CN102237299A - 铝薄膜的形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种铝薄膜的形成方法，包括：提供基底；在所述基底上通过至少2个形成铝金属层的子步骤逐步形成所述铝薄膜，其中每一子步骤形成的铝金属层的厚度小于或等于0.45μm。本发明减小了铝薄膜中的晶粒尺寸，改善了其表面质量。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种铝薄膜的形成方法。
背景技术
集成电路的互连层材料一般采用铝或者铜，在选用铝互连结构时，通常采用溅射法形成铝薄膜，之后再经过刻蚀将所述铝薄膜图案化，形成铝互连结构。
溅射属于物理气相沉积(PVD)的一种，是在集成电路制造工艺中沉积金属以及合金材料层的常用方法。溅射时，将晶圆与待沉积金属材料构成的靶材放置于真空反应腔中，并将所述靶材设置为负偏压；之后在所述反应强中通入氩气(Ar)并等离子化生成氩离子，带有正电荷的氩离子冲击所述靶材，从靶材中溅射出金属原子，其中一部分金属原子沉积在所述晶圆表面形成金属薄膜。另外，所述真空反应腔中通常设置有加热器(heater)，用于在溅射过程中对所述晶圆进行加热。
在专利号为ZL00102784.0的中国专利中公开了一种铝互连结构的形成方法。图1至图4给出了该方法形成铝互连结构的剖面结构示意图。
如图1所示，提供半导体基底100，在所述半导体基底上依次形成阻挡层101和铝薄膜102。在形成所述阻挡层101之前，所述半导体基底100的表面上还可以形成介质层(图中未示出)，如二氧化硅(SiO2)。所述阻挡层101的材料为钛(Ti)和/或氮化钛(TiN)。所述铝薄膜102的形成方法为溅射法。
如图2所示，在所述铝薄膜102上形成抗反射层103。所述抗反射层103的材料为钛和/或氮化钛，由于所述铝薄膜102表面的反射率较高，会影响之后的光刻工艺的精度，而所述抗反射层103可以有效的提高光刻效果。
如图3所示，在所述抗反射层103表面形成光刻胶层(图中未示出)，并对所述光刻胶层进行图案化，形成光刻胶图形104。
如图4所示，以所述光刻胶图形104为掩膜，对所述抗反射层103和铝薄膜102进行刻蚀。之后去除所述光刻胶图形104，形成铝互连结构。
在实际生产中，某些特定的应用要求形成的铝薄膜102的厚度较大以降低电阻，但是如果溅射形成的所述铝薄膜102的厚度较大(超过3μm)时，其中的晶粒(grain)的尺寸会明显增大，导致相邻晶粒之间无法紧密贴合，使得所述铝薄膜102的表面微观上较为粗糙，影响后续形成在其上的膜层的质量。如图5所示，在区域102a处，所述铝薄膜102在相邻两个晶粒之间形成明显的凹陷，使得在该处的抗反射层103无法完全覆盖铝薄膜102的表面，暴露出一部分铝材料。如图6所示，之后在所述抗反射层103的表面上形成光刻胶图形104。对光刻胶层进行图案化形成光刻胶图形104的过程包括曝光、显影和定影等，由于在光刻过程中使用的显影溶液等试剂一般都为酸性或碱性，如正型光刻胶的显影液四甲基氢氧化铵((CH3)4NOH)为较强的碱性，所述显影溶液会腐蚀所述区域102a内的暴露的铝材料，使得被腐蚀的铝薄膜部分在后续的刻蚀过程中无法被刻蚀去除，如图7所示，对应于图6中区域102a的位置处形成有残留物102b，影响整个铝互连结构的可靠性。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种铝薄膜的形成方法，提高铝薄膜的质量，避免在光刻和刻蚀工艺中由于铝薄膜被腐蚀而形成残留物。
本发明提供了一种铝薄膜的形成方法，包括：
提供基底；
在所述基底上通过至少2个形成铝金属层的子步骤逐步形成所述铝薄膜，其中每一子步骤形成的铝金属层的厚度小于或等于0.45μm。
可选的，在所述各子步骤之间还包括：对所述基底进行冷却。
可选的，所述冷却过程后所述基底的温度低于300℃。
可选的，所述冷却过程的冷却速率为3℃/s至10℃/s。
可选的，所述冷却过程的持续时间大于或等于10s。
可选的，所述各子步骤以及相应的冷却过程是在同一反应腔中进行的。
可选的，所述铝金属层的形成方法为溅射法，使用的功率为10000瓦至13000瓦，溅射气体为氩气，所述氩气的流量为15sccm至50sccm。
可选的，在所述溅射过程中，使用加热器对所述基底进行加热。
可选的，所述冷却过程包括：移除所述加热器并通入氩气，所述氩气的流量为33sccm至100sccm。
可选的，所述冷却过程包括：关闭所述加热器并通入氩气，所述氩气的流量为33sccm至100sccm。
与现有技术相比，本发明的技术方案有如下优点：
本技术方案分多个子步骤来形成铝薄膜，其中每一子步骤形成的铝金属层的厚度较小，小于或等于0.45μm，使得形成的铝薄膜的晶粒较小，提高了铝薄膜的质量，避免了在光刻和刻蚀工艺中由于铝薄膜被腐蚀而形成的残留物缺陷。
附图说明
图1至图4是现有技术的铝互连结构形成方法的剖面结构示意图；
图5至图7是现有技术的铝互连结构形成方法中铝薄膜被腐蚀形成残留物的过程的剖面结构示意图；
图8是晶粒尺寸以及缺陷数随铝薄膜的厚度的变化关系曲线图；
图9是本发明实施例的铝薄膜的形成方法的流程示意图；
图10至图14是本发明实施例的铝互连结构的形成过程的剖面结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
现有技术铝薄膜的形成过程一般都是通过溅射一次性形成的，如图8所示，经过发明人研究发现，随着形成的铝薄膜的厚度增大，铝薄膜中的晶粒尺寸也逐渐增大，相应的，当晶粒直径大于3.5μm时，形成的铝互连结构中的缺陷数开始急剧增大，影响器件的可靠性。
本发明的技术方案通过多个子步骤逐步形成铝薄膜，其中每一子步骤形成的铝金属层的厚度较小，小于或等于0.45μm，使得形成的铝薄膜中的晶粒尺寸较小，相邻晶粒之间紧密排列，提高了铝薄膜的表面质量，避免了在后续的光刻和刻蚀工艺中由于铝薄膜被腐蚀而形成的残留物缺陷。
图9示出了本发明实施例的铝薄膜的形成方法的流程示意图。如图9所示，包括：执行步骤S101，提供基底；执行步骤S102，在所述基底上通过至少2个形成铝金属层的子步骤逐步形成所述铝薄膜，其中每一子步骤形成的铝金属层的厚度小于或等于0.45μm。
下面以铝互连结构的形成过程为实施例对本发明的技术方案进行详细说明，图10至图14示出了本发明实施例的铝互连结构的形成过程的剖面结构示意图。
结合图9和图10，执行步骤S101，提供基底。本实施例中具体为提供基底200。
所述基底200的材质可以是单晶硅、多晶硅、非晶硅中的一种，所述基底200的材质也可以是硅锗化合物，所述基底200还可以是绝缘体上硅(SOI，Silicon On Insulator)结构或硅上外延层结构。在所述基底200中形成有半导体器件(图中未示出)，例如具有栅极、源极和漏极的金属氧化物半导体(MOS)器件。本实施例中，所述基底200的表面还形成有介质层(图中未示出)，其材料选自氧化硅、氮化硅、硼硅玻璃等。
结合图9和图11，在所述基底上通过至少2个子步骤逐步形成所述铝薄膜，其中每一子步骤形成的铝金属层的厚度小于或等于0.45μm。
本实施例中具体包括，首先在所述基底200的表面上形成阻挡层201，所述阻挡层201的材料选自钛和/或氮化钛，本实施例中优选为钛，其形成方法为溅射法。
之后在所述阻挡层201上形成第一铝金属层202a。所述第一铝金属层202a的形成方法为溅射法，使用的功率为10000瓦至13000瓦，溅射气体为氩气，所述氩气的流量为15sccm至50sccm，所述第一铝金属层202a的厚度小于或等于0.45μm。本实施例中优选的溅射功率11500W，优选的氩气流量为18sccm，通过控制溅射过程的持续时间使得形成的第一铝金属层202a的厚度为0.45μm。本实施例中，在所述溅射过程的同时使用加热器对所述基底200进行加热。
在形成所述第一铝金属层202a之后，对所述基底200进行冷却。本实施例中所述冷却过程与所述第一铝金属层202a的形成过程是在同一反应腔中进行的，为原位(in-situ)反应。所述冷却过程包括移除溅射过程中所使用的加热器并通如氩气，所述氩气的流量为33sccm至100sccm，所述冷却过程之后基底200的温度低于300℃，冷却速率为3℃/s至10℃/s，冷却过程的持续时间大于或等于10s。本实施例中溅射铝金属层后基底200的温度为300℃至400℃，为了保证冷却过程后基底200的温度低于300℃，优选的冷却速率为5℃/s左右，冷却过程的持续时间为10s，另外，冷却过程中优选的氩气流量为35sccm。本实施例中，冷却后基底200的温度约为270℃。
需要说明的是，移除所述加热器可以加速所述基底200的冷却过程，使其迅速降温，在本发明的其他实施例中，也可以不移除所述加热器而是将其关闭，但是本实施例中优选移除的方式，冷却后再将所述加热器恢复至原来的位置对基底200进行加热，继续下一次溅射过程。与关闭加热器的技术方案相比，本方法避免了加热器反复升温和降温所需要花费的时间，提高了效率。
经过所述冷却过程后，第一铝金属层202a内部的晶格结构趋于稳定，且由于其厚度较小，本实施例中具体为0.45μm，使得其晶粒尺寸较小，排列较为紧密，有效的改善了表面质量。
之后，在所述第一铝金属层202a上形成第二铝金属层202b。所述第二铝金属层202b的形成方法和形成条件与所述第一铝金属层202a一致，这里就不再赘述。所述第二铝金属层202b的厚度也优选为0.45μm。由于经过冷却过程之后，所述第一铝金属层202a内部的晶格结构已经稳定，因此在溅射形成第二铝金属层202b时，第二铝金属层202b中的晶粒不会沿着第一铝金属层202a内的晶粒方向生长，而是一个重新结晶的过程，因此，其内部的晶粒尺寸比一次性溅射形成的厚度为0.9μm(第一铝金属层202a与第二铝金属层202b的厚度之和)的铝薄膜要小。
在形成所述第二铝金属层202b之后，对所述基底200进行冷却，该冷却过程与所述第一铝金属层202a形成后的冷却过程一致，这里就不再赘述。
本实施例中预计形成的铝薄膜202的总厚度为3.6μm，共包括8个子步骤，每一子步骤形成一铝金属层，其中每一子步骤形成的铝金属层的厚度为0.45μm，各子步骤之间还包括冷却过程。本实施例的8个子步骤及其之间的冷却过程都是在同一反应腔中进行的，为原位反应，设备开销较小，但是所述反应腔的菜单(recipe)较复杂，共包括8个子步骤的溅射和冷却过程。在本技术方案的其他实施例中，也可以使用2个反应腔(反应腔A和反应腔B)来交替完成铝薄膜的形成过程，即反应腔A-反应腔B-反应腔A-反应腔B……，采用此方法时每一反应腔的菜单相对较简单，仅包括冷却和溅射两个部分。
需要说明的是，经过发明人研究发现，只要每一子步骤形成的铝金属层的厚度不超过0.45μm，则相应形成的铝薄膜202中的晶粒直径则可以控制在3.5μm以内。每一子步骤形成的铝金属层的厚度越小，则晶粒大小也相应的越小，所述铝薄膜202的表面质量也越好，但是由于需要形成的铝薄膜202的总厚度是预先确定的(本实施例中为3.6μm)，因此形成过程花费的时间会更长，本实施例中每一子步骤形成的铝金属层的厚度为0.45μm，兼顾了铝薄膜的质量与形成过程的效率问题。另外，每一子步骤形成的铝金属层的厚度也可以不相等，小于或等于0.45μm即可，例如0.3μm、0.4μm等，直至形成的铝薄膜至所需的厚度为止。
如图12所示，在所述铝薄膜202的表面形成抗反射层203。所述抗反射层203的材料选自钛和/或氮化钛，本实施例中优选为钛和氮化钛的叠层结构，其中与所述铝薄膜202的表面接触的为钛层，钛层之上为氮化钛层，其形成方法为溅射法。所述反射层203可以有效改善所述铝薄膜202表面的反射率较高对后续的光刻过程的影响。
如图13所示，在所述抗反射层203的表面旋涂形成光刻胶层(图中未示出)，并对其图案化，形成光刻胶图形204。所述光刻胶图形204的形成方法为现有技术的惯用手段，这里不再详述。虽然本实施例中的铝薄膜202的厚度较大，为3.6μm，但是由于通过多个子步骤逐步形成，使得所述铝薄膜202的晶粒尺寸较小，其表面质量较好，因此避免了抗反射层203无法完全覆盖铝薄膜202而导致的光刻过程中铝薄膜202被腐蚀的问题。
如图14所示，以所述光刻胶图形204为掩膜，对所述抗反射层203和铝薄膜202进行刻蚀。由于所述铝薄膜202在之前的光刻过程中并未被腐蚀，因此刻蚀后并不存在残留物。之后去除所述光刻胶图形204，完成铝互连结构的形成过程。
综上，本发明提供了一种铝薄膜的形成方法，通过多个子步骤逐步形成所述铝薄膜，其中每一子步骤形成的铝金属层的厚度较小，小于或等于0.45μm，使得形成的铝薄膜中的晶粒尺寸较小，改善了其表面质量。同时避免了抗反射层无法完全覆盖铝薄膜而导致的光刻过程中铝薄膜被腐蚀的问题
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种铝薄膜的形成方法，其特征在于，包括：
提供基底；
在所述基底上通过至少2个形成铝金属层的子步骤逐步形成所述铝薄膜，其中每一子步骤形成的铝金属层的厚度小于或等于0.45μm。
2.根据权利要求1所述的铝薄膜的形成方法，其特征在于，在所述各子步骤之间还包括：对所述基底进行冷却。
3.根据权利要求2所述的铝薄膜的形成方法，其特征在于，所述冷却过程后所述基底的温度低于300℃。
4.根据权利要求2所述的铝薄膜的形成方法，其特征在于，所述冷却过程的冷却速率为3℃/s至10℃/s。
5.根据权利要求2所述的铝薄膜的形成方法，其特征在于，所述冷却过程的持续时间大于或等于10s。
6.根据权利要求2所述的铝薄膜的形成方法，其特征在于，所述各子步骤以及相应的冷却过程是在同一反应腔中进行的。
7.根据权利要求1所述的铝薄膜的形成方法，其特征在于，所述铝金属层的形成方法为溅射法，使用的功率为10000瓦至13000瓦，溅射气体为氩气，所述氩气的流量为15sccm至50sccm。
8.根据权利要求7所述的铝薄膜的形成方法，其特征在于，在所述溅射过程中，使用加热器对所述基底进行加热。
9.根据权利要求7所述的铝薄膜的形成方法，其特征在于，所述冷却过程包括：移除所述加热器并通入氩气，所述氩气的流量为33sccm至100sccm。
10.根据权利要求7所述的铝薄膜的形成方法，其特征在于，所述冷却过程包括：关闭所述加热器并通入氩气，所述氩气的流量为33sccm至100sccm。
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