专利名称：金属前绝缘层的填充方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种金属前绝缘层的填充方法。
背景技术：
随着半导体特征尺寸向65纳米乃至更精细的结构发展，对缝隙(Seam)的 填充，特别是对具有高深宽比的栅极间缝隙的填充提出了更高的要求，个别 器件中栅极间缝隙的深宽比达到了6: l甚至更高，这对填充工艺而言是个巨大 的才4战。高密度等离子体化学气相沉积(High Density Plasma Chemical Vapor Deposition, HDPCVD )由于可在300 ~ 400°C的较低沉积温度下，制备出能够 填充高深宽比(定义为缝隙的深度和宽度的比值)缝隙的膜，而在当前的实际生产中有广泛应用。实际生产已发现对于65纳米及具有更精细的结构的器件，利用单步HDPCVD工艺进行缝隙的填充时，在缝隙的顶端会形成较厚的填充材料沉积物，继 而阻挡填充材料向缝隙的底部扩散，进而在缝隙的顶端造成填充材料沉积物 的积累，会在缝隙顶部产生夹断(Pinch-Off)，进而在缝隙内部形成空洞 (Void)。此空洞(Void)势必将影响器件的稳定性及电学性能，严重时甚至会 引发器件失效。而HDP CVD可以在同一个反应腔中同步地进行沉积和刻蚀的工艺，图 1A 1C为说明现有技术中利用沉积-刻蚀-沉积工艺填充缝隙时各步骤的器件 剖面示意图，为了解决上述问题，HDP CVD沉积-刻蚀-沉积工艺被用以填充具 有高的深宽比的缝隙，如图1A所示，首先，在前驱体表面10缝隙"内填充部 分介质材料30，且填充的介质材料具有开口31，所述前驱体定义为待填充介 质材料30的器件形成过程的中间状态；继而，如图1B所示，进行蚀刻工艺以 形成扩大的介质材料开口32;最后，如图1C所示，再次实施沉积步骤，在缝 隙内完全填充介质材料30。HDP CVD沉积-刻烛-沉积工艺的重要参数为沉积刻蚀比；此沉积刻蚀比定 义为沉积速率与刻蚀速率的比值；由于沉积刻蚀比是HDP CVD工艺填充能力的 重要指标，可显著影响沉积速率或刻蚀速率的工艺参数都将直接决定填充材 料的填充质量。由此，采用HDP CVD沉积-刻蚀-沉积工艺填充缝隙在实际制程 中对工艺参数的要求较高，难以精确控制缝隙内部的填充质量。图2A-2C为说明现有技术中利用单晶生长工艺填充缝隙时各步骤的器件 剖面示意图，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，在前驱体表面10上缝隙底部形成晶种40;继 而，如图2B所示，通入反应气体，使其与晶种反应以在晶种与缝隙底部交界 处形成晶须41;进而，如图2C所示，在缝隙内形成无缝隙的填充单晶体42。 但是，应用此方法时，为避免前驱体被熔化，要求形成晶种材料时的熔点必 须低于前驱体的熔点，导致应用此方法在填充材料的选择上将受到严重限制； 并且，填充时引入的热处理过程施加于器件形成之后，易对器件性能造成影 响；此外，单晶的生长周期较长，通过此方法形成无缝隙填充还将引起生产 效率的降低。综上所述，现有的缝隙填充方法无法满足实际生产的需要。 发明内容本发明提供了 一种金属前绝缘层的填充方法，可在填充缝隙时不产生空洞。本发明提供的一种金属前绝缘层的填充方法，包括 在衬底表面形成栅极及环绕栅极的侧墙；在衬底表面形成阻挡层，所述阻挡层覆盖栅极及侧墙表面，任意两覆盖 阻挡层材料的栅极间具有缝隙；賊蚀部分阻挡层，以扩大栅极间缝隙开口； 沉积金属前绝缘层，所述金属前绝缘层材料填充栅极间缝隙。 所述栅极材料包含多晶硅、金属或金属硅化物等材料中的一种或其组合； 所述侧墙材料包含二氧化硅；所述阻挡层材料包含氮化硅；所述溅蚀气体为 氩气和氧气；所述缝隙开口的大小及形状通过控制氩气和氧气的气流方向和 流量确定；所述氩气沿竖直方向和水平方向的刻蚀选择比高于5: 1,且小于 所述缝隙深度与阻挡层厚度的比值；所述溅蚀工艺分步进行；所述氧气的流 量在濺蚀过程中保持不变；所述金属前绝缘层材料包含磷硅玻璃、硼硅玻璃 以及硼磷硅玻璃等材料中的一种或其组合；所述栅极间缝隙的填充采用高密 度等离子体化学气相沉积工艺。
与现有技术相比，本发明具有以下优点通过在沉积步骤前增加賊蚀步骤，增大缝隙开口，减小缝隙的深宽比，继而在缝隙的顶端不再造成填充材 料沉积物的积累，进而使得在填充缝隙时不再产生空洞，保证了器件性能的 稳定性，增强了器件的可靠性。
图1A ~ 1C为说明现有技术中利用沉积-刻蚀-沉积工艺填充缝隙时各步骤 的器件剖面示意图；图2A ~ 2C为说明现有技术中利用单晶生长工艺填充缝隙时各步骤的器件 剖面示意图；图3A~ 3C为说明本发明方法实祐图。其中同一成分用同一标号标示 10:前驱体表面； 30:介质材料； 32:扩大的介质材料开口； 41:晶须； 50:衬底； 52:侧墙； 60:相W及间》逢隙； 62:扩大的栅极间缝隙开口 ；具体实施方式
为使本发明的上述目的、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。为避免引起不必要的难于理解，本 文的实施例说明中省略了公知的工艺操作描述。应用本发明方法进行具有高深宽比的栅极间缝隙填充的步骤为首先， 在衬底表面获得具有高深宽比的栅极间缝隙；然后，利用溅蚀(Sputtering) 技术扩大缝隙开口，以降低缝隙的深宽比；最后，应用HDPCVD工艺，填充栅 极间缝隙。图3为说明本发明方法实施例的填充缝隙时各步骤的器件剖面示意图， 如图所示，作为本发明的实施例，应用本发明方法，填充栅极间缝隙的具体20: 31: 40: 42: 51: 53: 61: 70:缝隙；介质材料开口； 晶种；填充单晶体；栅极；阻挡层；4册极间缝隙开口； 金属前绝缘层材料。实施步骤为首先，如图3A所示，在衬底50表面获得具有高深宽比的栅极间缝隙60, 所迷缝隙具有一开口 61。在衬底50表面形成有栅极51，所述栅极侧壁处形成有侧墙52;有侧墙 保护的栅极表面覆盖一阻挡层53，所述任意两相邻但不相接的覆盖阻挡层材 料的栅极间形成栅极间缝隙60,所述缝隙内用以填充金属前绝缘层 (Pre-Metal Dielectric, PMD );所述金属前绝缘层定义为第一金属层与硅 衬底之间的介质层。术语"缝隙"表示芯片内同层材料图形间的隔离区域， 并可与术语"线缝"或"间隙"互换。所述栅极51优选地由多晶硅、金属或金属硅化物等材料构成；所述侧墙 52材料优选地由二氧化硅(Si02)构成；所述侧墙52环绕栅极51;所述侧墙 52用以防止更大剂量的源漏注入过于接近沟道以至可能发生的源漏穿通。所 述侧墙52利用沉积-反刻工艺形成；所述沉积工艺选用化学气相淀积；所述 刻蚀工艺选为等离子体刻蚀。所述阻挡层53材料优选地由氮化硅(Si扎)构 成；所述阻挡层53用以保护有源区，是置于随后的掺杂淀积层隔绝；所述阻 挡层53利用化学气相淀积工艺形成。然后，如图3B所示，溅蚀部分阻挡层材料，获得扩大的栅极间缝隙开口 62，以降低缝隙的深宽比。在上述阻挡层之上，沉积局部互连结构中的金属前绝缘层，所述金属前 绝缘层材料的沉积方法选用HDP CVD工艺。但实际生产发现，若在沉积阻挡层后直接沉积金属前绝缘层，易在上述 栅极间缝隙内形成空洞，此空洞会影响器件的稳定性及可靠性。由此，'减蚀上述阻挡层材料，以在缝隙顶端形成扩大的栅极间缝隙开口， 降低缝隙的深宽比。所述'减蚀工艺中刻蚀气体选择氩气(Ar )和氧气(02 )，通过控制Ar和 02的混合比例可控制HDP CVD的方向性；其中，Ar的作用是通过溅蚀作用移 除缝隙开口处的阻挡层53材料，02则起到提高刻蚀速率的作用。采用溅蚀工 艺可保证刻蚀的方向性，以获得高的各向异性刻蚀剖面，最终达到良好的线 宽控制的目的。所述賊蚀阻挡层材料以扩大栅极间缝隙开口的过程中，需严格控制溅蚀
参数，以免造成侧墙52表面损伤。
所述扩大的4册极间缝隙开口 62的大小及形状通过控制Ar和02的气流方 向和流量确定；其中，Ar的气流方向沿竖直方向和水平方向提供，两个方向 上Ar气流的流量均可调节，以适应賊蚀过程深入的要求；由于02只起到提高 刻蚀速率的介质的作用，故其方向性无需作特别的限定。Ar和02的流量才艮据 产品要求及工艺条件确定。为精确控制缝隙开口的尺寸，溅蚀过程可分级进 行，通过在溅蚀过程的不同阶段设置不同的賊蚀参数精确控制'践蚀工艺的进 行。
作为本发明的实施例，溅蚀过程被分为四级进行，溅蚀所需的射频偏压 的工艺参数值由0 - 3000瓦特(W)逐级增加，间隔值为500瓦特(W); Ar的 流量的工艺参数值可分两级减小，即在賊蚀过程过半时，降低Ar的流量至初 始值的60%,以精确控制缝隙开口的形状；02的流量的工艺参数值在賊蚀过程 中可保持不变。Ar沿竖直方向和水平方向的刻蚀选择比高于5: 1,且需小于 所述缝隙深度与阻挡层厚度的比值；众所周知，所述缝隙深度与阻挡层厚度 的比值远高于5: 1。在本实施例中，Ar沿竖直方向和水平方向的刻蚀选择比 可选为7: 1、 8: 1或10: 1等；Ar与02的流量比随溅蚀过程的进行由1: 1. 2 变为1: 0. 6。
诚然，所述选用的射频偏压的分级间隔、Ar沿竖直方向和水平方向的刻 蚀选择比及Ar与02的流量比为便于本发明的具体实施而做出的特殊选择，不 应作为对本发明方法实施方式的限定，本领域技术人员对此作出的任意合理 的修改及等同变换不影响本发明方法的实施，且应包含在本发明的保护范围内。最后，应用HDP CVD工艺，沉积金属前绝缘层，所述金属前绝缘层材料 70填充栅-极间缝隙。所述金属前绝缘层材料选用硼、磷轻掺杂的二氧化硅(SiOJ，用以提高 介质层材料的介电特性；所述金属前绝缘层材料具体可选用磷硅玻璃 (phosphosilicate glass ， PSG )、硼珪玻璃(boros i 1 icate , BSG )以及硼 磷硅玻璃(borophosphosilicate ， BPSG )等常用层间介质材料；所述掺杂 比根据产品要求及工艺条件确定。作为本发明方法的实施例，以PSG为金属前绝缘层材料的沉积工艺通过
硅烷(SiH4)、磷烷(PH3)和02的反应来实现。SiH4和PH3的气流方向均沿 竖直方向和水平方向提供，竖直方向Si&与PH3的流量比选为7: 1，水平方 向Si&与PH3的流量比选为5: 1;沉积步骤中02的流量及射频偏压(RF BIAS POWER)与溅蚀步骤相比，均可有适当的增加；射频功率(RF POWER)在賊蚀 及沉积过程中保持不变。采用本发明方法，通过在沉积步骤前增加濺蚀步骤，增大缝隙开口，减 小缝隙的深宽比，继而在缝隙的顶端不再造成填充材料沉积物的积累，进而 使得在填充缝隙时不再产生空洞，保证了器件性能的稳定性，增强了器件的 可靠性。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。文中使用的与附图相关的方 向性用语，如顶部、底部、上、下、左、右、前或后等，在任何方法上均 不是用来限制本发明的范围。本发明虽然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，都可以做出可能的变动和 修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
权利要求
1. 一种金属前绝缘层的填充方法，包括 在衬底表面形成栅极及环绕栅极的侧墙；在衬底表面形成阻挡层，所述阻挡层覆盖栅极及侧墙表面，任意两覆盖 阻挡层材料的栅极间具有缝隙；溅蚀部分阻挡层，以扩大栅极间缝隙开口； 沉积金属前绝缘层，所述金属前绝缘层材料填充栅极间缝隙。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述栅极材料包含多晶硅、 金属或金属硅化物等材料中的一种或其組合。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述侧墙材料包含二氧化硅。
4. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于所述阻挡层材料包含氮化硅。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述賊蚀气体为氩气和氧气
6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述缝隙开口的大小及形 状通过控制氩气和氧气的气流方向和流量确定。
7. 才艮据权利要求6所述的方法，其特征在于所述氩气沿竖直方向和水 平方向的刻蚀选择比高于5: 1,且小于所述缝隙深度与阻挡层厚度的比值。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述溅蚀工艺分步进行。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述氧气的流量在溅蚀过 程中保持不变。
10. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述金属前绝缘层材料 包含磷硅玻璃、硼硅玻璃以及硼磷硅玻璃等材料中的一种或其组合。
11. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述栅极间缝隙的填充 采用高密度等离子体化学气相沉积工艺。
全文摘要
一种金属前绝缘层的填充方法，包括在衬底表面形成栅极及环绕栅极的侧墙；在衬底表面形成阻挡层，所述阻挡层覆盖栅极及侧墙表面，任意两覆盖阻挡层材料的栅极间具有缝隙；溅蚀部分阻挡层，以扩大栅极间缝隙开口；沉积金属前绝缘层，所述金属前绝缘层材料填充栅极间缝隙。通过在沉积步骤前增加溅蚀步骤，增大缝隙开口，减小缝隙的深宽比，继而在缝隙的顶端不再造成填充材料沉积物的积累，进而使得在填充缝隙时不再产生空洞，保证了器件性能的稳定性，增强了器件的可靠性。
文档编号H01L21/31GK101123206SQ20061002992
公开日2008年2月13日 申请日期2006年8月10日 优先权日2006年8月10日
发明者刘明源, 张文广 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司