[发明专利]一种原位沉积阻挡层和籽晶层的系统和方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种原位沉积阻挡层和籽晶层的系统和方法。

技术背景

随着超大规模集成电路（VLSI）和特大规模集成电路（ULSI）的发展，集成度不断提高，电路元件越来越密集，芯片互连成为影响芯片性能的关键因素。然而，由于电路系统的尺寸限制，VLSI和ULSI技术中互连线的尺寸缩小对加工能力提出了额外的要求。这种要求包括多层面、高深宽比结构特征的精确加工等。这些互连结构的可靠性对VLSI和ULSI的成功和电路密度的提高起着非常重要的作用。

随着电路密度增加，互连线的线宽、接触通孔大小及其他特征尺寸都将随之减小，然而，介电层的厚度却不能随之等比例的缩小，结果就是特征深宽比增大。许多传统工艺在填充深宽比超过4时已有困难，因此开发适用于高深宽比情况下无空洞和无接缝的互连技术对于VLSI和ULSI的发展具有重大意义。

目前，铜及其合金已广泛应用于现代CMOS的标准工艺中，因为铜具有比铝更低的电阻率（低约35%）和更高的抗电迁移能力（约为铝的2倍），且铜具有良好的导热性。这对于多层面的集成更高电路密度和电流密度的器件非常有利。但是，铜是一种稳定的金属，不会产生挥发性的卤化物，不能采用常规等离子刻蚀来形成互连图形，目前采用的是镶嵌工艺（大马士革工艺）通过腐蚀介质层后填充铜来完成。另外，铜在硅和氧化物中扩散都很快，一旦进入硅器件中就会成为深能级受主杂质，使器件性能退化，因此必须在二者之间增加一层阻挡层，起阻挡铜扩散和增加铜与电介质粘附性的作用，目前应用最广的是氮化钽作为扩散阻挡层。

目前，业界主要采用磁控溅射技术来制备扩散阻挡层和铜籽晶层，但是在填充高深宽比的孔洞和沟槽时很难保证薄膜的均一性，因此开发新的制备扩散阻挡层和铜籽晶层的工艺对现代集成电路的发展十分重要，目前原子层淀积技术（Atomic Layer Deposition，ALD）具有很大的潜力。原子层淀积技术是一种可对薄膜厚度进行单原子层级别或者说埃(?)级别控制的化学气相淀积技术。ALD技术从上世纪70年代发展至今已取得很大进展，其已写进了国际半导体技术路线图(ITRS)，作为与微电子工艺兼容的候选技术在微电子领域显示出广阔的应用前景。ALD技术之所以受到业界青睐，跟他所特有的生长原理和技术特点有关的。ALD淀积虽然是一种化学气相淀积技术，但与传统的CVD技术相比，还是有很大差别的，ALD技术是基于顺次进行的表面饱和化学自限制的生长过程，它将反应气体交替脉冲式的通入到反应腔中。一个ALD反应循环包含4个步骤：(1)第一种反应前体以脉冲的方式进入反应腔并化学吸附在衬底表面；(2)待表面吸附饱和后，用惰性气体将多余的反应前体吹洗出反应腔；(3)接着第二种反应前体以脉冲的方式进入反应腔，并与上一次化学吸附在表面上的前体发生反应；(4)待反应完全后再用惰性气体将多余的反应前体及其副产物吹洗出反应腔。整个ALD生长过程由一个周期的多次循环重复实现。所有的ALD的本质特征就是表面反应达到饱和，使得生长停止，因此薄膜的厚度直接正比于表面反应已完成的次数，即反应循环数，这样可以通过控制淀积的反应循环数，就可以实现对薄膜厚度的精确控制。另外由于其自限的表面反应，可对高宽比很大的表面形成均匀的覆盖。此外通过控制不同源脉冲循环的次数比例也可以控制薄膜中不同物质的含量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种原位沉积阻挡层和籽晶层的系统和制作方法，以简化在极大规模集成电路中后道制程中沉积阻挡层和籽晶层的工艺，提高填充高深宽比沟槽的能力，增大沉积薄膜的厚度精确控制能力。

本发明提供的原位沉积阻挡层和籽晶层的系统，包含：

1）至少一个沉积腔；

2）至少一套进气、排气系统；

3）至少一套等离子体发生系统；

4）至少一套气动阀管道控制系统；

沉积腔是原位沉积系统的核心部件；进气、排气系统均连接在沉积腔上用以输运反应气体和反应后废气；等离子体发生系统接在进气系统上用以产生含氮的等离子体反应气，降低反应温度；气动阀管道控制系统连接到每一路进气排气管道，以便实现管道开闭和气流量的自动化控制，提高效率和控制精度。

该系统采用的反应气体为五（二甲胺基）钽（PDMAT）、含氮等离子体、二（六氟乙酰丙酮）化铜（Cu（hfac）₂）或二乙基锌（DEZn）。