專利名稱：基于a1材料的摻銅金屬布線工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于大規(guī)模集成電路制造工藝技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種Al金屬布線工藝。
濺射Al金屬膜的性質(zhì)與淀積溫度密切相關(guān)。在低溫條件下，Al原子的遷移率較低。而較高溫度下，即溫度T＝0.5-0.7Tm時(shí)，(Tm為金屬的熔點(diǎn)溫度，對(duì)Al來(lái)講，Tm＝660℃)，Al在淀積時(shí)會(huì)產(chǎn)生表面擴(kuò)散。當(dāng)溫度繼續(xù)增加到T＞0.7Tm時(shí)，Al在淀積時(shí)會(huì)產(chǎn)生體積擴(kuò)散效應(yīng)。在硅片溫度＞550℃時(shí)，Al金屬會(huì)形成原位回流效果，正是由于Al的回流特性，可以用來(lái)填充接觸孔或者通孔，形成接觸孔或者填孔的Al互聯(lián)柱(Al-plug)，同時(shí)，回流還可以消除Al金屬中的空洞。為了達(dá)到回流效果，特別是讓Al填充高寬比＞1的接觸孔和通孔，硅片必須加熱到550℃，并持續(xù)3分鐘左右的時(shí)間。由于長(zhǎng)時(shí)間的高溫過(guò)程，Al必須處于低壓無(wú)氧環(huán)境中，以確保Al在回流過(guò)程中不被氧化。
Al作為金屬布線材料，有很大的局限性，其中，抗電遷移能力差是導(dǎo)致電路可靠性的主要原因。所謂電遷移，是指Al離子在”電子云”的作用下，沿導(dǎo)電方向移動(dòng)，留下空位，隨著空位的不斷增大，最后會(huì)變成Al連線中的空洞。這種空洞最終會(huì)導(dǎo)致Al連線的開路失效，即電遷移失效。一般來(lái)說(shuō)，電遷移的失效率隨著Al導(dǎo)線的電路密度和工作溫度的升高而急劇增加。
早期中小規(guī)模集成電路的金屬化工藝，通常Al金屬是采用蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)淀積。到了大規(guī)模集成電路，則采用濺射方法淀積Al。因?yàn)闉R射具有較高淀積速率，可以濺射多利復(fù)合材料甚至高溫難熔金屬，加之，在濺射之前可以對(duì)表面進(jìn)行濺射處理，去除表面的自然氧化層，減小Al金屬的接觸電阻。
隨著結(jié)深的不斷縮小和圖形尺寸的不斷減小，促使人們考慮怎樣進(jìn)一步提高解決Al金屬與淺結(jié)工藝的兼容性、Al金屬材料的填孔性。
本發(fā)明提出的基于Al材料的布線工藝，是利用物理淀積的方法，在同一臺(tái)設(shè)備中依次連續(xù)淀積Ta、TaN、Ta、Al、TaN多層薄膜；并在Al金屬中加入Cu和Si原子，以改善Al金屬薄膜的導(dǎo)電性能和抗高溫性能，提高Al作為集成電路布線的抗電遷移能力。具體步驟如下1.先淀積一層Ta阻擋層；2.在Ta層上面淀積一層TaN阻擋層；3.接著淀積一層Ta阻擋層；4.再淀積Al層，Al淀積是用含Cu和Si的金屬靶，并采用低溫和高溫兩步法淀積，即包括先淀積第一層低溫Al籽晶層，再淀積第二層高溫Al層；5.在Al層上面淀積一層TaN阻擋層；6.Al金屬回流。
上述工藝中物理淀積Ta的溫度可控制為400-440℃，膜厚度為10nm-30nm。物理淀積第一層TaN的溫度可控制為400-440℃，膜厚度為30nm-50nmnm。低溫物理淀積第一層金屬Al籽晶層，Al中含Cu、Si原子各0.5-1.5％(以Al為基數(shù))，較好的含量為1-1.4％。淀積溫度控制為40-55℃，淀積厚度為100nm-300nm；高溫物理淀積第二層金屬Al，這里Al中含Cu、Si原子各0.5-1.5％(以Al為基數(shù))，較好的含量為1-1.4％，薄膜的淀積溫度為450℃-500℃，淀積厚度為300nm-500nm。在Al上物理淀積TaN的溫度為400-440，TaN膜厚度為30nm-50nm。
本發(fā)明首先淀積一層Ta阻擋層。Ta是一種防止Cu擴(kuò)散的阻擋層材料，Ta具有較低的電阻率，作為第一層金屬時(shí)，Ta直接與MOS器件的有源區(qū)和多晶硅柵接觸，形成難熔金屬硅化物TaSi，減小器件的接觸電阻。在Ta層上面淀積一層TaN阻擋層。這層TaN的主要作用是作為Cu和Al的擴(kuò)散阻擋層，防止Cu和Al進(jìn)入硅片和絕緣介質(zhì)層中。TaN是一種比Ta或TiN更好的阻擋材料，特別是對(duì)Cu和F離子的擴(kuò)散有良好的阻擋作用。接著淀積一層Ta阻擋層。這層Ta具有較低的電阻率，作為Al低溫籽晶淀積的襯底，有利于Al形成連續(xù)的導(dǎo)電層。Al淀積是用含Cu和Si的金屬靶，采用低溫和高溫兩步法淀積而成。低溫淀積Al籽晶層具有良好的致密性，而高溫Al具有較高的淀積速度、填孔性和回流效果。具體工藝包括先淀積一層薄的低溫Al籽晶層，然后淀積高溫Al。在Al層上面淀積一層TaN阻擋層。這層TaN作用是作為Cu和Al的擴(kuò)散阻擋層，防止Cu和Al進(jìn)入絕緣介質(zhì)層中，而且在Al薄膜上淀積一層TaN，可以提高Al金屬布線的電遷移能力，TaN還可以擬制Al金屬在高溫回流時(shí)產(chǎn)生小丘。還可作為后步光刻工藝的抗反射層，提高光刻Al的圖形完整性和條寬控制水平。最后進(jìn)行Al金屬回流，溫度為500-600℃，時(shí)間2-5分鐘，真空度為1-3Torr。
本方法選擇Ta作為阻擋層。底部的Ta有利于減小接觸孔電阻，并起得增強(qiáng)與介質(zhì)粘附性的作用。在Ta層的上面淀積TaN擴(kuò)散阻擋層，接著是Ta層。這一層Ta利于形成連續(xù)的、晶粒大小均勻的Al金屬薄膜，還為Al布線提供了附加的導(dǎo)電通路，即使在Al金屬接觸孔或者連線中出現(xiàn)了空洞，也不會(huì)造成電遷移失效，從而提高Al金屬的抗電遷移能力。在Al的頂部的TaN一方面作為阻擋層材料，改進(jìn)Al金屬的抗電遷移能力之外，還是良好Al金屬頂部光刻抗反射層，有利于光刻金屬間互聯(lián)通孔和金屬連線的細(xì)線條曝光和刻蝕。
本發(fā)明在Al基本工藝的基礎(chǔ)上，在Al金屬中添加1％的Cu和和1％的Si，以提高Al金屬布線的抗電遷移性能。Al淀積采用低溫和高溫兩步法淀積，輔助以真空下的高溫退火，以提高Al金屬的填孔性能和表面平坦性。Al金屬和底部Ta/TaN/Ta阻擋層和頂部TaN阻擋層相結(jié)合，顯著提高Al的抗電遷移能力和Al金屬膜的高溫穩(wěn)定性，提高了集成電路的可靠性。
圖標(biāo)說(shuō)明1---Ta；2---TaN；3---Ta；4---Al(1％Cu)；5---TaN；
2、首先進(jìn)行除氣(溫度為400℃-500℃，時(shí)間120秒-180秒)；3、隨后采用Ar等離子體對(duì)表面進(jìn)行預(yù)處理，時(shí)間10-20秒，去除層間絕緣介質(zhì)表面的殘余物資；4、緊接著淀積一層金屬Ta，厚度為20nm，溫度為420℃；5、然后再淀積TaN，厚度40nm，淀積溫度為420℃；6、在TaN上面淀積一層Ta，厚度為20nm，溫度為420℃。
7、淀積含1％Cu和1％Si的Al金屬膜，分為2步第一步低溫(50℃)條件下，淀積100nm-300nm的Al(含1％Cu，1％Si)籽晶層；第二步在高溫(450℃-500℃)下，淀積厚度為300nm-500nm的Al(含1％Cu，1％Si)薄膜；8、在Al膜的上面再淀積一層TaN，厚度為40nmnm；9、Al金屬回流，溫度為550C，時(shí)間3分鐘。至此，基于Al材料的摻銅金屬互聯(lián)工藝的基本步驟已經(jīng)完成，其剖面示意圖如

圖1所示。
10、多層金屬淀積完成后，可以送入光刻工序，進(jìn)行涂膠、曝光、顯影、反應(yīng)離子刻蝕刻蝕和去膠工序，制備出用于集成電路多層互聯(lián)的金屬微細(xì)線條。
權(quán)利要求
1.一種基于Al金屬的布線工藝，其特征在于利用物理淀積的方法，在同一臺(tái)設(shè)備中依次連續(xù)淀積Ta、TaN、Ta、Al、TaN多層薄膜，具體步驟為(1)首先淀積一層Ta阻擋層；(2)在Ta層上面淀積一層TaN阻擋層；(3)接著淀積一層Ta阻擋層；(4)再淀積Al層，Al淀積是用含Cu和Si的金屬靶，采用低溫和高溫兩步法淀積；(5)在Al層上面淀積一層TaN阻擋層；(6)Al金屬回流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Al金屬布線工藝，其特征在于物理淀積Ta的溫度為400-440℃，膜厚度為10nm-30nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Al金屬布線工藝，其特征在于物理淀積第一層TaN的溫度為400-440℃，TaN膜厚度為厚度為30nm-50nmnm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Al金屬布線工藝，其特征在于低溫物理淀積第一層金屬Al籽晶層，Al中含Cu、Si原子各0.5-1.5％，淀積溫度為40-55℃，淀積厚度為100nm-300nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Al金屬布線工藝，其特征在于高溫物理淀積第二層金屬Al，Al中含Cu、Si原子各0.5-1.5％，淀積溫度為450℃-500℃，淀積厚度為300nm-500nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Al金屬布線工藝技術(shù)，其特征在于在Al上物理淀積TaN的溫度為400-440，TaN膜厚度為30nm-50nm。
全文摘要
本發(fā)明是一種基于Al金屬布線的工藝，其主要特點(diǎn)是利用物理淀積的方法，在同一臺(tái)設(shè)備中連續(xù)淀積Ta、TaN、Ta、Al、TaN等多層薄膜，其中，Al金屬中加入Cu和Si原子，以提高Al金屬布線的抗電遷移能力。在Al層下面為復(fù)合阻擋層，可防止Al和Cu向硅片和介質(zhì)中的擴(kuò)散，Al金屬層的淀積采用低溫和高溫兩步法淀積。低溫淀積的Al籽晶層具有良好的致密性，高溫淀積Al層具有較高的、填孔性和回流效果。在Al金屬層上面的TaN層，可以作為阻擋層，作為頂部覆蓋層和光刻的抗反射層。這種基于Al的布線工藝，可以適用于目前Al金屬布線的大規(guī)模集成電路生產(chǎn)線。
文檔編號(hào)H01L21/70GK1414623SQ0213719
公開日2003年4月30日 申請(qǐng)日期2002年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月27日
發(fā)明者徐小誠(chéng), 繆炳有 申請(qǐng)人:上海華虹(集團(tuán))有限公司