防止铜扩散的双层阻挡层及相应的制造方法

摘要

本发明提供的防止铜扩散的双层阻挡层及相应的制造方法，将具有铜金属层的半导体基底置于DC为20‑40KW、Ar等离子体轰击的第一PVD系统的EnCoRe工艺腔中产生Ta活性原子；半导体基底背面的交流偏压、气压分别为100‑900W、4000‑8000mT，混合气体中N2的摩尔百分比为2%‑4%，以在铜金属层上形成六角密堆相结构的Ta2N薄膜层；将混合气体中N2的摩尔百分比变为5%‑6%，以在六角密堆相结构的Ta2N薄膜层上形成体心立方结构的α相TaN薄膜层；用H2等离子体对移入第二PVD系统中的具有Ta2N/α相TaN薄膜层的半导体基底处理；用Ar等离子体轰击第二PVD系统的靶材，在铜金属层上所形成的最上方的α相TaN薄膜层上形成Al层，制备出深亚微米集成电路Cu互连用的有良好阻挡效果的阻挡层。

权利要求

1.一种防止铜扩散的双层阻挡层的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：提供一半导体基底，所述半导体基底的正面具有铜金属层；

步骤2：将所述半导体基底置于第一PVD系统的EnCoRe工艺腔中，所述EnCoRe工艺腔的反溅功率为20-40KW，溅射气氛为Ar的等离子体轰击的EnCoRe工艺腔的靶材，产生Ta活性原子；

步骤3：施加在所述半导体基底背面的交流偏压和气压分别为100-900W、4000mT-

8000mT，工作气氛为N2与所述Ar的等离子体形成的混合气体，其混合气体中N2的摩尔百分比为2%-4%，沉积时间为10～55s，在所述铜金属层的表面形成六角密堆相结构的Ta2N薄膜层；

步骤4：不改变步骤3的工艺参数，将混合气体中N2的摩尔百分比变为5%-6%，在所述六角密堆相结构的Ta2N薄膜层的表面上形成体心立方结构的α相TaN薄膜层；

步骤5：将形成有Ta2N/α相TaN薄膜层的半导体基底移入第二PVD系统中，用H2的等离子体对所述铜金属层上形成的Ta2N/α相TaN薄膜层进行处理；

步骤6：用Ar的等离子体轰击所述第二PVD系统的靶材，在所述铜金属层上所形成的最上方的α相TaN薄膜层上形成Al层。

2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在步骤4之后、步骤5之前还包括：重复步骤3和步骤4，在所述铜金属层上依次形成Ta2N薄膜层和α相TaN薄膜层交替组合结构。

3.如权利要求2所述的制造方法，其特征在于，每一所述Ta2N薄膜层的厚度为每一所述体心立方结构的α相TaN薄膜层的厚度为

4.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述第一PVD系统的EnCoRe工艺腔为AMAT ENDURA PVD系统的增强覆盖能力的再溅射工艺腔。

5.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述第二PVD系统为传统的PVD系统。

6.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在步骤5中，用H2的等离子体处理的工艺参数为：工作气氛为He，其H2和He的混合气体的总流量为50-100sccm，处理时间为20-40s。

7.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在步骤6中，所述第二PVD系统的反溅功率为9000-13000W，Ar的等离子体的流量为20-50sccm，形成的Al层的厚度为

8.一种利用权利要求1、4至7中任意一项所述的防止铜扩散的双层阻挡层的制造方法所制备的防止铜扩散的双层阻挡层，其特征在于，包括：一半导体基底，所述半导体基底的正面具有铜金属层；

六角密堆相结构的Ta2N薄膜层，位于所述铜金属层的表面上；

体心立方结构的α相TaN薄膜层，位于所述六角密堆相结构的Ta2N薄膜层上；

一Al层，位于所述铜金属层上所形成的最上方的所述α相TaN薄膜层上。

9.如权利要求8所述的防止铜扩散的双层阻挡层，其特征在于，还包括：所述六角密堆相结构的Ta2N薄膜层和体心立方结构的α相TaN薄膜层为依次交替组合结构。

10.如权利要求9所述的防止铜扩散的双层阻挡层，其特征在于，每一所述Ta2N薄膜层的厚度为 每一所述体心立方结构的α相TaN薄膜层的厚度为

说明书

防止铜扩散的双层阻挡层及相应的制造方法

技术领域

[0001] 本发明属于集成电路技术领域，尤其涉及一种防止铜扩散的双层阻挡层及相应的制造方法。

背景技术

[0002] 随着集成电路工艺的发展，Cu已逐步替代Al成为新一代的互连材料。但是，铜更容易扩散进入周围的材料内，并能改变相邻层的电子器件特性，造成组件的特性退化与失效。因此，需要在相邻层与铜金属层间形成一扩散阻挡层来防止或妨碍铜原子的扩散，这扩散阻挡层要求在一定的高温条件下能有效阻止铜的扩散，而且与铜及相邻层均具有良好的粘附性及较小的接触电阻。

[0003] 目前工业界常采用传统的物理气相沉积(PVD)系统沉积TaN薄膜作为阻挡层，这是因为TaN薄膜拥有较佳的阻障效果，通过增加TaN薄膜的厚度可以提高阻挡层对铜原子的阻障效果。例如，微机电系统(MEMS)中由下至上依次形成有铜金属层、阻挡层和Al衬垫(PAD)(用于打引线与外部进行连接)，请参见图1，图1所示的是传统的PVD系统在具有铜金属层的半导体基底10上形成阻挡层的腔体结构示意图，此时的阻挡层(图中未示出)的厚度为左右，然而，MEMS经过长时间的热退火工艺之后，研究者发现铜原子在热退火工艺的作用下会穿透阻挡层并在Al衬垫区域析出，这是因为所述传统的PVD系统只可施加反溅功率(DC)，导致在铜金属层上形成的阻挡层的沉积速率很快，形成的阻挡层并不致密。

[0004] 随着集成电路特征尺寸的持续缩小、集成度不断提高，阻挡层已经越来越成为器件本身的一部分。当集成电路的特征尺寸小于45nm时，阻挡层本身的电阻率也已成为越来越重要的一个参数，这就要求对阻挡层薄膜的厚度、阻挡效果等性能要求进一步提高，当前主要的PVD沉积技术已不能保证制备出的TaN阻挡层依然具有良好的扩散阻挡性能，因此如何制备一深亚微米集成电路Cu互连用的具有良好阻挡效果的阻挡层，这正是本发明的任务所在。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种防止铜扩散的双层阻挡层及相应的制造方法，以便能制备出一深亚微米集成电路Cu互连用的具有良好阻挡效果的阻挡层。

[0006] 为了解决上述问题，本发明提供一种防止铜扩散的双层阻挡层的制造方法，包括如下步骤：

[0007] 步骤1：提供一半导体基底，所述半导体基底的正面具有铜金属层；

[0008] 步骤2：将所述半导体基底置于第一PVD系统的EnCoRe工艺腔中，所述EnCoRe工艺腔的反溅功率为20-40KW，溅射气氛为Ar的等离子体轰击的EnCoRe工艺腔的靶材，产生Ta活性原子；

[0009] 步骤3：施加在所述半导体基底背面的交流偏压和气压分别为100-900W、4000mT-8000mT，工作气氛为N2与所述Ar的等离子体形成的混合气体，其混合气体中N2的摩尔百分比为2％-4％，沉积时间为10～50s，在所述铜金属层的表面形成六角密堆相结构的Ta2N薄膜层；

[0010] 步骤4：不改变步骤3的工艺参数，将混合气体中N2的摩尔百分比变为5％-6％，在所述六角密堆相结构的Ta2N薄膜层的表面上形成体心立方结构的α相TaN薄膜层；

[0011] 步骤5：将形成有Ta2N/α相TaN薄膜层的半导体基底移入第二PVD系统中，用H2的等离子体对所述铜金属层上形成的Ta2N/α相TaN薄膜层进行处理；

[0012] 步骤6：用Ar的等离子体轰击所述第二PVD系统的靶材，在所述铜金属层上所形成的最上方的α相TaN薄膜层上形成Al层。

[0013] 进一步的，在步骤4之后、步骤5之前还包括：重复步骤3和步骤4，在所述铜金属层上依次形成Ta2N薄膜层和α相TaN薄膜层交替组合结构。

[0014] 进一步的，每一所述Ta2N薄膜层的厚度为 每一所述体心立方结构的α相TaN薄膜层的厚度为

[0015] 进一步的，所述第一PVD系统的EnCoRe工艺腔为AMAT ENDURA PVD系统的增强覆盖能力的再溅射工艺腔。

[0016] 进一步的，所述第二PVD系统为传统的PVD系统。

[0017] 进一步的，在步骤5中，用H2的等离子体处理的工艺参数为：工作气氛为He，其H2和He的混合气体的总流量为50100sccm，处理时间为20-40s。

[0018] 进一步的，在步骤6中，所述第二PVD系统的反溅功率为9000-13000W，Ar的等离子体的流量为20-50sccm，形成的Al层的厚度为

[0019] 本发明为达到另一目的，还提供一种防止铜扩散的双层阻挡层，包括：

[0020] 一半导体基底，所述半导体基底的正面具有铜金属层；

[0021] 六角密堆相结构的Ta2N薄膜层，位于所述铜金属层的表面上；

[0022] 体心立方结构的α相TaN薄膜层，位于所述六角密堆相结构的Ta2N薄膜层上；

[0023] 一Al层，位于所述铜金属层上所形成的最上方的所述α相TaN薄膜层上。

[0024] 进一步的，所述的防止铜扩散的双层阻挡层还包括：所述六角密堆相结构的Ta2N薄膜层和体心立方结构的α相TaN薄膜层为依次交替组合结构。

[0025] 进一步的，每一所述Ta2N薄膜层的厚度为 每一所述体心立方结构的α相TaN薄膜层的厚度为

[0026] 与现有技术相比，本发明公开的防止铜扩散的双层阻挡层的制造方法，包括如下步骤：步骤1：提供一半导体基底，所述半导体基底的正面具有铜金属层；步骤2：将所述半导体基底置于第一PVD系统的EnCoRe工艺腔中，所述EnCoRe工艺腔的反溅功率为20-40KW，溅射气氛为Ar的等离子体轰击的EnCoRe工艺腔的靶材，产生Ta活性原子；步骤3：施加在所述半导体基底背面的交流偏压和气压分别为100-900W、4000mT-8000mT，工作气氛为N2与所述Ar的等离子体形成的混合气体，其混合气体中N2的摩尔百分比为2％-4％，沉积时间为10～50s，在所述铜金属层的表面形成六角密堆相结构的Ta2N薄膜层；步骤4：不改变步骤3的工艺参数，将混合气体中N2的摩尔百分比变为5％-6％，在所述六角密堆相结构的Ta2N薄膜层的表面上形成体心立方结构的α相TaN薄膜层；步骤5：将形成有Ta2N/α相TaN薄膜层的半导体基底移入第二PVD系统中，用H2的等离子体对所述铜金属层上形成的Ta2N/α相TaN薄膜层进行处理；步骤6：用Ar的等离子体轰击所述第二PVD系统的靶材，在所述铜金属层上所形成的最上方的α相TaN薄膜层上形成Al层，由于第一PVD系统的EnCoRe工艺腔中还可施加交流偏压，通过控制混合气体中的N2的摩尔百分比，可以在铜金属层上依次形成致密性更好的六角密堆相结构的Ta2N薄膜层和体心立方结构的α相TaN薄膜层的双阻挡层，解决了传统的PVD系统由于只能施加反溅功率而导致的薄膜沉积速率快、薄膜不致密的缺点。

[0027] 此外，本发明公开的制造方法还对铜金属层上所获得的双阻挡层结构进行氧化去除，之后，在双阻挡层上沉积Al层，解决了传统的MEMS中的Al衬垫与阻挡层间由于氧化物的存在而导致易脱落的问题。

[0028] 另外，本发明公开的制造方法中还包括，在步骤4之后、步骤5之前重复步骤3和步骤4，在所述铜金属层上依次形成六角密堆相结构的Ta2N薄膜层和体心立方结构的α相TaN薄膜层交替组合结构，因此，覆盖在铜金属层上的周期性双阻挡层可以更好的阻挡铜扩散进入Al层的现象。

附图说明

[0029] 图1为传统的PVD系统在具有铜金属层的半导体基底上形成阻挡层的腔体结构示意图；

[0030] 图2为本发明实施例中的防止铜扩散的双层阻挡层的制造方法的流程示意图；

[0031] 图3a至图3c为本发明实施例中的防止铜扩散的双层阻挡层的制造方法的侧面结构示意图；

[0032] 图4为本发明实施例中的具有铜金属层的半导体基底放入第一PVD系统的EnCoRe工艺腔中的结构示意图。

具体实施方式

[0033] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

[0034] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

[0035] 图3c示出了本发明优选实施例中防止铜扩散的双层阻挡层的截面结构示意图。如图3c所示，所述防止铜扩散的双层阻挡层包括：一半导体基底100，所述半导体基底100的正面具有铜金属层；六角密堆相结构的Ta2N薄膜层102，所述六角密堆相结构的Ta2N薄膜层102位于所述铜金属层的表面上；体心立方结构的α相TaN薄膜层104，所述体心立方结构的α相TaN薄膜层104位于所述六角密堆相结构的Ta2N薄膜层102上；一Al层106，所述Al层106位于所述体心立方结构的α相TaN薄膜层104上。

[0036] 进一步的，所述防止铜扩散的双层阻挡层所包括的六角密堆相结构的Ta2N薄膜层102和体心立方结构的α相TaN薄膜层104为依次交替组合结构。

[0037] 以图2所示的制造流程为例，结合图3a至图3c以及图4，对本发明提供的一种防止铜扩散的双层阻挡层的制造方法进行详细说明。

[0038] 在步骤S1中，参见图3a，提供一半导体基底100，所述半导体基底100的正面具有铜金属层。

[0039] 在步骤S2中，参见图4，将所述半导体基底100置于第一PVD系统的增强覆盖能力的再溅射工艺腔中(Enhanced step Coverage Re-sputter，EnCoRe)，施加在所述EnCoRe工艺腔的反溅功率DC为20-40KW(优选为20KW)，溅射气氛为Ar的等离子体轰击EnCoRe工艺腔的靶材，产生Ta(钽)活性原子。其中，所述第一PVD系统的EnCoRe工艺腔为AMAT ENDURA PVD系统的EnCoRe工艺腔。

[0040] 在步骤S3中，参见图4和图3a，保持所述EnCoRe工艺腔的反溅功率DC的大小，施加在所述半导体基底背面的交流偏压AC Bias为100-900W(优选为230W)，施加在所述半导体基底背面的气压为4000-8000mT(优选为4000mT)，工作气氛为N2和所述Ar的等离子体形成的混合气体，其混合气体中N2的摩尔百分比为2％-4％，沉积时间为10-50s(优选为33s)，从而所述Ta活性原子与混合气体中的低流量的N2的等离子体结合而在所述铜金属层101表面形成厚度为 (优选为 )的六角密堆相结构(hcp)的Ta2N薄膜层102。此时获得的所述六角密堆相结构的Ta2N薄膜层102具有低电阻的特点。

[0041] 在步骤S4中，参见图4和图3a，不改变步骤3的工艺参数，将混合气体中N2气的摩尔百分比从低流量变为5％-6％，从而所述Ta活性原子与混合气体中的高流量的N2的等离子体结合而在所述六角密堆相结构的Ta2N薄膜层102的表面上形成厚度为 (优选为 )的体心立方结构(bcc)的α相TaN薄膜层104。

[0042] 由于第一PVD系统的EnCoRe工艺腔中不仅可以施加反溅功率DC，还可施加交流偏压AC Bias，并且通过控制混合气体中的N2的摩尔百分比的大小，可以在铜金属层上依次形成致密性更好的六角密堆相结构的Ta2N薄膜层和体心立方结构的α相TaN薄膜层的双阻挡层，这种双阻挡层的厚度不仅薄，并且其阻值也低，解决了传统的PVD系统由于只能施加反溅功率而导致的薄膜沉积速率快、薄膜不致密的缺点，以及提高了传统的扩散阻挡层的可靠性。

[0043] 为了进一步阻碍铜金属层的扩散，提高器件的可靠性，在步骤4之后，重复步骤3和步骤4，则在所述铜金属层101上依次形成六角密堆相结构的Ta2N薄膜层和体心立方结构的α相TaN薄膜层交替组合结构。所述交替组合结构的周期数由所述六角密堆相结构的Ta2N薄膜层和体心立方结构的α相TaN薄膜层形成的双阻挡层的厚度决定，通常周期数为2-6，在本发明的最佳实施例中，以六角密堆相结构的Ta2N薄膜层的厚度为 体心立方结构的α相TaN薄膜层的厚度为 周期数为2进行说明。

[0044] 在步骤S5中，参见图3b，首先，将形成有六角密堆相结构的Ta2N/体心立方结构的α相TaN薄膜层的半导体基底移入第二PVD系统中，其中，所述第二PVD系统为无需施加交流偏压AC Bias的传统的PVD系统。

[0045] 由于位于所述铜金属层最上面的体心立方结构的α相TaN薄膜层的表面以及与其下的六角密堆相结构的Ta2N薄膜层的界面处存在氧化现象，所以用H2的等离子体对所述铜金属层上形成的六角密堆相结构的Ta2N/体心立方结构的α相TaN薄膜层进行处理，去除氧化物。

[0046] 其中，用H2的等离子体处理的工艺参数为：工作气氛为He，其H2和He的混合气体的总流量为50-100sccm，处理时间为20-40s，在本发明的最佳实施例中，反溅功率为9200W，其H2和He的混合气体的总流量为80sccm，处理时间为30s。

[0047] 在步骤S6中，参见图3c，用Ar的等离子体轰击所述第二PVD系统的靶材，在所述铜金属层上所形成的最上方的体心立方结构的α相TaN薄膜层上形成厚度为 (优选为 )的Al层106。

[0048] 其中，所述第二PVD系统的参数工艺为：反溅功率DC为9000-13000W(优选为9200W)，所述Ar的等离子体的流量为20-50sccm(优选为35sccm)。

[0049] 在步骤S6后，将上述结构进行热退火工艺，所述铜金属层由于其上的所述六角密堆相结构的Ta2N/体心立方结构的α相TaN薄膜层的双阻挡层的作用，难以扩散至Al层106。此外，由于步骤S5中已将氧化物清除，所以，在所述六角密堆相结构的Ta2N/体心立方结构的α相TaN薄膜层的双阻挡层上沉积Al层可靠性更高，解决了传统的MEMS中的Al衬垫与阻挡层间由于氧化物的存在而导致易脱落的问题。

[0050] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。