專利名稱：鎢栓塞的制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體制造技術領域，特別涉及一種鎢栓塞的制造方法。
背景技術：
隨著半導體技術的發(fā)展，甚大規(guī)模集成電路芯片的集成度已經高達幾億乃至幾十 億個器件的規(guī)模，兩層以上的多層金屬互連技術廣泛實用。目前，兩個不同金屬層之間的電 連接，是通過在兩個金屬層之間的介質層形成通孔并填充導電材料、形成栓塞(plug)結構 而實現(xiàn)的。栓塞的形成質量對器件的性能影響很大，如果栓塞形成質量較差，會使得互連電 阻增大，影響器件的性能。金屬鎢由于其優(yōu)良的臺階覆蓋率(st印coverage)和填充性，成 為栓塞的優(yōu)選材料。隨著工藝尺寸的不斷減小，銅互連工藝得到廣泛應用，但是銅的擴散會造成器件 的“中毒效應”，因此，源、漏和柵區(qū)域的接觸孔中填充的金屬仍然選用鎢。在申請?zhí)枮?00610030809. 4的中國專利中公開了一種接觸孔的填充方法，先是 在接觸孔中形成粘附層和阻擋層；再對所述接觸孔底部的阻擋層進行減薄處理；最后在所 述接觸孔中形成鎢栓塞。圖1至圖3給出了該技術方案中鎢栓塞制造過程的剖面結構示意 圖。如圖1所示，所述襯底100表面具有介質層101，所述介質層101上具有接觸孔 110，所述接觸孔110暴露出所述襯底100。如圖2所示，在所述接觸孔110中填充金屬鈦(Ti)，形成粘附層102。鈦和常用的 介質材料以及用作阻擋層的材料(TiN)的粘附性都很好，可以有效提高阻擋層的臺階覆蓋 率。另外，粘附層中的鈦會在淀積的同時與接觸孔110底部襯底100中的硅材料發(fā)生反應， 形成低阻的TiSix，提高所述接觸孔110的電特性。如圖3所示，在所述粘附層102上形成氮化鈦(TiN)，形成阻擋層103。淀積方法 可以是金屬有機化學氣相淀積(M0CVD)。阻擋層TiN的作用一方面可以增加金屬鎢與接觸 孔之間的粘附性，提高鎢栓塞的填充質量，另一方面也可以阻止淀積金屬鎢時所用的反應 物WF6與所述接觸孔110底部所述襯底100中的硅材料發(fā)生反應，形成高阻的WSix而導致 接觸電阻增大。為了降低所述阻擋層103對栓塞電阻的影響，現(xiàn)有技術對所述阻擋層103進行了 減薄處理，減薄之后再填充金屬鎢形成鎢栓塞。在實際工藝中，淀積Ti和TiN的過程中，在接觸孔110的開口兩邊拐角處都會形 成“凸起”(overhang) 110a，如圖4所示。隨著工藝水平的不斷提高，特別是進入65nm以及 更高的工藝水平以后，所述凸起110a會影響鎢的填充效果，如圖5所示，使得填充的金屬鎢 104中會形成空洞(seam，void) 104a，所述空洞104a會增加鎢栓塞的互連電阻。另外，在進 行化學機械拋光(CMP，ChemicalMechanical Polish)去除多余的金屬鎢以及阻擋層時，拋 光液會通過空洞104a浸入鎢栓塞內部，如圖6所示，拋光液一般都呈酸性或者堿性，含有多 種化學成分，會腐蝕金屬鎢，降低器件的可靠性。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種鎢栓塞的制造方法，消除或減少了鎢栓塞制造過程中形成的內 部空洞。本發(fā)明提供了一種鎢栓塞的制造方法，包括如下步驟提供襯底，所述襯底表面具有介質層，介質層中有開口，所述開口暴露出襯底；在所述襯底上形成粘附層；氮化所述粘附層，使部分粘附層形成阻擋層；在所述開口內填充金屬鎢；去除多余的金屬鎢和部分阻擋層，形成鎢栓塞。所述氮化過程使用含氮的氣體作為反應氣體，如氮氣。所述氮化過程中通入氮氣的流量為20sCCm(毫升/分鐘)至SOsccm。所述氮化過程與所述粘附層的形成過程是在同一個反應腔(chamber)中進行的。所述氮化過程的溫度為100攝氏度至300攝氏度。
所述氮化過程的時間為5秒至60秒。所述氮化過程反應腔內的壓強為lOmtorr (毫托)至20mtorr。所述粘附層的材料為鈦(Ti)。所述粘附層的厚度為80埃至200埃。所述阻擋層的材料為氮化鈦(TiN)，所述阻擋層厚度為5埃至10埃。與現(xiàn)有技術相比，上述公開的技術方案有如下優(yōu)點上述公開的鎢栓塞的制造方法中，先形成粘附層，然后氮化所述粘附層，使部分粘 附層形成阻擋層，防止了由于淀積層數過多導致接觸孔開口兩邊拐角處形成“凸起”現(xiàn)象， 從而消除或減少了鎢栓塞制造過程中形成的內部空洞，防止了化學機械拋光過程中拋光液 浸入和腐蝕鎢栓塞，提高了產品的可靠性。


圖1至圖3是現(xiàn)有技術鎢栓塞形成方法的剖面結構示意圖；圖4是現(xiàn)有技術粘附層和阻擋層淀積后“凸起”現(xiàn)象的示意圖；圖5是現(xiàn)有技術淀積鎢金屬后鎢栓塞中“空洞”現(xiàn)象的示意圖；圖6是現(xiàn)有技術鎢栓塞經過化學機械拋光后的示意圖；圖7是本發(fā)明鎢栓塞形成方法的流程示意圖；圖8至圖12是本發(fā)明鎢栓塞形成方法的剖面結構示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供了一種鎢栓塞的制造方法，改進了阻擋層的形成過程，先形成粘附層， 然后將所述粘附層氮化，使部分粘附層形成阻擋層，防止了由于淀積層數過多導致接觸孔 開口兩邊拐角處形成“凸起”現(xiàn)象，從而消除或減少了鎢栓塞制造過程中形成的內部空洞， 防止了化學機械拋光過程中拋光液浸入和腐蝕鎢栓塞，提高了產品的可靠性。為使本發(fā)明的方法、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
做詳細的說明。圖7給出了本發(fā)明的一個實施例的流程圖。如圖7所示，執(zhí)行步驟S1，提供襯底，所述襯底表面具有介質層，介質層中有開口， 所述開口暴露出襯底；執(zhí)行步驟S2，在所述襯底上形成粘附層；執(zhí)行步驟S3，氮化所述粘附 層，使部分粘附層形成阻擋層；執(zhí)行步驟S4，在所述開口內填充金屬鎢；執(zhí)行步驟S5，去除 多余的金屬鎢和部分阻擋層，形成鎢栓塞。圖8至圖12為本發(fā)明的一個實施例的形成鎢栓塞方法的剖面結構示意圖。如圖8所示，提供襯底200，所述襯底200表面具有介質層201，所述介質層201中 有開口 210，所述開口 210暴露出襯底200。所述襯底200的材質可以是單晶硅、多晶硅、非晶硅中的一種，所述襯底200的材 質也可以是硅鍺化合物，所述襯底200還可以是絕緣體上硅(S0I，Silicon On Insulator) 結構或硅上外延層結構。在所述襯底200中形成有半導體器件(未示出)，例如具有柵極、 源極和漏極的金屬氧化物晶體管。所述介質層201可以是氧化硅、硼硅玻璃、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃等，本實施例中 所述介質層201的材料優(yōu)選為氧化硅(Si02)。所述開口 210的形成方法具體包括在介質層201表面旋涂光刻膠，并圖案化；之 后使用干法刻蝕形成所述開口 210 ；干法刻蝕之后，去除殘留的光刻膠，所述去除光刻膠的 方法可以是氧氣等離子體灰化法。如圖9所示，在所述襯底200上，包括開口 210的底部和側壁以及介質層201的表 面上形成粘附層202。所述粘附層202在本實施例中的材料是鈦(Ti)，形成方法是物理氣相淀積(PVD)。 具體過程包括將所述襯底清洗后，放入濺射反應腔內，用氬(Ar)離子濺射，淀積形成Ti層。 所述粘附層202的厚度為80埃至200埃，與現(xiàn)有技術相比，所述粘附層202的厚度較厚，一 方面作為粘附層，另一方面在后續(xù)過程中將部分粘附層202氮化形成阻擋層，本實施例中 優(yōu)選的粘附層厚度為80埃至120埃。所述粘附層202的形成過程中，在所述開口 210處不可避免的仍會有“凸起”現(xiàn)象， 但是與現(xiàn)有技術分兩步淀積來形成粘附層和阻擋層相比，只淀積一次鈦層，造成的“凸起” 現(xiàn)象減輕了很多，在之后的金屬鎢的淀積過程中基本上不會形成空洞。所述粘附層202有兩方面的作用，一方面因為阻擋層中的材料氮化鈦和介質層 201的材料之間粘附性很差，直接在所述介質層201上淀積氮化鈦會造成臺階覆蓋率低的 問題，而所述粘附層202改善了氮化鈦在所述開口 210內的臺階覆蓋率；另一方面利用金屬 鈦和所述開口 210底部襯底200中的硅材料發(fā)生反應，形成低阻的TiSix，降低了接觸電阻。為了更好地形成低阻的硅化物，作為本發(fā)明的一個優(yōu)化的實施例，可以在形成所 述粘附層202之后，對所述襯底200進行快速熱退火處理，使得在所述開口 210的底部，金 屬鈦與所述襯底200接觸的部位，可以形成足夠厚的TiSix接觸層，降低接觸電阻。如圖10所示，氮化所述粘附層202，使部分粘附層202形成阻擋層203。本實施例氮化過程中優(yōu)選的反應氣體為氮氣。氮氣流過所述粘附層202的表面， 與所述粘附層202中的鈦發(fā)生反應形成氮化鈦，構成了阻擋層203。所述氮化過程與所述粘附層202的形成過程是在同一個反應腔(chamber)中原位進行的，具體包括在物理氣相淀積反應腔中淀積形成所述粘附層202，之后在該反應腔中再 通入氮氣(N2)將所述粘附層202的表面氮化。與現(xiàn)有技術相比，省去了所述阻擋層203形 成時用到的M0CVD工藝過程，減少了在工藝流程的開銷，降低了制造成本。所述氮化過程的溫度為100攝氏度至300攝氏度，反應時間為5秒至60秒，通 入氮氣的流量為20sCCm(毫升/分鐘)至SOsccm，反應腔內的壓強為lOmtorr (毫托)至 20mtorr，氮化生成的阻擋層203的厚度為5埃至10埃。本實施例中氮化過程中優(yōu)選的反 應溫度為180攝氏度至230攝氏度，反應時間為30秒，通入氮氣的流量為40sCCm，反應壓強 為lOmtorr，生成的阻擋層203的厚度為8埃。所述阻擋層203的形成是通過氮化所述粘附層202的表面而實現(xiàn)的，除了省去了 一步淀積過程，相對現(xiàn)有技術，還減輕了所述開口 210處的“凸起”現(xiàn)象，為之后的鎢淀積過 程預留了更多的淀積空間，避免或者減少了鎢栓塞內部空洞的形成。所述阻擋層203有兩方面作用，一方面所述阻擋層203的材料氮化鈦與金屬鎢之 間具有良好的粘附性，確保了隨后金屬鎢的填充效果；另一方面所述阻擋層203也可以防 止在淀積鎢的過程中反應物WF6與所述開口 210底部襯底200中的硅材料發(fā)生反應形成 WSix, WSix電阻率很高，會使得接觸電阻增大，導致器件性能降低。如圖11所示，在所述襯底200上形成金屬鎢(W)層204。所述金屬鎢層204的形成方法為化學氣相淀積(CVD)，本實施例中所用的主要反 應物為WF6*SiH4。將所述襯底轉移至真空反應腔中，將惰性氣體氬(Ar)氣引入到反應腔 中作為化學氣相淀積的反應氣氛；使用氫氣(H2)作為運載氣體將硅烷(SiH4)氣體引入反應 腔中；接下來通入氟化鎢(WF6)氣體進行反應過程。主要反應過程包括SiH4熱分解后生成 Si和H2，WF6被H2還原形成鎢，鎢首先在開口側壁和底部淀積形成鎢籽晶層，之后大量淀積 形成鎢金屬層。由于之前已經形成了所述阻擋層203，因此在反應過程中WF6不會和所述襯 底200中的硅材料發(fā)生反應，避免了對所述襯底200中硅材料的消耗和侵蝕，也防止了反應 形成高電阻率的WSix而導致鎢栓塞的互連電阻增大。如圖12所示，去除所述襯底表面多余的金屬鎢層204以及部分阻擋層203，形成鎢 栓塞204a。去除金屬鎢的方法可以是化學機械拋光或者回刻(etchback)，本實施例中優(yōu)選 的方法是化學機械拋光。化學機械拋光一方面可以研磨去除多余的金屬鎢，另一方面可以 使得拋光后的表面具有良好的平整度，便于進行接下來的工藝制程?；瘜W機械拋光之后，對所述襯底200的表面進行清洗，完成整個鎢栓塞的制造過 程。綜上，本發(fā)明提供了一種鎢栓塞的制造方法。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明改進了阻擋 層的形成方法，先形成粘附層，然后氮化所述粘附層，使部分粘附層形成阻擋層，消除或減 少了鎢栓塞制造過程中形成的內部空洞，減小了鎢栓塞的互連電阻，防止了化學機械拋光 過程中拋光液浸入和腐蝕鎢栓塞，提高了產品的可靠性。雖然本發(fā)明已以較佳實施例披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領域技術 人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，均可作各種更動與修改，因此本發(fā)明的保護范圍應 當以權力要求所限定的范圍為準。
權利要求
1.一種鎢栓塞的制造方法，其特征在于，包括提供襯底，所述襯底表面具有介質層，介質層中有開口，所述開口暴露出襯底；在所述襯底上形成粘附層，所述粘附層覆蓋所述開口底部和側壁；氮化所述粘附層，使部分粘附層形成阻擋層；在所述阻擋層上形成金屬鎢，所述金屬鎢填滿開口 ；去除多余的金屬鎢和部分阻擋層，形成鎢栓塞。
2.根據權利要求1所述鎢栓塞的制造方法，其特征在于，所述氮化過程使用含氮元素 的氣體作為反應氣體。
3.根據權利要求2所述鎢栓塞的制造方法，其特征在于，所述含氮的氣體為氮氣。
4.根據權利要求1至3中任一項所述鎢栓塞的制造方法，其特征在于，所述氮化過程與 粘附層的形成過程是在同一個反應腔內進行的。
5.根據權利要求1所述鎢栓塞的制造方法，其特征在于，所述氮化過程的反應腔內的 壓強為lOmtorr至20mtorr ；所述氮化過程的溫度為100攝氏度至300攝氏度；所述通入氮 氣的流量為20SCCm至80SCCm ；所述氮化過程的時間為5秒至60秒。
6.根據權利要求1所述鎢栓塞的制造方法，其特征在于，所述粘附層的材料為鈦。
7.根據權利要求1所述鎢栓塞的制造方法，其特征在于，所述粘附層的厚度為80埃至 200 埃。
8.根據權利要求1所述鎢栓塞的制造方法，其特征在于，所述阻擋層的材料為氮化鈦。
9.根據權利要求8所述鎢栓塞的制造方法，其特征在于，所述氮化鈦的厚度為5埃至 10埃。
10.根據權利要求1所述鎢栓塞的制造方法，其特征在于，在形成所述粘附層之后，還 包括對所述襯底進行快速熱退火處理步驟。
全文摘要
一種鎢栓塞的制造方法，包括提供襯底，所述襯底表面具有介質層，介質層上有開口，所述開口暴露出襯底；在所述襯底上形成粘附層；氮化所述粘附層，使部分粘附層形成阻擋層；在所述開口內填充金屬鎢；去除多余的金屬鎢和部分阻擋層，形成鎢栓塞。本發(fā)明消除或減少了鎢栓塞制造過程中形成的內部空洞，降低了鎢栓塞的互連電阻，防止了化學機械拋光過程中拋光液浸入和腐蝕鎢栓塞，提高了產品的可靠性。
文檔編號H01L21/768GK102005405SQ20091019478
公開日2011年4月6日 申請日期2009年8月28日 優(yōu)先權日2009年8月28日
發(fā)明者何偉業(yè), 楊瑞鵬, 聶佳相 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司