專利名稱：用于制造BEOL布線的小接觸通孔的高生產(chǎn)率Al－Cu薄膜濺射工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造大規(guī)模集成半導(dǎo)體器件的方法，特別涉及以高生產(chǎn)率在小通孔內(nèi)淀積Al-Cu薄膜的工藝。
對(duì)于大規(guī)模集成半導(dǎo)體器件，例如目前的256 Mb DRAM，要求填充非常小的通孔，以構(gòu)成多級(jí)互連的第二級(jí)(最頂層)。一種Al-Cu的濺射工藝，可在一個(gè)步驟中形成第二級(jí)互連和在第一與第二級(jí)互連之間的接觸，它可減少工藝時(shí)間并降低成本，因此被用于64-Mb DRAM和CMOS邏輯電路的BEOL(線后端)布線工藝。
但是，對(duì)于256-Mb DRAM，該通孔的尺寸按比例縮小到0.8μm以下。因此常規(guī)的Al-Cu濺射工藝不能不留下空隙地完全填充通孔。該空隙會(huì)大大降低金屬線路可靠性。在可靠性測(cè)試中，對(duì)第二級(jí)金屬和第一與第二級(jí)金屬之間的接觸施加電流和溫度，在所有硬件上都觀察到了早期缺陷。由于特別在最高金屬層上不能進(jìn)行高溫(超過(guò)450℃)熱回流工藝，因此難于通過(guò)后處理去除空隙。
至于填充小的且長(zhǎng)寬比大的通孔以形成互連層并抑制空隙形成的技術(shù)，已知的有遠(yuǎn)擲濺射(long throw sputfering)和準(zhǔn)直濺射。遠(yuǎn)擲濺射是一個(gè)通過(guò)使靶至晶片的距離延長(zhǎng)以降低到達(dá)晶片的金屬顆粒的水平分量而在一深通孔的底部淀積一金屬膜的工藝。例如，在《真空科學(xué)和技術(shù)雜志》B Vol. 13(4)(1995) p.1906中，N.Motegi等人已描述了該遠(yuǎn)擲濺射工藝。與準(zhǔn)直濺射比較，遠(yuǎn)擲濺射工藝具有可獲得相對(duì)高的濺射速率和良好靶效率的優(yōu)點(diǎn)。
另一方面，準(zhǔn)直濺射是一個(gè)采用放置在靶和晶片之間的準(zhǔn)直器并只使金屬顆粒的垂直分量從靶射出穿過(guò)該準(zhǔn)直器而到達(dá)該深接觸孔的底部的工藝。例如在美國(guó)專利No.4,724,060、《真空科學(xué)和技術(shù)雜志》A Vol. 9(2) (1991) P.261中S.M.Rossnagel等人以及《薄固體膜》Vol. 247 (1994) P. 104中B.Vollmer等人描述了該準(zhǔn)直濺射工藝。該準(zhǔn)直濺射工藝具有良好的中心邊緣一致性。
在淀積用于256-Mb DRAM的第二級(jí)金屬(頂層)的工藝中，采用在低溫大約150℃下長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)淀積Al-Cu薄膜的遠(yuǎn)擲濺射或準(zhǔn)直濺射。遠(yuǎn)擲濺射和準(zhǔn)直濺射均可填充通孔而不留下空隙，可通過(guò)可靠性測(cè)試。
但是，遠(yuǎn)擲濺射和準(zhǔn)直濺射工藝只利用了由靶射出的金屬顆粒的垂直分量，這樣，與普通濺射工藝相比，就需要較長(zhǎng)時(shí)間來(lái)淀積金屬膜。為了淀積1μm厚的Al-Cu膜，需要6至7分鐘淀積時(shí)間。為此，與采用普通濺射工藝的情況相比，晶片產(chǎn)量變低了，導(dǎo)致制造成本提高。此外，對(duì)于準(zhǔn)直濺射，金屬也會(huì)淀積在準(zhǔn)直器上，致使準(zhǔn)直器常常阻塞。準(zhǔn)直器阻塞改變了濺射速度。這樣，必須更換一新準(zhǔn)直器，由于準(zhǔn)直器更換造成停工期，進(jìn)一步降低了產(chǎn)量。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種半導(dǎo)體器件制造方法，它可提高生產(chǎn)量并抑制空隙形成和降低制造成本。
通過(guò)下述半導(dǎo)體器件制造方法可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，該方法包括第一步，在半導(dǎo)體襯底的表面上形成絕緣膜；第二步，在該絕緣膜內(nèi)形成一開口；第三步，將半導(dǎo)體襯底放置在濺射設(shè)備的室中，在第一溫度下，在該絕緣膜上和該開口內(nèi)形成第一金屬層；以及第四步，該半導(dǎo)體襯底放置在濺射設(shè)備的上述室中，在高于第一溫度的第二溫度下，在第一金屬層上形成第二金屬層。
根據(jù)該制造方法，在第一溫度(低溫)下形成第一金屬層提供對(duì)小通孔的良好覆蓋，在第二溫度(高溫)下形成第二金屬層以提供高淀積速率。填充該開口的金屬層在短時(shí)間內(nèi)有效形成，并減少了空隙的形成。這樣，由于可以使用常規(guī)的濺射設(shè)備形成金屬層，因此消除了在使用遠(yuǎn)擲濺射和準(zhǔn)直濺射時(shí)遇到的問題，保證高產(chǎn)量和低成本，并且不留下空隙。
本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點(diǎn)在下面的說(shuō)明中得到闡明，從說(shuō)明書中可以部分地看出，也可通過(guò)本發(fā)明的實(shí)施而理解?？赏ㄟ^(guò)由附后的權(quán)利要求書特別指出的手段和組合來(lái)實(shí)現(xiàn)和獲得本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)。
結(jié)合上面的概括描述和下面最佳實(shí)施例的詳細(xì)描述，并參照作為說(shuō)明書的一部分的附圖，解釋本發(fā)明的原理。


圖1A至1D是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的按形成第一和第二層金屬的步驟順序的剖面圖。
本發(fā)明的半導(dǎo)體器件制造方法采用常規(guī)的濺射設(shè)備，并在控制三個(gè)重要參數(shù)室內(nèi)壓力、背側(cè)(backside)Ar氣體的流速和濺射功率的情況下通過(guò)多于一個(gè)步驟在相同室內(nèi)淀積由金屬制成的薄膜來(lái)實(shí)現(xiàn)其濺射工藝。通過(guò)打開或關(guān)閉背側(cè)的Ar氣體來(lái)控制晶片的溫度，通過(guò)改變?yōu)R射功率來(lái)控制淀積速度。首先，關(guān)閉背側(cè)的Ar氣體，在低于150℃的低溫和低濺射功率下，淀積幾百nm厚的Al-Cu膜。接著，打開背側(cè)Ar氣體，在350℃較高溫加熱晶片，然后，在基于高濺射功率的一高淀積速率下淀積Al-Cu膜。結(jié)果，依次形成包括低溫和高溫金屬顆粒的兩類金屬薄膜。低溫、低濺射功率工藝在通孔內(nèi)進(jìn)行良好覆蓋，但是需要長(zhǎng)淀積時(shí)間。另一方面，高溫、高濺射功率濺射工藝可減少淀積時(shí)間，但是在通孔內(nèi)進(jìn)行較差覆蓋。這樣，結(jié)合進(jìn)行兩個(gè)工藝。即，首先實(shí)施低溫低濺射功率工藝部分填充通孔，然后進(jìn)行高溫高濺射功率形成一金屬薄膜，由此，保證通孔內(nèi)的良好覆蓋并減少淀積時(shí)間。此外，在常規(guī)的濺射設(shè)備中的A1-Cu淀積室可用于滿足具有小填充通孔的256-Mb DRAM的需要，并保證足夠的可靠性。這樣，可以形成高質(zhì)量BEOL布線而不降低生產(chǎn)率和提高制造成本。
下面將說(shuō)明應(yīng)用上述的濺射工藝形成半導(dǎo)體器件內(nèi)的互連。
圖1A至1D圖示了根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的制造步驟，特別是形成第一和第二級(jí)互連的步驟。
首先，如圖1A所示，在形成于半導(dǎo)體晶片11的表面上的絕緣層12上通過(guò)濺射形成Ti膜13、TiN膜14、Al-Cu膜15、Ti膜16和TiN膜17。通過(guò)光刻和RIE技術(shù)，對(duì)這些膜構(gòu)圖以構(gòu)成第一層金屬互連(M1)18。Ti膜13、TiN膜14、Al-Cu膜15、Ti膜16和TiN膜17的厚度，例如，分別是10nm、10nm、230nm、5nm和40nm。此后，在400℃的成膜氣體內(nèi)進(jìn)行20分鐘的燒結(jié)退火。
接著，如圖1B所示，在第一級(jí)金屬互連層18上和絕緣膜12上形成60nm厚的層間絕緣膜19，然后通過(guò)光刻和RIE技術(shù)在層間絕緣膜19上形成開口(通孔)20。
然后，如圖1C所示，在層間絕緣膜19上和通孔20內(nèi)形成第二金屬互連層(M2)21。為形成第二金屬互連層21，首先在Ti/TiN濺射室內(nèi)依次形成25nm厚的Ti膜22和25nm厚的TiN膜23然后在具有設(shè)定在較高溫度150℃的Al濺射室內(nèi)，不在晶片背側(cè)施加加熱Ar氣體流，以3.2kW的低濺射功率濺射Al-Cu55秒鐘。這樣，在低溫(可以是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于150℃的50℃或室溫)形成300nm厚的Al-Cu膜24-1。在這種情況下，由于沒有背側(cè)Ar氣體流，即使在350℃的高溫，晶片溫度也將低于150℃，因?yàn)榧訜崞骱途g的熱傳導(dǎo)率較差，導(dǎo)致了類似結(jié)果。根據(jù)這個(gè)方法，加熱器升溫所需的時(shí)間進(jìn)一步降低。此后，引入加熱Ar氣體45秒鐘將晶片加熱至350℃。然后，在加熱Ar氣流下，以12.7kW的高濺射功率濺射Al-Cu 32秒鐘。這樣，在高溫下形成700nm厚的Al-Cu膜24-2。結(jié)果形成了總厚度為1μm的Al-Cu膜24。此后，在Ti/TiN濺射室內(nèi)形成37.5nm厚的TiN膜25。
接著，如圖1D所示，采用光刻和RIE技術(shù)對(duì)第二金屬互連層21構(gòu)圖，由此完成多級(jí)布線工藝。
根據(jù)上述的制造方法，由在低溫下形成的Al-Cu膜24-1填充通孔20以實(shí)現(xiàn)良好覆蓋，然后在高溫形成Al-Cu膜24-2以實(shí)現(xiàn)高淀積速率。因此，可在短時(shí)間內(nèi)形成第二金屬互連層21，同時(shí)抑制通孔20內(nèi)空隙的形成。這樣，可消除采用遠(yuǎn)擲濺射或準(zhǔn)直濺射中遇到的問題，可確保高生產(chǎn)率和低成本。尤其是，遠(yuǎn)擲濺射和準(zhǔn)直濺射形成1μm厚的金屬互連層需要6至7分鐘，而上述的發(fā)明方法可在低于3分鐘內(nèi)形成同樣厚度的金屬互連層，極大地提高了生產(chǎn)率。此外，與準(zhǔn)直濺射不同，本發(fā)明方法不會(huì)由于部件消耗提高成本，也不會(huì)由于置換消耗部件而造成停機(jī)時(shí)間增加。從這些方面看，本發(fā)明方法可降低成本并提高生產(chǎn)率。
根據(jù)各制造方法在256-Mb DRAM BEOL布線的第一和第二級(jí)互連之間形成通孔接觸，并進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試。第二級(jí)互連包括以下列次序疊在一起的25nm厚的Ti膜、25nm厚的TiN膜、1μm厚的Al-Cu膜和37.5nm厚的TiN膜。根據(jù)下面的方法形成該Al-Cu膜(a)將濺射室內(nèi)溫度設(shè)定在350℃，采用標(biāo)準(zhǔn)濺射設(shè)備進(jìn)行濺射。
(b)在根據(jù)本發(fā)明的多步驟中進(jìn)行濺射。
(c)將室內(nèi)溫度設(shè)定在150℃，進(jìn)行遠(yuǎn)擲濺射。
(d)進(jìn)行準(zhǔn)直濺射。
當(dāng)在測(cè)試溫度為245℃和第一與第二級(jí)互連之間的電流為11.00mA的條件下，芯片顯示接觸電阻增加20％時(shí)，該芯片視為有缺陷。觀察到根據(jù)本方法(a)制成通孔接觸的50個(gè)芯片中有6片有早期缺陷(產(chǎn)生于開始測(cè)試后的5小時(shí)內(nèi))。在根據(jù)(b)、(c)和(d)中的每個(gè)方法制造的50個(gè)芯片上沒有發(fā)現(xiàn)早期缺陷。方法(b)所需工藝時(shí)間少于3分鐘，而方法(c)和(d)每個(gè)都需要6到7分鐘，因?yàn)锳l-Cu膜淀積速度很低。
根據(jù)本發(fā)明制造的半導(dǎo)體器件由于減少工藝時(shí)間而大大降低成本。由于不需要置換準(zhǔn)直器使得可消耗部件的費(fèi)用減少，并且使靶置換的頻率降低。
利用在濺射設(shè)備內(nèi)打開和關(guān)閉背側(cè)的Ar氣體以改變由加熱器產(chǎn)生的熱導(dǎo)率的例子描述了本發(fā)明的實(shí)施例，但這不是限制性的。加熱器和晶片之間的熱導(dǎo)率通過(guò)打開和關(guān)閉濺射設(shè)備的靜電吸盤同樣可以改變。此外，為了形成1μm厚的Al-Cu膜，已經(jīng)描述了上述實(shí)施例，即首先在低溫和低濺射功率下淀積300nm厚的Al-Cu膜24-1，然后在高溫和高濺射功率下淀積700nm厚的Al-Cu膜24-2。但是應(yīng)該指出的是，在低溫和低濺射功率下形成的Al-Cu膜厚度可在300至700nm的范圍內(nèi)，在高溫和高濺射功率下淀積的Al-Cu膜厚度可在700至300nm的范圍內(nèi)。如果在低溫和低濺射功率下淀積的Al-Cu膜厚度低于300nm，則空隙的抑制效果就會(huì)削弱。另一方面，如果該厚度高于700nm，濺射時(shí)間就會(huì)增加。這樣，需要結(jié)合考慮通孔的大小和深度、在通孔內(nèi)所需的覆蓋以及制造時(shí)間，來(lái)確定每個(gè)Al-Cu膜厚度和濺射功率。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種半導(dǎo)體器件的制造方法，它可提高生產(chǎn)率，降低制造成本，并抑制空隙的形成。
對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)會(huì)很容易發(fā)現(xiàn)其它優(yōu)點(diǎn)和變形。因此，本發(fā)明在廣義上不局限于這里的具體詳述和所示典型實(shí)施例。在不背離由附后的權(quán)利要求和其等同物所限定的總的發(fā)明構(gòu)思的前提下可以做出種種變更。
權(quán)利要求
1．一種半導(dǎo)體器件制造方法，包括第一步，在半導(dǎo)體襯底的表面上形成絕緣膜；第二步，在該絕緣膜上形成開口；第三步，將該半導(dǎo)體襯底放置在濺射設(shè)備的室中，在第一溫度下，在該絕緣膜上和該開口內(nèi)形成第一金屬層；以及第四步，將該半導(dǎo)體襯底放置在該濺射設(shè)備的該室中，在高于第一溫度的第二溫度下，在該第一金屬層上形成第二金屬層。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的第三步在低濺射功率下進(jìn)行，所述的第四步在高濺射功率下進(jìn)行。
3．如權(quán)利要求1所述的方法，其中通過(guò)改變由設(shè)在該濺射設(shè)備的該室內(nèi)的加熱器產(chǎn)生的熱導(dǎo)率來(lái)形成第一溫度和第二溫度間的差別。
4．如權(quán)利要求3所述的方法，其中通過(guò)在第三步內(nèi)關(guān)閉濺射設(shè)備內(nèi)加熱器背側(cè)的Ar氣體和在第四步內(nèi)打開該背側(cè)的Ar氣體來(lái)改變由加熱器產(chǎn)生的熱導(dǎo)率。
5．如權(quán)利要求3所述的方法，其中通過(guò)在第三步內(nèi)斷開濺射設(shè)備的靜電吸盤和在第四步內(nèi)接通該靜電吸盤來(lái)改變由加熱器產(chǎn)生的熱導(dǎo)率。
6．如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的第一溫度低于150℃，且所述的第二溫度在300至400℃的范圍內(nèi)。
7．如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的第一和第二金屬層都包含以鋁或銅作為其主要成分的材料。
8．如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在第二和第三步之間形成第一阻擋金屬層的第五步；以及緊接第四步之后的在第二金屬層上形成第二阻擋金屬層的第六步。
9．如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在第一步之前，在半導(dǎo)體襯底上形成互連層的第七步，其中所述的絕緣膜形成在該互連層上，該開口形成在該絕緣膜的位于該互連層上面的部分內(nèi)。
10．如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述的第七步包括在該半導(dǎo)體襯底上形成第三阻擋金屬層的步驟；在該第三阻擋金屬層上形成第三金屬層的步驟；在該第三金屬層上形成第四阻擋金屬層的步驟；以及對(duì)第三阻擋金屬層、第三金屬層和第四阻擋金屬層構(gòu)圖的步驟。
11．如權(quán)利要求10所述的方法，進(jìn)一步包括在第四阻擋金屬層和第一阻擋金屬層之間的開口內(nèi)形成第五阻擋金屬層的步驟。
12．如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述的第一至第五阻擋金屬層中的每一層均包含難熔金屬。
13．如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述的第一至第四阻擋金屬層中的每一層均包含氮化鈦。
14．如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述的第一至第四阻擋金屬層中的每一層均包含鈦和氮化鈦的堆疊層。
15．如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述的第五阻擋金屬層包含鈦。
全文摘要
一種薄膜濺射工藝,其中:首先在低溫和低濺射功率下,在通孔的側(cè)壁上淀積第一Al-Cu膜,然后在高溫和高濺射功率下,在該第一Al－Cu膜上淀積第二Al－Cu膜,形成填充該通孔的金屬互連層。濺射是在同一濺射室內(nèi)的低溫和高溫的兩個(gè)步驟內(nèi)完成的。在低溫和低濺射功率下的淀積在該通孔內(nèi)形成良好覆蓋,在高溫和高濺射功率下的淀積減少了工藝時(shí)間。
文檔編號(hào)H01L21/3205GK1234606SQ9910762
公開日1999年11月10日 申請(qǐng)日期1999年4月21日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月21日
發(fā)明者達(dá)里爾·里斯秦諾, 楊智華, 漢斯·W·波耶茨伯格, 堅(jiān)田富夫, 青地英明 申請(qǐng)人:株式會(huì)社東芝, 國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司, 西門子公司