專利名稱：半導體晶圓制造中金屬間介質填充方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體晶圓制造工藝，尤其涉及一種半導體晶圓制造中金
屬間電介質(IMD)的填充方法。
背景技術：
在傳統(tǒng)的0. 25um以上半導體晶圓制造工藝中， 一般都是只單純采用 03TEOS SACVD (Sub-Atmospheric Chemical V鄰or Deposition, 次大氣 壓化學氣相沉積)的方法來實現后段IMD(Inter Metal Dielectric,金屬 間電介質)的填充。這種方法雖然考慮到了對IMD填充能力的要求，但卻 忽視了 SACVD所沉積出的二氧化硅絕緣薄膜102與其頂層及底層PECVD (等離子體增強化學氣相淀積)所沉積出的二氧化硅絕緣薄膜101、 103 之間的匹配問題，從而導致在SACVD所沉積出二氧化硅電介質102和 PECVD所沉積出的二氧化硅電介質101、 103之間遺留下了孔洞(voids) 104，相關金屬間介質(即上述兩種二氧化硅絕緣膜)的填充結構如圖1 所示。這主要是由于SACVD 03TE0S所沉積出的二氧化硅薄膜102和PECVD 所沉積出的二氧化硅薄膜IOI、 103之間的應力不匹配所造成的，因為一 般SACVD所沉積出的二氧化硅薄膜102的應力為張應力，而PECVD所沉積 出的二氧化硅薄膜IOI、 103的應力為壓應力。因此，由于這種兩種二氧 化硅薄膜間應力不匹配，造成其交界面處易被撕裂從而產生孔洞104 (這 些孔洞104可通過電子顯微鏡觀察到)，進而影響了整個金屬間介質填充
結構的強度，而且由于這種填充結構上的不完整可能在后續(xù)CMP (化學機 械研磨)工藝中造成研磨液殘留、過腐蝕等一系列嚴重問題，因此最終很 可能會導致半導體器件失去電性或可靠性大打折扣。
而且，通過實驗可以發(fā)現，即使用張應力較小的03TE0S SACVD薄膜 (沉積4000A厚度后測量)一次沉積完成03TE0S SAVCD 二氧化硅薄膜102， 也有很大幾率在SACVD102和PECVD 二氧化硅薄膜101 、103的交界處產生 孔洞104，而且此時的IMD填充能力將受到很大限制。因此，對于這種現 象可給出如下定性解釋，即在進行金屬間介質填充時，如果03TE0S SACVD 二氧化硅薄膜102的一次成膜厚度達到4000A或以上，則即使成膜應力較 小，但由于連續(xù)成膜，所以在整個塊體薄膜內部應力將完全累積到薄膜表 面釋放，這樣就在SACVD 二氧化硅薄膜102和PECVD 二氧化硅薄膜101、 103的交界面處形成了很強大的相互作用力，從而致使將較為疏松的 SACVD二氧化硅薄膜扯斷，形成孔洞104。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種半導體晶圓制造中金屬間介質 填充方法，可在滿足對IMD填充能力要求的同時，還可消除SACVD所沉積 出的二氧化硅薄膜與PECVD沉積出的二氧化硅薄膜之間所形成的孔洞。
為解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種半導體晶圓制造中金屬間介 質填充方法，包括以下步驟
(1 )通過反應腔體，在底層PECVD二氧化硅薄膜(301 )上沉積第一SACVD 二氧化硅過渡層(302);
(2)在所述反應腔體內不破真空的情況下，在所述第一二氧化硅過渡 層(302)上，沉積SACVD二氧化硅主沉積層(303);
(3) 同樣在所述反應腔體內不破真空情況下，在所述SACVD二氧化硅 主沉積層(303)上，再沉積一層第二SACVD二氧化硅過渡層(304);
(4) 在所述第二SACVD二氧化硅過渡層(304)上，使用PECVD方法， 淀積頂層PECVD二氧化硅薄膜(305);
其中，所述第一SACVD二氧化硅過渡層(302)和第二SACVD二氧化硅過 渡層(304)的張應力和厚度均小于所述SACVD二氧化硅主沉積層(303)的 張應力和厚度，且所述SACVD二氧化硅主沉積層(303)厚度在1500A 3000A 范圍內。
其中，在所述步驟(1)中，所沉積的第一SACVD二氧化硅過渡層(302) 的張應力控制在150Mpa 250Mpa范圍內，且厚度在500A 1200A范圍內。
在所述步驟(2)中，在沉積所述SACVD二氧化硅主沉積層(303)時， 應根據金屬間溝道的高寬比增大所述反應腔內部的壓力，以得到張應力在 350Mpa 450Mpa的范圍內、厚度在1500A 3000A范圍內的SACVD二氧化硅主 沉積層(303)。
在所述步驟(3)中，在沉積所述第二SACVD二氧化硅過渡層(304)時， 應根據金屬間溝道的高寬比，降低所述反應腔內部的壓力，以得到張應力 在200Mpa 250Mpa的范圍內、厚度在500A 1000A范圍內的第二SACVD二氧 化硅過渡層(304)。
本發(fā)明由于采用了上述技術方案，具有這樣的有益效果，即通過在 03TE0S SACVD 二氧化硅主沉積層的上下兩處，分別使用SACVD方法在同 一反應腔內沉積一層張應力和厚度均小于所述主沉積層的過渡層二氧化
硅(buffer layer),從而得到從壓應力到張應力的柔性過渡，使得不同 層的應力在多個交界面之間緩慢釋放，從而達到在不同應力類型的交界面 處的作用力累計成倍減少，最終保證整個二氧化硅薄膜的連續(xù)性。因此， 本發(fā)明所述方法不僅滿足了對IMD填充能力的要求，而且有效消除了交界 面處的孔洞，從而增加了金屬間介質填充結構的強度，提高了半導體器件 的可靠性；另外，該方法易于實現，不會額外增加制造成本。


下面結合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的說明-圖1為現有的0. 25微米及以上晶圓制造技術中金屬間介質填充結構 的局部示意圖2為本發(fā)明所述方法的流程示意圖3a-3e為本發(fā)明所述方法的一個實施例的中間過程局部結構示意圖。
具體實施例方式
為避免產生孔洞，本發(fā)明所述方法通過在原SACVD 03TE0S的上下兩 處分別用不同壓力和氣體流量的SACVD在同一反應腔內(如Applied Materials公司的Centura Giga fill CxZ chamber)，在03TE0S SACVD 二氧化硅主沉積層的上下兩處，分別沉積一層厚度較薄且張應力在 150Mpa 250Mpa之間的過渡二氧化硅，并相應地將SACVD 二氧化硅主沉 積層的厚度從傳統(tǒng)一次沉積的4000A 5000A減少至1500A 3000A之間， 其張應力范圍與傳統(tǒng)成膜方法一致取350Mpa 450Mpa。從而得到從底部 壓應力薄膜(PECVD二氧化硅)到中間填充層張應力薄膜(即SACVD 二氧
化硅主沉積層)再到頂部壓應力薄膜(PECVD二氧化硅)的柔性過渡，從 而既能最大限度地滿足IMD填充的要求(目前最大可以做到的金屬間溝道 的高寬比為高寬=2: 1)，又在兩個二氧化硅界面處有效消除了孔洞104。 下面通過一個具體的實施例來對本發(fā)明所述金屬間介質填充方法進 行進一步詳細描述，具體參考圖2和圖3a-3e所示
首先，用SACVD03TE0S方法，在底層PECVD 二氧化硅薄膜301 (—般 情況下，該層薄膜301的壓應力為-160Mpa左右，厚度范圍一般為500A 1500A)上沉積一層張應力在150Mpa 250Mpa范圍內，且厚度在500A 1200A范圍內，優(yōu)選厚度為700A的第一 SACVD 二氧化硅過渡層302，以實 現從所述底層PECVD 二氧化硅薄膜301到該第一 SACVD 二氧化硅過渡層 302的應力過渡。該第一 SACVD 二氧化硅過渡層302的厚度可根據填孔要 求在上述范圍內(即500A 1200A的范圍內)進行調節(jié)。為了得到良好的 填充能力，在一優(yōu)選實施例中，可使用應用材料公司(Applied Materials) 的Centura Giga fill CxZ反應腔(chamber)中來進行該第一 SACVD 二 氧化硅過渡層302的沉積，這時芯片的局部結構如圖3b所示。
然后，在反應腔體內不破真空的情況下，通過迅速增加所述反應腔內 部的壓力，并同時調節(jié)反應氣體流量(具體調節(jié)量根據不同腔體結構的不 同而不同，這對于本領域的一般技術人員來說應該是熟悉的)，以得到張 應力在350Mpa 450Mpa的范圍內，厚度在1500A 3000A范圍(可依填充 條件調節(jié))的二氧化硅介質薄膜，這層薄膜沉積在所述第一 SACVD 二氧化 硅過渡層302之上，并作為實現金屬間溝槽填充(IMD)的主沉積層303。
在沉積過程中，所述反應腔內部壓力的具體取值應根據金屬間溝道的高寬 比而定，如對于金屬間溝道的高寬比為高寬=2: 1的情況，應將反應腔
的壓力增加至500torr，這對于本領域的一般技術人員來說，根據金屬間 溝道的高寬比以及成膜的厚度、張應力等要求是可以作出適當的選擇的。 優(yōu)選地所述SACVD 二氧化硅主沉積層303的沉積厚度為2000A。為了實現 大高寬比(aspect ratio)條件下的IMD填充，該層的張應力會較前層和 之后沉積的頂層大很多，而且本層是實現IMD填充的主結構。這時形成如 圖3c所示的結構。
第三步，同樣在反應腔體內不破真空情況下，通過降低所述反應腔內 部的壓力，在所述SACVD 二氧化硅主沉積層303上沉積一層張應力在 200Mpa 250Mpa的范圍內，厚度在500A 1000A范圍(視實際條件可調) 內的第二 SACVD 二氧化硅過渡層304。沉積過程中，所述反應腔內部壓力
的具體取值應根據金屬間溝道的高寬比而定，如對于金屬間溝道的高寬比 為高寬=2: l的情況，應將所述反應腔內的壓力降低至100toir以下，
這對于本領域的一般技術人員來說，根據金屬間溝道的高寬比以及成膜的 厚度、張應力等要求是可以作出適當的選擇的。該第二SACVD 二氧化硅過 渡層304主要用于實現與頂層PECVD 二氧化硅薄膜305的應力過渡。這時 的結構圖如圖3d所示。
第四步，在所述第二 SACVD 二氧化硅過渡層304上，使用PECVD方法， 淀積頂層PECVD二氧化硅薄膜305， 一般情況下，淀積后的該頂層PECVD 二氧化硅薄膜305的壓應力應為-160Mpa左右，厚度應在為8000A 20000A 范圍內。優(yōu)選地，可選擇利用諾發(fā)系統(tǒng)公司(Novellus)的Sequel C2反 應腔來完成上述淀積過程。這時的結構圖如圖3e所示。
權利要求
1、一種半導體晶圓制造中金屬間介質填充方法，其特征在于，包括以下步驟(1)通過反應腔體，在底層PECVD二氧化硅薄膜(301)上沉積第一SACVD二氧化硅過渡層(302)；(2)在所述反應腔體內不破真空的情況下，在所述第一二氧化硅過渡層(302)上，沉積SACVD二氧化硅主沉積層(303)；(3)同樣在所述反應腔體內不破真空情況下，在所述SACVD二氧化硅主沉積層(303)上，再沉積一層第二SACVD二氧化硅過渡層(304)；(4)在所述第二SACVD二氧化硅過渡層(304)上，使用PECVD方法，淀積頂層PECVD二氧化硅薄膜(305)；其中，所述第一SACVD二氧化硅過渡層(302)和第二SACVD二氧化硅過渡層(304)的張應力和厚度均小于所述SACVD二氧化硅主沉積層(303)的張應力和厚度，且所述SACVD二氧化硅主沉積層(303)厚度在1500～3000范圍內。
2、 根據權利要求l所述的半導體晶圓制造中金屬間介質填充方法，其 特征在于，在所述步驟(1)中，所沉積的第一SACVD二氧化硅過渡層(302) 張應力應控制在150Mpa 250Mpa范圍內，且厚度在500A 1200A范圍內。
3、 根據權利要求2所述的半導體晶圓制造中金屬間介質填充方法，其 特征在于，所沉積的第一SACVD二氧化硅過渡層(302)的厚度為700A。
4、 根據權利要求1至3中任一項所述的半導體晶圓制造中金屬間介質填 充方法，其特征在于，在所述步驟(2)中，在沉積所述SACVD二氧化硅主沉積層(303)時，應根據金屬間溝道的高寬比增大所述反應腔內部的壓力， 以得到張應力在350Mpa 450Mpa的范圍內、厚度在1500A 3000A范圍內的 SACVD二氧化硅主沉積層(303)。
5、 根據權利要求4所述的半導體晶圓制造中金屬間介質填充方法，其 特征在于，所沉積的SACVD二氧化硅主沉積層(303)的厚度為2000A。
6、 根據權利要求l、 2、 3或5中任一項所述的半導體晶圓制造中金屬間 介質填充方法，其特征在于，在所述步驟(3)中，在沉積所述第二SACVD 二氧化硅過渡層(304)時，應根據金屬間溝道的高寬比，降低所述反應腔 內部的壓力，以得到張應力在20簡pa 250Mpa的范圍內、厚度在500A IOOOA范圍內的第二SACVD二氧化硅過渡層(304)。
7、 根據權利要求4所述的半導體晶圓制造中金屬間介質填充方法，其 特征在于，在所述步驟(3)中，沉積所述第二SACVD二氧化硅過渡層(304) 時，應根據金屬間溝道的高寬比，降低所述反應腔內部的壓力，以得到張 應力在200Mpa 250Mpa的范圍內，且厚度在500A IOOOA范圍內的第二 SACVD二氧化硅過度層(304)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種半導體晶圓制造中金屬間介質填充方法，通過在O3TEOS SACVD二氧化硅主沉積層的上下兩處，分別使用SACVD方法在同一反應腔內沉積一層張應力和厚度均小于所述主沉積層的過渡層二氧化硅(buffer layer)，從而得到從壓應力到張應力的柔性過渡，使得不同層的應力在多個交界面之間緩慢釋放，從而達到在不同應力類型的交界面處的作用力累計成倍減少，最終保證整個二氧化硅薄膜的連續(xù)性。因此，本發(fā)明所述方法不僅滿足了對IMD填充能力的要求，而且有效消除了交界面處的孔洞，而且該方法也不會額外增加制造成本。
文檔編號H01L21/768GK101393868SQ20071009408
公開日2009年3月25日 申請日期2007年9月18日 優(yōu)先權日2007年9月18日
發(fā)明者張慧君, 甄永泰, 陳建維 申請人:上海華虹Nec電子有限公司