专利名称：层间介电层、互连结构及其制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及CMOS图像传感器中的层间介电层、互连结 构及其制造方法。
背景技术：
在半导体工业中，互连结构用于提供在IC芯片上的器件和整个封装之间的布线， 在该技术中，首先在半导体衬底表面形成例如场效应晶体管(FET)的器件，然后在后道工 艺(BE0L， back-end-of-line)中形成互连结构。通常的互连结构包括至少一种介电材料， 其中嵌有过孔和/或线路形式的金属图形。 现有技术公开了一种半导体器件的后道工艺，参照图1所示，包括提供半导体衬 底100，所述半导体衬底内形成有器件层，在半导体衬底100上形成未掺杂硅酸盐玻璃氧化 层(USG)110，用于阻止从上层的掺氟的硅酸盐玻璃氧化层(FSG)中氟扩散至其它层。然后， 在未掺杂硅酸盐玻璃氧化层110上形成金属线图案120，接着，在金属线120上和未掺杂硅 酸盐玻璃氧化层110上形成掺氟的硅酸盐玻璃氧化层130，采用化学机械设备或者回蚀工 艺(etch-back)进行磨平，最后，在掺氟的硅酸盐玻璃氧化层130上形成未掺杂硅酸盐玻璃 氧化层140，为了防止掺氟的硅酸盐玻璃氧化层130和未掺杂硅酸盐玻璃氧化层140之间由 于材料的不同引起界面应力过大，现有技术还采用含硅或者含氧的离子进行轰击，以便释 放掺氟的硅酸盐玻璃氧化层130和未掺杂硅酸盐玻璃氧化层140内的应力。接着，在掺杂 硅酸盐玻璃氧化层140上形成上层金属线122，以及上层FSG金属间介电层132，同时，在上 层金属线122和下层的金属线120之间形成接触孔124以便将两层金属互连，最后，在上层 FSG金属间介电层132上形成上层USG氧化层142，以及采用含硅或者含氧的离子进行轰击 以释放应力。 在申请号为11/841038的美国专利申请中还可以发现更多与上述技术方案相关 的信息。 现有技术还公开了一种形成CMOS图像传感器的后道工艺中的互连结构及其形成 方法，请参照图2，提供半导体衬底201，所述半导体衬底201内形成有器件层，所述半导体 衬201上形成有金属互连线203，在金属互连线203上形成第一氧化层204，所述第一氧化 层204为富硅氧化层(silicon rich oxide， SRO)，用于阻挡后续在其上形成的含氟的氧化 层中氟的扩散腐蚀到金属互连线203内；在第一氧化层204上形成第二氧化层205，所述 第二氧化层205用于填充金属互连线203之间的空隙，所述第二氧化层205通常采用高密 度等离子CVD形成，可以较好地填充空隙，所述第二氧化层205内含氟；在第二氧化层205 上形成第三氧化层206，所述第三氧化层206采用等离子体增强CVD形成，所述第三氧化层 206内含有氟。所述第二氧化层205和第三氧化层206统称为氧化层207。形成所述第三 氧化层206的目的在于进一步降低第二氧化层205表面的凸凹不平度，方便后续的减薄过 程，同时可以降低成本。由于高密度等离子CVD的工艺成本较高，因此通常采用该工艺不会 形成足够厚的第二氧化层205，而是采用较为低廉的工艺比如等离子体增强CVD再形成较
4厚的第三氧化层206。 接着，参照图3，采用化学机械抛光设备进行减薄和抛光，对于化学机械设备来说，
其对于氧化层的抛光范围是lkA/分钟，因此通常当抛到氧化层207约为4.5kA时候就停止
了，防止过抛导致破坏下层的器件层，此时的氧化层207形成氧化层207a。 然后，参照图4，采用回蚀(etch-back)方法继续刻蚀，通常刻蚀至氧化层207a约
为2.5kA时候停止，此时，氧化层207a形成氧化层207b。 最后，参照图5，依次在氧化层207b上形成第四氧化层208、抗反射层209、和第五 氧化层210，所述第四氧化层208不含有氟，采用等离子体增强CVD形成，同时在氮气氛中处 理过，以对表面的缺陷进行修复，所述第四氧化层的作用主要为对下层的氧化层207b与上 层抗反射层209进行隔离，防止氧化层207b中的氟扩散进入上层；所述抗反射层209通常 采用氮氧化硅；所述第五氧化层210为不掺杂的氧化硅，所述第五氧化层210用于保护抗反 射层209，防止抗反射层209暴露在空气中吸收空气中的水汽。 在上述技术方案中，所述层间介电层采用掺氟的氧化层207b，由于掺氟的氧化物 中的氟容易扩散，需要在其间增加第一氧化层204进行隔离，同时，需要生长第四氧化层 208以进行隔离和修复缺陷，这样造成形成的层间介质层过多和过厚，导致生产成本的增加 和工艺的复杂，同时，由于堆叠的层较多，引起层之间的应力较大，容易开裂，而且层与层之 间对光的反射和散射增加，透过率低。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种金属间互连层及其形成方法，以降低层间界面反射
和散射，提高透光率，同时降低工艺成本。 为解决上述问题，本发明提供了一种CMOS图像传感器中的层间介电层的制造方
法，包括提供半导体衬底；半导体衬底上形成介电层；将介电层减薄至预定厚度；在减薄
后的介电层上依次形成抗反射层和第二介电层；所述介电层内不含有氟。 所述介电层包括不含氟的高密度氧化物层，所述高密度氧化物层采用高密度等离
子体化学气相沉积装置形成，所述高密度氧化物层的厚度范围为4500至6000 A。 所述介电层还包括位于高密度氧化物层上的不含氟的硅酸盐氧化物层，所述硅酸
盐氧化物层的厚度范围为8000至9000 A。 所述将介电层减薄包括化学机械抛光，所述化学机械抛光至介电层的厚度范围为 3500至4500A 。 所述将介电层减薄还包括回蚀，所述回蚀至介电层的厚度范围为1500至 2500 A 。 所述抗反射层为氮氧化硅，所述第二介电层为氧化硅。 所述半导体衬底上还依次形成有金属粘接层和金属互连线，所述金属互连线厚度 范围为1800至3000A,所述金属粘接层为100至150 A。 本发明还提供一种如上所制备的CMOS图像传感器中的层间介电层。
本发明还提供一种CMOS图像传感器中的互连结构的制造方法，包括提供半导体 衬底，所述半导体衬底上依次形成有金属粘接层和金属互连线；在半导体衬底上形成介电 层；将介电层减薄至预定厚度；在减薄后的介电层上形成第二介电层和抗反射层；在第二
5介电层、抗反射层、以及减薄后的介电层内形成开口并暴露出金属互连线；在开口内填充导 电材料；在第二介电层对着开口位置形成第二金属互连线；所述介电层内不含有氟。
所述介电层包括不含氟的高密度氧化物层，所述高密度氧化物层采用高密度等离 子体化学气相沉积装置形成，所述高密度氧化物层的厚度范围为4500至6000 A。
所述介电层还包括位于所述高密度氧化物层上的不含氟的硅酸盐氧化物层，所述 硅酸盐氧化物层的厚度范围为8000至9000 A。 所述将介电层减薄包括化学机械抛光，所述化学机械抛光至介电层的厚度范围为 3500至4500 A。 所述将介电层减薄还包括回蚀，所述回蚀至介电层的厚度范围为1500至2500 A。
所述金属互连线厚度范围为1800至3000A,所述金属粘接层为100至150A。 —种包含如上所制造的CMOS图像传感器中的互连结构。 与现有技术相比，本技术方案具有以下优点层间介电层采用不含氟的介电层，避 免了现有技术的采用含氟的氧化物中的氟容易扩散，无需在其间增加第一氧化层进行隔离 以及第四氧化进行修复缺陷，形成的层间介电层层数少，结构简单，而且成本较低；层与层 之间对光的反射和散射减少，透过率高；而且由于层数少，层间的应力较小，不容易造成开 裂现象。
图1是现有技术的半导体器件的后道工艺(BEOL)中的互连结构及其形成方法；
图2至图5是现有技术中CMOS图像传感器的后道工艺中的互连结构及其形成方 法； 图6是本发明的形成层间介电层的流程示意图； 图7至图10是本发明的CMOS图像传感器工艺中的形成层间介电层的结构示意 图； 图11是本发明的形成互连结构的示意图。
具体实施例方式
本发明的层间介电层采用不含氟的介电层，避免了现有技术的采用含氟的氧化物 中的氟容易扩散，无需在其间增加第一氧化层进行隔离以及第四氧化层进行修复缺陷，形 成的层间介电层层数少，结构简单，而且成本较低；层与层之间对光的反射和散射减少，透 过率高；而且由于层数少，层间的应力较小，不容易造成开裂现象。 以下通过依据附图详细地描述具体实施例，上述的目的和本发明的优点将更加清 楚 参照图6，本发明首先提供一种CMOS图像传感器中的层间介电层的制造方法，包 括提供半导体衬底；执行步骤Sl 1 ，在半导体衬底上形成介电层，所述介电层内不含有氟； 执行步骤S13，将介电层减薄至预定厚度；执行步骤S15，在减薄后的介电层上形成第二介 电层和抗反射层。 下面参照图7至图10对本发明的形成CMOS图像传感器中的层间介电层的工艺加 以详细描述。
首先参照图7，提供半导体衬底301，所述半导体衬底301内形成有器件层，此处为 了简化，未加图示。 所述半导体衬底301上形成有分立的金属互连线302，所述金属互连线302用于将 下层的半导体衬底301内的器件进行引出并电连接至后端的输出端。所述金属互连线302 之间具有空隙。通常情况下，所述金属互连线302为金属Al或者Cu。 同时，半导体衬底301上还形成有金属粘接层，所述金属互连线厚度范围为1800 至3000A.,所述金属粘接层为100至150 A。 若金属互连线302为Cu，则形成工艺与采用金属Al的有所不同，需要采用大 马士革结构，具体的工艺比如为先形成介电层，然后在介电层内形成通孔(via)和沟槽 (trench)，然后向沟槽和通孔内填充金属Cu。 在分立的金属互连线302和其间暴露出的半导体衬底301上形成介电层305，所述 介电层305内不含有氟。本发明中，所述介电层305包括不含氟的高密度氧化物层303，所 述高密度氧化物层303的厚度范围为4500至6000 A。 在现有技术中，通常采用掺氟的硅酸盐玻璃氧化物(FSG)作为介电层，主要是利 用高温形成掺氟的硅酸盐玻璃氧化物的较高的填洞能力，而不掺氟的硅酸盐玻璃氧化物 (USG)通常采用高密度等离子体化学气相沉积方法制备，在填洞的时候容易出现填充不完 全而导致的空洞，因而不被本领域技术人员所采用。本申请的发明人通过改进金属互连线 和金属粘接层，并对厚度进行优化以实现本发明的目的。本申请发明人经过大量研究发现 将作为金属互连线的金属铝层减薄到1800至3000A，作为金属粘接层的Ti/TiN层的厚度 也减薄至100至150 A,不掺氟的硅酸盐玻璃氧化物(USG)可以实现高质量的填洞能力，这 样既使得金属互连线之间的缝隙填充完全，而且不会影响金属互连线的电阻值，可以采用 其作为金属间介电层。 而且，由于高密度氧化物层303内不含有氟，因此无需象现有技术那样需要首先 在金属互连线302和其间暴露出的半导体衬底301上形成富硅的氧化层进行隔离，以防止 后续形成的含氟的层中的氟扩散腐蚀下层的金属互连线302内。 形成所述高密度氧化物层303的工艺为本领域技术人员公知技术，在此不加详 述。 所述介电层305还包括不含氟的硅酸盐氧化物层304，形成所述不含氟的硅酸盐 氧化物层304的目的在于进一步降低高密度氧化物层303表面的凸凹不平度，方便后续的 减薄过程，同时可以降低成本。所述硅酸盐氧化物层304采用等离子体增强CVD形成，由 于高密度等离子CVD的工艺成本较高，因此通常采用该工艺形成的高密度氧化物层303不 会很厚，而是采用较为低廉的工艺比如等离子体增强CVD进行加厚，形成硅酸盐氧化物层 304。然后可以通过现有的抛光技术进行抛光，从而形成基本平坦的表面。
所述硅酸盐氧化物层304厚度范围为8000至9000A 。 同样，本发明中硅酸盐氧化物层304内不含有氟，因此无需象现有技术那样需要 先形成富硅的氧化层，以防止含氟的介电层中的氟扩散腐蚀下层的金属互连线302。
接着，参照图8，需要将介电层305减薄至预定厚度，本发明中，所述将介电层305 减薄包括化学机械抛光步骤，所述化学机械抛光至介电层的厚度范围为3500至4500A ,比 如可以为4000A。对于化学机械设备来说，其对于氧化物层的抛光范围是1000A/min,因此通常当抛到介电层305约为4000A时候就停止了，以防止过抛导致破坏下层的器件层，经 过抛光，介电层305形成介电层305a。 参照图9，为了进一步提高光的透过率，需要将介电层305a进一步减薄，所述将介 电层305a减薄还包括回蚀，所述回蚀至介电层的厚度范围为1500至2500A,比如可以为 2000A。经过回蚀之后，介电层305a形成介电层305b。 参照图IO，在经过减薄的介电层305b上形成抗反射层306，所述抗反射层307通 常采用氮氧化硅，所述抗反射层306的厚度范围为600A。 接着，在抗反射层306上形成第二介电层307，所述第二介电层307采用不含氟的 氧化硅，以便吸收在光刻过程中由于抗反射层306暴露在空气中吸收空气中的水汽，用于 保护抗反射层306。所述第二介电层307的厚度为200A。 本发明中层间介电层采用不含氟的硅酸盐氧化物层304，无需象现有技术那样形 成图5中的不含氟的第四氧化层208进行隔离，虽然该第四氧化层208还具有修复表面缺 陷的作用，但是由于其带来的负面效果是增加了介电层的厚度，导致光路变长，不利于光的 透过，其缺点和其优点相比，缺点大于优点，因此本发明中，没有形成该层。这样简化了工 艺，成本降低，层数减少，有利于光的透过。 经过上述工艺形成本发明的CMOS图像传感器中的层间介电层，参照图IO，包括 依次位于半导体衬底301上的介电层305b、抗反射层306以及第二介电层307 ;所述介电层 305b内不含有氟。 所述抗反射层306为氮氧化硅，所述第二介电层307为氧化硅。
经过上述工艺形成本发明的层间介电层，所述层间介电层的介电层305b的厚度 仅有1500至2500 A，与现有技术相比，厚度大大降低，有利于提高光的透过率；同时，由于 层数少，应力小，不会出现现有技术的开裂现象。 同时，本发明还给出一种CMOS图像传感器中的互连结构的制造方法，包括提供 半导体衬底，所述半导体衬底上形成有分立的互连金属线；在半导体衬底上形成介电层； 将介电层减薄至预定厚度；在减薄后的介电层上形成抗反射层和第二介电层；在第二介电 层、抗反射层、以及减薄后的介电层内的相同位置形成开口并暴露出互连金属线；在开口内 填充导电材料；在第二介电层上对着开口位置形成第二互连金属线；所述介电层内不含有 氟。 所述CMOS图像传感器中的互连结构的制造方法包括前述的制造层间介电层的工 艺，具体工艺请参照图7至图10。 接着，请继续参照图11，在第二介电层307、抗反射层306、以及减薄后的介电层 305b内形成开口并暴露出互连金属线302 ;在开口内填充导电材料308 ;在第二介电层307 上对着开口位置形成第二互连金属线309，所述第二互连金属线309通过导电材料308与金 属互连线302电连接；所述介电层305b内不含有氟。 接着，在第二金属互连线309以及第二介电层307上形成第三介电层310，所述第 三介电层310不含有氟，参照前述同样的工艺，在第三介电层310上依次形成第二抗反射层 311和第四介电层312。 在半导体的互连工艺中，还可能包括更多的层间介质层和金属互连线层，在此仅 以两层金属和两层介电层加以说明，在此不应过多限制本发明的保护范围。
基于上述工艺，形成了本发明的CMOS图像传感器中的互连结构，参照图ll，包括 依次位于半导体衬底301上的减薄后的介电层305b、抗反射层306以及第二介电层307 ;位 于第二介电层307、抗反射层306、以及减薄后的介电层305b内的开口 、以及填充在开口内 的导电材料308 ;位于第二介电层307上的第二金属互连线309 ;依次位于第二金属互连线 309以及第二介电层307上的第三介电层310、第二抗反射层311以及第四介电层312 ;所 述介电层305b、以及第三介电层310内不含有氟。 本发明的层间介电层采用不含氟的介电层305b和第三介电层310，避免了现有技 术的采用含氟的氧化物中的氟容易扩散，无需在其间增加第一氧化层进行隔离以及第四氧 化层进行修复缺陷，形成的层间介电层层数少，结构简单，而且成本较低；层与层之间对光 的反射和散射减少，透过率高；而且由于层数少，层间的应力较小，不容易造成开裂现象。
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 当以权利要求所限定的范围为准。
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权利要求
一种CMOS图像传感器中的层间介电层的制造方法，包括提供半导体衬底；在半导体衬底上形成介电层；将介电层减薄至预定厚度；在减薄后的介电层上依次形成抗反射层和第二介电层；其特征在于，所述介电层内不含有氟。
2. 根据权利要求1所述的层间介电层的制造方法，其特征在于，所述介电层包括不含 氟的高密度氧化物层，所述高密度氧化物层采用高密度等离子体化学气相沉积装置形成， 所述高密度氧化物层的厚度范围为4500至6000 A。
3. 根据权利要求2所述的层间介电层的制造方法，其特征在于，所述介电层还包括位 于所述高密度氧化物层上的不含氟的硅酸盐氧化物层，所述硅酸盐氧化物层的厚度范围为 8000至9000 A。
4. 根据权利要求1所述的层间介电层的制造方法，其特征在于，所述将介电层减薄包 括化学机械抛光，所述化学机械抛光至介电层的厚度范围为3500至4500 A 。
5. 根据权利要求1或4所述的层间介电层的制造方法，其特征在于，所述将介电层减薄 还包括回蚀，所述回蚀至介电层的厚度范围为1500至2500 A 。
6. 根据权利要求1所述的层间介电层的制造方法，其特征在于，所述第二介电层为氧 化硅，所述抗反射层为氮氧化硅。
7. 根据权利要求1所述的层间介电层的制造方法，其特征在于，所述半导体衬底上还 依次形成有金属粘接层和金属互连线，所述金属互连线厚度范围为1800至3000A，所述金 属粘接层为100至150 A。
8. —种如权利要求1至7中任一项所制造的CMOS图像传感器中的层间介电层。
9. 一种CMOS图像传感器中的互连结构的制造方法，包括 提供半导体衬底，所述半导体衬底上依次形成有金属粘接层和金属互连线； 在半导体衬底上形成介电层；将介电层减薄至预定厚度；在减薄后的介电层上依次形成抗反射层和第二介电层；在第二介电层、抗反射层、以及减薄后的介电层内形成开口并暴露出互连金属线； 在开口内填充导电材料；在抗反射层上对着开口位置形成第二金属互连线； 其特征在于，所述介电层内不含有氟。
10. 根据权利要求9所述的互连结构的制造方法，其特征在于，所述介电层包括不含氟 的高密度氧化物层，所述高密度氧化物层采用高密度等离子体化学气相沉积装置形成，所 述高密度氧化物层的厚度范围为4500至6000 A。
11. 根据权利要求io所述的互连结构的制造方法，其特征在于，所述介电层还包括位于所述高密度氧化物层上的不含氟的硅酸盐氧化物层，所述硅酸盐氧化物层的厚度范围为 8000至9000 A。
12. 根据权利要求11所述的互连结构的制造方法，其特征在于，所述将介电层减薄包 括化学机械抛光，所述化学机械抛光至介电层的厚度范围为3500至4500 A。
13. 根据权利要求9或12所述的互连结构的制造方法，其特征在于，所述将介电层减薄 还包括回蚀，所述回蚀至介电层的厚度范围为1500至2500 A。
14. 根据权利要求9所述的互连结构的制造方法，其特征在于，所述金属互连线厚度范 围为1800至3000A,所述金属粘接层为100至150 A。
15. —种如权利要求9至14中任一项所制造的CMOS图像传感器中的互连结构。
全文摘要
一种层间介电层、互连结构及其制造方法，其中CMOS图像传感器中的层间介电层的制造方法包括提供半导体衬底；在半导体衬底上形成介电层；将介电层减薄至预定厚度；在减薄后的介电层上形成第二介电层和抗反射层；所述介电层内不含有氟。本发明层间介电层采用不含氟的介电层，避免了现有技术的采用含氟的氧化物中的氟容易扩散，无需在其间增加第一氧化层进行隔离以及第四氧化进行修复缺陷，形成的层间介电层层数少，结构简单，而且成本较低，层与层之间对光的反射和散射减少，透过率高，而且由于层数少，层间的应力较小，不容易造成开裂现象。
文档编号H01L21/316GK101740473SQ20081020296
公开日2010年6月16日 申请日期2008年11月18日 优先权日2008年11月18日
发明者吴金刚, 朱虹, 杨承, 王娉婷, 程永亮, 高关且 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司