基於a1材料的摻銅金屬布線工藝的製作方法
2023-04-26 19:20:16
專利名稱：基於a1材料的摻銅金屬布線工藝的製作方法
技術領域：
本發明屬於大規模集成電路製造工藝技術領域，具體涉及一種Al金屬布線工藝。
濺射Al金屬膜的性質與澱積溫度密切相關。在低溫條件下，Al原子的遷移率較低。而較高溫度下，即溫度T＝0.5-0.7Tm時，(Tm為金屬的熔點溫度，對Al來講，Tm＝660℃)，Al在澱積時會產生表面擴散。當溫度繼續增加到T＞0.7Tm時，Al在澱積時會產生體積擴散效應。在矽片溫度＞550℃時，Al金屬會形成原位回流效果，正是由於Al的回流特性，可以用來填充接觸孔或者通孔，形成接觸孔或者填孔的Al互聯柱(Al-plug)，同時，回流還可以消除Al金屬中的空洞。為了達到回流效果，特別是讓Al填充高寬比＞1的接觸孔和通孔，矽片必須加熱到550℃，並持續3分鐘左右的時間。由於長時間的高溫過程，Al必須處於低壓無氧環境中，以確保Al在回流過程中不被氧化。
Al作為金屬布線材料，有很大的局限性，其中，抗電遷移能力差是導致電路可靠性的主要原因。所謂電遷移，是指Al離子在」電子云」的作用下，沿導電方向移動，留下空位，隨著空位的不斷增大，最後會變成Al連線中的空洞。這種空洞最終會導致Al連線的開路失效，即電遷移失效。一般來說，電遷移的失效率隨著Al導線的電路密度和工作溫度的升高而急劇增加。
早期中小規模集成電路的金屬化工藝，通常Al金屬是採用蒸發、電子束蒸發澱積。到了大規模集成電路，則採用濺射方法澱積Al。因為濺射具有較高澱積速率，可以濺射多利複合材料甚至高溫難熔金屬，加之，在濺射之前可以對表面進行濺射處理，去除表面的自然氧化層，減小Al金屬的接觸電阻。
隨著結深的不斷縮小和圖形尺寸的不斷減小，促使人們考慮怎樣進一步提高解決Al金屬與淺結工藝的兼容性、Al金屬材料的填孔性。
本發明提出的基於Al材料的布線工藝，是利用物理澱積的方法，在同一臺設備中依次連續澱積Ta、TaN、Ta、Al、TaN多層薄膜；並在Al金屬中加入Cu和Si原子，以改善Al金屬薄膜的導電性能和抗高溫性能，提高Al作為集成電路布線的抗電遷移能力。具體步驟如下1.先澱積一層Ta阻擋層；2.在Ta層上面澱積一層TaN阻擋層；3.接著澱積一層Ta阻擋層；4.再澱積Al層，Al澱積是用含Cu和Si的金屬靶，並採用低溫和高溫兩步法澱積，即包括先澱積第一層低溫Al籽晶層，再澱積第二層高溫Al層；5.在Al層上面澱積一層TaN阻擋層；6.Al金屬回流。
上述工藝中物理澱積Ta的溫度可控制為400-440℃，膜厚度為10nm-30nm。物理澱積第一層TaN的溫度可控制為400-440℃，膜厚度為30nm-50nmnm。低溫物理澱積第一層金屬Al籽晶層，Al中含Cu、Si原子各0.5-1.5％(以Al為基數)，較好的含量為1-1.4％。澱積溫度控制為40-55℃，澱積厚度為100nm-300nm；高溫物理澱積第二層金屬Al，這裡Al中含Cu、Si原子各0.5-1.5％(以Al為基數)，較好的含量為1-1.4％，薄膜的澱積溫度為450℃-500℃，澱積厚度為300nm-500nm。在Al上物理澱積TaN的溫度為400-440，TaN膜厚度為30nm-50nm。
本發明首先澱積一層Ta阻擋層。Ta是一種防止Cu擴散的阻擋層材料，Ta具有較低的電阻率，作為第一層金屬時，Ta直接與MOS器件的有源區和多晶矽柵接觸，形成難熔金屬矽化物TaSi，減小器件的接觸電阻。在Ta層上面澱積一層TaN阻擋層。這層TaN的主要作用是作為Cu和Al的擴散阻擋層，防止Cu和Al進入矽片和絕緣介質層中。TaN是一種比Ta或TiN更好的阻擋材料，特別是對Cu和F離子的擴散有良好的阻擋作用。接著澱積一層Ta阻擋層。這層Ta具有較低的電阻率，作為Al低溫籽晶澱積的襯底，有利於Al形成連續的導電層。Al澱積是用含Cu和Si的金屬靶，採用低溫和高溫兩步法澱積而成。低溫澱積Al籽晶層具有良好的緻密性，而高溫Al具有較高的澱積速度、填孔性和回流效果。具體工藝包括先澱積一層薄的低溫Al籽晶層，然後澱積高溫Al。在Al層上面澱積一層TaN阻擋層。這層TaN作用是作為Cu和Al的擴散阻擋層，防止Cu和Al進入絕緣介質層中，而且在Al薄膜上澱積一層TaN，可以提高Al金屬布線的電遷移能力，TaN還可以擬制Al金屬在高溫回流時產生小丘。還可作為後步光刻工藝的抗反射層，提高光刻Al的圖形完整性和條寬控制水平。最後進行Al金屬回流，溫度為500-600℃，時間2-5分鐘，真空度為1-3Torr。
本方法選擇Ta作為阻擋層。底部的Ta有利於減小接觸孔電阻，並起得增強與介質粘附性的作用。在Ta層的上面澱積TaN擴散阻擋層，接著是Ta層。這一層Ta利於形成連續的、晶粒大小均勻的Al金屬薄膜，還為Al布線提供了附加的導電通路，即使在Al金屬接觸孔或者連線中出現了空洞，也不會造成電遷移失效，從而提高Al金屬的抗電遷移能力。在Al的頂部的TaN一方面作為阻擋層材料，改進Al金屬的抗電遷移能力之外，還是良好Al金屬頂部光刻抗反射層，有利於光刻金屬間互聯通孔和金屬連線的細線條曝光和刻蝕。
本發明在Al基本工藝的基礎上，在Al金屬中添加1％的Cu和和1％的Si，以提高Al金屬布線的抗電遷移性能。Al澱積採用低溫和高溫兩步法澱積，輔助以真空下的高溫退火，以提高Al金屬的填孔性能和表面平坦性。Al金屬和底部Ta/TaN/Ta阻擋層和頂部TaN阻擋層相結合，顯著提高Al的抗電遷移能力和Al金屬膜的高溫穩定性，提高了集成電路的可靠性。
圖標說明1---Ta；2---TaN；3---Ta；4---Al(1％Cu)；5---TaN；
2、首先進行除氣(溫度為400℃-500℃，時間120秒-180秒)；3、隨後採用Ar等離子體對表面進行預處理，時間10-20秒，去除層間絕緣介質表面的殘餘物資；4、緊接著澱積一層金屬Ta，厚度為20nm，溫度為420℃；5、然後再澱積TaN，厚度40nm，澱積溫度為420℃；6、在TaN上面澱積一層Ta，厚度為20nm，溫度為420℃。
7、澱積含1％Cu和1％Si的Al金屬膜，分為2步第一步低溫(50℃)條件下，澱積100nm-300nm的Al(含1％Cu，1％Si)籽晶層；第二步在高溫(450℃-500℃)下，澱積厚度為300nm-500nm的Al(含1％Cu，1％Si)薄膜；8、在Al膜的上面再澱積一層TaN，厚度為40nmnm；9、Al金屬回流，溫度為550C，時間3分鐘。至此，基於Al材料的摻銅金屬互聯工藝的基本步驟已經完成，其剖面示意圖如
圖1所示。
10、多層金屬澱積完成後，可以送入光刻工序，進行塗膠、曝光、顯影、反應離子刻蝕刻蝕和去膠工序，製備出用於集成電路多層互聯的金屬微細線條。
權利要求
1.一種基於Al金屬的布線工藝，其特徵在於利用物理澱積的方法，在同一臺設備中依次連續澱積Ta、TaN、Ta、Al、TaN多層薄膜，具體步驟為(1)首先澱積一層Ta阻擋層；(2)在Ta層上面澱積一層TaN阻擋層；(3)接著澱積一層Ta阻擋層；(4)再澱積Al層，Al澱積是用含Cu和Si的金屬靶，採用低溫和高溫兩步法澱積；(5)在Al層上面澱積一層TaN阻擋層；(6)Al金屬回流。
2.根據權利要求1所述的Al金屬布線工藝，其特徵在於物理澱積Ta的溫度為400-440℃，膜厚度為10nm-30nm。
3.根據權利要求1所述的Al金屬布線工藝，其特徵在於物理澱積第一層TaN的溫度為400-440℃，TaN膜厚度為厚度為30nm-50nmnm。
4.根據權利要求1所述的Al金屬布線工藝，其特徵在於低溫物理澱積第一層金屬Al籽晶層，Al中含Cu、Si原子各0.5-1.5％，澱積溫度為40-55℃，澱積厚度為100nm-300nm。
5.根據權利要求1所述的Al金屬布線工藝，其特徵在於高溫物理澱積第二層金屬Al，Al中含Cu、Si原子各0.5-1.5％，澱積溫度為450℃-500℃，澱積厚度為300nm-500nm。
6.根據權利要求1所述的Al金屬布線工藝技術，其特徵在於在Al上物理澱積TaN的溫度為400-440，TaN膜厚度為30nm-50nm。
全文摘要
本發明是一種基於Al金屬布線的工藝，其主要特點是利用物理澱積的方法，在同一臺設備中連續澱積Ta、TaN、Ta、Al、TaN等多層薄膜，其中，Al金屬中加入Cu和Si原子，以提高Al金屬布線的抗電遷移能力。在Al層下面為複合阻擋層，可防止Al和Cu向矽片和介質中的擴散，Al金屬層的澱積採用低溫和高溫兩步法澱積。低溫澱積的Al籽晶層具有良好的緻密性，高溫澱積Al層具有較高的、填孔性和回流效果。在Al金屬層上面的TaN層，可以作為阻擋層，作為頂部覆蓋層和光刻的抗反射層。這種基於Al的布線工藝，可以適用於目前Al金屬布線的大規模集成電路生產線。
文檔編號H01L21/70GK1414623SQ0213719
公開日2003年4月30日 申請日期2002年9月27日 優先權日2002年9月27日
發明者徐小誠, 繆炳有 申請人:上海華虹(集團)有限公司