專利名稱：雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的制造方法。
技術(shù)背景半導(dǎo)體技術(shù)向小線寬技術(shù)節(jié)點邁進的同時，IC業(yè)界選用銅和低介電常數(shù) (Low K)材料作為減小0.13um及其以下技術(shù)節(jié)點的互連電阻電容(RC )延 遲的關(guān)鍵解決方法，由于銅具有易擴散、難刻蝕等特點，引入了雙鑲嵌工藝 (Dual Damascene ),其特點就是先在帶有器件的襯底上形成中間介質(zhì)層并刻 蝕出溝槽和通孔，然后淀積銅進入刻蝕好的圖形中，并應(yīng)用平坦化方法除去 多余的銅。通常情況下在半導(dǎo)體器件后段金屬互連層制作中，其工藝步驟一 般為在形成帶有金屬圖形的襯底上，淀積刻蝕停止層，中間介質(zhì)層，銅擴散 阻止層，銅淀積層，然后化學機械研磨。因此，相應(yīng)的開發(fā)與雙鑲嵌工藝兼 容的介質(zhì)材料如刻蝕停止層，中間介質(zhì)層材料就成為迫切需要。銅和低K材料 的工藝整合是具有挑戰(zhàn)性的?，F(xiàn)有雙鑲嵌工藝 一般用低介電常數(shù)的氟硅玻璃作為介質(zhì)層材料，選用摻 氮的碳化硅(Nitrogen doped SIC，NDC)、氮化硅等作為刻蝕停止層材料。專 利號為02106882.8的中國專利公開了一種雙鑲嵌工藝，圖l為該專利公開的雙 鑲嵌工藝形成的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的示意圖。下面結(jié)合圖l說明其工藝流程，首先提 供一金屬互連層100，其材料可以是銅。然后在所述金屬互連層100上形成一 覆蓋層102，該覆蓋層即為刻蝕停止層，其材料可以是氮化硅。然后在所述覆 蓋層102上沉積介質(zhì)層104，所述介質(zhì)層104材料可以是氟硅玻璃等低介電常數(shù) 材料，其厚度約為4000- 12000埃，形成的方式為物理氣相沉積或化學氣相沉 積。然后在所述介質(zhì)層104上形成溝槽108和連接孔106，形成的過程有先行成 溝槽后形成連接孔、先行成連接孔后溝槽等幾種情況。在所述溝槽108及連接 孔106中填充金屬材料例如銅即形成如圖1所述的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)。然而，該工藝形成金屬互連的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)，由于低介電常數(shù)的介質(zhì)層104 材料內(nèi)應(yīng)力一般為拉應(yīng)力，而覆蓋層102材料為壓應(yīng)力，造成兩層在粘結(jié)后會 產(chǎn)生剝落，嚴重影響器件的性能。圖2為現(xiàn)有技術(shù)中刻蝕停止層和其上層的中 間介質(zhì)層剝離的示意圖。如圖2所示，由于介質(zhì)層104和刻蝕停止層102粘附性
對鈍化層與外引線(packaging wire bonding)粘附強度可靠性測試的時候。在生 產(chǎn)過程中產(chǎn)生剝離，會導(dǎo)致后層金屬層翹起，影響其電連接并最終導(dǎo)致器件 電性失敗。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的制造方法，該方法能夠解決金 屬間介質(zhì)層與刻蝕停止層之間的剝落的問題。
為達到上述目的，本發(fā)明提供的一種雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的制造方法，包括
提供一具有器件層的半導(dǎo)體基底；
將所述基底表面曝露于第一等離子體環(huán)境中；
在所述半導(dǎo)體基底上形成第一介質(zhì)層；
將所述第一介質(zhì)層表面曝露于第二等離子體環(huán)境中；
在所述第一介質(zhì)層上形成第二介質(zhì)層；
在所述第二介質(zhì)層中形成溝槽和連接孔。
所述第一等離子體和第二等離子體氣體可以是氦氣、氬氣、氫氣、氨氣 中的一種。
所述第一等離子體射頻源的功率為700 - 1200瓦。 所述基底表面曝露于第 一等離子體環(huán)境中的時間為5 ~ 15秒。 所述第 一等離子體環(huán)境的壓力為4. 0 ~ 4. 5托。
所述第一介質(zhì)層材料可以是氧化硅、碳化硅、氮化硅、碳硅氧化合物、 摻氮碳化硅中的一種或其組合。
所述第一介質(zhì)層的厚度為300 ~ 800埃。 所述第一介質(zhì)層的形成方法為物理氣相沉積或化學氣相沉積。 所述第 一介質(zhì)層曝露于第二等離子體環(huán)境的時間為10 ~ 20s。 所述第二等離子體射頻源的功率為200 - 400瓦。 所述第二等離子體環(huán)境的壓力為3. 5 -4. 0托。
所述第二介質(zhì)層為氟硅玻璃、磷硅玻璃、硼硅玻璃、硼磷硅玻璃、氧化 硅、氮化硅、碳化硅中的一種或其組合。
該方法進一步包括在所述溝槽和連接孔中沉積金屬層。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點本發(fā)明方法中，通過在形成第
一介質(zhì)層前、后對基底表面進行等離子表面處理，改善膜層的內(nèi)部應(yīng)力，去 除膜層表面的污染物，更有助于沉積的膜層之間的粘結(jié)，減小膜層之間剝離 的產(chǎn)生，能夠增加形成的結(jié)構(gòu)和器件的可靠性。
圖1為現(xiàn)有雙鑲嵌結(jié)構(gòu)剖面示意圖； 圖2為現(xiàn)有雙鑲嵌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的剝離缺陷的剖面示意圖； 圖3為根據(jù)本發(fā)明實施例的制造方法的流程圖； 圖4~圖IO為根據(jù)本發(fā)明實施例的制造方法的剖面圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
做詳細的說明。 本發(fā)明的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的制造方法，首先提供一具有器件層的半導(dǎo)體基底， 所述器件層可以是金屬氧化物半導(dǎo)體晶片管。將所述基底表面暴露于等離子 體環(huán)境中一段時間，所述等離子體氣體可以是氦氣、氬氣、氫氣、氨氣中的 一種，等離子體對基底表面的轟擊能夠改變基底表面材料的共價健及配位健， 有助于改善基底表面材料的應(yīng)力，從而使基底表面可以和后面沉積的材料層 很好的粘結(jié)。然后在所述半導(dǎo)體基底上形成第一介質(zhì)層，所述第一介質(zhì)層即 為刻蝕停止層，其材料可以是氮化硅，碳化硅，碳氮硅化合物等，沉積完所 述第一介質(zhì)層后，將所述第一介質(zhì)層暴露于等離子體環(huán)境中，所述等離子體 氣體可以是氦氣、氬氣、氬氣、氨氣中的一種，通過等離子體對第一介質(zhì)層 表面的轟擊，有助于改變第一介質(zhì)層表面材料的應(yīng)力。接著，在所述第一介 質(zhì)層上形成第二介質(zhì)層，所述第二介質(zhì)層可以是氟硅玻璃等低介電常數(shù)材料， 通過等離子體對第 一介質(zhì)層表面處理，第二介質(zhì)層能夠很好的粘附于第一介 質(zhì)層表面。在所述第二介質(zhì)層中形成溝槽和連接孔，并在所述溝槽和鏈接孔 中填充金屬材料，例如銅或鋁等，即形成互連層。本發(fā)明方法通過在沉積刻 蝕停止層前后分別進行等離子體表面處理改善膜層的表面的應(yīng)力，從而增加 了膜層之間的粘附力。
圖3為根據(jù)本發(fā)明實施例的制造方法的流程圖。
如圖3所示，首先，提供一具有器件層的半導(dǎo)體基底(S200 )。所述半導(dǎo) 體基底材料可以是多晶硅，單晶硅或非晶硅，在所述半導(dǎo)體基底中形成有器 件層或互連層，例如器件層為金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，多個晶體管通過互
連層連接。
將所述帶有器件層的半導(dǎo)體基底表面暴露于第一等離子體環(huán)境中5 ~ 15 秒(S210)。所述第一等離子體氣體可以是氦氣、氬氣、氫氣、氨氣中的一種； 射頻源功率為700 - 1200瓦，所述第一等離子體環(huán)境的壓力為4. 0~4. 5T。通 過等離子體對半導(dǎo)體基底表面的轟擊處理，高能等離子體可以打破基底表面 材料的共價健或配位健，從而減小了基底表面材料的應(yīng)力。
在所述經(jīng)過等離子體表面處理的半導(dǎo)體基底表面形成第一介質(zhì)層 (S220 )，所述第一介質(zhì)層材料可以是氧化硅、碳化硅(SiC)、氮化硅(SiN)、 碳硅氧化合物(SiOC)、摻氮碳化硅中的一種或其組合，其厚度為300 ~800 埃。所述第一介質(zhì)層即為后層第二介質(zhì)層刻蝕連接孔的刻蝕停止層。
將所述第一介質(zhì)層表面暴露于第二等離子體環(huán)境中(S230 )。所述第一介 質(zhì)層曝露于第二等離子體環(huán)境的時間為10~20s，所述第二等離子體射頻源的 功率為200 - 400瓦，所述第二等離子體環(huán)境的壓力為3. 5~4.0T。
在所述第一介質(zhì)層表面沉積第二介質(zhì)層(S240)。所述第二介質(zhì)層為氟硅玻 璃(FSG )、磷硅玻璃(PSG)、硼硅玻璃(BSG )、硼磷硅玻璃(BPSG )、氧化硅、 氮化硅(SiN)、碳化硅(SiC)中的一種或其組合。通過對第一介質(zhì)層表面進 行等離子體處理，第二介質(zhì)層能夠很好的粘附于所述第一介質(zhì)層表面，減少 或消除了膜層之間的剝離。
在所述第二介質(zhì)層中形成溝槽和連接孔(S250 )。所述第一介質(zhì)層即為形 成連接孔的刻蝕終點檢測層，在所述溝槽和連接孔中填充金屬材料。
下面結(jié)合圖4~圖IO對本發(fā)明方法進行詳細描述。
如圖4所示，半導(dǎo)體襯底200中形成有源極202和漏極204，在所述半導(dǎo) 體襯底200上形成有柵極206,所述柵極材料可以是多晶硅或金屬硅化物，所 述柵極206和襯底200之間通過柵氧隔離。在所述柵極及襯底200上形成有 絕緣層210,所述絕緣層210材料可以是氧化硅、氮化硅、碳化硅等介質(zhì)材料。 在所述絕緣層210中形成有連接孔208，所述連接孔208中填充有導(dǎo)電物質(zhì)， 例如鴒、鋁或銅。所述連接孔208中的導(dǎo)電物質(zhì)底部與所述源極202和漏極 204連接。在所述絕緣層210上方形成有介電層212,所述介電層212材料可 以是氟硅玻璃、硼磷硅玻璃等低介電常數(shù)材料，在所述介電層212中形成互 連層214，所述互連層材料可以是鋁或銅。
入沉積設(shè)備進行刻蝕停止層沉積過程不同，本發(fā)明將所述帶有器件層和互連
層的半導(dǎo)體襯底200曝露于第一等離子體環(huán)境中，用等離子體對所述介電層 表面進行表面處理。所述第一等離子體氣體可以是氦氣、氬氣、氫氣、氨氣 中的一種，射頻源的功率為700 - 1200瓦，所述第一等離子體環(huán)境的壓力為 4. 0~4. 5T，曝露于第一等離子體環(huán)境中的時間為5~15秒。等離子體對所述 介電層212表面進行轟擊的過程會破壞或重組介電層212材料的化學鍵例如 共價鍵或配位鍵，從而減小了介電層212的膜內(nèi)應(yīng)力，更有助于介電層212 與其它的膜層粘結(jié)。同時等離子體表面處理也可以去除介電層212表面的污 染物及雜質(zhì)顆粒，減小污染物及雜質(zhì)顆粒給膜層之間粘結(jié)帶來的缺陷。
如圖6所示，經(jīng)過第一等離子體表面處理的介電層212改變了其內(nèi)部膜 應(yīng)力，更有助于其它膜層與介電層212之間的粘結(jié)。通過物理氣相沉積或化 學氣相沉積的方法，在所述介電層212上積淀第一介質(zhì)層216,所述第一介質(zhì) 層216材料可以是氧化硅、碳化硅(SiC )、氮化硅(SiN )、碳硅氧化合物(SiOC )、 摻氮碳化硅中的一種或其組合，其厚度為300 ~ 800埃。該第一介質(zhì)層216即 為后續(xù)工藝中形成連接孔的刻蝕終點檢測層，即刻蝕停止層(Etch stop layer )。通過對介電層216表面進行等離子體表面處理，第一介質(zhì)層216能 夠和所述介電層216很好的粘合而不會出現(xiàn)或減少出現(xiàn)層與層之間的剝離現(xiàn) 象。
如圖7所示，由于第一介質(zhì)層216材料一般為氧化硅、碳化硅、氮化硅 等高介電常數(shù)材料，其膜層內(nèi)部應(yīng)力一般為壓應(yīng)力(compressive stress), 而在其上形成的第二介質(zhì)層材料一般為低介電常數(shù)材料，且其膜內(nèi)應(yīng)力 一般 為張應(yīng)力，因而兩層膜之間很容易由于應(yīng)力不平衡而出現(xiàn)剝離現(xiàn)象，嚴重影 響器件之間的可靠性。因而，本發(fā)明中在沉積完第一介質(zhì)層216后，將其表 面曝露于第二等離子體環(huán)境中進行表面處理，所述第二等離子體射頻源的功 率為200 ~ 400瓦，壓力為3. 5 ~4. OT,曝露于第二等離子體環(huán)境的時間為10 ~ 20s。通過等離子體對第一介質(zhì)層216表面材料的轟擊可以破壞或重組第一介 質(zhì)層216膜層材料內(nèi)部的共價鍵或配位鍵，從而減小所述第一介質(zhì)層216膜 層表面壓應(yīng)力，有助于平衡第二介質(zhì)層218與第一介質(zhì)層216之間的應(yīng)力， 增加膜層之間的粘附性，增加器件的可靠性。
如圖8所示，在所述第一介質(zhì)層216上形成第二介質(zhì)層218。所述第二介 質(zhì)層218為氟硅玻璃(FSG)、磷硅玻璃(PSG)、硼硅玻璃(BSG)、硼磷硅玻璃 (BPSG)、氧化硅、氮化硅(SiN)、碳化硅(SiC)中的一種或其組合。通過 對第一介質(zhì)層216表面進行等離子體表面處理，減小了第一介質(zhì)層216和第 二介質(zhì)層218膜層之間的應(yīng)力，增加了粘附性。
本發(fā)明中通過在襯底上形成第一介質(zhì)層216前后對第一介質(zhì)層216下層 的介電層212和第一介質(zhì)層216表面進行等離子體表面處理，等離子體表面 處理過程改善了膜層應(yīng)力，更有助于膜層之間的粘附。
如圖9所示，在所述第二介質(zhì)層218中形成溝槽220和連接孔222，形成 溝槽220和連接孔222的方法可以采用先形成溝槽后形成連接孔的方法，也 可以采用先行成連接孔后形成溝槽的方法。
如圖IO所示，將所述連接孔222底部的第一介質(zhì)層216去除至露出所述 互連層214，在所述連接孔222和溝槽220中填充金屬材料，例如，鋁、銅、 鉭、鴒、鈦、鈦化鉭等。
本發(fā)明方法中，通過在形成第一介質(zhì)層216前后對基底表面進行等離子 處理，改善膜層的內(nèi)部應(yīng)力，去除膜層表面的污染物，更有助于沉積的膜層 之間的粘結(jié)，減小膜層之間剝離的產(chǎn)生，能夠增加形成的結(jié)構(gòu)和器件的可靠 性。
本發(fā)明雖然以較佳實施例公開如上，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和 修改，因此本發(fā)明的保護范圍應(yīng)當以本發(fā)明權(quán)利要求所界定的范圍為準。
權(quán)利要求
1、 一種雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的制造方法，包括 提供一具有器件層的半導(dǎo)體基底； 將所述基底表面曝露于第 一等離子體環(huán)境中； 在所述半導(dǎo)體基底上形成第一介質(zhì)層；將所述第 一介質(zhì)層表面曝露于第二等離子體環(huán)境中；在所述第一介質(zhì)層上形成第二介質(zhì)層；在所述第二介質(zhì)層中形成溝槽和連接孔。
2、 如權(quán)利要求l所述的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于所述第一 等離子體和第二等離子體氣體可以是氦氣、氬氣、氫氣、氨氣中的一種。
3、 如權(quán)利要求1所述的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于所述第一 等離子體射頻源的功率為700 ~ 1200瓦。
4、 如權(quán)利要求1所述的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于所述基底 表面曝露于第 一等離子體環(huán)境中的時間為5 ~ 15秒。
5、 如權(quán)利要求1所述的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于所述第一 等離子體環(huán)境的壓力為4. 0-4. 5托。
6、 如權(quán)利要求1所述的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于所述第一 介質(zhì)層材料可以是氧化硅、碳化硅、氮化硅、碳硅氧化合物、摻氮碳化硅中 的一種或其組合。
7、 如權(quán)利要求1所述的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于所述第一 介質(zhì)層的厚度為300 ~ 800埃。
8、 如權(quán)利要求1所述的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于所述第一 介質(zhì)層的形成方法為物理氣相沉積或化學氣相沉積。
9、 如權(quán)利要求1所述的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于所述第一 介質(zhì)層曝露于第二等離子體環(huán)境的時間為10~20s。
10、 如權(quán)利要求1所述的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于所述第 二等離子體射頻源的功率為200 ~ 400瓦。
11、 如權(quán)利要求1所述的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于所述第 二等離子體環(huán)境的壓力為3. 5~4. 0托。
12、 如權(quán)利要求1所述的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于所述第 二介質(zhì)層為氟硅玻璃、磷硅玻璃、硼硅玻璃、硼磷硅玻璃、氧化硅、氮化硅、 碳化珪中的 一種或其組合。
13、如權(quán)利要求1所述的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于該方法進一步包括在所述溝槽和連接孔中沉積金屬層。
全文摘要
一種雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的制造方法，包括提供一具有器件層的半導(dǎo)體基底；將所述基底表面曝露于第一等離子體環(huán)境中；在所述半導(dǎo)體基底上形成第一介質(zhì)層；將所述第一介質(zhì)層表面曝露于第二等離子體環(huán)境中；在所述第一介質(zhì)層上形成第二介質(zhì)層；在所述第二介質(zhì)層中形成溝槽和連接孔。該方法能夠減小膜層之間的剝離缺陷，增加器件的可靠性。
文檔編號H01L21/768GK101123211SQ20061002991
公開日2008年2月13日 申請日期2006年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月10日
發(fā)明者易義軍, 楊小明, 汪釘崇, 藍受龍 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司