減少金屬線缺陷的改進工藝的製作方法

2023-09-20 05:20:10

專利名稱：減少金屬線缺陷的改進工藝的製作方法
技術領域：
本發明屬於半導體集成電路製造工藝技術領域，具體涉及一種減少金屬線缺陷的改進工藝。
背景技術：
Al線互連在半導體晶片製造工藝中是不可缺少的，尤其在特徵尺寸大於0.35μm的半導體製造工藝。通常，Al線層的結構是三明治結構，即底層為Ti/TiN，中間層為Al-Cu(0.5-1％Cu)，上層為Ti/TiN。濺射時分兩次第一次濺射底層為Ti/TiN，第二次濺射Al/Ti/TiN。
隨著器件尺寸的縮小，金屬線的尺寸也同時在縮小。特別是在0.25μm及以下的半導體製造工藝中，Ti/TiN/Al/Ti/TiN(通常厚度為30/110/470/25/75納米)金屬線中出現了Al空洞，有的空洞甚至造成Al線斷開。大量的Al空洞導致了電流傳輸失效或電阻變大，直接帶來可靠性問題，使成品率大大降低。目前，常規採用的方法是在Al層刻蝕後，先放進400℃的爐子裡N2/H2氣氛下退火30分鐘，然後用高密度等離子體方法(HDP-CVD)澱積SiO2(溫度一般在400℃)，這樣可以緩解HDP-CVD過程中對Al層帶來的熱應力。實際上，在HDP-CVD過程中上層Ti和Al反應生成TiAl3，反應後的體積減少了1.1％，這是Al空洞形成的主要原因。
然而，這種做法對Al空洞的防止效果並不像人們期待的那樣有效，尤其是大生產過程中(HDP-CVD)澱積SiO2溫度有時超過400℃(比如在400-450℃)，而Ti和Al反應生成TiAl3的溫度為≥350℃。為了減少Al空洞，我們提出一種新的改進方案1)減小Al層上下的Ti/TiN厚度；2)同時減小Al層厚度，降低濺射溫度；3)提高Al靶中Cu的含量；4)提高刻蝕後金屬線的退火溫度，使Ti和Al反應生成TiAl3在HDP-CVD之前完成。通過以上改進，可以抑制Al空洞的出現。

發明內容
本發明的目的是提出一種可減少金屬線中的Al空洞的HDP-CVD澱積工藝。
通常情況下，金屬層的結構為Ti/TiN/Al/Ti/TiN，相應的厚度分別為30/110/470/25/75納米。金屬線刻蝕後的退火溫度一般為400℃。濺射時分兩次第一次濺射底層為Ti/TiN，第二次濺射Al/Ti/TiN。我們的改進方案分以下幾個方面1)Al層上下的Ti/TiN厚度減少；2)同時減小Al層厚度；提高濺射用的Al靶材中的Cu含量(原工藝含量0.5％Cu)，降低濺射溫度(原有的濺射溫度為380℃)；4)提高刻蝕後金屬線的退火溫度。
鑑於以上改進，Ti/TiN/Al/Ti/TiN濺射膜的新工藝如下1)上下層Ti/TiN濺射其厚度分別為(5-15(Ti))/(20-30(TiN))納米；2)Al層的濺射Al靶材的成分為Al-Cu，其中Cu為0.8-1.2％質量比，濺射溫度為250-350℃，濺射膜厚度為400-440納米；3)退火處理金屬線刻蝕後需退火，溫度420-460℃。退火氣體可採用N2-H2，其中H2佔5-15％體積比。
然後進行HDP-CVD澱積SiO2。
本發明通過減少Ti/TiN厚度、提高Al靶材中的Cu含量和提高退火溫度等手段來減少在HDP-CVD澱積SiO2的過程中所形成的Al空洞。本改進工藝流程簡單，操作方便，產量高，非常適用於大生產。
具體實施例方式
下面通過具體實施例進一步描述本發明實施例11、Ti/TiN濺射膜的製備目前生產線濺射常用Endura 5500設備(美國應用材料公司)。用常規工藝在Ti/TiN濺射腔中製備上、下層Ti/TiN(10/25nm)膜。
2、Al層的濺射在Al濺射腔裡，Al靶材的成分為Al-Cu，Cu佔1％，濺射膜厚度為420納米；濺射溫度為300℃。
3、退火溫度金屬線刻蝕後需在爐子中退火，溫度440℃，退火氣體N2-H2(10％H2)。然後進行HDP-CVD澱積SiO2。
實施例21、濺射設備同例1，上、下層Ti/TiN的厚度為5/30nm。
2、Al靶材的成分為Al-Cu，Cu佔0.8％，濺射膜厚度為400納米；濺射溫度為250℃。
3、退火，溫度為460℃，退火氣體為N2-H2，H2佔5％。然後進行HDP-CVD澱積SiO2。
實施例31、濺射設備同例1，上、下層Ti/TiN的厚度為15/20nm。
2、Al靶材的成分為Al-Cu，Cu佔1.2％，濺射膜厚度為440納米；濺射溫度為350℃。
3、退火，溫度為420℃，退火氣體為N2-H2，H2佔15％。然後進行HDP-CVD澱積SiO2。
上述各實施例都大大減少了原來工藝中出現的Al空洞，提高了金屬線五連的可靠性和成品率。
權利要求
1.一種減少金屬線缺陷的改進工藝，其特徵在於1)上下層Ti/TiN濺射厚度為(5-15)/(20-30)納米；2)Al層濺射Al靶材成分為Al-Cu，其中Cu佔0.8-1.2％質量比，濺射溫度為250-350℃，濺射膜厚度為400-440納米；3)退火處理刻蝕後金屬線退火，溫度為420-460℃。
2.根據權利要求1所述的減少金屬線缺陷的改進工藝，其特徵在於上述金屬線刻蝕後退火的氣體是N2-H2混合氣體，其中H2佔5-15％體積比。
全文摘要
本發明屬於半導體集成電路製造工藝技術領域，具體涉及一種減少金屬線缺陷的改進工藝。包括1)減小Al層上下的Ti/TiN厚度；2)同時減小Al層厚度，降低濺射溫度；3)提高Al靶中Cu的含量；4)提高刻蝕後金屬線的退火溫度，使Ti和Al反應生成TiAl
文檔編號H01L21/321GK1540728SQ200310108280
公開日2004年10月27日 申請日期2003年10月30日 優先權日2003年10月30日
發明者繆炳有 申請人:上海集成電路研發中心有限公司, 上海華虹(集團)有限公司