專利名稱：提高接觸電阻均勻性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種提高接觸電阻均勻性的方法。

背景技術(shù)：
目前，在半導(dǎo)體器件的后段(back-end-of-line，BE0L)工藝中，制作半導(dǎo)體集
成電路時，半導(dǎo)體器件層形成之后，需要在半導(dǎo)體器件層之上形成金屬互連層，每層金 屬互連層包括金屬互連線和絕緣材料層，這就需要對上述絕緣材料層制造溝槽(trench) 和連接孔，然后在上述溝槽和連接孔內(nèi)沉積金屬，沉積的金屬即為金屬互連線，一般選 用銅作為金屬互連線材料。絕緣材料層包括刻蝕終止層，例如氮化硅層，還包括形成在 刻蝕終止層上的低介電常數(shù)(Low-K)材料層，例如含有硅、氧、碳、氫元素的類似氧化 物(Oxide)的黑鉆石(black diamond，BD)或者摻有氟離子的硅玻璃(FSG)?，F(xiàn)有技術(shù)中，銅互連層可以為三層，包括頂層、中間層及底層銅互連層，在實 際工藝制程中，可根據(jù)不同需要設(shè)置多層銅互連層。如果是在多層銅互連層的情況下， 可以按要求復(fù)制多層中間層銅互連層，有時也會按需要復(fù)制兩層頂層銅互連層。具有三 層銅互連層的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。圖中絕緣材料層下是半導(dǎo)體器件層， 圖中未顯示。圖中頂層銅互連層由鈍化層104覆蓋，每層銅互連層包括刻蝕終止層101， 以及沉積于其上的低介電常數(shù)材料層102 ；由溝槽和連接孔形成的銅互連線103掩埋在絕 緣材料層中，用于連接各個銅互連層。從圖1中可以看出，底層銅互連層只有連接孔； 中間層銅互連層的左側(cè)，是溝槽和位于其下的連接孔相接，而右側(cè)只有溝槽。所以說每 層互連層具體設(shè)置溝槽還是連接孔，是根據(jù)具體器件需要而定的。為了防止銅擴(kuò)散進(jìn)入絕緣層，更好地限制在溝槽和連接孔內(nèi)，一般采用鉭(Ta) 和氮化鉭(TaN)的疊層結(jié)構(gòu)，作為金屬互連線和絕緣層之間的阻擋膜。現(xiàn)有技術(shù)中可以在連接孔、溝槽、或者同時在溝槽和連接孔內(nèi)形成阻擋層。本 申請文件以在連接孔內(nèi)形成阻擋層為例進(jìn)行說明，在連接孔內(nèi)形成阻擋層的剖面結(jié)構(gòu)示 意圖如圖2a至2c所示。如圖2a所示，在絕緣層100上刻蝕形成有連接孔，所述連接孔與下層的銅互連 線連接。通過物理氣相沉積(PVD)的方法，在連接孔的底部和側(cè)壁上濺射形成TaN層 201 ；接下來，在TaN層201表面濺射形成Ta層202，TaN層201和Ta層202共同構(gòu)成
疊層阻擋層。然后，如圖2b所示，依次刻蝕連接孔底部上的Ta層202和TaN層201，形成開 口，露出下層的銅互連線。該過程稱為物理轟擊(re-sputter)，re-sputter在理想狀況下， 只會對準(zhǔn)連接孔的位置進(jìn)行轟擊，這是一個比較重要的物理刻蝕步驟。如果疊層阻擋膜 如圖2a中的情形，也可以實現(xiàn)阻擋膜的作用，但是這樣依次濺射形成TaN層201和Ta層 202之后，連接孔底部的側(cè)壁上的臺階覆蓋(stepcovenige)是比較差的，即由于孔相對較 窄，沉積到孔內(nèi)側(cè)壁的TaN層201和Ta層202比較薄，則該位置就難以阻擋銅的擴(kuò)散。 如果如圖2b所示，進(jìn)行物理轟擊，將連接孔底部打開，則刻蝕掉的底部Ta和TaN會反濺到連接孔底部的側(cè)壁上，恰好補(bǔ)充了連接孔底部的側(cè)壁厚度。另一方面，將連接孔底部 打開時，不但可以使前后層的銅金屬線更好地接觸，而且，為了確保完全打開連接孔的 底部，會在完全刻蝕去除底部的同時，稍微過刻蝕下層的銅互連線，將下層的銅互連線 刻蝕形成一個凹槽，這樣在形成如圖2c中所示的情形時，即在下層的銅互連線的凹槽表 面濺射金屬Ta時，濺射面積比較大，這樣相比于只有如圖2a的情形就可以減小阻擋膜的 接觸電阻。接著，如圖2c所示，采用PVD的方法淀積第二 Ta層203，覆蓋露出的下層的銅 互連線，以及溝槽和連接孔的其他位置，與之前的Ta層202相連為一體。至此，現(xiàn)有技 術(shù)的阻擋層已經(jīng)形成。其中，連接孔作為多層金屬層間互連以及器件有源區(qū)與外界電路之間連接的通 道，在器件結(jié)構(gòu)組成中具有重要的作用。連接孔分為接觸孔和通孔。接觸孔(contact， CT)指硅芯片內(nèi)的半導(dǎo)體器件層與第一金屬層之間在硅表面的連接，如圖1中的底層銅互 連層所示，CT直接與半導(dǎo)體器件層相連接。通孔(via)指穿過各種介質(zhì)層從某一金屬層 到毗鄰的另一金屬層之間形成電通路的開口，也就是說via連接下層的銅互連線，如圖1 中的中間層銅互連層和頂層銅互連層所示，也正如圖2a至2c的示意圖所示。對于接觸 孔和通孔來說，刻蝕工藝是相同的。連接孔的接觸電阻(Re)，包括連接孔阻擋層的電阻和后續(xù)填入孔內(nèi)的金屬銅的 電阻，一般要求此電阻越小越好。連接孔底部的阻擋層厚度，是影響Rc的一個非常重 要的因素，厚度越薄，電阻則越小。理想狀況下，連接孔底部的阻擋層就是第二 Ta層 203，但是在re-sputter過程中，由于機(jī)臺設(shè)計上的缺陷，無法保證整個晶圓上的刻蝕速 率(etchrate)相同，圖3為現(xiàn)有技術(shù)在晶圓上進(jìn)行re-sputter時，實際刻蝕速率的示意圖。 從圖中可以看出，在刻蝕速率平均值為6.2574埃/秒時，晶圓右側(cè)上的刻蝕速率大于平 均值，而晶圓左側(cè)上的刻蝕速率小于平均值。這樣re-sputter完成后，就導(dǎo)致晶圓上有的 位置剛好刻蝕露出下層銅互連線，而有的位置連接孔底部還沒有打開，即疊層阻擋層還 沒有被完全轟擊去除。顯然，后一種情況下的Rc較高，而且整個晶圓上形成的Rc阻值均 勻性也很差。Rc阻值均勻性是指(Re最大值-Rc最小值)/2倍平均值，顯然， 越低越好，而現(xiàn)有的機(jī)臺刻蝕速率不均勻造成的Rc較高，較差，都是現(xiàn)有所面臨的 難題。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明解決的技術(shù)問題是降低Rc阻值，提高Rc阻值均勻性。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案具體是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明提供了一種提高接觸電阻均勻性的方法，該方法包括在阻擋層反應(yīng)腔內(nèi)濺射形成疊層阻擋層，所述疊層阻擋層包括依次濺射的氮化 鉭TaN層和鉭Ta層，所述疊層阻擋層覆蓋晶圓上連接孔底部和側(cè)壁；在阻擋層反應(yīng)腔內(nèi)對連接孔的底部進(jìn)行第一次物理轟擊re-sputter，去除連接孔 底部疊層阻擋層厚度的1/3 2/3 ；將晶圓轉(zhuǎn)移至傳送室Load Lock Chamber,相比于在阻擋層反應(yīng)腔進(jìn)行第一次 re-sputter時的放置位置水平旋轉(zhuǎn)180度；
將晶圓從Load Lock Chamber轉(zhuǎn)移至阻擋層反應(yīng)腔進(jìn)行第二次re-sputter，去除連
接孔底部的疊層阻擋層，顯露出下層的銅互連線或者半導(dǎo)體器件層；在疊層阻擋層表面 濺射形成第二 Ta層，所述第二 Ta層同時覆蓋下層的銅互連線 或者半導(dǎo)體器件層。所述第一次re-sputter時，通入阻擋層反應(yīng)腔內(nèi)的氣體包括氬氣Ar，所述Ar的 流量為10 30標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘sccm ；所述阻擋層反應(yīng)腔內(nèi)直流功率為400 2000 千瓦；射頻功率為400 1200瓦。所述第二次re-sputter時，通入阻擋層反應(yīng)腔內(nèi)的氣體包括Ar，所述Ar的流量 為10 30SCCm ；所述阻擋層反應(yīng)腔內(nèi)直流功率為400 2000千瓦；射頻功率為400 1200 瓦。由上述的技術(shù)方案可見，將物理轟擊分為兩次進(jìn)行，在兩次re-sputter之間，力口 入旋轉(zhuǎn)晶圓的步驟，將晶圓水平旋轉(zhuǎn)180度，來平衡晶圓上re-sputter時的刻蝕速率，使 得對整個晶圓的刻蝕速率均勻，從而達(dá)到連接孔的Rc阻值降低，且大大提高了Rc的阻值 均勻性。通過本發(fā)明的方法，克服了機(jī)臺本身在整個晶圓上刻蝕速率不均勻的缺陷，使 得兩次re-sputter之后，晶圓各處的刻蝕速率趨于一致，從而保證剛好刻蝕顯露出下層的 銅互連線，或者半導(dǎo)體器件層。這樣在連接孔底部濺射形成第二 Ta層時，晶圓上各處連 接孔底部的阻值基本相同，即Rc的阻值均勻性明顯提高。


圖1為具有三層銅互連層的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)示意圖。圖2a至2c為在連接孔內(nèi)形成阻擋層的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為現(xiàn)有技術(shù)在晶圓上進(jìn)行re-sputter時，實際刻蝕速率的示意圖。圖4為本發(fā)明為提高晶圓上Rc的阻值均勻性的方法流程示意圖。圖5為經(jīng)過本發(fā)明的方法，整個晶圓上的刻蝕速率示意圖。圖6為經(jīng)過晶圓允收測試得到現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明的Rc數(shù)據(jù)圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案、及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施 例，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明的核心思想是將物理轟擊分為兩次進(jìn)行，在兩次re-sputter之間，加入 旋轉(zhuǎn)晶圓的步驟，將晶圓水平旋轉(zhuǎn)180度，來平衡晶圓上re-sputter時的刻蝕速率，使得 對整個晶圓的刻蝕速率均勻，從而達(dá)到連接孔的Rc阻值降低，且大大提高了 Rc的阻值均 勻性。針對re-sputter時，機(jī)臺本身的缺陷(對晶圓左側(cè)的刻蝕速率相比于右側(cè)高，或 者對晶圓右側(cè)的刻蝕速率相比于左側(cè)高，這都根據(jù)具體機(jī)臺而不同)，本發(fā)明為提高晶圓 上Rc的阻值均勻性，方法流程示意圖如4所示。步驟41、在阻擋層反應(yīng)腔內(nèi)淀積疊層阻擋層，包括采用PVD的方法依次濺射的 TaN層和Ta層，所述疊層阻擋層覆蓋連接孔底部和側(cè)壁。步驟42、在阻擋層反應(yīng)腔內(nèi)進(jìn)行第一次re-sputter，刻蝕連接孔底部的疊層阻擋層，即依次刻蝕連接孔底部上的Ta層和TaN層，刻蝕消耗連接孔底部的疊層阻擋層總厚 度的1/3至2/3為止。進(jìn)行re-sputter的具體刻蝕工藝參數(shù)為氬氣(Ar)的流量為10 30標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘(sccm)；反應(yīng)腔的直流功率在400 2000瓦；射頻功率在400 1200瓦。其中Ar在反應(yīng)腔內(nèi)被加速，打在連接孔底部，利用物理上能量 的轉(zhuǎn)移，將連 接孔底部的金屬轟擊出來，達(dá)到刻蝕的目的。本發(fā)明第一次re-sputter，理想狀況下，刻蝕掉連接孔底部的疊層阻擋層總厚度 的1/2，但是考慮到實際的機(jī)臺操作，在預(yù)先設(shè)定的刻蝕速率下，晶圓左側(cè)和右側(cè)刻蝕速 率不同，刻蝕去掉的厚度就不同，總之，整個晶圓上刻蝕去掉厚度在1/3至2/3。步驟43、將晶圓轉(zhuǎn)移至傳送室(Load Lock Chamber)，Load Lock Chamber 是 連接高壓阻擋層反應(yīng)腔與常壓之間的通道，同時也用于隔絕阻擋層反應(yīng)腔與大氣直接接 觸，以確保阻擋層反應(yīng)腔內(nèi)的潔凈。本發(fā)明利用該Load Lock Chamber作為旋轉(zhuǎn)晶圓的 空間，短時間放置晶圓，晶圓在Load Lock Chamber中，相比于在阻擋層反應(yīng)腔進(jìn)行第一 次re-sputter時的放置位置水平旋轉(zhuǎn)180度，用于后續(xù)再進(jìn)入阻擋層反應(yīng)腔中，進(jìn)行第二 次re-sputter時，平衡機(jī)臺在整個晶圓上的刻蝕速率。這是本發(fā)明的一個關(guān)鍵步驟。步驟44、將晶圓從Load Lock Chamber轉(zhuǎn)移至阻擋層反應(yīng)腔，進(jìn)行第二次 re-sputter,完全去除連接孔底部的疊層阻擋層。進(jìn)行re-sputter的具體刻蝕工藝參數(shù)與 步驟42中相同，在此不再一一介紹。由于在LoadLock Chamber中位置角度已經(jīng)發(fā)生改 變，所以晶圓從Load Lock Chamber轉(zhuǎn)移至阻擋層反應(yīng)腔時，仍然保持的是在Load Lock Chamber中的位置角度。而機(jī)臺本身的刻蝕缺陷是固定不會改變的，如果晶圓左側(cè)在第 一次re-sputter時，是低速率刻蝕，那么由于此時晶圓已經(jīng)水平旋轉(zhuǎn)了 180度，再次放在 機(jī)臺中進(jìn)行第二次re-sputter時，晶圓左側(cè)進(jìn)行的就是相對晶圓右側(cè)高的速率刻蝕；相 反，如果晶圓左側(cè)在第一次re-sputter時，是高速率刻蝕，那么再次放在機(jī)臺中進(jìn)行第二 次re-sputter時，晶圓左側(cè)進(jìn)行的就是相對晶圓右側(cè)低的速率刻蝕。經(jīng)過兩次刻蝕速率的平衡，使得在整個晶圓上，物理轟擊連接孔底部的均勻性 得到有效地控制。通過時間上的控制，使得re-sputter在剛好顯露出下層的銅互連線或者 下面的半導(dǎo)體器件層時停止。步驟45、在疊層阻擋層表面采用PVD方式濺射第二 Ta層，并且覆蓋露出的下 層的銅互連線，或者露出的半導(dǎo)體器件層。至此，本發(fā)明形成阻擋層的方法已經(jīng)介紹完 畢。經(jīng)過本發(fā)明的方法，整個晶圓上的刻蝕速率如圖5所示。從圖5中可以看出， 不再像現(xiàn)有技術(shù)中那樣，晶圓左右兩側(cè)刻蝕速率明顯偏離平均值，而是在整個晶圓上刻 蝕速率趨于一致，只有微小的偏移。經(jīng)過晶圓允收測試(WaferAcceptance Test，WAT) 得到如圖6所示的數(shù)據(jù)圖數(shù)據(jù)以盒子圖表示，縱坐標(biāo)為Rc阻值，橫坐標(biāo)用于區(qū)分現(xiàn)有 技術(shù)(左側(cè)盒子圖)和本發(fā)明(右側(cè)盒子圖)。從圖中可以看出，對于單個接觸孔阻值 (KalvinVia),本發(fā)明都比現(xiàn)有技術(shù)的低，而且本發(fā)明的盒子圖比較窄，說明本發(fā)明的Rc 分布明顯較之現(xiàn)有技術(shù)的窄，即Rc阻值均勻性大大提高。經(jīng)過計算得出，Rc阻值 下降了 15%，Rc阻值均勻性也從3.2%降至0.7%。以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。 凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范 圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種提高接觸電阻均勻性的方法，該方法包括在阻擋層反應(yīng)腔內(nèi)濺射形成疊層阻擋層，所述疊層阻擋層包括依次濺射的氮化鉭 TaN層和鉭Ta層，所述疊層阻擋層覆蓋晶圓上連接孔底部和側(cè)壁；在阻擋層反應(yīng)腔內(nèi)對連接孔的底部進(jìn)行第一次物理轟擊re-sputter，去除連接孔底部 疊層阻擋層厚度的1/3 2/3 ；將晶圓轉(zhuǎn)移至傳送室Load Lock Chamber,相比于在阻擋層反應(yīng)腔進(jìn)行第一次 re-sputter時的放置位置水平旋轉(zhuǎn)180度；將晶圓從Load Lock Chamber轉(zhuǎn)移至阻擋層反應(yīng)腔進(jìn)行第二次re-sputter，去除連接孔 底部的疊層阻擋層，顯露出下層的銅互連線或者半導(dǎo)體器件層；在疊層阻擋層表面濺射形成第二 Ta層，所述第二 Ta層同時覆蓋下層的銅互連線或者 半導(dǎo)體器件層。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一次re-sputter時，通入阻擋層反 應(yīng)腔內(nèi)的氣體包括氬氣Ar，所述Ar的流量為10 30標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘sccm ；所述 阻擋層反應(yīng)腔內(nèi)直流功率為400 2000千瓦；射頻功率為400 1200瓦。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二次re-sputter時，通入阻擋層反 應(yīng)腔內(nèi)的氣體包括Ar，所述Ar的流量為10 30SCCm;所述阻擋層反應(yīng)腔內(nèi)直流功率為 400 2000千瓦；射頻功率為400 1200瓦。
全文摘要
本發(fā)明提高接觸電阻均勻性的方法包括在阻擋層反應(yīng)腔內(nèi)濺射形成疊層阻擋層，疊層阻擋層包括依次濺射的TaN層和Ta層，覆蓋晶圓上連接孔底部和側(cè)壁；在阻擋層反應(yīng)腔內(nèi)對連接孔的底部進(jìn)行第一次re-sputter，去除連接孔底部疊層阻擋層厚度的1/3～2/3；將晶圓轉(zhuǎn)移至Load Lock Chamber，相比于在阻擋層反應(yīng)腔進(jìn)行第一次re-sputter時的放置位置水平旋轉(zhuǎn)180度；將晶圓從Load Lock Chamber轉(zhuǎn)移至阻擋層反應(yīng)腔進(jìn)行第二次re-sputter，去除連接孔底部的疊層阻擋層，顯露出下層的銅互連線或者半導(dǎo)體器件層；在疊層阻擋層表面濺射形成第二Ta層。該方法降低了Rc阻值，有效提高了Rc阻值均勻性。
文檔編號H01L21/68GK102024745SQ20091019540
公開日2011年4月20日 申請日期2009年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月9日
發(fā)明者聶佳相 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司