CN103337469B

CN103337469B - 一种原位沉积阻挡层和籽晶层的系统和方法

Info

Publication number: CN103337469B
Application number: CN201310235743.2A
Authority: CN
Inventors: 卢红亮; 耿阳; 杨雯; 孙清清; 张卫
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2013-06-15
Filing date: 2013-06-15
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2033-06-15
Also published as: CN103337469A

Abstract

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种原位沉积阻挡层和籽晶层的系统和方法。本发明提出的原位沉积系统包括沉积系统，进气、排气系统，管路控制系统，等离子体发生系统等。本发明所提出的采用原位沉积的铜互连流程包括：刻蚀出需要沉积的沟槽；转移到原位沉积腔后顺次通入五（二甲胺基）钽和含氮等离子体进行氮化钽扩散阻挡层的沉积；原位顺次通入二（六氟乙酰丙酮）化铜和二乙基锌进行铜籽晶层的沉积；取出硅片进行电化学沉积铜；化学机械抛光去除多余的铜。

Description

一种原位沉积阻挡层和籽晶层的系统和方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种原位沉积阻挡层和籽晶层的系统和方法。

技术背景

随着超大规模集成电路（VLSI）和特大规模集成电路（ULSI）的发展，集成度不断提高，电路元件越来越密集，芯片互连成为影响芯片性能的关键因素。然而，由于电路系统的尺寸限制，VLSI和ULSI技术中互连线的尺寸缩小对加工能力提出了额外的要求。这种要求包括多层面、高深宽比结构特征的精确加工等。这些互连结构的可靠性对VLSI和ULSI的成功和电路密度的提高起着非常重要的作用。

随着电路密度增加，互连线的线宽、接触通孔大小及其他特征尺寸都将随之减小，然而，介电层的厚度却不能随之等比例的缩小，结果就是特征深宽比增大。许多传统工艺在填充深宽比超过4时已有困难，因此开发适用于高深宽比情况下无空洞和无接缝的互连技术对于VLSI和ULSI的发展具有重大意义。

目前，铜及其合金已广泛应用于现代CMOS的标准工艺中，因为铜具有比铝更低的电阻率（低约35%）和更高的抗电迁移能力（约为铝的2倍），且铜具有良好的导热性。这对于多层面的集成更高电路密度和电流密度的器件非常有利。但是，铜是一种稳定的金属，不会产生挥发性的卤化物，不能采用常规等离子刻蚀来形成互连图形，目前采用的是镶嵌工艺（大马士革工艺）通过腐蚀介质层后填充铜来完成。另外，铜在硅和氧化物中扩散都很快，一旦进入硅器件中就会成为深能级受主杂质，使器件性能退化，因此必须在二者之间增加一层阻挡层，起阻挡铜扩散和增加铜与电介质粘附性的作用，目前应用最广的是氮化钽作为扩散阻挡层。

目前，业界主要采用磁控溅射技术来制备扩散阻挡层和铜籽晶层，但是在填充高深宽比的孔洞和沟槽时很难保证薄膜的均一性，因此开发新的制备扩散阻挡层和铜籽晶层的工艺对现代集成电路的发展十分重要，目前原子层淀积技术（Atomic Layer Deposition，ALD）具有很大的潜力。原子层淀积技术是一种可对薄膜厚度进行单原子层级别或者说埃(?)级别控制的化学气相淀积技术。ALD技术从上世纪70年代发展至今已取得很大进展，其已写进了国际半导体技术路线图(ITRS)，作为与微电子工艺兼容的候选技术在微电子领域显示出广阔的应用前景。ALD技术之所以受到业界青睐，跟他所特有的生长原理和技术特点有关的。ALD淀积虽然是一种化学气相淀积技术，但与传统的CVD技术相比，还是有很大差别的，ALD技术是基于顺次进行的表面饱和化学自限制的生长过程，它将反应气体交替脉冲式的通入到反应腔中。一个ALD反应循环包含4个步骤：(1)第一种反应前体以脉冲的方式进入反应腔并化学吸附在衬底表面；(2)待表面吸附饱和后，用惰性气体将多余的反应前体吹洗出反应腔；(3)接着第二种反应前体以脉冲的方式进入反应腔，并与上一次化学吸附在表面上的前体发生反应；(4)待反应完全后再用惰性气体将多余的反应前体及其副产物吹洗出反应腔。整个ALD生长过程由一个周期的多次循环重复实现。所有的ALD的本质特征就是表面反应达到饱和，使得生长停止，因此薄膜的厚度直接正比于表面反应已完成的次数，即反应循环数，这样可以通过控制淀积的反应循环数，就可以实现对薄膜厚度的精确控制。另外由于其自限的表面反应，可对高宽比很大的表面形成均匀的覆盖。此外通过控制不同源脉冲循环的次数比例也可以控制薄膜中不同物质的含量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种原位沉积阻挡层和籽晶层的系统和制作方法，以简化在极大规模集成电路中后道制程中沉积阻挡层和籽晶层的工艺，提高填充高深宽比沟槽的能力，增大沉积薄膜的厚度精确控制能力。

本发明提供的原位沉积阻挡层和籽晶层的系统，包含：

1）至少一个沉积腔；

2）至少一套进气、排气系统；

3）至少一套等离子体发生系统；

4）至少一套气动阀管道控制系统；

沉积腔是原位沉积系统的核心部件；进气、排气系统均连接在沉积腔上用以输运反应气体和反应后废气；等离子体发生系统接在进气系统上用以产生含氮的等离子体反应气，降低反应温度；气动阀管道控制系统连接到每一路进气排气管道，以便实现管道开闭和气流量的自动化控制，提高效率和控制精度。

该系统采用的反应气体为五（二甲胺基）钽（PDMAT）、含氮等离子体、二（六氟乙酰丙酮）化铜（Cu（hfac）₂）或二乙基锌（DEZn）。

所述的系统，其进气系统分为主进气管道和支进气管道，支进气管道为各自独立的管道，其用于通入各路反应气体，各路支进气管道汇总到主进气管道；每路支进气管道的气体流速在100- 2000 sccm之间。其排气系统则由排气管道和真空泵组成。

所述的系统，其等离子发生系统由等离子发生器和相关气路组成；等离子发生器可选用电弧等离子体发生器或高频感应等离子体发生器，出于等离子体纯度、发生效率、发生器寿命等方面考虑，优选高频感应等离子体发生器。

所述的系统，等离子体相关气路除了相应反应气路管路外还必须包含一路氩气管道。

所述的系统，其气动阀管道控制系统，包括设置在每条进气管道上的气动阀和流量计及其配套的电子控制器，可进行远程编程控制；气动阀的响应时间为10-100 ms。

所述的系统，其淀积腔可容纳12英寸（300mm）和18英寸（450mm）硅片；沉积腔可加热至200-500 ℃。

本发明提供的原位沉积阻挡层和籽晶层的制作方法，是基于上述系统的，可适用于32 nm、22 nm、16 nm 技术节点及以下集成电路的互连工艺

由于采用了等离子体发生系统，因此沉积温度可大大降低，在沉积过程中沉积腔的温度保持在100-300 ℃。

沉积氮化钽扩散阻挡层的反应气体为五（二甲胺基）钽和含氮等离子体。

所述含氮的等离子体可以包括氨气的等离子体、氮气的等离子体和氮氢混合气的等离子体。

根据原子层沉积的特性，沉积一个循环的氮化钽，包括如下步骤：

1）打开五（二甲胺基）钽管路上的气动阀，将气流量设置在100-500sccm，气动阀打开1-5秒后关闭，其中该管路上的载气为氮气；

2）打开冲洗管路上的气动阀，将气流量设置在100-2000 sccm，气动阀打开5-30秒后关闭，其中该管道气体为氮气；

3）打开含氮等离子体管路和氩气管路上的气动阀，将气流量分别设置在100-500sccm，将等离子体发生器负载100-200 W（电弧等离子体发生器）或1-2 kW（高频感应等离子体发生器）功率将含氮气体离化，两路气动阀打开1-5秒后关闭，同时去掉等离子体发生器的负载；

4）打开冲洗管路上的气动阀，将气流量设置在100-2000 sccm，气动阀打开5-30秒后关闭，其中该管理气体为氮气。

重复有限次数的沉积氮化钽的循环，达到预定的氮化钽阻挡层的厚度。

沉积完氮化钽阻挡层后，衬底并不需要转移，可进而沉积铜籽晶层。

沉积铜籽晶层的反应气体为二（六氟乙酰丙酮）化铜和二乙基锌。

沉积一个循环的铜，包括如下步骤：

1）打开二（六氟乙酰丙酮）化铜管路上的气动阀，将气流量设置在100-500 sccm，气动阀打开1-5秒后关闭，其中该管路上的载气为氮气；

3）打开二乙基锌管路上的气动阀，将气流量设置在100-500 sccm，气动阀打开1-5秒后关闭，其中该管路上的载气为氮气；

4）打开冲洗管路上的气动阀，将气流量设置在100-2000 sccm，气动阀打开5-30秒后关闭，其中该管道气体为氮气；

重复有限次数的沉积铜的循环，达到预定的铜籽晶层的厚度。

本发明中，氮化钽阻挡层和铜籽晶层的厚度均可在2-10纳米之间选择调整。

采用本发明方法和系统沉积的阻挡层和籽晶层可均匀填入深宽比为4-20沟槽。

本发明方法，在22纳米节点后，由于尺寸已极小，可使用该方法直接进行铜的填充互连而不再需要电镀铜工艺。

在具体实施过程中，经过刻蚀的衬底转入本发明说述的沉积腔中，原位沉积氮化钽阻挡层和铜籽晶层，之后电化学沉积铜，最后化学机械抛光形成需要的铜互连结构。

附图说明

图1 为原位沉积系统示意图。

图2 为在完成上层互连的衬底上依次完成沉积低介电常数介质层、刻蚀阻挡层、光阻层等，光刻，刻蚀后形成的互连沟槽示意图。

图3 为在衬底上应用本发明的方法和系统沉积氮化钽扩散阻挡层。

图4 为在衬底上应用本发明的方法和系统原位沉积铜籽晶层。

图5 为在采用本发明的方法和系统沉积好阻挡层和籽晶层后电化学沉积铜。

图6 为将铜进行化学机械抛光。

具体实施方式

原位沉积系统：

图1是本发明的原位沉积系统的一个示例性实施方式和示意性截面图，本发明所述方法可在本系统中完成。该系统由沉积系统、进气排气系统、等离子体发生系统、气动阀控制系统等组成。

其中，沉积系统包括沉积腔101、衬底托盘102和衬底103组成；进气排气系统由主进气管104、各反应气路管105-110、主排气管112和真空泵113组成；等离子体发生系统由等离子发生器111、氩载气管道110和需激发等离子体的含氮气体管路109组成；气动阀管道控制系统由控制各气路的气动阀114-119及配套控制元件组成。

沉积腔101中通常需要嵌入加热元件和热电偶来为托盘和晶圆加热；各气体管道通常需要加入质量流量控制器（MFC）和针阀等部件来控制通入反应气体的数量；反应气体通常由载气（氮气）通过装有反应源的罐体后混合而成。

采用本方法的大马士革工艺流程：

步骤1：参照图2，提供一个互连结构某一层布线后的衬底，材料201为低介电常数介质，材料202为铜互连线，材料203为淡化硅或其他刻蚀阻挡层材料。

步骤2：参照图2，依次淀积低介电常数介质（204）、刻蚀阻挡层、光阻层等后确定槽位并光刻刻蚀后形成新层互连的沟槽。

步骤3：参照图3，将衬底转移到本发明所述的系统中，采用本发明所述方法进行氮化钽的沉积，材料205为所沉积的氮化钽。

步骤4：参照图4，采用本发明所述方法原位沉积铜籽晶层，材料206为原位沉积的铜。

步骤5：参照图5，采用电化学沉积方法在采用本发明方法沉积后的衬底上沉积铜，并将沟槽填满，材料207为电化学沉积的铜。

步骤6：参照图6，化学机械抛光去除多余的铜、阻挡层和籽晶层，形成图样所示的器件结构。

Claims

1. 一种原位沉积阻挡层和籽晶层的方法，使用原位沉积系统，该系统包含：

（1）至少一个沉积腔；

（2）至少一套进气系统、排气系统；

（3）至少一套等离子体发生系统；

（4）至少一套气动阀管道控制系统；

进气系统、排气系统分别与沉积腔连接，分别用以输入反应气体和排出反应后废气；等离子体发生系统接在进气系统上，用以产生含氮的等离子体反应气，降低反应温度；气动阀管道控制系统连接到进气、排气系统各路管道，用以实现管道开闭和气流量的自动化控制；

其特征在于沉积过程中沉积腔的温度保持在100-300℃；

沉积氮化钽扩散阻挡层的反应气体为五（二甲胺基）钽和含氮等离子体；

所述含氮的等离子体为氨气的等离子体、氮气的等离子体或氮氢混合气的等离子体；

沉积一个氮化钽阻挡层的循环，具体步骤为：

（1）打开五（二甲胺基）钽管路上的气动阀，将气流量设置在100-500sccm，气动阀打开1-5秒后关闭，其中该管路上的载气为氮气；

（2）打开冲洗管路上的气动阀，将气流量设置在100-2000 sccm，气动阀打开5-30秒后关闭，其中该管路上的气体为氮气；

（3）打开含氮等离子体管路和氩气管路上的气动阀，将气流量分别设置在100-500sccm，将电弧等离子体发生器负载100-200 W或高频感应等离子体发生器负载1-2 kW功率，将含氮气体离化，两路气动阀打开1-5秒后关闭，同时去掉等离子体发生器的负载；

（4）打开冲洗管路上的气动阀，将气流量设置在100-2000 sccm，气动阀打开5-30秒后关闭，其中该管路上的气体为氮气；

重复有限次数的沉积氮化钽的循环，达到预定的氮化钽阻挡层的厚度；

沉积完氮化钽阻挡层后，沉积铜籽晶层；

沉积铜籽晶层的反应气体为二（六氟乙酰丙酮）化铜和二乙基锌；

沉积一个铜籽晶层的循环，具体步骤为：

（1）打开二（六氟乙酰丙酮）化铜管路上的气动阀，将气流量设置在100-500 sccm，气动阀打开1-5秒后关闭，其中该管路上的载气为氮气；

（3）打开二乙基锌管路上的气动阀，将气流量设置在100-500 sccm，气动阀打开1-5秒后关闭，其中该管路上的载气为氮气；

2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：氮化钽阻挡层和铜籽晶层的厚度为2-10纳米。

3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：氮化钽阻挡层和铜籽晶层阻挡层填入的沟槽的深宽比为4-20。