專利名稱：通孔形成方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體制造技術領域，特別涉及一種通孔形成方法。
背景技術：
超大^L才莫集成電3各(Very Large Scale Integrated Circuit, VLSI) 通常需要一層以上的金屬層提供足夠的互連能力，此多層金屬間的互連 以及器件有源區(qū)與外界電路之間的連接通過已填充導電材料的通孔實 現(xiàn)，且為保證器件工作的穩(wěn)定性，要求通孔間無電連接，隨著器件的密 集程度和工藝的復雜程度不斷增加，在形成通孔時，對工藝進行嚴格控 制變得非常重要。
當前，形成所述通孔的步驟包括，步驟101:如圖1所示，在基底IO 上形成層間介質層20;步驟102:如圖2所示，圖形化所述層間介質層20， 形成接觸孔30;通常，在所述接觸孔30的側壁及底壁形成有包含聚合物 的粘附層32;如圖3所示，清洗所述接觸孔30，形成通孔40。
然而，如圖4所示，實際生產發(fā)現(xiàn)，在層間介質層材料為PSG (磷硅玻 璃)時，應用上述方法形成的通孔會在底角處產生凹陷42，所述凹陷42 的存在易在通孔間形成連接通路，繼而，在后續(xù)向所述通孔內填充導電 材料(如金屬)后，造成通孔間的連通，影響器件電學性能。如何減少 所述凹陷的產生成為本領域技術人員亟待解決的問題。
實踐中，通常采用改善所述圖形化(如刻蝕)工藝或提高圖形化終點 檢測的方法減少所述凹陷的產生，如，2006年8月2日公布的公開號為"CN 1812066A"的中國專利申請中提供的一種刻蝕終點的檢測方法。但是， 實際生產發(fā)現(xiàn)，即使圖形化所述層間介質層后，未發(fā)現(xiàn)所述接觸孔底角 處具有凹陷，在經歷所述清洗操作后，也會在所述通孔底角處產生凹陷。 由此，如何在符合產品要求的圖形化工藝條件下減少經歷清洗操作后形 成的通孔底角凹陷成為本發(fā)明解決的主要問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了 一種通孔形成方法，可在符合產品要求的圖形化工藝 條件下減少經歷清洗才喿作后形成的通孔底角凹陷。 本發(fā)明提供的一種通孔形成方法，包括，
經由第 一管路和第二管路向反應腔室分別通入經由流量控制器控
制的第一氣體和第二氣體，在基底上形成層間介質層； 圖形化所述層間介質層，形成接觸孔； 清洗所述接觸孔，形成通孔；
特別地，在通入所述第一氣體和第二氣體之前，至少預清洗所述第 一管路和第二管路內由所述流量控制器至所述反應腔室間的管路。
可選地，所述第一氣體包含有硅烷；可選地，所述第二氣體包含有 磷烷；可選地，經由所述第二管路向反應腔室通入第二氣體的步驟包括 所述第二管路包括分離的第一分路和第二分路，所述第一分路和第二分 路分別與流量控制器連通，所述第二氣體流經所述第二管^^時經由第一 分路及第二分路進入所述流量控制器，流經所述流量控制器的第二氣體 繼續(xù)經由第一分3各及第二分路進入所述反應腔室；可選地，經由所述第 一分路的第二氣體從所述反應腔室的頂端進入所述反應腔室；可選地， 經由所述第二分路的第二氣體從所述反應腔室的側壁進入所述反應腔 室；可選地，執(zhí)行所述清洗操作的清洗溶液中包含氫氟酸溶液；可選地， 執(zhí)行所述預清洗操作的預清洗氣體為氬氣、氮氣或氦氣中的一種或其組 合；可選地，經由所述第一分路進入所述反應腔室的預清洗氣體的流量 范圍為10sccm 50sccm;可選地，經由所述第二分路進入所述反應腔室 的預清洗氣體的流量范圍為100sccm 500sccm。
與現(xiàn)有技術相比，上述技術方案具有以下優(yōu)點
上述技術方案提供的通孔形成方法，通過在經由所述第二管路通入所 述第二氣體之前，至少預清洗所述第二管路內由所述流量控制器至所述反應腔室間的管路，可清除位于所述第二管路和反應腔室之間的流量控 制器內殘留的第二氣體，以避免在形成所述層間介質層的初始階段，所 述殘留的第二氣體在所述反應腔室內提供的第二氣體濃度高于形成所述 層間介質層時需要的第二氣體濃度，致使在初始階段形成的所述層間介 質層內經由所述第二氣體提供的元素的含量過高，導致在初始階段形成 的所述層間介質層的材質異于其后形成的所述層間介質層的材質，可通
凹陷。


圖1 ~ 3為說明現(xiàn)有技術中通孔形成過程的結構示意圖4為說明現(xiàn)有技術中通孔底角凹陷的結構示意圖5為說明本發(fā)明實施例形成層間介質層時的反應系統(tǒng)的結構示意
圖6為說明本發(fā)明實施例的形成通孔的流程示意圖； 圖7為說明本發(fā)明實施例的流出所述流量控制器的第二氣體的流量 變化示意圖8~9為說明應用現(xiàn)有技術和本發(fā)明實施例^是供的方法形成的層 間介質層的二次離子質譜曲線。
具體實施例方式
盡管下面將參照附圖對本發(fā)明進行更詳細的描述，其中表示了本發(fā) 明的優(yōu)選實施例，應當理解本領域技術人員可以修改在此描述的本發(fā)明 而仍然實現(xiàn)本發(fā)明的有利效果。因此，下列的描述應當被理解為對于本 領域技術人員的廣泛教導，而并不作為對本發(fā)明的限制。
為了清楚，不描述實際實施例的全部特征。在下列描述中，不詳細 描述公知的功能和結構，因為它們會使本發(fā)明由于不必要的細節(jié)而混 亂。應當認為在任何實際實施例的開發(fā)中，必須做出大量實施細節(jié)以實現(xiàn)開發(fā)者的特定目標，例如按照有關系統(tǒng)或有關商業(yè)的限制，由 一個實 施例改變?yōu)榱硪粋€實施例。另外，應當認為這種開發(fā)工作可能是復雜和 耗費時間的，但是對于本領域技術人員來說僅僅是常規(guī)工作。
在下列段落中參照附圖以舉例方式更具體地描述本發(fā)明。根據(jù)下列 說明和權利要求書本發(fā)明的優(yōu)點和特征將更清楚。需說明的是，附圖均 采用非常簡化的形式且均使用非精準的比率，僅用以方便、明晰地輔助 說明本發(fā)明實施例的目的。
實踐中，應用沉積反應系統(tǒng)形成層間介質層，繼而利用刻蝕反應系
統(tǒng)形成所述通孔。如圖5所示，所述沉積反應系統(tǒng)至少包含反應腔室 50以及分別與所述反應腔室50相連的第一管^各52和第二管3各54，所 述第一氣體和第二氣體分別經由第一管路52和第二管路54進入所述反 應腔室50,所述第一氣體經由所述第一管3各52進入所述反應腔室50; 所述第二氣體經由所述第二管路54進入所述反應腔室50;具體地，所 述第二氣體經由所述第二管路54進入流量控制器60,流經所述流量控 制器60的第二氣體繼續(xù)經由所述第二管路54進入所述反應腔室50;可 選地，所述第二管路54包括分離的第一分路56和第二分路58,所述第 一分路和第二分路分別與流量控制器連通，所述第二氣體流經所述第二 管路54時經由第一分路56及第二分路58進入流量控制器60，流經所 述流量控制器60的第二氣體繼續(xù)經由第一分路56及第二分路58進入 所述反應腔室50。
經由所述第二管路54進入所述反應腔室50時，所述第二氣體可從 所述反應腔室50的頂端及側壁進入所述反應腔室50。特別地，經由所 述第一分路56的第二氣體/人所述反應腔室50的頂端進入所述反應腔室 50;經由所述第二分^各58的第二氣體vMv所述反應腔室50的側壁進入所 述反應腔室50。
在層間介質層材料為PSG (磷硅玻璃)時，所述第一氣體為硅烷； 所述第二氣體為磷烷。所述反應腔室50為化學氣相淀積腔室。實際生產發(fā)現(xiàn)，應用上述方法形成的通孔會在底角處產生凹陷，所 述凹陷的存在易在通孔間形成連接通路，繼而，在后續(xù)向所述通孔內填 充導電材料(如金屬)后，造成通孔間的連通，影響器件電學性能。如 何減少所述凹陷的產生成為本發(fā)明解決的主要問題。
本發(fā)明的發(fā)明人經歷分析與實踐后認為，在通孔底角處產生所述凹陷
的原因在于對應所述通孔底角處(即，在初始階段形成的)的層間介 質層的材質與對應所述通孔其他位置(即，在初始階段之后形成的)的 層間介質層的材質不同，與經歷初始階段之后形成的層間介質層相比， 在初始階段形成的層間介質層更易于在執(zhí)行所述清洗操作時被去除。
本發(fā)明的發(fā)明人經歷分析與實踐后認為，在所述初始階段與其后形成 的層間介質層的材質不同的原因在于由于所述第二氣體流經所述第二 管路54時需流經流量控制器60以控制進入所述反應腔室50的第二氣體的 流量，因此，停止通入所述第二氣體時，所述流量控制器60需關閉。然 而，由于所述流量控制器60包含進氣閥和至少一個出氣閥，所述第二氣 體經由所述進氣閥進入所述流量控制器60;繼而，經由所述出氣閥進入 所述反應腔室50。實踐中，隨著生產過程的持續(xù)，所述進氣閥和出氣閥 將出現(xiàn)磨損，繼而造成所述進氣閥和出氣閥閉合程度的惡化，通常，所 述進氣閥和出氣閥的磨損程度不同，當所述進氣閥的閉合程度差于出氣 閥時，關閉所述流量控制器60后，在所述流量控制器60內將形成所述第 二氣體的殘留，繼而，在后續(xù)開啟所述流量控制器60以向反應腔室50通 入第二氣體時，在通入所述第二氣體的初始階段，易形成所述第二氣體 的爆發(fā)(burst)，使得所述殘留的第二氣體在所述反應腔室50內提供的 第二氣體濃度高于形成所述層間介質層時需要的第二氣體濃度，致使在 初始階段形成的所述層間介質層內經由所述第二氣體提供的元素的含量 過高。
本發(fā)明的發(fā)明人經歷分析與實踐后提出，在經由第一管路52和第二管 路54向反應腔室50分別通入第一氣體和第二氣體，以在基底上形成層間介質層之前，至少預清洗所述第一管^各52和第二管^各54內由所述流量控 制器60至所述反應腔室50間的管^s即，與傳統(tǒng)技術相比，在通入所述 第二氣體之前，增加了所述第二管路54內由所述流量控制器60至所述反 應腔室5 0間的管路的預清洗操作。
經由所述第二管路54通入所述第二氣體之前，至少預清洗所述第二管 路54內由所述流量控制器60至所述反應腔室50間的管路，可清除位于所 述第二管路54和反應腔室50之間的流量控制器60內殘留的第二氣體，以 避免在形成所述層間介質層的初始階段，所述殘留的第二氣體在所述反 應腔室50內提供的第二氣體濃度高于形成所述層間介質層時需要的第二 氣體濃度，致使在初始階段形成的所述層間介質層內經由所述第二氣體 提供的元素的含量過高，導致在初始階段形成的所述層間介質層的材質 異于其后形成的所述層間介質層的材質，可通過增強所述層間介質層的 材質的均勻性減少形成的通孔的底角處產生的凹陷。
結合圖5及圖6所示，應用本發(fā)明提供的方法形成通孔的具體步驟， 包括
步驟601:至少預清洗所述第一管路52和第二管路54內由所述流 量控制器60至所述反應腔室50間的管路。
所述第一管路52和第二管路54分別用以向反應腔室50通入第一 氣體和第二氣體。執(zhí)行所述預清洗操作的氣體為預清洗氣體，所述預清 洗氣體氬氣Ur)、氮氣(N2)或氦氣(He)中的一種或其組合。
預清洗所述第二管路54內由所述流量控制器60至所述反應腔室50 間的管路的步驟包括所述預清洗氣體流經所述第二管路54時進入流 量控制器60，進入所述流量控制器60的所述預清洗氣體繼續(xù)經由所述 第二管路54進入所述反應腔室50;繼而，利用抽氣泵抽離進入所述反 應腔室50所述預清洗氣體。第二管路54的所述預清洗氣體的流量經由所述第三管路70內的流量控 制器60控制。
經由所述第二管3各54進入所述反應腔室50時，所述預清洗氣體可 從所述反應腔室50的頂端(top )及側壁(s ide )進入所述反應腔室50。 特別地，經由所述第一分路56的預清洗氣體從所述反應腔室50的頂端 進入所述反應腔室50;經由所述第二分路58的預清洗氣體從所述反應 腔室50的側壁進入所述反應腔室50。
經由所述第一分路56進入所述反應腔室50的預清洗氣體的流量范 圍為10sccm~ 50sccm, 如20sccm、 30sccm、 40sccm; 經由所述第二分 3各58進入所述反應腔室50的預清洗氣體的流量范圍為100sccm 500sccm, 如200sccm、 300sccm、 400sccm。
通過至少預清洗第二管路54內由所述流量控制器60至所述反應腔 室50間的管路，可清除在所述流量控制器60的進氣閥的閉合程度較出 氣閥差時，在關閉所述流量控制器60期間，殘留在所述流量控制器60 內的第二氣體，避免了在傳統(tǒng)理念中，只要所述流量控制器60的進氣 閥及出氣閥閉合程度變差，即更換所述流量控制器60的處理方式?？?降低所述流量控制器60的更換頻率，減少停積^全^^毛用的時間，利于 生產效率的提高；此外，傳統(tǒng)理念中，大多通過合格率的降低判定述流 量控制器60的進氣閥及出氣閥閉合程度變差，即通過合格率的降低判 定所述流量控制器60失效，換言之，在做出需更換流量控制器60的決 定時，已造成了相當程度的產品損耗，采用本實施例提供的方法，通過 在通入所述第二氣體之前，至少預清洗所述第二管路54內由所述流量 控制器60至所述反應腔室50間的管i 各，可彌補所述流量控制器60失 效造成的產品損耗，利于提高產品的合格率。
步驟602:經由所述第一管路52和第二管路54向反應腔室50分別 通入經由流量控制器60控制的第一氣體和第二氣體，在基底上形成層 間介質層。以所述層間介質層材料為PSG為例，所述第一氣體為硅烷；所述第 二氣體為磷烷。所述反應腔室50為化學氣相淀積腔室。硅烷和磷烷經 由所述第一管路52和第二管路54分別通入所述反應腔室50。磷烷流經 所述第二管路54時首先進入流量控制器60，進入所述流量控制器60 的所述磷烷繼續(xù)經由所述第二管路54進入所述反應腔室50;或者，所 述磷烷經由第一分路56及第二分路58進入流量控制器60，進入所述流 量控制器60的所述磷烷繼續(xù)經由所述第一分路56及第二分路58進入 所述反應腔室50 (即所述磷烷同時經由所述反應腔室50的頂端和側壁 進入所述反應腔室50)。
經由所述第二管路54進入所述反應腔室50時，所述磷烷可從所述 反應腔室50的頂端及側壁進入所述反應腔室50。特別地，經由所述第 一分路56的磷烷從所述反應腔室50的頂端進入所述反應腔室50;經由 所述第二分路58的磷烷從所述反應腔室50的側壁進入所述反應腔室 50。
在襯底(substrate)上定義器件有源區(qū)并完成淺溝槽隔離、繼而 形成柵極結構及摻雜擴散區(qū)后形成基底。所述襯底包含但不限于包括硅 元素的材料，例如單晶、多晶或非晶結構的硅或硅鍺(SiGe)，以及絕 緣體上硅(SOI)。所述柵極結構包含柵極、環(huán)繞柵極的側墻及柵氧化層。 所述柵極結構還可包含覆蓋所述柵極和側墻的阻擋層。
此外，在襯底上定義器件有源區(qū)并完成淺溝槽隔離、繼而形成柵極 結構及摻雜擴散區(qū)、進而沉積第一層間介質層后，繼續(xù)形成第一層通孔， 并填充所述第一層通孔，隨后，形成第一金屬層后，仍可形成基底；或 者，在沉積第一層間介質層后，繼續(xù)形成第一層通孔及溝槽，并填充所 述第一層通孔及溝槽后，仍可形成基底。
可擴展地，在沉積第N-1層間介質層后，繼續(xù)形成第N-1層通孔，并 填充所述第N-1層通孔，隨后，形成第N-1金屬層，形成基底；或者，在
ii沉積第N-1層間介質層后，繼續(xù)形成第N-1層通孔及溝槽，并填充所述第 N-l層通孔及溝槽，仍可形成基底。
顯然，所述層間介質層的數(shù)目N可為任意自然數(shù)，如1、 3、 5、 7 或9等，所述層間介質層的具體數(shù)目根據(jù)產品要求確定。
形成所述層間介質層時可采用SACVD或HARP SACVD (high aspect ratio process Sub—Atmospherical CVD )工藝中的——種或其纟且合。具 體地，可釆用任何傳統(tǒng)的方法，在此不再贅述。
所述層間介質層材料包含但不限于磷硅玻璃(phosphosilicate glass, PSG)、硼硅玻璃(borosilicate ， BSG )、硼磷硅玻璃
(borophosphosilicate , BPSG )、氟硅玻璃(FSG )或具有低介電常數(shù) 材料中的一種或其組合。所述具有低介電常數(shù)材料包括但不限于黑鉆石
(Black Diamond, BD )或coral等。
步驟603:圖形化所述層間介質層，形成接觸孔。
所述圖形化操作采用等離子體刻蝕工藝。圖形化所述層間介質層的 步驟包括在所述層間介質層形成圖形化的抗蝕劑層；去除所述圖形化 的抗蝕劑層暴露的層間介質層。實踐中，所述形成圖形化的抗蝕劑層包 含所述抗蝕劑層的涂覆、烘干、光刻、曝光及^r測等步驟，相關工藝可 應用各種傳統(tǒng)的方法，應用的所述抗蝕劑層可選用任何可應用于半導體 制程中的抗蝕劑材料，在此均不再贅述。
步驟604:清洗所述4妄觸孔，形成通孔。
所述清洗操作用以去除形成所述接觸孔后在其側壁及底壁殘留的 副產物。執(zhí)行所述清洗操作的清洗溶液中包含氫氟酸溶液。所述氫氟酸 溶液既可為濃度為49%的原液，也可為稀釋后獲得的溶液，稀釋后的氪 氟酸溶液的濃度可為45%、 35%、 25%、 15%或小于3%。
本發(fā)明的發(fā)明人通過實驗驗證了上述流量控制器內存在氣體殘留 的效應。以所述磷烷流經的第一分路為例，如圖7所示，曲線72和曲線74分別代表流經未經歷預清洗操作和經歷預清洗^喿作的磷烷的流量 變化曲線。由圖7可見，未經歷預清洗操作時，在通入所述磷烷的初始 階l爻，所述磷烷的流量由約Osccm增至40sccm后，又迅速回復 24. 550sccm,即在通入所述磷烷的初始階段，所述磷烷的流量需經歷爆 發(fā)式增加過程，方趨于平穩(wěn)；而經歷預清洗操作后，則無需經歷所述爆 發(fā)式增加過程。
如圖8所示，曲線81、 83、 85分別代表氧、磷、硅的二次離子質 i普曲線?，F(xiàn)有技術中，未經歷預清洗操作時，在距基底表面約l微米處， 存在磷的原子含量突變(如圖中圈示區(qū)域)。而如圖9所示，曲線82、 84、 86分別代表氧、磷、硅的二次離子質譜曲線。應用本發(fā)明提供的方 法時，經歷預清洗操作后，在距基底表面約l微米處，不存在磷的原子 含量突變(如圖中圏示區(qū)域)。說明所述預清洗操作的引入，利于避免 在初始階段形成的所述層間介質層中引入過量的磷，即利于避免在初始 階段形成的所述層間介質層的材質異于其后形成的所述層間介質層的 材質，利于增強所述層間介質層的材質的均勻性，繼而，利于控制對所 述層間介質層執(zhí)行的圖形化操作的均勻性，利于減少形成的通孔的底角 處產生的凹陷。
需強調的是，未加說明的步驟均可采用傳統(tǒng)的方法獲得，且具體的 工藝參數(shù)根據(jù)產品要求及工藝條件確定。
盡管通過在此的實施例描述說明了本發(fā)明，和盡管已經足夠詳細地描 述了實施例，申請人不希望以任何方式將權利要求書的范圍限制在這種 細節(jié)上。對于本領域技術人員來說另外的優(yōu)勢和改進是顯而易見的。因 此，在較寬范圍的本發(fā)明不限于表示和描述的特定細節(jié)、表達的設備和 方法和說明性例子。因此，可以偏離這些細節(jié)而不脫離申請人總的發(fā)明 概念的精神和范圍。
權利要求
1.一種通孔形成方法，包括，經由第一管路和第二管路向反應腔室分別通入經由流量控制器控制的第一氣體和第二氣體，在基底上形成層間介質層；圖形化所述層間介質層，形成接觸孔；清洗所述接觸孔，形成通孔；其特征在于在通入所述第一氣體和第二氣體之前，至少預清洗所述第一管路和第二管路內由所述流量控制器至所述反應腔室間的管路。
2. 根據(jù)權利要求1所述的通孔形成方法，其特征在于所述第一 氣體包含有硅烷。
3. 根據(jù)權利要求1所述的通孔形成方法，其特征在于所述第二 氣體包含有磷烷。
4. 根據(jù)權利要求1所述的通孔形成方法，其特征在于，經由所述 第二管路向反應腔室通入第二氣體的步驟包括所述第二管路包括分離 的第 一分路和第二分路，所述第 一分路和第二分路分別與流量控制器連 通，所述第二氣體流經所述第二管路時，經由所述第一分路及第二分路 進入所述流量控制器，流經所述流量控制器的第二氣體繼續(xù)經由第 一分 路及第二分路進入所述反應腔室。
5. 根據(jù)權利要求4所述的通孔形成方法，其特征在于經由所述 第 一分路的第二氣體從所述反應腔室的頂端進入所述反應腔室。
6. 根據(jù)權利要求4所述的通孔形成方法，其特征在于經由所述 第二分路的第二氣體從所述反應腔室的側壁進入所述反應腔室。
7. 根據(jù)權利要求1所述的通孔形成方法，其特征在于執(zhí)行所述 清洗操作的清洗溶液中包含氫氟酸溶液。
8. 根據(jù)權利要求1所述的通孔形成方法，其特征在于執(zhí)行所述 預清洗操作的預清洗氣體為氬氣、氮氣或氦氣中的一種或其組合。
9. 根據(jù)權利要求4所述的通孔形成方法，其特征在于經由所述 第 一分路進入所述反應腔室的預清洗氣體的流量范圍為10sccm ~ 50sccm。
10. 根據(jù)權利要求4所述的通孔形成方法，其特征在于經由所述 第二分^各進入所述反應腔室的預清洗氣體的流量范圍為100sccm ~ 500sccm。
全文摘要
一種通孔形成方法，包括，經由第一管路和第二管路向反應腔室分別通入經由流量控制器控制的第一氣體和第二氣體，在基底上形成層間介質層；圖形化所述層間介質層，形成接觸孔；清洗所述接觸孔，形成通孔；特別地，在通入所述第一氣體和第二氣體之前，至少預清洗所述第一管路和第二管路內由所述流量控制器至所述反應腔室間的管路?？稍诜袭a品要求的圖形化工藝條件下減少經歷清洗操作后形成的通孔底角凹陷。
文檔編號H01L21/3105GK101593724SQ20081011399
公開日2009年12月2日 申請日期2008年5月30日 優(yōu)先權日2008年5月30日
發(fā)明者張文廣, 胡亞威, 鄭春生 申請人:中芯國際集成電路制造(北京)有限公司