CN1414623A - 基于a1材料的掺铜金属布线工艺 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于Al金属布线的工艺，其主要特点是：利用物理淀积的方法，在同一台设备中连续淀积Ta、TaN、Ta、Al、TaN等多层薄膜，其中，Al金属中加入Cu和Si原子，以提高Al金属布线的抗电迁移能力。在Al层下面为复合阻挡层，可防止Al和Cu向硅片和介质中的扩散，Al金属层的淀积采用低温和高温两步法淀积。低温淀积的Al籽晶层具有良好的致密性，高温淀积Al层具有较高的、填孔性和回流效果。在Al金属层上面的TaN层，可以作为阻挡层，作为顶部覆盖层和光刻的抗反射层。这种基于Al的布线工艺，可以适用于目前Al金属布线的大规模集成电路生产线。

Description

基于Al材料的掺铜金属布线工艺

技术领域

本发明属于大规模集成电路制造工艺技术领域，具体涉及一种Al金属布线工艺。

背景技术

在集成电路工艺中，金属互联线由于提供电源和传输电讯号.最常用的导电金属材料为金属Al和Cu.Al是一种良好的导电金属，电阻率为2.66微欧姆.厘米，熔点为660℃，Al金属容易和掺杂的硅或者多晶硅形成良好的欧姆接触，Al抗外界腐蚀能力较强，采用超声方法可以和金丝健合在一起，形成具有完整功能的集成电路成品。Al金属淀积有物理淀积和化学汽相淀积。其中最常用的是物理淀积。在早期Al淀积一般是蒸发方法，随着半导体集成电路金属膜厚变薄、特征尺寸宽不断缩小，目前绝大多数Al淀积已经转为溅射方法制造。Al的CVD淀积还不是很成功，还在继续开发之中。

溅射Al金属膜的性质与淀积温度密切相关。在低温条件下，Al原子的迁移率较低。而较高温度下，即温度T＝0.5-0.7Tm时，(Tm为金属的熔点温度，对Al来讲，Tm＝660℃)，Al在淀积时会产生表面扩散。当温度继续增加到T＞0.7Tm时，Al在淀积时会产生体积扩散效应。在硅片温度＞550℃时，Al金属会形成原位回流效果，正是由于Al的回流特性，可以用来填充接触孔或者通孔，形成接触孔或者填孔的Al互联柱(Al-plug)，同时，回流还可以消除Al金属中的空洞。为了达到回流效果，特别是让Al填充高宽比＞1的接触孔和通孔，硅片必须加热到550℃，并持续3分钟左右的时间。由于长时间的高温过程，Al必须处于低压无氧环境中，以确保Al在回流过程中不被氧化。

Al作为金属布线材料，有很大的局限性，其中，抗电迁移能力差是导致电路可靠性的主要原因。所谓电迁移，是指Al离子在”电子云”的作用下，沿导电方向移动，留下空位，随着空位的不断增大，最后会变成Al连线中的空洞。这种空洞最终会导致Al连线的开路失效，即电迁移失效。一般来说，电迁移的失效率随着Al导线的电路密度和工作温度的升高而急剧增加。

早期中小规模集成电路的金属化工艺，通常Al金属是采用蒸发、电子束蒸发淀积。到了大规模集成电路，则采用溅射方法淀积Al。因为溅射具有较高淀积速率，可以溅射多利复合材料甚至高温难熔金属，加之，在溅射之前可以对表面进行溅射处理，去除表面的自然氧化层，减小Al金属的接触电阻。

随着结深的不断缩小和图形尺寸的不断减小，促使人们考虑怎样进一步提高解决Al金属与浅结工艺的兼容性、Al金属材料的填孔性。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提出一中新的基于Al材料的布线工艺，以使Al金属具有良好的填孔性和表面平坦性。

本发明提出的基于Al材料的布线工艺，是利用物理淀积的方法，在同一台设备中依次连续淀积Ta、TaN、Ta、Al、TaN多层薄膜；并在Al金属中加入Cu和Si原子，以改善Al金属薄膜的导电性能和抗高温性能，提高Al作为集成电路布线的抗电迁移能力。具体步骤如下：

1.先淀积一层Ta阻挡层；

2.在Ta层上面淀积一层TaN阻挡层；

3.接着淀积一层Ta阻挡层；

4.再淀积Al层，Al淀积是用含Cu和Si的金属靶，并采用低温和高温两步法淀积，即包括先淀积第一层低温Al籽晶层，再淀积第二层高温Al层；

5.在Al层上面淀积一层TaN阻挡层；

6.Al金属回流。

上述工艺中物理淀积Ta的温度可控制为400-440℃，膜厚度为10nm-30nm。物理淀积第一层TaN的温度可控制为400-440℃，膜厚度为30nm-50nmnm。低温物理淀积第一层金属Al籽晶层，Al中含Cu、Si原子各0.5-1.5％(以Al为基数)，较好的含量为1-1.4％。淀积温度控制为40-55℃，淀积厚度为100nm-300nm；高温物理淀积第二层金属Al，这里Al中含Cu、Si原子各0.5-1.5％(以Al为基数)，较好的含量为1-1.4％，薄膜的淀积温度为450℃-500℃，淀积厚度为300nm-500nm。在Al上物理淀积TaN的温度为400-440，TaN膜厚度为30nm-50nm。

本发明首先淀积一层Ta阻挡层。Ta是一种防止Cu扩散的阻挡层材料，Ta具有较低的电阻率，作为第一层金属时，Ta直接与MOS器件的有源区和多晶硅栅接触，形成难熔金属硅化物TaSi，减小器件的接触电阻。在Ta层上面淀积一层TaN阻挡层。这层TaN的主要作用是作为Cu和Al的扩散阻挡层，防止Cu和Al进入硅片和绝缘介质层中。TaN是一种比Ta或TiN更好的阻挡材料，特别是对Cu和F离子的扩散有良好的阻挡作用。接着淀积一层Ta阻挡层。这层Ta具有较低的电阻率，作为Al低温籽晶淀积的衬底，有利于Al形成连续的导电层。Al淀积是用含Cu和Si的金属靶，采用低温和高温两步法淀积而成。低温淀积Al籽晶层具有良好的致密性，而高温Al具有较高的淀积速度、填孔性和回流效果。具体工艺包括先淀积一层薄的低温Al籽晶层，然后淀积高温Al。在Al层上面淀积一层TaN阻挡层。这层TaN作用是作为Cu和Al的扩散阻挡层，防止Cu和Al进入绝缘介质层中，而且在Al薄膜上淀积一层TaN，可以提高Al金属布线的电迁移能力，TaN还可以拟制Al金属在高温回流时产生小丘。还可作为后步光刻工艺的抗反射层，提高光刻Al的图形完整性和条宽控制水平。最后进行Al金属回流，温度为500-600℃，时间2-5分钟，真空度为1-3Torr。

本方法选择Ta作为阻挡层。底部的Ta有利于减小接触孔电阻，并起得增强与介质粘附性的作用。在Ta层的上面淀积TaN扩散阻挡层，接着是Ta层。这一层Ta利于形成连续的、晶粒大小均匀的Al金属薄膜，还为Al布线提供了附加的导电通路，即使在Al金属接触孔或者连线中出现了空洞，也不会造成电迁移失效，从而提高Al金属的抗电迁移能力。在Al的顶部的TaN一方面作为阻挡层材料，改进Al金属的抗电迁移能力之外，还是良好Al金属顶部光刻抗反射层，有利于光刻金属间互联通孔和金属连线的细线条曝光和刻蚀。

本发明在Al基本工艺的基础上，在Al金属中添加1％的Cu和和1％的Si，以提高Al金属布线的抗电迁移性能。Al淀积采用低温和高温两步法淀积，辅助以真空下的高温退火，以提高Al金属的填孔性能和表面平坦性。Al金属和底部Ta/TaN/Ta阻挡层和顶部TaN阻挡层相结合，显著提高Al的抗电迁移能力和Al金属膜的高温稳定性，提高了集成电路的可靠性。

附图说明

图1表示基于Al材料的金属互联工艺技术剖面图。

图标说明：1---Ta；2---TaN；3---Ta；4---Al(1％Cu)；5---TaN；

具体实施方式

下面通过实施例进一步具体描述本发明，实施例：

1、本方案可在一台多腔室物理汽相淀积(PVD)设备(例如美国应用材料公司生产的ENDURA 5500 PVD设备)上完成多层薄膜淀积。

2、首先进行除气(温度为400℃-500℃，时间120秒-180秒)；

3、随后采用Ar等离子体对表面进行预处理，时间10-20秒，去除层间绝缘介质表面的残余物资；

4、紧接着淀积一层金属Ta，厚度为20nm，温度为420℃；

5、然后再淀积TaN，厚度40nm，淀积温度为420℃；

6、在TaN上面淀积一层Ta，厚度为20nm，温度为420℃。

7、淀积含1％Cu和1％Si的Al金属膜，分为2步：

第一步：低温(50℃)条件下，淀积100nm-300nm的Al(含1％Cu，1％Si)籽晶层；

第二步：在高温(450℃-500℃)下，淀积厚度为300nm-500nm的Al(含1％Cu，1％Si)薄膜；

8、在Al膜的上面再淀积一层TaN，厚度为40nmnm；

9、Al金属回流，温度为550C，时间3分钟。至此，基于Al材料的掺铜金属互联工艺的基本步骤已经完成，其剖面示意图如图1所示。

10、多层金属淀积完成后，可以送入光刻工序，进行涂胶、曝光、显影、反应离子刻蚀刻蚀和去胶工序，制备出用于集成电路多层互联的金属微细线条。

Claims (6)

1、一种基于Al金属的布线工艺，其特征在于利用物理淀积的方法，在同一台设备中依次连续淀积Ta、TaN、Ta、Al、TaN多层薄膜，具体步骤为：

(1)首先淀积一层Ta阻挡层；

(2)在Ta层上面淀积一层TaN阻挡层；

(3)接着淀积一层Ta阻挡层；

(4)再淀积Al层，Al淀积是用含Cu和Si的金属靶，采用低温和高温两步法淀积；

(5)在Al层上面淀积一层TaN阻挡层；

(6)Al金属回流。

2、根据权利要求1所述的Al金属布线工艺，其特征在于物理淀积Ta的温度为400-440℃，膜厚度为10nm-30nm。

3、根据权利要求1所述的Al金属布线工艺，其特征在于物理淀积第一层TaN的温度为400-440℃，TaN膜厚度为厚度为30nm-50nmnm。

4、根据权利要求1所述的Al金属布线工艺，其特征在于低温物理淀积第一层金属Al籽晶层，Al中含Cu、Si原子各0.5-1.5％，淀积温度为40-55℃，淀积厚度为100nm-300nm。

5、根据权利要求1所述的Al金属布线工艺，其特征在于高温物理淀积第二层金属Al，Al中含Cu、Si原子各0.5-1.5％，淀积温度为450℃-500℃，淀积厚度为300nm-500nm。

6、根据权利要求1所述的Al金属布线工艺技术，其特征在于：在Al上物理淀积TaN的温度为400-440，TaN膜厚度为30nm-50nm。