大马士革互连工艺中铜金属填充方法
专利汇可以提供大马士革互连工艺中铜金属填充方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种大 马 士革互连工艺中 铜 金属填充方法，属于集成 电路 制造领域。所述方法包括：首先对欲填充的孔隙依次进行n次铜电 镀 步骤和铜重溅射步骤；每次铜 电镀 和铜重溅射步骤之间进行去气；最后进行一次最终铜电镀；所述n＝Int[(R-2)/2]；其中R为欲填充的孔隙深/宽比；所述Int函数的定义为：将任意实数向上取整为最接近的整数。本发明的铜金属填充方法中的铜重溅射步骤将上一电镀步骤后堆积在欲填充孔隙顶部拐 角 处的铜金属通过轰击进行剥离，消除了孔洞形成的成因。特别是针对45纳米以下技术 节点 、 接触 孔实际宽度＜70纳米、孔隙深宽比大于2∶1的孔隙，可以保证孔隙的无孔洞填充。，下面是大马士革互连工艺中铜金属填充方法专利的具体信息内容。
1、一种大马士革互连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： 步骤A：对欲填充的孔隙依次进行n次铜电镀步骤和铜重溅射步骤； 步骤B：进行一次最终铜电镀； 所述n＝Int[(R-2)/2]；其中R为欲填充的孔隙深/宽比；所述Int函数的定义为：将任意实数向上取整为最接近的整数。
2、 根据权利要求1所述的一种大马士革互连工艺中铜金属填充方法，其特征在于， 在所述步骤A中每一次铜电镀步骤中，对欲填充孔隙的铜金属填充深度以2倍于孔隙 宽度为目标。
3、 根据权利要求1所述的一种大马士革互连工艺中铜金属填充方法，其特征在于， 所述步骤B的最终铜电镀完成对欲填充的孔隙剩余深度的填充。
4、 根据权利要求1所述的一种大马士革互连工艺中铜金属填充方法，其特征在于， 在所述步骤A中每次铜电镀步骤和铜重溅射步骤之间，设置去气步骤。
5、 根据权利要求1所述的一种大马士革互连工艺中铜金属填充方法，其特征在于， 所述步骤A的铜重溅射步骤具体为对已经沉积的铜金属进行轰击，将欲填充孔隙顶部 拐角处已经沉积的较厚的铜金属剥离。
6、 根据权利要求1所述的一种大马士革互连工艺中铜金属填充方法，其特征在于， 所述步骤A中的铜重溅射步骤在铜籽晶层物理气相沉积腔室中完成；所述铜重溅射步 骤中施加到硅片上的偏压为350W至750W。
7、 根据权利要求4所述的一种大马士革互连工艺中铜金属填充方法，其特征在 于，所述去气步骤具体为通过加热去除前道工艺残留的可挥发气体杂质，同时实现已 填充铜金属的再结晶，调整晶体结构，获得低金属电阻。
8、 根据权利要求7所述的一种大马士革互连工艺中铜金属填充方法，其特征在 于，所述去气步骤在去气腔室完成；去气加热温度为150至350摄氏度。
大马士革互连工艺中铜金属填充方法
技术领域
背景技术
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。
3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，调整巳沉积 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縮小，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l: l时孔隙填充无法顺利完成（如图l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
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互连工艺中铜金属填充方法，所述方法包括下列步骤： 步骤A:对欲填充的孔隙依次进行n次铜电镀步骤和铜重溅射步骤； 步骤B:进行一次最终铜电镀；
所述rHnt[ (R-2) /2];其中R为欲填充的孔隙深/宽比；所述lnt函数的定义为：
将任意实数向上取整为最接近的整数。
本发明的一种大马士革互连工艺中铜金属填充方法，在所述步骤A中每一次铜电 镀步骤中，对欲填充孔隙的铜金属填充深度以2倍于孔隙宽度为目标。
本发明的一种大马士革互连工艺中铜金属填充方法中，所述步骤B的最终铜电镀
完成对欲填充的孔隙剩余深度的填充。
本发明的一种大马士革互连工艺中铜金属填充方法中，在所述步骤A中每次铜电
镀步骤和铜重溅射步骤之间，设置去气步骤。
本发明的一种大马士革互连工艺中铜金属填充方法中，所述步骤A的铜重溅射步 骤具体为对已经沉积的铜金属进行轰击，将欲填充孔隙顶部拐角处己经沉积的较厚的 铜金属剥离。
本发明的一种大马士革互连工艺中铜金属填充方法中，所述步骤A中的铜重溅射 步骤在铜籽晶层物理气相沉积腔室中完成；所述铜重溅射步骤中施加到硅片上的偏压 为350W至750W。
本发明的一种大马士革互连工艺中铜金属填充方法中，所述去气步骤具体为通过 加热去除前道工艺残留的可挥发气体杂质，同时实现己填充铜金属的再结晶，调整晶 体结构，获得低金属电阻。
本发明的一种大马士革互连工艺中铜金属填充方法中，所述去气步骤在去气腔室 完成；去气加热温度为150至350摄氏度。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明的铜金属填充方法增加的铜重溅射步骤将上一电镀步骤后堆积在欲填 充孔隙顶部拐角处的铜金属进行剥离，保证在后续的电镀过程中金属可以顺利 地被填充入欲填充的孔隙内部，消除了孔洞形成的成因。特别是针对45纳米
5以下技术节点、接触孔实际宽度〈70纳米、孔隙深宽比大于2:1的孔隙，可以保证孔隙的无孔洞填充。
2、 本方法中在次铜电镀步骤和铜重溅射步骤之间设置去气步骤，可以对已沉积金属进行热处理，去除杂质的同时，提高金属电学性能。
3、 本方法可以利用现有的制造设备完成，无需增加、更换新的设备或提高成本，避免制造厂商为获得制备性能提高而额外付出资金升级设备。
附图说明
图l是本发明实施例所述大马士革互连工艺中的铜金属填充方法的流程图；
图2是现有的铜金属填充工艺导致的孔隙顶部拐角处出现顶悬挂现象的示意图；
图3是溅射原理示意图；
图4是重溅射示意图。
具体实施方式
现有的大马士革工艺的基本工艺流程：
(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/TaBarrier Layer)和铜籽晶层（Seedlayer)。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，即利用电镀进行铜金属填充；
(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。
上述现有的铜双大马士革互连工艺中只进行一次铜金属填充，可以较好地完成孔隙深/宽（A/R)比较小情况下的孔隙填充。但当孔隙深/宽比（A/R)大于2时，按现有方法进行铜金属填充就会出现铜孔隙接近顶部区域产生孔洞，无法达到铜金属填充要求。
本发明的大马士革互连工艺中的铜金属填充方法针对45纳米以下技术节点、接触孔实际宽度〈70纳米、孔隙深/宽比（A/R) 〉2:1的情况，通过增加铜重溅射步骤，保证铜金属的无孔洞填充效果。
在大马士革互连工艺中，按照现有的工艺方法进行完上述流程第（7)步之后，开始按照本发明的方法进行金属填充。
本实施例中欲填充接触孔的宽度为56纳米，孔隙深/宽比（A/R)为4: 1。
首先，根据孔隙深/宽比计算铜重溅射和铜重电镀的系数n。
铜重溅射和铜重电镀的系数n的计算方法为：n=Int[ (R-2) /2]。其中R为孔隙深/宽比；Int函数的定义为：将任意实数向上取证为最接近的整数。本实施例中孔隙深/宽比R为4，根据『Int[ (R-2) /2]可以确定铜重溅射和铜电镀的系数n为1。也就是说，在本实施例步骤A中要进行一次铜电镀和一次铜重溅射。如果经计算得到n大于1，则依次进行（铜电镀一铜重溅射）一（铜电镀一铜重溅射）……直至完成n次。
确定系数n为l后，接下来要进行一次铜电镀步骤（步骤100)，通过对电镀条件的控制，对欲填充孔隙完成约2倍于孔隙宽度的铜金属填充深度，在本实施例中即通过第一次铜电镀完成大约112纳米的电镀深度。在实际的生产过程中，由于具体的填充过程会受到材料质量、工作环境、设备运行状态等因素影响，因此其填充结果会存在一定差异。
经过一次铜电镀步骤，铜金属会分布在孔隙的内部机孔隙外部，此时在孔隙顶部拐角处会存在的铜金属堆积过多的现象，如果继续填充，铜金属可能会将填充孔隙上部开口堵死，这样孔隙内就会出现孔洞。
为解决电镀在填充孔隙顶部拐角金属堆积的问题，应进行铜重溅射步骤，但为了保证铜重溅射的质量和效果，在铜电镀步骤之后可以设置去气步骤（步骤IIO)。去气是通过加热去除前道工艺残留的可挥发气体杂质，同时实现已填充铜金属的再结晶，调整晶体结构，获得低金属电阻。去气工艺在去气腔进行，去气工艺加热温度为250摄氏度，通入氩气进行以10秒为一个周期的充气/抽气操作（氩气流量为35sccm)，以快速去除硅片表面可挥发的气体杂质并加强真空条件下的热传导，工艺时间为40s。经过去气步骤后下一步，进行一次铜重溅射（步骤120)。
重溅射技术是通过在溅射过程中或溅射完成后通过对金属离子或氩离子能量和运动方向进行控制，对已沉积的薄膜进行轰击，将填充孔隙顶部拐角处己沉积的较厚的铜金属薄膜重新轰击剥离，调整已经沉积孔隙填充薄膜台阶覆盖状态，从而起到缓解顶部悬挂的问题。重溅射技术通常伴随着薄膜的重沉积以保证沉积薄膜的连续性。
铜重溅射通过对已经电镀沉积的铜金属进行轰击重溅射，缓解了在前道铜电镀之后加剧的顶部悬挂现象，使由于电镀作业即将被金属封堵的孔隙开口重新打开并扩大，有利于下一步铜金属的继续填充。铜重溅射在铜籽晶层物理气相沉积腔室中进行；铜重溅射工艺的直流电源功率为36kW;初始启辉氩气流量为130sccm，稳定工艺时的氩气流量为20sccm;铜重溅射所用的工艺硅片偏压为350W至750W，本实施例选择加压600W。
经过上述的铜重溅射步骤，可以有效去除孔隙顶部拐角处铜金属积累过多的现象，使铜电镀的金属层分布均匀。
最后，进行最终铜电镀（步骤130)，在已经填充了一定深度的孔隙基础上，完成剩余的铜金属孔隙填充。这样，欲填充的孔隙就被铜金属填充满了。
利用本发明的铜金属填充方法后，仍然需要使用现有的方法进行最后是退火和化学机械抛光，对铜镀层进行平坦化处理和清洗。
至此，就完成了铜双大马士革互连工艺的全部工艺流程。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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