超薄RuTaN雙層薄膜作為無(wú)籽晶銅互連擴(kuò)散阻擋層

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1、萬(wàn)方數(shù)據(jù)第27卷增刊2006年12月半導(dǎo)體學(xué)報(bào)CHINESEJOURNALOFSEMICoNDUCTORSV01．27SupplementDee．，2006超薄Ru／TaN雙層薄膜作為無(wú)籽晶銅互連擴(kuò)散阻擋層*譚晶晶周覓陳韜謝琦茹國(guó)平屈新萍+(復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)系A(chǔ)SIC及系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200433)摘要：研究了釕(Ru)／氮化鉭(TaN)92層結(jié)構(gòu)對(duì)銅的擴(kuò)散阻擋特性，在Si(100)襯底上用離子束濺射的方法沉積了超薄Ru／TaN以及Cu／Ru／TaN薄膜，在高純氮?dú)獗Ｗo(hù)下對(duì)樣品進(jìn)行快速熱退火

2、，用x射線衍射、四探針以及電流．時(shí)間測(cè)試等表征手段研究了Ru／TaN雙層結(jié)構(gòu)薄膜的熱穩(wěn)定性和對(duì)銅的擴(kuò)散阻擋特性．同時(shí)還對(duì)Ru／TaN結(jié)構(gòu)上的銅進(jìn)行了直接電鍍．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Ru／TaN雙層結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和擴(kuò)散阻擋特性，在無(wú)籽晶銅互連工藝中有較好的應(yīng)用前景．關(guān)鍵詞：釕；氮化鉭；銅互連；擴(kuò)散阻擋層PACC：6630；7360D；8280F中圖分類號(hào)：TN304文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：0253—4177(2006)S0—0197．051引言目前半導(dǎo)體工業(yè)界采用雙鑲嵌工藝來(lái)制備銅互連結(jié)構(gòu)，在刻蝕好的通

3、孔中淀積鉭(Ta)／氮化鉭(TaN)雙層結(jié)構(gòu)作為銅的擴(kuò)散阻擋層，然后淀積較厚的銅籽晶層以獲得良好的電鍍銅層．當(dāng)工藝特征尺寸減小到45nm或以下，這種結(jié)構(gòu)將面臨各種挑戰(zhàn)．隨著溝槽和通孔高寬比的大幅度增加，由物理氣相沉積(PVD)方法濺射的擴(kuò)散阻擋層和籽晶銅層的臺(tái)階覆蓋性變得較差，可能會(huì)導(dǎo)致溝槽和通孑L產(chǎn)生空洞．因此人們提出，采用超薄的能夠直接電鍍銅的擴(kuò)散阻擋層，這樣就產(chǎn)生了無(wú)籽晶銅工藝．在無(wú)籽晶銅工藝中，銅能直接電鍍到擴(kuò)散阻擋層上，這樣不僅能夠簡(jiǎn)化工藝，還可以減輕由于臺(tái)階覆蓋特性不好的擴(kuò)散阻擋層和銅籽

4、晶層所帶來(lái)的各種問(wèn)題．釕(Ru)是一種貴重金屬，其體電阻率為7．6肚Q·cm，大約是Ta電阻率的一半，而且Ru的氧化物(RuO。)也是良導(dǎo)體(35t“2·cm)，同樣適合銅的電鍍．目前已經(jīng)有一些在Ru薄膜上直接電鍍銅的報(bào)道[1~5]．Ru薄膜可以通過(guò)物理氣相淀積(PVD)、化學(xué)氣相淀積(CVD)以及原子層淀積(ALD)等多種方法[6~121制備，結(jié)果都顯示銅在釕薄膜上的黏附性良好．但是，Ru薄膜本身并不是一個(gè)很好的擴(kuò)散阻擋層，文獻(xiàn)報(bào)道，20nm的Ru薄膜作為銅擴(kuò)散阻擋層的失效溫度為450℃[13；而

5、對(duì)于5nm的Ru薄膜，失效溫度僅為300℃[5]．因此我們提出把Ru和一種良好的擴(kuò)散阻擋層結(jié)合起來(lái)，既能對(duì)銅具有良好的擴(kuò)散阻擋特性，又能保持在Ru上直接電鍍銅的優(yōu)點(diǎn)．本文使用了工業(yè)界正在使用的TaN作為擴(kuò)散阻擋層，研究了該雙層結(jié)構(gòu)作為銅擴(kuò)散阻擋層的特性．結(jié)果顯示，Ru／TaN雙層結(jié)構(gòu)是一種比較優(yōu)異的擴(kuò)散阻擋層，在無(wú)籽晶銅互連工藝中有較好的應(yīng)用前景．2實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)采用電阻率為5～8D,·cm的n型(100)硅片作為襯底，用標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)方法進(jìn)行清洗，其中部分硅片用干氧生長(zhǎng)厚度為lOOnm的氧化層．然后將襯底硅片

6、置于離子束濺射系統(tǒng)中，該系統(tǒng)采用Kaufman離子源，其本底真空為7x10書(shū)Pa，典型工作氣壓為5．0×10‘3Pa，離子束能量為1000eV．靶材采用純度為99．9％的Ru靶和純度為99．99％的Ta靶與Cu靶，在不打破真空的條件下連續(xù)淀積Ru，TaN以及Cu薄膜，淀積速率約為lnm／min．淀積TaN時(shí)采用反應(yīng)離子束淀積，淀積時(shí)氬氣和氮?dú)獾谋壤秊?：1．樣品淀積后放置于快速熱退火系統(tǒng)中，在高純氮?dú)?99．5％)保護(hù)下，在不同溫度下進(jìn)行快速熱退火處理，退火時(shí)間固定為lmin．然后運(yùn)用x射線衍射(x

7、RD)、四探針薄層電阻技術(shù)測(cè)試樣品的薄層電*國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào)：60476010)，上海市科技啟明星基金(批準(zhǔn)號(hào)：04QMXl407)及國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(批準(zhǔn)號(hào)2006CB302703)資助項(xiàng)目十通信作者．Email：xpqu@fudan．edu．cn2005．10．11收到，2005．12．19定稿⑥2006中國(guó)電子學(xué)會(huì)萬(wàn)方數(shù)據(jù)半導(dǎo)體學(xué)報(bào)第27卷阻變化、薄膜結(jié)晶狀況以及物相的形成．在SiO。／Si襯底上利用LiftOff工藝制備銅柵MOS結(jié)構(gòu)，樣品經(jīng)不同溫度退火后再在背面淀積Ti／A

8、l作為歐姆接觸．然后用Keitheley2400源表一體測(cè)試儀測(cè)量該MOS結(jié)構(gòu)在外加電場(chǎng)下的電流隨時(shí)問(wèn)的變化．3結(jié)果與討論在si襯底上制備了超薄的TaN(10nm)，Ru(5nm)／TaN(5nm)以及Ru(10rim)結(jié)構(gòu)，在這些樣品上都淀積了50nm的Cu膜，然后在不同溫度下進(jìn)行退火，利用四探針薄層電阻測(cè)試各種樣品的薄層電阻．測(cè)試過(guò)程中，首先測(cè)量各個(gè)剛淀積樣品的薄層電阻值，記為R。，然后測(cè)量退火后樣品的薄層電阻值尺。，因此退火前后薄層電阻的變化率為(R。一R。)／