專利名稱：接觸孔填充方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，特別涉及一種接觸孔填充方法。
背景技術(shù)：
隨著集成電路的制作向超大規(guī)模集成電路發(fā)展，集成電路內(nèi)部的電路密度越來越 大，所包含的元件數(shù)量也越來越多，這種發(fā)展使得晶圓表面無法提供足夠的面積來制作所 需的互連線。為了滿足元件縮小后的互連線需求，兩層及兩層以上的多層金屬互連線的設(shè)計成 為超大規(guī)模集成電路技術(shù)所通常采用的一種方法。目前，不同金屬層或者金屬層與襯墊層 的導(dǎo)通，是通過金屬層與金屬層之間或者金屬層與襯墊層之間的介質(zhì)層形成一開口，在開 口內(nèi)填入導(dǎo)電材料，形成接觸孔結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。在申請?zhí)枮?00610030809. 4的中國專利文 件中能夠發(fā)現(xiàn)更多的關(guān)于現(xiàn)有的接觸孔的形成方案。下面結(jié)合附圖簡單的介紹接觸孔結(jié)構(gòu)的形成過程。圖1至圖3為現(xiàn)有技術(shù)中接觸 孔填充方法的示意圖。如圖1所示，在半導(dǎo)體襯底100上沉積一定厚度的層間介質(zhì)層110，并利用光刻、刻 蝕技術(shù)去除對應(yīng)接觸孔處的層間介質(zhì)層110直至露出襯底表面，以形成接觸孔開口 111。如圖2所示，利用物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition, PVD)方法在具有 接觸孔開口 111的襯底表面沉積阻擋層112 ；如圖3所示，利用物理氣相沉積在接觸孔內(nèi)填充金屬層113。上述填充方法是目前最常用的接觸孔填充方法，但是采用該方法填充的接觸孔的 缺點是階梯覆蓋性差，影響了金屬鋁與接觸孔的接觸效果，導(dǎo)致形成的接觸孔電阻值高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題是使得接觸孔填充的金屬階梯覆蓋性比較好，減小了接觸孔的 電阻，提高了接觸孔性能。為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種接觸孔填充方法，包括提供一個表面具有至 少一個接觸孔開口的襯底；在接觸孔的側(cè)壁和襯底表面形成阻擋層；在阻擋層表面形成第 一金屬層，所述第一金屬層的金屬晶粒較??；在第一金屬層表面形成第二金屬層，直至填充 所述接觸孔。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點通過在金屬填充接觸孔步驟之前引入一 層金屬晶粒小的第一金屬層的填充工藝填充接觸孔，使得接觸孔填充的金屬階梯覆蓋性比 較好，減小了接觸孔的電阻，提高了接觸孔性能。


圖1至圖3是現(xiàn)有技術(shù)填充接觸孔的形成過程；圖4是本發(fā)明的接觸孔填充方法的流程示意圖5至圖9是本發(fā)明接觸孔填充方法的形成過程。
具體實施例方式本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的接觸孔填充方法階梯覆蓋性差，填充的金屬會形成 一個較大的空隙，影響了金屬與接觸孔的接觸效果，導(dǎo)致形成的接觸孔電阻值高。經(jīng)過大量的創(chuàng)造性實驗，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)上述填充的金屬會形成一個較大的 空隙的現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是利用物理氣相沉積金屬時，金屬原子會先在所要沉積的區(qū)域形 成金屬晶粒，所述金屬晶粒吸附金屬原子形成薄膜。而現(xiàn)有的接觸孔填充方法形成的金屬 晶粒尺寸比較大并且晶粒尺寸不均一，這樣容易造成接觸孔局部生長過快，并且所述金屬 晶粒尺寸比較大的現(xiàn)象還會造成側(cè)壁表面比較粗糙，同樣會造成接觸孔局部生長過快，綜 上所述原因，使得接觸孔填充的時候形成一個較大的空隙。有鑒于此，本發(fā)明提供了一種接觸孔填充方法，其流程如圖4所述，具體包括如下 步驟步驟S101，提供一個表面具有至少一個接觸孔開口的襯底；步驟S102，在接觸孔的側(cè)壁和襯底表面形成阻擋層；步驟S103，在阻擋層表面形成第一金屬層，所述第一金屬層的金屬晶粒尺寸小于 0. 2微米；步驟S104，在第一金屬層表面形成第二金屬層，直至填充所述接觸孔。下面結(jié)合附圖，對于本發(fā)明形成接觸孔填充方法進行詳細(xì)說明。首先，參考圖5，提供形成有介質(zhì)層210的襯底200。所述襯底200可以為多層基片(例如，具有覆蓋電介質(zhì)和金屬膜的硅襯底)、分 級基片、絕緣體上硅基片、外延硅基片、部分處理的基片(包括集成電路及其他元件的一部 分)、圖案化或未被圖案化的基片。所述介質(zhì)層210的材料通常選自SiO2或者摻雜的SiO2，例如USG (Undoped Silicon Glass,沒有摻雜的硅玻璃)、BPSG(Borophosphosilicate Glass,摻雜硼磷的硅玻璃)、 BSG(Borosilicate Glass，摻雜硼的硅玻璃)、PSG(Phosphosilitcate Glass，摻雜磷的硅
玻璃)等。所述介質(zhì)層210形成工藝可以為現(xiàn)有的沉積工藝，具體工藝可以為等離子體增強 化學(xué)氣相沉積工藝或者亞常壓化學(xué)氣相沉積工藝。所述介質(zhì)層210可以是層間介質(zhì)層(Inter-Metal Dielectric，ILD)。ILD是后道 工藝在金屬互聯(lián)層之間的介電層，ILD中會在后續(xù)工藝中形成溝槽，用金屬填充溝槽形成連 接孔，所述連接孔用于連接相鄰金屬互連層中的導(dǎo)線。參考圖6，在介質(zhì)層210內(nèi)形成接觸孔211。所述接觸孔211用于連接形成在襯底 200內(nèi)的金屬互聯(lián)層與后續(xù)形成的焊盤。所述形成接觸孔211的工藝可為刻蝕工藝，具體步驟包括在所述介質(zhì)層210上形 成與接觸孔211對應(yīng)的光刻膠圖形，以所述光刻膠圖形為掩膜，刻蝕介質(zhì)層210直至形成接 觸孔211。所述形成光刻膠圖形的工藝具體可以為在所述介質(zhì)層210表面旋涂光刻膠，接 著通過曝光將掩膜版上的與接觸孔211相對應(yīng)的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上，然后利用顯影液將相應(yīng)部位的光刻膠去除，以形成光刻膠圖形。刻蝕介質(zhì)層210的工藝可以為等離子體刻蝕工藝，具體包括選用電感耦合等離 子體型刻蝕設(shè)備，刻蝕設(shè)備腔體壓力為10毫托至50毫托，頂部射頻功率為200瓦至500瓦， 底部射頻功率為150瓦至300瓦，C4F8流量為每分鐘10標(biāo)準(zhǔn)立方厘米(SCCM)至每分鐘50 標(biāo)準(zhǔn)立方厘米，CO流量為每分鐘100標(biāo)準(zhǔn)立方厘米至每分鐘200標(biāo)準(zhǔn)立方厘米，Ar流量為 每分鐘300標(biāo)準(zhǔn)立方厘米至每分鐘600標(biāo)準(zhǔn)立方厘米，O2流量為每分鐘10標(biāo)準(zhǔn)立方厘米至 每分鐘50標(biāo)準(zhǔn)立方厘米，刻蝕介質(zhì)層210直至形成接觸孔211。所述刻蝕工藝還可以在其 他刻蝕設(shè)備中進行，如電容耦合等離子體型刻蝕設(shè)備、感應(yīng)耦合等離子刻蝕設(shè)備。參考圖7，如步驟S102所述，在接觸孔211的側(cè)壁和襯底200表面形成阻擋層220。所述阻擋層220材料選自氮化鉭、鈦或者氮化鈦，所述阻擋層220可以為單層結(jié)構(gòu) 或者多層疊加的結(jié)構(gòu)，所述阻擋層220用于實現(xiàn)后續(xù)形成的金屬材料與介質(zhì)層側(cè)壁的氧化 硅之間較好的粘附，提高了接觸孔形成質(zhì)量，還用于阻止后續(xù)形成的金屬材料與介質(zhì)層的 硅反應(yīng)，降低了接觸孔的電阻。所述阻擋層220的形成工藝可以為物理氣相沉積，所述阻擋層220k可以為鈦與氮 化鈦疊加結(jié)構(gòu)，所述形成工藝可以為采用物理氣相沉積工藝沉積一層鈦，然后采用金屬有 機物化學(xué)氣相沉積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)工藝形成氮化鈦。參考圖8，在阻擋層220表面形成第一金屬層230，所述第一金屬層的金屬晶粒小 于0.2微米。在現(xiàn)有工藝中，接觸孔的填充會采用物理氣相沉積沉積金屬鋁來填充，這種填充 工藝的階梯覆蓋性差，填充的金屬會形成一個較大的空隙，影響了金屬與接觸孔的接觸效 果，導(dǎo)致形成的接觸孔電阻值高。本發(fā)明的發(fā)明人通過大量的實驗，發(fā)現(xiàn)采用物理氣相沉積填充金屬時，形成在填 充孔側(cè)壁的金屬晶粒的大小會影響到填充工藝的階梯覆蓋性，當(dāng)形成在側(cè)壁表面的金屬晶 粒越大，很容易導(dǎo)致晶粒尺寸不均一，這樣容易造成接觸孔局部生長過快，并且所述金屬晶 粒尺寸比較大的現(xiàn)象還會造成側(cè)壁表面比較粗糙，同樣會造成接觸孔局部生長過快，使得 填充金屬的階梯覆蓋性差。而當(dāng)形成在側(cè)壁表面的金屬晶粒尺寸越小的時候，金屬晶粒沉積在側(cè)壁不會使得 側(cè)壁表面粗糙度惡化，金屬晶粒吸附金屬原子生長成薄膜的也相對比較均一，使得填充金 屬的階梯覆蓋性比較好。有鑒于此，發(fā)明人通過大量實驗，發(fā)現(xiàn)了通過控制反應(yīng)條件可以來控制物理氣相 沉積工藝形成的金屬晶粒尺寸大小，發(fā)明人通過在阻擋層220表面形成金屬晶粒尺寸較小 的第一金屬層230，在第一金屬層230上形成第二金屬層，以實現(xiàn)比較好的階梯覆蓋性。在阻擋層220表面形成第一金屬層230的具體材料可以為鋁，形成第一金屬層230 的工藝可以為物理氣相沉積工藝，具體工藝條件包括反應(yīng)溫度為20攝氏度至150攝氏度， 腔室壓力為10毫托至18毫托，直流功率為10000瓦至40000瓦，氬氣流量為每分鐘2標(biāo)準(zhǔn) 立方厘米至每分鐘20標(biāo)準(zhǔn)立方厘米。直至在阻擋層220表面形成500納米至2000納米的 鋁金屬層230。經(jīng)過本發(fā)明人進一步研究，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)溫度為70左右攝氏度時，生成鋁金屬薄膜的金屬晶粒尺寸為最優(yōu)，所述生成的鋁金屬薄膜的金屬晶粒尺寸約為0. 2微米。參考圖9，在第一金屬層230表面形成第二金屬層240。所述第二金屬層240形成在第一金屬層230表面，由于第一金屬層230的金屬晶 粒比較小，并且表面光滑，使得后續(xù)形成的第二金屬層240有比較好的臺階覆蓋能力，填充 的接觸孔空隙較小，第二金屬層230的反應(yīng)溫度比較高，不但避免了低溫形成的金屬層晶 粒較小，在后續(xù)退火工藝中晶粒再生長導(dǎo)致可靠性差的缺點，而且提高了第二金屬層240 沉積速率，提高了生產(chǎn)效率。所述第二金屬層240材料選自金屬鋁，所述形成第二金屬層240的工藝可以為物 理氣相沉積工藝，具體工藝條件包括反應(yīng)溫度為250攝氏度至500攝氏度，腔室壓力為10 毫托至18毫托，直流功率為10000瓦至40000瓦，氬氣流量為每分鐘2標(biāo)準(zhǔn)立方厘米至每 分鐘20標(biāo)準(zhǔn)立方厘米。直至填充接觸孔211。本發(fā)明通過在金屬填充接觸孔步驟之前引入一層金屬晶粒小的第一金屬層的填 充工藝填充接觸孔，使得接觸孔填充的金屬階梯覆蓋性比較好，減小了接觸孔的電阻，提高 了接觸孔性能。雖然本發(fā)明已以較佳實施例披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領(lǐng)域技術(shù) 人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，均可作各種更動與修改，因此本發(fā)明的保護范圍應(yīng) 當(dāng)以權(quán)利要求所限定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種接觸孔填充方法，包括提供一個表面具有至少一個接觸孔開口的襯底；在接觸孔的側(cè)壁和襯底表面形成阻擋層；其特征在于，還包括在阻擋層表面形成第一金屬層，所述第一金屬層的金屬晶粒尺寸小于0.2微米；在第一金屬層表面形成第二金屬層，直至填充所述接觸孔。
2.如權(quán)利要求1所述的接觸孔填充方法，其特征在于，所述第一金屬層材料為鋁，厚度 為500納米至2000納米。
3.如權(quán)利要求1所述的接觸孔填充方法，其特征在于，所述第一金屬層的形成工藝為 物理氣相沉積工藝。
4.如權(quán)利要求1所述的接觸孔填充方法，其特征在于，所述形成第一金屬層的具體 工藝為反應(yīng)溫度為20攝氏度至150攝氏度，腔室壓力為10毫托至18毫托，直流功率為 10000瓦至40000瓦，氬氣流量為每分鐘2標(biāo)準(zhǔn)立方厘米至每分鐘20標(biāo)準(zhǔn)立方厘米。
5.如權(quán)利要求1所述的接觸孔填充方法，其特征在于，所述形成第一金屬層的具體工 藝為反應(yīng)溫度為70攝氏度，腔室壓力為10毫托至18毫托，直流功率為10000瓦至40000 瓦，氬氣流量為每分鐘2標(biāo)準(zhǔn)立方厘米至每分鐘20標(biāo)準(zhǔn)立方厘米。
6.如權(quán)利要求1所述的接觸孔填充方法，其特征在于，所述第二金屬層材料為鋁，形成 工藝為物理氣相沉積工藝。
7.如權(quán)利要求1所述的接觸孔填充方法，其特征在于，所述第二金屬層的晶粒尺寸大 于第一金屬層。
8.如權(quán)利要求1所述的接觸孔填充方法，其特征在于，所述形成第二金屬層的具體工 藝為反應(yīng)溫度為250攝氏度至500攝氏度，腔室壓力為10毫托至18毫托，直流功率為 10000瓦至40000瓦，氬氣流量為每分鐘2標(biāo)準(zhǔn)立方厘米至每分鐘20標(biāo)準(zhǔn)立方厘米。
全文摘要
一種接觸孔填充方法，包括提供一個表面具有至少一個接觸孔開口的襯底；在接觸孔的側(cè)壁和襯底表面形成阻擋層；在阻擋層表面形成第一金屬層，所述第一金屬層的金屬晶粒尺寸小于0.2微米；在第一金屬層表面形成第二金屬層，直至填充所述接觸孔。本發(fā)明能夠使得接觸孔填充的金屬階梯覆蓋性比較好，減小了接觸孔的電阻，提高了接觸孔性能。
文檔編號C23C14/14GK101937864SQ20091005439
公開日2011年1月5日 申請日期2009年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月3日
發(fā)明者何偉業(yè), 劉盛, 孔祥濤, 聶佳相 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司