[发明专利]一种用于铜互联电路中的扩散阻挡层

说明书

一种用于铜互联电路中的扩散阻挡层材料及其制备方法，本发明涉及一种新型有机材料的成分设计并对新型有机材料进行初选及优选。本发明主要解决目前传统的Ta/TaN扩散阻挡层的耐温性及覆盖性问题，新型有机扩散阻挡层的覆盖率远高于Ta/TaN材料。本有机物由C、H、O、N、Si五种元素组成。本发明以Si（100）为基体，通过有机物自组装生长的方法制得。本材料的力学性能和电学性能良好。本发明制备的材料可用于集成电路中阻止铜的硅相互扩散。

技术领域

本发明涉及一种新型有机材料的成分设计。

背景技术

扩散阻挡层主链的设计理念及终端基团的选择，对于进一步实现器件小型化起着至关重要的作用。铜，由于其具有较高的电迁移电阻和优良的导电性能，是超大规模集成电路中创建多级互连结构的首选金属。由于铜在硅这种低介电常数介质中具有很高的扩散系数，因此需要在硅基底上制备扩散阻挡层薄膜来防止铜扩散到层间介质中，避免由此导致的漏电流增大引起器件失效。

传统的无机扩散阻挡层为Ta/TaN双层结构，该阻挡层有以下几个优点：钽是过渡金属，其熔点非常高；钽的热稳定性好，不会与铜在高温条件下发生互溶；钽与硅在650℃才会反应，生成的化合物主要是TaSi₂。但是随着集成电路的迅速发展，对器件的尺寸要求也越来越小，传统的Ta/TaN扩散阻挡层也遇到了一些技术难题。尤其在较大深宽比的沟槽中，Ta扩散阻挡层覆盖性降低，导致铜无法完全覆盖沟槽，形成孔洞，进而引起导线的电阻增大导致断路。为了解决这类问题，许多过渡金属被选择为替代材料，例如Pd、Ir、Ru、Co、Mo等。但是这些金属比较稀有且价格昂贵，不适宜应用在实际的大规模集成电路工艺中。而且，根据国际半导体技术的发展路线要求，2015年对第一层金属布线的扩散阻挡层厚度要求为1.9nm，并且厚度逐年降低。因此必须寻找新的材料和工艺来进行改进，从而达到降低阻挡层厚度，提高器件的寿命。考虑到传统的扩散阻挡层材料均是无机物，我们把研究方向转移到了有机材料，寻找可以作为扩散阻挡层的有机薄膜。

经过近15年的探索，有机纳米分子层(molecular nanolayers,MNLs)作为新型的铜扩散阻挡层，展现了特定的优势和潜力。自组装单分子层(self-assembled monolayer,SAM)有三部分组成：头基、烷基链和末端官能团组成。每个部分都可以进行定制，以实现特定的层表面化学、结构和厚度。特别地，在选择合适的SAM分子作为扩散阻挡层时，应该考虑几个结构方面的因素。例如，SAM封头基团与基体之间的选择性和粘滞强度影响薄膜的填充密度和热稳定性；SAM链的长度影响薄膜的填充密度和排列顺序；选择的SAM的终端基团会影响SAM层与Cu层之间的粘附性。近年来，Ramanath等人已经证明了SAM膜不仅可以作为抑制Cu在底层SiO₂层扩散的抑制剂，还可以增强Cu/SiO₂界面的粘附性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于铜互联电路中的扩散阻挡层材料及其制备方法，该阻挡层的覆盖性好，电学性能和耐温性能好，最薄可为1.3nm。为解决现有技术问题，本发明采取的技术方案为：一种用于铜互联的扩散阻挡材料，包括APTMS，作为改进的是3,5-二氯苯甲酸。

附图说明

图1是APTMS的三维AMF图像。

图2是改性后的SAMs的三维AFM图像。

图3为改性后的SAMs的SEM图像。

图4为改性后的SAMs的EDS元素图谱分析。

具体实施方式

上述用于铜互联的阻挡层材料制备方法，包括以下步骤。

步骤1，将硅晶片切割成10mm*10mm大小的试片，然后用丙酮、无水乙醇和去离子水依次超声清洗10min，以去除硅片表面的有机物，置于惰性环境下备用。