专利名称：介质层形成方法和金属层平整化方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种介质层形成方法和 金属层平整化方法。
背景技术：
半导体器件通常需要一层以上的金属层提供足够的互连能力，所述金 属层间以及金属层与器件有源区之间具有介质层，所述金属层间的互连
所述通孔贯穿所述介质层。
在形成所述通孔之前，需预先形成所述介质层。形成所述介质层的步
骤包括如图1所示，提供半导体基底IO,所述半导体基底10表层具有金 属层；如图2所示，形成覆盖所述半导体基底10的介质层20。继而，如图 3所示，在所述介质层20上形成具有通孔图形32的抗蚀剂层30;如图4所 示，以所述抗蚀剂层30为掩膜，去除部分所述介质层20;继而，去除所 述抗蚀剂层30;干式去除所述介质层20,以形成通孔。所述通孔暴露部 分金属层。
实践中，对于第N介质层(N大于或等于2)，所述介质层位于第N-1 层金属层上。实际生产发现，如图5所示，利用传统工艺形成的所述介质 层20内通常具有针孔缺陷(pin hole) 40,所述针孔缺陷40易导致在以 具有通孔图形32的抗蚀剂层30为掩膜去除部分所述介质层20后，在所述 介质层20的通孔区内，具有减薄甚至缺失的所述介质层，继而在后续去 除所述抗蚀剂层30的过程中，所述介质层20的缺失区域将暴露与所述介 质层相连的金属层，又由于通常采用氧气灰化法去除所述抗蚀剂层，致 使在去除所述抗蚀剂层时，氧气将氧化介质层缺失区域暴露的金属层， 而使介质层缺失区域暴露的金属层表面形成金属氧化物，进而在后续清 洗过程中，所述金属氧化物将被去除，随着所述金属氧化物的去除，如
图6所示，所述通孔暴露的金属层表面将具有表面凹陷42,所述表面凹陷 42易造成后续填充所述通孔时可靠性降低。如何在介质层内减少针孔缺 陷的产生，继而减少在介质层内形成通孔后，所述通孔暴露的金属层表 面具有的表面凹陷的产生成为本领域技术人员亟待解决的问题。
2003年10月22日公开的公告号为"CN1125484C"的中国专利中提供 了一种去除氮化硅保护层针孔的方法，该方法利用预处理去除内连线上 的有机金属，以去除氮化硅保护层内的针孔，所述预处理过程涉及的工 艺参数包括反应气体为冊3以及&0;反应气体冊3以及&0的流量分别为 100sccm以及1600sccm,继而在内连线上形成一薄的氧化层，进而在所述 氧化层上以化学气相淀积法形成无针孔的氮化硅层，以做为保护层。显 然，该方法仅用以在特定工艺条件下形成无针孔缺陷的氮化硅保护层中， 适用范围受限。
发明内容
本发明提供了 一种介质层形成方法，可减少所述介质层内针孔缺陷 的产生；本发明提供了一种金属层平整化方法，可增强所述金属层与后 续金属层及外界的互连效果。
本发明提供的一种介质层形成方法，包括 提供半导体基底；
形成覆盖所述半导体基底的金属层； 对形成金属层后的半导体基底执行热处理操作； 形成介质层，所述介质层覆盖热处理后的金属层和半导体基底。 可选地，所述金属层材料可为铜、铝或铝铜合金；可选地，所述热 处理操作的温度范围为350 - 450摄氏度；可选地，所述热处理操作的 持续时间为20~120秒；可选地，所述热处理梯:作选用的气体为氮气、 氦气或氩气中的一种或其组合；可选地，所述热处理操作选用的气体的 流量范围为2000 20000sccm。
本发明提供的一种金属层平整化方法，包括 提供半导体基底；
形成覆盖所述半导体基底的金属层； 平整化所述金属层；
对已形成金属层的所述半导体基底执行热处理操作。
可选地，采用化学机械研磨工艺执行平整化所述金属层的操作；可 选地，所述金属层材料可为铜、铝或铝铜合金；可选地，所述热处理才喿 作的温度范围为350 - 450摄氏度；可选地，所述热处理操:作的持续时 间为20 - 120秒；可选地，所述热处理操作选用的气体为氮气、氦气或 氩气中的一种或其组合；可选地，所述热处理操作选用的气体的流量范 围为2000 ~ 20000sccm。
本发明提供的一种介质层形成方法，包括 提供半导体基体；
形成覆盖所述半导体基体的金属层； 图形化所述金属层；
对形成图形化的金属层后的半导体基体执行热处理操作；
形成介质层，所述介质层覆盖热处理后的金属层和半导体基体。
可选地，所述金属层材料为铝或铝铜合金。
可选地，形成所述金属层的步骤包括
形成填充所述半导体基体内通孔的第 一金属层；
形成覆盖所述半导体基体及所述第 一金属层的第二金属层。
可选地，所述第一金属层材料为鴒；可选地，所述第二金属层材料 为铝或铝铜合金；可选地，所述热处理操作的温度范围为350 - 450摄 氏度；可选地，所述热处理操作的持续时间为20 - 120秒；可选地，所 述热处理操作选用的气体为氮气、氦气或氩气中的一种或其组合；可选
地，所述热处理梯:作选用的气体的流量范围为2000 20000sccm。
本发明提供的一种金属层平整化方法，包括 提供半导体基体；
形成覆盖所述半导体基体的金属层； 平整化所述金属层；
对已形成金属层的所述半导体基体执行热处理操作。 可选地，所述金属层材料为铝或铝铜合金。 可选地，形成所述金属层的步骤包括 形成填充所述半导体基体内通孔的第 一金属层；
形成覆盖所述半导体基体及所述第 一金属层的第二金属层。 可选地，所述第一金属层材料为鴒；可选地，所述第二金属层材料 为铝或铝铜合金；可选地，采用化学机械研磨工艺执行平整化所述金属 层的操作；可选地，所述热处理操作的温度范围为350 ~ 450摄氏度； 可选地，所述热处理操作的持续时间为20 - 120秒；可选地，所述热处 理操作选用的气体为氮气、氦气或氩气中的一种或其组合；可选地，所 述热处理操作选用的气体的流量范围为2000 20000sccm。
与现有技术相比，本发明具有以下优点
本发明提供的介质层形成方法，通过在形成介质层之前增加包含金属 层的半导体基底/体的热处理步骤，以增强所述金属层的平整化程度，继 而可增强形成的介质层的均匀性，以使减少所述介质层内针孔缺陷的产 生成为可能；
本发明提供的金属层平整化方法，通过在金属层执行平整化操作之 后，增加包含所述金属层的半导体基底/体的热处理步骤，以进一步增强 所述金属层的平整化程度，以使增强所述金属层与后续金属层及外界的 互连效果成为可能。
图1为说明现有技术中半导体基底的结构示意图2为说明现有技术中在半导体基底上形成介质层后的结构示意
图3为说明现有技术中在介质层上形成具有通孔图形的抗蚀剂层后
的结构示意图4为说明现有技术中去除部分介质层后的结构示意图5为说明现有技术中针孔缺陷的结构示意图6为说明现有技术中表面凹陷的结构示意图7为说明本发明实施例的形成介质层的流程示意图8为说明本发明实施例的半导体基底结构示意图9为说明本发明实施例的在半导体基底上形成金属层后的结构示
意图10为说明本发明实施例的经历热处理过程后的金属层和半导体 基底的结构示意图11为说明本发明实施例的在金属层上形成介质层后的结构示意
图12为说明本发明实施例的在介质层上形成具有通孔图形的抗蚀 剂层后的结构示意图13为说明本发明实施例的去除部分介质层后的结构示意图。
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
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。
由于利用传统工艺形成的针孔缺陷易导致在以具有通孔图形的抗 蚀剂层为掩膜而去除部分所述介质层后，在所述介质层的通孔区内，具 有减薄甚至缺失的所述介质层，继而在后续去除所述抗蚀剂层的过程 中，所述介质层的缺失区域将暴露与所述介质层相连的金属层，又由于 通常采用氧气灰化法去除所述抗蚀剂层，致使在去除所述抗蚀剂层时， 氧气将氧化介质层的缺失区域暴露的金属层，而使介质层的缺失区域暴 露的金属层表面形成金属氧化物，进而在后续清洗过程中，所述金属氧 化物将被去除，随着所述金属氧化物的去除，所述通孔暴露的金属层表 面将具有表面凹陷，所述表面凹陷易造成后续填充所述通孔时可靠性降 低。如何在介质层内减少针孔缺陷的产生，继而减少在介质层内形成通 孔后，所述通孔暴露的金属层表面具有的表面凹陷的产生成为本发明解 决的主要问题。
本发明的发明人分析后认为，针孔缺陷造成的所述介质层被去除部 分后减薄甚至缺失的现象是由于粘接于所述介质层的金属层表面的平
整化程度不佳造成的，即所述金属层表面具有的丘状缺陷(hillock) 导致了所述针孔缺陷；换言之，所述金属层表面具有的丘状缺陷使得沉 积于所述金属层表面的所述介质层的性质不均匀，即位于所述丘状缺陷
处的介质层异于位于所述金属层表面的其他区域处的介质层，继而在后 续去除部分所述介质层时，位于所述丘状缺陷处的所述介质层易被完全
去除，进而暴露与所述介质层相连的金属层，并使其在后续去除所述抗 蚀剂层的过程中被氧化，继而在后续清洗过程中，随着所述金属氧化物 的去除，所述通孔暴露的金属层表面将具有表面凹陷。本发明的发明人 分析后认为，如何减少所述丘状缺陷成为去除所述针孔缺陷的指导方 向。
本发明的发明人经历分析与实践后提供了 一种介质层形成方法，可减 少所述介质层内针孔缺陷的产生。
如图7所示，本发明提供的介质层形成方法，包括提供半导体基底； 形成覆盖所述半导体基底的金属层；对形成金属层后的半导体基底执行 热处理^t喿作；形成介质层，所述介质层覆盖热处理后的金属层和半导体 基底。
作为本发明的实施例，应用本发明提供的方法形成介质层的具体步骤 包括
步骤7G1:提供半导体基底。
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后，继续形 成第一层通孔(via)及沟槽(trench)后，形成如图8所示的半导体基 底IOO。
可扩展地，在沉积第N-1层间介质层后，继续形成第N-1层通孔及沟 槽后，形成半导体基底IOO。
显然，数目N可为任意自然数，如l、 3、 5、 7或9等，所述在制品中 包含的层间介质层及金属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；所述栅极结构包含栅极、环绕栅极的侧墙及栅氧化
层。所述栅极结构还可包含覆盖所述栅极和侧墙的阻挡层。
步骤702:如图9所示，形成覆盖所述半导体基底100的金属层120。 所述金属层120填充位于所述半导体基底100内的通孔及沟槽。可利用 溅射、电镀或HDPCVD等工艺形成所述金属层120。
所述金属层120材料可为铜、铝或铝铜合金。作为示例，所述铝铜合 金中铜含量可为O. 5%。
为便于所述金属层120与所述半导体基体100的粘接效果，在形成所述 金属层120之前，还可包括形成粘接层的步骤，所述粘接层可包含钬(Ti) 或钽(Ta )。
形成所述金属层120的步骤中包含平整化所述金属层120的操作。
步骤703:如图10所示，对形成金属层U0后的半导体基底100执行热 处理梯:作。
本发明的发明人进一步分析后认为，丘状缺陷是因为后续介质层的 沉积过程涉及的强烈的等离子场及/或高温造成金属层内组成微粒发生 热运动并形成迁移而产生的，减少所述孩(粒的热运动成为利用本发明去 除针孔缺陷的出发点。本发明利用热处理操作增强位于半导体基底102 表面的金属层122材料的稳定性，以减少金属层122组成微粒发生热运 动以及由于所述热运动造成的金属层122内组成孩史粒的迁移。
所述热处理温度范围为350 - 450摄氏度；所述热处理操作持续时间 为20 120秒；所述热处理气体可选择氮气(N2)、氦气(He)或氩气(Ar ) 中的一种或其组合；所述热处理气体的流量范围为2000 20000sccm。
步骤704:如图11所示，形成介质层140,所述介质层140覆盖热处理 后的金属层122和半导体基底102。
所述介质层140材料包括但不限于低介电常数材料，如BD或coral， 以及二氧化硅(USG)和掺杂的二氧化硅，如硼磷硅玻璃(BPSG)、硼 硅玻璃(BSG)或磷硅玻璃(PSG)中的一种或其组合。形成所述介质层 140的方法包含化学气相沉积法(CVD),如LPCVD、 PECVD等。
继而，如图12所示，在所述介质层140上形成具有通孔图形162的抗蚀 剂层160;以及，如图13所示，以所述抗蚀剂层160为掩膜，去除部分所 述介质层140之后，在通孔图形暴露的介质层内具有减少的针孔缺陷。
此外，为减少后续可能发生的热效应(如，作为金属焊盘的金属层与 外界形成互连时产生的热效应)在金属层表面形成的丘状缺陷，本发明 还提供了一种金属层平整化方法，包括提供半导体基底；形成覆盖所 述半导体基底的金属层；平整化所述金属层；对已形成金属层的所述半 导体基底执行热处理操作。
可选用研磨工艺执行平整化所述金属层的操作，所述研磨工艺可选用 化学机械研磨工艺(CMP)。
此外，作为本发明的又一实施例，应用本发明提供的方法形成介质层 的具体步骤包括提供半导体基体；形成覆盖所述半导体基体的金属层； 图形化所述金属层；对形成图形化的金属层后的半导体基体执行热处理 操作；形成介质层，所述介质层覆盖热处理后的金属层和半导体基体。
在半导体衬底(substrate)上定义器件有源区并完成浅沟槽隔离、 继而形成片册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(via)后，形成半导体基体。
可扩展地，在沉积第N-1层间介质层后，继续形成第N-l层通孔后，形 成半导体基体。
显然，数目N可为任意自然数，如l、 3、 5、 7或9等，所述在制品中 包含的层间介质层及金属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；所述栅极结构包含栅极、环绕栅极的侧墙及栅氧化
层。所述栅极结构还可包含覆盖所述栅极和侧墙的阻挡层。
所述介质层材料包括但不限于低介电常数材料，如BD或coral，以 及二氧化硅(USG)和掺杂的二氧化硅，如硼磷硅玻璃(BPSG)、硼硅 玻璃(BSG)或磷硅玻璃(PSG)中的一种或其组合。形成所述介质层的 方法包含化学气相沉积法(CVD),如LPCVD、 PECVD等。
需说明的是，所述金属层材料可为铝或铝铜合金。作为示例，所述铝 铜合金中铜含量可为O.5%。可利用溅射、电镀或HDPCVD等工艺形成所述 金属层。
为便于所述金属层与所述半导体基体的粘接效果,在形成所述金属层 之前，还可包括形成粘接层的步骤，所述粘接层可包含钛(Ti )或钽(Ta )。
特别地,形成覆盖所述半导体基体并填充所述通孔的金属层的步骤可 包括形成填充所述通孔的第一金属层；形成覆盖所述连接基体及所述 第 一金属层的第二金属层。形成所述第 一金属层和第二金属层的步骤中 包含平整化所述第一金属层和第二金属层的操作。
其中，所述第一金属层材料可为鴒、铝或铝铜合金；所述第二金属层 材料可为铝或铝铜合金。作为示例，所述铝铜合金中铜含量可为O.5%。
为便于所述第 一金属层及第二金属层与所述连接基体的粘接效果，在 形成所述第一金属层及/或第二金属层之前，均可包括形成粘接层的步 骤，所述粘接层可包含钛(Ti)或钽(Ta)。
所述热处理温度范围为350 ~ 450摄氏度；所述热处理操作持续时间 为20 120秒；所述热处理气体可选择氮气(N2)、氦气(He)或氩气(Ar ) 中的一种或其组合；所述热处理气体的流量范围为2000 - 20000sccm。
特别地，为减少后续可能发生的热效应(如，作为金属焊盘的金属层 与外界形成互连时产生的热效应)在金属层表面形成的丘状缺陷，本发
明还提供了一种金属层平整化方法，包括提供半导体基体；形成覆盖
所述半导体基体的金属层；平整化所述金属层；对已形成金属层的所述 半导体基体执行热处理操作。
可选用研磨工艺执行平整化所述金属层的操作，所述研磨工艺可选用 化学机械研磨工艺(CMP)。
需强调的是，未加说明的步骤均可采用传统的方法获得，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
1．一种介质层形成方法，其特征在于，包括提供半导体基底；形成覆盖所述半导体基底的金属层；对形成金属层后的半导体基底执行热处理操作；形成介质层，所述介质层覆盖热处理后的金属层和半导体基底。
2. 根据权利要求1所述的介质层形成方法，其特征在于所述金 属层材料可为铜、铝或铝铜合金。
3. 根据权利要求1或2所述的介质层形成方法，其特征在于所 述热处理操作的温度范围为350 ~ 450摄氏度。
4. 根据权利要求1或2所述的介质层形成方法，其特征在于所 述热处理操:作的持续时间为20~120秒。
5. 根据权利要求1或2所述的介质层形成方法，其特征在于所 述热处理操作选用的气体为氮气、氦气或氩气中的一种或其组合。
6. 根据权利要求1或2所述的介质层形成方法，其特征在于所 述热处理操作选用的气体的流量范围为2000 - 20000sccm。
7. —种金属层平整化方法，其特征在于，包括 提供半导体基底；形成覆盖所述半导体基底的金属层； 平整化所述金属层；对已形成金属层的所述半导体基底执行热处理操作。
8. 根据权利要求7所述的金属层平整化方法，其特征在于采用 化学机械研磨工艺执行平整化所述金属层的操作。
9. 根据权利要求7所述的金属层平整化方法，其特征在于所述 金属层材料可为铜、铝或铝铜合金。
10. 根据权利要求7或9所述的金属层平整化方法，其特征在于所述热处理操作的温度范围为350 ~ 450摄氏度。
11. 根据权利要求7或9所述的金属层平整化方法，其特征在于 所述热处理操:作的持续时间为20 - 120秒。
12. 根据权利要求7或9所述的金属层平整化方法，其特征在于 所述热处理操作选用的气体为氮气、氦气或氩气中的一种或其组合。
13. 根据权利要求7或9所述的金属层平整化方法，其特征在于 所述热处理操作选用的气体的流量范围为2000 ~ 20000sccm。
14. 一种介质层形成方法，其特征在于，包括 提供半导体基体；形成覆盖所述半导体基体的金属层； 图形化所述金属层；对形成图形化的金属层后的半导体基体执行热处理操作； 形成介质层，所述介质层覆盖热处理后的金属层和半导体基体。
15. 根据权利要求14所述的介质层形成方法，其特征在于所述 金属层材料为铝或铝铜合金。
16. 根据权利要求14所述的介质层形成方法，其特征在于形成 所述金属层的步骤包括形成填充所述半导体基体内通孔的第 一金属层； 形成覆盖所述半导体基体及所述第 一金属层的第二金属层。
17. 根据权利要求16所述的介质层形成方法，其特征在于所述 第一金属层材料为鴒。
18. 根据权利要求16所述的介质层形成方法，其特征在于所述 第二金属层材料为铝或铝铜合金。
19. 根据权利要求14或16所述的介质层形成方法，其特征在于 所述热处理操作的温度范围为350 ~ 450摄氏度。
20. 根据权利要求14或16所述的介质层形成方法，其特征在于 所述热处理操作的持续时间为20~120秒。
21. 根据权利要求14或16所述的介质层形成方法，其特征在于 所述热处理才喿作选用的气体为氮气、氦气或氩气中的一种或其组合。
22. 根据权利要求14或16所述的介质层形成方法，其特征在于 所述热处理搮:作选用的气体的流量范围为2 0 0 0 ~ 2 0 0 0 0 s ccm。
23. —种金属层平整化方法，其特征在于，包括 提供半导体基体；形成覆盖所述半导体基体的金属层； 平整化所述金属层；对已形成金属层的所述半导体基体执行热处理操作。
24. 根据权利要求23所述的金属层平整化方法，其特征在于所 述金属层材料为铝或铝铜合金。
25. 根据权利要求23所述的金属层平整化方法，其特征在于形 成所述金属层的步骤包括形成填充所述半导体基体内通孔的第 一金属层；形成覆盖所述半导体基体及所述第 一金属层的第二金属层。
26. 根据权利要求25所述的金属层平整化方法，其特征在于所 述第一金属层材料为钨。
27. 根据权利要求25所述的金属层平整化方法，其特征在于所 述第二金属层材料为铝或铝铜合金。
28. 根据权利要求23或25所述的金属层平整化方法，其特征在于 采用化学机械研磨工艺执行平整化所述金属层的操作。
29. 根据权利要求23或25所述的金属层平整化方法，其特征在于 所述热处理操作的温度范围为350 - 450摄氏度。
30. 根据权利要求23或25所述的金属层平整化方法，其特征在于: 所述热处理才喿作的持续时间为20~120秒。
31. 根据权利要求23或25所述的金属层平整化方法，其特征在于: 所述热处理:操作选用的气体为氮气、氦气或氩气中的一种或其组合。
32. 根据权利要求23或25所述的金属层平整化方法，其特征在于: 所述热处理梯:作选用的气体的流量范围为2000 ~ 20000sccm。
全文摘要
一种介质层形成方法，包括提供半导体基底；形成覆盖所述半导体基底的金属层；对形成金属层后的半导体基底执行热处理操作；形成介质层，所述介质层覆盖热处理后的金属层和半导体基底。可减少所述介质层内针孔缺陷的产生。一种金属层平整化方法，包括提供半导体基底；形成覆盖所述半导体基底的金属层；平整化所述金属层；对已形成金属层的所述半导体基底执行热处理操作。可增强所述金属层与后续金属层及外界的互连效果。
文档编号H01L21/321GK101364566SQ200710044810
公开日2009年2月11日 申请日期2007年8月9日 优先权日2007年8月9日
发明者易义军, 蓝受龙, 莺 高 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司