扩散阻挡层及其制备方法、集成电路Cu互连结构技术

本发明专利技术涉及一种扩散阻挡层及其制备方法、集成电路Cu互连结构，扩散阻挡层的材料包括高熵合金及其氮化物，实现扩散阻挡层结构热力学和机械的稳定性，抵抗长期服役过程中的晶格缺陷所造成的扩散阻挡失效的问题，提高集成电路中Cu互连结构的可靠性。扩散阻挡层自第一侧至第二侧氮含量逐渐降低，减少了扩散阻挡层中的晶界，阻断了Cu向基体扩散的通道。扩散阻挡层的第一侧的氮含量较高，材料性质和热膨胀系数更接近于衬底，第二侧的氮含量较低，材料性质和热膨胀系数更接近于Cu层，因此能够提高层间结合力，并且梯度变化单层膜结构有效消除因不同材料间热膨胀系数差异较大所造成的服役过程中界面分层、出现孔洞失效等问题。出现孔洞失效等问题。出现孔洞失效等问题。

【技术实现步骤摘要】
扩散阻挡层及其制备方法、集成电路Cu互连结构


[0001]本专利技术涉及集成电路
，特别是涉及一种扩散阻挡层及其制备方法、集成电路Cu互连结构。

技术介绍

[0002]在集成电路领域，随着技术节点的不断减小以及互连布线密度的急剧增加，互连系统的电阻、电容带来的RC延迟等问题突显。为此，互连线材料采用低电阻率和高抗电子迁移率的金属铜（Cu）替代传统的金属铝（Al）。然而，Cu与衬底介质的结合力较差，而且Cu的扩散系数高，在较低的温度下就会与衬底介质产生互扩散，生成高阻化合物Cu3Si，导致器件性能退化，甚至失效。因此，为了提高Cu与衬底介质的结合力、抑制Cu原子的扩散，需要在Cu和衬底介质之间设置高粘附性、高热稳定性和低电阻率的扩散阻挡层，以提高器件的可靠性和稳定性。
[0003]互连结构中的扩散阻挡层材料广泛采用过渡金属的氮化物，如TiN、TaN等，其具有较好的粘附性和高的热稳定性。然而，如图1所示，该类材料容易形成晶界或柱状结构等微观结构缺陷，成为Cu原子快速扩散的通道，而降低了阻挡性能。如图2所示，横轴代表退火处理的温度，纵轴代表150℃下的表面方阻，在一定温度的退火处理后，TaN
‑
Si叠层和TiN
‑
Si叠层的表面方阻未上升，而Cu
‑
TaN
‑
Si叠层和Cu
‑
TiN
‑
Si叠层的表面方阻在经过600℃以上温度退火处理后出现明显上升，这说明在600℃时Cu原子就已发生了明显扩散，生成高阻化合物Cu3Si，扩散阻挡层失效。
[0004]近年来，为满足先进制程Cu互连工艺要求，三元或四元组分以及层状结构的氮化物阻挡层被广泛研究，如RuTiN、ZrCuNiAlN、Ti/MoN等，其晶格畸变以及层状结构延长了扩散距离，提高了对Cu的扩散阻挡能力。其中，高熵合金（High
‑
entropy alloys，HEA）及其氮化物在互连应用方面获得了广泛关注。高熵合金是将5种以上的元素以每种元素摩尔分数在5%~35%之间组合形成的新型合金。高熵合金的多主单元组合所产生的热力学高混合熵效应、动力学的迟滞扩散效应、原子结构严重晶格畸变、非晶态生长和性能上的鸡尾酒效应等特点，使其具有高热稳定、耐腐蚀性和阻扩散等优异性能。图3为AlCrTaTiZr高熵合金薄膜非晶态截面形貌的电镜图，没有明显的晶界或柱状结构等微观结构缺陷，有利于提高扩散阻挡性能。
[0005]然而，集成电路中由于高熵合金氮化物（HEAN）与Cu、HEA及衬底之间热膨胀系数差别较大，导致结合力较差，服役时界面处容易出现孔洞、分层，而使扩散阻挡层失效。目前，主要通过多层结构，即Si/金属氮化物/金属/Cu等结构，以提高膜层结合力，但这种方式增加了工艺复杂度，也增加了扩散阻挡膜层结构中的晶界，给Cu原子的扩散提供了通道。

技术实现思路

[0006]基于此，有必要提供一种扩散阻挡层及其制备方法、集成电路Cu互连结构，以提高扩散阻挡性能、膜层结合力。
[0007]本专利技术的其中一个方面提供一种Cu互连集成电路的扩散阻挡层，方案如下：一种Cu互连集成电路的扩散阻挡层，用于设置在衬底和Cu层之间，所述扩散阻挡层具有相对设置的第一侧和第二侧，所述第一侧用于连接所述衬底，所述第二侧用于连接所述Cu层，所述扩散阻挡层的材料包括高熵合金及其氮化物，所述扩散阻挡层的氮含量自所述第一侧至所述第二侧逐渐降低，所述第二侧的氮含量为0。
[0008]在其中一个实施例中，所述第一侧的氮含量为30wt%~50wt%。
[0009]在其中一个实施例中，所述扩散阻挡层的氮含量自所述第一侧至所述第二侧线性降低。
[0010]在其中一个实施例中，所述高熵合金及其氮化物中的金属元素选自Al、ⅣB族、
Ⅴ
B族、
Ⅵ
B族、
Ⅶ
B族以及
Ⅷ
族中的至少5种元素。
[0011]在其中一个实施例中，所述高熵合金及其氮化物中的金属元素选自铝、钛（Ti）、锆（Zr）、铪（Hf）、钒（V）、铌（Nb）、钽（Ta）、铬（Cr）、钼（Mo）、钨（W）、锰（Mn）、钌（Ru）、钴（Co）、铂（Pt）中的5种或以上元素。
[0012]在其中一个实施例中，所述扩散阻挡层的厚度为3nm~20nm。
[0013]本专利技术的另一个方面提供一种上述任一实施例的Cu互连集成电路的扩散阻挡层，方案如下：一种Cu互连集成电路的扩散阻挡层的制备方法，包括以下步骤：通过溅射工艺，在衬底上沉积扩散阻挡层，所述溅射工艺采用高熵合金靶材，并通入工作气体以及氮气，在所述溅射工艺的过程中，通入的氮气在所述工作气体和氮气的总气量中的占比逐渐降低至0。
[0014]在其中一个实施例中，所述溅射工艺的工艺参数包括：气压为6mTorr~15mTorr、偏置电压为
‑
100V~
‑
800V、靶材功率密度为15W/cm2~25W/cm2。
[0015]在其中一个实施例中，在所述溅射工艺的过程中，通入的氮气与所述工作气体的比例从1~4∶1逐渐降低至0∶1。
[0016]本专利技术的又一个方面提供一种集成电路Cu互连结构，方案如下：一种集成电路Cu互连结构，包括衬底、上述任一实施例所述的扩散阻挡层以及Cu层，所述扩散阻挡层设置在所述衬底上，所述Cu层设置在所述扩散阻挡层上。
[0017]在其中一个实施例中，所述Cu层的厚度为20nm~80nm。
[0018]与传统方案相比，上述扩散阻挡层及其制备方法、集成电路Cu互连结构具有以下有益效果：上述Cu互连集成电路的扩散阻挡层及其制备方法采用高熵合金及其氮化物，利用其优异的热稳定性和高熵效应所产生的严重晶格畸变、非晶态结构生长及迟滞扩散等特点，实现扩散阻挡层结构热力学和机械的稳定性，抵抗长期服役过程中的晶格缺陷所造成的扩散阻挡失效的问题，提高集成电路中Cu互连结构的可靠性。并且，扩散阻挡层自连接衬底的第一侧至连接Cu层的第二侧氮含量逐渐降低，膜层为纳米晶、非晶混合态向非晶态渐变的梯度结构，减少了扩散阻挡层中的晶界，阻断了Cu向基体扩散的通道。扩散阻挡层的第一侧的氮含量较高，材料性质和热膨胀系数更接近于衬底，第二侧的氮含量为0，材料性质和热膨胀系数更接近于Cu层，因此能够提高扩散阻挡层和衬底、Cu层之间的结合力，并且梯
度变化单层膜结构有效消除因不同材料间热膨胀系数差异较大所造成的服役过程中界面分层、出现孔洞失效等问题。
[0019]上述集成电路Cu互连结构具有上述任一实施例的扩散阻挡层，因而能够获得相应的技术效果。
附图说明
[0020]图1为过渡金属氮化物典型的柱状晶形貌；图2为不同温度退火处理后TaN
‑
Si叠层、TiN
‑
Si叠层、Cu
‑
TaN
‑
Si叠层和Cu
‑
TiN
‑<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Cu互连集成电路的扩散阻挡层，用于设置在衬底和Cu层之间，其特征在于，所述扩散阻挡层具有相对设置的第一侧和第二侧，所述第一侧用于连接所述衬底，所述第二侧用于连接所述Cu层，所述扩散阻挡层的制备材料包括高熵合金及其氮化物，所述扩散阻挡层的氮含量自所述第一侧至所述第二侧逐渐降低，所述第二侧的氮含量为0。2.如权利要求1所述的Cu互连集成电路的扩散阻挡层，其特征在于，所述第一侧的氮含量为30wt%~50wt%。3.如权利要求1所述的Cu互连集成电路的扩散阻挡层，其特征在于，所述扩散阻挡层的氮含量自所述第一侧至所述第二侧线性降低。4.如权利要求1所述的Cu互连集成电路的扩散阻挡层，其特征在于，所述高熵合金及其氮化物中的金属元素选自Al、ⅣB族、
Ⅴ
B族、
Ⅵ
B族、
Ⅶ
B族以及
Ⅷ
族中的至少5种元素。5.如权利要求4所述的Cu互连集成电路的扩散阻挡层，其特征在于，所述高熵合金及其氮化物中的金属元素选自铝、钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钼、钨、锰、钌、钴、铂中...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢金德，贾晓峰，庄琼阳，陈献龙，
申请(专利权)人：广州粤芯半导体技术有限公司，
类型：发明
国别省市：