一种铜互连扩散阻挡层结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种铜互连扩散阻挡层结构及其制备方法，包括：衬底和扩散阻挡层，所述衬底包括第一导电层和介质层；所述扩散阻挡层设置在衬底和第二导电层之间，所述扩散阻挡层包括依次设置的铌层、铌硅氮化物层和氮化铌层，所述第三层与所述第二导电层接触。通过在铜层和介质层之间设置有多层膜结构的阻挡扩散层，可以有效阻挡铜扩散到介质层中。同时，阻挡扩散层包括铌硅氮化物层和氮化铌层，且氮化铌层位于铌硅氮化物层与铜层之间，可以有效防止铌硅氮化物层中的硅元素进入铜层，破坏铜的电学性能。性能。性能。

【技术实现步骤摘要】
一种铜互连扩散阻挡层结构及其制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体制造
，具体涉及一种铜互连扩散阻挡层结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着集成电路集成度的提高，铜(Cu)由于具有低电阻率和高抗电迁移能力被广泛用作金属互连材料。但铜易扩散进入含硅的介质层中，生成铜硅化合物，因此，为阻止铜与硅(Si)之间发生扩散，在铜布线层和含硅层之间使用金属阻挡层。为了保证产品的质量和性能，金属阻挡层必须和铜层及含硅介质层有良好的粘附力、高的热稳定性、低的电阻率。
[0003]金属阻挡层广泛使用过渡金属氮化物(例如：氮化铪(HfN)、氮化钽(TaN)、氮化钛(TiN)、氮化铌(NbN)、氮化钼(MoN)等)，其具有优良的热稳定性和电学特性。随着器件及互连尺寸的不断缩小，对阻挡层的性能也提出了更严格的要求，为提高铜的扩散阻挡能力，掺硅的三元金属氮化物被研究出来(例如:铪硅氮化物(HfSiN)、钽硅氮化物(TaSiN)、钛硅氮化物(TiSiN)、铌硅氮化物(NbSiN)等)，硅的掺入能有效抑制阻挡层的结晶，使阻挡层有更加优异的阻挡性能。但是硅的掺入使得在阻挡层和铜布线层的界面之间，硅原子会逐渐进入铜布线层，进而降低铜的电学性能。

技术实现思路

[0004]本专利技术所解决的技术问题为：如何避免铜扩散到介质层并且能抑制硅原子进入到铜层。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：
[0006]一种铜互连扩散阻挡层结构，包括：
[0007]衬底，所述衬底包括第一导电层和介质层；
[0008]扩散阻挡层，所述扩散阻挡层设置在衬底和第二导电层之间，所述扩散阻挡层包括依次设置第一层、第二层、第三层，所述第一层为铌层，所述第二层为铌硅氮化物层，所述第三层为氮化铌层，所述第三层与所述第二导电层接触。
[0009]作为本专利技术进一步的方案：所述第一层、第二层、第三层的厚度范围为2nm
‑
50nm。
[0010]作为本专利技术进一步的方案：所述介质层的材质包括二氧化硅、硅碳氧。
[0011]作为本专利技术进一步的方案：所述第二导电层的厚度为20
‑
1000nm。
[0012]本专利技术还提供一种铜互连扩散阻挡层结构的制备方法，包括如下步骤：
[0013]S1：提供衬底；
[0014]S2：多层膜结构的扩散阻挡层生成：
[0015]S21：在衬底的介质层上采用磁控溅射法溅射一层铌薄膜形成第一层；
[0016]S22：在所述第一层上原子沉积一层厚度为2nm
‑
50nm的铌硅氮化物形成第二层；
[0017]S23：在第二层上生长一层厚度为2nm
‑
50nm的氮化铌形成第三层；
[0018]S3：在所述第三层上填充厚度为20
‑
1000nm的铜，形成第二导电层。
[0019]作为本专利技术进一步的方案：所述第一层的制备方法为：
[0020]S211：将铌靶材装入磁控溅射仪的靶位上，将衬底安装在样品台上，样品台加热温度300
‑
500℃；
[0021]S212：将腔体抽真空达到真空度为9.0*10
‑5Pa
‑
1.0*10
‑4Pa，通入Ar至工作压力为0.5
‑
2Pa；
[0022]S213：利用磁控溅射在衬底的介质层上溅射厚度为2nm
‑
50nm的铌薄膜形成第一层，溅射功率为200
‑
500W，沉积时间0.3
‑
1h。
[0023]作为本专利技术进一步的方案：所述第二层的制备方法为：
[0024]S221：将形成第一层完毕的衬底放入原子层沉积设备中，将腔体温度加热至工艺温度100℃
‑
450℃，腔体抽真空至0
‑
30Pa；
[0025]S222：将铌前驱体通过输送系统以脉冲形式输送到反应腔，前驱体和衬底上的表面活性基团进行化学吸附；
[0026]S223：向反应腔中通入惰性气体，吹扫过量的铌前驱体和反应副产物；
[0027]S224：通过电感耦合或电容耦合将含氮气体放电，生成等离子反应气体，和衬底表面的化学吸附的铌前驱体反应，生成氮化铌；
[0028]S225：利用惰性气体吹扫过量的含氮气体及反应副产物；
[0029]S226：重复步骤S222
‑
S225，直到达到预设循环次数，然后进入到下一步骤；
[0030]S227：将硅前驱体通过输送系统以脉冲形式输送到反应腔，硅前驱体和衬底上表面活性基团进行化学吸附；
[0031]S228：向反应腔中通入惰性气体，吹扫过量的硅前驱体和反应副产物；
[0032]S229：通过含氮气体与衬底表面的化学吸附的硅前驱体反应，生成氮化硅；
[0033]S2210：利用惰性气体吹扫过量的含氮气体及反应副产物；
[0034]S2211：重复步骤S227
‑
S2210，直到达到预设循环次数，然后进入到下一步骤；
[0035]S2212：重复步骤S222
‑
S2211，直至获得目标厚度的第二层结构。
[0036]作为本专利技术进一步的方案：所述第三层的制备方法为：
[0037]S231：将第二层制备完成的衬底放入原子层沉积设备中，将腔体温度加热至工艺温度100℃
‑
450℃，腔体抽真空至0
‑
30Pa；
[0038]S232：将铌前驱体通过输送系统以脉冲形式输送到反应腔，铌前驱体和衬底上的表面活性基团进行化学吸附；
[0039]S233：向反应腔中通入惰性气体，吹扫过量的铌前驱体和反应副产物；
[0040]S234：通过电感耦合或电容耦合将含氮气体放电，生成等离子反应气体，和衬底表面的化学吸附的铌前驱体反应，生成氮化铌；
[0041]S235：利用惰性气体吹扫过量的含氮气体及反应副产物；
[0042]S236：重复步骤S232
‑
S235，直到获得目标厚度的第三层结构。
[0043]作为本专利技术进一步的方案：铌前驱体包括叔丁亚胺基三(二乙胺基)铌、叔丁亚胺基三(甲乙胺基)铌、(叔丁亚胺基)双(二甲胺基)(环戊二烯基)铌、五氯化铌。
[0044]作为本专利技术进一步的方案：硅前驱体包括二异丙氨基硅烷、双(二乙氨基)硅烷、双(叔丁氨基)硅烷、二碘硅烷、二氯硅烷。
[0045]根据本专利技术的一种铜互连扩散阻挡层结构及其制备方法，至少具有如下技术效果
之一：
[0046]通过在铜层和介质层之间设置有多层膜结构的阻挡扩散层，可以有效阻挡铜扩散到介质层中。同时，阻挡扩散层包括铌硅氮化物层和氮化铌层，且氮化铌层位于铌硅氮化物层与铜层之间，可以有效防止铌硅氮化物层中的硅元素进入铜层，破坏本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铜互连扩散阻挡层结构，其特征在于，包括：衬底，所述衬底包括第一导电层和介质层；扩散阻挡层，所述扩散阻挡层设置在衬底和第二导电层之间，所述扩散阻挡层包括依次设置第一层、第二层、第三层，所述第一层为铌层，所述第二层为铌硅氮化物层，所述第三层为氮化铌层，所述第三层与所述第二导电层接触。2.根据权利要求1所述的一种铜互连扩散阻挡层结构,其特征在于，所述第一层、第二层、第三层的厚度范围为2nm
‑
50nm。3.根据权利要求1所述的一种铜互连扩散阻挡层结构,其特征在于，所述介质层的材质包括二氧化硅、硅碳氧。4.根据权利要求1所述的一种铜互连扩散阻挡层结构,其特征在于，所述第二导电层的厚度为20
‑
1000nm。5.一种铜互连扩散阻挡层结构的制备方法,其特征在于，包括如下步骤：S1：提供衬底；S2：多层膜结构的扩散阻挡层生成：S21：在衬底的介质层上采用磁控溅射法溅射一层铌薄膜形成第一层；S22：在所述第一层上原子沉积一层厚度为2nm
‑
50nm的铌硅氮化物形成第二层；S23：在第二层上生长一层厚度为2nm
‑
50nm的氮化铌形成第三层；S3：在所述第三层上填充厚度为20
‑
1000nm的铜，形成第二导电层。6.根据权利要求5所述的一种铜互连扩散阻挡层结构的制备方法,其特征在于，所述第一层的制备方法为：S211：将铌靶材装入磁控溅射仪的靶位上，将衬底安装在样品台上，样品台加热温度300
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500℃；S212：将腔体抽真空达到真空度为9.0*10
‑5Pa
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1.0*10
‑4Pa，通入Ar至工作压力为0.5
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2Pa；S213：利用磁控溅射在衬底的介质层上溅射厚度为2nm
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50nm的铌薄膜形成第一层，溅射功率为200
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500W，沉积时间0.3
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1h。7.根据权利要求6所述的一种铜互连扩散阻挡层结构的制备方法,其特征在于，所述第二层的制备方法为：S221：将形成第一层完毕的衬底放入原子层沉积设备中，将腔体温度加热至工艺温度100℃
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450℃，腔体抽真空至0
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【专利技术属性】
技术研发人员：扈静，芮祥新，汪穹宇，李建恒，
申请(专利权)人：合肥安德科铭半导体科技有限公司，
类型：发明
国别省市：