一种消除金属间隙填充物中空洞的方法 【技术领域】
本发明属于半导体集成电路制造工艺技术领域，涉及一种消除金属间隙填充物中空洞的方法。
背景技术
光刻技术伴随集成电路制造工艺的不断进步，线宽的不断缩小，半导体器件的面积正变得越来越小，半导体的布局已经从普通的单一功能分离器件，演变成整合高密度多功能的集成电路；由最初的IC(集成电路)随后到LSI(大规模集成电路)，VLSI(超大规模集成电路)，直至今天的ULSI(特大规模集成电路)，器件的面积进一步缩小，功能更为全面强大。考虑到工艺研发的复杂性、长期性和高昂的成本等等不利因素的制约，如何在现有技术水平的基础上进一步提高器件的集成密度，缩小芯片的面积，在同一枚硅片上尽可能多的得到有效的芯片数，从而提高整体利益，将越来越受到芯片设计者，制造商的重视。
这种趋势推动了半导体器件特征尺寸的显著减小，相应地也对芯片制造工艺提出了更高的要求。其中一个具有挑战性的难题就是绝缘介质在各个薄膜层之间或沟槽中均匀无孔的填充，以提供充分有效的隔离保护。填充方法主要是化学气相沉积工艺，包括常压化学气相沉积(AP CVD)，低压化学气相沉积(LP CVD)，等离子体增强化学气相沉积(PE CVD)，高密度等离子体化学气相淀积(High Density Plasma Chemical Vapor Deposition，HDP CVD)等。对于深宽比小于3∶1的间隙，PE CVD工艺具有很好的填充效果。但随着器件特征尺寸的进一步减小，特别是对于高的深宽比的间隙，其填充工艺大多采用HDP CVD工艺。自20世纪90年代中期开始被先进的芯片工厂采用以来，HDP CVD工艺以其卓越的填孔能力、稳定的淀积质量、可靠的电学特性等诸多优点而迅速成为0.25微米以下先进工艺的主流。这项技术凭借其独特的在高密度等离子体反应腔中同步淀积和刻蚀绝缘介质的反应过程实现了在较低温度下对高深宽比间隔的优良填充。其所淀积的绝缘介质膜具有高密度，低杂质缺陷等优点，同时对硅片有优良的粘附能力。这些优势使HDP CVD工艺迅速取代其他传统工艺而一举成为先进半导体制程中对超细间隔进行绝缘介质填充的首选。
虽然HDP CVD工艺对于深宽比达到3∶1的间隙都有这很好的填充效果，但是随着半导体特征尺寸向65纳米乃至更精细的结构发展，对绝缘介质的填充，特别是对后道金属间隙填充绝缘介质提出了更高的要求，个别器件的结构的深宽比达到了6∶1甚至更高，对于这些高深宽比的间隙，其填充工艺受到了极大的挑战，在填充过程中产生空洞时有发生。这些空洞位于金属间隙填充物当中，每一个间隙最多有一个空洞产生，各个空洞的形状和大小类似。每个空洞相对于所处金属间隙的位置大致相同。空洞形状近似于球体或椭球体，横向直径约为间隙宽度的一半。空洞深度主要由填充工艺的条件和参数决定。这些空洞会导致金属之间的击穿电压降低，并可能在后续的工序如湿法清洗、化学机械抛光中产生缺陷，进而降低产品的合格率，所以成为业界必须解决的问题之一。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是在填充高的深宽比的金属间隙时会在金属间隙填充物中产生空洞。
为解决上述技术问题，本发明提供一种消除金属间隙填充物中空洞的方法，包括如下步骤：
(a)提供衬底，在所述衬底表面形成金属层；
(b)以光刻胶作掩膜，构图刻蚀所述金属层至暴露出所述衬底，形成金属间隙；
(c)在所述衬底和金属层表面上淀积第一类绝缘材料至填满所述金属间隙并覆盖所述金属层，该过程中，每个金属间隙之间的第一类绝缘材料中有不多于一个空洞产生；
(d)以光刻胶作掩膜，构图刻蚀所述第一类绝缘材料，至暴露出所述空洞；
(e)在所述第一类绝缘材料表面上淀积第二类绝缘材料至填满所述暴露出来的空洞并覆盖所述第一类绝缘材料；
(f)平坦化所述第二类绝缘材料
根据本发明提供的消除金属间隙填充物中空洞的方法，其中，所述衬底为绝缘材料，在所述衬底上淀积地所述金属层为物理气相沉积的铝、钛、钨、铜、钽的其中一种或组合，厚度为0.1微米到10微米。所述金属层的构图刻蚀采用干法刻蚀工艺。所形成的金属间隙的深宽比为3.5∶1到10∶1。填充金属间隙采用HDP CVD工艺，所使用的所述第一类绝缘材料为氧化物绝缘材料。由于金属间隙的深宽比很高，HDP CVD工艺在填充过程中不可避免地要产生空洞。这些空洞位于金属间隙填充物当中，每一个间隙最多有一个空洞产生，各个空洞的形状和大小类似。每个空洞相对于所处金属间隙的位置大致相同。空洞形状近似于球体或椭球体，横向直径约为间隙宽度的一半。空洞深度主要由填充工艺的条件和参数决定。所述第一类绝缘材料的刻蚀采用干法刻蚀的方法。对于距所述衬底表面2/3金属层厚度处以下的空洞，由于其对器件性能无实质影响，可以不填充。所以所述第一类绝缘材料的刻蚀深度在距所述衬底表面2/3金属层厚度处以上。当然对于距所述衬底表面2/3金属层厚度处以下的空洞，仍然可以刻蚀所述第一类绝缘材料至空洞暴露出来然后加以填充。用化学气相沉积或物理气相沉积的方法填充暴露出来的空洞，所采用的所述第二类绝缘材料为氧化物绝缘材料。平坦化所述第二类绝缘材料采用化学机械抛光的方法。平坦化之后，可以用半导体制造工艺进行后续操作，如构图刻蚀所述第一绝缘材料，在金属层正上方的所述第一绝缘材料开窗口为下一层金属互联做准备。
本发明的技术效果是，一种消除金属间隙填充物中空洞的方法，通过构图刻蚀金属层形成高深宽比的金属间隙，填充该金属间隙并在填充过程中，金属间隙的填充物内产生空洞，随后构图刻蚀填充物，至暴露出所述空洞，然后淀积绝缘材料将空洞填满，从而很好的解决了填充高深宽比的金属间隙时产生空洞的问题，避免了因空洞导致的金属之间的击穿电压降低，以及在后续的工序如湿法清洗、化学机械抛光中产生缺陷的可能，提高了产品的合格率。
【附图说明】
图1.表面覆盖有金属层的衬底剖面结构示意图。
图2.构图刻蚀金属层形成金属间隙的剖面结构示意图。
图3.填充金属间隙并产生空洞的剖面结构示意图。
图4.刻蚀第一类绝缘材料使空洞暴露在外的剖面结构示意图。
图5.空洞被第二类绝缘材料填满后的剖面结构示意图。
图6.平坦化后金属间隙填充绝缘材料并无空洞的剖面结构示意图。
【具体实施方式】
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
图1～图7所示为本发明所提供的一种消除金属间隙填充物中空洞的方法实施例流程示意图。如图1～图7所示，消除金属间隙填充物中空洞的方法实施例包括以下步骤：
步骤一，提供衬底。
该实施例中衬底1通常是绝缘材料，如氧化硅。衬底1一般是作为隔离两层金属互连之间的层间介质层或金属前介质层。
步骤二，在衬底表面上形成金属层。
如图1所示，在该步骤中金属层2采用PVD(Physical Vapor Deposition物理气相沉积)的方法沉积到衬底表面，材料通常为铝、钛、钨、铜、钽的其中一种或组合，厚度为0.1微米～10微米。
步骤三，构图刻蚀金属层至暴露出衬底。
如图2所示，在该步骤中，金属层2的图案化，先用金属层2光刻掩模板做掩膜进行光刻，再采用干法刻蚀工艺，刻蚀金属层2至暴露出衬底1并形成金属间隙。这样就将金属层2光刻掩模板上的金属互连图形转移到金属层2中，所形成的金属间隙的深宽比很高，一般达到3.5∶1～10∶1。
步骤四，淀积第一类绝缘材料至填满金属间隙并覆盖金属层。
如图3所示，在该步骤中，用HDP CVD工艺方法淀积第一类绝缘材料3至填满金属间隙并覆盖金属层2。第一类绝缘材料3通常为氧化物绝缘材料，如氧化硅。由于在该实施例中，金属间隙的深宽比很高，使用HDP CVD工艺方法在这些高深宽比的金属间隙内填充第一类绝缘材料3不可避免地会在金属间隙中第一类绝缘材料3内产生空洞4。每一个间隙最多有一个空洞产生，各个空洞的形状和大小类似。每个空洞相对于所处金属间隙的位置大致相同。空洞4的形状近似于球体或椭球体，横向直径约为间隙宽度的一半。空洞4的深度主要由填充工艺的条件和参数决定。
步骤五，以光刻胶作掩膜，构图刻蚀金属间隙中的第一类绝缘材料，使空洞暴露出来。
如图4所示，该步骤中，构图刻蚀金属间隙中的第一类绝缘材料3采用干法刻蚀工艺。此步骤中可以使用金属层2光刻掩模板做掩膜进行光刻形成光刻胶掩膜，这样可以重复利用，节约成本，使效率更高；对于距衬底1表面2/3金属层厚度处以下的空洞，由于其对器件性能无实质影响，可以不填充。所以第一类绝缘材料3的刻蚀深度在距衬底1表面2/3金属层厚度处以上。
步骤六，淀积第二类绝缘材料至填满暴露出来的空洞并覆盖第一类绝缘材料。
如图5所示，该步骤中，第二类绝缘材料6与第一类绝缘材料3可以是相同材料，也可以是不相同的材料，通常也是氧化物绝缘材料，如氧化硅。它们的作用主要是对金属互连进行隔离。第二类绝缘材料6的淀积可以采用化学气相沉积的方法，如HDP CVD(高密度等离子化学气相沉积)、APCVD(常压化学气相沉积)、PECVD(等离子体增强化学气相沉积)，也可以采用物理气相沉积的方法。淀积第二类绝缘材料6至填满空洞4并覆盖第一类绝缘材料3。
步骤七，平坦化用于填充空洞的第二类绝缘材料层。
如图6所示，在该步骤中，用于填充空洞的第二类绝缘材料6的平坦化采用化学机械抛光的方法。平坦化要是得第二类绝缘材料6的表面平整，也可以使得第一类绝缘材料3暴露出来或部分被去除。平坦化之后，可以用半导体制造工艺进行后续操作，如构图刻蚀所述第一类绝缘材料3，在金属层2正上方的第一类绝缘材料3中开窗口为下一层金属互联做准备。
结合上述一种消除金属间隙填充物中空洞的方法，本发明的一个较佳实施方式中，衬底1是二氧化硅；金属层2是金属铝，厚度是1微米；金属间隙是0.25微米，高宽比为4∶1；第一类绝缘材料3是二氧化硅，刻蚀深度为0.8微米；第二类绝缘材料6为二氧化硅。
在不偏离本发明的精神和范围的情况下还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实施例。