通孔及通孔形成方法

专利名称：通孔及通孔形成方法
技术领域：
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本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种通孔及通孔形成方法。
背景技术：
随着集成电路向深亚微米尺寸发展，器件的密集程度和工艺的复杂程 度不断增加，对工艺过程的严格控制变得更为重要。其中，通孔作为多 层金属层间互连以及器件有源区与外界电路之间连接的通道，由于其在 器件结构组成中具有重要作用，使得通孔的形成工艺历来为本领域技术 人员所重视。
当前，形成通孔的步骤包括首先，如图la所示，在半导体基底l 上形成介质层2;而后，如图lb所示，图形化所述介质层2，以形成接 触孔3;之后，如图lc所示，顺序形成覆盖所述接触孔3的粘接金属层 4和合金层5;最后，如图ld所示，形成覆盖所述合金层5并填充所述 接触孔3的连接金属层6，以形成通孔。
然而，实际生产发现，随器件尺寸的缩小，通孔尺寸也随之缩小，导 致按传统工艺填充所述接触孔时，所述接触孔的填充能力受到限制，如 图le所示，在填充过程中易产生孔洞7。如何减少形成通孔的过程中孔洞 7的产生成为本领域技术人员亟待解决的问题。
专利号为"02145835.9"的中国专利申请中提供了 一种缝隙的填充方 法，首先，如图2a所示，在前驱体10表面上缝隙12底部形成晶种20;继 而，如图2b所示，通入反应气体，使其与晶种20反应以在晶种20与缝隙 12底部交界处形成晶须30;进而，如图2c所示，在缝隙12内形成无缝隙 的填充单晶体40。但是，上述方法的应用仅限于在前驱体10表面的缝隙 12间无孔洞地填充单晶体40,而对于形成通孔的工艺，若采用上述方法形成无孔洞的通孔，则需先形成前驱体，再在前驱体缝隙内顺序形成晶 种、晶须和单晶体，工艺复杂。

发明内容
本发明提供了一种通孔形成方法，可减小形成的通孔中产生孔洞的
可能性，且工艺简单；本发明提供了一种通孔，形成所述通孔时可减小 产生孔洞的可能性。
本发明提供的一种通孔形成方法，包括 在半导体基底上形成介质层； 图形化所述介质层，以形成接触孔； 形成覆盖所述接触孔的粘接金属层和第 一合金层； 在所述第一合金层上形成第二合金层，所述第二合金层中的碳、氧 含量高于所述第一合金层中的碳、氧含量；
形成覆盖所述第二合金层并填充所述接触孔的连接金属层，形成通孔。
可选地，所述第二合金层的平均厚度小于所述第一合金层的平均厚 度；可选地，所述粘接金属层为Ti或Ta;可选地，所述第一合金层为 TiN或TaN;可选地，所述第二合金层为TiN或TaN;可选地，所述第一 合金层和所述第二合金层皆包含TiN或TaN时，所述第 一合金层为经历 无机化操作的合金层；可选地，执行所述无机化操作时，包含无机化气 体，所述无机化气体包含H2和N"可选地，所述H2的流量范围为1500 ~ 2000sccm;可选;也，所述^的流量范围为1500 ~ 2000sccm;可选;也， 执行所述无机化操作时，反应功率范围为1500 ~ 2000W;可选地，所述 连接金属层为W或Cu。
一种通孔，形成于位于半导体基底上的介质层内，包括，接触孔、 覆盖所述接触孔的粘接金属层和第一合金层，以及覆盖所述第一合金层 并填充所述接触孔的连接金属层，在所述第一合金层和连接金属层之间，还包含第二合金层；覆盖所述接触孔侧壁的所述第二合金层的厚度 自顶端向下递减；所述第二合金层中的碳、氧含量高于所述第一合金层 中的-友、氧含量。
可选地，所述第二合金层的平均厚度小于所述第一合金层的平均厚 度；可选地，所述粘接金属层为Ti或Ta;可选地，所迷第一合金层为 TiN或TaN;可选地，所述第二合金层为TiN或TaN;可选地，所述第一 合金层和所述第二合金层材料相同时，所述第 一合金层经历无机化操 作；可选地，所述连接金属层为W或Cu。
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，通过在所述第一合金层表面形成 碳、氧含量高于所述第一合金层的所述第二合金层，进而，利用所述第 二合金层调整后续填充的连接金属层的沉积能力，即，连接金属层在所 述第二合金层上的沉积能力弱于其在所述第一合金层上的沉积能力，且 所述第二合金层越厚，在其上沉积连接金属层的能力越弱；由于利用传 统工艺获得的覆盖所述接触孔侧壁的所述第二合金层的厚度自顶端向下 递减，导致后续填充连接金属层时，所述连接金属层在覆盖所述接触孔 侧壁顶端的所述第二合金层上的沉积能力弱于在接触孔内其他区域的所 述第二合金层上的沉积能力，使得位于所述接触孔侧壁顶端的连接金属 层的沉积速度慢于位于所述接触孔内其他区域的连接金属层的沉积速 度，可使在填充所述连接金属层后形成无孔洞的通孔成为可能；
上述技术方案提供的通孔，通过在所述通孔内具有第二合金层，且所 述第二合金层中的碳、氧含量高于所述第一合金层中的碳、氧含量；使 得所述连接金属层在所述第二合金层上的沉积能力弱于其在所述第一合 金层的沉积能力，即，所述第二合金层的引入使得在合金层上沉积连接 金属层的能力减弱；且所述第二合金层越厚，沉积能力越弱；又由于覆 盖所述接触孔侧壁顶端的第二合金层的厚度大于覆盖所述接触孔内其他 区域的第二合金层的厚度，使得所述连接金属层在位于接触孔侧壁顶端的第二合金层上的沉积能力弱于在接触孔内其他区域的第二合金层上的 沉积能力，致使位于所述接触孔侧壁顶端的连接金属层的沉积速度慢于 位于所述接触孔内其他区域的连接金属层的沉积速度，可减小所述通孔 内孔洞的产生。


图la-ld为说明现有技术中形成通孔的各步骤示意图； 图le为说明现有技术中形成的具有孔洞缺陷的通孔的结构示意图； 图2a ~ 2c为说明现有技术中形成孔洞缺陷的通孔的各步骤示意图； 图3a ~ 3e为说明本发明实施例的形成通孔的各步骤示意图； 图4为说明本发明实施例的形成的通孔的结构示意图。
具体实施例方式
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。
应用本发明提供的方法形成通孔的具体步骤包括步骤l:如图3a所示，在半导体基底IOO上形成介质层120。 在半导体衬底(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源区和漏区、进而沉积第一层间介质层(即金属前
介质层，PMD)后，形成半导体基底IOO。
此外，在半导体^J"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源区和漏区、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； 继而，沉积第二层间介质层后，仍可形成半导体基底100;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，继而，沉积第二层间介质层后，仍可形成半导体基底IOO。
可扩展地，在沉积第N-l层间介质层后，继续形成第N-l层通孔，并 填充所述第N-1层通孔，随后，形成第N-1金属层后，继续沉积第N层间介 质层后，形成半导体基底100;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，继而，沉积 第N层间介质层后，仍可形成半导体基底IOO。
显然，所述层间介质层的数目N可为任意自然数，如l、 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。
所述金属前介质层覆盖所述栅极结构及源区和漏区并填满位于所 述栅极结构间的线缝；所述栅极结构包含4册极、环绕4册极的侧墙及4册氧 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。
晶、多晶或非晶结构的硅或硅锗(SiGe),也可以是绝缘体上硅(SOI)。
可釆用PECVD (等离子体增强化学气相淀积)、SACVD (亚常压化学 气相淀积)或LPCVD (低压化学气相淀积)等工艺形成所述介质层120。 所述介质层120材料包含但不限于未掺杂的二氧化硅(Si02 )、磷硅玻璃 (phosphosilicate glass, PSG)、硼石圭玻璃(borosi 1 icate ， BSG )、硼磷珪玻璃(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2:如图3b所示，图形化所述介质层120，以形成接触孔122。 可采用等离子刻蚀工艺执行所述图形化才喿作。图形化所述介质层12 0 的步骤可包括执行主刻蚀操作，以在形成的图形区域内保留部分所述 介质层120;执行过刻蚀操作，以暴露部分所述半导体基底IOO。
步骤3:如图3c所示，形成覆盖所述接触孔122的粘接金属层140和第 一合金层160。
所述粘接金属层140和第一合金层160用以增强所述接触孔122与后续 填充所述接触孔122的连接金属层间的粘接性能，以降低接触电阻。
所述粘接金属层14 0可包含Ti或Ta;所述第 一合金层16 0可包含TiN或 TaN。可釆用PVD (物理气相沉积)或MOCVD (金属化学气相沉积)工艺形 成所述粘接金属层14 O和合金层160。
步骤4:如图3d所示，在所述第一合金层160上形成第二合金层 162，所述第二合金层162中的碳、氧含量高于所述第一合金层160中 的碳、氧含量。
所述第二合金层162可包含TiN或TaN。可采用PVD (物理气相沉 积)或MOCVD (金属化学气相沉积)工艺形成所述第二合金层162。
以所述合金层中包含TiN为例，由于通常采用热分解TDMAT( Ti [N (CH 3) 2] 4,四二曱基胺钛)的方式形成所述第一合金层160和第二合金层 162，致使形成的合金层中包含大量的碳、氧杂质；通常采用无机化操 作去除所述合金层中包含的碳和氧。热分解TDMAT时的反应温度为 350 ~ 450摄氏度，如400摄氏度。
所述无机化操作为利用H2和N2对所述合金层进行等离子体处理； TDMAT经化学反应生成Ti (C) N、 (CH3) 2 NH和石灰氪化合物，其中Ti (C) N和(CH3) 2NH会沉积在下层材料表面，而碳氢化合物会被抽离反应腔室。 执行所述无机化操作时，氢气和氮气(H2&N》会进入反应腔室；反应功率 设为1500 ~ 2000W,如1750W。在此条件下，112离子化为仏+， &离子化 为N" H/和沉积膜发生化学反应把碳(C)和氮(N)从沉积膜反应出来，而 N2+则把膜中的N2用N替换出来并最终形成氮化钛(TiN)。该步骤中生成 的附属产品CJIy+HNR2会被泵抽走。
执行所述无才几化操作时，H2的流量范围为1500 ~ 2000sccm,如 1800sccm; N2的流量范围为1500 ~ 2000sccm,如l綱sccm。
执行所述无机化操作后，可降低所述第一合金层160的阻值并增加 所述第一合金层160的密度。传统工艺中，在形成所述第一合金层160 后即进行形成连接金属层以填充所述接触孔的操作。
但是，实际生产发现，随器件尺寸的缩小，所述接触孔的填充能力 受到限制，在填充过程中易产生孔洞。
本发明的发明人分析后认为，所述孔洞的产生原因在于填充的连 接金属层在所述接触孔的侧壁顶端的沉积速率高于所述连接金属层在 接触孔内部其他区域的沉积速率；由此，调整所述连接金属层在所述接 触孔的侧壁顶端和内部其他区域的沉积速率，以使填充的连接金属层在 所述接触孔的侧壁顶端的沉积速率低于所述连接金属层在接触孔内部 其他区域的沉积速率，成为减少孔洞产生的指导方向。
所述第 一合金层16 0与第二合金层162材料相同时，可对所述第 一合金 层160执行无机化操作，而对所述第二合金层162不执行无机化操作，以 使所述第二合金层中的碳、氧含量高于所述第一合金层中的碳、氧含量。
本发明的发明人经历分析和实践后认为，连接金属层在碳、氧含量高 的第二合金层16 2上的沉积能力弱于其在碳、氧含量低的第 一合金层16 0 上的沉积能力，且所述第二合金层162越厚，在其上沉积连接金属层的能 力越弱；采用现行沉积工艺时，由于在形成覆盖所述接触孔的第二合金层162的任一时段，位于所述接触孔侧壁顶端的第二合金层162的厚度均 高于位于所述接触孔内部其他区域的第二合金层162的厚度；综合考虑， 由于位于所述接触孔侧壁顶端的所述第二合金层162的厚度高于位于所 述接触孔内部其他区域的所述第二合金层16 2的厚度，导致后续填充连接 金属层时，所述连接金属层在位于接触孔侧壁顶端的所述第二合金层162 上的沉积能力弱于在接触孔内部其他区域的所述第二合金层162上的沉 积能力，致使位于所述接触孔侧壁顶端的连接金属层的沉积速度慢于位 于所述接触孔内部其他区域的连接金属层的沉积速度，利于在填充所述 连接金属层后形成无孔洞的通孔。
实践中，所述第二合金层162的平均厚度可低于所述第 一合金层16 0 的平均厚度，以减小器件的接触电阻；实际操作中，以形成的所述第二 合金层162中包含TiN为例，采用M0CVD工艺热分解TDMAT以形成所述第二 合金层162的操作可仅持续1 ~ 3秒，形成的所述第二合金层162的平均厚 度可为10埃；而所述第一合金层160中包含TiN时，采用MOCVD工艺热分解 TDMAT以形成所述第 一合金层16 0的操作可持续10秒，形成的所述第 一合 金层160的平均厚度可为50埃。
步骤5:如图3e所示，形成覆盖所述第二合金层162并填充所述接触孔 122的连4矣金属层180，以形成通孔。
所述连4妄金属层180为W或Cu。可采用PVD (物理气相沉积)或MOCVD (金属化学气相沉积)工艺形成所述连接金属层180。
基于相同的构思，如图4所示，本发明还提供了一种通孔，形成于位 于半导体基底200上的介质层220内，包括，接触孔222、覆盖所述接触孔 222的粘接金属层240和第一合金层260,以及覆盖所述第一合金层260并 填充所述接触孔222的连接金属层300，在所述第一合金层260和连接金属 层300之间，还包含第二合金层280;覆盖所述接触孔222侧壁的所述第二 合金层280的厚度自顶端向下递减；所述第一合金层260中的碳、氧含量 低于所述第二合金层280中的碳、氧含量。所述第二合金层280的平均厚度小于所述第一合金层260的平均厚度； 所述粘接金属层240为Ti或Ta;所述第一合金层260和第二合金层280为 TiN或TaN;所述连接金属层300为W或Cu。
通过在所述通孔内具有第二合金层，且所述第二合金层中的碳、氧含 量高于所述第一合金层中的碳、氧含量；使得所述连接金属层在所述第 二合金层上的沉积能力弱于其在所述第一合金层的沉积能力，即，所述 第二合金层的引入使得在合金层上沉积连接金属层的能力减弱；且所述 第二合金层越厚，沉积能力越弱；又由于覆盖所述接触孔侧壁顶端的第 二合金层的厚度大于覆盖所述接触孔内其他区域的第二合金层的厚度， 使得所述连接金属层在位于接触孔侧壁顶端的第二合金层上的沉积能力 弱于在接触孔内其他区域的第二合金层上的沉积能力，致使位于所述接 触孔侧壁顶端的连接金属层的沉积速度慢于位于所述接触孔内其他区域 的连接金属层的沉积速度，可减小所述通孔内孔洞的产生。
需强调的是，未加说明的步骤均可釆用传统的方法获得，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。
权利要求
1. 一种通孔形成方法，其特征在于，包括在半导体基底上形成介质层；图形化所述介质层，以形成接触孔；形成覆盖所述接触孔的粘接金属层和第一合金层；在所述第一合金层上形成第二合金层，所述第二合金层中的碳、氧含量高于所述第一合金层中的碳、氧含量；形成覆盖所述第二合金层并填充所述接触孔的连接金属层，形成通孔。
2. 根据权利要求1所述的通孔形成方法，其特征在于所述第二 合金层的平均厚度小于所述第一合金层的平均厚度。
3. 根据权利要求1所述的通孔形成方法，其特征在于所述粘接 金属层为Ti或Ta。
4. 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 合金层为TiN或TaN。
5. 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 合金层为TiN或TaN。
6. 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 合金层和所述第二合金层皆包含TiN或TaN时，所述第一合金层为经历 无机化操作的合金层。
7. 根据权利要求6所述的通孔形成方法，其特征在于执行所述 无机化操作时，包含无机化气体，所述无机化气体包含H2和N2。
8. 根据权利要求6所述的通孔形成方法，其特征在于所述H2的 流量范围为1500 ~ 2000sccm。
9. 根据权利要求6所述的通孔形成方法，其特征在于所述&的 流量范围为1500 - 2000sccm。
10. 根据权利要求6所述的通孔形成方法，其特征在于执行所述 无机化操作时，反应功率范围为1500 ~ 2000W。 .
11. 根据权利要求1所述的通孔形成方法，其特征在于所述连接 金属层为W或Cu。
12. —种通孔，形成于位于半导体基底上的介质层内，包括，接触 孔、覆盖所述接触孔的粘接金属层和第一合金层，以及覆盖所述第一合 金层并填充所述接触孔的连接金属层，其特征在于在所述第一合金层 和连接金属层之间，还包含第二合金层；覆盖所述接触孔侧壁的所述第 二合金层的厚度自顶端向下递减；所述第二合金层中的碳、氧含量高于 所述第一合金层中的碳、氧含量。
13. 根据权利要求12所述的通孔，其特征在于所述第二合金层 的平均厚度小于所述第一合金层的平均厚度。
14. 根据权利要求12所述的通孔，其特征在于所述粘接金属层 为Ti或Ta。
15. 根据权利要求12所述的通孔，其特征在于所述第一合金层 为TiN或TaN。
16. 根据权利要求12所述的通孔，其特征在于所述第二合金层 为TiN或TaN。
17. 根据权利要求12所述的通孔，其特征在于所述第一合金层 和所述第二合金层材料相同时，所述第 一合金层经历无机化操作。
18. 根据权利要求12所述的通孔，其特征在于所述连接金属层 为W或Cu。
全文摘要
一种通孔形成方法，包括在半导体基底上形成介质层；图形化所述介质层，以形成接触孔；形成覆盖所述接触孔的粘接金属层和第一合金层；在所述第一合金层上形成第二合金层，所述第二合金层中的碳、氧含量高于所述第一合金层中的碳、氧含量；形成覆盖所述第二合金层并填充所述接触孔的连接金属层，形成通孔。可减小形成的通孔中产生孔洞的可能性。还提供了一种通孔，形成所述通孔时可减小产生孔洞的可能性。
文档编号H01L21/70GK101459121SQ20071009449
公开日2009年6月17日 申请日期2007年12月13日 优先权日2007年12月13日
发明者聂佳相, 娜 苏, 陈国海 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司