 0C,反應的基壓在f 4Torr。所述的銅互連結構使用電鍍的方法實現(xiàn)，電鍍的電流密度為O. 5A/dnT3. OA/dm2。與傳統(tǒng)的銅擴散阻擋層采用TaN/Ta的雙層結構相比，本專利技術使用Ru-Al-O作為粘附層、Ru作為擴散阻擋層材料，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濺射方法制備擴散阻擋層相比，采用ALD生長擴散阻擋層可以保證良好的臺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專利技術的優(yōu)勢之處。利用此方法制備出的新型銅互連結構可以有效的解決傳統(tǒng)TaN工藝出現(xiàn)的粘附性不好的問題，克服PVD濺射工藝在深亞微米環(huán)境下的不足，保證銅互連結構的可靠性。 附圖說明圖廣圖5為依照本專利技術實施的一種新型Cu擴散阻擋層與銅互連的集成工藝剖面圖。圖中標號101為半導體襯底晶片，102為刻蝕阻擋層，103為絕緣介質層，104為粘附層Ru-Al-0，105為Ru擴散阻擋層，106為電鍍銅薄膜。具體實施例方式下面參考附圖描述本專利技術的實施方式。后面的描述中，相同的附圖標記表示相同的組件，對其重復描述將省略。本專利技術所提出的Ru-Al-O材料擴散阻擋層及其制備方法可以適用于不同集成電路技術的后道銅互連結構中，以下所敘述的是制備該銅互連線擴散阻擋層為實施例的工藝流程。首先，在P型Si (100)襯底101上，采用標準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、標準清洗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層103 (如SiO2薄膜)。接著，利用標準的光刻和刻蝕工藝形成互連結構用的溝槽或通孔201。然后，在溝槽或通孔形成后，開始利用ALD來生長Ru-Al-O粘附層薄膜104。使用的Ru反應前驅體為Ru (THD) 3或Ru5 (CO) 13或RCpRu (CO) 2R，使用的Al反應前驅體為三甲基鋁(TMA)，使用的氧源為H2CKH2O2或O3，生長溫度為20(T300°C，反應的基壓在f4Torr。首先，在反應腔中通入三甲基鋁(TMA)源，時間為廣5 s ;用高純N2吹洗反應腔f 10 s;再通入氧源，時間為廣5 s ;用高純N2吹洗反應腔f 10 S，這樣完成一個氧化鋁的ALD生長周期。根據(jù)薄膜的性質，重復這樣的周期η次(n=f 20)。接著，在反應腔中通入Ru源，時間為f 5 s ;用高純N2吹洗反應腔f 10 s ;再通入氧源，時間為f 5 s ;用高純N2吹洗反應腔Γ10 s，這樣完成一個氧化釕的ALD生長周期。通過ALD生長RuO2的周期數(shù)，可以控制在整個Ru-Al-O薄膜中Ru的含量，優(yōu)化相應的工藝參數(shù)，可以使得整個互連阻擋層具有最佳的電學和機械性能。再接著分別重復ALD生長前面相同生長周期數(shù)的氧化鋁、RuO2薄膜，直到獲得理想的擴散阻擋層厚度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生長一層5 10nm厚度的Ru擴散阻擋層105，與上面一步采用的釕源和相同，生長周期設定為原來的2倍。然后，采用 電鍍的方式，在溝槽或通孔結構中，電鍍銅導線106，形成銅互連線結構，如圖4所示。最后，用化學機械拋光(CMP)技術平整化晶片表面，完成一層的互連結構，如圖5所示，為下一層互連結構做準備。本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種銅互連結構，以現(xiàn)有銅互連結構為基礎，其特征在于利用Ru？Al？O作為粘附層，Ru作為在此之上的擴散阻擋層，這兩層的厚度分別為3~5nm和5~10nm。

【技術特征摘要】
1.一種銅互連結構，以現(xiàn)有銅互連結構為基礎，其特征在于利用Ru-Al-O作為粘附層，Ru作為在此之上的擴散阻擋層，這兩層的厚度分別為3飛nm和5 10nm。2.一種如權利要求I所述的銅互連結構制備方法，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、絕緣介質層； (3)通過光刻、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構上，利用ALD方法生長厚度為3飛nm的Ru-Al-O粘附層，此后在此粘附層上面生長一層厚度為5 10nm的Ru，作為擴散阻擋層，同時充當傳統(tǒng)結構的籽晶層的作用； (5)之后再采用電鍍的方法，獲得銅互連結構； (6)最后用化學機械拋光工藝平整化晶片表面。3....

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：盧紅亮，張衛(wèi)，謝立恒，丁士進，王鵬飛，
申請(專利權)人：復旦大學，
類型：發(fā)明
國別省市：