[19]
中华人民共和国国家知识产权局
[12]发明专利申请公布说明书
[11]公开号CN 101643891A [43]公开日2010年2月10日
[21]申请号200810054068.2[22]申请日2008.08.05
[21]申请号200810054068.2
[71]申请人吉和林
地址210024江苏省南京市鼓楼区扬州路4号505
室
[72]发明人吉和林 [74]专利代理机构天津市杰盈专利代理有限公司代理人赵敬
[51]Int.CI.C23C 14/28 (2006.01)C23C 14/54 (2006.01)
权利要求书 2 页 说明书 7 页 附图 10 页
[54]发明名称
法
[57]摘要
本发明涉及一种用PVD法进行纳米级通孔填充
积(PVD)的高频等离子体法，在一个PVD腔室内，靶
的半导体芯片的通孔中，成为半导体层与层之间的
导电材料。本发明可以克服传统工艺只能达到0.13
微米以上的缺陷，实现将铝的应用延伸到特征线宽
≤0.1μm，深度与宽度比(h/CD)≥6。本发明降低
了设备运行温度，节约水电、耗材，大大提高生产
设备的利用率和晶片产率。可以用于半导体集成电
路芯片层间导电的通孔，接触孔、沟槽等填充铝等
导电物质，还可以用于线宽小于30纳米的金属门电
路上用的铝的淀积。并特别指出同样方法适合所有
低熔点的技术材料。
200810054068.2权 利 要 求 书第1/2页 1、一种用PVD法进行纳米级通孔填充铝的装置，包括PVD腔室，直流电源，磁铁，晶片基座，靶材，靶材置于PVD腔室的顶部，晶片基座置于PVD腔室底部，靶材与晶片基座相对，其特征在于该装置所述的靶材上安装射频电源，所述的晶片上安装射频电源。
2、按照权利要求1所述的用PVD法进行纳米级通孔填充铝的装置，其特征在于所述的靶材上的射频电源是2MHz-200MHz，选80MHZ，高频等离子配套电源；所述的晶片上的射频电源是0.5M H z-100M H z，选13M H Z，的高频等离子配套电源；或者， 所述的晶片上的射频电源是2-3种频率的混合。
3、按照权利要求1所述的用PVD法进行纳米级通孔填充铝的装置，其特征在于所述的靶材上射频电源的功率为500-10000W；所述的晶片上的射频电源的功率为200-3000W。
4、一种用P V D法进行纳米级通孔填充铝的工艺方法，其特征在于包括的步骤： 1)在P V D腔室真空
条件下，用P V D方法阻挡层上生长铝的种子层，将铝淀积到通孔底部，在磁场的作用条件下，靠射频电源(I)激发出铝阳离子，铝阳离子在硅片上的射频电源(II)作用下进入小尺寸的通孔中，硅片可不作静电吸附到硅片基座上，将铝淀积到通孔的顶部及底部；
2)在等离子体轰击下，使通孔的顶部及底部的铝分布到侧面，促进金属铝的低温回流，使铝的晶向大部分是<111>晶向，铝在侧面均匀覆盖；
3)增加直流电的输入，可同时降低压力以增加铝生长速度，淀积足够的铝到通孔顶部；
4)将上述的硅片静电吸附到硅片基座上，在等离子体轰击协助下，硅片温度迅速升到基座温度，再施加上R F(I)和R F(I I)，将铝流进通孔内，实现完好填满。
5、一种用P V D法进行纳米级通孔填充铝的工艺方法，其特征在于包括的步骤： 1)在P V D腔室真空条件下，用P V D方法在阻挡层上生长铝的种子层，将铝淀积到通孔底部，在磁场的作用条件下，靠功率为500-10000W的射频电源(I)激发出铝阳离子，阳离子在硅片上的功率为500W以下的射频电源(II)作用下进入通孔中，硅片不作静电吸附到硅片基座上，将铝淀积到通孔的顶部及底部，能够做到底部铝的厚度大于等于顶部的铝的厚度，且没有严重封顶倾向；晶片温度低于基座温度；
2)在等离子体A r+轰击下，使通孔的顶部及底部的铝分布到侧面，由于铝熔点低，在高频等离子体A r+轰击过程中，形成金属铝的低温回流，使铝的晶向大部分是<111>晶向，铝在侧面均匀的覆盖；
3)增加直流电的输入，也可同时降低压力，快速淀积足够的铝到通孔顶部；
4)将上述的硅片静电吸附到硅片基座上，硅片温度迅速升到基座温度，再施加上射频电源(I)和射频电源(I I)，以A r+轰击将铝流进小通孔内并完好填满。
200810054068.2权 利 要 求 书 第2/2页
6、按照权利要求5所述的用PVD法进行纳米级通孔填充铝的工艺方法，其特征在于
包括的步骤：
特征线宽大于50nm，步骤1)与步骤2)并为一步进行，只要将步骤1)中将射频电
源(II)的功率提高，实现各向均匀覆盖；或
在若特征线宽小于50nm，步骤1)与步骤2)循环处理一次以上，步骤3)与步骤4)
也可循环处理一次以上，使得在步骤1)、3)淀积少量的铝，以便在步骤2)、4)中将铝
填进去；
或在深宽比不是很大的情况下，如需要填充的是沟槽，也可参照本工艺方法改进传统
方法。
7、按照权利要求5所述的用PVD法进行纳米级通孔填充铝的工艺方法，其特征在于
步骤1)的反应参数为：所述的射频电源(I)的功率为50-10000W，所述的射频电源(II)
的功率为500W以下，铝淀积的厚度为
所述的PVD腔室的真空度为3Pa-60Pa，所述的晶片基座的温度控制在100-500℃；DC直流2000W以下。
8、按照权利要求5所述的用PVD法进行纳米级通孔填充铝的工艺方法，其特征在于
步骤2)的反应参数为：所述的射频电源(I)的功率为2000W以下，所述的射频电源(II)
的功率为200-3000W，每个填充铝的侧面厚度为大于等于所述的真空度为0.1Pa-15Pa，DC直流电源的
功率为500W以下。
9、按照权利要求5所述的用PVD法进行纳米级通孔填充铝的工艺方法，其特征在于
步骤3)的反应参数为：铝的淀积到通孔的上方厚度1000-所述的直流电的输入为：1000-20000W，所述的真空度小于7Pa，所述的射频电源(I)的功率为0-10000W，
所述的射频电源(II)的功率为0-2000W。
10、按照权利要求5所述的用PVD法进行纳米级通孔填充铝的工艺方法，其特征在
于步骤4)的反应参数为：所述的真空压力0.1Pa-70Pa；所述的射频电源(I)的功率为500-10000W；所述的射频电源(II)的功率为100-2000W。
11、权利要求1所述的用PVD法进行纳米级通孔填充铝的装置的应用，其特征在于
它用在特征线宽达到0.1μm或者小于0.1μm与深度与宽度比为6或者大于6的IC前道工
序工艺中，填充铝、铝铜合金，铝锗、铝铟金属及它们的合金，制造超大规模集成电路芯片。
200810054068.2说 明 书第1/7页
用PVD法进行纳米级通孔填充铝的装置和工艺方法
技术领域
本发明涉及超大规模集成电路芯片的制造，特别是一种用PVD法进行纳米级通孔填
充铝的装置和工艺方法，具体是采用射频(RadioFrequency，RF)电源与物理气相沉积(P V D)的高频等离子体法，将A l填充到小尺寸的半导体芯片的通孔中，成为半导体层
与层之间的导电材料，可以克服传统工艺只能达到0.13微米以上的缺陷。本发明可以实
现将铝的应用延伸到特征线宽≤0.1μm，深度与宽度比(h/CD，Critical Dimension)≥6。
背景技术
超大规模集成电路(Integrated Circμit，缩写：IC)芯片制造技术发展很迅速。随着晶
片加
工向更高的芯片密度发展，使用的硅片尺寸达到300m m或以上，特征尺寸收缩到45n m
甚至更小。近千万晶体管需要数以百亿计的金属电连接。这要求用到六层甚至更多金属连
接层。它们主要由金属连接沟槽和层与层之间金属连接通孔组成，其中通孔的金属填充工
艺随着线宽变小而变得越来越困难。铝被用于填充接触和通孔，称作铝平坦化。该技术可
以通过回流和多步淀积来实现。目前金属A l主要用在最小导线宽度(特征线宽)大于0.18μm的技术上。特征线宽小于0.18μm的填铝进入通孔的技术不完善，例如，无法解决
空隙缺陷的问题，同时硅铝固态互溶而产生的铝尖峰。这些问题最终会导致器件失效和产
出率下降。
为克服上述的缺陷往往由铜取代。目前IC工艺中铜在纳米级特征线宽中的应用越来
越广有两个主要原因：一是铜有助于降低互连线引起的信号延迟以提高芯片性能。二是通
孔填铝工艺在0.18微米以下技术节点不完善。实际应用例如闪存对大密度和低生产成本
要求为第一位，反应速度为第二位。若能将铝的技术推向0.1微米，则许多由铜替代的技
术应用就没有必要，无论生产设备成本还是运行成本都会大大降低，带来客观的经济效益。
传统的填充Al的过程为：
第一步：用PVD(Physical Vapor Deposition，物理气相沉积)方法在绝缘层上生长
阻挡层(阻挡层不止一种，这里以T i/T i N为例，但不限于T i/T i N)。第二步：再以P V D
方法长上厚度约的铝种子层，见图2。第三步：以PVD方法快速长上厚约
铝层，见图3。第四步：在高温∽500℃，或高温+高压(∽500atm)，或高温
和等离子体轰击下(∽400℃)，将铝回流进孔内，见图4。全部填满这一部分成功与否的
关键在于种子层在第2步中均匀覆盖，见图2。
若从P V D方法作第二步，最好在整个过程中温度小于120摄氏度，以便铝的<111>
晶向取向完成。而第四步需要一个高温腔，所以不宜放在一起。另外，到小尺寸特征线宽后，第二步也很难做到各向均匀镀上铝，往往没到侧面涂上铝，顶部已封口，理论上的图
200810054068.2说 明 书 第2/7页
2在实际中如图6。目前，即使在实验室还没有人能做到0.13μm以下高深宽比的填铝。 直流电源的P V D系统，见图5，铝主要靠直流电在A r+的作用下打下来的，其中铝离子占的比份很小，大部分还是原子态的铝。铝打到孔的垂直度取决于溅射角的大小(θ)。角度越小，垂直度越好，这就要求靶材离晶片远，但还是要求铝能打到晶片。这样势必要求直流电增加，由于铝的熔点低，大电流会融化铝，所以这种办法有相当局限性。更何况晶片的边缘，两边打下来不对称，更难做到两边都有均匀的覆盖，更容易早早封口。如图6。因此，很有必要对这一步进行较大改进，使能够适用于小尺寸特征线宽，并且仍然能做到很好的均匀的覆盖。
若是以C V D方法制作第二步，C V D各向均匀很好，可是反应速度慢，不适合做第三步，所以还是需要两个不同的反应室。另外CVD方法制作第二步，薄膜的含碳量高，容易导致空隙形成。
总而言之，现有技术方法的缺点是：特征线宽小于0.18μm且高深宽比的IC生产工艺中出现空隙缺陷难免，而且必须有两个反应室来完成步骤第二至第四步的过程，生产设备要求高，通常由铜替代，大大提高了生产成本，特别更难于将填铝技术延伸到0.1μm 以下(纳米级)。
发明内容
本发明的目的是提供一种用PVD法进行纳米级通孔填充铝的装置和工艺方法，可以克服现有技术的缺点。它是对现有填充铝的装置和工艺方法的改进，使填铝技术中填充铝的特征线宽≤0.1μm，深度与宽度比(h/CD)≥6，使原先由2个反应室完成的步骤可合并到一个，从而大大提高生产设备的利用率和晶片产率。
本发明提供的一种用PVD法进行纳米级通孔填充铝的装置包括：
P V D腔室，直流电源，磁铁，晶片基座，靶材，靶材置于P V D腔室的顶部，晶片基座置于PVD腔室底部，靶材与晶片基座相对。该装置所述的靶材上安装射频电源，所述的晶片上安装射频电源。基座温度100-500℃。见图7。
所述的靶材上的射频电源是2M H z-200M H z(比如80M H Z)高频等离子配套电源； 所述的晶片上的射频电源是0.5M H z-100M H z的高频等离子配套电源。 所述的靶材上射频电源的功率为500-10000W；所述的晶片上的射频电源的功率为200-2000W。
所述的靶材上的射频提供离子的浓度，所述的晶片上的射频提供离子的能量。所述的晶片上的射频也可以是几种频率。例如：两种，2MHZ和27MHZ的混合，以达到最佳浓度与能量的匹配。所有重要参数都
可以单独调节。所述的靶材上的射频也可选用脉冲型。本发明主要采用高频等离子体以激发铝，并在较高真空压力1.33P a-66P a下减小分子平均自由程，提高碰撞几率，以最大限度地提高金属离子的浓度。铝离子则可以在电场、磁场的作用下，提高进入孔内的垂直度，减少提前封顶的形成。
与现有的主要靠大直电流及磁场的激发铝/铝阳离子的系统相比，它在靶材上加上高
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