CN111128869A - 优化热铝填孔能力的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种优化热铝填孔能力的制备方法。优化热铝填孔能力的制备方法，包括以下步骤：提供刻蚀有待填孔的基底；在第一温度下，进行至少一次脱气工艺，去除待填孔中的水气和有机残留物；在所述待填孔的侧面和底面生长扩散阻挡层；在所述扩散阻挡层上生长浸润层；在所述浸润层上生长冷铝种籽层；在第二温度下，通过物理气相沉淀法，在覆盖有所述扩散阻挡层、浸润层和冷铝种籽层的待填孔中生长热铝层。本发明提供的优化热铝填孔能力的制备方法可以解决相关技术中铝填孔易产生空隙与空洞的问题。

Description

优化热铝填孔能力的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种优化热铝填孔能力的制备方法。
背景技术
半导体材料铝由于电阻率低,工艺简单,是最早被广泛用于填充接触孔的材料。用物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)法淀积的金属铝与钨塞相比，电阻率低，电路的电阻电容延迟小，而且金属铝可将金属接触与金属互连一次完成，不需要类似钨塞工艺的回刻或化学机械抛(Chemical Mechanical Polishing，CMP)，节省了设备和资源。另外采用钨塞工艺时，需要在金属接触对应的通孔中形成金属钨，之后采用回刻或CMP工艺将通孔外的金属钨去除；之后在形成金属铝层，金属铝层图形化形成对应的金属层的金属互连结构。而采用金属铝填孔工艺时，金属接触对应的通孔将不需要单独采用钨填充，而是直接采用铝填充，后续的金属互连对应的金属层也采用铝，故能将金属接触与金属互连一次完成。
然而，随着半导体工艺尺寸的减小，尤其是针对12寸先进工艺,直接通过PVD工艺向填充接触孔中沉淀填充铝的过程，受到铝在填充孔内流动的均匀性和附着在孔壁的附着力等方面的限制，使得铝填孔易产生空隙与空洞，不能很好地满足工艺制程要求。如图10a所示，可以看出相关技术中铝填孔的均匀性差异较大，如图10b所示的接触孔上端还存在不同程度的空洞。
发明内容
本发明提供了一种优化热铝填孔能力的制备方法，可以解决相关技术中铝填孔易产生空隙与空洞的问题。
一种优化热铝填孔能力的制备方法，包括以下步骤：
提供刻蚀有待填孔的基底；
在第一温度下，进行至少一次脱气工艺，去除待填孔中的水气和有机残留物；
在所述待填孔的侧面和底面生长扩散阻挡层；
在所述扩散阻挡层上生长浸润层；
在所述浸润层上生长冷铝种籽层；
在第二温度下，通过物理气相沉淀法，在覆盖有所述扩散阻挡层、浸润层和冷铝种籽层的待填孔中生长热铝层。
可选的，所述第一温度的范围包括：350℃～550℃。
可选的，所述第二温度的范围包括：400℃～500℃。
可选的，所述在所述待填孔的侧面和底面生长扩散阻挡层，包括：
在所述待填孔的侧面和底面生长厚度为100埃～600埃的钛层；
在覆盖有所述钛层的待填孔中生长厚度为100埃～600埃的氮化钛层。
可选的，所述在所述扩散阻挡层上生长浸润层，包括：
在所述扩散阻挡层上，生长厚度为100埃～600埃的Ti膜作为所述浸润层。
可选的，所述在所述浸润层上生长冷铝种籽层，包括：
在所述浸润层上，生长厚度为1000埃～4000埃的冷铝种籽层。
可选的，所述在第二温度下，通过物理气相沉淀法，在覆盖有所述扩散阻挡层、浸润层和冷铝种籽层的待填孔中，生长热铝层，包括：在第二温度范围为400℃～500℃的环境下，通过进行多次物理气相沉淀，在覆盖有所述扩散阻挡层、浸润层和冷铝种籽层的待填孔中，生长热铝层。
可选的，所述在第二温度下，通过物理气相沉淀法，在覆盖有所述扩散阻挡层、浸润层和冷铝种籽层的待填孔中，生长热铝，包括：在第二温度的环境下，通过热铝淀积功率为1KW～3KW的物理气相沉淀法，在覆盖有所述扩散阻挡层、浸润层和冷铝种籽层的待填孔中，生长热铝层。
本发明技术方案，至少包括如下优点：通过脱气工艺有效地去除待填孔中的水气和有机残留物，防止水气和有机残留物影响后续热铝的生长，通过浸润层和冷铝种籽层提高热铝界面流动的均匀性，以及铝与待填孔之间的附着力，减小热铝与待填孔之间出现空隙和空洞的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明脱气工艺中的第一温度和热铝的填充接触率的关系；
图2是本发明浸润层的厚度与热铝的填充接触率的关系；
图3是本发明冷铝种籽层的厚度与热铝的填充接触率之间的关系；
图4是本发明热铝淀积功率与热铝的填充接触率之间的关系；
图5是本发明实施例2中步骤S21完成后的结构示意图；
图6是本发明实施例2中S22完成后的结构示意图；
图7是本发明实施例2中S23完成后的结构示意图；
图8是本发明实施例2中S25完成后的结构示意图；
图9是本发明实施例2中S26完成后的结构示意图；
图10a是相关技术中对铝孔的扫描电子显微图；
图10b是图10a的局部放大图；
图11是本发明中对铝孔的扫描电子显微图。
图12是本发明第一方面实施例1的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在不做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电气连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
提供一种优化热铝填孔能力的制备方法，参照图12，包括以下步骤：
S11：提供刻蚀有待填孔110的基底100；
S12：在第一温度530℃～550℃的环境下，进行至少一次脱气工艺，去除待填孔110中的水气和有机残留物。
脱气工艺能够有效地去除待填孔110中的水气和有机残留物，防止水气和有机残留物影响后续热铝的生长；图1为脱气工艺中的第一温度和热铝的填充接触率的关系，可以理解的是，热铝的填充接触率越高，铝与待填孔110之间出现空隙和空洞的问题越小。从图1可以看出，在第一温度为530℃时，所生长的热铝与待填孔110之间的填充接触率为95％，在第一温度530℃～550℃时，所生长的热铝与待填孔110之间的填充接触率在85％至95％之间。由此可以看出，脱气工艺的温度对热铝的填充接触率能够产生一定影响，在第一温度为530℃时，热铝的填充接触率最高。
S13：在所述待填孔110的侧面和底面生长扩散阻挡层200。
所述扩散阻挡层200用于在待填孔110与基底100之间形成隔离屏障，放置后续在待填孔110中填充的热铝过度生长，确保铝完全填充在待填孔110中。实施例中设计的扩散阻挡层200可采用Ta、TaN、TaSiN等材料。
S14：在所述扩散阻挡层200上生长浸润层300。
待填孔110中生长出的浸润层300能够在后续生长热铝时，保证铝在待填孔110中的流动的均匀性，防止因为热铝的不均匀流动，导致铝和待填孔110之间出现不同程度的间隙。优选的，在Ti膜作为浸润层300时，且采用Ti膜的厚度为250埃～400埃，图2为以Ti膜作为浸润层300时，浸润层300的厚度与热铝的填充接触率的关系，可以理解的是，热铝的填充接触率越高，铝与待填孔110之间出现空隙和空洞的问题越小。从图2可以看出，当Ti膜厚度为400埃时，热铝的填充接触率为98％，当Ti膜厚度为250埃～400埃时，热铝的填充接触率为85％～98％。由此可以看出，浸润层300对热铝的填充接触率能够产生一定影响，在Ti膜厚度为400埃时，热铝的填充接触率最高。
S15：在所述浸润层300上生长冷铝种籽层400；优选的，在所述浸润层300上生长厚度为2000埃～3000埃的冷铝种籽层400。
冷铝可以提高后续步骤中高温热铝的界面流动，热铝需要依据孔的结构进行评估，并且冷铝种籽层400能够增大后续填充的热铝的附着力，从而进一步减小热铝与待填孔110之间出现空隙和空洞的问题。
图3为冷铝种籽层400的厚度与热铝的填充接触率之间的关系，可以理解的是，热铝的填充接触率越高，铝与待填孔110之间出现空隙和空洞的问题越小。从图3可以看出，当冷铝种籽层400的厚度为2000埃时，热铝的填充接触率为99％，当生长的冷铝种籽层400厚度为2000埃～3000埃时，热铝的填充接触率为95％～99％，且在冷铝种籽层400的厚度为2000埃时热铝的填充接触率最高。
S16：在第二温度环境下，通过热铝淀积功率为1KW～2KW的物理气相沉淀法，在覆盖有所述扩散阻挡层200、浸润层300和冷铝种籽层400的待填孔110中生长热铝层500。
热铝淀积功率可以影响成膜速率和填孔效果，图4为热铝淀积功率与热铝的填充接触率之间的关系，可以理解的是，热铝的填充接触率越高，铝与待填孔110之间出现空隙和空洞的问题越小。从图4可以看出，在热铝淀积功率为1KW时，热铝的填充接触率为99％，在热铝淀积功率为1KW～2KW时，热铝的填充接触率为87％～99％。由此可以看出，热铝淀积功率对热铝的填充接触率能够产生一定影响，在热铝淀积功率为1KW时，热铝的填充接触率最高。
本实施例通过脱气工艺有效地去除待填孔110中的水气和有机残留物，防止水气和有机残留物影响后续热铝的生长，通过浸润层300和冷铝种籽层400提高热铝界面流动的均匀性，以及铝与待填孔110之间的附着力，减小热铝与待填孔110之间出现空隙和空洞的问题。
实施例2
提供一种优化热铝填孔能力的制备方法，包括以下步骤：
S21：参照图5，提供刻蚀有待填孔110的基底100；
S22：在第一温度510℃～530℃的环境下，进行至少一次脱气工艺，去除待填孔110中的水气和有机残留物。
脱气工艺能够有效地去除待填孔110中的水气和有机残留物，防止水气和有机残留物影响后续热铝的生长；图1为脱气工艺中的第一温度和热铝的填充接触率的关系，可以理解的是，热铝的填充接触率越高，铝与待填孔110之间出现空隙和空洞的问题越小。从图1可以看出，在第一温度为530℃时，所生长的热铝与待填孔110之间的填充接触率为95％，在第一温度510℃～530℃时，所生长的热铝与待填孔110之间的填充接触率在65％至95％之间，且在此范围中随着温度的升高待填孔110之间的填充接触率逐渐增大。
S23：参照图6和图7，在所述待填孔110的侧面和底面生长扩散阻挡层200。S23具体包括以下步骤：
S231：在所述待填孔110的侧面和底面生长厚度为100埃～600埃的钛层210；
S232：在覆盖有所述钛层的待填孔110中生长厚度为100埃～600埃的氮化钛层220。
所述扩散阻挡层200用于在待填孔110与基底100之间形成隔离屏障，放置后续在待填孔110中填充的热铝过度生长，确保铝完全填充在待填孔110中。
S24：在所述扩散阻挡层200上生长浸润层300。
填充孔中生长出的浸润层300能够在后续生长热铝时，保证铝在待填孔110中的流动的均匀性，防止因为热铝的不均匀流动，导致铝和待填孔110之间出现不同程度的间隙。优选的，在Ti膜作为浸润层300时，且采用Ti膜的厚度为400埃～500埃，图2为以Ti膜作为浸润层300时，浸润层300的厚度与热铝的填充接触率的关系，可以理解的是，热铝的填充接触率越高，铝与待填孔110之间出现空隙和空洞的问题越小。从图2可以看出，当Ti膜厚度为400埃时，热铝的填充接触率为98％，当Ti膜厚度为400埃～500埃时，热铝的填充接触率为65％～98％，且随着温度的降低待填孔110之间的填充接触率逐渐增大。
S25：参照图8，在所述浸润层300上生长冷铝种籽层400；优选的，在所述浸润层300上生长厚度为3000埃～4000埃冷铝种籽层400。
冷铝可以提高后续步骤中高温热铝的界面流动，热铝需要依据孔的结构进行评估，并且冷铝种籽层400能够增大后续填充的热铝的附着力，从而进一步减小热铝与待填孔110之间出现空隙和空洞的问题。
图3为冷铝种籽层400的厚度与热铝的填充接触率之间的关系，可以理解的是，热铝的填充接触率越高，铝与待填孔110之间出现空隙和空洞的问题越小。从图3可以看出，当冷铝种籽层400的厚度为3000埃时，热铝的填充接触率为95％，当生长的冷铝种籽层400厚度为3000埃～4000埃时，热铝的填充接触率为60％～95％，且在冷铝种籽层400的厚度在此范围内越小，热铝的填充接触率越高。
S26：参照图9，在第二温度环境下，通过热铝淀积功率为2KW～3KW的物理气相沉淀法，在覆盖有所述扩散阻挡层200、浸润层300和冷铝种籽层400的待填孔110中生长热铝层500。
热铝淀积功率可以影响成膜速率和填孔效果，图4为热铝淀积功率与热铝的填充接触率之间的关系，可以理解的是，热铝的填充接触率越高，铝与待填孔110之间出现空隙和空洞的问题越小。从图4可以看出，在热铝淀积功率为2KW时，热铝的填充接触率为90％，在热铝淀积功率为2KW～3KW时，热铝的填充接触率为65％～90％，且在此范围中随着热铝淀积功率的减小，热铝的填充接触率提高。
从图11可以看出，本发明提供的热铝填孔的制备方法，能够优化铝填孔的均匀性，很大程度上降低了铝填孔的空隙和间隙问题。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种优化热铝填孔能力的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供刻蚀有待填孔的基底；
在第一温度下，进行至少一次脱气工艺，去除待填孔中的水气和有机残留物；
在所述待填孔的侧面和底面生长扩散阻挡层；
在所述扩散阻挡层上生长浸润层；
在所述浸润层上生长冷铝种籽层；
在第二温度下，通过物理气相沉淀法，在覆盖有所述扩散阻挡层、浸润层和冷铝种籽层的待填孔中生长热铝层。
2.如权利要求1所述的优化热铝填孔能力的制备方法，其特征在于，所述第一温度的范围包括：350℃～550℃。
3.如权利要求1所述的优化热铝填孔能力的制备方法，其特征在于，所述第二温度的范围包括：400℃～500℃。
4.如权利要求1所述的优化热铝填孔能力的制备方法，其特征在于，所述在所述待填孔的侧面和底面生长扩散阻挡层，包括：
在所述待填孔的侧面和底面生长厚度为100埃～600埃的钛层；
在覆盖有所述钛层的待填孔中生长厚度为100埃～600埃的氮化钛层。
5.如权利要求1所述的优化热铝填孔能力的制备方法，其特征在于，所述在所述扩散阻挡层上生长浸润层，包括：
在所述扩散阻挡层上，生长厚度为100埃～600埃的Ti膜作为所述浸润层。
6.如权利要求1所述的优化热铝填孔能力的制备方法，其特征在于，所述在所述浸润层上生长冷铝种籽层，包括：
在所述浸润层上，生长厚度为1000埃～4000埃的冷铝种籽层。
7.如权利要求1所述的优化热铝填孔能力的制备方法，其特征在于，所述在第二温度下，通过物理气相沉淀法，在覆盖有所述扩散阻挡层、浸润层和冷铝种籽层的待填孔中，生长热铝层，包括：在第二温度范围为400℃～500℃的环境下，通过进行多次物理气相沉淀，在覆盖有所述扩散阻挡层、浸润层和冷铝种籽层的待填孔中，生长热铝层。
8.如权利要求1所述的优化热铝填孔能力的制备方法，其特征在于，所述在第二温度下，通过物理气相沉淀法，在覆盖有所述扩散阻挡层、浸润层和冷铝种籽层的待填孔中，生长热铝，包括：在第二温度的环境下，通过热铝淀积功率为1KW～3KW的物理气相沉淀法，在覆盖有所述扩散阻挡层、浸润层和冷铝种籽层的待填孔中，生长热铝层。
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