专利名称：化学气相法淀积氮化钛和铜金属层大马士革工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于半导体集成电路制造工艺技术领域，具体涉及到利用化学汽相淀积(CVD)TiSiN阻挡层和Cu金属薄膜，并在N2和H2气氛中，对CVD淀积Cu金属薄膜进行退火处理，结合Cu化学机械抛光(CMP)工艺，实现Cu大马士革互联结构。
现阶段集成电路互联主要是采用Al金属布线，金属布线在传输电信号的过程中，本身有串联电阻和寄生电容存在。随着器件设计规则的不断缩小，线宽W不断变小，同时，集成度的增加造成互联线长度进一步加长，从而导致互联线电阻的急剧上升。另一方面，金属布线的宽度不断缩小，使得互联线之间的电容日益增大。从而导致RC互联延迟的进一步加大。因此，减少RC互连延迟成为人们关注的焦点。
一方面，人们尝试采用低介电材料来取代传统的绝缘材料，以减小互连金属间和线间电容。另一方面，积极寻找具有更小的电阻率和更高的抗电迁移能力的金属，来代替已经使用了几十年的Al金属。由于Cu金属具有比Al更小的电阻率、更高的熔点、更低的热膨胀系数。因而，Cu的导电性能和抗电迁移性能都大大优越于Al金属。自从1998年IBM率先在半导体生产线中引入Cu大马士革加工技术，用Cu来代替Al多层金属布线，从而大大减小互连电阻对集成电路的性能影响，使可靠性水平显著提高，使Cu成为未来深亚微米器件的很有潜力的新型互联金属材料。
相对于传统的Al工艺而言，Cu互联技术是一种全新的工艺，加工设备和材料有很大变化。Cu大马士革技术的不断优化，特别是刻蚀中止层(Etch-Stop)、低介电常数介质淀积、通孔和连线槽光刻和刻蚀、Cu阻挡层淀积、Cu籽品和电镀、Cu化学机械抛光以及后清洗工艺的不断进步，使得Cu工艺能适应超大规模集成电路对极小的特征尺寸和很大的高宽比图形的加工要求。
但是，Cu是一种重属，在高温和加电场的情况下，可以在半导体硅片和二氧化硅介质中快速扩散，引起器件可靠性方面的问题。所以，在Cu和绝缘介质之间，必须加上防止Cu扩散的阻挡层材料，阻挡层的目的主要有两个，第一是阻Cu金属向介质中的扩散，第二是提高Cu和介质的粘附性。此外，还要能承受后道加工高温的考验，(通常Cu大马士革加工流程温度在300℃到420℃)，以及和常用低介电材料良好的兼容性，不改变低介电材料的化学性能，并能满足化学机械抛光工艺(CMP)。
通常，对Cu阻挡层的要求包括以下几方面1.阻挡层淀积要有良好的台阶覆盖性，特别是对于高宽比(A/R)大于6的双层大马士革结构，侧壁和底部的台阶覆盖是比较困难；2.阻挡层材料本身的体电阻阻挡层材料必须很低，以减小接触电阻和Cu布线串联电阻；3.与绝缘介质层粘附性好，不易分离和脱落；是Cu的良好阻挡层，以防止Cu向绝缘介质中扩散，造成互联线之间漏电；4.能经受Cu后道加工工艺高温的考验，通常Cu大马士革加工流程温度在300℃到420℃；5.和低介电材料兼容性好，不影响低介电材料的化学性能；6.物理特性满足后续的化学机械抛光工艺要求。
Cu阻挡层一般采用物理汽相淀积(PVD)，主要原因有3点1.PVD淀积工艺成熟，并已经在半导体工艺金属化工艺中得到广泛应用；2.PVD投资费用较少，加工成本低；3.代替PVD淀积阻挡层的设备和技术还在开发之中。采用PVD淀积阻挡层，使得半导体工艺线能继续使用现有的设备和工艺技术，减小设备额外的设备投资和新工艺开发所需的时间和费用。特别是PVD设备的多腔室设计结构，使得添加新的加工腔体非常容易实现。
对于深亚微米集成电路工艺而言，要求Cu阻挡层能在很大的高宽比(＞4∶1)的图形中淀积薄的连续的阻挡层，这就对PVD淀积技术提出了更加苛刻的要求。长程物理淀积的优点是设备简单，仅仅只是加大了靶到硅片的间距，这样，溅射原子可以有效地聚集到硅片上。长程物理淀积的局限性表现在薄膜的均匀性差，而且由于阴影效应的影响，导致硅片靠近边缘区域的图形中侧壁台阶覆盖厚度不对称。
在考虑作为Cu阻挡层材料时，需要考虑阻挡材料对Cu的阻挡能力。在这方面，TiN不仅和Cu而且和多孔低介电常数(Low-к)介质的粘附性好，在防止Cu和其他杂质扩散方面，TiN是良好的Cu阻挡扩散材料，而TiN由于富含N，可以防止低介电材料中的F离子扩散。对于未来深亚微米Cu多层金属互联工艺，阻挡层正朝着3重结构方向发展，例如TiSiN就是良好防止Cu扩散的阻挡材料，因为在TiN晶格中中引入Si，使Si可以和N键精密相连，明显改善扩散阻挡层的性能，提高了TiSiN作为阻挡层的抗Cu扩散和抗F扩散能力。TiSiN的另一个特点是它与Cu金属薄膜以及多孔低介电常数(Low-к)介质的粘附性都很好，有利于提高Cu互联金属的抗电迁移水平。
由于阻挡层电阻率比Cu大，所以，化学电镀Cu需要预先用物理淀积方法淀积一层Cu籽晶层，作为电镀的导电层。而且，化学电镀Cu的质量还与这一层Cu籽晶的连续性和致密性、特别是台阶覆盖性密切相关。但是，正如物理淀积阻挡层的情况一样，物理淀积的局限性，导致淀积的Cu籽晶层在大马士革结构中的通孔侧壁和底部无法覆盖，电镀Cu时就会出现Cu空洞。
与常用的物理淀积Cu籽晶和化学电镀Cu金属工艺相比较，化学汽相淀积方法淀积Cu金属层具有独特的优势。第一，不需要Cu籽晶层；第二，CVD淀积具有良好的填孔性、保形性。第三，CVD淀积Cu薄膜的抗电迁移能力很强。通常淀积Cu薄膜方法是采用含Cu的有机物，例如(CF3COCHCF3CO)2Cu，用H2或者Ar气携带进入CVD系统中，虽然(CF3COCHCF3CO)2Cu可以直接分解生成Cu，但是淀积速率很低，质量差，而进入H2以后，能显著提高淀积速率和得到质量更好的Cu薄膜。为了得到均匀性好、电阻率低的Cu薄膜，温度必须设定在320C-400C。而采用向心配合体含Cu有机物，例如CuI(hfac)L，在200C的温度下发生反应，生成高质量的纯Cu薄膜，其他负产物也容易从表面去除。由于Cu互联通常是和低介电常数(Low-к)介质相结合使用，所以工作较低的工作温度是人们选择CuI(hfac)L淀积Cu金属的主要原因。
本发明提出的淀积TiN和Cu金属层的大马士革工艺，是用化学气相淀积方法连续淀积TiN阻挡层和Cu金属薄膜，即在一台多腔体设备中，依次连续淀积TiN扩散阻挡层、Cu金属薄膜；然后在H2-N2气氛中进行热退火(RTP)处理，从而得到晶粒大小和电阻分布都很均匀的TiSiN阻挡层和Cu金属薄膜。
本发明提出的工艺适合于以Cu金属和SiO2介质、Cu金属和Low-k介质相结合的大马士革多层互联工艺中，其特征是利用化学气相淀积(CVD)方法，连续淀积TiN扩散阻挡层和Cu金属层。
本发明中，淀积TiN扩散阻挡层可采用He气体携带含Ti的化学物质TDMA，在真空条件下，通过热分解淀积一层TiN薄膜，进行原位H2-N2射频等离子处理，反复循环直至达到30nm-50nm的TiN厚度，形成TiN扩散阻挡层。一般地，真空度可为1Torr-2Torr，热分解温度为400℃-450℃。
本发明中，淀积Cu金属层采用含Cu有机物质CuI(hafc)(vtms)在160℃-200℃的温度下发生分解反应，生成高质量的纯Cu薄膜，Cu膜厚为800nm-1200nm。
本发明中，最后采用快速热退火处理(RTP)，温度为200℃-250℃，N2和H2气氛中，H2的流量比例可为8％-10％，对CVD淀积Cu金属薄膜进行退火处理，时间为20-40秒。
本发明由于采用化学气相淀积方法连续淀积TiN阻挡层和Cu金属薄膜工艺方法，因此具有优越的填孔性、保形性、以及与绝缘介质良好粘附性，工艺稳定低，流程简单，结合Cu的化学机械抛光方法，可以制造出适合深亚微米超大规模集成电路Cu金属大马士革互联布线结构。
2、原位H2-N2射频等离子处理，减小CVD淀积的TiN薄膜中碳，氧，和氢等杂质的含量，降低电阻率，使TiN晶粒均匀生长，并使TiN薄膜增密，提高膜厚均匀性。处理真空度为1.5Torr，时间为35秒。
3、循环使用工艺1和2，淀积35nm的TiN阻挡层材料。
4、化学汽相淀积Cu金属薄膜利用含Cu的有机物CuI(hafc)(vtms)在温度为180℃、真空度为1-3Torr条件下热分解，生成纯Cu薄膜，其化学反应式为，淀积速率为200nm/min，Cu淀积厚度为1000nm。
5、在H2-N2气氛中，用快速热退火(RTP)对Cu进行热处理，以保证Cu膜的晶粒和电阻一致性，退火温度250C，时间25秒。
权利要求
1.一种化学气相法淀积氮化钛和铜金属层大马士革工艺，其特征在于利用化学气相淀积方法，依次连续淀积TiN扩散阻挡层和Cu金属层；然后在H2-N2气氛中进行热退火处理。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于所述淀积TiN扩散阻挡层是采用He气体携带含Ti的化学物质TDMA，在真空条件下，通过热分解淀积一层TiN薄膜，并进行原位H2-N2射频等离子处理，反复循环直至达到30nm-50nm的TiN厚度，形成TiN扩散阻挡层。
3.根据权利要求2所述的工艺，其特征在于真空度为1Torr-2Torr，热分解温度为400℃-450℃。
4.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于淀积Cu金属层采用含Cu有机物质CuI(hafc)(vtms)，在160℃-200℃的温度下发生分解反应，生成Cu薄膜，Cu膜厚为800nm-1200nm。
5.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于热退火温度为200℃-250℃，时间为20-40秒，N2和H2气氛中，H2占比例为8％-10％。
全文摘要
本发明是一种化学气相淀积氮化钛和铜金属层的大马士革工艺，即在一台多腔体真空设备中，依次连续淀积TiN扩散阻挡层、Cu金属薄膜，并在H
文档编号H01L21/285GK1426092SQ03114708
公开日2003年6月25日 申请日期2003年1月2日 优先权日2003年1月2日
发明者徐小诚, 缪炳有 申请人:上海华虹(集团)有限公司