CN105336725A - 互连结构及其形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种互连结构及其形成方法，互连结构的形成方法包括：提供衬底；采用气化的环硅氧烷作为反应气体，在所述衬底上沉积形成具有多个相互独立孔隙的介质层；在所述介质层中形成导电插塞。本发明还提供一种互连结构，包括：衬底；位于所述衬底上的介质层，所述介质层为含碳氧化硅层，所述含碳氧化硅层中具有多个相互独立的孔隙；位于所述介质层中的导电插塞本发明的有益效果在于：可以形成具有独立孔隙的介质层，这种介质层不仅具有较低的k值，且机械强度也较高，进而提升互连结构的性能。

Description

互连结构及其形成方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，具体涉及一种互连结构及其形成方法。

背景技术

在现有的形成半导体互连结构的工艺一般包括在衬底上形成介质层、刻蚀所述介质层以形成开口，然后在这些开口中填充金属以形成金属插塞或者互连线，进而形成一层互连结构。

但是随着半导体器件集成密度的增加，互连结构中的寄生电容、RC延迟的问题变得愈发明显。现有技术采用具有较低k值的材料来形成所述介质层以减小寄生电容。

但是低k材料的介质层容易导致其他问题，参考图1所示为现有技术中较低k值材料形成的介质层的结构示意图，这种介质层1中具有孔隙2，但是这种介质层的性能仍然不够理想。

例如，由低k值材料形成的介质层的机械强度可能不足，这会影响整个互连结构的性能。

因此，如何进一步提升这种介质层的性能，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种互连结构及其形成方法，以提高互连结构的性能。

为解决上述问题，本发明提供一种互连结构的形成方法，包括：

提供衬底；

采用气化的环硅氧烷作为反应气体，在所述衬底上沉积形成具有多个相互独立孔隙的介质层；

在所述介质层中形成导电插塞。

可选的，形成所述介质层的步骤包括：

采用等离子沉积的方式形成所述介质层。

可选的，所述环硅氧烷的反应气体包括八甲基环四硅氧烷气体、十甲基环五硅氧烷气体、十二甲基环六硅氧烷气体和十四甲基环七硅氧烷气体的一种或多种。

可选的，形成所述介质层的步骤中，所述反应气体还包括臭氧、氧气、二氧化碳或者一氧化碳。

可选的，形成所述介质层的步骤包括：在沉积时通入氦气作为载气。

可选的，所述反应气体和载气的总流量在140～180标况毫升每分钟的范围内。

可选的，形成所述介质层的步骤包括：环硅氧烷的通入量在2500～3500毫克/分钟的范围内。

可选的，形成所述介质层的步骤包括：形成k值在2.6～3.0范围内的介质层。

可选的，形成所述介质层的步骤包括：使形成的介质层中孔隙的平均直径在7～9埃的范围内。

可选的，形成所述介质层的步骤之后，形成所述导电插塞之前，所述形成方法还包括：对所述具有多个空隙的介质层进行固化处理。

可选的，固化处理包括：采用紫外光照射所述介质层。

此外，本发明还提供一种互连结构，包括：

衬底；

位于所述衬底上的介质层，所述介质层为含碳氧化硅层，所述含碳氧化硅层中具有多个相互独立的孔隙；

位于所述介质层中的导电插塞。

可选的，所述介质层中孔隙的平均直径在7～9埃的范围内。

可选的，所述介质层的k值在2.6～3.0的范围内。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

采用环硅氧烷作为反应气体，在所述衬底上沉积形成具有多个相互独立的孔隙的介质层，这种介质层因具有孔隙而具有较低的k值，且因为环硅氧烷中本身自带“环”状结构，在沉积形成介质层时，环硅氧烷的分子本身的“环”状结构便可能形成一个孔隙，环硅氧烷的分子与其他环硅氧烷的分子依靠***的甲基结合；此外，因为与硅原子连接的只有甲基以及氧原子(也就是硅氧键)，即使环硅氧烷的“环”状结构断开，也只是硅原子与原本的氧原子断开，而与其他的氧原子重新形成新的硅氧键，这个更大的“环”也构成了一个独立的孔隙。相对于现有技术中各个孔隙之间相通的多孔介质层，本发明形成的介质层中各个孔隙之间相互独立，机械强度相对较高，能够在一定程度上减少介质层因机械强度问题而受到损伤的概率，进而提升形成的互连结构的性能。

另外，本发明可以在沉积后直接形成孔隙，不需要像现有技术在沉积后额外增加成孔步骤以形成孔隙，在一定程度上简化了工艺。

附图说明

图1是现有技术中具有孔隙的介质层的结构示意图；

图2为本发明互连结构的形成方法一实施例的结构示意图；

图3为本发明互连结构中介质层一实施例的结构示意图。

具体实施方式

现有技术中低k材料的介质层的性能仍不够理想，进而影响整个互连结构的性能，其原因在于，现有技术中为了降低材料的k值，一般将介质层做成疏松多孔的结构(参考图1所示)，但是这些孔隙2之间相互连通而形成尺寸较大、且尺寸不均匀的孔隙，尺寸较大的空隙承受外力的能力较差，这容易影响形成的介质层1的机械强度，导致介质层1容易受到后续其他半导体工艺的影响，例如，在一些研磨工艺中，因受到外力而产生裂纹。

具体来说，导致形成的孔隙2之间相互连通的原因在于，现有技术中形成介质层的工艺为：将形成介质层的反应气体(反应气体分子带有氢硅键)混入致孔剂气体一同沉积，在形成介质层后，对介质层进行成孔处理，使介质层中的部分致孔剂分子与介质层材料的分子聚合反应形成水以及其他容易离开介质层的物质，这些物质离开介质层进而形成所述孔隙2。

以反应气体二乙氧基甲基硅烷(DEMS)为例，这种材料分子需要在沉积过程中加入致孔剂，并经过成孔步骤(例如，采用如辐射处理等)才能产生孔隙。

由于二乙氧基甲基硅烷分子结构中带有氢硅键，而聚合反应过程中氢硅键容易断裂，硅原子可能与其他的二乙氧基甲基硅烷分子结合，也可能与致孔剂分子等其他分子结合，结合后的分子结构复杂且变化多样，所以形成的孔隙比较杂乱无章，例如，参考图1所示，孔隙21以及22原本为两个孔隙，但是在聚合过程中，孔隙21以及22相通(参考虚线框23中的部分)，介质层1中的其他孔隙之间也相互连通，进而导致了介质层机械强度不够的问题，进而影响了互连结构的性能。

为此，本发明为了解决上述问题，提供一种互连结构的形成方法，包括以下步骤：

提供衬底；采用气化的环硅氧烷作为反应气体，在所述衬底上沉积形成具有多个相互独立孔隙的介质层；在所述介质层中形成导电插塞。

这种介质层因具有孔隙而具有较低的k值，由于环硅氧烷中本身自带环状结构，在沉积形成介质层时候，环硅氧烷分子中仅有周围的甲基与其他环硅氧烷的分子结合，进而形成较大的分子，而环硅氧烷的分子本身的环状结构便形成孔隙；

或者，环硅氧烷的分子中的“环”断开，与其他环硅氧烷分子结合形成一个更大的“环”，这个“环”形成的孔隙也是独立的，因为与硅原子连接的只有甲基以及氧原子(也就是硅氧键)，即使环硅氧烷的“环”状结构断开，也只是硅原子与原本的氧原子断开，而与其他的氧原子重新形成新的硅氧键，这个更大的“环”也是一个独立的孔隙。

此处需要说明的是，在化学气相沉积的过程中，环硅氧烷的分子一般在聚合到一定重量时会“下沉”，进而附着在被沉积表面上，环硅氧烷的分子聚合到何种重量时“下沉”取决于沉积时的各项工艺参数。也就是说，环硅氧烷的分子之间聚合形成的“环”在到达一定阈值范围时便沉积至被沉积表面，形成的孔隙之间的尺寸差距不会有太大的波动，孔隙的大小比较均匀。

由于所述介质层中的各个孔隙之间相互独立，相对于现有技术中的多孔介质层来说机械强度更高，因为现有技术中的多孔介质层中的各个孔隙之间相通，也就是说，现有技术中这些孔隙共同形成一个更大的孔隙(结合参考图1所示)，这种结构的介质层的机械强度较低，容易在后续一些工艺中受到损伤，例如，在一些研磨步骤中因受到外力作用而产生裂纹等。相比之下，本发明的介质层中孔隙之间相互独立，机械强度相对较高，能够在一定程度上减少因机械强度问题而受到损伤的概率，进而提升形成的互连结构的性能。

另外，本发明可以在沉积后直接能够形成孔隙，不需要像现有技术中那样在沉积后必须额外增加成孔步骤才能形成孔隙，这在一定程度上简化了工艺。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例作详细的说明。

首先提供以衬底，所述衬底用于提供一形成所述介质层的表面，本发明对所述衬底不作任何限定。

然后，参考图2，采用环硅氧烷(cyclosiloxane)作为反应气体，在所述衬底上沉积形成具有多个孔隙101的介质层100，所述介质层100的材料为含碳氧化硅(SiOCH)。这种介质层因具有孔隙而具有较低的k值。

由于采用环硅氧烷作为反应气体，在本实施例中，采用等离子沉积的方式形成所述介质层100。

具体的，在本实施例中，采用八甲基环四硅氧烷作为所述反应气体，所述八甲基环四硅氧烷的分子结构如下：

所述八甲基环四硅氧烷分子结构本身自带“环”状结构，在采用八甲基环四硅氧烷气体作为反应气体沉积形成介质层100时，八甲基环四硅氧烷分子之间可以依靠起***的甲基相结合，也就是说，八甲基环四硅氧烷分子自带的“环”状结构便可以形成孔隙；且多个孔隙之间相互独立。

需要说明的是，本发明所述的“环”仅仅是为了方便说明，并不是实质意义上的平面的“环”，此处为本领域技术人员所熟知，八甲基环四硅氧烷实际的结构应为立体结构，所述的“环”应当是一个近似球体的形状。

或者，八甲基环四硅氧烷分子中的“环”断开，与其他八甲基环四硅氧烷的分子结合形成一个更大的“环”，这个“环”形成的孔隙也是独立的，因为与硅原子连接的只有甲基以及氧原子(也就是硅氧键)，八甲基环四硅氧烷的“环”状结构断开，也就是硅氧键断开，硅原子可以与其他八甲基环四硅氧烷分子中的氧原子重新结合形成新的硅氧键，形成的更大的分子仍然是一个“环”状结构，只是这个“环”更大。所以，无论如何反应，每一个形成的孔隙都是单独的(八甲基环四硅氧烷自身的“环”，或者是“环”形结构断开加入其他八甲基环四硅氧烷分子形成更大的“环”)。

如前文所述，在化学气相沉积的过程中，环硅氧烷的分子一般在聚合到一定重量时会“下沉”，进而附着在被沉积表面上，而环硅氧烷的分子聚合到何种重量时“下沉”取决于沉积时的各项工艺参数，也就是说，环硅氧烷的分子之间聚合形成的“环”在到达一定阈值范围时便沉积至被沉积表面，形成的孔隙之间的尺寸差距不会有太大的波动，孔隙的大小比较均匀。

此外，本实施例中的八甲基环四硅氧烷仅为本发明的一个实施例，在本发明的其他实施例中，可以采用其他类似结构的反应气体，例如十甲基环五硅氧烷(Decamethylcyclopentasiloxane)，参考以下分子式：

或者，十二甲基环六硅氧烷(Dodecamethylcyclohexasiloxane)，参考以下分子式：

或者，十四甲基环七硅氧烷(Tetradecamethylcycloheptasiloxane)，参考以下分子式：

以及等其他属于环硅氧烷的物质，这些物质均自带“环”状结构，且与硅原子相连的均是较为稳定的甲基以及硅氧键，都可以根据上述的原理形成独立的孔隙，所以本发明对此不作限定，可以采用属于环硅氧烷的一种或者多种物质形成所述介质层100。

此处需要说明的是，上述的八甲基环四硅氧烷等在常温下为液态，在实际操作中，需要将液态的八甲基环四硅氧烷加热气化(蒸发)生成气态的八甲基环四硅氧烷，然后进行上述的等离子沉积。其中的气化过程为本领域常用技术手段，本发明对此不作赘述，也不作任何限定。

在本实施例中，所述反应气体还包括氧气，氧气可以帮助调节反应气体中八甲基环四硅氧烷气体的浓度以及均匀程度，进而促进反应的进行，进而对形成的介质层100的k值起到一定的调节作用。

但是，本发明对是否一定要加入氧气不作限定，在本发明的其他实施例中，也可以不加入氧气，或者可以将氧气替换为臭氧、氧气、二氧化碳或者一氧化碳等气体。

在本实施例中，还在所述反应气体中通入氦气，所述氦气为沉积过程中所用到的载气(carriergas)。

具体的，可以使八甲基环四硅氧烷的通入量在2500～3500毫克/分钟的范围内，同时，使得反应气体(包括上述的八甲基环四硅氧烷气化得到的气体、氧气)以及载气的总流量在140～180标况毫升/分钟。在此数值范围内有利于形成上述的具有多个相互独立的孔隙101的含碳氧化硅介质层100。

在本实施例中，形成k值在2.6～3.0的范围内的介质层100。

但是需要说明的是，以上参数仅为本实施例所采用，在具体操作时，应根据实际情况调整上述参数。本发明对此不作限定；例如，在本发明中其他不加入氧气的实施例中，反应气体中仅包含八甲基环四硅氧烷气体，此时也可以使八甲基环四硅氧烷的通入量在2500～3500毫克/分钟的范围内，同时，使得反应气体(包括八甲基环四硅氧烷气体)以及氦气的流量在140～180标况毫升/分钟。

在本实施例中，形成的介质层100中的孔隙的平均直径在7～9埃的范围内。

在本实施例中，在形成所述具有多个相互独立的孔隙101的含碳氧化硅介质层100后，还包括以下步骤：

固化所述介质层100。

具体的，本实施例通过光辐射的方式固化所述介质层100。例如：采用紫外光照射所述介质层100，使得形成的介质层100中的硅氧键结构发生变化，硅氧键之间进一步交织形成键角更小的硅氧键，进而增加结构的稳定性，从而使介质层100的机械强度增加。

具体的，本实施例可以采用汞弧灯、一些卤化物灯(例如碘钨灯)、氘灯等设备对所述介质层100进行照射，但是本发明对具体采用何种设备不作限定。

同时需要说明的是，所述的固化步骤仅为本发明的一个实施例，以进一步增加所述介质层100的机械强度，本发明对是否必须设置所述固化步骤不作限定，因为本发明形成的介质层100由于具有独立的孔隙101，相对于现有技术中同等材料的介质层，机械强度已经得到提升，性能也更好。

在形成所述介质层100之后，本实施例还包括在所述介质层100中形成导电插塞(例如金属插塞)等结构，与现有技术相同，在此不作赘述。

本发明还提供一种互连结构，包括衬底；位于所述衬底上的介质层，所述介质层为含碳氧化硅层，所述含碳氧化硅层中具有多个相互独立的孔隙；位于所述介质层中的导电插塞。

参考图3为本发明互连结构中的介质层200一实施例的结构示意图。

所述介质层200为含碳氧化硅(SiOCH)层，所述含碳氧化硅层中具有多个相互独立的孔隙，相对于现有技术中的同样含有孔隙的介质层而言机械强度更高，因为现有技术中的介质层中的孔隙之间相互连通，而本发明的孔隙201之间相互独立，整个介质层200的机械强度相对较高，进而提升了整个互连结构的性能。

在本实施例中，所述介质层的k值在2.6～3.0的范围内，但是本发明对此不作限定。

在本实施例中，所述介质层200中的相互独立的孔隙的平均直径在7～9埃的范围内。

在本实施例中，所述介质层200中还形成有导电插塞(例如金属插塞)等结构，但是本发明对此不作限定。

此外，所述介质层可以但不限于采用本发明互连结构的形成方法得到。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (14)

1.一种互连结构的形成方法，其特征在于，包括：

提供衬底；

采用气化的环硅氧烷作为反应气体，在所述衬底上沉积形成具有多个相互独立孔隙的介质层；

在所述介质层中形成导电插塞。

2.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，形成所述介质层的步骤包括：采用等离子沉积的方式形成所述介质层。

3.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述环硅氧烷的反应气体包括八甲基环四硅氧烷气体、十甲基环五硅氧烷气体、十二甲基环六硅氧烷气体和十四甲基环七硅氧烷气体的一种或多种。

4.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，形成所述介质层的步骤中，所述反应气体还包括臭氧、氧气、二氧化碳或者一氧化碳。

5.如权利要求1或4所述的形成方法，其特征在于，形成所述介质层的步骤包括：在沉积时通入氦气作为载气。

6.如权利要求5所述的形成方法，其特征在于，所述反应气体和载气的总流量在140～180标况毫升每分钟的范围内。

7.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，形成所述介质层的步骤包括：环硅氧烷的通入量在2500～3500毫克/分钟的范围内。

8.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，形成所述介质层的步骤包括：形成k值在2.6～3.0范围内的介质层。

9.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，形成所述介质层的步骤包括：使形成的介质层中孔隙的平均直径在7～9埃的范围内。

10.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，形成所述介质层的步骤之后，形成所述导电插塞之前，所述形成方法还包括：对所述具有多个空隙的介质层进行固化处理。

11.如权利要求10所述的形成方法，其特征在于，固化处理包括：采用紫外光照射所述介质层。

12.一种互连结构，其特征在于，包括：

衬底；

位于所述衬底上的介质层，所述介质层为含碳氧化硅层，所述含碳氧化硅层中具有多个相互独立的孔隙；

位于所述介质层中的导电插塞。

13.如权利要求12所述的互连结构，其特征在于，所述介质层中孔隙的平均直径在7～9埃的范围内。

14.如权利要求12所述的互连结构，其特征在于，所述介质层的k值在2.6～3.0的范围内。