CN105826295B - 互连结构及其形成方法 - Google Patents

Abstract

一种互连结构及其形成方法，其中形成方法包括：提供半导体衬底，在半导体衬底上形成有第一金属间介质层、及位于第一金属间介质层中的互连铜层，互连铜层上表面露出；对互连铜层上表面进行粗糙处理，使互连铜层上表面凹凸不平；在对互连铜层上表面进行粗糙处理后，在所述第一金属间介质层和互连铜层上形成第二金属间介质层。在本案中，互连铜层上表面凹凸不平，使得第二金属间介质层与互连铜层上表面的接触面积增大，两者之间的黏附性增强，避免第二金属间介质层从与互连铜层接触的位置剥落，提升半导体器件的良率和可靠性。

Description

互连结构及其形成方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种互连结构及其形成方法。

背景技术

现有一种金属互连结构的制造方法包括：

参照图1，提供半导体衬底1，在半导体衬底1上形成有器件结构(图中未示出)；

继续参照图1，在半导体衬底1和器件结构上形成第一金属间介质层2、位于第一金属间介质层2中的第一互连铜层3，第一互连铜层3通过导电插塞(图中未示出)与器件结构电连接，其上表面露出；

参照图2，在半导体衬底1和第一互连铜层3上形成第二金属间介质层4，第二金属间介质层4包括：氮化硅层40及位于氮化硅层40上的氧化硅层41，在氧化硅层41形成过程中，氮化硅层40保护第一互连铜层3上表面免遭氧气氧化；

参照图3，在第二金属间介质层4中形成第二互连铜层5。根据具体的布线设计，第二互连铜层5可以与下层的部分第一互连铜层3(参照图3中右侧的第一互连铜层3)接触电连接。之后，可重复图1～图3的步骤，在半导体衬底上形成若干层互连铜层。

但是，在使用现有技术形成互连结构后，包括该互连结构的半导体器件良率和可靠性下降。

发明内容

本发明解决的问题是，使用现有技术形成互连结构后，包括该互连结构的半导体器件良率和可靠性下降。

为解决上述问题，本发明提供一种互连结构的形成方法，该形成方法包括：

提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成有第一金属间介质层、及位于所述第一金属间介质层中的互连铜层，所述互连铜层上表面露出；

对所述互连铜层上表面进行粗糙处理，使所述互连铜层上表面凹凸不平；

在对所述互连铜层上表面进行粗糙处理后，在所述第一金属间介质层和互连铜层上形成第二金属间介质层。

可选地，对所述互连铜层上表面进行粗糙处理的方法为：使用气体轰击所述互连铜层的上表面以形成若干凹坑。

可选地，在所述互连铜层形成过程中会在上表面形成氧化铜，在所述第一金属间介质层和互连铜层上形成第二金属间介质层之前，使用还原性气体对所述互连铜层上表面的氧化铜进行还原处理。

可选地，在使用还原性气体对所述互连铜层上表面进行还原处理之后、或在还原处理的过程中，使用还原性气体轰击所述互连铜层上表面以形成若干凹坑。

可选地，所述第二金属间介质层包括氮化硅层、位于所述氮化硅层上的氧化硅层。

可选地，使用等离子体增强化学气相沉积形成氮化硅层。

可选地，所述还原性气体为氨气或氨气和氮气的混合气体。

可选地，在使用还原性气体轰击所述互连铜层过程中，还原性气体的流量范围为4000sccm～7000sccm，压强范围为4Torr～5Torr。

可选地，对所述互连铜层上表面进行粗糙处理的方法为：使用酸性试剂对所述互连铜层上表面进行腐蚀处理以形成若干凹坑。

可选地，在所述第一金属间介质层中形成互连铜层的方法包括：

对所述第一金属间介质层进行图形化，在所述第一金属间介质层中形成沟槽；

在所述第一金属间介质层上及沟槽中形成铜材料，所述铜材料填充满沟槽；

对所述铜材料进行平坦化处理，至所述沟槽中的铜材料上表面与第一金属间介质层上表面持平，所述沟槽中剩余的铜材料作为互连铜层。

可选地，使用化学机械抛光工艺对所述铜材料进行平坦化处理。

可选地，还包括：在所述第二金属间介质层中形成互连金属层。

本发明还提供一种互连结构，该互连结构包括：

半导体衬底；

位于所述半导体衬底上的第一金属间介质层、位于所述第一金属间介质层中的互连铜层，所述互连铜层上表面凹凸不平；

位于所述第一金属间介质层和互连铜层上的第二金属间介质层。

可选地，所述第二金属间介质层包括氮化硅层、位于所述氮化硅层上的氧化硅层。

可选地，还包括：位于所述第二金属间介质层中的互连金属层。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

在形成第二金属间介质层之前，对互连铜层上表面进行粗糙处理，使互连铜层上表面凹凸不平，使得第二金属间介质层与互连铜层上表面的接触面积增大，两者之间的黏附性增强。这样，在第一金属间介质层中形成互连金属层以及之后的半导体工艺过程中，在高温条件下，较强的粘附力能够克服互连铜层热膨胀而对第二金属间介质层产生的较强应力，确保第二金属间介质层紧紧粘附在互连铜层上，避免第二金属间介质层从与互连铜层接触的位置剥落。进一步地，互连铜层被第二金属间介质层所阻挡而不会向外扩散，且其上表面不会受湿气等污染物污染，提升半导体器件的良率和可靠性。

附图说明

图1～图3是现有技术的互连结构在形成过程中各个阶段的剖面图；

图4～图12是本发明具体实施例的互连结构在形成过程各个阶段的剖面图。

具体实施方式

发明人针对现有技术存在的问题进行了分析，发现：请参照图2，使用化学气相沉积形成第二金属间介质层4，在沉积过程的高温作用下，第一互连铜层3与氮化硅层40均会发生热膨胀。由于铜的热膨胀系数(约为17ppm/K)远大于氮化硅的热膨胀系数(约为2.1ppm/K)，因此，第一互连铜层3的膨胀程度大于氮化硅层40，导致氮化硅层40与第一互连铜层3之间存在应力失配，导致两者粘附性差。

参照图3，尤其是图中右侧，在第一互连铜层3上接触电连接有第二互连铜层5，第二互连铜层5受热膨胀会更强力挤压周围的氮化硅层40，导致氮化硅层40与图4中左侧的第一互连铜层3的界面之间存在更大的相互剪切作用，两者的粘附性进一步减弱。

当继续在第二互连铜层5和第一金属间介质层4上沉积形成氮化硅层6，在沉积工艺的高温(约为400℃)条件下，与第一互连铜层3的上表面接触的氮化硅层40受到第一互连铜层3更大应力作用，以及第二互连铜层5的挤压而断裂，导致第二金属间介质层4剥离。

由于氮化硅层40剥落，第一互连铜层3中的铜会向外扩散，且水、氧气或其他污染物也会污染第一互连铜层3上表面，最终导致半导体器件良率和可靠性下降。

对此，发明人提出了一种新的互连结构的形成方法，以解决上述问题。

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做详细的说明。

参照图4，提供半导体衬底10，在半导体衬底10上形成有器件结构(图中未示出)、覆盖半导体衬底10和器件结构的层间介质层11、位于层间介质层11上的第一金属间介质层12。其中，器件结构用于实现特定功能。

在本实施例中，层间介质层11的材料为氧化硅，在层间介质层11中形成有导电插塞110，导电插塞110用于电连接器件结构。第一金属间介质层12为底层金属间介质层，用于在其中形成互连金属层。以下将以底层金属间介质层来阐述本发明技术方案，此仅为示例。在其他实施例中，第一金属间介质层还可以是底层金属间介质层与顶层金属间介质层之间的任一中间金属间介质层。

第一金属间介质层12包括：第一氮化硅层121、及位于第一氮化硅层121上的第一氧化硅层122，第一氮化硅层121与氧化硅材料的粘附性好，使得第一氮化硅层121与第一氧化硅层122和层间介质层11能形成稳定粘附，且第一氮化硅层121可以保护导电插塞110，阻挡第一氧化硅层122形成过程中的湿气污染导电插塞110表面。具体地，可使用等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)工艺形成第一氮化硅层121，所得到的第一氮化硅层121致密性好。第一氧化硅层122和第一氮化硅层121起到绝缘隔离作用。

在本实施例中，半导体衬底10可以为硅衬底，也可以是锗、锗硅、砷化镓衬底或绝缘体上硅衬底。本领域技术人员可以根据需要选择衬底类型，因此半导体衬底10的类型不应成为限制本发明的保护范围的特征。本实施例中的半导体衬底10为硅衬底，因为在硅衬底上实施本技术方案要比在其他类型衬底上实施本技术方案成本低。

之后，使用大马士革工艺，在第一金属间介质层12中形成第一互连铜层。具体工艺步骤如下：

参照图5，对第一金属间介质层12进行图形化，形成沟槽123，沟槽123露出层间介质层11，定义出互连铜层的位置，根据具体的布线设计，沟槽123露出导电插塞110(参照图5左侧沟槽123)，和/或露出层间介质层11(参照图5右侧沟槽123)；

参照图6，使用化学气相沉积或物理气相沉积工艺，在第一氧化硅层122上及沟槽123(参照图5)中形成铜材料13，铜材料13填充满沟槽123；

参照图7，使用化学机械抛光工艺，对铜材料13(参照图6)进行平坦化处理，至第一氧化硅层122上表面与沟槽中剩余的铜材料上表面基本持平，沟槽中剩余的铜材料作为互连铜层130。由于铜材料硬度太大，不适于使用干法刻蚀工艺，因此使用化学机械抛光工艺对铜材料进行平坦化处理。

参照图8，使用气体轰击互连铜层130上表面，以对互连铜层130上表面进行粗糙处理，增大互连铜层130上表面的粗糙度而呈现凹凸不平，请参考图8中的虚线框区域。互连铜层130上表面粗糙，使得后续第二金属间介质层与互连铜层130之间的粘附力增强，防止第二金属间介质层从与互连铜层130接触的位置剥落。

考虑到在互连铜层130形成过程中，互连铜层130上表面暴露在空气中会被氧化形成氧化铜，氧化铜会增大后续互连铜层130上表面的接触电阻，影响信号传递。因此，在形成互连铜层130之后，通常会对互连铜层130上表面的氧化铜进行还原处理，以将氧化铜还原为铜。在本实施例中，在对互连铜层130上表面进行还原处理的同时，使用还原性气体A轰击互连铜层130上表面以形成若干凹坑。

在本实施例中，使用氮气作为还原性气体，氨气与氧化铜反应生成铜、水和氮气。在通入氨气的同时，还向腔体内通入氮气作为保护气体。同时，还将氮气和氨气高速打向互连铜层130上表面。

在本实施例中，在使用还原性气体对互连铜层130上表面的氧化铜进行还原处理之后、或在还原处理过程中，使用未经等离子体化的还原性气体轰击互连铜层130上表面以形成若干凹坑。

在轰击过程中，还原性气体的流量范围为4000sccm～7000sccm，以提供足够剂量的轰击气体，如果还原性气体的流量小于4000sccm，互连铜层130上表面达不到所需的粗糙度，如果还原性气体流量大于7000sccm，会轰击掉互连铜层130较多的量而造成其无法正常工作。轰击过程中的压强范围为4Torr～5Torr。

除本实施例的方案外，在其他示例中，参照图9，对互连铜层上表面进行粗糙处理的方法为：使用ST250酸性溶液腐蚀互连铜层130′上表面，形成凹坑(参见虚线框区域)，使用的酸性试剂为ST250酸性溶液B。ST250酸性溶液是由ATMI股份有限公司制造的商业清洗配方，包括水、氨水、以及少量的氢氟酸。除ST250外，还可使用其他可行的酸性溶剂。在对互连铜层上表面腐蚀后，使用清洗液清洗腐蚀过程生成的残留物，并通入N₂吹拂互连铜层上表面以实现干燥效果。

在本实施例中，使用ST250酸性溶液腐蚀互连铜层130′上表面为：将酸性试剂滴注在第一金属间介质层12′上表面，并在滴注过程中控制半导体衬底10′自转，受离心力作用，第一金属间介质层12′上的酸性试剂的液滴注在第一金属间介质层12′上表面的酸性试剂分散开，并在互连铜层130′上表面与互连铜层130′反应而对互连铜层130′上表面造成腐蚀，并形成凹坑。酸性试剂与互连铜层130′反应的生成物因离心作用，从第一金属间介质层12′上表面甩出，因此不会对第一金属件介质层上表面12′造成污染。

半导体衬底10′的自转转速达到几百r/min，时间大概30分钟。在本实施例中，半导体衬底10′的自转转速为300r/min～500r/min，以提供足够的转速，确保酸性试剂分散开来。如果半导体衬底10′的自转转速小于300r/min，第一金属间介质层12′上表面的酸性试剂不能形成足够分散，互连铜层130′上表面的酸性试剂量少，不能形成明显的凹坑，无法达到本发明要到到的技术效果。如果半导体衬底10′的自转转速大于500r/min，酸性试剂过于分散，互连铜层130′上表面的大部分酸性试剂被甩出，而达不到腐蚀效果。

在本实施例中，半导体衬底10′的自转时间范围为27min～33min，以提供足够的时间达到所需的腐蚀效果。

在本实施例中，对所述互连铜层上表面进行粗糙处理，互连铜层的损耗量特别少，基本不会改变互连铜层的电阻及互连铜层上表面的接触电阻，因此不会影响正常的信号传递。另外，在使用高速离子轰击互连铜层上表面时，还可能会轰击到第一氧化硅层上表面，但后续第二金属间介质层会覆盖第一氧化硅层上表面，不会影响其绝缘隔离效果。

参照图10，在第一金属间介质层12和互连铜层130上形成第二氮化硅层140，由于互连铜层130上表面凹凸不平，形成有若干凹坑，第二氮化硅层140与互连铜层130上表面的接触面积增大，使得第二氮化硅层140与互连铜层130上表面的粘附性更强，可以克服第二氮化硅层140与互连铜层130之间的应力作用，第二氮化硅层140稳定性增强；

参照图11，在第二氮化硅层140上形成第二氧化硅层141，第二氮化硅层140用于隔绝外界湿气，保护互连铜层130上表面免遭氧化污染，第二氮化硅层140和第二氧化硅层141共同作为第二金属间介质层14，其中，可使用等离子体增强化学气相沉积工艺形成第二氮化硅层140和第二氧化硅层141；

参照图12，在第二金属间介质层14中形成互连金属层15。在实施例中，互连金属层15的材料为铜。在其他实施例中，也可为其他金属材料。

在本实施例中，使用大马士革工艺形成互连金属层15：对第二金属间介质层14进行图形化，在第二金属间介质层14中形成1个或多个沟槽，根据具体布线安排，沟槽露出互连铜层或第一氧化硅层；在第二氧化硅层141上和沟槽中形成铜材料，铜材料填充满沟槽；化学机械抛光铜材料，至沟槽中的铜材料上表面与第二氧化硅层141上表面持平，沟槽中的铜材料作为互连金属层15，互连金属层15与下层的部分互连铜层130接触电连接(参见图12右侧的互连金属层15部分)，而部分互连铜层130上未与互连金属层15电连接(参见图12左侧的互连金属层15)。

在图12的右侧，互连金属层15与其下层的互连铜层130电连接，虽然互连金属层15与互连铜层130组成的互连布线层具有较大厚度，导致第二氮化硅层140与互连铜层130的界面之间存在相互剪切作用，但第二氮化硅层140与互连铜层130之间较强的粘附力，能够固定住第二氮化硅层140，防止第二氮化硅层140相对互连铜层130发生相对错位。

进一步地，在后续互连结构形成过程中，如沉积金属间介质层中，高温条件会促使互连铜层130与第二氮化硅层140热膨胀，使得第二氮化硅层140所受互连铜层130应力增强，第二氮化硅层140与互连铜层130之间的较强黏附性能够克服该较强应力作用，确保第二氮化硅层140紧紧粘附在互连铜层130上表面而不会剥落，极大降低了第二氮化硅层140剥落的风险。

在后续互连结构形成过程中和其他实施例中，在互连铜层上沉积金属间介质层，如氧化硅、氮化硅或其他介质层材料之前，可使用本实施例技术方案对互连铜层上表面进行粗糙处理，以增强互连铜层与上层的金属间介质层之间较强的粘附力。

参照图12，本发明还提供一种互连结构，该互连结构包括：

半导体衬底10；

位于半导体衬底10上的第一金属间介质层12、位于第一金属间介质层12中的互连铜层130，互连铜层130上表面凹凸不平；

位于第一金属间介质层12和互连铜层130上的第二金属间介质层14；

位于第二金属间介质层14中的互连金属层15。

在本实施例中，第二金属间介质层14包括：氮化硅层140、位于氮化硅蹭饭140上的氧化硅层141。

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 (10)

1.一种互连结构的形成方法，其特征在于，包括：

提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成有第一金属间介质层、及位于所述第一金属间介质层中的互连铜层，所述互连铜层上表面露出；

对所述互连铜层上表面进行粗糙处理，使所述互连铜层上表面凹凸不平，所述对所述互连铜层上表面进行粗糙处理的方法包括方案a和方案b：方案a，使用还原气体轰击所述互连铜层的上表面以形成若干凹坑；方案b，将酸性试剂滴注在第一金属间介质层上表面，并在滴注过程中控制所述半导体衬底自转，所述酸性试剂受离心作用而分散，并在所述互连铜层上表面与所述互连铜层反应而对互连铜层上表面造成腐蚀以形成若干凹坑；

在对所述互连铜层上表面进行粗糙处理后，在所述第一金属间介质层和互连铜层上形成第二金属间介质层。

2.如权利要求1所述的互连结构的形成方法，其特征在于，在所述互连铜层形成过程中会在上表面形成氧化铜，在所述第一金属间介质层和互连铜层上形成第二金属间介质层之前，使用还原性气体对所述互连铜层上表面的氧化铜进行还原处理。

3.如权利要求2所述的互连结构的形成方法，其特征在于，在使用还原性气体对所述互连铜层上表面进行还原处理之后、或在还原处理的过程中，使用还原性气体轰击所述互连铜层上表面以形成若干凹坑。

4.如权利要求2所述的互连结构的形成方法，其特征在于，所述第二金属间介质层包括：氮化硅层、位于所述氮化硅层上的氧化硅层。

5.如权利要求4所述的互连结构的形成方法，其特征在于，使用等离子体增强化学气相沉积形成氮化硅层。

6.如权利要求3所述的互连结构的形成方法，其特征在于，所述还原性气体为氨气或氨气和氮气的混合气体。

7.如权利要求6所述的互连结构的形成方法，其特征在于，在使用还原性气体轰击所述互连铜层过程中，还原性气体的流量范围为4000sccm～7000sccm，压强范围为4Torr～5Torr。

8.如权利要求1所述的互连结构的形成方法，其特征在于，在所述第一金属间介质层中形成互连铜层的方法包括：

对所述第一金属间介质层进行图形化，在所述第一金属间介质层中形成沟槽；

在所述第一金属间介质层上及沟槽中形成铜材料，所述铜材料填充满沟槽；

对所述铜材料进行平坦化处理，至所述沟槽中的铜材料上表面与第一金属间介质层上表面持平，所述沟槽中剩余的铜材料作为互连铜层。

9.如权利要求8所述的互连结构的形成方法，其特征在于，使用化学机械抛光工艺对所述铜材料进行平坦化处理。

10.如权利要求1所述的互连结构的形成方法，其特征在于，还包括：在所述第二金属间介质层中形成互连金属层。