超薄RuTaN双层薄膜作为无籽晶铜互连扩散阻挡层

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1、万方数据第27卷增刊2006年12月半导体学报CHINESEJOURNALOFSEMICoNDUCTORSV01．27SupplementDee．，2006超薄Ru／TaN双层薄膜作为无籽晶铜互连扩散阻挡层*谭晶晶周觅陈韬谢琦茹国平屈新萍+(复旦大学微电子学系ASIC及系统国家重点实验室，上海200433)摘要：研究了钌(Ru)／氮化钽(TaN)92层结构对铜的扩散阻挡特性，在Si(100)衬底上用离子束溅射的方法沉积了超薄Ru／TaN以及Cu／Ru／TaN薄膜，在高纯氮气保护下对样品进行快速热退火

2、，用x射线衍射、四探针以及电流．时间测试等表征手段研究了Ru／TaN双层结构薄膜的热稳定性和对铜的扩散阻挡特性．同时还对Ru／TaN结构上的铜进行了直接电镀．实验结果表明Ru／TaN双层结构具有优良的热稳定性和扩散阻挡特性，在无籽晶铜互连工艺中有较好的应用前景．关键词：钌；氮化钽；铜互连；扩散阻挡层PACC：6630；7360D；8280F中图分类号：TN304文献标识码：A文章编号：0253—4177(2006)S0—0197．051引言目前半导体工业界采用双镶嵌工艺来制备铜互连结构，在刻蚀好的通

3、孔中淀积钽(Ta)／氮化钽(TaN)双层结构作为铜的扩散阻挡层，然后淀积较厚的铜籽晶层以获得良好的电镀铜层．当工艺特征尺寸减小到45nm或以下，这种结构将面临各种挑战．随着沟槽和通孔高宽比的大幅度增加，由物理气相沉积(PVD)方法溅射的扩散阻挡层和籽晶铜层的台阶覆盖性变得较差，可能会导致沟槽和通孑L产生空洞．因此人们提出，采用超薄的能够直接电镀铜的扩散阻挡层，这样就产生了无籽晶铜工艺．在无籽晶铜工艺中，铜能直接电镀到扩散阻挡层上，这样不仅能够简化工艺，还可以减轻由于台阶覆盖特性不好的扩散阻挡层和铜籽

4、晶层所带来的各种问题．钌(Ru)是一种贵重金属，其体电阻率为7．6肚Q·cm，大约是Ta电阻率的一半，而且Ru的氧化物(RuO。)也是良导体(35t“2·cm)，同样适合铜的电镀．目前已经有一些在Ru薄膜上直接电镀铜的报道[1~5]．Ru薄膜可以通过物理气相淀积(PVD)、化学气相淀积(CVD)以及原子层淀积(ALD)等多种方法[6~121制备，结果都显示铜在钌薄膜上的黏附性良好．但是，Ru薄膜本身并不是一个很好的扩散阻挡层，文献报道，20nm的Ru薄膜作为铜扩散阻挡层的失效温度为450℃[13；而

5、对于5nm的Ru薄膜，失效温度仅为300℃[5]．因此我们提出把Ru和一种良好的扩散阻挡层结合起来，既能对铜具有良好的扩散阻挡特性，又能保持在Ru上直接电镀铜的优点．本文使用了工业界正在使用的TaN作为扩散阻挡层，研究了该双层结构作为铜扩散阻挡层的特性．结果显示，Ru／TaN双层结构是一种比较优异的扩散阻挡层，在无籽晶铜互连工艺中有较好的应用前景．2实验实验采用电阻率为5～8D,·cm的n型(100)硅片作为衬底，用标准化学方法进行清洗，其中部分硅片用干氧生长厚度为lOOnm的氧化层．然后将衬底硅片

6、置于离子束溅射系统中，该系统采用Kaufman离子源，其本底真空为7x10书Pa，典型工作气压为5．0×10‘3Pa，离子束能量为1000eV．靶材采用纯度为99．9％的Ru靶和纯度为99．99％的Ta靶与Cu靶，在不打破真空的条件下连续淀积Ru，TaN以及Cu薄膜，淀积速率约为lnm／min．淀积TaN时采用反应离子束淀积，淀积时氩气和氮气的比例为2：1．样品淀积后放置于快速热退火系统中，在高纯氮气(99．5％)保护下，在不同温度下进行快速热退火处理，退火时间固定为lmin．然后运用x射线衍射(x

7、RD)、四探针薄层电阻技术测试样品的薄层电*国家自然科学基金(批准号：60476010)，上海市科技启明星基金(批准号：04QMXl407)及国家重点基础研究发展规划(批准号2006CB302703)资助项目十通信作者．Email：xpqu@fudan．edu．cn2005．10．11收到，2005．12．19定稿⑥2006中国电子学会万方数据半导体学报第27卷阻变化、薄膜结晶状况以及物相的形成．在SiO。／Si衬底上利用LiftOff工艺制备铜栅MOS结构，样品经不同温度退火后再在背面淀积Ti／A

8、l作为欧姆接触．然后用Keitheley2400源表一体测试仪测量该MOS结构在外加电场下的电流随时问的变化．3结果与讨论在si衬底上制备了超薄的TaN(10nm)，Ru(5nm)／TaN(5nm)以及Ru(10rim)结构，在这些样品上都淀积了50nm的Cu膜，然后在不同温度下进行退火，利用四探针薄层电阻测试各种样品的薄层电阻．测试过程中，首先测量各个刚淀积样品的薄层电阻值，记为R。，然后测量退火后样品的薄层电阻值尺。，因此退火前后薄层电阻的变化率为(R。一R。)／