接触孔的形成方法
阅读：995发布：2021-04-11
专利汇可以提供接触孔的形成方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种 接触 孔的形成方法，包括：提供衬底，在所述衬底上形成介质层；垂直于所述介质层表面向内部形成通孔,所述通孔 侧壁 形成有悬突结构突出所述侧壁；对通孔侧壁进行物理轰击；在轰击后的通孔内填充导电材料，形成接触孔。本 发明 实施例 在 刻蚀 形成通孔之后，采用物理轰击的方法对通孔侧壁进行处理，以去除通孔侧壁可能形成的悬突，来保证后续阻挡层和 种子 层的连续生长、以及导电材料的均匀填充，从而有效地避免了接触孔内狭缝空洞的产生,保证了接触孔的连续性，提高了接触孔的电学性能和机械强度。，下面是接触孔的形成方法专利的具体信息内容。
1.一种接触孔的形成方法，其特征在于，包括：
提供衬底，在所述衬底上形成介质层；
垂直于所述介质层表面向内部形成通孔，所述通孔侧壁形成有悬突结构突出所述侧壁；
对通孔侧壁进行物理轰击；
在轰击后的通孔内填充导电材料，形成接触孔。
2.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述物理轰击方法包括采用氩气、氦气或氮气的等离子体，沿垂直于通孔底部、平行于通孔侧壁的方向对通孔侧壁进行物理轰击。
3.如权利要求2所述的形成方法，其特征在于，所述等离子体轰击时，气体的流量为
5sccm至20sccm，加在工艺腔里的射频线圈上的射频功率为500W至2000W，加在晶圆上的交流偏压功率为100W至800W，轰击时间为1s至10s。
4.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，对所述通孔侧壁进行物理轰击后、在轰击后的通孔内填充导电材料前，还包括对所述通孔进行清洗。
5.如权利要求4所述的形成方法，其特征在于，对所述通孔进行清洗包括：采用氢氟酸、盐酸、氨水、双氧水以及硫酸中的一种水溶液或者其中任意几种水溶液的组合作为清洗剂。
6.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述介质层包括具有不同刻蚀速率的介质层。
7.如权利要求6所述的形成方法，其特征在于，所述具有不同刻蚀速率的介质层包括：
在所述衬底上依次形成碳氮化硅层、黑钻石层、八甲基环四硅氧烷硬掩膜层、正硅酸乙酯硬掩膜层以及氮化钛硬掩膜层。
8.如权利要求7所述的形成方法，其特征在于，所述碳氮化硅层的厚度为 至
9.如权利要求7所述的形成方法，其特征在于，所述黑钻石层的厚度为 至
10.如权利要求7所述的形成方法，其特征在于，所述八甲基环四硅氧烷硬掩膜层的厚度为 至
11.如权利要求7所述的形成方法，其特征在于，所述正硅酸乙酯硬掩膜层的厚度为至
12.如权利要求7所述的形成方法，其特征在于，所述氮化钛硬掩膜层的厚度为至
13.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，形成所述通孔包括采用CF4、CClF3、C2F6、O2以及O3中的一种或者其任意组合作为刻蚀剂进行刻蚀形成。
接触孔的形成方法
技术领域
背景技术
[0002] 集成电路工艺中，通常采用接触孔实现上下层之间的互连。具体工艺包括：先进行介质层的沉积；然后利用光刻和刻蚀工艺形成通孔；再利用物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)工艺依次形成阻挡层和种子层；再用化学电镀(Electro chemical plating，ECP)的方式对通孔进行填充；采用化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing，CMP)的方式对填充后的通孔顶部进行平坦化。
[0003] 接触孔的连续性对其电学性能及机械强度，比如电迁移性能，都有重要影响，因此需要一种保证连续性的接触孔的形成方法。
发明内容
[0004] 本发明解决的技术问题是在形成接触孔的过程中，避免通孔侧壁产生狭缝空洞，以保证接触孔的连续性。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种接触孔的形成方法，包括：
[0006] 提供衬底，在所述衬底上形成介质层；垂直于所述介质层表面向内部形成通孔，所述通孔侧壁形成有悬突结构突出所述侧壁；对通孔侧壁进行物理轰击；在轰击后的通孔内填充导电材料，形成接触孔。
[0007] 可选地，所述物理轰击方法包括采用氩气、氦气或氮气的等离子体，沿垂直于通孔底部、平行于通孔侧壁的方向对通孔侧壁进行物理轰击。
[0008] 可选地，所述等离子体轰击时，气体的流量为5sccm至20sccm，加在工艺腔里的射频线圈上的射频功率为500W至2000W，加在晶圆上的交流偏压功率为100W至800W，轰击时间为1s至10s。
[0009] 可选地，对所述通孔侧壁进行物理轰击后、在轰击后的通孔内填充导电材料前，还包括对所述通孔进行清洗。
[0011] 可选地，所述介质层包括具有不同刻蚀速率的介质层。
[0013] 可选地，所述碳氮化硅层的厚度为 至
[0014] 可选地，所述黑钻石层的厚度为 至
[0015] 可选地，所述八甲基环四硅氧烷硬掩膜层的厚度为 至
[0016] 可选地，所述正硅酸乙酯硬掩膜层的厚度为 至
[0017] 可选地，所述氮化钛硬掩膜层的厚度为 至
[0018] 可选地，形成所述通孔包括采用CF4、CClF3、C2F6、O2以及O3中的一种或者其任意组合作为刻蚀剂进行刻蚀形成。
[0019] 与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
[0020] 本发明实施例在刻蚀形成通孔之后，采用物理轰击的方法对通孔侧壁进行处理，以去除通孔侧壁可能形成的悬突，来保证后续阻挡层和种子层的连续生长、以及导电材料的均匀填充，从而有效地避免了接触孔内狭缝空洞的产生，保证了接触孔的连续性，提高了接触孔的电学性能与机械强度。
[0021] 可选地,在本发明的一个具体实施例中，通过采用氩气、氦气或氮气的等离子体，沿垂直于通孔底部的方向，对通孔侧壁进行物理轰击，去除了通孔侧壁的悬突，有效地避免了接触孔内狭缝空洞的产生。附图说明
[0022] 图1至图3是一种接触孔的形成方法的中间结构的剖面示意图；
[0023] 图4是本发明一个实施例的接触孔的形成方法的流程示意图；
[0024] 图5至图9是本发明一个实施例的接触孔的形成方法的中间结构的剖面示意图。
具体实施方式
[0025] 由背景技术可知，需要一种保证连续性的接触孔的形成方法。图1至图3是一种接触孔的形成方法的中间结构的剖面示意图。
[0026] 参考图1，提供衬底11，在所述衬底11上形成介质层12。
[0027] 所述介质层12包括：形成于所述衬底11上的第一介质层121，形成于所述第一介质层121上的第二介质层122，形成于所述第二介质层122上的第三介质层123。垂直于所述介质层12表面向内部形成通孔13。
[0028] 参考图2，在通孔13内填充导电材料16之前，需要在通孔13内先形成阻挡层14和种子层15。
[0029] 参考图3，采用化学机械研磨(CMP)方法对填充后的通孔13顶部进行平坦化，以形成接触孔18。所述化学机械研磨停止在所述第一介质层121的表面。
[0030] 在对采用上述方法形成的接触孔18进行检测的过程中发现，通孔13内填充的导电材料16容易发生电迁移现象。参考图1至图3，经过进一步研究发现，所述电迁移现象主要是由于接触孔18内的空洞17引起的，空洞17的存在会导致局部电流过大，局部电子即空洞17附近的电子碰撞增强，进而使空洞17逐渐扩大，最终导致电路失效。再经进一步研究发现，空洞17的产生是由于通孔13侧壁形成的悬突结构122a影响了阻挡层14及种子层15的连续生长，在悬突结构122a下方形成死角，使得阻挡层14及种子层15沉积不到，而且，在后续采用化学电镀(ECP)方法填充通孔13时，导电材料16在悬突结构122a附近处填充不均匀，从而产生狭缝空洞17，导致电迁移。而位于通孔13侧壁的所述第二介质层122处的悬突结构122a则是由于刻蚀形成通孔13过程中，不同介质层的刻蚀速率之间存在差异所引起。
[0031] 本发明实施例提供一种接触孔的形成方法，下面结合附图加以详细的说明。
[0032] 图4是本发明一个实施例的接触孔的形成方法的流程示意图。
[0033] 图5至图9是本发明一个实施例的接触孔的形成方法的中间结构的剖面示意图。
[0034] 参考图4中步骤S10和图5，提供衬底21。所述衬底21可以为单晶硅或多晶硅；所述衬底21也可以选自砷化镓、碳化硅或硅锗化合物；所述衬底21还可以选自具有外延层或外延层上硅结构；所述衬底21还可以是其他半导体材料；所述衬底21上还可以形成有器件结构。本实施例中所述衬底21为单晶硅。
[0035] 参考图4中步骤S12和图5，在所述衬底21上形成介质层22。所述介质层22包括：
[0036] 第一介质层221，形成于所述衬底21表面，用于阻挡金属原子的扩散。所述第一介质层221可以为二氧化硅、氮化硅或碳氮化硅。本实施例中所述第一介质层221为碳氮化硅(SiCN)，介电常数介于2.0到3.0之间。所述碳氮化硅(SiCN)层采用化学气相沉积(Chemical vapor deposition,CVD)工艺形成。本实施例中形成所述碳氮化硅(SiCN)层的具体工艺参数为：采用四甲基硅烷(C4H12Si)和NH3作为反应物，其中四甲基硅烷的流量为400sccm至1000sccm，NH3的流量为500sccm至4000sccm，反应温度为200℃至500℃，采用
13.56MHz的高频交流电压对反应物进行解离，功率为800W至2000W。形成所述第一介质层
221的厚度为 至
13.56MHz的高频交流电压对反应物进行解离，功率为800W至2000W。形成所述第一介质层
221的厚度为 至
[0037] 第二介质层222，形成于所述第一介质层221表面，用于隔离层间和同层金属。所述第二介质层222的材料为低K介质材料，如多孔介质材料。具体地，本实施例中，所述第二介质层222为黑钻石(BDII)，介电常数在2.0到3.0范围内。所述黑钻石(BDII)层采用化学气相沉积(CVD)工艺形成。本实施例中形成所述黑钻石(BDII)层的具体工艺参数为：采用甲基二乙氧基硅烷(DEMS)(化学式：C5H14O2Si)、α-松油烯(ATRP)(化学式：C10H16)及O2作为反应物，其中甲基二乙氧基硅烷(DEMS)的流量为0.2g/min至4g/min，α-松油烯(ATRP)的流量为0.5g/min至5g/min，O2的流量为50sccm至500sccm，反应温度为100℃至400℃，采用13.56MHz的高频交流电压对反应物进行解离，功率为500W至2000W。形成所述第二介质层222的厚度为 至 所述第二介质层222内形成有金属垫层(未示出)。
[0038] 第三介质层223，形成于所述第二介质层222的表面，用于阻挡氧扩散到所述第二介质层222内。所述第三介质层223的材料可以为致密度较高的介质材料，比如环氧介质材料。实施例中，所述第三介质层223为八甲基环四硅氧烷硬掩膜(OMCTS HM)(化学式：SiOxCyHz)。所述八甲基环四硅氧烷硬掩膜(OMCTS HM)层采用化学气相沉积(CVD)工艺形成。本实施例中形成所述八甲基环四硅氧烷硬掩膜(OMCTS HM)层的具体工艺参数为：采用八甲基环四硅氧烷(OMCTS)作为反应物，其流量为0.5g/min至10g/min，反应温度为200℃至500℃，采用13.56MHz的高频交流电压对反应物进行解离，功率为500W至2000W。形成所述第三介质层223的厚度为 至
[0039] 第四介质层224，形成于所述第三介质层223的表面，用于作为刻蚀的掩膜层。所述第四介质层224的材料可以为硅、氧或氮的化合物，比如氧化硅。本实施例中，所述第四介质层224为正硅酸乙酯硬掩模(TEOS HM)层。所述正硅酸乙酯硬掩模(TEOS HM)层采用化学气相沉积(CVD)工艺形成。本实施例中形成所述正硅酸乙酯硬掩模(TEOS HM)层的具体工艺参数为：采用正硅酸乙酯(TEOS)及O2作为反应物，其中正硅酸乙酯(TEOS)的流量为0.5g/min至10g/min，O2的流量为50sccm至500sccm，反应温度为100℃至400℃,采用13.56MHz的高频交流电压对反应物进行解离，功率为500W至2000W。形成所述第四介质层
224的厚度为 至
224的厚度为 至
[0040] 第五介质层225，形成于所述第四介质层224的表面，用于作为光刻的抗反射层和刻蚀的掩膜层。所述第五介质层225的材料可以为金属化合物，比如钛或者钽的化合物。本实施例中，所述第五介质层225为氮化钛硬掩模(TiN HM)层。所述氮化钛硬掩模(TiN HM)层采用物理气相沉积(PVD)工艺形成，具体工艺参数为：加在靶材上的直流功率为3KW至15KW,氩气的流量为4sccm至20sccm,氮气的流量为10sccm至200sccm。形成所述第五介质层225的厚度为 至
[0041] 参考图4中步骤S14和图6，垂直于所述介质层22表面向内部形成通孔23。所述通孔23依次贯穿所述第五介质层225、所述第四介质层224、所述第三介质层223，直至暴露出所述第二介质层222内部的金属垫层(未示出)为止。所述通孔23的开口宽度在30nm到100nm范围内，所述通孔23的深度在100nm到300nm范围内。所述通孔23的形成工艺包括采用干法刻蚀形成，刻蚀剂可以是CF4、CClF3、C2F6、O2以及O3中的一种或者其任意组合。
[0042] 需要说明的是，由于通孔23的形成过程中，不同介质层的刻蚀速率之间存在差异，在两种介质层的界面处，容易产生悬突。具体地，在本实施例中，由于第三介质层223八甲基环四硅氧烷硬掩膜(OMCTS HM)层的侧向刻蚀速率比其他几种介质层的侧向刻蚀速率都慢。因此刻蚀完成后，在通孔23的侧壁，所述第三介质层223八甲基环四硅氧烷硬掩膜(OMCTS HM)层位置处容易产生悬突结构223a。
[0043] 参考图4中步骤S16和图7，对所述通孔23的侧壁进行物理轰击，以去除所述悬突结构223a。所述物理轰击的方向为垂直于通孔23底部，平行于通孔23侧壁。所述物理轰击方法包括采用氩气、氦气或者氮气的等离子体对所述通孔23进行轰击。本实施例中，采用氩离子轰击时，氩气的流量为5sccm至20sccm，工艺腔里装有射频(RF)线圈，采用500W至2000W的射频功率对氩气进行解离，加在晶圆上的交流偏压功率为100W至800W，以加速氩离子，轰击时间为1s至10s。
[0044] 参考图4中步骤S18和图7，在去除所述通孔23侧壁的悬突结构223a后，对所述通孔23进行清洗，以去除干法刻蚀形成通孔23以及氩离子轰击通孔23过程中产生于通孔23内的副产物，如碳氮化硅(SiCN)、碳氮化铜(CuCN)等，防止后续对通孔23的填充和接触产生影响。在一些实施例中可以采用氢氟酸、盐酸、氨水、双氧水、硫酸中的一种水溶液或者几种水溶液的任意组合作为清洗剂，对所述通孔23进行清洗。具体地，本实施例中，采用氢氟酸作为清洗剂，所述氢氟酸溶液中HF与H2O的体积比为1:1000。
[0045] 参考图4中步骤S20和图8，在所述通孔23内依次形成阻挡层24、种子层25以及采用化学电镀方法填充所述通孔23。
[0046] 首先，在所述通孔23内形成阻挡层24。所述阻挡层24的作用是防止后续在所述通孔23内填充的导电材料的金属原子扩散到所述介质层22和所述衬底21内。所述阻挡层24的厚度范围是 至 具体地，所述阻挡层24包括第一阻挡层241和第二阻挡层242。本实施例中，所述第一阻挡层241的材料为氮化钽，所述第二阻挡层242的材料为钽；所述第一阻挡层241及所述第二阻挡层242的厚度范围均为 至
[0047] 本实施例中，采用物理气相沉积(PVD)方法形成所述第一阻挡层241和所述第二阻挡层242。沉积所述第一阻挡层241时，氮气流量为18sccm至30sccm，氩气流量为2sccm至10sccm，物理轰击的直流功率为10KW至30KW；沉积所述第二阻挡层242时，氩气流量为2sccm至10sccm，物理轰击的直流功率为10KW至30KW。
[0048] 接着，在所述通孔23内形成种子层25。所述种子层25的作用是为了在后续填充导电材料时实现电流导通。所述种子层25的材料与后续填充的导电材料有关。具体地，本实施例中，采用铜做导线，可以采用铜做种子层25。形成铜种子层25的具体工艺包括：采用物理气相沉积(PVD)的方法形成所述种子层25，沉积时，加在靶材上的直流功率10KW至50KW，沉积的种子层25的厚度为 至
[0049] 然后，向所述通孔23内填充导电材料26。所述导电材料26可以选自钨、铝、银、铬、钼、镍、钯、铂、钛、钽或者铜中的一种或多种。本实施例中，所述导电材料26为铜。具体地，采用化学电镀(Electro chemical plating，ECP)的方法在所述通孔23内填充导电材料26。
[0050] 然后，请参考图4中步骤S22和图9，对所述填充后的通孔23顶部进行平坦化处理。具体地，本实施例中，采用化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing，CMP)的方法对所述填充后的通孔23的顶部进行平坦化，以形成接触孔27。所述化学机械研磨停止在所述第二介质层222的表面。
[0051] 综上，本发明实施例通过在刻蚀形成通孔之后，采用物理轰击方式对所述通孔的侧壁进行处理，以去除通孔侧壁可能形成的悬突结构，来保证后续阻挡层和种子层的连续生长、以及导电材料的均匀填充，从而有效地避免了接触孔内狭缝空洞的产生，保证了接触孔的连续性，提高了接触孔的电学性能和机械强度。
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