CN102005405A - 钨栓塞的制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种钨栓塞的制造方法，包括：提供衬底，所述衬底表面具有介质层，介质层上有开口，所述开口暴露出衬底；在所述衬底上形成粘附层；氮化所述粘附层，使部分粘附层形成阻挡层；在所述开口内填充金属钨；去除多余的金属钨和部分阻挡层，形成钨栓塞。本发明消除或减少了钨栓塞制造过程中形成的内部空洞，降低了钨栓塞的互连电阻，防止了化学机械抛光过程中抛光液浸入和腐蚀钨栓塞，提高了产品的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种钨栓塞的制造方法。
背景技术
随着半导体技术的发展，甚大规模集成电路芯片的集成度已经高达几亿乃至几十亿个器件的规模，两层以上的多层金属互连技术广泛实用。目前，两个不同金属层之间的电连接，是通过在两个金属层之间的介质层形成通孔并填充导电材料、形成栓塞(plug)结构而实现的。栓塞的形成质量对器件的性能影响很大，如果栓塞形成质量较差，会使得互连电阻增大，影响器件的性能。金属钨由于其优良的台阶覆盖率(step coverage)和填充性，成为栓塞的优选材料。
随着工艺尺寸的不断减小，铜互连工艺得到广泛应用，但是铜的扩散会造成器件的“中毒效应”，因此，源、漏和栅区域的接触孔中填充的金属仍然选用钨。
在申请号为200610030809.4的中国专利中公开了一种接触孔的填充方法，先是在接触孔中形成粘附层和阻挡层；再对所述接触孔底部的阻挡层进行减薄处理；最后在所述接触孔中形成钨栓塞。图1至图3给出了该技术方案中钨栓塞制造过程的剖面结构示意图。
如图1所示，所述衬底100表面具有介质层101，所述介质层101上具有接触孔110，所述接触孔110暴露出所述衬底100。
如图2所示，在所述接触孔110中填充金属钛(Ti)，形成粘附层102。钛和常用的介质材料以及用作阻挡层的材料(TiN)的粘附性都很好，可以有效提高阻挡层的台阶覆盖率。另外，粘附层中的钛会在淀积的同时与接触孔110底部衬底100中的硅材料发生反应，形成低阻的TiSix，提高所述接触孔110的电特性。
如图3所示，在所述粘附层102上形成氮化钛(TiN)，形成阻挡层103。淀积方法可以是金属有机化学气相淀积(MOCVD)。阻挡层TiN的作用一方面可以增加金属钨与接触孔之间的粘附性，提高钨栓塞的填充质量，另一方面也可以阻止淀积金属钨时所用的反应物WF6与所述接触孔110底部所述衬底100中的硅材料发生反应，形成高阻的WSix而导致接触电阻增大。
为了降低所述阻挡层103对栓塞电阻的影响，现有技术对所述阻挡层103进行了减薄处理，减薄之后再填充金属钨形成钨栓塞。
在实际工艺中，淀积Ti和TiN的过程中，在接触孔110的开口两边拐角处都会形成“凸起”(overhang)110a，如图4所示。随着工艺水平的不断提高，特别是进入65nm以及更高的工艺水平以后，所述凸起110a会影响钨的填充效果，如图5所示，使得填充的金属钨104中会形成空洞(seam，void)104a，所述空洞104a会增加钨栓塞的互连电阻。另外，在进行化学机械抛光(CMP，ChemicalMechanical Polish)去除多余的金属钨以及阻挡层时，抛光液会通过空洞104a浸入钨栓塞内部，如图6所示，抛光液一般都呈酸性或者碱性，含有多种化学成分，会腐蚀金属钨，降低器件的可靠性。
发明内容
本发明提供了一种钨栓塞的制造方法，消除或减少了钨栓塞制造过程中形成的内部空洞。
本发明提供了一种钨栓塞的制造方法，包括如下步骤：
提供衬底，所述衬底表面具有介质层，介质层中有开口，所述开口暴露出衬底；
在所述衬底上形成粘附层；
氮化所述粘附层，使部分粘附层形成阻挡层；
在所述开口内填充金属钨；
去除多余的金属钨和部分阻挡层，形成钨栓塞。
所述氮化过程使用含氮的气体作为反应气体，如氮气。
所述氮化过程中通入氮气的流量为20sccm(毫升/分钟)至80sccm。
所述氮化过程与所述粘附层的形成过程是在同一个反应腔(chamber)中进行的。
所述氮化过程的温度为100摄氏度至300摄氏度。
所述氮化过程的时间为5秒至60秒。
所述氮化过程反应腔内的压强为10mtorr(毫托)至20mtorr。
所述粘附层的材料为钛(Ti)。
所述粘附层的厚度为80埃至200埃。
所述阻挡层的材料为氮化钛(TiN)，所述阻挡层厚度为5埃至10埃。
与现有技术相比，上述公开的技术方案有如下优点：
上述公开的钨栓塞的制造方法中，先形成粘附层，然后氮化所述粘附层，使部分粘附层形成阻挡层，防止了由于淀积层数过多导致接触孔开口两边拐角处形成“凸起”现象，从而消除或减少了钨栓塞制造过程中形成的内部空洞，防止了化学机械抛光过程中抛光液浸入和腐蚀钨栓塞，提高了产品的可靠性。
附图说明
图1至图3是现有技术钨栓塞形成方法的剖面结构示意图；
图4是现有技术粘附层和阻挡层淀积后“凸起”现象的示意图；
图5是现有技术淀积钨金属后钨栓塞中“空洞”现象的示意图；
图6是现有技术钨栓塞经过化学机械抛光后的示意图；
图7是本发明钨栓塞形成方法的流程示意图；
图8至图12是本发明钨栓塞形成方法的剖面结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种钨栓塞的制造方法，改进了阻挡层的形成过程，先形成粘附层，然后将所述粘附层氮化，使部分粘附层形成阻挡层，防止了由于淀积层数过多导致接触孔开口两边拐角处形成“凸起”现象，从而消除或减少了钨栓塞制造过程中形成的内部空洞，防止了化学机械抛光过程中抛光液浸入和腐蚀钨栓塞，提高了产品的可靠性。
为使本发明的方法、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。
图7给出了本发明的一个实施例的流程图。
如图7所示，执行步骤S1，提供衬底，所述衬底表面具有介质层，介质层中有开口，所述开口暴露出衬底；执行步骤S2，在所述衬底上形成粘附层；执行步骤S3，氮化所述粘附层，使部分粘附层形成阻挡层；执行步骤S4，在所述开口内填充金属钨；执行步骤S5，去除多余的金属钨和部分阻挡层，形成钨栓塞。
图8至图12为本发明的一个实施例的形成钨栓塞方法的剖面结构示意图。
如图8所示，提供衬底200，所述衬底200表面具有介质层201，所述介质层201中有开口210，所述开口210暴露出衬底200。
所述衬底200的材质可以是单晶硅、多晶硅、非晶硅中的一种，所述衬底200的材质也可以是硅锗化合物，所述衬底200还可以是绝缘体上硅(SOI，Silicon On Insulator)结构或硅上外延层结构。在所述衬底200中形成有半导体器件(未示出)，例如具有栅极、源极和漏极的金属氧化物晶体管。
所述介质层201可以是氧化硅、硼硅玻璃、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃等，本实施例中所述介质层201的材料优选为氧化硅(SiO2)。
所述开口210的形成方法具体包括：在介质层201表面旋涂光刻胶，并图案化；之后使用干法刻蚀形成所述开口210；干法刻蚀之后，去除残留的光刻胶，所述去除光刻胶的方法可以是氧气等离子体灰化法。
如图9所示，在所述衬底200上，包括开口210的底部和侧壁以及介质层201的表面上形成粘附层202。
所述粘附层202在本实施例中的材料是钛(Ti)，形成方法是物理气相淀积(PVD)。具体过程包括将所述衬底清洗后，放入溅射反应腔内，用氩(Ar)离子溅射，淀积形成Ti层。所述粘附层202的厚度为80埃至200埃，与现有技术相比，所述粘附层202的厚度较厚，一方面作为粘附层，另一方面在后续过程中将部分粘附层202氮化形成阻挡层，本实施例中优选的粘附层厚度为80埃至120埃。
所述粘附层202的形成过程中，在所述开口210处不可避免的仍会有“凸起”现象，但是与现有技术分两步淀积来形成粘附层和阻挡层相比，只淀积一次钛层，造成的“凸起”现象减轻了很多，在之后的金属钨的淀积过程中基本上不会形成空洞。
所述粘附层202有两方面的作用，一方面因为阻挡层中的材料氮化钛和介质层201的材料之间粘附性很差，直接在所述介质层201上淀积氮化钛会造成台阶覆盖率低的问题，而所述粘附层202改善了氮化钛在所述开口210内的台阶覆盖率；另一方面利用金属钛和所述开口210底部衬底200中的硅材料发生反应，形成低阻的TiSix，降低了接触电阻。
为了更好地形成低阻的硅化物，作为本发明的一个优化的实施例，可以在形成所述粘附层202之后，对所述衬底200进行快速热退火处理，使得在所述开口210的底部，金属钛与所述衬底200接触的部位，可以形成足够厚的TiSix接触层，降低接触电阻。
如图10所示，氮化所述粘附层202，使部分粘附层202形成阻挡层203。
本实施例氮化过程中优选的反应气体为氮气。氮气流过所述粘附层202的表面，与所述粘附层202中的钛发生反应形成氮化钛，构成了阻挡层203。
所述氮化过程与所述粘附层202的形成过程是在同一个反应腔(chamber)中原位进行的，具体包括在物理气相淀积反应腔中淀积形成所述粘附层202，之后在该反应腔中再通入氮气(N2)将所述粘附层202的表面氮化。与现有技术相比，省去了所述阻挡层203形成时用到的MOCVD工艺过程，减少了在工艺流程的开销，降低了制造成本。
所述氮化过程的温度为100摄氏度至300摄氏度，反应时间为5秒至60秒，通入氮气的流量为20sccm(毫升/分钟)至80sccm，反应腔内的压强为10mtorr(毫托)至20mtorr，氮化生成的阻挡层203的厚度为5埃至10埃。本实施例中氮化过程中优选的反应温度为180摄氏度至230摄氏度，反应时间为30秒，通入氮气的流量为40sccm，反应压强为10mtorr，生成的阻挡层203的厚度为8埃。
所述阻挡层203的形成是通过氮化所述粘附层202的表面而实现的，除了省去了一步淀积过程，相对现有技术，还减轻了所述开口210处的“凸起”现象，为之后的钨淀积过程预留了更多的淀积空间，避免或者减少了钨栓塞内部空洞的形成。
所述阻挡层203有两方面作用，一方面所述阻挡层203的材料氮化钛与金属钨之间具有良好的粘附性，确保了随后金属钨的填充效果；另一方面所述阻挡层203也可以防止在淀积钨的过程中反应物WF6与所述开口210底部衬底200中的硅材料发生反应形成WSix，WSix电阻率很高，会使得接触电阻增大，导致器件性能降低。
如图11所示，在所述衬底200上形成金属钨(W)层204。
所述金属钨层204的形成方法为化学气相淀积(CVD)，本实施例中所用的主要反应物为WF6和SiH4。将所述衬底转移至真空反应腔中，将惰性气体氩(Ar)气引入到反应腔中作为化学气相淀积的反应气氛；使用氢气(H2)作为运载气体将硅烷(SiH4)气体引入反应腔中；接下来通入氟化钨(WF6)气体进行反应过程。主要反应过程包括：SiH4热分解后生成Si和H2，WF6被H2还原形成钨，钨首先在开口侧壁和底部淀积形成钨籽晶层，之后大量淀积形成钨金属层。由于之前已经形成了所述阻挡层203，因此在反应过程中WF6不会和所述衬底200中的硅材料发生反应，避免了对所述衬底200中硅材料的消耗和侵蚀，也防止了反应形成高电阻率的WSix而导致钨栓塞的互连电阻增大。
如图12所示，去除所述衬底表面多余的金属钨层204以及部分阻挡层203，形成钨栓塞204a。去除金属钨的方法可以是化学机械抛光或者回刻(etchback)，本实施例中优选的方法是化学机械抛光。化学机械抛光一方面可以研磨去除多余的金属钨，另一方面可以使得抛光后的表面具有良好的平整度，便于进行接下来的工艺制程。
化学机械抛光之后，对所述衬底200的表面进行清洗，完成整个钨栓塞的制造过程。
综上，本发明提供了一种钨栓塞的制造方法。与现有技术相比，本发明改进了阻挡层的形成方法，先形成粘附层，然后氮化所述粘附层，使部分粘附层形成阻挡层，消除或减少了钨栓塞制造过程中形成的内部空洞，减小了钨栓塞的互连电阻，防止了化学机械抛光过程中抛光液浸入和腐蚀钨栓塞，提高了产品的可靠性。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权力要求所限定的范围为准。
Claims (10)
1.一种钨栓塞的制造方法，其特征在于，包括：
提供衬底，所述衬底表面具有介质层，介质层中有开口，所述开口暴露出衬底；
在所述衬底上形成粘附层，所述粘附层覆盖所述开口底部和侧壁；
氮化所述粘附层，使部分粘附层形成阻挡层；
在所述阻挡层上形成金属钨，所述金属钨填满开口；
去除多余的金属钨和部分阻挡层，形成钨栓塞。
2.根据权利要求1所述钨栓塞的制造方法，其特征在于，所述氮化过程使用含氮元素的气体作为反应气体。
3.根据权利要求2所述钨栓塞的制造方法，其特征在于，所述含氮的气体为氮气。
4.根据权利要求1至3中任一项所述钨栓塞的制造方法，其特征在于，所述氮化过程与粘附层的形成过程是在同一个反应腔内进行的。
5.根据权利要求1所述钨栓塞的制造方法，其特征在于，所述氮化过程的反应腔内的压强为10mtorr至20mtorr；所述氮化过程的温度为100摄氏度至300摄氏度；所述通入氮气的流量为20sccm至80sccm；所述氮化过程的时间为5秒至60秒。
6.根据权利要求1所述钨栓塞的制造方法，其特征在于，所述粘附层的材料为钛。
7.根据权利要求1所述钨栓塞的制造方法，其特征在于，所述粘附层的厚度为80埃至200埃。
8.根据权利要求1所述钨栓塞的制造方法，其特征在于，所述阻挡层的材料为氮化钛。
9.根据权利要求8所述钨栓塞的制造方法，其特征在于，所述氮化钛的厚度为5埃至10埃。
10.根据权利要求1所述钨栓塞的制造方法，其特征在于，在形成所述粘附层之后，还包括对所述衬底进行快速热退火处理步骤。
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