專利名稱：用于集成電路的Cu/Ta/Si基襯底結(jié)構(gòu)及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路，尤其涉及集成電路中的Cu/Ta/Si基襯底結(jié)構(gòu)及其制作方法。
背景技術(shù)：
集成電路(IC)是近50年來(lái)發(fā)展得最快的產(chǎn)業(yè)，自1947年發(fā)明以來(lái)，從點(diǎn)接觸式的單個(gè)晶體管發(fā)展到幾百萬(wàn)個(gè)管子集成于1厘米見(jiàn)方的芯片上，并以同樣迅猛的速度繼續(xù)提高著集成度和性能?；谛虏牧稀⑿鹿に嚭托录夹g(shù)的不斷涌現(xiàn)，集成電路的集成度每三年增長(zhǎng)四倍，特征尺寸每三年縮小倍。
集成電路是在硅芯片上通過(guò)金屬導(dǎo)線互連許多電子元器件而形成一個(gè)完整的電路。隨著線寬不斷縮小，集成復(fù)雜度不斷提高，由互連結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的RC延遲已成為制約芯片運(yùn)行速度的主要因素。最根本地解決互連時(shí)間延遲的方法是從材料入手，降低導(dǎo)線材料的電阻率和線間、層間介質(zhì)的介電常數(shù)。于是，Cu以其電阻率低、抗電遷移能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)正日益取代傳統(tǒng)的Al互連。特別是鑲嵌工藝的問(wèn)世，解決了銅無(wú)法使用干法刻蝕的問(wèn)題，使得Cu成為集成電路金屬互連材料的佳選。這里，所謂鑲嵌工藝是首先在平整化后的介質(zhì)層(諸如SiO2)上光刻連線或接觸孔的圖形，用反應(yīng)離子刻蝕刻出圖形溝槽，然后通過(guò)淀積或電鍍把金屬(諸如Cu)填入具有圖形結(jié)構(gòu)的介質(zhì)凹槽內(nèi)。
但是，銅是一種在硅基材料中快擴(kuò)散的物質(zhì)。例如，在200℃以下，Cu會(huì)與Si反應(yīng)生成多種不同的硅化物，這種化學(xué)反應(yīng)力驅(qū)動(dòng)使銅離子在Si中迅速擴(kuò)散滲透，形成缺陷和電活性的深能級(jí)雜質(zhì)，造成器件的漏電流增大。其次，銅與SiO2等大多數(shù)介質(zhì)材料的粘附性較差。因?yàn)镃u不能與SiO2發(fā)生還原反應(yīng)，使Cu-SiO2界面結(jié)合僅僅依賴于有限的機(jī)械粘附，一旦經(jīng)歷高溫過(guò)程，殘余應(yīng)力就會(huì)引發(fā)該界面的各種問(wèn)題，這給器件的可靠性帶來(lái)威脅。再者，Cu導(dǎo)線仍存在電遷移現(xiàn)象，與Al不同的是Cu的電遷移更容易發(fā)生在表面或者與其他材料接觸的界面上，這和銅與其他材料間的粘附性和反應(yīng)活性相關(guān)。另外，銅在空氣中極易氧化，且形成的氧化物趨向于朝介質(zhì)材料內(nèi)部擴(kuò)散而無(wú)法在表面形成保護(hù)層。即，Cu無(wú)法通過(guò)氧化形成保護(hù)層來(lái)阻止自身的擴(kuò)散。因此，需要在介質(zhì)凹槽的底部和側(cè)壁，在Cu與Si或SiO2介質(zhì)之間加一層阻擋層，以解決粘附性和熱擴(kuò)散的問(wèn)題，同時(shí)進(jìn)一步提高抗電遷移性。
總的說(shuō)來(lái)，作為理想的Cu和硅基材料之間的擴(kuò)散阻擋層材料必須滿足以下幾個(gè)條件1)Cu和硅基材料通過(guò)該阻擋層相互穿透的速率小；2)在Cu和硅基材料中的損耗速率??；3)和Cu及硅基材料構(gòu)成體系后有較高的熱穩(wěn)定性；4)和Cu及硅基材料之間都具有良好的粘附性；5)和Cu及硅基材料之間的接觸電阻小；6)在厚度與結(jié)構(gòu)上比較均勻；7)如果是多層膜結(jié)構(gòu)則該體系的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力小；8)高的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。
經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在眾多難熔金屬中，Ta的性能符合要求，是理想的阻擋層材料。鉭的電子軌道結(jié)構(gòu)為4f145d36s2。6s軌道上處于滿態(tài)而5d軌道則只有3個(gè)電子，Ta2O5這種5價(jià)的鉭氧化物是由于兩個(gè)6s軌道上的電子躍遷回5d價(jià)帶形成的，由于這種氧化過(guò)程非常容易發(fā)生，鉭往往直接形成5價(jià)氧化物而不事先產(chǎn)生任何低價(jià)態(tài)的氧化物。這也是其氧化物薄膜的穩(wěn)定性十分理想的原因。在Ta/SiO2界面經(jīng)一定溫度退火后，Ta2O5的生成能增強(qiáng)界面的粘附性，同時(shí)阻擋Cu的擴(kuò)散。另外，Ta-Cu之間沒(méi)有任何合金相存在，使Ta/Cu界面穩(wěn)定性非常高。Ta的電阻率較低，為25-250μΩ/cm，其與Cu構(gòu)成體系后不會(huì)有太強(qiáng)的電流聚集效應(yīng)。
但是，Ta是多晶材料，其晶粒間界是構(gòu)成Cu擴(kuò)散的主要途徑。例如，Cu/50nmTa/Si結(jié)構(gòu)在經(jīng)550℃退火30分鐘后就有Cu-Si化合物形成。如果能將這些通道堵塞，則Ta對(duì)Cu的阻擋性能便能夠大大提高。形成這種阻塞的方法可以是在制備薄膜時(shí)進(jìn)行非化學(xué)計(jì)量比的控制，使Ta多晶材料非晶化。而更為直接的方法是采用離子注入的方法對(duì)薄膜進(jìn)行改性，使Ta多晶材料非晶化。
曾經(jīng)有研究發(fā)現(xiàn)，在Ta中用離子注入的方法注入一定劑量的N+或者O+能顯著提高阻擋Cu擴(kuò)散的能力。例如，下述文獻(xiàn)提供了傳統(tǒng)的離子注入方法1)E.Wieser，M.Peikert，C.Wenzel，J.Schreiber，J.W.Bartha，B.Bendjus，V.V.Melov，H.Reuther，A.Mucklich，B.Adolphi，D.Fischer，Thin Solid Films，410，121(2002)，以及2)M.Peikerta，E.Wiesera，H.Reutera，C.Wenzelb，Vac.，69，91(2003)。這些文獻(xiàn)的內(nèi)容通過(guò)引用包含在此。傳統(tǒng)的離子束注入方法具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如處理溫度較低、注入濃度變化范圍廣、可使用各種摻雜劑，以及控制精確等。但其缺點(diǎn)也十分明顯，由于容易出現(xiàn)較大損傷，注入雜質(zhì)的分布往往比LSS理論預(yù)計(jì)的高斯分布有明顯展寬，雜質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)增大等等。另外，傳統(tǒng)的離子注入方法不適用于深槽結(jié)構(gòu)。
圖1是傳統(tǒng)的離子注入方法的示意圖。在集成電路領(lǐng)域的應(yīng)用中，襯底2通常為Si基介質(zhì)，襯底2上的導(dǎo)線經(jīng)常呈深槽結(jié)構(gòu)4而非平面膜層。為防止Cu向Si基介質(zhì)擴(kuò)散，需要在Si基介質(zhì)上施加一層Ta阻擋層6。現(xiàn)有技術(shù)中，對(duì)Ta阻擋層6注入離子束8，使Ta層6的多晶結(jié)構(gòu)非晶化，從而阻塞由Ta層中的晶粒間界為Cu提供的擴(kuò)散通道。如圖1所示，傳統(tǒng)的離子束注入方法具有很強(qiáng)的方向性，這種在注入方向上的各向異性使得現(xiàn)有技術(shù)對(duì)注入元素的深度和分布的控制都不夠準(zhǔn)確，無(wú)法對(duì)溝槽的側(cè)壁實(shí)現(xiàn)有效的注入。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于提高集成電路Cu/Ta/Si基襯底結(jié)構(gòu)中Ta阻擋層的性能的方法，所述方法能夠提供Ta阻擋層的非晶化程度，有效地控制Ta阻擋層中的非化學(xué)計(jì)量比，從而提高Ta/Cu界面的穩(wěn)定性，同時(shí)所述方法還能夠有效控制注入元素的深度和分布。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種用于集成電路的Cu/Ta/Si基襯底結(jié)構(gòu)，其中Ta/Cu界面穩(wěn)定，Ta阻擋層的非晶化程度高，并且Ta阻擋層中的非化學(xué)計(jì)量比以及注入元素的深度和分布能夠得到有效控制。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，依照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種用于制作集成電路中Cu/Ta/Si基襯底結(jié)構(gòu)的方法。該方法包括下述步驟提供一個(gè)帶圖形溝槽的Si基襯底；在所述Si基襯底上，淀積一層Ta薄膜；用等離子體浸沒(méi)注入法，在所述Ta薄膜上注入N+離子，N+離子的注入劑量在1.0-10.0×1016cm-2的范圍內(nèi)；在經(jīng)過(guò)等離子體浸沒(méi)注入處理后的Ta/Si基襯底結(jié)構(gòu)上，淀積一層Cu薄膜。
在用等離子體浸沒(méi)注入法注入N+離子的所述步驟中，注入時(shí)間可以在30-100分鐘范圍內(nèi)，注入脈沖頻率可以在200-400Hz范圍內(nèi)。
在一較佳方案中，N+離子的注入劑量可以為4.0×1016cm-2，N+離子的注入時(shí)間為60分鐘，注入脈沖頻率為300Hz。
在本發(fā)明的方法中，N+離子的注入方向是各向同性的，并且在所述Ta薄膜上注入N+離子導(dǎo)致所述Ta薄膜非晶化。
依照本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于制作集成電路中Cu/Ta/Si基襯底結(jié)構(gòu)的方法。所述方法包括以下步驟提供一個(gè)帶圖形溝槽的Si基襯底；在所述Si基襯底上，淀積一層Ta薄膜；用等離子體浸沒(méi)注入法，在所述Ta薄膜上注入C+離子，C+離子的注入劑量在0.61-10.0×1016cm-2的范圍內(nèi)；在經(jīng)過(guò)等離子體浸沒(méi)注入處理后的Ta/Si基襯底結(jié)構(gòu)上，淀積一層Cu薄膜。
在用等離子體浸沒(méi)注入方法注入C+離子的所述步驟中，注入時(shí)間可以在5-70分鐘范圍內(nèi)，注入脈沖頻率可以在200-500Hz范圍內(nèi)。
在一較佳方案中，C+離子的注入劑量為0.83×1016cm-2。C+離子的注入時(shí)間為15分鐘，注入脈沖頻率為200Hz。
在上述方法中，C+離子的注入方向是各向同性的，并且在所述Ta薄膜上注入C+離子導(dǎo)致所述Ta薄膜非晶化。
依照本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供了一種用于集成電路的Cu/Ta/Si基襯底結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)包括Si基襯底，所述襯底上具有圖形溝槽；Ta薄膜，它被淀積在所述圖形溝槽內(nèi)，所述Ta薄膜包含劑量在1.0-10.0×1016cm-2范圍內(nèi)的N+離子；和Cu薄膜，它被淀積在所述Ta薄膜上。
其中，所述Ta薄膜所含N+離子的劑量較佳地為4.0×1016cm-2。
在本發(fā)明的Cu/Ta/Si基襯底結(jié)構(gòu)中，包含N+離子的所述Ta薄膜呈現(xiàn)非晶化的結(jié)構(gòu)。
依照本發(fā)明的的再一個(gè)方面，提供了一種用于集成電路的Cu/Ta/Si基襯底結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)包括Si基襯底，所述襯底上具有圖形溝槽；Ta薄膜，它被淀積在所述圖形溝槽內(nèi)，所述Ta薄膜包含劑量在0.61-10.0×1016cm-2范圍內(nèi)的C+離子；和Cu薄膜，它被淀積在所述Ta薄膜上。
其中，所述Ta薄膜所含C+離子的劑量較佳地為0.83×1016cm-2。
在本發(fā)明的Cu/Ta/Si基襯底結(jié)構(gòu)中，包含C+離子的所述Ta薄膜呈現(xiàn)非晶化的結(jié)構(gòu)。


圖1是一示意圖，示出了傳統(tǒng)的離子注入方法；圖2是一示意圖，示出了用等離子體浸沒(méi)注入方法對(duì)溝槽的注入；圖3a和圖3b示出了長(zhǎng)距離“拋擲”濺射PVD與SIP PVD磁場(chǎng)的區(qū)別；圖4是等離子體浸沒(méi)注入方法的工作原理圖；圖5例示了一種PIII設(shè)備結(jié)構(gòu)；圖6a-圖6e示出了用SEM獲得的比較例在退火前和退火后的樣品表面形貌。
圖7a-7d例示了用SEM獲得的實(shí)施例1中樣品3在不同溫度下退火后的樣品表面形貌；圖8例示了用EDX獲得的實(shí)施例1中樣品4在800℃退火后暴露的下表面的能量分析譜；圖9例示了實(shí)施例1中樣品3的Ta-N層的EDX圖譜。
圖10例示了實(shí)施例1中樣品3的Ta-N層的XRD圖譜。
圖11a-圖11d示出了用SEM獲得的實(shí)施例2中樣品2在不同溫度下退火后的樣品表面形貌。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖，描述本發(fā)明的實(shí)施例以及各實(shí)施例與比較例之間的比較結(jié)果。
近年來(lái)，等離子體浸沒(méi)注入工藝(Plasma Immersion Ion Implantation，簡(jiǎn)稱PIII)得到了業(yè)內(nèi)的關(guān)注，最初是美國(guó)Wisconsin大學(xué)Conrad.等人的研究小組開(kāi)發(fā)出來(lái)的。如圖2所示，這種技術(shù)是直接把樣品20置于一個(gè)充滿等離子體22的腔體范圍內(nèi)，在樣品20上加載負(fù)電壓，通過(guò)精密的控制，實(shí)現(xiàn)離子注入。利用這種方法，有復(fù)雜表面結(jié)構(gòu)的物體就能得到均勻的表面處理。在最近的研究中，PIII方法被用于DRAM工藝的摻雜過(guò)程，對(duì)于深槽結(jié)構(gòu)，PIII方法能夠成功地對(duì)深寬比達(dá)35∶1的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)均勻摻雜。同時(shí)，PIII方法的注入深度和分布都能得到更加有效的控制。例如，PIII方法已應(yīng)用于SOI的制備、金屬表面處理改性、氧離子注入隔離和半導(dǎo)體精密摻雜等等，所有這些應(yīng)用都對(duì)注入劑量、深度以及雜質(zhì)分布有著很高的要求。
但是，用PIII方法改善集成電路結(jié)構(gòu)中阻擋層的性能在之前的文獻(xiàn)中尚無(wú)例可循。
本發(fā)明運(yùn)用自離化等離子體物理氣相淀積(Self-Ionized-Plasma PhysicalVapor Deposition，簡(jiǎn)稱SIP PVD)方法在SiO2或Si襯底上淀積了納米級(jí)的鉭基阻擋層，然后采用PIII方法對(duì)Ta阻擋層進(jìn)行不同劑量的N+和C+注入，隨后用磁控濺射方法鍍上銅層。在對(duì)所得的樣品進(jìn)行不同溫度的退火之后，發(fā)明人通過(guò)掃描電鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、能量色散X射線譜(EDX)、俄歇電子能譜(AES)、X射線衍射(XRD)等手段比較各退火溫度下樣品的表面形貌、微結(jié)構(gòu)、元素深度分布的變化。具體地說(shuō)，用SEM觀察了樣品表面；用TEM對(duì)樣品注入前后及退火前后的微觀結(jié)構(gòu)、界面情況、新相的生成及成分變化進(jìn)行了比較；用EDX分析元素能量譜；運(yùn)用AES對(duì)注入的離子濃度進(jìn)行深度分布分析并對(duì)銅原子擴(kuò)散的情況進(jìn)行測(cè)量分析；用XRD對(duì)阻擋層薄膜物相進(jìn)行分析。比較結(jié)果表明，使用PIII方法對(duì)Ta阻擋層的改進(jìn)有明顯的作用。
為便于理解，在具體描述各實(shí)施例之前，先簡(jiǎn)單介紹本發(fā)明實(shí)驗(yàn)中使用的各種工藝技術(shù)。
1.薄膜的制備在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，采用物理氣相淀積(PVD)方法制備納米級(jí)的鉭基阻擋層和銅膜薄膜。具體使用了磁控濺射方法和自離化等離子體物理氣相淀積方法。
1.1磁控濺射方法當(dāng)一定能量的離子轟擊在某種材料制成的靶上時(shí)，靶材原子受到激發(fā)從靶面上出射，然后淀積在基片上。利用這種濺射現(xiàn)象可以實(shí)現(xiàn)薄膜的淀積，是繼熱蒸發(fā)之后的主流PVD方式。轟擊離子以Ar離子居多，能量為幾千電子伏特。濺射方式有直流和射頻，后者更有利于淀積介質(zhì)薄膜。
磁控濺射是70年代在陰極濺射的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)而發(fā)展的一種新型濺射鍍膜法。由于它有效地克服了陰極濺射速率低和電子使基片溫度升高甚至造成損傷的致命弱點(diǎn)，因此一問(wèn)世就得到了有效的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。磁控濺射的特點(diǎn)是電場(chǎng)和磁場(chǎng)方向垂直，處在電場(chǎng)E與磁場(chǎng)B正交的電子，其運(yùn)動(dòng)方程為dVdt=em(E+V×B)---(2.1)]]>其中e和m分別是電子的電量和質(zhì)量，V為電子的運(yùn)動(dòng)速度；電子以輪擺線的形式沿著靶表面向垂直于電場(chǎng)方向同時(shí)也垂直于磁場(chǎng)平面方向前進(jìn)，這種運(yùn)動(dòng)被限制在一定空間內(nèi)，從而大大減少的電子在容器壁上的復(fù)合損耗。這樣的正交電磁場(chǎng)可以有效地將電子的運(yùn)動(dòng)路程限制在靶附近，延長(zhǎng)了電子的運(yùn)動(dòng)路徑，增加了與工作氣體分子的碰撞幾率，提高了電子的電離效率，使等離子體密度加大，使濺射速率以數(shù)量級(jí)地提高。由于每次碰撞后電子的能量損失一部分，經(jīng)過(guò)多次碰撞后，喪失了大部分能量成為“最終電子”進(jìn)入弱電場(chǎng)區(qū)，最后到達(dá)陽(yáng)極時(shí)已經(jīng)是能量消耗殆盡的低能電子，不會(huì)使基片過(guò)熱，可大大降低基片溫度。同時(shí)高密度等離子體被磁場(chǎng)束縛靶面附近，離基片很遠(yuǎn)，既能充分有效地轟擊靶面，又能不對(duì)基片產(chǎn)生損傷，保持其低溫狀態(tài)。此外，由于工作氣壓降低到零點(diǎn)幾帕，減少了對(duì)濺射出來(lái)的原子或分子的碰撞，提高了淀積速率，使其大致等于真空蒸發(fā)鍍膜的速率。濺射電壓也較低，約幾百伏，而靶電流密度可達(dá)幾十mA/cm2。
1.2自離化等離子體物理氣相淀積方法圖3a示出了長(zhǎng)距離“拋擲”濺射PVD方法。標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)距離“拋擲”PVD方法設(shè)計(jì)了較大的靶-襯底間距，即靶32到晶圓片襯底34的距離大于晶圓片的直徑。此外，工作氣壓也降低到約0.2到0.5×10-3Torr，以減小碰撞散射的幾率，增加平均自由程，從而濺射原子就能不受阻礙地從靶32出射到達(dá)襯底34。偏離軸向較大的原子被收集在腔體側(cè)壁，這樣就改進(jìn)了到達(dá)襯底34的被濺射原子的垂直度。同時(shí)被濺射原子的電中性也能得到保證，其電離率不超過(guò)5％。在相應(yīng)的PVD系統(tǒng)中，在靶32附近存在一個(gè)高密度的等離子體。這是由于在靶32上的濺射過(guò)程產(chǎn)生了大量的二次電子出射，二次電子被環(huán)繞磁極36所產(chǎn)生的磁場(chǎng)捕獲，于是在被捕獲的很小的區(qū)域內(nèi)有效地產(chǎn)生等離子體。
圖3b示出了SIP PVD方法。自離化等離子體物理氣相淀積(SIP PVD)方法既利用了長(zhǎng)距離“拋擲”濺射基本構(gòu)架的優(yōu)勢(shì)，又引入了一個(gè)高磁流密度的非平衡磁場(chǎng)。在SIP PVD的磁控裝置中，N、S磁極數(shù)目不同。文獻(xiàn)SIP Cu ChamberManual，Apply Material Ltd.，2002具有相關(guān)的描述，其內(nèi)容通過(guò)引用包括在此。自離化等離子體增加了磁場(chǎng)在Z方向上的分量，因?yàn)殡娮釉诖艌?chǎng)中是沿磁力線螺旋前進(jìn)的，Z方向分量的增強(qiáng)，增加了電子在有效方向上的運(yùn)動(dòng)距離，增加了碰撞電離率，是自離化更加徹底。同時(shí)，電子在Z方向的運(yùn)動(dòng)更能吸引靶材離子朝垂直襯底的方向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步保證了更多靶材原子以垂直方向入射。
SIP PVD系統(tǒng)比其他PVD系統(tǒng)采用了更高的直流功率，提高了靶原子的電離速率，從而形成方向性更強(qiáng)的離子流提高了深槽圖形底部的覆蓋率。
浮在上層的鞘層限制了電子逸出，因?yàn)樵撉蕦泳哂邢鄬?duì)的負(fù)電勢(shì)，對(duì)電子起排斥作用，有效地防止了等離子體中電子的損失。
基底上可以加射頻交流或者直流偏壓，若是加直流偏壓就必須在被淀積的圓片正面加一個(gè)接觸環(huán)。而基底的溫度可以通過(guò)冷卻系統(tǒng)獨(dú)立調(diào)控，不受等離子體或襯底偏壓的影響。
最后，整個(gè)過(guò)程中氬氣流量不是很大，可以減小對(duì)襯底方向出射的靶原子的散射。同時(shí)襯底上的樣品接受交流偏壓，樣品表面區(qū)域就形成較為顯著的二次濺射，大大改善了側(cè)壁的覆蓋率。
2.等離子體浸沒(méi)注入(PIII)方法如圖4所示，PIII的工作原理如下把樣品42置于樣品臺(tái)44上，給樣品臺(tái)44加載負(fù)的電壓，使整個(gè)樣品42處在等離子體46的氣氛中；在樣品附近的區(qū)域里，由于負(fù)偏壓的存在，電子被排斥在外，形成了一個(gè)正離子的鞘層48。正離子由于負(fù)偏壓的吸引穿過(guò)鞘層48，以一定的能量入射到樣品42中，形成一定的分布。而鞘層48外部的等離子體46通過(guò)與鞘層間的界面按一定的傳輸機(jī)制向鞘層48源源不斷地補(bǔ)充正離子，其速率一般約為105cm/sec。在實(shí)際的應(yīng)用中，一般采用效率較高的等離子體發(fā)生器，如電子回旋共振微波等離子體或者導(dǎo)入式耦合等離子體，以維持足夠高的離子密度(約1011/cm3)來(lái)產(chǎn)生高劑量的離子流。而鞘層48的厚度即便在100kV的偏壓下也能保持在10cm以內(nèi)。為了把離子和中性原子之間的碰撞散射幾率降到最低，一般把工作氣壓定在10——1000Pa。而對(duì)于含有絕緣層的樣品，為了防止介質(zhì)層擊穿或薄氧化層應(yīng)力過(guò)大，因在樣品架的偏壓上疊加一個(gè)脈沖波形，起到充放電作用，并且這個(gè)頻率最好保持在幾千赫茲以下。圖5例示了一種PIII設(shè)備的結(jié)構(gòu)，其中標(biāo)記表示等離子體，標(biāo)記53表示入氣口，標(biāo)記54真空泵，標(biāo)記55表示高壓電源，標(biāo)記58表示柵極。
本發(fā)明分析過(guò)程中使用的各種微分析手段均是現(xiàn)有技術(shù)手段，這里不再詳述。
實(shí)施例11.制備襯底在平整化的SiO2介質(zhì)層上光刻連線或接觸孔的圖形，通過(guò)反應(yīng)離子刻蝕方法刻出圖形溝槽，制備SiO2襯底。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，也可以采用Si襯底。
2.淀積Ta薄膜用SIP PVD方法，在清洗干凈的SiO2襯底上淀積Ta金屬，形成Ta/SiO2結(jié)構(gòu)。具體地說(shuō)，先將SiO2襯底放入設(shè)備腔體中，將腔體真空度抽到9×10-5Torr。然后，通入Ar氣，使腔體真空度保持在1.9×10-3Torr，，并且樣品襯底溫度為25℃。Ta靶純度為99.99％。在淀積操作中，射頻功率為20kW，DC電壓為450V。最終在SiO2襯底上形成25nm厚的Ta膜。
3.注入N+離子采用PIII方法，在Ta薄膜上注入各種劑量的N+，劑量的大小由注入時(shí)間和脈沖頻率控制，表1提供了6種不同的注入數(shù)據(jù)。在等離子體浸沒(méi)注入過(guò)程中，先將樣品室抽真空至6×10-6Torr，然后通入N2，并使真空度保持在8×10-4Torr，N2流量約21.25sccm。離子注入時(shí)的脈沖電壓為10kV，脈沖時(shí)間為30μs，射頻功率為1000W。
表1 不同劑量PIII的相關(guān)參數(shù)


4.淀積Cu薄膜用磁控濺射方法，在經(jīng)PIII方法處理后的Ta/SiO2結(jié)構(gòu)上淀積Cu金屬，形成Cu/Ta/SiO2結(jié)構(gòu)。具體地說(shuō)，先將Ta/SiO2結(jié)構(gòu)放入設(shè)備腔體中，將腔體真空度抽到2.5×10-6Torr。然后，通入Ar氣，使腔體真空度保持在1.4×10-3Torr，并且淀積溫度為室溫。Cu靶純度為99.99％。在淀積操作中，電流為0.5A，DC電壓為440V。最終在Ta/SiO2結(jié)構(gòu)上形成240nm厚的Cu膜。
比較例用SIP PVD方法，在清洗干凈的帶有溝槽圖形的SiO2襯底上淀積Ta金屬，形成Ta/SiO2結(jié)構(gòu)。具體地說(shuō)，先將SiO2襯底放入設(shè)備腔體中，將腔體真空度抽到9×10-5Torr。然后，通入Ar氣，使腔體真空度保持在1.9×10-3Torr，并且樣品襯底溫度為25℃。Ta靶純度為99.99％。在淀積操作中，射頻功率為20kW，DC電壓為450V，最終在SiO2襯底上形成25nm厚的Ta膜。
然后，用磁控濺射方法，在Ta/SiO2結(jié)構(gòu)上淀積Cu金屬，形成Cu/Ta/SiO2結(jié)構(gòu)。具體地說(shuō)，先將Ta/SiO2結(jié)構(gòu)放入設(shè)備腔體中，將腔體真空度抽到2.5×10-6Torr。然后，通入Ar氣，使腔體真空度保持在建議使用1.4×10-3Torr，并且淀積溫度為室溫。Cu靶純度為99.99％。在淀積操作中，電流為0.5A，DC電壓為440V。最終在Ta/SiO2結(jié)構(gòu)上形成240nm厚的Cu膜。
完成樣品制備之后，分別將實(shí)施例1和比較例的樣品置于500℃、600℃、700℃和800℃高真空環(huán)境下進(jìn)行退火，真空度為10-8Pa，退火時(shí)間半小時(shí)。利用微分析手段，對(duì)各樣品在不同退火條件下的界面擴(kuò)散情況進(jìn)行比較和分析。
圖6a-圖6e示出了用SEM獲得的比較例樣品在退火前和退火后的樣品表面形貌。圖6a示出了退火前(圖6a)表層銅膜十分光滑細(xì)致平整，晶粒尺寸很小；圖6b示出了在500℃下退火后，銅膜表面開(kāi)始出現(xiàn)凹凸和細(xì)小的孔洞，可以隱約觀察到在銅膜表面的各個(gè)晶粒區(qū)域；圖6c示出了在600℃退火后，表面變得粗糙，孔洞逐漸增多，以晶粒間界劃分的區(qū)域更加明顯，晶粒區(qū)域平坦而晶粒間界區(qū)域有明顯的積聚而產(chǎn)生突起，使整個(gè)表面分裂成一個(gè)一個(gè)小區(qū)域；圖6d示出了在700℃退火后，晶粒間界的突起已經(jīng)消退，代之以一系列細(xì)孔連接成的小溝槽。這說(shuō)明在600℃和700℃退火過(guò)程中，銅膜作為多晶材料，其晶粒間界處發(fā)生了大量的物質(zhì)遷移，更說(shuō)明不僅是不同薄膜的界面處，薄膜內(nèi)部發(fā)生在晶粒間界的熱致擴(kuò)散也是非常主要的渠道。圖6e示出了在800℃退火之后，出現(xiàn)了大量空洞，且直徑都較大，而晶粒間界區(qū)域卻變得不明顯，此時(shí)銅膜和下層Ta膜之間的擴(kuò)散已經(jīng)非常嚴(yán)重，或者說(shuō)，已經(jīng)有大量的Cu原子通過(guò)Ta層擴(kuò)散。
圖7a-7d例示了用SEM獲得的實(shí)施例1中樣品3在退火后的樣品表面形貌。圖7a示出了在500℃退火后，樣品表面晶粒變大，表面略顯粗糙，但沒(méi)有孔洞出現(xiàn)；圖7b示出了在600℃退火后，表面尚無(wú)非常明顯的變化；圖7c和圖7d分別示出在700℃和800℃退火后薄膜依然保持完整，沒(méi)有出現(xiàn)在晶粒間界處明顯的物質(zhì)遷移，變化只表現(xiàn)在高溫處理后銅的晶粒變得粗大。這說(shuō)明，經(jīng)過(guò)N+PIII后的Ta層對(duì)Cu膜的熱擴(kuò)散的確有所影響，銅膜的穩(wěn)定性比未注入過(guò)N+的Cu/Ta/SiO2結(jié)構(gòu)要高。
從SEM對(duì)樣品表面的分析來(lái)看，用PIII方法在Ta層中注入N+的確能影響Cu/Ta/SiO2結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。分析發(fā)現(xiàn)，N+注入劑量在1.0-10.0×1016cm-2范圍的Cu/Ta-N/SiO2系統(tǒng)，Cu薄膜經(jīng)800℃退火后依然能保持完整，可見(jiàn)其擴(kuò)散得到了最有效的阻擋。但是，并不是所有劑量的離子注入都能提高Ta阻擋Cu熱擴(kuò)散的能力。N+注入劑量過(guò)小，對(duì)Ta膜的性能改善不明顯。而N+注入劑量過(guò)大，例如13.0×1016cm-2，則會(huì)使銅擴(kuò)散加劇。這是由于大劑量的N+離子注入使Ta本身結(jié)構(gòu)受到損傷，雖然晶粒間界被填塞，但也造成了大量結(jié)構(gòu)缺陷，反而增加了Cu的擴(kuò)散通道。另一方面，N+過(guò)多的積累也能導(dǎo)致Cu/Ta界面粘附性的下降，使Cu在高溫下更易遷移甚至脫落。在SEM對(duì)實(shí)施例1中N+注入劑量為13.0×1016cm-2的樣品在退火后的樣品表面形貌分析中，600℃退火后，粗糙程度就會(huì)增加，凹凸不平明顯，但薄膜依舊完整；700℃退火后，薄膜晶粒進(jìn)一步變大，有些晶粒有點(diǎn)鼓出，這是由高溫下晶界處的應(yīng)力以及上下界面處的失配應(yīng)力上升所導(dǎo)致；800℃退火后，表層銅膜呈網(wǎng)狀，大片Ta顯露。
圖8例示了用EDX獲得的實(shí)施例1中樣品4在800℃度下退火后對(duì)暴露表面測(cè)得的能譜。圖8說(shuō)明暴露的表面同時(shí)含有Cu和Ta，這是兩層薄膜大量相互擴(kuò)散的結(jié)果。這樣的現(xiàn)象在1.3×1017cm-2注入劑量處理后顯得更加明顯。
發(fā)明人還運(yùn)用俄歇電子能譜(AES)對(duì)實(shí)施例1和比較例在退火前和退火后的樣品進(jìn)行深度剖析，分析了Cu、Si、Ta和N+注入離子的縱向分布。分析表明，在500℃退火后，各樣品差別并不大，1.0-10.0×1016cm-2注入劑量樣品在Ta中濃度下降的陡度較大，這說(shuō)明銅在其中所受到的阻擋較顯著。特別是4.0×1016cm-2注入劑量樣品在Ta中濃度下降的陡度最大。純金屬Ta或少量的N+離子注入后的Ta在500℃下依然能保持較好的阻擋性能，但高劑量的注入樣品在初始階段反而顯得濃度下降的陡度較平緩，剖面是呈現(xiàn)一個(gè)曲率而非直線，這說(shuō)明長(zhǎng)時(shí)間的PIII對(duì)樣品造成了一定程度的損傷，結(jié)構(gòu)缺陷成為擴(kuò)散的快速通道。在較高溫度下，Cu在Ta中的晶粒間界擴(kuò)散開(kāi)始顯現(xiàn)主導(dǎo)，未經(jīng)注入樣品擴(kuò)散剖面明顯陡度減緩，擴(kuò)散加劇，而經(jīng)過(guò)注入的樣品一方面其晶粒間界被N填充，阻塞了Cu的快速擴(kuò)散通道，另一方面，在較高溫度下，Ta和N可能部分反應(yīng)生成TaxN，使得Cu的擴(kuò)散剖面依舊保持較大陡度。其中1.0-10.0×1016cm-2劑量注入樣品變化較小，這說(shuō)明1016cm-2量級(jí)的N+在Ta中能起到積極的改進(jìn)作用，而8.6×1015cm-2劑量樣品由于填隙N+不夠充分，尚存一定量的晶粒間界可供Cu擴(kuò)散致使其擴(kuò)散剖面陡度已經(jīng)較明顯變緩，而1.3×1017cm-2劑量則是由于長(zhǎng)時(shí)間(近兩小時(shí))PIII的處理過(guò)程對(duì)樣品的損傷較明顯，因此雖然晶粒間界可能被填充但新的結(jié)構(gòu)缺陷也大量增加，使得Cu在其中的擴(kuò)散剖面已接近未注入樣品。700℃退火后，各樣品的Cu擴(kuò)散剖面都顯示出了比先前更緩的斜率，可見(jiàn)Cu已經(jīng)和Ta之間出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的相互擴(kuò)散，但1.0-10.0×1016cm-2注入劑量的樣品依然保持了穩(wěn)定的阻擋性能，其斜率變化幅度不大。800℃退火后，除1.0-10.0×1016cm-2劑量樣品Cu擴(kuò)散剖面形狀還基本穩(wěn)定外，其他各樣品都已經(jīng)由于大量的粒子遷移相互擴(kuò)散而失去原有的層狀結(jié)構(gòu)，尤其是沒(méi)有注入過(guò)的樣品，Cu在Ta和SiO2區(qū)域都有了很高的濃度，注入過(guò)的樣品雖然在Ta和SiO2區(qū)域Cu濃度明顯降低，但也都具有了足夠引起失效的含量。經(jīng)AES元素深度剖析證實(shí)，1.0-10.0×1016cm-2劑量PIII樣品的改善效果最明顯。
圖9例示了實(shí)施例1中樣品3的Ta-N層的EDX圖譜。如圖9所示，Ta中明顯含有N峰，根據(jù)EDX的半定量計(jì)算得到，N含量約為12％，這一配比非常接近于類非晶Ta(N)薄膜。這種薄膜的配比處于非化學(xué)計(jì)量比，其中主要是Ta和少量的富Ta氮化物，如極細(xì)晶粒的多晶h.c.pTa2N以及非晶態(tài)的物質(zhì)。曾經(jīng)有研究指出，在β-Ta和Ta(N)界面上，在一定退火溫度后能形成α態(tài)的Ta，而這種狀態(tài)下的Ta對(duì)Cu擴(kuò)散的阻擋作用比β-Ta強(qiáng)很多，而且這種α態(tài)的Ta無(wú)法單獨(dú)生成，其制備過(guò)程必須存在Ta(N)與Ta的接觸，常常是先淀積一層非常薄(＜10nm)的Ta(N)，這層Ta(N)本身最好是非晶態(tài)的，再在上面淀積β-Ta以促進(jìn)它們的界面處生成α-Ta。而在本發(fā)明的樣品中同樣存在注入形成的一層Ta(N)，發(fā)明人有理由推斷，在Ta用PIII方法注入一定劑量的N+后，完全可能在薄膜內(nèi)部生成部分α態(tài)的Ta，提高了阻擋性能。這種物質(zhì)的高阻擋性能來(lái)源于其類非晶態(tài)的結(jié)構(gòu)彌合了晶粒間界及其他結(jié)構(gòu)缺陷，從而阻斷了Cu擴(kuò)散的快速通道。也就是說(shuō)，用PIII對(duì)Ta注入N+，通過(guò)控制Ta(N)薄膜的非化學(xué)計(jì)量比，使Ta多晶材料非晶化，從而提高薄膜的阻擋性能。圖10例示了實(shí)施例1中樣品3的Ta-N層在700℃退火后的XRD圖譜，其中能觀察到Ta2N的峰。在更高退火溫度處理后，類非晶態(tài)的物質(zhì)Ta(N)薄膜會(huì)由于重結(jié)晶化而產(chǎn)生新的晶粒結(jié)構(gòu)和晶粒間界，當(dāng)這些形成之后，Cu又能通過(guò)新的晶粒間界擴(kuò)散進(jìn)入SiO2。其中重結(jié)晶的主要產(chǎn)物是750℃左右的Ta2N和O大量擴(kuò)散后產(chǎn)生的TaO，同時(shí)部分α態(tài)的Ta會(huì)重新轉(zhuǎn)化為β-Ta。
值得關(guān)注的是，在經(jīng)過(guò)注入N+的Ta中，O含量是較少的。經(jīng)過(guò)1.0-10.0×1016cm-2劑量注入的Ta中O的濃度較低。O的濃度同Cu的濃度斜率有密切的關(guān)系，O濃度越高的樣品Cu擴(kuò)散速率就越大。我們可以得出結(jié)論，N+的PIII處理不但能有效阻擋Cu的擴(kuò)散，更能阻擋O的擴(kuò)散。O是Cu向Ta中快速擴(kuò)散的促媒，由于Ta的高親氧性，O很容易打開(kāi)Ta的鍵合，為Cu擴(kuò)散進(jìn)行疏通。另一方面，O在Ta的晶粒間界中的嵌入能比N高，這也是在N+PIII后O不容易擴(kuò)散進(jìn)入Ta的原因之一。
在上述實(shí)驗(yàn)中，發(fā)明人運(yùn)用了SEM、AES、EDX和XRD等手段，對(duì)各種不同劑量的N+PIII處理后的Ta阻擋層及Cu/Ta-N/SiO2體系進(jìn)行了觀察分析。比較了不同N+注入劑量對(duì)Ta阻擋Cu擴(kuò)散的改進(jìn)效果。發(fā)現(xiàn)1.0-10.0×1016cm-2注入劑量的N+PIII對(duì)Ta有改進(jìn)作用，4.0×1016cm-2注入劑量的N+PIII對(duì)Ta的改進(jìn)作用最顯著。劑量太大會(huì)對(duì)阻擋層產(chǎn)生破壞作用。發(fā)明人認(rèn)為N+PIII對(duì)Ta阻擋效果有改進(jìn)作用的原因一是對(duì)晶粒間界的填塞；二是在N+PIII后，在β-Ta內(nèi)部生成了類非晶態(tài)的非化學(xué)計(jì)量比的產(chǎn)物TA(N)，它可能是由α-Ta和極細(xì)晶粒的Ta2N組成的，兩者都彌合并阻斷了Cu的快速擴(kuò)散通道。另外，O的擴(kuò)散濃度和Cu的擴(kuò)散有直接的聯(lián)系，O在某種程度上起到了Cu在Ta中擴(kuò)散的促媒作用，PIII有效阻擋了O從另一個(gè)側(cè)面減小了Cu的擴(kuò)散。
實(shí)施例21.制備襯底平整化的SiO2介質(zhì)層上光刻連線或接觸孔的圖形，通過(guò)反應(yīng)離子刻蝕方法刻出圖形溝槽，制備SiO2襯底。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，也可以采用Si襯底。
2.淀積Ta薄膜用SIP PVD方法，在清洗干凈的SiO2襯底上淀積Ta金屬，形成Ta/SiO2結(jié)構(gòu)。具體地說(shuō)，先將SiO2襯底放入設(shè)備腔體中，將腔體真空度抽到9×10-5Torr。然后，通入Ar氣，使腔體真空度保持在1.9×10-3Torr，并且樣品襯底溫度為25℃。Ta靶純度為99.99％。在淀積操作中，射頻功率為20kW，DC電壓為450V，最終在SiO2襯底上形成25nm厚的Ta膜。
3.注入C+離子采用PIII方法，在Ta薄膜上注入各種劑量的C+，劑量的大小由注入時(shí)間和脈沖頻率控制，表2提供了3種不同的注入數(shù)據(jù)。在等離子體浸沒(méi)注入過(guò)程中，先將樣品室抽真空至1.5×10-5Torr，然后通入C2H2，流量約33.4sccm。離子注入時(shí)的脈沖電壓為10kV，脈沖時(shí)間為30μs，脈沖頻率為200Hz，射頻功率為1000W，工作電流約0.6A。
表2不同劑量PIII的相關(guān)參數(shù)

4.淀積Cu薄膜用磁控濺射方法，在經(jīng)PIII方法處理后的Ta/SiO2結(jié)構(gòu)上淀積Cu金屬，形成Cu/Ta/SiO2結(jié)構(gòu)。具體地說(shuō)，先將Ta/SiO2襯底放入設(shè)備腔體中，將腔體真空度抽到2.5×10-6Torr。然后，通入Ar氣，使腔體真空度保持在1.4×10-3Torr，并且淀積溫度為室溫。Cu靶純度為99.99％。在淀積操作中，電流為0.5A，DC電壓為440V。最終在Ta/SiO2結(jié)構(gòu)上形成240nm厚的Cu膜。
完成樣品制備之后，分別把實(shí)施例2的樣品置于500℃、600℃、700℃和800℃高真空環(huán)境下進(jìn)行退火，真空度為10-8Pa，退火時(shí)間半小時(shí)。對(duì)各樣品在不同退火條件下的界面擴(kuò)散情況進(jìn)行比較和分析。
圖11a-圖11d示出了用SEM獲得的實(shí)施例2中樣品2在退火后的樣品表面形貌。退火之后樣品表面發(fā)生了一些變化，隨著溫度的升高，Cu薄膜的晶粒逐漸變大，表面粗糙不平，圖11顯示在800℃退火后薄膜表面雖然晶粒粗大并且存在由晶粒尺寸變化引起的凹凸不平，但薄膜依舊完整，沒(méi)有像實(shí)施例1中樣品6的表面出現(xiàn)大片斷續(xù)網(wǎng)絡(luò)狀，這說(shuō)明Cu/Ta-C/SiO2體系的穩(wěn)定性較高。另外，發(fā)明人利用雜質(zhì)填隙的理論也可以證明注入C+的穩(wěn)定性比注入N+要高。
從SEM對(duì)樣品表面的分析來(lái)看，用PIII方法在Ta層中注入C+的確能影響Cu/Ta/SiO2結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。分析發(fā)現(xiàn)，C+注入劑量在0.61-10.0×1016cm-2范圍的Cu/Ta-C/SiO2系統(tǒng)，Cu薄膜經(jīng)800℃退火后依然能保持完整，可見(jiàn)其擴(kuò)散得到了最有效的阻擋。
發(fā)明人還運(yùn)用俄歇電子能譜(AES)對(duì)實(shí)施例2在退火前和退火后的樣品進(jìn)行深度剖析，分析了Cu、Si、Ta和C+注入離子的縱向分布。從AES對(duì)擴(kuò)散剖面的分析來(lái)看，在500℃退火后，Cu擴(kuò)散剖面呈現(xiàn)較大的陡度，Ta-C層依舊完整地隔斷著Cu和SiO2。在Ta-C層部分中的Cu濃度斜率呈現(xiàn)較明顯的晶粒間界擴(kuò)散形狀；600℃退火后，Cu在Ta-C中的濃度增大，擴(kuò)散斜率稍稍變緩，Ta-C峰形由梯形轉(zhuǎn)變成三角形，同時(shí)尾部向SiO2區(qū)域延伸，可能在Ta/SiO2界面處發(fā)生了一定程度的氧化，生成了TaOX；700℃退火后，Ta的峰雖然強(qiáng)度有所減弱，但Cu擴(kuò)散剖面斜率的陡度保持得很好，可見(jiàn)其擴(kuò)散系數(shù)的變化不大。在800℃退火后，Cu擴(kuò)散剖面斜率明顯變緩，已經(jīng)擴(kuò)散透過(guò)Ta-C進(jìn)入SiO2。在各種退火溫度下，都可以看到，C含量比較集中在Ta的前半部分(即，靠近Cu的一側(cè))，可見(jiàn)注入深度是比較淺的，或者在比較表層位置生成了一些穩(wěn)定的物質(zhì)。在不同退火溫度下，除800℃退火后整個(gè)樣品膜層結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全破壞以外，其他溫度下C含量的峰值及位置都比較穩(wěn)定，這說(shuō)明注入的C本身在Ta中的狀態(tài)是穩(wěn)定的。通過(guò)AES的深度剖析，我們發(fā)現(xiàn)0.61-10.0×1016cm-2的C+PIII對(duì)Ta的阻擋Cu擴(kuò)散性能起到了有效的提升作用。
通過(guò)TEM等手段對(duì)Cu/Ta-C/SiO2體系界面與微結(jié)構(gòu)的觀察能進(jìn)一步推斷這種改進(jìn)作用的原因。Cu/Ta-C/SiO2結(jié)構(gòu)在700℃退火后，雖然在Cu和Ta-C界面之間的擴(kuò)散按照AES的分析已經(jīng)發(fā)生，但從TEM結(jié)構(gòu)上依然可以看出比較穩(wěn)定的界面。電子衍射圖表明，最上層的Cu是典型的多晶結(jié)構(gòu)，C的擴(kuò)散集中于Ta-C的上半部分比較接近Cu的一側(cè)。電子衍射圖也證明了這部分的非晶化比Ta-C的下半部分比較接近SiO2的一側(cè)更嚴(yán)重。最下層的SiO2則是完全的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。這說(shuō)明，C在Ta中的狀態(tài)非常穩(wěn)定，不會(huì)隨著溫度的升高而遷移，同時(shí)C對(duì)晶粒間界的占據(jù)的確對(duì)Cu的擴(kuò)散造成了阻礙。在Ta-C中，被注入的C+一方面填塞了Ta中的晶粒間界，阻塞了Cu擴(kuò)散的快速通道，另一方面也有效阻擋了O的擴(kuò)散，因此能更有效地阻擋Cu擴(kuò)散。
考慮在更高溫度退火后，亞穩(wěn)態(tài)物質(zhì)趨向于重新結(jié)晶，當(dāng)這個(gè)過(guò)程開(kāi)始時(shí)，非晶態(tài)物質(zhì)將重新變成具有晶粒結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的狀態(tài)，那么晶粒間界這一快速擴(kuò)散通道又將重現(xiàn)，但值得指出的是，相對(duì)于TaN和Ta2N而言，TaC和Ta2C的熔點(diǎn)更高，生成能也更高。有文獻(xiàn)報(bào)道，在750℃退火后，非晶態(tài)的Ta(N)才會(huì)開(kāi)始重結(jié)晶，而對(duì)Ta-C體系來(lái)說(shuō)，重結(jié)晶溫度則可能更高，這也是為什么同樣是700℃退火后，C+高劑量區(qū)域的非晶化程度比注入N+后的Ta的非晶化程度高。因此，在Ta中PIII C+的改進(jìn)效果應(yīng)該優(yōu)于PIII N+。
從熱動(dòng)力學(xué)的角度，Ta(O，C)是一個(gè)Ta-C-O的三元體系。從這種亞穩(wěn)態(tài)物質(zhì)的絕熱相圖可以看到，即使有C的存在，也不存在Ta-C-O三元的化合物，只可能有Ta-C和Ta-O，但是C有效地填塞了晶粒間界，使得O無(wú)法進(jìn)入Ta發(fā)生反應(yīng)，不能為Cu的擴(kuò)散提供便利。
值得指出的是，在對(duì)TaC及一些相近的非化學(xué)計(jì)量比的阻擋層材料進(jìn)行研究的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，C含量越少，阻擋性能越高，富C的TaC物質(zhì)的阻擋性能不如富Ta的TaCX。
在上述實(shí)驗(yàn)中，發(fā)明人運(yùn)用了SEM、TEM和電子衍射圖等手段，對(duì)各種不同劑量的C+PIII處理后的Ta阻擋層及Cu/Ta-C/SiO2結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察分析。比較了不同注入劑量對(duì)Ta阻擋Cu擴(kuò)散的改進(jìn)效果。發(fā)現(xiàn)(本發(fā)明范圍)注入劑量的C+PIII對(duì)Ta有改進(jìn)作用，8.3×1015cm-2注入劑量的C+PIII對(duì)Ta的改進(jìn)作用最顯著。這種改進(jìn)主要是來(lái)自于C+對(duì)Ta晶粒間界的填塞，這種填塞一方面阻擋了Cu的擴(kuò)散，另一方面，阻擋了O的擴(kuò)散，缺少了這個(gè)促媒Cu擴(kuò)散就更難進(jìn)行。通過(guò)電子衍射圖發(fā)現(xiàn)，PIII C+對(duì)注入?yún)^(qū)域的Ta產(chǎn)生了類非晶化，而且比較穩(wěn)定，不易重結(jié)晶，其阻擋效果比Ta-N更佳。C+劑量不宜過(guò)大，太大反而對(duì)阻擋層有破壞作用。
應(yīng)該理解，在閱讀了本發(fā)明的上述講授內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于制作集成電路中Cu/Ta/Si基襯底結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，提供一個(gè)帶圖形溝槽的Si基襯底；在所述Si基襯底上，淀積一層Ta薄膜；用等離子體浸沒(méi)注入法，在所述Ta薄膜上注入N+離子，N+離子的注入劑量在1.0-10.0×1016cm-2的范圍內(nèi)；在經(jīng)過(guò)等離子體浸沒(méi)注入處理后的Ta/Si基襯底結(jié)構(gòu)上，淀積一層Cu薄膜。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在用等離子體浸沒(méi)注入法注入N+離子的所述步驟中，注入時(shí)間在30-100分鐘范圍內(nèi)，注入脈沖頻率在200-400Hz范圍內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，N+離子的注入劑量為4.0×1016cm-2。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，N+離子的注入時(shí)間為60分鐘，注入脈沖頻率為300Hz。
5.如權(quán)利要求1-4中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在用等離子體浸沒(méi)注入法注入N+離子的所述步驟中，N+離子的注入方向是各向同性的，并且在所述Ta薄膜上注入N+離子導(dǎo)致所述Ta薄膜非晶化。
6.一種用于制作集成電路中Cu/Ta/Si基襯底結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，提供一個(gè)帶圖形溝槽的Si基襯底；在所述Si基襯底上，淀積一層Ta薄膜；用等離子體浸沒(méi)注入法，在所述Ta薄膜上注入C+離子，C+離子的注入劑量在0.61-10.0×1016cm-2的范圍內(nèi)；在經(jīng)過(guò)等離子體浸沒(méi)注入處理后的Ta/Si基襯底結(jié)構(gòu)上，淀積一層Cu薄膜。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，在用等離子體浸沒(méi)注入方法注入C+離子的所述步驟中，注入時(shí)間在5-70分鐘范圍內(nèi)，注入脈沖頻率在200-500Hz范圍內(nèi)。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，C+離子的注入劑量為0.83×1016cm-2。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，C+離子的注入時(shí)間為15分鐘，注入脈沖頻率為200Hz。
10.如權(quán)利要求6-9中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在用等離子體浸沒(méi)注入法注入C+離子的所述步驟中，C+離子的注入方向是各向同性的，并且在所述Ta薄膜上注入C+離子導(dǎo)致所述Ta薄膜非晶化。
11.一種用于集成電路的Cu/Ta/Si基襯底結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括Si基襯底，所述襯底上具有圖形溝槽；Ta薄膜，它被淀積在所述圖形溝槽內(nèi)，所述Ta薄膜包含劑量在1.0-10.0×1016cm-2范圍內(nèi)的N+離子；和Cu薄膜，它被淀積在所述Ta薄膜上。
12.如權(quán)利要求11所述的Cu/Ta/Si基襯底結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述Ta薄膜所含N+離子的劑量為4.0×1016cm-2。
13.如權(quán)利要求11或12所述的Cu/Ta/Si基襯底結(jié)構(gòu)，其特征在于，包含N+離子的所述Ta薄膜呈現(xiàn)非晶化的結(jié)構(gòu)。
14.一種用于集成電路的Cu/Ta/Si基襯底結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括Si基襯底，所述襯底上具有圖形溝槽；Ta薄膜，它被淀積在所述圖形溝槽內(nèi)，所述Ta薄膜包含劑量在0.61-10.0×1016cm-2范圍內(nèi)的C+離子；和Cu薄膜，它被淀積在所述Ta薄膜上。
15.如權(quán)利要求14所述的Cu/Ta/Si基襯底結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述Ta薄膜所含C+離子的劑量為0.83×1016cm-2。
16.如權(quán)利要求14或15所述的Cu/Ta/Si基襯底結(jié)構(gòu)，其特征在于，包含C+離子的所述Ta薄膜呈現(xiàn)非晶化的結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明提供了用于集成電路的Cu/Ta/Si基襯底結(jié)構(gòu)及其制作方法。本發(fā)明是在帶圖形溝槽的Si基襯底(20)上，淀積一層Ta薄膜；然后用等離子體浸沒(méi)注入法，在Ta薄膜上注入N
文檔編號(hào)H01L21/768GK1870229SQ20051002615
公開(kāi)日2006年11月29日 申請(qǐng)日期2005年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月25日
發(fā)明者宗祥福, 江素華 申請(qǐng)人:宗祥福, 江素華