一种在金属铜上形成保护层的方法技术

本发明专利技术公开了一种在金属铜上形成保护层的制备方法。所述方法利用热法原子层沉积系统，在较低温度下在半导体基底的铜金属表面制备金属氧化物介质层，从而形成金属铜的保护层。所述金属氧化物介质层包括氧化铝、氧化铪、氧化钛等。本发明专利技术可以在器件加工过程中有效的保护金属铜表面，并防止铜的继续氧化，提高器件性能。件性能。件性能。

【技术实现步骤摘要】
一种在金属铜上形成保护层的方法


[0001]本专利技术涉及电子器件和半导体领域，特别涉及一种在金属铜上形成保护层的制备方法。

技术介绍

[0002]随着器件制程的几何尺寸的不断缩小，金属互联线的截面积和间距不断缩小，导致互联线电阻R和寄生电容C的增加，从而互联线的RC延迟大幅度升高。所以，为了解决这个问题，需要采取电阻率更低的金属作为互联线材料。铜由于较低的电阻R，且具有卓越的热机械性能，逐渐替代传统的铝作为新的互联金属。
[0003]增强型功率器件可能用到铜作为电极和金属互联，由于与铝相反，铜的表面会强烈氧化并且阻碍随后的封装、组装操作(例如导线结合和焊接)，所以需要在器件上沉积钝化保护层来改善铜环境的稳定性。
[0004]作为克服这种问题的一种方法是，铜表面可以沉积有抗氧化的保护层。可采取的技术可以使用(多种)附加金属，类似例如使用镍、金或钯，但是金属在铜上的沉积工艺是较复杂的，并且也十分昂贵。此外，还需解决在晶片背部的金属污染。现有技术还有利用等离子增强化学气相沉积(PECVD)在铜上沉积氮化硅介质层，但是研究发现氮化硅层也存在不足，如由于等离子体的引入容易引起突起(hillock defect)缺陷，也会引入氢离子，严重影响到器件的电学性能，器件如TFT(薄膜晶体管)等。
[0005]所以，考虑到经济性及实用性，有必要在制备诸如TFT或增强型功率器件时，对铜的钝化工艺进行改进。较便宜的方案是在铜电极或铜导线上利用原子层沉积(ALD)设备沉积金属氧化物介质层作为钝化层，这样既可以保护铜表面，又可以在铜互联结合工艺(导线焊接等)的位置，通过机械擦洗该介质薄层而被机械去除，完成导线的结合。铜由于极易氧化，金属氧化物的原子层沉积工艺必须十分注意，否则就会在铜表面形成很厚的氧化铜层。本专利技术所制备的金属氧化物介质Al2O3薄膜致密且与铜金属层的结合力优，没有明显的突起缺陷(hillock defect)和孔洞现象的产生。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种在金属铜上形成保护层(金属氧化物介质层)的方法，通过利用原子层沉积设备，用原子层沉积工艺在铜表面制备金属氧化物介质层，所述金属氧化物介质层包括氧化铝、氧化铪、氧化钛等。这样可以有效的保护铜表面，并防止铜的继续氧化。
[0007]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0008]本专利技术涉及一种在金属铜上形成保护层的制备方法，所述方法包括：
[0009]步骤1，提供具有铜金属层的半导体基底；
[0010]步骤2，采用热法原子层沉积工艺，在所述铜金属层上沉积金属氧化物介质层。
[0011]本专利技术的方法适用于一般器件，铜仅作为电极或者作为互联层数较少的互联金
属，保护层只沉积在铜顶部，沉积的工艺更简单，侧重于防止铜在器件制备的后续工艺中继续氧化，而导致铜导电性恶化使得器件失效。
[0012]作为本专利技术的一个实施方案，所述金属氧化物介质层选自氧化铝层、氧化铪层、氧化钛层。
[0013]作为本专利技术的一个实施方案，所述金属氧化物介质层的厚度为20
‑
30nm。
[0014]作为本专利技术的一个实施方案，步骤2包括：
[0015]步骤201，将具有铜金属层的半导体基底迅速放入原子层沉积设备腔中，保持腔体真空状态(以防止铜薄膜的迅速氧化)；
[0016]步骤202，将金属基氧化物源气体等通入原子层沉积设备腔中进行反应；
[0017]步骤203，利用惰性气体吹扫多余的步骤202中的金属基氧化物源气体；
[0018]步骤204，将氧源气体通入原子层沉积设备腔中进行反应；
[0019]步骤205，利用惰性气体吹扫多余的氧源气体；
[0020]步骤206，循环步骤202、203、204、205；直至达到预定膜厚。
[0021]步骤202中进行的是金属基氧化物的吸附反应A：Al
‑
OH*+Al(CH3)
[0022]3—>Al
‑
O
‑
Al
‑
(CH3)2*+CH4。
[0023]步骤204中进行的是H2O与前一个反应A的生成物反应B：
[0024]Al
‑
O
‑
Al
‑
(CH3)2*+2H2O—>Al
‑
O
‑
Al
‑
(OH)2*+2CH4。
[0025]作为本专利技术的一个实施方案，所述金属基氧化物源气体选自铝源气体、铪源气体、钛源气体。
[0026]作为本专利技术的一个实施方案，所述氧源气体为水蒸气。
[0027]作为本专利技术的一个实施方案，所述铝源气体为三甲基铝TMA气体，所述铪源气体为四双(乙基甲基氨)铪TEMAHf气体，所述钛源是四氯化钛(TiCl4)气体。
[0028]作为本专利技术的一个实施方案，每个循环沉积速率约为优选为
[0029]作为本专利技术的一个实施方案，所述惰性气体为氮气(99.99％)或者氩气(99.99％)
[0030]作为本专利技术的一个实施方案，原子层沉积工艺的沉积温度为250℃
‑
300℃，水蒸气做为氧化剂反应物，高纯惰性气体做为载气和惰性吹扫气体，载气和吹扫气体的流量为200
‑
300sccm。
[0031]作为本专利技术的一个实施方案，原子层沉积工艺过程中，前驱体和反应物分别以脉冲形式通过脉冲阀的开关由载气交替带入原子层沉积设备腔。前驱体指的是铝源或铪源，如三甲基铝TMA、四双(乙基甲基氨)铪。反应物指的是氧源，如水蒸气。
[0032]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
[0033]1)现有技术还有利用等离子增强化学气相沉积(PECVD)在铜上沉积氮化硅介质层，但是研究发现氮化硅层存在不足，如由于等离子体的引入容易引起突起(hillock defect)缺陷，也会引入氢离子，严重影响到器件的电学性能，而本专利技术则通过避免引入等离子体的技术特征，实现了减少引起缺陷诱因的有益效果；
[0034]2)通过单步工艺特征即可达到保护铜层效果，满足性能需求，实现了成本更低的有益效果；
[0035]3)通过所沉积薄膜厚度更薄，沉积时间更短的技术特征，实现了提高产出的有益效果。
附图说明
[0036]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0037]图1为器件铜导线互联一般结构示意图；
[0038]图2为器件导线互联结构形成的工艺示意图；
[0039]图3为ALD制备金属氧化物介质层作为铜保护层的工艺流程图；
[0040]图4为通过不同ALD工艺制备的Al2O3介质层作为铜保护层样片实例示意图；
[0041]图5为实施例1的氧化铝表面的扫描电子显微镜(SEM)照片；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在金属铜上形成保护层的制备方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1，提供具有铜金属层的半导体基底；步骤2，采用原子层沉积工艺，在所述铜金属层上沉积金属氧化物介质层。2.如权利要求1所述的在金属铜上形成保护层的制备方法，其特征在于，所述金属氧化物介质层选自氧化铝层、氧化铪层、氧化钛层。3.如权利要求1所述的在金属铜上形成保护层的制备方法，其特征在于，所述金属氧化物介质层的厚度为20
‑
30nm。4.如权利要求1所述的在金属铜上形成保护层的制备方法，其特征在于，步骤2包括：步骤201，将具有铜金属层的半导体基底迅速放入原子层沉积设备腔中，保持腔体真空状态；步骤202，将金属基氧化物源气体通入原子层沉积设备腔中进行反应；步骤203，利用惰性气体吹扫多余的步骤202中的金属基氧化物源气体；步骤204，将氧源气体通入原子层沉积设备腔中进行反应；步骤205，利用惰性气体吹扫多余的氧源气体；步骤206，循环步骤202、203、204、205；直至达到预定膜厚。5.如权利要求4所述的在金属铜上...

【专利技术属性】
技术研发人员：乌李瑛，瞿敏妮，马玲，程秀兰，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：