通孔及通孔形成方法

2023-05-24 16:10:16 2

專利名稱：通孔及通孔形成方法
技術領域：
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本發明涉及半導體製造技術領域，特別涉及一種通孔及通孔形成方法。
背景技術：
隨著集成電路向深亞微米尺寸發展，器件的密集程度和工藝的複雜程 度不斷增加，對工藝過程的嚴格控制變得更為重要。其中，通孔作為多 層金屬層間互連以及器件有源區與外界電路之間連接的通道，由於其在 器件結構組成中具有重要作用，使得通孔的形成工藝歷來為本領域技術 人員所重視。
當前，形成通孔的步驟包括首先，如圖la所示，在半導體基底l 上形成介質層2;而後，如圖lb所示，圖形化所述介質層2，以形成接 觸孔3;之後，如圖lc所示，順序形成覆蓋所述接觸孔3的粘接金屬層 4和合金層5;最後，如圖ld所示，形成覆蓋所述合金層5並填充所述 接觸孔3的連接金屬層6，以形成通孔。
然而，實際生產發現，隨器件尺寸的縮小，通孔尺寸也隨之縮小，導 致按傳統工藝填充所述接觸孔時，所述接觸孔的填充能力受到限制，如 圖le所示，在填充過程中易產生孔洞7。如何減少形成通孔的過程中孔洞 7的產生成為本領域技術人員亟待解決的問題。
專利號為"02145835.9"的中國專利申請中提供了 一種縫隙的填充方 法，首先，如圖2a所示，在前驅體10表面上縫隙12底部形成晶種20;繼 而，如圖2b所示，通入反應氣體，使其與晶種20反應以在晶種20與縫隙 12底部交界處形成晶須30;進而，如圖2c所示，在縫隙12內形成無縫隙 的填充單晶體40。但是，上述方法的應用僅限於在前驅體10表面的縫隙 12間無孔洞地填充單晶體40,而對於形成通孔的工藝，若採用上述方法形成無孔洞的通孔，則需先形成前驅體，再在前驅體縫隙內順序形成晶 種、晶須和單晶體，工藝複雜。

發明內容
本發明提供了一種通孔形成方法，可減小形成的通孔中產生孔洞的
可能性，且工藝簡單；本發明提供了一種通孔，形成所述通孔時可減小 產生孔洞的可能性。
本發明提供的一種通孔形成方法，包括 在半導體基底上形成介質層； 圖形化所述介質層，以形成接觸孔； 形成覆蓋所述接觸孔的粘接金屬層和第 一合金層； 在所述第一合金層上形成第二合金層，所述第二合金層中的碳、氧 含量高於所述第一合金層中的碳、氧含量；
形成覆蓋所述第二合金層並填充所述接觸孔的連接金屬層，形成通孔。
可選地，所述第二合金層的平均厚度小於所述第一合金層的平均厚 度；可選地，所述粘接金屬層為Ti或Ta;可選地，所述第一合金層為 TiN或TaN;可選地，所述第二合金層為TiN或TaN;可選地，所述第一 合金層和所述第二合金層皆包含TiN或TaN時，所述第 一合金層為經歷 無機化操作的合金層；可選地，執行所述無機化操作時，包含無機化氣 體，所述無機化氣體包含H2和N"可選地，所述H2的流量範圍為1500 ~ 2000sccm;可選;也，所述^的流量範圍為1500 ~ 2000sccm;可選;也， 執行所述無機化操作時，反應功率範圍為1500 ~ 2000W;可選地，所述 連接金屬層為W或Cu。
一種通孔，形成於位於半導體基底上的介質層內，包括，接觸孔、 覆蓋所述接觸孔的粘接金屬層和第一合金層，以及覆蓋所述第一合金層 並填充所述接觸孔的連接金屬層，在所述第一合金層和連接金屬層之間，還包含第二合金層；覆蓋所述接觸孔側壁的所述第二合金層的厚度 自頂端向下遞減；所述第二合金層中的碳、氧含量高於所述第一合金層 中的-友、氧含量。
可選地，所述第二合金層的平均厚度小於所述第一合金層的平均厚 度；可選地，所述粘接金屬層為Ti或Ta;可選地，所迷第一合金層為 TiN或TaN;可選地，所述第二合金層為TiN或TaN;可選地，所述第一 合金層和所述第二合金層材料相同時，所述第 一合金層經歷無機化操 作；可選地，所述連接金屬層為W或Cu。
與現有技術相比，上述技術方案具有以下優點
上述技術方案提供的通孔形成方法，通過在所述第一合金層表面形成 碳、氧含量高於所述第一合金層的所述第二合金層，進而，利用所述第 二合金層調整後續填充的連接金屬層的沉積能力，即，連接金屬層在所 述第二合金層上的沉積能力弱於其在所述第一合金層上的沉積能力，且 所述第二合金層越厚，在其上沉積連接金屬層的能力越弱；由於利用傳 統工藝獲得的覆蓋所述接觸孔側壁的所述第二合金層的厚度自頂端向下 遞減，導致後續填充連接金屬層時，所述連接金屬層在覆蓋所述接觸孔 側壁頂端的所述第二合金層上的沉積能力弱於在接觸孔內其他區域的所 述第二合金層上的沉積能力，使得位於所述接觸孔側壁頂端的連接金屬 層的沉積速度慢於位於所述接觸孔內其他區域的連接金屬層的沉積速 度，可使在填充所述連接金屬層後形成無孔洞的通孔成為可能；
上述技術方案提供的通孔，通過在所述通孔內具有第二合金層，且所 述第二合金層中的碳、氧含量高於所述第一合金層中的碳、氧含量；使 得所述連接金屬層在所述第二合金層上的沉積能力弱於其在所述第一合 金層的沉積能力，即，所述第二合金層的引入使得在合金層上沉積連接 金屬層的能力減弱；且所述第二合金層越厚，沉積能力越弱；又由於覆 蓋所述接觸孔側壁頂端的第二合金層的厚度大於覆蓋所述接觸孔內其他 區域的第二合金層的厚度，使得所述連接金屬層在位於接觸孔側壁頂端的第二合金層上的沉積能力弱於在接觸孔內其他區域的第二合金層上的 沉積能力，致使位於所述接觸孔側壁頂端的連接金屬層的沉積速度慢於 位於所述接觸孔內其他區域的連接金屬層的沉積速度，可減小所述通孔 內孔洞的產生。


圖la-ld為說明現有技術中形成通孔的各步驟示意圖； 圖le為說明現有技術中形成的具有孔洞缺陷的通孔的結構示意圖； 圖2a ~ 2c為說明現有技術中形成孔洞缺陷的通孔的各步驟示意圖； 圖3a ~ 3e為說明本發明實施例的形成通孔的各步驟示意圖； 圖4為說明本發明實施例的形成的通孔的結構示意圖。
具體實施例方式
儘管下面將參照附圖對本發明進行更詳細的描述，其中表示了本發 明的優選實施例，應當理解本領域技術人員可以修改在此描述的本發明 而仍然實現本發明的有利效果。因此，下列的描述應當被理解為對於本 領域技術人員的廣泛教導，而並不作為對本發明的限制。
為了清楚，不描述實際實施例的全部特徵。在下列描述中，不詳細 描述公知的功能和結構，因為它們會使本發明由於不必要的細節而混 亂。應當認為在任何實際實施例的開發中，必須做出大量實施細節以實 現開發者的特定目標，例如按照有關系統或有關商業的限制，由一個實 施例改變為另一個實施例。另外，應當認為這種開發工作可能是複雜和 耗費時間的，但是對於本領域技術人員來說僅僅是常規工作。
在下列段落中參照附圖以舉例方式更具體地描述本發明。根據下列 說明和權利要求書本發明的優點和特徵將更清楚。需說明的是，附圖均 採用非常簡化的形式且均使用非精準的比率，僅用以方便、明晰地輔助 說明本發明實施例的目的。
應用本發明提供的方法形成通孔的具體步驟包括步驟l:如圖3a所示，在半導體基底IOO上形成介質層120。 在半導體襯底(substrate)上定義器件有源區並完成淺溝槽隔離、
繼而形成柵極結構及源區和漏區、進而沉積第一層間介質層(即金屬前
介質層，PMD)後，形成半導體基底IOO。
此外，在半導體^J"底(substrate)上定義器件有源區並完成淺溝槽 隔離、繼而形成柵極結構及源區和漏區、進而沉積第一層間介質層後， 繼續形成第一層通孔，並填充所述第一層通孔，隨後，形成第一金屬層； 繼而，沉積第二層間介質層後，仍可形成半導體基底100;或者，在沉積 第一層間介質層後，繼續形成第一層通孔及溝槽，並填充所述第一層通 孔及溝槽，繼而，沉積第二層間介質層後，仍可形成半導體基底IOO。
可擴展地，在沉積第N-l層間介質層後，繼續形成第N-l層通孔，並 填充所述第N-1層通孔，隨後，形成第N-1金屬層後，繼續沉積第N層間介 質層後，形成半導體基底100;或者，在沉積第N-1層間介質層後，繼續 形成第N-1層通孔及溝槽，並填充所述第N-1層通孔及溝槽，繼而，沉積 第N層間介質層後，仍可形成半導體基底IOO。
顯然，所述層間介質層的數目N可為任意自然數，如l、 3、 5、 7或9 等，所述層間介質層的具體數目根據產品要求確定。
所述金屬前介質層覆蓋所述柵極結構及源區和漏區並填滿位於所 述柵極結構間的線縫；所述柵極結構包含4冊極、環繞4冊極的側牆及4冊氧 化層。所述柵極結構還可包含覆蓋所述柵極和側牆的阻擋層。
晶、多晶或非晶結構的矽或矽鍺(SiGe),也可以是絕緣體上矽(SOI)。
可釆用PECVD (等離子體增強化學氣相澱積)、SACVD (亞常壓化學 氣相澱積)或LPCVD (低壓化學氣相澱積)等工藝形成所述介質層120。 所述介質層120材料包含但不限於未摻雜的二氧化矽(Si02 )、磷矽玻璃 (phosphosilicate glass, PSG)、硼石圭玻璃(borosi 1 icate ， BSG )、硼磷珪玻璃(borophosphosilicate , BPSG )、氟矽玻璃(FSG)或具有 低介電常數材料中的一種或其組合。所述具有低介電常數材料包括但不 限於黑鑽石(Black Diamond, BD)或coral等。
步驟2:如圖3b所示，圖形化所述介質層120，以形成接觸孔122。 可採用等離子刻蝕工藝執行所述圖形化才喿作。圖形化所述介質層12 0 的步驟可包括執行主刻蝕操作，以在形成的圖形區域內保留部分所述 介質層120;執行過刻蝕操作，以暴露部分所述半導體基底IOO。
步驟3:如圖3c所示，形成覆蓋所述接觸孔122的粘接金屬層140和第 一合金層160。
所述粘接金屬層140和第一合金層160用以增強所述接觸孔122與後續 填充所述接觸孔122的連接金屬層間的粘接性能，以降低接觸電阻。
所述粘接金屬層14 0可包含Ti或Ta;所述第 一合金層16 0可包含TiN或 TaN。可釆用PVD (物理氣相沉積)或MOCVD (金屬化學氣相沉積)工藝形 成所述粘接金屬層14 O和合金層160。
步驟4:如圖3d所示，在所述第一合金層160上形成第二合金層 162，所述第二合金層162中的碳、氧含量高於所述第一合金層160中 的碳、氧含量。
所述第二合金層162可包含TiN或TaN。可採用PVD (物理氣相沉 積)或MOCVD (金屬化學氣相沉積)工藝形成所述第二合金層162。
以所述合金層中包含TiN為例，由於通常採用熱分解TDMAT( Ti [N (CH 3) 2] 4,四二曱基胺鈦)的方式形成所述第一合金層160和第二合金層 162，致使形成的合金層中包含大量的碳、氧雜質；通常採用無機化操 作去除所述合金層中包含的碳和氧。熱分解TDMAT時的反應溫度為 350 ~ 450攝氏度，如400攝氏度。
所述無機化操作為利用H2和N2對所述合金層進行等離子體處理； TDMAT經化學反應生成Ti (C) N、 (CH3) 2 NH和石灰氪化合物，其中Ti (C) N和(CH3) 2NH會沉積在下層材料表面，而碳氫化合物會被抽離反應腔室。 執行所述無機化操作時，氫氣和氮氣(H2&N》會進入反應腔室；反應功率 設為1500 ~ 2000W,如1750W。在此條件下，112離子化為仏+， &離子化 為N" H/和沉積膜發生化學反應把碳(C)和氮(N)從沉積膜反應出來，而 N2+則把膜中的N2用N替換出來並最終形成氮化鈦(TiN)。該步驟中生成 的附屬產品CJIy+HNR2會被泵抽走。
執行所述無才幾化操作時，H2的流量範圍為1500 ~ 2000sccm,如 1800sccm; N2的流量範圍為1500 ~ 2000sccm,如l綱sccm。
執行所述無機化操作後，可降低所述第一合金層160的阻值並增加 所述第一合金層160的密度。傳統工藝中，在形成所述第一合金層160 後即進行形成連接金屬層以填充所述接觸孔的操作。
但是，實際生產發現，隨器件尺寸的縮小，所述接觸孔的填充能力 受到限制，在填充過程中易產生孔洞。
本發明的發明人分析後認為，所述孔洞的產生原因在於填充的連 接金屬層在所述接觸孔的側壁頂端的沉積速率高於所述連接金屬層在 接觸孔內部其他區域的沉積速率；由此，調整所述連接金屬層在所述接 觸孔的側壁頂端和內部其他區域的沉積速率，以使填充的連接金屬層在 所述接觸孔的側壁頂端的沉積速率低於所述連接金屬層在接觸孔內部 其他區域的沉積速率，成為減少孔洞產生的指導方向。
所述第 一合金層16 0與第二合金層162材料相同時，可對所述第 一合金 層160執行無機化操作，而對所述第二合金層162不執行無機化操作，以 使所述第二合金層中的碳、氧含量高於所述第一合金層中的碳、氧含量。
本發明的發明人經歷分析和實踐後認為，連接金屬層在碳、氧含量高 的第二合金層16 2上的沉積能力弱於其在碳、氧含量低的第 一合金層16 0 上的沉積能力，且所述第二合金層162越厚，在其上沉積連接金屬層的能 力越弱；採用現行沉積工藝時，由於在形成覆蓋所述接觸孔的第二合金層162的任一時段，位於所述接觸孔側壁頂端的第二合金層162的厚度均 高於位於所述接觸孔內部其他區域的第二合金層162的厚度；綜合考慮， 由於位於所述接觸孔側壁頂端的所述第二合金層162的厚度高於位於所 述接觸孔內部其他區域的所述第二合金層16 2的厚度，導致後續填充連接 金屬層時，所述連接金屬層在位於接觸孔側壁頂端的所述第二合金層162 上的沉積能力弱於在接觸孔內部其他區域的所述第二合金層162上的沉 積能力，致使位於所述接觸孔側壁頂端的連接金屬層的沉積速度慢於位 於所述接觸孔內部其他區域的連接金屬層的沉積速度，利於在填充所述 連接金屬層後形成無孔洞的通孔。
實踐中，所述第二合金層162的平均厚度可低於所述第 一合金層16 0 的平均厚度，以減小器件的接觸電阻；實際操作中，以形成的所述第二 合金層162中包含TiN為例，採用M0CVD工藝熱分解TDMAT以形成所述第二 合金層162的操作可僅持續1 ~ 3秒，形成的所述第二合金層162的平均厚 度可為10埃；而所述第一合金層160中包含TiN時，採用MOCVD工藝熱分解 TDMAT以形成所述第 一合金層16 0的操作可持續10秒，形成的所述第 一合 金層160的平均厚度可為50埃。
步驟5:如圖3e所示，形成覆蓋所述第二合金層162並填充所述接觸孔 122的連4矣金屬層180，以形成通孔。
所述連4妄金屬層180為W或Cu。可採用PVD (物理氣相沉積)或MOCVD (金屬化學氣相沉積)工藝形成所述連接金屬層180。
基於相同的構思，如圖4所示，本發明還提供了一種通孔，形成於位 於半導體基底200上的介質層220內，包括，接觸孔222、覆蓋所述接觸孔 222的粘接金屬層240和第一合金層260,以及覆蓋所述第一合金層260並 填充所述接觸孔222的連接金屬層300，在所述第一合金層260和連接金屬 層300之間，還包含第二合金層280;覆蓋所述接觸孔222側壁的所述第二 合金層280的厚度自頂端向下遞減；所述第一合金層260中的碳、氧含量 低於所述第二合金層280中的碳、氧含量。所述第二合金層280的平均厚度小於所述第一合金層260的平均厚度； 所述粘接金屬層240為Ti或Ta;所述第一合金層260和第二合金層280為 TiN或TaN;所述連接金屬層300為W或Cu。
通過在所述通孔內具有第二合金層，且所述第二合金層中的碳、氧含 量高於所述第一合金層中的碳、氧含量；使得所述連接金屬層在所述第 二合金層上的沉積能力弱於其在所述第一合金層的沉積能力，即，所述 第二合金層的引入使得在合金層上沉積連接金屬層的能力減弱；且所述 第二合金層越厚，沉積能力越弱；又由於覆蓋所述接觸孔側壁頂端的第 二合金層的厚度大於覆蓋所述接觸孔內其他區域的第二合金層的厚度， 使得所述連接金屬層在位於接觸孔側壁頂端的第二合金層上的沉積能力 弱於在接觸孔內其他區域的第二合金層上的沉積能力，致使位於所述接 觸孔側壁頂端的連接金屬層的沉積速度慢於位於所述接觸孔內其他區域 的連接金屬層的沉積速度，可減小所述通孔內孔洞的產生。
需強調的是，未加說明的步驟均可釆用傳統的方法獲得，且具體的工 藝參數根據產品要求及工藝條件確定。
儘管通過在此的實施例描述說明了本發明，和儘管已經足夠詳細地描 述了實施例，申請人不希望以任何方式將權利要求書的範圍限制在這種 細節上。對於本領域技術人員來說另外的優勢和改進是顯而易見的。因 此，在較寬範圍的本發明不限於表示和描述的特定細節、表達的設備和 方法和說明性例子。因此，可以偏離這些細節而不脫離申請人總的發明 概念的精神和範圍。
權利要求
1. 一種通孔形成方法，其特徵在於，包括在半導體基底上形成介質層；圖形化所述介質層，以形成接觸孔；形成覆蓋所述接觸孔的粘接金屬層和第一合金層；在所述第一合金層上形成第二合金層，所述第二合金層中的碳、氧含量高於所述第一合金層中的碳、氧含量；形成覆蓋所述第二合金層並填充所述接觸孔的連接金屬層，形成通孔。
2. 根據權利要求1所述的通孔形成方法，其特徵在於所述第二 合金層的平均厚度小於所述第一合金層的平均厚度。
3. 根據權利要求1所述的通孔形成方法，其特徵在於所述粘接 金屬層為Ti或Ta。
4. 根據權利要求1所述的通孔形成方法，其特徵在於所述第一 合金層為TiN或TaN。
5. 根據權利要求1所述的通孔形成方法，其特徵在於所述第二 合金層為TiN或TaN。
6. 根據權利要求1所述的通孔形成方法，其特徵在於所述第一 合金層和所述第二合金層皆包含TiN或TaN時，所述第一合金層為經歷 無機化操作的合金層。
7. 根據權利要求6所述的通孔形成方法，其特徵在於執行所述 無機化操作時，包含無機化氣體，所述無機化氣體包含H2和N2。
8. 根據權利要求6所述的通孔形成方法，其特徵在於所述H2的 流量範圍為1500 ~ 2000sccm。
9. 根據權利要求6所述的通孔形成方法，其特徵在於所述&的 流量範圍為1500 - 2000sccm。
10. 根據權利要求6所述的通孔形成方法，其特徵在於執行所述 無機化操作時，反應功率範圍為1500 ~ 2000W。 .
11. 根據權利要求1所述的通孔形成方法，其特徵在於所述連接 金屬層為W或Cu。
12. —種通孔，形成於位於半導體基底上的介質層內，包括，接觸 孔、覆蓋所述接觸孔的粘接金屬層和第一合金層，以及覆蓋所述第一合 金層並填充所述接觸孔的連接金屬層，其特徵在於在所述第一合金層 和連接金屬層之間，還包含第二合金層；覆蓋所述接觸孔側壁的所述第 二合金層的厚度自頂端向下遞減；所述第二合金層中的碳、氧含量高於 所述第一合金層中的碳、氧含量。
13. 根據權利要求12所述的通孔，其特徵在於所述第二合金層 的平均厚度小於所述第一合金層的平均厚度。
14. 根據權利要求12所述的通孔，其特徵在於所述粘接金屬層 為Ti或Ta。
15. 根據權利要求12所述的通孔，其特徵在於所述第一合金層 為TiN或TaN。
16. 根據權利要求12所述的通孔，其特徵在於所述第二合金層 為TiN或TaN。
17. 根據權利要求12所述的通孔，其特徵在於所述第一合金層 和所述第二合金層材料相同時，所述第 一合金層經歷無機化操作。
18. 根據權利要求12所述的通孔，其特徵在於所述連接金屬層 為W或Cu。
全文摘要
一種通孔形成方法，包括在半導體基底上形成介質層；圖形化所述介質層，以形成接觸孔；形成覆蓋所述接觸孔的粘接金屬層和第一合金層；在所述第一合金層上形成第二合金層，所述第二合金層中的碳、氧含量高於所述第一合金層中的碳、氧含量；形成覆蓋所述第二合金層並填充所述接觸孔的連接金屬層，形成通孔。可減小形成的通孔中產生孔洞的可能性。還提供了一種通孔，形成所述通孔時可減小產生孔洞的可能性。
文檔編號H01L21/70GK101459121SQ20071009449
公開日2009年6月17日 申請日期2007年12月13日 優先權日2007年12月13日
發明者聶佳相, 娜 蘇, 陳國海 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司