CN101593724A

CN101593724A - 通孔形成方法

Info

Publication number: CN101593724A
Application number: CNA2008101139957A
Authority: CN
Inventors: 郑春生; 胡亚威; 张文广
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2008-05-30
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2028-05-30
Also published as: CN101593724B

Abstract

一种通孔形成方法，包括，经由第一管路和第二管路向反应腔室分别通入经由流量控制器控制的第一气体和第二气体，在基底上形成层间介质层；图形化所述层间介质层，形成接触孔；清洗所述接触孔，形成通孔；特别地，在通入所述第一气体和第二气体之前，至少预清洗所述第一管路和第二管路内由所述流量控制器至所述反应腔室间的管路。可在符合产品要求的图形化工艺条件下减少经历清洗操作后形成的通孔底角凹陷。

Description

通孔形成方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种通孔形成方法。

背景技术

超大规模集成电路(Very Large Scale Integrated Circuit，VLSI)通常需要一层以上的金属层提供足够的互连能力，此多层金属间的互连以及器件有源区与外界电路之间的连接通过已填充导电材料的通孔实现，且为保证器件工作的稳定性，要求通孔间无电连接，随着器件的密集程度和工艺的复杂程度不断增加，在形成通孔时，对工艺进行严格控制变得非常重要。

当前，形成所述通孔的步骤包括，步骤101：如图1所示，在基底10上形成层间介质层20；步骤102：如图2所示，图形化所述层间介质层20，形成接触孔30；通常，在所述接触孔30的侧壁及底壁形成有包含聚合物的粘附层32；如图3所示，清洗所述接触孔30，形成通孔40。

然而，如图4所示，实际生产发现，在层间介质层材料为PSG(磷硅玻璃)时，应用上述方法形成的通孔会在底角处产生凹陷42，所述凹陷42的存在易在通孔间形成连接通路，继而，在后续向所述通孔内填充导电材料(如金属)后，造成通孔间的连通，影响器件电学性能。如何减少所述凹陷的产生成为本领域技术人员亟待解决的问题。

实践中，通常采用改善所述图形化(如刻蚀)工艺或提高图形化终点检测的方法减少所述凹陷的产生，如，2006年8月2日公布的公开号为“CN1812066A”的中国专利申请中提供的一种刻蚀终点的检测方法。但是，实际生产发现，即使图形化所述层间介质层后，未发现所述接触孔底角处具有凹陷，在经历所述清洗操作后，也会在所述通孔底角处产生凹陷。由此，如何在符合产品要求的图形化工艺条件下减少经历清洗操作后形成的通孔底角凹陷成为本发明解决的主要问题。

发明内容

本发明提供了一种通孔形成方法，可在符合产品要求的图形化工艺条件下减少经历清洗操作后形成的通孔底角凹陷。

本发明提供的一种通孔形成方法，包括，

经由第一管路和第二管路向反应腔室分别通入经由流量控制器控制的第一气体和第二气体，在基底上形成层间介质层；

图形化所述层间介质层，形成接触孔；

清洗所述接触孔，形成通孔；

特别地，在通入所述第一气体和第二气体之前，至少预清洗所述第一管路和第二管路内由所述流量控制器至所述反应腔室间的管路。

可选地，所述第一气体包含有硅烷；可选地，所述第二气体包含有磷烷；可选地，经由所述第二管路向反应腔室通入第二气体的步骤包括：所述第二管路包括分离的第一分路和第二分路，所述第一分路和第二分路分别与流量控制器连通，所述第二气体流经所述第二管路时经由第一分路及第二分路进入所述流量控制器，流经所述流量控制器的第二气体继续经由第一分路及第二分路进入所述反应腔室；可选地，经由所述第一分路的第二气体从所述反应腔室的顶端进入所述反应腔室；可选地，经由所述第二分路的第二气体从所述反应腔室的侧壁进入所述反应腔室；可选地，执行所述清洗操作的清洗溶液中包含氢氟酸溶液；可选地，执行所述预清洗操作的预清洗气体为氩气、氮气或氦气中的一种或其组合；可选地，经由所述第一分路进入所述反应腔室的预清洗气体的流量范围为10sccm～50sccm；可选地，经由所述第二分路进入所述反应腔室的预清洗气体的流量范围为100sccm～500sccm。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

上述技术方案提供的通孔形成方法，通过在经由所述第二管路通入所述第二气体之前，至少预清洗所述第二管路内由所述流量控制器至所述反应腔室间的管路，可清除位于所述第二管路和反应腔室之间的流量控制器内残留的第二气体，以避免在形成所述层间介质层的初始阶段，所述残留的第二气体在所述反应腔室内提供的第二气体浓度高于形成所述层间介质层时需要的第二气体浓度，致使在初始阶段形成的所述层间介质层内经由所述第二气体提供的元素的含量过高，导致在初始阶段形成的所述层间介质层的材质异于其后形成的所述层间介质层的材质，可通过增强所述层间介质层的材质的均匀性减少形成的通孔的底角处产生的凹陷。

附图说明

图1～3为说明现有技术中通孔形成过程的结构示意图；

图4为说明现有技术中通孔底角凹陷的结构示意图；

图5为说明本发明实施例形成层间介质层时的反应系统的结构示意图；

图6为说明本发明实施例的形成通孔的流程示意图；

图7为说明本发明实施例的流出所述流量控制器的第二气体的流量变化示意图；

图8～9为说明应用现有技术和本发明实施例提供的方法形成的层间介质层的二次离子质谱曲线。

具体实施方式

尽管下面将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应当理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列的描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛教导，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下列说明和权利要求书本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实践中，应用沉积反应系统形成层间介质层，继而利用刻蚀反应系统形成所述通孔。如图5所示，所述沉积反应系统至少包含：反应腔室50以及分别与所述反应腔室50相连的第一管路52和第二管路54，所述第一气体和第二气体分别经由第一管路52和第二管路54进入所述反应腔室50，所述第一气体经由所述第一管路52进入所述反应腔室50；所述第二气体经由所述第二管路54进入所述反应腔室50；具体地，所述第二气体经由所述第二管路54进入流量控制器60，流经所述流量控制器60的第二气体继续经由所述第二管路54进入所述反应腔室50；可选地，所述第二管路54包括分离的第一分路56和第二分路58，所述第一分路和第二分路分别与流量控制器连通，所述第二气体流经所述第二管路54时经由第一分路56及第二分路58进入流量控制器60，流经所述流量控制器60的第二气体继续经由第一分路56及第二分路58进入所述反应腔室50。

经由所述第二管路54进入所述反应腔室50时，所述第二气体可从所述反应腔室50的顶端及侧壁进入所述反应腔室50。特别地，经由所述第一分路56的第二气体从所述反应腔室50的顶端进入所述反应腔室50；经由所述第二分路58的第二气体从所述反应腔室50的侧壁进入所述反应腔室50。

在层间介质层材料为PSG(磷硅玻璃)时，所述第一气体为硅烷；所述第二气体为磷烷。所述反应腔室50为化学气相淀积腔室。

实际生产发现，应用上述方法形成的通孔会在底角处产生凹陷，所述凹陷的存在易在通孔间形成连接通路，继而，在后续向所述通孔内填充导电材料(如金属)后，造成通孔间的连通，影响器件电学性能。如何减少所述凹陷的产生成为本发明解决的主要问题。

本发明的发明人经历分析与实践后认为，在通孔底角处产生所述凹陷的原因在于：对应所述通孔底角处(即，在初始阶段形成的)的层间介质层的材质与对应所述通孔其他位置(即，在初始阶段之后形成的)的层间介质层的材质不同，与经历初始阶段之后形成的层间介质层相比，在初始阶段形成的层间介质层更易于在执行所述清洗操作时被去除。

本发明的发明人经历分析与实践后认为，在所述初始阶段与其后形成的层间介质层的材质不同的原因在于：由于所述第二气体流经所述第二管路54时需流经流量控制器60以控制进入所述反应腔室50的第二气体的流量，因此，停止通入所述第二气体时，所述流量控制器60需关闭。然而，由于所述流量控制器60包含进气阀和至少一个出气阀，所述第二气体经由所述进气阀进入所述流量控制器60；继而，经由所述出气阀进入所述反应腔室50。实践中，随着生产过程的持续，所述进气阀和出气阀将出现磨损，继而造成所述进气阀和出气阀闭合程度的恶化，通常，所述进气阀和出气阀的磨损程度不同，当所述进气阀的闭合程度差于出气阀时，关闭所述流量控制器60后，在所述流量控制器60内将形成所述第二气体的残留，继而，在后续开启所述流量控制器60以向反应腔室50通入第二气体时，在通入所述第二气体的初始阶段，易形成所述第二气体的爆发(burst)，使得所述残留的第二气体在所述反应腔室50内提供的第二气体浓度高于形成所述层间介质层时需要的第二气体浓度，致使在初始阶段形成的所述层间介质层内经由所述第二气体提供的元素的含量过高。

本发明的发明人经历分析与实践后提出，在经由第一管路52和第二管路54向反应腔室50分别通入第一气体和第二气体，以在基底上形成层间介质层之前，至少预清洗所述第一管路52和第二管路54内由所述流量控制器60至所述反应腔室50间的管路；即，与传统技术相比，在通入所述第二气体之前，增加了所述第二管路54内由所述流量控制器60至所述反应腔室50间的管路的预清洗操作。

经由所述第二管路54通入所述第二气体之前，至少预清洗所述第二管路54内由所述流量控制器60至所述反应腔室50间的管路，可清除位于所述第二管路54和反应腔室50之间的流量控制器60内残留的第二气体，以避免在形成所述层间介质层的初始阶段，所述残留的第二气体在所述反应腔室50内提供的第二气体浓度高于形成所述层间介质层时需要的第二气体浓度，致使在初始阶段形成的所述层间介质层内经由所述第二气体提供的元素的含量过高，导致在初始阶段形成的所述层间介质层的材质异于其后形成的所述层间介质层的材质，可通过增强所述层间介质层的材质的均匀性减少形成的通孔的底角处产生的凹陷。

结合图5及图6所示，应用本发明提供的方法形成通孔的具体步骤，包括：

步骤601：至少预清洗所述第一管路52和第二管路54内由所述流量控制器60至所述反应腔室50间的管路。

所述第一管路52和第二管路54分别用以向反应腔室50通入第一气体和第二气体。执行所述预清洗操作的气体为预清洗气体，所述预清洗气体氩气(Ar)、氮气(N₂)或氦气(He)中的一种或其组合。

预清洗所述第二管路54内由所述流量控制器60至所述反应腔室50间的管路的步骤包括：所述预清洗气体流经所述第二管路54时进入流量控制器60，进入所述流量控制器60的所述预清洗气体继续经由所述第二管路54进入所述反应腔室50；继而，利用抽气泵抽离进入所述反应腔室50所述预清洗气体。

所述预清洗气体经由第三管路70进入所述第二管路54。进入所述第二管路54的所述预清洗气体的流量经由所述第三管路70内的流量控制器60控制。

经由所述第二管路54进入所述反应腔室50时，所述预清洗气体可从所述反应腔室50的顶端(top)及侧壁(side)进入所述反应腔室50。特别地，经由所述第一分路56的预清洗气体从所述反应腔室50的顶端进入所述反应腔室50；经由所述第二分路58的预清洗气体从所述反应腔室50的侧壁进入所述反应腔室50。

经由所述第一分路56进入所述反应腔室50的预清洗气体的流量范围为10sccm～50sccm，如20sccm、30sccm、40sccm；经由所述第二分路58进入所述反应腔室50的预清洗气体的流量范围为100sccm～500sccm，如200sccm、300sccm、400sccm。

通过至少预清洗第二管路54内由所述流量控制器60至所述反应腔室50间的管路，可清除在所述流量控制器60的进气阀的闭合程度较出气阀差时，在关闭所述流量控制器60期间，残留在所述流量控制器60内的第二气体，避免了在传统理念中，只要所述流量控制器60的进气阀及出气阀闭合程度变差，即更换所述流量控制器60的处理方式。可降低所述流量控制器60的更换频率，减少停机检修耗用的时间，利于生产效率的提高；此外，传统理念中，大多通过合格率的降低判定述流量控制器60的进气阀及出气阀闭合程度变差，即通过合格率的降低判定所述流量控制器60失效，换言之，在做出需更换流量控制器60的决定时，已造成了相当程度的产品损耗，采用本实施例提供的方法，通过在通入所述第二气体之前，至少预清洗所述第二管路54内由所述流量控制器60至所述反应腔室50间的管路，可弥补所述流量控制器60失效造成的产品损耗，利于提高产品的合格率。

步骤602：经由所述第一管路52和第二管路54向反应腔室50分别通入经由流量控制器60控制的第一气体和第二气体，在基底上形成层间介质层。

以所述层间介质层材料为PSG为例，所述第一气体为硅烷；所述第二气体为磷烷。所述反应腔室50为化学气相淀积腔室。硅烷和磷烷经由所述第一管路52和第二管路54分别通入所述反应腔室50。磷烷流经所述第二管路54时首先进入流量控制器60，进入所述流量控制器60的所述磷烷继续经由所述第二管路54进入所述反应腔室50；或者，所述磷烷经由第一分路56及第二分路58进入流量控制器60，进入所述流量控制器60的所述磷烷继续经由所述第一分路56及第二分路58进入所述反应腔室50(即所述磷烷同时经由所述反应腔室50的顶端和侧壁进入所述反应腔室50)。

经由所述第二管路54进入所述反应腔室50时，所述磷烷可从所述反应腔室50的顶端及侧壁进入所述反应腔室50。特别地，经由所述第一分路56的磷烷从所述反应腔室50的顶端进入所述反应腔室50；经由所述第二分路58的磷烷从所述反应腔室50的侧壁进入所述反应腔室50。

在衬底(substrate)上定义器件有源区并完成浅沟槽隔离、继而形成栅极结构及掺杂扩散区后形成基底。所述衬底包含但不限于包括硅元素的材料，例如单晶、多晶或非晶结构的硅或硅锗(SiGe)，以及绝缘体上硅(SOI)。所述栅极结构包含栅极、环绕栅极的侧墙及栅氧化层。所述栅极结构还可包含覆盖所述栅极和侧墙的阻挡层。

此外，在衬底上定义器件有源区并完成浅沟槽隔离、继而形成栅极结构及掺杂扩散区、进而沉积第一层间介质层后，继续形成第一层通孔，并填充所述第一层通孔，随后，形成第一金属层后，仍可形成基底；或者，在沉积第一层间介质层后，继续形成第一层通孔及沟槽，并填充所述第一层通孔及沟槽后，仍可形成基底。

可扩展地，在沉积第N-1层间介质层后，继续形成第N-1层通孔，并填充所述第N-1层通孔，随后，形成第N-1金属层，形成基底；或者，在沉积第N-1层间介质层后，继续形成第N-1层通孔及沟槽，并填充所述第N-1层通孔及沟槽，仍可形成基底。

显然，所述层间介质层的数目N可为任意自然数，如1、3、5、7或9等，所述层间介质层的具体数目根据产品要求确定。

形成所述层间介质层时可采用SACVD或HARP SACVD(high aspectratio process Sub-Atmospherical CVD)工艺中的一种或其组合。具体地，可采用任何传统的方法，在此不再赘述。

所述层间介质层材料包含但不限于磷硅玻璃(phosphosilicateglass，PSG)、硼硅玻璃(borosilicate，BSG)、硼磷硅玻璃(borophosphosilicate，BPSG)、氟硅玻璃(FSG)或具有低介电常数材料中的一种或其组合。所述具有低介电常数材料包括但不限于黑钻石(Black Diamond，BD)或coral等。

步骤603：图形化所述层间介质层，形成接触孔。

所述图形化操作采用等离子体刻蚀工艺。图形化所述层间介质层的步骤包括：在所述层间介质层形成图形化的抗蚀剂层；去除所述图形化的抗蚀剂层暴露的层间介质层。实践中，所述形成图形化的抗蚀剂层包含所述抗蚀剂层的涂覆、烘干、光刻、曝光及检测等步骤，相关工艺可应用各种传统的方法，应用的所述抗蚀剂层可选用任何可应用于半导体制程中的抗蚀剂材料，在此均不再赘述。

步骤604：清洗所述接触孔，形成通孔。

所述清洗操作用以去除形成所述接触孔后在其侧壁及底壁残留的副产物。执行所述清洗操作的清洗溶液中包含氢氟酸溶液。所述氢氟酸溶液既可为浓度为49％的原液，也可为稀释后获得的溶液，稀释后的氢氟酸溶液的浓度可为45％、35％、25％、15％或小于3％。

本发明的发明人通过实验验证了上述流量控制器内存在气体残留的效应。以所述磷烷流经的第一分路为例，如图7所示，曲线72和曲线74分别代表流经未经历预清洗操作和经历预清洗操作的磷烷的流量变化曲线。由图7可见，未经历预清洗操作时，在通入所述磷烷的初始阶段，所述磷烷的流量由约0sccm增至40sccm后，又迅速回复24.550sccm，即在通入所述磷烷的初始阶段，所述磷烷的流量需经历爆发式增加过程，方趋于平稳；而经历预清洗操作后，则无需经历所述爆发式增加过程。

如图8所示，曲线81、83、85分别代表氧、磷、硅的二次离子质谱曲线。现有技术中，未经历预清洗操作时，在距基底表面约1微米处，存在磷的原子含量突变(如图中圈示区域)。而如图9所示，曲线82、84、86分别代表氧、磷、硅的二次离子质谱曲线。应用本发明提供的方法时，经历预清洗操作后，在距基底表面约1微米处，不存在磷的原子含量突变(如图中圈示区域)。说明所述预清洗操作的引入，利于避免在初始阶段形成的所述层间介质层中引入过量的磷，即利于避免在初始阶段形成的所述层间介质层的材质异于其后形成的所述层间介质层的材质，利于增强所述层间介质层的材质的均匀性，继而，利于控制对所述层间介质层执行的图形化操作的均匀性，利于减少形成的通孔的底角处产生的凹陷。

需强调的是，未加说明的步骤均可采用传统的方法获得，且具体的工艺参数根据产品要求及工艺条件确定。

尽管通过在此的实施例描述说明了本发明，和尽管已经足够详细地描述了实施例，申请人不希望以任何方式将权利要求书的范围限制在这种细节上。对于本领域技术人员来说另外的优势和改进是显而易见的。因此，在较宽范围的本发明不限于表示和描述的特定细节、表达的设备和方法和说明性例子。因此，可以偏离这些细节而不脱离申请人总的发明概念的精神和范围。

Claims

1.一种通孔形成方法，包括，

图形化所述层间介质层，形成接触孔；

清洗所述接触孔，形成通孔；

其特征在于：在通入所述第一气体和第二气体之前，至少预清洗所述第一管路和第二管路内由所述流量控制器至所述反应腔室间的管路。

2.根据权利要求1所述的通孔形成方法，其特征在于：所述第一气体包含有硅烷。

3.根据权利要求1所述的通孔形成方法，其特征在于：所述第二气体包含有磷烷。

4.根据权利要求1所述的通孔形成方法，其特征在于，经由所述第二管路向反应腔室通入第二气体的步骤包括：所述第二管路包括分离的第一分路和第二分路，所述第一分路和第二分路分别与流量控制器连通，所述第二气体流经所述第二管路时，经由所述第一分路及第二分路进入所述流量控制器，流经所述流量控制器的第二气体继续经由第一分路及第二分路进入所述反应腔室。

5.根据权利要求4所述的通孔形成方法，其特征在于：经由所述第一分路的第二气体从所述反应腔室的顶端进入所述反应腔室。

6.根据权利要求4所述的通孔形成方法，其特征在于：经由所述第二分路的第二气体从所述反应腔室的侧壁进入所述反应腔室。

7.根据权利要求1所述的通孔形成方法，其特征在于：执行所述清洗操作的清洗溶液中包含氢氟酸溶液。

8.根据权利要求1所述的通孔形成方法，其特征在于：执行所述预清洗操作的预清洗气体为氩气、氮气或氦气中的一种或其组合。

9.根据权利要求4所述的通孔形成方法，其特征在于：经由所述第一分路进入所述反应腔室的预清洗气体的流量范围为10sccm～50sccm。

10.根据权利要求4所述的通孔形成方法，其特征在于：经由所述第二分路进入所述反应腔室的预清洗气体的流量范围为100sccm～500sccm。