專利名稱：接觸孔的填充方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種接觸孔的填充方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體集成電路的制作過程極其復(fù)雜，需要在一小面積的硅片上制作出 特定電路所需要的各種電子組件，并且還需要在各個(gè)組件間制作適當(dāng)?shù)膬?nèi)連 導(dǎo)線形成電性連接，才能發(fā)揮其所期望實(shí)現(xiàn)的功能。其中，為了實(shí)現(xiàn)硅片上 多層電路間的電連接需要制作大量的接觸孔，這些接觸孔性能的好壞對電路 的整體性能有著重要的影響。
隨著集成電路的制作向超大規(guī)模集成電路發(fā)展，其內(nèi)部電路的密度越來 越大，元件數(shù)量不斷增加，器件尺寸不斷縮小，當(dāng)器件尺寸縮小至次微米量
級時(shí)，相應(yīng)地會產(chǎn)生許多新的問題，如器件、接觸孔阻值增大，RC延遲加長 等，這些都對半導(dǎo)體制造工藝提出了更多新的挑戰(zhàn)。
一個(gè)典型的例子是在進(jìn)入0.25微米以下工藝后，采用現(xiàn)有的填充方法制作 的接觸孔會出現(xiàn)一些新的問題。圖l為現(xiàn)有的接觸孔填充方法的流程圖，圖2A 至2D為說明現(xiàn)有的接觸孔填充方法的器件結(jié)構(gòu)剖面示意圖，下面結(jié)合圖l和圖 2A至2D對現(xiàn)有的接觸孔的填充方法及其出現(xiàn)的問題進(jìn)行說明。
首先，在與硅襯底中的電極對應(yīng)的位置形成接觸孔開口 (S101),如圖 2A所示，在硅襯底201上沉積厚的層間介電層202,并采用光刻、刻蝕的方法 在層間介電層202上與硅襯底中電極(圖中未示出)相對應(yīng)的位置處形成接觸 孔開口203。形成該開口后，再填充入金屬就可以制成實(shí)現(xiàn)層間電連接的接觸 孔。通常填充的是金屬鵠(W),所用的方法是化學(xué)氣相沉積方法。不過在 鴒的CVD沉積之前一般還需要先形成一層粘附層和一層阻擋層。原因在于， 一方面金屬鎢與層間介電層(通常為氧化物)間的粘附力不強(qiáng)；另一方面如 果直接沉積金屬鴒來填充接觸孔，則其CVD的反應(yīng)物WF6會與接觸孔底部的 硅發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致對硅的消耗以及對硅襯底的側(cè)向侵蝕，所形成的WSix的電 阻率也相對較高，對器件性能不利。在填充金屬鴒之前先形成一粘附層/阻擋 層既可以4吏金屬鵠能夠完全地粘連在接觸孔的氧化物上，又可以有效地防止 WF6與硅襯底形成高阻層，從而提高接觸孔的形成質(zhì)量。
基于上述原因，在形成接觸孔開口后，接著需沉積一層粘附層(S102), 如圖2B所示，在硅襯底表面依其形貌形成了一層粘附層204。該粘附層通常是 利用化學(xué)氣相沉積(CVD， Chemical Vapor Deposition)方法或物理氣相沉積 (PVD， Physical Vapor Deposition)方法沉積一層鈥(Ti)來形成。該鈥層和 層間介電層間具有非常好的粘連性，并能夠在沉積過程中與硅襯底發(fā)生反應(yīng)， 直接形成低阻的鈥硅化合物206 ，這對形成高質(zhì)量的接觸孔很有利。
形成粘附層后，再在其上沉積一層阻擋層(S103)，如圖2C所示，通常 利用CVD方法沉積一層氮化鈦層來形成該阻擋層205, —方面其可以防止Ti層 和填充鴒時(shí)所用的反應(yīng)氣體WF6發(fā)生反應(yīng)，另 一方面其與鴒具有很好的教附 性，可以提高接觸孔填充的牢固性。
最后，填充金屬鴒形成鴒塞(S104)，如圖2D所示，利用CVD工藝在接 觸孔內(nèi)填充金屬鎢208完成接觸孔的填充，實(shí)現(xiàn)層間的電連接。
在上述的填充過程中，由圖2B可以看出，沉積鈦形成粘附層時(shí)，在鈦層 與硅襯底相接觸的地方--接觸孔底部，在位(insitu)形成了鈦硅化合物206。 0.25微米工藝以前，該在位形成的鈦硅化合物為低阻的C-54鈦硅化合物，其可 以與襯底形成良好的電接觸，從而有效降低接觸孔底部的接觸電阻。但是， 當(dāng)工藝達(dá)到0.25微米以下時(shí)，由于鈦硅化合物固有的特性，其在窄尺寸下的反 應(yīng)不夠充分，不能形成低阻的C-54相的鈦硅化合物，而是形成了具有高阻特 性的C-49相的鈦硅化合物206，而且，該C-49相的鈦硅化合物還屬于一種不穩(wěn) 定的過度相，如圖2B所示，在工藝完成后?？梢栽谄鋬?nèi)發(fā)現(xiàn)一些因Ti擴(kuò)散出 去而形成的空洞207 ，這些都對接觸孔的形成質(zhì)量及器件性能不利。
為解決這一0.25微米以下工藝中出現(xiàn)的新問題，不少制造者紛紛在后續(xù)的 半導(dǎo)體制造工藝中引入鈷(Co)，由其搭配Ti粘附層來形成低阻抗的鈷硅化 物(CoSix)。但是，采用鈷需要新的投資，會增加生產(chǎn)成本，此外，鈷本身 也有其不可取之處，其形成鈷硅化合物時(shí)對硅的消耗較大(鈷硅化合物中，鈷
與硅的消耗比為l: 3.61，而鈦硅化合物中，鈦與硅的消耗比僅為l: 2.22)，減 少了淺結(jié)中有用的動(dòng)態(tài)區(qū)，這對于動(dòng)態(tài)區(qū)較薄的器件，如動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲 器(DRAM, Dynamic Random Access Memory)，是無法接受的。所以希望可 以仍以鈦為粘附層，尋找更為合適的接觸孔填充方法，以解決上述因接觸孔 尺寸較小而引發(fā)的接觸孔質(zhì)量較差的問題。
申請?zhí)枮?00310109530.1的中國專利中公開了 一種形成鈦硅化合物的方 法，該方法在形成鈦粘附層和氮化鈦?zhàn)钃鯇雍笤黾恿藘刹酵嘶鸸に嚭鸵徊角?洗工藝，以改善鈦硅化合物的形成質(zhì)量。但是，鈦、鈦硅化物與氮化鈦的熱 膨脹系數(shù)不一致，而該方法是在氮化鈦形成后再進(jìn)行的退火處理，這會導(dǎo)致 鈦硅化物與氮化鈦膜的界面在熱應(yīng)力的作用下發(fā)生斷裂，反而會影響接觸孔 的形成質(zhì)量,這一點(diǎn)在實(shí)踐中也得到了證實(shí)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了 一種接觸孔的填充方法，該方法對接觸孔填充工藝進(jìn)行了 改進(jìn)，改善了現(xiàn)有的0.25微米以下工藝中出現(xiàn)的接觸孔形成質(zhì)量較差的問題。 本發(fā)明提供的一種接觸孔的填充方法，包括步驟 提供一表面具有接觸孔開口的硅村底； 在所述接觸孔開口內(nèi)形成粘附層； 對所述硅襯底進(jìn)行快速熱退火處理； 在所述粘附層上形成阻擋層； 在所述接觸孔開口內(nèi)的所述阻擋層上填充金屬。
其中，所述快速熱退火處理的爐溫在800到900°C之間，且在所述快速 熱退火過程中通入了氮?dú)?、氬氣或氦氣的任一種，其流量在1000到10000sccm 之間。此外，所述快速熱退火的處理時(shí)間在5到60秒之間。
其中，所述粘附層為鈦層，所述阻擋層為氮化鈦層；且所述鈦層厚度在 30到200A之間，所述氮化鈦層厚度在50到200A之間。
其中，所述粘附層是利用化學(xué)氣相沉積方法形成的。
其中，所述金屬為鵠。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明的接觸孔填充方法，在形成粘附層后，增加了一步快速高溫?zé)嵬?火工藝，該步工藝的加入可以令形成粘附層時(shí)，在接觸孔底部生成的不穩(wěn)定 的過度相的硅化合物轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的硅化合物，或使生成不充分的硅化合物充 分生成，有效地降低了接觸孔底部的接觸電阻，提高了接觸孔的形成質(zhì)量。
本發(fā)明的接觸孔填充方法，是在形成阻擋層之前進(jìn)行的快速高溫?zé)嵬嘶?處理，可以防止因粘附層/阻擋層之間的熱膨脹系數(shù)不同而導(dǎo)致的兩層間界面 在熱應(yīng)力的作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象，確保了接觸孔具有好的形成質(zhì)量。另外，本發(fā)明的填充方法僅僅增加了一次快速熱退火處理步驟，工藝簡單，實(shí)現(xiàn)方
便，對生產(chǎn)周期影響不大。


圖1為現(xiàn)有的接觸孔填充方法的流程圖2A至2D為說明現(xiàn)有的接觸孔填充方法的器件結(jié)構(gòu)剖面示意圖； 圖3為本發(fā)明的接觸孔填充方法的流程圖4A至4E為說明本發(fā)明的接觸孔填充方法的器件結(jié)構(gòu)剖面示意圖； 圖5為采用本發(fā)明填充方法形成的接觸孔的電阻特性的測試結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖 對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做詳細(xì)的說明。
本發(fā)明的處理方法可被廣泛地應(yīng)用到許多應(yīng)用中，并且可利用許多適當(dāng) 的材料制作，下面是通過較佳的實(shí)施例來加以說明，當(dāng)然本發(fā)明并不局限于 該具體實(shí)施例，本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員所熟知的一般的替換無疑地涵蓋在 本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
其次，本發(fā)明利用示意圖進(jìn)行了詳細(xì)描述，在詳述本發(fā)明實(shí)施例時(shí)，為 了便于說明，表示器件結(jié)構(gòu)的剖面圖會不依一般比例作局部放大，不應(yīng)以此 作為對本發(fā)明的限定，此外，在實(shí)際的制作中，應(yīng)包含長度、寬度及深度的 三維空間尺寸。
本發(fā)明針對0.25 ^f效米以下工藝中出現(xiàn)的，在接觸孔底部生成不穩(wěn)定的過 度相的硅化合物或生成不充分的硅化合物，從而導(dǎo)致接觸孔形成質(zhì)量較差， 影響器件性能的問題，提出了新的改進(jìn)的接觸孔填充方法。本發(fā)明的填充方 法，首先提供了一表面具有接觸孔開口的硅片，然后，在接觸孔開口內(nèi)形成 粘附層，接著，執(zhí)行一步對硅村底進(jìn)行快速熱退火處理的步驟后；再在該粘 附層上形成阻擋層；最后，在接觸孔開口內(nèi)的阻擋層上填充金屬，完成對接 觸孔的填充。本發(fā)明在形成鈦粘附層之后，增加的快速熱退火處理可以令沉 積粘附層時(shí)形成的高阻的不穩(wěn)定的硅化合物轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥璧姆€(wěn)定的硅化合物， 令未充分生成的硅化合物繼續(xù)生成至充分，從而實(shí)現(xiàn)提高接觸孔的形成質(zhì)量 和器件的電性能的目的。
圖3為本發(fā)明的接觸孔填充方法的流程圖，圖4A至4E為說明本發(fā)明的
接觸孔填充方法的器件結(jié)構(gòu)剖面示意圖，下面結(jié)合圖3和圖4A至4E詳細(xì)說 明本發(fā)明的具體實(shí)施例。
本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例是在DRAM器件中制作尺寸為0.14微米的接觸 孔，因該類器件的動(dòng)態(tài)區(qū)較薄，如果該接觸孔引入鈷金屬來降低接觸阻抗， 接觸孔底部下方的動(dòng)態(tài)區(qū)就會大量減少，甚至導(dǎo)致器件無法正常工作，故而 本實(shí)施例中還是采用金屬鈦?zhàn)鳛榻佑|孔的粘附層并同時(shí)生成低阻抗的鈦硅化 物的工藝流程。本實(shí)施例中，采用本發(fā)明的填充方法可以將沉積鈦時(shí)在位形 成的高阻的不穩(wěn)定的C-49鈦硅化合物轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥?、穩(wěn)定的C-54鈦硅化合物， 從而提高接觸孔的形成質(zhì)量。
首先，在所提供的硅襯底上形成接觸孔的開口 (S301)，如圖4A所示， 在硅襯底201上沉積厚的層間介電層202，該層通?？衫肅VD方法沉積未摻 雜的二氧化硅、摻磷的氧化硅等形成，再利用光刻、刻蝕方法在該層間介電 層202內(nèi)形成接觸孔開口203，該開口的底部與硅襯底內(nèi)的電極部分(圖中未 示出)相連"^妄。
然后，形成粘附層(S302),如圖4B所示，在硅片表面依其形貌，在襯 底表面、接觸孔開口的側(cè)壁及底部形成了一層粘附層204。本實(shí)施例中該粘附 層是利用CVD方法形成的鈦層，本實(shí)施例中，考慮到隨后進(jìn)行的退火處理可 能對其厚度帶來的影響，將該鈦粘附層的厚度設(shè)置在30到200A之間，如為 50A、 IOOA或150A等，具體采用何種厚度，可以根據(jù)具體器件要求優(yōu)化確 定，該層厚度的確定是否合適對接觸孔性能有一定的影響如果該鈦層過薄， 最終形成的鈦硅化合物會過少，甚至不能覆蓋整個(gè)接觸孔的底部，結(jié)果導(dǎo)致 接觸孔性能不佳；但如果該鈦層過厚，又會在形成鈦硅化合物后還余留下較 多的鈦，這些鈦隔在低阻的鈦硅化合物及填充的金屬之間，同樣也會使接觸 孔的接觸電阻變大。
如圖4B中所示，形成該鈦粘附層時(shí)，會在接觸孔底部與硅襯底相接觸的 地方在位形成鈦硅化合物。但是，在接觸孔尺寸僅為0.14微米的窄尺寸情況 下，在接觸孔底部在位形成的是具有高阻特性的C-49的4太硅化合物206，此 夕卜，因該C-49鈦硅化合物屬于一種過度相的產(chǎn)物，不夠穩(wěn)定，其內(nèi)部經(jīng)常會 出現(xiàn)一些因Ti擴(kuò)散出去而形成的空洞207，這些都對接觸孔的接觸特性及器 件的性能不利。
為改善接觸孔的接觸特性，希望將高阻的C-49鈦硅化合物轉(zhuǎn)變?yōu)镃-54 鈦硅化合物，為此，本實(shí)施例中在形成鈦粘附層后增加了一步快速熱退火處 理工藝(S303 )。圖4C為熱處理后的器件結(jié)構(gòu)剖面圖，如圖4C所示，經(jīng)過熱 處理后，原來不穩(wěn)定的、帶空洞的C-49鈦硅化合物轉(zhuǎn)變?yōu)榱溯^為致密的低阻 的C-54鈦硅化合物401,使原來未生成充分的鈥硅化合物可以充分生成。為 實(shí)現(xiàn)上述目的，本步退火處理的工藝條件有一定的要求快速熱退火的處理 溫度(指爐溫)要達(dá)到800到900。C之間，如為810。C 、 830。C、 850。C或 870°C等，處理的持續(xù)時(shí)間可以在5到60秒之間，注意到為了兼顧器件性能 與熱預(yù)算，不同的溫度下所適用的優(yōu)選的處理時(shí)間也會略有不同，如在830。C 下，優(yōu)選的處理時(shí)間可以在30到50秒間，如40秒；在870。C下，優(yōu)選的處 理時(shí)間可以在IO到30秒之間，如為20秒等。本實(shí)施例中，進(jìn)行熱退火處理 的同時(shí)通入了氮?dú)庖员Ｗo(hù)硅片，氮?dú)獾膬?yōu)選的流量可以在1000到10000sccm 之間，如為2000sccm、 5000sccm、 7000sccm等。在本發(fā)明的其他實(shí)施例中， 也可以通入一些其他的惰性氣體對硅片進(jìn)行保護(hù)，如氬氣、氦氣等。
由于本步的退火時(shí)間很短，并結(jié)合溫度進(jìn)行了優(yōu)化，其對器件的熱預(yù)算 方面影響不大，另外，雖然在本步中會有部分表面的鈦金屬被氮?dú)獾傻?化鈦，但因隨后進(jìn)行的阻擋層生長也需要生長氮化鈦，故而對接觸孔的形成
質(zhì)量和器件的性能影響不大，這可以從在后面的性能測試中得到證明。
接著，再形成一層阻擋層(S304),如圖4D所示，本實(shí)施例中采用CVD 方法形成了氮化鈦層來作為阻擋層205，該層厚度需進(jìn)行優(yōu)化，該層厚度過薄， 其黏附和阻擋作用會不足，過厚，會增加接觸孔的接觸電阻。本實(shí)施例中結(jié) 合本發(fā)明特點(diǎn)，適當(dāng)考慮了加入退火工藝后該層厚度可能的變化，通?？梢?將其厚度設(shè)置在50到200A之間，如為50A、 100A或150A等。
最后，在接觸孔內(nèi)填充金屬，完成接觸孔的填充(S304)，如圖4E所示， 本實(shí)施例中是利用CVD方法在接觸孔內(nèi)填充金屬鎢208完成接觸孔的填充 的，在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，還可以向接觸孔內(nèi)填充其他的金屬，如鋁、 銅等，也還可以利用其他的方法填充，如利用脈沖成核層(PNL, Pulsed Nucleation Layer )技術(shù)填充金屬。
為驗(yàn)證本發(fā)明的接觸孔填充方法可以提高接觸孔的接觸特性，對采用本 發(fā)明方法前后的0.14微米接觸孔的電阻特性進(jìn)行了測試。在采用本發(fā)明之前，
測試得到該接觸孔的接觸電阻值全都大于4000Ohm/ea，圖5為采用本發(fā)明填 充方法形成的接觸孔的電阻特性的測試結(jié)果圖，如圖5所示，其中501所示 的點(diǎn)為鈦層厚度不同時(shí)測試得到的接觸電阻數(shù)據(jù)值，502所示曲線為測試得到 的接觸電阻值隨鈦層厚度變化的曲線，可以看到，在鈦層厚度在100A時(shí)，采 用本發(fā)明方法填充的接觸孔的接觸電阻降至了 14000hm/ea以下，且隨著鈦層 厚度進(jìn)一步減小，該測試得到的接觸電阻值也隨之降低，當(dāng)鈦層厚度為30A 時(shí)，測得的接觸電阻也降到了 900Ohm/ea左右。與之前測得的采用傳統(tǒng)填充 方法制作的接觸孔的40000hm/ea以上的接觸電阻相比，采用本發(fā)明填充方法 制作的接觸孔的接觸特性已有了顯著的提高。
本實(shí)施例中，粘附層鈦是利用CVD方法制作形成，在本發(fā)明的其他實(shí)施 例中，也可以利用物理氣相沉積(PVD ， Physical Vapor Deposition)方法、原 子層沉積(ALD， Atomic Layer Deposition)方法等形成該粘附層，只要在形 成該粘附層之后，增加一步快速熱退火處理步驟，也可以改善接觸孔的接觸 特性和形成質(zhì)量。
本實(shí)施例中，利用本發(fā)明在DRAM器件中制作了小于0.25微米的接觸孔， 明顯改善了接觸孔的特性，在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，還可以利用本發(fā)明的 填充方法在其他類型的器件中形成接觸孔，如靜態(tài)存儲器，閃存、各種邏輯 電路等，可以達(dá)到相同的效果。
本實(shí)施例中，是利用鈦層為粘附層，氮化鈦層為阻擋層對接觸孔進(jìn)行填 充，在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，也可以對利用其他材料為粘附層和阻擋層的 接觸孔進(jìn)行類似的處理，即在形成粘附層后增加一步熱退火處理，以改善粘 附層與村底間的連接的緊密性，使硅化合物的形成更為充分、致密，同樣可 以起到提高接觸孔的接觸特性和形成質(zhì)量的作用，只要是在形成粘附層后利 用熱退火處理來加強(qiáng)粘附層與襯底間的接觸特性的，就應(yīng)落入本發(fā)明的保護(hù) 范圍之內(nèi)。此外，當(dāng)采用不同材料作粘附層時(shí)，要注意需要的快速熱退火工 藝的溫度會有所區(qū)別，具體到不同材料的溫度的確定，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員應(yīng)該可以根據(jù)所用材料的特性實(shí)驗(yàn)得到，在此不再贅述。
本發(fā)明雖然以較佳實(shí)施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，任何 本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以做出可能的變動(dòng)和 修改，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以本發(fā)明權(quán)利要求所界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1、一種接觸孔的填充方法，包括步驟提供一表面具有接觸孔開口的硅襯底；在所述接觸孔開口內(nèi)形成粘附層；對所述硅襯底進(jìn)行快速熱退火處理；在所述粘附層上形成阻擋層；在所述接觸孔開口內(nèi)的所述阻擋層上填充金屬。
2、 如權(quán)利要求1所述的填充方法，其特征在于所述快速熱退火的處理 溫度在800到900°C之間。
3、 如權(quán)利要求l所述的填充方法，其特征在于在所述快速熱退火過程 中通入氮?dú)?、氬氣或氦氣中的任一種。
4、 如權(quán)利要求3所述的填充方法，其特征在于所述氮?dú)狻鍤饣蚝?的流量在1000到10000sccm之間。
5、 如權(quán)利要求1所述的填充方法，其特征在于所述快速熱退火的處理 時(shí)間在5到60秒之間。
6、 如權(quán)利要求1所述的填充方法，其特征在于所述粘附層為鈦層，所 述阻擋層為氮化鈦層。
7、 如權(quán)利要求6所述的填充方法，其特征在于所述鈦層厚度在30到 200A之間。
8、 如權(quán)利要求6所述的填充方法，其特征在于所述氮化鈦層厚度在50 到200A之間。
9、 如權(quán)利要求1所述的填充方法，其特征在于所述粘附層是利用化學(xué) 氣相沉積方法形成的。
10、 如權(quán)利要求1所述的填充方法，其特征在于所述金屬為鵠。
全文摘要
公開了一種接觸孔的填充方法，包括步驟提供一表面具有接觸孔開口的硅襯底；在所述接觸孔開口內(nèi)形成粘附層；對所述硅片進(jìn)行快速熱退火處理；在所述粘附層上面形成阻擋層；在所述接觸孔開口內(nèi)的所述阻擋層上填充金屬。本發(fā)明的填充方法可應(yīng)用于半導(dǎo)體制造領(lǐng)域中，其通過對接觸孔填充工藝進(jìn)行改進(jìn)，解決了現(xiàn)有的0.25微米以下工藝中出現(xiàn)的接觸孔形成質(zhì)量較差的問題。
文檔編號H01L21/70GK101192560SQ20061011881
公開日2008年6月4日 申請日期2006年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月28日
發(fā)明者維 周 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司