金屬前介質層形成方法及其結構的制作方法

文檔序號：7211302閱讀：1486來源：國知局

專利名稱：金屬前介質層形成方法及其結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及集成電路制造技術領域，特別涉及一種金屬前介質層形成方法及其結構。
背景技術：
金屬前介質層(Pre-Metal Dielectric, PMD )作為器件和互連金屬層間的隔離層以及使器件免受雜質粒子污染的保護層，其膜層沉積效果的好壞直接影響器件的性能。
隨著半導體器件尺寸的逐漸減小，PMD層沉積時所要填充的線縫寬度也越來越小，深寬比越來越大，填孔能力成為PMD層沉積工藝的優化目標。現有工藝中通常選用高密度等離子體化學氣相沉積(HDPCVD)和次大氣壓化學氣相沉積(SACVD)工藝形成PMD層，所用PMD層材料包括^旦不限于磷硅玻璃(PSG ) 及硼磷硅玻璃(BPSG)。實踐表明，HDP-PMD薄膜具有沉積速度快、薄膜致密以及均勻性好等一系列優點。但為保證HDP-PMD薄膜的沉積效果，必需嚴格控制其沉積-刻蝕速率比。
考慮到，HDPCVD工藝反應室內壓力在10mTorr(毫托，千分之一毫米汞柱) 以下，而傳統的SACVD工藝反應室內壓力在200-600Torr之間，相比而言，分子的平均自由程更小，填孔能力更強，導致SA-PMD薄膜表現出更為優越的填孔能力，除此之外，傳統的SACVD采用熱降解的工藝，沒有使用射頻產生的等離子體，還可避免等離子體引起的器件損傷。但隨著集成電路臨界尺寸進入 65納米甚至更小尺寸后，對PMD層的沉積工藝，傳統的SA-PMD也無能為力。
近來，伴隨著器件密集程度和工藝復雜程度的不斷增加，由膜層應力引發的器件性能受損的比例逐漸增高，導致膜層應力問題日漸引起業界的重視。如何提供一種既能保證PMD層填孔質量、又能改善由膜層應力引發的器件性能受損狀況的PMD沉積方法，成為本領域技術人員亟待解決的問題。
申請號為03151024. 8的中國專利申請中提供的一種多沉積步驟的高密度等離子體化學氣相沉積方法，該方法通過至少二次高密度等離子體化學氣相沉積步驟，且保證每一沉積步驟的沉積-刻蝕速率比(D/S值)不同，其第一 D/S值范圍為7-20,第二D/S值范圍為2. 5--8，以在帶有線縫的半導體基底上沉積薄膜并無孔洞地填充該線縫。
然而，實際生產過程中，應用該方法雖可解決線縫填充問題，但無法解決膜層應力問題。
專利號為CN1242466C的中國專利中提供了一種降低淺溝槽隔離側壁氧化層應力與侵蝕的方法，該方法至少包括下列步驟提供一底材，所述底材具有一的第一介電層于及一覆蓋所述第一介電層的第二介電層；形成一溝槽進入所述底材；形成一側壁氧化層于所述溝槽的側壁與底部；以一介電材料填滿所述溝槽；及執行一現場蒸汽發生制程以再氧化所述側壁氧化層，所述現場蒸汽發生制程至少包括引入氧與氫氧根.。
顯然，該方法雖提供了可減小膜層應力的技術提示，但卻無法解決線縫填充問題。同時，所述技術提示與上述可解決填充間隙問題的技術方案的簡單組合，即在多沉積步驟的高密度等離子體化學氣相沉積后，再執行一現場蒸汽發生制程，理論上可提供既能保證線縫填充質量、又能減小膜層應力的膜層沉積方法，但卻不適用于PMD沉積工藝，因為所述現場蒸汽發生制程所需溫度為700-1200攝氏度，如此高溫會對已形成的器件的性能造成不良影響。

發明內容
本發明提供了一種金屬前介質層形成方法，用以形成無沉積孔洞產生且
通過改變器件內應力狀態以改善器件性能的PMD層；本發明還提供了一種金
屬前介質層結構，其內部無孔洞產生。
本發明提供的一種金屬前介質層形成方法，包括在半導體襯底上形成金屬前介質層沉積基底；
在所述沉積基底上利用第一 CVD方法沉積第一金屬前介質層；在所述第一金屬前介質層上利用第二 CVD方法沉積第二金屬前介質層。所述第一 CVD方法為HARP SACVD;所述HARP SACVD設備型號為AMAT Producer SE;所述第一金屬前介質層材料為無摻雜玻璃；所述第一金屬前介質層厚度范圍為10 ~ 100納米;所述第二CVD方法包括但不限于傳統的SACVD、 PECVD及HDPCVD工藝中的一種；所述第二金屬前介質層材料包括但不限于二氧化硅、磷硅玻璃、硼硅玻璃、硼磷硅玻璃、氟硅玻璃或具有低介電常數材料中的一種或其組合。所述具有低介電常數材料包括但不限于黑鉆石或 coral。
本發明提供的一種金屬前介質層結構，所述金屬前介質層內無沉積孔洞
產生，所述金屬前介質層包含順此沉積的第一金屬前介質層及第二金屬前介質層。
所述第一金屬前介質層材料為無摻雜玻璃:所述第一金屬前介質層厚度范
圍為10-100納米；所述第二金屬前介質層材料包括但不限于二氧化硅、磷
硅玻璃、硼硅玻璃、硼磷硅玻璃、氟硅玻璃或具有低介電常數材料中的一種或其組合。
本發明提供的一種膜層形成方法，包括
在半導體襯底上形成膜層沉積基底；
在所述沉積基底上利用第一 CVD方法沉積第一膜層；
在所述第一膜層上利用第二CVD方法沉積第二膜層。
所述第一 CVD方法為HARP SACVD;所述HARP SACVD設備型號為扁AT Producer SE;所述第一膜層材料為無摻雜玻璃；所述第一膜層厚度范圍為10 ~ 100納米；所述第二CVD方法包括但不限于傳統的SACVD、 PECVD及HDPCVD工藝中的一種；所述第二膜層材料包括但不限于二氧化硅、磷硅玻璃、硼硅玻璃、
硼磷硅玻璃、氟硅玻璃或具有低介電常數材料中的一種或其組合。
本發明提供的一種膜層結構，所述膜層內無沉積孔洞產生，所述膜層包
含順此沉積的第一膜層及第二膜層。
所述第一膜層材料為無摻雜玻璃；所述第一膜層厚度范圍為10-100納
米；所述第二膜層材料包括但不限于二氧化硅、磷硅玻璃、硼硅玻璃、硼磷硅
玻璃、氟硅玻璃或具有低介電常數材料中的一種或其組合。
與現有技術相比，本發明具有以下優點
1. 利用HARP SACVD與HDPCVD、 SACVD或PECVD等傳統工藝結合的方法，可形成無孔洞的PMD層，進而增強器件的可靠性；
2. 利用HARP SACVD與HDPCVD、 SACVD或PECVD等傳統工藝結合代替HARP SACVD，可在形成無孔洞的PMD層的同時，將產能提高高于一倍；
3. 通過采用USG和復合介質材料組成的雙層結構替代現有的由復合介質材料構成的單層結構，可實現無孔洞的PMD層沉積；通過采用USG和復合介質材料組成的雙層結構替代由USG構成的單層結構，可有效防止制程中Na (鈉) 離子的擴散；
4. 首先利用HARP SACVD形成USG層，繼而利用HDPCVD或PECVD等傳統工藝形成復合介質材料層，形成USG和復合介質材料組成的雙層結構時，所述利用 HARP SACVD形成的USG層可作為后續HDPCVD或PECVD等等離子體沉積工藝的阻擋層，有利于減少后續等離子體沉積工藝造成的器件損傷；
5. 應用HARP SACVD形成的膜層的應力為拉應力，而應用HDPCVD、 SACVD 或PECVD等傳統工藝形成的膜層的應力為壓應力，兩種應力類型相反，總體表現為采用USG層和復合介質材料組成的雙層結構綜合了對器件的總體應力影響，有利于器件性能的改善；
6. 通過控制應用HARP SACVD形成的膜層的厚度與應用HDPCVD、 SACVD或 PECVD等傳統工藝形成的膜層的厚度的比值，可靈活調整沉積后PMD層內的膜層應力值；
7. 利用HARPSACVD工藝沉積第一介質層，以降低后續制程的線縫深寬比，繼而應用HDPCVD、 SACVD或PECVD等傳統工藝沉積第二介質層，以完成介質層的沉積，可保證后續工藝與現有工藝相同，使得可將為實現工藝優化而對現有工藝進行的改變降至最低，降低研發成本。

圖1A ~ 1C為說明本發明第一實施例的沉積PMD層的流程示意圖2A 2C為說明本發明第二實施例的沉積STI層的流程示意圖3A~ 3C為說明本發明第三實施例的單鑲嵌制程中沉積介質層的流程示意圖。
具體實施例方式
盡管下面將參照附圖對本發明進行更詳細的描述，其中表示了本發明的優選實施例，應當理解本領域技術人員可以修改在此描述的本發明而仍然實現本發明的有利效果。因此，下列的描遲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，因為它們會使本發明由于不必要的細節而混亂。應當認為在任何實際實施例的開發中，必須做出大量實施細節以實現開發者的特定
目標，例如按照有關系統或有關商業的限制，由一個實施例改變為另一個實施例。另外，應當認為這種開發工作可能是復雜和耗費時間的，但是對于具
在下列段落中參照附圖以舉例方式更具體地描述本發明。根據下列說明和權利要求書本發明的優點和特征將更清楚。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明實施例的目的。
在本文件中，術語"線縫，，表示芯片內同層材料圖形間的隔離區域，并可與術語"縫隙"或"間隙，，互換；術語"孔洞，，表示線縫填充后形成的材料內的隔離區域，并可與術語"空洞"或"空隙"互換。
應用本發明提供的方法形成無沉積孔洞產生且通過改變器件內應力狀態以改善器件性能的金屬前介質層的步驟包括在半導體襯底上形成金屬前介質層沉積基底；在所述沉積基底上利用第一 CVD方法沉積第一金屬前介質層；在所述第一金屬前介質層上利用第二 CVD方法沉積第二金屬前介質層。
圖1A ~ 1C為說明本發明第一實施例的沉積PMD層的流程示意圖，如圖所示，應用本發明提供的方法填充金屬前介質層的具體步驟包括
首先，如圖1A所示，在半導體襯底10上形成金屬前介質層沉積基底20。
所述沉積基底包含器件區和非器件區，柵極結構30形成于所述器件區表面，所述柵極結構間具有線縫40。所述柵極結構30包含柵極33、環繞柵極的側墻32以及覆蓋所述柵極和側墻的阻擋層31。所述柵極結構30還包含柵氧化層13。
所述柵極優選地由多晶硅構成，或由多晶硅與金屬硅化物等材料組合而成；所述金屬硅化物包含硅化鉤(WSi)或硅化鈦(TiSi2)等材料中的一種；所述側墻材料優選地由二氧化硅(Si02)構成；所述側墻利用沉積-反刻工藝形成；所述沉積工藝選用化學氣相淀積；所述刻蝕工藝選為等離子體刻蝕。所述阻擋層材料優選地由氮化硅(Si3N4)構成；所述阻擋層利用化學氣相淀積工藝形成。
所述柵極結構的形成方法可采用任何傳統的方法，涉及的技術方案在任何情況下均未被視作本發明的組成部分，在此不再贅述。
其次，在所迷沉積基底20上利用第一CVD方法沉積第一金屬前介質層50。所述第一CVD方法選用具有良好的線縫填充能力的CVD方法。對于臨界尺寸為65nm或更小工藝節點的CVD制程，所述第一CVD方法選用HARP SACVD ( high
aspect ratio process Sub-Atmospherical CVD ); 所述第一金屬前介質層材料為無摻雜玻璃(Un-D叩ed Silicate Glass, USG );所述形成第一金屬前介質層材料包含第一反應氣體及第二反應氣體，所述第一反應氣體包含硅烷(SiH4)或正硅酸乙酯(TEOS， Si (C2H504))中的一種，所述第二反應氣體包
含氧氣(02)或臭氧(03)中的一種。
通常，利用HARP SACVD沉積PMD層的方法包含兩個步驟所述第一步驟中采用較高的氣體壓力和較高的所述第二反應氣體濃度以及較低的第一反應氣體流量，以保證所述基底內線縫的填充效果；所述第二步驟中采用現行的膜層沉積工藝，以提高產能。
作為示例，所述第一反應氣體選用TEOS，所述第二反應氣體選用03時，所述第一步驟中氣體壓力可為500 - 600Torr,所述03的濃度范圍為10°/。 ~ 20%，所述TEOS流量范圍為100 ~ 1000 mgm (毫克/分鐘)，優選為400 ~ 600 mgm; 所述第二步驟中氣體壓力可為100 200Torr，所述03的濃度范圍為5°/。 ~ 15%，所述TEOS流量范圍為1000 ~ 10000 mgm(毫克/分鐘)，優選為4000 ~ 6000 mgm。
所述第一步驟中HARP SACVD的沉積速率范圍為10-20nm/min，所述第二步驟中HARP SACVD的沉積速率范圍為150 200nm/min。
所述HARP SACVD設備型號為AMAT Producer SE。
然而，此HARP SACVD雖然具有優越的填孔能力，但其產能較低，只約為應用HDPCVD、 SACVD或PECVD等傳統工藝產能的一半，若完全應用HARP SACVD替代現有的HDPCVD、 PECVD或傳統的SACVD沉積PMD層，將嚴重影響產能的輸出。
本發明方法的主體思想即是利用HARP SACVD填充所述線縫中具有高深寬比的區域，繼而利用現有的HDPCVD、 PECVD或傳統的SACVD工藝完成線縫的填充。利用HARP SACVD與HDPCVD、 SACVD或PECVD等傳統工藝結合的方法，形成無孔洞的PMD層，進而增強器件的可靠性。
所述第一金屬前介質層厚度根據工藝要求及生產條件確定。所述第一金屬前介質層厚度至少需保證沉積所述第一金屬前介質層后，所述PMD層內具有一定深寬比的線縫可利用現行工藝進行無孔洞填充。
作為本發明的實施例，若所述線縫深寬比為7: 1,且所述現行工藝為 HDPCVD時，如杲現有技術中HDPCVD可實現線縫無孔洞填充的深寬比小于或等于3: 1,則所述第一金屬前介質層厚度至少為所述線縫深度的七分之四，所述線縫深度為300nm時，所述第一金屬前介質層厚度可大于或等于180nm。
所述利用HDPCVD、 SACVD或PECVD等工藝形成膜層的方法可采用任何傳統的方法，涉及的技術方案在任何情況下均未被視作本發明的組成部分，在此不再贅述。
顯然，上述示例中，線縫深寬比及線縫深度為便于說明本發明的具體實施方式而做出的特殊選擇，不應作為對本發明方法實施方式的限定，本領域技術人員對此作出的任意合理的修改及等同變換不影響本發明方法的實施，且應包含在本發明的保護范圍內。
生產實踐中，所述第一金屬前介質層厚度范圍為10-100ntn，優選為80~ 100腿。
利用HARP SACVD與HDPCVD、 SACVD或PECVD等傳統工藝結合代替HARP SACVD，可在形成無孔洞的PMD層的同時，將產能提高高于一倍。
最后，在所述第一金屬前介質層50上利用第二CVD方法形成第二金屬前介質層60。
所述第二CVD方法包括但不限于傳統的SACVD、 PECVD及HDPCVD。
所述第二金屬前介質層材料包括但不限于未摻雜的二氧化硅(Si(U 、磷硅玻璃(phosphosilicate glass, PSG )、硼硅玻璃(borosi 1 icate ， BSG )、硼磷硅玻璃(borophosphosilicate ， BPSG)、氟硅玻璃(FSG)或具有低介電常數材料中的一種或其組合。所述具有低介電常數材料包括但不限于黑鉆石(Black Diamond, BD)或coral等。所述復合材料包含對USG摻雜形成的材料以及不同摻雜的USG組合而成的材料。
所述第二金屬前介質層厚度值與所述第一金屬前介質層厚度值之和為符合產品要求的PMD層厚度值。
通常，USG利用SACVD、 PECVD或HDPCVD的工藝生成；BPSG及FSG則通過SACVD 的方式生成，PSG則利用PECVD或HDPCVD的方式生成；所述具有低介電常數材料利用PECVD的方式生成。
應力的產生通常是因為兩種物質在溫度改變后的收縮比不同造成的。 HARP SACVD、傳統的SACVD、 HDP以及PECVD都是在400-500攝氏度的條件下在沉積基底上順次沉積第一金屬前介質層及第二金屬前介質層，為描述方便，
將原沉積基底稱為第一沉積基底，將沉積第一金屬前介質層后的沉積基底稱為第二沉積基底。
沉積第一金屬前介質層時，當所述第一金屬前介質層和所述第一沉積基底的溫度降到常溫后，由于所述第一金屬前介質層材料與所述第一沉積基底的收縮比不同，在所述第一金屬前介質層和所述第一沉積基底的內部均產生應力。
當所述第一金屬前介質層材料的收縮比大于所述第一沉積基底的收縮比
時，所述第一沉積基底內部就會產生壓應力(compressive),在所述第一金屬前介質層內部產生相反的拉應力(tensile);反之則會在所述第一沉積基底內產生拉應力，而在所述第一金屬前介質層內部產生壓應力。
同理，在所述第二沉積基底上沉積第二金屬前介質層時，當所述第二金屬前介質層和所述第二沉積基底的溫度降到常溫后，由于所述第二金屬前介質層材料與所述第二沉積基底的收縮比不同，在所述第二金屬前介質層和所述第二沉積基底的內部均產生應力。
當所述第二金屬前介質層材料的收縮比大于所述第二沉積基底的收縮比時，所述第二沉積基底內部就會產生壓應力(compressive)，在所述第二金屬前介質層內部產生相反的拉應力(tensile);反之則會在所述第二沉積基底內產生拉應力，而在所述第二金屬前介-質層內部產生壓應力。
通常，利用PECVD和HDPCVD生成的膜層內部會產生壓應力(約-200MPa); 而利用傳統的SACVD形成的膜層，會產生絞低的壓應力(小于-100MPa);而利用HARP SACVD生成的膜層，則具有拉應力(約+200MPa)。
所述利用HARP SACVD沉積的膜層之所以會具有與利用現行工藝形成沉積的膜層性質相反的應力，是因為利用HAR:3 SACVD沉積的膜層保留了較多的氫鍵，繼而在冷卻的過程中，膜層內部的氫鍵因為不穩定而發生相互作用生成氫氣分子并析出，這種附加反應會使膜層產生一定的體積收縮。此收縮與膜層內因為溫差產生的收縮疊加在一起，使得所述第一金屬前介質層因溫度降低產生的收縮大于所述第一沉積基底的收縮，于是便會在所述第一金屬前介質層中產生拉應力，在所述第一沉積基底中產生壓應力；而后續工藝中應用 HDPCVD、 SACVD或PECVD等傳統工藝形成的所述第二金屬前介質層中產生壓應力，在所述第二沉積基底中產生拉應力；總體表現為采用HARP SACVD與HDPCVD、SACVD或PECVD等傳統工藝組成的復合工藝綜合了對器件的總體應力影響，有
利于器件性能的改善。
應用HARP SACVD形成的膜層的應力為拉應力，而應用HDPCVD、 SACVD或 PECVD等傳統工藝形成的膜層的應力為壓應力，兩種應力類型相反，總體表現為采用USG層和復合介質材料組成的雙層結構減小了沉積后PMD層內的膜層應力。
顯然，所述膜層具有的應力值與所述膜層厚度有關。進而，通過控制應用HARP SACVD沉積的所述第一金屬前介質層的厚度與應用HDPCVD、 SACVD或 PECVD等傳統工藝沉積的所述第二金屬前介質層的厚度的比值，可靈活調整沉積后PMD層內的膜層應力值。
此外，利用HARP SACVD工藝沉積第一金屬前介質層，以降低基底內后續制程的線縫深寬比，繼而應用HDPCVD、 SACVD或PECVD等傳統工藝沉積第二金屬前介質層，以完成金屬前介質層的沉積，可保證后續工藝與現有工藝相同，
如圖1C所示，應用本發明提供的方法形成的所述金屬前介質層具有雙層結構。所述金屬前介質層包含所述第一金屬前介質層50及所述第二金屬前介質層60。所述第一金屬前介質層材料為USG，所述第一金屬前介質層厚度范圍為10~100納米；所述第二金屬前介質層材料為PSG、 BSG、 BPSG、 FSG及具有低介電常數材料等常用層間介質材料中一種或其組合。
通過采用USG和復合介質材料組成的雙層結構替代現有的由復合介質材料構成的單層結構，可實現無孔洞的PMD層沉積；通過采用USG和復合介質材料組成的雙層結構替代由USG構成的單層結構，可有效防止制程中Na (鈉)離子的擴散。
首先利用HARP SACVD形成USG層，繼而利用HDPCVD或PECVD等傳統工藝形成復合介質材料層，形成USG和復合介質材料組成的雙層結構時，所述利用 HARP SACVD形成的USG層可作為后續HDPCVD或PECVD等等離子體沉積工藝的阻擋層，有利于減少后續等離子體沉積工藝造成的器件損傷。
顯然，本發明方法不僅限于上述實施方式，作為本發明的第二實施例，
善器件性能:淺溝槽隔離(STI)物填i的步驟包括在i導體襯底上形成一溝槽；形成一側壁氧化層于所述溝槽的側壁與底部；在所述溝槽內利用第一 CVD方法沉積第一介質層；在所述第一介質層上利用第二CVD方法沉積第二介質層。
圖2A ~ 2C為說明本發明第二實施例的沉積STI層的流程示意圖，如圖所示，應用本發明提供的方法進行淺溝槽隔離物填充的具體步驟包括
首先，如圖2A所示，在半導體襯底上形成沉積基底20,即在半導體襯底 10上形成一溝槽70，并形成一側壁氧化層71于所述溝槽70的側壁與底部。
成隔離氧化層及阻擋層的步驟。所述隔離氧化層材料為二氧化硅；所述阻擋層材料為氮化硅。
所述形成溝槽及側壁氧化層的方法可采用任何傳統的方法，涉及的技術方案在任何情況下均未被視作本發明的紅:成部分，在此不再贅述。
其次，如圖2B所示，在所述溝槽70內利用第一CVD方法沉積第一介質層51。
所述第一CVD方法選用具有良好的溝槽填充能力的CVD方法。對于臨界尺寸為65nm或更小工藝節點的CVD制程，所述第一CVD方法選用HARP SACVD (high aspect ratio process Sub-Atmospherical CVD ); 所述第一介質層材料為無摻雜玻璃(Un-Doped Silicate Glass. USG );所述形成第一介質層的材料包含第一反應氣體及第二反應氣體，所述第一反應氣體包含硅烷(SiH4)或正硅酸乙酯(TEOS， Si(CA04))中的一種，所述第二反應氣體包含氧氣(02) 或臭氧(03)中的一種。
通常，利用HARP SACVD填充STI的方法包含兩個步驟所述第一步驟中采用較高的氣體壓力和較高的所述第二反應氣體濃度以及較低的第一反應氣體流量，以保證所述基底內線縫的填充效果；所述第二步驟中采用現行的膜層沉積工藝，以提高產能。
作為示例，所述第一反應氣體選用TEOS,所述第二反應氣體選用03時，所述第一步驟中氣體壓力可為500 - 600Torr,所述03的濃度范圍為10% ~ 20°/。，所述TEOS流量范圍為100~ 1000 mgm (毫克/分鐘)，優選為200 5Q0 mgm; 所述第二步驟中氣體壓力可為100 - 200Torr，所述03的濃度范圍為5% ~ 15%，所述TEOS流量范圍為1000 ~ 10000 mgm(毫克/分鐘)，優選為2000 ~ 5000 mgm。
所述第一步驟中HARP SACVD的沉積速率范圍為10 20nm/min,所述第二步驟中HARP SACVD的沉積速率范圍為15 0 ~ 2 0Onm/min。
所述HARP SACVD"i殳備型號為AMAT Producer SE。
然而，此HARP SACVD雖然具有優越的填孔能力，^f旦其產能4交j氐，只約為應用HDPCVD、 SACVD或PECVD等傳統工藝產能的一半，若完全應用HARP SACVD替代現有的HDPCVD、 PECVD或傳統的SACVD填充STI，將嚴重影響產能的輸出。
本發明方法的主體思想即是利用HARP SACVD填充所述溝槽中具有高深寬比的區域，繼而利用現有的HDPCVD、 PECVD或傳統的SACVD工藝完成溝槽的填充。利用HARP SACVD與HDPCVD、 SACVD或PECVD等傳統工藝結合的方法,形成無孔洞的STI填充，進而增強器件的可靠性。
所述第一介質層厚度根據工藝要求及生產條件確定。所述第一介質層厚度至少需保證沉積所述第一介質層后，所迷具有一定深寬比的STI可利用現行工藝進行無孔洞填充。
作為本發明的實施例，若所述溝槽的深寬比為7: 1，且所述現行工藝為 HDPCVD時，如果現有技術中HDPCVD可實現溝槽無孔洞填充的深寬比小于或等于3: 1,則所述第一金屬前介質層厚度至少為所述縫隙深度的七分之四，所述溝槽深度為300腿時，所述第一金屬前介質層厚度可大于或等于180nm。
所述利用HDPCVD、 SACVD或PECVD等工藝形成膜層的方法可采用任何傳統的方法，涉及的技術方案在任何情況下均未被視作本發明的組成部分，在此不再贅述。
顯然，上述示例中，溝槽深寬比及溝槽深度為便于說明本發明的具體實施方式而做出的特殊選擇，不應作為對本發明方法實施方式的限定，本領域技術人員對此作出的任意合理的修改及等同變換不影響本發明方法的實施，且應包含在本發明的保護范圍內。
生產實踐中，所述第一介質層厚度范圍為10 100nm，優選為80 100nm。
利用HARP SACVD與HDPCVD、 SACVD或PECVD等傳統工藝結合代替HARP SACVD,可在填充無孔洞的STI的同時，將產能提高高于一倍。
最后，如圖2C所示，在所述第一介質層51上利用第二CVD方法形成第二介質層61。
所述第二CVD方法包括但不限于傳統的SACVD、 PECVD及HDPCVD。所述第二介質層材料為未摻雜的二氧化硅(Si02)。所述第二介質層厚度值與所述第一》、質層厚度值之和為符合產品要求的 STI厚度值。
通常，USG利用SACVD、 PECVD或HDPCVD的工藝生成。
HARP SACVD、傳統的SACVD、 HDP以及PECVD都是在400-500攝氏度的條件下在
沉積基底上順次沉積第一介質層及第二介質層，為描述方便，將原沉積基底稱為第一沉積基底，將沉積第一介質層后的沉積基底稱為第二沉積基底。
沉積第一介質層時，當所述第一介質層和所述第一沉積基底的溫度降到常溫后，由于所述第一介質層材料與所述第一沉積基底的收縮比不同，在所述第一介質層和所述第一沉積基底的內部均產生應力。
當所述第一介質層材料的收縮比大于所述第一沉積基底的收縮比時，所述第一沉積基底內部就會產生壓應力(compressive),在所述第一介質層內部產生相反的拉應力(tensile);反之則會在所述第一沉積基底內產生拉應力，而在所述第一介質層內部產生壓應力。
同理，在所述第二沉積基底上沉積第二介質層時，當所述第二介質層和所述第二沉積基底的溫度降到常溫后，由于所述第二介質層材料與所述第二沉積基底的收縮比不同，在所述第二介質層和所述第二沉積基底的內部均產生應力。
當所述第二介質層材料的收縮比大于所述第二沉積基底的收縮比時，所述第二沉積基底內部就會產生壓應力(compressive)，在所述第二介質層內部產生相反的拉應力(tensile);反之則會在所述第二沉積基底內產生拉應力，而在所述第二介質層內部產生壓應力。
通常，利用PECVD和HDPCVD生成的膜層內部會產生壓應力(約-200MPa); 而利用傳統的SACVD形成的膜層，會產生較低的壓應力(小于-lOOMPa);而利用HARP SACVD生成的膜層,則具有拉應力(約+200MPa)。
所述利用HARP SACVD沉積的膜層之所以會具有與利用現行工藝形成沉積的膜層性質相反的應力，是因為利用HARP SACVD沉積的膜層保留了較多的氫鍵，繼而在冷卻的過程中，膜層內部的氫鍵因為不穩定而發生相互作用生成氫氣分子并析出，這種附加反應會使膜層產生一定的體積收縮。此收縮與膜層內因為溫差產生的收縮疊加在一起，使得所述第一介質層因溫度降低產生的收縮大于所述第一沉積基底的收縮，于是便會在所述第一介質層中產生拉應力，在所述第一沉積基底中產生壓應力；而后續工藝中應用HDPCVD、 SACVD 或PECVD等傳統工藝形成的所述第二介質層中產生壓應力，在所述第二沉積基底中產生拉應力；總體表現為采用HARP SACVD與HDPCVD、 SACVD或PECVD等傳
統工藝組成的復合工藝綜合了對器件的總體應力影響，有利于器件性能的改善。
應用HARP SACVD形成的膜層的應力為拉應力，而應用HDPCVD、 SACVD或 PECVD等傳統工藝形成的膜層的應力為壓應力，兩種應力類型相反，總體表現為采用USG層和復合介質材料組成的雙層結構減小了沉積后PMD層內的膜層應力。
顯然，所述膜層具有的應力值與所述膜層厚度有關。進而，通過控制應用HARP SACVD沉積的所述第一介質層的厚度與應用HDPCVD、 SACVD或PECVD等傳統工藝沉積的所述第二介質層的厚度的比值，可靈活調整填充后STI內的膜層應力值。
此外，利用HARP SACVD工藝沉積第一介質層，以降低后續制程的溝槽深寬比，繼而應用HDPCVD、 SACVD或PECVD等傳統工藝沉積第二介質層，以完成 STI的填充，可保證后續工藝與現有工藝相同，使得可將為實現工藝優化而對現有工藝進行的改變降至最低，降低研發成本。
作為本發明方法的第三實施例，應用本發明4是供的方法形成無沉積孔洞產生且通過改變器件內應力狀態以改善器件性能的單鑲嵌制程中沉積介質層的步驟包括在半導體襯底上形成介質層沉積基底；在所述沉積基底上利用第一 CVD方法沉積第一介質層；在所述第一介質層上利用第二 CVD方法沉積第二介質層。
圖3A ~ 3C為說明本發明第三實施例的單鑲嵌制程中沉積介質層的流程示意圖，應用本發明提供的方法沉積單鑲嵌制程中介質層的具體步驟包括
首先，如圖3A所示，在半導體襯底上形成沉積基底20,即在前層介質層 8 O表面形成介質層沉積基底。
所述基底包含填充區81和非填充區82,所述填充區用以填充介質層；所述非填充區內充滿金屬連線。
所述形成沉積基底的方法可采用任何傳統的方法，涉及的技術方案在任何情況下均未被視作本發明的組成部分，在此不再贅述。
其次，如圖3B所示，在所述沉積基底上利用第一CVD方法沉積第一介質層52。
所述第一CVD方法選用具有良好的線縫填充能力的CVD方法。對于臨界尺寸為65mn或更小工藝節點的CVD制程，所述第一CVD方法選用HARP SACVD ( high
aspect ratio process Sub-Atmospherical CVD ); 所述第一介質層材料為無摻雜玻璃(Un-Doped Silicate Glass, USG);所述形成第一介質層材料包含第一反應氣體及第二反應氣體，所述第一反應氣體包含硅烷(SiH4)或正硅酸乙酯(TEOS, Si (C2H504))中的一種，所述第二反應氣體包含氧氣(02)或臭氧(03)中的一種。
通常，利用HARP SACVD填充線縫的方法包含兩個步驟所述第一步驟中采用較高的氣體壓力和較高的所述第二反應氣體濃度以及較低的第一反應氣體流量，以保證所述基底內線縫的填充效果；所述第二步驟中采用現行的膜層沉積工藝，以提高產能。
作為示例，所述第一反應氣體選用TEOS,所述第二反應氣體選用03時，所述第一步驟中氣體壓力可為500 600Torr:,所述03的濃度范圍為10% ~ 20°/。，所述TEOS流量范圍為100 ~ 1000 mgm (毫克/分鐘)，優選為100~ 300 mgm; 所述第二步驟中氣體壓力可為100 200Torr，所述03的濃度范圍為5% ~ 15%, 所述TEOS流量范圍為1000 ~ 10000 mgm(毫克/分鐘)，優選為IOOO ~ 3000 mgm。
所述第一步驟中HARP SACVD的沉積速率范圍為10 20nm/min,所述第二步驟中HARP SACVD的沉積速率范圍為15Q 200nm/min。
所述HARP SACVDi殳備型號為AMAT Producer SE。
然而，此HARP SACVD雖然具有優越的填孔能力，但其產能較低，只約為應用HDPCVD、 SACVD或PECVD等傳統工藝產能的一半，若完全應用HARP SACVD替代現有的HDPCVD、 PECVD或傳統的SACVD填充線縫，將嚴重影響產能的輸出。
本發明方法的主體思想即是利用HARP SACVD填充所述線縫中具有高深寬比的區域，繼而利用現有的HDPCVD、 PECVD或傳統的SACVD工藝完成線縫的填充。利用HARP SACVD與HDPCVD、 SACVD或PECVD等傳統工藝結合的方法,形成無孔洞的線縫填充，進而增強器件的可靠性。
所述第一介質層厚度根據工藝要求及生產條件確定。所述第一介質層厚度至少需保證沉積所述第一介質層后，所述具有一定深寬比的線縫可利用現行工藝進行無孔洞填充。
作為本發明的實施例，若所述線縫深寬比為7: 1，且所述現行工藝為 HDPCVD時，如果現有技術中HDPCVD可實現線縫無孔洞填充的深寬比小于或等于3: 1，則所述第一介質層厚度至少為所述線縫深度的七分之四，所述線縫深度為300nm時，所述第一介質層厚度可大于或等于180nm。
所述利用HDPCVD、 SACVD或PECVD等工藝形成膜層的方法可采用任何傳統的方法，涉及的技術方案在任何情況下均未被視作本發明的組成部分，在此不再贅述。
顯然，上述示例中，線縫深寬比及線縫深度為便于說明本發明的具體實施方式而做出的特殊選擇，不應作為對本發明方法實施方式的限定，本領域技術人員對此作出的任意合理的修改及等同變換不影響本發明方法的實施，且應包含在本發明的保護范圍內。
生產實踐中，所述第一介質層厚度范圍為10 100nm，優選為80 100nm。
利用HARP SACVD與HDPCVD、 SACVD或PECVD等傳統工藝結合代替HARP SACVD，可在形成無孔洞的線縫填充的同時，將產能提高高于一倍。
最后，如圖3C所示，在所述第一介質層52上利用第二CVD方法形成第二介質層62。
所述第二CVD方法包括但不限于傳統的SACVD、 PECVD及HDPCVD。
所述第二介質層材料包括但不限于未摻雜的二氧化硅(Si(U 、磷硅玻璃 (phosphosilicate glass, PSG )、硼珪玻璃(borosi 1 icate , BSG )、硼磷硅玻璃(borophosphosilicate , BPSG )、氟硅玻璃(FSG )或具有低介電常數材料中的一種或其組合。所述具有低介電常數材料包括但不限于黑鉆石或coral。所述復合材料包含對USG摻雜形成的材料以及不同摻雜的USG組合而成的材料。
所述第二介質層厚度值與所述第一介質層厚度值之和為符合產品要求的介質層厚度值。
通常，USG利用SACVD、PECVD或HDPCVD的工藝生成；BPSG及FSG則通過SACVD 的方式生成，PSG則利用PECVD或HDPCVD的方式生成；所述具有低介電常數材料利用PECVD的方式生成。
應力的產生通常是因為兩種物質在溫度改變后的收縮比不同造成的。 HARP SACVD、傳統的SACVD、 HDP以及PECVD都是在400-500攝氏度的條件下在沉積基底上順次沉積第一介質層及第二介質層，為描述方便，將原沉積基底稱為第一沉積基底，將沉積第一介質層后的沉積基底稱為第二沉積基底。
沉積第一介質層時，當所述第一介質層和所述第一沉積基底的溫度降到常溫后，由于所述第一介質層材料與所述第一沉積基底的收縮比不同，在所述第一介質層和所述第一沉積基底的內部均產生應力。
當所述第一介質層材料的收縮比大于所述第一沉積基底的收縮比時，所
述第一沉積基底內部就會產生壓應力(compressive)，在所述第一介質層內部產生相反的拉應力(tensile);反之則會在所述第一沉積基底內產生拉應力，而在所述第一介質層內部產生壓應力。
同理，在所述第二沉積基底上沉積第二介質層時，當所述第二介質層和所述第二沉積基底的溫度降到常溫后，由于所述第二介質層材料與所述第二沉積基底的收縮比不同，在所述第二介質層和所述第二沉積基底的內部均產生應力。
當所述第二介質層材料的收縮比大于所述第二沉積基底的收縮比時，所述第二沉積基底內部就會產生壓應力(compressive),在所述第二介質層內部產生相反的拉應力(tensile);反之則會在所述第二沉積基底內產生拉應力，而在所述第二介質層內部產生壓應力。
通常，利用PECVD和HDPCVD生成的膜層內部會產生壓應力(約-200MPa); 而利用傳統的SACVD形成的膜層，會產生較低的壓應力(小于-100MPa);而利用HARP SACVD生成的膜層，則具有拉應力(約+200MPa)。
所述利用HARP SACVD沉積的膜層之所以會具有與利用現行工藝形成沉積的膜層性質相反的應力，是因為利用HARI' SACVD沉積的膜層保留了較多的氫鍵，繼而在冷卻的過程中，膜層內部的氬鍵因為不穩定而發生相互作用生成氫氣分子并析出，這種附加反應會使膜層產生一定的體積收縮。此收縮與膜層內因為溫差產生的收縮疊加在一起，使得所述第一介質層因溫度降低產生的收縮大于所述第一沉積基底的收縮，于是便會在所述第一介質層中產生拉應力，在所述第一沉積基底中產生壓應力；而后續工藝中應用HDPCVD、 SACVD 或PECVD等傳統工藝形成的所述第二介質層中產生壓應力，在所述第二沉積基底中產生拉應力；總體表現為采用HARP SACVD與HDPCVD、 SACVD或PECVD等傳統工藝組成的復合工藝綜合了對器件的總體應力影響，有利于器件性能的改善。
應用HARP SACVD形成的膜層的應力為拉應力，而應用HDPCVD、 SACVD或 PECVD等傳統工藝形成的膜層的應力為壓應力，兩種應力類型相反，總體表現為采用USG層和復合介質材料組成的雙層結構減小了沉積后PMD層內的膜層應力。
顯然，所述膜層具有的應力值與所迷膜層厚度有關。進而，通過控制應
用HARP SACVD沉積的所述第一介質層的厚度與應用HDPCVD、 SACVD或PECVD等傳統工藝沉積的所述第二介質層的厚度的比值，可靈活調整填充介質層內的膜層應力值。
此外，利用HARP SACVD工藝沉積第一介質層，以降低后續制程的線縫深寬比，繼而應用HDPCVD、 SACVD或PECVD等傳統工藝沉積第二介質層，以完成介質層的填充，可保證后續工藝與現有工藝相同，使得為實現工藝優化而對現有工藝進行的改變降至最低，降低研發成本。
如圖3C所示，應用本發明提供的方法形成的所述介質層具有雙層結構。所述介質層包含所述第一介質層及所述第二介質層。所述第一介質層材料為 USG,所述第一介質層范圍為10 lOOmn;所述第二介質層材料為PSG、 BSG、 BPSG、 FSG及具有低介電常數材料等常用層間介質材料中一種或其組合。
通過采用USG和復合介質材料組成的雙層結構替代現有的由復合介質材料構成的單層結構，可實現無孔洞的線縫填充。
首先利用HARP SACVD形成USG層，繼而利用HDPCVD或PECVD等傳統工藝形成復合介質材料層，形成USG和復合介質材料組成的雙層結構時，所述利用 HARP SACVD形成的USG層可作為后續HDPCVD或PECVD等等離子體沉積工藝的阻擋層，有利于減少后續等離子體沉積工藝造成的器件損傷。
盡管通過在此的實施例描述說明了本發明，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上。對于本領域技術人員來說另外的優勢和改進是顯而易見的。因此，在較寬范圍的本發明不限于表示和描述的特定細節、表達的設備和方法和說明性例子。因此，可以偏離這些細節而不脫離申請人總的發明概念的精神和范圍。
權利要求
1.一種金屬前介質層形成方法，包括在半導體襯底上形成金屬前介質層沉積基底；在所述沉積基底上利用第一CVD方法沉積第一金屬前介質層；在所述第一金屬前介質層上利用第二CVD方法沉積第二金屬前介質層。
2. 根據權利要求1所述的金屬前介質層形成方法，其特征在于所述第一CVD方法為HARP SACVD。
3. 根據權利要求2所述的金屬前介質層形成方法，其特征在于所述HARP SACVD設備型號為AMAT Producer SE。
4. 根據權利要求1或2或3所述的金屬前介質層形成方法，其特征在于所述第一金屬前介質層材料為無摻雜玻璃。
5. 根據權利要求4所述的金屬前介質層形成方法，其特征在于所述第一金屬前介質層厚度范圍為10-100納米。
6. 根據權利要求1所述的金屬前介質層形成方法，其特征在于所述第二CVD方法包括但不限于傳統的SACVD、 PECVD及HDPCVD工藝中的一種。
7. 根據權利要求1或6所述的金屬前介質層形成方法，其特征在于所述第二金屬前介質層材料包括但不限于二氧化硅、磷硅玻璃、硼硅玻璃、硼磷硅玻璃、氟硅玻璃或具有低介電常數材料中的一種或其組合。
8. —種金屬前介質層結構，所述金屬前介質層內無沉積孔洞產生，所述金屬前介質層包含順此沉積的第一金屬前介質層及第二金屬前介質層。
9. 根據權利要求8所述的金屬前介質層結構，其特征在于所述第一金屬前介質層材料為無摻雜玻璃。
10. 根據權利要求8或9所述的金屬前介質層結構，其特征在于所述第一金屬前介質層厚度范圍為10 ~ 100納米。
11. 根據權利要求8所述的金屬前介質層結構，其特征在于所述第二金屬前介質層材料包括但不限于二氧化硅、磷硅玻璃、硼硅玻璃、硼磷硅玻璃、氟硅玻璃或具有低介電常數材料中的一種或其組合。
12. —種膜層形成方法，包括在半導體襯底上形成膜層沉積基底；在所述沉積基底上利用第一 CVD方法沉積第一膜層；在所述第一膜層上利用第二 CVD方法沉積第二膜層。
13. 根據權利要求12所述的金屬前介質層形成方法，其特征在于所述第一CVD方法為HARP SACVD。
14. 根據權利要求13所述的金屬前介質層形成方法，其特征在于所述 HARP SACVDi殳備型號為AMAT Producer S'E。
15. 根據權利要求12或13或14所述的金屬前介質層形成方法，其特征在于所述第一膜層材料為無摻雜玻璃。
16. 根據權利要求15所述的金屬前介質層形成方法，其特征在于所述第一膜層厚度范圍為10 ~ 100納米。
17. 根據權利要求12所述的金屬前介質層形成方法，其特征在于所述第二 CVD方法包括但不限于傳統的SACVD、 PECVD及HDPCVD工藝中的一種。
18. 根據權利要求12或17所述的金屬前介質層形成方法，其特征在于所述第二膜層材料包括但不限于二氧化硅、磷硅玻璃、硼硅玻璃、硼磷硅玻璃、氟硅玻璃或具有低介電常數材料中的一種或其組合。
19. 一種膜層結構，所述膜層內無沉積孔洞產生，所述膜層包含順此沉積的第一膜層及第二膜層。
20. 根據權利要求19所述的金屬前介質層結構，其特征在于所述第一膜層材料為無摻雜玻璃。
21. 根據權利要求19或20所述的金屬前介質層結構，其特征在于所述第一膜層厚度范圍為10-100納米。
22. 根據權利要求19所述的金屬前介質層結構，其特征在于所述第二膜層材料包括但不限于二氧化硅、磷硅玻璃、硼硅玻璃、硼磷硅玻璃、氟硅玻璃或具有低介電常數材料中的一種或其組合。
全文摘要
一種金屬前介質層形成方法，包括在半導體襯底上形成金屬前介質層沉積基底；在所述沉積基底上利用第一CVD方法沉積第一金屬前介質層；在所述第一金屬前介質層上利用第二CVD方法沉積第二金屬前介質層。可形成無沉積孔洞產生且通過改變器件內應力狀態以改善器件性能的金屬前介質層，利用HARP SACVD工藝沉積第一介質層，以降低后續制程的線縫深寬比，繼而應用HDPCVD、SACVD或PECVD等傳統工藝沉積第二介質層，以完成介質層的沉積，可保證后續工藝與現有工藝相同，使得可將為實現工藝優化而對現有工藝進行的改變降至最低，降低研發成本。
文檔編號H01L21/31GK101197272SQ20061011916
公開日2008年6月11日申請日期2006年12月5日優先權日2006年12月5日
發明者明蔡, 鄭春生申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司

完整全部詳細技術資料下載