CN1236975A - 互联系统及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的互联系统包括用化学气相淀积法形成的互联膜,其中所述互联膜包括其杂质浓度不同的上层和下层。使用单个腔室由化学气相淀积法生产包括上层和下层的互联膜的方法包括:通过将所述腔室抽真空和向该腔室中通入反应气体,在凹口中淀积下层的下层形成步骤;随后减小从反应气体中分解出来并留在腔室中的杂质的分压的清洁步骤;以及随后通过向腔室中通入反应气体,在下层上淀积上层的上层形成步骤。
Description
本发明涉及利用化学气相淀积(CVD)法形成的互联系统以及生产该互联系统的方法。
本申请以日本专利申请No.Hei10-65781为基础，这里作为参考资料包含了该申请的内容。
在半导体电路的制造中，互联膜形成在半导体衬底上以连接有源元件和无源元件。
通常，互联膜是利用溅射工艺制造的，其中在真空中生产出颗粒，并将其淀积到衬底上，形成薄膜。
近年来，随着电路集成度的快速提高，接触孔和通孔的高宽比增大，而溅射工艺常常不能令人满意，不能有效地填充或堵塞孔。需要开发另一种用于制造互联膜的工艺。
除溅射工艺以外，已发现化学气相淀积(CVD)是用于形成互联膜的一种方便而有效的工艺。
该工艺通常包含使穿过绝缘层而延伸的孔(凹口)中的钨成核(nucleate)，在钨成核的基础上淀积膜以堵塞孔，并将上层淀积到堵塞膜上。
在用钨膜堵塞绝缘层中的孔之后，为完成在堵塞膜上形成上层的步骤，单晶片型(single-wafer type)钨CVD设备通常利用单个腔室。
使用单晶片型钨CVD设备淀积钨膜的工艺包含将WF6作为反应气体引入以淀积堵塞孔的膜，并在随后将WF6引入到腔室中以在堵塞膜上淀积上钨互联膜。
根据使用应力测量设备对半导体衬底的翘曲的测量，本发明人发现，在半导体衬底的互联上存在应力。用反射计测量的膜表面的反射率低，用SEM(扫描电子显微镜)在该反射率降低的膜的表面上检测到凹凸不平。
在对上述问题进行技术分析之后，本发明人得出结论，即当因互联上的应力造成半导体衬底翘曲时，将要作为在衬底上形成的元件基底的膜的表面平滑度变坏，导致对制造的半导体器件特性的不良影响。
反射率的减小是由上互联膜表面上的凹凸不平造成的，这种凹凸不平使膜厚度不均匀，并且在后面的腐蚀工艺中可能在互联膜中出现残余部或变薄部分，这可能造成短路。
本发明人的技术分析表明这些问题是由从WF6中分解出来并污染互联膜的氟造成的。
第一次公开号为No.Hei7-111253的日本专利申请披露了用于在绝缘层上淀积钨膜的技术，该技术包含在第一和第二步骤之间停止供应反应气体，与此同时通过只流过运载气体来清洁膜表面。
但是，该技术只清洁膜表面，而不能控制杂质的浓度，因此不可能防止因膜中的杂质而引起的互联膜上的应力和反射率的减小。使用CVD法形成互联膜的背景技术中的问题仍然存在。
因此，本发明的目的是提供一种互联系统及其生产方法，该方法可避免从反应气体中分解出来的杂质进入互联膜带来的污染，并且可提高所制造的半导体器件的性能。
为实现上述目的，本发明的互联系统包括用化学气相淀积法形成的互联膜，其中该互联膜包括上层和下层，所述上层和下层中杂质的浓度不同。
上层中杂质的浓度小于下层中杂质的浓度。最好上层中杂质的浓度在下层中杂质浓度的1/7到1/5的范围内。互联膜中的杂质是在互联膜的淀积工艺中从反应气体中分解出来的成分。所述互联膜应力的增大和反射率的减小是杂质造成的。
互联膜通过两个步骤的工艺形成，其中包含淀积下层和随后在其上淀积上层。下层对凹口进行填充，而上层形成在下层上。
互联膜是通过将WF6作为反应气体由钨形成的。钨互联膜包含从WF6气体中分解出来的氟杂质。上层中的氟的浓度在下层中氟浓度的1/7到1/5的范围内。
在本发明另一方面中，互联膜包括上层和下层，使用单个腔室由化学气相淀积法生产该互联膜的方法包括：通过将该腔室抽真空和向该腔室中通入反应气体而在凹口中淀积下层的下层形成步骤；随后减小杂质的分压的清洁步骤，该杂质是从反应气体中分解出来并留在该腔室中的；以及随后通过向该腔室中通入反应气体而在下层上淀积上层的上层形成步骤。
该清洁步骤包括减小上层中杂质的浓度。上层和下层由相同的材料制成。上层中杂质的浓度在下层中杂质浓度的1/7到1/5的范围内。
在本发明的另一方面中，互联膜包括上层和下层，使用单个腔室由化学气相淀积法生产该互联膜的方法包括：在凹口中淀积下层的下层形成步骤，其中通过将该腔室抽真空和向该腔室中通入反应气体WF6使钨成核；随后减小氟的分压的清洁步骤，所述氟是从WF6反应气体中分解出来并留在该腔室中的；以及随后通过向该腔室中通入WF6反应气体而在下层上淀积上层的上层形成步骤。
清洁步骤包括减小上层中氟的浓度。上层中氟的浓度在下层中氟浓度的1/7到1/5的范围内。在下层形成步骤中和在上层形成步骤中反应气体的流量之比在约1∶0.25到1∶0.5的范围内。
清洁步骤可以包括只向腔室中通入置换气体。在该清洁步骤中，置换气体是惰性气体或还原气体，并且腔室中的真空度在102到10-2乇的范围内。清洁步骤可包括将该腔室抽真空。在该清洁步骤中，真空度在10-1到10-3乇的范围内。清洁步骤可以既包括将该腔室抽真空，又包括向腔室中通入置换气体。在该清洁步骤中，腔室中的真空度在102到10-2乇的范围内。
根据本发明，可以防止互联膜上的应力和反射率的减小，因为互联膜是在减小上层中杂质浓度的同时形成的。
此外，清洁工艺是在下层形成步骤和上层形成步骤之间进行的，并且各步骤是连续进行的，这提高了工艺的效率。
图1是示出本发明的半导体器件中的互联系统的剖面图。
图2是示出用于形成本发明的钨膜的设备的示意图。
图3是示出用于生产本发明的互联系统的方法的流程图。
图4a到4d是示出用于生产本发明的互联系统的方法中各步骤的剖面图。
结合附图将说明本发明的最佳实施例。第一实施例
图1是示出本发明第一实施例的互联系统的剖面图，图2是用于形成第一实施例的互联的化学气相淀积设备，而图3是示出用于形成第一实施例的互联的方法的流程图。
参看各附图，互联系统包括由化学气相淀积法制造的互联膜5，而膜5包括其杂质浓度不同的上层6a和下层6b。
互联膜5的上层6a中的杂质浓度低于下层6b，最好在下层6b的杂质浓度的1/7到1/5/范围内。
互联膜5中的杂质可能增加互联膜5上的应力，并可能减少其反射率，该杂质是形成该膜时从反应气体中分解出来的。
互联膜5中的上层6a和下层6b通过两个步骤的工艺形成，在其中淀积下层6b，与此同时堵塞孔(凹口)4a，然后将上层6a淀积到下层6b上。
下面将以钨互联膜5为例说明本发明的互联系统。
在示出带有互联系统的半导体器件构造的图1中，具有源2a，栅极2b，和漏2c的晶体管被定位在由LOCOS(硅的局部氧化)确定的元件形成区域中，并且被称为接触孔的孔(凹口)4a延伸穿过覆盖半导体衬底表面的绝缘层4。
钨下层(埋置膜)6b堵塞绝缘层4中的孔4a，并且部分位于绝缘层4的上表面上。钨上层6a整体地层叠于下层6b上。
通过腐蚀工艺，将上层6a和下层6b做成需要的图形。用后面在其上将形成互联膜9的上绝缘层7覆盖已构图的层6a和6b。通过填充穿过绝缘层7的孔7a的钨栓塞8，绝缘层7之上以及之下的层9和6b电连接。在淀积钨之前，在绝缘层4和7中的孔4a和7a的内壁上形成TiN/Ti膜6c和8a。
通常，第二层或随后的层由电阻率低于钨的材料如铝(Al)、铝/铜(Al/Cu)和铝/钛(Al/TiN)制成，该层例如是图1中的互联膜9。
在背景技术中，当利用CVD工艺形成钨互联膜5时，在穿过绝缘层4的孔4a中下钨层6b的淀积和上层6a的淀积二者是在单个真空室中连续进行的，结果导致氟进入互联膜5，特别是进入上层6a中。
根据利用应力测量设备测量的半导体衬底的翘曲测量结果已发现，在半导体衬底的互联中存在应力，该半导体衬底的互联膜含有从WF6分解的氟。用反射计测量的反射率减小，而用SEM(扫描电子显微镜)在具有该减小的反射率的膜表面检测到凹凸不平。
在对上述问题进行技术分析之后，本发明人得到下面的结论：
1)当因互联上的应力造成半导体衬底翘曲时，将要作为在衬底上形成的元件基底的膜的表面平滑度变坏，导致对制造的半导体器件特性的不良影响，并且
2)反射率的减小是由上互联膜表面上的凹凸不平造成的，这种凹凸不平使膜厚度不均匀，并且在后面的腐蚀工艺中会在互联膜中出现残余部或变薄部分，这可能造成短路。
第一实施例的目的是防止从主要反应气体WF6中分解出来的氟进入到上层6a中。
将参考图2说明用于生产根据本发明第一实施例的钨互联系统的制造设备。
参看图2，制造设备包括腔室10，真空设备11，气体供应设备12，和分压减小设备13。
腔室10是能利用真空设备11变成真空，同时利用气体供应设备12向该真空腔室10中通入反应气体的容器。反应气体的流量通过流量计14来控制，以便将用于形成下层6b的反应气体流量和用于形成上层6a的反应气体流量之比设置在大约1∶0.25到1∶0.5的范围内。WF6主要用作反应气体，而引入气体H2和SiH4以便还原WF6。在完成所有膜形成步骤之后，为清洁容器10，将用于通入其它惰性气体(例如Ar和N2)的管连接到腔室10上。通过使C2F6和O2流入到腔室10中，可去除在腔室10中累积的钨膜。
分压减小设备13减小留在腔室10中的杂质的分压，降低上层6a中的杂质浓度。分压强减小设备13包括用于通入惰性气体(例如Ar和N2)的管，该管的流量通过流量计14控制。将这些管连接到腔室10，以便在膜形成步骤中以及在完成所有膜形成步骤之后清洁腔室10。
借助图2所示的设备，将说明通过化学气相淀积形成第一实施例的钨互联膜5的步骤。
图4a示出钨膜淀积之前的初始状态，其中在半导体衬底1上由LOCOS3所确定的元件形成区域上设置了带有源2a，栅极2b和漏2c的晶体管，并且使孔4a穿过层叠于半导体衬底的整个表面上的绝缘膜4。孔4a向源2a和栅极2b方向延伸。在钨淀积之前，用TiN/Ti膜6c覆盖绝缘层4中孔4a的内壁。
图4b到4d示出第一实施例的淀积钨膜的步骤。利用真空设备11使图2所示的腔室保持真空，同时利用气体供应设备12向腔室10中通入反应气体WF6，以使半导体衬底与反应气体接触，从而在孔4a的内壁上和在TiN/Ti膜6c的表面上使钨W1成核(在图3所示的成核步骤中)。
如图4c所示，通过进行钨W1的成核，使钨层(埋置膜)6b填充孔4a(在图3的下层形成步骤中)。
在图4c所示的下层形成步骤之后，从WF6分解出来的氟留在腔室10中。因此，如果刚好在下层形成步骤之后将钨上层6a层叠于下层6b之上，则氟可能进入到层6a中。
为避免这种情况，在图4c的下层形成步骤之后、图4d的上层形成步骤之前，进行图3所示的清洁工艺。在清洁工艺中，利用真空设备11使腔室10保持真空，并利用分压减小设备13将置换气体引入到腔室10中。从WF6中分解出来并留在腔室10中的氟由置换气体置换，这样在对腔室10抽真空的同时减小腔室10中氟成分的分压。这样，腔室10经过清洁工艺，从而减小了因WF6而上升的氟的浓度。在清洁工艺中，达到的真空度被设置在102到10-2(1.0E2到1.0E-2)(乇)的范围内。
例如，置换气体例如是诸如N2,Ar和He这样的惰性气体，或者是诸如H2这样的还原气体，并且最好是以几百到几千SCCM的流量通入到腔室10中。
参看图4d，再次向在清洁工艺中杂质分压已被减小的腔室10中通入反应气体(WF6)，以便将上层6a淀积到下层6b上(在图3的上层形成步骤中)。由于它们由共同的材料制成，该材料在第一实施例中为钨，因而上层6a和下层6b是一体地成层的。
在下层形成步骤中和在上层形成步骤中反应气体的流量之比最好在约1∶0.25到1∶0.5的范围内。
然后，在腐蚀工艺中将上层6a和下层6b图形化成需要的形状(见图1)。
根据第一实施例，因为利用置换气体减小了杂质的分压，并且使腔室10变成真空并被抽真空，所以腔室10中的氟被有效地去除。
在采用了将腔室10抽成真空以及利用置换气体进行置换的清洁步骤中，可以用置换气体置换从WF6中分解出来并留在腔室10中的氟，并在随后可以使腔室10变成真空，从而减小了腔室10中氟的分压。另一方面，可以使腔室10变成真空，并在随后可以用置换气体置换腔室10中的氟，从而减小腔室10中氟的分压。另一方面，可以在连续地将置换气体提供到腔室10中的同时，使腔室10变成真空，从而减小腔室10中氟的分压。
使腔室10变成真空，用置换气体置换从WF6中分解出来并留在腔室10中的氟，减小了氟的分压，并随后在清洁的腔室中形成上层6a，由此防止氟进入层6a中。结果，上层6a中杂质(从WF6中分解出来的氟)的浓度变得小于下层6b中的浓度，并且，例如上层6a中杂质的浓度是下层6b中浓度的1/7到1/5。
下表示出第一实施例与背景技术的应力和反射率的比较。应力是在下层6b厚度为3500A，上层厚度为2000A，互联层5厚度为5500A时测量的。反射率是用480nm波长的光测量，并以与被规定为100％的镜面磨光的单晶硅的反射率之比来表示的。
| 背景技术 | 第一实施例 | |
| 应力(达因/SQ) | 8.0×109 | 7.0×109 |
| 反射率(相对于Si％) | 73 | 85 |
如从表中显示出的，可以避免氟进入互联膜，在互联膜上出现应力，以及互联膜反射率的减小，因为为形成互联膜减小了从WF6中分解出来并留在腔室10中的氟的分压，并将反应气体引入到了腔室10中。
在本发明的清洁步骤中，通过使腔室10变成预定的真空度，可以提高减小杂质分压的效率。第二实施例
尽管在上述第一实施例的清洁步骤中，为减小杂质的分压既进行了将腔室10抽成真空，又进行了利用置换气体的置换，但本发明不限于此实施例。
在清洁步骤中，可以只向腔室10中通入置换气体以减小腔室10中杂质的分压强。真空度最好在102到10-2(1.0E2到1.0E-2)乇。由于防止了压力的变化，该清洁步骤提供了减少颗粒附着的优点。
另一方面，在清洁步骤中，可以使腔室10变成真空，以从腔室10中消除杂质，减小腔室10中杂质的分压。真空度最好在10-1到10-3(1.0E-1到1.0E-3)乇。该清洁步骤提高了减小从反应气体中分解出来的杂质的分压强的效果，并缩短了处理时间。
尽管在实施例中互联膜由钨制成，但所用材料不限于该实施例，而可以将其它导电材料用于互联膜中。尽管当互联膜由另一种导电材料形成时，杂质可能从反应气体中分解出来并留在腔室中，并且可能污染上层，但本发明可以减小互联膜上的应力并可以防止反射率的减小。
根据本发明，可以防止互联膜上的应力和反射率的减小，因为互联膜是在减小了上层中杂质浓度的同时形成的。
此外，清洁工艺是在下层形成步骤和上层形成步骤之间进行的，并且各步骤是连续进行的，提高了工艺的效率。
本发明可以以其它形式实施或以其它方式进行而不脱离本发明的精髓。因此从所有方面来看本发明实施例都被认为是说明性的而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求表示，并且所有落在本发明等价方案范围内的变型都应包括在本发明的范围中。
Claims (25)
1．一种互联系统，包括用化学气相淀积法形成的互联膜，其特征在于，所述互联膜包括上层和下层，在所述上层和下层中杂质的浓度不同。
2．如权利要求1的互联系统，其特征在于，所述上层中所述杂质的浓度小于所述下层中杂质的浓度。
3．如权利要求1的互联系统，其特征在于，所述上层中所述杂质的浓度在所述下层中所述杂质浓度的1/7到1/5的范围内。
4．如权利要求1的互联系统，其特征在于，互联膜中的杂质是在所述互联膜的淀积工艺中从反应气体中分解出来的成分。
5．如权利要求1的互联系统，其特征在于，所述互联膜应力的增大和反射率的减小是杂质造成的。
6．如权利要求1的互联系统，其特征在于，所述互联膜通过两步骤工艺形成，其中包含淀积所述下层和随后在其上淀积所述上层。
7．如权利要求1的互联系统，其特征在于，所述下层对凹口进行填充，而所述上层形成在所述下层上。
8．如权利要求1的互联系统，其特征在于，所述互联膜是通过由钨使用WF6反应气体形成的。
9．如权利要求8的互联系统，其特征在于，所述钨互联膜包含从所述WF6气体中分解出来的氟杂质。
10．如权利要求8的互联系统，其特征在于，所述上层中的所述氟的浓度在所述下层中所述氟浓度的1/7到1/5的范围内。
11．一种使用单个腔室由化学气相淀积法生产包括上层和下层的互联膜的方法，包括：
通过将所述腔室抽真空和向所述腔室中通入反应气体而在凹口中淀积所述下层的下层形成步骤；
随后减小杂质的分压的清洁步骤，所述杂质是从所述反应气体中分解出来并留在所述腔室中的；以及
随后通过向所述腔室中通入反应气体而在所述下层上淀积上层的上层形成步骤。
12．如权利要求11的方法，其特征在于，所述清洁步骤包括减小所述上层中所述杂质的浓度。
13．如权利要求11的方法，其特征在于，所述上层和所述下层由相同的材料制成。
14．如权利要求11的方法，其特征在于，所述上层中所述杂质的浓度在所述下层中所述杂质浓度的1/7到1/5的范围内。
15．一种使用单个腔室由化学气相淀积法生产包括上层和下层的互联膜的方法，包括：
在凹口中淀积所述下层的下层形成步骤，其中通过将所述腔室抽真空和向所述腔室中通入反应气体WF6使钨成核；
随后减小氟的分压的清洁步骤，所述氟是从所述WF6反应气体中分解出来并留在所述腔室中的；以及
随后通过向所述腔室中通入WF6反应气体而在所述下层上淀积上层的上层形成步骤。
16．如权利要求15的方法，其特征在于，所述清洁步骤包括减小所述上层中所述氟的浓度。
17．如权利要求15的方法，其特征在于，所述上层中所述氟的浓度在所述下层中所述氟浓度的1/7到1/5的范围内。
18．如权利要求15的方法，其特征在于，在所述下层形成步骤中与在所述上层形成步骤中所述反应气体的流量之比在约1∶0.25到1∶0.5的范围内。
19．如权利要求11的方法，其特征在于，在所述清洁步骤中向所述腔室中只通入置换气体。
20．如权利要求19的方法，其特征在于，在所述清洁步骤中，所述置换气体是惰性气体或还原气体。
21．如权利要求19的方法，其特征在于，在所述清洁步骤中，所述腔室中的真空度在102到10-2乇的范围内。
22．如权利要求19的方法，其特征在于，所述清洁步骤包括将所述腔室抽真空。
23．如权利要求22的方法，其特征在于，在所述清洁步骤中，真空度在10-1到10-3乇的范围内。
24．如权利要求19的方法，其特征在于，所述清洁步骤包括将所述腔室抽真空，和向所述腔室中通入置换气体。
25．如权利要求24的方法，其特征在于，在所述清洁步骤中，所述腔室中的真空度在102到10-2乇的范围内。
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