专利名称：：铝互连线的可控表面氧化的制作方法
技术领域：
：本发明的实施方式涉及集成电路形成中的溅射，更具体地涉及用于形成互连线的溅射铝的后处理。
背景技术：
：溅射，也称作物理气相沉积(PVD)，是在硅集成电路制造中沉积金属及相关材料层最普遍的方法。在商业生产中最常用的一种DC电磁管溅射中，溅射涂覆的晶圆设置在与要溅射的金属靶材相对的真空腔室中。氩工作气体可以引入到真空腔室。当相对于腔室壁或其护罩，靶材为负偏压时，氩气激励到等离子体并从靶材溅射出金属原子，其中一些金属原子撞击晶圆并在其上形成金属涂层。放置在耙材后面的电磁管包括极性相对的磁极来将磁场投射到与靶材的溅射面相邻的腔室从而增加等离子体的密度和溅射速率。可以对晶圆施加电偏压来辅助涂覆到更深和更窄的孔(via)。溅射的其他形式可以包括RF感应线圈、辅助磁体以及复杂形状的靶材。溅射铝一直用作金属化来形成垂直和水平的互连线。应该理解，铝可以是合金。通常预期的合金为数量少于10at%，通常少于5at。/。的铜、镁和硅。在半导体制造中标准的铝合金包括0.5wtM的铜。其他金属通常不超过lat%。图1示出了使用铝金属化的简单的孔结构的横截面图。下电介质层10具有导电部件12，例如，在其表面由铝形成并需要电连接。上电介质层14沉积在下电介质层10及其导电部件12的上方，并且通孔16经过蚀刻贯穿上电介质层14直到其导电部件12。溅射铝层18来填充通孔16并且在上电介质层14的顶部表面处的场区20上形成平面层。铝溅射可以包括不同溅射步骤，甚至对于不同子层有独立的溅射腔室，但铝溅射的最后部分通常与在诸如400°C的适度高温下的硅晶圆一起进行以促进铝回流来填充通孔16以及平整化铝层18的上表面。如果以金属化的最低等级形成孔，下电介质层IO可由硅层取代，并且导电部件可以是通常形成于硅导电部件12和铝填充孔16之间的具有额外的接触(contact)、阻碍(barrier)或栅氧化区的硅掺杂区。在这一点上，铝层18呈现为未构图、未定义以及平坦的上表面，偏离在下层(underlying)部件上的等角沉积而出现的平面化。电介质层14的上表面20上方的铝层18的场厚度(fieldthickness)决定水平互连线的厚度，通常在160到lOOOnm范围之内。如图2的横截面图所示，对于通孔16外面的铝层18进行选择性蚀刻直到电介质层14的上表面或到其上表面20上的薄阻挡层。光刻蚀刻的构图通常形成连接到多个铝填充通孔或下一级金属化的狭长的水平电互连线。为了辅助限定蚀刻的构图德光刻，可将诸如氮化钛(TiN)的抗反射涂层(ARC)22沉积在图1中的未构图的铝层18的上方。可以在许多不同的腔室和平台中溅射铝。例如，图3示意性示出的平面图中的铝沉积系统30基于Endura平台，其可以从SantaClara,California(加利福尼亚州，圣克拉拉)的AppliedMaterials,Inc.(应用材料股份有限公司)购得。晶圆32加载在承载料盒(cassettes)34中，例如，塑料FOUP放置在两个加载互锁腔室(loadlockchamber)36，38中，该腔室36，38由狭口阀与保持适度低压的内部传送腔室40隔离。一旦承载料盒34装载到加载互锁腔室36，38中，并且加载互锁腔室36，38己经抽真空，内部传送腔室40中的内部机械手42可以在加载互锁腔室36，38的任意一个中的承载料盒34与设置在内部传送腔室40周围的多个工艺腔室46、48、50、52任意一个之间传送晶圆32。这些内部腔室通常执行不需要超高真空的预处理，诸如定向(orienting)、脱气(degassing)以及预清洗等。因此，内部传送腔室40需要泵至仅约1mimTorr的基本压力。内部机械手42也可以将晶圆32传送到通道腔室(passthrough)54,56并且可从其中传送出来。外部传送腔室62中的外部机械手60也可以将晶圆32传送到通道腔室54，66并且可从其中传送出来。未示出的狭口阀将通道腔室54，56的每一个与内部和外部传送腔室40,62隔离，从而允许外部传送腔室62保持比内部传送腔室42低的基本压力，例如，约lxio'8Torr。低基本压力主要来防止溅射沉积薄膜的氧化。设置在外部传送腔室62周围并通过各自狭口阀与其隔离的是铝PVD腔室64和阻挡PVD腔室66，例如，溅射钛。其他工艺腔室68、70也可以设置在外部传送腔室62周围，诸如不同类型的铝溅射腔室，例如，用于铝浸种(aluminumseed)而不是铝填充，或为了增加产量而复制的铝溅射腔室。所有这些腔室64、66、68、70可以获益于外部传送腔室62的高真空级。通道腔室54，56在两个传送腔室40，62之间提供两个方向的晶圆流向。此外，它们适用于进行一些辅助工艺。在最终铝溅射沉积之后的晶圆32可以在约400°C的相对高温下，并且在返回一个承载料盒34之前，可以不需要进一步的实质处理。附着在机械手42,60上的刀片(blade)设计为能够经受该高温。然而，承载料盒34通常由塑料材料构成，从而插入到承载料盒34中的晶圆应该处在诸如不超过100。C的相对低温下。因此，如在图4的横截面图中示意性示出的，在输出方向上的通道腔室56可适于用作冷却腔室80，其由真空腔室82与传送腔室40,62集成形成。在溅射之后并且返回承载料盒34之前，晶圆32在冷却腔室80中冷却至较低的温度。在紧邻传送腔室40,62的相对的壁中形成具有足够通过晶圆32的横向宽度的晶圆口84,86。晶圆口84，86通过延长连接到由致动器96，98驱动的轴92,94的阀门头来选择性密封，从而形成各自的狭口阀。在传送腔室40，62和工艺腔室46、48、50、52、64、66、68、70以及加载互锁腔室36,38之间形成相似的狭口阀。两个机械手42，60的刀片可以进入分别打开的晶圆口84,86来将晶圆传送到基座100并从其上传送出来。来自冷却器102的冷却水通过基座100中的冷却管道104来将其维持至适于冷却晶圆32的较低温度。氩气从氩气源106通过气阀108供给到冷却腔室80。通常，氩气源106也在溅射操作期间将氩气供给溅射腔室62,66。在30到60秒的冷却期间可以以氩气周围环境约1到2Torr的气压冷却热晶圆32从而促使热量传送到冷却基座100上。对于在冷却腔室80已经粗抽真空后，通常不需要连续抽气。相反，在热晶圆32从外部传送腔室62传送到冷却腔室80后，中间狭口阀90关闭并且所需氩气的数量通过气阀108传送到冷却腔室80中，此后供给中断或减少，而该氩气在冷却期间保持在冷却腔室80中。在冷却结束时，打开通往内部传送腔室40的狭口阀88。冷却腔室80总是由机械(干式粗抽(dryrough))泵抽真空至约10microTorr的气压。额外的氩气通过开口的狭口阀释放到一个由低温泵不断抽气的传送腔室40,62中。上面描述的工艺在其基本原理上已经应用多年。然而，随着器件尺寸的减小，形成水平互连线的铝层厚度也在减小。这些更薄铝层在经受固有应力以及发生在诸如热循环中的应用应力方面的能力随着薄膜厚度而减小。但是，对于薄膜电阻率以及反射率的现有要求必须满足。反射率的要求简化了光刻。如图1和2示出的，产生自影响薄膜表面结构的薄膜应力的缺陷包括从薄膜平面向外延伸的凸出物的凸起(hillocks)110，以及可为在铝薄膜表面中形成的深槽的晶粒槽。与从薄膜沉积工艺、薄膜冷却以及随后在退火的热循环中产生的金属层或电介质相关的应力可以在金属层中产生缺陷。由于折中了将薄膜可靠地蚀刻至所需厚度以及沉积平面形式的后续的器件金属和介质层而必需的薄膜平坦性，这些缺陷大大影响器件的可靠性以及器件的产量。
发明内容用于集成电路中的铝互连线的铝薄膜是在仅含有氧气的活性成份的环境中可控地进行氧化。随着衬底从诸如大于300°C的溅射温度冷却到低于100°C温度，在高于100。C时可以产生氧化。在更低温度下，衬底可以返回到塑料承载料盒。部分氧气可以在0.01到1Torr范围内。优选下限为0.1Torr。优选上限为0.5Torr。另外，可以添加诸如氩气或氦气的惰性气体来促进冷却。总气压可以在lto5Torr范围内或更高。可以在两个传送腔室之间隔离的冷却腔室中执行氧化，该传送腔室周围设置有用于形成互连线的多个工艺腔室。可以控制供给到氧化冷却腔室的氩气和氧气来防止氧气通过氩气管道回流到与其相连的溅射腔室和传送腔室。在一个实施方式中，冷却腔室在冷却之前抽成真空，但在供给氩气和氧气或冷却期间不抽成真空。向冷却腔室供给数量可控的氩气。停止供给氩气后，供给数量可控的氧气。通过确保传送腔室和冷却腔室之间的狭口阀与传送腔室和铝溅射腔室之间的狭口阀不同时打开来避免氧气污染。图1示出了在蚀刻到水平互连接线之前，现有技术中铝金属化的横截面图。图2示出了蚀刻之后，图1中的铝金属化的横截面图。图3示意性示出了铝溅射系统的平面图。图4示意性示出了本发明中使用的图3中的系统冷却腔室的横截面图。图5示出了传统溅射铝薄膜的分布图。图6示出了根据本发明的一个实施方式可控地氧化后的铝金属化的横截面图。图7示出了本发明的可控地氧化后的溅射铝薄膜的分布图。图8示出了用于本发明中的冷却腔室中含有电气和气体管道的供给系统的一个实施方式的示意图。图9示出了供给系统的另一个实施方式的示意图。具体实施例方式应该理解，当含有暴露的铝薄膜的晶圆在冷却后返回到洁净室环境的承载料盒中时，铝薄膜立即氧化为类似于化合物Al203的自生氧化物。已经确定，在氩冷却到约100°C以下时，自生氧化物具有约4.2nm的厚度并且与下层铝的界面不平整，而是趋向于起伏并且略微模糊，即渐变的。在这样的氩冷却铝薄膜上进行的原子力显微镜(AFM)产生如图5所示的跨度超过10微米的表面分布。显而易见有深的凹槽。具有RmaX=101nm的最大值的峰一谷粗糙度以及表面呈现Rrms=16.5nm的RMS粗糙度。电子显微图示出了与表面凹槽之间的间隔对应的晶粒尺寸。并且，个别晶粒的平面看起来不均匀。溅射铝薄膜的表面外貌可以通过在高纯氧气环境中进行冷却以在铝层18上面产生如图6截面图所示的铝氧化层114。只有在氧化之后，氮化层22才在氧化层114上方沉积以准备光刻。在获得可控的热氧化物的一个实施方式中，如图3和4所示，氧气源120通过气阀122为冷却腔室80提供氧气(02)。然而，在热晶圆上升温度时的纯氧气将产生太厚的氧气层。因此，在一个实施方式中，实际数量的诸如氩气的惰性气体在氧气冷却期间也从氩气源106向冷却腔室80供给以促进冷却期间的热传送。总的氩气/氧气压强可以约为2Torr，其中氧气约0.01到0.5的分压强，尽管氧气约0.1Torr分压强证明是有利的。尽管晶圆32在冷却期间支撑在约22°C下的水冷基座32上，但应该认为冷却主要通过环境气体至基座32的对流冷却实现。在总压强下的典型冷却速率约为10°C/s。在冷却腔室80中的氧气的分压强造成平坦的未构图的铝层18的上表面被氧化并形成如图6横截面图示出的铝氧化层114。使用与图5中生成的相对数据相类似的铝沉积条件，在晶圆的氩气冷却后，与传统的在空气中形成的4.2nm的自生氧化物相比，示出的本发明的氧冷却自生氧化物具有约2nm的厚度。铝层18的部分氧化物造成氧化物厚度基本小于铝层18的场厚度的10%，从而铝互连的电导率基本不受影响。此外，下层铝氧化层18与氧化层114的界面在横跨约一单层的范围内是平整且清晰的。很明显热生氧化层是致密的并且能防止当晶圆返回到低于100°C的空气环境时被进一步氧化。空气环境包含很大比例的氮以及显著量的水蒸汽，即使在清洁室的干燥空气中。这两种成份可以影响空气的氧化。图7示出了氧冷却氧化物的AFM分布图。最大峰一谷粗糙度减小到Rmax=54.5nm以及RMS粗糙度减小到Rrms=11.6nm。与传统AFM分布相比，消除了较深的凹槽并减小了粗糙度。尽管在仅有氩气的冷却中晶粒的分界线更加明显，但晶粒尺寸看起来相同。在表1中示出氩冷却薄膜和所发明的氧冷却薄膜相比较的数字数据。薄膜电阻没有很大变化，但阻抗的均匀性显著提高。436和480nm的光波长的反射率随着氧气冷却而增加。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>氧冷却应该在完成铝溅射之后，但在蚀刻以形成构图的水平互连线之前以及在影响诸如抗反射涂层22的铝氧化物的铝层18上沉积其他明显层之前执行。铝氧化层114是绝缘的并且需要在与铝层的上层表面进行任何电接触之前去除，但该去除与自生氧化物的去除并无任何区别。热可控的氧化减少了凹槽112的深度，并且使图1和图2中的凸起110变平，以及减小了晶粒的尺寸。精确的机制并未完全理解。看起来，可能是通过促进表面沿由氧化物能量激励的初始晶粒边界线扩散，热氧化释放应力。相比含有水蒸汽和高含量的氮气的空气，在高纯度氧下氧化物产生更好的氧化。一种氧化纯度的测量方法是测量除了诸如氩气和氦气的惰性气体以外的氧化环境的活性组份大于99%氧气。应该提及的是氧气可能以臭氧(03)的形式存在。在冷却期间优选分压强在0.1和0.5Torr之间，尽管根据处理条件，更宽的可接受范围的氧气分压强为0.1到1Torr。当晶圆较热时显著较高的氧气气压将可能产生过度厚的氧化层。当总压力为2Torr时，相对高的氩气的分压强，至少为氧气的两倍，允许快速冷却速率。总压力可以在高于1Torr的范围之内，但优选不超过5Torr。可以预期，氩气量可以减少甚或消除而几乎不会直接影响氧化。然而，随着氩气的减少，冷却速率降低，从而氧化以较高温度持续一段时间，并且也降低了产量。氦气可以取代氩气作为对流的冷却气体。应该理解，基于氧气的冷却可以在除了通道腔室以外并且与溅射腔室相关的传送腔室相关的另一阀腔中执行，从而沉积和氧化之间的空气压强小于1microTorr。还应该理解，可以在设计为控制氧化并且不依赖于来自溅射温度的冷却的腔室中执行铝氧化。半导体溅射设备中氧气的使用是不寻常的并且造成潜在的问题。通常，包括通道腔室的Endura平台上的所有腔室均从与该平台邻近的气体分配板连接的一套公共气体源提供气体。非常需要防止氧气沿氩气管道扩散到溅射腔室或甚至扩散到高真空传送腔室。经验表明，在高真空传送腔室中暴露在残留氧气中的晶圆在放置到铝溅射腔室之前，在填充高纵横比的通孔时呈现严重的空隙。用于平台控制的软件应该包括互锁来防止在冷却腔室和高真空传送腔室之间的狭口阀打开的同时，溅射腔室和相关的高真空传送腔室之间的狭口阀被打开。如果从公共源向冷却腔室和溅射腔室供给氩气，用于向冷却腔室供给氩气和氧气的阀不能同时打开。即，氩气和氧气分别送入到冷却腔室并优选地首先送入氩气。如果冷却腔室在冷却期间未抽真空，最初送入冷却腔室的氩气和氧气量确定了在整个冷却期间氩气和氧气在冷却腔室的分压强。图8示出了到冷却腔室80的气体供给系统的一个实施方式。由氩气管道132供给的氩气及其气流由人工针型阀134计量并由电动一气动阀门136控制。同样，由氧气管道138供给的氧气及其气流由人工针型阔140计量并且由电动一气动阀门138控制。电动一气动阀门136，142的输出供给到冷却腔室80中。电动一气动阀门136，142每一个都包括两级阀门。通常由电气驱动的螺线管致动的第一级阀门，控制通过闸阀146供给自干燥空气管道144的洁净干燥空气(CDA)源的供给。由所控制的洁净干燥空气致动的第二级阀门通过电动一气动阀门打开和关闭氩气或氧气流。电动一气动阀门136，142本身执行无效计量。控制器148发出电控制信号以打开通过CDA闸阀146的洁净干燥空气源的供给并且打开和关闭两个电动一气动阀门136，142。在公知的氩气和氧气气压下，向冷却腔室供给的氩气或氧气的数量由控制器M8打开电动一气动阀门136，142的时间量确定。如前所述，控制器148应该确保两个电动一气动阀门136,142不同时打开。并且，控制器148应该在打开氧气的电动一气动阀门142之前首先打开和关闭氩气的电动一气动阀门136。气体源的连接基本防止了氧气通过氩气气阀136以及针型阀134朝向氩气源回流到溅射腔室。氩气的电动一气动阀门136直到冷却腔室己经清除氧气后才能重新打开。氧气隔离可通过专门用于冷却腔室80并且通过闸阔152与其连接的粗抽泵150进一步改善。粗抽泵150不用于粗抽溅射腔室或高真空传送腔室。控制器148关闭闸阀152，同时在随后冷却期间，将氩气和氧气注入到冷却腔室80。在冷却后，粗抽泵将冷却腔室80气体排除。与传送腔室泵相关联的低温泵通过开口的狭口阀将冷却腔室抽真空到超高真空。如图9示出的示意图，通过将具有由控制器148电控制的气体质量流量控制器154替代氧气针型阀140，可改进热氧化的控制。另一个电动一气动阀门156允许气体质量流量控制器154隔离。气体质量流量控制器也可以替代氩气针型阀134，但通常用于冷却的氩气气流和气压不需要关闭控制或调整。因此本发明在较小程度增加设备复杂度及成本以及不影响产量的情况下大大改进了铝金属化的质量。权利要求1.一种沉积用于集成电路互连线的铝的方法，包括以下步骤在夹持于上升温度下的衬底上溅射沉积未构图的铝层；以及随后在含有主要由氧气组成的活性气体的环境中部分氧化所述未构图的铝层。2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧化在冷却所述衬底的冷却步骤中执行。3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述环境还包含氩气，氩气和氧气的总气压不超过5Torr。4、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述环境还包含多于氧气的氩气。5、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，包括向冷却所述衬底的腔室首先供给氩气并随后中止氩气供给以及随后开始供给氧气的步骤。6、根据权利要求2到5中的任意一项所述的方法，其特征在于，所述冷却步骤将所述衬底冷却至不超过100°C。7、根据权利要求2到5中的任意一项所述的方法，其特征在于，所述上升温度至少为300°C。8、根据权利要求2到5中的任意一项所述的方法，其特征在于，还包含随后的光刻限定所述铝层。9、根据权利要求2到5中的任意一项所述的方法，其特征在于，所述环境包含0.01和1Torr之间的氧气的分压强。10、根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述氧气的分压强至少为0.1Torr。11、根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述氧气的分压强不超过0.5Torr。12、根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述环境还包括氩气使得氧气和氩气的总气压在1和5Torr之间。13、根据权利要求2到5中的任意一项所述的方法，其特征在于，还包含装载来自与保持第一基本压力的第一传送腔室相邻设置的承载料盒的衬底；其中，所述溅射在与保持低于所述第一基本压力的第二基本压力的第二传送腔室相邻设置的溅射腔室中执行；以及其中，所述冷却在所述第一传送腔室和第二传送腔室可访问的通道腔室中执行。14、根据权利要求2到5中的任意一项所述的方法，其特征在于，还包含防止含有晶圆的腔室在冷却期间同时与执行溅射的溅射腔室的内部进行交流。15、一种溅射平台，包含其中设置第一机械手的第一传送腔室；通过阀门耦合到所述第一传送腔室的加载互锁腔室，其用于包括装载多个衬底的承载料盒并且可以通过所述第一机械手访问；其中设置第二机械手的第二传送腔室；配置用于溅射铝并通过阀门耦合到所述第二传送腔室的溅射腔室；通过各自的阀门耦合到所述第一传送腔室和第二传送腔室并且可以通过所述第一机械手和第二机械手访问的通道腔室；以及可控地向所述通道腔室供给的氧气源。16、根据权利要求15所述的平台，其特征在于，还包含可控地向所述通道腔室供给的氩气源。17、根据权利要求16所述的平台，其特征在于，还包含将氩气和氧气源交替供给到所述通道腔室的控制装置。18、根据权利要求15到17中的任意一项的所述的平台，其特征在于，所述通道腔室作为冷却腔室。19、根据权利要求18所述的平台，其特征在于，还包含连接到所述通道腔室但未连接到所述溅射腔室的泵。20、一种溅射平台，包括包括机械手的传送腔室；通过第一阀门连接到所述传送腔室并且可由所述机械手访问的溅射腔室，其用于在衬底上溅射铝；通过第二阀门连接到所述传送腔室并可由所述机械手访问的冷却腔室，其用于包含所述衬底并冷却所述衬底；以及可控地向所述冷却腔室供给的氧气源。21、根据权利要求20所述的平台，还包括可控地向所述冷却腔室供给的氩气源。全文摘要本发明涉及铝互连线的可控表面氧化，其公开了在可额外选择氩气的纯氧气环境中用于集成电路的可控地氧化(114)铝互连金属化(18)。晶圆从铝溅射期间产生的300℃温度冷却到不大于100℃的温度，从而允许铝处理的晶圆装载到塑料承载料盒(34)。在高真空传送腔室(62)和低真空传送腔室(40)之间的通道腔室(56，80)中能够可控地发生氧化。氧气分压强在0.01到1Torr范围内是有利的，优选地为0.1到0.5Torr。当晶圆放置在水冷的基座上时，增加氩气至总气压大于1Torr可促进晶圆冷却。为了防止氧气回流到溅射腔室，冷却腔室在冷却期间不抽成真空并且首先将氩气然后将氧气送入冷却腔室。文档编号H01L21/00GK101373735SQ20071019874公开日2009年2月25日申请日期2007年12月12日优先权日2007年8月22日发明者安东尼·C-T·陈,康成横山,建明·付,政·徐,勇曹,米勒·A·艾伦,阿诗士·博德克申请人:应用材料股份有限公司