基于A1材料的掺铜金属布线工艺制造技术

本发明专利技术是一种基于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。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于大规模集成电路制造工艺
，具体涉及一种Al金属布线工艺。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。本专利技术提出的基于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。本专利技术首先淀积一层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。本专利技术在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。图标说明1---Ta；2---TaN；3---Ta；4---Al(1％Cu)；5---TaN； 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，其剖面示意图如附图说明图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。本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐小诚，缪炳有，
申请(专利权)人：上海华虹集团有限公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]