[发明专利]大马士革互连工艺中铜金属填充方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种大马士革互连工艺，特别是涉及一种大马士革互连工艺中的铜金属填充方法。

背景技术

随着CMOS晶体管尺寸不断缩小到次微米级，正如摩尔定律的预测，在高效率、高密度集成电路中的晶体管数量上升到几千万个。这些数量庞大的有源元件的信号集成需要多达八层以上的高密度金属连线，然而这些金属互连线带来的电阻和寄生电容已经成为限制这种高效集成电路速度的主要因素。基于这个因素的推动，半导体工业从原来的金属铝互连线工艺发展成金属铜互连线，同时低介电介质材料替代了二氧化硅成为金属层间的绝缘介质。金属铜减少了金属连线层间的电阻，同时增强了电路稳定性；低介电介质材料则减少了金属连线层之间的寄生电容。

由于对铜的刻蚀非常困难，因此铜互连采用双嵌入式工艺，又称双大马士革工艺(Dual Damascene)。现有的大马士革工艺的基本工艺流程为：(1)首先沉积一层薄的氮化硅(Si3N4)作为扩散阻挡层和刻蚀终止层；(2)接着在上面沉积一定厚度的低介电介质材料；(3)然后光刻出微通孔(Via)；(4)对通孔进行部分刻蚀；(5)之后再光刻出沟槽(Trench)，其中通孔、沟槽的制备流程与顺序根据工艺流程的不同而有所差别，但最终均是达成第6步的结果；(6)继续刻蚀出完整的通孔和沟槽；(7)接着溅射沉积(PVD)扩散阻挡层(TaN/Ta Barrier Layer)和铜籽晶层(Seed layer)。扩散阻挡层的作用是阻止铜扩散进入介质材料并增强介质材料与铜的黏附性，籽晶层是作为电镀时的导电层；(8)之后是铜互连线的电镀工艺；(9)最后是退火和化学机械抛光(CMP，Chemical Mechanical Polishing)，对铜镀层进行平坦化处理和清洗。这样就形成了金属互连线。其中铜金属的填充工艺是由上述(7)铜阻挡层/籽晶层的制备和(8)铜电镀填充共同完成的。

在上述现有的大马士革工艺的基本工艺流程(7)溅射沉积扩散阻挡层和铜籽晶层的步骤中，具体的工艺流程如下：(i)去气：通过加热的方式去除前道工艺及大气传输过程中残留的可挥发性气体杂质，以保证铜金属层的电学性能；(ii)预清洗：通过等离子刻蚀的方法去除前道工艺及大气传输过程中残留的不可挥发性杂质和铜的氧化物，以保证铜金属层的电学性能；(iii)氮化钽(TaN)阻挡层物理气相/溅射沉积；(iv)钽(Ta)阻挡层物理气相/溅射沉积；(v)钽重溅射/重沉积工艺，调整已沉积氮化钽/钽双层膜的孔隙填充台阶覆盖分布并保证钽金属层的连续性；(vi)铜籽晶层沉积，为后续的铜电镀工艺提供导电层。

物理气相沉积和溅射沉积技术是半导体工业中最广为使用的一类薄膜制造技术，泛指采用物理方法制备薄膜的薄膜制备工艺；而在集成电路制造行业中，多特指磁控溅射技术，主要用于铝、铝铜等金属薄膜的沉积，以构成金属接触、金属互连线等。图2所示为金属溅射过程的基本示意图，主要包含有以下主要步骤：(1)在高真空腔体等离子体中产生正的氩离子，并向具有负电势的靶加速；(2)氩离子在加速过程中离子获得动量，并轰击靶；(3)氩离子通过物理过程从靶上撞击出金属原子；(4)被撞击出的原子迁移到硅片表面；(5)被溅射的原子在硅片表面凝聚并形成薄膜，薄膜具有和靶材料基本相同的组份；(6)额外材料由真空泵抽走。

随着微电子技术的不断发展及特征尺寸不断缩小，由于传统溅射技术无法控制溅射粒子的沉积方向，溅射进入具有高深宽比的通孔和狭窄沟道的能力受到限制，对孔隙深宽比大于1∶1时孔隙填充无法顺利完成(如图1所示)，其主要的问题首先在于孔隙填充底部拐角处的填充不足；另外，顶部拐角处存在的顶悬挂(Overhang)现象封闭了孔隙顶部使得填充无法继续进行。

为了解决这一问题，等离子物理气相沉积/等离子溅射技术应运而生，它通过不同的方式使溅射出的金属原子等离子化，再通过各种方式控制金属离子的运动方向与能量，从而有效的提高对高深宽比通孔和狭窄沟道的台阶覆盖能力。但是由于金属原子的离化率不能达到100％，因此顶部悬挂(Overhang)和底部拐角填充不足的现象仍然存在。

发明内容

为了解决铜双大马士革工艺中铜填充孔洞问题，本发明提供了一种大马士革互连工艺中的铜金属填充方法。这种方法通过改进现有金属填充方法中的铜电镀方法、增加铜重溅射步骤，实现铜孔隙无孔洞填充。所述技术方案如下：

本发明的一种大马士革工艺中铜金属填充方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：