專利名稱：一種形成銅接觸互連結構的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于半導體器件技術領域，具體涉及一種形成銅接觸互連結構的方法。
背景技術：
集成電路互連中的傳統(tǒng)接觸層是由金屬鎢填充而成的，但是隨著器件尺寸的進一 步縮小，鎢塞的接觸面積越來越小同時深寬比加劇，在這種結構下鎢塞電阻顯著增大，且由 于鎢塞本身電阻率大等因素，使電路延遲增大，嚴重影響了電路的速度和性能。采用電阻率 低的銅作為接觸層材料可以解決鎢塞電阻大的問題，同時可以與銅互連工藝保持一致，即 采用鑲嵌工藝實現(xiàn)。但是銅在硅、鎳硅等材料中極易擴散，嚴重影響器件性能。用于銅互連中的銅導線 通常都被擴散阻擋層包圍，以防止或最大限度減緩其擴散。而接觸層與器件源漏區(qū)域近距 離接觸，若采用銅作為接觸層材料，則銅接觸的擴散阻擋層性能則是關鍵。對擴散阻擋層的要求因不同結構而各異。擴散阻擋層在確保對銅的擴散阻擋性能 情況下，要與下面的材料層有很好的粘附和相近的熱膨脹系數，以保證整個系統(tǒng)在熱處理 情況下的穩(wěn)定性。用于銅接觸的擴散阻擋層下面為源漏接觸，一般為金屬硅化物，不同于上 層銅互連結構，因此需要一種在金屬硅化物上有良好擴散阻擋性能的擴散阻擋層。目前用 于銅互連中的擴散阻擋層有大量材料，如氮化硅，難溶金屬氮化物(TaN，TiN，WN)等。本發(fā) 明作者的工作已經報道了在硅化物(NiSi)上制備Ta/TaN，RU/TaN等結構作為擴散阻擋層， 形成銅接觸工藝，但是實驗發(fā)現(xiàn)氮化鉭在金屬硅化物(如NiSi等)上面的擴散阻擋性能會 有所下降。因此需要一種與源漏接觸材料有更好匹配的擴散阻擋層。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種在半導體元件中源漏與互連之間形成高質量的、黏附 性好的銅接觸互連結構的方法。本發(fā)明提出方法，其步驟包括，在介質孔露出源漏金屬硅化物表面上依次淀積擴 散阻擋層、黏附層/Cu籽晶層，并利用電鍍工藝將金屬層填進窗口，化學機械拋光后形成所 需要的第一層接觸工藝。該方法中，這種擴散阻擋層材料是本發(fā)明的重點。該擴散阻擋層的材料包括含Si 的三元金屬氮化物，或含C的三元金屬氮化物。其中金屬為難熔金屬，如鉭、鈦、鎢等。該擴 散阻擋層的電阻率在100-1000 μ Ω · cm之間，厚度在2-50納米之間。可利用物理氣相淀 積、或者原子層淀積方法制備獲得。上述三元金屬氮化物如TaSiN、TiSiN、WSiN、TaCN.WCN寸。本發(fā)明中，物理氣相淀積包括采用金屬Ta、或Ti或W靶和Si靶在Ar/N2氣氛下共濺射方法，或采用TaSi、TiSi, WSi合金靶濺射方法。在制備三元金屬氮化物后，一般在該 金屬氮化物上淀積一層黏附層，材料如金屬Ti，Ta，Ru，Rh，Co, Mo, Pd，Os等，其厚度在1-20 納米之間。對于金屬Ru，可以直接在其上進行無籽晶Cu電鍍，而對于Ti和Ta材料，由于其氧化特性，不能在其上直接電鍍銅，因此還需要再用物理氣相淀積或者化學氣相淀積一層 銅籽晶層，厚度在5-100納米之間。對于Ru，Rh，Co, Pd，Os等金屬，可以直接進行銅的電鍍 工藝。然后再用電鍍方法進行銅的自底而上的填充工藝。


圖1，銅接觸樣品結構示意圖。1為介質層，2為接觸孔，3為金屬硅化物，4為擴散 阻擋層，5為黏附層，6為銅籽晶層，7為電鍍層。
圖2 (a)，具有Cu/Ru/TaSiN/NiSi/Si結構的平面銅接觸工藝樣品。圖2(b)，在線XRD測試譜(In-situ XRD)，在線退火升溫速率為0. 2°C/s。樣品結 構分別為 Cu (50nm) /Ru (5nm) /TaSiN(IOnm) /NiSi (40nm) /Si。圖3 (a)，具有Cu/Ru/TaN/NiSi/Si結構的平面銅接觸工藝樣品。圖3(b)，在線XRD測試譜(In-situ XRD)，在線退火升溫速率為0. 2°C/s。樣品結 構分別為 Cu (50nm) /Ru (5nm) /TaSiN(IOnm) /NiSi (40nm) /Si。圖中標號1為介質層，2為接觸孔，3為金屬硅化物，4為擴散阻擋層，5為黏附層， 6為銅籽晶層，7為電鍍層。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明的實施方法作進一步描述，但本發(fā)明不僅限于實例。實施例11、在金屬硅化物上，采用TaSiN作為三元擴散阻擋層。利用磁控濺射的方法，控制 在濺射過程中的Ar氣和N2的流量比，濺射高純的Ta和Si靶。通過控制Ta靶和Si靶的濺 射功率，以及在濺射過程中的Ar氣和N2的流量比，可以控制Ta Si N的原子比。在濺 射過程中，本底真空小于IX 10_4帕。Ta和Si的功率可以從50W變化到200W ；Ar N2比從 1 1變化到10 1 ；薄膜的厚度從2納米變化到50納米，本次實驗真空度為2X10_5帕，Ar 工作氣壓為5 X ICT1巾白，氣體氣壓比Ar N2 = 5 1，TaSiN厚度約10納米。Ta Si N 的比例可以通過控制濺射功率進行調節(jié)，一個典型的原子比例是1 0.5 1。2、利用磁控濺射方法在TaSiN上淀積Ru黏附層，其厚度在1_20納米，本次實驗厚 度約為5納米。3、在Ru黏附層淀積Cu籽晶層，其厚度在5-100納米。上述三步形成的結構(2) 見示意圖2(a)。4、將上述結構浸沒在電鍍溶液中進行銅電鍍，形成銅材料的填充。形成的結構見 示意圖1。5、用化學機械拋光方法進行銅表面拋光，拋光到擴散阻擋層停止。6、采用在線XRD觀察了多層結構在退火過程中的物相變化，顯示該Cu/Ru/TaNSi/ NiSi結構在原位退火過程中其Cu3Si形成的溫度為650度，如圖2(b)所示。實施例21、本實例中采用TaSiN作為三元擴散阻擋層。利用原子層淀積方法。采用PDMAT、 NH3和SiH4分別作為Ta，N和Si的先體，通過控制流量，控制Ta、N和Si的含量。反應腔的 溫度在50-300度之間，PDMAT加熱的溫度在40-80度之間。通過循環(huán)數目可以控制薄膜厚度，薄膜的厚度從2納米變化到10納米。Ta Si N的典型的原子比例是1 0. 5 1.2、利用原子層淀積方法繼續(xù)在TaSiN上淀積Ru黏附層，采用Ru(EtCp2)作為先體，利用NH3作為還原氣體。其厚度在1-20納米。3、在Ru黏附層上利用PVD方法淀積Cu籽晶層，其厚度在5_100納米。4、將上述結構浸沒在電鍍溶液中進行銅電鍍，形成銅材料的填充。5、用化學機械拋光方法進行銅表面拋光，拋光到擴散阻擋層停止。比較例1 1、在金屬硅化物上，采用TaN作為擴散阻擋層。利用磁控反應濺射方法，控制在濺 射過程中的Ar氣和N2的流量比，一個優(yōu)化TaN材料的TaN原子比為1:1。厚度在2_50 納米。2、利用磁控濺射方法在TaN上淀積Ru黏附層，其厚度在1_20納米。3、在Ru黏附層淀積Cu籽晶層，其厚度在5-100納米。上述三步形成的結構(2) 見示意圖3(a)。4、將上述結構浸沒在電鍍溶液中進行銅電鍍，形成銅材料的填充。用化學機械拋 光方法進行銅表面拋光，拋光到擴散阻擋層停止。5、采用在線XRD觀察了多層結構(2)在退火過程中的物相變化，顯示該Cu/Ru/ TaNSi/NiSi結構在原位退火過程中其Cu3Si形成的溫度為500度，如圖3(b)所示。
權利要求
一種形成銅接觸互連結構的方法，其特征在于具體步驟如下在介質孔露出源漏金屬硅化物表面上依次淀積擴散阻擋層、黏附層/Cu籽晶層，并利用電鍍工藝將金屬層填進窗口，化學機械拋光后形成所需要的第一層接觸工藝；其中，所述擴散阻擋層的材料為含Si的三元金屬氮化物，或含C的三元金屬氮化物，金屬為難熔金屬，該擴散阻擋層的電阻率在100-1000μΩ·cm之間，厚度在2-50納米之間。
2.根據權利要求1所述的形成銅接觸互連結構的方法，其特征在于所述擴散阻擋層的 材料為 TaSiN、TiSiN, WSiN、TaCN 或 WCN。
3.根據權利要求1所述的形成銅接觸互連結構的方法，其特征在于所述粘附層材料為 金屬Ti，Ta，Ru，Rh，Co，Mo，Pd，或Os，其厚度在1-20納米之間。
4.根據權利要求1所述的形成銅接觸互連結構的方法，其特征在于所述Cu籽晶層厚度 在5-100納米之間。
全文摘要
本發(fā)明屬于半導體器件技術領域，具體為一種形成銅接觸互連結構的方法。具體為，在接觸層的介質開孔露出硅片上源漏的金屬硅化物層上形成擴散阻擋層，然后進行銅材料的填充，從而形成互連和硅器件的接觸。其中擴散阻擋層的材料為含Si的三元金屬氮化物，或含C的三元金屬氮化物，金屬為難熔金屬，該擴散阻擋層的電阻率在100-1000Ωcm之間，厚度在2-50納米之間。本發(fā)明可在半導體元件中源漏與互連之間形成高質量的、黏附性好的銅接觸互連結構。
文檔編號H01L21/768GK101819944SQ20101016243
公開日2010年9月1日 申請日期2010年4月28日 優(yōu)先權日2010年4月28日
發(fā)明者屈新萍, 謝琦, 趙瑩 申請人:復旦大學