[发明专利]用PVD法进行纳米级通孔填充铝的装置和工艺方法

说明书

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(PVD)的高频等离子体法，将Al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300mm或以上，特征尺寸收缩到45nm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Al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Ti/TiN为例，但不限于Ti/TiN)。第二步：再以PVD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PVD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PVD系统，见图5，铝主要靠直流电在Ar+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CVD方法制作第二步，CVD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：