金属填充沟槽的方法
【专利摘要】一种金属填充沟槽的方法，包括：提供沟槽，在所述沟槽底部和侧壁形成润湿金属层；形成所述润湿金属层后，在所述沟槽内填充牺牲材料层，所述牺牲材料层将所述沟槽完全填充；刻蚀所述牺牲材料层，直至暴露出部分沟槽侧壁的润湿金属层；使暴露的所述润湿金属层反应形成绝缘层或在暴露的所述润湿金属层上形成绝缘层；形成所述绝缘层后，清除剩余的所述牺牲材料层；采用第一沉积法沉积金属层，所述金属层高度不大于刻蚀中未暴露的润湿金属层高度；采用第二沉积法继续沉积金属层，直至完全填充所述沟槽。该方法能够在金属填充高深宽比的沟槽时，实现无间隙填充。
【专利说明】金属填充沟槽的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体制造技术，特别涉及半导体中金属填充沟槽的方法。
【背景技术】
[0002]随着半导体技术不断发展，半导体器件的尺寸在不断地缩小，而且，芯片上器件尺寸相应缩小是按比例进行的，仅减小芯片上一个特征尺寸是不可接受的。半导体器件尺寸的不断缩小，传统的低深宽比沟槽逐渐演变为高深宽比的沟槽，要无间隙的填充这些沟槽变得越来越困难。
[0003]以沉积铝为例，现有技术中以溅射的方法沉积铝来形成铝栅极和铝插塞被广泛采用，由于溅射工艺属于物理气相沉积(PVD)方法，其阶梯覆盖能力通常比化学气相沉积(CVD)方法差。在填充高深宽比的沟槽时，PVD方法即使使用回流工艺也难以达到无间隙填充。如图1所示，沉积铝层2时，会在沟槽I顶部的拐角处形成凸点3，该凸点3随着沉积的进行逐渐变大，并最终相互接触使沟槽I被封住。如图2所示，当凸点3相互接触后，铝无法再沉积进入沟槽I中，沟槽I内形成孔洞4。
【发明内容】
[0004]本发明解决的问题是现有技术中使用金属沉积技术填充高深宽比的沟槽时，会在沟槽内形成孔洞，不能实现无间隙填充。
[0005]为解决上述问题，本发明提供了一种金属填充沟槽的方法，包括:提供沟槽，在所述沟槽底部和侧壁形成润湿金属层；形成所述润湿金属层后，在所述沟槽内填充牺牲材料层，所述牺牲材料层将所述沟槽完全填充；刻蚀所述牺牲材料层，直至暴露出部分沟槽侧壁的润湿金属层；使暴露的所述润湿金属层反应形成绝缘层或在暴露的所述润湿金属层上形成绝缘层；形成所述绝缘层后，清除剩余的所述牺牲材料层；采用第一沉积法沉积金属层，所述金属层高度不大于刻蚀中未暴露的润湿金属层高度；采用第二沉积法继续沉积金属层，直至完全填充所述沟槽。
[0006]可选地，所述金属层的材料为铝。
[0007]可选地，所述第一沉积法为化学气相沉积，所述第二沉积法为物理气相沉积或化学气相沉积。
[0008]可选地，所述润湿金属层的形成方法为化学气相沉积或物理气相沉积。
[0009]可选地，所述润湿金属层的材料为Ti或Co。
[0010]可选地，所述牺牲材料层的形成方法为化学气相沉积或物理气相沉积
[0011]可选地，所述牺牲材料层为SiON、SiOC, SiOCH或SiN。
[0012]可选地，所述沟槽为用于形成金属栅极的栅极沟槽或用于形成金属插塞的通孔。
[0013]可选地，所述栅极沟槽底部和侧壁形成所述润湿金属层之前，在所述栅极沟槽底部和侧壁形成栅介质层，在所述介质层上形成功函数层层，在所述功函数层金属层上形成阻挡层，在所述阻挡层上形成所述湿润金属层。[0014]可选地，所述阻挡层为单层结构或叠层结构。
[0015]可选地，刻蚀所述牺牲材料层的方法为使用稀释的HF进行湿法刻蚀。
[0016]可选地，清除剩余的所述牺牲材料层的方法为使用稀释的HF进行湿法刻蚀。
[0017]可选地，所述刻蚀暴露出的润湿金属层高度为5-500 I
[0018]可选地，使暴露的所述润湿金属层反应形成绝缘层的方法为使用O2等离子体或N2等离子体与暴露的所述润湿金属层反应以生成对应金属氧化物或金属氮化物绝缘层。
[0019]可选地，在暴露的所述润湿金属层上形成绝缘层的方法为使用化学气相沉积或物理气相沉积在暴露的所述润湿金属层上形成绝缘层。
[0020]可选地，所述第二沉积后对金属层进行回流处理。
[0021]与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点:
[0022]位于沟槽侧壁暴露的润湿金属层经反应形成绝缘层或在暴露的所述润湿金属层上形成绝缘层，第一沉积法进行沉积金属时，沉积的金属层具有依附选择性，即沉积的金属粒子容易依附在润湿金属层上，而不易沉积在所述绝缘层上，因此使用第一沉积法沉积金属层时，金属沉积进入沟槽底部，防止了金属在沟槽顶部拐角处形成凸点，进而可以实现无间隙填充。利用第一沉积法沉积金属后，再采用第二沉积法沉积金属继续填充所述沟槽，所述第二沉积法产生的金属层可以沉积在所述绝缘层上。经第一沉积法沉积金属层后，沟槽已经基本得到填充，原本高深宽比的沟槽已经转变为低深宽比的沟槽，再采用第二沉积法沉积金属层，很容易实现沟槽的完全填充而不产生孔洞。在沟槽底部和侧壁形成润湿金属层，所述润湿金属层可以作为金属的湿润层以提高沉积金属的粘附性，并增加金属层的致
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[0023]在具体实施例中，所述第二沉积法沉积金属层后对金属层进行回流处理，可以进一步提高沟槽的填充性能。
[0024]在具体实施例中，可以利用金属填充沟槽形成插塞，当金属为铝时，形成铝插塞。相对于钨插塞，本发明的铝插塞工艺步骤简单，成本较低，而且铝的导电性为钨的三倍，提高了晶体管的性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1和图2是现有技术中金属填充沟槽过程的结构剖面示意图；
[0026]图3是本发明第一实施例铝填充栅极沟槽方法的流程示意图；
[0027]图4至图11是本发明第一实施例铝填充栅极沟槽过程的结构剖面示意图；
[0028]图12本是发明第二实施例铝填充通孔方法的流程示意图；
[0029]图13至图20是本发明第二实施例铝填充通孔过程的结构剖面示意图。
【具体实施方式】
[0030]为使本发明的上述目的、特点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。
[0031]在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。[0032]其次本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。
[0033]第一实施例
[0034]本实施例为铝填充用于形成金属栅极的栅极沟槽的方法。
[0035]参照图4，并结合参照图3，执行步骤SI，提供栅极沟槽101，在所述栅极沟槽101底部和侧壁形成润湿金属层105。
[0036]在具体实施例中，所述润湿金属层105的形成方法为化学气相沉积或物理气相沉积，润湿金属层105也形成在栅极沟槽101四周材料的表面上。在其他实施例中，润湿金属层105的形成方法也可以为本领域所熟知的其他沉积方法。在该实施例中，栅极沟槽101用于填充铝，所述润湿金属层105的材料为Ti或Co，所述润湿金属层105可以提高沉积铝的粘附性，并增加铝层的致密度。
[0037]在具体实施例中，在形成润湿金属层105之前，还在所述栅极沟槽101中由内至外还依次形成栅介质层102、功函数层层103和阻挡层104。然后在所述阻挡层104上形成润湿金属层105。且栅介质层102、功函数层层103和阻挡层104还形成在栅极沟槽四周的材料上，相应的，润湿金属层105形成在栅极沟槽101内的阻挡层104以及栅极沟槽101四周材料上的阻挡层104上。所述栅介质层102的材料为Hf02、HfSiO, HfTaO, HfTiO, HfZrO,A1203、La2O3> ZrO2, LaAlO或HfSiON。所述功函数层层103的材料为钛、钽、氮化钛、氮化钽、钴、氮化钛铝、钛铝钴、钌、铜锰、氮化钛铝、钛铝或镧。所述阻挡层104的材料为TiN或TaN，阻挡层104还可以为叠层结构，最内层为TaN，最外层为TiN。在具体实施例中，所述栅介质层102、功函数层层103和阻挡层104的形成方法为化学气相沉积或物理气相沉积，在其他实施例中也可以为本领域所熟知的其他沉积方法。
[0038]参照图4和图5，并结合参照图3，执行步骤S2，形成所述润湿金属层105后，在所述栅极沟槽101内填充牺牲材料层106，所述牺牲材料层106将所述栅极沟槽101完全填充。
[0039]在具体实施例中，所述牺牲材料层106的材料可以为Si0N、Si0C、Si0CH或SiN。填充所述牺牲材料层106后，使用化学机械抛光(CMP)，去除高出润湿金属层105的牺牲材料层部分，使所述牺牲材料层106与所述润湿金属层105相平。
[0040]参照图6，并结合参照图3，执行步骤S3，刻蚀所述牺牲材料层106，直至暴露出部分栅极沟槽101侧壁的润湿金属层105。
[0041]在具体实施例中，所述牺牲材料层106为SiON、SiOC, SiOCH或SiN，采用稀释的HF进行湿法刻蚀，并在稀释的HF中添加适量其他无机酸和有机酸，以对所述牺牲材料层106中存在的不能为HF所刻蚀的杂质进行去除。刻蚀后，暴露出的润湿金属层105高度为5-500 A。
[0042]参照图7，参照图3，执行步骤S4，使暴露的所述润湿金属层105反应形成绝缘层107或参照图8，在暴露的所述润湿金属层上形成绝缘层107。
[0043]由于栅极沟槽101四周的润湿金属层105也暴露在外，因此，绝缘层107不仅形成在栅极沟槽101内也形成在栅极沟槽101四周的材料上。
[0044]在具体实施例中，使暴露的所述润湿金属层105反应形成绝缘层107的方法为使用O2等离子体或N2等离子体与暴露的所述润湿金属层105反应以生成氧化铝或氮化铝绝缘层107。
[0045]在具体实施例中，在暴露的所述润湿金属层105上形成绝缘层107的方法为使用化学气相沉积或物理气相沉积在暴露的所述润湿金属层105上形成绝缘层107。所述绝缘层107的材料可以为金属氧化物、金属氮化物、SiO2或硼磷硅玻璃等所属领域的常见绝缘材料，只要能够满足化学气相沉积产生的铝粒子不易沉积在其表面即可。
[0046]形成绝缘层107后，由于化学气相沉积时，沉积的金属层具有依附选择性，即沉积的金属粒子容易依附在润湿金属层105上，而不易沉积在所述绝缘层107上，因此使用化学气相沉积法沉积铝层时，铝层沉积在栅极沟槽101底部，防止了在栅极沟槽101顶部拐角处形成凸点，进而可以实现无间隙填充。
[0047]参照图7和图9，并结合参照图3，执行步骤S5，形成所述绝缘层107后，清除剩余的所述牺牲材料层106。
[0048]在具体实施例中，所述牺牲材料层106为Si0N、Si0C、Si0CH或SiN，清除剩余的所述牺牲材料层106方法为采用稀释的HF进行湿法刻蚀，并在稀释的HF中添加适量其他无机酸和有机酸，以对所述牺牲材料层106中存在的不能为HF所刻蚀的杂质进行去除。
[0049]参照图10，并结合参照图3，执行步骤S6，采用化学气相沉积法沉积铝层108，所述铝层108高度不大于刻蚀中未暴露的润湿金属层105高度。也就是说，铝层108顶面低于绝缘层107底部或与绝缘层107底部相平。在图10中，显示铝层108顶面与绝缘层107底部相平。
[0050]在具体实施例中，在25_150°C下进行所述化学气相沉积，所述化学气相沉积的前驱体为三甲基胺铝硼烷(TMAAB)、二甲基氢化铝(DMAH)、二甲基乙基胺铝烷(DMEAA)中的一种或几种。采用TMAAB、DMAH或DMEAA作为前驱体，制得的铝成分纯净，很少含有其他杂质。[0051 ] 参照图11，并结合参照图3，执行步骤S7，采用物理气相沉积法继续沉积铝层108，直至完全填充所述栅极沟槽101。
[0052]化学气相沉积后，再采用物理气相沉积法继续填充所述沟槽，所述理气相沉积产生的铝可以沉积在所述绝缘层107上。经化学气相沉积后，栅极沟槽101已经基本得到填充，原本高深宽比的栅极沟槽101已经转变为低深宽比的栅极沟槽101，再采用理气相沉积法沉积铝层，很容易实现栅极沟槽101的完全填充而不产生孔洞。
[0053]在具体实施例中，所述物理气相沉积后对铝层进行回流处理，可以进一步提高栅极沟槽101的填充性能。
[0054]之后，可以利用化学机械抛光工艺将高出栅极沟槽四周的材料的栅介质层、功函数层层、阻挡层、润湿金属层、绝缘层去除，最终形成铝栅极。
[0055]第二实施例
[0056]本实施例为铝填充用于形成铝插塞的通孔的方法。
[0057]参照图13，并结合参照图12，执行步骤SlOl，提供基底201，并在所述基底201表面形成层间介质层202，所述层间介质层202具有通孔204，所述通孔204露出所述半导体器件的导电区203。
[0058]在具体实施例中基底201的材质可以是单晶硅、多晶硅、非晶硅中的一种，也可以是绝缘体上硅或本领域所熟知的其他材料。在所述基底201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半导体器件。所述基底201还可以形成有金属互连结构(未示出)，如铜的互连线或插塞。
[0059]在具体实施例中，形成层间介质层202的方法可以为化学气相沉积或物理气相沉积。形成层间介质层202的后，使用湿法刻蚀或干法刻蚀以形成通孔204。导电区203可以为金属层或金属娃化物层。
[0060]参照图13和图14，并结合参照图12，执行步骤S102，在所述通孔204底部和侧壁上形成润湿金属层205。该步骤S102可以参照第一实施例中的步骤SI。
[0061]继续参照图13和图14，并结合参照图12，执行步骤S103，形成所述润湿金属层205后，在所述通孔204内填充牺牲材料层206，所述牺牲材料层206将所述通孔204完全填充。该步骤S103可以参照第一实施例中的步骤S2。
[0062]参照图15，并结合参照图12，执行步骤S104，刻蚀所述牺牲材料层206，直至暴露出部分通孔204内的润湿金属层205。该步骤S104可以参照第一实施例中的步骤S3。
[0063]参照图16，并结合参照图12，执行步骤S105，，使暴露的所述润湿金属层205反应形成绝缘层207或参照图17，在暴露的所述润湿金属层上形成绝缘层207。该步骤S105可以参照第一实施例中的步骤S4。
[0064]参照图16和图18，并结合参照图12，执行步骤S106，生成所述绝缘层207后，清除剩余的所述牺牲材料层206。该步骤S106可以参照第一实施例中的步骤S5。
[0065]参照图19，并结合参照图12，执行步骤S107，采用化学气相沉积法沉积铝层208，所述铝层208高度不大于刻蚀中未暴露的润湿金属层205高度。该步骤S107可以参照第一实施例中的步骤S6。
[0066]参照图20，并结合参照图12，执行步骤S108，采用物理气相沉积法继续沉积铝层208，直至完全填充所述通孔204。该步骤S108可以参照第一实施例中的步骤S7。
[0067]上述两实施例以栅极沟槽和通孔为例说明了铝的填充方法，本发明中，不限于栅极沟槽和通孔，也可以为其他用途的沟槽。
[0068]上述两实施例均以沉积铝为例，阐述了填充沟槽的方法，本发明也可以利用其他金属填充沟槽，只要满足利用化学气相沉积法沉积该金属时，该金属对润湿金属层和绝缘层具有选择依附性即可。
[0069]上述两实施例中，先利用化学气相沉积填充沟槽，再利用物理气相沉积填充沟槽。本发明中，先填充沟槽的沉积方法不限于化学气相沉积，可以为其他的第一沉积法，只要第一沉积法沉积金属时，该金属对润湿金属层和绝缘层具有选择依附性即可。后填充沟槽的沉积方法不限于物理气相沉积，可以为其他的第二沉积法，只要可以对沟槽进行填充即可，例如也可以为化学气相沉积。
[0070]本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
【权利要求】
1.一种金属填充沟槽的方法，其特征在于，包括: 提供沟槽，在所述沟槽底部和侧壁形成润湿金属层； 形成所述润湿金属层后，在所述沟槽内填充牺牲材料层，所述牺牲材料层将所述沟槽完全填充； 刻蚀所述牺牲材料层，直至暴露出部分沟槽侧壁的润湿金属层； 使暴露的所述润湿金属层反应形成绝缘层或在暴露的所述润湿金属层上形成绝缘层； 形成所述绝缘层后，清除剩余的所述牺牲材料层； 采用第一沉积法沉积金属层，所述金属层高度不大于刻蚀中未暴露的润湿金属层高度；所述第一沉积法沉积的金属层具有选择依附性，不易沉积在所述绝缘层上； 采用第二沉积法继续沉积金属层，直至完全填充所述沟槽。
2.如权利要求1所述的金属填充沟槽的方法，其特征在于，所述金属层的材料为铝。
3.如权利要求1所述的金属填充沟槽的方法，其特征在于，所述第一沉积法为化学气相沉积，所述第二沉积法为物理气相沉积或化学气相沉积。
4.如权利要求1所述的金属填充沟槽的方法，其特征在于，所述润湿金属层的形成方法为化学气相沉积或物理气相沉积。
5.如权利要求2所述的金属填充沟槽的方法，其特征在于，所述润湿金属层的材料为Ti 或 Co。
6.如权利要求1所述的金属填充沟槽的方法，其特征在于，所述牺牲材料层的形成方法为化学气相沉积或物理气相沉积。
7.如权利要求1所述的金属填充沟槽的方法，其特征在于，所述牺牲材料层为SiON、SiOC、SiOCH 或 SiN。
8.如权利要求1所述的金属填充沟槽的方法，其特征在于，所述沟槽为用于形成金属栅极的栅极沟槽或用于形成金属插塞的通孔。
9.如权利要求8所述的金属填充沟槽的方法，其特征在于，所述栅极沟槽底部和侧壁形成所述润湿金属层之前，在所述栅极沟槽底部和侧壁形成栅介质层，在所述栅介质层上形成功函数层层，在所述功函数层金属层上形成阻挡层，在所述阻挡层上形成所述湿润金属层。
10.如权利要求9所述的金属填充沟槽的方法，其特征在于，所述阻挡层为单层结构或叠层结构。
11.如权利要求7所述的金属填充沟槽的方法，其特征在于，刻蚀所述牺牲材料层的方法为使用稀释的HF进行湿法刻蚀。
12.如权利要求7所述的金属填充沟槽的方法，其特征在于，清除剩余的所述牺牲材料层的方法为使用稀释的HF进行湿法刻蚀
13.如权利要求1所述的金属填充沟槽的方法，其特征在于，所述刻蚀暴露出的润湿金属层高度为5-500 A。
14.如权利要求1所述的金属填充沟槽的方法，其特征在于，使暴露的所述润湿金属层反应形成绝缘层的方法为使用O2等离子体或N2等离子体与暴露的所述润湿金属层反应以生成对应金属氧化物或金属氮化物绝缘层。
15.如权利要求1所述的金属填充沟槽的方法，其特征在于，在暴露的所述润湿金属层上形成绝缘层的方法为使用化学气相沉积或物理气相沉积在暴露的所述润湿金属层上形成绝缘层。
16.如权利要求1 所述的金属填充沟槽的方法，其特征在于，所述第二沉积法继续沉积金属层后，对金属层进行回流处理。
【文档编号】H01L21/768GK103972149SQ201310036612
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2013年1月30日 优先权日:2013年1月30日
【发明者】周鸣 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司