專利名稱：化學氣相法淀積氮化鈦和銅金屬層大馬士革工藝的制作方法
技術領域：
本發明屬于半導體集成電路制造工藝技術領域，具體涉及到利用化學汽相淀積(CVD)TiSiN阻擋層和Cu金屬薄膜，并在N2和H2氣氛中，對CVD淀積Cu金屬薄膜進行退火處理，結合Cu化學機械拋光(CMP)工藝，實現Cu大馬士革互聯結構。
現階段集成電路互聯主要是采用Al金屬布線，金屬布線在傳輸電信號的過程中，本身有串聯電阻和寄生電容存在。隨著器件設計規則的不斷縮小，線寬W不斷變小，同時，集成度的增加造成互聯線長度進一步加長，從而導致互聯線電阻的急劇上升。另一方面，金屬布線的寬度不斷縮小，使得互聯線之間的電容日益增大。從而導致RC互聯延遲的進一步加大。因此，減少RC互連延遲成為人們關注的焦點。
一方面，人們嘗試采用低介電材料來取代傳統的絕緣材料，以減小互連金屬間和線間電容。另一方面，積極尋找具有更小的電阻率和更高的抗電遷移能力的金屬，來代替已經使用了幾十年的Al金屬。由于Cu金屬具有比Al更小的電阻率、更高的熔點、更低的熱膨脹系數。因而，Cu的導電性能和抗電遷移性能都大大優越于Al金屬。自從1998年IBM率先在半導體生產線中引入Cu大馬士革加工技術，用Cu來代替Al多層金屬布線，從而大大減小互連電阻對集成電路的性能影響，使可靠性水平顯著提高，使Cu成為未來深亞微米器件的很有潛力的新型互聯金屬材料。
相對于傳統的Al工藝而言，Cu互聯技術是一種全新的工藝，加工設備和材料有很大變化。Cu大馬士革技術的不斷優化，特別是刻蝕中止層(Etch-Stop)、低介電常數介質淀積、通孔和連線槽光刻和刻蝕、Cu阻擋層淀積、Cu籽品和電鍍、Cu化學機械拋光以及后清洗工藝的不斷進步，使得Cu工藝能適應超大規模集成電路對極小的特征尺寸和很大的高寬比圖形的加工要求。
但是，Cu是一種重屬，在高溫和加電場的情況下，可以在半導體硅片和二氧化硅介質中快速擴散，引起器件可靠性方面的問題。所以，在Cu和絕緣介質之間，必須加上防止Cu擴散的阻擋層材料，阻擋層的目的主要有兩個，第一是阻Cu金屬向介質中的擴散，第二是提高Cu和介質的粘附性。此外，還要能承受后道加工高溫的考驗，(通常Cu大馬士革加工流程溫度在300℃到420℃)，以及和常用低介電材料良好的兼容性，不改變低介電材料的化學性能，并能滿足化學機械拋光工藝(CMP)。
通常，對Cu阻擋層的要求包括以下幾方面1.阻擋層淀積要有良好的臺階覆蓋性，特別是對于高寬比(A/R)大于6的雙層大馬士革結構，側壁和底部的臺階覆蓋是比較困難；2.阻擋層材料本身的體電阻阻擋層材料必須很低，以減小接觸電阻和Cu布線串聯電阻；3.與絕緣介質層粘附性好，不易分離和脫落；是Cu的良好阻擋層，以防止Cu向絕緣介質中擴散，造成互聯線之間漏電；4.能經受Cu后道加工工藝高溫的考驗，通常Cu大馬士革加工流程溫度在300℃到420℃；5.和低介電材料兼容性好，不影響低介電材料的化學性能；6.物理特性滿足后續的化學機械拋光工藝要求。
Cu阻擋層一般采用物理汽相淀積(PVD)，主要原因有3點1.PVD淀積工藝成熟，并已經在半導體工藝金屬化工藝中得到廣泛應用；2.PVD投資費用較少，加工成本低；3.代替PVD淀積阻擋層的設備和技術還在開發之中。采用PVD淀積阻擋層，使得半導體工藝線能繼續使用現有的設備和工藝技術，減小設備額外的設備投資和新工藝開發所需的時間和費用。特別是PVD設備的多腔室設計結構，使得添加新的加工腔體非常容易實現。
對于深亞微米集成電路工藝而言，要求Cu阻擋層能在很大的高寬比(＞4∶1)的圖形中淀積薄的連續的阻擋層，這就對PVD淀積技術提出了更加苛刻的要求。長程物理淀積的優點是設備簡單，僅僅只是加大了靶到硅片的間距，這樣，濺射原子可以有效地聚集到硅片上。長程物理淀積的局限性表現在薄膜的均勻性差，而且由于陰影效應的影響，導致硅片靠近邊緣區域的圖形中側壁臺階覆蓋厚度不對稱。
在考慮作為Cu阻擋層材料時，需要考慮阻擋材料對Cu的阻擋能力。在這方面，TiN不僅和Cu而且和多孔低介電常數(Low-к)介質的粘附性好，在防止Cu和其他雜質擴散方面，TiN是良好的Cu阻擋擴散材料，而TiN由于富含N，可以防止低介電材料中的F離子擴散。對于未來深亞微米Cu多層金屬互聯工藝，阻擋層正朝著3重結構方向發展，例如TiSiN就是良好防止Cu擴散的阻擋材料，因為在TiN晶格中中引入Si，使Si可以和N鍵精密相連，明顯改善擴散阻擋層的性能，提高了TiSiN作為阻擋層的抗Cu擴散和抗F擴散能力。TiSiN的另一個特點是它與Cu金屬薄膜以及多孔低介電常數(Low-к)介質的粘附性都很好，有利于提高Cu互聯金屬的抗電遷移水平。
由于阻擋層電阻率比Cu大，所以，化學電鍍Cu需要預先用物理淀積方法淀積一層Cu籽晶層，作為電鍍的導電層。而且，化學電鍍Cu的質量還與這一層Cu籽晶的連續性和致密性、特別是臺階覆蓋性密切相關。但是，正如物理淀積阻擋層的情況一樣，物理淀積的局限性，導致淀積的Cu籽晶層在大馬士革結構中的通孔側壁和底部無法覆蓋，電鍍Cu時就會出現Cu空洞。
與常用的物理淀積Cu籽晶和化學電鍍Cu金屬工藝相比較，化學汽相淀積方法淀積Cu金屬層具有獨特的優勢。第一，不需要Cu籽晶層；第二，CVD淀積具有良好的填孔性、保形性。第三，CVD淀積Cu薄膜的抗電遷移能力很強。通常淀積Cu薄膜方法是采用含Cu的有機物，例如(CF3COCHCF3CO)2Cu，用H2或者Ar氣攜帶進入CVD系統中，雖然(CF3COCHCF3CO)2Cu可以直接分解生成Cu，但是淀積速率很低，質量差，而進入H2以后，能顯著提高淀積速率和得到質量更好的Cu薄膜。為了得到均勻性好、電阻率低的Cu薄膜，溫度必須設定在320C-400C。而采用向心配合體含Cu有機物，例如CuI(hfac)L，在200C的溫度下發生反應，生成高質量的純Cu薄膜，其他負產物也容易從表面去除。由于Cu互聯通常是和低介電常數(Low-к)介質相結合使用，所以工作較低的工作溫度是人們選擇CuI(hfac)L淀積Cu金屬的主要原因。
本發明提出的淀積TiN和Cu金屬層的大馬士革工藝，是用化學氣相淀積方法連續淀積TiN阻擋層和Cu金屬薄膜，即在一臺多腔體設備中，依次連續淀積TiN擴散阻擋層、Cu金屬薄膜；然后在H2-N2氣氛中進行熱退火(RTP)處理，從而得到晶粒大小和電阻分布都很均勻的TiSiN阻擋層和Cu金屬薄膜。
本發明提出的工藝適合于以Cu金屬和SiO2介質、Cu金屬和Low-k介質相結合的大馬士革多層互聯工藝中，其特征是利用化學氣相淀積(CVD)方法，連續淀積TiN擴散阻擋層和Cu金屬層。
本發明中，淀積TiN擴散阻擋層可采用He氣體攜帶含Ti的化學物質TDMA，在真空條件下，通過熱分解淀積一層TiN薄膜，進行原位H2-N2射頻等離子處理，反復循環直至達到30nm-50nm的TiN厚度，形成TiN擴散阻擋層。一般地，真空度可為1Torr-2Torr，熱分解溫度為400℃-450℃。
本發明中，淀積Cu金屬層采用含Cu有機物質CuI(hafc)(vtms)在160℃-200℃的溫度下發生分解反應，生成高質量的純Cu薄膜，Cu膜厚為800nm-1200nm。
本發明中，最后采用快速熱退火處理(RTP)，溫度為200℃-250℃，N2和H2氣氛中，H2的流量比例可為8％-10％，對CVD淀積Cu金屬薄膜進行退火處理，時間為20-40秒。
本發明由于采用化學氣相淀積方法連續淀積TiN阻擋層和Cu金屬薄膜工藝方法，因此具有優越的填孔性、保形性、以及與絕緣介質良好粘附性，工藝穩定低，流程簡單，結合Cu的化學機械拋光方法，可以制造出適合深亞微米超大規模集成電路Cu金屬大馬士革互聯布線結構。
2、原位H2-N2射頻等離子處理，減小CVD淀積的TiN薄膜中碳，氧，和氫等雜質的含量，降低電阻率，使TiN晶粒均勻生長，并使TiN薄膜增密，提高膜厚均勻性。處理真空度為1.5Torr，時間為35秒。
3、循環使用工藝1和2，淀積35nm的TiN阻擋層材料。
4、化學汽相淀積Cu金屬薄膜利用含Cu的有機物CuI(hafc)(vtms)在溫度為180℃、真空度為1-3Torr條件下熱分解，生成純Cu薄膜，其化學反應式為，淀積速率為200nm/min，Cu淀積厚度為1000nm。
5、在H2-N2氣氛中，用快速熱退火(RTP)對Cu進行熱處理，以保證Cu膜的晶粒和電阻一致性，退火溫度250C，時間25秒。
權利要求
1.一種化學氣相法淀積氮化鈦和銅金屬層大馬士革工藝，其特征在于利用化學氣相淀積方法，依次連續淀積TiN擴散阻擋層和Cu金屬層；然后在H2-N2氣氛中進行熱退火處理。
2.根據權利要求1所述的工藝，其特征在于所述淀積TiN擴散阻擋層是采用He氣體攜帶含Ti的化學物質TDMA，在真空條件下，通過熱分解淀積一層TiN薄膜，并進行原位H2-N2射頻等離子處理，反復循環直至達到30nm-50nm的TiN厚度，形成TiN擴散阻擋層。
3.根據權利要求2所述的工藝，其特征在于真空度為1Torr-2Torr，熱分解溫度為400℃-450℃。
4.根據權利要求1所述的工藝，其特征在于淀積Cu金屬層采用含Cu有機物質CuI(hafc)(vtms)，在160℃-200℃的溫度下發生分解反應，生成Cu薄膜，Cu膜厚為800nm-1200nm。
5.根據權利要求1所述的工藝，其特征在于熱退火溫度為200℃-250℃，時間為20-40秒，N2和H2氣氛中，H2占比例為8％-10％。
全文摘要
本發明是一種化學氣相淀積氮化鈦和銅金屬層的大馬士革工藝，即在一臺多腔體真空設備中，依次連續淀積TiN擴散阻擋層、Cu金屬薄膜，并在H
文檔編號H01L21/285GK1426092SQ03114708
公開日2003年6月25日 申請日期2003年1月2日 優先權日2003年1月2日
發明者徐小誠, 繆炳有 申請人:上海華虹(集團)有限公司