[发明专利]对沟槽和孔进行铜填充工艺的指导研究方法

说明书

本发明涉及对沟槽和孔进行铜填充工艺的指导研究方法，包括：在特定沉积条件下，建立沉积偏压与金属铜的消减比之间的对应关系；保持特定沉积条件不变，建立沉积偏压与金属铜在沟槽或孔内的沉积刻蚀形貌的对应关系；通过对比偏压与金属铜的消减比之间的对应关系以及沉积偏压与金属铜在沟槽或孔内的沉积刻蚀形貌的对应关系，建立在特定沉积条件下消减比与金属铜在沟槽或孔内的沉积刻蚀形貌的对应关系；选择不同的消减比对沟槽或者孔进行铜填充。本发明提供的铜填充工艺，将填充结果与偏压进行准确关联，能有效地提高铜薄膜的台阶覆盖率。

技术领域

本发明涉及半导体的制造工艺领域，特别涉及一种对沟槽和孔进行铜填充工艺的指导研究方法。

背景技术

随着半导体技术的不断发展，目前存储器制造技术已经逐步从简单的平面结构过渡到较为复杂的三维结构，三维存储器的技术研发是国际研发的主流之一。

在半导体存储器中，用于连线的铜层沉积结构通常采用化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)结合电化学电镀(ECP)工艺实现。其中物理气相沉积工艺为，在真空条件下，采用物理方法，将材料源表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体(或等离子体)过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。此项技术通过物理气相沉积机台(PVD机台)实现。

伴随半导体工艺尺寸的不断降低，用于连线的铜层填充结构也越来越复杂。在沟槽或孔结构的填充中，特别是线宽20nm～30nm的沟槽或孔状结构，对PVD工艺的研发造成的挑战也越来越大。

在这种小线宽高深宽比的铜薄膜沉积工艺中，往往采用台阶覆盖率来评估种子层沉积质量。如何提高覆盖率是我们当前需要解决的重要课题。调节铜离子的沉积刻蚀条件，是一种有效提高台阶覆盖率的方法。

PVD机台中，铜离子的沉积受到偏压的影响，偏压越小，沉积效果越明显，对结构顶部，底部，平面区域的沉积效果越好，越有利于沉积厚膜，以便电镀工艺。偏压越大，轰击效应越明显，对沟槽或孔深处侧壁或底部的溅镀效果越好，越利于沟槽或孔深处侧壁或底部的填充，这是由铜的高自离化率特性产生的效果。

此外，沟槽或孔结构形貌的改变还直接影响金属薄膜的沉积刻蚀能力。实际研究中我们发现在沉积铜薄膜时，利用铜的自离化特性，改变PVD机台的加载偏压可以极大影响沟槽或孔结构不同区域的铜薄膜台阶覆盖率。

因此，调节铜离子的沉积刻蚀条件，是一种有效提高台阶覆盖率的方法。然而实际操作中，并没有一种研究方法去控制指导填充工艺，以让机台对沟槽或孔进行精确、稳定的填充。

发明内容

本发明的目的是为解决以上问题的至少一个，本发明提供一种主要应用于20～30nm线宽的对沟槽和孔进行铜填充工艺的指导研究方法。

一种沟槽或孔的铜填充工艺，包括以下步骤：

设定沉积条件，使用物理气相沉积机台对不同的基片进行铜沉积，分别算出不同沉积偏压P₁～P_n下铜的消减比，建立沉积偏压与铜的消减比之间的对应关系(n为大于1的自然数)；

保持沉积条件不变，使用物理气相沉积机台对沟槽或孔进行铜沉积，分别测量不同沉积偏压P₁～P_n下，沟槽或孔的顶端、侧壁和底部的沉积的铜薄膜的厚度，分别计算其台阶覆盖率，建立沉积偏压与金属铜在沟槽或孔内的沉积刻蚀形貌的对应关系；

通过对比偏压与金属铜的消减比之间的对应关系以及沉积偏压与金属铜在沟槽或孔内的沉积刻蚀形貌的对应关系，建立在所述特定沉积条件下消减比与金属铜在沟槽或孔内的沉积刻蚀形貌的对应关系；

选择不同的消减比，使用物理气相沉积机台一步或分步对沟槽或者孔进行铜填充。

其中，建立沉积偏压与金属铜的消减比之间的对应关系的步骤包括：