專利名稱：半導(dǎo)體晶圓制造中金屬間介質(zhì)填充方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體晶圓制造工藝，尤其涉及一種半導(dǎo)體晶圓制造中金
屬間電介質(zhì)(IMD)的填充方法。
背景技術(shù)：
在傳統(tǒng)的0. 25um以上半導(dǎo)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(xué)氣相沉積)的方法來實(shí)現(xiàn)后段IMD(Inter Metal Dielectric,金屬 間電介質(zhì))的填充。這種方法雖然考慮到了對(duì)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(qiáng)化學(xué)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(dǎo)致在SACVD所沉積出二氧化硅電介質(zhì)102和 PECVD所沉積出的二氧化硅電介質(zhì)101、 103之間遺留下了孔洞(voids) 104，相關(guān)金屬間介質(zhì)(即上述兩種二氧化硅絕緣膜)的填充結(jié)構(gòu)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(yīng)力不匹配所造成的，因?yàn)橐?般SACVD所沉積出的二氧化硅薄膜102的應(yīng)力為張應(yīng)力，而PECVD所沉積 出的二氧化硅薄膜IOI、 103的應(yīng)力為壓應(yīng)力。因此，由于這種兩種二氧 化硅薄膜間應(yīng)力不匹配，造成其交界面處易被撕裂從而產(chǎn)生孔洞104 (這 些孔洞104可通過電子顯微鏡觀察到)，進(jìn)而影響了整個(gè)金屬間介質(zhì)填充
結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，而且由于這種填充結(jié)構(gòu)上的不完整可能在后續(xù)CMP (化學(xué)機(jī) 械研磨)工藝中造成研磨液殘留、過腐蝕等一系列嚴(yán)重問題，因此最終很 可能會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體器件失去電性或可靠性大打折扣。
而且，通過實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，即使用張應(yīng)力較小的03TE0S SACVD薄膜 (沉積4000A厚度后測(cè)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(chǎn)生 孔洞104，而且此時(shí)的IMD填充能力將受到很大限制。因此，對(duì)于這種現(xiàn) 象可給出如下定性解釋，即在進(jìn)行金屬間介質(zhì)填充時(shí)，如果03TE0S SACVD 二氧化硅薄膜102的一次成膜厚度達(dá)到4000A或以上，則即使成膜應(yīng)力較 小，但由于連續(xù)成膜，所以在整個(gè)塊體薄膜內(nèi)部應(yīng)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(qiáng)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(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種半導(dǎo)體晶圓制造中金屬間介質(zhì) 填充方法，可在滿足對(duì)IMD填充能力要求的同時(shí)，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(shù)問題，本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體晶圓制造中金屬間介 質(zhì)填充方法，包括以下步驟
(1 )通過反應(yīng)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(yīng)腔體內(nèi)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(yīng)腔體內(nèi)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(yīng)力和厚度均小于所述SACVD二氧化硅主沉積層(303)的 張應(yīng)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(nèi)。
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(yīng)力控制在150Mpa 250Mpa范圍內(nèi)，且厚度在500A 1200A范圍內(nèi)。
在所述步驟(2)中，在沉積所述SACVD二氧化硅主沉積層(303)時(shí)， 應(yīng)根據(jù)金屬間溝道的高寬比增大所述反應(yīng)腔內(nèi)部的壓力，以得到張應(yīng)力在 350Mpa 450Mpa的范圍內(nèi)、厚度在1500A 3000A范圍內(nèi)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(shí)， 應(yīng)根據(jù)金屬間溝道的高寬比，降低所述反應(yīng)腔內(nèi)部的壓力，以得到張應(yīng)力 在200Mpa 250Mpa的范圍內(nèi)、厚度在500A 1000A范圍內(nèi)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(shù)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(yīng)腔內(nèi)沉積一層張應(yīng)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(yīng)力到張應(yīng)力的柔性過渡，使得不同 層的應(yīng)力在多個(gè)交界面之間緩慢釋放，從而達(dá)到在不同應(yīng)力類型的交界面 處的作用力累計(jì)成倍減少，最終保證整個(gè)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(duì)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(zhì)填充結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，提高了半導(dǎo)體器件 的可靠性；另外，該方法易于實(shí)現(xiàn)，不會(huì)額外增加制造成本。


下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明-圖1為現(xiàn)有的0. 25微米及以上晶圓制造技術(shù)中金屬間介質(zhì)填充結(jié)構(gòu) 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(gè)實(shí)施例的中間過程局部結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
為避免產(chǎn)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(yīng)腔內(nèi)(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(yīng)力在 150Mpa 250Mpa之間的過渡二氧化硅，并相應(yīng)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(yīng)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(yīng)力薄膜(PECVD二氧化硅)到中間填充層張應(yīng)力薄膜(即SACVD 二氧
化硅主沉積層)再到頂部壓應(yīng)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(gè)二氧化硅界面處有效消除了孔洞104。 下面通過一個(gè)具體的實(shí)施例來對(duì)本發(fā)明所述金屬間介質(zhì)填充方法進(jìn) 行進(jìn)一步詳細(xì)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(yīng)力為-160Mpa左右，厚度范圍一般為500A 1500A)上沉積一層張應(yīng)力在150Mpa 250Mpa范圍內(nèi)，且厚度在500A 1200A范圍內(nèi)，優(yōu)選厚度為700A的第一 SACVD 二氧化硅過渡層302，以實(shí) 現(xiàn)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(yīng)力過渡。該第一 SACVD 二氧化硅過渡層302的厚度可根據(jù)填孔要 求在上述范圍內(nèi)(即500A 1200A的范圍內(nèi))進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了得到良好的 填充能力，在一優(yōu)選實(shí)施例中，可使用應(yīng)用材料公司(Applied Materials) 的Centura Giga fill CxZ反應(yīng)腔(chamber)中來進(jìn)行該第一 SACVD 二 氧化硅過渡層302的沉積，這時(shí)芯片的局部結(jié)構(gòu)如圖3b所示。
然后，在反應(yīng)腔體內(nèi)不破真空的情況下，通過迅速增加所述反應(yīng)腔內(nèi) 部的壓力，并同時(shí)調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體流量(具體調(diào)節(jié)量根據(jù)不同腔體結(jié)構(gòu)的不 同而不同，這對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員來說應(yīng)該是熟悉的)，以得到張 應(yīng)力在350Mpa 450Mpa的范圍內(nèi)，厚度在1500A 3000A范圍(可依填充 條件調(diào)節(jié))的二氧化硅介質(zhì)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(shí)現(xiàn)金屬間溝槽填充(IMD)的主沉積層303。
在沉積過程中，所述反應(yīng)腔內(nèi)部壓力的具體取值應(yīng)根據(jù)金屬間溝道的高寬 比而定，如對(duì)于金屬間溝道的高寬比為高寬=2: 1的情況，應(yīng)將反應(yīng)腔
的壓力增加至500torr，這對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員來說，根據(jù)金屬間 溝道的高寬比以及成膜的厚度、張應(yīng)力等要求是可以作出適當(dāng)?shù)倪x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(shí)現(xiàn) 大高寬比(aspect ratio)條件下的IMD填充，該層的張應(yīng)力會(huì)較前層和 之后沉積的頂層大很多，而且本層是實(shí)現(xiàn)IMD填充的主結(jié)構(gòu)。這時(shí)形成如 圖3c所示的結(jié)構(gòu)。
第三步，同樣在反應(yīng)腔體內(nèi)不破真空情況下，通過降低所述反應(yīng)腔內(nèi) 部的壓力，在所述SACVD 二氧化硅主沉積層303上沉積一層張應(yīng)力在 200Mpa 250Mpa的范圍內(nèi)，厚度在500A 1000A范圍(視實(shí)際條件可調(diào)) 內(nèi)的第二 SACVD 二氧化硅過渡層304。沉積過程中，所述反應(yīng)腔內(nèi)部壓力
的具體取值應(yīng)根據(jù)金屬間溝道的高寬比而定，如對(duì)于金屬間溝道的高寬比 為高寬=2: l的情況，應(yīng)將所述反應(yīng)腔內(nèi)的壓力降低至100toir以下，
這對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員來說，根據(jù)金屬間溝道的高寬比以及成膜的 厚度、張應(yīng)力等要求是可以作出適當(dāng)?shù)倪x擇的。該第二SACVD 二氧化硅過 渡層304主要用于實(shí)現(xiàn)與頂層PECVD 二氧化硅薄膜305的應(yīng)力過渡。這時(shí) 的結(jié)構(gòu)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(yīng)力應(yīng)為-160Mpa左右，厚度應(yīng)在為8000A 20000A 范圍內(nèi)。優(yōu)選地，可選擇利用諾發(fā)系統(tǒng)公司(Novellus)的Sequel C2反 應(yīng)腔來完成上述淀積過程。這時(shí)的結(jié)構(gòu)圖如圖3e所示。
權(quán)利要求
1、一種半導(dǎo)體晶圓制造中金屬間介質(zhì)填充方法，其特征在于，包括以下步驟(1)通過反應(yīng)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(yīng)腔體內(nèi)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(yīng)腔體內(nèi)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(yīng)力和厚度均小于所述SACVD二氧化硅主沉積層(303)的張應(yīng)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(nèi)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的半導(dǎo)體晶圓制造中金屬間介質(zhì)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(yīng)力應(yīng)控制在150Mpa 250Mpa范圍內(nèi)，且厚度在500A 1200A范圍內(nèi)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體晶圓制造中金屬間介質(zhì)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(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體晶圓制造中金屬間介質(zhì)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(shí)，應(yīng)根據(jù)金屬間溝道的高寬比增大所述反應(yīng)腔內(nèi)部的壓力， 以得到張應(yīng)力在350Mpa 450Mpa的范圍內(nèi)、厚度在1500A 3000A范圍內(nèi)的 SACVD二氧化硅主沉積層(303)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體晶圓制造中金屬間介質(zhì)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(jù)權(quán)利要求l、 2、 3或5中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體晶圓制造中金屬間 介質(zhì)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(shí)，應(yīng)根據(jù)金屬間溝道的高寬比，降低所述反應(yīng)腔 內(nèi)部的壓力，以得到張應(yīng)力在20簡(jiǎn)pa 250Mpa的范圍內(nèi)、厚度在500A IOOOA范圍內(nèi)的第二SACVD二氧化硅過渡層(304)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體晶圓制造中金屬間介質(zhì)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(shí)，應(yīng)根據(jù)金屬間溝道的高寬比，降低所述反應(yīng)腔內(nèi)部的壓力，以得到張 應(yīng)力在200Mpa 250Mpa的范圍內(nèi)，且厚度在500A IOOOA范圍內(nèi)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(dǎo)體晶圓制造中金屬間介質(zhì)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(yīng)腔內(nèi)沉積一層張應(yīng)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(yīng)力到張應(yīng)力的柔性過渡，使得不同層的應(yīng)力在多個(gè)交界面之間緩慢釋放，從而達(dá)到在不同應(yīng)力類型的交界面處的作用力累計(jì)成倍減少，最終保證整個(gè)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(duì)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(huì)額外增加制造成本。
文檔編號(hào)H01L21/768GK101393868SQ20071009408
公開日2009年3月25日 申請(qǐng)日期2007年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月18日
發(fā)明者張慧君, 甄永泰, 陳建維 申請(qǐng)人:上海華虹Nec電子有限公司