CN100468693C - 接触孔的填充方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种接触孔的填充方法，包括：提供一表面具有至少一个接触孔开口的衬底；在所述衬底上形成粘附层；在所述粘附层上形成阻挡层；对所述接触孔开口的底部的所述阻挡层进行减薄处理；在所述接触孔开口内形成钨塞。本发明的填充方法使得接触孔的底部阻挡层厚度减小，改善了接触孔的电特性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种接触孔的填充方法。
背景技术
随着集成电路的制作向超大规模集成电路(ULSI)发展，内部的电路密度越来越大，所含元件数量不断增加，使得晶片的表面无法提供足够的面积来制作所需的互连线(Interconnect)。因此，为了配合元件缩小后所增加的互连线需求，两层以上的多层金属互连线的设计，便成为超大规模集成电路技术所必须采用的方法。目前，不同金属层之间的导通，是通过在两层金属层之间的绝缘层挖一开口并填入导电材料，形成导通两金属层的接触孔结构而实现的。该接触孔的形成质量对于电路的性能影响很大，如果接触孔的形成质量较差，会导致电路整体电阻值上升，严重时器件将不能正常工作。
下面结合图1A至1C简单介绍接触孔结构的形成过程。图1A至1C为现有技术中接触孔填充方法的示意图。图1A为接触孔开口的结构示意图，如图1A所示，在半导体衬底101上淀积厚的层间绝缘膜102，并利用光刻、刻蚀技术去除对应接触孔处的层间绝缘膜102至露出衬底表面，以形成接触孔开口103。
图1B为形成粘附层/阻挡层后的接触孔结构示意图，如图1B所示，利用物理气相淀积(PVD，Physical Vapor Deposition)方法在具有接触孔开口103的衬底表面淀积粘附层(Ti)104和阻挡层(TiN)105；其中，粘附层Ti会在沉积的同时原位(in suit)与接触孔底部的硅反应形成低阻的TiSix接触层106，在接触孔底部形成良好的电接触。
图1C为形成钨塞后的接触孔结构示意图，如图1C所示，利用化学气相沉积(CVD，Chemical Vapor Deposition)方法在接触孔内填充金属钨，并刻蚀形成钨塞107，完成对接触孔的填充。
可以看到，在接触孔结构的填充过程中，除了填充金属钨形成钨塞外，还额外加入了粘附层Ti和阻挡层TiN层。其中，粘附层Ti不仅可以实现与硅、氧化硅之间的较好的粘附，又可以在接触孔底部形成低阻的TiSix，大大减小了接触孔的接触电阻；阻挡层TiN则一方面可以增加金属钨与接触孔之间的黏附性，提高钨塞的形成质量，另一方面也可以阻止沉积钨时所用的反应物WF6与接触孔底部的硅发生反应，形成高阻的WSix，使得接触孔阻值升高。
上述填充方法是目前最常用的接触孔填充方法，但是采用该方法填充的接触孔仍存在阻值较大的问题，原因在于在接触孔底部形成的低阻的TiSix和金属钨之间还存在有高阻的TiN层，其仍会导致接触孔的阻值较大。
申请号为200410067835.5的中国专利中公开了一种接触孔填充时的钨塞阻挡层的沉积方法，该方法利用一定厚度的Ti/TiN层作为钨塞的阻挡层，改善了因接触孔与下层金属线出现位错而导致的接触孔阻值偏高和均匀性变差的问题。但是该方法未对厚达200到300的高阻的TiN作任何处理，对因TiN的存在所造成的接触孔阻值偏高的问题没有任何改善，不能进一步减小接触孔的电阻值，改善接触孔的电特性。
发明内容
本发明提供了一种接触孔的填充方法，该方法可以进一步减小接触孔的电阻值，改善接触孔的电特性。
本发明提供了一种接触孔的填充方法，包括步骤:
提供一表面具有至少一个接触孔开口的衬底；
在所述衬底上形成粘附层；
在所述粘附层上形成阻挡层；
对所述接触孔开口的底部的所述阻挡层进行减薄处理；
在所述接触孔开口内形成钨塞。
其中，所述粘附层厚度在50到150之间，可以为Ti层，。
其中，所述阻挡层厚度在50到300之间，可以为TiN层，。
其中，所述减薄处理是利用离子注入方法实现的；所述离子注入可以为N型或P型离子注入，如可以是As、B或In中的一种。且所述离子注入所用能量在1到2KeV之间，所述离子注入的注入方向垂直于所述衬底。
另外，所述减薄处理还可以利用干法刻蚀方法实现。
其中，形成所述粘附层之前，还可以利用Ar等离子轰击对所述接触孔进行处理。
其中，形成所述阻挡层之后，还可以对所述衬底进行热退火处理。
与现有技术相比，本发明具有以下优点:
本发明的接触孔的填充方法，在沉积形成粘附层(Ti)和阻挡层(TiN)后，对接触孔开口底部的阻挡层进行了减薄处理，使得接触孔底部高阻的TiN层变薄，减小了接触孔的接触电阻值，改善了接触孔的电特性。
本发明的接触孔的填充方法，可以在一定程度上加厚侧壁处的TiN层，对实现钨与接触孔开口之间的良好连接有利，可以提高接触孔的填充质量。
附图说明
图1A至1C为现有技术中接触孔填充方法的示意图；
图2为本发明接触孔填充方法的流程图；
图3A至3D为本发明的接触孔填充方法示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
本发明的处理方法可被广泛地应用到许多应用中，并且可利用许多适当的材料制作，下面是通过较佳的实施例来加以说明，当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的普通技术人员所熟知的一般的替换无疑地涵盖在本发明的保护范围内。
其次，本发明利用示意图进行了详细描述，在详述本发明实施例时，为了便于说明，表示半导体结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，不应以此作为对本发明的限定，此外，在实际的制作中，应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
接触孔制造中，在刻蚀形成接触孔的开口后，沉积金属钨形成钨塞前，通常需要先沉积一层粘附层和一层阻挡层，一方面可以利用粘附层与氧化物的良好粘附性实现将钨完全地粘连在接触孔侧壁的氧化物上，另一方面也可以有效地防止WF6与硅衬底和氧化物发生反应。目前首选的是以Ti作为粘附层，以TiN起阻挡层及黏附钨的作用。Ti和氧化物有非常好的粘连性，并能够和硅反应形成低阻的TiSix，大大减小接触电阻；而TiN层既具有防止硅和WF6之间发生反应的作用，又与钨具有很好的黏附性。但是增加了粘附层和阻挡层后的接触孔结构，仍存在阻值较高的问题。其原因在于虽然阻挡层TiN层，可以阻止硅层和WF6之间发生反应，防止高阻WSix的形成，且与钨黏附性也较好，但是TiN材料本身也具有较高的电阻值，其的存在也会导致接触孔的接触电阻较大。要进一步提高接触孔的电特性，还需要对TiN层进行改进。
为实现对TiN层的改进，首先要对其进行具体分析，TiN层的作用主要有两个:一是增加接触孔与钨之间的黏附性:在这一方面其关注的重点在于金属钨与接触孔侧壁的氧化硅之间的良好连接。实际工艺中，为了确保金属钨与接触孔侧壁的的良好连接，需要保证接触孔侧壁处的TiN层具有一定的覆盖率，而目前常用于形成阻挡层TiN层的PVD方法的一大缺点就是其阶梯覆盖性较差。因此，为了保证接触孔侧壁处的TiN层有一定的覆盖率，往往就需要沉积一定厚度的TiN材料，否则，如果沉积厚度过薄，则不能保证接触孔侧壁处TiN层的高覆盖率，也就影响了金属钨与接触孔的填充效果。但是，在TiN材料的沉积过程中，接触孔底部的TiN材料会是接触孔开口中最厚的，即，在接触孔底部的金属钨与低阻的TiSix之间形成了较厚的高阻的TiN材料，这会对接触孔的电特性造成较大的影响。TiN层的另一个作用是防止硅和WF6之间发生反应生成高阻的WSix:由于粘附层Ti层的存在，其已与接触孔的底部硅材料发生反应生成了低阻的TiSix，已经在一定程度上防止了沉积钨时所用反应物WF6与硅的反应，并不需要太厚的TiN层来阻止高阻WSix的形成，故而，在接触孔开口底部的TiN层可以较薄。
综上所述，对于TiN阻挡层，希望形成的结构为在接触孔底部较薄(接触电阻小)，侧壁处较厚，覆盖率高(黏附性好)；而现有的接触孔内的阻挡层厚度的分布情况却正好相反。为此，本发明的接触孔的填充方法，在沉积形成粘附层(Ti)和阻挡层(TiN)后，增加了一步对接触孔开口底部的阻挡层进行减薄处理的步骤，可以有效减小高阻TiN层对接触孔电特性的影响，减小接触孔的接触电阻值。
图2为本发明接触孔填充方法的流程图，图3A至3D为本发明的接触孔填充方法示意图，下面结合图2和图3A至3D详细介绍本发明的一个具体实施例
本发明的接触孔填充方法，首先要提供一表面具有至少一个接触孔开口的衬底(S201)。图3A为表面具有接触孔开口的结构示意图，如图3A所示，本实施例中的衬底为硅衬底101，为形成层间电路互接，需要在位于上、下两层金属层之间的层间绝缘层102内挖至少一个接触孔开口103。本实施例中的层间绝缘层采用的是氧化硅，可以是硼硅玻璃、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃等等；形成开口的方法是先利用光刻技术在绝缘层表面进行接触孔的图形化处理，然后再利用干法刻蚀形成接触孔的开口。
形成接触孔开口后，需形成粘附层(S202)。图3B为形成粘附层/阻挡层后的接触孔结构示意图，如图3B所示，本实施例中，利用物理气相沉积(PVD)的方法，形成厚度在50到之间，如为
的Ti层作为粘附层104。作为粘附层的Ti层不仅与接触孔侧壁的氧化硅粘连性较好，而且还可以与接触孔底部的硅材料发生在位反应，形成低阻的TiSix接触层106。
为更好地形成低阻的硅化物，在本发明的其它实施例中，还可以在后面形成阻挡层后，对衬底进行快速热退火处理，使得在接触孔的底部，Ti与硅材料相连的部位，可以形成足够厚的TiSix接触层106，进一步提高接触孔的电特性。
接着，在粘附层上形成阻挡层(S203)。如图3B所示，本实施例中，阻挡层TiN与粘附层Ti层是由PVD一步生长完成的，在沉积Ti的后期，通过加入氮气，可以在Ti层上方接着形成阻挡层TiN层105，其生长厚度可以控制在50到
之间，如为
在本发明的其他实施例中，也可以分两步完成粘附层Ti和阻挡层TiN的沉积，如先利用PVD形成Ti层，再利用金属有机物化学气相沉积技术(MOCVD，Metal organic chemical Vapor Deposition)形成TiN层等。
本步工艺所形成的阻挡层TiN的作用之一是增强接触孔侧壁与金属钨之间的黏附性，这就要求在接触孔侧壁上的TiN材料的覆盖率较高，以确保侧壁与金属钨间的黏附性较好。但由于PVD的阶梯覆盖性较差，要令接触孔侧壁上的TiN层的覆盖率较高，所沉积的TiN层的总厚度就不能过小，而这就导致了接触孔底部的TiN材料较厚。因TiN材料具有较高的阻值，过厚的TiN层夹在接触孔底部的硅化物与钨塞之间，势必会影响到接触孔的电阻特性，为改善这一点，本实施例中采用了离子注入的方法对阻挡层结构进行了改进
形成阻挡层后，对接触孔开口底部的阻挡层进行减薄处理(S204)。本实施例中是利用离子注入的方法进行减薄处理的。在形成阻挡层后，将衬底送入离子注入机中，进行离子注入处理，所用离子可以为N型或P型中的任一种，如N型的P、As或P型的B、In等，本实施例中用的是B离子。图3C是本发明进行离子注入处理的示意图，如图3C所示，对衬底进行离子注入处理301，可以将接触孔底部的TiN材料打到接触孔的侧壁上，使得底部的TiN层105a变薄，侧壁处的TiN层105b变厚。这一方面减小了接触孔底部低阻TiSix与钨塞之间高阻的TiN的厚度，减小了接触电阻；另一方面也加厚了接触孔侧壁的TiN层的厚度，弥补了PVD方法形成的侧壁TiN层覆盖性较差的问题，进一步改善了钨塞与接触孔之间的连接。在本步工艺完成前后，利用透射电镜对器件剖面进行了检查，发现接触孔底部的TiN材料变薄了
左右，而侧壁的TiN材料则变厚了
左右，证实了本发明的接触孔填充方法中利用离子注入方法对TiN层厚度进行调整的可行性。另外，通过改变离子注入的条件，如选用不同离子、调节能量大小等，可以对接触孔底部和侧壁的TiN层厚度的变化量进行调整，实现一定范围内的TiN层厚度的调整，甚至可以将接触孔开口底部的TiN层基本去除干净。
另外，离子注入工艺中需注意，为实现这一TiN层不同位置的厚度调整，离子注入的方向必须基本垂直于衬底，与接触孔的侧壁平行(如与衬底间的角度在80°到100°之间)；并且，为防止损伤，在离子注入时所用的能量也不能太大，可以将能量值设置在低能段，如1到2KeV之间，比如为1.5KeV左右。
采用离子注入的方法对接触孔进行处理，还可以在一定程度上弥补接触孔内的一些缺陷，如接触孔底部硅材料表面具有自然氧化层，刻蚀后孔内残留一些聚合物等现象，在经过离子注入处理后，也会有所改善，这些也有利于接触孔电特性的提高。
对于未采用本发明方法处理接触孔的电路，测试表明有部分接触孔发生了断路现象，整个电路的阻值也较高，严重时甚至达到上万欧姆；而采用本发明方法处理了接触孔的电路，则各接触孔均接触良好，电路整体阻值仅为几十欧姆，证明本发明的填充方法，可有效地改善接触孔的形成质量，提高接触孔的电特性。
此外，在本发明的其他实施例中，为了进一步提高接触孔的形成质量，还可以在形成粘附层Ti之前，加入一步Ar等离子轰击的处理，利用该步的处理可实现对接触孔内缺陷的去除，减少硅表面氧化层，去除孔内的残留聚合物等。
最后，在接触孔开口内形成钨塞(S205)。图3D为形成钨塞后的结构示意图，如图3D所示，利用化学气相沉积CVD的方法在衬底表面沉积一层钨，(该钨材料同时也会填充入衬底表面的接触孔开口内)，再利用刻蚀技术形成钨塞108，完成对接触孔的填充。
本实施例中，利用离子注入的方法实现对接触孔开口底部的阻挡层的减薄，通过离子注入处理，可以将接触孔底部的部分高阻TiN材料打到侧壁层上，使得接触孔底部的TiN层变薄，侧壁的TiN层变厚，既可以减小接触孔的接触电阻值，又可以提高接触孔侧壁处的黏附性。在本发明的其他实施例中，还可以利用干法刻蚀技术对接触孔开口底部的阻挡层TiN层进行减薄处理。由于干法刻蚀具有各向异性，其对于接触孔底部的刻蚀速率要远高于其对侧壁的刻蚀速率，因而可以实现在有效减小接触孔开口底部的TiN层厚度的同时，对于侧壁层的TiN层的覆盖率影响不大。故而，利用干法刻蚀技术对TiN层进行减薄处理，同样可以实现在不影响金属钨与接触孔之间的黏附性的情况下，减小接触孔的接触电阻，提高接触孔的电性能。
对于增加了用干法刻蚀的技术对TiN层进行减薄处理的填充工艺中，可以适当加厚TiN层的生长厚度，以提高接触孔开口的侧壁覆盖率，只需在随后的刻蚀工艺中对刻蚀时间进行对应调整即可，因而在一定程度上也有利于实现钨与接触孔开口的良好连接，提高接触孔的填充质量。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (10)
1、一种接触孔的填充方法，其特征在于，包括:
提供一表面具有至少一个接触孔开口的衬底；
在所述衬底上形成粘附层；
在所述粘附层上形成阻挡层；
利用能量在1到2KeV之间的离子注入工艺对所述接触孔开口的底部的所述阻挡层进行减薄处理；
在所述接触孔开口内形成钨塞。
2、如权利要求1所述的填充方法，其特征在于:所述粘附层为Ti层。
3、如权利要求1或2所述的填充方法，其特征在于:所述粘附层厚度在50到150
之间。
4、如权利要求1所述的填充方法，其特征在于:所述阻挡层为TiN层。
5、如权利要求1或2所述的填充方法，其特征在于:所述阻挡层厚度在50到300之间。
6、如权利要求1所述的填充方法，其特征在于:所述离子注入可以为N型或P型离子注入。
7、如权利要求1所述的填充方法，其特征在于:所述离子注入所用的离子是As、B或In中的一种。
8、如权利要求1所述的填充方法，其特征在于:所述离子注入的注入方向垂直于所述衬底。
9、如权利要求1所述的填充方法，其特征在于:形成所述粘附层之前，利用Ar等离子轰击对所述接触孔进行了处理。
10、如权利要求1所述的填充方法，其特征在于:形成所述阻挡层之后，对所述衬底进行了热退火处理。
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